DE1116326B - Elektromechanisches Filter, bei welchem zu Biegeschwingungen erregte, plattenfoermige Resonatoren vorgesehen sind - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 11889 IXd/21g

ANMELDETAG: 30. SEPTEMBER 1955

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 2. NOVEMBER 1961

In neuerer Zeit haben elektromechanische Filter erhebliche praktische Bedeutung erlangt, bei welchen scheibenförmige Resonatoren mit rundem Querschnitt in äqmdistanten parallelen Ebenen geringen Abstandes so angeordnet sind, daß ihre Achsen einer Geraden angehören. Die Resonatoren dieser Filter sind durch parallele Drähte miteinander gekoppelt, die senkrecht zu den Resonator-Stirnflächen verlaufen und die mit den Resonatoren an Punkten ihrer zylindrischen Flächen verbunden sind. In der Regel sind drei Kopplungsdrähte vorgesehen, deren Achsen eine hierzu senkrecht gestellte Ebene an Stellen durchdringen, welche die Eckpunkte eines Dreiecks gleicher Seitenlänge bilden. Bei im Schrifttum zu findenden Ausf ührungsf ormen solcher Filter sind die Enden der Kopplungsdrähte an den zylindrischen Flächen von zwei Platten befestigt, welche die gleichen Abmessungen wie die Resonatoren und einen solchen Abstand voneinander aufweisen, daß zwischen ihnen das Resonatorenaggregat Platz findet. Der Abstand zwischen dem ersten Resonator und der einen dieser zwei Endplatten sowie der Abstand zwischen dem letzten Resonator und der anderen Endplatte ist dabei dem Abstand zwischen den einzelnen Resonatoren gleich. Die Platten sind jeweils mit den dem Resonatorenaggregat zugewandten Enden der äußeren Umhüllung der zwei elektromechanischen Wandler dieser Filter starr verbunden, von welchen der eine als Eingangswandler und der andere als Ausgangswandler wirksam ist.

Der erste Resonator des Resonatorenaggregats solcher Filter wird durch einen Antriebsdraht zu Schwingungen erregt, der aus magnetostriktivem Material besteht und zusammen mit einer Spule den Eingangswandler bildet. Die Achse des Antriebsdrahtes verläuft parallel zu den Achsen der Koppeldrähte. Das eine Ende des Antriebsdrahtes, der unter dem Einfluß der Ströme in der Wandlerspule Längsschwingungen ausführt, ist bei einer bekannten Ausführungsform solcher Filter an einem Punkt der Mantelfläche des ersten Resonators befestigt, der dem Ende einer der insgesamt drei Kupplungsdrähte des Resonatorenaggregats diametral gegenüberliegt. Die an den ersten Resonator angrenzende Endplatte trägt an derjenigen Mantellinie ihrer zylindrischen Außenfläche, längs welcher der Antriebsdraht verläuft, eine Kerbe, wodurch mit Sicherheit vermieden ist, daß diese Endplatte die Bewegungen des Antriebsdrahtes hemmt. Der Aufbau des Ausgangswandlers solcher Filter gleicht vollkommen jenem des Eingangswandlers, so daß es sich erübrigt, auf Einzelheiten des Ausgangswandlers sowie der zweiten Endplatte einzugehen.

Elektromechanisches Filter,
bei welchem zu Biegeschwingungen erregte, plattenförmige Resonatoren vorgesehen sind

Anmelder:

Coffins Radio Company,
Cedar Rapids, Ia. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. November 1954 (Nr. 469 388/54)

Lloyd Melvin Ibsen

und William Edmund Whittington,

North Hollywood, Calif. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

Die Resonatoren bestehen zumeist aus einer Nickel-Eisen-Legierung, deren elastische Eigenschaften von der Temperatur in einem weiten Bereich unabhängig sind. Die Kopplungsdrähte solcher Filter werden vielfach aus Nickel gefertigt.

