DE1541982C3 - Elektromechanisches Bandfilter mit achsparallel angeordneten mechanischen Biegeresonatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bandfilter mit achsparallel angeordneten mechanischen Biegeresonatoren, die mit auf Torsion beanspruchten Haltestäben in den Schwingungsknoten auf einer Grundplatte befestigt sind, und Längsschwingungen ausführenden über elektrostriktiv wirkende Antriebselemente angetriebene Resonatoren zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und umgekehrt, und einem Längsschwingungen ausführenden Koppelelement, das an den Biegeresonatoren und den Wandlerelementen in deren Schwingungsbäuchen zur gegenseitigen Kopplung befestigt ist.

Zur Lösung vieler Aufgaben der Filtertechnik werden neuerdings gerne mechanische Filter verwendet, da sie bekanntlich in dem für sie geeigneten Frequenzbereich sowohl hinsichtlich des Raumverbrauchs als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften den aus konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern überlegen sind. Zur Umwandlung der elektrischen in die mechanische Energie müssen elektromechanische Wandlerelemente vorgesehen werden, die es gestatten, elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umzusetzen, so daß die einzelnen Resonatoren eines mechanischen Filters in geeigneter Weise zu Schwingungen angeregt werden. Innerhalb des mechanischen Filters wird die Energie mit Hilfe von Koppelelementen übertragen, durch die die einzelnen Resonatoren miteinander verbunden sind. Je nach dem Frequenzbereich, in dem der Durchlaßbereich des FiI- {( ters liegen soll, werden die Resonatoren in unterschiedlichen Schwingungsformen, wie beispielsweise der Längsschwingung, der Torsionsschwingung oder der Biegeschwingung, betrieben.
Da immer häufiger das Bedürfnis auftritt, auch mechanische Filter möglichst raumsparend aufzubauen, hat insbesondere der Biegeresonator den Vorteil, daß seine Resonanzfrequenz nicht nur von der Länge, sondern zusätzlich auch von dem in Schwingungsrichtung wirksamen Flächenträgheitsmoment abhängig ist, d. h.

also, daß beim Biegeresonator die Resonanzfrequenz zusätzlich durch die Querschnittsform mitbestimmt werden kann, wodurch sich gegenüber vergleichbaren, andere Schwingungsformen ausführenden Resonatoren eine verhältnismäßig kleine Bauweise des Filters erreichenläßt.

Es sind durch die DT-AS 11 00 834 bereits elektromechanische Filter mit Biegeresonatoren bekanntgeworden, die über ein oder mehrere Längsschwingungen ausführende Koppelelemente miteinander gekoppelt

sind. Zur Schwihgungsanregung bzw. zur Schwingungs- £ abnähme werden dabei Längsschwingungen ausführende mechanische Resonatoren verwendet, die über mechanische Koppelelemente jeweils an die Endresonatoren des Filters angekoppelt sind. Bei dieser bekannten Anordnung liegen die der Schwingungsanregung dienenden Längsresonatoren jedoch außerhalb des von den eigentlichen Filterresonatoren eingenommenen Bereiches, so daß sich ein besonders raumsparender Aufbau des Gesamtfilters an sich nicht erreichen läßt.

Ferner ist es bekannt, zum Antrieb mechanischer Filter mit Biegeresonatoren sogenannte Verbundresonatoren zu verwenden, bei denen das keramische Material unmittelbar mit dem Resonatormaterial verbunden ist. Bei einer speziellen Art solcher Verbundresonatoren, die beispielsweise in der DT-PS 12 03 321 beschrieben sind, wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, Biegeschwingungen in einem Resonator nicht über den Querkontraktionseffekt, sondern über den direkten piezoelektrischen Effekt anzuregen. Zur Realisierung sol-

eher Verbundschwinger wird deshalb beispielsweise der Resonator in einer Querschnittsebene durch aus elektrostriktivem Material bestehende Plättchen derart unterteilt, daß ein Plättchen oberhalb und das andere

