DE1276239B - Elektromechanisches Wandlersystem - Google Patents

Elektromechanisches Wandlersystem

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DE1276239B
DE1276239B DE1964S0094350 DES0094350A DE1276239B DE 1276239 B DE1276239 B DE 1276239B DE 1964S0094350 DE1964S0094350 DE 1964S0094350 DE S0094350 A DES0094350 A DE S0094350A DE 1276239 B DE1276239 B DE 1276239B
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longitudinal
resonator
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vibrations
oscillator
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DE1964S0094350
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Inventor
Dr Rer Nat Ilse Lucas
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

  • Elektromechanisches Wandlersystem Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Wandlersystem zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Torsionsschwingungen bzw. umgekehrt, insbesondere als Anregungssystem bzw. Abnahmesystem einer mehrteiligen, aus mechanischen Torsionsresonatoren bestehenden elektromechanischen Filteranordnung, wobei an einen elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente enthaltenden Längsschwinger ein Torsionsresonator angekoppelt ist.
  • Zum Antrieb eines mit mechanischen Torsionsresonatoren aufgebauten mechanischen Filters benötigt man einen elektromechanischen Wandler, der die ihm zugeführten elektrischen Schwingungen in mechanische Torsionsschwingungen umwandelt. Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits zwei Methoden bekanntgeworden, die man als unmittelbare und als mittelbare Methode bezeichnen kann. Bei der unmittelbaren Methode wird die Torsionsschwingung durch eine Schubverzerrung im elektromechanischen Wandler bzw. im Resonator erzeugt. Diese Schubverzerrung erhält man beispielsweise in einem aus magnetostriktivem Material bestehenden Resonator dann, wenn das steuernde Wechselfeld axial und die Polarisation zirkular gerichtet sind, oder wenn umgekehrt das steuernde Wechselfeld zirkular und die Polarisation axial gerichtet sind. Als Polarisationsfeld dient in der Regel ein mit Hilfe eines axial gerichteten Stromstoßes erzeugtes zirkulares Remanenzfeld. Das axiale Feld wird durch eine über den Resonator geschobene Spule erzeugt. Solche auf magnetostriktiver Basis arbeitende Wandler haben die Eigenschaft, weitgehend reine Torsionsschwingungen zu erzeugen, so daß andere Schwingungsformen, die beispielsweise störende Dämpfungseinbrüche in einem mechanischen Filter hervorrufen, nahezu nicht angeregt werden. Andererseits haben solche Wandler jedoch den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau erfordern. Zusätzlich treten noch Schwierigkeiten bei der Entkopplung der magnetischen Ein- und Ausgangskreise auf, wodurch wegen der unmittelbaren überkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Filters verhältnismäßig hohe Dämpfungsanforderungen nur schwer zu erfüllen sind. Eine entsprechende Anwendung dieses Prinzips auf elektromechanische Wandler, in denen elektrostriktive Materialien zur Umwandlung der elektrischen in die mechanischen Schwingungen verwendet sind, ist praktisch kaum möglich, da sich das zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation erforderliche zirkulare elektrische Feld nicht auf einfache Weise erzeugen läßt. Abwandlungen dieses Prinzips erfordern kornplizierte Elektrodenformen und ergeben einen kleinen elektromechanischen Koppelfaktor und damit eine nur schwache Umwandlung der elektrischen in die mechanische Energie.
  • Bei der mittelbaren Methode wird zunächst ein auf elektrostriktiver oder ein auf magnetostriktiver Basis arbeitender Wandler dadurch zu Längsschwingungen angeregt, daß das steuernde Wechselfeld parallel zur Richtung der Vorpolarisation am Resonator angelegt wird. Die Umwandlung dieser Längsschwingungen in eine Torsionsschwingung läßt sich durch eine tangentiale Anordnung des Torsionsresonators an den Längsresonator erreichen. Mit dieser Methode erhält man auch bei Wandlern, die mit elektrostriktiven Materialien als Wandlermaterial arbeiten, einen verhältnismäßig großen elektromechanischen Koppelfaktor und damit eine kräftige Schwingungsanregung. Andererseits wirkt jedoch infolge des einseitigen Kraftangriffes neben dem Drehmoment zusätzlich eine Querkraft auf den Torsionsschwinger, die ihn zu Biegeschwingungen anregt. Solche Biegeschwingungen sind zumeist unerwünscht, da sie beispielsweise Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich eines mit Torsionsresonatoren aufgebauten Filters erzeugen. Die Intensität dieser Biegeschwingungen läßt sich zwar durch einen zweiten gegensinnig arbeitenden längsschwingenden Wandler weitgehend abschwächen, je- doch erfordert dies den doppelten Aufwand für die Wandler, und die beiden gegensinnig arbeitenden Systeme müssen zur Erzielung einer ausreichenden Wirkung außerordentlich gleichförmig aufgebaut sein.
