Verfahren zur piezoelektrischen Anregung von elastischen Kristallschwingungen durch inhomogene Felder. Alle bisher bekannten Verfahren zur piezo- elektrischen Anregung elastischer Schwin gungen von Kristallen beruhen darauf, dass durch ein -den Kristall durchsetzendes, elek trisches Wechselfeld vermöge des reziproken piezoelektrischen Effektes periodische Dilata- tionen und Kompressionen erzeugt, also Deh nungsschwingungen (Longitudinalschwin- gungen) erzwungen werden, .deren:
Amplitude gross wird, wenn die Frequenz des erregenden Feldes mit der Frequenz einer der longitu- dinalen Eigenschwingungen (Grund- oder Oberschwingungen) des Kristalles überein stimmt.
Das Verfahren nach vorliegender Erfin dung bezieht sich demgegenüber auf die Er zeugung von elastischen Schwingungen piezo- elektrischer Kristalle durch inhomogene Fel der, insbesondere von Biegungsschwingungen (Transversalschwingungen) und Drillungs- sqhwingungen (Torsionsschwingungen). Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Aus übung des Verfahrens besteht darin, dass eine Alehrzahl von mit Wechselstrom erregten Elektroden derart zum Piezekristall ange ordnet sind,
dass sie Zuführungen für ein elektrisches Wechselfeld erhalten, wobei die 'Schaltung der Elektroden mit den Zufülh- rungen für Wechselstrom derartig ist, dass die durch den reziproken Piezoeffekt-hervor- gerufenen, elastischen Deformationen perio dische Biegungen bezw. Drillungen des Kri- stalles zur Folge haben. .
Die vorliegende Erfindung soll zunächst an einigen beispielsweisen Anordnungen er läutert werden. Bei diesen Beispielen sei als piezoelektrisches Material Bergkristall (Quarz) und eine möglichst einfache geome trische Form, nämlich die Stabform mit rechteckigem Querschnitt vorausgesetzt. Es sei jedoch betont, dass Kristallform und Kri stallart für das wesentliche der Erfindung belanglos ist.
Wir bezeichnen im folgenden die drei Achsen des Bergkristalles wie folgt: 1. die optische Achse '.als Z-Richtung; 2. die drei Nebenachsen als elektrische Achsen und die Richtung einer Nebenachse als X-Richtung; die drei Achsen, die in der gleichen Ebene wie die unter 2 genannten liegen, aber diese unter überall gleichen Winkeln (siehe Fig. 6a) schneiden, als neutrale Achsen und die Richtung einer neutralen Achse als Y-Richtung.
Die drei Richtungen. X, Y, Z bilden ein rechtwinkliges Koordinatensystem.
Zum leichteren Verständnis des folgenden ist zunächst in Fig. ja und 1b die von Cady angegebene Anordnung zur Anregung von Longitudinalschwingungen skizzier-E. !Sie stellt im wesentlichen einen Kondensator dar, mit den felderzeugenden Belegungen (Elek troden) E,, E2 und mit dem Quarzstab Q, dessen Orientierung durch das daneben ge zeichnete Achsenkreuz<I>X, Y,</I> Z ersichtlich ist, als Dielektrikum.
Die Wirkung des elektrischen Feldes (re ziproker 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, so wohl in jedem einzelnen Querschnitt, als auch über die ganze 'Stablänge.
Es entstehen Lon- gitudinalschwingungen. Aber auch wenn die Elektroden El, Ei# kürzer sind wie die Stab länge, zum Beispiel nur einen kleinen Bruch teil der Stablänge bedecken (vergleiche zum Beispiel Die Anordnung von E. Giebe und A. Scheibe , E. T.
Z., Seite 380, 1926.), wo bei von einem homogenen Feld nicht mehr die Rede sein kann, so ist doch inner halb jedes einzelnen Querschnittes das elek trische Feld nach Stärke und Richtung über all merklich gleich und ändert sich nur von Querschnitt zu Querschnitt der iStärke_ nach, bei überall merklich gleicher Richtung. Das kleine, zwischen den kurzen Elektroden lie gende Volumenelement des Stabes wird da her in jedem Punkte gleichmässig deformiert, und es können daher nur longitudinale Schwingungen entstehen.
1. Eine beispielsweise Anordnung zur piezoelektrischen Anregung von Transversal- schivingungen nach der vorliegenden Erfin dung zeigen die Abbildungen 2a und 2b. Die Orientierung des Quarzstabes zu den Kristall achsen ist die gleiche wie in den bekannten Anordnungen Fig. 1a und 1b. Statt zweier Elektroden, wie in Fig. Ja und 1b, werden aber hier vier Elektroden E, bis E4 benutzt,
die in der durch die Polaritätszeichen und - angedeuteten Weise zu je zweien ver bunden sind und an einer Wechselspannung liegen. Durch diese Anordnung und Schal tungsweise der Elektroden entsteht ein in homogenes, elektrisches Feld derart, dass es in der einen Hälfte des Querschnittes die entgegengesetzte Richtung wie in der andern hat.
Das elektrische Feld zwischen E1 und <B>Ei,</B> erzeugt in der obern Stabhälfte eine Kom pression in der X-Richtung, eine Dilatation in der Y-Richtung (oder umgekehrt), das Feld zwischen E3 und E4 im gleichen Zeit moment in .der untern Hälfte eine Dilatation in der X-Richtung, eine Kompression in der Y-Richtung (oder umgekehrt).
Durch der artige Deformationen treten periodische Bie gungen des Stabes ein, die zu Resonanz schwingungen führen, wenn die Frequenz der erregenden Wechselspannung gleich einer der transversalen Eigenfrequenzen des Stabes ist. Die Biegung des Stabes erfolgt in Rich tung der Z-Achse.
2. In schwächerem Masse können diese Transversalschwingungen .auch angeregt wer den, wenn eines der Elektrodenpaare, etwa das obere El, E=, entfernt wird. Dann hat das elektrische Feld in der obern Hälfte zwar nicht die entgegengesetzte Richtung, wohl aber sehr geringe, fast verschwindende Stärke gegenüber dem Feld zwischen Es und E4. Daher wird nur die untere Stabhälfte deformiert, woraus ebenfalls eine Biegung resultiert.
3. Wie man nach der vorliegenden Er= findung einen ebenso wie in Fig.2a, 2b zu den Kristallachsen orientierten Stab zu Transversalschwingungen in Richtung der <I>elektrischen</I> Achse anregen kann, zeigt als Beispiel die Anordnung Fig.3. Es werden wieder vier Elektroden benutzt, die aber jetzt nicht, wie in Fig. 2a, in der Z-Richtung iibereinander, sondern in der Y-Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Die Elek troden sind in .der durch die Polaritäts zeichen -I- und - angedeuteten Weise zu je zwei miteinander verbunden und liegen an einer Wechselspannung. Das Wesentliche ist auch hierbei, 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 Un gleichförmigkeit erzeugt wird, dass Bie gungen und damit Transversalschwingungen in der X-Richtung entstehen.
4. Die Orientierung des @Stabes braucht keineswegs die bisher in den Fig.l bis 3 angenommene zu haben, man kann vielmehr nach der vorliegenden Erfindung auch anders orientierte Stäbe zu Transversalschwingungen anregen. Dies zeigt .als Beispiel Fig. 4, in welcher die Längsachse des Stabes in die X-Richtung statt, wie vorher, in die Y-Rich- -tung fällt. Es kommen wieder vier in der gezeichneten Weise gepolte Elektroden zur Anwendung, die bezüglich der X-Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Hier wird in der in der Zeichnung obern Stabhälfte des zwischen den Elektroden liegenden 3tabteils durch die Elektroden El, EZ etwa eine Di- latation und gleichzeitig in der untern Hälfte eine Kompression in der X-Richtung er zeugt, woraus wiederum Biegungsschwin- gungen, und zwar in der Y-Richtung ent stehen.
5. In der Anordnung Fig.4 kann man aus demselben Grunde wie untern 2 auch mit zwei Elektroden E,, E2, oder E3, E4, statt zeit vier Transversalschwingungen an- regen, wenn auch etwas schwerer.
ss. Dreht man den Stab in der Elek- trodenanordnung Fig. 4 um<B>90'</B> um die X-Achse, während die Elektroden in ihrer Ebene liegen bleiben, so dass .die Z-Achse in die Zeichenebene zu liegen kommt, wäh rend die Y-Achse senkrecht darauf steht, so entstehen bei gleichem Schaltung der An regungselektroden Transversalschwingungen in Richtung der optischen Achse.
<I>7.</I> Torsionsschwinyungen können zum Beispiel gemäss der in Fig.5a und 5t' ge zeichneten Anordnung für einen Stab von der in Ader Zeichnung angegebenen Orientierung erzeugt werden. Die vier (Elektroden, die bezüglich der Z-Riahtung übereinander an geordnet sind, werden wiederum paarweise nach gleichem Vorzeichen verbunden. Die Ungleichförmigkeit des Feldes ist von der Art, dass Drillungen um die Längsachse des Kristalles entstehen.
Die beschriebenen Anordnungen sind nur Beispiele. Sie können in mannigfacher Weise modifiziert werden.
iStatt Quarz können auch andere piezo- elektrische Kristalle angewandt werden. Die Anordnung, Anzahl und Schaltung der Elek troden muss dann den speziellen piezoelek- trischen Eigenschaften der jeweiligen Kri- staAlart entsprechend gewählt werden. An Stelle von iStäben können auch andere geo metrische Formen, zum Beispiel Platten oder Ringe usw., benutzt werden.
B. In Fig. 6a ist zum Beispiel eine An ordnung zur Anregung eines Quarzringes zu Transversalschwingungen gezeichnet. Die optische Achse steht senkrecht auf der Ring ebene, also auf .der Zeichenebene. Die elek trischen Achsen sind mit ihrem Vorzeichen eingezeichnet. Bei einem solchen Ring än dert sich der piezoelektrische Vektor längs des Umfanges nach Grösse :und Richtung, beiderseits einer neutralen Achse hat er ent gegengesetztes Vorzeichen.
Man kann daher hier durch zwei an einer neutralen Achse angeordnete Elektroden E,, E2, wie es Fig. 6a zeigt, die zu Transversalschwin- gungen in der Ebene des Ringes notwen- digen, ungleichförmigen Deformationen er zeugen.
Der Ring kann auch in einer elektrischen Achse angeregt werden. Man verwendet dann zweckmässig vier Elektroden, wie Fig.6u zeigt, deren paarweise Verbindung nach gleichem Vorzeichen zu erfolgen hat.
Durch ähnliche Elektrodenanordnung wie bei Stäben können Ringe :auch zu Torsions- schwingungen oder zu Transversalschwin- gungen senkrecht zur Ringebene .angeregt werden.
9. Eine ganz andere Form des Kristall- stückes und die hier zweckentsprechende Elektrodenanordnung für TransversaJschwin- gungen zeigt Fig. 7.
10. Bei den vorstehend gezeichneten An- ardnungen sind zwei oder vier Elektroden angewandt; zur kräftigeren Anregung der Schwingungen kann es oft vorteilhaift sein, eine grössere Anzahl von Elektroden zu benut zen, deren Felder an verschiedenen ,Stellen der Stäbe einwirken und bei richtiger Polung sich gegenseitig in ihrer Wirkung unter stützen.
11. Das Eintretender Resonanz zwischen der Frequenz :der Tra.nsversalschwingungen oder Torsionsschwingungen des Stabes und der Frequenz des angelegten Wechselfeldes; sowie die Ordnungszahl ,d-er jeweiligen Ober- schwingung kann durch das Entstehen der Leuchterscheinung an dem im Vakuum schwingenden Kristallstab, sowie an :der Leuchtfigur erkannt werden (D. R. P. 467629). Das Vakuum trägt zugleich zur Verminderung -der Dämpfung des Stabes. bei.
Über den technischen Nutzen der vorlie genden Erfindung ist folgendes zu sagen.: 1. Kristalle, die Transversal- oder Tor sionsschwingungen ausführen, können für sämtliche Zwecke Verwendung finden, wo bisher longitu:dinale Schwingungen benutzt werden.
2. Transversalschwingungen und Tor sionsschwingungen., deren piezoelektrische Erregung durch die vorliegende Erfindung möglich ist, bieten gegenüber den Longitu- dinalschwingungen den Vorteil, dass man ein viel grösseres Frequenzbereich von elastischen Eigenschwingungen umspannt. Es ist be kannt, dass infolge der natürlichen Begren zung der Kristallgrössen Quarzstäbe von mehr als 10 bis 15 cm Länge praktisch nicht her stellbar sind. Die niedrigsten, longitudinalen Eigenfrequenzen solcher Stäbe liegen bei 20000 bis 30000 Hertz.
Demgegenüber lie gen die niedrigsten transversalen Eigenfre quenzen gleich langer Stäbe zwischen<B>1000</B> und 3000 Hertz, also im hörbaren Frequenz gebiet.
3. Bei Torsionsschwingungen und Tra.ns- versalschwingungen kann man durch Be festigung von Gewichten an den Kristall stücken (zum Beispiel Kristallstäben) die Re sonanzfrequenz beeinflussen und besonders bis zu sehr niedrigen -Schwingungszahlen herabsetzen, was bei Longitudinalschwin- gungen nicht gelingt.
4. Quarzstäbe niedriger Eigenfrequenz kann man für dieselben Zwecke wie Stimm gabeln benutzen; piezoelektrisch angeregt, stellen sie also sehr präzise Tonnormale dar.
5. Für das Hochfrequenzbereich der drahtlosen Telegraphie ergibt sich als Vor teil, dass die transversalen Eigenfrequenzen infolge ihrer viel höheren Ordnungszahlen in diesem Bereich viel dichter liegen als die longitudinalen Eigenfrequenzen.. Bei Be nutzung von Transversalschwingungen stehen also im gleichen Bereich viel mehr Normal frequenzen als bei longitudinalen -Schwin gungen zur Verfügung.