DE1261177B

DE1261177B - Electromechanical converter

Info

Publication number: DE1261177B
Application number: DE1964T0026855
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Manfred Boerner; Dipl-Ing Hans Schuessler
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1964-08-20
Filing date: 1964-08-20
Publication date: 1968-02-15

Description

Elektromechanischer Wandler Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler mit zwei piezoelektrischen Resonatorteilen, die jeweils beidseitig mit gleichzeitig als Elektroden dienenden metallischen Resonatorteilen verbunden sind.Electromechanical converter The invention relates to an electromechanical converter Converter with two piezoelectric resonator parts, each on both sides with simultaneously metal resonator parts serving as electrodes are connected.

Außer elektrischen Schwingkreisen finden auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik in steigendem Maße elektromechanische Schwingkreise Anwendung. Als bekanntester elektromechanischer Schwingkreis darf dabei der Quarzoszillator angesehen werden. Das zweite Anwendungsgebiet elektromechanischer Schwingkreise führte indessen zu einer starken Differenzierung elektromechanischer Schwingeranordnungen. So sind außer kristallinen elektrostriktiven Werkstoffen, die beispielsweise im Frequenzbereich um 500 kHz einen viel zu hohen Eingangswiderstand aufweisen, keramische elektrostriktive Werkstoffe, wie z. B. Bariumtitanat, zum Einsatz gekommen. Weiterhin ging man aus verschiedenen Gründen zu Schwingkreisanordnungen über, bei denen außer den elektrostriktiven Werkstoffen weitere Materialien verwendet werden.In addition to electrical oscillating circuits can be found in the field of communications engineering Increasingly electromechanical oscillating circuits are being used. As the most famous electromechanical oscillating circuit may be considered the crystal oscillator. The second area of application of electromechanical oscillating circuits, however, led to a strong differentiation of electromechanical transducer arrangements. So are except for crystalline electrostrictive materials, for example in the frequency range have a much too high input resistance around 500 kHz, ceramic electrostrictive Materials such as B. barium titanate, have been used. One continued to go out for various reasons to resonant circuit arrangements, in which apart from the electrostrictive Materials other materials can be used.

Eine aus der deutschen Patentschrift 885 413 bekannte Anordnung, die als einkreisiges elektromechanisches Filter einsetzbar ist, ist beispielsweise aus mehreren piezoelektrischen Teilen und aus Teilen aus einem dichten keramischen Werkstoff aufgebaut, wobei insbesondere darauf Wert gelegt wurde, auch bei sehr niedrigen Frequenzen mit verhältnismäßig kleinen Kristallen auszukommen. Eine derartige Anordnung beschreibt auch die britische Patentschrift 840 815, wobei besonderer Wert auf die Halterung des Resonators in der Knotenebene gelegt wird. Ein anderes bekanntes einkreisiges elektromechanisches Filter ist in der französischen Patentschrift 1363129 beschrieben. Bei diesem Filter ist ein Mittelstück aus Stahl an den Endflächen mit scheibenförmigen Bereichen aus piezoelektrischem Material belegt, an die sich gegebenenfalls noch scheibenförmige Teile aus Stahl anschließen. Der Entwicklung dieses Filters lag vor allen Dingen das Bestreben nach einer Erhöhung des Koppelfaktors und einer Unterdrückung unerwünschter Nebenwellen zugrunde.An arrangement known from German patent specification 885 413 which can be used as a single-circuit electromechanical filter is, for example, from several piezoelectric parts and parts made of a dense ceramic material built, with particular emphasis on this, even at very low levels Frequencies get along with relatively small crystals. Such an arrangement also describes British patent specification 840 815, with particular emphasis on the Bracket of the resonator is placed in the nodal plane. Another known single circle electromechanical filter is described in French patent 1363129. In this filter, a center piece made of steel is disc-shaped at the end faces Areas of piezoelectric material occupied, to which possibly still Connect disc-shaped steel parts. The development of this filter lay above all the endeavor to increase the coupling factor and to suppress it unwanted secondary waves.

Während es sich bei den beschriebenen bekannten Anordnungen um solche handelt, bei denen denen ausschließlich oder doch in erster Linie an einen Einsatz als selbständige einkreisige mechanische Frequenzfilter gedacht wurde, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen geeigneten Wandler für mehrkreisige mechanische Filter anzugeben. Von den beiden Wandlerarten, den magnetostriktiven und den piezoelektrischen Wandlern, sind besonders die letzteren für ihren Einsatz in mechanischen Miniaturfiltern wegen ihrer geringen Abmessungen sehr geeignet. Es hat sich aber herausgestellt, daß piezoelektrische Wandler in Form von beispielsweise aus Bariumtitanat hergestellten Röhrchen, auf deren inneren und äußeren Wandungen leitende Überzüge galvanisch aufgebracht sind, einige schwerwiegende Nachteile aufweisen: So zeigen diese Wandlerröhrchen einen geringen Koppelfaktor, eine Veränderung der Eigenfrequenz durch Alterung sowie einen großen Temperaturkoeffizienten der Eigenfrequenz; des weiteren lassen sich die Längen der Wandlerröhrchen wegen der gegenüber Stahl geringeren Schallgeschwindigkeit in den meisten Keramikmaterialien nicht mit denen der mit ihnen verkoppelten Metallresonatoren in übereinstimmung bringen; schließlich treten beim Verschweißen der Koppeldrähte mit den Wandlerröhrchen infolge des sehr dünnen galvanischen überzugs große Schwierigkeiten auf.While the known arrangements described are such acts, in which exclusively or at least primarily in a mission was thought of as an independent single-circuit mechanical frequency filter, lies The present invention is based on the object of a suitable converter for multi-circuit specify mechanical filters. Of the two types of transducers, the magnetostrictive ones and the piezoelectric transducers, the latter are particularly useful very suitable in mechanical miniature filters because of their small dimensions. But it has been found that piezoelectric transducers in the form of, for example tubes made of barium titanate, on their inner and outer walls conductive coatings are applied galvanically, have some serious disadvantages: These transducer tubes show a low coupling factor, a change in the Natural frequency due to aging and a large temperature coefficient of the natural frequency; Furthermore, the lengths of the converter tubes can be reduced because of the steel lower speed of sound in most ceramic materials does not match those bring the metal resonators coupled to them into agreement; in the end occur when welding the coupling wires with the transducer tubes as a result of the very thin electroplating presents great difficulties.

Es sind auch elektromechanische Wandler bekanntgeworden, die aus einem piezoelektrischen Resonatorteil bestehen, an dessen Endflächen je ein gleichzeitig als Elektrode dienender metallischer Resonatorteil gleichen Querschnitts angebracht ist. Dabei erfolgt die Verkopplung des Wandlers mit den nachfolgenden Resonatoren über in die Metallteile des Wandlers gebohrte Koppelstäbe. Ein solches Wandler weist jedoch einige Nachteile auf: Die beiden gleichzeitig als Anregungselektroden dienenden Metallteile müssen elektrisch voneinander isoliert sein, sie dürfen also nicht gleichzeitig mit nachfolgenden Metallresonatoren über Koppeldrähte in Verbindung stehen; weiterhin weisen solche Wandlerkonstruktionen störende Nebenwellen auf; schließlich können der mechanische Eingangswiderstand und die Eingangskapazität kaum durch die Dimensionierung des Wandlers in ihrem Wert beeinflußt werden.There are also electromechanical transducers known that consist of a Piezoelectric resonator part exist at the end of each one at the same time Serving as an electrode metallic resonator part attached with the same cross-section is. The transducer is coupled to the downstream resonators via coupling rods drilled into the metal parts of the transducer. Such a converter has However, it has some disadvantages: The two serve as excitation electrodes at the same time Metal parts must be electrically isolated from each other, so they must not be used at the same time are connected to downstream metal resonators via coupling wires; Farther have such converter constructions on disturbing secondary waves; in the end can the mechanical input resistance and the input capacitance hardly due to the dimensioning of the converter can be influenced in their value.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der zuletzt beschriebenen Wandlerkonstruktion, die wie die bekannten einkreisigen Filteranordnungen aus mehreren Teilen besteht, einen elektromechanischen Wandler zu schaffen, der die angegebenen Nachteile nicht aufweist und damit insbesondere zur Verwendung als Wandler in mechanischen Miniaturfiltern geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden piezoelektrischen Resonatorteile entgegengesetzt zueinander polarisiert sind, daß die beiden äußeren metallischen Resonatorteile gemeinsam an eine erste und der mittlere metallische Resonatorteil an eine zweite Eingangs- oder Ausgangsklemme zur Zuführung oder Abführung elektrischer Energie angeschlossen sind und daß Koppelelemente zum Anschluß des Wandlers an weitere Metallresonatoren an den äußeren Resonatorteilen befestigt sind.The object of the invention is therefore based on the last described Converter construction which, like the known single-circuit filter arrangements, consists of several Share consists in creating an electromechanical transducer that does the specified Does not have disadvantages and thus in particular for use as a converter in mechanical Miniature filters is suitable. According to the invention, this object is achieved by that the two piezoelectric resonator parts polarized opposite to each other are that the two outer metallic resonator parts together to a first and the central metallic resonator part to a second input or output terminal are connected for supplying or removing electrical energy and that coupling elements for connecting the transducer to other metal resonators on the outer resonator parts are attached.

Es ist an sich bekannt, einen piezoelektrischen, Biegeschwingungen ausführenden Wandler derart auszubilden, daß er aus zwei gleich oder entgegengesetzt polarisierten Teilen besteht, die durch eine leitende Elektrodenschicht voneinander getrennt sind und die je nach Art der Polarisation unterschiedlich angeregt werden müssen. Diese Zwischenschicht dient jedoch lediglich der Potentialzuführung; sie hat keinerlei mechanische Funktion und ist demgemäß von wesentlich geringerer Dicke als die piezoelektrischen Resonatorteile.It is known per se, a piezoelectric, bending vibration executing converter in such a way that it consists of two equal or opposite polarized parts are made up of each other by a conductive electrode layer are separated and which are excited differently depending on the type of polarization have to. However, this intermediate layer only serves to supply potential; she has no mechanical function whatsoever and is accordingly of much less thickness than the piezoelectric resonator parts.

Dagegen besteht bei dem erfindungsgemäßen Wandler der mittlere Resonatorteil zwischen den beiden piezoelektrischen Resonatorteilen aus metallischem Resonatormaterial, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die beiden an den Stirnflächen des Wandlers angebrachten metallischen Resonatorteile; der erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenteil ist dabei von größerer Dicke als die der piezoelektrischen Resonatorteile. Zur Beeinflussung der mechanischen Eingangsimpedanz des Wandlers hat es sich bei einem solchen erfindungsgemäßen Wandler als besonders günstig erwiesen, den mittleren Resonatorteil in seinem Querschnitt unterschiedlich gegenüber dem übrigen Wandlerquerschnitt auszubilden. Der Abstand zwischen den beiden piezoelektrischen Resonatorteilen soll vorzugsweise etwa ein Drittel der gesamten Wandlerlänge betragen; in diesem Fall wird eine Anregung der zweiten und dritten Harmonischen vermieden.In contrast, the transducer according to the invention has the central resonator part between the two piezoelectric resonator parts made of metallic resonator material, preferably made of the same material as the two on the end faces of the transducer attached metallic resonator parts; the intermediate part provided according to the invention is of greater thickness than that of the piezoelectric resonator parts. To influence the mechanical input impedance of the transducer is the case with such a device according to the invention Transducer proved to be particularly favorable, the middle part of the resonator in its cross section different from the rest of the transducer cross-section. The distance between the two piezoelectric resonator parts should preferably be approximately one Third of the total transducer length; in this case it becomes a suggestion of the second and third harmonics avoided.