Die Resonatoren werden durch entsprechende Bemessung ihres Durchmessers und ihrer Dicke zu Biegeschwingungen einer Form erregt, für die zwei Kreise als Knotenlinien charakteristisch sind, deren Mittelpunkte sich mit dem Resonatormittelpunkt decken. Von den zwei Kreisen, durch welche sich die Knotenlinien beschreiben lassen, weist der Kreis größeren Umfanges einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Resonatordurchmesser. Die Resonanzfrequenzen der einzelnen scheibenförmigen Schwinger sind über das Frequenzband verteilt, das der Filterdurchlaßbereich einnimmt. Maßgebend für die Wahl des vorangehend näher beschriebenen Schwingungsmodus der scheibenförmigen Resonatoren ist die Tatsache, daß bei dieser Schwingungsform der Scheiben keine Nebenresonanzen mit nennenswerter Intensität in den Frequenzbereichen auftreten, die an den Durchlaßbereich des Filters unmittelbar angrenzen. Darüber hinaus ist es möglich, bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform eines mechanischen Filters mit scheibenförmigen Resonatoren

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die Amplituden von unerwünschten Schwingungen mit anderem Schwingungsmodus, die neben den Schwingungen der vorgesehenen Schwingungsform mit angeregt werden, durch zentrale Bohrungen im ersten und letzten Resonator zu verringern.

Bei einer anderen, artverwandten Ausführungsform mechanischer Filter mit scheibenförmigen, zu Biegeschwingungen erregten Resonatoren ist der Antriebsdraht des Eingangswandlers nicht an der zylindrischen Fläche des ersten Resonators des Resonatorenaggregates befestigt, sondern endet in der Mitte der dem Eingangswandler zugewandten Stirnfläche des ersten Resonators. Auch bei dieser bekannten Ausführungsform sind Endplatten vorgesehen, deren Achsen der gleichen Geraden angehören wie die Achsen der Resonatoren. Die dem ersten Resonator des Resonatorenaggregats benachbarte Endplatte weist in ihrer Mitte eine Bohrung auf, durch welche der Antriebsdraht des Eingangswandlers hindurchtritt. Die Achse des Antriebsdrahtes bildet somit eine geradlinige Fortsetzung der Achsen der Resonatoren und der Endplatten. Der Ausgangswandler solcher Filter ist gleichartig aufgebaut. Auch durch diese konstruktive Gestaltung des Antriebssystems mechanischer Filter mit scheibenförmigen Resonatoren läßt sich erreichen, daß sich die Nebenresonanzen der scheibenförmigen Resonatoren nicht störend auf den Durchlaßbereich und auf die Sperrbereiche des Filters auswirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches Filter mit scheibenförmigen Resonatoren anzugeben, mit welchem sich außergewöhnlich große Breiten des Durchlaßbereiches erzielen lassen und bei welchem ferner die Nebenwelligkeit der Resonatoren auf ein Mindestmaß verringert ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einem elektromechanischen Filter ausgegangen, bei welchem zu Biegeschwingungen erregte, plattenförmige Resonatoren vorgesehen sind, deren Stirnflächen in geringen gegenseitigen Abständen einander gegenüberstehen und bei welchem parallele, zu den Resonator-Stirnflächen senkrecht verlaufende Drähte, mit denen die Resonatoren an Punkten ihrer zylindrischen Flächen verbunden sind, am Mantel zweier starr gehalterter, das Resonatorenaggregat zwischen sich aufnehmender Platten enden, deren Durchmesser mit jenem der Resonatoren übereinstimmt und deren Mitten eine Bohrung aufweisen, durch welche bei der einen dieser Endplatten das auf das Filter-Schwingsystem einwirkende Antriebsorgan des magnetostriktiven Filter-Eingangswandlers hindurchtritt, wogegen durch die Bohrung der anderen Endplatte der den Wechsel mechanischer Kräfte in Induktionsänderungen umsetzende Bestandteil des magnetostriktiven Ausgangswandlers ragt. Die vorangehend näher umrissenen Eigenschaften werden bei einem solchen Filter erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Mittelpunkte aller Resonatoren von einem magnetostriktiven Drahtstück durchsetzt und die einzelnen Schwingkörper mit diesem Drahtstück fest verbunden sind, dessen anderer Endabschnitt dem Ausgangswandler angehört, während die sich zwischen den einzelnen Schwingkörpern erstreckenden Teile des Drahtstücks ebenso wie die Drähte, welche die Ränder der Resonatoren und der Endplatten miteinander verbinden, der Kopplung der Resonatoren dienen.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Filters nach der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele hervor, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des elektromechanischen Filters nach der Erfindung in Draufsicht; Fig. 2 gibt einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 wieder, und

Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer abgeänderten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.

