DE1922551B2 - Elektromechanisches Filter mit wenigstens drei parallel zueinander angeordneten, mechanisch gekoppelten Biegeresonatoren - Google Patents

Description

a) der in Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator (6') ist bezüglich der für das Filtersystem vorgesehenen Grundplatte (1) derart angeordnet, daß die Ebene ihrer Abflachung (9) jeweils senkrecht zu der durch die ^ao Grundplatte (1) bestimmten Ebene liegt;

b) die zwischen dem ersten und letzten mechanischen Resonator (6') liegenden mechanischen Resonatoren (6) sind so angeordnet, daß die durch ihre Abflachung (9) jeweils ^a5 bestimmte Ebene parallel zu der durch die Grundplatte (1) bestimmten Ebene liegt;

c) auf den Abflachungen (9) des in Übertragungsrichtung ersten und letzten mechanischen Resonators (6') ist jeweils das elektrostriktive Anregungselement in Form eines Plattchens (10) aus elektrostriktivem Material vorgesehen, das auf seiner dem Resonator abgewandten Fläche eine Metallisierung trägt, an die die Zuführungsleitung herangeführt ist.

2. Elektromechanisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die mechanischen Resonatoren (6, 6') über einen durchgehenden Koppeldraht (8) miteinander zu einem mehrkreisigen Resonanzsystem verbunden sind.

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Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches 5" Filter mit wenigstens drei an einer Grundplatte befestigten, parallel zueinander angeordneten, mechanisch gekoppelten Biegeresonatoren aus einseitig abgeflachten Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei dem der in Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator jeweils mit einem elektrostriktiven Anregungselement versehen ist, dessen Zuführungsleitung insbesondere als eine in der Grundplatte vorgesehene isolierende Durchführung ausgebildet ist.

Bekanntlich habea elektromechanische Filter unter anderem insofern eine große praktische Bedeutung erlangt, als sie den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern trotz eines wesentlich geringeren Raumverbrauches vor allem in der Güte ihrer Resonanzelemente erheblich überlegen sind. Außerdem läßt sich bei einer mechanisch widerstandsfähigen Konstruktion eine verhältnismäßig hohe zeitliche und thermische Konstanz erreichen.

Gegenüber den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern tritt bei mechanischen Filtern jedoch die Schwierigkeit auf, daß die einzelnen Resonatoren eine größere Anzahl von Eigenschwingungen ausführen können, die im Durchlaßbereich des Filters zu unerwünschten Dämpfungsverzerrungen und im Sperrbereich zu unerwünschten Därcpfungseinbrüchen führen. Aus diesen Gründen wird man bestrebt sein, den konstruktiven Aufbau in der Weise 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 kleines Volumen haben sollen, wird man sich bemühen, solche mechanische Resonatoren zu verwenden, deren Resonanzfrequenz nicht nur von der Länge des Resonators, sondern zusätzlich von dessen Querschnittsfläche abhängig ist, da sich dadurch ein weiterer frei wählbarer Bemessungsparameter ergibt. Die vorstehenden Bedingungen lassen sich insbesondere mit Biegeresonatoren als Resonanzelemente und Längsschwingungen ausführenden Koppelelementen erreichen. Darüber hinaus ist es erforderlich, daß die Herstellbarkdt des Filters nach Möglichkeit zumindest einer halbautomatischen, wenn nicht sogar einer vollautomatischen Fertigung zugänglich gemacht wird.