  • Bei einem bekannten Wandlersystem der vorstehend erläuterten Art ist der Torsionsresonator über zwei gleichartig ausgebildete Koppelelemente tangential an zwei gegensinnig arbeitende Längsschwinger angekoppelt. Die einzelnen Längsschwinger bestehen aus Stäben eines magnetostriktiven Materials, die in ein Spulensystem eintauchen. Auch für dieses bekannte Wandlersystem zur Anregung von Torsionsschwingungen haben die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten insofern Gültigkeit, als die beiden Wandlersysteme untereinander außerordentlich gleichförmig ausgebildet sein müssen, wenn die Anregung von Biegeschwingungen vermieden werden soll. Es komm ferner hinzu, daß zum Aufbau eines mechanischen Filters ein Einkoppel- und ein Auskoppelsystem vorgesehen werden muß. Es läßt sich jedoch eine ausreichende Schirmung zwischen dem Einkoppel- und dem Auskoppelsystem im allgemeinen nur schwer erzielen, so daß wegen der unmittelbaren Überkopplung zwischen Eingang und Ausgang des Filters verhältnismäßig hohe Dämpfungsanforderungen nur schwer zu erfüllen sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorerwähnten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise zu begegnen.
  • Ausgehend von einem elektromechanischen Wandlersystem zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Torsionsschwingungen bzw. umgekehrt, insbesondere als Anregungssystem bzw. Ab- nahmesystem einer mehrteiligen, aus mechanischen Torsionsresonatoren bestehenden elektromechanisehen Filteranordnung, wobei an einen elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente enthaltenden Längsschwinger ein Torsionsresonator angekoppelt ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Längsachse des Torsionsresonators senkrecht zur Schwingungsebene des Längsschwingers steht und durch eine Knotenebene des Längsschwingers verläuft und daß der Torsionsresonator über zwei untereinander gleichartig ausgebildete, Längsschwingungen ausführende Koppelelemente an den Längsschwinger derart angekoppelt ist, daß die einen Enden der Koppelelemente an zwei diagonal gegenüberliegenden Punkten des Längsschwingers und die anderen Enden der Koppelelemente an diagonal gegenüberliegenden Punkten des Torsionsresonators befestigt sind.
  • Bei Ausbildung des Torsionsresonators als Stab mit kreisförmigem Querschnitt hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente an zwei gegenüberliegenden Mantellinien des Torsionsresonators zu befestigen.
  • Es ist ferner daran gedacht, die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente am Torsionsresonator an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten seiner Stimfläche zu befestigen.
  • Damit die Koppelelemente frei schwingen können, ist es vorteilhaft, den Längsschwinger an den für die Befestigung der Koppelelemente vorgesehenen Punkten mit warzenartigen Vorsprüngen zu versehen.
  • Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In der F i g. 1 ist rein schematisch ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zur besseren Übersicht eine Reihe von Einzelheiten, die in den nachfolgenden Figuren noch erläutert werden, nicht eingezeichnet sind. Das elektromechanische Wandlersystem besteht aus einem Längsschwinger 1, der vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist und der über die aus einem elektrostriktiven Material bestehenden Wandlerelemente W zu Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 6 angeregt wird. Senkrecht zur Schwingungsebene des Längsschwingers 1 liegt ein Torsionsresonator 2, der über die Koppelelemente 3 und 4 an den Längsschwinger angekoppelt ist. Die Koppelelemente 3 und 4 sind am Längsschwinger an zwei gegenüberliegenden Eckpunkten 7 und 8 befestigt und greifen am Torsionsresonator 2, der als Stab mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, an gegenüberhegenden Mantellinien an. Die Lage des Torsionsresonators ist so gewählt, daß seine Längsachse 9 durch die sich hinsichtlich Längsschwingungen ausbildende Knotenebene 10 des Längsschwingers 1 verläuft. An den Punkten 7 und 8, an denen die Koppelelemente 3 und 4 am Längsschwinger 1 befestigt sind, sind am Längsschwinger 1 warzenartige Vorsprünge vorgesehen, so daß die Koppelelemente 3 und 4 sowie auch der Torsionsresonator 2 frei schwingen können, ohne gleichzeitig mit dem Längsschwinger 1 in Berührung zu kommen. Bei entsprechend starker Ausbildung der Koppelelemente 3 und 4 können diese den Torsionsresonator ohne zusätzliche Halterungselemente tragen. Falls der Wandler als Antriebssystem eines mehrteiligen mechanischen Filters benützt wird und wenn es mit Rücksicht auf die Bandbreite des Filters erforderlich ist, die Koppelelemente 3 und 4 verhältnismäßig dünn auszubilden, kann der Torsionsresonator 2 auch an einem axial verlaufenden Fortsatz 5 (in der Figur gestrichelt angedeutet) oder in der Ebene eines Schwingungsknotens gehaltert werden. Der Fortsatz 5 kann auch zur Ankopplung an weitere Torsionsresonatoren eines mechanischen Filters herangezogen werden, wenn diese entsprechend gehaltert sind, oder es können auch längsschwingende Koppelelemente in an sich bekannter Weise zur Verkopplung der einzelnen Torsionsresonatoren des Filters verwendet werden. Zur Halterung des Systems lassen sich beispielsweise entlang der Knotenebene 10 des Längsschwingers 1 ein Haltesteg oder Haltedrähte anbringen, mit deren Hilfe der Längsschwinger 1 in einem Gehäuse verankert werden kann.
  • Die Wirkungsweise des elektromechanischen Wandlers gemäß der F i g. 1 läßt sich folgendermaßen erklären. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die beispielsweise aus einer Barium-Titanat-Keramik bestehenden Wandlerelemente W wird der Längsschwinger 1 immer dann zu Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 6 angeregt, wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt. Während der einen Halbperiode der elektrischen Wechselspannung verlängert sich der Schwinger 1, so daß die Eckpunkte 7 und 8 in Richtung der Pfeile 12 bzw. 13 wandern. Wenn in der folgenden Halbperiode der elektrischen Wechselspannung der Schwinger 1 verkürzt wird, dann wandern die Eckpunkte 7 und 8 entgegen der Richtung der Pfeile 12 bzw. 13. Diese Bewegung wird von den Koppelelementen 3 und 4 auf den Torsionsresonator 2 übertragen. Wegen der gegensinnig verlaufenden Schwingung der Koppelelemente 3 und 4 wird somit auf den Torsionsresonator 2 ein reines Drehmoment übertragen, wodurch dieser zu Torsionsschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 11 angeregt wird. Um die Anregung störender Nebenwellen zu vermeiden, ist dabei darauf zu achten, daß die Koppelelemente 3 und 4 eine gleich große, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kraft auf den Torsionsresonator 2 übertragen, wozu es lediglich erforderlich ist, die beiden Koppelelemente 3 und 4 gleichförmig auszubilden und in einem möglichst gleich großen Abstand symmetrisch zur Knotenebene 10 am Längsschwinger 1 zu befestigen.
  • Je nach dem Durchmesser des Torsionsresonators 2 können die Koppelelemente 3 und 4 auch an diametral gegenüberliegenden Punkten seiner, dem Längsschwinger zugewandten Stimfläche befestigt sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 2 dargestellt. Dem Torsionsresonator 2 kann erforderlichenfalls auch eine von der Kreisform abweicLende Form gegeben werden.
  • Wie bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, dem Resondtor 1 an den Punkten, an denen die Koppelelemente 3 und 4 befestigt sind mit warzenartigen Vorsprüngen zu versehen, wodurch sowohl die Koppelelemente als auch der Torsionsresonator frei schwingen können, ohne mit dem Längsschwinger 1 in Berührung zu kommen. Eine besonders einfache Methode zum Anbringen solcher Vorsprünge ist in der F i g. 3 gezeigt, in der beispielsweise der Befestigungspunkt 8 des Resonators 1 getrennt dargestellt ist. Der Vorsprung V wird von dem Stumpf eines Kopfdrahtes gebildet, der mittels Punktschweißung derart in den Resonator eingeschweißt ist, daß der Sattel S des Kopfdrahtes satt auf der Resonatoroberfläche aufliegt.
  • In den F i g. 4 und 5 sind noch vorteilhafte Methoden zur Anregung von Längsschwingungen gezeigt. Hierzu sind in einem beispielsweise aus einem metallischen Material bestehenden Resonator 1 zwei Spalte vorgesehen, die im Bereich einer sich hinsichtlich Längsschwingungen ausbildenden Knotenebene liegen. In diese Spalte sind die aus einem elektrostriktiven Material bestehenden Plättchen 20 bis 23 eingebracht, wobei jeweils ein Plättehenpaar durch eine elektrisch leitende Schicht, wie z. B. eine Silberschicht, getrennt ist. Den elektrostriktiven Plättehen ist durch eine Gleichspannungsvorbehandlung eine in Richtung der Pfeile 15 bzw. 16 verlaufende Polarisation aufgeprägt, so daß die Plättchen jeweils eines zusammengehörigen Plättchenpaares entgegengesetzt polarisiert sind. An den Silberschichten 19 sind Anschlußdrähte befestigt, die zu einer gemeinsamen Anschlußklemme 17 führen, während von einer Anschlußklemme 18 ein Anschlußdraht mit dem Metallteil des Resonators 1 in Verbindung steht. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung zwischen den Klemmen 17 und 18 verläuft das elektrische Feld entweder in Richtung der Polarisation oder entgegen der Richtung der Polarisation der elektrostriktiven Plättchen. Dadurch werden die Plättchen 20 bis 23 stets gleichzeitig gedehnt bzw. gleichzeitig zusammengezogen, wodurch der Resonator 1 zu ausgeprägten Längsschwingungen angeregt wird. In genau der gleichen Weise arbeitet das in der F i g. 5 gezeichnete Wandlersystem, jedoch sind dort die elektrostriktiv aktiven Plättchenpaare in Längsrichtung des Resonators 1 gegeneinander versetzt. Diese Anordnung wird vorteilhaft dann angewendet, wenn beispielsweise die Knotenebene des Resonators 1 zur Befestigung des Wandlersystems an Halteelementen frei sein soll. Zusätzlich läßt sich durch die axiale Versetzung die Größe des mechanischen Kopplungsfaktors steuern, da die elektrostriktiv aktiven Plättchen mit zunehmender Entfernung von der Knotenebene in Bereiche größerer Auslenkung gebracht werden. Durch die Umkehrung des an Hand des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 beschriebenen Prinzips läßt sich der Wandler auch zur Umwandlung mechanischer Torsionsschwingungen in elektrische Schwingungen verwenden.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Elektromechanisches Wandlersystem zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Torsionsschwingungen bzw. umgekehrt, insbesondere als Anregungssystem bzw. Abnahmesystem einer mehrtei>ligen, aus mechanischen Torsionsresonatoren bestehenden elektromechanischen Filteranordnung, wobei an einen elektrostriktiv wirkende Wandlerelemente enthaltenden Längsschwinger ein Torsionsresonator angekoppelt ist, dadurch gekennzeichn e t, daß die Längsachse (9) des Torsionsresonators (2) senkrecht zur Schwingungsebene (12, 13) des Längsschwingers (1) steht und durch eine Knotenebene (10) des Längsschwingers (1) verläuft und daß der Torsionsresonator (2) über zwei untereinander gleichartig ausgebildete, Längsschwingungen ausführende Koppelelemente (3, 4) an den Längsschwinger derart angekoppelt ist, daß die einen Enden der Koppelelemente (3, 4) an zwei diagonal gegenüberliegenden Punkten (7, 8) des Längsschwingers (1) und die anderen Enden der Koppelelemente (3, 4) an diagonal gegenüberliegenden Punkten des Torsionsresonators befestigt sind. 2. Elektromechanisches Wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Torsionsresonators (2) als Stab mit kreisförinigem Querschnitt die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente (3, 4) an zwei gegenüberliegenden Mantellinien des Torsionsresonators (2) befestigt sind. 3. Elektromechanisches Wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente (3, 4) am Torsionsresonator (2) an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten seiner Stirnfläche befestigt sind. 4. Elektromechanisches Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschwinger (1) an den Punkten (7, 8), an denen die Längsschwingungen ausführenden Koppelelemente (3, 4) befestigt sind, mit warzenartigen Vorsprüngen (V) versehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 810 888; Bulletin of the Yamaguta University (Engineering) Vol. 5, Nr.
  2. 2, März 1959, S. 358, 359; »Proceedings of the IRE«, Vol. 45, Nr. 1, S. 11 (1957).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2810888A (en) * 1954-08-03 1957-10-22 Rca Corp Electromechanical filter

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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