DE1161596B

DE1161596B - Piezoelectric linear transducer

Info

Publication number: DE1161596B
Application number: DEM41109A
Authority: DE
Inventors: Thornton Heath; Donald Tinkler
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1958-06-24
Filing date: 1959-04-08
Publication date: 1964-01-23

Description

Piezoelektrischer Längsschwinger Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Längsschwinger, der vorzugsweise als X-Schnitt eines piezoelektrischen Kristalls gebildet ist. Der Schwinger ist derartig ausgebildet und gehaltert, daß er in einer Längsschwingungsform mit einer Knotenlinie ungefähr in der Mitte seiner Länge Schwingungen ausführen kann.Piezoelectric longitudinal oscillator The invention relates to a piezoelectric longitudinal oscillator, which is preferably an X-section of a piezoelectric Crystal is formed. The transducer is designed and supported in such a way that it in a longitudinal waveform with a nodal line roughly in the middle of it Length oscillations.

Es ist im allgemeinen aus Gründen der Raumersparnis vorteilhaft, das Verhältnis der Länge zur Breite eines stabförmigen piezoelektrischen Längsschwingers möglichst groß zu machen; jedoch hat sich in der Praxis ergeben, daß es dann sehr schwierig wird, störende Änderungen des Widerstandes mit Änderungen des Schwingungspegels zu vermeiden. Beispielsweise hat es sich als schwierig erwiesen, mit einem Längsschwinger des Längen-Breiten-Verhältnisses von 10: 1 dieselben strengen Vorschriften über die Kennwerte zu erfüllen, welche mit dem ursprünglich verwendeten Längsschwinger bei einem Uängen-Breiten-Verhältnis von 5:1 ohne weiteres erfüllt werden konnten.In order to save space, it is generally advantageous to make the ratio of the length to the width of a rod-shaped piezoelectric longitudinal oscillator as large as possible; however, it has been found in practice that it then becomes very difficult to avoid disturbing changes in the resistance with changes in the vibration level. For example, it has proven difficult to use a longitudinal transducer with a length-to-width ratio of 10: 1 to meet the same strict requirements regarding the characteristic values that the originally used longitudinal transducer at a length-to-width ratio of 5: 1 readily fulfills could become.

Man was bisher der Ansicht, daß die erwähnte, aus allgemeiner Erfahrung bekannte Schwierigkeit mit der Verwendung von Längsschwingern mit großem Längen-Breiten-Verhältnis ursächlich verknüpft sei, aber eine sorgfältige Untersuchung hat erwiesen, daß dies nicht so ist, sondern daß diese Schwierigkeit tatsächlich mit den Halterungselementen zusammenhängt, welche bisher in Verbindung mit derartigen Längsschwingern verwendet worden sind. Diese Halterungsanordnungen haben nämlich seitliche Pendelbewegungen des stabförmigen Körpers ungefähr um die Mitte seiner Länge und Breite erlaubt.One was previously of the opinion that the mentioned, from general experience known difficulty with the use of longitudinal oscillators with a large length-to-width ratio causally linked, but careful investigation has shown that this is is not so, but that this difficulty actually with the support elements related, which previously used in connection with such longitudinal oscillators have been. This is because these mounting arrangements have lateral pendulum movements of the rod-shaped body is allowed about the middle of its length and width.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen piezoelektrischen Längsschwinger, besonders einen als X-Schnitt eines piezoelektrischen Kristalls gebildeten Schwinger, eine verbesserte Halterung anzugeben, bei welcher die erwähnte unerwünschte Pendelbewegung unterdrückt wird, so daß ein großes Verhältnis der Länge zur Breite des Schwingers benutzt werden kann, ohne daß die früher bemerkten Nachteile eintreten. Dabei lag ferner das Bestreben vor, eine Anordnung der Halterungselemente eines Längsschwingers zu finden, welche einfach, billig, raumsparend, leicht herstellbar und genügend formstarr ist.The invention is based on the object for a piezoelectric Longitudinal oscillator, especially one as an X-section of a piezoelectric crystal formed oscillator to indicate an improved bracket, in which the mentioned unwanted pendulum motion is suppressed, so that a large ratio of the length can be used for the width of the transducer without the disadvantages noted earlier enter. There was also an effort to arrange the mounting elements to find a longitudinal oscillator, which is simple, cheap, space-saving, easy to manufacture and is sufficiently rigid.

