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Elektromechanischer Wandler Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen
Wandler mit zwei piezoelektrischen Resonatorteilen, die jeweils beidseitig mit gleichzeitig
als Elektroden dienenden metallischen Resonatorteilen verbunden sind.
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Außer elektrischen Schwingkreisen finden auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik
in steigendem Maße elektromechanische Schwingkreise Anwendung. Als bekanntester
elektromechanischer Schwingkreis darf dabei der Quarzoszillator angesehen werden.
Das zweite Anwendungsgebiet elektromechanischer Schwingkreise führte indessen zu
einer starken Differenzierung elektromechanischer Schwingeranordnungen. So sind
außer kristallinen elektrostriktiven Werkstoffen, die beispielsweise im Frequenzbereich
um 500 kHz einen viel zu hohen Eingangswiderstand aufweisen, keramische elektrostriktive
Werkstoffe, wie z. B. Bariumtitanat, zum Einsatz gekommen. Weiterhin ging man aus
verschiedenen Gründen zu Schwingkreisanordnungen über, bei denen außer den elektrostriktiven
Werkstoffen weitere Materialien verwendet werden.
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Eine aus der deutschen Patentschrift 885 413 bekannte Anordnung, die
als einkreisiges elektromechanisches Filter einsetzbar ist, ist beispielsweise aus
mehreren piezoelektrischen Teilen und aus Teilen aus einem dichten keramischen Werkstoff
aufgebaut, wobei insbesondere darauf Wert gelegt wurde, auch bei sehr niedrigen
Frequenzen mit verhältnismäßig kleinen Kristallen auszukommen. Eine derartige Anordnung
beschreibt auch die britische Patentschrift 840 815, wobei besonderer Wert auf die
Halterung des Resonators in der Knotenebene gelegt wird. Ein anderes bekanntes einkreisiges
elektromechanisches Filter ist in der französischen Patentschrift 1363129 beschrieben.
Bei diesem Filter ist ein Mittelstück aus Stahl an den Endflächen mit scheibenförmigen
Bereichen aus piezoelektrischem Material belegt, an die sich gegebenenfalls noch
scheibenförmige Teile aus Stahl anschließen. Der Entwicklung dieses Filters lag
vor allen Dingen das Bestreben nach einer Erhöhung des Koppelfaktors und einer Unterdrückung
unerwünschter Nebenwellen zugrunde.
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Während es sich bei den beschriebenen bekannten Anordnungen um solche
handelt, bei denen denen ausschließlich oder doch in erster Linie an einen Einsatz
als selbständige einkreisige mechanische Frequenzfilter gedacht wurde, liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen geeigneten Wandler für mehrkreisige
mechanische Filter anzugeben. Von den beiden Wandlerarten, den magnetostriktiven
und den piezoelektrischen Wandlern, sind besonders die letzteren für ihren Einsatz
in mechanischen Miniaturfiltern wegen ihrer geringen Abmessungen sehr geeignet.
Es hat sich aber herausgestellt, daß piezoelektrische Wandler in Form von beispielsweise
aus Bariumtitanat hergestellten Röhrchen, auf deren inneren und äußeren Wandungen
leitende Überzüge galvanisch aufgebracht sind, einige schwerwiegende Nachteile aufweisen:
So zeigen diese Wandlerröhrchen einen geringen Koppelfaktor, eine Veränderung der
Eigenfrequenz durch Alterung sowie einen großen Temperaturkoeffizienten der Eigenfrequenz;
des weiteren lassen sich die Längen der Wandlerröhrchen wegen der gegenüber Stahl
geringeren Schallgeschwindigkeit in den meisten Keramikmaterialien nicht mit denen
der mit ihnen verkoppelten Metallresonatoren in übereinstimmung bringen; schließlich
treten beim Verschweißen der Koppeldrähte mit den Wandlerröhrchen infolge des sehr
dünnen galvanischen überzugs große Schwierigkeiten auf.
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Es sind auch elektromechanische Wandler bekanntgeworden, die aus einem
piezoelektrischen Resonatorteil bestehen, an dessen Endflächen je ein gleichzeitig
als Elektrode dienender metallischer Resonatorteil gleichen Querschnitts angebracht
ist. Dabei erfolgt die Verkopplung des Wandlers mit den nachfolgenden Resonatoren
über in die Metallteile des Wandlers gebohrte Koppelstäbe. Ein solches Wandler weist
jedoch einige Nachteile auf: Die beiden gleichzeitig als Anregungselektroden dienenden
Metallteile müssen elektrisch voneinander isoliert sein, sie dürfen also nicht gleichzeitig
mit nachfolgenden Metallresonatoren über Koppeldrähte in Verbindung stehen; weiterhin
weisen solche Wandlerkonstruktionen störende Nebenwellen auf; schließlich
können
der mechanische Eingangswiderstand und die Eingangskapazität kaum durch die Dimensionierung
des Wandlers in ihrem Wert beeinflußt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von der zuletzt beschriebenen
Wandlerkonstruktion, die wie die bekannten einkreisigen Filteranordnungen aus mehreren
Teilen besteht, einen elektromechanischen Wandler zu schaffen, der die angegebenen
Nachteile nicht aufweist und damit insbesondere zur Verwendung als Wandler in mechanischen
Miniaturfiltern geeignet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die beiden piezoelektrischen Resonatorteile entgegengesetzt zueinander polarisiert
sind, daß die beiden äußeren metallischen Resonatorteile gemeinsam an eine erste
und der mittlere metallische Resonatorteil an eine zweite Eingangs- oder Ausgangsklemme
zur Zuführung oder Abführung elektrischer Energie angeschlossen sind und daß Koppelelemente
zum Anschluß des Wandlers an weitere Metallresonatoren an den äußeren Resonatorteilen
befestigt sind.
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Es ist an sich bekannt, einen piezoelektrischen, Biegeschwingungen
ausführenden Wandler derart auszubilden, daß er aus zwei gleich oder entgegengesetzt
polarisierten Teilen besteht, die durch eine leitende Elektrodenschicht voneinander
getrennt sind und die je nach Art der Polarisation unterschiedlich angeregt werden
müssen. Diese Zwischenschicht dient jedoch lediglich der Potentialzuführung; sie
hat keinerlei mechanische Funktion und ist demgemäß von wesentlich geringerer Dicke
als die piezoelektrischen Resonatorteile.
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Dagegen besteht bei dem erfindungsgemäßen Wandler der mittlere Resonatorteil
zwischen den beiden piezoelektrischen Resonatorteilen aus metallischem Resonatormaterial,
vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die beiden an den Stirnflächen des Wandlers
angebrachten metallischen Resonatorteile; der erfindungsgemäß vorgesehene Zwischenteil
ist dabei von größerer Dicke als die der piezoelektrischen Resonatorteile. Zur Beeinflussung
der mechanischen Eingangsimpedanz des Wandlers hat es sich bei einem solchen erfindungsgemäßen
Wandler als besonders günstig erwiesen, den mittleren Resonatorteil in seinem Querschnitt
unterschiedlich gegenüber dem übrigen Wandlerquerschnitt auszubilden. Der Abstand
zwischen den beiden piezoelektrischen Resonatorteilen soll vorzugsweise etwa ein
Drittel der gesamten Wandlerlänge betragen; in diesem Fall wird eine Anregung der
zweiten und dritten Harmonischen vermieden.
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In der F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
elektromechanischen Wandlers dargestellt. Er besteht aus drei metallischen Resonatorteilen
1, 5 und 7 sowie aus zwei piezoelektrischen Resonatorteilen 4 und 6, die
zueinander entgegengesetzt vorpolarisiert sind. Diese piezoelektrischen Resonatorteile
4 und 6 bestehen vorzugsweise aus PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat), die sich
als alterungsbeständig erwiesen hat und nur einen geringen Temperaturkoeffizienten
der Eigenfrequenz aufweist. Die einzelnen Teile des Wandlers können miteinander
verlötet oder verklebt sein. Als besonders günstig hat sich eine Anglasung unter
Beimischung von Metallpulver erwiesen, wodurch eine ultraschallharte Verbindung
der einzelnen Teile miteinander erreicht wurde. Der mittlere Resonatorteil 5 weist
in der Zeichnung einen geringeren Querschnitt als die übrigen Resonatorteile auf.
Dadurch kann der mechanische Eingangswiderstand des Wandlers reduziert werden und
so eine starke mechanische Ankopplung an das Filter erzielt werden. Doch kann der
Querschnitt des mittleren Resonatorteils 5 selbstverständlich auch mit dem der übrigen
Resonatorteile übereinstimmen oder auch größer sein.
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Der Wandler ist über mit den äußeren metallischen Resonatorteilen
1 und 7 verschweißte Koppeldrähte 3 mit den nachfolgenden Metallresonatoren 2 verbunden,
von denen in der Zeichnung lediglich einer gestrichelt dargestellt wurde. Über diese
ist der metallische Resonatorteil 1 mit dem metallischen Resonatorteil 7 leitend
verbunden. Eine Anregung des Wandlers erfolgt demgemäß durch Anlegen eines entsprechenden
Feldes an die Klemmen E bzw. E'.
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Soll der erfindungsgemäße Wandler zu Longitudinalschwingungen erregt
werden, so müssen die beiden piezoelektrischen Resonatorteile 4 und 6 in Richtung
der Wandlerlängsachse zueinander entgegengesetzt vorpolarisiert sein, wie es durch
die Pfeile in F i g. 2 angedeutet ist. Soll der erfindungsgemäße Wandler dagegen
in Torsionalschwingungen erregt werden, so sind die beiden piezoelektrischen Resonatorteile
4 und 6 ringförmig auszubilden und in der in F i g. 3 gezeigten Weise in Richtung
des Umfangs zueinander entgegengesetzt vorzupolarisieren. Dabei können die metallischen
Resonatorteile 1, 5 und 7 ganz oder teilweise rohrförmig ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße
Wandler ist jedoch in seiner Schwingungsart nicht auf diese beiden Schwingungsformen
festgelegt.
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Die erfindungsgemäße Wandlerkonstruktion kann in ihrer Länge ungefähr
die gleichen Abmessungen haben, wie sie die nachfolgenden Metallresonatoren aufweisen,
obwohl die Schallgeschwindigkeit in der verwendeten piezoelektrischen Keramik wesentlich
geringer ist als die in den Metallresonatoren. Es muß jedoch dafür Sorge getragen
werden,-daß die einzelnen Metallteile in ihrem Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderung
an das der piezoelektrischen Resonatorteile angepaßt werden.
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Die--Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind zum einen die günstige
mechanische und elektrische Eingangsimpedanz und zum anderen die Nebenwellenunterdrückung.
Des weiteren wird über einen erfindungsgemäßen Wandler die Anregung der zweiten
und dritten Harmonischen vermieden, wenn bei der Gesamtlänge L des Wandlers die
Mittelebenen der piezoelektrischen Wandlerteile den Abstand 3 aufweisen.