DE2159773C3 - Piezoelektrischer Wandler für Biegeschwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler als Ein- und/oder Ansgangselement eines mechanischen Filters mit Biegeschwingungen ausführenden Resonatoren, bestehend aus einem stabförmigen Schwinger aus einer Anzahl von in einer Reihe angeordneten Metallkörpern und zwischen diesen senkrecht zur Längsachse des Stabes angeordneten Plättchen aus piezoelektrischem Material, wobei über die Metallkörper der elektrische Anschluß an das piezoelektrische Material erfolgt, mit zwei symmetrisch zu einem Schwingungsbauch des Stabes angeordneten

Plättchen aus piezoelektrischem Material.

Piezoelektrische Wandler, wie sie hier gemeint sind, bestehen im Prinzip aus einem metallischen Stab, an dem auf einer Längsseite eine Platte aus piezoelektrischem Material fest angebracht ist Der Stab bildet einen der zwei Beläge der piezoelektrischen Platte, auf deren gegenüberliegender Seite ein zweiter Belag angebracht ist Beim Erregen des piezoelektrischen Materials durch eine an die Beläge angelegte Wechselspannung schwingt dieses nicht nur in der Dicke, sondern wegen des gleichbleibenden Rauminhalts auch in der Länge und Breite. Die Längenänderungen des piezoelektrischen Materials bei unveränderter Länge des damit fest verbundenen Stabes bewirken Biegeschwingungen der gesamten Anordnung. Wandler dieser Art haben einige Nachteile, beispielsweise einen kleinen Kopplungsfaktor und daher eine begrenzte Übertragungsbandbreite sowie eine beträchtliche Temperaturabhängigkeit

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es aus CH-PS 4 24 010 und DE-AS 12 77 463, die AT-PS 2 61682 entspricht, bekannt, in den Querschnitt eines unterbrochenen Stabes nebeneinander zwei Plättchen aus piezoelektrischem Material einzuführen, von denen jedes zwei einander gegenüberliegende Flächen hat, die etwas kleiner als die Hälfte der Querschnittsfläche des Stabes sind, und diese Plättchen so anzuordnen, daß die Richtungen ihrer Polarisation einander entgegengesetzt sind. Wandler dieser Art bereiten jedoch bei der Fertigung, insbesondere bei großen Stückzahlen, erhebliche Schwierigkeiten, vor allem wegen der geringen Abmessungen der Plättchen, die genau mit richtiger Lage an bestimmten Stellen eingelötet werden müssen und wegen der Möglichkeit von Kurzschlüssen durch überschüssiges Lot, das über die geringe Dicke der Plättchen die Metallkörper beiderseits der Plättchen miteinander verbinden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Wandler der eingangs genannten Art anzugeben, der vor allem in der Fertigung wesentlich leichter zu handhaben ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Plättchen aus einem Stück bestehen, das jedes in zwei zur neutralen Fläche der Metallkörper symmetrischen Bereichen entgegengesetzt polarisiert ist, und daß beiden Plättchen auf derselben Seite der neutralen Fläche der Metallkörper in gleichen oder entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigt die F i g. 1 die genannte Prinzipform eines Wandlers,

F i g. 2 bis 4 erfindungsgemäße Ausführungsform des Wandlers für verschiedene Arten der elektrischen und der mechanischen Anschlüsse.

Die Prinzipform des Wandlers nach F i g. 1 besteht aus den Metallkörpern K 1 und K 2 und einem Plättchen P aus piezoelektrischem Material, die hintereinander angeordnet den stabförmigen Schwinger bilden. Das Plättchen P hat, durch breitere Linien angedeutet, in bekannter Weise auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten je einen elektrisch leitfähigen Belag, auf denen die Körper AC1 und K 2 vorzugsweise durch Lötverbindungen oder Klebung befestigt sind. Die Längskante der neutralen Fläche des Schwingers ist durch gestrichelte Linien, eine stärkere für den Ruhezustand, zwei dünnere gekrümmte für den Zustand des Schwingens angedeutet. Die Schnittpunkte der gestrichelten Linien entsprechen den Schwingungsknoten. Die in das Plättchen P

eingezeichneten Pfeile kennzeichnen dessen Polarisation in entgegengesetzten Richtungen auf den verschiedenen Seiten der neutralen Fläche. Durch eine an die Beläge des Plättchens P bzw. an die Metallkörper K1, K 2 gelegte Wecheispannung verdickt bzw. verdünnt sich das Plättchen abwechselnd und gegenphasig in den zwei Bereichen unterschiedlicher ' Polarisation und bewirkt damit Biegeschwingungen des Schwingers.

Beim Wandler nach F i g. 1 muß zumindest einer der Metallkörper K1 oder K2 isolierend gehalten werden, darüber hinaus müßten die an dem bzw. den isolierten Metallkörpern) angreifenden Koppelelemente zum nächsten Resonator ebenfalls alvanisch trennen.

Die in den F i g. 2 bis 4 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind zum Teil zu direkter Ankopplung an ein mechanisches Filter oder auch zu einer Halterung ohne Isolation oder auch mit Differentialein- bzw. -ausgang ausgeführt

Die Wandler entsprechend den F i g. 2 bis 4 bestehen jeweils aus drei Metallkörpern K 3, K 4 und K 5 und den zwischen je zwei Metallkörpern angeordneten Plättchen P1 und P2 aus piezoelektrischem Material.

