DE1277463B - Mechanischer Schwinger mit elektrostriktiver Anregung - Google Patents

Description

DEUTSCHES AS^S PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-34

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1277 463

Aktenzeichen: P 12 77 463.9-35 (S 85317)

1 277463 Anmeldetag: 21. Mai 1963

Auslegetag: 12. September 1968

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biege- oder Längsschwingungen ausgebildet ist und bei dem die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender Plättchenebene symmetrisch zu der zur Längsachse des Schwingers senkrecht stehenden Halbierungsebene angeordnet und in Richtung der Längsachse des Schwingers polarisiert sind.

Mechanische Resonatoren lassen sich wegen ihrer hohen Frequenzkonstanz und ihrer hohen Güte mit Vorteil in Oszillator- und Filterschaltungen einsetzen, bei denen die hinsichtlich Frequenzgenauigkeit oder Steilheit der Filterflanken gestellten Anforderungen mit konzentrierten Schaltelementen nur schwer zu _ erfüllen sind. Ein mechanischer Resonator hat in der Regel die Form einer akustischen Leitung, d. h., es gilt für ihn nur in einem verhältnismäßig engen ao Frequenzbereich das durch einen Schwingkreis darzustellende elektrische Ersatzschaltbild. Betrachtet man einen mechanischen Resonator in einem großen Frequenzbereich, so zeigt sein Eingangswiderstand im Gegensatz zu einem Schwingkreis aus konzen- as trierten Schaltelementen laufend sich wiederholende Null- und Polstellen, die durch die sogenannten Oberschwingungen des Resonators hervorgerufen werden. Aus diesem Grund treten beispielsweise bei einem mit mechanischen Schwingern aufgebauten Bandpaß außer den gewünschten noch weitere störende Durchlaßbereiche auf, die dann durch zusätzlichen Aufwand an Spulen und Kondensatoren beseitigt werden müssen. Wird ein mechanischer Resonator statt auf der Grundschwingung auf einer Öberschwingung betrieben, um mit fertigungstechnisch brauchbaren Abmessungen höhere Resonanzfrequenzen zu erzielen, dann verkleinert sich der relative Abstand zur nächsten Oberschwingung. Je näher die erste Oberschwingung am gewünschten Durchlaßbereich liegt und je größer die Anforderungen an die Sperrdämpfung sind, desto schmalbandiger müssen die zur Unterdrückung der unerwünschten Durchlaßbereiche eingesetzten elektrischen Schwingkreise sein, was jedoch im gewünschten Durchlaßbereich eine Erhöhung der Durchlaßdämpftmg zur Folge hat. Ähnliche Schwierigkeiten liegen auch dann vor, wenn ein mechanischer Resonator in einer Oszillatorschaltung eingesetzt werden soll, die kein weiteres selektives Element hat. In diesem Fall kann der Oszillator unter Umständen auf einer unerwünschten Oberwelle des Resonators schwingen.

Mechanischer Schwinger
mit elektrostriktiver Anregung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Karl Traub, 8000 München

Bei schlanken Längsschwingern treten die Oberwellen bekanntlich harmonisch auf, d. h. bei ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung. Bei Biegeschwingern mit freien Enden liegen die Oberschwingungen nicht harmonisch zur Grundschwingung.

Es ist durch die USA.-Patentschrift 2596 460 bereits ein sogenanntes Vielkanalnlter bekanntgeworden, bei dem ein Resonanzkörper über elektrostriktiv wirkende Wandlersysteme zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Wesenthch für dieses Filter ist es, daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers so gewählt wird, daß sich eine Vielzahl von Durchlaßbereichen in gleichen Frequenzabständen ergibt. Zur Erhöhung der Selektivität wird eine Anordnung verwendet, bei der zwei untereinander gleichartig ausgebildete Resonanzkörper unter Zwischenlage eines elektrostriktiven Wandlersystems hintereinander angeordnet sind, wodurch eine symmetrische Ausbildung der Gesamtanordnung entsteht. Hinweise darüber, wie sich bei einem mechanischen Schwinger Oberwellenschwingungen möglichst unterdrücken lassen, können dieser Patentschrift schon deshalb nicht entnommen werden, weil gerade eine Vielzahl von Oberschwingungen zur Erzielung der gewollten Vielkanalwirkung angeregt werden muß.

