DE1416741A1

DE1416741A1 - Elektromechanisches Filter

Info

Publication number: DE1416741A1
Application number: DE19591416741
Authority: DE
Inventors: Franz Schoefer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-05-30
Filing date: 1959-04-14
Publication date: 1968-10-03
Also published as: US3086183A; US3078427A; DE1265884B; GB918127A; NL239635A

Description

Siemens & Halske München 2, HAPR1959

Aktiengesellschaft Witteisbacher Platz 4

p_A59/2233

Zusatz zu PA 58/2369 v,50.5.58

Elektromechanisches Filter · ·

Zusatz zu Patent , (Arm. S 58 425 VHIc/21g)

Die Erfindung "bezieht sich auf ein elektromechanischea Filter mit piezoelektrischem Antrieb, bei dem die einzelnen Resonatoren durch auf Scherung beanspruchte mechanische Kopplungsglieder gekoppelt sind.

Im Hauptpatent ist gezeigt, daß durch die vorstehend ange-Schk/Lau - 2 -

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gebene Ausbildung eines elektromechanischen Filters zwei v/esentliche Vorteile gegenüber dem. bisher bekannten Filter erreicht werden. Einerseits läßt sich der vom Filter, eingenommene Raum und damit die Sperrigkeit der gesamten Anordnung klein£alten. Andererseits ist es im Vergleich zu den bekannten Anordnungen mit nennenswert geringerem Aufwand möglich, die Grunddämpfung des PiIters bei vorgegebenem Wert der Bandbreite innerhalb des Übertragungsbereiches niedrig zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu weisen, auf dem es möglich ist, sowohl die Ausführung des Filters wesentlich zu vereinfachen, als auch die Genauigkeit, mit der bestimmte elektrische Werte realisiert werden, zu erhöhen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Filteranordnung der einleitend beschriebenen Art, in der Weise gelöst, daß die Resonatoren und die Kopplungsglieder aus einem Stück bestehen, das durch Aussparungen in die Resonatoren und die Kopplungsglieder unterteilt ist.

Es wird auf diese V/eise eine Reduzierung der rein mechanischen Probleme auf ein Minimum erreicht und der in einem Halter, z.B. Schwingquarzhalter montierte Schwingkörper mit vorgegebenen selektiven Eigenschaften kann, ähnlich einem normalen Filterquarz, als Bauteil in die zur Anpassung und Zusatzselek-

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tion des Filters-erforderlichen elektrischen Schaltelemente eingefügt werden.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt die Figur.1 das bekannte elektrische Vierpolersatzschaltbild eines derartigen Koppelfilters ohne elektrische Endkreise. Darin ist Z₁ der Wellenwiderstand jier f Resonatorelemente und Z₉ der Wellenwiderstand des Kopplungselements. Hinsichtlich der theoretischen Zusammenhänge genügt es, auf die einschlägige Literatur zu verweisen, so beispielsweise auf die Zeitschrift "Frequenz" 1958, Heft 8, Seiten 2 46 - 255· Der Kopplungsfaktor K eines derartigen Filters ist proportional dem Wellenwiderstandsverhältnis Z^/Z₂ und für die relative Frequenzbandbreite des Filters gilt, daß diese proportional dem Kopplungsfaktor K ist» Eine der wesentlichen Größen für die Dimensionierung eines Filters der einleitend A beschriebenen Art ist also der Kopplungsfaktor IC.

Der Kopplungsfaktor K v/ird mechanisch durch das im Hauptpatent ausführlich erläuterte Kopplungsglied bewirkt, das mittels Scherung die gewünschte Verkopplung zwischen aufeinanderfolgenden Resonatoren sicherstellt. Während aber im Hauptpatent diese Kopplungsstücke gesonderte Teile bilden, besteht erfindungsgemäß das gesamte mechanische Schwingungs-

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system aus einem Stück.

Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 besteht das Sehwingungssystem aus zwei Biegeschwingern 1 und 2, die in einer Ebene liegen. Die Verkopplung erfolgt über eine zwischen den Biegeschwingern liegende Brücke 3. Die Schwingungsknoten der Biegungsschwinger sind durch die schwarzen Punkte angedeutet und mit 4 bezeichnet»

Die Gesamtanordnung läßt sich z.B. in der Weise herstellen, daß, ausgehend von einer Platte aus piezoelektrischem Material, beispielsweise einer Quarzplatte entsprechender Größe, die Einschnitte 5 und 6 angebracht und anschließend die Biegeschwinger 1 und 2 mit den erforderlichen Abmessungen in an sich bekannter V/eise hergestellt werden. Durch die Orientierung der Brücke 3 zu den Sehwingungsknoten des Biegungsschwingers sowie durch die Abmessungen dieser Brücke läßt * sich die Verkopplung in beliebigem Maße festlegen. Im allgemeinen wird man die Brücke 3 symmetrisch zu der durch die benachbarten Sehwingungsknoten 4 gegebenen Geraden legen. Durch Auflöten der Halterungsdrähte in den Knotenpunkten wird eine reaktionskraftfreie Lagerung der beiden Biegeschwinger 1 und 2 ermöglicht. Der Kopplungsfaktor K ist in dieserAuebildung bei vorgegebenen Abmessungen der Resonatoren eine Punktion der Breite t> und der länge 1 der Brücke unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Dicke des Brückeristückes. In der Regel wird man aus Gründen der mechanischen Vereinfachung die Dicke

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der Brücke ebenso stark wählen wie die der Biegeschwinger 1 und 2.

In der Figur 3 ist die Anwendung der Lehre nach der Erfindung bei zwei Längsschwingern 1, 2 dargestellt. Auch hier liegt die Brücke 3 symmetrisch zu der durch die Schwingungsknoten 4 festgelegten Geraden. In der Figur 4 ist noch gezeigt, wie für ein zv/eikreisiges Filter aus zwei Flächenscherungsschwingern 1,2 die Brücke 3 anzuordnen ist, damit eine reine Scherungskopplung sichergestellt wird. Hinsichtlich der Abmessungen der Brücke 3 gelten dabei, ebenso wie für das Ausführungsbeispiel der Figur 3, die gleichen Überlegungen, v/ie sie an Hand der Figur 2 bereits dargelegt wurden.

In den Figuren 5 und 6 ist die Anwendung der Lehre nach der 3rfindung bei z.B. vierkreisigen Filtern wiedergegeben. Die Filteranordnung nach Figur 5 besteht hierbei aus vier gekoppelten Längsschwingern 7, 8, 9 und 10, die gleichartig zum I Ausführungsbeispiel nach Figur 3 über Brücken 3 gekoppelt sind. Beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 6 bestehen die vier Resonatoren 7, 8, 9 und 10 aus Flächenscherungsschwingern, deren Kopplung und Ausbildung im einzelnen der nach der Figur 4 entspricht, so daß sich eine ins Einzelne gehende Beschreibung insoweit erübrigt.

Durch entsprechende Wahl der Orientierung und der Abmessungen

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des Kristalls sowie der Dimensionierung der Brücke 3 läß-t sich der Kopplungsfaktor innerhalb weiter Grenzen variieren. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Filteranoränung besteht noch darin, daß die Resonatoren keinesfalls so, wie dargestellt, in der Grundschwingung, sondern auch auf einer Oberschwingung arbeiten können. Hinsichtlich der Ausbildung und Bemessung der einzelnen Resonatoren besteht demnach völlige Freiheit und es kann beispielsweise auch durch entsprechende Orientierung des Kristallschwingkörpers zu den kristallografischen Achsen ein für optimalen Frequenz-Temperatur-Verlauf geeigneter Schnitt verwendet werden. Auch die Aufbringung der Anregungselektroden auf die Endresonatoren - z.B. bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 5 und 6 die Resonatoren 7 und 10 - sowie die Kontaktierung und die Halterung in den Schwingungsknoten lassen sich in der für piezoelektrische Resonatoren bekannter Weise vornehmen.

In der Figur 7 ist noch ein ausgeführtes dreikreisiges Filter gezeigt, bei dem die Lehre nach der Erfindung angewendet ist. Mitt 11, 12 und 13 sind die drei_:_ als längs schwinger ausgebildeten Resonatoren bezeichnet, die über die als Kopplungsglieder dienender Brücken 14 und 15 verbunden sind. Die drei Längaschwinger ti, 12, 13 und die beiden Brücken T4, t5 bestehen au3 «in»r luaraplatte. Die Längs schwinger ein<5 eile auf beiden Seiten in bekannter V/eise mit einer dünnen Goldschicht über-

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sogen. Die Goldbeläge der Längsschwinger 11 und 13 dienen als Filtereingangs- bzw. Filterausgangsanschlüsse. Zu diesem Zweck ist an ,jedem Goldbelag .der Längsschwinger 11 und 13 im Scliwingimgsknoten ein kurzes, etv/a rechtwinklig abgebogenes Federdrahtstück 16, 17, 18 bzw, 19 festgelötet. Diese Federdrahtstücke sind ihrerseits an dem mechanischen Tragsystem, das zugleich dem elektrischen Anschluß dient, befestigt und tragen somit die Quarzplatte. Das mechanische !Tragsystem

besteht bei dem Äusfuhrungsbeispiel nach der Figur 7 aus einer Declcelplatte 20, in der mittels je einer Glasdurchschmelzung 21, 22 sv/ei Durchführungen 23, 24 isoliert ge-Ii alt en sind·= An den Durchführungen 23, 24 ist je ein Blechstreifen 25₉ 26 festgeschweißt· Ein Blechbügel 27, der seitlich abstehende Lappen hat, ist auf die Deckelplatte 20 aufgeschweißt.. Sowohl an den Blechstreifen 25, 26 als auch an den beiden seitlich abstehenden Lappen des Blechbügels 27 ist je ein stärkerer Draht 28, 29 ₉ 30 bzw, 31 angeschweißt. Die Drähte 28, 29 sind derart lang, daß sie etwa bis zum Ende der Quarzplatte reichen, während sich die Drähte 30, 31 etv/a bis sur Höhe der Brücke. 15 erstrecken. An den Drähten 28, 29, 30 bzw* -31 sind die vorerwähnten Federdrahtstücke 16, 17* 18 bzw. 19 festgelötet, die ihrer in den Knotenpunkten der Längsschwinger 11 bzw. 13 an deren dünnen Goldbelägen festgelö.tet sind.

Das so aufgebaute, stabile Filtereystem.ist in eine Itetall-

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hülse 32 eingeschoben, die durch die Deckelplatte 20 verschlossen wird. Die Deckelplatte 20 wird zweckmäßig mit der Metallhülse verlötet, und zwar mit ihrem überstehenden Rand 33«· Es wird so eine hermetische Abdichtung des Filtersystems gegen Verschmutzung und Umgebungsflüsse erreicht. Zur Befestigung des Filters in einem Gerät sind zv/ei Gewindebuchsen 34? 35 außen auf den Boden der Metallhülse 32 aufgelötet oder mittels Punktschweißung aufgesetzt«

Der elektrische Eingang des Filters v/ird durch die eine der leitenden Durchführungen 23, 24 und die Metallhülse 32 (bzw. deren Deckelplatte 20) gebildet, während der elektrische. Ausgang zwischen der anderen der leitenden Durchführungen 2 3, 24 und der Metallhülse 32 (bzw. deren Deckelplatte 20) liegt. Eine Abwandlung ist in der Weise möglich, daß der Blechbügel 27 gegenüber der Deckelplatte 20 isoliert wird. Der dem Filtereingang und dem Filterausgang gemeinsame Anschluß kann z.B. ebenfalls mittels einer isolierten Durchführung nach außen geführt werden.

4 Patentansprüche
7 Figuren

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Claims

PA 9/430/1502 _ 9 - Patentansprüche

1. Elektromechanisches Filter nit piezoelektrischem Antrieb, bei dem die einzelnen Resonatoren durch auf Scherung beanspruchte mechanische Kopplungsglieder gekoppelt sind, nach Patent ... ... (Anm. S 58 425 VIIIc/21g, PA 58/2369) dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren und die Kopplungsglieder aus einem Stück bestehen, das durch Aussparuiige-n in die Resonatoren und die Kopplungsglieder g unterteilt ist,

2. Elektroraechaniseh.es Filter nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren zusammen mit den Kopplungsgliedern in einer Ebene liegen.

3. Hlektromechanioehes Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Filtereingang., bzw» Filterausgang dienenden Anschlüsse der Resonatoren zuglaich zur mechanischen Halterung der über die Kopplungsglieder mechanisch verbundener Resonatoren vorgesehen sind ο

4= Elektroniechanisches Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse aus dünnen Federdrahtstiicken bestehen, die auf dünnen leitenden Belägen der jeweiliger. Resonatoren in einem Schv/ingungsknoten aufgelötet sind«

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