Plättchen unterhalb der neutralen Faser angeordnet ist. Durch eine in entgegengesetzten Richtungen parallel zur Längsachse des Biegeresonators wirkende Vorpolarisation wird dafür gesorgt, daß das eine Plättchen sich unter dem Einfluß eines elektrischen Wechselfeides ausdehnt, während sich das andere Plättchen gleichzeitig zusammenzieht, wodurch ein derartiger Resonator bei seiner Eigenresonanzfrequenz ausgeprägte Biegeschwingungen ausführt. Durch die Zusammensetzung des Verbundschwingers aus dem Wandler- to Werkstoff und einem hochwertigen Schwingerwerkstoff, wie z. B. Stahl, läßt sich je nach Zusammensetzung ein gegebener Wandler optimal an verschiedenartige Filter anpassen. In der Regel wird durch die entstehende »Scherung«, d. h. also die Aufteilung der Eigenschäften der beteiligten Werkstoffe, der elektromechanische Kopplungsfaktor auf einen, vom Filter her notwendigen möglichst kleinen Wert gebracht, wobei man gleichzeitig einen kleineren Temperaturkoeffizienten erhält. Außerdem ist die Schwinggüte eines Verbundschwingers stets größer als die eines rein aus elektrostriktivem Material bestehenden Wandlers. Allerdings müssen bei einem derartigen Biegeverbundschwinger wenigstens zwei Stahlteile und wenigstens zwei Keramikteile in bestimmter Weise durch Weichlöten miteinander verbunden werden. Ferner zeigt sich, daß ein derartiger Biegeverbundschwinger bei relativ großen elektromechanischen Kopplungsfaktoren eine verhältnismäßig geringe Querkapazität hat, wodurch sein Eingangswiderstand verhältnismäßig hochohmig wird. In einer Reihe von praktischen Anwendungsfällen zeigt sich nun, daß die vorerwähnten, durch Scherung entstehenden guten Eigenschaften des Biegeverbundschwingers an sich nicht in vollem Maße benötigt und ausgenutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines mechanischen Filters anzugeben, bei dem sich einerseits die erwähnten Vorteile der Biegeresonatoren ausnutzen lassen und bei dem andererseits die dem Längsresonator anhaftende Eigenschaft, nämlich eine zwingend erforderliche Mindestlänge für den Betrieb bei einer bestimmten Resonanzfrequenz, nicht nachteilig in Erscheinung tritt, so daß sich ein möglichst raumsparender Aufbau des gesamten Filters einschließlich der elektromechanischen Wandlerelemente ergibt.

Ausgehend von einem elektromechanischen Bandfilter mit achsparallel angeordneten mechanischen Biegeresonatoren, die mit auf Torsion beanspruchten Haltestäben in den Schwingungsknoten auf einer Grundplatte befestigt sind, und Längsschwingungen ausführenden über elektrostriktiv wirkende Antriebselemente angetriebene Resonatoren zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und umgekehrt, und einem Längsschwingungen ausführenden Koppelelement, das an den Biegeresonatoren und den Wandlerelementen in deren Schwingungsbäuchen zur gegenseitigen Kopplung befestigt ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Längsachsen der elektromechanischen Wandierelemente näherungsweise senkrecht zur Längsachse der Biegeresonatoren orientiert und in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu der von den Längsachsen der Biegeresonatoren gebildeten Ebene verläuft, und daß die Kopplung zwischen den Wandlerelementen und dem jeweils äußersten Biegeresonator in der Weise erfolgt, daß das Wandlerelement jeweils über die äußersten Biegeresonatoren hinausragt, auf dem herausragenden Stück ein Zwischenstück befestigt ist, auf welchem das mechanische Koppelelement nahezu punktförmig befestigt ist und die Befestigung des Koppelelements an den Biegeresonatoren auf der den Wandlerelementen zugekehrten Seite erfolgt.