Es sind bereits piezoelektrische Längsschwinger bekannt, deren federnd ausgebildete Halterungselemente an den Enden, mit denen sie die Flächen des Schwingers berühren, schneidenförmig ausgebildet sind. Der Schwinger wird dabei zwischen den Schneiden eingeklemmt, welche infolge kleiner Ungenauigkeiten der mechanischen Ausführung bei der zur Vermeidung zusätzlicher Dämpfung einzuhaltenden Härte des Schneidenmaterials mit den Flächen des Schwingers in Annäherung nur in je zwei Punkten zur Berührung kommen und daher nur in einem begrenzten und nicht mehr erfaßbaren Bereich ihrer Länge einen Druck auf den zu haltenden Schwingkörper ausüben. Bei derartigen bekannten Halterungen besteht daher in besonderem Maße die Gefahr, daß der piezoelektrische Körper die erwähnten störenden seitlichen Pendelbewegungen ausführt.There are already known piezoelectric longitudinal oscillators whose resilient formed holding elements at the ends, with which they the surfaces of the transducer touch, are formed in the shape of a cutting edge. The oscillator is between the Cutting edges jammed, which as a result of minor inaccuracies in the mechanical design with the hardness of the cutting edge material to be maintained to avoid additional damping with the surfaces of the transducer in approximation only in two points to contact come and therefore only in a limited and no longer comprehensible area of their Length exert a pressure on the oscillating body to be held. With such known Holders is therefore particularly the risk that the piezoelectric Body executes the mentioned disturbing lateral pendulum movements.

Bei einem piezoelektrischen Längsschwinger mit einer durch seinen Mittelpunkt quer zur Längsachse verlaufenden Knotenlinie und mit Halterung durch zwei längs des Knotenlinienbereiches an zwei einander gegenüberliegenden Flächen des Schwingkörpers anliegende federnde Halterungselemente sind erfindungsgemäß die in entgegengesetzten Richtungen sich erstreckenden drahtförmigen Halterungselemente über einen wesentlichen Teil der Breite des Schwingkörpers an diesem befestigt. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Halterung wird erreicht, daß die als störend erwähnten seitlichen Pendelbewegungen des Schwingkörpers praktisch unterdrückt werden, weil das mechanische Widerstandsmoment der beiden parallel zur Ebene dieser Pendelbewegung liegenden Halterungsdrähte gegenüber den entsprechenden Auslenkungen groß ist. Außerdem ergibt sich eine durch die Gleichgewichtsbedingung der Halterungskräfte eindeutig definierte Ruhelage, welche wegen der Befestigung der Halterungsdrähte am Schwingkörper nicht durch Verlagerungen der Anlagepunkte wie bei Schneiden bzw. Klemmhalterungen bekannter Art verändert werden kann. Es ist daher mit Hilfe der Erfindung möglich geworden, die Breite piezoelektrischer Längsschwinger unter Erhaltung der Güte ihrer Kennwerte im Vergleich mit in bekannter Weise gehalterten Längsschwingern zu verringern.In the case of a piezoelectric longitudinal oscillator with one through its Center point transverse to the longitudinal axis running node line and with bracket through two along the nodal line area on two opposite surfaces of the vibrating body abutting resilient mounting elements are according to the invention wire-shaped retaining elements extending in opposite directions attached to the oscillating body over a substantial part of the width of the latter. By the inventive design of the holder is achieved that the as annoying mentioned lateral pendulum movements of the oscillating body are practically suppressed, because the mechanical section modulus of the two is parallel to the plane of this pendulum motion lying retaining wires is large compared to the corresponding deflections. aside from that one clearly results from the equilibrium condition of the holding forces defined rest position, which because of the attachment of the retaining wires to the vibrating body not by shifting the contact points as with cutting edges or clamping brackets known type can be changed. It is therefore possible with the aid of the invention become the width of piezoelectric longitudinal oscillators while maintaining the quality of their Reduce characteristic values in comparison with longitudinal oscillators held in a known manner.

Vorzugsweise dienen die Halterungselemente eines nach der Erfindung ausgebildeten Längsschwingers auch als elektrische Verbindungen mit leitenden Elektrodenschichten, welche Teile der Flächen des Schwingkörpers bedecken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Halterung durch zwei derartige Halterungselemente gebildet, welche auf einander gegenüberliegenden Flächen des Schwingkörpers befestigt sind und sich ungefähr vom Schnittpunkt der längsgerichteten Flächenmittellinie mit der Knotenlinie in zueinander entgegengesetzten Richtungen bis zu den seitlichen Rändern des Schwingkörpers und ein Stück darüber hinaus erstrecken.Preferably, the mounting elements are used according to the invention trained longitudinal oscillator also as electrical connections with conductive electrode layers, which parts of the surfaces of the vibrating body cover. In a preferred embodiment the bracket is formed by two such bracket elements, which on are attached to opposite surfaces of the vibrating body and are approximately from the intersection of the longitudinal surface center line with the node line in mutually opposite directions up to the lateral edges of the vibrating body and extend a little further.

Zum Zwecke der Befestigung können die Halterungselemente mit auf den Flächen aufgebrannten Silberflecken verlötet werden, und die Elektrodenschichten können diese Flächen sowie die Lötstellen wenigstens teilweise bedecken. Die drahtförmigen Halterungselemente sind vorzugsweise ziemlich kurz, beispielsweise kann jedes Halterungselement eine Länge besitzen, welche der Breite der Fläche, an welcher es befestigt ist, wenigstens ungefähr gleich ist, während sein äußeres Ende an einem Halterungsstab befestigt ist, der sich in einer geringen Entfernung der Seitenkante des Schwingkörpers parallel erstreckt. Die Erprobung der Erfindung erfolgte mit einem X-Schnitt-Kristall von 0° und +5° mit einem Längen-Seiten-Verhältnis, welches das Verhältnis 5: 1 wesentlich überstieg, nämlich 10:1 betrug. Die Erprobung ergab einen bemerkenswerten Erfolg.For the purpose of fastening, the holding elements can be soldered to silver patches burned onto the surfaces, and the electrode layers can at least partially cover these surfaces and the soldering points. The wire-shaped support elements are preferably quite short, for example each support element can have a length which is at least approximately equal to the width of the surface to which it is attached, while its outer end is attached to a support rod which is a short distance from the Side edge of the vibrating body extends parallel. The invention was tested with an X-cut crystal of 0 ° and + 5 ° with a length-to-side ratio which significantly exceeded the ratio of 5: 1, namely 10: 1. The trial showed a remarkable success.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, welche eine Ausführungsform des Längsschwingers nach der Erfindung zeigt.The invention is described with reference to the drawing, which shows an embodiment of the longitudinal oscillator according to the invention.

In der Zeichnung ist mit 1 ein als X-Schnitt mit beispielsweise 0° oder +5° hergestellter piezoelektrischer Längsschwinger bezeichnet. Er hat die übliche geringe Dicke und eine Länge, welche beispielsweise zehnmal so groß ist wie seine Breite. Die Länge und Breite erscheinen in der Zeichnung. Auf den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Kristallkörpers sind die Elektroden in Gestalt dünner metallischer Schichten aufgelagert, von denen die eine in der Zeichnung durch Schraffur bei 2 angedeutet ist. Der stabförmige Schwingkörper ist dazu befähigt, Längsschwingungen einer solchen Form auszuführen, daß sich innerhalb eines gewissen Bereiches senkrecht zur Schwingungsrichtung eine Knotenlinie ausbildet. Die Richtung dieser Knotenlinie ist in der Zeichnung durch die Gerade N-N angedeutet. Der stabförmige Kristallkörper wird lediglich von einem Paar von dünnen Halte- und Zuführungsdrähten 3, 4 gehalten, welche sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Jeder der Drähte ist an einem in der Flächenmitte aufgebrannten Silberfleck angelötet, und die als Metallbelegungen der Flächen ausgebildeten Elektroden bedecken die Lötstellen zwischen den Drähten und den Silberflecken. Die beiden Drähte 3 und 4 erstrecken sich im wesentlichen innerhalb der Ebenen der Elektroden, mit denen sie durch Lötung verbunden sind, ungefähr vom Schnittpunkt der Längsmittellinie der zugehörigen Fläche mit der Knotenlinie bis zu einem Punkt jenseits des Kristallrandes. Der Knotenbereich bedeckt im allgemeinen eine Fläche wesentlicher Größe in der Mitte des stabförmigen Körpers. Es ist deswegen nicht nötig, daß die Haltedrähte genau bei der wirklichen Knotenlinie angelötet werden. Der Draht 3 erscheint in der Zeichnung vollständig, während der Draht 4 zu einem Teil durch den Kristallkörper verdeckt ist. Die Drähte 3 und 4 sind einander gleich und symmetrisch in bezug aufeinander angebracht. Die äußeren Enden der Drähte 3 und 4 sind mit den Halterungsstäben 5 und 6 in irgendeiner geeigneten Weise verbunden, beispielsweise durch Lötung. Die Halterungsstäbe 5 und 6 können in dem Quetschfuß eines nicht dargestellten evakuierten Glasgefäßes angebracht sein.In the drawing, 1 denotes a piezoelectric longitudinal oscillator produced as an X-section with, for example, 0 ° or + 5 °. It has the usual small thickness and a length which is, for example, ten times as large as its width. The length and width appear in the drawing. On the opposite main surfaces of the crystal body, the electrodes are placed in the form of thin metallic layers, one of which is indicated in the drawing by hatching at 2. The rod-shaped vibrating body is able to carry out longitudinal vibrations of such a shape that a nodal line is formed within a certain area perpendicular to the direction of vibration. The direction of this nodal line is indicated in the drawing by the straight line NN. The rod-shaped crystal body is only held by a pair of thin holding and lead wires 3, 4, which extend in mutually opposite directions. Each of the wires is soldered to a silver patch burned on in the center of the surface, and the electrodes, which are designed as metal coverings on the surfaces, cover the soldering points between the wires and the silver patches. The two wires 3 and 4 extend essentially within the planes of the electrodes to which they are connected by soldering, approximately from the intersection of the longitudinal center line of the associated surface with the nodal line to a point beyond the crystal edge. The nodal area generally covers an area of substantial size in the center of the rod-shaped body. It is therefore not necessary for the retaining wires to be soldered exactly at the real node line. The wire 3 appears completely in the drawing, while the wire 4 is partially covered by the crystal body. The wires 3 and 4 are equal to each other and attached symmetrically with respect to each other. The outer ends of the wires 3 and 4 are connected to the support rods 5 and 6 in any suitable manner, for example by soldering. The holding rods 5 and 6 can be attached in the pinch foot of an evacuated glass vessel, not shown.

Obwohl die dargestellte Halterung des Längsschwingers sehr einfach ist, besitzt sie eine hervorragende Steifheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Erschütterungen sowie einen geringen übergangswiderstand zu den Elektroden. Sie unterdrückt in ausgezeichneter Weise die unerwünschten Schwingungen, auf welche bereits hingewiesen wurde. Die Bewegungsrichtung dieser Schwingungen ist in der Zeichnung durch die an den Enden des Kristallkörpers mit unterbrochenen Linien eingezeichneten Pfeile angedeutet.Although the shown mounting of the longitudinal oscillator is very simple is excellent in rigidity and resistance to Vibrations and a low contact resistance to the electrodes. she suppresses in an excellent way the undesirable vibrations on which has already been pointed out. The direction of movement of these vibrations is in the Drawing by the broken lines drawn in at the ends of the crystal body Arrows indicated.

Claims

Claims: 1. Piezoelectric longitudinal oscillator with a nodal line running through its center point transversely to the longitudinal axis and with holding by two resilient holding elements lying along the nodal line area on two opposing surfaces of the oscillating body, characterized in that the wire-shaped holding elements (3, 3, 4) are attached to the oscillating body (1 ) over a substantial part of the width of the latter.

2. Longitudinal vibrator according to claim 1, characterized in that that the holding elements (3) at the same time as electrical connections with conductive Electrode layers are used which cover parts of the surfaces of the oscillating body.

3. Longitudinal vibrator according to claim 1 or 2, characterized in that the holding elements on the surface or electrode layer approximately from the intersection of the longitudinal Area center line with the nodal line (N-N) to the lateral edge of the oscillating body (1) are attached.

4. Longitudinal vibrator according to claims 1 to 3, characterized in that the holding elements (3, 4) are soldered to silver spots burned onto the surfaces and the electrode layers at least partially cover these surfaces and the soldering points.

5. Longitudinal vibrator according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the outer ends of the support elements (3, 4) on support rods (5, 6) are attached at a short distance from the side edges of the vibrating body extend this parallel. Considered publications: French Patent Nos. 992 545, 1003 371; U.S. Patent No. 2,223 537.