Es ist ferner durch die britische Patentschrift 840 815 ein zu Längsschwingungen erregter, mechanischer Schwinger bekanntgeworden, bei dem im Zuge des aus metallischem Material bestehenden Schwingers ein aus elektrostriktivem Material bestehendes Plättchen mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender Plättchenebene angeordnet ist. Wie auch bei einem anderen bekannten und etwa gleichartig ausgebildeten mechanischen Längsschwinger, liegt dabei das der Schwingungsanregung dienende elektrostriktiv aktive Plättchen außerhalb des Bereichs der Halbierungsebene des Schwingers. Bei

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diesen bekannten Anordnungen geht es jedoch im Hierbei bedeutet E den Elastizitätsmodul des wesentlichen darum, den relativ hohen Temperatur- Schwingermaterials, / das Trägheitsmoment des koefiizienten der Frequenz solcher Schwinger, die Stabes in Schwingrichtung, m die Masse pro Längenrein aus einer elektrostriktiven Keramik bestehen, einheit, I die Länge des Stabes und η die Ordnungsdadurch zu vermindern, daß für den Schwinger im 5 zahl der Resonanzfrequenz (n = 1, 2, 3 .. .)· In den wesentüchen ein einen verhältnismäßig geringen F i g. 1 bis 5 sind die Verformung und die Lage der Temperatakoeffizienten aufweisendes Material ver- Schwingungsknoten in Abhängigkeit von einer lauwendet wird. Obzwar bei diesen bekannten Anord- _x ,
nungen die elektrostriktiv aktiven Plättchen auch ^fenden Koordinate _y dargestellt, wenn χ eine besymmetrisch zu der auf die Schwingerlängsachse 10 liebige Stelle des Stabes bedeutet. Diese Ergebnisse stehenden Halbierungsebene liegen können, lassen lassen sich aus der gleichen Differentialgleichung sich dort keine Hinweise über eine besondere An- _wi_e die Resonanzbedingung herleiten. Die Fig. 1 Ordnung zur Unterdrückung von Oberschwingungen zeigt die Verformung und die Lage der Schwinentnehmen. gungsknoten für die Grundschwingung, die F i g. 2 Durch die USA.-Patentschrift 1747 837 ist ferner i₅ für die zweite Oberschwingung usw. sind in der eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Schwin- Fig. 5 entsprechend Verformung und Lage der gungen bekanntgeworden, bei der ein mechanischer Schwingungsknoten für die fünfte Oberschwingung Biegeschwinger als schwingendes Element verwendet dargestellt. (Die Ordnungszahl 1. wird der Grundwird. Zur Schwingungsanregung wird ein von einer schwingung zugeordnet, so daß Grundschwingung Gleichstromquelle gespeistes Magnetsystem verwen- 20 und erste Oberschwingung identisch sind). Wie den det, wobei der Stromfluß durch das Magnetsystem Fig. 1 bis 5 zu entnehmen ist, tritt bei allen geradzusätzlich von einem sogenannten Aufnahmeelement zahligen Oberwellen in der Mitte des Stabes
gesteuert wird, das am Biegeschwinger anliegt und

dessen Widerstand sich unter dem Einfluß des vom / _~ _ q 5

Biegeschwinger beim Schwingungsvorgang erzeugten 25 \ /

Druckes ändert. Zwei weitere derartige Aufnahmesysteme liegen symmetrisch zur mittleren Halbie- ein Schwingungsknoten auf, bei dem auch das Biegerungsebene des Schwingers, wodurch auf Grund moment Null ist. An zwei zur Stabmitte symmetridieser symmetrischen Ausbildung geradzahlige Har- _schen Stellen treten gleich große, jedoch entgegenmonische nicht erzeugt werden. Hinweise in Rieh- ₃₀ gesetzt gerichtete Verformungen auf. Bei der Grundtung des Erfindungsgegenstandes lassen sich dieser schwingung und den ungeradzahligen Oberwellen Patentschrift jedoch schon deshalb nicht entnehmen, liegen in der Mitte des Stabes Maxima der Verweil die dort verwendeten Aufnahmesysteme wesent- formung, und an zwei zur Stabmitte symmetrischen lieh anders ausgebildet sind als elektrostriktiv wir- Stellen treten gleich große und gleichgerichtete Verkende Antriebssysteme. ₃₅ formungen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den In der Fig. 6 ist ein mechanischer Biegeschwinger einleitend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnis- dargestellt, der gemäß einem älteren Vorschlag zur mäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere Anregung mechanischer Biegeschwingungen mittels soll erreicht werden, daß bei elektrostriktiv angereg- elektrostriktiver Keramikplättchen aufgebaut ist. ten Schwingern durch eine geeignete Anordnung der ₄₀ Hierbei sind in einem Stahlstab 5 zu beiden Seiten Anregungssysteme eine Reihe von Oberschwingungen der hinsichtlich Biegeschwingungen neutralen Faser unschädlich gemacht wird. elektrostriktiv aktive Plättchen 6 und 7 angeordnet.

