DE1142975B

DE1142975B - Electromechanical filter

Info

Publication number: DE1142975B
Application number: DES67297A
Authority: DE
Inventors: Hans Albsmeier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-02-26
Filing date: 1960-02-26
Publication date: 1963-01-31

Description

Elektromechanisches Filter Es sind bereits elektromechanische Filter bekannt, die zu Längsschwingungen erregbare Resonatoren aufweisen, die achsparallel nebeneinander angeordnet und durch Scherschwingungen ausführende Kopplungsstücke verbunden sind.Electromechanical filter There are already electromechanical filters known, which have resonators which can be excited to longitudinal vibrations and which are axially parallel arranged next to each other and coupling pieces that perform shear vibrations are connected.

Derartige elektromechanische Filter dienen z. B. der Kopplung zweier aufeinander-folgender Verstärkerstufen. Die Aufgabe des Filters ist hierbei, nur ein bestimmtes Frequenzband zu übertragen und alle an deren Frequenzen so weitgehend als möglich zu unterdrücken. Der geringe Abstand zwischen den einzelnen Resonatoren schließt bei solchen Filtern die Anwendung von Haltevorrichtungen aus, mit welchen das Schwingsystem der z. B. durch die britische Patentschrift 822 536 beschriebenen Siebanordnungen versehen ist. Diese elektromechanischen Filter bestehen aus zu Längsschwingungen anregbaren, achsparallel aneinandergereihten Resonanzkörpern, die durch Kopplungsstäbe verbunden sind. die auf Grund der Querkontraktion der Resona;oren Längsschwingungen ausführen. Diesen Kopplungsstäben kann ohne weiteres eine Länge gegeben werden, die dem Zweifachen ihrer Eigenwellenlänge entspricht. Auf Kopplungsstäbe mit solchen Längenabmessungen lassen sich elastische, geschlitzte Kunststoffringe aufbringen, die Bestandteile einer Einspannvorrichtung sind.Such electromechanical filters are used, for. B. the coupling of two successive amplifier stages. The job of the filter here is, only to transmit a certain frequency band and all other frequencies so largely to suppress as possible. The small distance between the individual resonators excludes the use of holding devices with such filters the oscillation system of the z. B. by British patent specification 822,536 Sieve arrangements is provided. These electromechanical filters consist of longitudinal vibrations excitable, axially parallel lined up resonance bodies, which are connected by coupling rods are connected. those due to the transverse contraction of the resonant longitudinal vibrations carry out. These coupling rods can easily be given a length which corresponds to twice its natural wavelength. On coupling rods with such Length dimensions can be applied with elastic, slotted plastic rings, are the components of a jig.

Bei einer bekannten Ausführungsform von elektromechanischen Filtern, die achsparallel aneinandergereihte, zu Längsschwingungen anregbare Resonatoren aufweisen, die durch Scherschwingungen zeigende Koppelelemente verbunden sind, haben die Resonatoren die Form dünner Platten, die mit ihren Breitseiten einander gegenüberstehen. Die Halterung des Filterschwingsystems erfolgt dabei in der Weise, daß auf die Mittelpunkte der den Kopplungsstücken abgewandten Breitseiten der Endresonatoren die Kraft einer Feder über Kugeln einwirkt. Diese Halterungsart ist im allgemeinen nur dann in Erwägung zu ziehen, wenn die Einbaulage des Schwingsystems vorgeschrieben werden kann. Des weiteren eignet sich diese Halterungsart nicht für Schwingsysteme, bei welchen die größeren der beiden Schmalseiten plattenförmiger Resonatoren geringer Dicke durch die Koppelemente miteinander verbunden sind.In a known embodiment of electromechanical filters, The axially parallel lined up resonators that can be excited to produce longitudinal vibrations have, which are connected by coupling elements showing shear vibrations the resonators take the form of thin plates with their broad sides facing each other. The mounting of the filter oscillating system takes place in such a way that on the center points the broad sides of the end resonators facing away from the coupling pieces the force of a Spring acts on balls. This type of mounting is generally only considered to be pulled if the installation position of the oscillating system can be prescribed. Of Furthermore, this type of mounting is not suitable for oscillating systems in which the larger of the two narrow sides of plate-shaped resonators of small thickness the coupling elements are connected to one another.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromechanische Filter der eingangs näher umrissenen Art anzugeben. welchen Halteelemente eigen sind, die nicht derartigen Einschränkungen in ihrer Anwendbarkeit unterliegen.The invention is based on the object of electromechanical filters of the type outlined at the beginning. which retaining elements are peculiar to the are not subject to such restrictions in their applicability.

