-
Elektromechanisches Filter mit wenigstens drei parallel zucinander
angeordneten Biegeresonatoren Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter
mit wenigstons drci parallel zueinander angeordneten Biegercsonatoren aus Stabmatcrial
von krcisförmigem Querschnitt, das einseitig abgeflacht ist, und bei dem der in
Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator jeweils mit einem
elektrostriktiven
Anregungselement vcrsehen ist.
-
Bekanntlich haben elektromechanische Filter unter anderem insofern
eine großc praktische Bedeutung erlangt, als sie den aus konzentrierten Schaltelementen
bestehenden Filtern trotz eines wesentlich geringeren Raumverbrauches vor allem
in der Gütc ihrcr Resonanzelemente erheblich überlegen sind.
-
Außerdem läßt sich bei einer mechanisch widerstandsfähigen Konstruktion
eine verhaltnismäßig hohe zeitliche und thermische Konstanz erreichen. Gegenüber
den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern tritt bei mechanischen
Filtcrn jedoch die Schwierigkeit auf, daß die einzelnen Resonatoren eine größere
Anzahl von Eigenschwingungen ausführcn können, die im Durchlaßbereich des Filters
zu unerwünschten Dämpfungsverzerrungen und im Sperrbereich zu unerwünschten Dämpfungseinbrüchen
führen. Aus diesen Gründen wird man bestrebt scin, den konstruktiven Aufbau in der
Wcisc zu gestalten, daß störende Eigenschwingungen, die auch als Nebenschwingungen
bezeichnet werden, möglichst nicht angeregt bzw. nicht übertragen werden können.
Für den Einsatz in miniaturisierten Schaltungen, in denen auch die Filter ein möglichst
klcines Volumen haben sollen, wird man sich bemühen, solche mechanische Resonatoren
zu verwenden, deren Resonanzfrequenz nicht nur von der Längc des Resonators, sondern
zusätzlich von dessen Querschnittsfläche abhängig ist, da sich dadurch ein weiterer
frci wählbarer Bemessungsparametor ergibt. Die vorstehenden Bedingungen lassen sich
insbesondere mit Biegeresonatoren als Resonanzelemente und Längsschwingungen ausführend
Koppelelementen erreichen. Darüberhinaus ist es erforderlich, daß die Herstellbarkeit
des Filters nach Möglichkeit zumindest cincr halbautowatischen, wenn nicht sogar
einer vollautomatischen, Fertigung zugänglich gemacht wird.
-
Es ist bereits ein mcchanisches Filter bekannt geworden, bei dcm achsparallel
zueinander angeordnete Biegeresonatorcn über ein Längsschwingungen ausführendes
Koppelelement mitcinander gekoppelt sind, das im Bereich eines Schwingungsmaximums
an den Resonatoren befestigt sein kann0 Es wird bei dicscm bekannten Filter zwar
auf die Verwendung von Stoben mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt hingcrricsen,
jedoch ist nicht erkennbar, wie die Verbindung zwischen den einzelnen Resonalzelementen
und dem Koppelelement in einer für den praktischen Aufbau, insbesondere mit Rücksicht
auf eine moderne Serienfertigung, günstigen Weise erfolgen kann, wenn gleichzeitig
der für den Filterabgleich erforderliche Aufwand möglichst gering sein soll.
-
Ferner; ist ein wechanischcs Filter bekannt geworden, dessen einzelne
Resonatoren als krcisförmigc Platten ausgebildet sind, die mit zueinander parallel
verlaufenden Plattenebenen angeordnet sind. Die Kopplung der einzelnen Platten erfolgt
über Längsschwingungen ausführende Koppelelemente, die im Bereich der Plattenränder
an den einzelnen Platten befestigt sind. Abgesehen davon, daß die Befestigung der
Koppelelemente zusätzlichen Aufwand deshalb erfordert, weil einerseits die Koppelemente
durch in den Platten vorgesehene Bohrungen hindurchgeführt werden müssen und weil
andererseits jweils aufeinanderfolgende Koppelelemente an gegenüberliegenden Plattenrändern
befestigt sind, tritt bei diescm bekannten Filter noch eine zusätzliche unerwünschte
Kopplung dann auf, wenn die einzelnen Platten einander sehr eng benachbart werden
müssen. In diesem Fall wirkt nämlich außer der gewünschten Kopplung über die Koppelelemente
eine weitere Kopplung über den zwischen den einzelnen Platten gelegenen Luftraum.
