DE2010196A1

DE2010196A1 - Schwingungswandler für Biegeschwinger

Info

Publication number: DE2010196A1
Application number: DE19702010196
Authority: DE
Inventors: Hisham Mohamed Saadallah London Zakaria
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-03-07
Filing date: 1970-03-04
Publication date: 1970-09-17
Also published as: GB1277614A; FR2037731A5; CH526246A; US3686593A

Description

Dipl.-Phys/ Leo ThUl 2010195

Patentanwalt
Stuttgart - 50
Kurse Strasse 8

H.M.S. Zakaria - 1

INTERNATIONAL· STANDARD EEECTRIG CORPORATION, NEW YORK Schwingungswandler für Biegeschwinger

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingungswandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Biegeschwingungen in elektrische Schwingungen bzw. zur Rückwandlung mechanischer Biegeschwingungen in elektrische Schwingungen für einen elektrisch leitenden, eine ausgeprägte Eigenresonanz aufweisenden, zungen- oder membranförmigen mechanischen Schwinger, insbesondere für aus solchen Schwingern aufgebaute mechanische Filter.

Zum Anregen der mechanischen Schwingungen in mechanischen Filtern durch die elektrischen Eingangssignale und ihre Rückwandlung in elektrische Ausgangssignale werden Schwingungswandler verwendet. Bei den bekannten mechanischen Filtern erfolgt diese Schwingungswandlung, entweder durch piezoelektrische Elemente, oder es erfolgt die Schwingungsanregung durch Magnetostriktion und die Rückwandlung induktiv. In beiden-Fällen müssen also dem sonstigen Aufbau des mechanischen Filters fremde Elemente, wie piezoelektrische Schwinger bzw. Erregungs- und Abnahmewicklungen, eingesetzt werden.

Die Erfindung setzt sich nun zur Aufgabe, für Schwingungswandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Biegeschwingungen bzw. zur Rückwandlung mechanischer Biege-

Dr. Le/Gr
J. März 1970

009838/1658 ,

H.M.S. Zakaria - 1

Schwingungen in elektrische Schwingungen für einen elektrisch leitenden, eine ausgeprägte Eigenresonanz aufweisenden zungen- oder membranförmigen mechanischen Schwinger, insbesondere für aus solchen Schwingern aufgebaute mechanische Filter, eine möglichst einfache Anordnung anzugeben, die sich besonders leicht in den Aufbau mechanischer Filter integrieren läßt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß gegenüber einer Fläche des mechanischen Schwingers eine feste Gegenelektrode angeordnet ist, daß zwischen Schwinger und Gegenelektrode eine Gleichvorspannung angelegt wird, daß ferner zum Erzeugen von Biegeschwingungen im Schwinger durch elektrostatische Kräfte zwischen Schwinger und Gegenelektrode die in mechanische Biegeschwingungen zu wandelnde elektrische Schwingung angelegt wird, bzw. daß zur Umwandlung von mechanischen Biegeschwingungen in elektrische Schwingungen die durch die mechanischen Schwingungen des Schwingers zwischen Schwinger und Gegenelektrode auftretenden Kapazitätsänderungen als Ausgangssignal ausgewertet werden.

Zwar lassen sich mit den erfindungsgemäßen Schwingungswandlern j nur Biegeschwingungen anregen und abnehmen, doch ist ihr Aufbau | so einfach und entspricht der Konstruktion mechanischer Filter f derartig, daß diese Einschränkung durch die Vorteile weit aufgehoben wird.

ORIGINAL IMSPECTSD

009S3S/1558

"'*"■., 2010136

H.M.S* Zakaria - 1

Die Erfindung soil nun an Hand der Figuren eingehend beschrieben werden*
Es zeigen dabei:

Fig. 1 unter A einen erfindurigsgemäßen elektromechanischen Resonator und unter B sein

Ersatzschaltbild;

Fig. 2 die elektrostatische Schwingungswandlung und das Ersatzschaltbild für den Einsatz bei dem Resonator nach Figur l Aj

Fig. 5 ··. 8 unter A Modifikationen des Resonators

nach Fig. 1 A und unter B die zugehörigen Ersatzschaltbilder;

Fig. 8 ...I^ unter A aus mehreren elektromechanischen Resonatoren aufgebaute Anordnungen und unter B die zugehörigen Ersatzschaltbilder.

