DE1512319C - Elektromechanischer Resonator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen signals ist am Steg des U-förmigen Trägers in der Resonator mit einem Schwingbalken gegebener Nähe eines der Schenkel angeordnet.
Eigenfrequenz, einem Träger mit gegenüber dem Als Mittel, das den Schwingbalken zu Resonanz-Schwingbalken großer Steifigkeit, mit dem der schwingungen anregt, kann ein in der Mitte des Schwingbalken starr verbunden ist, elektrisch betrie- 5 Steges des U-förmigen Trägers zwischen diesem Steg benen Mitteln, die den Schwingbalken zu mechani- und dem Schwingbalken angeordneter Elektromagnet sehen Resonanzschwingungen anregen, und einer vorgesehen sein, wobei die piezoelektrische Einrich-Einrichtung zur Ableitung eines elektrischen Aus- tung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale auf gangssignals mit der Resonanzfrequenz des Schwing- der Unterseite des Steges in der Nähe eines der Stegbalkens, die an der Anordnung aus dem Schwing- io enden angeordnet ist. Dabei kann an jedem Ende des balken und dem Träger an einer Stelle, an der bei Steges eine piezoelektrische Einrichtung zur Ablei-Resonanz des Schwingbalkens Schwingungen auf- tung elektrischer Ausgangssignale angeordnet sein,
treten, angebracht ist. In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die

Derartige Resonatoren werden vielfach in Ton- mit den Schwingbalken bzw. dem U-förmigen Träger

Signaleinrichtungen eingesetzt, die das Spektrum des 15 in Berührung stehende Elektrode der piezoelektri-

Sprachkanals in einem Fernsprechsystem ausnutzen. sehen Einrichtung aufgedampft. Die Elektrode kann

Bei bekannten Resonatoren der genannten Art ist dabei aus Cadmiumsulfid oder Zinksulfid bestehen, der Schwingbalken einseitig starr mit dem Träger Vorzugsweise ist der U-förmige Träger in Halteverbunden, der gleichzeitig Mittel trägt, mit denen mitteln gelagert, die im Bereich der im Träger aufder Schwingbalken elektromagnetisch oder piezo- 20 tretenden Schwingungsknoten befestigt sind,
elektrisch zur Resonanzschwingung angeregt wird. Die Erfindung ist nachstehend im einzelnen in der Der Resonator ist dabei mit einem Unterbrecher- Zeichnung dargestellt und beschrieben,
kontakt versehen, der einen zugeordneten elektri- Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform sehen Stromkreis schließt und öffnet, wenn sich der eines Schwingsystems' aus Schwingbalken und U-för-Schwingbalken in Resonanz befindet. 25 migem Träger;

Resonatoren der genannten Art arbeiten mit Reso- Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungs-

nanzfrequenzen im Bereich von 100 bis 3000 Hz. Da formen des Resonators gemäß der Erfindung in

die besten handelsüblichen Kontakte auch bei sehr schematischer Darstellung;

geringen Strombelastungen eine scharf begrenzte Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform

Betriebslebensdauer haben, die etwa bei 3 mal 10⁹ 30 einer Halterung des Resonators gemäß der Erfindung.

Betätigungen liegt, hat die Forderung nach einer In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen

längeren Betriebslebensdauer zu Tonsignal-Systemen Bezugszeichen bezeichnet.

mit Resonatoren geführt, die darauf beschränkt sind, Das in Fig. 1 dargestellte Schwingsystem weist lediglich Tonfrequenzimpulse zu verwenden. Da für einen Rcsonanzschwingbalken 1 und einen U-förmieinen kontinuierlichen Betrieb der Fernmeldever- 35 gen Träger, der rechteckförmig ausgebildet ist, auf. bindung ein Monitorton erforderlich ist, ist dies eine Der U-förmige Träger besteht mit seinem Steg 3 und sehr unerwünschte praktische Beschränkung. Wesent- seinen Schenkeln 2 aus einem Stück. Der Schwingliche Vorteile würden sich aus der Anwendung eines balken 1, der aus Metall oder einem anderen geeigne-Dauertons an Stelle von Tonimpulsen ergeben. ten Material bestehen kann, ist an seinen Enden mit Jedoch läßt sich ein solcher Dauerton bei der Ver- 40 den Enden der Schenkel 2 verbunden. Der Schwingwendung von Resonatoren, die durch ihre Vibration balken 1, die Schenkel 2 und der Steg 3 haben recht-Kontakte betätigen, nicht zufriedenstellend erzeugen. eckförmigen Querschnitt. Der U-förmige Träger

