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Verfahren zur piezoelektrischen Anregung von elastischen Transversal-nnd Torsions- schwingungen.
Alle bisher bekannten Verfahren zur piezoelektrischen Anregung elastischer Schwingungen von Kristallen beruhen darauf, dass durch ein den Kristall durchsetzendes elektrisches Wechselfeld vermöge des reziproken piezoelektrischen Effektes periodische Dilatationen und Kompressionen erzeugt, also Dehnungsschwingungen (Longitudinalschwingungen) erzwungen werden, deren Amplitude gross wird, wenn die Frequenz des erregenden Feldes mit der Frequenz einer der longitudinalen Eigenschwingungen (Grund-oder Oberschwingungen) des Kristalls übereinstimmt.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden demgegenüber Bieg1mgsschwingungen (Transversal- schwingungen) und DrilIungsschwing1mgen (Torsionsschwingungen) benutzt. Die besonderen Mittel, durch welche derartige Schwingungen erzwungen werden, bilden den Gegenstand der Erfindung.
Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung soll zunächst an einigen beispielsweisen Anordnungen erläutert werden. Bei diesen Beispielen sei als piezoelektrisches Material Bergkristall (Quarz) und eine möglichst einfache geometrische Form, nämlich die Stabform mit rechteckigem Querschnitt, voraus-
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sind. Wir bezeichnen im folgenden die drei Achsen des Bergkristalls wie folgt :
1. die optische Achse als ±-Richtung,
2. die drei Nebenachsen als elektrische Achsen und die Richtung einer Nebenachse als X-Richtung,
3. die drei Achsen, die in der gleichen Ebene wie die unter 2. genannten liegen, aber diese unter überall gleichen Winkeln (s. Fig. 6 a) schneiden, als neutrale Achse und die Richtung einer neutralen Achse als Y-Richtung.
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Anordnung zur Anregung von Longitudinalschwingungen skizziert.
Sie stellt im wesentlichen einen Kondensator dar, mit den felderzeugenden Belegungen (Elektroden) Et a und mit dem Quarzstab Q, dessen Orientierung durch das daneben gezeichnete Achsenkreuz X, Y, Z ersichtlich ist, als Dielektrikum.
Die Wirkung des elektrischen Feldes (reziproker Piezoeffekt) besteht hier in einer Dilatation des Stabes in der Y-Richtung und einer gleichzeitigen Kompression in der X-Richtung oder umgekehrt.
Das elektrische Feld ist bei dieser Anordnung homogen, sowohl in jedem einzelnen Querschnitt als auch iiber die ganze Stablänge. Es entstehen Longitudinalschwingungen. Aber auch wenn die Elektroden EI, E2 kürzer sind wie die Stablänge, z. B. nur einen kleinen Bruchteil der Stablänge bedecken (vgl. z. B. die Anordnungen von E. Giebe und A. Scheibe, E. T. Z. 47,380, 1926), wobei von einem homogenen Feld
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daher nur longitudinale Schwingungen entstehen.
1. Eine beispielsweise Anordnung zur piezoelektrischen Anregung von Transversalsehwingungen
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Kristallachsen ist die gleiche wie in den bekannten Anordnungen Fig. 1 a und 1 b. Statt zweier Elektroden wie in Fig. l a und 1 b werden aber hier vier Elektroden Ei bis E4 benutzt, die in der durch die Polaritätszeichen + und-angedeuteten Weise zu je zwei verbunden sind und an einer Wechselspannung liegen.
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Z-Riehtung, eine Dilatation in der Y - Richtung (oder umgekehrt), das Feld zwischen Es und E4 im gleichen Zeitmonat in der unteren Hälfte eine Dilatation in der'X-Richtung, eine Kompression in der Y-Richtung (oder umgekehrt).
Durch derartige Deformationen treten periodische Biegungen des Stabes ein, die zu Resonanzschwingungen führen, wenn die Frequenz der erregenden Wechselspannung gleich einer der transversalen Eigenfrequenzen des Stabes ist. Die Biegung des Stabes erfolgt in Richtung der Z-Aehse.
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eines der Elektrodenpaare, etwa das obere EI, Es, entfernt wird. Dann hat das elektrische Feld in der oberen Hälfte zwar nicht die entgegengesetzte Richtung, wohl aber sehr geringe, fast verschwindend Stärke gegenüber dem Feld zwischen Es und E4. Daher wird nun die untere Stabhälfte deformiert, woraus ebenfalls eine Biegung resultiert.
3. Wie man nach der vorliegenden Erfindung einen ebenso wie in Fig. 2 a, 2 b zu den Kristallachsen orientierten Stab zu Transversalschwingungen in Richtung der elektrischen Achse anregen kann, zeigt als Beispiel die Anordnung Fig. 3. Es werden wieder vier Elektroden benutzt, die aber jetzt nicht wie in Fig. 2 a in der Z-Richtung übereinander, sondern in der Y-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Die Elektroden sind in der durch die Polaritätszeichen + und-angeordneten Weise zu je zwei miteinander verbunden und liegen an einer Wechselspannung.
Das Wesentliche ist auch hiebei, dass durch Anordnung und Schaltung der Elektroden in einem zwischen den Elektroden liegenden Volumenelement des Stabes ein nach Grösse und Richtung sich änderndes elektrisches Feld derartiger Ungleichförmigkeit erzeugt wird, dass Biegungen und damit Transversalschwingungen in der X-Richtung entstehen.
4. Die Orientiening des Stabes braucht keineswegs die bisher in den Fig. 1-3 angenommene zu haben, man kann vielmehr nach der vorliegenden Erfindung auch anders orientierte Stäbe zu Trans- versalsehwingungen anregen. Dies zeigt als Beispiel Fig. 4, in welcher die Längsachse des Stabes in die Z-Richtung statt wie vorher in die Y-Richtung fällt. Es kommen wieder vier in der gezeichneten Weise gepolte Elektroden zur Anwendung, die bezüglich der Z-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Hier wird in der in der Zeichnung oberen Stabhälfte des zwischen den Elektroden liegenden Stabteiles durch die Elektroden EI, Es etwa eine Dilatation und gleichzeitig in der unteren Hälfte eine Kompression in der X-Richtung erzeugt, woraus wiederum Biegungsschwingungen, u. zw. in der Y-Richtung, entstehen.
5. In der Anordung Fig. 4 kann man aus demselben Grunde wie unter 2. auch mit zwei Elektroden. Ei, Es oder Es, E4 statt mit vier Transversalschwingungen anregen, wenn auch etwas schwerer.
6. Dreht man den Stab in der Elektrodenanordnung Fig. 4 um 90 um die X-Aehse, während die Elektroden in ihrer Ebene liegenbleiben, so dass dieZ-Achse in die Zeichenebene zu liegen kommt, während die Y-Achse senkrecht darauf steht, so entstehen bei gleicher Schaltung der Anregungselektroden Transversalschwingungen in Richtung der optischen Achse.
7. Torsionsschwingungen können z. B. gemäss der in Fig. 5 a und 5 b gezeichneten Anordnung für einen Stab von der in der Zeichnung angegebenen Orientierung erzeugt werden. Die vier Elektroden, die bezüglich der Z-Richtung übereinander angeordnet sind, werden wiederum paarweise nach gleichem Vorzeichen verbunden. Die Ungleichförmigkeit des Feldes ist von der Art, dass Drillungen um die Längsachse des Kristalls entstehen.
Die beschriebenen Anordnungen sind nur Beispiele. Sie können in mannigfacher Weise modifiziert werden. Das wesentliche Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung von in bestimmter Weise und in bestimmten Richtungen ungleichförmigen Feldern zur piezoelektrischen Erzeugung von Deformationen, die Biegungen oder Drillungen hervorrufen. Statt Quarz können auch andere piezoelektrische Kristalle angewandt werden. Die Anordnung, Anzahl und Schaltung der Elektroden muss dann den speziellen piezoelektrischen Eigenschaften der jeweiligen Kristallart entsprechend gewählt werden. An Stelle von Stäben können auch andere geometrische Formen, z. B. Platten oder Ringe usw., benutzt werden.
8. In Fig. 6 a ist z. B. eine Anordnung zurAnregungeinesQuarzringeszu Transversalschwingungen gezeichnet. Die optische Achse steht senkrecht auf der Ringebene, also auf der Zeichenebene. Die elektrischen Achsen sind mit ihrem Vorzeichen eingezeichnet. Bei einem solchen Ring ändert sich der piezoelektrische Vektor längs des Umfanges nach Grösse und Richtung, beiderseits einer neutralen Achse hat er entgegengesetztes Vorzeichen. Man kann daher hier durch zwei an einer neutralen Achse angeordneten Elektroden Ei, 22, wie es Fig. 6 a zeigt, die zu Transversalschwingungen in der Ebene des Ringes notwendigen ungleichförmigen Deformationen erzeugen.
Der Ring kann auch in einer elektrischen Achse angeregt werden. Man verwendet dann zweckmässig vier Elektroden, wie Fig. 6 b zeigt, deren paarweise Verbindung nach gleichem Vorzeichen zu erfolgen hat.
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Durch ähnliche Elektrodenanordnungen wie bei Stäben können Ringe auch zu Torsionsschwingungen oder zu Transversalschwingungen senkrecht zur Ringebene angeregt werden.
9. Eine ganz andere Form des Kristallstückes und die hier zweckentsprechende Elektrodenanord- nung für Transversalschwingungen zeigt Fig. 7.
10. Bei den vorstehend gezeichneten Anordnungen sind zwei oder vier Elektroden angewandt ; zur kräftigeren Anregung der Schwingungen kann es oft vorteilhaft sein, eine grössere Anzahl von Elektroden zu benutzen, deren Felder an verschiedenen Stellen der Stäbe einwirken und bei richtiger Polung sich gegenseitig in ihrer Wirkung unterstützen.
11. Das Eintreten der Resonanz zwischen der Frequenz der Transversalsehwingungen oder Torsionsschwingungen des Stabes und der Frequenz des angelegten Wechselfeldes sowie die Ordnungszahl der jeweiligen Obersehwingung kann durch das Entstehen der Leuchterseheinung an dem im Vakuum schwingenden Kristallstab sowie an der Leuehtfigur erkannt werden, wie dies im D. R. P. Nr. 467629 beschrieben ist. Das Vakuum'trägt zugleich zur Verminderung der Dämpfung des Stabes bei.
Über den technischen Nutzen der vorliegenden Erfindung ist folgendes zu sagen :
1. Kristalle, die Transversal- oder Torsionsschwingungen ausführen, können für sämtliche Zwecke Verwendung finden, wo bisher longitudinale Schwingungen benutzt werden.
2. Transversalsehwingungen und Torsionsschwingungen, deren piezoelektrische Erregung durch die vorliegende Erfindung möglich ist, bieten gegenüber den Longitudinalschwingungen den Vorteil, dass man ein viel grösseres Frequenzbereich von elastischen Eigenschwingungen umspannt. Es ist bekannt, dass infolge der natürlichen Begrenzung der Kristallgrössen Quarzstäbe von mehr als 10-15 ein Länge praktisch nicht herstellbar sind. Die niedrigsten longitudinalen Eigenfrequenzen solcher Stäbe liegen bei 20. 000-30. 000 Hertz. Demgegenüber liegen die niedrigsten transversalen Eigenfrequenzen gleich langer Stäbe zwischen 1000 und 3000 Hertz, also im hörbaren Frequenzgebiet.
3. Bei Torsionsschwingungen und Transversalschwingungen kann man durch Befestigung vòn Gewichten an den Kristallstücken (z. B. Kristallstäben) die Resonanzfrequenz beeinflussen und besonders bis zu sehr niedrigen Schwingungszahlen herabsetzen, was bei Longitudinalsehwingungen nicht gelingt.
4. Quarzstäbe niedriger Eigenfrequenz kann man für dieselben Zwecke wie Stimmgabeln benutzen ; piezoelektrisch angeregt, stellen sie also sehr präzise Tonnormale dar.
5. Für das Hochfrequenzbereich der drahtlosen Telegraphie ergibt sich als Vorteil, dass die transversalen Eigenfrequenzen infolge ihrer viel höheren Ordnungszahlen in diesem Bereich viel dichter liegen als die longitudinalen Eigenfrequenzen. Bei Benutzung von Transversalschwingungen stehen also im gleichen Bereich viel mehr Normalfrequenzen als bei longitudinalen Schwingungen zur Verfügung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur piezoelektrischen Anregung elastischer Eigenschwingungen von Kristallen mittels einer Mehrzahl, insbesondere mittels vier Elektroden, an die eine Wechselspannung angelegt wird, deren Frequenz auf die Frequenz einer der Eigenschwingungen des Kristalls abgestimmt ist, dadurch
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bestimmter Schwingungsrichtungen ein elektrisches Feld mit einer Komponente, welche in Richtung der elektrischen Achse verläuft und in der Schwingungsrichtung ihr Vorzeichen ändert, erzeugt wird.
2. Einrichtung zur piezoelektrischen Anregung elastischer Eigenschwingungen von Kristallen mittels einer Mehrzahl, insbesondere mittels vier Elektroden, an die eine Weehselspannung angelegt wird, deren Frequenz auf die Frequenz einer der Eigenschwingungen des Kristalls abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die angelegte Spannung in dem Kristall zur Erregung von Drillungssehwin- gungen ein elektrisches Feld mit einer Komponente, welche in Richtung der neutralen Achse verläuft und in Richtung der optischen Achse ihr Vorzeichen ändert, erzeugt wird.
3. Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens von den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung oder Beseitigung der Luftdämpfung der Kristall im Vakuumgefäss montiert ist.