DE2145716C3

DE2145716C3 - Method of making a low bandwidth mechanical filter

Info

Publication number: DE2145716C3
Application number: DE19712145716
Authority: DE
Inventors: Horst 8000 München Bergmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1976-04-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Filters geringer Bandbreite, dessen einzelne Resonatoren aus achsparallel angeordneten Biegeresonatoren bestehen, die über einen durchgehenden, Längsschwingungen ausführenden Koppel- draht miteinander gekoppelt sind, der in einer senkrecht zur Längsachse der Resonatoren liegenden Ebene verläuft und dessen Querschnittsfläche erheblich geringer ist als die Querschnittsfläche der Resonatoren.The invention relates to a method for manufacturing a mechanical filter of low bandwidth, the individual resonators consist of bending resonators arranged axially parallel, which are connected via a continuous coupling wire are coupled to one another, which runs in a plane lying perpendicular to the longitudinal axis of the resonators and whose cross-sectional area is considerably smaller than the cross-sectional area of the resonators.

Zur Lösung vieler Aufgaben der Filtertechnik werden häufig mechanische Filter verwendet, da sie bekanntlich in dem für sie geeigneten Frequenzbereich sowohl hinsichtlich des Raumverbrauchs als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften den aus konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern zum Teil erheblich überlegen sind. Beim Aufbau solcher mechanischer Filter stellt sich dabei immer wieder die Aufgabe, die Resonatoren bzw. das gesamte Filtersyttem, das in der Regel aus mehreren miteinander gekoppelten Resonatoren besteht, in einer solchen Weise zu haltern, daß sich einerseits ein stabiler, gegenüber iußeren Erschütterungen möglichst unempfindlicher Aufbau ergibt, und daß andererseits die Resonatoren durch die Haltevorrichtung in ihrer Schwinggüte nicht beeinträchtigt werden. Gleichzeitig ist auch darauf zu achten, daß die die Resonatoren verbindenden Koppelelemente nicht anderweitigen Einflüssen unterworfen werden, da anderenfalls die Koppelwirkung, die bekanntlich für die einwandfreie Funktion des gesamten mechanischen Filters von erheblicher Bedeutung ist, in Frage gestellt würde.Mechanical filters are often used to solve many tasks in filter technology, as they are known to be in the frequency range that is suitable for them both in terms of space consumption and in terms of electrical properties, the filters made up of concentrated switching elements for Are considerably superior in part. When building such mechanical filters, the Task, the resonators or the entire filter system, which usually consists of several resonators coupled to one another, in such a way to maintain that, on the one hand, a stable and as insensitive as possible to external vibrations Structure results, and that on the other hand, the resonators by the holding device not in their oscillation quality be affected. At the same time, care must be taken that the coupling elements connecting the resonators are not subjected to other influences otherwise the coupling effect, which is known for the proper functioning of the whole mechanical filter is of considerable importance would be questioned.