Insbesondere ist dabei daran gedacht, daß die elektromechanischen Wandlerelemente aus Stäben rechteckförmigen Querschnitts eines elektrostriktiven Materials bestehen, die auf gegenüberliegenden Oberflächen mit dünnen metallischen Schichten versehen sind, die etwa zwei Drittel der jeweiligen Oberfläche symmetrisch zur mittleren Querschnittsebene der Stäbe bedecken.

Vorteilhaft können dabei die Biegeresonatoren aus flachen Stäben rechteckförmigen Querschnitts eines metallischen Materials bestehen.

Für den praktischen Aufbau und insbesondere im Hinblick auf eine moderne Serienfabrikation ist es ferner günstig, wenn die Biegeresonatoren aus Stäben kreisförmigen Querschnitts eines metallischen Materials bestehen, die entlang der der Befestigungsstelle des Koppelelements diametral gegenüberliegenden Mantellinie mit einer Abflachung versehen sind.

Hinsichtlich der Herstellung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Zwischenglied auf dem aus elektrostriktiven Material bestehenden Wandlerelement mit Hilfe eines Glaslotes befestigt ist.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen vollständigen Aufbau eines Filters in perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung der Verbindung zwischen dem elektromechanischen Wandler, dem Koppelelement und dem ersten Biegeresonator des Filters.

Beim Filter nach der F i g. 1 sind die Biegeresonatoren 2 über Halteelemente 3 auf einer Grundplatte 1 befestigt. Die Halteelemente 3 greifen dabei in den Schwingungsknoten der Biegeresonatoren an und sind somit beim Schwingungsvorgang im wesentlichen auf Torsion beansprucht. Zum Schutz gegen äußere Einflüsse wird das Filter mit einem Gehäuse 4 umgeben, das zur besseren Übersicht in einem Teilbereich aufgebrochen dargestellt ist. Ebenso sind auch ein Teil der Biegeresonatoren abgeschnitten gezeichnet, was durch die schraffierten Schnittflächen angedeutet ist. Die Biegeresonatoren 2 bestehen im Ausführungsbeispiel aus Stäben mit kreisförmigem Querschnitt, die mit einer Abflachung 5 versehen sind. Die Biegeresonatoren 2 und der Endresonator 2', der in seinem Aufbau vollständig den Biegeresonatoren 2 gleicht, sind derart angeordnet, daß ihre Längsachsen zueinander parallel verlaufen. Zur Anregung der Biegeschwingungen sind die Wandlerelemente 6 vorgesehen, die als längsschwingende Resonatoren ausgebildet sind und die derart im Filter angeordnet sind, daß ihre Längsachsen zumindest näherungsweise senkrecht zur Längsachse der Biegeresonatoren 2 verlaufen. Die Antriebsresonatoren 6 liegen zwischen der Grundplatte 1 und den Biegeresonatoren 2, d. h. also in einer Ebene, die parallel zu der von den Längsachsen der Biegeresonatoren 2 gebildeten Ebene verläuft. Zur raumsparenden Unterbringung der Antriebsresonatoren 6 sind diese derart orientiert, daß ihre eine Stirnseite über den ersten bzw. letzten Biegeresonator 2' des Filters hinausragt, während ihre andere Stirnseite im Bereich der Biegeresonatoren liegt. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bestehen die Antriebsresonatoren 6 aus Stäben rechteckförmigen

Querschnitts eines elektrostriktiven Materials. Diese Stäbe sind auf gegenüberliegenden Oberflächen mit dünnen metallischen Schichten versehen, die etwa zwei Drittel der jeweiligen Oberfläche symmetrisch zur mittleren Querschnittsebene der Stäbe bedecken. An diese metallischen Schichten, die in an sich bekannter Weise auf das elektrostriktive Material aufgebracht sind, können dann die Anschlußdrähte zum Anlegen bzw. zur Abnahme der elektrischen Schwingungen angebracht werden. Als elektrostriktives Material bewähren sich insbesondere die bekannten keramischen Materialien, wie beispielsweise eine Barium-Titanat-Keramik oder eine Bleizirkonatkermaik.