Ausgehend von einem mechanischen Schwinger, Als elektrostriktiv aktives Material wird eine Bleider durch Plättchen aus elektrostriktivem Material keramik (Bleizirkonat) verwendet, wie sie z. B. unter für den Übergang von elektrischen Schwingungen ₄₅ dem Handelsnamen PZT 6 der Firma Clevite beauf mechanische Biege- oder Längsschwingungen kannt ist. Die Keramikplättchen sind an den dem ausgebildet ist und bei dem die aus elektrostriktivem Stahlteil zugewandten Seiten mit einer Silberschicht Material bestehenden Plättchen mit senkrecht zur versehen und mit dem Stahlteil fest verlötet. Die Längsachse des Schwingers liegender Plättchenebene Polarisation der Keramikplättchen ist durch die symmetrisch zu der zur Längsachse des Schwingers _5o pfeile 8 und 9 angedeutet und so gewählt, daß das senkrecht stehenden Halbierungsebene angeordnet oberhalb der neutralen Faser liegende Plättchen 6 und in Richtung der Längsachse des Schwingers entgegengesetzt zu dem unterhalb der neutralen polarisiert sind, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß Faser liegende Plättchen 7 polarisiert ist. In den dadurch gelöst, daß die aus elektrostriktivem Material Schwingungsknoten 10 und 11 der Grundschwinbestehenden Plättchen entgegengesetzt polarisiert _{55 gun}g sind metallische Zuführungsdrähte 12 und 13 sind. befestigt, die an entsprechende Anschlußklemmen 1

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von _und 2 führen. Die Zuführungsdrähte 12 und 13 kön-Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. _nen bei entsprechend starker Ausbildung auch zur

Aus der Differentialgleichung eines an beiden Verankerung des Schwingers in einem nicht näher Enden freien Biegeschwingers lassen sich durch 60 dargestellten Gehäuse verwendet werden. Beim AnBerücksichtigung der geeigneten Anfangsbedingungen I_egen einer Wechselspannung an die Klemmen 1 die Resonanzfrequenzen eines derartigen Biege- _und 2 ist dann beispielsweise die Polarisationsschwingers nach folgender Näherungsformel er- richtung des Keramikplättchens 6 entgegengesetzt rechnen: _zur elektrischen Feldrichtung, während die Polari-

Γ^τγ 65 sationsrichtung des Plättchens 7 mit der Richtung

f_n — — (0,5 + h)²1/ - . des elektrischen Feldes überemstimmt. Entsprechend

2 I/ Inlⁱ dieser Zuordnung dehnt sich das eine Plättchen unter

dem Einfluß des elektrischen Feldes aus, während

sich das andere Plättchen zusammenzieht, wodurch der Schwinger durchgebogen wird. Wenn sich die Polarität der angelegten Wechselspannung umkehrt, wird entsprechend der Schwinger nach der anderen Seite durchgebogen, so daß er ausgeprägte Biegeschwingungen ausführt, wenn die Frequenz der angelegten Wechselspannung zumindest näherungsweise mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt. In der F i g. 6 sind die Keramikplättchen in der Mitte des Stabes (d. h. bei 0,5 · t) angeordnet.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind die elektrostriktiv aktiven Systeme symmetrisch zur Stabmitte angeordnet. Mit dem aus Stahl bestehenden Schwinger 5 sind die Keramikplättchen 15, 16, 17 und 18 verlötet. In den Schwingungsknoten 10 und 11 für die Grundschwingung sind die Zuführungsdrähte 12 und 12' befestigt, die zu einer gemeinsamen Anschlußklemme 1 führen. Am Mittelteil des Stahlstabes ist ein weiterer Zuführungsdraht 19 befestigt, der zu einer Anschlußklemme 2 führt. Die Polarisation der Keramikplättchen ist durch die Pfeile 20, 21, 22 und 23 angedeutet und wiederum so gewählt, daß die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind, außerdem sind noch die Polarisationsrichtungen beider Systeme gegensinnig zueinander. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel führt der Schwinger mechanische Biegeschwingungen aus, wenn an die Klemmen 1 und 2 eine elektrische Wechselspannung gelegt wird, deren Frequenz etwa mit seiner Eigenresonanzfrequenz übereinstimmt.

