DE1922551C3 - Elektromechanisches Filter mit wenigstens drei parallel zueinander angeordneten, mechanisch gekoppelten Biegeresonatoren - Google Patents

Description

a) der in Übertragungsrichtung erste und letzte ⁰^ ^solche mechanische Resonatoren zu verwenden, Resonator (60 ist bezüglich der für das FiI- ^deren Resonanzfrequenz nicht nur von der Lange des tersystem vorgesehenen Grundplatte (1) der- Resonators sondern zusätzlich von dessen Querart angeordnet, daß die Ebene ihrer Abfla- schnittsflache abhangig ist, da sich dadurch ein weichung (9) jeweils senkrecht zu der durch die ^ao J?«^r frei wählbarer Bemessungsparameter ergibt. Grundplatte (1) bestimmten Ebene üegt; ^Die vorstehenden Bedingungen lassen sich insbeson-

b) die zwischen dem ersten und letzten mecha- _T ^dere mit Biegeresonatoren als Resonanzelemente und nischen Resonator (6') liegenden mechani- Langsschwmgungen ausfuhrenden Koppelelementen sehen Resonatoren (6) sind so angeordnet, *™^ch™- ^^arü^^{er h}'ⁿ,^{aus Bt es}. ^e^^eT!^ ^{daß die} daß die durch ihre Abflachung (9) jeweils ^a5 Herstellbarkeit des Filters nach Möglichkeit zuminbestimmte Ebene- parallel zu der durch die ^{dest mer} halbautomatischen, wenn nicht sogar einer Grundplatte (1) bestimmten Ebene liegt; vollautomatischen Fertigung zugänglich gemacht

c) auf den Abflachungen (9) des in Übertra- ^Γί*' ... . , . . _r.. , ,
gungsrichtung ersten und letzten mechani- ^E\ ^{ist berei}^ ^em mechanisches Filter bekanntgeschen Resonators (6') ist jeweils das elektro- ³° worden, bei dem achsparallel zueinander angeordstriktive Ar.regungselement in Form eines ^nete, Biegeresonatoren über ein Längsschwingungen Plättchens (10) aus elektrostriktivem Mate- ausführendes Koppelelement mitemander gekoppelt rial vorgesehen, das auf seiner dem Resona- sind das im Bereich emes Schwingungsmaximums an tor abgewandten Fläche eine Metallisierung ^den Resonatoren befestigt se.n kann Es wird bei d.eträgt, an die die Zuführungsleitung herange- ³⁵ |em bekannten Filter zwar auf die Verwendung von führt ist β & & Stäben mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt

hingewiesen, jedoch ist nicht erkennbar, wie die Ver-

2. Elektromechanisches Filter nach An- bindung zwischen den einzelnen Roonanzelementen sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die me- und dem Koppelelement in einer für den praktischen chanischen Resonatoren (6, 6') übei einen durch- 40 Aufbau, insbesondere mit Rücksicht auf eine mogehenden Koppeldraht (8) miteinander zu einem derne Serienfertigung, günstigen Weise erfolgen mehrkreisigen Resonanzsystem verbunden sind. kann, wenn gleichzeitig der für den Fiiterabgleich erforderliche Aufwand möglichst gering sein soll. Ferner ist ein mechanisches Filter bekanntgeworden,

45 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 oer

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches 50 Plattenränder an den einzelnen Platten befestigt sind. Filter mit wenigstens drei an einer Grundplatte befe- Abgesehen davon, daß die Befestigung der Koppelstigten, parallel zueinander angeordneten, mecha- elemente zusätzlichen Aufwand deshalb erfordert, nisch gekoppelten Biegeresonatoren aus einseitig ab- weil einerseits die Koppelelemente durch in den Platgeflachten Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei ten vorgesehene Bohrungen hindurchgeführt werden dem der in Übertragungsrichtung erste und letzte Re- 55 müssen und weil andererseits jeweils aufeinanderfolsonator jeweils mit einem elektrostriktiven Anre- gende Koppelelemente an gegenüberliegenden Platgungselement versehen ist, dessen Zuführungsleitung tenrändern befestigt sind, tritt bei diesem bekannten insbesondere als eine in der Grundplatte vorgesehene Filter noch eine zusätzliche unerwünschte Kopplung isolierende Durchführung ausgebildet ist. dann auf, wenn die einzelnen Platten einander sehr

