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Elektromechanischer Resonator sowie Schaltungsanordnung und Verfahren
zu seiner Erregung Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Resonator, eine
Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zu seiner Erregung.
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Es sind.Oszillatoren zur Abgabe einer genauen Frequenz in Form eines
elektronischen Oszillators bekannt, dessen Frequenz durch einen Piezoresonator,
weniger auch durch einen Magnetostriktions- oder Elektrostriktionsresotator, stabilisiert
wird.
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Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Resonanzfrequenz eines
Resonators durch die mechanische Frequenz des-Resonators gegeben und vor allem durch
die Ausschliffabmessungen beeinflußt wird.
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Das Senden unter mechanischen und elektrischen Eigenschaften-des
Resonators wird durch die e;lektromechani-sZche, meistens von den Piezoeigenschaften
des Ausschliffes abhängige Kopplung vermittelt. Es ist ein Nachteil, daß man nicht
ohne Verwendung komplizierter Einrichtungen an den Ausschliffen aus Kristallen oder
Dielektrika, bei denen keine Piezo-, Magnetostriktions- oder Elektrostrlktionseigenschaften
existieren, Schwingungen erregen kann. Man kann z. B. keine Biegungsschwingungen
erregen an dem Quarzstäbchen mit der Länge in der Richtung der Achse Y und mit der
Dicke in der Richtung der Achse X, weil in der Richtung der Achse Z kein Piezoeffekt
existiert. Zugleich ist es bekannt, daß für die Konstruktion von Kristalloszillatoren
für sehr niedrige Frequenzen eben der betreffende Typ am vorteilhaftesten ist. Solche
Oszillatoren für sehr niedrige Frequenzen werden bisher so gebaut, daß zwei in der
Richtung der Achse X umgekehrt polarisierte Oszillatoren verkittet werden. Diese
Art der Fertigung ist mühsam und ermöglicht nicht, einen genügend hohen Gütefaktor
Q und Frequenzstabilität zu erreichen. In anderen Fällen existiert bei jeweiligen
Piezo-, Magnetostriktions- und Elektrostriktionsresonatoren als Einschränkung die
Bedingung, daß der Resonator genügend große Piezo-, Magnetostriktions- und Elektrostriktionseigenschaften
und zugleich eine kleine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile
zu beseitigen.
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Ein elektromechanischer Resonator ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß er aus einem geformten-Funktionsteil besteht, das aus nicht- oder halbleitendem
isotropen
bzw. aus nicht- oder halbleitendem anisotropen Material
gefertigt ist, das -seinerseits in irgendeiner oder in allen Richtungen keine Piezo-,
Magnetostriktions- oder Elektrostriktionseigenschaften aufweist, daß das Funktionsteil
vorzugsweise in Form eines Plättchens oder eines Stäbchens, wenigstens teilweise
an der Oberfläche eine leitende Schicht, insbesondere einen leitenden Überzug hat,
gegenüber der wenigstens eine Elektrode so positioniert ist, daß zwischen der leitenden
Schicht und der Elektrode ein Vakuumspalt oder ein Spalt mit einfachem oder zusammengesetztem
Dielektrikum gebildet ist, zu , der im Wechselspannungstakt mit irgendeiner der
Eigenresonanzfrequenzen des Resonators variiert.
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Schaltungsanordnungen zur Erregung des elektromechanischen Resonators
sind erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß entweder alle Teile der leitenden
Schicht und alle Elektroden verbunden und zwischen die verbundenen leitenden Schichten
und die verbundenen Elektroden eine Wechselspannungsquelle geschaltet wird, oder
daß die leitende Schicht und mindestens eine der Elektroden an eine Wechsel spannungsquelle
mit gewünschter Frequenz und zugleich die leitende Schicht und mindestens eine der
übrigen Elektroden an einen Resonanzindikator angeschlossen werden, oder daß die
leitende Schicht und mindestens eine der Elektroden an den Eingang eines Verstärkers
und zugleich die leitende Schicht und eine der übrigen Elektroden an den Ausgang
des Verstärkers angeschlossen werden.
