DE2839271A1

DE2839271A1 - Elektromechanischer resonator und elektromechanisches filter

Info

Publication number: DE2839271A1
Application number: DE19782839271
Authority: DE
Inventors: Joseph Sherman Jones
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1977-09-13
Filing date: 1978-09-09
Publication date: 1979-03-15
Also published as: GB2004434A; SE7809383L; FR2402969B1; IT7827560A0; CA1100199A; FR2402969A1; JPS5451498A; GB2004434B; BE870253A; NL7809297A; IT1098594B; US4137511A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischen Resonator in Form eines einzigen Planarkörpers, mit einem länglichen Torsionsschwingungsteil, mit einem Biegeschwingungsresonatorelement, das längs seiner Knotenachse mit dem Torsionsschwingungsteil gekoppelt ist, mit einer Wandlervorrichtung, die auf wenigstens einer Seite des Biegeschwingungselementes befestigt ist und zur Anregung mechanischer Schwingungen im Biegeschwingungsresonatorelement dient und mit einer beiden Endes des Biegeschwingungselementes angeordneten Befestigungsvorrichtung zur Befestigung des Resonators an einem Träger.

FJlektromechanische Filter und Resonatoren umfassen gewöhnlich einen oder mehrere Wandler zum Umwandeln von Schwingungswellenenergie aus elektrischer in mechanische Form und umgekehrt, und zwar in Kombination mit einem mechanischen Resonatorelement, das mit dem Wandler oder den Wandlern gekoppelt ist. Ein solches Filter ist in der US-PS 3 064 beschrieben, und ein anderes derartiges Filter ist in der US-PS 3 264 585 angegeben. Das erstere dieser beiden bekannten elektromechanischen Filter umfaßt eine Reihe länglicher Flachstäbe, die an oder in der Nähe ihrer Kittelpunkte mit einem Mittelstreifen verbunden sind. Die Flach-

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stäbe schwingen in einem Biegeschwingungsmode um den Mittelstreifen. Es hat sich nun gezeigt, daß dieses bekannte E¹Uter unerwünschten Längsschwingungen längs. des Mittelstreifens ausgesetzt ist, die dessen Ansprechverhalten und Stabilität beeinflussen, letzteres dieser beiden bekannten elektromechanischen Filter ttmfaßt einen Eingangs- und einen Ausgangsrescaator„ die mittels elektrostriktiver Wandlerelemente, die an deren beiden Seiten, befestigt sind, in einem Längsschwingungsmoden schwingen. Man fand, daß ähnliche unerwünschte Schwingungsmoden die Stabilität und Arbeitsweise eines solchen bekannten Filters beeinflussen.

Ein Versuch zur Lösung des vorausgehenden Problems ist in der US-PS 3 638 145 beschrieben, gemäß der unerwünschte Längsresonanzen dadurch ausgeschaltet werden, daß ein Verstärkungsteil längs des Mittelstreifens des elektromechanischen Filters verwendet wird. Obwohl eine solche Methode für bestimmte Anwendungen annehmbar ist, richtet sie sich hauptsächlich auf unerwünschte Längskrürnmungsschwingungsmoden, die bei einer wirkungsvollen Arbeitsweise des Filters stören. Überdies kann eine solche bekannte Lösung nicht verwendet werden, itfenn ein leichtes und kompaktes Filter oder ein leichter und kompakter Resonator benötigt werden, die frei von unerwünschten

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Biegeschwirigungsraoden sind.

Die Iiösung dieser Aufgabe besteht in einem elektromechanischen Resonator der eingangs angegebenen Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Biegeschwingungselement zur
wesentLichen Ausschaltung unerwünschter E-:nc'cschwingungen im Resonator ein Längen/Breiten-Verhältnis L/b im Bereich von 3 bis 4 aufweist, wobei L die Länge des Biegeschwingungselementes quer zur T.ängsausdehnung des Torsionsbiegeteils und b die Breite des BiegeschwingungselemenLes längs der
Längsausdehnung dos Torsionsbiegeteils ist.

Bei einem erf Lndunsgcmäßen Ausführunasbeispiel umfaßt ein elektromeahar:Laches Filter in Form eines einzigen Planarkörpers ein längliches Torsionsschwingungsmittolteil und
erste und zweite Biegeschv/ingungsresonatoren, die bei
oder in der Nähe, ihrer jeweiligen Knotenachsen längs des
Mittelteils angeordnet sind, wobei sich die einzelnen
Resonatoren vom Mittelteil weg in einer einzigen Ebene
in entgegengesetzten Querrichtungen erstrecken. Auf
wenigstens einer Seite des ersten und des zweiten Resonators sind elektroinechanische Einefangs- und Ausgangs-Wandler
befestigt, um mechanische Schwingungen im Filter anzuregen bzw. festzustellen. Das Filter weist terror Befestigung?;-

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abschnitte auf, die an beiden Enden des Mittelteils vorgesehen sind, um das Filter an einem Träger zu befestigen. Erfindungsgemäß weist jeder Resonator ein Längen/Breiten-Verhältnis L/b im Bereich von 3 bis 4 auf, wobei L die Länge des Resonators quer zur Längsausdehnung des Mittelteils und b die Breite des Resonators längs der Längsausdehnung des Mittelteils ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis L/b im Bereich von 3,8.

Bei einer weiteren Ausiführungsform der Erfindung weist das elektromechanische Filter mehrere Biegeschwingungsresonatoren auf, die längs des Mittelteils in im wesentlichen gleichen Abstandspositionen angeordnet sind. Die Resonatoren sind so dimensioniert, daß ihr Längen/Breiten-Verhältnis L/b je im Bereich von 3 bis 4 liegt.

Vorteilhafterweise lassen sich mit der vorliegenden Erfindung unerwünschte Ansprechverhalten außerhalb des gewünschten Bandes in einem elektromechanischen Filter und Resonator wesentlich reduzieren. Außerdem erhält man ein elektromechanisches Filter und einen elektromechanischen Resonator mit einer Stabilität und Genauigkeit, die denjenigen eines Quarzfilters vergleichbar ist. Ferner lassen sich ein einfaches und wirtschaftliches elektromechanisches

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Metallblattfilter und ein einfacher und wirtschaftlicher elektromechanischer Metallblattresonator verwirklichen, die über ein Band von wenigstens 200 kHz im wesentlichen frei von (unerwünschten) Nebenansprechverhalten sind. Weiterhin ist ein kompaktes elektromechanisches Bandpaßfilter der Art verfügbar gemacht worden, die bei Analogkanalbänken anwendbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Resonators;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Filters; und

Fig. 3 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Filters.

In der in Fig. 1 gezeigten beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Einzelplanarkörper 1 ein Resonator-

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element 2, das mit einem Paar Torsionsschwingungsteilen

3 und 4 gekoppelt ist. Die Teile 3 und 4 sind mit dem Resonatorelement 2 längs dessen Knotenachse gekoppelt. Ein Paar Befestigungsabschnitte 5 und 6 sind an den Teilen bzw. 4 befestigt, um eine Befestigung des Resonators 1 auf einem Träger 7 zu ermöglichen. Zur Anregung einer mechanischen Schwingung im Resonatorelement 2 ist ein Paar elektromagnetischer Wandler 8 und 9 auf einer Seite des Elementes 2 befestigt. Der das Element 2, die Teile 3 und

4 und die Abschnitte 5 und 6 umfassende Planarkörper 1 ist aus einer einzigen dünnen Platte aus federndem Material, beispielsweise Stahl, Eisen-Nickel-Legierung oder Quarz, ausgestanzt oder herausgearbeitet. Die Wandler 8 und 9 sind vorzugsweise kleine piezoelektrische Keramikwandler, die auf einer Seite des Elementes 2 nach bekannten Methoden befestigt sind. Die piezoelektrischen Wandler und 9 treiben das Resonatorelement in einem antisymmetrischen Biegeschwingungsmoden, und die Teile 3 und 4 schwingen in einem Torsionsschwingungsmoden. Wenn das Resonatorelement jedoch aus Quarz hergestellt ist, sind die piezoelektrischen Wandler 8 und 9 nicht erforderlich. Stattdessen können auf beiden Seiten des Quarzelementes 2 nach bekannten Methoden Metallelektroden aufgebracht sein.

Um den Resonator als Filter zu betreiben, ist ein zweites Paar elektromagnetischer Wandler oder alternativ (nicht

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gezeigter) Metallelektroden erforderlich, um die mechanischen Schwingungen im Element 2 festzustellen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich nun herausgestellt, daß eine Änderung des "Längenverhältnisses" des Resonatorelementes 2 zu einer wesentlichen Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden oder Ansprechverhaltensweisen des Resonators 1 führt. Das Längenverhältnis ist definiert als das Verhältnis von Länge L zu Breite b des Elementes 2. Diese unerwünschten Schwingungsmoden und Ansprechverhaltensweisen wurden als ein komplexer Biegeschwingungsmode identifiziert. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß ein Längenverhältnis im Bereich von 3 bis 4 das unerwünschte Ansprechverhalten im wesentlichen ausschaltet.

Bei einer beispielsweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 106 kHz-Resonators wurde der Planarkörper aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einer Dicke von etwa 0,51 mm hergestellt. Die Wandler 8 und 9 wurden aus PZT-Material mit Abmessungen von etwa 1,422 mm χ 1,804 mm χ 0,015 mm hergestellt. Bei einer solchen Ausführungsform besitzt das Resonatorelement 2 eine Länge L von etwa 7,9 mm und eine Breite b von etwa 2,13 mm, was zu einem Längenverhältnis

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von etwa 3,7 führt. Die Torsionsschwingungsteile 3 und besitzen eine Länge 1 von etwa 2,33 mm und eine Breite w von etwa 0,76 mm. Piezoelektrische Wandler 8 und 9 sind auf dem Resonatorelement 2 derart befestigt, daß ihre Mittelachsen gegenüber der Resonatorachse A-A um etwa 1,422 mm versetzt sind.

Für andere Frequenzen als 106 kHz würden sich jedoch andere Abmessungen für den Resonator ergeben, während das gleiche Längenverhältnis beibehalten wird.

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Ein elektromagnetisches Metallblattfilter, das als Bandpaßfilter geeignet ist, ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses neue Bandpaßfilter besitzt die Form eines einzigen Metallplanarkörpers 20, der ein Paar Resonatorelemente 21 und 22 aufweist, die je an ihren Knotenachsen mit Torsionsschwingungsteilen 23, 24 und 25 gekoppelt sind. Ein Paar Befestigungsabschnitte 26 und 27 sind an den Teilen 23 bzw. 25 zur Montage des Metallfilters auf einem (nicht gezeigten) Träger vorgesehen. Ein erstes Paar Keramikwandler 28 und ist auf wenigstens einer Oberfläche des Resonatorelementes 21 vorgesehen, um in diesem in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangssignal Biegeschwingungen zu erzeugen. Ein zweites Paar keramischer Wandler 30 und 31 ist auf wenigstens einer Oberfläche des Resonators 22 vorgesehen und dient dazu, die Filterschwingung festzustellen und in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der metallische Planarkörper 20 aus einem dünnen Stahl- oder Eisen-Nickel-Blech bestehen, das entweder gestanzt oder derart bearbeitet ist, daß die

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in Fig. 2 gezeigte Form erhalten wird. Das Bearbeiten des Körpers kann entweder durch mechanische Mittel, chemische Mittel oder eine als Elektroerosion bekannte Bearbeitung mittels elektrischer Entladung geschehen.

Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden unerwünschte Ansprechverhalten als komplexe Biegungsschwingungen identifiziert, deren Frequenzen durch das Längenverhältnis der Resonatorelemente 21 und 22 beherrscht werden. Um die unerwünschten Schwingungsmoden oder Ansprechverhalten in einem solchen Bandpaßfilter zu reduzieren, wird das Längenverhältnis der Elemente 21 und 22 zwischen 3 und 4 gewählt. Obwohl es von Vorteil ist, das Längenverhältnis über das ganze Filter konstant zu halten, ist es nicht erforderlich, daß die Länge L des Resonatorelementes 21 gleich der Länge L¹ des Resonatorelementes 22 ist. Um die unerwünschten Schwingungsmoden zu reduzieren, ist jedoch folgendes erforderlich:

und

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Bei einer vorteilhaften Ausführungsforra der vorliegenden Erfindung umfaßt ein elektromechanisches Filter mehrere Resonatoren, die derart angeordnet sind, daß eine erste Resonatorgruppe ein erstes Längenverhältnis und eine zweite Resonatorgruppe ein zweites Längenverhältnis aufweist. Das erste und das zweite Längenverhältnis liegt im Bereich zwischen 3 und 4, um unerwünschte Biegeschwingungen in dem Filter im wesentlichen auszuschalten. Man fand, daß man mit Längenverhältnissen von 3,8 und 3,3 für die erste bzw. die zx^eite Resonatorgruppe ein Filter erreicht, das im wesentlichen frei von (unerwünschten) Nebenansprechweisen ist. In Fig. 3 ist ein elektromechanisches Blattbandpaßfilter gezeigt, das drei Biegeschwingungselemente 31, und 33 aufweist. In der Zeichnung ist die Biegebewegung der Elemente 31, 32 und 33 lediglich zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt. Dieses Metallblattfilter (RRF: metal-reed filter) kann so ausgelegt werden, daß es bei Frequenzen von etwa 0,1 kHz bis 1 MHz arbeitet und mit Bandbreiten bis zu 25% der Mittelfrequenz. Bei einer Kanalbank-Anwendung weist ein acht Resonatoren aufweisendes erfindungsgemäßes Filter in einem 3,5 kHz breiten Durchlaßband um 100 kHz bei einer Dämpfung, die in einem 800 Hz-Übergangsband auf 45 dB ansteigt, eine von Spitze zu Spitze reichende Welligkeit von weniger als 0,7 dB auf. Ein 250 Hz breites Filter für 50 kHz, das ein Gauß'sches

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Durchlaßband aufweist, kann mit einem drei Resonatoren aufweisenden Filter der in Fig. 3 gezeigten Art verwirklicht werden. Die Dämpfung steigt in einem solchen Fall in einem 1,25 kHz-ubergangsband auf 5OdB an.

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Leerseite

Claims

BLUMBACH · WH^ER ESiERG?=:.N . KRAIVlER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult RadedcestraSa 43 3000 München iO Teleion (C89) 883403/883624 Telex 05-212313 Telegramme Pateniconsuli Patentconsuit ionnenberger SUdSe 43 6200 Wiesbaden telefon <C6".21) 562943/501993 Telex 04-186237 Teiegrsmme Pa'.entcon'iult

Western Electric Company, Incorporated Jones, 3 New York, N. Y. 10038, USA

Elektroraechanischer Resonator und elektroitiechanisches Filter

Patentansprüche

1,2 Elektromechanischer Resonator in Form eines einzigen Planarkörpers, mit einem länglichen Torsionsschwingungsteil, mit einem Biegeschwingungsresonatorelement, das längs seiner Knotenachse mit dem Torsionsschwingungsteil gekoppelt ist, mit einer Wandlervorrichtung, die auf wenigstens einer Seite des Beigeschwingungselementes befestigt ist und der Anregung mechanischer Schwingungen im Biegeschwingungsresonatorelement dient, und mit beiden Endes des Biegeschwingungselementes angeordneten Befestigungsvorrichtungen zur Befestigung des Resonators an einem Träger,

dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeschwingungselement (2; 21, 22) zur wesentlichen Ausschaltung unerwünschter

München; R. Kramer DfpL-Ing. . w. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nät. · P. Hirscr DipL-ing. · H.P. B.-ehm Dipl.-Chem. Dr. phil. na!. Wiesbaden: P. G. Siumbach D:ci.-!ng. · P. Bergan Oipl.-Ir.g. Dr. jur. . G. Zwirner Oipl.-Ing. Dipl.-V/.-ing.

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ORIGINAL INSPECTED

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Biegeschwingungen im Resonator (1; 20) ein Längen/Breiten-Verhältnis L/b im Bereich von 3 bis 4 aufweist, wobei L dxe Länge des Biegeschwingungselementes quer zur Längsausdehnung des Torsionsbiegeteils und b die Breite des Biegaschv/ingungselementes längs der Längsausdehnung des Torsionsbiegeteils ist.
2. Resonator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/b im Bereich von 3,8 liegt.
3. Resonator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis L/b im Bereich von 3,3 liegt.
4. Resonator nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß am Resonatorelement (2; 21, 22} eine zweite Wandlervorrichtung zur Feststellung mechanischer Schwingungen vorgesehen ist, so daß der Resonator als elektromechanisches Filter arbeitet.
5. Filter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Biegeschwingungsresonatorelement (22) vorgesehen ist, das vom ersten Biegeschwingungsresonatorelement in einem Abstand längs des Torsionsschwingungsteils (23, 24, 25) angeordnet ist und

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ein Längen/Breiten-Verhältnis L'/b' im Bereich von 3 bis 4 aufweist, so daß das Filter als Bandpaßfilter arbeitet.
6. Filter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse L/b und L'/b¹ im Bereich von 3,8 liegen.
7. Filter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältnisse L/b und L'/b' im Bereich von 3,3 liegen.
8. Filter nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe von Resonatoren vorgesehen ist, die ein Längen/Breiten-Verhältnis im Bereich von 3,8 aufweisen, sowie eine zweite Gruppe Resonatoren, die ein Längen/Breiten-Verhältnis im Bereich von 3,3 aufweisen.

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