DE1797167A1

DE1797167A1 - U-foermiger mechanischer Vibrator

Info

Publication number: DE1797167A1
Application number: DE19681797167
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Bansho; Tetsuro Tanaka
Original assignee: KAKUBARI SHIGERU
Current assignee: KAKUBARI SHIGERU
Priority date: 1967-08-24
Filing date: 1968-08-23
Publication date: 1971-12-30
Also published as: CH554552A; CH511067A; FR1577131A; GB1229871A; DE1797167B2; US3659230A; US3710275A; CH1273968A4

Description

It 1067

Shigeru Kakubari» Tokio/Japan

ΤΓ-förmiger mechanischer Vibrator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrator zur Verwendung in Oszillatoren» mechanischen Filtern oder dergleichen„ insbesondere auf einen Vibrator, der kleine Abmessungen aufweist, leicht herzustellen ist und sich für eine Massenfertigung eignet.

Als Vibrator wurde bereits eine Stimmgabel vorgeschlagen; ihre Fertigung ist jedoch zeitraubend und läßt sieh nicht mit hoher Genauigkeit durchführen. Pur eine Massenfertigung scheiden daher Stimmgabel-Vibratoren aus« Bei Stimmgabeln ist ferner eine Miniaturisierung sehr schwierig.

Ber lilx'iiiiäimg liegt öahesr die Aufgabe zagrmiöe ₉ si

BAD

17S7187

Per erfindungsgemäße mechanische Vibrator läßt sich mittels eines Stanz-, Preß- oder Ätzverfahren« aus dtfnnem Metallblech herstellen. Seine Fertigung ist daher einfach und mit hoher Genauigkeit möglich. Der Vibrator ^e2.gne% sich ferner zur Massenhers teilung. Die Erfindung erteög*· licht ferner eine sehr weitgehende M&dteturä^iterung dies Vibrators.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung SiM in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer WDlixSM&n Stimmgabel;

Fig.2 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen mechanischen Vibrator in Form einer planaren Stimmgabel;

Fig.3 eine Seitenansicht des Vibrators gemäß Figo2;

Fig.4 eine perspektivische Ansicht, aus der die

Vibration des Vibrators gemäß Fig.2 ersichtlich ist}

Fig β 5 eine graphische Darstellung der Freq.uenz-Verlust-Kennlinie (bezogen auf die Lage der elektromechanischen Wandlerelemente)j

Pig. 6 eine graphisohs Darstellung d«?r Frequenz-Verlust-Kennlinie (bezogen auf die Abmessungen

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der elektromechanischen Wandlerelemente);

Fig*7 ein Schaltbild eines Oszillators mit dem erfindungsgemäßen Vibrator;

Fig.8 ein Diagramm der Frequenzänderung in Abhängigkeit Ton der Temperaturänderung;

Fig*9 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines

Beispieles der Herstellung des erfindungsgemässen Vibrators;

Fig..10 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Vibrators;

Fig.11 eine Seitenansicht des Vibrators gemäß Fig.10;

Fig.12 eine Aufsicht auf einen zusammengesetzten PIanar-Vibrator, bestehend aus zwei nebeneinander angeordneten erfindungsgemäßen Vibratoren;

Fig.13 eine Seitenansicht des zusammengesetzten Vibrators gemäß Fig.12;

Fig.H ein Schaltbild eines Oszillators mit einem zusammengesetzten Planar-Vibrator;

Fig.15 ein Diagramm, das die Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Temperaturänderung zeigt;

Fig.16A und 16B Seitenansichten anderer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen zusammengesetz-

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ten Planar-Vibrators;

Fig.1? eine Aufsicht auf einen Filter mit awe I erfindungsgemäßen Planar-Vibratoren;

Fig.18 eine Seitenansicht des Filters gemäß Fig.17;

Flg.19 ein Diagramm der Frequenz-Verlust-Kennlinien des Filters gemäß Fig.17» wobei der Kopplungsgrad seiner Vibratoren als Parameter dient;

Fig.20 ein Diagramm der Abhängigkeit des Kopplungsgrades von der Frequenzabweichung;

Fig.21 ein schematiscb.es Schaltbild der Verbindungen einer Signalquelle, des Filters und der Auegangsanschlüsse;

Fig.22 ein Diagramm der Frequenz-Verlust-Kennlinien, wobei ein Außenwiderstand als Parameter dient;

Fig.23 eine Aufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters;

Fig.24 eine perspektivische Ansicht eines anderen erfindungsgemäßen Filters;

Fig.25 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Frequenzwähler mit einer Anzahl erfindungsgemäßer Vibratoren; .

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Pig«26 eine"Seitenansicht des Frequenzwählers gemäß Pig.25.

In Pig.1 ist schematisch ein AusfUhrungsfceispiel eines üblichen mechanischen Vibrators dargestellt«. Es handelt sich ura eine Stimmgabel mit zwei Vibrationsaungen 1a und 1b, die in einem bestimmten Abstand einander gegenüber angeordnet und durch einen Basisteil 2 miteinander verbunden sind. Die Herstellung einer solchen Stimmgabel erfolgt üblicherweise durch entsprechende Bearbeitung eines Metallblockes. Diese Bearbeitung erfordert jedoch ei- ■ nen beträchtlichen Zeitaufwand und läßt sich auch schwer mit hoher Genauigkeit durchführen. Eine Stimmgabel der in Pig.1 veranschaulichten Art läßt sich daher nicht mit gleichförmigen Eigenschaften im Wege einer Massenherstellung fertigen» Die in Pig.1 veranschaulichte bekannte Ausführung eignet sich ferner nicht für eine Miniaturisie- f rung.

Diese Nachteile werden durch den erfindungsgemäßen mechanischen Vibrator vermieden# Er ist U-förmig gestaltet und enthält (vergleiche Pig.2) zwei Zungen 3a und 3b, die aus elastischem Metallblech bestehen und parallel zueinander in derselben Ebene angeordnet sind. Sie weisen voneinander einen Abstand d^ auf und sind durch einen gemeinsamen, plattenförmigen Basisteil A .mit©inander

! Ii 3 s s ύ / Ι; υ Ii,-

verbunden. Dieser Basisteil 4 liegt in derselben Ebene wie die erwähnten Zungen 3a und 3b. An den Vibrationszungen 3a und 3b sind nahe dem Basisteil 4 elektromeehanisehe Wandlerelemente 5a und 5b, beispielsweise piezoelektrische Elemente, angeordnet« Sie bestehen beispielsweise aus Zirkon-Blei-Titanat, Auf der den Zungen 3a und 3b abgewandten Seite setzt sich der Basisteil 4 fort und ist etwa unter einem rechten Winkel gegenüber den Zungen abgebogen. Hierdurch entsteht ein Kupplungsteil 6', dessen freies Bade wiederum rechtwinklig abgebogen ist, so daß es parallel zu den Zungen 3a und 3b liegt. Dieses abgewinkelte Ende bildet einen Halterungsteil 7» Der Halterungsteil 7 ist mit einer Grundplatte j?

6 beispielsweise durch eine Schraube 8 verbunden, wodurch der Unförmige Vibrator an der Grundplatte 6 festgelegt ist. Die Herstellung des Unförmigen Vibrators kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein dünnes Metallblech derart ausgestanzt wird, daß in einem einstückigen Gebilde die Zungen 3a und 3b, der Bagpteil 4, der Kopplungsteil 6^S und der Halterungsteil 7 entstehen» Der Vibrator kann aus elastischem Material hergestellt werden, das einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise Elinvar. Bei einem solchen Vibrator (der im folgenden als Planar-Stimmgabel bezeichnet wird) vibrieren die Zungen 3a und 3b in ihrer Phase entgegengesetzt rechtwinklig zu ihren Oberflächen (in diesem Falle wird die Breite W. der Vibrationszungen

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3a und 3b wesentlich größer als die Stärke t dieser Zungen gewählt)« Die Vibrationszungen 3a und 3b schwingen zunächst Ton ihrer gemeinsamen Bezugsebene in entgegengesetzten Richtungen weg und schwingen dann wieder auf die Bezugsebene hin (vergleiche Pig.4); in dieser Weise setzt sich die Vibrationebewegung der Zungen fort/

Die Resonanzfrequenz f der Planar-Stimmgabel ist durch folgende Gleichung gegeben:

ff

f = JL

21Γ

Hierbei ist OC ein Koeffizient, der von den Vibrationsbedingungen der Stimmgabel abhängt und bei der Grundscshwingung (m « 1) 1,8751 beträgt, 1 ist die Länge der Vibrationszungen 3a und 3b in Längsrichtung (vergleiche Fig.2), t ihre Dicke (vergleiche Fig.3),vP die Material» dichte und E der Young-Modul.

