DE1512319B2

DE1512319B2 - Elektromechanischer Resonator

Info

Publication number: DE1512319B2
Application number: DE19671512319
Authority: DE
Inventors: Denis William Great Baddow; Littlebury Keith Henry Witham; Davies Eric Danbury; Essex Thorn (Großbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1966-04-22
Filing date: 1967-04-22
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1122245A; US3509387A; SE333588B; DE1512319A1; NL6705549A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Resonator mit einem Schwingbalken gegebener Eigenfrequenz, einem Träger mit gegenüber dem Schwingbalken großer Steifigkeit, mit dem der Schwingbalken starr verbunden ist, elektrisch betriebenen Mitteln, die den Schwingbalken zu mechanischen Resonanzschwingungen anregen, und einer Einrichtung zur Ableitung eines elektrischen Ausgangssignals mit der Resonanzfrequenz des Schwingbalkens, die an der Anordnung aus dem Schwingbalken und dem Träger an einer Stelle, an der bei Resonanz des Schwingbalkens Schwingungen auftreten, angebracht ist.

Derartige Resonatoren werden vielfach in Ton-Signaleinrichtungen eingesetzt, die das Spektrum des Sprachkanals in einem Fernsprechsystem ausnutzen.

Bei bekannten Resonatoren der genannten Art ist der Schwingbalken einseitig starr mit dem Träger verbunden, der gleichzeitig Mittel trägt, mit denen der Schwingbalken elektromagnetisch oder piezoelektrisch zur Resonanzschwingung angeregt wird. Der Resonator ist dabei mit einem Unterbrecherkontakt versehen, der einen zugeordneten elektrischen Stromkreis schließt und öffnet, wenn sich der Schwingbalken in Resonanz befindet.

Resonatoren der genannten Art arbeiten mit Resonanzfrequenzen im Bereich von 100 bis 3000 Hz. Da die besten handelsüblichen Kontakte auch bei sehr geringen Strombelastungen eine scharf begrenzte Betriebslebensdauer haben, die etwa bei 3 mal 10⁹ Betätigungen liegt, hat die Forderung nach einer längeren Betriebslebensdauer zu Tonsignal-Systemen mit Resonatoren geführt, die darauf beschränkt sind, lediglich Tonfrequenzimpulse zu verwenden. Da für einen kontinuierlichen Betrieb der Fernmeldeverbindung ein Monitorton erforderlich ist, ist dies eine sehr unerwünschte praktische Beschränkung. Wesentliche Vorteile würden sich aus der Anwendung eines Dauertons an Stelle von Tonimpulsen ergeben. Jedoch läßt sich ein solcher Dauerton bei der Verwendung von Resonatoren, die durch ihre Vibration Kontakte betätigen, nicht zufriedenstellend erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Resonator zu schaffen, der eine wesentlich höhere Betriebslebensdauer hat als die Resonatoren der eingangs erwähnten Art. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Träger U-förmig ausgebildet und der Schwingbalken an beiden Enden mit je.einem Schenkel des Trägers starr verbunden ist und daß zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals eine piezoelektrische Einrichtung vorgesehen ist.

Die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals kann auf dem Schwingbalken nahe einem'seiner Enden angeordnet sein. Dabei ist vorzugsweise als Mittel, mit dem der Schwingbalken zu Resonanzschwingungen angeregt wird, eine piezoelektrische Einrichtung vorgesehen, die auf dem Schwingbalken nahe dem gegenüberliegenden Ende angeordnet ist.

Die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals auf dem U-förmigen Träger kann auch an einer Stelle, an der ein Schwingungsknoten auftritt, angeordnet sein.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der U-förmige Träger rechteckförmig mit parallelen Schenkeln ausgebildet, und die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals ist am Steg des U-förmigen Trägers in der Nähe eines der Schenkel angeordnet.

Als Mittel, das den Schwingbalken zu Resonanzschwingungen anregt, kann ein in der Mitte des Steges des U-förmigen Trägers zwischen diesem Steg und dem Schwingbalken angeordneter Elektromagnet vorgesehen sein, wobei die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale auf der Unterseite des Steges in der Nähe eines der Stegenden angeordnet ist. Dabei kann an jedem Ende des Steges eine piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale angeordnet sein.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die mit den Schwingbalken bzw. dem U-förmigen Träger in Berührung stehende Elektrode der piezoelektrischen Einrichtung aufgedampft. Die Elektrode kann dabei aus Cadmiumsulfid oder Zinksulfid bestehen. Vorzugsweise ist der U-förmige Träger in Haltemitteln gelagert, die im Bereich der im Träger auftretenden Schwingungsknoten befestigt sind.

