DE1416745C - Elektrostriktive Kopplungsanordnung - Google Patents

Description

a) Die Biegeschwinger sind aus Stahl; ⁿⁿJ' _ ·■ , ,. _ö-. . . , . ■ ' .

b) die Biegeschwinger sind über im Bereich der . ^Zur Behebung dieser Schwierigkeiten ist es bereits Schwingungsknoten an den Resonatoren be- bekanntgeworden, zur ■ Anregung mechanischer festigte Koppeldrähte aus leitendem Material Schwingungen elektrostriktiv aktive Keramiken zu verbunden- ' ^{15 verwen}"en, da sich dadurch Wandlersysteme zur

c) der einzelne elektrostriktive Wandler ist in Umwandlung elektrischer in mechanische Schwinder Weise ausgebildet, daß auf wenigstens gingen bzw. zur Umwandlung mechanischer in elekeiner Seite eines Endresonators (1, 8,11> ein ^tT.^l*^che Schwingungen realisieren lassen, die einerseits einzelnes Plättchen (4, 4', 13) aus elektro- f,^{men nur seh}5 geringen Raumverbrauch haben und striktivem Material fest aufgebracht ist; ^{ao be}* ^den5ⁿ _t andererseits bei Verwendung in mechani-

. d) das einzelne Plättchen (4, 4', 13) ist im Be- ^s _A ^chen ™ern eine Verkohlung zwischen Ein- und reich eines Schwingungsbauches auf dem zu- Ausgangswandlern, die bei magnetostriktiven Wandgehörigen Biegeresonator (1, 8,11) befestigt; ^systemen praktisch nur schwer ^ vermeiden ist,

e) das Plättchen (4, 4', 13) ist auf der dem ^mcht i^Vllff^ 0^7? ^^,ί% ?,Λ Biegeresonator (1, 8, 11) abgewandten ^a5 tentschnften 2 814 785, 2 87* 353 und die Zeitschrift Fläche mit einer Anregungselektrode verse- »^B _a ^u"^etm °*£* Jamagata University«, März 1959, hen, an der eine elektrische Zuleitung (6, 6', ^S· ³⁷³ bis 387 bereits bekanntgeworden, zur Anre-14 15) befestigt ist- £^un8 mechanischer Biegeschwingungen aus Stahl be-

f) der Biegeresonator (1, 8,11) dient jeweils als ^s!^ehende Biegeresonatoren zu verwenden und die Gegenelektrode für das Plättchen (4, 4', 13) ³° elektrostriktiven Wandlersysteme auf den Stahlresoaus elektrostriktivem Material; · S⁸*?!; Λ¹??¹'™¹?⁵¹¹· uT ^^e J^^^sdiaüt

g) die Stromzuführung zu dem als Gegenelek- ² ?^U. ^{785 ls}}_u ^{es fern}!f ^be.^kf f ^d!f. ^ei™^™ S^ege" trode für das einzelne Plättchen (4, 4', 13) schwinger über im Bereich der hinsichtlich Biegedienenden Biegeresonator (1, 8, 11) wird schwingungen. auftretenden Schwingungsknoten an-

•durch einen im Schwingungsknoten (X) am ³⁵ gebrachte Koppelelemente, die gegebenenfalls aus

Biegeresonator (1, 8, 11) befestigten leiten- leitendem Material sein können miteinander zu kop,-

den Draht (7), vorzugsweise den Koppel- ?^e£U ΐ£ ίί^« ³^ ??i USA-Patentschnften

draht (12,12') gebildet (F i g. 3 und 4). - J ⁸⁰3 ²⁰⁷'² f⁵ 353 und 2 614 144_q sowie aus dem

V ' ^b ; Buch von Cady »Piezoelectricity« (1946), S. 672, der

2. Elektrostriktive Kopplungsanordnung nach 40 Zeitschrift »E. N. T.«, 1942, S. 45 bis 62, und dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf »Bulletin of the Yamagata University« bekannt, den zwei gegenüberliegenden Seiten des Biegeschwin- einzelnen elektrostriktiven Wandler in ,der Weise ausgungen ausführenden Resonators elektrostriktives zubilden, daß auf wenigstens einer Seite eines Endre-Material vorgesehen ist. sonators ein einzelnes Plättchen aus elektrostriktivem