Bekanntlich haben elektromechanische Filter un- 60 eng benachbart werden müssen. In diesem Fall wirkt ter anderem insofern eine große praktische Bedeu- nämlich außer der gewünschten Kopplung über die tung erlangt, als sie den aus konzentrierten Schaltele- Koppelelemente eine weitere Kopplung über den menten bestehenden Filtern trotz eines wesentlich ge- zwischen den einzelnen Platten gelegenen Luftraum, ringeren Raumverbrauches vor allem in der Güte ih- Zur Behebung dieser Schwierigkeiten und zur wirt-

rer Resonanzelemente erheblich überlegen sind. 65 schaftlichen Herstellung mechanischer Biegeresona-Außerdem läßt sich bei einer mechanisch wider- toren hat sich gemäß einem älteren Vorschlag eine standsfähigen Konstruktion eine verhältnismäßig runde Querschnittsform des Ausgangsmaterials gut hohe zeitliche und thermische Konstanz erreichen. bewährt. Zur eindeutigen Festlegung der Schwingrich-

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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 Ebene der Abflachung

und deren zweite Schwingungsebene senkrecht dazu 5 Die Anregung von Biegeschwingungen über den liegt. Meist wird angestrebt, int^rhalb 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 Abflachungsflächen 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 rechteckfönnigen Querschnitts geFiltern init 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 abgejenige 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- ao 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- 25 nator zu Biegeschwingungen in der richtigen Schwinnische Stabilität eines direkt angetriebenen Biegere- gungsebene anreg«. 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 vor« aus ab- 30 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 Anregungsiiber 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 lungsmäßig 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 4» Eine einfache und gut reproduzierbare Serienfertimit wenigstens drei an einer Grundplatte befestigten, gung läßt sich dadurch erreichen, daß die mechaniparallel zueinander angeordnete ti, mechanisch ge- sehen Resonatoren über einen gemeinsamen durchkoppelten Biegeresonatoren aus einseitig abgeflach- gehenden Koppeldraht miteinander zu einem mehrten Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei dem der in kreisigen Resonanzsystem verbunden sind,
übertragungsrichtung erste und letzte Resonator je- 45 Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines weils mit einem elektrostriktiven Ar regungselement Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt versehen ist, dessen Zuführungsleitung insbesondere in der Zeichnung die

als eine in der Grundplatte vorgesehene isolierende F i g. 1 einen Längsschnitt eines mechanischen FiI-

Durchführung ausgebildet ist, wird diese Aufgabe ge- ters,

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

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 Anreder durch die Grundplatte bestimmten Ebene gung bzw. zur Abnahme der meciianischen Schwinliegt; 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 ^6o 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 liegt; kann, der vorzugsweise in Bereichen großer Bewe-

c) auf den Abflachungen des in Übertragungsrich- gungsamplitude art den Resonatoren angreift. Für tung ersten und letzten mechanischen Resona- ⁶5 einen in der Grundschwingung betriebenen Biegeretors ist jeweils das elektrostriktive Anregungs- sonator ist dies beispielsweise die Resonatormitte, element in Form eines Plättchens aus elektro- wie dies auch aus dem Querschnittsbild der F i g. 2 striktivem Material vorgesehen, das auf seiner zu erkennen ist. Die Resonatoren 6, 6' bestehen aus

Stäben kreisförmigen Querschnitts, die entlang einer gut zugänglicher Weise an die Klemme 11 heranfüh-Mantelfläche mit einer Abflachung 9 versehen sind. rcn 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 gesainten Systems vorgesehenen Grund- 5 rende Durchführung herangeführt werden, die in dei platte, während die Endresonatoren 6' derart an- Grundplatte I befestigt ist Die Grundplatte 1 bzw geordnet sind, daß die von der Abflachung gebildete die Resonatoren 6,6' wirken dabei selbst als die zui 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 fesl befestigen, an denen die Umfangsbegrenzung der Re- 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 wenigsten; 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 Schwingungsknoten 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 Koppe!wir- ao 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. as Bringt man nun die Halteorgane 4 des vollständig

Die Schwingungsanregung bzw. die Schwingungs- montierten Filters in die flüssige Vergußmasse 3 ein, abnähme erfolgt über aus elektrostriktivem Material dann ergibt sich nach dem Erstarren der Vergußbestehende Plättchen 1Φ, die an den Abflachungen masse 3 ein mechanisch stabiler und gleichmäßigei der Resonatoren 6' nach an sich bekannten Verfah- Aufbau der gesamten Anordnung. Gleichzeitig wird ren befestigt sind und die an der dem metallischen 30 erreicht, daß die Halteorgane 4 praktisch völlig verResonator abgewandten Seite mit einer Metallisie- spannungsfrei mit der Grundplatte 1 verbunden sind, rung versehen sind, mit der ein zu einer Anschluß- da sie bei der Verbindung mit der Grundplatte in der klemme 11 bzw. 12 führender dünner Draht verbun- ihnen ohnehin eigenen Lage bleiben können, woden ist. Ein weiterer Anschlußdraht ist beispielsweise 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 wird das aus elektrostriktivem Mate- elementes 8 auch nach der Montage auf der Grundrial bestehende Plättchen 10 Dehnungen und Ver- platte! sichergestellt isL Als Vergußmasse eigner 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 ei 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'. Auf Grund dieser Bewegungen wird beispiels- Koppeldrahtes 8 während des Zusammenbaus des geweise der mit den Klemmen 11 und U' 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 50 Vergußmasse noch flüssig ist, in einer geeigneten zumindest nähcningsweiseübereinstimnit. Diese Biege- Haltevorrichtung festlegen.

bewegung wird ober das Koppelelement 8 auch auf Die softfönnigen Halteorgane 4 wird man verhält-

die übrigen Resonatoren Φ und den zweiten Endreso- nismäßig dünn, vorzugsweise in der Größenordnung nator 6' übertragen, die somit ebenfalls Biegeschwin- von einigen zehntel MUlfanetem 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 zn vermeiden. 12' verbundenen zweiten Endresonators ti' entsteht Wenn es darauf ankommt, das Filter möglichsi

wegen der piezoelektrischen Wirkung des Plättchens dient gegenüber äußeren Hinflüssen abzuschirmen. 10 zwischen der dem Resonator abgewandten Metal- wird man dafür sorgen, daß die Grundplatte 1 gteichlisierung und dem Resonator 6' eine Wechselspan- &> zeitig zur Verankerung einer Abdeckhaube? faeranming, dir 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 m stoff bestehen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 Gegenüber den aus konzentrierten Schaltelementen Patentansprüche: bestehenden Filtern tritt bei mechanischen Filtern je doch die Schwierigkeit auf. daß die einzelnen Reso-

1. Elektromechanisches Filter mit wenigstens natoren eine größere Anzahl von Eigenschwingungen drei an einer Grundplatte befestigten, parallel 5 ausführen können, die im DurcbJaßbereich des FiI-zueinander angeordneten, mechanisch gekoppel- ters zu unerwünschten Dämpfungsverzermagen und ten Biegeresonatoren aus einseitig abgeflachten im Sperrbereich zu unerwünschten Dämpfungsein-Stäben kreisförmigen Querschnitts, bei dem der brächen führen. Aus diesen Gründen wird man bein Übertragungsrichtung erste and letzte Resona- strebt sein, den konstruktiven Aufbau in der Weise tor jeweils mit einem elektrostriktiven Anre- io zu gestalten, daß störende Eigenschwingungen, die gungseiement versehen ist, dessen ZuKihrangslei- auch als Nebenschwingungen bezeichnet werden, tung insbesondere als eine in der Grundplatte möglichst nicht angeregt bzw. nicht übertragen wervorgesehene isolierende Durchführung ausgebil- den können. Für den Einsatz in miniaturisierten det ist, gekennzeichnet durch folgende Schaltungen, in denen auch die Riter ein möglichst Merkmale: i₅ kleines Volumen haben sollen, wird man sich bemü-