In der F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers dargestellt. Er besteht aus drei metallischen Resonatorteilen 1, 5 und 7 sowie aus zwei piezoelektrischen Resonatorteilen 4 und 6, die zueinander entgegengesetzt vorpolarisiert sind. Diese piezoelektrischen Resonatorteile 4 und 6 bestehen vorzugsweise aus PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat), die sich als alterungsbeständig erwiesen hat und nur einen geringen Temperaturkoeffizienten der Eigenfrequenz aufweist. Die einzelnen Teile des Wandlers können miteinander verlötet oder verklebt sein. Als besonders günstig hat sich eine Anglasung unter Beimischung von Metallpulver erwiesen, wodurch eine ultraschallharte Verbindung der einzelnen Teile miteinander erreicht wurde. Der mittlere Resonatorteil 5 weist in der Zeichnung einen geringeren Querschnitt als die übrigen Resonatorteile auf. Dadurch kann der mechanische Eingangswiderstand des Wandlers reduziert werden und so eine starke mechanische Ankopplung an das Filter erzielt werden. Doch kann der Querschnitt des mittleren Resonatorteils 5 selbstverständlich auch mit dem der übrigen Resonatorteile übereinstimmen oder auch größer sein.In FIG. 1 shows an embodiment of an electromechanical converter according to the invention. It consists of three metallic resonator parts 1, 5 and 7 as well as two piezoelectric resonator parts 4 and 6 which are pre-polarized opposite to one another. These piezoelectric resonator parts 4 and 6 are preferably made of PZT ceramic (lead zirconate titanate), which has proven to be resistant to aging and has only a low temperature coefficient of the natural frequency. The individual parts of the transducer can be soldered or glued together. Glazing with an admixture of metal powder has proven to be particularly favorable, as a result of which an ultrasound-hard connection of the individual parts has been achieved. The middle resonator part 5 has a smaller cross section than the other resonator parts in the drawing. As a result, the mechanical input resistance of the converter can be reduced and a strong mechanical coupling to the filter can be achieved. However, the cross section of the central resonator part 5 can of course also match that of the other resonator parts or be larger.

Der Wandler ist über mit den äußeren metallischen Resonatorteilen 1 und 7 verschweißte Koppeldrähte 3 mit den nachfolgenden Metallresonatoren 2 verbunden, von denen in der Zeichnung lediglich einer gestrichelt dargestellt wurde. Über diese ist der metallische Resonatorteil 1 mit dem metallischen Resonatorteil 7 leitend verbunden. Eine Anregung des Wandlers erfolgt demgemäß durch Anlegen eines entsprechenden Feldes an die Klemmen E bzw. E'.The transducer is over with the outer metallic resonator parts 1 and 7 welded coupling wires 3 connected to the following metal resonators 2, only one of which is shown in dashed lines in the drawing. About these the metallic resonator part 1 with the metallic resonator part 7 is conductive tied together. The converter is accordingly excited by applying a corresponding one Field to terminals E or E '.

Soll der erfindungsgemäße Wandler zu Longitudinalschwingungen erregt werden, so müssen die beiden piezoelektrischen Resonatorteile 4 und 6 in Richtung der Wandlerlängsachse zueinander entgegengesetzt vorpolarisiert sein, wie es durch die Pfeile in F i g. 2 angedeutet ist. Soll der erfindungsgemäße Wandler dagegen in Torsionalschwingungen erregt werden, so sind die beiden piezoelektrischen Resonatorteile 4 und 6 ringförmig auszubilden und in der in F i g. 3 gezeigten Weise in Richtung des Umfangs zueinander entgegengesetzt vorzupolarisieren. Dabei können die metallischen Resonatorteile 1, 5 und 7 ganz oder teilweise rohrförmig ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Wandler ist jedoch in seiner Schwingungsart nicht auf diese beiden Schwingungsformen festgelegt.If the transducer according to the invention is to be excited to produce longitudinal vibrations are, the two piezoelectric resonator parts 4 and 6 must be in the direction the longitudinal axis of the transducer to be oppositely pre-polarized, as indicated by the arrows in FIG. 2 is indicated. On the other hand, the converter according to the invention should are excited in torsional vibrations, so are the two piezoelectric resonator parts 4 and 6 to be formed in the shape of a ring and in the form shown in FIG. 3 way shown in the direction of the circumference opposite to each other pre-polarize. The metallic Resonator parts 1, 5 and 7 may be wholly or partially tubular. The inventive However, the mode of oscillation of the transducer is not based on these two forms of oscillation set.