Da mechanische Schwingungselemente je nach der Art der Schwingungsanregung unterschiedliche Schwingungsformen ausführen können, ist es auch möglich, in mechanischen Filtern für die Schwingungs- (>o form der einzelnen Resonatoren und die Schwingungsform der Koppelelemente dem jeweiligen Problem und der jeweiligen Frequenzlage angepaßte Kombinationen zu verwenden. Eine vorteilhafte Kombination solcher Schwingungsformen ist dabei die Biegeschwin- gung für den Resonator und die Längsschwingung für das Koppelelement, weil nämlich die Resonanzfrequenz der Resonatoren, abgesehen von ihren MaterialSince mechanical vibration elements differ depending on the type of vibration excitation It is also possible to use mechanical filters for the vibration (> o shape of the individual resonators and the oscillation shape of the coupling elements to the respective problem and to use combinations adapted to the respective frequency position. An advantageous combination of such forms of oscillation is the bending speed tion for the resonator and the longitudinal oscillation for the coupling element, because namely the resonance frequency of the resonators, apart from their material eigenschaften, außer von ihrer Länge, zusätzlich durch den Querschnitt gesteuert werden kann. Das Längsschwingungen ausführende Koppelelement läßt sich dabei als durchgehender Koppeldraht ausbilden, der in einer senkrecht zur Längsachse der Resonatoren liegenden Ebene verläuft und mit den Resonatoren, beispielsweise durch Schweißung, fest verbunden ist, wodurch für die Herstellung derartiger Filter gut reproduzierbare Verhältnisse geschaffen werden. Zur Halterung solcher Filter ist es beispielsweise durch die deutsche Offenlegungsschrift 19 22 550 bereits bekanntgeworden, den einzelnen Resonatoren stabförmige Halteelemente zuzuordnen und diese Halteelemente in einer aushärtbaren Vergußmasse zu verankern, die wiederum in einer nutförmigen Vertiefung einer das gesamte Filtersystem tragenden Grundplatte angebracht ist. Solche Haltevorrichtungen haben sich an sich gut bewährt, insbesondere für Filter mit relativen Bandbreiten von wenigstens einigen Prozenten, da nämlich bei diesen Filtern der Querschnitt des Koppeldrahtes noch immer so ausreichend groß gewählt werden kann, daß der Koppeldraht bereits eine ausreichende mechanische Stabilität zumindest für die Herstellung des Filters gewährleistet. Bei Filtern mit einer verhältnismäßig geringen relativen Bandbreite wird jedoch die Querschnittsfläche so gering, daß die mechanische Stabilität nicht mehr gewährleistet ist.properties, in addition to their length, can also be controlled by the cross-section. The coupling element which carries out longitudinal vibrations can train it as a continuous coupling wire, which runs in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the resonators and is firmly connected to the resonators, for example by welding, whereby easily reproducible conditions are created for the production of such filters. In order to hold such filters, it has already become known, for example from the German Offenlegungsschrift 19 22 550, to assign rod-shaped holding elements to the individual resonators and to convert these holding elements into to anchor a curable potting compound, which in turn is in a groove-shaped recess of the entire filter system supporting base plate is attached. Such holding devices have become has proven itself well, especially for filters with relative bandwidths of at least a few percent, since namely, with these filters, the cross-section of the coupling wire can still be selected to be sufficiently large that the coupling wire already has sufficient mechanical stability, at least for manufacture of the filter guaranteed. For filters with a relatively small relative bandwidth, however, the Cross-sectional area so small that mechanical stability is no longer guaranteed.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung und damit den Aufbau mechanischer Filter anzugeben, mit denen sich einerseits extrem geringe relative Bandbreiten realisieren lassen und bei denen trotzdem eine ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet ist.The object of the invention is to provide a method for the production and thus the construction of mechanical filters with which, on the one hand, extremely small relative bandwidths can be realized and in which sufficient mechanical stability is nevertheless ensured.

Ausgehend von einem Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Filters geringer Bandbreite, dessen einzelne Resonatoren aus achsparallel angeordneten Biegeresonatoren bestehen, die über einen durchgehenden, Längsschwingungen ausführenden Koppeldraht miteinander gekoppelt sind, der in einer senkrecht zur Längsachse der Resonatoren liegenden Ebene verläuft und dessen Querschnittsfläche erheblich geringer ist als die Querschnittsfläche der Resonatoren, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Abstand der Resonatoren durch Stützdrähte festgelegt wird, die gegenüber dem Koppeldraht einen größeren Querschnitt haben und ebenfalls als durchgehende Drähte ausgebildet sind und die mit den einzelnen Resonatoren in einer durch deren Schwingungsknoten bestimmten Ebene verbunden werden.Based on a method for manufacturing a mechanical filter with a low bandwidth, the individual resonators consist of bending resonators arranged axially parallel, which are coupled to one another via a continuous coupling wire which carries out longitudinal vibrations, which runs in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the resonators and whose cross-sectional area is considerably smaller than the cross-sectional area of the resonators, This object is achieved according to the invention in that the distance between the resonators is determined by support wires that are opposite to the coupling wire have a larger cross-section and are also designed as continuous wires and with the individual resonators are connected in a plane determined by their vibration nodes.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt in der ZeichnungThe invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. It shows in the drawing

F i g. 1 ein Filter gemäß der Erfindung,F i g. 1 a filter according to the invention,

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform extrem geringer Bandbreite,F i g. 2 another embodiment of extremely low bandwidth,

F i g. 3 und 4 Möglichkeiten zur Anbringung der Stütz- und Koppeldrähte.F i g. 3 and 4 possibilities for attaching the support and coupling wires.

Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 sind die Resonatoren 1 über Haltebeine 4 auf einer Grundplatte in der Weise befestigt, daß ihre Längsachsen zueinander parallel verlaufen. Die Resonatoren selbst bestehen im Ausführungsbeispiel aus Stäben mit ursprünglich kreisförmigem Querschnitt und sind mit einer Abflachung 9 versehen. Die eigentlichen Filterresonatoren 1 sind so angeordnet, daß die von ihren Abflachungen 9 gebildete Ebene parallel zur Grundplatte verläuft. Die Kopplung der einzelnen Resonatoren erfolgt über einen Koppeldraht 2, der, wie eingangs bereits erwähnt, zurIn the embodiment of FIG. 1, the resonators 1 are on holding legs 4 on a base plate in FIG Fixed way that their longitudinal axes are parallel to each other. The resonators themselves exist in Exemplary embodiment made of rods with an originally circular cross-section and with a flat 9 Mistake. The actual filter resonators 1 are arranged so that the plane formed by their flats 9 runs parallel to the base plate. The coupling of the individual resonators takes place via a Coupling wire 2, which, as already mentioned, for

Erzielung einer sehr geringen Bandbreite eine gegenüber der Querschnittsfläche der Resonatoren 1 erheblich geringere Querschnittsfläche hat, so daß also der Koppeldraht 2 nicht mehr in der Lage ist, das gesamte Filtersystem frei tragend zu halten. Zur Anregung der Biegeschwingungen sind die Endresonatoren 8 und 8' vorgesehen, die relativ zu den Filterresonatoren 1 so angeordnet sind, daß die von ihren Abflachungen 9 gebildete Ebene senkrecht steht zur Grundplatte 5, d. h., also auch senkrecht steht, zu der von den Abflachungen 9 der Resonatoren 1 gebildeten Ebene. Der Koppeldraht 2 ist beispielsweise durch Punktschweißung mit den Resonatoren verbunden. Auf der Abflachung 9 der Endresonatoren 8 und 8' sind elektromechanische Wandlerelemente vorgesehen, die beispielsweise aus einem Plättchen piezokeramischen Materials bestehen und die durch Lötung mit den Endresomtoren verbunden sind. Auf der der Abflachung 9 abgewandten Seite sind die Wandlerelemente mit einer Metallisierung versehen, aii die unmittelbar ein Anschlußdraht herangeführt ist, der gleichzeitig die Anschlußklemme 6 bildet und zusammen mit dem an der metallischen Grundplatte 5 befestigten und die Anschlußklemme 6' bildenden Draht, beispielsweise den Filtereingang bildet. In genau der gleichen Weise sind am Resonator 8' die den Filterausgang bildenden Klemmen 7 und T angebracht. Eine an den Klemmen 6 und 6' anliegende Wechselspannung wird, sofern ihre Frequenz zumindest näherung^weise mit der Resonanzfrequenz der Filterresonatoren übereinstimmt, am Endresonator 8 vom Wandlerelement auf Grund des piezoelektrischen Querkontraktionseffektes in mechanische Biegeschwingungen umgewandelt, deren Schwingungsebene demzufolge parallel zum Koppeldraht 2 verläuft. Unter Beteiligung sämtlicher Filterresonatcren werden diese Biegeschwingungen am zweiten Endresonator 8' wieder in eine elektrische Wechselspannung umgewandelt, die an den Ausgangsklemmen 7 und T zur Verfügung steht.Achieving a very small bandwidth has a considerably smaller cross-sectional area compared to the cross-sectional area of the resonators 1, so that the coupling wire 2 is no longer able to hold the entire filter system in a cantilevered manner. To excite the flexural vibrations, the end resonators 8 and 8 'are provided, which are arranged relative to the filter resonators 1 in such a way that the plane formed by their flattened areas 9 is perpendicular to the base plate 5, i.e., also perpendicular to that of the flattened areas 9 the resonators 1 level formed. The coupling wire 2 is connected to the resonators by spot welding, for example. On the flat 9 of the end resonators 8 and 8 ', electromechanical transducer elements are provided, which for example consist of a plate of piezoceramic material and which are connected to the end resonators by soldering. On the side facing away from the flattened area 9, the transducer elements are provided with a metallization, aii which is brought directly to a connecting wire, which at the same time forms the connection terminal 6 and together with the wire attached to the metallic base plate 5 and forming the connection terminal 6 ', for example the filter input forms. The terminals 7 and T forming the filter output are attached to the resonator 8 'in exactly the same way. An alternating voltage applied to terminals 6 and 6 ', provided its frequency at least approximately corresponds to the resonance frequency of the filter resonators, is converted at the end resonator 8 by the transducer element into mechanical flexural vibrations due to the piezoelectric transverse contraction effect, the vibration plane of which consequently runs parallel to the coupling wire 2. With the participation of all filter resonators, these flexural vibrations are converted back into an electrical alternating voltage at the second end resonator 8 ', which is available at the output terminals 7 and T.