Zur Übertragung der Schwingungsenergie von den Antriebsresonatoren 6 auf den ersten Biegeresonator 2' sowie zur weiteren Übertragung von diesem Resonator auf die übrigen Filterresonatoren 2, ist ein Koppelelement 7 vorgesehen, das senkrecht zur Längsachse der Biegeresonatoren 2 verläuft, und das demzufolge Längsschwingungen ausführt. Der Antriebsresonator 6 und das Koppelelement 7 sind miteinander über ein Zwischenglied 8 verbunden, das an dem dem ersten Resonator 2' benachbarten Ende mit dem Antriebsresonator 6 verbunden ist und das derart ausgebildet ist, daß sich eine möglichst punktförmige Auflage des Koppelelementes 7 am Zwischenglied 8 ergibt. Im Ausführungsbeispiel der Fig.l ist das Zwischenglied 8 als dünne Walze ausgebildet, deren Längsachse senkrecht zur Längsachse des Koppelelements 7 verläuft. Diese besondere Befestigung hat den Vorteil, daß sich eindeutige und gut reproduzierbare Verhältnisse in der Anbringung des Koppelelements erzielen lassen. Das mechanische Koppelelement 7 verläuft in dem zwischen den Biegeresonatoren 2 und den elektromechanischen Wandlerelementen 6 verbleibenden Raum.

In der F i g. 2 ist zur besseren Übersicht das Wandlerelement 6, das Zwischenglied 8, das Koppelelement 7 sowie der erste Biegeresonator 2' vergrößert herausgezeichnet. Wie bereits erwähnt, besteht der Antriebsresonator 6 aus einer Vollkeramik, die auf gegenüberliegenden Flächen zu etwa zwei Dritteln mit den metallischen Anregungselektroden 11 und 12 derart belegt ist, daß etwa 15% der Flächen auf den stirnseitigen Enden des Antriebsresonators 6 frei bleiben. Dadurch ergibt sich einerseits ein sehr hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor und andererseits ergibt sich die Möglichkeit, an einem der belagfreien Enden das Zwischenelement unmittelbar auf der Keramik des Antriebsresonators anzubringen. Damit sind die elektrische und die mechanische Verbindung des Filters mit dem Antriebsresonator 6 getrennt, so daß jede der Verbindungen für sich optimal ausgeführt werden kann. Für die Befestigung des Zwischengliedes 8 hat es sich bewährt, ein Glaslot 13 zu verwenden, da beispielsweise geklebte Verbindungen verhältnismäßig große Temperaturkoeffizienten haben. Lötverbindungen erfordern dagegen eine vorherige Metallisierung der Keramik, die außerdem durch den Lötvorgang bereits angegriffen wird. Wesentlich für die Verbindung ist außer einer Mindesthaftfestigkeit eine in engen Grenzen bleibende Steifigkeit der Verbindung zwischen dem Zwischenelement und dem Antriebsresonator 6. Die geschilderte Form des Antriebsresonators ermöglicht außerdem je nach Bedarf einen erdfreien oder einen erdsymmetrischen elektrischen Anschluß des Antriebsresonators an eine Wechselspannungsquelle.

Die elektrische Wirkungsweise der Anordnung läßt sich folgendermaßen erklären.

Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Anschlußdrähte 9 und 10 — der Anschlußdraht 9 ist im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 zugleich als Halterungselement für den Antriebsresonator 6 ausgebildet — führt der Antriebsresonator 6 Längsschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 14 aus. Diese Längsschwingungen werden über das Zwischenglied 8 auf das Koppelelement 7 übertragen, das ebenfalls Längsschwingungen ausführt. Durch die Schwingungen des Koppelelements 7 werden die Biegeresonatoren 2 bzw. 2' zu Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 15 angeregt, die wegen der parallelen Anordnung der einzelnen Elemente in einer zu den Antriebsresonatoren 6 parallel verlaufenden Ebene verlaufen. Andererseits werden durch genau den gleichen Mechanismus die Biegeschwingungen der Resonatoren 2 in elektrische Schwingungen zurückverwandelt.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind die Biegeresonatoren aus Stäben kreisförmigen Querschnitts gebil· det, die aus einem metallischen Material bestehen und die auf der der Befestigungsstelle des Koppelelements 7 diametral gegenüberliegenden Mantellinie mit einer Abflachung 5 versehen sind. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß sich nahezu punktförmige Auflageflächen des Koppelelements 7 an den Biegeresonatoren 2 erzielen lassen, wodurch sich in einfacher Weise eindeutige und gut reproduzierbare Verhältnisse in der Kopplung erzielen lassen. Durch die Abflachung 5 ist dafür gesorgt, daß die Biegeresonatoren 2 in einer bestimmten Vorzugsrichtung entsprechend dem Doppelpfeil 15 schwingen, während senkrecht zum Pfeil 15 verlaufende, an sich störende Eigenschwingungen in ihrer Frequenzlage gegenüber der gewollten Nutzschwingung verschoben sind. An den Auflagepunkten 16 der Biegeresonatoren 2 am Koppelelement 7 sowie am Auflagepunkt 17 des Koppelelements 7 am Zwischenglied 8 wird die Verbindung des Koppelelements mit dem Zwischenglied 8 bzw. den Biegeresonatoren 2 zweckmäßig durch eine Punktschweißung hergestellt. Es lassen sich aber auch vorteilhaft plattenförmige Biegeresonatoren rechteckigen Querschnitts verwenden, da solche Resonatoren in verhältnismäßig einfacher Weise durch Stanzen aus einem plattenförmigen Ausgangsmaterial gewonnen werden können. In diesem Fall ist lediglich dafür zu sorgen, daß durch geeignete Zwischenglieder, die ähnlich wie das Zwischenglied 8 ausgebildet sein können, eine punktförmige Auflage des Koppelelements 7 an den Resonatoren erreicht wird.

Im einzelnen ergeben sich durch einen Aufbau eines mechanischen Filters gemäß den F i g. 1 und 2 noch folgende Vorteile.

Dank der hohen Qualität, insbesondere der kleinen Temperaturkoeffizienten der heutigen Wandlerwerkstoffe ist es vielfach möglich, auf die eingangs erläuterte Scherung der Materialeigenschaften des Wandlerwerkstoffes und des eigentlichen Resonatorwerkstoffes ganz zu verzichten und den Antriebsresonator vollständig aus einer elektrostriktiven Keramik herzustellen. Die eventuell notwendige Verkleinerung des elektromechanischen Kopplungsfaktors kann man dann auf rein elektrische Weise durch Hinzuschalten eines Kondensators erreichen. Die geringere Schwinggüte der Wandlerelemente läßt sich in vielen Fällen durch schaltungstechnische Maßnahmen auffangen, indem beispielsweise die Wirkverluste der keramischen Wandlerelemente in die Abschlußwiderstände des Filters einbezogen werden. Einen besonders einfachen Aufbau hat der über den Querkontraktionseffekt angetriebene.