Die Erfindung ist nachstehend im einzelnen in der Zeichnung dargestellt und beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Schwingsystems aus Schwingbalken und U-förmigem Träger;

Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Resonators gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;
Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Halterung des Resonators gemäß der Erfindung. In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Das in Fig. 1 dargestellte Schwingsystem weist einen Resonanzschwingbalken 1 und einen U-förmigen Träger, der rechteckförmig ausgebildet ist, auf. Der U-förmige Träger besteht mit seinem Steg 3 und seinen Schenkeln 2 aus einem Stück. Der Schwingbalken 1, der aus Metall oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, ist an seinen Enden mit den Enden der Schenkel 2 verbunden. Der Schwingbalken 1, die Schenkel 2 und der Steg 3 haben rechteckförmigen Querschnitt. Der U-förmige Träger spannt den Schwingbalken 1 und hat eine wesentlich größere Steifigkeit als dieser.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform sind zwei piezoelektrische Kristalle 4 und 5 an den Enden des Schwingbalkens angeordnet, von denen das eine der Erregung des Balkens und das andere der Ableitung elektrischer Ausgangssignale dient.

Beide überdecken die Enden des Schwingbalkens und die angrenzenden Enden der Schenkel. Im dargestellten Beispiel bezeichnet 4 den Erregerkristall, 5 das Piezoelement zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale, 6 die Eingangsklemmen für den Erregerkristall und 7 die Klemmen zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals. Jeder Kristall weist eine Elektrode auf, die mit dem Balken fest verbunden ist. Die Verbindungsstelle ist durch die dick dargestellten Linien 4Λ und5/i wiedergegeben. Wird der Erregerkristall mit entsprechender Polarität mit der Resonanzfrequenz des Schwingbalkens angesteuert, so schwingt der Balken, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 konventionell dargestellt. Wird die Ausgangswechselspannung des Kristalls 5 mit richtiger Polarität verstärkt und dem Eingangskristall (Erregerkristall) zugeführt, so wird der Resonator zu einem selbstschwingenden Oszillator und der Balken schwingt dauernd mit seiner

Resonanzfrequenz. Ein derartiger Oszillator ist in F i g. 3 dargestellt, wobei der Verstärker mit 8 bezeichnet ist.

Sind zwei der in F i g. 2 dargestellten Resonatoren an gegenüberliegenden Enden eines sie verbindenden Übertragungskanals angeordnet, so können sie verschiedenen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein. Bei einer hohen Betriebsgüte Q (etwa um 1000) muß im allgemeinen dafür Sorge getragen werden, daß die Resonanzfrequenzen infolge der Temperaturunterschiede nicht zu weit voneinander abweichen. In vielen Fällen fordert die Erfüllung dieser Bedingung eine Anordnung der Resonatoren in temperaturgeregelten Gehäusen.

Die Amplitude der Schwingung des Balkens ist abhängig von der Amplitude der dem Erregerkristall zugeführten Eingangswechselspannung, den Eigenschaften der piezoelektrischen Einrichtung, den Abmaßen des Balkens und dem Material, aus dem dieser besteht. Wird dem Erregerkristall eine Mehrzahl von Frequenzen zugeführt, so wirkt der Resonator als Filter und gibt eine gewählte Ausgangsfrequenz ab. die der Resonanzfrequenz des Balkens entspricht.

Der beschriebene Resonator weist ebenso wie die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung keine Kontakte auf, so daß sie in Dauertonsignaleinrichtungen zufriedenstellend eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ist der Leistungsbedarf für das Erregersignal wesentlich geringer als bei einem Resonator mit Unterbrecherkontakt. Die Güte Q ist hoch und die Frequenzstabilität gut.

