Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausgestaltung des im Hauptpatent definierten mechanischen Filters mit elektromechanischen Wandlern, für tiefe Tonfrequenzen zwischen 100 und 500 Hz, mit in einer Ebene parallel zueinander liegenden, in einer gemeinsamen Einspannmasse einseitig eingespannten, massengekoppelten Schwingzungen.
Rundsteueranlagen dienen dazu, von einer Kommandostelle aus über das elektrische Versorgungsnetz Schaltbefehle an alle Verbraucherstellen des Netzes zu senden, sei es zur Ein- oder Ausschaltung von Verbrauchern oder zur anderweitigen Steuerung von Schaltern. In bekannter Weise werden hierzu in der Kommandostelle tonfrequente Impulse in das Netz eingespeist und die zu steuernden Verbraucher weisen Empfänger auf, die auf vorbestimmte Kommandos ansprechen und die befohlenen Schaltfunktionen ausführen. Zu diesem Zweck sind in den Empfängereingängen Filter vorgesehen, die die tonfrequenten Impulse aus dem Gemisch von Netzfrequenz, deren Harmonischen und allen anderen im Netz vorkommenden Frequenzen selektieren.
Zur Aussiebung der Tonfrequenz hat man elektrische Filter verwendet, die aber bei tiefen Tonfrequenzen eine ungenügende Trennschärfe aufweisen und zudem sehr platzaufwendig sind. Aus diesem Grunde hat man elektrische Filter durch elektromechanische ersetzt. Das sind mechanische Schwinger in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern. Damit lassen sich sehr selektive Durchlasskurven erzielen, da man den Gütefaktor mechanischer Schwinger sehr hoch treiben kann.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist neben einer selektiven Durchlasskurve auch eine grosse Bandbreite des Durchlassbereichs notwendig. Damit lassen sich kleine Ansprechzeiten der Empfänger erreichen.
Ein bekanntes Stimmgabelfilter ist gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Stimmgabel, dass die beiden Resonanzfrequenzen der Stimmgabel einander dicht benachbart liegen und eine gemeinsame Durchlasskurve entsteht.
Dies wird erreicht, indem die Einspannmasse für den Stimmgabelfuss zu einem Koppelglied gestaltet wird, dessen Masse den Kopplungsgrad bestimmt.
Das Hauptpatent bezieht sich auf ein mechanisches Bandfilter mit elektromechanischen Wandlern, für Tonfrequenzen zwischen 100 und 500 Hz, mit in einer Ebene parallel zueinander liegenden, in einer gemeinsamen Einspannmasse einseitig eingespannten, massengekoppelten Schwingzungen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kopplung der Schwingzungen (1, 2) von der Masse Ml durch mindestens eine auf einer Flachseite der Schwingzungen parallel zu diesen angeordnete und an der gemeinsamen Einspannmasse ME (13, 14) befestigte Zusatzmasse MK (8, 9, 10, 11, 12) erfolgt, wobei das Verhältnis
ME + MK M mindestens 5 :1 beträgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Masse und damit die Abmessungen des Filters wesentlich zu vermindern und die Herstellung zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch ein elektromechanisches Bandfilter gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die zwei massengekoppelten Schwingzungen völlig aus Multimorph Piezokeramik bestehen und damit Schwingzunge und elektromechanischer Wandler in einem Element vereinigt sind, wobei die Wandler im Serienbetrieb arbeiten.
Für diesen Zweck geeignete Multimorph-Piezokeramiken bestehen aus vorzugsweise stranggepressten länglichen Streifen aus Piezokeramik, welche mit mehreren längsweg in einer zu den Breitseiten parallel angeordneten Ebene verlaufenden metallisierten Mittellöchern versehen und auf den Breitseiten ebenfalls metallisiert sind. Bei der Herstellung werden die Streifen durch Anlegen eines elektrischen Gleichspannungsfeldes zwischen den parallelgeschalteten Aussenbelegen und den parallelgeschalteten Innenbelegen der Mittellöcher polarisiert, worauf üblicherweise die Metallisierung der Mittellöcher entfernt wird. Die Polarisation der fertiggestellten Multimorph-Piezokeramikstreifen ist entgegengesetzt von beiden Breitseiten her zur Mittelebene gerichtet. Die Metallisierungen der beiden Breitseiten dienen dabei als die beiden Elektroden.
Die Eigenschaften und die Einsatzmöglichkeiten solcher Multimorph-Piezokeramikstreifen sind an sich bekannt. Insbesondere wurde deren Verwendung in Bandfiltern für Tonfrequenzen unter und über 500 Hz in Form von H-förmigen, aus Rücken zu Rücken mit einem Distanzstück verklebten Stimmgabeln bestehenden Anordnungen beschrieben.
Es war aber wegen der den Fachleuten bekannten Brüchigkeit der Multimorph-Piezokeramikelemente nicht zu erwarten, dass solche für die Verwendung in Rundsteuerempfängern tauglich wären. In Verbindung mit den Massnahmen nach dem Hauptpatent wurde dies nun ermöglicht.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes anhand einer Zeichnungsfigur beschrieben.
Das elektromechanische Bandfilter nach der Zeichnungsfigur besitzt zwei einzelne, in einer Ebene parallel zueinanderliegende, an einem Ende befestigte und durch ihre gemeinsame Einspannmasse ME mit der Bezugsziffer 3 bereits massengekoppelte Schwingzungen 1, 2. Die Schwingzungen 1, 2 bestehen aus gleichen Streifen von Multimorph-Piezokeramik. Sie sind durch Löten oder Kleben mit einem leitfähigen Kleber mit der Einspannmasse 3 fest verbunden. Die Schwingzungen 1 und 2 besitzen eine Metallisierung 4 und 5 auf der sichtbaren Vorderflachseite, sowie eine gleichartige Metallisierung auf der in der Zeichnungsfigur nicht sichtbaren, rückwärtigen, mit der Einspannmasse 3 verbundenen Flachseite.
Die metallisierten Teile 4 und 5 der Schwingzungen 1 und 2 sind mit je einer Zu- und Ableitung für die elektrischen Signale versehen, während ein weiterer Anschluss, der mit der Einspannmasse 3 verbunden ist, den Vierpol des Bandfilters vervollständigt. Die Schwingzungen 1 und 2 stellen also zugleich die elektromechanischen Wandler dar.
Das erfindungsgemässe Bandfilter nach der Zeichnungsfigur besitzt neben der Einspannmasse 3 eine auf nur einer Flachseite der Schwingzungen 1, 2 angeordnete Zusatzmasse 6, wobei die Längsachsen der Schwingzungen 1 und 2 und die der Zusatzmasse 6 zueinander parallel stehen. Einspann- und Zusatzmasse zusammen stellen die der Kopplung dienende Masse MT dar, die Förmig ausgebildet ist.
Wie im Hauptpatent dargelegt, kann auch hier das Filterelement, das aus den zugleich als elektromechanischen Wand ler wirkenden Schwingzungen 1 und 2 und der Einspannmasse 3 besteht, in zwei Schwingungszuständen wirken; in einem, in welchem diese gleichsinnig schwingen und in einem, in welchem sie gegensinnig schwingen. Die gegensinnige Betriebsart wird nur durch die Dimensionen und die mechanischen Eigenschaften des Materials der Schwingzungen 1, 2 bestimmt. Die gleichsinnige Betriebsart wird dagegen durch die Kopplung bestimmt. Das ganze Filter soll in einer elastischen Masse, vorzugsweise in einem im interessierenden Temperaturintervall seine Eigenschaften nicht verändernden Kautschuk derart gehalten oder an Federn aufgehängt werden, dass diese Schwingungszustände nicht beeinflusst werden.
Bei dem erfindungsgemässen mechanischen Bandfilter nach der Zeichnungsfigur ist die an der Einspannmasse 3 befestigte Zusatzmasse MK nur auf einer Flachseite der Schwingzungen 1, 2 in Form einer zu diesen parallel angeord neten Platte 6 ausgeführt. Diese kann sich, je nach dem gewünschten Kopplungskoeffizienten nur über einen Teil oder die ganze Länge der Schwingzungen 1, 2 erstrecken. Sie soll mindestens so breit sein, dass sie, quer zu den Schwingzungen 1, 2 deren äussere Ränder überragt. Die Masse der Platte 6, sowie ihre Dimensionierung gegenüber den Schwingzungen 1, 2 bestimmt zusammen mit der Einspannmasse 3 die gegenseitige Kopplung dieser Zungen. Sie kann deshalb grundsätzlich auch, wie bei einer Ausführungsform der Fig.
3 des Hauptpatentes durch eine vorzugsweise am freien Ende der Zusatzmasse 6 angebrachte Verstärkung vergrössert werden. Im allgemeinen ist dies jedoch überflüssig, da bei der geringen Masse, den die Multimorph-Piezokeramikelemente aufweisen, beim gleichen Massenverhältnis wie im Hauptpatent, diese Zusatzmasse 4- bis 5mal geringer sein kann.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Bandfilters ist analog demjenigen nach dem Hauptpatent. Die wesentliche Verschiedenheit liegt darin, dass die Schwingzungen zugleich die elektromechanischen Wandler integriert enthalten und dass die Masse der aus Multimorph-Piezokeramik bestehenden Schwingzungen bedeutend geringer ist als diejenige von Metall-Schwingzungen.
Das beschriebene Multimorph-Filter weist im Temperaturbereich von +10 C bis +40 "C folgende wesentliche Eigenschaften auf unter der Voraussetzung sogenannter kritischer Kopplung (Welligkeit der Resonanzkurve gleich Null):
Bei einer Bandmittenfrequenz von 100 Hz (300 Hz; 500 Hz) erhält man eine 3dB-Bandbreite von 5 Hz (10 Hz;
15 Hz).
Der technische Fortschritt besteht darin, mit den Multimorph-Filtern in oben beschriebener Ausführung ein elektromechanisches Filter vorlegen zu können, das sich im Bereich von 100 Hz bis 500 Hz durch seine Breitbandigkeit auszeichnet.
The invention relates to a further embodiment of the mechanical filter defined in the main patent with electromechanical transducers, for low audio frequencies between 100 and 500 Hz, with mass-coupled vibrating tongues lying parallel to one another in a plane and clamped on one side in a common clamping mass.
Ripple control systems are used to send switching commands to all consumer points in the network from a command post via the electrical supply network, be it for switching consumers on or off or for other control of switches. In a known manner, for this purpose, audio-frequency pulses are fed into the network in the command center and the consumers to be controlled have receivers that respond to predetermined commands and carry out the switching functions. For this purpose, filters are provided in the receiver inputs which select the audio-frequency pulses from the mixture of network frequency, its harmonics and all other frequencies occurring in the network.
To filter out the audio frequency, electrical filters have been used, which, however, have insufficient selectivity at low audio frequencies and are also very space-consuming. For this reason, electrical filters have been replaced by electromechanical ones. These are mechanical oscillators in connection with electromechanical converters. This allows very selective transmission curves to be achieved, since the quality factor of mechanical transducers can be driven very high.
In addition to a selective transmission curve, a large bandwidth of the transmission range is necessary for certain application purposes. This enables short recipient response times to be achieved.
A known tuning fork filter is characterized by such a configuration of the tuning fork that the two resonance frequencies of the tuning fork are closely adjacent to one another and a common transmission curve is created.
This is achieved by designing the clamping mass for the tuning fork base into a coupling link, the mass of which determines the degree of coupling.
The main patent relates to a mechanical band filter with electromechanical transducers, for audio frequencies between 100 and 500 Hz, with mass-coupled vibrating tongues lying in a plane parallel to one another, clamped on one side in a common clamping mass, which is characterized in that the coupling of the vibrating tongues (1 , 2) from the mass Ml through at least one additional mass MK (8, 9, 10, 11, 12) arranged on a flat side of the vibrating tongues parallel to the latter and attached to the common clamping mass ME (13, 14), the ratio
ME + MK M is at least 5: 1.
The present invention is based on the object of substantially reducing the mass and thus the dimensions of the filter and of simplifying manufacture.
This object is achieved by an electromechanical band filter, which is characterized in that the two mass-coupled vibrating tongues are made entirely of multimorph piezoceramic and thus vibrating tongue and electromechanical transducer are combined in one element, with the transducers working in series operation.
Multimorph piezoceramics suitable for this purpose consist of preferably extruded elongated strips of piezoceramics, which are provided with several metalized center holes running longitudinally in a plane arranged parallel to the broad sides and are likewise metalized on the broad sides. During production, the strips are polarized by applying an electrical direct voltage field between the parallel-connected outer layers and the parallel-connected inner layers of the center holes, whereupon the metallization of the center holes is usually removed. The polarization of the finished multimorph piezoceramic strips is directed opposite to the central plane from both broad sides. The metallizations on the two broad sides serve as the two electrodes.
The properties and the possible uses of such multimorph piezoceramic strips are known per se. In particular, their use in band filters for audio frequencies below and above 500 Hz has been described in the form of H-shaped tuning forks made of back-to-back with a spacer glued together.
However, because of the fragility of the multimorph piezoceramic elements, which is known to those skilled in the art, it was not to be expected that they would be suitable for use in ripple control receivers. In connection with the measures under the main patent, this has now been made possible.
An embodiment of the subject matter of the invention is described below with the aid of a drawing.
The electromechanical band filter according to the drawing has two individual vibrating tongues 1, 2, which are parallel to each other in a plane, fastened at one end and already mass-coupled by their common clamping mass ME with the reference number 3. The vibrating tongues 1, 2 consist of identical strips of multimorph piezoceramic . They are firmly connected to the clamping compound 3 by soldering or gluing with a conductive adhesive. The vibrating tongues 1 and 2 have a metallization 4 and 5 on the visible front flat side, as well as a similar metallization on the rear flat side connected to the clamping mass 3, which is not visible in the figure.
The metallized parts 4 and 5 of the vibrating tongues 1 and 2 are each provided with an inlet and outlet line for the electrical signals, while a further connection, which is connected to the clamping mass 3, completes the four-pole of the band filter. The vibrating tongues 1 and 2 also represent the electromechanical converters.
The band filter according to the invention according to the drawing has, in addition to the clamping mass 3, an additional mass 6 arranged on only one flat side of the vibrating tongues 1, 2, the longitudinal axes of the vibrating tongues 1 and 2 and those of the additional mass 6 being parallel to one another. Clamping and additional mass together represent the coupling mass MT, which is shaped.
As set out in the main patent, the filter element, which consists of the vibrating tongues 1 and 2, which also act as an electromechanical Wand ler, and the clamping mass 3, can act in two vibrational states; in one in which these vibrate in the same direction and in one in which they vibrate in opposite directions. The opposite operating mode is only determined by the dimensions and the mechanical properties of the material of the vibrating tongues 1, 2. The operating mode in the same direction, on the other hand, is determined by the coupling. The entire filter should be held in an elastic mass, preferably in a rubber that does not change its properties in the temperature range of interest, or suspended from springs in such a way that these oscillation states are not influenced.
In the mechanical band filter according to the invention according to the figure in the drawing, the additional mass MK attached to the clamping mass 3 is designed only on one flat side of the vibrating tongues 1, 2 in the form of a plate 6 arranged parallel to them. This can, depending on the desired coupling coefficient, extend only over part or the entire length of the vibrating tongues 1, 2. It should be at least as wide that it protrudes across the vibrating tongues 1, 2, their outer edges. The mass of the plate 6 and its dimensions with respect to the vibrating tongues 1, 2 together with the clamping mass 3 determine the mutual coupling of these tongues. You can therefore in principle, as in an embodiment of Fig.
3 of the main patent can be enlarged by a reinforcement preferably attached to the free end of the additional mass 6. In general, however, this is superfluous, since with the low mass that the multimorph piezoceramic elements have, with the same mass ratio as in the main patent, this additional mass can be 4 to 5 times less.
The mode of operation of the band filter according to the invention is analogous to that according to the main patent. The main difference is that the vibrating tongues also contain the electromechanical transducers integrated and that the mass of the vibrating tongues made of multimorph piezoceramics is significantly less than that of metal vibrating tongues.
The multimorph filter described has the following essential properties in the temperature range from +10 C to +40 "C, assuming so-called critical coupling (ripple of the resonance curve equal to zero):
With a band center frequency of 100 Hz (300 Hz; 500 Hz) a 3 dB bandwidth of 5 Hz (10 Hz;
15 Hz).
The technical progress consists in being able to present an electromechanical filter with the multimorph filters as described above, which is characterized by its broadband capability in the range from 100 Hz to 500 Hz.