Es ist bereits ein mechanisches Filter bekanntgeworden, bei dem achsparallel zueinander angeordnete Biegeresonatoren über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind, das im Bereich eines Schwingungsmaximums an den Resonatoren befestigt sein kann. Es wird bei diesem bekannten Filter zwar auf die Verwendung \on Stäben mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt hingewiesen, jedoch ist nicht erkennbar, wie die Verbindung zwischen den einzelnen Resonanzelememen 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 mechanisches Filter bekanntgeworden, dessen einzelne Resonatoren als kreisförmige Platten ausgebildet sind, die mit zueinander parallel verlaufenden Plattenebene 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 Koppelelemente durch in den Platten vorgesehene Bohrungen hindurchgeführt werden müssen und weil andererseits jeweils aufeinanderfolgende Koppelelemente an gegenüberliegenden Plattenrändern befestigt sind, tritt bei diesem 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 Behebung dieser Schwierigkeiten und zur wirtschaftlichen Herstellung mechanischer Biegeresonatoren hat sich gemäß einem älteren Vorschlag eine runde Querschnittsform des Ausgangsmaterials gut bewährt. Zur eindeutigen Festlegung der Schwingrich-

tung ist jedoch die Anbringung einer Abflachung dem Resonator abgewandten Fläche eine Metal-

notwendig. Hierdurch ergeben sich zwei Biege- lisierung trägt, an die die Zuführungsleitung

schwingungen verschiedener Eigenfrequenz, deren herangeführt ist.

eine Schwingungsebene in der Ebeie der Abflachung

und deren zweite Schwingungsebene senkrecht dazu s Die Anregung von Biegeschwingungen über den liegt. Meist wird angestrebt, innerhalb eines Filtersy- transversalen piezoelektrischen Effekt ist beispielsstems stets die gleiche Schwingungsart auszunutzen, weise bereits aus der Zeitschrift »The Journal of the d. h., es liegen die AbflachnngsQächca sämtlicher Re- Acoustical Society of America«, Vol. 41, Number 4, sonatoren parallel oder senkrecht zur ausgenutzten Part 2, April 1967, S. 953 bis 961, bekannt. Es sind Schwingungsebene. Bei den häufig vorkommenden io dort Resonatoren rechteckförmigen Querschnitts ge-Filtern mit kurzen Längskopplern sind die Frequenz- zeigt, die mit Plättchen elektrostriktiven Materials Verhältnisse so gelagert, daß es zweckmäßig ist, die- versehen sind, wobei auf der dem Resonator a"S^e~ jenige der beiden Eigenschwingungen auszunutzen, wandten Seite eine Metallisierung auf das elektroderen Schwingungsebene planparallel mit der Abfla- striktive Material aufgebracht ist. chungsfläche verläuft. Sowohl bei dieser als auch bei 15 Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, bei der zweiten möglichen Anordnung lassen sich die bei einem elektromechanischen Filter mit wenigstens diesem Filtertyp häufig verwendeten piezokerami- drei mit Abflachungen versehenen Biegeresonatoren sehen Wandler zur Anregung von Biegeschwingun- den ersten und letzten Resonator um seine Längsgen über den sogenannten direkten piezoelektrischen achse um 90° zu verdrehen, so daß die Abfla-Effelt gleich gut in den Schwingerquerschnitt ein- *o chungsfläche senkrecht zur ausgenutzten Schwinbauen. Allerdings erfordert die Anregung von Biege- gungsebene liegt. Die so liegende Abflachungsfläche schwingungen über den direkten piezoelektrischen ist hervorragend zur Aufnahme eines piezokerami-Effekt eine größere Anzahl einzelner Teile, die be- sehen Plättchens geeignet, das bei dieser Anordnung sonders bei Resonatoren mit sehr kleiner Bauweise beim Anlegen einer Wechselspannung den Endresoschwer zusammensetzbar sind. Zudem ist die mecha- as natoi zu Biegeschwingungen in der richtigen Schwinnische Stabilität eines direkt angetriebenen Biegere- gungsebene anregt. Das Plättchen kann in an sich besonators wegen des unterbrochenen Stahlquerschnit- kannter Weise beispielsweise durch Weichlöten befetes begrenzt. stigt werden, nachdem es beidseitig mit metallischen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Elektroden versehen wurde. Das piezokeramische einem mechanischen Filter, das mit Hilfe \<«n aus ab- 3" Plättchen, dessen Länge zweckmäßig nicht größer ist geflachtem Rundmaterial bestehenden Biegeresona- als etwa die halbe Länge des Biegeresonators, wird toren aufgebaut ist, eine solche Anordnung zu tref- vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Resonatorfen, daß die Anregung der Biegeschwingungen auch länge angeordnet. Zur Verstärkung der Anregungsüber den sogenannten Querkontraktionseffekt erfol- wirkung können auch zwei, einander gegenüberliegen kann und daß sich darüber hinaus eine kon- 35 gende Plättchen an zwei entsprechenden Abflachunstruktive Aufbauweise ergibt, die trotz einer herstel- gen angebracht werden. Es ist ferner möglich, an lunesmäßig einfachen Lösung möglichst wenig Ab- einer Abflachungsfläche z. B. zwei Plättchen anzugleicharbeit an fertiggestellten Filtern erforderlich bringen, um so einen dreipoligen Resonator zu erhalmacht. ten. .

Ausgehend von einem elektromechanischen Filter 40 Eine einfache und gut reproduzierbare Serientertimit wenigstens drei an eine,· Grundplatte befestigten, gung läßt sich dadurch erreichen, daß die mecnaniparallel zueinander angeordneten, mechanisch ge- sehen Resonatoren über einen gemeinsamen durchkoppelten Biegeresonatoren aus einseitig abgeflach- gehenden Koppeldraht miteinander zu einem mehrten Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei dein der in kreisigen Resonanzsystem verbunden sind. Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator je- 45 Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines weils mit einem elektrostriküven Anregungselement Ausführungsbeispiels noch naher erläutert, ts zagi versehen ist, dessen Zuführungsleitung insbesondere in der Zeichnung die —._

als eine in der Grundplatte vorgesehene isolierende Fig. 1 einen Längsschnitt eines mechanischen Mi-

Durchführung ausgebildet ist, wird diese Aufgabe ge- ters, ._Hi>Keni,

mäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst: 50 F i g. 2 einen Querschnitt längs der Scnnitteoene

A-A von Fig. 1.

a) der in Übertragungsrichtung erste und letzte Re- Das mechanische Filter nach den Fi g. 1 und 2 besonator ist bezüglich der für das Filtersystem steht aus mehreren mechanischen Resonatoren 6, die vorgesehenen Grndplatte derart angeordnet, daß im Ausführungsbeispiel als Biegeschwingungen ausdie Ebene ihrer Abflachung jeweils senkrecht zu 55 führende Resonatoren ausgebildet sind. Zur Ameder durch die Grundplatte bestimmten Ebene gung bzw. zur Abnahme der mechanischen Schwmlieg_t; gungen, d.h. also zur Umwandlung elektrischer

b) die zwischen dem ersten und letzten mechani- Schwingungen in mechanische Schwingungen und sehen Resonator liegenden mechanischen Reso- umgekehrt, sind die Endresonatoren 6 vorgesehen, natoren sind so angeordnet, daß die durch ihre 60 Die Resonatoren 6 und die Endresonatoren 6 sind in Abflachung jeweils bestimmte Ebene parallel zu einer Ebene derart angeordnet, daß ihre Kopplung der durch die Grundplatte bestimmten Ebene über einen durchgehenden Koppeldraht 8 erfolgen Hegt· kann, der vorzugsweise in Bereichen großer Bewe-

c) auf den Abflachungen des in Übertragungsrich- gungsamplitude an den Resonatoren angreift, i-u tung ersten und letzten mechanischen Resona- «5 einen in der Grundschwingung ^b;:^triebenen .™S tors ist jeweils das elektrostriktive Anregungs- sonator ist dies beispielsweise die R"^ona'%7"^ element in Form eines Plättchens aus eiektro- wie dies auch aus dem Querschnittsbild aer r s·^ striktivem Material vorgesehen, das auf seiner zu erkennen ist. Die Resonatoren 6, 6 oeswuc

Stäben kreisförmigen Querschnitts, die entlang einer gut zugänglicher Weise an die Klemme 11 heranfüh-Mantelfläche mit einer Abflachung 9 versehen sind. ren bzw. von der Klemme 12 abnehmen, wenn die Die Ebene dieser Abflachung liegt bei den eigentli- von den Metallisierungen der elektrostriktiven Plättchen Filterresonatoren parallel zu einer von der zur chen 10 ausgehenden flexiblen Drähte an eine isolie-Halterung des gesamten Systems vorgesehenen Grund- 5 rende Duirchführung herangeführt werden, die in der platte, während die Endresonatoren 6' derart an- Grundplatte 1 befestigt ist. Die Grundplatte 1 bzw. geordnet sind, daß die von eier Abflachung gebildete die Resonatoren6,6' wirken dabei selbst als die zur Ebene senkrecht auf der von der Grundplatte 1 gebil- Ausbildung eines erdungssymmetrischen Vierpols erdeten Ebene steht. Auf diese Weise läßt sich das forderliche durchgehende zweite Leitung. Auf diese Koppelelement 8 sowohl an den Filterresonatoren 6 io Weise kann das Filter vollständig fertiggestellt und als auch an den Endresonatoren 6' an solchen Stellen abgeglichen werden und danach das Gehäuse 7 fest befestigen, an denen die Umfangsbegrenzung der Pe- mit der Grundplatte verbunden werden,
sonatoren einen kreisförmigen Verlauf hat, wodurch Zur Halterung des Systems sind verhältnismäßig für das Koppelelement 8 praktisch eine punktförmige kurze metallische Stifte 4 vorgesehen, die wenigstens Auflagefläche an den Resonatoren 6 und 6', deren 15 an einem Teil der Resonatoren angebracht sein müs-Längsachse senkrecht zur Richtung des Koppelele- sen. Diese als Halteorgane wirkenden Stifte 4 sind in mentes8 verläuft, zustande kommt. Diese nahezu Schwingungskniuen an den Resonatoren 6, 6' befepunktförmige Verbindung zwischen Koppelelement stigt, wobei unter Schwingungsknoten neutrale Be- und den einzelnen Resonatoren trägt wiederum dazu reiche zu verstehen sind, in denen beim Schwinbei, daß sich hinsichtlich der geforderten Koppelwir- 20 gungsvorgang praktisch keine Bewegung auftritt. In kung zuverlässige und reproduzierbare Verhältnisse der Grundplatte 1 ist wenigstens eine nutförmige ergeben, die für eine modernde Serienfertigung we- Vertiefung 2 vorgesehen, die derart ausgebildet ist, sentlich sind, wenn die nach dem Zusammenbau des daß eine Vergußmasse 3 auch im flüssigen Zustand Filters erforderliche Abgleicharbeit auf ein Minimum darin gehalten wird.

beschränkt werden soll. »5 Bringt ra?n nun die Halteorgane 4 des vollständig Die Schwingungsanregung bzw. die Schwingungs- montierten Filters in die flussige Vergußmasse 3 ein, ahnahme erfolgt über aus elektrostriktivem Material dann ergibt sich nRch dem Erstarren der Vergußbestehende Plättchen 10, die an den Abflachungen masse 3 ein mechanisch stabiler und gleichmäßiger der Resonatoren 6' nach an sich bekarnten Verfah- Aufbau der gesamten Anordnung. Gleichzeitig wird ren befestigt sind und die an der dem metallischen 3° erreicht, daß die Halteorgane 4 praktisch völlig verResonator abgewandten Seite mit einer Metallisie- spannungsfrei mit der Grundplatte 1 verbunden sind, ru-ig versehen sind, mn der ein zu ei» er Anschluß- da sie bei der Verbindung mit der Grundplatte in der kkmisc 11 bzw. 12 führender dünner Di aht verbun- ihnen ohnehin eigenen Lage bleiben können, woden ist. Ein weiterer Anschlußdraht ist t-ispielsweise durch praktisch keine Toleranzprobleme zu bewältimit einem Halteorgan 4 verbunden und führt zu einer 35 gen sind. Weiterhin wird auch das Koppelelement 8 Anschlußklemme 11' bzw. 12'. Legt man an die An- keinerlei Verspannungen unterworfen, wodurch wieschlußklemmen 11 und 11' eine elektrische Wechsel- derum die einwandfreie Koppelwirkung des Koppelspannung, dann vvird das aus elektrostriktivem Mate- elementes 8 auch nach der Montage auf der Grundrial bestehende Plättchen 1© Dehn-ngen und Ver- platte 1 sichergestellt ist. Als Vergußmasse eignen kürzungen in der Richtung des wirksamen elektri- 40 sich insbesondere ein aushärtbarer Kunststoff, wie sehen Feldes unterworfen. Wegen dieser Längenän- z.B. ein Epoxydharz oder auch Lötzinn. Wenn er derungen entstehen über den bekannten Querkon- Koppeldraht 8 aus elektrischen Gründen verhältnistraktionseffekt auch Dehnungen und Verkürzungen mäßig dünn ausgebildet sein muß, oder wenn das senkrecht zur Richtung des elektrisches Feldes, d. h. Filter aus einer verhältnismäßig großen Anzahl von also, in Richtung der Längsachsen der Resonatoren 45 Resonatoren besteht, so daß eine Durchbiegung des 6'. Aui Grund dieser Bewegungen wird beispiels- Koppeldrahtes 8 während des Zusammenbaus des geweise der mit den Klemmen 11 und 11' verbundene samten Filters mit der Grundplatte auftreten kann, Endresonator 6' dann zu Biegeschwingungen ange- wird man das gesamte Filter während der Verbinregt, wenn seine Biegeeigenfrequenz mit der Fre- dung mit der Grundplatte, d.h. also, solange die quenz der angelegten Wechselspannung genau oder 5° Vergußmasse noch flüssig ist, in einer geeigneten zumindestnäherungsweiseübereinstimmt DieseBiege- Haltevorrichtung festlegen.

bewegung wird über das Koppelelement 8 auch auf Die stiftförmigen Halteorgane 4 wird man verhältdie übrigen Resonatoren 6 und den zweiten Endreso- nismäßig dünn, vorzugsweise in der Größenordnung nator 6' übertragen, die somit ebenfalls Biegeschwin- von einigen zehntel Millimetern ausbilden, um Rückgungen parallel zur Grundplatte 1 ausführen. Wegen 55 Wirkungen der Halteorgane auf die Schwingungsgüte dieser Biegeschwingungen des mit den Klemmen 12, der Resonatoren zu vermeiden.
12' verbundenen zweiten Endresonators 6' entsteht Wenn es darauf ankommt, das Filter möglichst wegen der piezoelektrischen Wirkung des Plättchens dicht gegenüber äußeren Einflüssen abzuschirmen, 10 zwischen der dem Resonator abgewandten Metal- wird man dafür sorgen, daß die Grundplatte 1 gleichlisierung und dem Resonator 6' eine Wechselspan- 60 zeitig zur Verankerung einer Abdeckhaube 7 herannung, die an den Klemmen 12, 12' als Ausgangs- gezogen werden kann, die beispielsweise aus einem wechselspannung abgenommen werden kann. Die metallischen Material oder auch aus einem Kunstelektrische Wechselspannung läßt sich leicht und in stoff bestehen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Λ C λ

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Filter mit wenigstens drei an einer Grundplatte befestigten, parallel zueinander angeordneten, mechanisch gekoppelten Biegeresonatoren aus einseitig abgeflachten Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei dem der in Übertragungsrichtung erste und letzte Resonator jeweils mit einem elektrostriktiven Amegungselement versehen ist, dessen Zuführungsleitung insbesondere als eine in der Grundplatte vorgesehene isolierende Durchführung ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: