DE1616526A1

DE1616526A1 - Mechanischer Schwinger mit elektrostriktiver Anregung

Info

Publication number: DE1616526A1
Application number: DE19631616526
Authority: DE
Inventors: Karl Traub
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-05-21
Filing date: 1963-05-21
Publication date: 1971-04-29
Also published as: BE648208A; NL140115B; US3376521A; DE1277463C2; AT261682B; CH430901A; FR1395326A; GB1073963A; DE1277463B; DE1616526B2; NL6405540A

Description

Mechani seher Sehwinger mit elektroBtriktiver Anregung

Ausscheidung aus: P 12 77 463.9-35
Prioritätι 21.5.1963

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material für den Übergang τοη 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 angeordnet und in Richtung der Längsachse des Sohwingers polarisiert sind, und bei dem weiterhin wenigstens ein Plättchen in der zur Längsachse senkrecht stehenden Halbierungsebene des Schwingers liegt.

Mechanische Resonatoren lassen sich wagen ihrer hohen frequenzkonstanz und ihrer hohen Güte mit Vorteil in Oszillator- und Filterschaltungen einsetzen, bei, denen die hinsichtlich Frequenzgenauigkeit oder Steilheit der Filterflenken 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 Frequenzbereich das durch einen Schwingkreis darzustellende elektrische Ersatzschaltbild* Betrachtet man einen mechanischen Resonator in einem großen Frequenzbereich» so zeigt sein Eingangewiderstand im Segensatz zu einem Schwingkreis aus konzentrierten Schaltelementen laufend eica wieta-holende SuIl- und Polstellen, die durch die sogenannten Oberschwingungen des Resonators hervorgerufen

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werden. Aus diesem Grunde treten beispielsweise bei einem mit mechanischen Schwingern" aufgetauten Bandpaß außer den gewünschten noch weitere störende Durchlasbereiche auf, die dann durch zusätzlichen Aufwand an Spulen und Kondensatoren beseitigt werden müssen. Wird ein mechanischer Resonator statt auf der Grundsehwingung auf einer Oberschwingung betrieben, um mit fertigungstechnisch brauchbaren Abmessungen höhere Resonanzfrequenzen zu erzielen, dann verkleinert sieh der relative Abstand zur nächsten Obersehwingung. Je näher die erste Obersehwingung am gewünschten Durchlaßbereich liegt, und je größer die Anforderungen an die Sperrdämpfung sind, desto echmalbandiger müssen die zur Unterdrückung der unerwünschten Durchlaßbereiche eingesetzten elektrischen Schwingkreise sein, was jedoch im gewünschten Durchlaßbereich eine Erhöhung der Durchlaßdämpfung zur folge hat. Ähnliche Schwierigkeiten liegen auch dann vor, wenn ein mechanischer Resonator in einer Oszillator-Schaltung eingesetzt werden soll, die kein weiteres selektives Element hat. In diesem Fall kann der Oszillator unter Umständen auf einer unerwünschten Oberwelle des Resonators schwingen. Bei schlanken Längsschwingern treten die Oberwellen bekanntlich harmonisch auf, d.h. bei ganzzahligen Vielfachen der Grunds ehwingung. Bei Biege schwingern mit freien Enden liegen die Oberschwingungen nicht harmonisch zur Grundschwingung.

Ss ist dureh die USA-Patentschrift 2 596 460 bereits ein sogenanntes Vielkanal-Filter bekannt geworden, bei dem ein Reaonanzkörper über elektrostriktiv wirkende Wandleraysteme zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Wesentlich für dieses Filter ist es, daß die Resonanzfrequenz des Reaonanzkörpers so gewählt wird, daß eich eine Vielzahl von Durohlaßbereichen in gleichen Frequenzabständen ergeben. Zur Erhöhung der Selektivität wird eine Anordnung verwendet, bei der zwei untereinander gleichartig ausgebildete

