Filteranordnung finit mechanischen Resonatoren für elektrische Schwingungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranord nung für elektrische Schwingungen unter Verwen dung von mechanischen Resonatoren und insbeson dere auf eine Filteranordnung mit elektrostriktiver Ankopplung.
Filteranordnungen unter Verwendung von me chanischen Resonatoren zeichnen sich durch eine hohe elektrische Güte und damit verbunden durch eine grosse Flankensteilheit an den Grenzen des Durchlassbereiches bzw. Sperrbereiches aus.
Die bisher bekannten Filter, in denen mecha nische Resonatoren verwendet werden, arbeiten meist mit Torsionsschwingern oder Längsschwingern. Tor sionsschwinger sind vor allem für Frequenzen in der Grössenordnung von 100 kHz und darüber ge eignet. Längsschwinger werden im Bereich niedrige rer Frequenzen, also beispielsweise unter 50 kHz, geometrisch sehr gross. Für derartige niedrige Fre quenzen wurde auch bereits versucht, ein mecha nisches Filter unter Verwendung von Stimmgabeln aufzubauen, jedoch hat auch dieses Filter relativ grosse Abmessungen.
Die Kopplungsanordnungen derartiger Filter sind meist auf magnetostriktiver Ba sis ausgebildet, d. h., sie erfordern eine Anregungs spule, einen Permanentmagneten und evtl. einen ge nau justierten Luftspalt zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten.
Es ist bereits ein elektromechani sches Filter bekannt, bei dem mehrere nebeneinan- derliegend angeordnete Biegungsschwinger über in den Knoten der Biegungsschwingungen vorgesehene Kopplungsstäbe zu einem Filter verbunden sind, wo bei anstelle der elektromagnetischen bzw. magneto- striktiven Kopplung am Filtereingang und Filteraus gang je ein sogenannter Bimorph vorgesehen ist.
Unter einem Bimorph wird bekanntlich eine An ordnung aus zwei Plättchen aus elektrostriktivem Material verstanden, die mit den Flächen aufeinan- derliegend unter Einschluss einer dünnen Metallzwi- schenlage zu einer mechanisch kompakten Einheit zusammengefasst sind. Auf den beiden Aussen flächen dieses Bimorph ist ebenfalls je eine Me- tallisierung vorgesehen.
Diese beiden Aussenmetalli- sierungen werden gegenphasig, gegenüber der Metall zwischenlage mit der Wechselspannung gespeist, wo durch sich im Takte der Wechselspannung der Bi- morph nach der einen und nach der anderen Seite krümmt. Hieran ist aber einmal die Kompliziertheit der Ausbildung der Kopplung zwischen den Resona- toren, als auch die nicht ganz zufriedenstellende Güte der am Eingang und am<B>Ausgang</B> des Filters liegen den Resonatoren störend.
Letzteres beruht offenbar auf der Verwendung der Bimorphs .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Filter unter Verwendung von mechanischen Resonatoren, vor allem im Bereich sehr niedriger Frequenzen mit kleinen geometrischen Abmessungen, zu verwirkli chen unter Vermeidung der vorstehenden Schwierig keiten.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Filter anordnung für elektrische Schwingungen unter Ver wendung von mechanischen, als Biegeschwinger ausgebildeten Resonatoren, die über im Bereich der Schwingungsknoten angeordnete, Torsionskräfte übertragende Kopplungsglieder, deren Abmessungen klein gegenüber einem Viertel der Wellenlänge in ihrem Material sind, zu einer mechanisch starren Einheit verbunden sind, gemäss der Erfindung in der Weise gelöst, dass auf den einzelnen Biegungsschwin- gern ein für alle gemeinsamer, zugleich die Kopp lungsglieder bildender Draht starr befestigt ist, der zugleich als Halterung des Filters dient.
In Weiterbildung der Erfindung sollen die Bie- gungsschwinger und/oder die Kopplungsglieder aus Metall, insbesondere aus einer einen geringen Tem peraturkoeffizienten aufweisenden Stahllegierung, be stehen. In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung können auch mehrere derartige Drähte als Kopplungsglieder vorgesehen werden. Die Anregung der Endresonatoren könnte an sich mittels soge nannter Bimorphs geschehen.
Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn auf dem Resonator, vorzugsweise im Bereich eines Schwingungsbauches ein Streifen oder Plättchen aus elektrostriktivem Material befestigt ist, dessen dem Resonator abge- wande Fläche mit einer Anregungselektrode versehen ist, die das elektrostriktive Material zu einem Ouer- kontraktionsbewegungen in Richtung der Achse des Resonators ausführenden piezoelektrischen Kopp lungssystem ergänzt.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 2 zeigt zwei Biegungsschwinger 1, 2, die vorzugsweise aus einer möglichst geringe Ausdeh nung in Abhängigkeit von der Temperatur aufwei senden Stahllegierung bestehen in einer bekannten Ausführung der Zwischenkopplung.
Für diese Bie- gungsschwinger ist der in der Fig. 1 angedeutete Schwingungszustand angenommen, wobei die Fig. 1 lediglich die Auslenkung nach der einen Seite wie dergibt. Im Bereich der Schwingungsknoten A und B sind die in der Fig. 2 gezeigten Biegungsschwinger 1 und 2 über Kopplungsglieder 3, 4 zu einer starren Einheit verbunden.
Die Koppelstücke 3, 4 bestehen aus runden Stäben, vorzugsweise aus Metall, die in die Biegungsschwinger 1, 2 eingesetzt und eingelötet oder auf die Biegeschwinger nur aufgelötet oder auf- gepunktet sein können. Infolge der Anordnung der Kopplungsstücke 3, 4 im Bereich der Schwingungs knoten A und B werden durch diese Kopplungs stücke nur Torsionskräfte zwischen den Biegungs- schwingern 1 und 2 übertragen. Je kürzer die Länge 1 der Kopplungsstücke 3, 4 gewählt wird, um so fester lässt sich die Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren gestalten.
Für die Kopplung ist ausser den Materialeigenschaften der Kopplungsstäbe noch deren Durchmesser d massgebend.
In der Fig. 3 ist in Gegenüberstellung ein Bei spiel eines elektromechanischen Filters nach der Lehre der Erfindung wiedergegeben, welches aus vier Biegungsschwingern 5 besteht, auf denen im Bereich der Schwingungsknoten (A, B Fig. 1) je ein Draht bügel 6, 7 durch Lötung oder Punktschweissung starr befestigt ist.
Auf den beiden äusseren Resona- toren ist jeweils im Bereich des Schwingungsbauches ein Plättchen 41 aus elektrostriktivem Material, vor zugsweise aus einer elektrostriktiven Keramik, wie Bariumtitanat, befestigt, vorzugsweise aufgelötet, das auf der dem jeweiligen Resonator abgewendeten Seite mit einem Metallbelag überzogen und einem entsprechenden Anschluss 8, 9 versehen ist.
Durch Querkontraktion in Längsrichtung der einzelnen Bie- gungsschwinger regt dieses elektrostriktive Ankopp- lungssystem den jeweils als Eingang benutzten Bie- gungsschwinger an und der als Ausgang benutzte Biegungsschwinger gibt mechanische Energie in ana loger Weise an das entsprechende Kopplungsorgan ab, zwischen dessen Anschluss 9 und der Metall masse des Resonators die elektrische Ausgangsspan nung zur Verfügung steht. Die Drahtbügel 6, 7 die nen bei diesem Filter zugleich als Halterung für das gesamte Filtersystem und sind zu diesem Zweck an den Enden abgewinkelt.
Die abgewinkelten Teile sind beispielsweise auf der Grundplatte des Filters oder in einem nicht nä her dargestellten Schutzgehäuse befestigt.
Zu der Einkopplung und der Auskopplung des Filters sind nähere Angaben den Fig. 4, 5 und 6 zu entnehmen. Diese Einkopplung bzw. Auskopplung kann mit Vorteil auch bei den bekannten Filtern mit Biegeschwingern - vgl. z. B. die Fig. 2 - ange wendet werden. Die Fig. 4 zeigt einen beispielsweise aus einer Stahllegierung mit geringem Temperatur koeffizienten bestehenden mechanischen Biege schwinger 11, dessen Längsachse mit 21 bezeichnet strichpunktiert eingetragen ist.
Im Bereich des Schwingungsbauches (gestrichelte Linie 31) dieses Biegungsschwingers ist ein Plättchen 41 aus elektro- striktiver Keramik auf den Biegungsschwinger 11 aufgelötet. Als elektrostriktive Keramik empfiehlt sich vorzugsweise Bariumtitanat. Dieses Keramik plättchen 41 ist auf der dem Biegungsschwinger 11 abgewandten Fläche mit einem Metallbelag 51 ver sehen, der als Anregungselektrode dient. Dieser Me tallbelag, der vorzugsweise aus Gold besteht, kann in bekannter Weise aufgedampft oder aufgebrannt sein.
An den Metallbelag 51 ist ein hochelastischer, extrem dünner und somit geringe Masse aufweisen der Anschlussdraht 61, beispielsweise durch Lötung, angeschlossen. Ein weiterer Anschlussdraht 71 ist, vorzugsweise im Schwingungsknoten des Biegungs- schwingers aus Metall leitend befestigt.
Wird den Anschlussdrähten 61, 71 eine Wechsel spannung mit einer im Bereich der Resonanz des Biegungsschwingers 11 gelegene Frequenz zugeführt, so führt der Resonator die in der Fig. 5 schematisch angedeuteten Biegeschwingungen durch. In der Fig. 5 ist hierzu nur die Auslenkung nach einer Seite zu sätzlich mit eingetragen.
Die elektrostriktive Keramik erfährt eine Ausdehnung und Zusammenziehung in Richtung der Achse 21 des Biegungsschwingers, und zwar durch die sogenannte Querkontraktion, da die Hauptausdehnung in Richtung des elektrischen Fel des, welches senkrecht zur Stabachse steht, erfolgt. Die Güte des durch die Keramik gebildeten Kon- densators ist sehr gross und da die Masse der Ke ramik im Vergleich zu der des Resonators gering ist, ist somit auch die Güte des gesamten Schwingers sehr gross.
Vorteilhaft bei der dargestellten Anord nung ist ausserdem, dass die elektrostriktive Keramik auf dem Biegeschwinger dort befestigt ist, wo bei der Schwingung die maximale Zugbeanspruchung der Oberflächenfaser des Biegungsschwingers entsteht<B>;</B> dadurch wird ein relativ grosser elektromechanischer Kopplungsfaktor erreicht.
Das elektrostriktive Material kann auch so, wie in der Fig. 6 gezeigt, an gegenüberliegenden Flächen des Biegungsschwingers befestigt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, die durch das elektrostriktive Material 41, 41' im Zusammenwirken mit den An regungselektroden 61, 61' und 71 gebildeten Kon densatoren gegenphasig mit der Wechselspannung zu speisen, oder entgegengesetzt zu polarisieren.