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Ein Verfahren zur Erregung von Schwingungen des erfindungsgemäßen
Resonators ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der
Oberfläche des Resonators,
der gefertigt ist aus einem nicht- oder
halbleitenden isotropen bzw. aus einem nicht- oder halbleitenden anisotropen Material,
das in irgendeiner oder in allen Richtungen keine Piezo-, Magnetostriktions- oder
Elektrostriktionseigenschaften ausweist, mit einer leitenden Schicht, z. B. mit
einem leitenden Überzug, versehen wird, und daß zwischen einerseits eine gegenüber
der leitenden Schicht so positionierte Elektrode, daß ein Vakuumspalt oder ein Spalt
mit einfachem oder zusammengesetztem Dielektrikum entsteht, und andererseits die
leitende Schicht eine Wechselspannung mit einer der Eigenresonanzfrequenzen des
Resonators entsprechenden Frequenz angelegt wird, so daß die Größe des jeweiligen
Spalts mit der Frequenz der Wechsel spannung variiert.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen elektromechanischen Resonators
gegenüber den bisherigen Resonatoren, die Piezo-, Magnetostriktions und Elektrostriktionseigenschaften
fester Materialien ausnutzen, besteht darin, daß man für die Fertigung des Resonators
eine größere Auswahl Materialien hat und dabei die Schwingungen des Resonators einfach
erregen kann. Man kann also auch Dielektrika und Halbleitender nehmen, die keine
Piezo-, Magnetostriktions- und Elektrostriktionseigenschaften aufweisen oder bei
denen diese Eigenschaften sehr schwach sind. Beim Resonatorentwurf kommen nur solche
Materialien in Betracht, die für den gegebenen Fall zweckmäßig geformt werden können
und die ohne Rucksicht auf weitere Eigenschaften den Bau des Resonators mit einem
minimalen Temperaturkoeffizient für die Frequenz ermöglichen. Die-Erfindung gestattet,
den Resonator auch auf einem Teil eines dielektrischen oder halbleitenden Plättchens
herzustellen, das schon zu irgendeinem anderen Zweck
Funktionsteil
der elektronischen Schaltungsanordnung ist, in die der Resonator geschaltet werden
soll.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die einige
Ausführungsbeispiele der Anordnung des elektromechanischen Resonators darstellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Zweipol-Schaltungsanordnung zur Erregung des elektromechanischen
Resonators; Fig. 2 eine Vierpol-Schaltungsanordnung zur Erregung des elektromechanischen
Resonators, Fig. 3 eine aktive Schaltungsanordnung zur Erregung des elektromechanischen
Resonators; Fig. 4 den Grundriß des elektromechanischen Resonators in der Form eines
Plättchens zur Erregung der Grunds chwingungen; Fig. 5 den Aufriß des elektromechanischen
Resonators in der Form eines Plättchens zur Erregung der Grundschwingungen; Fig.
6 den elektromechanischen Resonator in der Form eines Plättchens zur Erzeugung von
Längsschwingungen; Fig. 7 den elektromechanischen Resonator in der Form eines Plättchens
zur Erregung von Drehschwingungen;
Fig. 8 den elektromechanischen
Resonator in der Form eines Stäbchens zur Erregung von Längsschwin gungen; Fig.
9 den Aufriß des elektromechanischen Resonators in der Form eines Stäbchens zur
Erregung von Drehschwingungen; Fig. 10 den Grundriß des elektromechanischen Resonators
in der Form eines Stäbchens zur Erregung von Drehschwingungen; Fig. ii den Aufriß
des elektromechanischen Resonators in der Form eines Stäbchens zur Erregung yon
Biegeschwingungen; Fig. 12 den Grundriß des elektromechanischen Resonators in der
Form eines Stäbchens zur Erregung von Biegeschwingungen.