Aufgabe der Erfindung ist es, einen clektromecha- spannt den Schwingbalken 1 und hat eine wesentlich

nischen Resonator zu schaffen, der eine wesentlich größere Steifigkeit als dieser.

höhere Betriebslebensdauer hat als die Resonatoren 45 Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform

der eingangs erwähnten Art. Diese Aufgabe wird sind zwei piezoelektrische Kristalle 4 und 5 an den

gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Träger Enden des Schwingbalkcns angeordnet, von denen

U-förmig ausgebildet und der Schwingbalken an das eine der Erregung des Balkens und das andere

beiden Enden mit je einem Schenkel des Trägers der Ableitung elektrischer Ausgangssignalc dient,

starr verbunden ist und daß zur Ableitung des 50 Beide überdecken die Enden des Schwingbalkens

elektrischen Ausgangssignals eine piezoelektrische und die angrenzenden Enden der Schenkel. Im dar-

Einrichtung vorgesehen ist. gestellten Beispiel bezeichnet 4 den Erregerkristall,

Die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des S das Piezoelcmcnt zur Ableitung elektrischer Auselektrischen Ausgangssignals kann auf dem Schwing- gangssignale, 6 die Eingangsklcmmcn für den Erbalken nahe eineni seiner Enden angeordnet sein. 55 regerkristall und 7 die Klemmen zur Ableitung des Dabei ist vorzugsweise als Mittel, mit dem der elektrischen Ausgangssignals. Jeder Kristall weist Schwingbalken zu Resonanzschwingungen angeregt eine Elektrode auf, die mit dem Balken fest verwird, eine piezoelektrische Einrichtung vorgesehen. bunden ist. Die Verbindungsstelle ist durch die dick die auf dem Schwingbalken nahe dem gegenüber- dargestelltun Linien 4/1 und 5/1 wiedergegeben. Wird liegenden Ende angeordnet ist. 60 der Erregerkristall mit entsprechender Polarität mit

Die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des der Resonanzfrequenz des Schwingbalken ange-

elektrisclicn Ausgangssignals auf dem U-förmigen steuert, so schwingt der Balken, wie durch die

Träger kann auch an einer Stelle, an der ein Schwin- gestrichelten Linien in Fig. 2. konventionell dar-

gungsknoten auftritt, angeordnet sein. gestellt. Wird die Ausgangswechsclspannung des

• In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der 65 Kristalls 5 mit richtiger Polarität verstärkt und dem

U-förmige Träger rechteckförmig mit parallelen Eingangskristall (Erregerkristall) zugeführt, so wird

Schenkeln ausgebildet, und die piezoelektrische Ein- der Resonator zu einem selbstschwingenden Oszilla-

richtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangs- tor und der Balken schwingt dauernd· mit seiner

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Resonanzfrequenz. Ein derartiger Oszillator ist in mit einen·· Gleichstrom oder durch Verwendung eines

Fig. 3 dargestellt, wobei der Verstärker mit 8 be- Permanentmagneten als Kern für die Wicklung 10. Der

zeichnet ist. ■ . . piezoelektrische Ausgangskristall 5 ist auf dem U-Glied

Sind zwei der in F i g. 2 dargestellten Resonatoren in Abstand von einem Schwingungsknoten angean gegenüberliegenden Enden eines sie verbindenden 5 bracht — in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Übertragungskanals angeordnet, so können sie ver- nahe einem Ende des Steges 3 — an der es Schwin-, schiedenan Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein. gungen auf Grund der Balkenschwingungen auf-Bei einer hohen Betriebsgüte Q (etwa um 1000) muß nimmt. Die Schwingbewegung an der Anordnungsim allgemeinen dafür Sorge getragen werden, daß die stelle des Kristalls ist relativ klein verglichen mit der Resonanzfrequenzen infolge der Temperaturunter- io an den Balkenenden, jedoch kann eine angemessene schiede nicht zu weit voneinander abweichen. In Bewegung durch Vergrößerung des Eingangssignals vielen Fällen fordert die Erfüllung dieser Bedingung für den Elektromagneten erzielt werden. Vom Standeine Anordnung der Resonatoren in temperatur- punkt des Frequenz-Temperatur-Verhaltens gesehen geregelten Gehäusen. . hat die Ausführung nach F i g. 4 wesentliche Vor-

