Piezoelektriscbe Vorrichtung. Zur Erzeugung kurzer Wellen benutzt man bekanntlich die Dickenschwingungen piezoelektrischer'Quarzplatten, das heisst sol che Eigenschwingungen, deren Frequenz von der Dicke des gristalles abhängt, für längere Wellen dagegen die Querschwingungen der artiger Platten, das heisst solche Eigen schwingungen, deren Frequenz von den Quer dimensionen abhängt.
Es gibt ein Übergangs gebiet, etwa im Bereich von 800 bis 1600 m, in dem die Platten bei Ausnutzung der Dik- kenschwingungen eine grosse und ungünstige Dicke, bei Ausnutzung von Querschwingun gen dagegen kleine Querdimensionen besitzen. Sie eignen sich zu einer exakten Halterung nicht mehr. Es wurde früher allgemein an genommen, dass bei Dickenschwingungen das Verhältnis des Plattendurchmessers zur Plat tendicke gross, mindestens aber grösser als 10 : 1 sein muss.
Bei Verwendung von Dik- kenschwingimgen in dem Übergangsgebiet kommt man unter Verwendung dieser Dimen- sionierungsregel zu sehr grossen Platten, die kostspielig werden und die auch wegen ihrer grossen Masse bei der Halterung Schwierig keiten machen. Bei scharfkantigen Platten, oder selbst bei Platten, die, wie beispielsweise vorgeschlagen, abgerundete Ecken besitzen, treten erhebliche Störungen bei der Dicken schwingung auf.
Die eigentliche Dicken- schwingung besteht nicht aus: einer einzigen Resonanzstelle, sondern besitzt meist mehrere unmittelbar benachbarte Resonanzstellen. Die Erklärung dafür ergibt sich anschaulich un mittelbar daraus, dass, solange die Platte un endlich gross ist, der Schwingungszustand da durch zustande kommt, dass eine ebene Welle in der Platte hin- und herläuft, die jeweils an den Begrenzungsflächen reflektiert wird.
Bei Platten, deren Verhältnis Durchmesser zu Dicke nicht mehr sehr gross ist, kann von ebenen Wellen, die sich innerhalb der Platte fortpflanzen, auch nicht annähernd mehr die Rede sein. Es tritt ein kompli- zierten Ausbreitungsmechanismus in der Platte auf, der durch die scharfkantige Be grenzung ein Frequenzspektrum hervorruft.
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Vorrichtung mit in Dik- kenschwingungen erregtem Schwingkristall, bei dem das Verhältnis des Durchmessers zur grössten Dicke kleiner als 10 : 1 ist. Erfin dungsgemäss besitzt der Schwingkristall wenigstens angenähert die Form eines ab geplatteten Rotationsellipsoids.
Im folgenden sind an Hand der beilie genden Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Ein Kristall von der Form eines abgeplat teten Rotationsellipsoids hat, wie die mathe matische Theorie ergibt, eine eindeutige Eigenschwingung. Versuche haben ergeben, dass es nicht unbedingt notwendig ist, dem Kristall die schwer herstellbare strenge Form eines Rotationsellipsoids zu geben. Der Schwingungsvorgang wird bereits dann ein deutig, wenn die Form auch nur angenähert der eines Rotationsellipsoids gleicht, wie dies Fig. 1 beispielsweise zeigt.
Beim Schwing kristall nach Fig. 1 ist die Begrenzungsfläche aus mehreren Rotationsflächen mit kreis bogenförmigen Erzeugenden, denen verschie dene Halbmesser zukommen, zusammenge setzt, und zwar von zwei Kugelhauben mit den Kugelradien R1, R@ und den Kugelmittel punkten Ml, M_ und von einem Flächenteil eines Toroids mit dem Radius r- der kreis förmigen Erzeugenden.
Der mittlere Teil des Kristalles nach Fig. 1, der -,veniger als die Hälfte des Durchmessers beträgt, kann, wie Fig. 2 zeigt, planparallel geschliffen sein. Auch die Form nach Fig. 2 gibt, wie es der Versuch zeigt, einen einwelligen Schwing kristall. Erfahrungsgemäss kann die Mittel kante des Kristalles, wie es Fig. 3 zeigt, zu einer Schneide zugeschliffen werden. Dies ist besonders wichtig, da sich die Kristalle in der Mittelebene dämpfungsfrei unter Aus nutzung der schneidenartigen Kristallkante haltern lassen.
Auch im Fall der Eigen schwingungen des Rotationsellipsoids stellt die Mittelebene eine Knotenlinie des Schwin gungsvorganges dar.
Die Dickenschwingungen können durch, Scherungsvorgänge bestimmt sein, das heisst die Quarzkristalle sind vom Typ des Y- Schnittes, oder solchen, die um die X-Achse gegen die F- Achse geneigt sind oder die einen kleinen Winkel mit der X-Achse be sitzen. Vorzugsweise werden solche Orien tierungen gegenüber dem normalen Y-Schnitt gewählt, dass der Temperaturkoeffizient der Eigenschwingung kleiner als 5. 10-6 pro Grad Celsius ist. Die Dickenschwingun gen können aber auch durch longitudinale Vorgänge gegeben sein, vor allem Dicken schwingungen des sogenannten X-Schnittes.