In der F i g. 9 ist das elektrische Ersatzschaltbild derartiger Biegeschwinger gezeichnet. Die Grundschwingung läßt sich darstellen durch einen Serienresonanzkreis mit der Induktivität L_v der Kapazität C₁ und einem Verlustwiderstand R_v denen eine Kapazität C_{p x} parallel geschaltet ist. Zur Übereinstimmung mit den mechanischen Schwingern sind die Anschlußklemmen mit I_e und 2_e bezeichnet. Für die an den mechanischen Schwingern eventuell auftretenden Oberschwingungen sind im Ersatzschaltbild noch weitere Serienschwingkreise mit den Schaltelementen L₂, C₂ und R₂ bis L_m C_n und R_n gestrichelt angedeutet.

Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 6 und 7 werden alle geradzahligen Oberschwingungen nicht angeregt, was sich aus einem Vergleich mit den F i g. 2 und 4 ergibt. Da alle geradzahligen Oberwellen in der Stabmitte Schwingungsknoten aufweisen, können sie durch eine Anordnung des Anregungssystems in der Stabmitte gemäß der F i g. 6

nicht angeregt werden. Bei einer Anregung gemäß der Fig. 7 unterstützen sich auf Grund der durch die Pfeile 20 bis 23 angedeuteten Polarisation die Kräfte für die Grundschwingung, heben sich jedoch für alle geradzahligen Oberwellen auf. Wählt man beim Ausführungsbeispiel der F i g. 7 den Abstand a der elektrostriktiven Plättchen vom Stabende so, daß die anregenden Plättchen 15 und 16 bzw. 17 und 18 in den Schwingungsknoten einer ungeradzahligen Oberschwingung liegen, dann wird auch diese unterdrückt. Für

a - 0,356 · I

ergibt sich somit eine Unterdrückung der dritten und aller geradzahligen Oberwellen, wodurch nach der Grundschwingung erst die fünfte Oberschwingung angeregt werden kann. Dadurch läßt sich zwisehen der Grundschwingung und der nächsten Oberschwingung bereits ein für die Praxis im allgemeinen hinreichend großer Frequenzabstand erzielen. Im Ersatzschaltbild der F i g. 9 fallen damit die Schaltelemente L₃, C₃ und R_s sowie alle mit geradzahligen

ίο Ziffern bezeichneten Schaltelemente weg.

Das in der F i g. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel gleicht in seinem Aufbau im wesentlichen dem der Fig. 7. Unterschiedlich ist die Wahl der Polarisationsrichtung für die einzelnen elektrostriktiv aktiven Plättchen 15,16, 17 und 18. Die Polarisation ist durch die Pfeile 20', 2Γ, 22' und 23' angedeutet und so gewählt, daß die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind. Jedoch sind für beide Systeme die oberhalb und unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen gleichsinnig polarisiert. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Klemmenl und 2 werden die elektrostriktiv aktiven Plättchen Dehnungen und

as Verkürzungen unterworfen, so daß der Schwinger unter Berücksichtigung der Polarisationsrichtung Biegeschwingungen ausführt. Wie sich aus einem Vergleich mit den F i g. 1 bis 5 ergibt, heben sich die anregenden Kräfte wegen der Symmetrie der Anordnung für alle ungeradzahligen Oberschwingungen und für die Grundschwingung auf, so daß diese nicht angeregt werden. Wird der Abstanda' so gewählt, daß die Keramikplättchen in Schwingungsknoten einer geradzahligen Oberwelle liegen, dann wird auch diese nicht angeregt. Wird beispielsweise a' so gewählt, daß die Keramikplättchen in Schwingungsknoten der vierten Oberwelle liegen

a' = 0,277 · I

(s. Fig. 4), dann schwingt der Resonator auf der zweiten Oberwelle, und die nächste Schwingung tritt erst bei der sechsten Oberwelle auf. Im Ersatzschaltbild der F i g. 9 kommen damit die Schaltelemente L₄, C₄ und R_i sowie alle mit ungeradzahligen Zahlen behafteten Schaltelemente in Wegfall.

In der Fig. 10 ist ein mechanischer Biegeschwinger dargestellt, dessen Anregung über elektrostriktiv aktive Plättchen aus Kalzium-Barium-Titanat erfolgt, dessen Curie-Temperatur bekanntlich geringer als die erforderliche Löttemperatur ist. Aus diesem Grund sind die elektrostriktiv wirkenden Plättchen 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 37 entsprechend durch Silberschichten 38, 39, 40 und 41 unterteilt. Durch Anlegen einer Gleichspannung an entsprechende Silberschichten und Teile des Schwingers 5 kann dann den Keramikplättchen nach dem Lötvorgang die für den jeweiligen Verwendungszweck geeignete Polarisation aufgeprägt werden. In den Schwingungsknoten 10 und 11 der Grundschwingung sind Zu- führungsdrähte 42 und 43 befestigt, die bei entsprechend starker Ausbildung auch zur Halterung des Schwingers in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen können und die dann mittels einer geeigneten Verbindungsleitung an eine gemeinsame Anschlußklemme 1 angeschlossen sind. Vom Mittelteil des Schwingers 5 führt ein Anschlußdraht 44 zu einer Anschlußklemme 2 und von den Silberschichten 38 bis 41 führen Anschlußdrähte 45, 46, 47 und

48 zu einer gemeinsamen Anschlußklemme 3. Die Polarisationsrichtung der einzelnen Keramikplättchen ist durch die Pfeile 49 bis 56 angedeutet und so gewählt, daß die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind. Wird an die Anschlußklemmen 1 und 3 eine Eingangswechselspannung U_e gelegt, deren Frequenz etwa mit der Eigenfrequenz des Biegeschwingers übereinstimmt, dann führt der Schwinger Biegeschwingungen im Takt der angelegten Wechselspannung aus, da sich die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen 32 und 37 beispielsweise ausdehnen, während sich die unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen 30 und 35 zusammenziehen. Kehrt sich die Polarität der angelegten Wechselspannung um, dann werden die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen zusammengezogen, während die unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen sich dehnen. Durch die Biegeschwingung werden auch die Plättchen 31, 33, 34 und 36 Dehnungen und Zusammenziehungen unterworfen, so daß zwischen den Silberschichten 38 bis 41 und dem Mittelteil des Schwingers 5 eine Spannung entsteht, die als Ausgangswechselspannung U_a zwischen den Klemmen 2 und 3 abgenommen werden kann.

Das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäß der Fig. 10 aufgebauten Schwingers ist in der Fig. 11 Schaltelemente sowie der Serienschwingkreis L₃', C₃', R₃' weg. Ein gemäß der Fig. 10 aufgebauter Schwinger, dessen Grundresonanzfrequenz bei etwa 7 kHz liegt, liefert etwa zwischen 9 und 65 kHz eine Sperrdämpfung in der Größenanordnung von 8 Neper und zeigt den nächsten Dämpfungseinbruch erst bei etwa 72 kHz, was der fünften Oberwelle entspricht. Es läßt sich somit erreichen, daß der auf die Grundwelle folgende Dämpfungseinbruch erst etwa im zehnfachen Abstand von der Grundfrequenz erfolgt. Das in der Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel läßt sich in Analogie mit dem Ersatzschaltbild der F i g. 9 auch zweipolig betreiben, wenn die Anschlußklemmen 1 und 2 miteinander verbunden werden und die anregende Spannung an die Klemmen 3 und die zwischen 1 und 2 liegende Verbindungsleitung gelegt wird. In diesem Fall ergibt sich beispielsweise für den Betrieb eines mehrteiligen Filters ein Endschwinger, bei dem die dritte und alle ao geradzahligen Oberwellen nicht angeregt werden. Dadurch entfallen im Ersatzschaltbild der Fig. 9 alle mit geraden Zahlen behafteten Schaltelemente sowie der aus L₃, C₃ und R₃ bestehende Serienschwingkreis.

