DE2208023B2

DE2208023B2 - PIEZOELECTRIC PRESSURE, FORCE OR ACCELERATION TRANSDUCER

Info

Publication number: DE2208023B2
Application number: DE19722208023
Authority: DE
Inventors: Reto Biel; Baumgartner Hans Dipl.-Ing. Dr.sc.nat; Tichy Jan Dipl.-Phys. Dr.sc.nat.; Winterthur; Sonderegger Hans C Dipl.-Ing. Neftenbach; Calderara (Schweiz)
Original assignee: Kistler Instrumente AG
Current assignee: Kistler Instrumente AG
Priority date: 1971-03-15
Filing date: 1972-02-21
Publication date: 1976-05-26
Also published as: DK136553C; ATA141772A; AT348795B; FR2129571A5; DE2208023A1; DK136553B; CH536489A; GB1387323A

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsaufnehmer mit mindestens einem mit Krafteinleitungsglicdern in Verbindung stehenden und von Vorspannmitteln unter mechanischer Vorspannung gehaltencmQuarzclement.The invention relates to a piezoelectric pressure, force or acceleration sensor at least one associated with force introduction members standing and held under mechanical prestress by prestressing means.

Der Aufbau derartiger Aufnehmer ist allgemein bekannt, beispielsweise aus »Meßtechnik« 1/70, 78. Jahrgang, S. 4 bis 9; »ATM-Blatt« V 131-8, V 131-9 und V 131-10. Von Nachteil ist jedoch bei diesen bekannten Aufnehmern, daß bei Messungen unter erhöhten IJmgebuncstempcralurcn d;ifür gesorgt werden muß, ,l·,)'?. :.lic !'ciiipcratdi il-s odcv tier Or.;;;·.· ■ i'UTiV.-nU; !"IK¹I! WlV xon Γ'Ί') !.' η .':! i'iiHi n.'.';i^;! IU höheren Temperaturen im Bereich des Aufnehmers, wie sie beispielsweise bei der Indizierung der Verbrennungsdrücke in Diese¹- und Otto-Motoren oder bei der Messung des Verbrennungsdruckes in Brennkammern von luftatmenden oder Raketen-Triebwerken auftreten, mußte eine Zwangskühlung vorgesehen werden, die aufwendig und störanfällig ist und die häufig zu einem instationären Temperaturfeld und/ oder zu nicht erfaßbaren und damit nicht kompensierbaren Temperaturspannungen führt, die das Meßergebnis verfälschen. Ein Grund hierfür liegt darin, daß durch die Kühlung örtlich hohe Temperaturgradienten zwischen unmittelbar dem Kühlmedium ausgesetzten Teilen und von dem Kühlmedium etwas isolierten Teilen bestehen.The structure of such sensors is generally known, for example from "Messtechnik" 1/70, 78th year, pp. 4 to 9; "ATM sheet" V 131-8, V 131-9 and V 131-10. A disadvantage of these known sensors, however, is that, when taking measurements under increased exposure temperatures, care must be taken to ensure that '1', ''''. : .lic! 'ciiipcratdi il-s odcv tier Or. ;;; ·. · ■ i'UTiV.-nU; ! "IK ¹ I! WlV xon Γ'Ί ')!.' . η ':! i'iiHi n.'';^i; IU higher temperatures in the range of the transducer, as for example, in the indexing of the combustion pressures in these ¹ - and Otto engines or during the measurement of combustion pressure in the combustion chambers of.! air-breathing or rocket engines occur, forced cooling had to be provided, which is expensive and prone to failure and which often leads to a transient temperature field and / or to non-detectable and therefore non-compensable temperature stresses which falsify the measurement result Due to the cooling, there are locally high temperature gradients between parts directly exposed to the cooling medium and parts that are somewhat isolated from the cooling medium.