Bei der vorgeschlagenen Formgebung ge lingt es, Quarzoszillatoren unter Verwendung der Dickenschwingungen bis zu Zellen von 1600 m herzustellen, mit verhältnismässig kleinem Quarzdurchmesser. Während bisher für das Wellenbereich bei etwa 1000 m Quarzplatten bei einer ungefähren Dicke von 6 mm von<B>50</B> mm Durchmesser und mehr verwendet wurden, gelingt es nunmehr, Quarzkristalle zu verwenden, die einen Durchmesser von beispielsweise 30 mm be sitzen. Man gelangt daher zu einer erheb lichen Ersparung an Quarzrohmaterial, wei terhin zu einer Verringerung des Fassungs volumens und indirekt auch zu einer Ver kleinerung der Thermostate bei hochwertigen Sendern.
Piezoelectric device. It is well known that the thickness vibrations of piezoelectric quartz plates are used to generate short waves, i.e. such natural vibrations, the frequency of which depends on the thickness of the crystal, for longer waves, on the other hand, the transverse vibrations of such plates, i.e. such natural vibrations, whose frequency depends on the transverse dimensions depends.
There is a transition area, for example in the range from 800 to 1600 m, in which the plates have a large and unfavorable thickness when the thickness vibrations are used, but small transverse dimensions when the lateral vibrations are used. They are no longer suitable for an exact mounting. In the past it was generally assumed that in the case of thickness oscillations, the ratio of the plate diameter to the plate thickness must be large, but at least greater than 10: 1.
If thickness oscillations are used in the transition area, using this dimensioning rule results in very large plates, which become expensive and which, because of their large mass, also cause difficulties in mounting. With sharp-edged plates, or even with plates that have rounded corners, as proposed, for example, significant disturbances occur in the thickness vibration.
The actual thickness oscillation does not consist of: a single point of resonance, but mostly has several immediately adjacent points of resonance. The explanation for this arises directly from the fact that as long as the plate is infinitely large, the oscillation state comes about because a plane wave runs back and forth in the plate, which is reflected at the boundary surfaces.
In the case of plates whose diameter to thickness ratio is no longer very large, there is no longer any question of plane waves propagating within the plate. A complicated propagation mechanism occurs in the plate which, due to the sharp-edged delimitation, creates a frequency spectrum.
The present invention relates to a piezoelectric device with vibrating crystal excited in thick vibrations, in which the ratio of the diameter to the greatest thickness is less than 10: 1. In accordance with the invention, the oscillating crystal has at least approximately the shape of a flattened ellipsoid of revolution.
In the following, embodiments of the invention are explained with reference to the accompanying drawings.
A crystal in the shape of a flattened ellipsoid of revolution has, as the mathematical theory shows, a unique natural oscillation. Tests have shown that it is not absolutely necessary to give the crystal the difficult-to-produce strict shape of an ellipsoid of revolution. The oscillation process is already clear when the shape is only approximately the same as that of an ellipsoid of revolution, as FIG. 1 shows, for example.
When oscillating crystal according to Fig. 1, the boundary surface of several surfaces of rotation with circular arc-shaped generators, which come with different radii, put together, namely by two spherical domes with the spherical radii R1, R @ and the ball centers Ml, M_ and a surface part of a toroid with the radius r- the circular generatrices.
The middle part of the crystal according to FIG. 1, which is less than half the diameter, can, as FIG. 2 shows, be ground plane-parallel. Also the shape of Fig. 2, as the experiment shows, a single-wave oscillating crystal. Experience has shown that the central edge of the crystal, as shown in FIG. 3, can be ground to form a cutting edge. This is particularly important because the crystals in the central plane can be held without damping using the cutting edge-like crystal edge.
Even in the case of the natural vibrations of the ellipsoid of revolution, the center plane represents a nodal line of the vibration process.
The thickness oscillations can be determined by shearing processes, i.e. the quartz crystals are of the Y-cut type, or those that are inclined about the X-axis against the F-axis or that sit at a small angle with the X-axis. Preferably such orientations are chosen compared to the normal Y-section that the temperature coefficient of the natural oscillation is less than 5.10-6 per degree Celsius. The Dickenschwingun conditions can also be given by longitudinal processes, especially thick vibrations of the so-called X-cut.
With the proposed shape it succeeds in producing quartz oscillators using the thickness oscillations up to cells of 1600 m, with a relatively small quartz diameter. While quartz plates with an approximate thickness of 6 mm of <B> 50 </B> mm diameter and more have been used for the wave range at around 1000 m, it is now possible to use quartz crystals with a diameter of, for example, 30 mm . This leads to a considerable saving in quartz raw material, furthermore to a reduction in the volume and, indirectly, to a reduction in the thermostats for high-quality transmitters.