DE1812315A1

DE1812315A1 - Elektromechanische Schwingungseinrichtung

Info

Publication number: DE1812315A1
Application number: DE19681812315
Authority: DE
Inventors: Morio Onoe; Takeshi Yano
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1967-12-28
Filing date: 1968-12-03
Publication date: 1969-12-04
Also published as: US3525884A; DE1812315B2

Description

Anmelderin Stuttgart, den 2, Dez. 1968

Xippon Electric Company Limited p 2169 88/86 7-15, Shiba Gochome, Minato-ku
Tokio / Japan

Vertreter
Patentanwalt
Dipl.-Ing. Max Bunke
7 Stuttgart 1
Schloßstr. 75 B

Elektromechanisch^
Schwingungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Schwingungseinrichtungen, die der Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische und der Rückwandlung in elektrische Schwingungen mit der halben oder doppelten Frequenz der elektrischen Eingangsschwingungen dienen«

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue elektromechanische Schwingungaelnrlohtung zu schaffen, die als nicht-lineares, passives Schaltelement für Verstärker, Frequenzwandler, Speicher und dergleichen wirken kann, die bei relativ niedrigen Frequenzen wie Tonfrequenzen arbeiten.

909849/0754

Weiter soll die neue elektromechanisch^ Schwingungseinrichtung als umkehrbarer Vierpol dienen können, der entweder als Frequenzteiler 1:2 mit parametronähnlicher Wirkungsweise oder als Frequenzverdoppler verwendet werden kann. Unter "Parametron" ist eine-nichtlineare Reaktanz mit Kerritkernen zu verstehen»

Ziel der Erfindung ist auch, eine elektromechanische Schwingungs-= einrichtung zu schaffen^ die gewisse Nachteile vermeidet,, mit denen bei Parametrons gerechnet v/erden muß. Dies sind beispielshalber verhältnismäßig großer Leistungsbedarf* Mangel an Frequenzselektivität, wie insbesondere bei der Anwendimg in frequenzselektiven Verstärkern zu beobachten ist, und andere.

Die elektromechanische Schwingungseinrichtung nach der Erfindung zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische und Rückwand lung in elektrische Schwingungen mit der halben oderdoppelten Frequenz der Eingangsschwingungen ist dadurch gekennzeichnet, daß eine zweizinkige Stimmgabel mit einer« Biegeschwinger doppelter Resonanzfrequenz gekoppelt ist und. daß beide Teile der Einrichtung mit elektromechanischen Wandlern gekoppelt sind, ' die der Schwingungswandlung in beiden Richtungen fällig sind.

Ua einen hohen Wirkungsgrad bei der Energieübertragung von dem einen Teil der gekoppelten Schwingungseinrichtung zum anderen und umgekehrt sicherzustellen, steht die Schwingungsrichtung der symmetrisch schwingenden Zinken der Stimmgabel nach einer Weiterbildung der Erfindung senkrecht auf.^der Schwingungsrichtung des Biegeschwingers.

Im gleichen Sinne soll das Joch der Stimmgabel eine ausreichende Steife besitzen, um im Stimmgabelschaft die Frequenzkomponente vorherrschen zu lassen, die das doppelte der Resonanzfrequenz der Stimmgabel beträgt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die elektromechanischen Wandler aus einem ferroelektrisden Keramikstoff. Sie sind dann permanent polarisiert und die Polärisierung der mit • . 909849/0754

cen. Stimmgabelzinken gekoppelten Wandler liegt in gleicher Richtung aber gegensinnig.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die zwei ihrer Ausführungsformen zeigt und eine schematische Darstellung der Art,in der die Schwingungseinrichtung zu Schwingungen erregt wird.

Wie später noch betont werden wird, können viele andere Ausführungsformen, und Modifikationen gebaut werden, ohne daß damit der Rahir.en der Erfindung verlassen wird.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer elektromechanischen ^ Schwingungseinrichtung, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, . . .,

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das das Schwingverhalten der Schv.'ingungseinrichtung als Ursache für die nichtlineare Frequenzcharakteristik zeigt,

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer elektromechanischen Schwingungseinrichtung nach eine'r"anderen Ausführungsform der Erfindung.

Die zweizinkige Stimmgabel 1 der Schwingungseinrichtung nach Fig.1 umfaßt die beiden Zinken, ein Joch und den Schaft. Sie besteht ™ aus einer Eisen-Nickel-Legierung. An den Außenflächen der Zinken ist - wie dargestellt - in geeigneter Höhe ein Paar symmetrisch angeordneter, dünner rechteckiger Platten 2 und J (elektromechanischer Wandler) aus einem ferroelektrischen Keramikstoff angebracht. Die Platten sind permanent polarisiert (gepolt). Auf die den Gabelzinken abgewandten Oberflächen sind Silberelektroden aufgebracht. Eine Biegeschwingungsplatte 4 rechteckiger Gestalt besteht ebenfalls aus einer'Eisen-Nickel-Legierung. An ihrer Unterseite ist eine dünne, rechtwinklige Platte 5 ^aus einem ^epolten ferroelektrischen Keramikstoff angebracht. Die von der Biegeschwingungsplatte abgewandte Fläche ist mit einer Silber-

•909849/0 754 '

elektrode belegt. Von zwei Klemmenpaaren β und 7 führen elektrische Verbindungen zu den Elektroden der Platten 2, J und 5.

