DE1203321B

DE1203321B - Electromechanical converter

Info

Publication number: DE1203321B
Application number: DES81418A
Authority: DE
Inventors: Karl Traub; Johann Magerl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-09-12
Filing date: 1962-09-12
Publication date: 1965-10-21
Also published as: DE1280988B; DE1203321C2; GB1073964A; FR1395158A; BE648207A; GB1073962A; NL144457B; NL6404357A; CH424010A; SE315052B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

H03hH03h

Deutsche Kl.: 21 a4 -10German class: 21 a4 -10

Nummer: 1203 321Number: 1203 321

Aktenzeichen: S 81418IX d/21 a4File number: S 81418IX d / 21 a4

Anmeldetag: 12. September 1962Filing date: September 12, 1962

Auslegetag: 21. Oktober 1965Opening day: October 21, 1965

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Biegeschwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwingungen und umgekehrt ausgebildet und vorzugsweise als Wandler eines mehrteiligen elektromechanischen Filters vorgesehen ist. Elektromechanische Schwinger werden häufig zum Aufbau von mechanischen Filtern verwendet, die beispielsweise als Kanalfilter in der Trägerfrequenztechnik eingesetzt werden, denn wegen ihrer hohen elektrischen Güte und ihrer kleinen Abmessungen eignen sie sich gut für Filter in selektiven Verstärkern und Oszillatoren. Für den Frequenzbereich unter 50 kHz erzielt man besonders mit Biegeschwingern günstige Abmessungen. Derartige Biegeschwinger bestehen in der Regel aus einem Stahlstab, auf dessen Oberfläche eine elektrostriktive Keramik aufgelötet ist. Die Schwingungsanregung erfolgt hierbei über den sogenannten transversalen Piezoeffekt, da die quer zur Richtung des elektrischen Feldes auftretenden Dehnungen bzw. Verkürzungen der elektrostriktiven Keramik eine Durchbiegung des Stahlstabes bewirken. Der Temperaturkoeffizient der Eigenfrequenz des elektrostriktiven Materials ist jedoch etwa um den Faktor 100 schlechter als der des Stahles. Auch die Güte des elektrostriktiven Materials ist erheblich kleiner als die Güte des Stahles, und zwar etwa um den Faktor 40. Die Temperaturkonstanz und die Güte eines derart aufgebauten Schwingers hängen daher sehr stark von dem gewählten Verhältnis ab, in dem das elektrostriktiv aktive Material und das elektrostriktiv inaktive Material zueinander stehen. Dieses Verhältnis bestimmt aber den elektromechanischen Kopplungsfaktor des Schwingers, da nur das elektrostriktiv aktive Material zur Umwandlung von elektrischen in mechanische Schwingungen beiträgt. So wird beispielsweise in Filterschaltungen mit mechanischen Schwingern die maximal erreichbare Bandbreite von diesem Kopplungsfaktor bestimmt. Man kann also bei einer vorgegebenen Filterbandbreite einen Mindestwert der Inkonstanz des Schwingers nicht unterschreiten. Weiterhin muß die durch das elektrostriktive Material gebildete Parallelkapazität wegen ihrer Temperaturabhängigkeit und ihres Verlustwinkels durch Zuschalten eines Kondensators verbessert werden. Diese Maßnahme bewirkt aber wiederum eine Verkleinerung des Kopplungsfaktors. Bei Biegeschwingern, deren Schwingungsanregung mittels des transversalen piezoelektrischen Effektes erfolgt, werden daher auf Grund dieser Elektromechanischer WandlerThe invention relates to a mechanical flexural oscillator, which by platelets made of electrostrictive Material to a transducer for the transition from electrical to mechanical vibrations Flexural vibrations and vice versa formed and preferably as a converter of a multi-part electromechanical Filters is provided. Electromechanical transducers are often used to build mechanical filters are used, which are used, for example, as channel filters in carrier frequency technology because they are suitable because of their high electrical quality and their small dimensions good for filters in selective amplifiers and oscillators. Achieved for the frequency range below 50 kHz one particularly favorable dimensions with flexible oscillators. Such flexural oscillators exist in usually made of a steel rod, on the surface of which an electrostrictive ceramic is soldered. the Vibration excitation takes place here via the so-called transverse piezo effect, since the transverse to the Direction of the electric field occurring expansions or shortening of the electrostrictive Ceramic cause the steel rod to bend. The temperature coefficient of the natural frequency of the electrostrictive material is, however, about a factor of 100 worse than that of steel. Even the quality of the electrostrictive material is considerably lower than the quality of steel, namely about by a factor of 40. The temperature constancy and the quality of an oscillator constructed in this way depend therefore very much on the selected ratio in which the electrostrictively active material and the Electrostrictively inactive material are related to each other. However, this ratio determines the electromechanical one Coupling factor of the transducer, since only the electrostrictively active material is used for conversion from electrical to mechanical vibrations. For example, in filter circuits with mechanical oscillators the maximum achievable bandwidth of this coupling factor certainly. You can therefore set a minimum value for a given filter bandwidth do not fall below the inconsistency of the oscillator. Furthermore, the electrostrictive Parallel capacitance formed by the material because of its temperature dependence and its loss angle can be improved by connecting a capacitor. However, this measure causes again a reduction in the coupling factor. With flexural vibrators, their vibration excitation by means of the transverse piezoelectric Effect takes place, are therefore due to this electromechanical converter

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,Berlin and Munich,

München 2, Wittelsbacherplatz 2Munich 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Karl Traub,Karl Traub,

Johann Magerl, MünchenJohann Magerl, Munich

nachteiligen Eigenschaften die Verwendungsmöglichkeiten erheblich eingeengt.disadvantageous properties significantly narrowed the possibilities of use.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Mängel weitgehend zu vermeiden. The invention is based on the object of largely avoiding the above-mentioned deficiencies.