Die Erfahrung hat gezeigt, was auch im Schrifttum seinen Niederschlag fand (»Einführung in die piezoelektrische Meßtechnik«, 1954, S. 53 bis 55), daß bei einer Erwärmung des Quarzes sich eine Verkleinerung des Kalibrierfaktors des Aufnehmers, also eine Verkleinerung der bei einer einwirkenden Kraft erzeugten elektrischen Ladung ergibt. Dies wurde zunächst auf eine Abnahme des spezifischen Widerstandes bei steigender Temperatur zurückgeführt. Es wurde aber bereits früher festgestellt, daß die piezoelektrische Zahl selbst bei höheren Temperaturen ab etwa 200° C abnimmt und bei 573° C zu Null wird, wo eine Änderung des Aufbaues des Kristallgitters des Quarzes stattfindet. In der oben zitierten Literaturstelle ist noch die Ansicht geäußert, daß bei Abkühlung die piezoelektrischen Eigenschaften wiederkehren, soweit der Quarz nicht geschmolzen wurde, was aber erst bei annähernd 1500° C der Fall ist.Experience has shown what is also reflected in the literature (»Introduction to the piezoelectric Messtechnik «, 1954, pp. 53 to 55) that when the quartz is heated, a reduction in size the calibration factor of the transducer, i.e. a reduction in the amount generated by an applied force electrical charge results. This was initially due to a decrease in the specific resistance with increasing Temperature returned. But it has already been established earlier that the piezoelectric number decreases even at higher temperatures from around 200 ° C and becomes zero at 573 ° C, where there is a change the structure of the crystal lattice of quartz takes place. In the above cited reference is still expressed the view that the piezoelectric properties return on cooling, so far the quartz was not melted, but this is only the case at approximately 1500 ° C.

Im Gegensatz zu diesen früheren Ansichten hat die Erfahrung gezeigt, daß nach einer langer dauernden Erwärmung des Quarzes sich eine Verkleinerung des Kalibrierfaktors des Aufnehmers einstellt, also die dielektrische Zahl d abnimmt, und diese Verminderung auch noch vorhanden ist, wenn wieder Zimmettemperatur erreicht wurde. Diese Verminderung des Piezoeffektes kann so stark sein, daß der Druckaufnehmer seine ganze Empfindlichkeit verliert oder sogar das Vorzeichen der abgegebenen Ladung umkehrt. Diese Erscheinung beruht auf der Bildung von Dauphine-Zwillingsbezirken; unter dem Einfluß gewisser Spannungszustände und hoher Temperaturen können ganze Quarzkristalle oder gewisse Bezirke eines Kristalls in die verzwillingte Modifikation übergehen. Wird das Quarzelement stärker erwärmt, dann tritt eine zunehmende örtliche Bildung von Dauphine-Zwillingen auf, was mit einer Polarisierungsumkehr der in diesem Bezirk erzeugten Ladungen einhergeht und zu der beobachteten Verminderung des Piezoeffektes führt. Auch unter extrem hohen mechanischen Spannungen tritt eine derartige Bildung von Dauphine-Zwillingen auf.In contrast to these earlier views, experience has shown that after prolonged heating of the quartz, the calibration factor of the transducer decreases, i.e. the dielectric number d decreases, and this decrease is still present when room temperature is reached again. This reduction in the piezo effect can be so strong that the pressure transducer loses all of its sensitivity or even reverses the sign of the charge released. This phenomenon is due to the formation of Dauphine twin districts; Under the influence of certain states of tension and high temperatures, whole quartz crystals or certain areas of a crystal can change into the twinned modification. If the quartz element is heated more strongly, an increasing local formation of Dauphine twins occurs, which is associated with a polarization reversal of the charges generated in this area and leads to the observed reduction in the piezo effect. Such a formation of Dauphine twins occurs even under extremely high mechanical stresses.

Quarz gehört zur trigonaltrapezoedrischen Kristallklasse 32 und tritt in zwei enantiomorphen Formen auf, welche als Rechts- bzw. Linksquarz bezeichnet werden. Bei den nachfolgenden Ausführungen ist stets von Rechtsquarzen ausgegangen: dieselben t'ibcrlcüungcn gelten jedoch für Linksquarze ebenfalls — unter tier Voraussetzung, daß mit einem Linksquarz ein linkshändiiies Koordinatensystem verbunden wird.Quartz belongs to the trigonal trapezoidal crystal class 32 and occurs in two enantiomorphic forms which are referred to as right and left quartz. In the following statements is always proceeded from right quartz crystals: the same t'ibcrlcuungcn however, also apply to left-hand crystals - provided that a left-hand crystal is used a left-handed coordinate system is connected.

