Neuerung an piezoelektrischen Resonanzvorrichtungen. Die Erfindung bezieht sich auf piezo- elektrische Resonanzvorrichtungen und er möglicht erst, praktisch, deren Verwendung im Audiofrequenzbereich.
Beim Entwurf einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung, wie sie zur Frequenz überwachung in Raumentladungseinrichtungen verwendet werden, war es bisher üblich, dass dem Kristallkörper, welcher das piezoelektrisch aktive Element bildet, die Form eines Parallelepipedes gegeben wurde. Gewöhnlich wurde der Kristallkörper zwischen metallenen Platten angeordnet, denen wechselnde elektro motorische Kräfte aufgedrückt werden. In dieser Anordnung führt der piezoelektrische Kristallkörper infolge des zwischen den Platten vorhandenen Wechselfeldes Schwin gungen aus.
Wird beispielsweise der Kristall körper derart aus einem Mutterkristall aus Quarz herausgeschnitten, dass seine Längs richtung senkrecht zu einer der sechs zur Hauptaxe des Kristalles parallelen natürlichen Flächen des Mutterkristalles steht und dass eines seiner Seitenflächenpaare parallel zur genannten Hauptaxe liegt und werden die Metallplatten gegenüber den Seitenflächen dieses Paares angebracht, so führt der Kristallkörper longitudinale Schwingungen in Richtung seiner Längsaxe aus.
Die tiefste Eigenfrequenz des Kristallkörpers hängt für diese Schwingungsform -von der Elastizitäts- zahl der Substanz, ferner von der Dichte und der Länge des Körpers ab. Diese Fre quenz (Longitudinalschwingungsgrundfre- quenz) lässt sich annähernd nach der Formel
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bestimmen, worin K eine Konstante und für das genannte Material annähernd gleich 2,700,000 ist, während L die Länge des Kristallkörpers in Millimetern angibt. Aus dieser Formel geht hervor, dass man leicht Kristallkörper herstellen kann, deren Eigen frequenzen innerhalb des Radiofrequenz bereiches liegen, also beispielsweise zwischen 100 und 2000 Kiloperioden per Sekunde.
So würde ein Kristallkörper aus dem genannten Material für eine Frequenz von 1,000,000 Perioden per Sekunde ungefähr 3 Millimeter lang. Eigenschwingungen von Audiofrequenz sind hingegen in dieser Weise kaum zu erreichen; eine Eigenfrequenz von 10,000 Perioden per Sekunde würde schon eine Länge von 27 Zentimetern erfordern. Ähnlich liegen die Verhältnisse für Kristallkörper aus anderem Material als Quarz. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass es schwierig oder sogar unmöglich sein wird, Kristalle zu er erhalten, die derartige Dimensionen besitzen, und selbst wenn dies möglich wäre, würde die Vorrichtung unhandlich und schwer zu handhaben sein.
Bisber wurde zur Erreichung von inner halb des Audiofrequenzbereiches liegenden Eigenfrequenzen der Kristallkörper mit fremden schweren Massen belastet. Diese Methode hat aber viele Nachteile, von denen an erster Steile die Schwierigkeiten bei der Befesti gung der fremden Massen am Kristallkörper und das Losewerden derselben nachdem der Kristallkörper kurze Zeit Schwingungen ausgeführt hat, zu nennen sind.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung besitzt hingegen einen Kristallkörper, der nicht durch fremde Massen beschwert ist und mit einer Eigenfrequenz schwingt, die tiefer liegt, als die seiner grössten linearen Abmessung entsprechende Longitudinal- schwingungsgrundfrequenz, bei parallelepipe- discher Gestalt und gleicher stofflichen Be- schaffenheit.
Dies kann beispielsweise dadurch ver wirklicht werden, dass ein longitudinal schwingender Kristallkörper von geeigneter Gestalt verwendet wird, oder auch so, dass durch entsprechende Anordnung der Elek troden der Kristallkörper in transversale Schwingungen versetzt wird.
Im Nachfolgenden werden zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung einige beispiels weise Ausführungsformen von piezoelektrischen Vorrichtungen, in denen die vorliegende Er findung angewendet wird, an Hand der bei liegenden Zeichnung beschrieben In der Zeichnung zeigen die Fig. 1 und 2 einen piezoelektrischen Kristallkörper, sowie dessen Lage in bezug auf den Mutter- kristall aus Quarz, aus dem er herauszu schneiden ist. Der Mutterkristall ist in beiden Figuren gestrichelt gezeichnet.
