DE1616526C - Mechanischer Schwinger mit elektro stnktiver Anregung Ausscheidung aus 1277463 - Google Patents

Description

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eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Schwin- / die Länge des Stabes und η die Ordnungszahl der gungen bekanntgeworden, bei der ein mechanischer Resonanzfrequenz (n — 1,2, 3 .. .)· In den F i g. 1 Biegeschwinger als schwingendes Element verwendet bis 5 sind die Verformung und die Lage der Schwinwird. Zur Schwingungsanregung wird ein von einer gungsknoten in Abhängigkeit von einer laufenden Gleichstromquelle gespeistes Magnetsystem verwendet, 5 Koordinate xjl dargestellt, wenn χ eine beliebige Stelle wobei der Stromfluß durch das Magnetsystem zusatz- des Stabes bedeutet Diese Ergebnisse lassen sich aus lieh von einem sogenannten Äufnahmeelement ge- der gleichen Differentialgleichung wie die Resonanzsteuert wird, das am Biegeschwinger anliegt und dessen bedingung herleiten. Die F i g. 1 zeigt die Verformung Widerstand sich unter dem Einfluß des γοπι Biege- und die Lage der Schwingungsknoten für die Grundschwinger beim Schwingungsvorgang erzeugten Druk- ίο schwingung, die Fig.2 für die zweite Oberschwinkes ändert. Zwei weitere derartige Aufnahmesysteme gung usw."sind in der Fig. 5 entsprechend Verfor- \ liegen symmetrisch zur mittleren Halbierungsebene des mung und Lage der Schwingungsknoten für die fünfte j Schwingprs, wodurch auf Grund dieser symmetrischen Oberschwingung dargestellt. (Die Ordnungszahl 1 Ausbildung geradzahlige Harmonische nicht erzeugt wird der Grundschwingung zugeordnet, so daß 'Grundwerden. Hinweise in Richtung des Erfindungsgegeh- 15 schwingung und erste Oberschwingung identisch sind.) Standes lassen sich dieser Patentschrift jedoch schon Wie den F i g. 1 bis 5 zu entnehmen ist, tritt bei allen deshalb nicht entnehmen, weil die dort' verwendeten geradzahligen Oberwellen in der Mitte des Stabes Aufnahmesysteme wesentlich anders ausgebildet sind (*//= 0,5) ein Schwingungsknoten auf, bei dem auch als elektrostriiktiv wirkende Antriebssysteme. das Biegemoment Null ist. An zwei zur Stabmitte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den ein- 20 symmetrischen Stellen treten gleich große, jedoch entleitend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnis- gegengesetzt gerichtete Verformungen auf. Bei der mäßig einfacher Weise zu begegnen. Insbesondere soll Grundschwingung und den ungeradzahligen Obererreicht werden, daß bei elektrostriktiv angeregten wellen liegen in der Mitte des Stabes Maxima der Ver- " Schwingern durch eine geeignete Anordnung der An- formung,' und an zwei zur Stabmitte symmetrischen regungssysterne eine Reihe von Oberschwingungen un- 25 Stellen treten gleich große und gleichgerichtete Verschädlich gemacht werden, formungen auf. ' ' ■·■...-..'·..·;..

Ausgehend von einem mechanischen Schwinger, der In der F i g. 6 ist ein mechanischer Biegeschwinger ; flitr^h Plättchen aus elpktrpstriktivem Material für den dargestellt, der gemäß ejnem älteren Vorschlag. zur tfbergapg von elektrischen Schwingungen auf mecha- Anregung mechanischer Biegeschwingungen : mittels I nische Biege·: oder Längsschwingungen'ausgebildet ist 30 elektrostriktiver Keramikplättcnen aufgebaut ist. Hier^f und bei dem die aus elektrostriktivem Material be- bei sind in einem Stahlstab 5 zu beiden Seiten der i stehenden Plättchen mit senkrecht zur Längsachse des hinsichtlich Biegeschwingungen neutralen Faser elek- ⁱ Schwingers liegender Plättchenebene angeordnet und trostriktiv aktive Plättchen 6 und 7 angeordnet. Als :. in Richtung der Längsachse des Schwingers polarisiert elektrostriktiv aktives Material wird eine Bleikeramik -i sind und bei dem weiterhin wenigstens ein Plättchen 3.5 (Bleizirkonat) verwendet, wie sie z.B. unter dem in der zur Längsachse senkrecht stehenden Halbie- Handelsnamen PZT 6 der Firma Clevite bekannt ist. S rungsebene des Schwingers liegt, wird diese Aufgabe Die, Keramikplättcnen sind an den dem Stahlteil züge-~ erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiteres wandten Seiten mit einer Silberschicht versehen und Plättchen elektrostriktiven Materials im Bereich eines mit dem Stahlteü fest verlötet. Die Polarisation der Schwingungsknotens einer ungeradzahligen Oberwelle 40 Keramikplättchen ist durch die Pfeile 8 und 9 angeangeordnet ist. ' deutet und so gewählt, daß das oberhalb der neutralen