Beim Wandler nach F i g. 2 haben die Metallkörper K 3 bis KS solche längen, daß sich beide Plättchen P\ und P2 zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten befinden, und die Plättchen sind zwischen die Metallkörper in einer solchen Lage eingefügt, daß die Richtungen ihrer Polarisation auf derselben Seite der neutralen Fläche des Schwingers einander entgegengesetzt sind. Die Halteelemente für den Wandler können jo an den Schwingungsknoten an den äußeren Metallkörpern K 3 und K 5 angebracht werden und dienen zugleich zum Erden dieser Körper. Die Koppelelemente V zu einem der Resonatoren des mechanischen Filters greifen an den geerdeten äußeren Körpern K 3 und K 5 3·; an; die Wechselspannung wird dem Körper KA zwischen den Plättchen Pi und P2 zugeführt bzw. von diesem abgenommen.

Der Wandler nach F i g. 3 unterscheidet sich in seinem Aufbau von dem nach F i g. 2 dadurch, daß die Plättchen Pi und P2 auf derselben Seite der neutralen Fläche des Schwingers in gleichen Richtungen polarisiert sind. Dabei sind die Halteelemente für den Wandler ebenfalls an den Schwingungsknoten an den äußeren Metallkörpern K 3 und K 5 angebracht, sind jedoch untereinander und gegen Masse isoliert Der Körper K 4 zwischen den Plättchen P i und P 2 ist geerdet, vorzugsweise über das an ihm angreifende Koppelelement V zu einem der Resonatoren des Filters. Je eine von zwei gegenphasigen Wechselspannungen werden den äußeren Körpern K 3 bzw. KS zugeführt bzw. von diesen abgenommen, vorzugsweise über die Halteelemente. Damit ist diese Form eines Wandlers geeignet für den Übergang von einer erdsymmetrischen Schaltung zur erdunsymmetrischen Anordnung der üblichen mechanischen Filter und umgekehrt

Grundsätzlich wie der Wandler nach Fig.3 aufgebaut, ist der Wandler nach F i g. 4. Bei diesem ist der mittlere der Metallkörper im Vergleich zur Gesamtlänge des Wandlers länger als beim Wandler nach F i g. 3, so daß zwei Schwingungsknoten innerhalb dieses mittleren Körpers liegen. Daher können die an den Schwingungsknoten angeordneten Halteelemente für den Wandler leitend mit einer geerdeten Grundplatte verbunden sein. Das Koppelelement V zu einem Resonator des Filters liegt zwischen den Schwingungsknoten an dem zwischen den Plättchen Pl und P2 liegenden Metallkörper K4. Auch diese Form eines Wandlers erlaubt den Übergang von einer erdsymmetrischen Anordnung auf ein erdungssymmetrisches mechanisches Filter und umgekehrt.

Dadurch, daß die einzelnen Plättchen erfindungsgemäß nicht mehr aus mehreren Teilen bestehen, ergeben sich fertigungstechnisch erhebliche Erleichterungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Wandler als Ein- und/oder Ausgangselement eines mechanischen Filters mit Biegeschwingungen ausführenden Resonatoren, bestehend aus einem stabförmigen Schwinger aus einer Anzahl von in einer Reihe angeordneten Metallkörpern und zwischen diesen senkrecht zur Längsachse des Stabes angeordneten Plättchen aus piezoelektrischem Material, wobei über die Metallkörper der elektrische Anschluß an das piezoelektrische Material erfolgt, mit zwei symmetrisch zu einen: Schwingungsbauch des Stabes angeordneten Plättchen aus piezoelektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen (P 1, P2) aus einem Stück bestehen, das jedes in zwei zur neutralen Fläche der Metallkörper (K3, K 4, K 5) symmetrischen Bereichen entgegengesetzt polarisiert ist, und daß beide Plättchen (PI, P2) auf derselben Seite der neutralen Fläche der Metallkörper (K 3, KA, KS) in gleichen oder entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Plättchen zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten des Schwingers angeordnet sind, daß der Schwinger in seinen Schwingungsknoten durch Halteelemente mit einer Grundplatte verbunden und geerdet ist, und daß dem Wandler elektrische Schwingungen über den Metallkörper zwischen den Plättchen zugeführt oder entnommen werden können.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Plättchen zwischen zwei benachbarten Schwingungsknoten des Schwingers angeordnet sind, daß der Schwinger in seinen Schwingungsknoten durch Halteelemente mit einer Grundplatte mechanisch verbunden, jedoch gegenüber dieser elektrisch isoliert ist, daß der Metallkörper zwischen den Plättchen geerdet ist und daß dem Wandler über die Halteelemente zwei gegenphasig elektrische Schwingungen zugeführt oder entnommen werden können.

4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Plättchen in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen zwei Schwingungsknoten befinden, daß der Schwinger in seinen Schwingungsknoten durch Halteelemente mit einer Grundplatte verbunden und geerdet ist und daß dem Wandler über die an die Plättchen auf den Seiten näher den Stabenden anliegenden Metallkörper zwei gegenphasige elektrische Schwingungen zugeführt oder entnommen werden können.

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