Die Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Filter, bei welchem zu Längsschwingungen anregbare, achsparallel nebeneinander angeordnete Resonatoren und Scherschwingungen ausführende Kopplungsstücke das mechanische Schwingsystem bilden, das eine Haltevorrichtung aufweist, für deren Anbri.ngung am Schwingsystem die Knotenebene der Resonatoren maßgebend ist.The invention relates to electromechanical filters in which Resonators that can be excited to produce longitudinal vibrations and are arranged axially parallel to one another and coupling pieces carrying out shear vibrations form the mechanical vibration system form, which has a holding device for attaching it to the oscillating system the nodal level of the resonators is decisive.

Erfindungsgemäß ist ein derartiges elektromechanisches Filter gekennzeichnet durch in sich steife Drähte zur Halterung des mechanischen Systems des Filters, die zumindest mit den Endresonatoren im Bereich ihrer Knotenlinien verbunden sind.Such an electromechanical filter is characterized according to the invention through rigid wires to hold the mechanical system of the filter, which are connected at least to the end resonators in the area of their node lines.

Für das Filter nach der Erfindung gelten einfache Einbauvorschriften ohne Vorbehalte hinsichtlich der Betriebslage. Die hohe Stoßfestigkeit, die durch die Haltedrähte erreichbar ist, wird voll ausgenutzt, wenn die Kopplungsstücke und die Resonatoren zu einer gegenüber mechanischen Beanspruchungen widerstandsfähigen Einheit beispielsweise durch Lötung vereinigt werden oder wenn das gesamte Filterschwingsystem in an sich bekannter Weise aus einem Metallteil gefertigt wird. Das kann durch Einfräsen entsprechender Ausschnitte und Aufarbeitung des gesamten Metallstückes geschehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kopplungsstücke und/oder die Resonatoren aus Stahl bestehen, da dann hinsichtlich des Temperaturverhaltens sehr günstige Verhältnisse erhalten werden. Es läßt sich ferner zeigen, daß die Haltevorrichtung des Filters nach der Erfindung ein hohes Maß an Freizügigkeit in der Wahl der elektromechanischen Wandler gewährleistet. Falls die Siebanordnung nach der Erfindung piezoelektrische Wandler aufweisen soll, besteht ein vorzugsweise kleiner, insbesondere an den Stirnflüchen gelegener Teil der zwei Resonatoren des Filterschwingsystems, die mit Kopplungsvorrichtungen zu versehen sind, aus piezoelektrischem Werkstoff. Soll hingegen das Schwingsystem des Filters an magnetostriktive Wandler angeschlossen werden, so empfiehlt sich die Anwendung von Wandleranordnungen, bei welchen jeweils auf beide Stirnflächen der zwei mit Kopplungsvorrichtungen zu verbindenden Resonatoren magnetostriktive Wandler einwirken.Simple installation instructions apply to the filter according to the invention without reservations regarding the operational situation. The high impact resistance achieved by the retaining wires can be reached, is fully utilized when the coupling pieces and the resonators to a resistant to mechanical stresses Unit can be united for example by soldering or if the entire filter oscillating system is manufactured in a manner known per se from a metal part. This can be done by milling corresponding cutouts and processing of the entire piece of metal happen. It is particularly advantageous if the coupling pieces and / or the resonators consist of steel, as it is very favorable in terms of temperature behavior Ratios are preserved. It can also be shown that the holding device of the filter according to the invention a high degree of freedom in the choice of electromechanical Converter guaranteed. If the sieve arrangement according to the invention is piezoelectric Should have converter, there is preferably one smaller, in particular Part of the two resonators of the filter oscillation system located at the end faces, which are to be provided with coupling devices, made of piezoelectric material. If, on the other hand, the filter's oscillating system is to be connected to magnetostrictive transducers are, the use of converter arrangements is recommended, each of which on both end faces of the two resonators to be connected with coupling devices act magnetostrictive transducers.