Ausgehend von einem mechanischen Biegeschwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwingungen und umgekehrt ausgebildet und vorzugsweise als Wandler eines mehrteiligen elektromechanischen Filters vorgesehen ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens je ein Plättchen mit zumindest näherungsweise senkrecht zur Längsachse des Biegeschwingers orientierter Plättchenebene und vorzugsweise innerhalb des durch zwei benachbarte Schwingungsknoten begrenzten Bereiches zu beiden Seiten der neutralen Faser des Biegeschwingers angeordnet ist, und daß diese vorzugsweise in einer Querschnittsebene des Biegeschwingers liegenden Plättchen in einer zur Plättchenebene senkrechten Richtung entgegengesetzt polarisiert sind.
Zur Bildung eines elektrischen Vierpols werdenStarting from a mechanical flexural oscillator, which is formed by platelets made of electrostrictive material to a transducer for the transition from electrical oscillations to mechanical flexural oscillations and vice versa and is preferably provided as a transducer of a multi-part electromechanical filter, this object is achieved according to the invention in that at least one platelet each is arranged with at least approximately perpendicular to the longitudinal axis of the flexural vibrator and preferably within the area delimited by two adjacent vibration nodes on both sides of the neutral fiber of the flexural oscillator, and that these platelets, preferably lying in a cross-sectional plane of the flexural oscillator, polarize in opposite directions in a direction perpendicular to the platelet plane are.
To form an electrical quadrupole

4.0 zwei Anregungssysteme vorzugsweise symmetrisch zu beiden Seiten des Ortes maximaler Auslenkung des Biegeschwingers angeordnet.4.0 two excitation systems preferably symmetrical on both sides of the location of maximum deflection of the oscillating vibrator arranged.

Eine für die Praxis günstige Ausführungsform ist dann gegeben, wenn die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen je durch eine metallische Schicht, vorzugsweise eine Silberschicht, unterteilt sind, die parallel zu den durch Länge und Breite des Plättchens festgelegten Begrenzungsflächen verläuft, und wenn diese leitenden Schichten mit Anschlußdrähten versehen sind. Hierbei kann die Polarisation der unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen in bezug auf die Polarisation derAn embodiment which is favorable in practice is given when it is made of electrostrictive material existing platelets each divided by a metallic layer, preferably a silver layer which runs parallel to the boundary surfaces defined by the length and width of the plate, and if these are conductive layers are provided with connecting wires. Here, the polarization of the one below the neutral fiber can be used Platelets with respect to the polarization of the

509 718/168509 718/168

3 43 4

oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen das oberhalb der neutralen Faser liegende Plättderart gewählt sein, daß die Ausgangsspannung in chen 3 unter dem Einfluß des elektrischen Feldes Phase mit der anregenden Spannung ist, oder auch aus, während sich das unterhalb der neutralen Faser so, daß die Ausgangsspannung in Gegenphase mit liegende Plättchen 4 unter dem Einfluß des elekder anregenden Spannung ist. 5 trischen Feldes zusammenzieht. Dadurch wird derThe platelet lying above the neutral fiber is the type of platelet lying above the neutral fiber be chosen that the output voltage in Chen 3 is under the influence of the electric field Phase with the exciting voltage is, or even off, while that is below the neutral fiber so that the output voltage is in phase opposition with lying platelets 4 under the influence of the elekder exciting voltage is. 5 tric field contracts. This will make the

Als Schwingermaterial wird vorteilhafterweise Schwinger — wie in der F i g. 2 dargestellt — entStahl oder Quarzglas verwendet, wobei es für die sprechend den für die elastische Linie gültigen GeFertigungstechnik günstig ist, den Schwingern ran- setzen durchgebogen. Wenn sich die Polarität der anden oder rechteckigen Querschnitt zu geben. gelegten Wechselspannung umkehrt, zieht sich dasThe oscillator material is advantageously oscillator - as shown in FIG. 2 shown - entStahl or quartz glass is used, whereby it corresponds to the manufacturing technology applicable to the elastic line is favorable, the oscillators are bent around. If the polarity of the andes or rectangular cross-section. applied alternating voltage reverses, the pulls