In der Fig. 12 ist ein mechanischer Biegeschwinger gezeichnet, dessen Anregungssysteme aus einer Bleikeramik bestehen. In der Mitte des Schwingers 5 liegen die Keramikplättchen 60 und 61, die entgegengesetzt zueinander polarisiert sind, wie es durch die

gezeichnet. Es besteht für die Grundwelle aus einer 30 Pfeile 64 und 65 angedeutet ist. Die Keramikplättchen

Schaltung, in deren Längszweig ein verlustbehafteter Serienresonanzkreis mit der Induktivität L₁', der Kapazität C₁' und dem Verlustwiderstand R₁' liegt und bei der am Eingang und Ausgang etwa gleich große Kapazitäten C₀₁ und C₀₂ im Querzweig liegen. Um eine eventuell unsymmetrische Anordnung oder eine unterschiedliche Dicke der elektrostriktiven Plättchen bzw. auch deren Polarisation zu berücksichtigen, ist der Ausgangsquerkapazität C₀₂ ein

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idealer Übertrager U mit dem Übersetzungsverhältnis 1: u vorgeschaltet. Zur Übereinstimmung mit dem mechanischen Schwinger sind die Anschlußklemmen mit 1/, 2/ und 3/ bezeichnet. Zur Berücksichtigung der Oberschwingungen sind dem im Längszweig liegenden Serienschwingkreis noch weitere gestrichelt gezeichnete Serienkreise L₂' C₂', R₂' bis L_n', C_n und R_n parallel geschaltet. Die den Oberwellen mit den Ordnungszahlen 3 bis η — 1 entsprechenden Serienresonanzkreise sind lediglich 62 und 63 sind entsprechend den Pfeilrichtungen 66 und 67 ebenfalls entgegengesetzt zueinander polarisiert und Hegen in einem Schwingungsknoten für die dritte Oberschwingung. Von den durch die Keramikplättchen gegeneinander isolierten Stahlteilen des Schwingers 5 führen Anschlußdrähte 68, 69 und 70 zu entsprechenden Anschlußklemmen 1, 2 und 3. Dieser Schwinger läßt sich ebenfalls auf das Schaltbild der F i g. 11 zurückführen. Legt man nämlich an die Klemmen 1 und 3 eine Wechselspannung, dann werden alle geradzahligen Oberwellen nicht angeregt, da die anregenden Plättchen 60 und 61 in der Mitte des Stabes

= 0,5

liegen. Zwischen den Klemmen 2 und 3 kann die Ausgangswechselspannung abgenommen werden, durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Wird beim 50 die die der dritten Oberwelle entsprechenden Span-

Ausführungsbeispiel der F i g. 10 an die Klemmen 1 und 3 eine Eingangswechselspannung U_e gelegt, dann unterstützen sich die anregenden Kräfte für die Grundschwingung, während sie sich wegen der symmetrischen Anordnung und der gewählten Polarisation für alle geradzahligen Oberwellen nahezu völlig aufheben (vgl. Fig. 1 bis 5). Wird der Abstand d der Keramikplättchen von den Schwingerenden so gewählt, daß die Keramikplättchen in den Schwingungsknoten einer ungeradzahligen Oberwelle liegen, dann wird auch diese nicht angeregt. Wählt man beispielsweise

^ = 0,356·/,

dann liegen die Keramikplättchen in Schwingungsknoten der dritten Oberschwingung, so daß diese nicht angeregt wird. Im Ersatzschaltbild der Fig. 11 fallen dann alle mit geraden Zahlen behafteten nungen nicht enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden somit die dritte und alle geradzahligen Oberschwingungen unterdrückt.
In der Fig. 13 ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens ein als Vierpol betriebener mechanischer Biegeschwinger dargestellt, bei dem die dritte und fünfte Oberschwingung sowie alle geradzahligen Oberschwingungen unterdrückt werden. Die Stahlteile des Schwingers 5 sind hierbei über Plättchenpaare 75 und 76, 77 und 78, 79 und 80, 81 und 82 aus einer Bleikeramik miteinander verbunden. Die Polarisation der einzelnen Plättchen ist durch die Pfeile 83 bis 90 angedeutet und so gewählt, daß jeweils die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind, und außerdem sind die in der linken Stabhälfte liegenden Plättchen gegensinnig zu den in der rechten Stab-

hälfte liegenden Plättchen polarisiert. Die Plättchen 75 und 76 sowie die Plättchen 81 und 82 sind so angeordnet, daß sie in Schwingungsknoten der dritten Oberwelle liegen

(b = 0,356-0-

Die Plättchen 77 und 78, 79 und 80 liegen in Schwingungsknoten der fünften Oberwelle

= 0,409^.