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn bei Ausbildung des - Faser liegende Plättchen 6 entgegengesetzt zu dem

Schwingers als Biegpschwinger die elektrostriktiven unterhalb, der neutralen Faser liegenden Plättchen?

Plättchen längs der hinsichtlich Biegeschwingungen polarisiert ist. In den Schwingungsknoten 10 und 11

auftretenden neutralen Faser jeweils in ein Plättchen- 45 der Grundschwingung sind metallische Zuführung?- ..

paar unterteilt sind und wenn das oberhalb der neu- drähte 12 und 13 befestigt, die an entsprechende An-

tralen Faser liegende Plättchen entgegengesetzt zu dem schlußkiemmen 1 und 2 führen. Die Zuführungs-

unterhalb der ' neutralen Faser liegenden Plättchen drähte |2 und 13 können bei entsprechend starker

polarisiert ist. " Ausbildung auch zur Verankerung des Schwingers in

Als elektrische Vierpole lassen sich derartige Schwin- 30 einem nicht näher dargestellten Gehäuse verwendet ger in der Weise betreiben, daß eines der Plättchen werden. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die bzw. eines der Plättchenpaare der Schwingungsanre- Klemmen 1 und 2 ist dann beispielsweise die Polarigung dient, während das andere Plättchen bzw. das sationsrichtung des Keramikplättchens 6 entgegenandere Plättchenpaar der Schwingungsabnahme dient. gesetzt zur elektrischen Feldrichtung, während die

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Aus- 55 Polarisationsrichtung des Plättchens 7 mit der Rich-

führungsbeispielen näher erläutert. rung des elektrischen Feldes übereinstimmt. Ent-

Aus der Differentialgleichung eines an beiden Enden sprechend dieser Zuordnung dehnt sich das eine Plättfreien Biegeschwingers lassen sich durch Berücksichti- chen unter dem Einfluß des elektrischen Feldes aus, gung der geeigneten Anfangsbedingungen die Reso- während sich, das andere Plättchen zusammenzieht, nanzfrequenzen eines derartigen Biegeschwingers nach 60 wodurch der Schwinger durchgebogen wird. Wenn folgender Näherungsformel errechnen: sich die Polarität der angelegten Wechselspannung

umkehrt, wird entsprechend der Schwinger nach der

f_n fa — (0,5 + Jt)²I/ ^E' ^J anderen Seite durchgebogen, so daß er ausgeprägte

2 y mi* Biegeschwingungen ausführt, wenn die Frequenz der

55 angelegten Wechselspannung zumindest näherungs-

Hierbei bedeutet £"den Elastizitätsmodul des Schwin- weise mit seiner Eigenfrequenz übereinstimmt. In der

germaterials, / das Trägheitsmoment des Stabes in F i g. 6 sind die Keramikplättchen in der Mitte des

Schwingrichtung, m die Masse pro Längeneinheit, Stabes (d. h. bei 0,5 · /) angeordnet.

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In der F i g. 7 ist ein mechanischer Biegeschwinger Oberschwingungen entsprechenden Serienresonanzgezeichnet, dessen Anregungssysteme aus einer Blei- kreise fortfallen.

keramik bestehen. In der Mitte des Schwingers 5 In der F i g. 9 sind die Verformung und die Lage liegen die Keramikplättchen 60 und 61, die entgegen- der Schwingungsknoten eines Längsschwingers in Abgesetzt zueinander polarisiert sind, wie es durch die 5 hängigkeit von einer laufenden Koordinaten// aufPfeile 64 und 65 angedeutet ist. Die Keramikplättchen getragen, wenn χ eine beliebige Stelle und / die Stab-62 und 63 sind entsprechend den Pfeilrichtungen 66 länge bedeuten. Die Stablänge wird in der Regel so und 67 ebenfalls entgegengesetzt zueinander polarisiert gewählt, daß sie bei der Grundschwingung etwa eine und liegen in einem Schwingungsknoten für die dritte halbe Wellenlänge beträgt (/ = λ/2, λ = Wellenlänge). ; Oberschwingung. Von den durch die Keramikplättchen io Durch die Kurve 100 ist die Verformung für die i gegeneinander isolierten Stahlteilen des Schwingers 5 Grundschwingung, durch die Kurve 101 die Ver- _; führen Anschlußdrähte 68, 69 und 70 zu entsprechen- formung für die zweite Oberschwingung und durch den Anschlußklemmen 1, 2 und 3. Dieser Schwinger die Kurve 102 die Verformung für die dritte Oberläßt sich auf das elektrische Ersatzschaltbild gemäß schwingung dargestellt. Wie bereits erwähnt, treten der F i g. 8 zurückführen. Legt man nämlich an die 15 bei Längsschwingungen die Oberwellen harmonisch Klemmen 1 und 3 eine Wechselspannung, dann werden zur Grundschwingung auf, was auch aus dem in der alle geradzahligen Oberwellen nicht angeregt, da die F i g. 9 gezeichneten Diagramm hervorgeht. j anregenden Plättchen 60 und 61 in der Mitte des In der F i g. 10 ist ein Längsschwinger dargestellt, ; Stabes (x/l = 0,5) liegen. Zwischen den Klemmen 2 der aus einem Stahlteil 105 besteht, in den elektro- '. und 3 kann die Ausgangswechselspannung abgenom- 20 striktiv aktive Plättchen 106 und 107 in der bekannten j men werden, die die der dritten Oberwelle entsprechen- Weise eingelötet sind. Die Polarisation dieser Plättchen j den Spannungen nicht enthält. Bei diesem Ausfüh- ist durch Pfeile 108 und 109 angedeutet. Von den rungsbeispiel werden somit die dritte und alle gerad- durch die Keramikplättchen gegeneinander isolierten zahligen Oberschwingungen unterdrückt. Stahlteilen führt ein Anschlußdraht 110 zu einer '

Das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäß der 25 Klemme 1, ein Anschlußdraht 111 zu einer Klemme 2 : F i g. 7 aufgebauten Schwingers ist in der F i g. 8 ge- und ein Anschlußdrafat 112 zu einer Klemme 3. Das · zeichnet. Es besteht für die Grundwelle aus einer elektrische Ersatzschaltbild eines derartigen Längs- ^: ,Schaltung, in deren Längszweig ein verlustbehafteter Schwingers läßt sich auf das der F i g. 8 zurückführen. : Serieiiresonanzkreis mit der Induktivität L₁, der Ka- Legt man zwischen die Klemmen 1 und 3 eine Ein- J pazität C₁ und dem Verlustwiderstand R₁ liegt und 30 gangswechselspannung U_e, dann führt der Schwinger | bei der am Eingang und Ausgang etwa gleich große Längsschwingungen aus, da das anregende Keramik-Kapazitäten C₀₁ und C₀₂ im Querzweig liegen. Um plättchen 108 im gesamten Querschnitt des Schwingers eine eventuell unsymmetrische Anordnung oder eine angeordnet ist. Da das Anregungssystem in einem unterschiedliche Dicke der elektrostriktiven Plättchen Schwingungsknoten der dritten Harmonischen liegt, bzw. auch deren Polarisation zu berücksichtigen, ist 35 wird diese nicht angeregt. Wenn die Frequenz der der Ausgangskapazität C₀₂ ein idealer Übertrager U anregenden Spannung etwa mit der Eigenresonanzmit dem Übersetzungsverhältnis 1: u vorgeschaltet. frequenz des Schwingers übereinstimmt, dann kann Zur Übereinstimmung mit dem mechanischen Schwin- zwischen den Klemmen 2 und 3 eine Ausgangswechselger sind die Anschlußklemmen mit I₈', 2_g' und 3</ spannung abgenommen werden, in der keinerlei Spanbezeichnet. Zur Berücksichtigung der Oberschwin- 40 nungen von geradzahligen Harmonischen enthalten gungen sind dem im Längszweig liegenden Serien- sind, da das durch das Keramikplättchen 109 reali- j schwingkreis noch weitere gestrichelt gezeichnete sierte Abnahmesystem in der Mitte des Schwingers i Serienkreise L₂', C₂', R₂' bis L_n', C_n' und R_n' parallel (x/l = 0,5) angeordnet ist, d. h. an einer solchen Stelle, ! geschaltet. Die den Oberwellen mit den Ordnungs- an der für alle geradzahligen Harmonischen Knoten- ; zahlen 3 bis n—1 entsprechenden Serienresonanzkreise 45 punkte der Verformung auftreten. Demnach werden sind lediglich durch eine gestrichelte Linie angedeutet. bei einem derart aufgebauten Längsschwinger die Wie bereits erwähnt, werden beim Ausführungs- dritte sowie alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt, beispiel der F i g. 7 die dritte und alle geradzahligen Aus einem Vergleich der in den F i g. 7 und 10 dar- j Oberschwingungen unterdrückt, was für das elektrische gestellten Ausführungsbeispiele lä.ßt sich die Analogie J Ersatzschaltbild nach F i g. 8 bedeutet, daß die diesen 50 zwischen Längs- und Biegeschwingern erkennen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 Patentansprüche" Wird ein mechanischer Resonator statt auf der Grundschwingung auf einer Oberschwingung betrieben, um

1. Mechanischer Schwinger, der durch Plättchen mit fertigungstechnisch brauchbaren Abmessungen aus elektrostriktivem Material für den Übergang höhere Resonanzfrequenzen zu erzielen, dann vervon elektrischen Schwingungen auf mechanische 5 kleinert sich der relative Abstand zur nächsten Ober-Biege- oder Längsschwingungen ausgebildet ist und schwingung. Je näher die erste Oberschwingung am bei dem die aus elektrostriktivem Material be- gewünschten Durchlaßbereich liegt und je größer die stehenden Plättchen mit senkrecht zur Längsachse Anforderungen an die Sperrdämpfung sind, desto des Schwingers liegender Plättchenebene angeord- schmalbandiger müssen die zur Unterdrückung der net und in Richtung der Längsachse des Schwingers io unerwünschten Durchlaßbereiche eingesetzten elekpolarisiert sind und bei dem weiterhin wenigstens trischen Schwingkreise sein, was jedoch im gewünschein Plättchen in der zur Längsachse senkrecht ten Durchlaßbereich eine Erhöhung der Durchlaßstehenden Halbierungsebene des Schwingers liegt, dämpfung zur Folge hat. Ähnliche Schwierigkeiten dadurch gekennzeichnet, daß ein wei- liegen auch dann vor, wenn ein mechanischer Resoteres Plättchen (106) elektrostriktiven Materials im 15 nator in einer Oszillator-Schaltung eingesetzt werden Bereich eines Schwingungsknotens einer ungerad- soll, die kein weiteres selektives Element hat. In diesem zahligen Oberwelle angeordnet ist. ' Fall kann der Oszillator unter Umständen auf einer

2. Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1, unerwünschten Oberwelle des Resonators schwingen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Bei schlanken Längsschwingern treten die Oberwellen Schwingers als Biegeschwinger die elektrostriktiven 20 bekanntlich harmonisch auf, d. h. bei ganzzahligen Plättchen längs der hinsichtlich Biegeschwingungen Vielfachen der Grundschwingung. Bei Biegeschwingern auftretenden neutralen Faser jeweils in ein Platt- mit freien Enden liegen die Oberschwingungen nicht chenpaar (60, 61; 62, 63) unterteilt sind und daß harmonisch zur Grundschwingung.

das oberhalb der neutralen Faser liegende Platt- Es ist durch die USA.-Patentschrift 2 596 460 be-

chen (61, 63) entgegengesetzt zu dem unterhalb der 25 reits ein sogenanntes Vielkanal-Filter bekanntgewor-

neutralen Faser liegenden Plättchen (60, 62) po- den, bei dem ein Resonanzkörper über elektrostriktiv

larisiert ist. wirkende Wandlersysteme zu mechanischen Schwin-

»

3. Mechanischer Schwinger nach Anspruch 1 gungen angeregt wird. Wesentlich für dieses Filter ist

oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der es, daß die Resonanzfrequenz des Resonanzkörpers so

Plättchen (107) bzw. eines der Plättchenpaare 30 gewählt wird, daß sich eine Vielzahl von Durchlaß-

(60, 61) der Schwingungsanregung dient, während bereichen in gleichen Frequenzabständen ergibt. Zur

das andere Plättchen (106) bzw. das andere Platt- Erhöhung der Selektivität wird eine Anordnung ver-

chenpaar (62, 63) der Schwingungsabnahme dient. wendet, bei der zwei untereinander gleichartig aus-

gebildete Resonanzkörper unter Zwischenlage eines

35 elektrostriktiven Wandlersystems hintereinander an-

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwin- geordnet sind, wodurch eine symmetrische Ausbildung ger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material. der Gesamtanordnung entsteht. Hinweise darüber, wie für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf sich bei einem mechanischen Schwinger Oberwellenmechanische Biege- oder Längsschwingungen ausge- schwingungen möglichst unterdrücken lassen, können bildet ist und bei dem die aus elektrostriktivem Ma- 40 dieser Patentschrift schon deshalb nicht entnommen terial bestehenden Plättchen mit senkrecht zur Längs- werden, weil gerade eine Vielzahl von Oberschwinachse des Schwingers liegender Plättchenebene ange- gungen zur Erzielung der gewollten Vielkanalwirkung ordnet und in Richtung der Längsachse des Schwingers angeregt werden muß.

polarisiert sind und bei dem weiterhin wenigstens ein Es ist ferner durch die britische Patentschrift 840 815

Plättchen in der zur Längsachse senkrecht stehenden 45 ein zu Längsschwingungen erregter, mechanischer

Halbierungsebene des Schwingers liegt. Schwinger bekanntgeworden, bei dem im Zuge des

Mechanische Resonatoren lassen sich wegen ihrer aus metallischem Material bestehenden Schwingers ein

hohen Frequenzkonstanz und ihrer hohen Güte mit aus elektrostriktivem Material bestehendes Plättchen

Vorteil in Oszillator- und Filterschaltungen einsetzen, mit senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegender

bei denen die hinsichtlich Frequenzgenauigkeit oder 50 Plättchenebene angeordnet ist. Wie auch bei einem

Steilheit der Filterflanken gestellten Anforderungen anderen bekannten und etwa gleichartig ausgebildeten

mit konzentrierten Schaltelementen nur schwer zu mechanischen Längsschwinger liegt dabei das der

erfüllen sind. Ein mechanischer Resonator hat in der Schwingungsanregung dienende elektrostriktiv aktive

Regel die Form einer akustischen Leistung, d. h., es Plättchen außerhalb des Bereiches der Halbierungs-

gilt für ihn nur in einem verhältnismäßig engen Fre- 55 ebene des Schwingers. Bei diesen bekannten Anord-

quenzbereich das durch einen Schwingkreis darzu- nungen geht es jedoch im wesentlichen darum, den

stellende elektrische Ersatzschaltbild. Betrachtet man relativ hohen Temperaturkoeffizienten der Frequenz

einen mechanischen Resonator in einem großen Fre- solcher Schwinger, die rein aus einer elektrostriktiven

quenzbereich, so zeigt sein Eingangswiderstand im Keramik bestehen, dadurch zu vermindern, daß für

Gegensatz zu einem Schwingkreis aus konzentrierten 60 den Schwinger im wesentlichen ein einen verhältnis-

Schaltelementen laufend sich wiederholende Null- und mäßig geringen Temperaturkoeffizienten aufweisendes

Polstellen, die durch die sogenannten Oberschwin- Material verwendet wird. Obzwar bei diesen bekannten

gungen des Resonators hervorgerufen werden. Aus Anordnungen die elektrostriktiv aktiven Plättchen

diesem Grund treten beispielsweise bei einem mit me- auch symmetrisch zu der auf die Schwingerlängsachse

chanischen Schwingern aufgebauten Bandpaß außer 65 stehenden Halbierungsebene liegen können, lassen sich

den gewünschten noch weitere störende Durchlaß- dort keine Hinweise über eine besondere Anordnung

bereiche auf, die dann durch zusätzlichen Aufwand an zur Unterdrückung von Oberschwingungen entnehmen.

Spulen und Kondensatoren beseitigt werden müssen. Durch die USA.-Patentschrift 1 747 837 ist ferner