Nachstehend wird das Filter nach der Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein elektromechanisches Filter mit drei Längsschwingern 1, 2 und 3, die über die Koppelbrücken 4 und 5 miteinander gekoppelt sind. Die Stirnflächen der Endresonatoren 1 und 3 sind in an sich bekannter Weise jeweils mit einer kleinen Scheibe 6, 6' und 7, 7' aus elektrostriktivem Material, insbesondere elektrostriktiver Keramik, versehen. Dieses Material ist beispielsweise durch eine der bekannten Metall-Keramik-Lötverbindungen oder durch Klebung auf den Endresonatoren befestigt. An ihren den Resonatoren abgewandten Flächen tragen die Scheiben 6, 6' und 7, 7' jeweils Metallbeläge 19, die mit den Anschlußdrähten 8, 8' und 9, 9' gut leitend verbunden sind. Diese Anschlußdrähte sind sehr flexibel. Die Kopplungsbrücken 4 und 5 liegen beim Ausführungsbeispiel symmetrisch zu der die Knotenebenen der Resonatoren 1 ... 3 umfassenden Ebene. Unter der Knotenebene wird dabei die Ebene verstanden, die bei der Längsschwingung des Resonartors in Ruhe bleibt. Man bezeichnet diese Ebene häufig auch als neutrale Zone. Die Kopplungsbrücken 4 und 5 haben eine Länge 1, die klein ist gegenüber einem Viertel der Wellenlänge von Scherschwingungen mit einer der Filterbandmittenfrequenz gleichen Frequenz in dem Material, aus welchem sie gefertigt sind. Der mit diesen Kopplungsbrücken bewirkte Kopplungsgrad hängt ab von ihrer Länge 1, ihrer Breite b und ihrer beim Ausführungsbeispiel durch die Dicke d der Resonatoren bestimmten Stärke. Diese Stärke kann jedoch auch geringer als die Dicke d der Resonatoren gewählt werden. Durch entsprechende Bemessung der Länge, Breite und Stärke der Kopplungsbrücken 4 und 5 ist sichergestellt, daß die Kopplung zum großen Teil durch reine Scherungskräfte zwischen den einzelnen Resonatoren bewirkt wird. Durch mehr oder weniger große Breite 6 läßt sich bekanntlich die Scherungskomponente entsprechend wählen. Damit ist aber auch die Bandbreite des Filters beliebig wählbar, soweit sie durch die Kopplung beeünflußt werden kann. Die Halterung des Schwingungssystems des vorangehend näher beschriebenen Filters erfolgt erfindungsgemäß durch Tragdrähte 10, die in der Knotenebene an den Endresonatoren 1 bzw. 3 beispielsweise mittels Punktschweißung oder Lötung befestigt sind. Als spannungsführende Anschlußklemmen dienen die Anschlüsse 8 und 9 bzw. 8' Vnd 9' gegenüber den auf Bezugspotential liegenden Resonatoren 1 und 2, die über die Tragdrähte 10 elektrisch erreichbar sind.The filter according to the invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments. 1 shows an electromechanical filter with three longitudinal oscillators 1, 2 and 3 which are coupled to one another via the coupling bridges 4 and 5. The end faces of the end resonators 1 and 3 are each provided in a manner known per se with a small disk 6, 6 'and 7, 7' made of electrostrictive material, in particular electrostrictive ceramic. This material is attached to the end resonators, for example, by one of the known metal-ceramic soldered connections or by gluing. On their surfaces facing away from the resonators, the disks 6, 6 'and 7, 7' each have metal coatings 19 which are connected to the connecting wires 8, 8 ' and 9, 9' in a highly conductive manner. These connecting wires are very flexible. In the exemplary embodiment, the coupling bridges 4 and 5 are symmetrical to the plane comprising the node planes of the resonators 1... 3. The nodal plane is understood to mean the plane that remains at rest during the longitudinal oscillation of the resonator. This level is often referred to as the neutral zone. The coupling bridges 4 and 5 have a length 1 which is small compared to a quarter of the wavelength of shear vibrations with a frequency equal to the filter band center frequency in the material from which they are made. The degree of coupling brought about by these coupling bridges depends on their length 1, their width b and their strength, which in the exemplary embodiment is determined by the thickness d of the resonators. However, this thickness can also be selected to be less than the thickness d of the resonators. Appropriate dimensioning of the length, width and thickness of the coupling bridges 4 and 5 ensures that the coupling is largely effected by pure shear forces between the individual resonators. As is known, the shear component can be selected accordingly by means of a more or less large width 6. This means that the bandwidth of the filter can also be selected as desired, provided that it can be influenced by the coupling. According to the invention, the vibration system of the filter described in more detail is held by supporting wires 10 which are fastened in the node plane to the end resonators 1 and 3, for example by means of spot welding or soldering. The connections 8 and 9 or 8 ' Vnd 9' with respect to the resonators 1 and 2 which are at reference potential and which are electrically accessible via the support wires 10 are used as voltage-carrying connection terminals.

Die Tragdrähte 10 können auch so, wie in Fig. 2 für ein Filter aus vier Resonatoren gezeigt, nur auf einer Seite des Filters vorgesehen werden und/oder aus einem durchgebenden Draht 18 bestehen.As shown in FIG. 2 for a filter made up of four resonators, the support wires 10 can also be provided only on one side of the filter and / or consist of a wire 18 passing through.