Wenn 1 den Wert von 18,5 mm und t den Wert von 0,5 mm besitzt, wenn ferner die Breite W₁ der Vibrationszungen 1,8 mm und der Abstand d^ zwischen den Zungen 1 mm beträgt, so errechnet sich aus der obigen Gleichung (1) eine Resonanzfrequenz f der Stimmgabel von 1015 Hz.

Im Folgenden sei der Einfluß der Lage der piezo-1 0 9853/067A

elektrischen Elemente 5a und 5b auf die Vibration der Zungen 3a und 3b näher erläutert. Es sei angenommen, daß der Abstand dg der piezoelektrischen Elemente 5a und 5b von einer Begrenzungslinie 9 !zwischen den Zungen 3a und 3b und dem Basisteil 4 wahlweise 1 mm, 0 bzw. -1 mm beträgt. Es sei ferner angenommen, daß die Elemente 5a und 5b aus PZT (Zirkon-Blei-Titanat) bestehen und eine Länge L₀ von 3,0 mm, eine Breite ¥_Q γοη 1,7 mm und eine stärke von 0,25 mm aufweisen. Unter diesen Voraussetzungen zeigen die Kurven 10,11 und 12 in Fig. 5 die Abhängigkeit des Verlustes (in dB) von der Frequenz (in Hz). d_g bildet hierbei den Parameter, Wie die Darstellung in Pig.5 zeigt, ist bei d„ = 1 mm die Resonanzfrequenz f gleich 1015.5 Hz, das heißt nahe dem oben berechneten Wert. Bei dp « 0 und -1 mm ergeben sioh Resonanzfrequenzen von 1041,5 bzw. 104-4,5 Hz. Dies ergibt sich aus dem Umstand, daß die piezoelektrischen Elemente 5a und 5b die Vibrationszungen 3a und 3b versteifen, dagegen nicht als Masße wirken. Die Q-Werte der planaren Stimmgabel sind in den drei obigen Fällen 1128 (bei dg β 1 mm), 1160 (bei dg =, O) und 1158 (bei dg = -1 mm). Der Q-Wert im ersten Falle ist etwas niedriger als in den anderen Fällen. Dies besagt, daß sich Q verringert, wenn sich die piezoelektrischen Elemente der mit großer Amplitude schwingenden Seite der Vibrationszungen 3a und 3b, das heißt ihren freien Enden, nähern. Der Einsataverluet ist daher ein Minimum bei

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dp = 1 mm. Dae Verhältnis einer Ausgangespannung zu einer Eingangsspannung, das heißt der Kopplungsfaktor» ist etwas größer "bei d« = 1 mm· Die obigen numerischen Werte sind in der folgenden Tabelle 1 widergegebenj

Tabelle 1

Lage Resonanzfrequenz Q Einsatzverlust Kopplungsd₂(mm) (Hz) (dB) faktor

A	1	1015	.5	1128	0,	7	0.	029
B	0	1C41	♦ 5	1160	2,	0	0.	027
σ	-1	1044	.0	1158	2,	0	0.	027

Die graphische Darstellung in Fig.6 zeigt den Einfluß, den eine Änderung der Abmessungen der piezoelektrischen Elemente 5a und 5b auf den Einsatzverlust ausübt. Die Ordinate gibt den Verlust (in dB) und die Abszisse g

die Frequenz (in Hz) wider« In Pig.6 entspricht die Kurve 13 dem Fall, daß die piezoelektrischen Elemente je eine Länge von 3 mm und eine Breite von 1,7 mm besitzen. Die Kurve 14 gibt den Fall wider, in dem die Elemente eine Länge von 1,3 mm und eine Breite von 1,2 mm besitzen. Man ersieht aus Fig.6, daß die Resonanzfrequenzen etwa gleich 1015,5 Hz und die Q-Werte etwa gleich 1120 sind; die Einsatzverluste betragen dagegen 0,7 bzw. 3dB. D.i.e KopplungBfaktoren sind 0,027 und 0,025J die kleineren piezoelektrischen Elemente haben also etwas geringere

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Xopplungsfaktoren.

Vorzugsweise ist der Abstand (L· zwischen den Vibrationszungen 3a und 3b kleiner als die Breite W₁ $e&ex Zunge, beispielsweise ist d^ kleiner als die Hälfte wem W^. Der Grund hierfür liegt darin, dal dann, wenn ö^

^ größer als W₁ ist, die Torsion bzw. Verbindung im teil 4 aufgenommen wird, das heiSt in dem der Zungen, der leioht eine Änderung in der Besonanzfrequena bewirken kann. Ferner wird die Breite If₁. der Yibm~ tionszungen kleiner als die Länge I₂ des Basistelies A in Längsrichtung der Vibrationszungen gewählt; die Länge Io wird beispielsweise mehr als 1,5mal so groß wie die Breite W^ gemacht. Ist nämlich die L&nge I₂ kleiner als die Breite W₁, eo rergrößert dies die Vibration, die rom Basiste11 4 über den Kopplungsteil 6' auf den Halte-

w rungsteil 7 übertragen wird.

Sind die piezoelektrischen Elemente 5a und 5b auf derselben Seite der Vibrationszungen 3a und 3b angeordnet, so besitzen ein Eingangssignal, das dem einen piezo* elektrischen Element zugeführt wird, und ein von dem anderen piezoelektrischen Element abgenommenes Ausgangssignal entgegengesetzte Phase. Ein in Phaoe mit dem Eingangssignal befindliches Ausgangssignal kann man daher dadurch erzielen, daß piezoelektrische Elemente entgegen-

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gesetzter Polarität "benutzt werden oder daß die piezoelektrischen Elemente auf unterschiedlichen Seiten der Vibrationszungen angebracht werden.

I?ig.7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines selbsterregten Oszillators mit einer crefindungsgeraäßen Planar-Stimmgabel; die Schaltung kann genauso wie — die eines selbsterregten Oszillators mit einer üblichen Stimmgabel ausgeführt sein. Ein Verstärker 21 enthält die Transistoren 19 und 20 in Kaskadenschaltung, wobei ein Teil des am Ausgangsanschluß vorhandenen Signales beispielsweise dem piezoelektrischen Element 5a der Vibrationszunge 3a der Planar-Stimmgabel zugeführt wird, während das von dem anderen piezoelektrischen Element 5b der Vibraticnszunge 3b abgenommene Signal der Eingangsseite des Veretär-kers 21 zugeführt wird, das heißt dsr Basis des Transistors 19. Dadurch entsteh!; ein Oszilla- | tor, dessen Frequenz durch die Resonanzfrequenz der Planar-Stimmgabel gegeben ist. In Fig.8 ist die Frequenzänderung (4f/f) in Abhängigkeit von der Temperaturänderung (⁰C) veranschaulicht? in der Ordinate ist die Frequenzänderung und in der Abszisse die Temperaturänderung aufgetragen. Bei dem zugrunde liegenden Versuch wurde nur die Stimmgabel der Temperaturänierung ausgesetzt. Man erkennt aus dem Diagramm, daß in einem Bereich von 19 bis 59°C die Frequer-sanderun;; -1 χ 10*"^{5 0}C"¹

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beträgt, was eine ausgezeichnete Charakteristik ist.