Der erfindungsgemäße elektromechanische Resonator ist in seiner einfachsten Form eine sich in ihren Werten frequenzabhängig ändernde Kapazität, die gleichzeitig zur Schwingungswandlung verwendet wird. In Figur 1 A bildet dasResonatorelement 1 gleichzeitig den beweglichen Belag der als Schwingungswandler eingesetzten veränderlichen Kapazität. Das Resonatorelement befindet sich über einer festen Gegenelektrode 2, die den anderen Belag dieser Kapazität bildet. Das Resonatoren^6111611^ weist dabei die Länge 1 auf und ist an seinem einen Ende an einer Grundplatte 3 eingespannt. Diese Grundplatte ist einmal über einen Kondensator C 1 mit der Eingangsklemnie G 1 und ferner über einen hochohrnigen Widerstand R 1 Mt dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle Bl

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-JT-

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verbunden und so gegen Erde vorgespannt. Zwischen der leitenden Platte 2 und Erde liegt ein Kondensator C 2 und hierzu parallel ein Widerstand R 2. Hierüber wird das Ausgangssignal abgenommen. Das an dem Resonatorelement 1. anliegende* Eingangssignal übt eine elektrostatische Kraft aus und regt es zu Biegeschwingungen auf seiner Eigenfrequenz an. Durch diese Schwingungen wird die Kapazität zwischen dem Resonatorelement 1 und der Gegenelektrode 2 verändert und durch diese Änderung ergibt sich über dem Kondensator C 2 ein dieser Änderung entsprechendes Ausgangssignal. Die Eigenfrequenz des Resonatorelements ist abhängig von den Materialeigenschaften« den Abmessungen und den Rückwirkungen der Umgebung.

Die elektrostatische Kraft, die zwei leitende Flächen aufeinander ausüben, ist proportional dem Quadrat der zwischen ihnen anliegenden Spannung. Wenn eine Prequenzverdoppelung vermieden werden soll, muß eine entsprechend hohe Gleichvorspannung angelegt werden, wie mit B 1 in Figur 1 A dargestellt. Diese Vorspannung ist aber auch notwendig, um einen linearen Arbeitsbereich zu erhalten.

Wenn vorausgesetzt wird, daß die Schwingungsweite zwischen den beiden Umkehrpunkten, bei denen elektrostatische Kraft gleich der materialbedingten mechanischen Rückstellkraft des Resonatorel'ements 1 wird, nur gering ist und die Vor-Spannungsänderung durch das treibende Signal gegenüber der mittleren Vorspannung E_Q ebenfalls klein ist, arbeitet die Anordnung im linearen Bereich.
Figur 1 B zeigt nun das entsprechende Ersatzschaltbild.

Hieraus ergeben sich für den elektromechanischen Resonator: Die elektrostatische Kraft F ist:

²t (1)

009838/UE8 ■/■

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H.M.S, Zakaria - 1 C"

worin ists C die Kapazität zwischen der Gegenelektrode 2 und dem Resonatorelement 1

χ der Abstand zwischen Gegenelektrode 2 und Resonatorelement 1

' E die Spannung zwischen Gegenelektrode 2 und Resonatorelement 1

■~ die Kapazitätsänderung pro Abstandsänderung.

Bei den Umkehrpunkten seien die Werte für E, C und χ mit E

C und χ bezeichnet. Ss ist s
oo

E². = I E₀ + e sinGdtj ² (2)

worin e die treibende Signalspannung ist.

Wenn E ^ e ist, wird die durch das Eingangssignal erzeugte elektrostatische Kraft gleich E_ · e . sin Wt. Die Empfindlichkeit des.Resonators ist also beträchtlich vergrößert.

