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.
Filter arrangement finite mechanical resonators for electrical oscillations The invention relates to a filter arrangement for electrical oscillations using mechanical resonators and in particular to a filter arrangement with electrostrictive coupling.
Filter arrangements using mechanical resonators are characterized by a high electrical quality and, associated with this, by a large edge steepness at the limits of the pass band or stop band.
The previously known filters in which mechanical resonators are used, mostly work with torsional or longitudinal oscillators. Torque transducers are particularly suitable for frequencies of the order of 100 kHz and above. Longitudinal oscillators are geometrically very large in the range of lower frequencies, for example below 50 kHz. Attempts have also been made to build a mechanical filter using tuning forks for such low frequencies, but this filter too has relatively large dimensions.
The coupling arrangements of such filters are usually designed on a magnetostrictive basis, d. That is, they require an excitation coil, a permanent magnet and possibly a precisely adjusted air gap to avoid these difficulties.
An electromechanical filter is already known in which several adjacent flexural oscillators are connected to a filter via coupling rods provided in the nodes of the flexural oscillations, where instead of the electromagnetic or magnetostrictive coupling at the filter input and filter output, a so-called each is used Bimorph is provided.
As is known, a bimorph is understood to mean an arrangement of two small plates made of electrostrictive material, which are combined with the surfaces lying on top of one another, including a thin metal intermediate layer, to form a mechanically compact unit. Metallization is also provided on each of the two outer surfaces of this bimorph.
These two outer metallizations are fed in phase opposition, opposite to the metal intermediate layer, with the alternating voltage, where the bimorph curves to one side and the other in the cycle of the alternating voltage. However, the complexity of the design of the coupling between the resonators and the not entirely satisfactory quality of the resonators at the input and output of the filter bothers the resonators.
The latter is apparently based on the use of the bimorphs.
The invention is based on the object, filters using mechanical resonators, especially in the range of very low frequencies with small geometric dimensions, to realize surfaces while avoiding the above difficulties.
This task is based on a filter arrangement for electrical vibrations using mechanical, designed as flexural resonators, which are arranged in the area of the vibration nodes, torsional forces transmitting coupling members whose dimensions are small compared to a quarter of the wavelength in their material to a mechanically rigid unit are connected, solved according to the invention in such a way that a common for all, at the same time the coupling members forming wire is rigidly attached to the individual flexure, which also serves as a holder of the filter.
In a further development of the invention, the flexural oscillators and / or the coupling members should be made of metal, in particular of a steel alloy having a low temperature coefficient. In an advantageous further embodiment of the invention, a plurality of such wires can also be provided as coupling members. The end resonators could be excited by means of so-called bimorphs.
However, it has proven to be advantageous if a strip or plate made of electrostrictive material is attached to the resonator, preferably in the region of an antinode, whose surface facing away from the resonator is provided with an excitation electrode which causes the electrostrictive material to contract in the direction of the axis of the resonator executing piezoelectric coupling system added.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments.
Fig. 2 shows two flexural oscillators 1, 2, which preferably consist of the smallest possible expansion depending on the temperature aufwei send steel alloy in a known embodiment of the intermediate coupling.
The oscillation state indicated in FIG. 1 is assumed for this flexural oscillator, FIG. 1 merely reproducing the deflection to one side. In the area of the vibration nodes A and B, the flexural vibrators 1 and 2 shown in FIG. 2 are connected to a rigid unit via coupling members 3, 4.
The coupling pieces 3, 4 consist of round rods, preferably made of metal, which can be inserted and soldered into the flexural oscillators 1, 2 or only soldered or dotted onto the flexural oscillators. As a result of the arrangement of the coupling pieces 3, 4 in the area of the vibration nodes A and B, only torsional forces between the flexural vibrators 1 and 2 are transmitted through these coupling pieces. The shorter the length 1 of the coupling pieces 3, 4 is chosen, the more firmly the coupling of successive resonators can be made.
In addition to the material properties of the coupling rods, their diameter d is also decisive for the coupling.
In Fig. 3, a case of an electromechanical filter according to the teaching of the invention is shown in comparison, which consists of four flexural vibrators 5, on which in the area of the vibration nodes (A, B Fig. 1) a wire bracket 6, 7 through Soldering or spot welding is rigidly attached.
A plate 41 made of electrostrictive material, preferably made of an electrostrictive ceramic such as barium titanate, is attached, preferably soldered, to the two outer resonators in the area of the antinode, which is covered with a metal coating on the side facing away from the respective resonator and a corresponding Connection 8, 9 is provided.
By transverse contraction in the longitudinal direction of the individual flexural oscillators, this electrostrictive coupling system excites the flexural oscillator used as an input and the flexural oscillator used as an output emits mechanical energy in an analogous manner to the corresponding coupling element, between its connection 9 and the metal mass of the resonator the electrical output voltage is available. The wire brackets 6, 7 the NEN in this filter at the same time as a holder for the entire filter system and are angled at the ends for this purpose.
The angled parts are fastened, for example, on the base plate of the filter or in a protective housing not shown here.
More detailed information on the coupling and decoupling of the filter can be found in FIGS. 4, 5 and 6. This coupling or decoupling can also be advantageous in the case of the known filters with flexural oscillators - cf. z. B. Fig. 2 - are applied. Fig. 4 shows an example of a steel alloy with a low temperature coefficient existing mechanical bending oscillator 11, the longitudinal axis of which is marked with 21 shown in dash-dotted lines.
In the region of the antinode (dashed line 31) of this flexural oscillator, a plate 41 made of electrostrictive ceramic is soldered onto the flexural oscillator 11. Barium titanate is preferably recommended as the electrostrictive ceramic. This ceramic plate 41 is seen on the surface facing away from the flexural oscillator 11 with a metal coating 51, which serves as an excitation electrode. This Me tallbelag, which is preferably made of gold, can be vapor-deposited or burned on in a known manner.
A highly elastic, extremely thin and thus low mass, the connecting wire 61, is connected to the metal coating 51, for example by soldering. Another connecting wire 71 is conductively attached, preferably in the vibration node of the flexural vibrator made of metal.
If the connecting wires 61, 71 are supplied with an alternating voltage with a frequency in the region of the resonance of the flexural oscillator 11, the resonator carries out the flexural oscillations indicated schematically in FIG. 5. In FIG. 5, only the deflection to one side is also entered for this purpose.
The electrostrictive ceramic experiences an expansion and contraction in the direction of the axis 21 of the flexural oscillator, through the so-called transverse contraction, since the main expansion takes place in the direction of the electrical field, which is perpendicular to the rod axis. The quality of the capacitor formed by the ceramic is very high and since the mass of the ceramic is low compared to that of the resonator, the quality of the entire oscillator is also very high.
Another advantage of the arrangement shown is that the electrostrictive ceramic is attached to the flexural oscillator where the maximum tensile stress on the surface fiber of the flexural oscillator arises during the oscillation. This results in a relatively large electromechanical coupling factor.
The electrostrictive material can also be attached to opposite surfaces of the flexural vibrator as shown in FIG. In this case, it is necessary to feed the capacitors formed by the electrostrictive material 41, 41 'in cooperation with the excitation electrodes 61, 61' and 71 in phase opposition with the alternating voltage, or to polarize them in opposite directions.