ίο Bei dem durch Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel des Filters nach der Erfindung sind auf einer Grundplatte 10 zwei Träger 11 und 12 angebracht. Die Träger 11 und 12 bestehen jeweils aus zwei Teilstücken, nämlich den unteren Teilen 13 und 14 und den oberen Teilen 15 und 16. Durch die Träger 11 und 12 gehen jeweils zwei Stellschrauben 17 bzw. 18 hindurch und halten die oberen und unteren Teile zusammen. Gleichzeitig dienen die Stellschrauben 17 und 18 auch der Befestigung der Träger an der Grundplatte 10. Zwischen den oberen und unteren Teilen der Träger 11 und 12 sind zwei zylindrische Halter 19 und 21 eingespannt. In den zylindrischen Haltern sind zwei Spulenträger 22 und 23 für die Wandlerwicklungen 24 und 26 angebracht.

Die Wicklung 24 des Eingangswandlers ist über die Leitungen 27 und 28 mit den Klemmen 29 und 31 auf der Grundplatte 10 verbunden. Die Wicklung 26 des Ausgangswandlers hat Zuführungen 32 und 33, die an die Klemmen 34 und 36 angeschlossen sind, die sich gleichfalls auf der Grundplatte 10 befinden. Das eine Ende des zylindrischen Halters 19, das dem Filter-Schwingsystem zugewandt ist, trägt die Platte 37 kreisförmigen Querschnittes. Die Endplatte 37 ist mit einer zentralen Öffnung 38 für einen weiter unten beschriebenen Zweck versehen. Auch das dem Filter-Schwingsystem zugewandte Ende des zylindrischen Halters 21 weist eine unbewegliche, kreisförmige Platte 39 mit einer zentralen Öffnung 41 auf.
Zwischen den Endplatten 37 und 39 verlaufen Drähte 42, deren Enden an die Ränder dieser Platten angeschweißt sind. Die Platten 37 und 39 nehmen eine Anzahl von scheibenförmigen Resonatoren 43 ... 48 zwischen sich auf. Die zylindrischen Mantelflächen der Resonatoren 43 ... 48 sind mit den Drähten 42 durch Schweißung verbunden. Die unbeweglich gehalterten Endplatten 37 und 39 haben die gleichen Abmessungen wie die Resonatoren 43 ... 48. Die Spulenträger 22 und 23 weisen zentrale Bohrungen 49 und 51 auf, in welchen sich ein Draht 52 berindet, der durch die Platten 37, 39 sowie durch die Resonatoren 43 ... 48 hindurchgeführt ist. Der Draht 52 berührt die Endplatten 37 und 39 nicht, da die Öffnungen 38 und 41 dieser Platten größer sind als der Außendurchmesser des Drahtes. Der Draht 52 ist jedoch mit jedem der Resonatoren 43 ... 48 verbunden. Diese Verbindung ergibt sich dadurch, daß die Resonatoren 43 ... 48 durchbohrt sind und der Draht 52 an jede dieser Platten festgeschweißt wird. Der Draht 52 weist beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,375 und 0,7 mm auf. Als Werkstoff eignet sich für den Draht 52 eine Nickel-Eisen-Legierung. Bevorzugt findet die unter dem geschützten Warenzeichennamen »Ni-SpanC« bekanntgewordene Legierung Anwendung. Diese warmverformbare und

6g aushärtbare Legierung besteht zu etwa 42% aus Nickel und zeichnet sich durch hohe Zugfestigkeit sowie durch einen im Temperaturbereich von —45 bis 94° C konstanten Elastizitätsmodul aus. Auch die