Der Kristall körper weist an seinen beiden Enden Ver dickungen auf, so dass er annähernd die Form einer Hantel besitzt. Fig. 3 zeigt in vergrössertem Massstabe eine piezoelektrische Einrichtung, in welcher ein hantelförmiger Kristallkörper verwendet wird; Fig. 4 zeigt eine Endansicht der Einrichtung der Fig. 3;
Fig. 5 stellt eine für transversale Schwin gungen des Kristallkörpers geeignete piezo- elektrische Einrichtung dar; Fig. 6 zeigt die Schwingungsart des Kristallkörpers der Fig. 5;
Fig. 7 zeigt eine Endansicht der piezoelektrischen Vorrichtung der Fig. 5, während in Fig. S eine Vorrichtung gezeigt wird, bei welcher der Kristallkörper Schwin gungen gleicher Art vollführt, wie bei Fig. 5; Fig. 9 und 10 zeigen die Seiten-, respektive die Endansicht einer andern piezoelektrischen Vorrichtung für transversale Schwingungen des Kristallkörpers und Fig. 11 und 12 zeigen zwei Modifikationen davon.
In Fig. 1 wird die Stellung eines hantel- förmigen Kristallkörpers 11 in bezug auf seinen Mutterkristall 12, aus welchem er herausgeschnitten wird, gezeigt. Die Linien 10 stellen die sechs natürlichen Flächen des Kristalls dar. Vorzugsweise wird der hantel- förmige Kristallkörper 11 so aus dem Mutter kristall herausgeschnitten, dass seine L-ugs- axe senkrecht zu einer der natürlichen Flächen des Mutterkristalls, wie dies in der Figur gezeigt wird, steht.
In der zugehörigen Fig. 2 stellen die gestrichelten Linien 1 und 2 zwei der drei aufeinander senkrechten Symmetrieaxen des Kristallkörpers dar.
In Fig. 3 wird der hantelförmige Kristall körper 11, welcher zwischen den metallenen Platten 13 angeordnet ist, gezeigt. Eine Endansicht dieser piezoelektrischen Vorrich tung wird in der Fig. 4 gezeigt, aus welcher die Lage der Platten 13 deutlicher ersicht lich ist. Wenn eine Quelle wechselnder elektromotorischen Kraft an die Klemmen 14 angeschlossen wird, so beginnt der Kristall- körper 11 longitudinale Schwingungen in Richtung der gestrichelt gezeichneten Axe 1 der Fig. 3 auszuführen.
Infolge der verbrei terten Enden des Kristallex 11 wird die bei longitudinalen Schwingungen zu bewegende Masse vergrössert, ohne dass die auf Wieder herstellung des Normalzustandes des Körpers hinwirkenden Kräfte grösser werden. Daraus geht hervor, dass das Verhältnis dieser zur Masse entsprechend verringert wird und als Ergebnis davon ebenso die Eigenfrequenz der Schwingung des Kristallkörpers 11.
Die Fig. 5 und 7 stellen eine piezoelek- trische Vorrichtung, in welcher die nieder frequenten Schwingungen auf andere Weise erhalten werden, dar. In dieser Vorrichtung besitzt der Kristallkörper 11 die Form eines Parallelepipedes. Die Platten 13 sind längs einer Kante auf gegenüberliegenden Seiten des Kristallkörpers 11 angeordnet. Durch diese Plattenanordnung wird der Kristallkörper, wenn den Platten 13 wechselnde elektro motorische Kräfte aufgedrückt werden, in Schwingungen, wie sie die Kurven der Fig. 6 zeigen, versetzt.
Diese Schwingungsart lässt sich durch die Tatsache erklären, dass der zwischen den Platten 13 liegende Teil des Kristallkörpers durch den reziproken piezoelek- trischen Effekt abwechselnd Kontraktionen und Expansionen unterworfen ist, während der von den Platten 13 abseits liegende Teil des Körpers von jenem Effekt im wesent lichen unbeeinflusst bleibt. Das Ergebnis ist eine querlaufende Biegung des Kristallkörpers 11.
Es darf als bekannt vorausgesetzt werden, dass ein frei aufliegender Stab eine (Trund- schwingung ausführt, deren Knotenpunkte, wie sie zum Beispiel die Knotenpunkte 15 in Fig. 6 darstellen, in einem Abstand, welcher annähernd 0,224 der Länge des Stabes ent spricht, von seinen Enden entfernt liegen. Die Eigenfrequenz des Stabes oder des Kristallkörpers in dieser Schwingungsart kann aus der Elastizitätskonstanten, der Dichte und den Dimensionen des Stabes genau ermittelt werden. Siehe E. H. Bartons Text book an Sound, Ausgabe 1914, Seite 282 bis und reit 286.
Vorzugsweise wird der Kristallkörper 11 auf die in bezug auf den Kristall der Fig. 3 beschriebene Weise so aus dem Mutterkristall herausgeschnitten, dass seine Längsaxe senk recht zu einer der natürlichen Flächen des Mutterkristalles steht, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird.
In Fig. 8 wird eine Modifikation der piezoelektrischen Vorrichtung der Fig. 5 ge zeigt. Darin sind zusätzliche Platten 13' zur Verwendung beider Teile des Kristallkörpers vorgesehen. Vermittelst der in dieser Figur gezeigten Anordnung kann ein besseres An sprechen des Kristallkörpers bei einer gege benen aufgedrückten wechselnden elektro- rnotorischen Kraft erhalten werden. Es kann auch, einerseits, eine elektromotorische Kraft, deren Frequenz mit der Eigenfrequenz des Kristallkörpers übereinstimmt, den Platten 13 aufgedrückt werden, und anderseits eine den Kristallschwingungen entsprechende elektromotorische Kraft den Platten 13' ent nommen werden.
In der piezoelektrischen Vorrichtung der Fig. 9 und 10 besitzt der Kristallkörper 11 die Form eines Parallelepipedes und wird der Länge nach, wie dies durch 16 ange deutet wird, durchbohrt. Dadurch wird er möglicht, dass- der Kristallkörper in trans- versale Schwingungen versetzt werden kann. Eine Elektrode 17 wird in der Bohrung an gebracht, während die Platten 18 und 18' der andern Elektrode auf gegenüberliegenden Flächen des Kristallkörpers zu liegen kommen.
In diesem Falle durchläuft das Feld die beiden Seiten des Körpers in entgegenge setztem Sinne, wie die Pfeile in den Figuren andeuten, und es entstehen darin Spannungen entgegengesetzter Art, die auf der einen Seite eine Verkürzung und auf der andern Seite eine Verlängerung des Kristallkörpers zu bewirken bestrebt sind. Die Wirkungen der beiden elektrischen Felder summieren sich deshalb, und das Ergebnis ist eine wechselnde Biegung des Kristallkörpers in entgegengesetzten Richtungen, weshalb er mit der Frequenz der den Platten aufge drückten Spannung schwingt, und zwar dann mit beträchtlicher Amplitude, wenn diese Frequenz im wesentlichen die gleiche ist wie die Eigenfrequenz für den transversal schwingenden Kristallkörper.
Es zeigt sich, dass diese Eigenfrequenzen, bei Körpern deren Abmessungsverhältnisse etwa denjenigen der Zeichnung entsprechen, bedeutend niedriger sind als im Falle, wo sie in üblicher Weise zu longitudinalen Schwingungen veranlasst werden.
Man kann den Kristallkörper mit Boh rungen versehen, die in seiner Längsrichtung verlaufen und die Elektrode 17 als eine oder mehrere Spiralfedern ausführen, wie dies die Fig. 11 zeigt, und so den Kristall körper für transversale Schwingungen ge eignet machen. Indem drei Höhlungen, sowie drei darin angeordnete Spiralfedern, wie dies Fig. 11 zeigt, vorgesehen werden, wird die Oberfläche der innern Elektrode wesentlich vergrössert, wodurch auch die piezoelektrische Kopplung vergrössert wird.
An Stelle der Bohrung des Kristallkörpers können in zwei gegenüberliegenden Seiten des Kristallex Nuten angebracht werden, in welche; wie dies Fig. 12 zeigt, die als Platten ausgebildeten beiden Hälften 17 und 17' einer Elektrode 17 in Fig. 9 Lind 11 entspreehenden Elektrode angebracht werden.
Gemäss dieser Erfindung konstruierte piezoelektrische Vorrichtungen können als Frequenzkontrollelemente in Raumentladungs- einrichtungen - für Frequenzen des Tonfre quenzbereiches verwendet werden.
Innovation in piezoelectric resonance devices. The invention relates to piezoelectric resonance devices and it is only possible, in practice, to use them in the audio frequency range.
When designing a piezoelectric resonance device, such as that used for frequency monitoring in spatial discharge devices, it has hitherto been customary for the crystal body which forms the piezoelectrically active element to be given the shape of a parallelepiped. Usually the crystal body was arranged between metal plates, which alternating electric motor forces are applied. In this arrangement, the piezoelectric crystal body vibrates as a result of the alternating field between the plates.
If, for example, the crystal body is cut out of a mother crystal made of quartz in such a way that its longitudinal direction is perpendicular to one of the six natural surfaces of the mother crystal that are parallel to the main axis of the crystal and that one of its side surface pairs is parallel to the named main axis and the metal plates opposite the side surfaces of this Attached pair, the crystal body carries out longitudinal oscillations in the direction of its longitudinal axis.
The lowest natural frequency of the crystal body for this form of oscillation depends on the elasticity number of the substance, and also on the density and length of the body. This frequency (longitudinal oscillation fundamental frequency) can be approximated according to the formula
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determine where K is a constant and for the said material approximately equal to 2,700,000, while L indicates the length of the crystal body in millimeters. This formula shows that crystal bodies can easily be produced whose natural frequencies are within the radio frequency range, for example between 100 and 2000 kiloperiods per second.
For example, a crystal body made of the material mentioned would be approximately 3 millimeters long for a frequency of 1,000,000 periods per second. Natural vibrations of audio frequency, however, can hardly be achieved in this way; a natural frequency of 10,000 periods per second would require a length of 27 centimeters. The situation is similar for crystal bodies made of materials other than quartz. It is readily apparent that it will be difficult or even impossible to obtain crystals having such dimensions, and even if it were possible the device would be cumbersome and difficult to manipulate.
Until now, in order to achieve natural frequencies within the audio frequency range, the crystal body was loaded with extraneous heavy masses. However, this method has many disadvantages, of which the difficulties in attaching the foreign masses to the crystal body and the loosening of the same after the crystal body has performed vibrations for a short time are to be mentioned.
The device according to the invention, on the other hand, has a crystal body that is not weighed down by foreign masses and vibrates at a natural frequency lower than the fundamental longitudinal vibration frequency corresponding to its largest linear dimension, with a parallelepipedic shape and the same material properties.
This can be achieved, for example, by using a longitudinally oscillating crystal body of a suitable shape, or in such a way that the crystal body is set into transverse vibrations by appropriate arrangement of the electrodes.
In the following, to explain the present invention, some exemplary embodiments of piezoelectric devices in which the present invention is applied, will be described with reference to the accompanying drawings. In the drawings, FIGS. 1 and 2 show a piezoelectric crystal body, and its position in with reference to the mother crystal made of quartz from which it is to be cut. The mother crystal is shown in dashed lines in both figures.
The crystal body has thickenings at both ends, so that it has approximately the shape of a dumbbell. 3 shows, on an enlarged scale, a piezoelectric device in which a dumbbell-shaped crystal body is used; Figure 4 shows an end view of the device of Figure 3;
5 shows a piezoelectric device suitable for transverse vibrations of the crystal body; Fig. 6 shows the mode of vibration of the crystal body of Fig. 5;
Fig. 7 shows an end view of the piezoelectric device of Fig. 5, while Fig. 5 shows a device in which the crystal body vibrates of the same type as in Fig. 5; 9 and 10 show the side and end views, respectively, of another piezoelectric device for transverse vibrations of the crystal body, and FIGS. 11 and 12 show two modifications thereof.
In Fig. 1 the position of a dumbbell-shaped crystal body 11 is shown in relation to its mother crystal 12, from which it is cut out. The lines 10 represent the six natural faces of the crystal. The dumbbell-shaped crystal body 11 is preferably cut out of the mother crystal so that its axis is perpendicular to one of the natural faces of the mother crystal, as shown in the figure , stands.
In the associated FIG. 2, the dashed lines 1 and 2 represent two of the three mutually perpendicular axes of symmetry of the crystal body.
In Fig. 3, the dumbbell-shaped crystal body 11, which is arranged between the metal plates 13, is shown. An end view of this piezoelectric device Vorrich is shown in Fig. 4, from which the position of the plates 13 is clearly ersicht Lich. When a source of alternating electromotive force is connected to the terminals 14, the crystal body 11 begins to carry out longitudinal oscillations in the direction of the dashed line 1 in FIG.
As a result of the widened ends of the Kristallex 11, the mass to be moved in the case of longitudinal vibrations is increased without the forces acting towards restoring the normal state of the body becoming greater. It can be seen from this that the ratio of this to the mass is correspondingly reduced and, as a result of this, the natural frequency of the vibration of the crystal body 11 is also reduced.
5 and 7 show a piezoelectric device in which the low-frequency vibrations are obtained in a different way. In this device, the crystal body 11 has the shape of a parallelepiped. The plates 13 are arranged along an edge on opposite sides of the crystal body 11. This plate arrangement causes the crystal body to vibrate as the curves in FIG. 6 show when alternating electromotive forces are pressed onto the plates 13.
This type of oscillation can be explained by the fact that the part of the crystal body lying between the plates 13 is subject to alternating contractions and expansions due to the reciprocal piezoelectric effect, while the part of the body lying apart from the plates 13 is essentially subject to that effect remains unaffected. The result is a transverse bending of the crystal body 11.
It can be assumed as known that a freely lying rod executes a (circular oscillation, the nodes of which, as represented, for example, by the nodes 15 in FIG. 6, at a distance of approximately 0.224 of the length of the rod The natural frequency of the rod or the crystal body in this mode of vibration can be precisely determined from the elasticity constants, the density and the dimensions of the rod. See EH Barton's Text book an Sound, edition 1914, pages 282 bis and reit 286.
The crystal body 11 is preferably cut out of the mother crystal in the manner described with reference to the crystal of FIG. 3 so that its longitudinal axis is perpendicular to one of the natural surfaces of the mother crystal, as shown in FIGS. 1 and 2.
In FIG. 8, a modification of the piezoelectric device of FIG. 5 is shown. Additional plates 13 'are provided therein for using both parts of the crystal body. By means of the arrangement shown in this figure, a better response of the crystal body can be obtained with a given alternating electromotive force that is pressed on. On the one hand, an electromotive force, the frequency of which corresponds to the natural frequency of the crystal body, can be pressed onto the plates 13, and on the other hand an electromotive force corresponding to the crystal vibrations can be taken from the plates 13 '.
In the piezoelectric device of FIGS. 9 and 10, the crystal body 11 has the shape of a parallelepiped and is pierced lengthwise, as indicated by 16 is. This enables the crystal body to be set into transverse oscillations. An electrode 17 is placed in the bore, while the plates 18 and 18 'of the other electrode come to rest on opposite surfaces of the crystal body.
In this case, the field passes through the two sides of the body in opposite directions, as indicated by the arrows in the figures, and tensions of the opposite nature arise in it, causing the crystal body to shorten on one side and lengthen it on the other are striving. The effects of the two electric fields therefore add up, and the result is an alternating bending of the crystal body in opposite directions, which is why it oscillates at the frequency of the voltage imposed on the plates, and then with considerable amplitude when this frequency is essentially the same is like the natural frequency for the transversely vibrating crystal body.
It turns out that these natural frequencies, in the case of bodies whose dimensional relationships roughly correspond to those in the drawing, are significantly lower than in the case where they are caused in the usual way to longitudinal vibrations.
You can provide the crystal body with bores that run in its longitudinal direction and run the electrode 17 as one or more coil springs, as shown in FIG. 11, and so make the crystal body suitable for transverse vibrations ge. By providing three cavities and three spiral springs arranged therein, as shown in FIG. 11, the surface of the inner electrode is significantly increased, whereby the piezoelectric coupling is also increased.
Instead of drilling the crystal body, grooves can be made in two opposite sides of the Kristallex, in which; As shown in FIG. 12, the two halves 17 and 17 'formed as plates of an electrode 17 in FIG. 9 and 11 corresponding electrodes are attached.
Piezoelectric devices constructed in accordance with this invention can be used as frequency control elements in spatial discharge devices - for frequencies in the Tonfre frequency range.