Die Amplitude der Schwingung des Balkens ist 15 teile gegenüber der nach Fig. 2, da die elektroabhängig von der Amplitude der dem Erregerkristall magnetische Erregung mechanisch vom Balken gezugeführten Eingangswechselspannung, den Eigen- trennt ist und der Kristall 5 mit dem Balken so lose schäften der piezoelektrischen Einrichtung, den Ab- gekoppelt ist, daß sein Einfluß auf die Resonanzmaßen des Balkens und dem Material, aus dem dieser frequenz bei Temperaturschwankungen sehr klein besteht. Wird dem Erregerkristall eine Mehrzahl von 20 und nahezu bedeutungslos ist. Bei einer Anordnung Frequenzen zugeführt, so wirkt der Resonator als gemäß Fig. 4 kann leicht eine Frequenz-Temperatur-Filter und gibt eine gewählte Ausgangsfrequenz ab. Stabilität erzielt werden, die lediglich vom Material die der Resonanzfrequenz des Balkens entspricht. des Balkens abhängig ist. Bekannte Materialien, deren

Der beschriebene Resonator weist ebenso wie die Temperaturkoeffizient im wesentlichen null ist und die

nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der 25 stabile Young-Modul-Werte in bezug auf die Tempe-

Erfindung keine Kontakte auf, so daß sie in Dauer- ratur aufweisen, sind bekannt und können für Balken

tonsignaleinrichtungen zufriedenstellend eingesetzt und U-föiniige Träger vorteilhaft eingesetzt werden,

werden kann. Darüber hinaus ist der Leistungsbedarf F i g. 5 zeigt eine Abwandlung der F i g. 4, bei der

für das Erregersignal wesentlich geringer als bei einem ein weiterer Kristall 11 montiert ist, und zwar mehr

Resonator mit Unterbrecherkontakt. Die Güte Q ist 3° oder weniger symmetrisch zu Kristall 5 am anderen

hoch und die Frequenzstabilität gut. Ende des Steges 3. Der Kristall Il kann zur Erzeu-

Wird ein Resonator nach F i g. 2 als Oszillator an gung eines zweiten Ausgangssignals herangezogen einem Ende eines Übertragungskanals eingesetzt, um werden oder die Einrichtung nach F i g. 5 kann als Schwingungen über diesen Kanal zu einem frequenz- Resonanzfilter mit geringem Frcquenz-Temperaturselektiven Resonator (ebenfalls nach Fig. 2) am 35 Koeffizienten, aber hohem Einfügungsverlust veranderen Ende des Kanals zu übertragen, so können, wendet werden.

wie bereits ausgeführt, Schwierigkeiten auftreten. Die Anordnung nach F i g. 4 hat den Vorteil, daß

falls die Temperaturen, denen die beiden Einrich- sie nur auf die Grundschwingung des Balkens an-

tungen ausgesetzt sind, sich wesentlich unterscheiden, spricht, jedoch wird der Balken natürlich auch mit

da verschiedene Temperaturen unterschiedliche Reso- 40 dieser Frequenz erregt, wenn der Magnet mit einem

nanzfrequenzen hervorrufen. Dies ist sowohl auf den geeigneten Vielfachen oder Teilerverhältnis der

Temperaturgang durch mögliche Änderungen der Schwingfrequenz erregt wird.

Ausdehnungskoeffizienten von Balken, Kristallen und Alle Ausführu ,sformen der Erfindung können Klebmitteln zurückzuführen, insbesondere aber durch natürlich so ausgelegt werden, daß sie als selbstgroße Änderungen des Young-Moduls der Kristalle 45 erregte Resonanzschwinger arbeiten, indem das elekmit der Temperatur bedingt, die bei den gegenwärtig trische Ausgangssignal verstärkt und das verstärkte handelsüblichen Kristallen auftreten. Die Verwen- Signal den Erregermitteln zugeführt wird,
dung tempcraturgcregelter Gehäuse für die Resona- Knotenpunkte treten an den Punkten N an den toren beseitigt diese Schwierigkeiten zwar weitgehend, Schenkeln des U-förmigen Trägers auf. Alle darist jedoch teuer. Die Schwierigkeiten können zwar 50 gestellten Ausführungsformen können daher durch nicht beseitigt, jedoch verringert werden, wenn die Halterungsklammern od. dgl., die an diesen Punkten Kontaktfläche zwischen Balken und Kristall ver- befestigt sind, gehaltert werden. Derartige Klammern kleinert wird. Dieses Hilfsmittel ist jedoch in seiner sind in F i g. 6 bei Π dargestellt.
Anwendbarkeit beschränkt, da es zu einer Vcrringe- Obwohl in den verschiedenen beschriebenen Ausrung des Wandler-Wirkungsgrades führt. Fig. 4 zeigt 55 führungsformeii die piezoelektrischen Einrichtungen einen sehr einfachen und wirkungsvollen Weg zur als Piezokristall dargestellt sind, ist die Erfindung Verringerung der genannten Schwierigkeiten. nicht auf den Einsatz derartiger Kristalle beschränkt.