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Ein Funktionsteil 1 des Resonators ist z. B. als ein Plättchen oder
ein Stäbchen von beliebiger Form oder beliebigem Querschnitt aus nicht- oder halbleitendem
isotropen oder anisotropen Material ausgeschnitten, ausgeschliffen, gepreßt, gegossen
oder anderweitig geformt, vorzugsweise aus einem Material, welches bei gegebener
Form des Funktionsteiles 1 einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Eigenresonanzfrequenz
als 1 : 10-5 aufweist. Die Oberfläche des Funktionsteiles 1 wird mit einer leitenden
Schicht 2 versehen; z. B. so, daß auf die Oberfläche des Funktionsteils
1
durch Metallverdampfung im Vakuum oder durch Kathodenzerstäubung usw. eine Metallschicht
von Ag, Al, Au, Ni und anderen Metallen aufgetragen wird. Weiter kann die leitende
Schicht 2 aus einem nichtmetallischen Material, z. B. aus Kolloidkohlenstoff, durch
Siebdruckverfahren oder mit einem Pinsel usw. aufgetragen werden.
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Die leitende Schicht 2 kann funktionell durch ein Metalltarget oder
-glied 5 ersetzt werden, das z. B. am Umfang des Funktionsteils 1 des elektromechanischen
Resonators befestigt ist. Das Funktionsteil 1 ist in Befestigungspunkten 3 so befestigt,
daß der Resonator zu Schwingungen der gewünschten Art erregt werden kann. Die Anzahl
der Befestigungspflnkte 3 hängt von der Schwingungsart ab und beträgt gewöhnlich
zwei bis vier. Zur Erregung der Schwingungen sind in der Nähe der leitenden Schicht
2 oder des Metalltargets 5 eine oder mehrere Elektroden 4 vorgesehen.
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Die Elektroden 4 werden fest mit dem Tragsystem - einem Halter - des
Resonators so verbunden, damit zwischen der leitenden Schicht 2 oder dem Metalltarget
5 und den Elektroden 4 ein Luft- oder Vakuumspalt entsteht, in den eventuell zur
Verkleinerung der Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Durchschlages noch ein festes
Dielektrikum 6, z. B.
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Glimmer, eingesetzt wird. Die leitende Schicht 2 bzw. die Metalltargets
5 an dem Funktionsteil 1 des Resonators sind z. B. mit Hilfe der Befestigungspunkte
3 an eine oder mehrere Klemmen 7 angeschlossen. Die Elektroden 4 sind an weitere
Klemmen 8, 9 angeschlossen.
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Wenn zwischen die Klemmen 8 und 7, d. h. zwischen die Elektrode 4
und die leitende Schicht 2 eine Wechselspannung gelegt wird, beginnt durch die Einwirkung
des entstehenden
elektrischen Wechselfeldes im Spalt zwischen der
festen Elektrode 4 und der leitenden Schicht 2 oder dem Metalltarget 5 des Resonators
bei der Erregungsresonanzfrequenz, die in der Nähe der Eigenresonanzfrequenz des
Resonators liegt, die Weite des Spalts intensiv periodisch zu variieren, d. h. der
Resonator wird periodisch zu den Elektroden angezogen, bis er in Schwingungen mit
einer seiner Eigenresonanzfrequenzen versetzt wird. Die Schwingungsamplitude wird
am größten, wenn die FreqUenz der Wechselspannung gleich einer der Eigenresonanzfrequenzen
des Resonators ist. Die Schwingungsart hängt bei gegebener Form des Resonators,
z. B. beim Stäbchen rechteckigen Querschnittes, auch von der Größe und von der Form
der leitenden Schicht 2 sowie von der Anbringung der einen oder mehreren Elektroden
4 a, wie an Ausführungsbeispielen gezeigt werden wird. Welche der Eigenresonanzfrequenzen
gegebenen Typs eines Resonators erregt werden soll, hängt von der Verwendung der
Elektroden 4 und von der zur Erregung der Schwingungen benutzten Schaltungsanordnung
ab. Die benutzte Schaltungsanordnung kann aktiv oder passiv seint Ausführungsbeispiele
der Schaltungsanordnung sind schematisch in Fig. 1, 2 und 3 dargestellt.
