DE2018571B2 - Frequenzfilter mit einem piezoelektrischen wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Frequenzfilter mit einem piezoelektrischen Wandler, bestehend aus einem Piezokristall und zwei auf gegenüberliegenden Flächen desselben angeordneten Elektroden und einem reflektierend abgeschlossenen Ultraschall-Leiter in körperlicher Verbindung mit einer Elektrode des Wandlers, derart, daß der Ultraschall-Leiter vom Wandler beaufschlagt wird und das reflektierte Signal aus dem Uliraschall-Leiter dann wieder den Wandler beaufschlagt.

Es ist ein Frequenzfilter dieser Gattung bekannt, bei welchem auf gegenüberliegenden Seiten eines Ultraschall-Leiters je ein Piezokristall mit Elektroden in Form leitender Schichten angeordnet ist. Die Elektroden der beiden Wandler bilden jeweils die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen eines Vierpols. Die ganze Anordnung wirkt wie ein Mehrkanalfilter, bei dem die Durchlaßberei"he frequenzmäßig einen von der Laufzeit des Signals im Ultraschall-Leiter abhänigen Abstand haben, wie dem Fachmann bekannt ist (USA.-Patentschrift 2 596 460).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Frequenzfilter zu schaffen, das mit weniger Aufwand hergestellt werden kann. Die Erfindung hat einen Weg gefunden, bei vergleichbarer Leistung nur ein Piezokristall verwenden zu müssen. Dies wird bei einem Frequenzfilter der eingangs bezeichneten Gattung dadurch gelöst, daß eine der beiden Elektrodui des Wandlers aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilen besteht, daß ein Teil zum Eingangskreis des Wandlers und der andere Teil zum Ausgangskreis gehört, und daß die andere Elektrode in bekannter Weise am Eingangs- und Ausgangskreis liegt.

Es ist übrigens aus derselben Vorveröffentlichung (USA-Patentschrift 2 596 460) auch eine Anordnung mit nur einem Piezokristall bekannt, die aber zusammen mit einer Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators dazu dient, nur einen Frequenzkanal durchzulassen, nicht aber einen Mehrkanalfilter zu schaffen. Bei dieser zweiten bekannten Anordnung liegen beide Elektroden des Wandlers sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis.

In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Teile der einen Elektrode kammartig mit aufeinander zuweisenden »Zähnen« ausgebildet und derart angeordnet sind, daß die »Zähne« des einen Teils in die Lücken zwischen den »Zähnen^ des anderen Teils — und umgekehrt — einstehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand von¹ Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt in einer schematischen vergrößerten perspektivische α Darste'iung eine Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt den Wandler nach F i g. 1 im Längsschnitt;

F i g. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung eine Frequenzgangkurve, an Hand derer die Erfindung näher erläutert wird.

In Fig. 1 und 2 1st der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler insgesamt mit 1 bezeichnet; er umfaßt eine z. B. aus einem keramischen Werkstoff hergestellte piezoelektrische Resonatorplatte 2, d^:e Torsionsschwingungen in der Dickenrichtung ausführen kann, ferner eine erste Elektrode 4 und eine zweite Elektrode 5, die auf einer Fläche 3 α der piezoelektrischen Resonatorplatte 2 angeordnet sind, sowie eine gemeinsame Elektrode 6, die auf der anderen Flachseite der Resonatorplatte 2 gegenüber den Elektroden 4 und 5 angeordnet ist; eine Eingangsleitung 7 und eine Ausgangsleitung 8 sind an die ersie Elektrode 4 bzw. die zweite Elektrode S angeschlossen, und außerdem ist mit der gemeinsamen Elektrode 6 eine Anschlubleitung 9 verbunden.

Gemäß F i g. 1 haben die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 jeweils die Form eines Kamms, und sie sind gegeneinander versetzt so angeordnet, daß die Zähne der Kämme ineinandergreifen. Wenn man der ersten Elektrode 4 und der gemeinsamen Elektrode 6 ein elektrisches Eingangssignal zuführt, steht zwischen der zweiten Elektrode 5 und der gemeinsamen Elektrode 6 ein gegenüber dem Eingangssignal im wesentlichen nicht verzögertes elektrisches Ausgangssignal zur Verfügung.

In F i g. 1 und 2 erkennt man ein Ultraschall-Übertragungsmedium bzw. eine Übertragungsleitung 11, die in Form einer Glasplatte ausgebildet sein und die Gestalt eines quadratischen Prismas haben kann. Die Stirnfläche 12 α der Ultraschall-Übertragungsleitung 11, weiche parallel zu der anderen Stirnfläche 12 b verläuft, ist auf Hochglanz poliert, so daß sie Signale reflektieren kann.

Bei dem elektromechanischen Wandler I ist die gemeinsame Elektrode 6 mit der benachbarten Stirnfläche 12 a der Signale reflektierenden Ultraschall-Übertragungsleitung 11 mit Hilfe eines Klebemittels 13 verbunden, um eine Kopplung zu bewirken, damit mechanische Schwingungen übertragen werden können.

Wenn bei der beschriebenen Anordnung ein elektrisches Eingangssignal über den Eingangsanschluß 7 und dem gemeinsamen Anschluß 9 zugeführt wird, kommt dieses Signal zwischen den Elektroden 4 und 6 des elektromechanischen Wandlers 1 zur Wirkune. so

daß die Resonatorplatte 2 in Schwingungen versetzt wird. Infolgedessen erhält man zwischen den Elektroden 5 und δ ein elektrisches Ausgangssignal, das gegenüber dem Eingangssignal im wesentlichen nicht verzögert ist. Gleichzeitig wird eine durch die Schwingungen der Resonatorplatte 2 erzeugte Ultraschallwelle veranlaßt, sich von der Stirnfläche 12 a aus in Richtung auf die andere Stirnfläche 12 b der Übertragungsleitung 11 fortzupflanzen, wie es in F i g. 2 durch einen Pfeil α angedeutet ist, und danach wird diese Ultraschallwelle durch die Stirnfläche 12 b zurückgeworfen, so daß sie wieder zu der Stirnfläche 12 α zurückkehrt, wie es durch einen Pfeil b angedeutet ist. Die so reflektierte Ultraschallwelle wird auf die Resonatorplatte 2 des Wandlers 1 übertragen. Nimmt man an, daß T die Zeit bezeichnet, welche die Ultraschallwelle benötigt, um sich längs der Übertragungsleitung 11 in den beiden Richtungen α und b fortzunflanzen. erscheint somit zwischen den Elektroden 5 und 6 ein elektrisches Ausgangssignal, das gegenüber dem Eingangssignal im wesentlichen um den Betrag T verzögert ist. Somit erhält man insgesamt zwischen den Elektroden 5 und 6 ein zusammengesetztes elektrisches Ausgangssignal, bei dem es sich um eine Kombination aus zwei Signalen handelt, von denen das eine ein elektisches Ausgangssignal ist, das gegenüber dem elektrischen Eingangssignal im wesentlichen nicht verzögert ist, während das andere Signal das elektrische Ausgangssignal ist, welches gegenüber dem elektrischen Eingangssignal im wesentlichen um T verzögert ist.

Nimmt man an, daß es sich bei dem elektrischen Eingangssignal um ein Frequenz- bzw. Wechselspannungssignal handelt, arbeitet der Wandler augenblicklich so wie ein Filter der sogenannten Kammbauart und zeiyt eine Empfindlichkeitskurve, die zyklisch variiert, wobei eine Periode der Variationsfrequenz etwa gleich 1/Γ ist.

Wenn das elektrische Eingangssignal ein Impuls ist und wenn die Länge des Impulses kürzer ist als die Zeit T, erhält man augenblicklich eine Impulsreihe, die einen Ausgangsimpuls umfaßt, welcher in dem Zeitpunkt auftritt, in dem der Eingangsimpuls zugeführt wurde, sowie einen zweiten Ausgangsimpuls, der gegenüber dem Eingpngfimpuls um T verzögert ist.

Wenn man in der beschriebenen Weise das einzige vorhandene elektromechanische Wandlerelement 1, das nur eine Resonatorplatte umfaßt, ferner die erste und die zweite Elektrode, die auf einer Fläche der Resonatorplatte angeordnet sind, sowie die auf der anderen Fläche der Resonatorplatte angeordnete gemeinsame Elektrode mit der nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Ultraschall-Übertragungsleitung Il kombiniert, erhält man somit einen vereinfachten, miniaturisierten elektromechanischen Wandler, der so aufgebaut ist, daß das Zuführen eines elektrischen Eingangssignals zu dem Wandlerelement 1 bewirkt, daß man ein zusammengesetztes elektrisches Ausgangssignal erhält, daß ein kombiniertes Signal ist, und ein elektrisches Ausgangssignal, das gegenüber dem elektrischen Eingangssignal im wesentlichen nicht verzögert ist, umfaßt, sowie ein zweites elektrisches Ausgangssignal, das gegenüber dem elektrischen Eingangssignal um die Zeitspanne verzögert ist, weiche eine auf der Basis des elektrischen Eingangssignals durch das elektromechanische Wandlerelement erzeugte Ultraschallwelle benötigt, um sich in den beiden genannten Richtungen fortzupflanzen, wobei sie innerhalb der Ultraschall-Übertragungsleitung 11 reflektiert wird.

Man kann das vorstehend genannte zusammengesetzte elektrische Ausgangssignal mit Hilfe einer An-

5 Ordnung erhalten, die ein einziges elektromechanisches Wandlerelement umfaßt, welches durch eine Resonatorplatte gebildet ist, bei der auf jeder Flachseite eine Elektrode vorgesehen ist. sowie eine einzige nach dem Reflexionsprinzip arbeitende Ultraschall-

Übertragungsleitung, wobei eine Fläche des einzigen vorhandenen elektromechanischen Wandlerelements an einer Stirnfläche der Übertragungsleitung befestigt ist. Diese Anordnung bildet jedoch eine Schaltung mit zwei Anschlüssen oder Klemmen, bei der es erforder-Hch ist, besondere Schaltungen bei dem Kreis vorzusehen, dem das elektrische Eingangssignal zugeführt wird, wowie bei dem Krei . dem das zusammengesetzte elektrische Ausgangssigr al entnommen wird, um den Eingangskreis und den Ausgangskreis gegen-

einander zu isolieren. Hieraus ergibt sich der Nachteil, daß man eine komplizierte Konstruktion erhält und c'jß die Herstellungskosten hoch werden. Es ist auch möglich, ein elektrisches Signal ähnlich dem vorstehend erwähnten zusammengesetzten elektrischen Ausgangssignal zu erhalten, wenn man eine Anordnung vorsieht, die zwei elektromechanische Wandlerelemente umfaßt, von denen jedes durch eine Resonalorplatte gebildet ist, wobei auf jeder Fläche der Resonatorplatte eine Elektrode angeordnet ist, sowie eine einzige nach dem Reflexionsprinzip arbeitende Ultraschall-Übertragungsleitung, wobei die beiden elektromechanischen Wandlerelemente mit einer Fläche an einer Stirnfläche der Übertragungsleitung befestigt sind, wobei diese elektromechanischen Elemente ein Eingangselement bzw. ein Ausgangselement bilden, und wobei der auf der Eingangsseite angeordnete elektromechanische Wandler elektrisch mit dem elektromechanischen Wandler auf der Ausgangsseite gekoppelt ist, so daß ihm Signale zugeführt werden können. Bei einer solchen Anordnung ist es jedoch wichtig, daß die Übertragungsleitung so ausgebildet ist. daß eine Reflexion einer Ultraschallwelle, welche durch das elektromechanische Wandlerelement auf der Eingangsseite erzeugt wird, in Richtung auf das elektromechanische Wandlerelement auf der Ausgangsseite möglich ist, und ferner ist es erforderlich, eine besondere Schaltung vorzusehen, um die Eingangsseite mit der Ausgangsseite zu koppeln, so daß ihr elektrische Signale zugeführt werden können. Weiterhin muß die Übertragungsleitung eine genügend große Stirnfläche haben, damit man an ihr die beiden elektromechanischen Wandlerelemente befestigen kann; jedoch muß die Übertragungsleitung in diesem Fall große \bmessungen erhalten.