3. Elektrostriktive Kopplungsanordnung nach 45 Material fest angebracht ist. Auch ist es aus der USA.-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Patentschrift 2 814 785 und dem »Bulletin of the Yaals elektrostriktives Material eine elektrostriktiv magata University«. bekannt, bei Biegeresonatoren aktive Keramik, insbesondere Bariumtitanat, vor- elektrostriktiv aktive Plättchen im Bereich eines

. gesehen ist. . :: . . ' ^; ₍ Schwingungsbauches zu befestigen. Zur Bildung einer

4. Elektrostriktive Kopplungsanordnung nach 50 Gegenelektrode ist es aus den USA.-Patentschriften einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- 2 814 785, 2 875 353, 2 614144 und dem »Bulletin zeichnet, daß mehr als zwei Anregungselektroden of the Yamagata University« bekannt, die elektrofür das elektrostriktive Material vorgesehen sind. striktiv aktive Keramik auf der dem Biegeresonator

..■■-. abgewandten Fläche mit einer Anregungselektrode zu

55 versehen und daran eine elektrische Zuleitung zu be-

. ,'■ festigen. Schließlich ist es aus der USA.-Patentschrift

2 875 353 bekannt, den Biegeresonator gleichzeitig als Gegenelektrode für die elektrostriktiv aktive Keramik

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrostriktive zu verwenden. / .-..-;-, ;
Kopplungsanordnung für ein elektromechanisches ^6o Im einzelnen ergibt sich für die vorgenannten Lite-Filter aus parallel zueinander in einer Ebene an-' raturstellen im wesentlichen noch folgendes,
geordneten Biegeschwingern, von denen die als End- Bei der Kopplungsanordnung nach der USA.-Paresonatoren dienenden mit elektrostriktiven Wand- tentschrift 2 814 785 sind zwei elektrostriktiv aktive lern versehen sind. Plättchen über eine als Anregungselektrode dienende Für elektromechanische Filter werden Kopplungs- 65 elektrisch leitende Schicht miteinander verbunden, anordnungen benötigt, die eine Umwandlung der Da für diese Anordnung das Zusammenwirken elektrischen Energie in mechanische Energie und um- zweier elektrostriktiv aktiver Plättchen wesentlich ist, gekehrt ermöglichen. Für mechanische Biegungs- wird sie auch als »Bimorph« bezeichnet. Für das An-

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regungssystem . . nach der USA.-Patentschrift ausgebildet, dessen einzelne Resonatoren über im Be-

2 875 353 ist es'wesentlich, daß der jeweilige mecha- reich der Schwingungsknoten befestigte Koppeldrähte

nische Schwinger einseitig fest eingespannt ist. Die miteinander verbunden sind. In der in der Zeitschrift

elektrostriktiv aktiven Systeme greifen dabei im Be- »Bulletin of the Yamagata University« beschriebenen

reich der Einspannstelle an den mechanischen 5 Anregungsanordnung findet sich kein Hinweis, in

Schwingern an. Bei dem in der Zeitschrift »Bulletin einem mechanischen Filter ; die Kopplungsdrähte

of the Yamagata University« beschriebenen elektro- gleichzeitig als Stromzuführung für die Gegenelek-

striktiven Kopplungssystem handelt es sich um einen trode des elektrostriktiv'aktiven Systems zu verwen-

Biegeschwinger, der an seinen beiden Enden frei den. ;, i ^ ; ? : ι : ; ^i

schwingt und dessen Halterung in den Schwingungs- io In Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes

knoten erfolgt. Für die Anregung der Biegeschwin- , empfiehlt es sich, auf zwei gegenüberliegenden Seiten

gungen wird ein elektrostriktiv aktives Plättchen ver- des Biegeschwingungen ausführenden Resonators

wendet, das im Bereich des Schwingungsbauches mit elektrostriktives Material vorzusehen. Als vorteilhaft

dem Biegeschwinger verbunden ist. hat es sich ferner herausgestellt, wenn als elektro-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in 15 striktives Material eine elektrostriktiv aktive Kera-

der elektrischen Güte hochwertiges elektrostriktives mik, insbesondere Bariumtitanat, vorgesehen ist.

