DE2163377C3 - Piezoelektrischer Wandler als Ein- und/oder Ausgangselement eines mechanischen Filters mit Torsionsschwingungen ausführenden Resonatoren - Google Patents

Description

Wandler zum Umwandeln elektrischer Li mechanische Torsionsschwingungen und umgekehrt können nur mit erheblichem Aufwand verwirklicht werden. Es ist daher üblich, mechanische Filter mit Torsionsschwingungen ausführenden Resonatoren über andersartige Schwingungen, vor allem Längsschwingungen ausführende Wandler, anzukoppeln. Dies bedingt bei bekannten Lösungen räumlich sehr aufwendige Anordnungen, wie z. B. aus der DE-AS 12 76 238, F i g. 6 zu ersehen ist. Es ist weiterhin üblich, den vom Wandler angesteuerten Resonator mit kreisförmigem Querschnitt nur an einer oder zwei Stellen seines Umfangs anzusteuern, und zwar im allgemeinen etwa an einem oder an beiden Enden einer oder beider der senkrecht zur Längsachse des gesamten Filters durch den Resonator verlaufenden Diagonalen. Beispiele hierfür zeigen die genannte F i g. 6 der DE-AS 12 76 238 und die Figuren der DE-OS 41 088. Dies hat zwar den Vorteil eines einfachen Aufbaues des Wandlers, jedoch Nachteile bei der Ankopplung des Wandlers an die Resonatoren. Erstens erfordert das Erreichen eines gewünschten Kopplungsfaktors zwischen Wandler und Resonator größere Oij^rt^hnjttp fur rtip KQⁿⁱ?e!e!ciT!cntc ^:-\N ft.ir die

Koppeleleniente zwischen je zwei Resonatoren, und zweitens werden die Resonatoren durch den Wandler neben den gewollten Torsionsschwingungen auch zu ungewollten, vor ailem Biegeschwingungen angeregt, die im Durchlaß- oder auch im Sperrbereich des Filters zu unerwünschten Dämpfungsspitzen b/w. -einbrüchen führen können.

Diese Möglichkeit des Anregens ungewollter Schwingungsformen wird ausgeschlossen oder zumindest verringert dvicch eine zur Längs- und Querachse ι ο symmetrische Ansteuerung des Resonators, und es bestand daher die Aufgabe, einen einfachen piezoelektrischen Wandler anzugeben, der eine solche symmetrische Ansteuerung eines Resonators und dessen Anregung zu Torsionsschwingungen erlaubt.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wandler als Ein- und/oder Ausgangselement eines mechanischen Filters mit Torsionsschwingungen ausführenden Resonatoren, wobei der Wandler besteht aus einei Platte aus piezoelektrischem Material, auf die beidseitig elektrisch leitende Beläge aufgebracht sind, und an die zumindest auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite zumindest ein Massekörper anschließt, der für die Eigenresonanz des Wandlers mitbestimmt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte in zumindest zwei, /u ihrer Mitte symmetrischen Teilbereichen abwechselnd in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist, und daß der Wandler auf der den Resonatoren zugewandten Seite vier etwa symmetrisch zu seiner Längsachse liegende Bereiche umfaßt und entweder durch elektrische, den Belägen zugeführte Signale derart steuerbar ist, daß er von Bereich zu Bereich wechselnde Kräfte in entgegengesetzten Richtungen etwa parallel der Längsachse bewirkt oder umgekehrt infolge von Kräften mit einander entgegengesetzten Richtungen etwa parallel der Längsachse auf benachbarte Bereiche an den Belägen Spannungen liefert, deren jeweilige Polarität abhängig ist von tier jeweiligen Richtung der Kräfte auf je zwei benachbarte Bereiche.

Zur Erläuterung der Erfindung dient eine Reihe schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Wandler. Mit Rücksicht auf eine übersichtliche Darstellung haben die Wandler in allen Zeichnungen einen quadratischen Querschnitt senkrecht zur Längsachse L der Wandler und des gesamten Filters. Es sind selbstverständlich auch andere Querschnitte möglich. Zweckmäßig sind Querschnitte, deren Umrisse etwa die Eckpunkte der Projektion der kreiszylinderförmigen Resonatoren in Richtung der Längsachse L auf den Wandler berührt. Im einfachsten Falle ist der Querschnitt des Wandlers gleich dieser Projektion der Resonatoren.