Die Lehren nach der Erfindung sind, wie bereits erwähnt, auch auf Filter mit magnetostriktivem Antrieb anwendbar. Bei der durch Fig. 3 veranschaulichten, an sich bekannten Antriebsvorrichtung wirken auf den Endresonator 1 des Filters zwei magnetostriktive Anregungssysteme ein. Das der linken Stirnseite des Resonators 1 zugeordnete Anregungssystem besteht aus einem vernachlässigbar geringe Masse aufweisenden Kopplungsstift 11. einer der Signalspannungszuführung dienenden Spule 12 und einem Magneten 13 für die Vormagnetisierung des Kopplungsstiftes 11. Das für die rechte Stirnseite des Resonators 1 vorgesehene Anregungssystem ist analog aufgebaut und umfaßt den Kopplungsstift 11', die Spule 12' und den die Vormagnetisierung des Kopplungsstiftes 11' bewirkenden Magneten 13'. Das links des Resonators 1 gelegene System arbeitet, in einem bestimmten Augenblick betrachtet, gegensinnig zu dem rechts des Resonators 1 gelegenen Anregungssystem, so daß bei Zuführung der Signalspannungen zu den Spulen 12, 12' der Resonator periodisch in Längsrichtung gedehnt und verkürzt wird.As already mentioned, the teachings of the invention can also be applied to filters with a magnetostrictive drive. In the drive device which is known per se and illustrated by FIG. 3, two magnetostrictive excitation systems act on the end resonator 1 of the filter. The assigned the left end side of the resonator 1 excitation system consists of a negligible mass having coupling pin 11, a serving of the signal voltage supplying coil 12 and a magnet 13 for the magnetic bias of the coupling pin 11. The procedure provided for the right end face of the resonator 1 excitation system is constructed analogously and comprises the coupling pin 11 ', the coil 12' and the magnet 13 ' which brings about the premagnetization of the coupling pin 11'. The system located to the left of the resonator 1 works, viewed at a certain moment, in the opposite direction to the excitation system located to the right of the resonator 1 , so that when the signal voltages are supplied to the coils 12, 12 ', the resonator is periodically stretched and shortened in the longitudinal direction.

Das Anregungssystem kann auch so, wie in Fig. 4 gezeigt, beschaffen sein. Die dort wiedergegebene Antriebsvorrichtung bedingt Endresonatoren 1, bei welchen ein parallel zur Resonatorachse verlaufender Teil 14 aus elektrostriktivem Material gefertigt wird. Dieses elektrostriktive Material ist mit einem elektrisch leitenden Belag 15 ähnlich dem leitenden Belag 19 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 versehen. Der Belag 15 hat einen Anschluß 16. Der zweite Anschluß 17 ist durch den metallischen Teil des Resonators 1 gegeben. In diesem Fall erfolgt die Anregung in an sich bekannter Weise durch die dem Streifen 14 eigene Querkontraktion.The excitation system can also be designed as shown in FIG. 4. The drive device shown there requires end resonators 1, in which a part 14 running parallel to the resonator axis is made of electrostrictive material. This electrostrictive material is provided with an electrically conductive coating 15 similar to the conductive coating 19 in the embodiment of FIG. The covering 15 has a connection 16. The second connection 17 is given by the metallic part of the resonator 1 . In this case, the excitation takes place in a manner known per se through the transverse contraction inherent in the strip 14.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Electromechanical filter, in which resonators that can be excited to longitudinal vibrations, axially parallel arranged next to each other and coupling pieces executing shear vibrations form the mechanical oscillation system, which has a holding device, for the attachment of which on the oscillation system the node plane of the resonators is decisive, characterized by inherently stiff wires to the Support of the mechanical system of the filter, which are connected at least to the end resonators in the area of their nodal lines. 2. Electromechanical filter according to claim 1, characterized by one or two supporting wires connected to all resonators of the filter oscillation system, for which or for which the line or the two lines are provided as the mounting location, along the plane of the all the node planes of the resonators two planes or from which one of the two planes is cut perpendicularly, which run parallel to the longitudinal axes of the resonators and enclose the oscillation system between them. 3. Electromechanical filter according to claim 1 or 2, characterized in that a preferably small, in particular located on the end faces part of the two resonators of the filter oscillation system, which are to be provided with coupling devices, consists of piezoelectric material. 4. Electromechanical filter according to claim 1 or 2, characterized in that magnetostrictive transducers act in each case on both end faces of the two resonators of the oscillating filter system to be provided with coupling devices. Documents considered: Swiss Patent No. 277467; British Patent Nos. 822,536, 788159; USA. Patents Nos 2 571019, 2596460, 2759102. "The Post Office Electrical Engineers'Journal", Vol. 38, No.

2, pp. 39 to 42 (July 1942); "RCA Review", Vol. X, No.

3, pp. 348 to 365 (September 1949); »Frequency«, Vol. 12, No. 8, pp. 246-255 (August 1958).