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Resonanzkörper unter Zwischenlage eines elektrostriktiven ITandlersystems hintereinander angeordnet sind, wodurch eine symmetrische Ausbildung der Gesamtanordnung entsteht. Hinweise darüber, wie sich bei einem mechanischen Schwinger Oberwellensehwingungen mögli ehst unterdrücken las sen, können dieser Patentschrift schon deshalb nicht entnommen werden, weil gerade eine Vielzahl von Obersehwingungen zur Erzielung der gewollten Vielkanalwirkung angeregt werden müssen. *

Es ist ferner durch die britische Patentschrift 840 815 ein zu Längsschwingungen erregter, mechanischer Schwinger bekannt geworden, bei dem im Zuge des aus metallischem Material bestehenden Schwingers ein aus elektrostriktivem Material bestehendes Plättehen mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender Pl&ttchenebene angeordnet ist, Wie auch bei einem anderen bekannten und etwa gleichartig ausgebildeten mechanischen Längssehwinger, liegt dabei das der Schwingungsanregung dienende elektrottriktiv aktive Plättchen außerhalb des Bereiches der Halbierungsebene des Schwingers. Bei diesen bekannten Anordnungen geht es jedoch im wesentlichen darum * den relativ hohen iemperaturkoeffizienten der Frequenz solcher Schwinger, die rein aus einer elektrostriktiven Keramik bestehen, dadurch zu vermindern, daß für den Schwinger im wesentlichenein einen verhältnismäßig geringen Temperaturkoeffizienten aufweisendes Material verwendet wird. Obzwar bei diesen bekannten Anordnungen die .elektrostriktiv aktiven Plättchen auch symmetrisch zu der auf die Schwingerlängsachse stehenden Halbierungeebene liegen können, lasten sich dort keine Hinweise über eine besondere Anordnung zur Unterdrückung von Obersehwingungen entnehmen.

Duron die USA-Patentschrift 1 747 837 ist ferner eine Anordnung zur Erzeugung elektri β eher Schwingungen bekannt

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geworden, bei der ein mechanischer Biegeschwinger als schwingendes Element verwendet wird. Zur Schwingungsanregung wird ein von einer Gleichstromquelle gespeistes Magnetsystem verwendet, wobei der Stromfluß durch das Magnet- > system zusätzlich von einem sogenannten Aufnahmeelement gesteuert wird, das am Biegeschwinger anliegt und dessen Widerstand sich unter dem Einfluß des vom Biegeschwinger bein SchwingungsVorgang erzeugten Druckes ändert. Zwei weitere derartige Aufnahmesysteme liegen symmetrisch zur mittleren Halbierungeebene des Schwingers, wodurch aufgrund dieser symmetrischen Ausbildung geradzahlige Harmonische nicht erzeugt werden. Hinweise in Richtung des Erfindungsgegenstandes lassen sich dieser Patentschrift jedoch schon deshalb nicht entnehmen, weil die dort verwendeten Aufnahmesysteme wesentlich anders ausgebildet sind als elektrostriktiv wirkende Antriebssysteme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den einleitend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise *u begegnen. Insbesondere soll erreicht werden, daß bei elektrostriktiv angeregten Schwingern durch eine geeignete Anordnung der Anregungssysteme eine Reihe von Ober-Bohwingungen unschädlich gemacht werden.

Ausgehend von einem mechanischen Schwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktion Material für den Übergang von . elektrischen Schwingungen auf mechanische Biege- oder längsschwingungen ausgebildet ist und bei dem die aus elektrostriktiv» Material bestehenden Plättchen mit senkrecht zur Itängsaohse des Schwingers liegender Plattchenebene angeordnet und in Sichtung der längsachse des Schwingers polarisiert sind, und bei dem weiterhin wenigsten« ein Plättchen in der zur L&ngsachse senkrecht stehenden Halbitrung·- eIitue dee ßehwingere liegt, wird die«· Aufgabe erfindungegeaif dadurah gelöst, daS ein weitere« Plättehen elektro-

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striktiven Materials im Bereden. @im@s einer uiigersdzahliges Oberwelle a»g»©r&B©"fc ist»

Hierbei ist es T©rttilhaft_? wean Tasi gers als Bieges3hwimg®:r die ©le
längs der hinsiehtlielä Bi©geßöfewingiäsigeB suitrQt®a€e:a. neutralen Faser Jeweils in ein Plättehenpaar unterteilt sind, und wenn das oberhalb der neutralen Faser liegende Plättchen entgegengesetzt zu dem unterhalb der neutralen faser liegenden Plättchen polarisiert ist.

