DE1541975C3 - Elektromechanisches Bandfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Bandfilter mit Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, die über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind und bei dem die Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelementen versehen sind.

Elektromechanische Filter haben in neuerer Zeit unter anderem insofern eine große praktische Bedeutung erlangt, als sie den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern trotz eines wesentlich geringeren Raumverbrauches vor allem in der Güte ihrer Resonanzelemente erheblich überlegen sind. Außerdem läßt sich bei einer mechanisch widerstandsfähigen Konstruktion eine verhältnismäßig hohe zeitliche und thermische Konstanz erreichen. Gegenüber den aus konzentrierten Schaltelementen bestehenden Filtern tritt bei mechanischen Filtern jedoch die Schwierigkeit auf, daß die einzelnen Resonatoren eine größere Anzahl von Eigenschwingungen ausführen können, die im Durchlaßbereich des Filters zu unerwünschten Dämpfungsverzerrungen und im Sperrbereich zu unerwünschten Dämpfungseinbrüchen führen. Aus diesen " Gründen wird man bestrebt sein, den konstruktiven Aufbau in der Weise zu gestalten, daß störende Eigenschwingungen, die auch als Nebenschwingungen bezeichnet werden, möglichst nicht angeregt bzw. nicht übertragen werden können. Für den Einsatz in miniatu-' risierten Schaltungen, in denen auch die Filter ein möglichst kleines Volumen haben sollen, wird man sich bemühen, solche mechanische Resonatoren zu verwenden, deren Resonanzfrequenz nicht nur von der Länge des Resonators sondern zusätzlich von dessen Querschnittsfläche abhängig ist, da sich dadurch ein weiterer frei wählbarer Bemessungsparameter ergibt. Die vorstehenden Bedingungen lassen sich insbesondere mit Biegeresonatoren als Resonanzelemente und Längsschwingungen ausführende Koppelelemente erreichen. Darüber hinaus ist es erforderlich, daß die Herstellbarkeit des Filters nach Möglichkeit zumindest einer halbautomatischen, wenn nicht sogar einer vollautomatischen Fertigung zugänglich gemacht wird.

Es ist durch die deutsche Auslegeschrift 1 100 834 bereits ein mechanisches Filter bekanntgeworden, bei dem achsparallel zueinander angeordnete Biegeresonatoren über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind, das im Bereich eines Schwingungsmaximums an den Resonatoren befestigt sein kann. Es wird bei diesem bekannten Filter zwar auf die Verwendung von Stäben mit beispielsweise kreisförmigem Querschnitt hingewiesen, jedoch ist nicht erkennbar, wie die Verbindung zwischen den einzelnen Resonanzelementen und dem Koppelelement in einer für den praktischen Aufbau, insbesondere mit Rücksicht auf eine moderne Serienfertigung, günstigen Weise erfolgen kann, wenn gleichzeitig der für den FiI-• terabgleich erforderliche Aufwand möglichst gering sein soll. Ferner ist durch die britische Patentschrift 703 144 ein mechanisches Filter bekanntgeworden, dessen einzelne Resonatoren als kreisförmige Platten ausgebildet sind, die mit zueinander parallel verlaufenden Plattenebenen angeordnet sind. Die Kopplung der einzelnen Platten erfolgt über Längsschwingungen ausführende Koppelelemente, die im Bereich der Plattenränder an den einzelnen Platten befestigt sind. Abgesehen davon, daß die Befestigung der Koppelelemente zusätzlichen Aufwand deshalb erfordert, weil einerseits die Koppelelemente durch in den Platten vorgesehene Bohrungen hindurchgeführt werden müssen und weil andererseits jeweils aufeinanderfolgende Koppelelemente an gegenüberliegenden Plattenrändern befestigt sind, tritt bei diesem bekannten Filter noch eine zusätzliche unerwünschte Kopplung dann auf; wenn die einzelnen Platten einander sehr eng benachbart werden müssen. In diesem Fall wirkt nämlich außer der gewünschten Kopplung über die Koppelelemente eine weitere Kopplung über den zwischen den einzelnen Platten gelegenen Luftraum.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau eines mechanischen Filters anzugeben, das sich weitgehend automatisch herstellen läßt, ohne daß eine Minderung der Übertragungsqualität eintritt; dabei soll gleichzeitig eine möglichst geringe Exemplarstreuung erreicht werden, so daß der für den Filterabgleich erforderliche

Aufwand möglichst gering bleibt.

