DE1269743B - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES Mi9w^ PATENTAMT Int. α.:

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AUSLEGESCHRIFT

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 g - 34

P 12 69 743.7-35
2. November 1964
6.Juni 1968

Die Erfindung betrifft elektromechanische Filter, insbesondere solche, deren kreisscheibenfönnige piezoelektrische Eingangs- und Ausgangswandler auf ihren beiden Scheibenflächen mit Elektroden belegt und die miteinander über einen Kopplungsdraht verbunden sind.

Derartige Filter haben den Nachteil, daß Asymmetrien im Aufbau oder in der Materialstruktur der Wandler zu asymmetrischem Schwingungsverhalten der Wandler und damit zu Unregelmäßigkeiten in den Impedanzkurven der Filter Anlaß geben, worunter die Filtereigenschaften wie Bandbreite und Flankensteilheit leiden und wodurch die einzelnen Produkte bei Massenfertigung untereinander verschieden sind. Besonders Asymmetrien in der Kri-Stallstruktur der Wandler sind kaum auszuschalten, vornehmlich wenn auf rationelle Großserienfertigung der Wandler geachtet werden muß. Aber auch der Aufbau und die Anbringungsart des Kopplungsdrahtes und von zusätzlichen Resonatoren am Kopp- ao lungsdraht kann zu derartigen Störungen Anlaß geben.

Dieser für die Wirksamkeit der elektromechanischen Filter wesentliche Nachteil hat zu seiner Beseitigung bereits mehrere Lösungsversuche hervorgebracht.

Eine bekannte Lösung versucht die Unsymmetrien, die durch die Wandler bedingt sind, durch exakt symmetrische Resonatoren in Form von Kugelresonatoren auszuschalten. Dieser Aufbau ist umstände Hch und aufwendig, denn die Kugeln müssen zu dem Zweck an genau durch ihren Mittelpunkt verlaufenden Kopplungsgliedern aufgehängt sein.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein elektromechanisches Kleinstfilter, das für den Großserienbau geeignet ist, zu schaffen, in dem asymmetrische Schwingungen entweder nicht auftreten oder diese Schwingungen in ihrer Wirkung ausgeschaltet werden, um ein Filter mit exakt vorherbestimmbarer Bandbreite und Flankensteilheit zu bekommen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß jeder Wandler auf einer Scheibenseite diagonal vom Kopplungsdraht und auf der anderen Scheibenseite ebenfalls diagonal von einem zum Kopplungsdraht senkrecht gerichteten Querdraht überspannt ist. Durch die auf diese Weise gewonnene Punktsymmetrie werden durch das Kristallmaterial eventuell bedingte Unsymmetrien unterdrückt. Unsymmetrien im Aufbau des Filters sind nicht vorhanden.

Es ist bei als Biegeschwinger arbeitenden Kristallen zwar bereits bekannt, diese durch: kreuzweise über den Mittelpunkt geführte Stützleisten zu hal-Elektromechanisches Filter

Anmelder:

Kokusai Denki Kabushiki Kaisha,

Minato-Ku, Tokio (Japan)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

8000 München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Yoshihiro Ura, Machida-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 2. November 1963 (58 588, 58 589),
vom 28. Dezember 1963 (70 531)

tem, doch erfolgt diese Unterstützung zum Zweck der Unterteilung der Kristallplatte in mehrere entgegengesetzt schwingende Abschnitte, um den Kristall mit einer Oberschwingung betreiben zu können.

Zur Vervollkommnung der Punktsymmetrie ist es zweckmäßig, daß die Zuleitungsdrähte zu den Wandlern am Kopplungsdraht und an den Querdrähten in deren Kreuzungspunkt angebracht sind. Am Kopplungsdraht können zur Veränderung der Filtereigenschaften Resonatoren befestigt sein.

Aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung an Hand der Figuren der Zeichnung werden weitere Eigenschaften und Vorteile ersichtlich. Es zeigt

F i g. 1 einen piezoelektrischen Wandler, der bei der Erfindung Verwendung findet, wobei in den Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) der Wandler in Vorder-, Seiten- und Rückansicht dargestellt ist,

F i g. 2 charakteristische Kurven, die die Frequenzabhängigkeit der Impedanz zwischen den zwei Anschlüssen des in F i g. 1 dargestellten Wandlers zeigen,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Filter, wobei in den Fi g. 3 (A), 3 (B) und 3 (C) dessen Vorder-, Seiten- und Rückansicht dargestellt sind,

F i g. 4 die Schwingungscharakteristik eines kreisscheibenförmigen Wandlers, der in dem elektromechanischen Filter verwendet wird,

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F i g. 5 (A) und 5 (B) Ansichten von Ausführungs- zeichneten Filtereigenschaften und ohne die oben er-

formen des erfindungsgemäßen elektromechanischen wähnten Nachteile der konventionellen Filter erhal-

Filters, ten, wenn man den piezoelektrischen Wandler, wie

Fig. 6 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen er in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet. Diese Tatsache

elektromechanischen Filters und 5 wird in Verbindung mit den in den Fig. 3 und 5

Fig. 7(A) und 7(B) eine Draufsicht bzw. Seiten- dargestellten Beispielen ausführlich beschrieben,

ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles des er- Die in den F i g. 3 (A), 3 (B) und 3(C) gezeigten

findungsgemäßen elektromechanischen Filters. kreisscheibenförmigen piezoelektrischen Wandlern

Wie Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) zeigen, besteht ein OSC bestehen wiederum aus einer Scheibe 1 von piezoelektrischer Wandler OSC aus einer Kreis- io piezoelektrischem Material und Silberelektroden 2 scheibe 1, die aus piezoelektrischem Material herge- und 3, die auf die obere und untere Fläche der Scheistellt ist. Silberelektroden 2 und 3, die auf die obere be ζ. B. als Silberbelag aufgebracht worden sind. Die und untere Oberfläche der Kreisscheibe 1 z.B. als einzelnen Wandler sind durch einen Koppeldraht4α Silberbelag aufgebracht werden, und dünnen Dräh- gekoppelt, der entlang eines Durchmessers der Scheiten 4 und 5 aus einer Legierung mit konstanter EIa- 15 ben auf den oberen Elektroden 3 z. B. durch Löten stizität, die an der oberen bzw. unteren Elektrode 3 befestigt ist. Auf den Flächen der unteren Elektro- bzw. 2 z. B. durch Löten befestigt sind. Bevor die den 2 sind Metalldrähte 5 so befestigt, daß diese Drähte 4 und 5 angebracht werden, wird die mit den Drähte 5 zum Koppeldraht 4 a in rechtem Winkel Elektroden 2 und 3 versehene piezoelektrische Schei- stehen, wodurch unsymmetrische Schwingungen eines be 1 gewöhnlich durch Anlegen hoher Spannung po- 20 jeden piezoelektrischen Wandlers unterdrückt werlarisiert. Die Draht4 und 5 werden auf den jeweili- den, wie oben in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 gen Elektroden entlang eines Durchmessers ange- beschrieben. Da jeder der piezoelektrischen Wandler bracht, und zwar so, daß sie miteinander einen in radialer Richtung schwingt, wobei die Amplitude rechten Winkel einschließen. der Verschiebung vom Mittelpunkt entspricht, nimmt

Die Zweipolimpedanz eines kreisscheibenförmigen 25 die Abhängigkeit zwischen Amplitude und Verschiepiezoelektrischen Wandlers an seinen Anschlußklem- bung die in Fig. 4 dargestellte Form an, wobei am men zeigt gelegentlich durch asymmetrische Schwin- Rand des Oszillators ein Schwingungsbauch liegt und gungen des Wandlers verursachte Unregelmäßigkei- die Steigung der Amplitudenfunktion hier ein Miniten, die im Frequenzbereich zwischen der dem Reso- mum hat. Da in diesem Falle die Frequenz der nanzpunkt des Wandlers (Impedanzminimum) züge- 30 Schwingungen in radialerRichtung eines jeden Wandordneten Frequenz f_ml. und dem Frequenzwert f_mnx lers kaum durch dessen Dicke beeinflußt wird, ist liegen, der dem nachfolgenden Impedanzmaximum eine durch den Koppeldraht 4 a und den Draht 5 verzugeordnet ist. Die genannten Impedanzen werden ursachteÄnderung der Schwingungsfrequenz nur sehr von Dehnungs- und Kontraktionsschwingungen der klein. Mit den Oberschwingungen verhält es sich geWandler in radialer Richtung bestimmt, und sind 35 ^nauso.

durch die gestrichelte Kurve in Fig. 2 dargestellt. Wenn zwei piezoelektrische Wandler OSC von der-Wenn dagegen bei einem Aufbau der Wandler, wie selben Kreisscheibenform, wie in Fig. 3 gezeigt, er in den Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) dargestellt ist, durch einen Koppeldraht4a in geeignetem Abstand der obere und untere Draht 4 und 5 in einem rechten (ausgenommen den Abstand, der einer halben WeI-Winkel zueinander stehen, nimmt die charakteristi- 40 lenlänge entspricht) gekoppelt werden, erhält man sehe Kurve, die die Abhängigkeit der Impedanz zwi- ^ein elektromechanisches Filter des Typs mit zwei sehen den zwei Anschlußklemmen von der Frequenz Elementen. Mit einem solchen Aufbau des elektrodarstellt, eine Gestalt an, wie sie in Fig. 2 als aus- mechanischen Filters erreicht man folgende Vorteile: gezogene Kurve dargestellt ist. Hierbei sind uner- _a) Der Betrieb wird sehr stabil, weil an den Koppwünschte asymmetrische Schwingungen vollkommen 45 lungspunkten die Verbindung nicht mit Hilfe ausgeschaltet. Ihre Beseitigung beruht auf der Tat- _von Kunstharzklebern erfolgt.

sich kreuzenden Drähte 4 und 5 aufgehS werden ^S^Aät^SST^STZ Darüber hinaus kann in dem Ausfuhrungsbeispiel 50 Oszillators niedrig, wodurch eine breitbandige der Fi g. 1 em Einfluß der zusätzlichen Massen der übertragung ermöglicht wird. Zuleitungen 6 und 7 leicht vermieden werden, indem . _ " ., , „ , . , . ,. ... die Zuleitungen 6 und 7 jeweils im Mittelpunkt des ^c) ^Da unerwünschte Schwingungen durch die dunoberen bzw. des unteren Drahtes 4 bzw. 5 befestigt ^η5* Querdrahte 5 unterdrückt werden, kann ein werden ■;■; elektromechanisches Filter mit einheitlichen und Als elektromechanischer Wandler werden in kon- ausgezeichneten Eigenschaften leicht hergestellt ventionellen elektromechanischen Filtern sogenannte werden.

zusammengesetzte Wandler benutzt, deren jeder aus Das Ausführungsbeispiel der F i g. 5 betrifft ein einer piezoelektrischen Scheibe, an beiden Flächen mehrstufiges Filter, das zwei kreisscheibenförmige der Scheibe befestigten Metallelektroden und An- 60 Resonatoren la aufweist, die zwischen den zwei in schlußdrähten besteht, die mit den Elektroden z.B. Fig. 3 gezeigten kreisscheibenförmigen piezoelektridurch Lötung, Schweißung oder Schrauben verbun- sehen Wandlern OSC angebracht sind. Jeder der Reden sind. Bei diesen zusammengesetzten Wandlern sonatoren la ist aus Metall gefertigt und ist am Rand sind die Metallelektroden mit Epoxyharz an die pie- mit den Punkten α und b und im Zentrum mit dem zoelektrische Scheibe geklebt, so daß es schwierig ist, 65 Punkte am Koppeldraht4δ befestigt. In Versuchen an den Verbindungsstellen Instabilitäten zu vermei- hat sich gezeigt, daß die Befestigung im Mittelpunkt den, die auf Temperaturänderungen beruhen. Jedoch an einer wirkungsvollen Beseitigung von unerwünschkann man ein elektromechanisches Filter mit ausge- ten Schwingungen des Resonators ία teilhat.

In der F i g. 6 sind die Schaltbilder des Eingangsund Ausgangskreises an dem elektromechanischen Filter des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispieles gezeigt. In der Schaltung der F i g. 6 wird die Eingangsspannung von einer Signalquelle 8 auf der linken Seite des piezoelektrischen Wandlers OSC über einen Widerstand 9 und eine Abstimmspule 10 geliefert, wobei der Widerstand 9 und die Selbstinduktion 10 so ausgelegt sind, daß sie zusammen mit der inneren Kapazität des Wandlers OSC auf Resonanz abgestimmt sind. Von dem anderen piezoelektrischen Wandler OSC wird über eine Abstimmspule 11 und einen Abschlußwiderstand 12 eine Ausgangsspannung geliefert, wobei der Ausgangskreis unter Berücksichtigung der in ihm auftretenden Kapazitäten auf Resonanz abgestimmt ist.

In den Ausführungsbeispielen der F i g. 3, 5 und 6 werden kreisscheibenförmige piezoelektrische Wandler, die in radialer Richtung schwingen, verwendet und an Punkten in ihrer Randzone über einen Koppeldraht aneinandergekoppelt, so daß die Betriebseigenschaften sehr stabil werden. Da senkrecht zu dem Koppeldraht Metalldrähte an den Wandlern angebracht sind, werden darüber hinaus unerwünschte Schwingungen erfolgreich unterdrückt, so daß ein elektromechanisches Filter mit einheitlichen und ausgezeichneten Eigenschaften mit einfachen Mitteln hergestellt werden kann.

Der in F i g. 1 dargestellte piezoelektrische Wandler kann in einem elektromechanischen Filter verwendet werden, das in den Fig. 7(A) und 7(B) dargestellt ist. Dabei werden die kreisscheibenförmigen Wandler OSC, wie in Fig. 3 gezeigt, als an den Enden sitzende Wandler benutzt. Zwischen ihnen ist eine Anzahl von stabförmigen Resonatoren 13 angeordnet, die mit ihren Koppelpunkten an einen Koppeldraht 4 e angekoppelt sind, wobei der Koppeldraht an den Wandlern entlang ihrer Durchmesser angebracht ist.

Wenn in dem Filter nach Fig. 7 der Wandler OSC auf der Eingangsseite durch Anlegen einer Wechselspannung an die Anschlußklemmen 6 und 7 angeregt wird, schwingt er in radialer Richtung, so daß auch der Koppeldraht 4 e zu longitudinalen Schwingungen erregt wird, wodurch die an dem Koppeldraht 4 e angebrachten Resonatoren 13 Schwingungen um ihren Befestigungspunkt ausführen. Auf diese Weise wird eine Schwingung definierter Bandbreite über den Koppeldraht 4 e an die Ausgangsseite übertragen, wodurch der Wandler OSC an der Ausgangsseite mechanisch erregt wird und an die Ausgangsklemmen 6 und 7 eine elektrische Ausgangsspannung liefert. Die Wandler OSC sind an ihren Rückseiten jeweils mit dünnen Drähten 5 konstanter Elastizität versehen, die zum Koppeldraht 4 e rechtwinklig gerichtet sind, um so asymmetrische Schwingungen auszuschalten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Filter mit Dehnungsschwingungen ausführendem, kreisscheibenförmigem, piezoelektrischem Eingangs- und Ausgangswandler, die auf ihren beiden Scheibenflächen mit Elektroden belegt und miteinander über einen Kopplungsdraht verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (1) auf einer Scheibenseite diagonal vom Kopplungsdraht (4 a) und auf der anderen Scheibenseite ebenfalls diagonal von einem zum Kopplungsdraht (4 a) senkrecht gerichteten Querdraht (5) überspannt ist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsdrähte (6,7) zu den Wandlern (1) am Kopplungsdraht (4 a) und an den Querdrähten (S) in deren Kreuzungspunkt angebracht sind.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopplungsdraht (4 a) wenigstens ein Resonator (la, lö) angebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 955 267, 3105 208;
niederländische Patentschrift Nr. 27 556.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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