Für ein rechteckiges Resonatorelement ist die Kapazität des Schwingungswandlers

_{c =} ** ; ":, (Farad) (?) ö

Hierin ist:

1 die Länge des Resonatorelements

OC das Verhältnis der Länge der Gegenelektrode 2 zu der Länge des Resonatorelements 1

W die Breite des Resonatorelements 1 £₀ die Dielektrizitätskonstante

■' ζ 009831/1SSI ' ' ^; ■ ■

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Die äquivalenten Parameter L·., CL. und r_M des Resonator elements sind dabei:

Trägheit L, äquivalent zur Masse M

- 1,2? J -1 . A (kg.m) (4)

worin 9 die Diente des Materials des Resonatorelements ist, Nachgiebigkeit C_{M äqujLvalent zur reZ}ipoken Steifigkeit,

also rezipok zum Elastizitätsmodul

15 2 . ν . t⁵. W Newton

,x

worin ist:

y = dem Yong¹sehen Elastizitätsmodus Dämpfungsverluste r^

ω_ο

worin

Q der Gütefaktor des Resonanzkreises

CJ die Resonanzfrequenz U) = 1 ist.

Wenn in Pig. 1 B ein Idealer Übertrager T 1 mit dem Widerzwischen mechanischem und elektrischem Teil des Schwingungswandlers eingefügt wird,

OBIÖSNAU WSPECV3D ·/ ·

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. 2Ü 1,0196

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können Cw, L.und Γ« in Farad, Henry bzw. Ohm angegeben werden, wobei dann χ das elektro-mechanische Übersetzungsverhältnis des Schwingungswandlers ist.

Mithin:

S) = -2s— (6)

^Ύ ^xo

worin q die Ladung zwischen Element 1 und Gegenelektrode und gleich E₀C₀ ist.

Der elektromechanisohe Kopplungsfaktor Κ__ ist durch das Verhältnis w M * ^ gegeben, woraus für ein rechteck-

förmiges Element 1 sich die Gleichung ergibt: '

ic 2 12 "o ^o 1 / er . ι I f-7\

¹W ■* \Z 6 — jt~x J /J ^- *

Gleichung j zeigt also, daß K__ von der effektiven Länge der Gegenelektrode 2, der Vorspannung, der Länge und Dicke des Resonatorelements (1) sowie dem Luftspalt zwischen Resonatorelement 1 und Gegenelektrode 2 abhängig ist.

Infolge des Einflusses der Gegenelektrode 2 erhöht sich der wirksame Wert der Nachgiebigkeit des Resonatorelements 1 etwas. Die sich so ergebende effektive Nachgiebigkeit ist:

^l"^Keml " ^Kem2 " ^Kem5 " '' *' * " ^Kemn

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2Ü10196

H.M.S. Zakaria - 1 &~

Die Resonanzfrequenz verschiebt sich gegenüber der Eigenresonanz des Resonatorelements

von

Der Widerstand Rp ist der Quellwiderstand der treibenden Signalquelle, und im Ausgang 1st eine Meßeinrichtung 0 2 als Last eingezeichnet.

Der Schwingungswandlerteil bzw. sein Ersatzschaltbild ist in Fig. 2 A bzw. 2 B getrennt dargestellt. Es wurden hierbei die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Für das Ersatzschaltbild nach Figur 2 B wird die Analogie zwischen elektrischen und mechanischen Netzwerken verwendet, in dem Lagrange's Energiegleichungen mit normierten Kräften und in normierten Koordinaten für den mechanischen und elektrischen Teil angesetzt werden. Diese sind:

Hierin ist:

f die normierte Kraft der mechanischen Seite des Schwingungswandlers

e die normierte Kraft der elektrischen Seite des Schwingungswandlers

V die kinetische Energie des Systems

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• ■■■ U die potentielle Energie des Systems q die Ladung des elektrischen Teils.

Wenn es zweckmäßig ist, kann die Vorspannung B 1 anstatt an das Resonatorelement 1 auch an die Gegenelektrode 2 angelegt werden.

Wie in Figur 3 A und als Ersatzschaltbild in Fig. 3 B dargestellt, kann die veränderliche Kapazität C auch parallel zur übrigen Anordnung betrieben werden. In diesem Falle liegt an der Gegenelektrode 2 sowohl Ein- als auch Ausgang-der Anordnung. Die Auskopplung des Ausgangssignales erfolgt über einen Kondensator 03. "

Der erfindungsgemäße elektromechanische Resonator kann mehrere Gegenelektroden aufweisen.

In Fig. 4 A ist einer mit zwei Gegenelektroden 4- und 5 dargestellt. Das zugehörige Ersatzschaltbild zeigt Fig. 4 B Wie daraus hervorgeht, findet hier eine weitere Transformation statt, die durch den idealen Übertrager T/ 2 und die variable Kapazität C 2 gegenüber der zweiten leitenden Fläche dargestellt ist.

Die Vorspannung kann dabei an beiden Gegenelektrodeh Ψ und 5 getrennt angelegt werden, wie es in Figur 5 A gezeigt wird. Das Ersatzschaltbild ist in Fig. 5 B dargestellt, wobei die zweite Transformation wiederum durch den Übertrager T 2 und die zweite variable Kapazität C 2 versinnbildlicht wird.

Wie Fig. 6 zeigt, können die beiden Gegehelektroden 4 und 5 zu beiden Seiten der Resonatorelementflache angeordnet sein.

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H.M.S. Zakaria - 1 '

40 \

Es können nicht nur die beiden Gegenelektroden 4 und 5 auf der gleichen Seite des Resonatorelements oder zu beiden Seiten der Resonatorelementfläche angeordnet sein, sie können auch Vorspannungen gleicher oder entgegengesetzter Polarität erhalten. Wenn die Vorspannung der Gegenelektroden 4 und 5 gleiche Polarität aufweist und die Elektroden sich auf der gleichen Seite des Resonatorelementes befinden, tritt eine Phasenumkehr ein. Sind bei Vorspannungen gleicher Polarität die Gegenelektroden 4 und 5 zu beiden Seiten der Resonatorelementfläche angeordnet, sind Aus- und Eingangsepannung ebenso konphas, wie bei der Anordnung der Gegenelektroden 4 und 5 auf der gleichen Seite und Vorspannungen entgegengesetzter Polarität. Ebenso können auch mehr als zwei Gegenelektroden verwendet werden. Die Phasenlage des Ausgangssignals ist dann ebenfalls von der räumlichen Lage der Gegenelektroden in Bezug auf das Resonatorelement und von der Polarität ihrer Vorspannungen abhängig.

Bei Verwendung von elektrostatischen Ein- und Ausgangsschwingungswandlern läßt sich eine direkte Kopplung durch [

Streukapazitäten zwischen Eingangs- und Ausgangsgegenelektrode ·■ nicht vermeiden, wie es durch die Kapazität C 12 in den ] Figuren 4 B und 5 B dargestellt ist. Durch diese direkte Kopplung tritt in Abhängigkeit von der Phasenlage eine Verschiebung der Resonanzspitze zu höheren oder tieferen Prequen- [

zen auf. Durch den Wert dieser Kapazität kann also sowohl \

die Lage wie auch die Höhe der Resonanzspitze und der Sperr- ·.·

dämpfung beeinflußt werden, jedoch sollte sie so klein wie j möglich gehalten werden, um die Selektivität des Resonators zu erhalten. Ein- und Ausgangsgegenelektrode kann durch ' JO Einfügen einer auf Erdpotential liegenden Schirmelektrode 6, wie in Fig. 7 A dargestellt, getrennt werden.

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Wenn eine solche Schirmelektrode 6 eingeführt wird, muß in dem Ersatzschaltbild nach Fig. 4· B der mit 7 gekennzeichnete Längszweig durch die in Fig. 7 B gezeigte Konfiguration ersetzt wenden* da, wie durch den Übertrager T 5 dargestellt, eine weitere Transformation und durch die Schirmelektrode eine weitere variable Kapazität auftritt.

Bas Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäßen elektromechanischen Resonatoren kann auf Anordnungen mit N-Elektroden, also ein Netzwerk mit N-Ein- und Ausgängen, erweitert werden.

Fig. 8 A und 8 B zeigt als Beispiel einen Resonator mit 5 Elektroden. Bei dieser Anordnung dienen die Elektroden 9 und 11 als Schirmelektroden und liegen auf Erdpotential. Die Gegenelektrode 12 bildet mit dem Resonatorelement 1 den Eingangsschwingungswandler und die Gegenelektroden 8 und 10

¹S mit dem Resonatoreleraent I die Ausgangsschwingungswandler. Eine an Ende gelegte Elektrode bildet für diesen Eingang einen Kurzschluß§der sich im Ersatzschaltbild als negative Kapazität im Transformationskreis auswirkt und eine geringe Verschiebung der Resonanzfrequenz verursacht.

Dieses Ersatzschaltbild zeigt Fig. 8 B. Hierin ist £. F die Summe aller Kräfte in dem System und χ die Signalgeschwindigkeit in dem System. Bei geschlossenem Uralauf wird .SE. F = 0. Wenn eine Elektrode auf der anderen Seite des Resonatorelements wie Elektrode«12 angeordnet ist, so wird das zugeordnete $ = - ve.

Durch Einsatz vieler Elektroden lassen sich bei elektromechanischen Resonatoren selektive Netzwerke höheren Grades realisieren. Mit dem Resonator mit 5 ElektrodennachFig. 8 A läßt sich ein Bandpaßverhalten mit 2 Dämpfungspoien, von denen der eine im oberen und der andere im unteren Sperrband liegt, dadurch erzielen, daß die Elektroden 9 und 11 an Masse

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H.M.S. Zakaria - 1 ή \

gelegt werden, die Elektrode 10 mit dem Resonatorelement 1 den Eingangsschwingungswandler und die Elektroden 8 und 12 mit dem Resonatorelement 1 die Ausgangsschwingungswandler bilden, wobei die Elektrode 8 gegenüber Erde positiv vorgespannt wird. Zum gleichen Resultat gelangt man, wenn Elektrode 10 mit dem Resonatorelement 1 als Ausgangsschwingungswandler und die Elektroden 8 und 12 als Eingangsschwingungswandler bei sonst unveränderter Elektrodenschaltung verwendet werden.

Ein elektromechanischer Resonator kann auch mehrere Resonatorelemente, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind, aufweisen.

Fig. 9 zeigt hierfür ein Beispiel, das für Codier- und Decodieranordnungen sowie Selektivrufeinrichtungeh eingesetzt werden kann'. Die Resonator elemente 14 ... 17 weisen unterschiedliche Länge auf, womit auch ihre Eigenresonanz bei unterschiedlichen Frequenzen liegt. Sie sind an einer Grundplatte 18 befestigt. Zuführung des Eingangssignales und der Elektrodenvorspannung kann in der bereits beschriebenen Weise erfolgen. Es kann hierfür eine einzige Elektrode 19 eingesetzt werden, oder auch noch, wie gestrichelt angedeutet, eine zusätzliche Elektrode 20.

Bei einem elektromechanischen Resonator mit mehreren Resonatorelementen können diese untereinander mechanisch oder elektrisch verkoppelt sein. Eine mechanische Verkopplung kann in bekannter Weise durch Streifen oder Stäbe erfolgen, die zwischen einem oder beiden Enden der Resonatorelemente oder zwischen den Schwingungsknoten angebracht sind. Elektrisch kann die Verkopplung mittels gemeinsamer Elektroden erfolgen.

Es können aber auch beide Maßnahmen gleichzeitig verwendet sein. Beispiele hierfür zeigen die Figuren 10 ... 13.

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Der in Pig. 10 dargestellte elektromechanische Resonator hat die Resonatorelemente 21 . .r.25 mit untereinander gleicher Länge, die an einem Ende an der Grundplatte 28 befestigt sind. Eine Elektrode 26 bildet mit dem Resonatoreiement 21 den .5 Eingangsschwingungswandler und eine Elektrode 27 mit dem Resonatorelement 25 den Äusgangsschwingungswandler.

Die Resonatorelemente 21... 25 sind untereinander verkoppelt durch ein Koppelelement 31, das die Form von Streifen oder Stäben usw. haben kann. Das Koppelelement 31 überquert alle Resonatorelemente 21....25 und ist an jedem befestigt. Entsprechend besteht eine Verbindung nur zwischen dem Resonatorelement 21 und 24 mittels des Koppelelementes 3.2.