Im Gegensatz hierzu sieht die Erfindung einer> elektromechanischen Wandler vor, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung sieht die Erfindung Maßnahmen vor, um ein zusammengesetztes elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das ein elektrisches Ausgangssignal umfaßt, welches gegenüber dem elektrischen Eingangssignal im wesentlichen nicht verzögert ist, sowie ein zweites elektrisches Ausgangssignal, das um die Zeitspanne verzögert ist, die eine Ultraschallwelle benötigt, um sich in der Übertragungs-Verzögerungsleitung nacheinander in beiden Richtungen fortzupflanzen, doch ist hierbei genau gesprochen das erste elektrische AusRangssignal Regen-

über dem elektrischen Eingangssignal um einen kleinen Betrag verzögert. Die Wirkung einer solchen geringen Verzögerung wird jedoch dadurch auf ein Minimum verringert, daß die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode S jeweils die Form eines Kamms haben und in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise so angeordnet sind, daß sie ineinandergreifen. Somit ist es möglich, ein Filter mit einer kammförmigen Kennlinie zu schaffen, das genau mit der gewünschten Periodenlänge arbeitet, wobei sich die Periodenlänge im wesentlichen nach der Länge der Übertragungsleitung richtet, wenn man nur diese Länge berücksichtigt. Wenn man z. B. zwei rechteckige Elektroden auf einer einzigen Resonatorplatte nebeneinander anordnet, was ebenfalls den Grundgedanken der Erfindung entsprechen würde, zeigt es sich, daß genaugenommen die erwähnte geringe Verzögerung des zuerst genannten elektrischen Ausgangssignals gegenüber dem elektrischen Eingangssignal größer ist als bei der Verwendung von Elektroden der in F i g. 1 gezeigten Art, so daß es genau gesprochen unmöglich ist, genau ein Kammfilter der genannten Art zu schaffen. Im Hinblick hierauf ist zu bemerken, daß es sich bei der dargestellten und beschriebenen Form der Elektroden und ihrer Anordnung um eine sehr zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung handelt.

Vorstehend ist der Fall beschrieben, daß der elek-S tromechanische Wandler eine einzige Elektrode 6 umfaßt, die der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 gemeinsam zugeordnet und auf der Fläche 3 b der Resonatorplatte 2 angeordnet ist. Es ist jedoch möglich, diese einzige gemeinsame Elektrode 6 durch

ίο eine dritte und eine vierte Elektrode zu ersetzen, die der ersten Elektrode 4 bzw. der zweiten Elektrode 5 zugeordnet sind, so daß ein elektrisches Eingangssignal über die dritte Elektrode und die erste Elektrode 4 zugeführt und ein zusammengesetztes elektrisches Ausgangssignal der vierten Elektrode und der zweiten Elektrode 5 entnommen werden kann. Wenn man bei dieser Anordnung die dritte und die vierte Elektrode ähnlich ausbildet und anordnet wie die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5, ist es außerdem

ao möglich, unter Berücksichtigung der Gestalt und Anordnung der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 im genauen Sinne des Wortes eine Wirkung ähnlich der weiter oben beschriebenen zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Frequenzfilter mit einem piezoelektrischen Wandler, bestehend aus einem Piezokristall und zwei auf gegenüberliegenden Flächen desselben angeordneten Elektroden, und einem reflektierend abgeschlossenen Ultraschall-Leiter in körperlicher Verbindung mit einer Elektrode des Wandlers, derart, daß der Ultraschall-Leiter vom Wandler beaufschlagt wird, und das reflektierte Signal aus dem Ultraschall-Leiter dann wieder den Wandler beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektroden des Wandlers aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilen (4,5) besteht, daß ein Teil zum Eingangskreis des Wandlers und der andere Teil zum Ausgangjkreis gehört, und daß die andere Elektrode (6) in bekannter Weise am Eingangsund Ausgangskreis liegt.

2. Frequenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (4,5) der einen Elektrode kammartig mit aufeinander zuweisenden »Zähnen« ausgebildet und derart angeordnet sind, daß die »Zähne« des einen Teils in die Lükken zwischen den »Zähnen« des anderen Teils — und umgekehrt — einstehen.