Die erfindungsgemäße Wandlerkonstruktion kann in ihrer Länge ungefähr die gleichen Abmessungen haben, wie sie die nachfolgenden Metallresonatoren aufweisen, obwohl die Schallgeschwindigkeit in der verwendeten piezoelektrischen Keramik wesentlich geringer ist als die in den Metallresonatoren. Es muß jedoch dafür Sorge getragen werden,-daß die einzelnen Metallteile in ihrem Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderung an das der piezoelektrischen Resonatorteile angepaßt werden.The converter construction according to the invention can be approximately in length have the same dimensions as the following metal resonators, although the speed of sound in the piezoelectric ceramic used is essential is less than that in the metal resonators. However, it must be taken care of -that the individual metal parts expand in their expansion behavior when the temperature changes to be matched to that of the piezoelectric resonator parts.

Die--Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind zum einen die günstige mechanische und elektrische Eingangsimpedanz und zum anderen die Nebenwellenunterdrückung. Des weiteren wird über einen erfindungsgemäßen Wandler die Anregung der zweiten und dritten Harmonischen vermieden, wenn bei der Gesamtlänge L des Wandlers die Mittelebenen der piezoelektrischen Wandlerteile den Abstand 3 aufweisen.The advantages of the arrangement according to the invention are, on the one hand, the favorable ones mechanical and electrical input impedance and, on the other hand, the suppression of spurious waves. Furthermore, the excitation of the second and third harmonics avoided if the total length L of the converter is the Central planes of the piezoelectric transducer parts have the distance 3.

Claims

Claims: 1. Electromechanical converter with two piezoelectric Resonator parts, each on both sides with simultaneously serving as electrodes metallic resonator parts are connected, characterized in that the two piezoelectric resonator parts (4, 6) are polarized opposite to one another, that the two outer metallic resonator parts (1, 7) together to a first (E ') and the middle metallic resonator part (5) to a second (E) input or output terminal for supplying or removing electrical energy are and that coupling elements (3) for connection of the converter to others Metal resonators (2) are attached to the outer resonator parts (1 and 7).

2. Converter according to Claim 1, characterized in that the central resonator part (5) differs in its cross-section compared to the rest of the transducer cross-section is trained.

3. Converter according to claim 1 or 2, characterized in that the piezoelectric resonator parts (4, 6) with the metallic resonator parts (1, 5, 7) coincide in their expansion coefficients.

4. converter after one of claims 1 to 3, characterized in that the connection of the individual Resonator parts (1, 4 to 6, 7) in a manner known per se by soldering or gluing he follows.

5. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that in a known manner the connection of the individual resonator parts by glazing, preferably with the addition of metal powder.

6. converter after one of claims 1 to 5, characterized in that the distance between the central planes of the two piezoelectric resonator parts (4, 6) about a third of the total Transducer length.

7. Converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the two piezoelectric resonator parts (4, 6) in the direction of the transducer longitudinal axis are oppositely pre-polarized to each other. B.

Converter according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the two piezoelectric resonator parts (4, 6) are annular and opposed to one another in the direction of the circumference are pre-polarized.

9. Converter according to claim 8, characterized in that the metallic resonator parts (1, 5, 7) are tubular. Considered Publications: German Patent No. 885 413; German interpretative document no. 1,142,975; British Patent No. 840,815; French patent specification No. 1363 129; U.S. Patent Nos. 1562 578, 1574 302, 2,753,529; “Journ. of the Inst. of Electr. Comm. Engineers of Japan ", No. 1, 1957, pp. 44 to 51.