Als elektrische Vierpole lassen sich derartige Schwinger in der Weise betreiben, daß eines der Plättchen bzw. eines der Plattohenpaare der Schwingungsanregung dient, während das andere Plättchen bzw. das andere Plättchenpaar der Schwingungsabnähme dient.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Aue der Differentialgleichung eines an beiden Enden freien Biegeschwingers lassen sich durch Berücksichtigung der geeigneten Anfangsbedingungen die Resonanzfrequenzen eines derartigen Biegeschwingerβ nach folgender Häherungsformel errechnen:

(0,5+n)²

Hierbei bedeuten B den Elastizitätsmodul des Schwlngermaterials, 3 da· Trägheitsmoment des Stabes In Sehwingrichtung, m die Hasse pro Längeneinheit, 1 die länge des Stabes und η die Ordnungezahl der Hesonanzfrequena (n*1,2,3...) In den Fig.1 bis 5 sind dlt Verformung und die Ziage der Sohwingungsknoten In Abhangifktii; ron einer laufenden

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Koordinate z/l dargestellt, wenn χ eine beliebige Stelle des Stabes bedeutet. Diese Ergebnisse lassen sieh, aus der gleichen Differentialgleichung wie die Besonanzbedingung herleiten. Die Pig.1 sseigt die Verformung und die Lage der Schwingungsknoten .für die Grunds ehwingung, die Fig.2 für die zweite Oberschwingung usw. sind in der Pig.5 entsprechend Verformung und Lage der Schwingungsknoten für die fünfte Oberschwingung dargestellt» (Die Ordnungszahl 1 wird der Grundschwingung zugeordnet, so daß Grundschwingung und erste Obersehwingung identisch sind). Wie den Pig.1 bis 5 zn entnehmen ist, tritt bei allen geradzahligen Oberwellen in der Mitte des Stabes (x/l«O,5) ein Schwingungsknoten auf, bei dem auch das Biegemoment Null ist. An zwei zur Stabmitte symmetrischen Stellen treten gleich große, jedoch entgegengesetzt gerichtete Verformungen auf. Bei der Grundschwingung und den ungeradzahligen Oberwellen liegen in der Mitte des Stabes Maxima der Verformung und an zwei zur Stabmitte symmetrischen Stellen treten gleich große und gleichgerichtete Verformungen auf»

In der Fig.6 ist ein mechanischer Biegeschwinger dargestellt, der gemäß einem älteren Vorschlag zur Anregung mechanischer Biegeschwingungen mittels elektrostriktirer Keramikplättehen aufgebaut ist. Hierbei sind in einem Stahlstab 5 zu beiden Seiten der hinsichtlich Biegeschwingungen neutralen Faser elektrostriktiv aktiv· Plättchen 6 und angeordnet. Als elektrostriktiv aktives Material wird eine Bleikeramik (Bleizirkonat) verwendet, wie sie z.B. unter dem Handelsnamen PZT € der Firma Clevite bekannt ist. Die Keramikplättohen sind an den dem Stahlteil zugewandten Seiten mit einer Silberschicht versehen und mit dem Stahlteil feet verlötet. Di· Polarisation der Kera-■ikpllttoara. ist durch die Pfeil· 8 und 9 am«·deutet und so gewählt, daß das oberhalb der neutralen Pas er liegend·