Kopplungssystem zu schaffen, das bei einem verhält-- Zweckmäßig ist es außerdem, wenn die Ausbildung

nismäßig geringen Aufwand die Ausnutzung des derart getroffen wird, daß mehr als zwei Anregungs-

Querkontraktionseffektes zur Anregung von Biege- elektroden für das elektrostriktive Material vorge-

schwingungen gestattet und das unmittelbar in den ao sehen sind. Hierunter wird verstanden, daß die bei-

FertigUngsablauf eines aus Biegeresonatoren beste- spielsweise bei Quarzbiegeschwingern bekannte An-

henden mechanischen Filters einbezogen werden ordnungsart von mehr als zwei Anregungselektroden kann. - ^angewendet wird. _:

Ausgehend von einer elektrostriktiven Kopplungs- Nachstehend wird die Erfindung an Hand von

anordnung für ein elektromechanisches Filter aus 35 Ausführungsbeispielen näher erläutert. . . ν

parallel zueinander in einer Ebene angeordneten Bie- In der Zeichnung zeigt die Fig. 1 einen aus einer

geschwingern, von denen die als Endresonatoren die- Stahllegierung mit geringem Temperaturkoeffizienten

nenden mit elektrostriktiven Wandlern versehen sind, bestehenden mechanischen Biegeschwinger 1, dessen

wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Längsachse mit 2 bezeichnet strichpunktiert eingetra-,,./:

Kombination folgender Merkmale gelöst: 30 gen ist. Im Bereich des Schwingungsbauches (gestri

chelte Linie 3) dieses Biegungsschwingers, ist ein

a) Die Biegeschwinger sind aus Stahl; Plättchen 4 aus elektrostriktiver Keramik auf den

b) die Biegeschwinger sind über im Bereich der Biegungsschwinger 1 aufgelötet. Als'elektrostriktive Schwingungsknoten an den Resonatoren befe- Keramik empfiehlt sich vorzugsweise Bariumtitanat. V; stigte Koppeldrähte aus leitendem Material ver- 35 Dieses Keramikplättchen 4 ist auf der den Biegungs- ,: bunden; schwinger 1 abgewandten Fläche mit einem Metall- ,

_NJ . , , , ., . „, ,, . . , belag 5 versehen, der als Anregungselektrode dient.

c) der emzelne elektrostnktive Wandler ist m der _Diesf_{er Metallbelag der} vorzugsweise aus Gold be- ^: Weise ausgebildet, daß auf wenigstens einer _steht, kann in bekannter Weise aufgedampft oder auf- · Seite eines Endresonators ein einzelnes · Platt- ₄₀ gebrannt sein. An den Metallbelag 5 fet ein hochela- ΐ chen aus elektrostnknvem Material .fest aufge- ^^ _{extrem dünner und SO}mit geringe Masse auf-V' oracntist, weisender Anschlußdraht 6, beispielsweise durch Lö-

d) das einzelne Plättchen ist im Bereich eines tung, angeschlossen. Ein weiterer Anschlußdraht 7 Schwingungsbauches auf dem zugehörigen ist, vorzugsweise im Schwingungsknoten des Bie-' Biegeresonator befestigt; - 45 gungsschwingers, aus Metall leitend befestigt.

e) das Plättchen ist auf der dem Biegeresonator ab- ^Wird .^den. Anschlußdrähten 6, 7 eine Wechselspangewandten Fläche mit einer Anregungselektrode ^nun8 *?* einer im Bereich der Resonanz des Bieversehen, an der eine elektrische Zuleitung befe- gungsschwingers 1 gelegene Frequenz ^zugeführt, so stigtisV fuhrt der Resonator die in der Fig. 2 schematisch

'.-■·■ 50 angedeuteten Biegeschwingungen durch. In der

f) der Biegeresonator dient jeweils als Gegenelek- Fig. 2 ist hierzu nur die Auslenkung nach einer Seite trode für das Plättchen aus elektrostriktivem zusätzlich mit eingetragen. Die elektrostriktive Kera- : Material; , mik erfährt eine Ausdehnung und Zusammenziehung

g) die Stromzuführung zu dem als Gegenelektrode in Richtung der Achse 2 des Biegungsschwingers, für das einzelne Plättchen dienenden Biegereso- 55 und zwar durch die sogenannte Querkontraktion, da nator wird durch einen im Schwingungsknoten die Hauptausdehnung in Richtung des elektrischen ■ am Biegeresonator befestigten leitenden Draht, -Feldes, welches senkrecht zur Stabachse steht, er- ;■; vorzugsweise den Koppeldraht, gebildet. ^ folgt. Die Güte des durch die Keramik gebildeten :

.„ ^ Kondensators ist sehr groß, und da die Masse der Ke-

Für den so gekennzeichneten Gegenstand ergeben 60 rämik im Vergleich zu der des Resonators gering ist, sich gegenüber dem Bekannten im wesentlichen fol- ist somit auch die Güte des gesamten Schwingers sehr gende Unterschiede. Beim Filter nach der USA₁-Pa- groß. Vorteilhaft bei der dargestellten Anordnung ist tentschrift 2 814 785 dient der einzelne Biegeresona- - außerdem* daß die elektrostriktive Keramik auf dem tor nicht im eigentlichen Sinn als Gegenelektrode für Biegeschwinger dort befestigt ist, wo bei der Schwindas elektrostriktiv wirkende Wandlersystem, und es 65 gung die maximale Zugbeanspruchung der Oberflämuß das als Bimorph-ausgebildete System mit spe- chenfaser des Biegungsschwingers entsteht; dadurch ziellen Zuleitungen versehen werden. Das Filter nach wird ein relativ großer elektromechanischer Koppder USA.-Patentschrift 2 875 353 ist nicht als Filter lungsfaktor erreicht.

' Das elektrostriktive Material kann auch so, wie in der Fig. 3 gezeigt, an gegenüberliegenden Flächen des Biegungsschwingers befestigt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, die durch das elektrostriktive Material 4, 4' im Zusammenwirken mit den Anregungselektroden 6, 6' und 7 gebildeten Kondensatoren gegenphasig mit der Wechselspannung zu speisen, oder entgegengesetzt zu polarisieren.

In der F i g. 4 ist noch ein aus Biegeschwingern bestehendes elektromechanisches Filter mit einer Kopplurigsanordnung dargestellt. Das Filter besteht aus einer Stahlplatte, deren Legierung derart gewählt ist, . daß sie einen möglichst kleinen Temperaturkoeffi-" zienten hinsichtlich der Ausdehnung hat. Die Platte ist durch Aussparungen derart unterteilt, daß beispielsweise vier Biegungsschwinger 8, 9, 10, 11 entstehen, die über die Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren bewirkende Brücken 12, 12' miteinander zu einer starren Einheit verbunden sind. Auf den Endresonatoren ist entsprechend dem Vorausgehen- ao den elektrostriktives Material 13 vorgesehen, das mittels Anregungselektroden, an denen Zuführungen 14 und 15 befestigt sind, und zusammen mit den Endresonatoren elektrostriktive Kopplungsanordnungen bildet. Die Halterung des Filters erfolgt zweckmäßig im Schwingungsknoten, das ist bei Zugrundelegung einer Schwingungsform entsprechend der in der F i g. 2 gezeigten an den Stellen, die mit K bezeichnet sind. Dort sind beim Ausführungsbeispiel die Halterungsdrähte aufgelötet oder mittels Punktschweißung befestigt, die das gesamte System tragen und ihrerseits beispielsweise in einem Gehäuse verankert sind, welches das Filter umschließt und gegen Zerstörung und/oder Verschmutzung sichert. Der elektrische Eingang wird beispielsweise durch die Zuführung 14 und die Metallmasse des Resonators 8 (die über 16, -17 elektrisch leitend erreichbar ist) gebildet. Der Ausgang des Filters besteht aus der Zuführung 15 und entsprechend dem Eingang aus der Metallmasse des Resonators 11.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. ' 1 · ·;■ 2 ' ■

   ■ ■ schwinger, die im allgemeinen im Frequenzbereich

   Patentansprüche: zwischen etwa 1 und 30 kHz angewendet werden,

   sind als Kopplungsanordnungen bisher unter ande-

   , 1. Elektrostriktive Kopplungsanordnung für rem solche bekanntgeworden, die auf elektromagnetiein elektromechanisches Filter aus parallel zuein- 5 scher und magnetostriktiyer^ Grundlage arbeiten, ander in einer Ebene angeordneten Biegeschwin- Diese Kopplungsanordnungen erfordern eine Anregern, von denen die als Endresonatoren dienen- gungsspule, einen Permanentmagneten und bei der den mit elektrostriktiven Wandlern versehen sind, ■ elektromagnetischen . Anwendung zusätzlich einen gekennzeichnet durch die Kombination genau justierten Luftspalt; Demgemäß ist die elektrifolgender Merkmale: io sehe Güte dieser Kopplungsanordnungen relativ ge-