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.
Method for the piezoelectric excitation of elastic crystal vibrations by inhomogeneous fields. All previously known methods for piezoelectric excitation of elastic oscillations of crystals are based on the fact that an alternating electric field penetrating the crystal generates periodic dilatations and compressions by virtue of the reciprocal piezoelectric effect, i.e., forced expansion oscillations (longitudinal oscillations) will, whose:
The amplitude becomes large when the frequency of the exciting field coincides with the frequency of one of the longitudinal natural oscillations (fundamental or harmonics) of the crystal.
In contrast, the method according to the present invention relates to the generation of elastic vibrations of piezoelectric crystals through inhomogeneous fields, in particular bending vibrations (transversal vibrations) and torsional vibrations (torsional vibrations). The device according to the invention for practicing the method consists in that an absolute number of electrodes excited with alternating current are arranged in relation to the piezo crystal in such a way that
that they receive feeds for an alternating electric field, the 'circuit of the electrodes with the feeds for alternating current is such that the elastic deformations caused by the reciprocal piezo effect, periodic bends or. Result in drillings of the crystal. .
The present invention will first be explained using a few exemplary arrangements. In these examples, rock crystal (quartz) and the simplest possible geometric shape, namely the rod shape with a rectangular cross-section, are assumed as the piezoelectric material. However, it should be emphasized that the crystal form and crystal type is irrelevant to the essence of the invention.
In the following we designate the three axes of the rock crystal as follows: 1. the optical axis as the Z-direction; 2. the three minor axes as electrical axes and the direction of a minor axis as the X direction; the three axes, which lie in the same plane as those mentioned under 2, but intersect them at everywhere the same angles (see FIG. 6a), as neutral axes and the direction of a neutral axis as the Y direction.
The three directions. X, Y, Z form a right-angled coordinate system.
To make the following easier to understand, the arrangement indicated by Cady for the excitation of longitudinal vibrations is first sketched in FIGS. 1 a and 1 b. ! It essentially represents a capacitor, with the field-generating assignments (electrodes) E ,, E2 and with the quartz rod Q, the orientation of which can be seen from the axles <I> X, Y, </I> Z shown next to it, as a dielectric.
The effect of the electric field (reciprocal piezo effect) consists in a dilatation of the rod in the Y-direction and a simultaneous compression in the X-direction or vice versa. With this arrangement, the electric field is homogeneous, both in each individual cross section and over the entire length of the rod.
Longitudinal vibrations arise. But even if the electrodes El, Ei # are shorter than the rod length, for example only cover a small fraction of the rod length (compare, for example, The arrangement by E. Giebe and A. Scheibe, E. T.
Z., page 380, 1926.), where there is no longer any question of a homogeneous field, the electrical field within each individual cross section is noticeably the same in terms of strength and direction and only changes from cross section to cross section Cross-section according to iStrength_, with noticeably the same direction everywhere. The small volume element of the rod, which lies between the short electrodes, is therefore deformed evenly at every point, and therefore only longitudinal vibrations can arise.
1. An example of an arrangement for piezoelectric excitation of transversal shifts according to the present invention is shown in Figures 2a and 2b. The orientation of the quartz rod to the crystal axes is the same as in the known arrangements Fig. 1a and 1b. Instead of two electrodes, as in Fig. Yes and 1b, four electrodes E, to E4 are used here,
which are connected to two ver in the manner indicated by the polarity symbols and - and are connected to an alternating voltage. This arrangement and switching of the electrodes creates a homogeneous, electric field in such a way that it has the opposite direction in one half of the cross section than in the other.
The electric field between E1 and Ei creates a compression in the X direction in the upper half of the rod, a dilation in the Y direction (or vice versa), the field between E3 and E4 at the same time moment in the lower half a dilation in the X-direction, a compression in the Y-direction (or vice versa).
Due to the deformations of this type, periodic bends of the rod occur, which lead to resonance vibrations when the frequency of the exciting alternating voltage is equal to one of the transverse natural frequencies of the rod. The rod is bent in the direction of the Z axis.
2. These transverse vibrations can also be excited to a lesser extent if one of the electrode pairs, such as the upper E1, E =, is removed. Then the electric field in the upper half does not have the opposite direction, but has very little, almost vanishing strength compared to the field between Eb and E4. Therefore, only the lower half of the rod is deformed, which also results in a bend.
3. How, according to the present invention, a rod oriented to the crystal axes as in FIGS. 2a, 2b can be excited to transverse vibrations in the direction of the electrical axis is shown by the arrangement in FIG. 3 as an example. Four electrodes are again used, but now they are not arranged one above the other in the Z direction, as in FIG. 2a, but next to one another in the Y direction.