Um sicherzustellen, daß die Zinken symmetrisch schwingen, das heißt,sich gleichförmig und gleichzeitig nach innen und außen biegen, ist es erforderlich, daß die Permanentpolarisation der aargestellten Wandler 2 und 3 in derselben Richtung aber im entgegengesetzten Sinne liegt.

Die miteinander gekoppelten Teile der Schwingungseinrichtung bestehen aus einer Eisen-Nickel-Legierung und sind als einstückiger Gesamtteil gefertigt. Auch jedes andere geeignete Metall und jede andere Legierung oder ein zweckmäßig gepolter ferroelektrischer Keramikstoff kann verwendet werden. Die zwei Teile können auch als zwei Stücke hergestellt sein und miteinander verschweißt oder verlötet sein oder auf andere Weise miteinander verbunden sein.

Die Wandler 2 und 3 können auch eine andere, geeignete Lage einnehmen; nur müssen die Zinken mit ihrer Eigenfrequenz schwingen können. Die Bemessung der Einrichtung, beispielsweise die Länge und,Dicke der Stimmgabel, ist so getroffen, daß die Eigenfrequenz der Gabel auf die Frequenz der an die Klemmen 6.angelegten elektrischen Eingangsschwingungen grob abgestimmt ist. Die Peinabstimmung kann auf irgendeine bekannte Art erfolgen. So kann den Gabelzinken eine Änderung der mechanischen Eigenschaften durch Gewichte aufgezwungen werden oder dadurch, daß die Oberflächen der Zinkenenden durch ein Schleifmittel abgeschabt werden.

Pig. 2 zeigt die Art, in der die aus einer Stimmgabel und einer Biegeschwingungsplatte zusammengesetzte, gekoppelte Schwingungseinrichtung in ihre Grundschwingung versetzt wird. Die Figurenteile (a)-(b)-(c)-(d) zeigen die Schwingungsformen der Stimmgabel und der Biegeschwingungsplatte bei einer Phasenverschiebung um 90° und in Gegenphase zuein;
entsprechenden Schwingungszustände.

bung um 90° und in Gegenphase zueinander in den Zeitpunkten'der

909849/0754

Wenn, die Zinken einwärts gebogen sind (a), liegen die freien E,nden der Zinken tiefer als wenn die Zinken senkrecht stehen (b). Darr.it der Schwerpunkt der Anordnung eine feste Lage beibehalten kann - (Schwerpunktsatz) . .,. muß der unterhalb

der Gabelzinken befindliche untere Teil der Anordnung nach oben gezogen werden. Dieser mechanische Zug ist es, der die Biege- ' schwingungsplatte veranlaßt, sich in Richtung der Stimmgabel zu biegen.

In einer zwischen dei Phasen nach (a) und (c) liegenden Phase (b), in der die Gabelzinken senkrecht stehen, muß die Stimmgabel etwas nach unten verlagert werden, damit der Schwerpunkt seine ursprüngliche Lage beibehält. Dies ist Ursache dafür, daß sich die M Biegeschwingungsplatte in einer der Richtung nach (a) entgegengesetzten Richtung biegt. In der Schwingphase (c) ergibt sich, was die treibende Kraft für die Biegeschwingungsplatte betrifft, derselbe Zustand wie bei (a). In der Schwingphase(d) in der sich die Schwingungseinrichtung im Übergang von (c) zu (a) befindet, wird die Platte in der gleichen Weise wie in der Phase (b) nach unten getrieben.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß auf eine Schwingungsperiode den Stimmgabel zwei Sohwlngungsperioden der Biegeschwingungsplatte fallen. Wenn an die Eingangsklemmen 6 eine elektrische--Eingangsschwingung einer bestimmten Frequenz f angelegt wird, kann an den Klemmen 7 daher eine elektrische I Ausgangsschwingung der doppelten Frequenz der Eingangsschwingung, also 2 f, abgenommen werden, während bei Anlegung einer elektrischen Eingangsschwingung der Frequenz f' (f' ist in der Regel ungefähr gleich 2 f) an die Klemmen 7 von den Klemmen 6 eine ; ; Ausgangsschwingung der Frequenz f'/2 abgenommen werden kann.

Das Verhalten der elektromeohanischen Schwingungeeinrichtung 1st bei Verwendung als Frequenzteiler 1:2 das gleiche wie dasjenige eines Parametrons. So kann die elektrische Ausgangsschwingung beispielshalber in einer von zwei zueinander entgegengesetzten Phasenlagen auftreten, wenn man bei Anlegung einer Eingangs-

909849/07.5.4

1312315

schwingung der Frequenz f^f an die Klemmen 7 eine Ausgangsschwingung der Frequenz f'./2 abnimmt. V/eiche Phasenlage die Ausgangsschwingung einnimmt, ist eine Sache des Zufalls. Wenn die Schwin« gung der Stimmgabel in einer der beiden Phasenlagen angeregt ist, so bleibt diese Phasenlage erhalten, Zum Beginn einer Erregung muß daher ein Xnformationssignal mit Richtwirkung wie ein Wechselstromsignal kleiner Amplitude an die Ausgangsklemmen 6 angelegt werden.

Dann erfolgen die Schwingungen der Stimmgabel synchron rait der Phasenlage des angelegten. Signals. Diese Phas^aiafc-iTiiation kann bei der beschriebenen Schwingungseini'iohtung '>.\_: der gleichen Weise vilo bei einem Paraaentron gespeichert vj^vci^n., so daß sie als binares Speicherelement oder als binäres loglsc-lies Element benutzt; werden kann.

at ι h r !j ι j ι rib I" ■> η ι

SiI J , tilt

C]R ] (I I (<) ζ ιοί \ Ui ι der ]

I <⁴ I I¹J

if η ι κ

j _fl 1-1

1 u X

L»T

Die in Fig. 3 gezeigte, andere Ausführungsforra einei⁵ Schv/ingimgs = einrichtung nach der Erfindung weicht von der bisii& besaiirlebenen Ausfuhrungsform dadurch ab, daß die rechteckig geformtG Biegeschwingungsplatte der Fig. 1 durch eine Biegesoiiwingiingfe·-· scheibe ersetzt ist. Es ist beicacntj dai eier Wirkungsgrad der elektromechanischen Umwandlung eines Biegesehwingers, wie -er bei dieser zweiten Ausführungsform verwendet ist_;i größer Ist₅ als derjenige eines Biegeschwingers naali der ersten Ausführmigs» form.

Es sind nur gewisse Ausführungsfcrinen für Seii'iH'Jipuiiigs gen nach der Erfindung beschrieben worden. "Die. ;:SviS.:'.'iuiisg ist Jedoch nicht auf diese begrenzt-.

i) 0 9 fl /ι 0 / 0 7 5 4

So kann die gesamte Schwingungseinrichtung beispielsweise aus einem geeignet polarisierten ferroelektrischen Keramikstoff begehen. Eine solche Einrichtung erfüllt sowohl die Funktionen der zwei elektromechanischen Wandler als auch die der eigentlichen Schwingungseihrichtung. Dabei müssen metallische Elektroden derart in die Stimmgabel und den Biegeschwinger einbezogen sein« * daß die Symmetrie erhalten bleibt.

In der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wurden die Wandler als ferroelektrische Wandler bezeichnet. Dies schließt nicht aus, daß auch Wandler benutzt werden können, die auf elektromagnetischer, magnetostriktiver oder elektrostatischer Wirkung beruhen. Die zur Ausnutzung dieser physikalischen Erscheinungen erforderlichen konstruktiven Änderungen sind dem Fachmann geläufig oder liegen zumindest im Rahmen seines Könnens. Nähere Ausführungen darüber sind daher nicht nötig.

9 0 9 8 4 9/0754

Claims

Patentansprüche

1. Elektromagnetische Schwingungseinrichtung zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische und Rückwandlung in elektrische Schwingungen mit der halben oder doppelten Frequenz der Eingangeschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweizinkige Stimmgabel (l) mit einem Biegeschwinger (4) doppelter Resonanz- . frequenz gekoppelt ist und daß beide Teile der Einrichtung mit elektromagnetischen Wandlern (2,3 und 5) gekoppelt sind, die der Schwingungswandlung in beiden Richtungen fähig.sind.

2. Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtimg der symmetrisch schwingenden Zinken der Stimmgabel senkrecht auf der Schwingungsrichtung des Biegeschwingers steht.

3. Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch der Stimmgabel (l) eine ausreichende Steife besitzt, um im Stimmgabelschaft die Frequenzkomponente vorherrschen zu lassen, die das doppelte der Resonanzfrequenz der-Stimmgabel beträgt.

4. Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Wandler (2, 3 und 5) aus einem ferroelektrischen Keramikstoff:,.bestehen und permanent polarisiert sind, und daß die lolarisierung der mit den Stimmgabelzinken gekoppelten Wandler (2 und 3) in gleicher Richtung aber gegensinnig liegt.

5. Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Metall-Legierung besteht und einstückig ausgebildet ist.

6. Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (l) und der-Biegeschwinger (4) aus einer Metall-Legierung bestehen und miteinander verschweißt, ver- l'izet oder anderweitig verbunden sind.

909849/0754

7· Schwingungseinrichtung nach: Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem polarisierten Xeramikstoff besteht und sowohl die Schwingungs- als auch die Wandlerfunktion erfüllt und daß sie symmetrisch angeordnete Metallelektroden bei dem Stimmgabelteil und eine Metallelektrode am Biegeschwingerteil als Bestandteile einschließt.

8. Scnwingungseinrichtung nach Anspruch 1 bis "J, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeschwinger eine rechteckige Platte ist (Fig.i).

9« Schwingungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeschwinger (4) eine Scheibe ist (Fig.3)·

10. S chwingungs einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 und 8 und 9., dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler elektromagnetischer, magnetostriktiver oder elektrostatischer Natur sind.

L e e r s G ί ι ?