DE1265883C2 - Mechanisches filter mit mehreren miteinander gekoppelten, mehrfach ausgenutzten schwingern - Google Patents

Description

die Realisierung der gewünschten Kennlinie erschwert, 40 \ λΠϊ

der Verlust in der Bandmitte vergrößert und die / = -— " l·' —

Kennlinie in der Nähe der Grenzfrequenz verschlech- ²' ' ^e

tert. Um den Verlust zu verkleinern, genügt es, wenn

die Spule vergrößert wird, was aber eine Vergröße- bestimmt und es beträgt bei 100 kHz die Länge des rung des Filters nrt sich bringt und einen hohen 45 Schwingers etwa 25 mm, wenn es sich um allgemei-Kostenaufwand bedingt. Es ist schon bekannt, daß in nes Metallmaterial handelt. Wenn somit der Schwineinem solchen Fall ein mechanisches Filter, dessen ger, der die in F i g. 2 gezeigte, auf dem Poissonschen Bauelemente aus mechanischen Schwingern mit klei- Effekt beruhende Kopplung benutzt, bei einer Frenen Verlusten, also mit hohen Gütewerten Q, beste- quenz unter 100 kHz verwirklicht werden soll, ergibt hen, vorteilhafterweise verwendbar ist. Bei den me- 50 sich der Nachteil, daß ein sehr großer Raum eingechanischen Filtern ist einerseits der Freiheitsgrad des nommen werden muß. In der modernen Nachrich-Entwurfes nicht so groß wie bei den klassischen LC- tentechnik besteht aber die Tendenz, verkleinerte Filtern, andererseits stehen aber den mechanischen Einrichtungen herzustellen.

Filtern Realisierungsmöglichkeiten zur Einsparung Es läßt sich nicht vermeiden, daß ein mechanischer

von bauelementen und insbesondere auch zur Erzeu- 55 Schwinger um so mehr vergrößert wird, je tiefer die gung von Dämpfungspolen in der Nähe des Durch- Frequenz ist. Deshalb sind verschiedene Verfahren laßbereiches offen, die bei den klassischen Reaktanz- zur Herstellung des Schwingers in möglichst kleiner filtern nicht gegeben sind. Ausführung vorgeschlagen worden. Im Prinzip liegen

Es ist insbesondere bekannt (»Frequenz«, Bd. 18, diese Verfahren hauptsächlich darin, daß an der die Nr. 9, September 1964, S. 277 bis 280), doppelt aus- 60 größte Schwingungsweite aufweisenden Stelle die genutzte Biegeschwinger zu verwenden, wobei auch Masse konzentriert und die Querschnittsfläche ver-Überbrückungen (Umwegkopplungen) vorgesehen kleinert wird, um an der Stelle mit großer Deformasind. Hierbei sind aber die Schwinger jeweils nur tion die äquivalente Steife zu verringern. Wird dieses durch einen Koppler miteinander verbunden, so daß Prinzip auf den Längsschwinger angewendet, ergeben die Schwinger und die Koppler doppelt ausgenutzt 65 sich Schwinger nach Fig. 3.

werden. Wenn es beabsichtigt ist, durch ein mecha- In F i g. 3 a ist ein Schwinger mit kreisförmigem

nisches Filter eine steile Sperrkennlinie zu erreichen, Querschnitt dargestellt, wobei die Enden und der gibt es ansonst nur die Möglichkeit, die Zahl von in Mittelteil im Durchmesser konzentrisch verschieden

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sind und an den Enden die Masse vorgesehen ist, um Fig. 14 ein Schaltbild der Ersatzschaltung der die Frequenz zu verringern. F ig. 3 b zeigt ein Bei- Anordnung nach F ig. Bund
spiel für die Anwendung dieses Prinzips auf einen Fig. 15 eine Vorderansicht und eine Seitenansicht Schwinger mit rechteckförmigem Querschnitt, wobei einer weiteren Ausführungsform eines Schwingers, der gleiche Effekt durch eine Vergrößerung der 5 Die Resonatoren nach Fig.4 stellen Kopplungs-Breite an den Enden erreicht ist. Wenn man beab- schwinger dar, bei denen zwei Längsschwingungen sichtigt, solche Schwaiger, wie in Fig.2 gezeigt ist, ausführende A/2-Schwinger im Mittelteil, der große durch den Poissonschen Effekt zu koppeln, wird die Deformationen aufweist, durch den Poissonschen Form koirpliziert und die Bearbeitung sehr erschwert. Effekt miteinander gekoppelt sind. Hierbei sind als Wenn z. B. der in F ι g. 3 b gezeigte Schwinger io Beispiel Schwinger mit einer piezoelektrischen Keragekoppelt werden soll, ist die Bearbeitung mit hoher mikplatte zur Anregung der mechanischen Schwin-Genauigkeit unmöglich, soweit das Ausstanzen usw., gungen dargestellt.

das auf der Ultraschallbearbeitung beruht, nicht Gemäß Fig. 4a sind die von der Mitte abgehenverwendet wird, den Teile eines Längsschwingers zwei mit einer

Die Erfindung geht aus von einem mechanischen 15 Silberelektrode versehene piezoelektrische Keramik-Filter mit mehreren miteinander gekoppelten, mehr- platten durch Klebung eingeführt, durch die der fach ausgenutzten Schwingern, vor denen jeder Schwinger in Längsrichtung angeregt wird. Gemäß Schwingungskomponenten mit zueinander rechrwink- F i g. 4 b sind an beide Enden eines Längsschwingers !igen Bewegungsrichtungen aufweist, wobei die zwei mit einer Silberelektrode versehene piezoelek-Schwingcr derart angeoidnet sind, daß die Bewe- ao trische Keramikplatten geklebt, durch die dieser gungsrichtungen in den Schwingern zumindest zum Schwinger in Längsrichtung angeregt wird. Die Teil parallel zueinander ausgerichtet sind. öffnung im Mittelteil dient zur Regelung der Stärke

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein der Kopplung beider Längsschwinger. In Fig. 4c mechanisches Filter mit mehreren miteinander ge- ist ein Kopplungsschwinger dargestellt, bei dem die koppelten, mehrfach ausgenutzten Schwingern anzu- 35 nach den freien Enden hin im Querschnitt vergrößergeben, das in einem großen Frequenzbereich verwirk- ten Längsschwinger durch den Poissonschen Effekt lichbar ist. gekoppelt sind. Die Abmessung ist dabei so gewählt,

Zur Lösung sieht die Erfindung vor, daß die daß die Resonanzfrequenzen der miteinander geSchwinger an sich bekannte, durch den Poissonschen koppelten Schwingungen des Schwingers in recht-Effekt gekoppelte Längsschwimger sind und daß die 30 winkliger Richtung übereinstimmen,
benachbarten Teile der Schwinger bezüglich jeder In F i g. 5 ist die elektrische Ersatzschaltung für die Schwingungskomponente durcli gesonderte Koppler Schwinger in F i g. 4 a, 4 b und 4 c dargestellt, wobei gekoppelt sind. eine durch die Kopplung der zwei Resonanzkreise

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt dazu, daß gebildete Schaltung dargestellt ist, durch welche die

eine doppelte Ausnutzung der Koppler vermieden 35 Frequenzkennlinie eines Bandpaßfilters erreicht wird,

wird, wodurch Hauptkopplungen und Umwegkopp- Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 sind

lungen völlig getrennt voneinander werden, also ohne zwei in F i g. 4 gezeigte und durch den Poissonschen

gegenseitige Rückwirkungen einstellbar sind. Effekt gekoppelte Schwinger verwendet, wobei die

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, Komponenten der Längsschwingungen in jeder Rich-

daß eine Formgebung für die Schwinger gewählt ist, 40 tung, die sich rechtwinklig kreuzen, über die Biege-

bei welcher ausgehend von Scheiben oder rechteck- schwingungskoppler 5, 5', 6, 6' gekoppelt sind. Beim

förmigen Platten durch vier gleichmäßig über den Schwinger der F i g. 6 ist der Antriebsumformer

Umfang verteilte Spalte gleicher Tiefe, die auf die nicht dargestellt, jedoch wird die elektrische Anregung

Scheibenmitte bzw. auf die Plattenmife hin gerichtet dieses Umformers in gleicher Weise wie in Fig. 1

sind, vier gleich große, mittig zusammenhängende 45 durchgeführt. Unter der Annahme, daß die Koppler 6,

Abschnitte entstehen. 6' außer Betracht gelassen werden und beide Schwin-

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind ger nur durch die Koppler S, 5' gekoppelt sind, wird

in der Zeichnung dargestellt, und zwar sind beim Antrieb des linken Schwingers in Pfeilrichtung 1

F i g. 4 perspektivische Ansichten von Resonatoren die Schwingung in dieser Richtung durch den Pois-

verschiedener Formen, aus denen das erfindungs- 50 sonschen Effekt mit der Schwingung in Pfeilrichtung 2

gemäße mechanische Filter gebildet wird, gekoppelt. Die Schwingung wird über die Koppler

F i g. 5 ein Schaltbild einer elektrischen Ersatz- 5, S' mit der Schwingung in Pfeilrichtung 3 des rech-

schaltung für die Resonatoren in F i g. 4, ten Schwingers und ferner durch den Poissonschen

F i g. 6 eine perspektivische Ansicnt eines weiteren Effekt mit der Schwingung in Pfeilrichtung 4 gemechanischen Filters nach der Erfindung, 55 koppelt.

F i g. 7 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung der Der jeweilige Kopplungsgrad wird so gewählt, daß

Anordnung nach F i g. 6, die benötigte Breite des Durchlaßbereichs erreicht

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren wird. Wenn entsprechend der Schwingung in Pfeil-Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechani- richtung 4 diese Schwingung in eine elektrische Größe sehen Filters, 60 umgewandelt und als Ausgang abgeleitet wird, kann

Fig. 9 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung der ein mechanisches Filter mit einer Filterkennlinie, die

Anordnung nach Fig. 8, ein aus vier längsgekoppelten Resonanzkreisen be-

Fig. 10 und 11 perspektivische Ansichten weiterer stehendes Bandpaßfilter aufweist, erhalten werden.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Filters, Die durch den Poissonschen Effekt ausgebildeten

Fig. 12 Aufsichten auf Ausführangsformen eines 65 Schwinger können, da ein Koppler nicht verwendet

Schwingers, ist, einstückig hergestellt werden, so daß diese Schwin-

Fig. 13 eine Vorderansicht und eine Seitenansicht ger als ein Schwinger angesehen werden können,

eines Schwingers mit der Anregungsanordnung, Wenn diese beiden Schwinger in üblicher Weise mit-

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tels eines Kopplers gekoppelt werden, kann die Kenn- Schwinger nach Fig. 10 oder die in F i g. 11 gezeigte linie erreicht werden, die der Kennlinie bei Verwen- ebene Anordnung zu verwenden,
dung eines üblichen mechanischen Filters mit vier Fig. 12a zeigt ein Anwendungsbeispiel für den Resonatoren entspricht. Dadurch können die Stück- scheibenförmigen Schwinger, wobei ein Rundstab zahl der Resonatoren verringert und die Vorteile der 5 entsprechender Dicke geschnitten ist und dann von Verkleinerung des mechanischen Filters und der Ab- dem Kreisumfang gleichmäßig tiefe Ausnehmungen Senkung der Herstellungskosten erreicht werden. Da- mit gleicher Üreite entlang den zueinander rechtdurch, daß zwischen beiden Schwingern die Kopp- winklig gerichteten Durchmessern vorgesehen sind, ler 6, 6' außer den Kopplern S, 5' hinzugefügt wer- Dieser Schwinger besteht aus zwei Längsschwinden, werden außer den Hauptkopplungen 1-2, 2-3 10 gern A, C und B, D, deren Querschnitt in Längsrich- und 3-4 die Schwingungen 1 und 4 nicht über die tung geändert ist und die im Mittelteil rechtwinklig Schwingungen 2 und 4, sondern direkt gekoppelt, gekoppelt sind. Bei jedem Schwinger A, C und B, D so daß die Kennlinie der in F i g. 7 gezeigten Ersatz- ist die Querschnittsfläche im Mittelteil klein und nach schaltung verwirklicht werden kann. dem Rand hin vergrößert. Auf Grund des obenge-

Durch die Analyse der in F i g. 7 gezeigten Ersatz- 15 nannten Prinzips ist die Resonanzfrequenz gegenüber schaltung wird gefunden, daß an einer hohen und dem Längsschwinger mit gleicher Länge und gleicheiner tiefen Stelle, das ist an zwei Stellen des Durch- mäßigem Querschnitt wesentlich verringert. Wenn der laßbereichs, Dämpfungspole erzeugt werden. Wenn Schwinger A, C in Pfeilrichtung 1 gedehnt wird, wird auf diese Weise ein Dämpfungspol als reelle Frequenz der Mittelteil wegen des Poissonschen Effektes in der erhalten wird, kann gegenüber dem Fall ohne Pol die 20 zur Richtung 1 rechtwinkligen Richtung geschwächt, Sperrkennlinie steiler gemacht werden, ohne daß zur so daß der Schwinger B, D in der Pfeilrichtung 2 geErreichung der gewünschten Sperrkennlinie die Zahl schwächt wird und beide Schwinger demnach mitder Resonatoren vergrößert wird. Die Zahl der Strek- einander gekoppelt werden.

ken in der Kaskadenschaltung wird somit verringert, In Fig. 12b sind längs der Symmetrieachsen einer

so daß auch der Vorteil auftritt, daß die Phasenkenn- 25 quadratischen Platte gleichmäßig tiefe Ausnehmungen

linie, d. h. die Kennlinie der Laufzeitstörung des mit gleicher Breite vorgesehen, wobei der gleiche

Filters, verbessert wird. Effekt wie bei dem obigen scheibenförmigen Schwin-

F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die ger erreicht wird. Eine weitere Möglichkeit zeigt

Erfindung bei drei durch den Poissonschen Effekt Fig. 12c.

gekoppelten Schwingern angewendet ist. Wenn man 30 In F i g. 13 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt,

die Kopplungen zwischen 1-4 und 3-6 vernachlässigt, bei dem piezoelektrische Keramikplatten an dem

sind anscheinend nur drei Schwinger vorhanden, Schwinger angeklebt sind, um diesen elektrisch anzu-

jedoch kann die Filterkennlinie ohne Pol durch eine regen. Wenn an die piezoelektrische Keramikplatte 3

Kaskadenschaltung von sechs Resonanzkreisen er- das Eingangssignal angelegt wird, wird der Schwinger

reicht werden. Wenn dann noch die Kopplungen zwi- 35 A, C in Längsrichtung angeregt und die angeregte

sehen 1-4 und 3-6 berücksichtigt werden, kann die in Schwingung infolge des oben näher erläuterten Effek-

F i g. 9 gezeigte Ersatzschaltung erreicht und je zwei tes mit dem Schwinger B, D gekoppelt, wodurch eine

Dämpfungspole, insgesamt vier Dämpfungspole an elektrische Ladung auf der in Längsrichtung des

einer hohen und einer tiefen Stelle, erhalten werden. Schwingers B, D angeklebten piezoelektrischen Ke-

Da bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Ab- 40 ramikplatte 4 hervorgerufea wird. Die elektrische

messungen der Koppler unabhängig voneinander ge- Ersatzschaltung dafür ist in F i g. 6 gezeigt, wodurch

wählt werden können, ist der Freiheitsgrad beim Ent- die Kennlinie eines Bandpaßfilters verwirklicht wer-

wurf sehr groß, so daß ein wirtschaftliches, kleines den kann.

mechanisches Filter dadurch ausgebildet werden F i g. 15 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Schwinkann, daß für die beste Dämpfungsnorm die optimale 45 gers aus piezoelektrischem Keramikmaterial dar. Auf Anordnung des Dämpfungspols untersucht und aus einer Seite ist eine gemeinsame Silberelektrode vordem dementsprechenden Kopplungsgrad die Abmes- gesehen, die als Erdungselektrode dient, während sung des Kopplers gefunden wird. auf der anderen Seite eine gemeinsame Elektrode

Wenn wie bei der Erfindung durch den Poisson- auf der Flächet, C vorgesehen and von der Elektrode

sehen Effekt gekoppelte Längsschwinger vorgesehen 5° auf der Fläche B, D elektrisch isoliert ist. Wenn die

sind und die benachbarten Schwingungskomponenten Klemmen der Elektroden A, C als Eingang und die

jeweils in obenerwähnter Weise entsprechend gekop- Klemmen der verbundenen Elektroden B, D als

pelt werden, wird die gleiche Kennlinie wie bei einer Ausgang verwendet werden, ergibt sich die in Fig. IA

Kaskadenschaltung von 2 η Resonatoren erreicht, gezeigte Ersatzschaltung.

wobei 2(n — l) Dämpfungspole erzeugt werden kön- 55 Die Ausnehmungen brauchen nicht mit gleich

nen. Da hierdurch die Stückzahl der Schwinger, die mäßiger Breite ausgeführt zu werden und köninei

zur Erreichnung der gewünschten Kennlinie benötigt V-, U-förmig od. dgl. sein.

wird, verringert wird, kann ein kleines mechanisches Durch die Erfindung kann ein kleiner und feste

Filter mit verbesserter Kennlinie ohne den großen Kopplungsschwinger, bei dem zwei Schwinger nich

Kostenaufwand geschaffen werden. Die im prakti- 60 durch einen Koppler, sondern durch den Poissonschei

sehen Betrieb erreichbare Wirkung ist sehr groß. Effekt gekoppelt sind, ohne Schwierigkeit und mi

Es ist auch möglich, als Umformer einen Langevin- hoher Genauigkeit realisiert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Kaskade geschalteten Resonatoren zu vermehren. Da

   PatentanTOriiche- ein solches mechanisches Filter demnach mehrere

   ratentansprucne. Resonatoren aufweist, wird seme Form vergrößert

   iS IpCpgit

   mmsmWtmmi

   gekennzeichnet, daß die Schwinger an schnittsakche. Es «t dies eme Erscheinung, die als fielΓ bekannte, durch den Poissonschen Effekt Poissonscher Effekt bekannt ist. Hierdurch weist der gekoppelte Längsschwinger sind und daß die be- Schwinger eine zu semer Langserstreckung rechtnachbarten Teile der Schwinger bezüglich jeder 15 winklige Schwmgungskomponente auf Wenn dem-Schwingungskomponente (1, 4; 2, 3) durch ge- gegenüber die Schwingung m Längsrichtung den sondert! Koppler (5,5'; 6,V) gekoppelt sind. Schwinger dehnt, wird die Querschnittsflache, wie _m
2. 2. Mechanisches Filter nach Anspruch 1, ge- F i g. 1 c gezeigt ist, im Mittelteil verkleinert. Ein kennzeichnet durch eine Formgebung für die Verfahren, nach dem ein solcher Ungsschwinger Schwinger, bei welcher ausgehend von Scheiben u unter Benutzung der auf dem Poissonschen Effekt oder rechteckförmigen Platten durch vier gleich- beruhenden Schwingungskomponente in Quernchmäßig über den Umfang verteilte Spalte gleicher tung mit einem weiteren Schwinger gekoppelt und Tiefe, die auf die Scheibenmitte bzw. auf die hierdurch ein elektromechanisches Filter gebildet Plattenmitte hin »erichtet sind, vier gleich große, wird, ist bereits durch USA.-Patentschrift 27 38 467 mittig zusammenhängende Abschnitte entstehen, as bekannt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist nach dieser

   Patentschrift das mechanische Filter so ausgebildet, daß zwei λ'2-Längsschwinger in ihrem Mittelteil zu-

   einander rechtwinklig gekoppelt sind und der eine

   durch den magnetostriktiven Effekt angetrieben und 30 die elektrische Leistung von dem anderen abgeleitet

   In der Nachrichtentechnik wird oft gefordert, daß wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß keine nur ein Signal in einem gewünschten Frequenzbereich besonderen Koppler vorgesehen zu werden brauchen, abgeleitet wird. Für diesen Zweck werden im allge- die Ausbildung einfach und mechanisch fest und die meinen verschiedenartige, aus Induktionsspulen und Herstellung leicht ist.

   Kondensatoren bestehende Filter verwendet. Wenn 35 Wird die Länge des Längsschwingers mit /, der aber bei den Bandpaßfiltern die Breite des Durchlaß- Elastizitätsmodul des Materials mit E und die Dichte bereichs kleiner wird als einige Prozent der Mitten- mit ρ bezeichnet, so ist die minimale Resonanzfrefrequenz, werden bei den LC-Filtern wegen der Ver- quenz dieses Längsschwingers durch die Formel
   luste der Bauelemente, vor allem der Induktionsspulen,