-
Zur Bchebung dieser Schwierigkeiten und zur wirtschaftlichen Herstellung
mechanischer Biegeresonstoren hat sich gemäß
einem älteren Vorschlag
eine runde Querschnittsform des Ausgangsmatcrials gut bewährt. Zur eindeutigen Festlegung
der Schwingrichtung ist jedoch die Anbringung einer Abflachung notwendig. Hicrdurch
ergeben sich zwei Biegc-Schwingungen verschiedenqr Eigenfrequenz deren eine Schwingungsebene
in der Ebene der Abflachung und deren zweite Schwingungsebene senkrecht dazu liegt.
Meist wird angestrebt, innerhalb cincs Biltersystems stets die gleiche Schwingungsart
auszunutzen, d.h. cs liegen die Abflachungsflachen sämtlicher Resonatorcn parallel
oder senkrecht zur ausgenutzten Schwingungsebene. Bei den häufig vorkommenden Filtern
mit kurzen Längskopplern sind die Brequenzverhältnissc so gelagert, daß es zweckmäßig
ist, diejenige der beiden Eigenschwingungen auszunutzen, deren Schwingungsebene
planparallel mit der Abflachungsfläche verläuft. Sowohl bei dieser als auch bei
der zweiten möglichen Anordnung lassen sich die bei diesem illiltertyp häufig verwendeten
piezokeramischen Wandler zur Anregung von Biegeschwingungen über den sogenannten
direkten piezoclektrischen Effekt gleich gut in den Schwingerquerschnitt einbauen
Allerdings crfordert die Anregung von Biegeschwingungen über den direkten piezoelektrischen
Effekt eine größcrc Anzahl einzelner Teile, die besonders bei Resonatoren mit sehr
kleiner Bauweise schwer zusammensetzbar sind. Zudem ist die mechanisch-c Stabilität
cincs direkt angetriebenen Biegercsonators wegen des unterbrochenen Stahlquerschnittes
begrenzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabc zugrunde, bei einem mechanischen Filter,
das mit Hilfc von aus abgcflachtem Rundmaterial bestehenden Biegeresonatoren aufgebaut
ist, eine solchc Anordnung zu treffen, daß die Anregung der Biegeschwingungen auch
über den sogenannten Querkontraktionseffekt erfolgen kann, und daß sich darüberhinaus
eine konstruktive
Aufbaulreise ergibt, die trotz einer herstellungsnaßig
einfachen. Lösung möglichst wenig Abgleicharbeit an fertiggestellten Filtern erforderlich
macht.
-
Ausgehend von einem elektromechanisehen Filter mit wenigstens drei
parallel zueinander angeordneten Biegeresonatoren aus Stabmaterial von krcisförmigem
Qucrschnitt, das einseitig abgeflacht ist, und bei dem der in Übertragungsrichtung
erste und letzte Resonator jeweils mit einem clektrostriktiven Anregungselement
versehen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
a) der in Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator ist bezüglich einer für
das Filtersystem vorgesehenen Grundplatte derart angeordnet, daß die Ebene ihrer
Abflachung jeweils senkrecht zu der durch die Grundplatte bestimmten Ebene liegt;
b) die zwischen dem ersten und letzten mechanischen Resonator liegenden mechanischen
Resonatoren sind so angeordnet, daß die durch ihre Abflachung jeweils bestimmte
Ebene parallel zu der durch die Grundplatte bestimmten Ebene liegt; c) auf den Abflachungen
des in Übertragungsrichtung ersten und letzten mechanischen Resonators ist jeweils
das elektrestriktive Anregungselement in Form eines Plättchens aus clekt-rostriktivem
Material vorgesehen, das auf seiner dem Resonator abgewandten Fläche eines Metallisierung
trägt, an die eine vorzugsweise flexible, olektrisch leitende Verbindung herangeführt
ist.
-
Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, bei einem elektrotrechanischen
Filter mit wenigstens drei mit Abflachungen vorschonen
Biegeresonatoren
den ersten und letzten Resenater um scinc Längsachse um 900 zu vcrdrchen, so daß
die dbflachungsfläche senkrecht zur ausgenutzten Schwingungsebene liegt. Dic so
liegende Abflachungsfläche ist hervorragend zur Aufnahme eine piezokeramischen Plättchens
geeignet, das bei dieser Anordnung beim Anlegen cincr Wochselspannung den Endrcsonator
zu Biege schwingungen in der richtigen Schwingungsebene anregt. Das Plättchen kann
in an sich bekannter Weise beispielsweise durch Weichlöten befestigt werden, nachdem
cs beidseitig mit metallischen Elektroden verschen wurde. Das piczokeramischc Plättchen,
dessen Länge zweckmäßig nicht größcr ist als etwa die halbc Länge des Biegeresonators,
wird vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Resonatorlänge angeordnet. Zur Verstärkung
der Anregungswirkung können auch zwei, einander gegenüberliegende Plättchen an zwei
entsprechenden Abflachungen angebracht werden Es ist ferner möglich, an einer Abflachungsfläche
z.B.
-
zwei Plättchen anzabringen, um so einen dreipoligen Resonator zu erhalten.
-
Eine einfache und gut reproduzierbare Serienfertigung läßt sich dadurch
erreichen, daß die mechanischen Resonatoren über cinen gemeinsamen durchgehenden
Koppeldraht miteinander zu einen mehrkreisigen Rosonanzsystom verbunden sind.
-
Ein vorteilhafter und gegenüber äußeren Erschüttorungen verhältnismäßig
unempfindlicher konstruktiver Aufbau wird dadurch erzielt, daß die Halterung des
Systems über als Stifte ausgebildete Halteorgane orfolgt, die an wenigstens einigen
der Resonatoren in deren Schwingungsknoten befestigt sind und die mit ihren freien
Enden in wenigstens einer nutförmigen, mit einer Löt- oder Gußmasse aufgefüllten
Vertiefung einer Grundplatte liegen.
-
Für eine einfache und leicht zugängliche Zuführung der elektrischen
@echsolspannung ist es günstig, wenn die an die Metallisierung des aus elektrostriktivem
Material bestehenden Plättchens herangeführte leitende Verbindung über eine iu der
Grundplatte vorgesehene, in der Art einer isolierenden Durchführung ausgebildete
Anschlußvorrichtung aus dem Filtergehäuse herausgeführt ist-.
-
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels noch
näher erläutert.
-
Es zeigen in der Zeichnung-die Fig. 1 einen Längsachnitt eines meehanisehen
Filters; Sig. 2 einen Quersehnitt längs der Schnittebene A-A von flg. 1.
-
Das mechanische Filter nach den Fig. 1 und 2 besteht aus mehreren
mechanischen Resonatoren 6, die im Ausführungsbeispiel als Biegeschwingungen ausführende
Resenatoren ausgebildet sind. Zur Anregung bzw. zur Abnahme der mechanischen Schwingungen,
d.h. also zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und
umgekehrt, sind die Fndrosenatoren 6' vorgesehen. Die Resonatoren 6 und die Endresonatoren
6' sind in einer Ebene derart angeordnet, daß ihre Kopplung über einen durchgehenden
Koppcldraht 8 erfolgen kann, der vorzugsweise in Bereichen großcr Bewegungsamplitude
an den Resonatoren angrcift. Für einen in der Grundschwingung betriebenen Biegeresonator
ist dies beispielsweise die Resonatormitte, wie dics auch aus dem Querschnittsbild
der Fig. 2 zu erkennen ist. Die Resonatorcn 6,6'
bestehen aus Stäben
kreisförmigen Querschnitts, die entlang einer Mantclfläche mit cincr Abflachung
9 versehen sind.
-
Dic Ebene dicscr Abflachung liegt bei den eigentlichen Filterresonatoren
parallel zu cincr von der zur Halterung.
-
des gesamten Systems vorgeschenen Grundplatte, während die Endrcsonatorcn
6' derart angeordnet sind, daß die von der Abfalchung gebildete Ebene senkrecht
auf der von der Grundplatte 1 gebildeten Ebene stcht. Auf dicsc Weise läßt sich
das Koppelelement 8 sowohl an den Biltcrrcsonatorcn 6 als auch an den Endresonatoren
6' an solchen Stollen befestigen, an denen die Umfangsbegronzung der Resonatorcn
einen kreisförmigen Verlauf hat, wodurch für das Koppolelement 8 praktisch cinc
punktförmige Auflagcflachc an den Resonatoren 6 und 6', deren Längsachsc senkrecht
zur Richtung des Koppelelements 8 verläuft, zustande kommt. Diese nahezu punktförmige
Verbindung zwischen Koppelelement und den einzelnen Resonatoren trägt wiederum dazu
bei, daß sich hinsichtlich der geforderten Koppelwirkung zuvcrlässigc und reproduzierbare
Vcrhältnissc ergeben, die für eine moderno Serienfertigung wesentlich sind, wenn
die nach der: Zusammenbau des Filters erforderliche Abgleicharbeit auf ein Minimum
beschränkt werden soll.
-
Die Schwingungsanregung bzw. die Schwingungsabnahme erfolgt über aus
elektrostriktivem Matcrial bestehende Plättchen 10, die an den Abflachungen der
Resonatoren 6' nach-an sich bekannten Verfahren befestigt sind und die an der dem
mctallischen Resonator abgewandten Scitc mit cincr Mctallisicrung versehen sind,
mit der ein zu cincr Anschlußklertre 11 bzw. 12 führender dünner Draht verbunden
ist.
-
Ein weiterer Anschlußdraht ist beispielsweise mit einem H@lteorgan
4 vcrbunden und führt zu einer Anschlußklemme 11' bzw. 12'. Legt man an die Anschlußklemmen
11 und 11'
eine elektrische Wcchselspannung, dann wird das aus
elektrostriktivem Matorial bestehende Plättchen 10 Dehnungen und Verkürzungen in
der Richtung des wirksamen elektrischen Feldes unterworfon. Wegen dicscr Längenänderungen
entstehen über den bekannten Querkontraktionseffekt auch Dehnungen und Verkürzungen
senkrecht zur Richtung des elektrisches Feldes, d.h. also, in Richtung der Längsachsen
der Resonatoren 6'. Aufgrund dicscr Bewegungen wird beispielsweise der mit den Klemmen
11 und 11' verbundene Endresonator 6' dann zu Biegeschwingungen angcregt, wenn seine
Biegeeigenfrequenz mit der Frequenz der angelegten Wechsolspannung gonau oder zumindest
näherungsweise übereinstimmt. Diese Biegebewegung wird über das Koppelelement 8
auch auf die übrigen Rcsonatorcn 6 und den zweiten Fndresonator 6' übertragen, die
somit ebenfalls Biegeschwingungen parallol zur Grundplatte 1 ausführen.
-
liegen dieser Biegeschwingungen des mit den Klemmen 12, 12' verbundenen
zweiten Endresenators 6' entsteht wegen der piezoelektrischen Wirkung des Plättehens
10 zwischen der dem Resonator abgewandten Metallisierung und dem Resonator 6' eine
Wechselspannung, die an den Klemmen 12, 12' als Ausgangswechselspannung abgenommen
werden kann. Die elektrische Wechselspannung läßt sich leicht und in gut zugänglicher
Weise an die Klemme 11 heranführen bzw. von der Klemme 12 abnchmen, wenn die von
den Motallisierungen der elektrostriktiven Plättchen 10 ausgehenden flexiblen Drähte
an eine isolierende Durchführung herangeführt werden, die in der Grundplatte 1 befestigt
ist. Die Grundplatte 1 bzw. die Resonatoren 6, 6' wirken dabei selbst als die zur
Ausbildung cincs erdunsymmetrischen Vicrpols erforderliche durchgehende zweite Leitung.
Auf diese Weise kann das Filtor vollständig fertiggestellt und abgeglichen werden
und danach das Gehäuse 7 fest mit der Grundplatte verbunden werden.
-
Zur Halterung des Systems sind verhältnismäßig kurze metallische Stifte
4 vorgeschen, die wenigstens an cincm Teil der Resonatoren angebracht scin müssen.
Dicsc als Halteorgane wirkenden Stifte 4 sind in Schwingungsknoten an den Rosonatoren
6, 6' befestigt, wobei untcr Schwingungsknoten ncutralc Bercichc zu verstehen sind,
in denen beim Schwingungsvorgang praktisch keine Bewegung auftritt. In der Grundplatte
1 ist wenigstens eine nutförmige Vertiefung 2 vorgesehen, die derart ausgebildet
ist, daß eine Vergußmasse 3 auch im flüssigen Zustand darin gehalten wird.
-
Bringt man nun die Halteorgane 4 des vollständig montierten Filters
in die flüssige Vergußmassc 3 cin, dann crgibt sich nach dein Erstarren der Vergußmassc
3 ein mcchanisch stabiler und gleichmäßiger Aufbau der gesamten Anordnung. Gleichzeitig
wird erreicht, daß die Halteorgane 4 praktisch völlig vcrspannungsfrei mit der Grundplattc
1 verbunden sind, da sie bei der Verbindung mit der Grundplatte in der ihnen ohnchin
eigenen Lage bleiben können, wodurch praktisch keine Toleranzprobleme zu bewältigen
sind. Weiterhin wird auch das Koppelelement 8 keinerlei Verspannungen unterworfen,
wodurch wiederum die einwandfreie Koppelwirkung des Koppelelementes 8 auch nach
der Montagc auf der Grundplatte 1 sichergestellt ist. Als Vcrgußmassc eignen sich
insbesondere ein aushärtbarer Kunststoff, wie z.B. ein Epoxydharz oder auch'Lötzinn.
Wenn der Koppcldraht 8 aus elektrischen Gründen vcrhältnismäßig dünn ausgebildet
scin muß, oder wenn das Filter aus einer verhältnismäßig großen Anzahl von Resonatoren
besteht, so daß eine Durchbiegung des Koppeldrahtes 8 während des Zusammenbaues
des gesamten Filters mit der Grundplatte auftreten kann, wird man das gesamte Filter
während der Verbindung mit der Grundplatte, d.h. also, solangc die Vcrgußmasse noch
flüssig ist, in cincr geeigneten Haltevorrichtung festlegen.
-
Die stiftförmigen Halteorgane 4 wird man verhältnismäßig dünn, vorzugsweise
in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern ausbilden, um Rückwirkungen
der Halteorgane auf die Schwingungsgüte der Resonatoren zu vermeiden.
-
Wenn es darauf ankommt, das Filter möglichst dicht gegenüber außeren
Einflüssen abzuschirmcn, wird man dafür sorgen, daß die Grundplatte 1 gleichzeitig
zur Vcrankderung einer Abdeckhaube 7 herangezogen werden kann, dic beispielsweise
aus einem metallischen Material odcr auch aus einem Kunststoff bestehen kann.
-
4 Patentansprüche 2 Figuren