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Bei einer passiven Schaltungsanordnung zur Erregung des elektromechanischen
Resonators gemäß der Erfindung z. B. mit zwei Elektroden 4, von denen eine an die
-Klemme 8 und die zweite an die Klemme 9 angeschlossen ist, werden im Falle der
zweipoligen Schaltungsanordnung des elektromechanischen Resonators nach Fig. 1 die
Klemmen 8 und 9 verbunden und zwischen die verbundenen Klemmen 8, 9 und die Klemme
7 - eventuell die verbundenen Klemmen 7 - wird Wechselspannung von einer Quelle
10 gelegt.
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Im Falle der vierpoligen Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird an
die Klemmen 8 und 7, die Eingangsklemmen eines Vierpoles sind, die Vechselspannungsquelle
11 geschaltet, und an die Klemmen 9 und 7, die als Ausgangsklemmen des Vierpoles
dienen, eine Last 12 z. B. ein Resonanzindikator, geschaltet.
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Im Falle der aktiven Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird an die
Klemmen 8 und 7 der Eingang eines Verstärkers 13 und an die Klemmen 9 und 7 der
Ausgang des Verstärkers 13 geschaltet. In dieser aktiven Schaltungsanordnung stellt
der Resonator ein Rückkopplungsglied zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers
13 dar.
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Wenn in der passiven Schaltungsanordnung die Erregungswechselspannung
genügend hoch oder in der aktiven Schaltungsanordnung die Verstärkung des Verstärkers
genügend groß ist, entsteht zwischen der Elektrode 4 und der leitend den Schicht
2 oder dem Metalltarget 5 des Funktionsteils 1 des Resonators eine Kraft FE, die
gegeben ist durch folgende Beziehung: # # P FE = # U² (1), 2 d² mit P = Fläche der
Elektroden 4, d = Spaltweite zwischen der Elektrode 4 und der leitenden Schicht
2 des Funktionsteiles 1 des Resonators,
= Dielektrizitätskonstante
des im Spalt zwischen der Elektrode 4 und der leitenden Schicht 2 oder dem Metalltarget
5 des Funktionsteiles 1 angeordneten Mediums, das gewöhnlich Luft oder eine Kombination
von Luft und Glimmer ist, U = Spannung zwischen der Elektrode 4 und der leitenden
Schicht 2 oder dem Metalltarget 5.
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Für die Spannung des schwingenden Stäbchens gilt die Beziehung U
= Up + Uo sin #t (2) mit U sin > t als Wechselspannungskomponente mit der 0 Schwingungsfrequenz
f = O/2 g gleich der Eigenfrequenz einer der möglichen Schwingungen des Resonators.
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Aus beiden Beziehungen (1) und (2) - wenn in (1) aus (2) U ersetzt
wird - folgt, daß die Kraft FE eine mit der Frequenz f = 4J/2 t periodisch wechselnde
Komponente hat, die eine Erregung des Resonators in dem betreffenden Typ der Schwingungen
verursacht.
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In Fig. 4 ist ein Grundriß und in Fig. 5 ein Aufriß eines elektromechanischen
Resonators nach der Erfindung abgebildet, in dem man entweder die Grundschwingungen
oder irgendeine der Oberdickenschwingungen des Resonators erregen kann. Das Funktionsteil
1 hat die Form eines runden Plättchens, das auf dem Rande mit Facetten und an seiner
ganzen Oberfläche mit einer Silber- oder anderen leitenden
Schicht
2 versehen ist. Das Plättchen ist in dem Halter durch drei Befestigungspunkte 3
an seinem Umfang befestigt.
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Gegenüber der Vorderfläche ist die eine Elektrode 4 und gegenüber
der Hinterfläche die andere Elektrode 4 angebracht. Beide Elektroden müssen nicht
gleichgroß sein.
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Ihre Größe wird nach Bedarf der Erregung gewählt. Zwischen den Elektroden
4 und den mit Metall überzogenen Teilen des Resonators ist ein festes Dielektrikum
6, z. B. Glimmer, angeordnet, um die Wahrscheinlichkeit eines elektrischen Durchschlages
zu verkleinern. Die Längsschwingungen des Plättchens, bei denen die elastische Verschiebung
in der Richtung des Radius geschieht, kann man vorteilhaft in einer Anordnung nach
Fig. 6 erregen.
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Das Funktionsteil 1 in der Form eines Rundplättchens aus einem nicht-
oder halbleitenden isotropen Material wird in an sich bekannter Weise mit einer
leitenden Schicht 2 auf seinem Umfang versehen. Gegenüber der leitenden Schicht
2 werden um den Umfang des Plättchens herum einige (z. B. sechs) Elektroden 4 angeordnet.
Das Plättchen ist in der Mitte durch zwei Befestigungspunkte 3 gehalten.
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In einer passiven sowie aktiven Schaltungsanordnung ist die leitende
Schicht 2 mit der Klemme 7 verbunden, einige der Elektroden 4 mit der Klemme 8 und
die verbleibenden Elektroden 4 mit der Klemme 9. Dann kann man den elektromechanischen
Resonator in die elektrische Schaltungsanordnung, z. B. eine der von Fig. 1 bis
3, einschalten. Wenn das Funktionsteil 1 in Form eines Rundplättchens aus einem
anisotropen Material besteht, kann man dieselbe Schaltung anordnung zur Erregung
der Längsschwingungen benützen, jedoch
muß das Plättchen mit einem
Umfang versehen werden, dessen Radiusvektor der Wurzel aus dem Elastizitäts-Modul
proportional ist, die auch der Eigenfrequenz der Grundlängsschwingungen eines solchen
Gebildes proportional ist.
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Die Elektroden 4 nach Fig. 6 können eventuell durch eine einzige Elektrode
4, z. B. einen zum Resonatorumfang konzentrischen Metallstreifen, ersetzt werden.
Der Umfang des Funktionsteiles 1 wird mit der leitenden Schicht 2 versehen.
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Fig. 7 zeigt eine von möglichen Anordnungen gemäß der Erfindung zur
Erregung der Drehschwingungen des Resonators.
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Das Funktionsteil 1 hat die Form eines Rundplättchens, das an seinem
Umfang sechs Metalltargets 5 -befestigt trägt, die untereinander mit Hilfe der leitenden
Schicht 2 verbunden und durch einen Befestigungspunkt 3 an die Klemme 7 geschaltet
sind. Gegenüber den betreffenden, mit dem Plättchen fest verbundenen Metalltargets
5 sind sechs Elektroden 4 angebracht. Weil zur Erregung der Drehschwingungen bei
dem Resonator in der Form des Rundplättchens ein Drehmoment nötig ist, werden einige
der Elektroden 4 untereinander leitend verbunden und an die Klemme 8 geschaltet,
während die übrigen Elektroden 4 ebenso untereinander verbunden und an die Klemme
9 angeschlossen werden. Die Schaltung des Resonators in der elektrischen Schaltungsanordnung
zur Erregung kann nach einem der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Aus'führungsbeispiele
durchgeführt werden. Was die Anzahl der Elektroden 4 betrifft, so genügen zur Erregung
des Drehmomentes im äußersten Falle nur zwei Paare der Elektroden 4, die am Umfang
des Rundplättchens in gegenüberliegender Lage angebracht sind. Ähnlich wäre es möglich,
die Anordnung der
Elektroden 4 zur Erregung der Biegungsschwingungen
des Resonators vorzunehmen, wenn es sich um die Verwendung des Resonators nach der
Erfindung im Gebiet niedriger Frequenzen handelt.-Weil zu demselben Zweck die Biegeschwingungen
eines Stäbchens benutzt werden können, werden für die Erläuterung die Stäbchen als
Beispiel verwendet.
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In Fig. 8 ist eine von möglichen Anordnungen für den Fall dargestellt,
daß als Resonator ein Stäbchen mit rundem oder rechteckigem Querschnitt verwendet
wird und daß das Stäbchen zu Längsschwingungen erregt wird. Wenn es sich um die
Erregung der Grundlängsschwingungen handelt, wird das Funktionsteil 1 in der Form
eines Stäbchens zwischen die Befestigungspunkte 3 in der Mitte seiner Länge an den
Nullpunktlinienstellen befestigt. Das Stäbchen wird an jedem Ende mit leitenden
Schichten 2 versehen, die entweder getrennt-oder untereinander leitend verbunden
sind. Gegenüber den leitenden Schichten 2 an den Enden des Stäbchens werden die
Elektroden 4 angeordnet. Der Resonator dieses Ausführungsbeispiels kann passiv oder
aktiv in den Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 bis 3 erregt Werden.
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Fig. 9 zeigt den Aufrijß und Fig. 10 den Grundriß einer möglichen
Anordnung des elektromechanischen Resonators für den Fall, daß als Resonator ein
Stäbchen runden oder rechteckigen Querschnittes verwendet-wird und das Stäbchen
zu Drehschwingungen erregt wird. Das Stäbehen wird zur Er regung zu Drehschwingungen
in der Mitte seiner Länge zwischen zwei Befestigungspunkten 3 befestigt. Jedes seiner
freien Enden wird mit einem ebenen Metalltarget 5 versehen, das mit dem Ende des
Stäbchens festgebunden wird. Gegenüber Jedem Metalltarget sind zwei Elektroden 4
angeordnet, eine
auf und die zweite unter dem Metalltarget 5, wie
aus Fig. 9 und 10 ersichtlich ist. Es werden z. B. die zwei Elektroden 4 gegenüber
einem Ende des Stäbchens untereinander leitend verbunden und an die Klemme 8 geschaltet,
ebenso werden die verbundenen Elektroden 4 gegenüber dem zweiten Ende an die Klemme
9 geschaltet. In der aktiven oder passiven Schaltungsanordnung nach Fig. 1 -bis
3 entstehen durch diese Anordnung ein Drehmoment an den Enden des Stäbchens und
dadurch die Schwingungen des Stäbehens in Form von Drehschwingungen. Was die gegenseitige
Lage der Elektroden an einem Ende und an dem anderen Ende des Stäbchens betrifft,
so sei daran erinnert, daß die Lage nicht wechselnd sein muß, weil die Erregung
des Drehmomentes in solchem Falle durch eine geeignete Schaltungsanordnung erzielenkann.
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Für ein letztes Ausführungsbeispiel einer Anordnung des elektromechanischen
Resonators ist in Fig. 11 der Aufriß und in Fig. 12 der Grundriß dargestellt. Es
handelt sich um ein Funktionsteil in der Form eines Stäbchens mit einem rechteckigen
Querschnitt. Weil die Grundbiegeschwingung zwei Nullpunktlinien hat, ist das Stäbchen
in den Nullpunktlinien mit vier Befestigungspunkten 3 befestigt. Jedes von beiden
Enden des Stäbchens ist mindestens an einer Seite mit der leitenden Schicht 2 versehen
und gegenüber jeder der leitenden Schichten 2 ist eine Elektrode 4 angeordnet.
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Für die passive Schaltungsanordnung nach Fig. 1 genügt es, das periodische
Feld nur an einem Ende des Stäbchens herzustellen, weshalb nur eine einzige leitende
Schicht 2 und nur eine einzige Elektrode 4 dazu nötig sind.
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Der elektromechanische Resonator gemäß der Erfindung ist mit Rücksicht
auf die Möglichkeit der Erregung aller Typen von Schwingungen geeignet, das ganze
Gebiet der Frequenznormale von Mindestfrequenzwerten bis zu Nöchstfrequenzwerten
zu überdecken.