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Plättchen 6 entgegengesetzt zu de» unterhalb der neutralen Faser liegende Plättchen 7 polarisiert ist. In den Sehwingungsknoten 10 und 11 der Grunde chwingung sind metallische Zuführungsdrähte 12 und 13 befestigt, die an entsprechende Anschlußklemmen 1 und 2 führen. Me Zuführungsdrähte 12 und 13 kSnnen hei entsprechend starker Ausbildung auch zur Verankerung des Schwingers in einem nicht näher dargestellten Gehäuse verwendet werden. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Klemmen 1 und 2 ist dann beispielsweise die Polarisationsrichtung des Keramikplättchens 6 entgegengesetzt zur elektrischen Teldrichtung, während die Polarisationsrichtung des Plättehens 7 mit der Sichtung des elektrischen !Feldes übereinstimmt. Entsprechend dieser Zuordnung dehnt sich das eine Plättchen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes aus, mährend sich das andere Plättehen 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 Pig.6 sind die Keramikplättehen in der Mitte des Stabes (d.h. bei 0,5*1) angeordnet.

In der Fig.7 ist ein mechanischer Biegesehwinger gezeichnet, dessen Anregungssysteme aus einer Bleikeramik bestehen. In der Hitte des Schwingers 5 liegen Sie Keramikplättchen 60 und 61, die entgegengesetzt zueinander polarisiert sind, wie es durch die Pfeile 64 und 65 angedeutet ist. Sie Keramikplättchen 62 und 63 sind entsprechend den Pfeilri@htunge& 66 und 67 ebenfalls entgegengesetzt zueinander polarisiert mnd liegen in einem Sslawiagungsknoten für die dritte Obertehwingtmg. Ton den dtsreli die Keramikplättehtn gegeneinander isolierten Stahlte&l®& des Sehwin-

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gers 5 führen Anechlußdrähte 68, 69 und 70 zu enteprechenden Anschlußklemmen 1, 2 und 3. Dieser Schwinger läßt sich auf das elektrische Ersatzschaltbild gemäß der Fig.8 zurückführen. Legt aan 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 (x/l=0,5) liegen. Zwischen den Klemmen 2 und 3 kann die Ausgangsweehselspannung abgenommen werden, die die der dritten Oberwelle entsprechenden Spannungen nicht enthält. Bei diesem Ausführungebeispiel werden somit die dritte und alle geradzahligen Oberschwingungen unterdrückt.

Das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäß der Fig.7 aufgebauten Schwingers ist in der ?ig.8 gezeichnet. Es besteht für die Grundwelle aus einer Schaltung, in deren Längszweig ein verlustbehafteter Serienresonanzkreis mit der Induktivität Lj, der Kapazität CJj und dem Verlustwiderstand Bj liegt und bei der am Eingang und Ausgang etwa gleich große Kapazitäten Cq₁ 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 Ausgangskapazität Oq₂ ^ein idealer Übertrager U mit dem übersetzungsverhältnis 1iu vorgeschaltet. Zur Übereinstimmung mit dem mechanischen Schwinger sind die Anschlußklemmen mit 11, 2' und 31 bezeichnet. Zur Berück-

β β e

siohtigung der Oberechwingungen sind dem im Längszweig liegenden Serienschwingkreis noch weitere gestrichelt gereiohnete Serienkreise L£, G£, R£ bis L_n, C_n und B_n prallel geschaltet. Die den Oberwellen mit den Ordnungszahlen 3 bis n-1 entsprechenden Serienresonanzkreise sind lediglich durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Wie bereits erwähnt, werden beim Ausführungsbeispiel der ?lg.7 die dritte und alle geradzahligen Oberschwingungen unter-

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drückt, waa für das elsktrisekt lrs@,tsa^ftlt%ilt aseh Pig. bedeutet, daß die diesen Oberschwimgungen ©ittspreoiieiiaeK. Serienresonanzkreise fortfallen«

In der Pig.9 sind die Verformung uad die Lag® der Schwin» . gungaknoten eines Längsaehwingers in Abhängigkeit tos eiaer laufenden Koordinate x/l aufgetragen, wann χ eine beliebige Stelle und 1 die Stablänge bedeuten. Sie Stablänge wird in der Segel so gewählt, daß sie bei der Grundsehwingung etwa eine halbe Wellenlänge beträgt (1»λ/2, \=¥ellenlänge). Duron die Kurve 100 ist die Verformung für die Grundsohwingung, dureh die Kurve 101 die Yerformung für die zweite Obersohwingung und durch die Kurve 102 die Verformung für die dritte Oberschwingung dargestellt. Wie bereits erwähnt, treten bei Längsschwingungen die Oberwellen harmonisch zur Grundsohwingung auf, was auch aus dem in der Pig.9 gezeichneten Diagramm hervorgeht.