Von den einzelnen Stahlteilen des Schwingers führen Anschlußdrähte 91 und 92 zu einer Anschlußklemme 1, ein Anschlußdraht 93 zu einer Klemme 2 und die Anschlußdrähte 94 und 95 zu einer Klemme 3. Das Ersatzschaltbild dieses Schwingers läßt sich wiederum auf das der Fig. 11 zurückführen. Legt man zwischen die Klemmen 1 und 3 eine Eingangswechselspannung U_e, dann führt der ao Schwinger auf Grund des aus den Plättchen 75, 76, 81 und 82 bestehenden Anregungssystems Biegeschwingungen aus, durch die auch die Plättchen 77 und 78 sowie die Plättchen 79 und 80 gedehnt und zusammengezogen werden. Es läßt sich deshalb zwisehen den Klemmen 2 und 3 eine Ausgangswechselspannung U_a abnehmen. Da die das Anregungssystem darstellenden Plättchen in Schwingungsknoten der dritten Oberschwingung liegen, wird diese nicht angeregt. Da die Ausgangsspannung über Keramikplättchen abgenommen wird, die in Schwingungsknoten der fünften Oberwelle liegen, sind in der Ausgangsspannung Frequenzen, die der fünften Oberschwingung entsprechen, nicht enthalten. Wegen der Symmetrie der Anordnung werden außerdem alle geradzahligen Oberwellen von vornherein nicht angeregt.

Wählt man im Ausführungsbeispiel der Fig. 13 den Abstand b der Plättchen 75 und 76 bzw. der Plättchen 81 und 82 von den Schwingerenden so, daß diese Plättchen ebenfalls in Schwingungsknoten der fünften Oberwelle angebracht sind

(b = 0,227-0,

dann liegen die elektrostriktiv aktiven Systeme symmetrisch zur Mitte des Schwingers und zumindest näherungsweise symmetrisch zu Schwingungsknoten der dritten Oberwelle. Die bezüglich des Schwingungsknotens der dritten Oberwelle auftretende Längenunsymmetrie läßt sich für die elektrische Wirkungsweise dadurch ausgleichen, daß die Dicke der Plättchen 75 und 76 bzw. 81 und 82 unterschiedlich von der Dicke der Plättchen 77 und 78 bzw. 79 und 80 gewählt wird. Verbindet man weiterhin die Klemmen 1 und 2 und legt die anregende Spannung an die Klemmen 3 und die zwischen den Klemmen 1 und 2 liegende Verbindungsleitung, dann ergibt sich für den Betrieb eines mehrteiligen Filters ein Endschwinger, in dem die dritte und fünfte sowie alle geradzahligen Oberwellen nicht angeregt werden. Die Unterdrückung der geradzahligen Oberwellen ist durch die Symmetrie zur Stabmitte gegeben, die Unterdrückung der dritten Oberwelle ergibt sich aus der Symmetrie der Plättchen zu den Schwingungsknoten der dritten Oberwelle und die fünfte Ober- welle wird nicht angeregt, da die Plättchen in deren Schwingungsknoten angebracht sind. Im Ersatzschaltbild der F i g. 9 entfallen dann alle mit geraden

Zahlen behafteten Elemente und die die dritte und fünfte Oberwelle darstellenden Serienschwingkreise.

Bei den in den F i g. 6 bis 13 beschriebenen Biegeschwingern können außerdem wegen der Symmetrie zur neutralen Faser und den jeweils entgegengesetzten Polarisationsrichtungen keine Längsschwingungen angeregt werden.

In der F i g. 14 sind die Verformung und die Lage der Schwingungsknoten eines Längschwingers in

Abhängigkeit von einer laufenden Koordinate ~ aufgetragen, wenn χ eine beliebige Stelle und / die Stablänge bedeutet. Die Stablänge wird in der Regel so gewählt, daß sie bei der Grundschwingung etwa eine halbe Wellenlänge beträgt

^l = y, A = Wellenlänge j.

Durch die Kurve 100 ist die Verformung für die Grundschwingung, durch die Kurve 101 die Verformung für die zweite Oberschwingung und durch die Kurve 102 die Verformung für die dritte Oberschwingung dargestellt. Wie bereits erwähnt, treten bei Längsschwingungen die Oberwellen harmonisch zur Grundschwingung auf, was auch aus dem in der F i g. 14 gezeichneten Diagramm hervorgeht.

In der F i g. 15 ist ein Längsschwinger dargestellt, der aus einem Stahlteil 105 besteht, in den elektrostriktiv aktive Plättchen 106 und 107 in der bekannten Weise eingelötet sind. Die Polarisation dieser Plättchen ist durch Pfeile 108 und 109 angedeutet. Von den durch die Keramikplättchen gegeneinander isolierten Stahlteilen führt ein Anschlußdraht 110 zu einer Klemme 1, ein Anschlußdraht 111 zu einer Klemme 2 und ein Anschlußdraht 112 zu einer Klemme 3. Das elektrische Ersatzschaltbild eines derartigen Längsschwingers läßt sich auf das der Fi g. 11 zurückführen. Legt man zwischen die Klemmen 1 und 3 eine Eingangswechselspannung U_e, dann führt der Schwinger Längsschwingungen aus, da das anregende Keramikplättchen 108 im gesamten Querschnitt des Schwingers angeordnet ist. Da das Anregungssystem in einem Schwingungsknoten der dritten Harmonischen liegt, wird diese nicht angeregt. Wenn die Frequenz der anregenden Spannung etwa mit der Eigenresonanzfrequenz des Schwingers übereinstimmt, dann kann zwischen den Klemmen 2 und 3 eine Ausgangswechselspannung abgenommen werden, in der keinerlei Spannungen von geradzahligen Harmonischen enthalten sind, da das durch das Keramikplättchen 109 realisierte Abnahmesystem in der Mitte des Schwingers

angeordnet ist, d. h. an einer solchen Stelle, an der für alle geradzahligen Harmonischen Knotenpunkte der Verformung auftreten. Demnach werden bei einem derart aufgebauten Längsschwinger die dritte sowie alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt.

Aus einem Vergleich der in den F i g. 12 und 15 dargestellten Ausführungsbeispiele läßt sich die Analogie zwischen Längs- und Biegeschwingern erkennen. Durch analoge Anwendung der bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 6 bis 13 gegebenen Regel läßt sich somit die Unterdrückung

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Claims (7)

1. von unerwünschten Oberschwingungen auch bei Längsschwingern erreichen.

   Patentansprüche:

   !.MechanischerSchwinger,der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biege- oder Längsschwingungen ausgebildet ist und bei dem die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender Plättchenebene symmetrisch zu der zur Längsachse des Schwingers senkrecht stehenden Halbierungsebene angeordnet und in Richtung der Längsachse des Schwingers polarisiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen (15, 16; 17, 18) entgegengesetzt polarisiert (20, 22 bzw. 21, 23) sind.
2. 2. Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Schwingers als Biegeschwinger die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen längs der hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden neutralen Faser jeweils in Plättchenpaare (15,16; 17, 18) unterteilt sind und daß die Plättchen symmetrisch (20, 22; 21, 23) zu der senkrecht auf die Längsachse des Schwingers stehenden Halbierungsebene polarisiert sind.
3. 3. Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Schwingers als Biegeschwinger die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen längs der hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden neutralen Faser jeweils in Plättchenpaare (15,16; 17, 18) unterteilt sind und daß die Plättchen

   antisymmetrisch (20', 22'; 21', 23') zu der senkrecht auf die Längsachse des Schwingers stehenden Halbierungsebene polarisiert sind.
4. 4. "Mechanischer Schwinger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen aus elektrostriktivem Material durch eine senkrecht zur Längsachse des Schwingers verlaufende metallische Schicht (38, 39, 40, 41), vorzugsweise eine Silberschicht, unterteilt sind und daß die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen (32, 33; 36, 37) entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser Hegenden Plättchen (30, 31; 34, 35) polarisiert sind.
5. 5. Mechanischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen aus elektrostriktivem Material in Schwingungsknoten von ungeradzahligen Oberwellen angeordnet sind.
6. 6. Mechanischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehr als zwei elektrostriktiven Plättchen je zwei Plättchen zumindest näherungsweise symmetrisch zu Schwingungsknoten von Oberwellen höherer Ordnung angebracht sind.
7. 7. Mechanischer Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Plättchen bzw. eines der Plättchenpaare der Schwingungsanregung dient, während das andere Plättchen bzw. das andere Plättchenpaar der Schwingungsabnahme dient.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 840 815;
   USA--Patentschriften Nr. 2 569 460, 1747 837;

   »The Proceedings of the IEE«, Vol. 109, Part Β, Supplement Nr. 22, S. 355 bis 361.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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