-
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.