längsschwingende Vollkeramikschwinger, der zudem einen verhältnismäßig niederohmigen Eingangswiderstand hat. Seine Länge ist aber durch die Frequenz fest vorgegeben und in der Regel erheblich größer als die der Biegeresonatoren, so daß seine räumliche Unterbringung Schwierigkeiten bereiten würde, wenn nicht durch die in der F i g. 1 dargestellte Unterbringung der Antriebsresonatoren für einen möglichst raumsparenden Aufbau des gesamten Filters gesorgt wäre. Es wird nämlich durch die Anbringung des Antriebsresonators 6 im Bereich der einzelnen Biegeresonatoren 2 eine Umlenkung des Leistungsflusses um 180° an der Verbindungsstelle zwischen Koppelelement 7 und Antriebsresonator 6 erreicht, wodurch sich die Antriebsresonatoren besonders raumsparend unterbringen lassen. Die punktförmige Auflage des Koppelelements 7 am

IO

Zwischenglied 8 und an den Biegeresonatoren 3 ergibt eine definierte Befestigungsstelle des Koppelelements 7 und damit definierte und reproduzierbare Verhältnisse hinsichtlich der Kopplung und damit eine verhältnismäßig geringe Exemplarstreuung in der Serienfertigung. Durch die Anbringung des Zwischenelements 8 an einem belagfreien Ende des Antriebsresonators 6 wird die elektrische und mechanische Verbindung mit dem Antriebsresonator 6 vollkommen getrennt, so daß für beide stets optimale Verbindungstechniken, wie beispielsweise Verbindung durch ein Glaslot oder Verbindung durch Punktschweißen, angewendet werden können. Die isolierte Befestigung des Koppelelements 7 gestattet es ferner, den Antriebsresonator entweder elektrisch erdfrei oder erdsymmetrisch oder auch erdungssymmetrisch zu betreiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 509 540/134

Claims (5)

lö 41 982 Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Bandfilter mit achsparallel angeordneten mechanischen Biegeresonatoren, die mit auf Torsion beanspruchten Haltestäben in den Schwingungsknoten auf einer Grundplatte befestigt sind, und Längsschwingungen ausführenden über elektrostriktiv wirkende Antriebselemente angetriebene Resonatoren zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und umgekehrt, und einem Längsschwingungen ausführenden Koppelelement, das an den Biegeresonatoren und den Wandlerelementen in deren Schwingungsbäuchen zur gegenseitigen Kopplung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der elektromechanischen Wandlerelemente (6) näherungsweise senkrecht zur Längsachse der Biegeresonatoren (2, 2') orientiert und in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu der von den Längsachsen der Biegeresonatoren gebildeten Ebene verläuft, und daß die Kopplung zwischen den Wandlerelementen (6) und dem jeweils äußersten Biegeresonator (2') in der Weise erfolgt, daß das Wandlerelement jeweils über die äußersten Biegeresonatoren hinausragt, auf dem herausragenden Stück ein Zwischenstück (8) befestigt ist, auf welchem das mechanische Koppelelement (7) nahezu punktförmig befestigt ist und die Befestigung des Koppelelements (7) an den Biegeresonatoren (2, 2') auf der den Wandlerelementen zugekehrten Seite erfolgt.

2. Elektromechanische Bandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandlerelemente (6) aus Stäben rechteckförmigen Querschnitts eines elektrostriktiven Materials bestehen, die auf gegenüberliegenden Oberflächen mit dünnen metallischen Schichten (11, 12) versehen sind, die etwa zwei Drittel der jeweiligen Oberfläche symmetrisch zur mittleren Querschnittsebene der Stäbe bedecken.

3. Elektromechanisches Bandfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeresonatoren (2, 2') aus flachen Stäben rechteckförmigen Querschnitts eines metallischen Materials bestehen.

4. Elektromechanisches Bandfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeresonaten (2, 2') aus Stäben kreisförmigen Querschnitts eines metallischen Materials bestehen, die entlang der der Befestigungsstelle des Koppelelements (8) diametral gegenüberliegenden Mantellinie mit einer Abflachung (5) versehen sind.

5. Elektromechanisches Bandfilter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenglied (8) auf dem aus elektrostriktiven Material bestehenden Wandlerelement (6) mit Hilfe einer Glaslotes (13) befestigt ist.