Die im Resonatorelement 21 erzeugte Schwingungsenergie wird über entsprechende Teile des Koppelelementes 31 jeweils zum. nächsten Resonatorelement (22, 23, 24, 25) übertragen und regt dieses zu mechanischen Schwingungen an. Entsprechend wird über das Koppelelement 32 die Schwingungsenergie vom Resonatorelement 22 auf das Resonatorelement 24 übertragen. Die mechanischen Schwingungen des Resonatorelements 25 werden durch den Äusgangsschwingungswandler in elektrische rückgewandelt. Die direkteVerkopplung zweier nichtbenachbarten Resonatorelemente (22, 24) bewirkt Dämpfungspole im Übertragungsverhalten.

Einen ebenso arbeitenden elektromechanischen Resonator zeigt Fig. 11. Er unterscheidet sich nur dadurch von dem nach Fig. 10, daß die Resonatorelemente 22 und 24 mit einem Ende für sich allein bei 30 an der Grundplatte befestigt sind.

Um den Arbeitsfrequenzbereich zu höheren Frequenzen hin ztt verlegen, können die Resonatorelemente 21 ... 25 an beiden Enden an der Grundplatte eingespannt werden. Diese Anordnung

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vermindert die notwendigen Toleranzen von Resonator- und Koppelelementen und ermöglicht so eine wirtschaftlichere Fertigung.

Fig. 12 A zeigt nun einen elektromechanischen Resonator mit zwei Resonatorelementen 29 und 32, von denen jedes getrennt an einem Ende von einer Halterung 33 und 3^ gehaltert ist. Die Resonatorelemente 29 und 32 liegen über einer gemeinsamen Koppelelektrode 35 und einer T-förmigen, an Erde liegenden Schirmelektrode 36. Unter dem Resonatorelement 29 liegt ferner eine Elektrode 37 und unter dem Resonatorelement 32 eine Elektrode 38, die jeweils mit dem zugeordneten Resonatorelement einen Schwingungswandler bilden. Für das gezeigte Beispiel sei angenommen, daß der Eingangsschwingungswandler durch das Resonatorelement 29 und die Elektrode 37 und der Ausgangsschwingungswandler durch das Resonatorelement 32 und de Elektrode 38 gebildet wird. Beide Halterungen 33 und 3^ werden gegenüber Erde aus einer Vorspannungsquelle B 1 über einen hochohmigen Widerstand positiv vorgespannt. Die Elektrode 36 schirmt als Schirmelektrode die Elektroden 35* 37 und 38 gegeneinander ab.

Die durch den Eingangsschwingungswandler im Resonatorelement 39 angeregte Schwingungsenergie wird durch die Elektrode 35 in elektrische gewandelt, die wiederum das Resonatorelement zu mechanischen Schwingungen anregt, die durch den Ausgangs-Schwingungswandler in ein elektrisches Signal rückgewandelt werden. Die Kopplung zwischen den Resonatorelementen 29 und erfolgt also auf elektrischem Wege.

Das Ersatzschaltbild des in Fig. 12 A dargestellten, elektro'-mechanischen Resonators zeigt Fig. 12 B. Die Kapazität zwischen den beiden Resonatorelementen ist durch C 15 dargestellt. Wenn ein durchgehender Kopplungsbeleg verwendet wird, wie in Fig. 12 A dargestellt, wird der Widerstand R zu null. Wenn der Beleg geteilt ist, und jeder Teil einem

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einem 4er Resonatorelemente zugeordnet ist, können die beiden Teile z.B. auch durch einen Verstärker miteinander verbunden sein, wobei dann der Wert von R durch den Verstärker bestimmt wird. Die Kapazitäten C 12, C 34 und C 14 entsprechen den Kapazitäten zwischen den leitenden Flächen, wogegen die Kapazitäten C 1, C 2, C 3 und G 4 den Kapazitäten zwischen Resönatorelement 29 und leitender Fläche 37» bzw. zwischen 29 und 35 bzw. zwischen 32 und 35 bzw. zwischen 32 und 38 entsprechen.