Gemäß Fig. 4 entfällt der Erregerkristall, und der An Stelle von Piezokristallcn können bei der DurchBalken wird stattdessen elektromagnetisch zu Schwin- führung der Erfindung einzelne oder alle piezogungcn angeregt, und zwar durch einen Elektro- 60 elektrischen Einrichtungen durch an sich bek mute magneten 9 mit einer Wicklung 10, die in der Mitte Aufdampfverfahren ausgebildet werden, z. B. durch des Steges 3 befestigt ist und sich gegen die Mitte des Aufdampfen von Cadmiumsulfid (CdS) oder Zink-Balkens 1 erstreckt, von dem sein freies linde jedoch sulfid (ZnS). Durch dieses Verfahren kann die pie/ngccigneten Abstand hat. Der Magnet wird über die elektrische Einrichtung direkt an der gewünschten Eingangsklemnie 6/1 mit der gewünschten Resonanz- 65 Stelle auf dem Resonator ausgebildet·werden, wobei frequenz erregt. Hr ist entweder elektrisch oder, die normalerweise, bei der Verwendung von Piezomagnetisch entsprechend polarisiert, d.h. entweder kristallen -erforderlichen■■-•Webverfahren---entfalten durch Überlagerung des Wechselstromeingangssignals können.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Resonator mit einem Schwingbalken gegebener Eigenfrequenz, einem Träger mit gegenüber dem Schwingbalken großer Steifigkeit, mit dem der Schwingbalken starr verbunden ist, elektrisch betriebenen Mitteln, die den Schwingbalken zu mechanischen Resonanzschwingungen anregen, und einer Einrichtung zur Ableitung eines elektrischen Ausgangssignals mit der Resonanzfrequenz des Schwingbalkens, die an der Anordnung aus dem Schwingbalken und dem Träger an einer Stelle, an der bei Resonanz des Schwingbalkens Schwingungen auftreten, angebracht ist, dadurchgekennzeichnet, daß der Träger U-förmig ausgebildet und der Schwingbalken an beiden Enden mit je einem Schenkel des Trägers starr verbunden ist und daß zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals eine piezoelektrische Einrichtung vorgesehen ist.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals auf dem Schwingbalken nahe einem seiner Enden angeordnet ist. as

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel, mit dem der Schwingbalken zu Resonanzschwingungen angeregt wird, eine piezoelektrische Einrichtung vorgesehen ist, die auf dem Schwingbalken nahe dem gegenüberliegenden Ende angeordnet ist.

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals auf dem U-förmigen Träger angeordnet ist.

5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Träger rechteckförmig mit parallelen Schenkeln ausgebildet ist und daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals am Steg des U-förmigen Trägers in der Nähe eines der Schenkel angeordnet ist.

6. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel, das den Schwingbalken zu Resonanzschwingungen anregt, ein in der Mitte des Steges des U-förmigen Trägers zwischen diesem Steg und dem-Schwingbalken angeordneter Elektromagnet vorgesehen ist und daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale auf der Unterseite des Steges in der Nähe eines der Stegenden angeordnet ist.

7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Steges eine piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale angeordnet ist.

8. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schwingbalken bzw. dem U-förmigen Träger in Berührung stehende Elektrode der piezoelektrischen Einrichtung aufgedampft ist.

9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Cadmiumsulfid besteht.

10. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus Zinksulfid besteht.

11. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige Träger in Haltemitteln gelagert ist, die im Bereich der im Träger auftretenden Schwingungsknoten befestigt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen