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Piezoelektrische Kristallanordnung Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Kristallanordnung mit einer Mehrzahl von Einzelkristallen, die säulenartig mit Flächen gleicher Polarität aufeinander aufliegen.
Die Erfindung bezweckt insbesondere, eine kompakte Kristallanordnung mit vereinfachter Abnahme der elektrischen Ladungen zu schaffen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkristalle ringscheibenförmig ausgebildet sind und dass mindestens an einer der beiden Mantelflächen der Kristallsäule eine elektrisch leitende Metallhülse anliegt, wobei Kristallauflageflächen einer Polarität über leitend gemachte Oberflächenteile der Kristalle mit dieser als Abnahmeelektrode dienenden Hülse elektrisch in Kontakt stehen, während Auflageflächen entgegengesetzter Polarität durch nicht leidende Oberflächenteile der Kristalle von den Auflageflächen der erstgenannten Polarität und von dieser Hülse isoliert sind.
Die erfindungsgemässe Kristallanordnung ergibt eine kompakte und insbesondere leicht als Ganzes in ein Gehäuse einzubauende oder auszuwechselnde Einheit mit einfachster Ausbildung der Abnahmeelektroden. Die Erfindung und weitere Merkmale sind nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemässe Kristallanordnung, Fig.2 einen Teilschnitt der Anordnung nach Fig. 1 in vergrössertem Massstabe, Fig. 3 den Einbau einer erfindungsgemässen Kristallanordnung in einen zur Beschleunigungsmessung dienenden Fühler und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Kristallanordnung.
In der in Fig. 1 gezeichneten Anordnung sind ringscheibenförmige Einzelkristalle 11 aus Quarz säu- lenartig auf einer inneren Hülse 12 aufgereiht. Die Hülse 12 besteht aus elektrisch leitendem Material, und ihre Stärke beträgt wenige Hundertstel Millimeter. Der Aussendurchmesser der inneren Hülse 12 ist so gewählt, dass die Hülse sich unter leichtem Federdruck gegen die Kristalle anlegt. Die so gebildete Kristallsäule wird umschlossen von einer äusseren Hülse 13 mit ebenfalls sehr geringer Wandstärke. Die Hülse 13 kann als Rohrfeder zur Vorspannung der Kristallanordnung in axialer Richtung dienen.
Fig. 2 zeigt im Detail zwei aufeinanderliegende Einzelkristalle lla und 11b zusammen mit Teilen der Hülsen 12, 13. Die Oberfläche des Einzelkristalls 11a setzt sich aus Rotationsflächen der Schnittlinien A-B-C D-E-F mit einer senkrechten Mittelebene zusammen. Das Teilstück A-B ist gekrümmt und berührt etwa im Punkte A die Mantelfläche der inneren Hülse 12 tangential. Das Teilstück B-C entspricht der ebenen Auflagefläche für den Kristall 11b.
Das Teilstück entsprechend C -D bildet den Teil einer Kegelfläche, und das Teilstück gemäss D-E ist entsprechend dem Teilstück A-B gekrümmt und legt sich etwa tangential an die Innenfläche der äusseren Hülse 13 an. Das Teilstück E-F entspricht der Auflagefläche für einen darunterliegenden Einzelkristall, und das Teilstück gemäss F-A bildet schliesslich eine dem Teilstück C-D entsprechende Kegelfläche.
Die durch die Schnittlinie A-B-C und D E F erzeugten Rotationsflächen bilden leitend gemachte Oberflächenteile des Einzelkristalles 11a. Zu diesem Zweck weisen - diese Oberflächenteile des Kristalls vorzugsweise eine aufgedampfte Metallschicht 14 bzw. 15 auf. Die den Schnittlinien C-D und F -A entsprechenden Oberflächenteile sind nicht elektrisch
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leitend. Sie werden erhalten durch entsprechendes Abschleifen eines vorerst allseitig eine aufgedampfte Metallschicht aufweisenden Einzelkristalls mit im Schnitt allseitig gekrümmten Ecken des Ringquerschnittes. Es wäre aber auch denkbar, die betreffenden Oberflächenteile durch Auflegen einer dünnen Metallfolie leitend zu machen.
Der Kristall 11b besitzt eine zur gemeinsamen Auflageebene beider Kristalle 11a, 11b symme- trische Querschnittform, wobei die den dick ausgezogenen Schnittlinien entsprechenden Oberflächenteile ebenfalls leitend gemacht sind, derart, dass aufeinanderliegende Oberflächenteile beider Kristalle elektrisch mit der gleichen Hülse 12 bzw. 13 in Verbindung stehen.
Die Kristalle sind nun derart angeordnet, dass wenn in Richtung der Pfeile 16 Druckkräfte auf sie ausgeübt werden - die erzeugten elektrischen Ladungen auf jeweils einander berührenden Kristallflächen die gleiche Polarität aufweisen, wie durch die eingezeichneten Plus- und Minuszeichen veranschaulicht wird.
Mithin sind sämtliche Kristalle der Anordnung nach Fig. 1 parallel zu den beiden Hülsen geschaltet, und die Hülsen bilden die Abnahmeelektroden für die erzeugten elektrischen Ladungen. Diese Ladungen werden über Leiter 17 und 18 nach aussen zu einem nicht gezeichneten Auswertgerät geführt.
Fig. 3 zeigt eine Kristallanordnung entsprechend Fig. 1, eingebaut in ein zur Beschleunigungsmessung dienendes Gerät. Letzteres besitzt die Masse 21, welche mit Hilfe der als Rohrfeder wirkenden äusseren Hülse 22 über die Kristallanordnung 23 gegen die feste Grundplatte 24 unter Vorspannung gepresst wird. Die Hülse 22 ist durch ein Gehäuse 25 geschützt, auf welchem die Kappe 26 lösbar aufgeschraubt ist. Die äussere Hülse ist somit elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbunden. Zum Abführen der Ladungen von der inneren Hülse ist ein isolierter Leiter 27 vorgesehen, der durch eine Bohrung 28 herausgeführt ist. Das Ganze bildet eine hermetisch abgeschlossene Einheit.
Die abnehmbare Kappe 26 erleichtert wesentlich die Eichung des Messgerätes. Zu diesem Zweck wird die Kappe entfernt, und einzelne Eichgewichte werden auf die Masse 21 gelegt. Die Eichgewichte sind zweckmässig ganzzahlige Vielfache der Masse 21; wird beispielsweise eine Masse mit dem 10fachen Gewicht der Masse 21 aufgelegt, wird eine Eichmarke- entsprechend 10facher Erdbeschleunigung erhalten.
Die Erfindung ist nicht auf das gezeichnete Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr könnte zum Beispiel zur Vorspannung der Kristallanordnung auch eine zentrale Feder oder andere Organe dienen. Ferner wäre es auch möglich, gemäss Fig.4 nur eine einzige, zum Beispiel wie gezeigt die äussere Hülse 31, vorzusehen. Die positiven Ladungen der Kristalle 32 werden über bedampfte Oberflächenteile 33 an die Hülse abgeführt. Zum Abführen der negativen Ladungen sind zwischen die entsprechenden Auflageflächen der Kristalle dünne Metallfolien 34 gelegt, die mit dem Abnahmeleiter 35 im freien Raum 36 im inneren der Kristallsäule verbunden sind.
Schliesslich wäre es auch möglich, andere Kristalle als solche aus Quarz zu benützen.
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Piezoelectric crystal arrangement The invention relates to a piezoelectric crystal arrangement with a plurality of individual crystals which rest on one another in columnar fashion with surfaces of the same polarity.
The invention aims in particular to create a compact crystal arrangement with simplified removal of electrical charges, and is characterized in that the individual crystals are designed in the shape of a ring disk and that an electrically conductive metal sleeve rests on at least one of the two outer surfaces of the crystal column, with crystal contact surfaces of one polarity being conductive Made surface parts of the crystals are electrically in contact with this sleeve serving as a pick-up electrode, while bearing surfaces of opposite polarity are isolated from the bearing surfaces of the first-mentioned polarity and from this sleeve by non-suffering surface parts of the crystals.
The crystal arrangement according to the invention results in a compact unit that is particularly easy to install or replace as a whole in a housing, with the simplest design of the pick-up electrodes. The invention and further features are explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing.
1 shows a crystal arrangement according to the invention, FIG. 2 shows a partial section of the arrangement according to FIG. 1 on an enlarged scale, FIG. 3 shows the installation of a crystal arrangement according to the invention in a sensor used for acceleration measurement, and FIG. 4 shows a further embodiment of a crystal arrangement according to the invention.
In the arrangement shown in FIG. 1, ring-disk-shaped individual crystals 11 made of quartz are lined up like a column on an inner sleeve 12. The sleeve 12 is made of electrically conductive material and its thickness is a few hundredths of a millimeter. The outer diameter of the inner sleeve 12 is selected so that the sleeve rests against the crystals under light spring pressure. The crystal column formed in this way is enclosed by an outer sleeve 13 with a likewise very thin wall. The sleeve 13 can serve as a tube spring for prestressing the crystal arrangement in the axial direction.
Fig. 2 shows in detail two superposed single crystals 11a and 11b together with parts of the sleeves 12, 13. The surface of the single crystal 11a is composed of surfaces of revolution of the cutting lines A-B-C D-E-F with a vertical central plane. The section A-B is curved and touches the outer surface of the inner sleeve 12 tangentially at approximately point A. The section B-C corresponds to the flat support surface for the crystal 11b.
The section according to C -D forms part of a conical surface, and the section according to D-E is curved according to the section A-B and lies approximately tangentially against the inner surface of the outer sleeve 13. The section E-F corresponds to the support surface for an underlying single crystal, and the section according to F-A finally forms a conical surface corresponding to the section C-D.
The surfaces of revolution produced by the line of intersection A-B-C and D E F form surface parts of the single crystal 11a which are made conductive. For this purpose, these surface parts of the crystal preferably have a vapor-deposited metal layer 14 or 15. The surface parts corresponding to the intersection lines C-D and F -A are not electrical
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conductive. They are obtained by appropriate grinding of a single crystal, initially having a vapor-deposited metal layer on all sides, with corners of the ring cross-section that are curved on all sides in section. However, it would also be conceivable to make the surface parts in question conductive by placing a thin metal foil.
The crystal 11b has a cross-sectional shape symmetrical to the common support plane of both crystals 11a, 11b, with the surface parts corresponding to the thick lines of intersection also being made conductive, so that superimposed surface parts of both crystals are electrically connected to the same sleeve 12 or 13 .
The crystals are now arranged in such a way that when pressure forces are exerted on them in the direction of the arrows 16 - the electrical charges generated on each of the contacting crystal surfaces have the same polarity, as illustrated by the plus and minus signs.
Consequently, all the crystals of the arrangement according to FIG. 1 are connected in parallel to the two sleeves, and the sleeves form the pick-up electrodes for the electrical charges generated. These charges are conducted to the outside via conductors 17 and 18 to an evaluation device (not shown).
FIG. 3 shows a crystal arrangement corresponding to FIG. 1, installed in a device used for measuring acceleration. The latter has the mass 21, which is pressed with the aid of the outer sleeve 22 acting as a tube spring via the crystal arrangement 23 against the fixed base plate 24 under prestress. The sleeve 22 is protected by a housing 25 on which the cap 26 is detachably screwed. The outer sleeve is thus connected to the housing in an electrically conductive manner. To discharge the charges from the inner sleeve, an insulated conductor 27 is provided which is led out through a bore 28. The whole forms a hermetically sealed unit.
The removable cap 26 considerably facilitates the calibration of the measuring device. For this purpose the cap is removed and individual calibration weights are placed on the mass 21. The calibration weights are usefully whole-number multiples of the mass 21; For example, if a mass with 10 times the weight of mass 21 is placed on it, a calibration mark corresponding to 10 times the acceleration due to gravity is obtained.
The invention is not limited to the illustrated embodiment. Rather, a central spring or other organs could, for example, also serve to pretension the crystal arrangement. Furthermore, it would also be possible according to FIG. 4 to provide only a single one, for example the outer sleeve 31 as shown. The positive charges of the crystals 32 are discharged to the sleeve via vapor-deposited surface parts 33. To dissipate the negative charges, thin metal foils 34 are placed between the corresponding contact surfaces of the crystals and are connected to the pick-up conductor 35 in the free space 36 in the interior of the crystal column.
Finally, it would also be possible to use crystals other than those made of quartz.