In der Pig.10 ist ein Längsschwinger dargestellt, der aus einem Stahlteil 105 besteht, in den elektrostriktiv aktive Plättchen 106 und 107 i& der bekannten Weise eingelötet sind. Die Polarisation dieser Plättchen ist durch Pfeile und 109 angedeutet. Von den durch die Keramikplättehen gegeneinander isolierten Stahlteilen führt ein Ansehlußdraht 110 zu einer Klemme 1, ein Ansohlußdraht 111 zu einer Klemme 2 und ein Ansehlufldraht 112 iu einer Klemme 3. Das elektrische Ersatzschaltbild eines derartigen Längsschwinger s läßt sich auf das der Pig.8 zurückführen. Legt man zwischen die Klemmen 1 und 3 eine Eingangsweohs el spannung Ug, dann führt der Schwinger Längsschwingungen aus, da das anregende Keramikplättehen 108 im gesamten Querschnitt des Sohwingers angeordnet ist. Da das Anregungesystem in einem Bohwingungsknoten der dritten Harmonischen liegt, wird diese nicht angeregt. Wenn die frequenz der anregenden Spannung etwa mit der SigenresonansfrscLueni des Schwinger· übereinstimmt, dann kann zwischen den Klea-

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men 2 und 3 eine AusgangsweehselspaBnung abgenommen werden, in der keinerlei Spannungen τοπ. geradzahligen Harmonischen enthalten sind, da das durch das Keramikplättehen 109 realisierte Abnahmesystem in der Mitte des Schwingers (i/l«0,5) angeordnet ist, d.h. an einer solchen Stelle, an der für alle geradzahligen Harmonisehen Knotenpunkte der Verformung auftreten. Demnach werden bei einem derart aufgebauten Längs schwinger die dritte sowie alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt.

Aus einem Vergleich der in den Fig.7 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiele läßt sich die Analogie zwischen Längsund Biegeschwingern erkennen.

3 Patentansprüche 10 Piguren

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Claims

" P atentansprüche

1. Mechanischer Schwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktiYem Material für den übergang τοη elektrischen Schwingungen auf mechanische Biege- oder Längs schwingungen, ausgebildet ist und bei de» die aus elektrostriktivem Material bestehendes Plättchen mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender Plattehenebene angeordnet und in Richtung der Längsachse des Schwingers polarisiert sind, und bei den weiterhin wenigstens ein Plättehen in der zur Längsachse senkrecht stehenden Halbierungsebene des Schwingers liegt, dadurch gekennzeichnet» dafl ein weiteres Plättchen (106) elektrostriktion Materials im Bereich eines Sehwingungsknotens einer ungeradzahligen Oberwelle angeordnet ist.

2. Mechanischer Schwinger n&eh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Ausbildung des Schwingers als Biegesehwinger die elektrostriktion Plättchen längs der hinsichtlich Biegesehwingungen auftretenden neutralen faser Jeweils in ein Plättchenpaar (60,61) 62,63) unterteilt sind, und daß das oberhalb der neutralen Faser liegende Plättchen (61,63) entgegengesetzt zu dem unterhalb der neutralen Taser liegenden Plättchen (60,62) polarisiert ist.

ο Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daS eines der Plättehen (107) bzw. eines der Plättchenpaare (60,61) der Sohwingungsanregung dient, während das andere Plättehen (106) bzw. das andere Pläiteaenpaar (62,63) der Schwingungβabnähme dient.

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