DE3423492C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandlerresona­ tor zur Erzeugung mechanischer Biegeschwingungen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Elektromechanische Wandler der vorgenannten Art sind aus der DE-AS 12 94 493 und aus der DE-AS 12 77 463 bekannt. In der DE-AS 12 77 463 wird darauf abgestellt, die mechanischen Schwin­ ger mit elektrostriktiver Anregung als elektrische Vierpole zu betreiben, wobei erreicht wird, daß beispielsweise bei der Ver­ wendung der Längsschwingung als Nutzschwingung möglichst wenig parasitäre Längsoberschwingungen erzeugt werden, während bei der Verwendung der Biegeschwingung als Nutzschwingung, möglichst we­ nig Biegeoberschwingungen entstehen sollen. Bei den in der DE-AS 12 94 493 beschriebenen mechanischen Biegeschwingern wird praktisch darauf abgestellt, flache Blechstreifen aus Resonato­ ren zu verwenden. Zur Aufnahme der elektrostriktiven Keramik werden dabei diese Blechstreifen entweder winkelig abgebogen oder T-förmig ausgebildet.

Wandlerresonatoren dieser Art sind dem Grundkonzept nach bei­ spielsweise bereits in einem Aufsatz von H. Albsmeier "Über An­ triebe für elektromechanische Bandpässe mit piezoelektrischen Wandlern" in der Zeitschrift "Frequenz", Band 19 (1965), Heft 4, Seiten 125-133 beschrieben worden. Solche Wandlerresonatoren werden bekanntlich zu Aufbau mechanischer Filter benötigt, die zur Lösung einer ganzen Reihe von Selektionsaufgaben bei der Übertragung elektrischer Signale herangezogen werden. Unter den für solche Resonatoren möglichen Schwingungsformen hat auch die Biegeschwingung eine besondere Bedeutung erlangt, weil dort die Resonanzfrequenz nicht nur von der Länge der mechanischen Reso­ natoren bestimmt wird, sondern auch von deren Querschnittsabmes­ sungen. Auch die Wandlerresonatoren müssen selbstverständlich in das gesamte Filter einbezogen werden und es ist für die Übertra­ gungsfunktion des Gesamtfilters von großer Bedeutung, daß auch die Wandlerresonatoren möglichst exakt die vorgegebenen theore­ tischen Werte haben. Ein weiteres Problem bei mechanischen Reso­ natoren ist das Auftreten von parasitären Schwingungen, Schwin­ gungen also, die aufgrund der physikalisch vorgegebenen Eigen­ schaften der Resonatoren auf­ treten und die aber das Gesamtverhalten mechanischer Filter erheblich beeinträchtigen können, da ggfs. beim Auftreten solcher Störschwingungen die vorgegebenen An­ forderungen an die Sperrdämpfungswerte eines Filters nicht mehr eingehalten werden.

Bei dem hier angegebenen Wandlerresonator entsteht die Biegeschwingung durch zwei zueinander gegensinnig pola­ risierte Wandler elektrostriktiven Materials, die zwi­ schen zwei metallische Abschnitte, insbesondere aus Stahl bestehende Abschnitte, eingebracht sind. Durch un­ symmetrisch überstehende Ecken der Keramikwandler, die durch eine Abflachung auf einer Seite der Stahlteile entstehen, kommt es zu einer Anregung von parasitären Torsionsschwingungen, die über die Haltedrähte und über das Bodenteil übertragen werden. Solche Torsionsschwin­ gungen sind besonders dann unangenehm, wenn sie bei dem Eingangswandlerresonator und bei dem Ausgangswandlerre­ sonator etwa bei der gleichen Frequenz auftreten, wo­ durch das Entstehen von Einbrüchen in der Sperrdämpfungs­ charakteristik unterstützt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro­ mechanischen Wandlerresonator anzugeben, der die Biege­ schwingung als Nutzschwingung liefert und bei dem die parasitäre Torsionsschwingung möglichst nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung nach den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen Wandler­ resonator nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Darstellung im Längs- und Querschnitt eines Resonators nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung im Längs- und im Querschnitt eines erfindungsgemäßen Resonators.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist mit den Bezugsziffern 1 und 2 jeweils ein me­ tallisches Teil, insbesondere ein aus Federstahl be­ stehendes Stahlteil, bezeichnet. Zwischen die Teile 1 und 2 sind die elektrostriktiven Wandlerabschnitte W 1 und W 2 eingebracht. Mit 3 und 4 sind Haltebeine be­ zeichnet, die in den Schwingungsknoten für die Biege­ grundschwingung an einer abgeflachten Fläche des Reso­ nators befestigt sind und die dann beispielsweise in einer Grundplatte eines größeren Gehäuses verankert werden können. Die beiden elektrostriktiven Keramiken W 1 und W 2 sind zueinander gegensinnig polarisiert. Wenn also an die Stahlteile 1 und 2 eine elektrische Wechsel­ spannung angelegt wird, so zieht sich beispielsweise der Wandler W 1 dann zusammen, wenn sich der Wandler W 2 ausdehnt. Diese Verhältnisse kehren sich in der darauf folgenden Halbperiode der elektrischen Wechselspannung um und es wird vom Wandlerresonator dann eine Biege­ schwingung im Rhythmus der angelegten elektrischen Wechsel­ spannung ausgeführt, wenn die Frequenz dieser Wechsel­ spannung zumindest näherungsweise mit seiner Eigenreso­ nanzfrequenz übereinstimmt. Wie bereits erwähnt, muß ein mechanisches Filter einen Eingangswandlerresonator und auch einen Ausgangswandlerresonator haben, der dann die mechanischen Schwingungen wiederum in elektrische Schwingungen zurückverwandelt. Der in der Praxis in aller Regel zu realisierende geringe Frequenzunterschied der genutzten Biegeschwingung beim eingangs- bzw. ausgangs­ seitig vorgesehenen Wandlerresonator, der durch ent­ sprechend verschieden lange Wandlerresonatoren einstell­ bar ist, ergibt an sich bereits eine Trennung der Tor­ sionsfrequenz. Der Erfindung zugrundeliegende Unter­ suchungen haben jedoch gezeigt, daß durch die unvermeid­ baren Materialstreuungen sich der Frequenzabstand dieser Torsionsfrequenzen so verringern kann, daß die eingangs erwähnten, unerwünschten Dämpfungseinbrüche auftreten können.

Bei dem in Fig. 3 gezeichneten erfindungsgemäßen Wandler­ resonatoren W 1, W 2, 1, 2 ist nun dieses Problem in der Weise gelöst, daß die beiden Stahlteile 1 und 2 zueinan­ der versetzt angeordnet sind, vorteilhafterweise erfolgt der Versatz senkrecht zur Richtung der Biegeschwingung. Die Größe des Versatzes V läßt sich in einfacher Weise em­ pirisch ermitteln. Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, kann dabei wenigstens einer, vorteilhafterweise können beide Wandler­ keramiken W 1, W 2 ebenfalls senkrecht zur Richtung der Biegeschwingung versetzt sein. Wie auch aus Fig. 3 zu entnehmen ist, sind die Wandlerkeramiken W 1 und W 2 un­ symmetrisch zur Biegeschwingungslinie angeordnet, um da­ durch den direkten piezoelektrischen Effekt zur Anregung der Biegeschwingung ausnutzen zu können. Die metallischen Abschnitte 1 und 2 sind mit einer Abflachung versehen, um dadurch eine Vorzugsrichtung für die im Resonator auf­ tretende Biegeschwingung sicherzustellen. Die ausgenutzte Schwingung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Biegegrundschwingung. Durch den Versatz V der beiden Stahl­ teile 1, und der Wandlerkeramiken W 1, W 2 wird also wiederum ein Gleichgewicht zwischen den an der Ober- und Unterseite gegenphasigen Torsionsanregungen durch die überstehenden Ecken erreicht. Da der Versatz V senkrecht zur ausge­ nutzten Biegeschwingung verläuft, bleibt diese von der beschriebenen Maßnahme praktisch unbeeinflußt.

Claims (2)

1. Elektromechanischer Wandlerresonator zur Erzeugung mechani­ scher Biegeschwingungen aus elektrischen Schwingungen bzw. zur Erzeugung elektrischer Schwingungen aus einer mechanischen Bie­ geschwingung, bei dem zwei elektrostriktive Wandler (W 1, W 2) mit entgegengesetzter Polarisation zwischen zwei, an sich runde, jedoch mit einer Abflachung versehene, knickfreie Stahlteile (1, 2) eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stahlteile (1, 2) zueinander unsymmetrisch zur Schwingungsebene der Biegeschwingung versetzt (V) angeordnet sind und dabei die von den Abflachungen der Stahlteile (1, 2) gebildeten Ebenen zueinander parallel verlaufen.

2. Wandlerresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden elektrostriktiven Wandler (z. B. W 1) versetzt ist.