Um nun bereits bei der Herstellung des Filters eine ausreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten, sind die Stützdrähte 3 vorgesehen, die an den einzelnen Resonatoren in der durch ihre Schwingungsknoten bestimmten Ebene, beispielsweise ebenfalls durch Schweißung, befestigt sind. Um eine zusätzliche, an sich unerwünschte Kopplung über die Stützdrähte 3 nach Möglichkeit zu vermeiden, ist ein eng toleriertes Befestigen der Stützdrähte an den Knotenstellen der Resonatoren erforderlich.In order to ensure sufficient mechanical stability during the manufacture of the filter, the support wires 3 are provided, which are determined by their vibration nodes on the individual resonators in the Level, for example also by welding, are attached. To an additional, in itself undesirable To avoid coupling via the support wires 3 as far as possible, fastening with a tight tolerance of the support wires are required at the junctions of the resonators.

Wie sich gezeigt hat, ist die mit solchen Stützdrähten erreichbare kleinste Bandbreite durch die Grenzen der Schweißbarkeit dünner Drähte und durch vernünftige Resonatorabmessungen gegeben. Mit einem Aufbau gemäß F i g. 1 lassen sich Filter mit relativen Bandbreiten bis herunter zu etwa 2% realisieren, im speziellen hat das in F i g. 1 dargestellte siebenkreisige Filter eine Bandbreite von 33%. Es ist dabei der Koppeldraht 2 in der Mitte der Resonatoren angebracht, d. h. also, im Bereich des hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsbauches, so daß wegen der dort auftretenden maximalen Schwingungsampiitude die Koppelwirkung bei einem vorgegebenen Koppeldraht am stärksten ist.As has been shown, the smallest bandwidth achievable with such support wires is due to the limits of the Weldability of thin wires and reasonable resonator dimensions. With a structure according to FIG. 1, filters with relative bandwidths down to about 2% can be implemented, in particular did that in FIG. The seven-circle filter shown in FIG. 1 has a bandwidth of 33%. It is the coupling wire 2 in placed in the center of the resonators, d. H. So, in the area of the bending vibrations occurring Vibration antinode, so that the coupling effect because of the maximum vibration amplitude occurring there is strongest for a given coupling wire.

Wenn es darauf ankommt, noch kleinere Bandbreiten zu erzielen, ist es möglich, den in F i g. 2 dargestellten Aufbau zu wählen, bei dem bei einem achtkreisigen Filter eine relative Bandbreite von nur 1,0% bei einer Bandmittenfrequenz von 30 kHz erreicht wird. Im einzelnen ist der Aufbau des Filters nach F i g. 2 praktisch gleich dem des Filters nach F i g. 1. Unterschiedlich gegenüber dem Filter nach Fig.! ist beim Filter nach F i g. 2 die Anbringung des Koppeldrahtes 2, der gegenüber der Resonatormitte versetzt ist und somit an Stellen kleinerer Bewegungsamplitude der Resonatoren 1 bzw. 8 und 8' liegt. Auf diese Weise wird auch die Verkopplung der Resonatoren und damit die Bandbreite des Filters geringer.If it is important to achieve even smaller bandwidths, it is possible to use the method shown in FIG. 2 shown To choose a structure in which an eight-circuit filter has a relative bandwidth of only 1.0% for an Band center frequency of 30 kHz is reached. In detail, the structure of the filter is shown in FIG. 2 practical equal to that of the filter according to FIG. 1. Different from the filter according to Fig.! is after the filter F i g. 2 the attachment of the coupling wire 2, which is offset from the center of the resonator and thus on Set smaller amplitude of movement of the resonators 1 or 8 and 8 '. In this way, the Coupling of the resonators and thus the bandwidth of the filter is lower.

In den F i g. 3 und 4 ist noch in einer vergrößerten Darstellung die Befestigung der Stützdrähte 3 bzw. des Koppeldrahtes 2 zu erkennen. Die in F i g. 3 gezeichnete Möglichkeit zeigt, daß die Stützdrähte bzw. der Koppeldraht an Punkten befestigt sind, die auf der der Abflachung 9 der Resonatoren I diametral gegenüberliegenden Mantellinie des jeweiligen Resonators liegen. Die F i g. 4 läßt erkennen, daß es auch möglich ist, die Stützdrähte 3 bzw. den Koppeldraht 2 unmittelbar auf den Abflachungen 9 zu befestigen. Um das Filter insgesamt möglichst rückwirkungsfrei zu lagern, sind auch die Halltebeine 4 in den hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden Schwingungsknoten befestigt, d. h. also jeweils an Punkten, die den Befestigungspunkten der Stützdrähte 3 diametral gegenüberliegen.In the F i g. 3 and 4 is an enlarged view of the fastening of the support wires 3 and des Detect coupling wire 2. The in F i g. 3 drawn possibility shows that the support wires or the coupling wire are attached to points on the flat 9 of the resonators I diametrically opposite Surface line of the respective resonator lie. The F i g. 4 shows that it is also possible that To fasten support wires 3 or the coupling wire 2 directly on the flats 9. To the filter as a whole The Hall legs 4 are also to be stored in the with regard to flexural vibrations occurring vibration nodes attached, d. H. so in each case at points that correspond to the attachment points of the Support wires 3 are diametrically opposite.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patentanspruch:Claim:

Verfahren zur Herstellung eines mechanischen Filters geringer Bandbreite, dessen einzelne Resonatoren aus achsparallel angeordneten Biegeresonatoren bestehen, die über einen durchgehenden, Längsschwingungen ausführenden Koppeldraht miteinander gekoppelt sind, der in einer senkrecht zur Längsachse der Resonatoren liegenden Ebene verläuft und dessen Querschnittsfiäche erheblich geringer ist als die Querschnittsfläche der Resonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Resonatoren (1,8,8') durch Stützdrähte (3) festgelegt wird, die gegenüber dem Koppel- draht (2) einen größeren Querschnitt haben und ebenfalls als durchgehende Drähte ausgebildet sind und die mit den einzelnen Resonatoren (1. 8, 8') in einer durch deren Schwingungsknoten bestimmten Ebene verbunden werden.Process for the production of a mechanical filter with a low bandwidth, the individual resonators of which consist of flexural resonators arranged parallel to the axis, which have a continuous, Longitudinal vibrations executing coupling wire are coupled to each other in a perpendicular to the longitudinal axis of the resonators plane and its cross-sectional area is considerable is less than the cross-sectional area of the resonators, characterized in that the Distance between the resonators (1,8,8 ') is determined by support wires (3), which are opposite to the coupling wire (2) have a larger cross section and are also designed as continuous wires and those with the individual resonators (1, 8, 8 ') in one determined by their oscillation nodes Level to be connected.