Bei einem elektromechanischen Bandfilter mit Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, die über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelement miteinander gekoppelt sind und bei dem die Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden elektromechanischen Wandlerelementen versehen sind, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) die Biegeresonatoren bestehen aus langgestreckten zylindrischen Metallstäben, die mit einer Abplattung entlang einer Mantellinie des Zylinders versehen sind;

b) die Längsachsen der einzelnen Biegeresonatoren verlaufen zueinander parallel;

c) die einzelnen Biegeresonatoren sind über in den Schwingungsknoten angreifende, auf Torsion beanspruchte Haltestäbe auf einer Grundplatte befestigt;

d) die Anordnung der Biegeresonatoren auf der Grundplatte erfolgt in der Weise, daß die an den Biegeresonatoren vorgesehenen Abplattungen zur Grundplatte parallel oder senkrecht verlaufen;

e) das Koppelelement ist in Form eines durchgehenden Drahtes ausgebildet, der senkrecht zu den Längsachsen der Biegeresonatoren verläuft und der im Bereich eines Schwingungsbauches an den Biegeresonatoren befestigt ist.

In verhältnismäßig einfacher Weise lassen sich Dämpfungspole im Sperrbereich der Filtercharakteristik in der Weise erzeugen, daß wenigstens ein zusätzliches Koppelement an einander nicht unmittelbar benachbarten Biegeresonatoren befestigt ist, das entweder gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte dieser Resonatoren miteinander verbindet.

Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, ist es hinsichtlich der Eindeutigkeit der auftretenden Schwingungsformen günstig, wenn die Abmessungen der an den Biegeresonatoren vorgesehenen Abplattungen derart gewählt sind, daß die senkrecht zur Abplattung und die parallel zur Abplattung auftretenden Biegeeigenschwingungen hinsichtlich ihrer Frequenzlage sich um wenigstens ein Prozent unterscheiden. '

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt schematisch ein mechanisches Filter, dessen Resonatoren 3 als zylindrische Stäbe eines metallischen Materials ausgebildet sind. Als Material eignet sich insbesondere Stahl mit einem verhältnismäßig geringen Temperaturkoeffizienten der Frequenz. Die einzelnen Stäbe sind mit einer Abplattung 4 versehen und über Haltedrähte 6 auf einer Grundplatte 7 befestigt. Die einzelnen Resonatoren sind dabei so angeordnet, daß ihre Längsachsen 8 parallel zueinander verlaufen. Die Halteelemente 6 sind in den für die Nutzschwingung auftretenden Schwingungsknoten 5 an den. abgeplatteten Flächen der Resonatoren 3 befestigt, so daß die Abplattungen 4 der Grundplatte 7 zugewandt sind. Die Endresonatoren 3' sind an sich in der gleichen Weise wie die Resonatoren 3 ausgebildet. Zur Umwandlung der elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen bzw. umgekehrt der mechanischen in elektrische Schwingungen, sind die Endresonatoren 3' mit einem elektrostriktiv wirkenden Wandlersystem versehen. Dieser elektrostriktive Antrieb besteht aus Klötzchen elektrostriktiven Materials, die mit den Bezugsziffern 12, 12' und 13, 13' bezeichnet sind und zwischen denen jeweils ein Spalt 14 entlang der neutralen Phaser verbleibt. Die Klötzchen sind paarweise gegensinnig zueinander polarisiert, was durch die Pfeile 15, 15' und 16,16' kenntlich gemacht ist. Die Eingangsklemmen sind mit 1 und 2, die Ausgangsklemmen mit Γ und 2' bezeichnet. Zur Kopplung der einzelnen Resonatoren ist ein durchgehender Koppeldraht 10 vorgesehen, der insbesondere kreisförmigen Querschnitt hat und der im Bereich eines Schwingungsbauches 11 an der der Abplattung 4 diametral gegenüber^ liegenden Mantellinie 9 an den Biegeresonatoren 3 bzw. den Endresonatoren 3' befestigt ist. Zur Verbindung des Koppeldrahtes 10 mit den einzelnen Resonatoren eignet sich besonders eine Schweißverbindung. In der F i g. 2 ist dieser besondere Aufbau nochmals in einer Seitenansicht dargestellt, aus der zu erkennen ist, daß der Koppeldraht 10 praktisch nahezu punktförmig an den Resonatoren 3 aufliegt, so daß für den Schwingungsvorgang eine Behinderung der Resonatoren

so durch das Koppelelement praktisch nicht möglich ist. Die Anregung der Biegeschwingungen erfolgt in der Weise, daß die einzelnen Resonatoren in Richtung des Doppelpfeiles 20, also parallel zur Grundplatte schwingen, so daß das Koppelelement reine Längsschwtngungen ausführt. Wegen der Befestigung des Koppelelementes im Schwingungsmaximum ergibt sich bereits eine verhältnismäßig starke Kopplung. Außerdem wirkt der Längskoppler, da seine Koppelwirkung durch Zug- und Druckkomponenten zustande kommt, von Haus aus als fest koppelndes Koppelelement, so daß sich mit verhältnismäßig dünnen Querschnitten des Koppelelementes bereits eine verhältnismäßig starke Kopplung und somit eine verhältnismäßig große Bandbreite des Filters erzielen läßt. Wegen des geringen Querschnittes der für das Koppelelement 10 erforderlich ist/werden unerwünschte Nebenschwingungen, wie beispielsweise Biege- oder Scherkomponenten, vom Koppelement 10 praktisch nicht übertragen, so daß unerwünschte Nebenwellen selbst dann nahezu nicht auf nachfolgende Resonatoren bzw. auf den Filterausgang weitergeleitet werden, wenn in einzelnen Resonatoren von der Biegeschwingung abweichende Schwingungsformen auftreten wurden, die das Koppelelement 10 in einer von der Längsschwingung abweichenden Schwingungsform beanspruchen.

Zur Erzielung von Dämpfungspolen ist ein zusätzliches Koppelelement 18 vorgesehen, das ebenso wie das eigentliche Koppelelement 10 an den der Abplattung 4 diametral gegenüberliegenden Mantellinie 9 an den Resonatoren befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ist das zusätzliche Koppelelement 18 in der Weise angebracht, daß eine geradzahlige Anzahl von Resonatoren überbrückt wird, und daß die Befestigung an gegenphasig schwingenden Abschnitten zweier nicht unmittelbar benachbarter Resonatoren erfolgt. Durch diese Ausbildung lassen sich ein Dämpfungspol unterhalb und ein Dämpfungspol oberhalb des Filterdurchlaßbereiches erzielen, deren Abstand vom Durchlaßbereich durch die Stärke der zusätzlichen Verkopplung, d. h. also im wesentlichen durch den Querschnitt des zusätzlichen Koppelelementes 18 eingestellt werden kann. Je nach der Lage der gewünschten Dämpfungspole können auch eine ungerade Anzahl von Resonatoren überbrückt werden. Dabei können gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte einander nicht unmittelbar benachbarter Resonatoren zusätzlich miteinander verkoppelt werden. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise einen Dämpfungs-

pol entweder unterhalb oder oberhalb des Filterdurchlaßbereiches zu erzielen. Je nach der Ausbildung der zusätzlichen Verkopplung lassen sich auch Dämpfungspole bei nicht reellen Frequenzen erzeugen, wodurch sich die Laufzeit eines das Filter durchlaufenden Signals beeinflussen läßt. . ;.

Im einzelnen ergeben sich durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Filters noch folgende Vorteile.

Das gezogene Halbzeug für Resonatoren und Koppelelemente läßt sich einfach und gleichmäßig herstellen. Die tangential Verschweißung zweier runder Teile, deren Längsachsen zumindest annähernd,senkrecht zueinander stehen, ergibt eine sehr gleichmäßige Schweißstelle und damit eine sehr gleichmäßige Verr kopplung zwischen dem Koppelelement und den Resonatoren. Dadurch wird wiederum Abgleicharbeit an den Koppelelementen eingespart oder unter Umständen ganz erübrigt. Da die Schweißung im Bereich der neutralen Faser erfolgt, werden durch den Schweißvorgang im Resonator keine für das Schwingungsverhalteri maßgebenden Zonen nachteilig beeinflußt. Die näherungsweise runden Resonatoren 3 haben den weiteren Vorteil, daß sie selbst bei sehr gedrängtem Aufbau sich nicht gegenseitig durch Luftschall unzulässig stören.

Die Querschnittsform der im Beispiel in F i g. 1 gezeigten Resonatoren wird durch Anschleifen von zunächst runden Stäben erzeugt. Durch die Abplattung 4 lassen sich die, auch bei Resonatoren kreisförmigen •Querschnitts infolge von Inhomogenitäten des Materials und des Querschnitts stets auftretenden zwei orthogonalen Eigenschwingungen auf einen definierten Abstand bringen, und somit eine eindeutige Orientierung der beiden Schwingungsebenen 19, 20 erreichen. In der Praxis zeigt sich, daß die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1. nicht ausgenutzte Eigenschwingung 19 einen Frequenzabstand von wenigstens einem Prozent gegenüber der ausgenutzten Schwingung 20 haben sollte bzw. ausreichend außerhalb des Filterdurchlaßbereiches liegen sollte. Gegenüber der in der F i g. 1 gezeichneten Lage können nämlich die Resonatoren um 90° um ihre Längsachse gedreht sein, wodurch sich die in der F i g. 3 dargestellte Anordnung ergibt. In diesem Fall bilden die Abplattungen 4 mit der Grundplatte 7 einen Winkel von 90°. Sowohl bei einem Aufbau nach der F ig. 1 als auch bei einem Aufbau nach der Fi g. 3 bilden die Abplattungen 4 eine definierte Anlagefläche, die eine genaue Ausrichtung der Resonatoren beim Zusammenbau gestattet. Dadurch wird eine eindeutig reproduzierbare Anbringung des: Koppelelementes und der Haltedrähte erreicht. Die abgeplattete Querschnittsform läßt sich_; auch unmittelbar beim Ziehvorgang der für die Resonatoren 3, 3' verwendeten Stäbe erzeugen.

Filter in der beschriebenen Form haben trotz der starken Unsymmetrie praktisch keine störenden Nebenwellen. Dazu trägt wesentlich die Verwendung solcher Endresonatoren bei, die über den longitudinalen Piezoeffekt zu Biegeschwingungen angeregt werden und die somit ausschließlich auf Biegeschwingungen.

ansprechen, wie es im einzelnen für die Endresonatoren 3' beschrieben ist.

Durch die gewählte Form des Filters läßt sich ein wesentlicher Teil der zu seiner Herstellung notwendigen Arbeiten in einem verhältnismäßig einfachen Automaten verrichten. Dazu gehört das Anschweißen der Haltedrähte 6, der Abgleich der aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehenden Resonatoren, das Zusammenschweißen der Stahl- und Endresonatoren mit dem Koppeldraht 10 und das Einschweißen des Filtersystems in eine Grundplatte 7 bzw. in ein Gehäuse. .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektromechanisches Bandfilter mit Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren, die über ein Längsschwingungen ausführendes Koppelelement miteinander gekoppelt sind und bei dem die Endresonatoren mit elektrostriktiv wirkenden . elektromechanischen Wandlerelementen versehen sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Biegeresonatoren (3, 3') bestehen aus langgestreckten zylindrischen Metallstäben, die mit einer Abplattung (4) entlang einer Mantellinie des Zylinders versehen sind;

b) die Längsachsen (8) der einzelnen Biegeresonatoren (3,3') verlaufen zueinander parallel;

c) die einzelnen Biegeresonatoren (3,3') sind über in den Schwingungsknoten (5) angreifende, auf Torsion beanspruchte Haltestäbe (6) auf einer Grundplatte (7) befestigt;

d) die Anordnung der Biegeresonatoren (3,3') auf der Grundplatte (7) erfolgt in der Weise, daß die an den Biegeresonatoren (3, 3') vorgesehenen Abplattungen (4) zur Grundplatte (7) parallel oder senkrecht verlaufen;

e) das Koppelelement ist in Form eines durchgehenden Drahtes (10) ausgebildet, der senkrecht zu den Längsachsen (8) der Biegeresonatoren (3, 3') verläuft und der im Bereich eines Schwingungsbauches (11) an den Biegeresonatoren (3,3') befestigt ist.

2. Elektromechanisches Bandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzliches Koppelelement (18) an einander nicht unmittelbar benachbarten Biegeresonatoren befestigt ist, das entweder gleichphasig oder gegenphasig schwingende Abschnitte dieser Resonatoren miteinander verbindet.

3. Elektromechanisches Bandfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der an den Biegeresonatoren (3, 3') vorgesehenen Abplattungen (4) derart gewählt sind, daß die senkrecht zur Abplattung und die parallel zur Abplattung auftretenden Biegeeigenschwingungen (19, 20) hinsichtlich ihrer Frequenzlage sich um wenigstens ein Prozent unterscheiden.