,10 Der Eingangsschwingungswandler und der durch das Resonatorelement 28 und die Fläche 35 gebildete Schwingungswandler sind durch einerrÜbertrager mit dem Widerstandsübersetzungsverhältnis 1 : rx"^· I dargestellt. Entsprechend ist der

Ausgangsschwingungswandler und der aus dem Resönatorelement und der leitenden Fläche 35 gebildete zu einem Übertrager mit dem Widerstandsübersetzungsverhältnis 1 ·M? 2 I zusammengefaßt. L$ > J

Viele andere Konfigurationen eines elektromechanischen Resonators mit elektrischer und mechanischer Kopplung, wie sie bisher beschrieben wurde, können gebildet werden.

Eine elektrische und eine mechanische Kopplung wird eingesetzt bei dem in Fig. 13 dargestellten elektromechanischen Resonator. Er besteht aus zwei im Prinzip in Fig. 1 dargestellten ,Resonatoren und einem dritten ohne die leitende Fläche 2. Das Resonatorelement des dritten Resonators ist mechanisch gekoppelt mit dem eines der beiden anderen Resonatoren mittels eines Koppelelementes 39 und mit dem des zweiten elektrisch mittels einer Koppelfläche 40. Die leitenden Flächen 2 bilden zusammen mit den Resonatorelementen 1 den Eingangs- bzw. Ausgangsschwingungswandler.

Das beschriebene Söhwingungswandlerprinzip erlaubt in weiten Grenzen eine Wahl in Form und Material der Resonatorelemente

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und in der Anordnung der leitenden Flächen als Gegenelektroden. Diese Variationsmöglichkeit innerhalb weiter Grenzen erlaubt eine Anpassung an die einzelnen Anwendungsfalle.

Das Ersatzschaltbild eines einfachen elektromechanischen Resonators, ähnelt dem eines Quarzschwingers. Es lassen sich Jedoch geringere, einstellbare Gütefaktoren erzielen, so daß größere Bandbreiten erzielt werden können wie mit Quarzschwingern. Mit diesen elektromechanischen Resonatoren können eine Vielzahl von unterschiedlichen Netzwerken in Ketten- oder Brückenschaltung aufgebaut werden. Fig. 14 A und Fig. 14 B zeigt ein weiteres Beispiel.

In Fig. 14 A sind zwei Resonatoren nach Fig. 1 über ihre leitenden Flächen 2 mittels eines Verstärkers A miteinander verkoppelt. Hierbei kann die Verkopplung auch wie bei Fig. 12 durch eine durchgehende Fläche als Gegenelektrode anstatt der getrennten Flächen erfolgen. Das zugehörige Ersatzschaltbild zeigt Fig. 14 B. Die Ein- bzw. Ausgangsresonatoren sind durch die Netzwerke innerhalb der strichpunktierten Umrandung 41 bzw. 42 dargestellt. Die Koppelkapazität zwischen den beiden Resonatoren 1st durch C 12 dargestellt. Wenn die Resonatorelemente gegeneinander geschirmt sind oder auf gleichen Potentialen liegen, dann wird die wirksame Kapazität (E 12 sehr klein, sie geht also gegen null, und der Resonator zeigt Kettenschaltungsverhalten.

Die Schwingungswandler der elektromechanischen Resonatoren können anstatt mit einer Gleichspannung auch mit einer Wechselspannung vorgespannt werden, bzw. kann die Wechselvorspannung einer Gleichvorspannung überlagert werden. Unter diesen Bedingungen arbeitet der Resonator als Modulator und kann z. B. in Vielkanal-Ubertragungseinrichtungen eingesetzt werden. Interessante Möglichkeiten bietet ein solcher Resonator auch für Oszillatoren und Übertrager in Miniaturbauweise .

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Der Wirkungsgrad eines elektrostatischen Sohwingungswandlers ist rezipok dem Luftspalt zwischen fester und beweglicher Elektrode. Für gute Wirkungsgrade muß also der Luftspalt eng gemacht werden. Hierdurch steigt aber auch die Dämpfung durch das zwischen den Elektroden befindliche Luftpolster an, wodurch die Güte des Resonators verringert wird. Die Luftdämpfung kann verringert und die Güte erhöht werden, Wenn Resonatorelement und Gegenelektrode in einen luftleeren oder luftverdünnten Raum eingebaut werden, oder wenn die Gegenelektrode mit einem Netz von Mikrolöchern versehen wird, um die Luftdämpfung zu erniedrigen.

Solche elektromechanischen Resonatoren sind passive Netzwerke und sind reversibel. Sie können symmetrisch oder unsymmetrisch aufgebaut sein. Der günstigste Frequenzbereich liegt zwischen einigen hundert Hertz bis zu einigen hundert Kilohertz. Eine Begrenzung bilden allein die mechanischen Abmessungen und insbesondere die Schwingerlänge. Bei Frequenzen unter 1 kHz können die Resonatoren durch mechanische Schwingungen der Umgebung beeinflußt werden. Man bildet sie deshalb dann , symmetrisch aus.

Elektromechanische Resonatoren mit dem beschriebenen Aufbau können in Hybridschaltungen allein oder in Zusammenhang komplexer Netzwerke eingesetzt werden. Sie können als resonanzscharfe integrierte Einheiten gefertigt werden.

12 Patentansprüche
6 Bl. Zeichnungen, 14 Fig.

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Claims

H.M.S. Zakaria- 1 i^

Patentansprüche

Schwingungswandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Biegeschwingungen bzw. zur Rückwandlung ■ mechanischer Biegeschwingungen in elektrische Schwingungen für einen elektrisch leitenden, eine ausgeprägte Eigenresonanz aufweisenden zungen- oder membranförmigen mechanischer Schwinger, insbesondere für aus solchen Schwingern aufgebaute mechanische Filter, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber einer Fläche des mechanischen Schwingers (1) eine feste Gegenelektrode (2) angeordnet ist, daß zwischen Schwinger (1) und Gegenelektrode (2) eine Gleichvorspannung (B 1) angelegt wird, daß ferner zum Erzeugen von Biegeschwingungen im Schwinger (1) durch elektrostatische Kräfte zwischen Schwinger (1) und Gegenelektrode (2) die in mechanische Biegeschwingungen zu wandelnde elektrische Schwingung (G 1) angelegt wird, bzw. daß zur Umwandlung von mechanischen Biegeschwingungen in elektrische Schwingungen (G 2) die durch die mechanischen Schwingungen des Schwingers (1) zwischen Schwinger (1) und Gegenelektrode (2) auftretenden Kapazitätsänderungen als Ausgangssignal (G 2) ausgewertet werden.
2. Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Biegeschwingungen in einem Schwinger (1) und deren Rückwandlung in elektrische Schwingungen eine gemeinsame Gegenelektrode (2) verwendet wird.

DsLe/Gr
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3. Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von Biegeschwingungen in einem Schwinger (l) und deren Rückwandlung in elektrische Schwingungen getrennte Qegenelektroden (4 und 5) verwendet werden.
4. Schwingungswandler nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gegenelektroden (4 und 5) der gleichen
Flächenseite des Schwingers (l) gegenüberstehen.
5. Schwingungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden (4, 5, 8/ 10, 12, 35, 37, 38) durch zusätzliche Schirmelektroden (6, 9, 11, 36) gegeneinander
entkoppelt werden. ·
6. Schwingungswandier nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Gegehelektroden (4 bzw." 5) einer anderen^

. Flächenseite des 3chwingers (1) gegenübersteht.
7. Schwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Ein- und/oder Ausgangsschwingungswandler für
ein aus mehreren untereinander verkoppelten Schwingern (1)
aufgebautes mechanisches Filter verwendet wird."
8. Schwingung^wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Aus- und Eingangsschwingungswandler zur Verkopplung zweier Schwinger (1) eines aus mehreren Schwingern (1) aufgebauten mechanischen Filters verwendet werden.
9. Schwingungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingungswandler eine gemeinsame Gegenelektrode (2) aufweisen.

CO

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10. Schwingungswandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwingungswandler getrennte Gegenelektroden (2) aufweisen, daß diese Gegenelektroden (2) über einen
Verstärker (A) miteinander gekoppelt sind.
11. Schwingungswandler nach Anspruch ~5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als Modulator für den Eingangsschwingungswandler als Vorspannung eine Wechselspannung bzw. eine
durch eine Wechselspannung überlagerte Gleichspannung
verwendet wird.
12. Schwingungswandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichvorspannung als Wechselspannung das
Modulationssignal überlagert ist.

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Le e rs e i.te