DE1951282C - Elektromechanischer Wandler - Google Patents

Description

mechanischen Wandler der eingangs genannten Art

20 dadurch erreicht, daß in an sich bekannter Weise auf den Umfang des Resonatorelementes nur ein Ring

Die Windung betrifft einen elektromechanischen aus piezoelektrischem Werkioff gegenüber der Mittel-

W.indlcr mit einem zylindrischen Rcsonatorelement. ebene des Resonatorelementes asymmetrisch aufge.etzt

Fm derartiger elektromechanischer Wandler ist aus ist, der an seinen zueinander parallelen Außenflächen

der britischen Patentschrift 878 375 bekannt. An den 25 mit Elektroden versehen ist.

linden des zylindrischen Resonatorelements ist auf In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dessen Umfang je ein Ring aus piezoelektrischem wird der gegenüber der Mittelebene des Resonator-Werkstoff aufgesetzt, tier an seinen zueinander paralle- elementes asymmetrisch angeordnete Ring von der len Außenflächen mit Elektroden n ,n Anschluß an Mittelebene des Resonaiorelementes geschnitten, die zugehörig·.' elektrische 1 iher^chaltung (in T-Schal- 30 Durch diese Anordnung wird eine weitere Verringetungi versehen ist. Zwangläufig sind -ei dieser An- rung des mechanischen Eingangswiderstandes des Ordnung die Ringe aus piezoelektrischem Werkstoff Wandlers ermöglicht.

gegenüber der Mittelebene des Resonatorelements An Hand der in der Zeichnung dargestellten

asymmetrisch angebracht. Im Betrieb wird durch Ausl'ührungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden

Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden 35 näher erläutert. Es zeigen

eines [Ringes derselbe in Radialschwingungen versetzt, F ig. la und Ib die Seitenansicht bzw. die Drauf-

wodurch das zylindrische Resonatorelement zu Längs- sieht eines erfindungsgemäßen elektromechanischen

schwingungen angeregt wird. Diese wiederum über- Wandlers,

tragen sich als Radialschwingungen auf den zweiten Fig. 2a und 2b Teilschnitte erfindungsgemäß atis-

Ring, von dessen Elektroden dann eine resonanz- 40 gebildeter elektromechanischer Wandler, bei denen

frequente Signabpannung abgenommen werden kann. sich der piezoelektrische Ring außerhalb der Mittel-

Ein ähnlicher elektromechanischer Wandler ist, ebene des zylindrischen Resonatorelementes befindet,

auch aus der deutschen Auslegeschrift 1 261 177 ne- und

kannt. Bei diesem Wandler sind die piezoelektrischen F i g. 3 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Resonatorteile als Scheiben oder Ringe ausgeführt 45 elektromechanischen Wandlers, bei dem der piezo- und stumpf auf ein zwischen ihnen liegendes Resona- elektrische Ring von der Mittelebcne des zylindrischen torteil gesetzt. An den diesem Resonatorteil gegen- Resonatorelementes geschnitten wird,
überliegenden Flächen der piezoelektrischen Resonator- Gemäß Fig. la und 1 b enthält der Wandler einen teile ist ebenfalls stumpf je ein weiteres Resonatorteil Ring 1 aus piezoelektrischem Werkstoff, der mit seiner aufgesetzt. Dabei dienen die drei auf die piczoejek- 50 zylindrischen Innenfläche mit einem zylindrischen irischen Resonatorteile aufgesetzten Resonatorteile Resonatorelement 2 verbunden ist. Auf die Stirngleichzeitig als Anschlüsse für die zuzuführende bzw. flächen des Ringes 1 sind Elektroden 3 und 4 zur abzunehmende Spannung. Die piezoelektrischen Reso- Verbindung mit der nicht gezeigten elektrischen natorteile sind einander entgegengesetzt vorpolarisiert, Schaltung aufgetragen. Der Werkstoff des Ringes 1 und zwar entweder in Axialrichtung oder in Umfangs- 5; ist polarisiert, im vorliegenden Fall achsenorientiert, richtung, so da/3 die gesamte Anordnung entweder in Der Ring 1 ist gegenüber der Mittelebene A-A des Längs- oder Torsionsschwingungen versetzt wird. Resonatorelementes 2 asymmetrisch angeordnet.

Obwohl der zweipolige Anschluß eines solchen Wird an die Elektroden 3 und 4 eine Wechselelektromechanischen Wandlers an den Elektroden spannung angelegt, so entstehen im Ring 1 Radialeines piezoelektrischen Ringes bzw. einer piezo- &c Schwingungen. Da der Ring 1 gegenüber der Mittelelektrischen Scheibe grundsätzlich möglich ist, bei- ebene A-A des Resonatorelementes 2 verschoben ist, spielsweise zur direkten Umwandlung von mechani- entstehen indem Resonatorelement2unter Einwirkung scher Energie in elektrische Energie und umgekehrt, der Radialschwingungen des Ringes 1 Biegeschwin- oder auch insbesondere auch als Endresonator eines gungen, wenn die Erregerfrequenz des Ringes 1 der Filters, ist dies bisher nie vorgeschlagen worden. 65 Resonanzfrequenz des Resonatorelementes gleich oder Grund hierfür dürfte sein, daß wegen der durch die angenähert gleich ist. Die Abstimmung des Ringes 1 mechanischen Eigenschaften (Abmessungen, Material- auf die vorgegebene Frequenz geschieht durch Änbeschalfenheit) bedingten geringfügigen Frequenz- derung seines Außenradius.

Bei der Verwendung des beschriebenen Wandlers in einem elektromechanischen Filter bildet das zylindrische Resonatorelement 2 in der Regel den Endresonator des Filters.

Der mechanische Eingangswiderstand K₁ des Wandlers muli an der Verbindungsstelle des piezoelektrischen Ringes 1 mit dem zylindrischen Resonatorelement 2 einen bestimmten Wen haben, der mit dem Widerstand Ro c'es !liters durch folgende Gleichung verknüpft ist:

K,

R,

n-

wobei ti das Übersetzungsverhältnis ist.

Das Übersetziing-,\erhältni.s n ist dem Abstand t (F' i g. 2a und 2b) zwischen der Mittelebene des Ringes 1 und der Mittelebene A-A des Resonatorelementes 2 proportional, der Eingangswiderstand R₁ der Dicke Ii des Ringes 1.

Durch Variation der Größen /; und / in eine Konstruktion des Wandlers möglich, die sowohl hinsichtlich ihrer Anpassung als auch der geometrischen Abmessungen optimal ist.

Bei einem Filter mit den elektrischen Parametern J₀ = 50OkHz, 2,If= 18 kHz, Ab -~ 3 db, AV_3/-₄,. ί 1,9, dessen Resonatorelemente Scheiben mit einem Durchmesser von 8,5 mm und einer Dicke von 1,87 mm bilden, hat z. B. der abg>„. .immte Ringwandler folgende Abmessungen: Außendurchmesser= 11,7mm, Innendurchmesser — 8,5 mm, Dicke - 0,5 mm bei t —- 0,52 mm, wobei /₀ die mittlere Durchlaßfrequenz des Filters, 2/1 F die Durchlaßbandbreite des Filters bei einem Pegel von 3 db, Ah die Ungleichmäßigkeit der Dämpfung im Durchlaßband und Kn _d!l0 der Koeffizient des Rechtcckfrequenzverlaufes über die Pegel —3 und —40 db sind. .

Ist das Filter mit einem kleinen Eingangswiderstand zu belasten, so sind die Größen h und / zu verringern. Aus Fig. 2a und 2b geht jedoch hervor, daß bei der Anordnung des Ringes 1 auf einer Seite der Mittelebene A-A des Resonatorelementes 2 die Größe /,„<„

gleich j ist. Der Änderungsbereich der Dicke Ii des Ringes 1, d. h. seine Dicke selbst, ist jedoch aus konstruktionstechnischen Gründen nach unten begrenzt.

Für ein Filter mit den elektrischen Parametern /₀ - 5DOkHz, 2.'If 5 kHz, l/>-3db, AV.,.... ί 1,9, dessen Resonatorclemenl eine Scheibe mii einem Durchmesser von 8,5 mm und einer Dicke voi. 1,87 mm bildet, muß der Ring 1 h ----- 0,12 mm did sein, bei t 0,1 mm. Deir Außendurchmesser de Rir-ges 1 muß 11,7 mm und sein Innendurchnu-sM.·; X,5 mm betragen.

Um nun einen ausreichend geringen mechanische!.

ίο Eingangswiderstand des Wandlers zu erreichen, ist de· Ring 1 bei einer konstruktiv ausführbaren Dicke au: der Zylinderfläche des Resonatorelementes 2 deran asymmetrisch angeordnet, daß er von der Mittelebene A-A des zylindrischen Resonatorelementc·, 2 geschnitten wird (Fig. 3).

Wird an die Elektroden 3 und 4 eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz annähernd gleich der Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des zylindrischen Resonatorelementes "* ist, so entstehen in

ao diesem Biegeschwingungen. Da bei den Biegeschwingungen eine Drehung der Zylinderfläche um den Punkt C erfolgt, gleichen sich die Wirkungen der l·. ihrer Dicke einander gleichen Teile des Ringwandk-i (ßC und CD) gegenseitig aus, und der Wandler arbeit·'.

in der oben beschriebenen Weise. Die scheinbare Dicke des Ringes 1 ist dabei jedoch /;, - A'B -h — BD und der Abstand

Die äquivalente oder scheinbare Dicke des Wandlerringes und damit der mechanische Eingangswiderstand

des Wandlers können also beliebig klein gewähl! werden. Der untere Grenzwert des Las'ⁱviderstandc-s ist praktisch durch die erreichbare Genauigkeit der Einstellung des Ringes 1 auf der Zylinderfläche des Resonatorelementes 2 begrenzt.

Der Ring für das Filter mit einem Durchlaßband von 2Jf= 5 kHz und den oben aufgeführten elektrischen Parametern hat folgende geometrischen Abmessungen: Außendurchmesser = 11,7 mm, Innendurchmesser = 8,5 mm, Dicke /1 = 0,54 mm bei l = 0,3 mm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

ι 2 unterschiede der Ringe bzw. Scheiben gegenseitig.- Patentansprüche: Störungen der Schwingungen derselben zu erwarte:- bind, so daß es zu unerwünschten Rück-λ ι jungen _..,;

1. f.lekiromechani-chcr Wandler mit einem den ein/ig aktiven Ring kommen wurde. Auch eiLirrι-_- zylindrischen Res.jnatorelemcM. d a d u re h ge- 5 es al·, unsinniger Aufwand erschienen -,cm. ;■■'.·.; k'e η η / c-ι e h η L-t. tiaH in an >ich bekannter pie/odekinscheRinge aufeinander einzustellen, v.ei.r V. ci-c auf den Umfang do Resona!·.'relemente-. (2) nur ein aktiver Ring benötigt wird.

nur ein Ring (Il au-. piezoelektrischem Werkstoff Der sorli-Jg-.-nden Gründung liegt daher die AufgaK-

gc-gc-hurcr der Mmelebene (.-i-.-I) des Resonator- zugrunde, i'irien elektromechanischen Wandler der

elementcs (2i asymmetrisch aufgesetzt ist. der an i.i eingangs genannten und im ein/einen he-diric-bencn

-einen zueinander parallelen Außenflächen mit bekannten Art derart auszubilden, dal' bei zweipoligen':

I lcktrr.den (3. 4) \ersehen ist. Anschluß überflüssige Teile und damit überflüssige

2. l-L-kiri·mechanischer Wandler nach Anspruch gegenseitige Abstimmungen derselben vermieden v.er-1. dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber den können Dabei soll erreicht werden, da.", /um der MitteleK-ne (.-(-.-!) des Resonu'.orelementes (2) 15 Aufbau des elektromechanischen Wandlers die gleicher, asymmetrisch angeordnete Ring son der Mittel Teile verwendet werden können wie für die bekannten ebene geschnitte , '.',ird. Wandler.

Die-; wird erfindungsgemaß bei einem elektro-