Wird ein Resonator nach F i g. 2 als Oszillator an einem Ende eines Übertragungskanals eingesetzt, um Schwingungen über diesen Kanal zu einem frequenzselektiven Resonator (ebenfalls nach Fig. 2) am anderen Ende des Kanals zu übertragen, so können, wie bereits ausgeführt, Schwierigkeiten auftreten, falls die Temperaturen, denen die beiden Einrichtungen ausgesetzt sind, sich wesentlich unterscheiden, da verschiedene Temperaturen unterschiedliche Resonanzfrequenzen hervorrufen. Dies ist sowohl auf den Temperaturgang durch mögliche Änderungen der Ausdehnungskoeffizienten von Balken, Kristallen und Klebmitteln zurückzuführen, insbesondere aber durch große Änderungen des Young-Moduls der Kristalle mit der Temperatur bedingt, die bei den gegenwärtig handelsüblichen Kristallen auftreten. Die Verwendung temperaturgeregelter Gehäuse für die Resonatoren beseitigt diese Schwierigkeiten zwar weitgehend, ist jedoch teuer. Die Schwierigkeiten können zwar nicht beseitigt, jedoch verringert werden, wenn die Kontaktfläche zwischen Balken und Kristall verkleinert wird. Dieses Hilfsmittel ist jedoch in seiner Anwendbarkeit beschränkt, da es zu einer Verringerung des Wandler-Wirkungsgrades führt. F i g. 4 zeigt einen sehr einfachen und wirkungsvollen Weg zur Verringerung der genannten Schwierigkeiten.

Gemäß F i g. 4 entfällt der Erregerkristall, und der Balken wird stattdessen elektromagnetisch zu Schwingungen angeregt, und zwar durch einen Elektromagneten 9 mit einer Wicklung 10, die in der Mitte des Steges 3 befestigt ist und sich gegen die Mitte des Balkens 1 erstreckt, von dem sein freies Ende jedoch geeigneten Abstand hat. Der Magnet wird über die Eingangsklemme 6 A mit der gewünschten Resonanzfrequenz erregt. Er ist entweder elektrisch oder magnetisch entsprechend polarisiert, d. h. entweder durch Überlagerung des Wechselstromeingangssignals mit einem Gleichstrom oder durch Verwendung eines Permanentmagneten als Kern für die Wicklung 10. Der piezoelektrische Ausgangskristall 5 ist auf dem U-Glied in Abstand von einem Schwingungsknoten angebracht — in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nahe einem Ende des Steges 3 — an der es Schwingungen auf Grund der Balkenschwingungen aufnimmt. Die Schwingbewegung an der Anordnungsstelle des Kristalls ist relativ klein verglichen mit der

ίο an den Balkenenden, jedoch kann eine angemessene Bewegung durch Vergrößerung des Eingangssignals für den Elektromagneten erzielt werden. Vom Standpunkt des Frequenz-Temperatur-Verhaltens gesehen hat die Ausführung nach Fig. 4 wesentliche Vorteile gegenüber der nach Fig. 2, da die elektromagnetische Erregung mechanisch vom Balken getrennt ist und der Kristall 5 mit dem Balken so lose gekoppelt ist, daß sein Einfluß auf die Resonanzfrequenz bei Temperaturschwankungen sehr klein

so und nahezu bedeutungslos ist. Bei einer Anordnung gemäß Fi g. 4 kann leicht eine Frequenz-Temperatur-Stabilität erzielt werden, die lediglich vom Material des Balkens abhängig ist. Bekannte Materialien, deren Temperaturkoeffizient im wesentlichen null ist und die stabile Young-Modul-Werte in bezug auf die Temperatur aufweisen, sind bekannt und können für Balken und U-förmige Träger vorteilhaft eingesetzt werden. F i g. 5 zeigt eine Abwandlung der F i g. 4, bei der ein weiterer Kristall 11 montiert ist, und zwar mehr oder weniger symmetrisch zu Kristall 5 am anderen Ende des Steges 3. Der Kristall 11 kann zur Erzeugung eines zweiten Ausgangssignals herangezogen werden oder die Einrichtung nach F i g. 5 kann als Resonanzfilter mit geringem Frequenz-Temperatur-Koeffizienten, aber hohem Einfügungsverlust verwendet werden.

Die Anordnung nach F i g. 4 hat den Vorteil, daß sie nur auf die Grundschwingung des Balkens anspricht, jedoch wird der Balken natürlich auch mit dieser Frequenz erregt, wenn der Magnet mit einem geeigneten Vielfachen oder Teilerverhältnis der Schwingfrequenz erregt wird.

Alle Ausführungsformen der Erfindung können natürlich so ausgelegt werden, daß sie als selbsterregte Resonanzschwinger arbeiten, indem das elektrische Ausgangssignal verstärkt und das verstärkte Signal den Erregermitteln zugeführt wird.

Knotenpunkte treten an den Punkten N an den Schenkeln des U-förmigen Trägers auf. Alle dargestellten Ausführungsformen können daher durch Halterungsklammern od. dgl., die an diesen Punkten befestigt sind, gehaltert werden. Derartige Klammern sind in F i g. 6 bei B dargestellt.

Obwohl in den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen die piezoelektrischen Einrichtungen als Piezokristalle dargestellt sind, ist die Erfindung nicht auf den Einsatz derartiger Kristalle beschränkt. An Stelle von Piezokristallen können bei der Durchführung der Erfindung einzelne oder alle piezoelektrischen Einrichtungen durch an sich bekannte Aufdampfverfahren ausgebildet werden, z. B. durch Aufdampfen von Cadmiumsulfid (CdS) oder Zinksulfid (ZnS). Durch dieses Verfahren kann die piezoelektrische Einrichtung direkt an der gewünschten

Stelle auf dem Resonator ausgebildet werden, wobei die normalerweise bei der Verwendung von Piezokristallen erforderlichen Klebverfahren entfallen können.

Claims

Patentansprüche:

1; Elektromagnetischer Resonator niit einem Schwingbalken gegebener Eigenfrequenz, einem Träger iiiit gegenüber defti Schwingbalken großer Steifigkeit; Mit dem der Schwingbalken stair verbunden ist, elektrisch betriebenen Mitteln, diö den Schwingbalken ztl mechanischen Resonanzschwingungen aiiregefi, Und einer Einrichtung zur Ableitung eines elektrischen AuSgättgsSignäls mit Ib der Resonanzfrequenz deg Schwingbalken^ die äii der Anordnung aus dem Schwingbalken Und dem Träger äh einer Stelle, an der bei Resonanz des Schwifigbälkehs Schwingungen auftreten, angebracht i§t, dadu'rchgekennzeiöhriöt, daß iä der Träger U-förrhig ausgebildet und der Schwingbalken aii beiden Enden mit je einem Schenkel des Trägers starr verbünden ist UiId daß zur Ableitung defi elektrischen ÄusgängssignälS eine piezoelektrische Einrichtung Vorgesehen ist:
2. Resonator nach Att§j)ruCh 1-, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Einfiehtüng zur Ableitung des elektrischen Ausgangssignals auf dem Schwingbalken nahe einem seiner Enden angeordnet ist.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel, mit dem der Schwingbalken zU Resonanzschwingungen angeregt Wird, eine piezoelektrische Einrichtung vöfgeseheh ist, die auf dem Schwingbalken nähe dein gegenüberliegenden Ende angeordnet ist.
4. Resonator" näßh Anspruch 1, dädUich ge* kennzeichnet, daß die piezoelektrische" Einrichtung ZUf Ableitung den elektrischen Aüsgangssignals auf dem U-förmlgeft Träger angeordnet ist:
5. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekentt-¹

zeichnet* daß der U-fÖrmige Träger fechteekföfmig mit parallelen Sehenkeln ausgebildet ist und daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ablei-¹ tung des¹ elektrischen Aüsgangssignäls ättl Steg des U^förhiigert Trägers in der Nähe eines der Sehen* kel angeordnet ist;
6. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel^ das den Schwingbalken zu Resonanzschwingungen anregt, ein in der Mitte des Stegds des tKörmigett Trägers zwischen diesem Steg Urtd dem Schwingbalken angeordneter Elektromagnet vorgesehen ist und daß die piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer Ausgangssignale auf der Unterseite de§ Steges in der Nähe eines def Stegenden angeordnet ist:
7. Resonator näch Anspruch 6-, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Steges eine piezoelektrische Einrichtung zur Ableitung elektrischer' AüSgängssignale angeordnet ist.
8; Resonator nach einem der Vorhergehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Schwingbalken bzw. dem U-föfmigen Träger in BerühfUhg stehende Elektrode der piezoelektrischen Einrichtung aufgedampft ist.
9. Reäonätöi nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet;, daß die Elektrode aus Cädttiiünl· Sulfid besteht:

10; Resönätöf nach Anspruch 8, dadurch ge-· kennzeichnen daß die Elektrode aus Zinksülfid besteht.

11: Resonator rtäCh einem def Vorhergehenden Artsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der IHörmige Träger in ttältettiittelh gelagert ist, die im Bereich der im Träger auftretenden Schwingungskhotert befestigt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen