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
EMI0001.0023
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.