Weiterhin kann der erfindungsgemäße elektro- io Plättchen 3 zusammen, während sich das Plättmechanische Wandler zur Anregung eines Stimm- chen 4 ausdehnt, so daß sich der Schwinger in der gabelresonators verwendet werden, bei dem wenig- entgegengesetzten Richtung durchbiegt. Der Schwinstens in einem Stimmgabelarm längs der neutralen ger führt somit Biegeschwingungen im Takt der anFaser unterteilte, entgegengesetzt polarisierte Platt- gelegten Wechselspannung aus, und zwar symmechen aus einem elektrostriktiven Material angeordnet 15 trisch zu einer durch die Schwingungsknoten 7 sind. Bei Verwendung je eines Anregungssystems in und 8 festgelegten Ebene. Um die Anregung stöbeiden Stimmgabelarmen kann die Polarisation der render Schwingungen zu vermeiden, sind die Keelektrostriktiven Plättchen ebenfalls derart gewählt ramikplättchen 3 und 4 entlang der neutralen sein, daß die Ausgangsspannung in Phase mit der Faser 13 derart unterteilt, daß der Spalt S entsteht, anregenden Spannung ist, oder umgekehrt. ao Diese Maßnahme ist deshalb erforderlich, weil dieFurthermore, the electronic plate 3 according to the invention can be put together while the plate-mechanical transducer expands to excite a small voice 4, so that the oscillator in the fork resonator deflects in the slightly opposite direction. The Schwinstens in a tuning fork arm along the neutral ger thus executes flexural vibrations in time with the alternating voltage divided on the fiber, oppositely polarized, and specifically arranged symmetrically from an electrostrictive material to one through which the vibration nodes 7 are. When using one excitation system each in and 8 fixed levels. In order to avoid the excitation of both tuning fork arms, the polarization of the rendered vibrations are also chosen so that the electrical plates 3 and 4 along the neutral one are divided so that the output voltage is divided into phase with the fiber 13 in such a way that the gap S is created, the exciting voltage is, or vice versa. ao This measure is necessary because the

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von in Richtung der Stabachse wirkenden Kräfte an derThe invention is based on forces acting in the direction of the rod axis on the

Ausführungsbeispielen näher erläutert. neutralen Faser ihr Vorzeichen umkehren. Wie derEmbodiments explained in more detail. neutral fiber reverse its sign. Again

In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer mecha- Fig. 2 zu entnehmen ist, stimmen die durch das nischer Biegeschwinger dargestellt, der aus den elektrische Wechselfeld erzeugten Dehnungen bzw. quaderförmigen Stahlteilen 1 und 2 besteht, die 25 Verkürzungen der elektrostriktiven Plättchen 3 über die Plättchen 3 und 4 aus einem elektrostrik- und 4 mit der Richtung der bei der Biegung auftiven Material beispielsweise durch Lötung fest mit- tretenden Zug- und Druckkräfte überein, so daß einander verbunden sind. Das elektrostriktive Ma- die Schwingungsanregung über den sogenannten terial ist hierbei derart im Querschnitt des Schwin- longitudinalen Piezoeffekt erfolgt. Wegen der durch gers angeordnet, daß zwischen den Plättchen 3 30 die Poissonsche Zahl festgelegten Verkettung der und 4 längs der neutralen Faser 13 ein Spalt S ver- Längsdehnung mit der Querkontraktion läßt sich bleibt. Als elektrostriktiv aktives Material wird vor- durch die Ausnutzung des longitudinalen Piezoteilhafterweise eine Bleikeramik (Bleizirkonat) ver- effektes gegenüber einem vergleichbaren, über den wendet, wie sie z. B. unter dem Handesnamen transversalen Piezoeffekt angeregten Schwinger ein PZT 6 bekannt ist. Diese Keramik eignet sich hier- 35 etwa dreimal größerer Kopplungsfaktor erreichen, für deshalb besonders gut, weil ihr Curiepunkt über bzw. ist zur Erzielung des gleichen Kopplungsfak-300° C liegt und somit eine den Keramikplättchen tors eine etwa um das Quadrat der Poissonschen aufgeprägte Polarisation durch den Lötvorgang zur Zahl geringere Menge elektrostriktiven Materials erVerbindung der Stahlteile mit den Keramikplätt- forderlich, wodurch sich eine erhebliche Verbessechen nicht mehr beeinträchtigt wird. Um eine ein- 40 rung der Temperaturkonstanz und der Güte des wandfreie Lötung sicherzustellen, ist es erforderlich, Schwingers ergibt. Da sich auch die Flächen, an die Keramikplättchen 3 und 4 auf der den Stahl- denen elektrostriktives Material und Stahl zusamteilen zugewandten Seite mit einer Silberschicht zu menstoßen, gegenüber einem vergleichbaren über versehen, die in der üblichen Weise z. B. durch Auf- den transversalen Effekt angeregten Schwinger dampfen im Vakuum aufgebracht sein kann. Diese 45 wesentlich verkleinern vermindert sich auch der Silberschichten dienen dann gleichzeitig als Elektro- störende Einfluß, den die Lötschicht auf die Konden zum Anlegen der Polarisationsspannung an die stanz des Schwingers ausübt. In einfacher Weise Keramikplättchen. Die Richtung der den Keramik- kann der Kopplungsfaktor auch dadurch beeinflußt plättchen aufgeprägten Polarisation ist bei dem in werden, daß die Keramikplättchen 3 und 4 gegender F i g. 1 dargestellten Schwinger durch die Pfeile 5 50 über der Schwingerachse nicht exakt in einem Win- und 6 angedeutet. In den Schwingungsknoten 7 kel von 90°, sondern in einem von diesem Wert und 8 sind dünne Anschlußdrähte 9 und 10 zur Zu- abweichenden Winkel angeordnet werden,
führung der Wechselspannung U angelötet. Weiter- Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Anhin sind in den Schwingungsknoten dünne Drähte regungssystems ist in der Fig. 3 dargestellt. Hierbei 11 und 12 befestigt, die der Übertragung der Biege- 55 setzt sich der Schwinger aus den Stahlteilen 14, 15 Schwingung auf weitere mechanische Resonatoren und 16 zusammen, die mit den elektrostriktiven oder der Verankerung des Schwingers in einem Plättchen 17, 18, 19 und 20 fest verlötet sind. Zur nicht dargestellten Gehäuse dienen. Halterang des Systems in einem Gehäuse sind die inIn Fig. 1, an inventive mecha- Fig. 2 can be seen, are correct represented by the Nischer flexural oscillator, which consists of the electrical alternating field expansions or cuboid steel parts 1 and 2, the 25 shortening of the electrostrictive plate 3 over the Platelets 3 and 4 made of an electrostric and 4 coincide with the direction of the tensile and compressive forces that are firmly applied during bending, for example by soldering, so that they are connected to one another. The electrostrictive vibration excitation via the so-called material is carried out in this way in the cross-section of the vibration longitudinal piezo effect. Because of the arrangement by Gers that between the platelets 3 30, the Poisson's number is fixed, the linkage of the and 4 along the neutral fiber 13, a gap S can remain. As an electrostrictively active material, a lead ceramic (lead zirconate) is advantageously used as a result of the utilization of the longitudinal piezo B. under the trade name transverse piezo effect excited oscillator a PZT 6 is known. This ceramic is suitable for achieving a coupling factor that is about three times greater, and is particularly good because its Curie point is above or is above 300 ° C to achieve the same coupling factor, and thus a polarization that is approximately the square of Poisson's applied to the ceramic platelets Due to the soldering process, the amount of electrostrictive material required to connect the steel parts to the ceramic plate is reduced, which means that a considerable improvement is no longer impaired. In order to ensure a constant temperature and the quality of the flawless soldering, it is necessary to use an oscillator. Since the surfaces on the ceramic platelets 3 and 4 on the side facing the steel which electrostrictive material and steel share together with a silver layer are provided, compared to a comparable one, which is used in the usual way, for example. B. by the transversal effect excited vibrator can be applied in a vacuum. The silver layers then simultaneously serve as an electro-disruptive influence which the solder layer exerts on the condensers to apply the polarization voltage to the punch of the oscillator. In a simple way ceramic plates. The direction of the ceramic platelets, the coupling factor can also be influenced by the applied polarization is in that the ceramic platelets 3 and 4 against FIG. The oscillator shown in FIG. 1 is not indicated exactly in a wind and 6 by the arrows 5 50 above the oscillator axis. In the oscillation node 7 angle of 90 °, but in one of this value and 8, thin connecting wires 9 and 10 are arranged for the angle deviating from
Leading the alternating voltage U soldered on. Further, a further development of the invention are thin wires excitation system in the vibration nodes is shown in FIG. Here 11 and 12 attached, the transmission of the bending 55 the oscillator is composed of the steel parts 14, 15 oscillation to further mechanical resonators 16 and 16, which with the electrostrictive or the anchoring of the oscillator in a plate 17, 18, 19 and 20 are firmly soldered. To serve not shown housing. The system is held in a housing in

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht in Längsrichtung den Schwingungsknoten befestigten Drähte 11 und2 shows a view in the longitudinal direction of the wires 11 and attached to the nodes

des in der Fig. 1 dargestellten Schwingers, und 60 12 vorgesehen. Die Schwingungsanregung erfolgt inof the oscillator shown in FIG. 1, and 60 12 are provided. The vibration excitation takes place in

zwar für den Fall, daß an die Stahlteile 1 und 2 der bereits beschriebenen Weise durch Anlegen einerin the event that the steel parts 1 and 2 of the manner already described by applying a

über die in den Schwingungsknoten 7 und 8 be- elektrischen Wechselspannung U_e an die Stahlteile Via the electrical alternating voltage U _e in the oscillation nodes 7 and 8 to the steel parts

befestigten Zuführungsleitungen 9 und 10 eine 14 und 15. Andererseits werden auf Grand derattached supply lines 9 and 10 a 14 and 15. On the other hand, on Grand the

Wechselspannung U angelegt ist, deren Frequenz Biegeschwingungen des Stabes die elektrostriktivenAC voltage U is applied, the frequency of which is the electrostrictive bending vibrations of the rod

zumindest näherungsweise mit der Eigenfrequenz des 65 Plättchen 19 und 20 gedehnt bzw. verkürzt, so daßat least approximately with the natural frequency of the 65 plates 19 and 20 stretched or shortened, so that

Schwingers übereinstimmt. Entsprechend der den wegen des Piezoeffektes zwischen den Stahlteilen 15Schwingers matches. According to the due to the piezo effect between the steel parts 15

elektrostriktiven Plättchen aufgeprägten, durch die und 16 eine Wechselspannung U_a entsteht, die dannimpressed electrostrictive platelets, through which and 16 an alternating voltage U _a is produced, which then