Resonatoren 43 ... 48 sowie die Endplatten 37 und 39 sind gegebenenfalls aus dieser Legierung gefertigt. Der vom Spulenträger 22 umgebene Endabschnitt des Drahtes 52 bildet das bewegliche Element des Eingangswandlers, das von der auf dem Spulenträger 22 aufgebrachten Wicklung 24 dieses Wandlers beeinflußt wird. Der mit der Wicklung 24 zusammenwirkende Endabschnitt des Drahtes 52 wird durch den Permanentmagneten 53 vormagnetisiert. Das andere Ende des Drahtes 52 ist als bewegliches Element des Ausgangswandlers in der Weise wirksam, daß Längenänderungen dieses Endabschnittes, die auf die Schwingungen des Resonatorenaggregates ursächlich zurückgehen, in der Wicklung 26 auf Grund der magnetostriktiven Eigenschaften des Drahtes 52 in Induktionsänderungen umgesetzt werden. Der Abschnitt des Drahtes 52, welcher der Wicklung 26 zugeordnet ist, unterliegt der Vormagnetisierung durch den Permanentmagneten 54. Die zwischen den einzelnen Resonatoren 43 ... 48 befindlichen Teile des Drahtes 52 sind ebenso wie die Drähte 42 Koppelelemente dieser Resonatoren.

Das durch die Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Filters nach der Erfindung kann ohne weiteres so entworfen werden, daß sich als Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches 455 kHz ergibt.

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes. Hierbei tritt an die Stelle der Drähte 42 der Hohlzylinder 50, der mit den Rändern der Platten 37 und 39 sowie der Resonatoren 43 ... 48 verbunden ist. Über das durch Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsbeispiel des Filters nach der Erfindung läßt sich aussagen, daß es, aus dem durch Fig. 1 und 2 wiedergegebenen elektromechanisehen Filter durch eine solche Erhöhung der Zahl der Drähte 42 hervorgeht, daß die letzteren schließlich sich zu einem Hohlzylinder vereinigen. Die Anordnung nach Fig. 3 bildet einen im wesentlichen geschlossenen mechanischen Resonator. In Fig. 3 treten mit Ausnahme des für den Hohlzylinder vorgesehenen Bezugszeichens 50 nur Bezugszeichen auf, deren Bedeutung bereits dem die Fig. 1 und 2 erläuternden Beschreibungsteil entnehmbar ist.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektromechanisches Filter, bei welchem zu Biegeschwingungen erregte, plattenförmige Resonatoren vorgesehen sind, deren Stirnflächen in geringen gegenseitigen Abständen einander gegenüberstehen und bei welchem parallele, zu den Resonator-Stirnflächen senkrecht verlaufende Drähte, mit denen die Resonatoren an Punkten ihrer zylindrischen Flächen verbunden sind, am Mantel zweier starr gehalterter, das Resonatorenaggregat zwischen sich aufnehmender Platten enden, deren Durchmesser mit jenem der Resonatoren übereinstimmt und deren Mitten eine Bohrung aufweisen, durch welche bei der einen dieser Endplatten das auf das Filter-Schwingsystem einwirkende Antriebsorgan des magnetostriktiven Filter-Eingangswandlers hindurchtritt, wogegen durch die Bohrung der anderen Endplatte der den Wechsel mechanischer Kräfte in Induktionsänderungen umsetzende Bestandteil des magnetostriktiven Filter-Ausgangswandlers ragt, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittelpunkte aller Resonatoren (43 ... 48) von einem magnetostriktiven Drahtstück (52J durchsetzt und die einzelnen Schwingkörper mit diesem Drahtstück fest verbunden sind, dessen einer Endabschnitt Bestandteil des Eingangswandlers ist und dessen anderer Endabschnitt dem Ausgangswandler angehört, während die sich zwischen den einzelnen Schwingkörpern erstreckenden Teile des Drahtstückes ebenso wie die Drähte, welche die Ränder der Resonatoren und der Endplatten miteinander verbinden, der Kopplung der Resonatoren dienen.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte, welche die Ränder der Resonatoren und der Endplatten miteinander verbinden, durch einen Hohlzylinder ersetzt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 1666 681, 1 678 116,

2656516, 2 693 579, 2693 580;

Electronics, Vol. 26, Nr.

3, S. 138 bis 142 (März

1953).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 737/339 10.61