In jedem der vier Bereiche des Wandlers ist zunächst ein den Wandler mit einem Resonator verbindendes Koppelelement V an einem Massekörper befestigt, wie dies nur in den Fig. 1 und 3 angedeutet ist. Die unterschiedliche Polarisation des piezoelektrischen Materials ist in den Figuren durch Pfeile angedeutet.

Der Wandler nach F i g. 1 besteht aus einer Platte P\ <>o aus piezoelektrischem Material, die in vier Teilbereichen oder Quadranten abwechselnd in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist. und einem Massekörper K. Die Platte trägt auf beiden Seiten je einen die ganze Fläche bedeckenden leitfähigen Belag, (>s in den Seitenansichten dargestellt durch einen breiten Strich. Eine Seite der Platte PX ist über die gesamte Fläche fest mit dem Massekömer K mit etwa der gleichen Querschnittsfläche wie die Platte PX verbunden. Wird über die Beläge eine Spannung an die Platte Pl gelegt, so verdickt bzw. verdünnt sich diese je nach Polarität der angelegten Spannung und der Polarisationsrichtung in den einzelnen Quadranten. Bei etwa gleichbleibendem Volumen der Platte vergrössern bzw. verkleinern sich zugleich auch die Ausdehnungen der Platte senkrecht zur Längsachse in Richtung der Diagonalen. Infolge der festen Verbindung der ihre Ausdehnungen ändernden Platte und dem dazu vergleichsweise starren Körper wird bei Erregung mit elektrischen Schwingungen der Wandler zu zwei gegenphasigen Biegeschwingungen über je eine seiner Diagonalen veranlaßt. Die Summe der zwei gegenphasigen Biegeschwingungen in sich kreuzenden Schwingungsebenen entspricht einer Torsionsschwingung.

Der Massekörper K ist bei Verwendung des Wandlers für den vorgesehenen Zweck zumindest über die metallischen Koppelelemente V und den mit diesen verbundenen Resonator des mechanischen Filters geerdet. Der Wandler nach F i g. 1 setzt daher einpolig geerdete Anschlüsse für die mit ihm verbundenen elektrischen Schaltungen voraus.

Der Wandler nach F i g. 2 besteht ebenfalls aus einer Platte Pl aus piezoelektrischem Material und einem Metallkörper K. Jedoch ist in diesem die Platte Pl nur in zwei Teilbereichen — jeder zwei nebeneinanderliegende Quadranten umfassend — in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Die Platte Pl trägt auf der dem Massekörper K zugewandten Seite einen etwa die ganze Fläche bedeckenden leitfähigen Belag und auf der dem Massekörper K abgewandten Seite zwei Beläge, von denen jeder etwa zwei nebeneinanderliegende Quadranten in Teilbereichen unterschiedlicher Polarisation bedeckt. Somit stehen die Trennlinien zwischen den zwei Teilbereichen unterschiedlicher Polarisation und zwischen den zwei Belägen auf der dem Massekörper K abgewandten Seite der Platte Pl senkrecht zueinander.

Der Massekörper K ist, wie für den Wandler nach Fig. I beschrieben, geerdet. Den zwei Belägen auf der dem Massekörper K abgewandten Seite der Platte Pl können zwei gegenphasige elektrische Schwingungen zugeführt bzw. entnommen werden. Der Wandler ist somit geeignet zum Anschluß an erdsymmetrische Schaltungen, insbesondere an die in Verbindung mit mechanischen Filtern häufig verwendeten Gegentaktmodulatoren. Im übrigen setzt der Wandler nach F i g. 2 elektrische Schwingungen in mechanische Torsionsschwingungen in gleicher Weise um, wie für den Wandlernach Fig. 1 beschrieben.

Die nachfolgend beschriebenen Wandler unterscheiden sich von den zuvor beschriebenen grundsätzlich dadurch, daß die unterschiedlich gerichteten Änderungen der Dicke des piezoelektrischen Materials ausgewertet werden.

Im Wandler nach F i g. 3 entspricht die Plane PX aus piezoelektrischem Material in ihrer Polarisation und in ihren Belägen der Platte im Wandler nach F i g. 1 und ist daher auch gleich bezeichnet. Beiderseits der Platte PX ist im Anschluß an jeden der Quadranten je ein Massekörper KX ... KS angebracht. Die Massekörper KX ... K4 einerseits und die Massekörper K5 ... KS andei erseits sind elektrisch untereinander über je einen der Beläge verbunden, im übrigen jedoch in ihrer Ausdehnung in Richtung der Längsachse L des Wandlers durch einen Luftspalt voneinander getrennt.

Die vier Massekörper auf einer Seite der Platte PX

sind zumindest über die metallischen Koppelelemente und den mit diesen verbundenen Resonator des mechanischen Filters geerdet. Eine dem Belag auf der zweiten Seite zugeführte elektrische Schwingung bewirkt Dickenschwingungen der Platte Pl und Längssehwingungen der Massekörper /Cl... KS in einer solchen Weise, daß die Längssehwingungen des Gesamtkörpers in jedem Quadranten gegenphasig zu den Längssehwingungen des Gesamtkörpers in den jeweils benachbarten Quadranten verlaufen. Dabei entspricht die Bewegung di.r Massekörper im Bereich des Unifanges des Wandlers an vier Punkten vollkommen der Bewegung entsprechender Punkte der Torsionsschwingungen ausführenden Wandler nach den F i g. 1 bzw. 2.

Der Wandler nach Fig. 4 entspricht äußerlich dem Wandler nach F i g. 3, jedoch ist die piezoelektrische Platte Pl in gleicher Weise polarisiert und mit Belägen versehen wie die gleichbezeichnete Platte im Wandler nach Fig. 2. Der die dem Filter zugewandte Seite der Platte Pl bedeckende Belag liegt zumindest über die auf derselben Seite angeordneten Massekörper K5 ... KS. die Koppelelemente und den damit verbundenen Resonator des Filters an Erde. Den zwei Belägen auf der dem Filter abgewandten Seite der Platte Pl können zwei gegenphasige elektrische Schwingungen zugeführt bzw. entnommen werden. Damit ist dieser Wandler zum Anschluß an erdsymmetrische Schaltungen geeignet. Im übrigen enspricht die Wirkungsweise dieses Wandlers der des Wandlers nach F i g. 3.

Die mechanische Festigkeit der Wandler nach F i g. 3 und Fig. 4 ist größer, wenn jeweils gleichphasig sich bewegende Massekörper untereinander verbunden sind. Anstelle von vier Massekörpern auf derselben Seite der piezoelektrischen Platte sind dann zwei U-förmige Massekörpcr vorgesehen, die klauenartig ineinandergreifen und deren Schenkel den einzelnen Massekörpern Ki ... KS der Wandler nach F i g. 3 bzw. F i g. 4 entsprechen. Bei einem Wandler mit in vier Teilbereichen unterschiedlich polarisierter piezoelektrischer Platte Pl wie im Wandler nach Fig. 3 können beiderseits dieser Platte je zwei U-förmigc Massekörpcr Λ.9 ... K12 vorgesehen werden, wie dies in F i g. 5

ίο dargestellt ist. Bei einem Wandler mit in zwei Teilbereichen unterschiedlich polarisierter Platte PT. mit zwei getrennten Belägen auf der dem Filter abgewandten Seite der Platte sind U-förmige Massekörper KH, KiI nur auf der dem Filter zugewandten Seite der Platte zulässig,da U-förmige und. wie üblich, metallische Massekörper auf der dem Filter abgewandten Seite die zwei Beläge verbinden und die an diesen liegenden Spannungen kurzschließen würde. Daher hat ein solcher, in Fig. 6 dargestellter Wandler auf der dem Filter abgewandten Seite der Platte Pl je einer Massekörper Ki ... K4.

Eine andere Möglichkeit zum Vergrößern der mechanischen Festigkeit von Wandlern der Art nach F i g. 3 bis Fig. 6 ist das Anbringen eines bzw. zweiei Massekörper jeweils im Bereich des Belages bzw. dei Beläge auf der dem Filter abgewandten Seite dei piezoelektrischen Platte, wobei der/die Massekörper se bemessen ist/sind, daß ihre Resonanzfrequenz wer unterhalb der gewünschten Clbertragungsfrequenz dei des Filters liegt. Die piezoelektrische Platte mit den ar dieser auf der dem Filter zugewandten Seite angebrach ten Massekörpern K5 ... KSbzw. KU, KiIentsprechet dann einseitig fest eingespannten Schwingern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Wandler als Ein- und/ oder Ausgangselement eines mechanischen Filters mit Torsionsschwingungen ausführenden Resonatoren, wobei der Wandler besteht aus einer Platte aus piezoelektrischem Material, auf die beidseitig elektrisch leitende Beläge aufgebracht sind, und an die zumindest auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite zumindest ein Massekörper anschließt, der für die Eigenresonanz des Wandlers mitbestimmend ist, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX, Pl) in zumindest zwei, zu ihrer Mitte symmetrischen Teilbereichen abwechselnd in zueinander entgegen- ^:5 gesetzten Richtungen polarisiert ist und daß der Wandler auf der den Resonatoren zugewandten Seite vier etwa symmetrisch zu seiner Längsachse (L) liegende Bereiche umfaßt und entweder durch elektrische, den Belägen zugeführte Signale derart "> steuerbar ist, daß er von Bereich zu Bereich wechselnde Kräfte in entgegengesetzten Richtungen etwa parallel der Längsachse (L) bewirkt oder umgekehrt infolge von Kräften mit einander entgegengesetzten Richtungen etwa parallel der Längsachse (L) auf benachbarte Bereiche an den Belägen Spannungen liefert, deren jeweilige Polarität abhängig ist von der jeweiligen Richtung der Kräfte auf je zwei benachbarte Bereiche.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX) in vier Quadranten abwechselnd in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist und beiderseits je einen etwa alle vier Quadranten bedeckenden elektrisch leitenden Belag trägt (F ig. 1,3,5).

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (Pl) in zwei Hälften mit je zwei nebeneinanderliegenden Quadranten in zueinander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist, auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers einen etwa beide Hälften bedeckenden und auf der gegenüberliegenden Seite zwei jeweils zwei nebeneinanderliegende Quadranten mit einander entgegengesetzter Polarisation bedeckende, elektrisch leitende Beläge trägt (F i g. 2,4,6).

4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX, Pl) auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers fest mit einem alle vier Quadranten überdeckenden Massekörper (^verbunden ist(Fig. 1,2).

5. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, das die piezoelektrische Platte (PX, Pl) auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers im Bereich jedes der Quadnnten mit je einem von vier Massekörpern (KS ... KS) verbunden ist (F i g. 3,4).

6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (7*1) auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers mit zwei etwa U-förmigen Massekörpern (KXX, KX2) verbunden ist, die mit gegenseitigem Abstand klauenartig ineinandergrei- ^h5 fen und so mit der Platte verbunden sind, daß ein erster Körper (KXX) mit dem Steg und ein zweiter Platte aufliegen und jeder der Körper zwei Quadranten gleicher Polarisation miteinander verbindet (F ig. 5).

7. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (Pl) auf der mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers mit zwei etwa U-förmigen Massekörpern (KXX, KX2) verbunden ist, die mit gegenseitigem Abstand klauenartig ineinandergreifen und so mit der Platte verbunden sind, daß ein erster Körper (KXX) mit dem Steg und ein zweiter Körper (KX2) mit den Schenkelenden auf der Platte aufliegen und jeder Körper zwei nicht benachbarte Quadranten der Platte miteinander verbindet (F ig. 6).

8. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX, P2) auf der nicht mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers im Bereich jedes Quadranten mit je einem von vier Massekörpern (KX ... KA) verbunden ist (F i g. 3, 4, 6).

9. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX) auf der nicht mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers mit zwei etwa U-förmigen Massekörpern (K9, KXO) verbunden ist, die mit gegenseitigem Abstand klauenartig ineinandergreifen und so mit der Platte verbunden sind, daß ein erster Körper (KlO) mit dem Steg und ein zweiter Körper (K9) mit den Schenkelenden auf der Platte aufliegen und jeder Körper zwei Quadranten gleicher Polarisation miteinander verbindet.

10. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (PX, Pl) auf der nicht mit den Resonatoren verbundenen Seite des Wandlers im Bereich jedes Belages mit je einem Massekörper verbunden ist, der/die so bemessen ist/sind, daß seine/ihre Eigenfrequenz beträchtlich unterhalb der vom Filter zu übertragenden Frequenz liegt.