Pfeile 5 und 6 angedeuteten Polarisation dehnt sich über die Drähte 23 und 24 abgenommen werdenArrows 5 and 6 indicated polarization expands over the wires 23 and 24 are removed

kann. Da die Zuführungsdrähte 22 und 23 am Mittelteil 15 des Schwingers, also an dem Teil mit der größten Durchbiegung, befestigt werden müssen, ist es zweckmäßig, vor allem für diese beiden Zuführungsdrähte, die auch in einem gemeinsamen Draht zusammengefaßt werden können, flexible und sehr leichte Drähte zu verwenden, die wegen ihrer geringen Masse die Biegeschwingungen des Resonators nicht beeinflussen.can. Since the lead wires 22 and 23 on the middle part 15 of the transducer, so on the part with the greatest deflection, it is useful, especially for these two feed wires, which can also be combined in a common wire, to use flexible and very light wires because of their low mass does not affect the flexural vibrations of the resonator.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 kann zur Schwingungsanregung ein elektrostriktives Material verwendet werden, dessen Curiepunkt unterhalb der Löttemperatur liegt. Ein derartiges Material ist z. B. das bekannte Calzium-Barium-Titanat. Der Schwinger setzt sich aus den Stahlteilen 25 und 26, sowie aus den elektrostriktiven Plättchen 27, 28, 29 und 30 zusammen. Das elektrostriktiv aktive Material ist derart im Querschnitt des Schwingers angeordnet, daß entlang der neutralen Faser ein Spalt S verbleibt. Die Plättchen 27 und 28 sowie die Plättchen 29 und 30 sind zu beiden Seiten von elektrisch leitenden Schichten 31 und 31' angeordnet, die vorzugsweise aus Silber bestehen, und die in der üblichen Weise aufgedampft sind. In den Schwingungsknoten sind die Zuführungsdrähte 32 und 33 befestigt, die bei entsprechend starker Ausbildung vorteilhaft gleichzeitig zur Verankerung des Schwingers in einem in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassenen Gehäuse dienen können. Die Silberschichten 31 und 31' sind mit weiteren Zuführungsdrähten 34 und 35 versehen. Durch Aufteilung des elektrostriktiven Materials durch die Silberbeläge 31 und 31' entsteht ein Vierpol entsprechend der Anordnung nach Fig. 3. Es ist jedoch bei der Anordnung nach Fig. 4, wie ohne weiteres ersichtlich, möglich, die Polarisationsspannung erst dann anzulegen, wenn die einzelnen Bestandteile des Schwingers bereits miteinander verlötet sind, so daß auch, wie gesagt, Materialien verwendet werden können, deren Curietemperatur niedriger als die erforderliche Löttemperatur ist.In the embodiment of FIG. 4, an electrostrictive material can be used to excite vibrations, the Curie point of which is below the soldering temperature. Such a material is e.g. B. the well-known calcium barium titanate. The transducer is made up of steel parts 25 and 26 as well as electrostrictive plates 27, 28, 29 and 30. The electrostrictively active material is arranged in the cross section of the oscillator in such a way that a gap S remains along the neutral fiber. The platelets 27 and 28 and the platelets 29 and 30 are arranged on both sides of electrically conductive layers 31 and 31 ', which preferably consist of silver and which are vapor-deposited in the usual way. The feed wires 32 and 33 are fastened in the oscillation nodes and, given a correspondingly strong design, can advantageously simultaneously serve to anchor the oscillator in a housing omitted from the drawing for the sake of clarity. The silver layers 31 and 31 'are provided with further lead wires 34 and 35. By dividing the electrostrictive material by the silver coatings 31 and 31 ', a quadrupole is created corresponding to the arrangement according to FIG. 3. However, in the arrangement according to FIG Components of the oscillator are already soldered together, so that, as said, materials can be used whose Curie temperature is lower than the required soldering temperature.

Die Fig. 5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in der F i g. 4 dargestellten Biegungsschwingers, wenn die Polarisationsrichtung der elektrostriktiven Plättchen in der durch die Pfeile 36, 36', 37 und 37' angedeuteten Weise angenommen wird. Werden die Zuführungsdrähte 34 und 35 zusammengefaßt und an den einen Pol der Spannungsquelle gelegt, und die Zuführungsdrähte 32 und 33 zusammengefaßt und an den anderen Pol der Spannungsquelle gelegt, dann ergibt sich das Ersatzschaltbild eines Serienschwingkreises mit der Induktivität L, der Kapazität C und einem ohmschen Verlustwiderstand R, denen eine Kapazität C_p parallel geschaltet ist.FIG. 5 shows the electrical equivalent circuit diagram of the circuit shown in FIG. 4 when the direction of polarization of the electrostrictive platelets is assumed in the manner indicated by the arrows 36, 36 ', 37 and 37'. If the supply wires 34 and 35 are combined and placed on one pole of the voltage source, and the supply wires 32 and 33 are combined and placed on the other pole of the voltage source, the result is the equivalent circuit diagram of a series resonant circuit with inductance L, capacitance C and an ohmic one Loss resistance R, to which a capacitance C _p is connected in parallel.

Wenn der Schwinger in Verbindung mit Geräten betrieben wird, deren Eingangs- bzw. Ausgangswiderstände verhältnismäßig hochohmig sind, werden nur der Anschlußdraht 34 mit dem einen Pol der Spannungsquelle und der Anschlußdraht 35 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden. Wenn hierbei die Polarisationsrichtung in der durch das Pfeilpaar 37 und 37' und das Pfeilpaar 38 und 38' angedeuteten Weise angenommen wird, dann ergibt sich das in der F i g. 6 dargestellte Ersatzschaltbild, das wiederum aus einem verlustbehafteten Serienschwingkreis besteht, dem eine Kapazität parallel geschaltet ist. Jedoch sind bei dieser Schaltung die Widerstandswerte des Serienschwingkreises um den Faktor 4 gegenüber dem in der F i g. 5 gezeichneten Ersatzschaltbild größer, so daß der Serienschwingkreis aus einer Induktivität 4L, einer Kapazität C/4 und einem ohmschen Verlustwiderstand 4 R besteht. Die Parallelkapazität hat den Wert C₁₁IA. Die Güte eines derart geschalteten Schwingers verändert sich hierbei nicht, da für die Güte lediglich das Verhältnis von Blindwiderstand zuIf the oscillator is operated in conjunction with devices whose input and output resistances are relatively high, only the connecting wire 34 is connected to one pole of the voltage source and the connecting wire 35 is connected to the other pole of the voltage source. If the direction of polarization is assumed in the manner indicated by the pair of arrows 37 and 37 'and the pair of arrows 38 and 38', then this results in FIG. 6 shown equivalent circuit, which in turn consists of a lossy series resonant circuit to which a capacitor is connected in parallel. However, in this circuit, the resistance values of the series resonant circuit are a factor of 4 compared to that in FIG. 5 equivalent circuit diagram drawn larger, so that the series resonant circuit comprising an inductance 4L, a capacity C / 4 and an ohmic loss resistance R is 4. The parallel capacitance has the value C ₁₁ IA. The quality of an oscillator switched in this way does not change here, since only the ratio of reactance to for the quality

ίο Verlustwiderstand maßgebend ist. Durch diese Art der Schaltung können die in derartigen Fällen erforderlichen Anpassungsübertrager entfallen.ίο loss resistance is decisive. Through this way the circuit, the matching transformers required in such cases can be omitted.

Der in der Fig. 4 dargestellte Schwinger läßt sich auch als elektrischer Vierpol betreiben. Das entsprechende elektrische Ersatzschaltbild ist in der Fig. 7 gezeichnet. Hierzu werden die Anschlußdrähte 32 und 33 miteinander verbunden. Der eine Pol der anregenden Spannung ist an den der Silberschicht 31 zugeordneten Anschlußdraht 34 anzuschließen, während der andere Pol an die zwisehen den Punkten 32 und 33 liegende Verbindungsleitung anzuschließen ist. Die Ausgangsspannung kann von dem der Silberschicht 31' zugeordneten Anschlußdraht 35 und der zwischen den Punkten 32 und 33 liegenden Verbindungsleitung abgenommen werden. Legt man die in der Fig. 4 durch die Pfeile 36, 36', 37 und 37' angedeutete Polarisation zugrunde, dann ergibt sich ein Ersatzschaltbild mit einer Eingangsquerkapazität C_p/2, einem Längsserienschwingkreis mit der Induktivität 4L, der Kapazität C/4 und dem Verlustwiderstand 4 R und einer am Ausgang liegenden Querkapazität Cp/2. Zwischen der Ausgangsquerkapazität und dem Längsserienkreis liegt ein idealer Übertrager 39 mit dem Übersetzungsverhältnis 1: — 1, was lediglich bedeutet, daß bei der .Resonanzfrequenz des Schwingers die Ausgangsspannung in Gegenphase zur Ein-The oscillator shown in FIG. 4 can also be operated as an electrical quadrupole. The corresponding electrical equivalent circuit diagram is shown in FIG. For this purpose, the connecting wires 32 and 33 are connected to one another. One pole of the exciting voltage is to be connected to the connecting wire 34 assigned to the silver layer 31, while the other pole is to be connected to the connecting line lying between the points 32 and 33. The output voltage can be taken from the connecting wire 35 assigned to the silver layer 31 'and from the connecting line lying between the points 32 and 33. Taking the in Fig. 4 by the arrows 36, 36 ', 37 and 37' indicated polarization basis, then there is an equivalent circuit having an input shunt capacitance C _p / 2, a longitudinal series resonant circuit with the inductance 4L, the capacity C / 4 and the loss resistance 4 R and a transverse capacitance Cp / 2 at the output. Between the output transverse capacitance and the series circuit there is an ideal transformer 39 with a transmission ratio of 1: -1, which only means that at the resonance frequency of the oscillator, the output voltage is in phase opposition to the input

. gangsspannung ist. Wählt man jedoch die Polarisation der zu beiden Seiten der neutralen Faser liegenden elektrostriktiven Plättchen gleich (in der F i g. 4 durch das gestrichelt gezeichnete Pfeilpaar 38 und 38' und das Pfeilpaar 37 und 37' angedeutet), dann fällt im Ersatzschaltbild der Fig. 7 der ideale Übertrager 39 fort, und die Klemmen 40 und 41 sind durchzuverbinden. Bei einer derart gewählten Polarisation der elektrostriktiven Keramik sind Eingangs- und Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz des Schwingers genau in Phase.. output voltage is. However, if you choose the polarization the electrostrictive platelets lying on both sides of the neutral fiber are the same (in FIG. 4 indicated by the dashed pair of arrows 38 and 38 'and the pair of arrows 37 and 37'), then In the equivalent circuit diagram in FIG. 7, the ideal transformer 39 and the terminals 40 and 41 are omitted are to be connected through. If the polarization of the electrostrictive ceramic is chosen in this way, input and output voltage at the resonant frequency of the vibrator exactly in phase.

Die zur Gewinnung der Ersatzschaltbilder nach den Fig. 5 bis 7 angestellten Überlegungen gelten in analoger Weise auch für den in der Fig. 3 dargestellten Biegungsschwinger, der je nach den praktischen Erfordernissen als Zweipol oder als Vierpol zu betreiben ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Polarisation der elektrostriktiven Plättchen 19 und 20 gleich oder entgegengesetzt sein mit der Polarisation der Plättchen 17 und 18. Wesentlich ist hierbei nur, daß die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den am gleichen Ort unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind.The considerations made for obtaining the equivalent circuit diagrams according to FIGS. 5 to 7 apply in an analogous manner for the flexural oscillator shown in FIG. 3, which depending on the practical Must be operated as a two-pole or four-pole. Also in this embodiment The polarization of the electrostrictive plates 19 and 20 can be the same or opposite be with the polarization of the platelets 17 and 18. It is only essential that the one above the neutral Fiber lying platelets opposite to those in the same place below the neutral fiber lying platelets are polarized.

Ordnet man beim Ausführungsbeispiel der F i g. 3 die elektrostriktiven Plättchen unsymmetrisch zum Ort maximaler Auslenkung an und gibt den Pläjtchen 19 und 20 eine von den Plättchen 17 und 18 unterschiedliche Dicke, dann ergibt sich im Ersatzschaltbild der Fig. 7 je nach der Zuordnung der Polarisation ein idealer Übertrager mit dem Über-If in the embodiment of FIG. 3 the electrostrictive platelets asymmetrical to the Place of maximum deflection and gives the platelets 19 and 20 one of the platelets 17 and 18 different thickness then results in the equivalent circuit diagram of FIG. 7 depending on the assignment of the Polarization an ideal transformer with the

Setzungsverhältnis l:w bzw. 1:—it. Dabei werden dann auch die Eingangs- und Ausgangsquerkapazitäten unterschiedlich groß, jedoch entspricht ihre Summe der ersatzschaltbildmäßigen Gesamtquerkapazität. Settlement ratio l: w or 1: -it. Be there then also the input and output transverse capacities of different sizes, but theirs corresponds Sum of the total cross capacitance according to the equivalent circuit diagram.