The electrodes are connected to each other in .der by the polarity sign -I- and - indicated by two and are connected to an alternating voltage. The essential thing here is that by arranging and switching the electrodes in a volume element of the rod between the electrodes, an electric field that changes in size and direction is generated with such non-uniformity that bends and thus transverse vibrations arise in the X direction .
4. The orientation of the rod does not need to have the one previously assumed in FIGS. 1 to 3, rather, according to the present invention, differently oriented rods can also be excited to transverse vibrations. This is shown as an example in FIG. 4, in which the longitudinal axis of the rod falls in the X direction instead of, as before, in the Y direction. Again, four electrodes polarized as shown are used, which are arranged next to one another with respect to the X direction.
Here, in the upper half of the rod in the drawing, of the 3tabteils lying between the electrodes, the electrodes E1, EZ produce about a dilation and at the same time a compression in the X-direction in the lower half, which in turn results in bending oscillations arise in the Y direction.
5. In the arrangement in FIG. 4, for the same reason as in 2, two electrodes E 1, E2, or E3, E4 can be used to excite four transverse oscillations instead of time, albeit somewhat more heavily.
ss. If the rod in the electrode arrangement Fig. 4 is rotated by <B> 90 '</B> around the X axis, while the electrodes remain in their plane, so that the Z axis comes to lie in the plane of the drawing , while the Y-axis is perpendicular to it, with the same switching of the excitation electrodes, transverse vibrations occur in the direction of the optical axis.
<I> 7. </I> Torsional oscillations can be generated, for example, according to the arrangement shown in FIGS. 5a and 5t 'for a rod of the orientation indicated in the drawing. The four (electrodes, which are arranged one above the other with respect to the Z-direction, are in turn connected in pairs with the same sign. The irregularity of the field is such that twisting occurs around the longitudinal axis of the crystal.
The arrangements described are only examples. They can be modified in many ways.
Instead of quartz, other piezoelectric crystals can also be used. The arrangement, number and circuit of the electrodes must then be selected according to the special piezoelectric properties of the respective type of crystal. Instead of rods, other geometric shapes, for example plates or rings, etc., can also be used.
B. In Fig. 6a, for example, an arrangement for exciting a quartz ring to transverse vibrations is drawn. The optical axis is perpendicular to the ring plane, ie on the plane of the drawing. The electric axes are shown with their sign. With such a ring, the piezoelectric vector changes along the circumference according to size and direction, on both sides of a neutral axis it has opposite signs.
It is therefore possible here by means of two electrodes E 1, E 2 arranged on a neutral axis, as shown in FIG. 6a, to generate the non-uniform deformations necessary for transverse oscillations in the plane of the ring.
The ring can also be excited in an electrical axis. It is then expedient to use four electrodes, as shown in FIG.
By arranging electrodes similar to that of rods, rings can also be excited to torsional vibrations or transverse vibrations perpendicular to the plane of the ring.
9. A completely different shape of the crystal piece and the electrode arrangement for transverse oscillations that is appropriate here is shown in FIG. 7.
10. Two or four electrodes are used in the arrangements drawn above; To stimulate the vibrations more vigorously, it can often be advantageous to use a larger number of electrodes whose fields act at different points on the rods and, if the polarity is correct, mutually support each other in their effect.
11. The occurrence of resonance between the frequency: the transversal vibrations or torsional vibrations of the rod and the frequency of the applied alternating field; as well as the ordinal number, the respective harmonic oscillation can be recognized by the emergence of the luminous phenomenon on the crystal rod oscillating in the vacuum, as well as on the luminous figure (D. R. P. 467629). The vacuum also helps to reduce the damping of the rod. at.
The following can be said about the technical benefit of the present invention: 1. Crystals that run transversal or toroidal vibrations can be used for all purposes where previously longitu: dinal vibrations are used.
2. Transversal vibrations and torsional vibrations, the piezoelectric excitation of which is possible by the present invention, offer the advantage over longitudinal vibrations that a much larger frequency range is spanned by elastic natural vibrations. It is known that due to the natural limitation of the crystal sizes quartz rods longer than 10 to 15 cm are practically impossible to produce. The lowest longitudinal natural frequencies of such rods are between 20,000 and 30,000 Hertz.
In contrast, the lowest transverse eigenfrequencies are rods of the same length between <B> 1000 </B> and 3000 Hertz, i.e. in the audible frequency range.
3. In the case of torsional vibrations and transverse vibrations, you can influence the resonance frequency by attaching weights to the crystal pieces (for example crystal rods) and, in particular, reduce it to very low numbers of vibrations, which is not possible with longitudinal vibrations.
4. Quartz rods with a low natural frequency can be used for the same purposes as tuning forks; Piezoelectrically excited, they represent very precise tone standards.
5. The advantage of the high-frequency range of wireless telegraphy is that the transversal natural frequencies, due to their much higher ordinal numbers, are much closer in this area than the longitudinal natural frequencies available for longitudinal oscillations.