Wenngleich die erfindungsgemäße planar-Stimmgabel - wie oben erwähnt - in einem Preß- bzw· Stanzvorgang hergestellt werden kann, ßo läßt sie sich auch aus einer Grundplatte durch chemische Ätzung fertigen· Zu diesem Zweck werden Nuten 16 in ein dünnes Blech 15 aus Elinvar durch chemische Ätzung so eingearbeitet, daß die Vibrationszungen 3a und 3b, der Basisteil 4 und der Kopplungsteil 6' stehen bleiben (vergleiche Pig*9)· Xn diesem Falle stellt man vorzugsweise durch chemische Ätzung eine Nut 17 in einer bestimmten Entfernung vom Kopplungsteil 6^f auf der den Vibrationszungen abgewandten Seite her. Mittels der Technik der Fotoätzung, die bei der Herstellung von Halbleiterelementen verwendet wird» lassen sich Stimmgabeln kleiner Abmessungen mit hoher Genauigkeit fertigen. Sine auf diese Weise hergestellte Planar-Stimmgabel ist beispielsweise zur Verwendung in integrierten Halbleiter-Kreisen geeignet.

Bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel sind piezoelektrische Elemente als elektroseohanisohe Wandler vorgesehen. Stattdessen können jedooh auoh elektromagnetische Wandlerelemente Verwendung finden. Statt die piezoelektrischen Elemente 5a und 5b auf der Planar-Stimmgabel anzubringen, kann man elektromagnetische Einheiten.

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18a und 18t), die aus je einem Kern und einer aufgebrachten Spule bestehen, den Vibrationessungen 3a und 3b gegenüberliegend in der Nähe der freien Zungenenden anbringen, da in diesem Bereich die Vibrationsamplitude am grüßten ist. Wird beispielsweise der elektromagnetischen Einheit 18a ein Erregersignal zugeführt, so gerät hierdurch die Vlbrationszunge 3a in Schwingungen. Daduroh wird auch die Vibrationszunge 3b über den Basisteil 4 in Schwingungen ^ versetzt, was ein elektrisches Signal derselben Frequenz wie sie das der Einheit 18a zugeführte Signal besitzt, von der elektromagnetischen Einheit 18b abgenommen werden kann.

Wie bereits erwähnt, ermöglicht die Erfindung eine Massenherstellung von Planar-Stimmgabeln hoher Genauigkeit und gleichförmiger Eigenschaften, ohne daß hierfür die mühsame Bearbeitung eines Metallblockes erforderlich | ist.

Fig.12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere, beispielsweise zwei, Planar-Stimmgabeln (wie in Fig,2 veranschaulicht) an Ihren Baeisteilen miteinander verbunden Bind, wobei ihre Oberflächen miteinander fluohten· Die beiden Planar-Stimmgabeln 101 und enthalten Vibrationszungen 103a, 105b und 103a., und die parallel zueinander mit Abständen angeordnet sind,

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wobei Ihre ebenen Pläohen miteinander fluohten. Die lungsteile 106* und 106^ gehen von den Basisteilen 104 und 1(H₁ aus und erstrecken sich nach der den Vibrationszungen abgewandten Seite« Sie sind parallel zueinander angeordnet und mit einem gemeinsamen Halterungsteil 113 verbunden. Sie Basisteile 104 und 104₁ der beiden planar-Stimmgabeln 101 und 102 stehen über einen Verbindungsteil 109 miteinander in Verbindung. Auf den Vibrationszungen der beiden planar-Stimmgabeln sind die piezoelektrischen Elemente 105a, 105b und 105a., und 10Sb₁ angebracht. Die so miteinander verbundenen Planar-Stinmgabeln sin! dadurch auf einer Grundplatte 106 angebracht, daS der gemeinsame Halterungeteil 113 mittels einer Schraube 116 an der Grundplatte 106 befestigt let· Sb versteht sioh, daß eine solche aus zwei Planar-Stinagabeln 101 und 102 zusammengesetzte Stimmgabelanordnung ans eines einzigen Metallblech hergestellt werden kann» dae in der erläuterten Weise gestanzt oder geätzt wird.

Die Resonanzfrequenz jeder Stimmgabel wird wie oben beschrieben durch die Gleichung (1) bestirnt} die Frequenzen der beiden Planar-Stiemgabeln werden dadurch unterschiedlich gewählt, dafl die Zungen der einen Stimmgabel eine größere Länge als die Zungen der anderen Stimmgabel erhalten. In Fig. 12 sind die Vibrations Bungen 103a., und 103b., der Stimmgabel 102 kürzer al· die Zungen 103a

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und 103b der anderen Stimmgabel 101. Torzugeweise sind die Vibrationszungen derselben Stimmgabel, also die Zungen 103a und 103b einerseits bzw. die Zungen 103a., und 103b₁ andererseits, jeweils identisch ausgebildet.

Die Breite der Vibrationszungen der Stimmgabel 101 sei mit a. und die Breite der Zungen der anderen Stimm·» ^ gabel 102 mit a_g bezeiohnet, der Abstand zwischen den Vibrationszimgen 103a und 103b mit b_1f der Abstand zwischen den Zungen 105B₁ und 103b₁ mit bg, die Länge der Zungen 103a, 103b bzw. 103a.,, 103b₁ mit I₁ bzw. I₂ ¹. Dabei werden a^, b₁, ag und b₂ so gewählt, daß a, ^. b., und K^y bg. Der Grund hierfür liegt darin, daß dann, wenn Tj₁ oder b« größer als a., oder a« ist, im Baslstell 104 bzw. 104' eine Torsion auftritt, was eine Änderung der Resonanzfrequenz verursacht. Werden ferner die Längen der Bas la teile 104 und 104., in Längsrichtung der I Vibrationszungen als C₁ und Cg bezeiohnet (in der Zeichnung ist C₁ = C₂)* so werden O₁ und O₂ größer als a₁ und a₂ der Vibrationszungen gewählt. Ist O₁ kleiner als a-j oder ag, so vergrößert sich die Vibration des BasisteilGs 104 oder 104₁ in Richtung der Kopplungeteile 106* und 106».,, was aus den erläuterten Gründen unerwünscht ist.

Zur Herstellung des Verbindungsteiles 109 wird in 109853/0674

die Verbindung zwischen dein Basletellen 104 und 104-, auf der Seite der Vibrationezimgen ein Schlitz 116* vorgesehen. Die Tiefe W des Schlitzes wird groß genug gewählt, um eine unabhängige Funktion der Stimmgabeln 101 und 102 zu gewährleisten.

_Ä Als typische Abmessungen werden beispielsweise ge

wählt: a., = a₂ = 1,8 mm, b₁ = bg = 1,0 mm, W = 1,6·mm, Stärke t₁ der Vibrationszungen 103a, 103b und 10Ja₁, 103b₁ =0,5 mm; Abstand d zwischen benachbarten Vibrations sung en 103b und 103a.. β 1,0 mm· In einem solchen Falle besitzen die Resonanzfrequenzen f₁ und f_g der Stimmgabeln 101 und 102 einen Wert von 1377 bzw. 1299 Hz. Um die Stimmgabeln 101 und 102 elektrisch anzutreiben und dadurch elektrische Signale zu erzeugen, können beispielsweise mittels eines Klebstoffes auf den Vlbrations-

) zungen 103a, 103b und 103a,, und 103b., auf der Seite der Basisteile 104 und 104-, piezoelektrische Elemente 105a, 105b und 10Sa₁, 105b.,, beispielsweise aus PZT angebracht werden.

Bei dem in Fig.12 veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind die Planar-Stimmgabeln 101 und 102 einstückig hergestellt; jede dieser Stimmgabeln erfüllt jedoch praktisch die Funktion einer selbständigen Stimmgabel. Man kann daher gesonderte Oszillatoren alt diesen Stimmgabeln'

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ale Bezugsfrequenzgebem aufbauen und auf diese Welse eine Ausgangsfrequenz entsprechend der Differenz der Sohwingungsfrequenzen erzielen* Auf diese Weise kann man insbesondere eine verhältnismäßig tiefe Oflsillatorfrequene mit relativ kleinen Stimmgabeln erreichen.

Das Schaltbild der Pig.H zeigt ein AusfUhrungsbeispiel einer solchen Konstruktion. Sin Verstärker 124 ent- ™ hält Transistoren 119a und 119b. Der Kollektor des Transistors 119a ist mit einer Speisθquelle 120 verbunden, während der Emitter Über einen Widerstand 121 an Masse liegt und mit der Basis des !Transistors 119b verbunden ist. Der Kollektor dieses Transistors 119b ist über einen Widerstand 122 mit der Speisespannungsquelle verbunden· Sein Emitter liegt über einen Widerstand 123 an Masse* Ein Oszillatorkreis 125 enthält den Verstärker 124. Die Eingangsseite des Verstärkers 124· das heißt die Basis |

des Transistors 119a, ist beispielsweise mit dem piezoelektrischen Element 105b der Vibratlonszunge 103b der Planar-Stlmmgabel 101 verbunden; die Ausgangaeeite des Verstärkers 124» das heißt der Kollektor des Transistors 119b ist mit dem piezoelektrischen Element 105a der Vibrationszunge 103a verbunden, woduroh die Vibrationszunge 103a angetrieben wird, was den Antrieb der Vibrationszunge 103b bewirkt. Der Transistor 119a wird duroh das Auegangssignal des piezoelektrischen Elementes 105b der

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Zunge 103b ausgesteuert, so daß des* OBBillatorkreis 125 mit der Resonanzfrequenz der Planar-Stiaagabel 101 schwingt. In gleicher Weise enthält ein Verstärker 130 Transistoren 126a und 126b. Die Singangsseite des Verstärkere 13O₁ das heißt die Basis des Transietore 126a, ist mit dem piezoelektrischen Element 125b der anderen Stimmgabel 102 verbunden» während der Auegangeanschluß des Verstärkers, nämlich der Kollektor des Transistors 126b, an das piezoelektrische Element 10Sa₁ angesohlossen 1st. Auf diese Welse ist ein Oeasillatorkreie 126 vorhanden, der mit der Reaonanefrequena der Planar-Stimmgabel 102 sohwingt. Biese Oszillatorkreiße 125 und 126 sind miteinander verbunden; ihre Ausgangssignale werden einem Frequenzwandler zugeführt. Die Oszillatoren 125 und 126 sind dadurch gekoppelt, daß die Planar-Stimmgabeln 101 und 102 Über den Kopplungeteil 109 aeohanieoh gekoppelt sind. Wenn beispielsweise der Oeaillator 126 der Hauptoeaillator ist, so wird die Schwingung des Os- »illators 126 (Frequenz f_g) amplitudenmoduliert mit der Sohwingungefrequens f₁ die Oszillators 125· Das Ausgangssignal' de· Osaillators 126, das an Kollektor dte frajülstors 126b abgenommen wird» gelangt über einen fiefpaßfilttr 131 au einen Verstärker 133, der einen Transistor 132 mit an Kasse geschaltetem Bai ti er enthält ,fom Afc·- gangeanichiufl 134 läflt iioh dann liü Signal f_a - t_f « f_Q abnehmen, dessen ?rtquene βonit der Bifferena der Trequenaen der OseiHatoren 125 und 126 entspricht» H let

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in diesem Falle auch müglioh, daß die AusgangesIgnale der Oszillatoren 125 und 126, das heißt die Auegangeeignale des Transistors 119b und das Kollektor-Äuegangssignal des Translators 126b, gesondert dem gemeinsamen Frequenzwandlerkreis zugeführt werden, um eine Schwebungsfrequenz zu erzeugen. Um die Kopplung der Planar-Stlmmgabeln Über den Kopplungsteil 109 zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signales zu erleichtern, wird die ^ Ausführung vorzugsweise so gewählt, daß bei der Planar-StiHmgabel 102 des Hauptoszillators die äußere Vibrationszunge 103b.. (auf der der Stimmgabel 101 abgewandten Seite) die AntriebBZunge ist, während die innere Zunge 103a^ die Aufnahmezunge darstellt, während bei der anderen Stimmgabel 101 die innere Vibrationszunge 103b die Antriebszunge und die äußere Zunge 103a die Aufnahmezunge ist. Die Planar-Stimmgabeln 101 und 102, welche die Bezugsfrequenzen der Oszillatoren 125 und 126 zur Erzielung des Schwebungssignales erzeugen, werden einstückig beispielsweise dadurch hergestellt, daß die entsprechende Struktur aus einem federelastischen Metallblech, beispielsweise Elinvar, ausgestanzt wird. Die Frequenz-Iemperatur-Abhängigkeit der beiden Oszillatoren ist somit praktisch identisch· Da ferner eine Differenzfrequenz erzeugt wird, erhält man eine besondere temperaturstabile Sohwebungsfrequenz. In Pig.15 ist die Abhängigkeit der Frequenzänderung ^f/f von der Temperaturänderung für den Fall veranschaulicht, daß nur die planar-Stiramgabeln 101 und 102 der Tempera-

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turänderung ausgesetzt werden. Man erkennt aus der graphischen Darstellung, daß der Temperaturkoeffizient JLa Temperaturbereich zwischen 19 und 65⁰C praktisch gleich ITuIl ist« Bei dem dargestellten Aueführungsbeispiel sind bei einer Temperatur von 2O⁰C f., = 1317 Hz, f₂.» 1299 Hz unä f_Q = 18 Hz. Da selbst bei einer Miniaturisierung der Planar-Stimmgabeln 101 und 102 ein Signal der Differenz φ der beiden Oszillatorfrequenzen abgegeben wird, kann man auch mit kleinen Stimmgabeln ein niederfrequentes Signal erzeugen. Bei den bekannten Ausführungen besitzt demgegenüber eine Stimmgabel, die beispielsweise mit 18 Hz schwingt, große Abmessungen und erfordert einen komplizierten Antrieb. Bei dem in Fig.H veranschaulichten AusfUhrungsbeispiel werden die piezoelektrischen Elemente als elektrische Wandlerelemente benutzt; sie können jedoch beispielsweise durch elektromagnetische Wandler oder elektrostatische Wandler ersetzt werden, was an Hand von Fig.16 näher erläutert sei. In Fig.16A ist eine elektromagnetische Einheit 135 veranschaulicht, die einen magnetisohen Teil und eine auf diesen !Peil aufgebrachte Spule gegenüber der Vibrationszunge enthält. Fig.16 veranschaulicht den Fall, daß eine feste Elektrode 136 als elektrostatisches Wandlerelement der Vibrationsaunge gegenüber angeordnet ist. Eine hohe Gleichspannung wird zwischen die Elektrode 136 und die Vibrationszunge gelegt, während gleichzeitig ein Weohselspannungssignal

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angelegt oder abgenommen wird. Alle oder einige der piezoelektrischen Elemente 103a, 105b, 105B₁ und 105I)₁ können dur*?h elektromagnetische oder elektrostatische Wandlereleaente ersetzt werden; alle diese Wandlerelemente können ferner auch in Kombination benutzt werden. Während eich die obige Beschreibung nur auf eine Anordnung von zwei Planar-Stimmgabeln bezog» so kann stattdessen auch eine Gruppe von drei Stimmgabeln benutzt werden. In diesem Falle erhält man zunächst eine Differenz der Vibrationsfrequenzen von zwei Stimmgabeln und dann eine Differenz zwischen der resultierenden Frequenzdifferenz und der Vibrationsfrequenz der dritten Stimmgabel. Man kann ferner auf einfache Weise einen Oscillator aufbauen, dessen Schwingungefrequenzen den Differenzen der Sohwingungsfrequenzen von mehr als vier Stimmgabeln entsprechen.

In den Fig.17 und 16 sind erfindungsgemäße Planar- | Stimmgabeln (wie in Fig .2 dargestellt) mechanisch in derselben Weise wie bei dem in den Fig.12 und 13 dargestellten Ausführungen!spiel gekoppelt. Soweit gleiche 3?eile wie bei der Ausführung der Fig. 12 und 13 vorhanden sind, sind gleiche Beaugszeichen benutzt; insoweit erübrigt eich auch eine gesonderte Beschreibung. In diesem Falle sind die Vibrationszungen 103a, 103b und .103a₁ und 103b^ der beiden Planar-Stimmgabeln 101 und 102 etwa gleioh lang. AIb Antriebs- und Detektoreleinen-

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te eines Filters sind piezoelektrische Elemente, beispielsweise aus PZT, vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Elemente jedoch auf den beiden äußeren Vibrationszungen 103a und 103b^ der beiden Stimmgabeln 101 und 102 in der Nähe der Basisteile 104 und 104-, vorgesehen (vergleiche die Bezugszeiohen m 1O5a und 105b.,.

Die Resonanzfrequenz f dieser Planar-Stimmgabeln 101 und 102 wird durch die eingangs erwähnte Gleichung O) gegeben. Wenn beispielsweise 1 « 1,85 cm und t » 0,05 cm, so ergibt sich eine Resonanzfrequenz f = 10150 Hz,

Wird dem piezoelektrischen Element 105 der Stimmgabel 101 ein elektrisches Signal zugeführt, so wird dadurch die Zunge 103a in Schwingung versetzt; dies hat * zur Folge, daß die Zunge 103b gegenphasig zur Zunge 103a schwingt. Auf diese Weise ist die Stimmgabel 101 angetrieben« Über den Kopplungsteil 109 wird infolgedessen auch die Stimmgabel 102 in Schwingung versetzt, so daß die Zungen 103a., und 103b gleichzeitig schwingen. Vom piezoelektrischen Element 105b., der Zunge 103b^ kann infolgedessen ein elektrisches Signal abgenommen werden. In einem solchen Falle werden die Planar-Stimmgabeln 101 und 102 zur Vibration nur duroh ein Signal angeregt, das eine bestimmte Frequenz gleich ihrer Reso-

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nanzfrequenz besitzt; die Stimmgabeln vibrieren dagegen kaum bei anderen Frequenzen. Man kann auf diese Weise einen Filter gewinnen, dessen Durohlaßbereioh der Schwingungsfrequenz der Planar-Stimmgabeln entspricht.

Bezeichnet man die Breite der Vibrationszungen jeder Stimmgabel 101 bzw, 102 mit a und den Abstand zwischen benachbarten Vibrationszungen mit b, so wählt man zweokmäßig b halb so groß wie a. Ist b größer als a, so tritt in den Basisteilen 104 und 104-, eine Pseudovibration auf, die die Resonanzfrequenz verschiebt. Die Länge ο des Basisteiles 104 bzw. 104.] in Längsrichtung der Vibrationszungen wird größer als die Breite a der Vibrationszungen gewählt, beispielsweise etwa 1,5mal so groß wie die Breite a. Ist nämlich ο kleiner als a, so wird ein erheblicher Anteil der Vibration Über den Kopplungsteil 106' und 10O₁* auf den Halterungsteil 113 übertragen· Vorzugsweise werden die piezoelektrischen Elemente 105a und 105b.j gegenüber der Begrenzungelinie zwischen den Zungen und den Bas!stellen 104 und 104₁ etwas weiter in Richtung auf das freie Ende der Vibrationseungen angeordnet. In diesem Falle werden die Resonanzfrequenzen der Planar-Stimmgabeln etwa gleich der aus der obigen Gleichung (1) berechneten Frequenz. Eine Verschiebung der piezoelektrischen Elemente in Richtung auf die freien Enden der Vibrationszungen führt zu einer höheren

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chung ihrer Resonanzfrequenzen.

Im Folgenden sei der Kopplungeteil 109 näher erläutert· Bezeichnet man den Abstand des Kopplungeteilea von der Begrenzungslinie zwischen den Vlbrationszungen 103b und 103a., und den Basisteilen 104· und 104·., mit W, bo veranschaulicht Pig.19 eine Verlustkennlinie mit W ) als parameter; hierbei ist in der Ordinate der Verlust in dB und in der Abszisse die Frequenz in Hz aufgetragen. Die Kurven 12,13 und 14 veranschaulichen die Fälle für W = 1,50 mm, 156 mm und 1,62 mm» Man erkennt aus der Kurvendarstellung, daß eine Verringerung von W die Kopplung der beiden Planar-Stimmgabeln 101 und 102 verstärkt und zu einer doppel-höokerigen Charakteristik führt sowie den Durchlaßbereich verbreitert, beispielsweise bis zu δ Hz. In der Kurve 13 ist der Durohlaßbereich etwa 5 Hz· Bei Verringerung der Kopplung der Planar-Stimmgabeln, das heißt bei einer Vergrößerung von W, wird die Charakteristik im wesentlichen einhöokrig und die Durchlaßbreite verringert sioh auf 2,5 Hz. Die liefe der Einsattelungen der Kurven 12,13 und 14 betragen 8, 5 bzw. 1 dB* Ee versteht sioh hiernach, daß die Bandbreite dadurch verbreitert werden kann, daß W verringert wird, was die Kopplung der Planar-Stimmgabeln 101 und 102 vergrößert. Die Bandbreite kann dagegen dadurch enger gemacht werden, daß W vergrößert wird, was zu einer Ver-

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ringerung der Kopplung führt. Bei dem obigen Beispiel sind für a, b ,.. t die zuvor erwähnten Werte gewählt; die verwendeten piezoelektrischen Elemente aus PZT besitzen Abmessungen von 3x2 mm . Man erkennt ferner, daß das Verhältnis zwischen den Frequenzdifferenzen der Scheitel der charakteristischen Kurven und W derart ist, daß eine Vergrößerung von W eine lineare Abnahme in der Frequenzdifferenz bewirkt, was Fig.20 veranschaulicht. In der Abszisse ist hierbei W (in mm) und in der Ordinate die Frequenzdifferenz (in Hz) aufgetragen.

Die Filtercharakteristik des in den Fig.17 und 18 veranschaulichten Filters kann durch Eingangs- und Ausgangßwiderstände verbessert werden· Wie Fig.21 zeigt, wird ein Signal dem erfindungsgemäßen Filter 215 von einer Signalquelle 216 über einen Widerstand 217 zugeführt; es wird also ein Signal dem piezoelektrischen Element 105a des Filters 215 zugeführt· Ein Widerstand 218 ist zwischen den Ausgang (piezoelektrisches Element 105b₁) und Masse geschaltet· Auegangeanschlüsse 219 sind mit den beiden Enden des Widerstandes 218 verbunden. Ein maximales Ausgangssignal ergibt sich dann, wenn der Widerstand 218 den Wert — beträgt; hierbei ist C₁ die kapazitive Komponente des piezoelektrischen Elementes (PZT). Die Resonanzfrequenz beträgt

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1000 Hz und die kapazitive Komponente O₁ von PZT den Wert 2000 pF. Rg = 1 M JXist ein maximaler Ausgang.

Die graphische Darstellung in Fig.22 zeigt die Verlust-Frequenz-Kurven, die man erzielt» wenn die Werte der Widerstände 217 und 218 geändert werden; die Wk Ordinate gibt den Verlust in dB und die Abszisse die Frequenz in Hz wider. Die Kurve 20 betrifft den Fall, in dem der Widerstand 217 den Wert H- » O und der Widerstand 218 den Wert Rp = Unendlich besitzt; in diesem Falle ist die Tiefe der Einsattelung zwischen den beiden Höckern der Kurve 20 gleich 6,5 dB und der Einsatzverlust an den Scheiteln etwa gleich Hüll. Bei R₁ = O und Rp « 1 Μ.Π ergibt sich ein Einsatzverluet an den Scheiteln von 9 dB; die charakteristische Kurve wird jedoch nahezu einhöckerig; die Tiefe der Einsattelung beträgt nur noch 3 dB. Bei R₁ = 1 MJl ist der Einsatzverlust derselbe wie im obigen Falle; die charakteristische Kurve wird jedooh noch stärker einhöokerig; die Tiefe, der Einsattelung liegt bei etwa 1 dB; die Bandbreite ändert sich nicht mit dem Widerstandswert Rg; sinkt jedoch von 5 Hz auf 4,5 Hz ab, wenn R₁ von O auf 1 MJl geändert wird.

Wie oben erläutert, ermöglicht die Erfindung eine Herstellung des Stimmgabel-Filters durch Ausstanzen ei-

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nes Metallbleches; die Erfindung ermöglicht damit eine Hassenhersteilung mit hoher Genauigkeit bei gleichseitiger Miniaturisierung der Filter. Die Bandbreite kann durch Steuerung dee Kopplungsgrades des Kopplungsteiles 109 der beiden Planar-Stimmgabeln 101 und 102 eingestellt werden.

Der oben beschriebene Filter besitzt eine ausgezeich- m nete Temperaturcharakteristik; das Verhältnis der Frequenzänderung zur Temperaturänderung liegt bei etwa -1 χ 10"^. Auch die Cut-off-Charakteristik des Filters ist ausgezeichnet, wie man der erwähnten Yerlustoharakteristlk entnehmen kann»

Die Cut-off-Charakteristik kann dadurch noch weiter verbessert werden» daß die Planar-Abstimmgabeln nebeneinander angeordnet werden, wie FIg,23 zeigt. Bei dieser Ausführung ist eine Stimmgabel 103_f die identisch mit den Stimmgabeln 1C1 und 102 ausgebildet ist, zwischen den letztgenannten Stimmgabeln angeordnet. Diese Stimmgabelanordnung kann durch Ausstanzen eines Metallbleohea hergestellt werden. In diesem falle eind alle Planar-Stimmgabeln mit dem Halterungsteil 113 einstückig über einen Kopplungsteil 106»g verbunden, der sich vom Basisteil 104p der mittleren Stimmgabel 103 aus erstreckt; die Kopplungoteile 106' und 106^ der beiden anderen

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Planar-Stimmgabeln (vergleiche Pig. 17) entfallen dafür« Um die drei Planar-Stimmgabeln miteinander eu verbinden, sind Kopplungsstege 109₁ und 109₂ zwisohen den Vibrationszungen der mittleren Stimmgabel 103 und den inneren Vibrationszungen der beiden benachbarten Stimmgabeln vorgesehen. Auf diese Weise ist eine einstüokige Stimmgabel- ^ anordnung vorhanden« Die drei nebeneinander angeordneten, miteinander verbundenen Stimmgabeln 101, 102 und 103 bilden zusammen einen Filter von ausgezeichneter Selektivität. Man kann selbstverständlich auch mehr als drei Stimmgabeln in der erläuterten Weise nebeneinander anordnen.

Bei dem oben beschriebenen AuefUhrungsbeiepiel liegen die Vibration^zungen der Planar-Stimmgabeln im wesentlichen in einer einzigen Ebene· Eine eolohe AusfUhrung ist jedooh nioht unbedingt erforderlich· Bb genügt, wenn zwei Vlbrationszungen von wenigstens einer Flanar-Stimmgabel in einer Ebene angeordnet sind* Man kann beispielsweise eine Vielzahl von Planar-Stimmgabeln durch geeignete Kopplungsglieder so νerbinϊen, daß ihre Vibrations zungenpaare mit Abstand Übereinander liegen, wie. dies in Fig.24 veranschaulicht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier Planar-Stimmgabeln 301, 302, 303 und 304 vorgesehen, die je zwei in einer Ebene liegende Vibrationszungen enthalten. Diese Stimmgabeln sind so miteinander verbunden, daß die genannten Vibratione-

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zungenpaare mit Abstand übereinander liegen. Auf der den Vibrationszungen abgewandten Seite der Stimmgabeln sind Basisteile 304» 304·..♦ 3042 und 304» vorgesehen. Biese verlängerten Basisteile befinden sich zwisohen Blöcken 30b, 3Ob₁, 3Ob₂ und 30b« und sind miteinander verbunden. Kopplungsteile 309., ι 309₂ und 309, sind zwischen je zwei benachbarten Planar-Stimmgabeln im Bereioh _ der Basisteile 304» 304^, 304₂ und 304, oder im Bereich der Vibrationszungen nahe den Basisteilen vorgesehen» wodurch die Stimmgabeln miteinander verbunden sind. Zn diesem Falle werden die Flanar-Stlmmgabeln zweckmäßig gesondert aus einem Metallblech ausgestanzt und miteinander verbunden, um auf diese Weise eine gleiohföratige Temperaturoharakteristlk zu erreichen. Auch in diesem Falle sind auf den Vibrationszungen der obersten und untersten Stimmgabel piezoelektrische Elemente -vorgesehen. I

Bei den oben in den Flg.17« 23 und 24 beschriebenen Ausführungsbeispielen verwenden die Filter die plattenförmigen Flanar-Stlmmgabeln und können infolgedessen in ihrer Konstruktion miniaturisiert werden« Die Planar-Stimmgabaln hoher uenauigkeit und gleiohförmiger Charakteristik las βen sich ferner in einer Kassenfertigung durch einen Stanzvorgang herstellen» was die Erzeugung ausgezeichneter Filter ermöglioht.

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Die Anwendung der bei der Herstellung von Halbleitern benutzten Photoätzteohnik gestattet eine Vereinfachung bei der Herstellung kleiner Planar-Stimmgabeln, was eine weitere Miniaturisierung der Filter ermöglicht.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen werden die piezoelektrischen Elemente als Antriebs- und Detektorelemente der Filter benutzt; sie können jedoch durch elektromagnetische oder elektrostatische Elemente ersetzt werden. Man kann ferner diesen drei elektromechanischen Wandlerelemente in Kombination benutzen.

Die Fig.25 und 26 veranschaulichen einen Frequenzwähler, der für eine Alarmeinriohtung, einen Frequenzanalysator oder dergleichen verwendet werden kann. Hierbei finden eine Vielzahl erfindungsgemäßer Planar-Stimragabeln Verwendung. Aus einer Vielzahl von Eingangesignalen unterschiedlicher Frequenz werden die Signale selektiv entsprechend ihrer jeweiligen Frequenz abgenommen.

In Pig.25 kennzeichnen die Bezugszeiohen 401, 402, 403 .·· 4On die erfindungsgemäßen Planar-Stimmgabeln (entsprechend Fig.2). Sie enthalten je zwei Vibrationszungen 401a und 401b, 402a und 402b ··· 40na und 40nb in gleicher Weise wie bei den vorhergehenden AusfUhrunge-

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Beispielen. Alle Stimmgabeln sind über die Kopplunestei-Ie 409.J, 409₂ ··· ^°^j-i ¹^ bereich ihrer Baaieteile 4O4-j# 404₂ ... 404_n einstückig verbunden, so daß die Vibrationszungen 401a, 401b .0. 40na, 40nb mit Abständen in derselben Ebene liegen können. Die freien Enden der Kopplungsteile 406«.,, 406»2 . ♦» 4°⁶'_n» <*ie ^{eicn von dem} mittleren Bereich der Basisteile der Stimmgabeln in einer den m Vibrationszungen entgegengesetzten Richtung erstrecken, sind im wesentlichen unter einem rechten Winkel abgebogen und mit einem Halterungsteil 415 verbunden, der parallel zu einer Grundplatte 406 angeordnet ißt« Der Halterungsteil 413 erstreokt sich damit im wesentlichen parallel zu den Vibrationszungen. Elektromechanisch^ Wandlerelemente, beispielsweise piezoelektrische Elemente 4015a, 4015b, 4025a, 4025b ... 4On5a, 4On5b sind mittels eines Klebers auf den Vibrationszungen 401a, 401b, 402a, 402b ...40na, 40nb der Stimmgabeln nahe der Basisteile " 404-jt 404₂ ··« 404n befestigt. Me Planar-StImmgabeln 401, 402, 403 ... 4On weisen eine unterschiedliche länge ihrer Vibrationszungen auf, so daß unterschiedliche Resonanzfrequenzen entstehen. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird die Resonanzfrequenz f der Planar-Stimmgabeln durch die oben erwähnte Gleichung (1) gegeben.

Gemäß Pig.25 sind die Planar-Stimmgabeln 401, 402 1 09853/067/»

40η so ausgebildet! daß β ion ihre Resonan «frequenz en ^f 41' ^f 42 * * * ^f4n ^allmönlioü verringern. Die Längen der Vibrationszungen der einzelnen Stimmgabeln werden also in der genannten Reihenfolge immer größer. Bei jeder Stimmgabel wird die Breite a ihrer Vibrationszungen größer als der Abstand b zwisohen den Zungen gewählt, beispielsweise -ä| = b5. let b5 größer als a5» eo ergibt sich eine torsionsvibration im Basieteil, was. die Resonanzfrequenz f ändert und die Erzeugung einer etabilden Resonanzfrequenz aussohließt. Die Länge ο des Basisteiles in Längsrichtung der Vibrationszungen wird größer als die Breite a gewählt, beispielsweise 1,5a,- = e5. Ist o5 kleiner als a5, so wird ein erheblicher Teil der Vibration der Zungen vom Kopplungeteil auf die Halterung übertragen, was Verluste zur Folge hat. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbe!spielen vibrieren die Vibrationszungen jeder Planar-Stimmgabel gegenphasig zueinander rechtwinklig zu ihrer Ebene. Die Vibration erfolgt somit in der Weise, daß sich die Zungen zunächst in entgegengesetzter Riohtung von ihrer gemeinsamen Ebene wegbewegen und dann - wiederum gegensinnig - auf diese Ebene zusohwingen.

Bei dem AusfUhrungsbeispiel der Pig.25 grenzen die Kopplungoteile 409^, 4O9₂ ... 409_n-1 *& ^{die äen} Vibrationszungen abgewandten Enden der Basisteil« der Planar-

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Stimmgabeln an; die Kopplungstelle können jedoch auch unmittelbar an die Vibrationszungen in der Nähe der Basisteile anschließen. Biese Planar-StiTmngabeln, ihre Kopplungsteile sowie der bzw* die Haltβrungeteile können in einem Stanzvorgang aus einem legierten, federelaatischen Metallblech, beispielsweise Elinvar, hergestellt werden. Sie werden also nacheinander, ohne Unterbrechung, aus einem Materialstück gefertigt. Finden als elektro~ mechanische Wandleralemente piezoelektrische Elemente aus PZT Verwendung, so ordnet man sie vorzugsweise auf den Vlbrationszungen der Planar-Stimmgabeln in der Nähe, jedoch in einer im Abstand genau definierten Lage gegenüber den Basisteilen an, so daß man Resonanzfrequenzen nahe den berechneten Werten erhält« Bs ist ferner zweckmäßig, die Kopplungsteile 409.,, 409₂i 409^ ♦·· 4°9_n-i so klein wie möglich auszubilden, um Interferenzen zwischen benachbarten Planar-Stimmgabeln möglichst zu ver- | meiden. Der Halterungsteil 413 zur Befestigung der Stimmgabeln an ein und derselben Grundplatte 406 kann entweder für alle Stimmgabeln gemeinsam oder für jede Stimmgabel gesondert Torgesehen werden·

Die elektromechanischen Wandlerelemente 4015a, 4025a, 4035a ... 4On5a (also jeweils das eine Wandlerelement der Blementenpaare) sind mit einer gemeinsamen Signalquelle 411 verbunden. Ύοη dieser gemeinsamen Signalquellθ 411

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werden also die Signale den Stimmgabeln parallel augefUhrt. Demgegenüber werden τοη den anderen elektromechanischen wandler el em en ten 4015b, 40251», 4035b ··.· 40n5b die Signale gesondert abgenommen. Bei dem in der Zeichnung veranschaulichten AuefUhrungsbeispiel sind Transistoren 412a, 412b, 412c ... 412n für jede der planar-" Stimmgabeln 401, 402 ... 4On vorgesehen; die Bnitter liegen beispielsweise an Hasse, während die Kollektoren der Transistoren mit einem Pol einer Spannungequelle E über Widerstände 413a, 413b, 413c ·.· 413n verbunden sind. Die Basis der Transistoren ist mit den Vandlerelementen 4015b, 4025b .... 4025n der Ausgangsseite der Stimmgabeln verbunden. Weiterhin sind Auegangsansohluese 414a, 414b, 414c ·«« 4Hn mit den Kollektoren der Transistoren verbunden.

Wenn bei einer Ausführung der in ?ig.25 veranschaulichten Art ein Signal mit einer Frequenz t„ von der Signalquelle 411 dem Frequenzwähler zugeführt wird, so vibriert nur die Planar-Stimmgabel 401, so daß dem Transistor 412a ein Signal zugeführt wird, was an Ausgangsansohlufl 414a ein Signal der frequenz f^ erzeugt. Es vibriert also nur die Planar-stimmgabel, deren Resonanzfrequenz der Frequenz des von der Signalquelle augeführten Signales entspricht, was an dem der vibrierenden Stimmgabel entsprechenden Ausgang ein Signal ergibt;

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hieraus läßt sich somit die Frequenz des von der Signalquelle 411 zugeführten Signales erkennen. Selbst wenn eine Mehrzahl von Signalen untersohiedlioher !Frequenzen gleichzeitig von der Signalquelle 411 dem Frequenzwähler zugeführt wird, so vibrieren doch nur die Player-Stimmgabeln entsprechend den betreffenden Frequenzen, wae Ausgangssignale an den zugehörigen Ausgangsanschltissen hervorruft. Der Frequenzwähler gemäß diesem Aueführungsbeispiel ermöglicht somit die Feststellung der Frequenzen der von der Signalquelle 411 abgegebenen Signale. Die "Einheit kann somit als Frequenzanalysator, als Alarmeinrichtung oder dergleichen benutzt werden. Im Falle einer Alarmeinrichtung werden mehrere Alarmsignalquellen an verschiedenen Stellen angebracht und so ausgebildet, daß sie Alarmsignale unterschiedlicher Frequenzen abgeben. An Hand der von einzelnen AusgangsanschlUesen 414a, 414b, 414o «._e 4Hn abgegebenen Signale kann man dann |

die lage der Signalquelle die das betreffende Alarmsignal abgegeben hat, bestimmen.

Der Frequenzwähler mit den erfindungsgemäßen PIanar-Stimmgabeln ermöglicht eine Unterscheidung von Signalfrequenzen j in diesem Falle werden die Planar-Stimmgabeln 401, 402, 403 ... 4On einstückig ausgebildet, wobei ihre Vibrationszungen praktisch in derselben Ebene liegen. Die ganze Anordnung kann damit in einem Stanz-

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Vorgang aus Metallblech hergestellt werden, was die Fertigung wesentlich erleichtert. Die verschiedenen Planar-Stimmgabeln weisen dabei praktisch dieselbe Temperaturcharakteristik auf, so daß man einen temperaturstabilen Frequenzwähler erhält. Selbst wenn sich die Temperaturcharakteristik etwas ändert, so gehen diese Änderungen bei den einseinen Planar-Stimtngabeln doch in gleicher Weise vor sich, was eine einfache Kompensation ermöglicht. Wird eine Stanzeohablone hoher Genauigkeit benutzt, so läßt sich der Frequenzwähler auch im Rahmen einer Massenfertigung mit hoher Präzision herstellen«

Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen sind piezoelektrische Elemente ale elektromeohanlsohe Wandler vorgesehen. Sie können jedoch auch durch elektromagnetische oder elektrostatische Wandlerelemente ersetzt werden. Man kann ferner in der erläuterten Welse einen Frequenzwähler hoher Genauigkeit erzeugen; wenn also die Eingangssignale sehr nahe benachbarte Frequenzen besitzen, so kann doch der Einsatzverlust wegen der eoharfen Resonanzfrequenz-Charakteristik der Planar-Stimmgabeln niedrig gehalten werden. Wenn beispielsweise a5 « 1,8 mm» o5 » 1,0 mm, o5 - 1,35 mm, d5 = 18,5 mm und t5 «= 0,5 mm, eo beträgt die Resonanzfrequenz 10150 Hz und Q 1st größer als 1100, wobei der Einsatzverlust kleiner ale einige dB gehalten werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1.)]tr-förmiger mechanischer Vibrator, dadurch

gekennzeichne t , dafl zwei streifen- ^

förmige Vibrationszungen mit etwa derselben ?orm vorgesehen sind» weiterhin ein die beiden Vibrationezungen an einem Ende einstückig verbindender Basisteil, wobei df.e Breite des Vibrationszungenpaares wesentlich größer als die Stärke der Vlbrationssungen gewählt ist» daß die Vibrationszünden mit Abstand parallel »ueinander angeordnet sind, wobei ihre Oberflächen otwa in derselben Ebene liegen und daß die Vibrationezungen gegenphaeig zueinander im reohten Winkel zu der Ebene ihrer oberfläche vibrieren« I

2.) TJ-förmiger mechanischer Vibrator naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Vibrationszunge ein elektromeohanlsoher Wandler zur Umformung der mechanischen Vibration der Zungen in elektrische Signale bzw. umgekehrt vorgesehen 1st.

3.) Unförmiger meohaniaoher Vibrator naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet! daß jeder Vibrationszunge

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ein Elektromagnet gegenüber angeordnet ist, wobei dem einen Elektromagnet ein Signal zugeführt und von dem anderen Elektromagnet ein Signal abgenommen wird.

4.) ü-förmiger meohanieoher Vibrator nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet» daJ benachbart zu den einseinen Vibrationszungen ihnen gegenüber feste Elektroden angeordnet sind, denen eine Gleichspannung als Vorspannung zugeführt wird, und daß weiterhin eine Wechselstromquelle vorgesehen ist, die ein Wechselstroms ignal zwischen jede Vibrationszunge und jede feste Elektrode legt.

5·) Oszillator MiIt einem U-förmig en mechanischen Vibrator, dadurch gekennzeichnet, daß der U-förmige mechanische Vibrator zwei paarweise zusammengefaßte, streifenförmige Vibrationszungen etwa derselben Form sowie einen die beiden Vibrationszungen an einem En» de einstückig verbindenden Basisteil aufweist, daß die Breite jeder Vlbrationszunge wesentlich größer als ihre Stärke ist, daß weiterhin die Vibrationszungenpaare mit Abstand und parallel aneinander in ein und derselben Ebene angeordnet sind und gegenphasig zueinander unter einem rechten Winkel zu ihrer gemeinsamen Ebene vibrieren, und daß weiterhin ein Verstärker vorhanden ist, dessen Ausgangesignal der

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einen Vibrationszunge des mechanischen Vibrators zugeführt wird, während das Ausgangesignal des mechanischen Vibrators dem Eingang des Verstärkers zugeführt wird«

6,) Oszillator mit Kwei U-förmigen mechanischen Vibratoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vibrator zwei streifenförmige Vlbrationszungen von etwa der- ^ selben Porm sowie einen die beiden Zungen an einem Ende einstückig verbindenden Basiste11 aufweist, daß die Breite 3<?äer Vibratlonszunge wesentlich größer als ihre Stärke gewählt ißt, daß die Vibrationsssungenpaare mit Abstand und parallel zueinander angeordnet sind, wobei diese Oberflächen im wesentlichen in derselben Ebene liegen und die Zungen gegenphaeig zueinander unter rechten Winkeln zu der gemeinsamen Ebene vibrieren, daß die länge der Vifcratlonszungen eines der beiden U-förmigen mechanischen Vibratoren unterschiedlich von den Zungenlängen des anderen Vibrators gewählt ist, daß der Eingang eines Verstärkers mit einem elektromechanischen Wandler verbunden ist, der fest auf einer Vlbrationszunge eines der Vibratoren angebracht ist, während der Verstärkerausgang mit einem elektromechanischen Wandler verbunden ist, der fest auf der anderen Vibrationszunge des einen U-fönaigen mechanischen Vibrators angebracht Ist,

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und daß ein weiterer Verstärker vorgesehen ist, dessen Eingang mit einem elektromechanischen Wandler verbunden ist, der fest auf einer Vibrationszunge des anderen U-förmigen mechanischen Vibrators angebracht ist, während der Ausgang des zweiten Verstärkers mit einem elektromechanischen Wandler in Verbindung steht, der fest auf der anderen Vibrationszunge des anderen Vibrators vorgesehen ist. ; . ·

7.) Filter mit einer Anzahl U-förmiger mechanischer Vibratoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vibrator zv/ei ßtreifenförmige Vibrationszungen etwa derselben Gestalt sowie einen die beiden Zungen an einem Side einstückig verbindenden Basisteil aufweist, daß die Breite jeder der Vibrationszungen wesentlich größer als ihre Stärke gewählt ist, daß die Vibrationszungenpaare mit Abstand voneinander und parallel.zueinander vorgesehen sind, wobei ihre Oberflächen im wesentlichen in derselben Ebene liegen und gegenphasig zueinander rechtwinklig zu ihrer gemeinsamen Ebene vibrieren, daß die Anzahl der U-förmigen mechanischen Vibratoren mechanisch verbunden ist, wobei diese Vibratoren mit Abstand nebeneinander angeordnet sind und ihre Vibrationszungen etwa in derselben Ebene liegen, daß weiterhin die Resonanzfrequenzen der verschiedenen U-förmigen mechanischen Vibratoren nahe benachbart bzw.

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annähernd gleich sind und daß zwei elektromechanisch^ Wandler auf den äußeren Vibrationszungen der an bei» den Selten äußersten U-förmigen mechanischen Vibratoren fest angebracht Bind·

8.) Filter nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die ΙΓ-förmigen mechanischen Vibratoren in Richtung lh- A rer Dicke mechanisch gekoppelt sind«

9«) Wähler mit einer Anzahl Unförmiger mechanischer Vibratoren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vibrator zwei paarweise zusammengefaßte, streifenfBrmige Vlbrationszungen etwa derselben Form sowie einen die beiden Zungen an einem Ende einstückig verbindenden Basisteil aufweist, daß die Breite jeder Zunge wesentlich grosser als ihre Stärke ist, daß weiterhin die Zungenpaare mit Abstand parallel zueinander angeordnet sind, wobei ihre Oberflächen etwa in derselben Ebene liegen und die Zungen gegenphasig zueinander rechtwinklig zur gemeinsamen Ebene vibrieren, daß weiterhin die Resonanzfrequenzen der U-förmigen mechanischen Vibratoren voneinander unterschiedlich sind, daß ferner eine Signalquelle vorgesehen ist, die einer Zunge der Vibrationszungenpaare jedes U-förmigen mechanischen Vibrators über ein elektromeohanisohee Wandlerelement, das fest auf dieser Zunge angebracht ist, Signale

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zuführt, und daß weiterhin Einrichtungen vorhanden sind, die von der anderen Vibratione«fc»£e ober einen fest darauf angebrachten elektromeahaalsehen Wandler ein Ausgangesig»al ableitet.

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