Bei den Ausführungsbeispielen der F i g. 1 bis 4 wurde als Resonatormaterial Stahl mit rechteckigem Querschnitt angenommen. Praktisch die gleichen elektrischen Verhältnisse ergeben sich auch dann, wenn das Resonatormaterial aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit hoher Güte, wie z.B. Quarzglas, besteht, und auch dann, wenn die Resonatoren kreisförmigen Querschnitt aufweisen.In the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 4 was chosen as the resonator material steel with rectangular Cross-section assumed. Practically the same electrical conditions also result when if the resonator material is made of an electrically non-conductive material with a high quality, e.g. Quartz glass, is made, and also when the resonators have a circular cross-section.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in der F i g. 8 ein Stimmgabelresonator dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Anregungssystem verwendet ist. Ein derartiger Resonator wird mit Vorteil bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen verwendet, weil dann die erheblich größere Länge eines stabförmigen Biegeschwingers gleicher Frequenz ao unter Umständen störend ist. Da im Fußpunkt der Stimmgabel außerdem ein Punkt vorhanden ist, an dem praktisch keine Bewegungen auftreten, kann die Gabel in diesem Punkt außerordentlich starr in einem Gehäuse befestigt werden. Im Querschnitt der aus Stahl bestehenden Stimmgabelarme 45 und 46 sind dünne Plättchen 47, 48, 49 und 50 aus einem elektrostriktiven Material derart eingebracht, daß entlang der neutralen Faser die Spalte S und S' verbleiben. An den Stimmgabelarmen sind Zuführungsdrähte 51, 52, 53 und 54 zum Anlegen einer elektrischen Spannung befestigt. Die Polarisation der einzelnen Plättchen ist wiederum so gewählt, daß jeweils die zu beiden Seiten der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt polarisiert sind, wie es durch das Pfeilpaar 55 und 56 bzw. durch das Pfeilpaar 57 und 58 angedeutet ist. Dadurch führen die Stimmgabelarme beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung beispielsweise an die Anschlußpunkte 51 und 52 ausgeprägte Biegeschwingungen aus, und zwar symmetrisch zur Mittellinie 59. Im Ruhepunkt des Stimmgabelfußes, d.h. also in dem Punkt, in dem praktisch keine Bewegungen auftreten, ist ein Haltedraht 60 vorgesehen, der der Verankerung des Stimmgabelresonators in einem nicht dargestellten Gehäuse dient. Je nach der Art der verwendeten elektrostriktiven Keramik können die Plättchen 47 bis 50 (wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 4) durch eine elektrisch leitende Schicht unterteilt sein. Wird der Stimmgabelresonator lediglieh als Zweipol betrieben, dann kann eines der beiden Anregungssysteme fortfallen. Wird der Resonator als Vierpol betrieben, dann kann an den Klemmen 53 und 54 die Ausgangsspannung abgenommen werden, wenn die Eingangsspannung an den Klemmen 51 und 52 liegt. Je nach der Zuordnung der Polarisation der im Stimmgabelarm 46 eingebrachten Plättchen in bezug auf die Polarisation der im Stimmgabelarm 45 angeordneten elektrostriktiven Plättchen läßt sich erreichen, daß die Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz der Gabel entweder in Phase oder in Gegenphase zur Eingangsspannung ist. In a further development of the inventive concept, FIG. 8 shows a tuning fork resonator in which the excitation system according to the invention is used. Such a resonator is used with advantage at relatively low frequencies, because then the considerably greater length of a rod-shaped flexural oscillator of the same frequency ao may be disruptive under certain circumstances. Since there is also a point at the base of the tuning fork at which practically no movements occur, the fork can be fastened extremely rigidly in a housing at this point. In the cross section of the tuning fork arms 45 and 46 made of steel, thin plates 47, 48, 49 and 50 made of an electrostrictive material are inserted in such a way that the gaps S and S 'remain along the neutral fiber. Lead wires 51, 52, 53 and 54 for applying an electrical voltage are attached to the tuning fork arms. The polarization of the individual platelets is again selected so that the platelets lying on both sides of the neutral fiber are polarized in opposite directions, as indicated by the pair of arrows 55 and 56 or the pair of arrows 57 and 58. As a result, when an electrical alternating voltage is applied, the tuning fork arms perform pronounced bending vibrations, for example, at connection points 51 and 52, symmetrically to the center line 59.A holding wire 60 is provided at the rest point of the tuning fork base, i.e. at the point where practically no movements occur , which is used to anchor the tuning fork resonator in a housing, not shown. Depending on the type of electrostrictive ceramic used, the platelets 47 to 50 (as in the exemplary embodiment in FIG. 4) can be divided by an electrically conductive layer. If the tuning fork resonator is only operated as a two-pole device, then one of the two excitation systems can be omitted. If the resonator is operated as a quadrupole, the output voltage can be taken from terminals 53 and 54 if the input voltage is applied to terminals 51 and 52. Depending on the assignment of the polarization of the plates inserted in the tuning fork arm 46 with respect to the polarization of the electrostrictive plates arranged in the tuning fork arm 45, it can be achieved that the output voltage at the resonant frequency of the fork is either in phase or in antiphase to the input voltage.

Claims

Patent claims:

1. Mechanical flexural oscillator, which is formed by platelets made of electrostrictive material Converter for the transition from electrical vibrations to mechanical flexural vibrations and vice versa and preferably designed as a converter of a multi-part electromechanical Filter is provided, characterized in that that at least one plate each with at least approximately perpendicular to the longitudinal axis of the oscillating vibrator oriented Platelet level and preferably within that bounded by two neighboring nodes of vibration Area is arranged on both sides of the neutral fiber of the flexural oscillator, and that these platelets preferably lie in a cross-sectional plane of the flexural oscillator are oppositely polarized in a direction perpendicular to the platelet plane.

2. Mechanical flexural oscillator according to claim 1, characterized in that preferably symmetrically on both sides of the location of maximum deflection of the flexural oscillator, at least one pair of electrostrictive plates each Material is arranged, and that one pair of platelets is used to excite vibrations, while the other pair of platelets converts mechanical vibrations into electrical vibrations converts.

3. Mechanical flexural oscillator according to claim 1, characterized in that the from Electrostrictive material platelets each by a metallic layer, preferably a layer of silver, divided parallel to the length and breadth of the plate Boundary surfaces runs, and that these conductive layers with connecting wires are connected.

4. Mechanical flexural oscillator according to claim 2 or 3, characterized in that the Polarization of the platelets lying below the neutral fiber in relation to the polarization of the platelets lying above the neutral fiber is selected in such a way that the output voltage is in phase with the exciting voltage.

5. Mechanical flexural oscillator according to claim 2 or 3, characterized in that the Polarization of the platelets lying below the neutral fiber in relation to the polarization of the platelets lying above the neutral fiber is selected in such a way that the output voltage is in antiphase with the exciting voltage.

6. Mechanical flexural oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that the flexural oscillator is made of steel.

7. Mechanical flexural oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that the flexural oscillator made of an electrically non-conductive material, preferably Quartz glass.

8. Mechanical flexural oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that the flexural oscillator has a rectangular cross-section.

9. Mechanical flexural oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that the flexural oscillator has a circular cross-section.

10. Mechanical flexural oscillator according to claim 1 or 2, characterized in that