^fi5 Bei einem Rechtsquar/. verläuft die Z-Achsc parallel zur kriMalloeinphischen r-Achse und die Λ'-Achse Γ,.-! ai!·.:' '■: :'■··■..■' k τ i -1;.,: t ■ f -1;;, ■! > ι >. ■ lien <i- whse. Auf ι! ι;· Γ¹·' .r.i·. ■ !, I '"nie Li₁" V-Adi^c rni:^;;;h: bei Druck ^fi 5 For a right square /. the Z-axis runs parallel to the kriMalloeinphic r-axis and the Λ'-axis Γ, .-! ai! · .: '' ■:: '■ ·· ■ .. ■' k τ i -1;.,: t ■ f -1 ;;, ■! >ι>. ■ lien <i- whse. On ι! ι; · Γ ¹ · '.ri ·. ! ■ 'I'"Li never _1" V-Adi ^ c ^rni:; ;; h: when printing

in Richtung der Z-Achse eine negative elektrische ladung. Die Y-Achse steht zur X- und zur Z-Achse senkrecht und bildet mit diesen ein rechtshändiges Koordinatensystem. Dabei ist die Z-Achse eine Achse der dreifachen Symmetrie, so daß in einem Quarzkristall immer drei gleichwertige X- und Y-Achsen existieren. Auf ein solches Koordinatensystem beziehen sich die späteren Ausführungen. Die Bezeichnung der kristallographischen Orientierung eines Kristallelementes (eines Stabes oder einer Platte) besteht nach der Empfehlung der IRE (Proc. IRE, Vol. 37, 1378 [1949]) aus der Angabe einer beliebigen Ausgangsposition, in weicher die Kanten des Kristallschnittes parallel mit den X-, Y- und Z-Achsen liegen, und aus der Angabe der eventuellen Drehungen, welche den Kristallschnitt aus der gewählten Ausgangsposition in seine Lage bringen. In einer solchen Bezeichnung bedeutet der erste Buchstabe die Richtung der Dicke t des Kristallelementes (die Richtung der Normale zu seinen größten Flächen) und der zweite die Richtung seiner Länge / in der gewählten Ausgangspostion. Die weiteren Buchstaben und die beigefügten Winkel bedeuten dann die Kanten des Kristallelementes, um welche es um die angegebenen Winkel gedreht ist. Dabei wird die Breite des Kristallelementes mit w bezeichnet.a negative electrical charge in the direction of the Z-axis. The Y-axis is perpendicular to the X- and Z-axes and forms a right-handed coordinate system with them. The Z-axis is an axis of triple symmetry, so that there are always three equivalent X and Y axes in a quartz crystal. The later explanations relate to such a coordinate system. According to the recommendation of the IRE (Proc. IRE, Vol. 37, 1378 [1949]), the designation of the crystallographic orientation of a crystal element (a rod or a plate) consists of an indication of any starting position in which the edges of the crystal section are parallel to the X-, Y- and Z-axes lie, and from the indication of the possible rotations, which bring the crystal cut from the selected starting position into its position. In such a designation, the first letter means the direction of the thickness t of the crystal element (the direction of the normal to its largest surfaces) and the second the direction of its length / in the selected starting position. The other letters and the attached angles then mean the edges of the crystal element around which it is rotated through the specified angle. The width of the crystal element is denoted by w.

Die X- und Y-Achsen des verzwillingten Materials haben eine gegenüber dem ursprünglichen Matrial um 180° um die Z-Achse gedrehte Orientierung. Eine piezoelektrische Quarzplatte, die beispielsweise senkrecht zu einer Z-Achse geschnitten ist, kehrt den piezoelektrischen Effekt um, wenn durch Einwirkung von großen äußeren Kräften und hohen Temperaturen das Material in die verzwillingte Form übergeht. Erfahrungsgemäß geht sehr selten eine Platte als Ganzes in die verzwillingte Modifikation über, sondern lediglich einzelne Bereiche, die zumeist gegen das unverzwillingte Restmaterial durch achsenparallele Flächen abgegrenzt sind. Die verzwillingten Bereiche können durch Anätzen mit Fluorwasserstoffsäure im schräg einfallenden Licht deutlich sichtbar gemacht werden. In polarisiertem Licht sind Dauphinc-Zwillingsbildungen jedoch nicht sichtbar. Eine solche piezoelektrische Platte mit Zwillingsbezirken erzeugt, unter Druck gesetzt, beispielsweise entgegengesetzt polarisierte Ladungen, die sich mit den »richtigen« Ladungen kompensieren, was im Endeffekt die Schwächung des von außen gemessenen PiezoefTektes bewirkt. Ist mehr als die Hälfte des Materials verzwillingt, so ändert der Piezoeifekl sein Vorzeichen. Auf Grund des geschilderten physikalischen Verhaltens von Quarz, das bei Temperaturen oberhalb 200⁰C sich deutlich auszuwirken beginnt, war es seither nicht möglich, mit Quarzelementen arbeitende Aufnehmer zu verwenden, ohne dafür Sorge zu tragen, daß die Quarzelemente keine Temperaturen über 200° C annehmen können, was die eingangs erwähnten nachteiligen Erscheinungen einschließt.The X and Y axes of the twinned material have an orientation rotated 180 ° around the Z axis compared to the original material. A piezoelectric quartz plate that is cut perpendicular to a Z-axis, for example, reverses the piezoelectric effect when the material changes into the twinned shape due to the action of large external forces and high temperatures. Experience has shown that a plate as a whole seldom changes to the twinned modification, but only individual areas, which are usually delimited from the non-twinned residual material by surfaces parallel to the axis. The twinned areas can be made clearly visible by etching with hydrofluoric acid in the obliquely incident light. However, Dauphinc twins are not visible in polarized light. Such a piezoelectric plate with twin areas generates, put under pressure, for example oppositely polarized charges, which compensate each other with the "correct" charges, which in the end results in the weakening of the externally measured piezo effect. If more than half of the material is twinned, the Piezoeifekl changes its sign. Due to the described physical behavior of quartz, which is beginning to have significantly at temperatures above 200 ⁰ C, it has since been unable to use working transducers with quartz elements without having to take care that the quartz elements accept temperatures above 200 ° C can, which includes the disadvantageous phenomena mentioned at the beginning.

Die Aufgabe der vorliegenden F.rfindung wird darin gesehen, piezoelektrische MeO.'.erlaufnelmiei der eingangs genannten Art so zu \erbessern. daß aiun noch bei Umgebungstcmp'.-raturen im Bereich bis z\i 400" C die Aufnehmer ohne Kühlung eineesel/t weiden können, ohne daß sich ihre Empfindlichkeit gegenüber der Emplindlichkeii hei niedrigeren li. ην neraliuvn stark vermindert.The task of the present invention is seen in the fact that piezoelectric MeO. ' to improve the type mentioned at the beginning. that aiun even at ambient temperatures in the range up to z \ i 400 "C the transducers can graze a donkey without cooling, without affecting their sensitivity compared to sensitivity to lower left. ην neraliuvn greatly diminished.

Art, erfindungsgemäß dadurch, daß die Richtung der mechanischen Vorspannung im Quarzelement und die Orientierung des Quarzeleinentes zu den Kristallachsen so zueinander ausgerichtet sind, daß die freie Enthalpie der Dauphine-Zwillingsmodifikation abzüglich der freien Enthalpie der unverzwillingten Modifikation einen positiven Wert besitzt.Kind, according to the invention in that the direction of the mechanical prestress in the quartz element and the orientation of the quartz element to the crystal axes are aligned to each other so that the free Enthalpy of the Dauphine twin modification minus the free enthalpy of the non-twinned Modification has a positive value.

Ein erfindungsgemäß aufgebauter Aufnehmer kann bis, zu einem Temperaturbereich von etwa 400° C ίο ohne Zwangskühlung eingesetzt werden, ohne daß dabei die Empfindlichkeit (durch Bildung von Dauphine-Zwillingen) wesentlich nachläßt. Es wird durch die Erfindung nicht nur der Messungen mit piezoelektrischen Aufnehmern zugängliche Temperaturbereich kühlungsfrei bis etwa 400° C erweitert, sondern es wird, wenn zusätzlich noch eine Zwangskühlung vorgesehen wird, der mit Kühlung erfaßbare Bereich in sehr starkem Ausmaß erhöht, weil die Temperatur an den Quarzelementen bis auf etwa 400" C ansteigen darf. Es kann daher die Temperaturdifferenz zum Kühlmedium sehr groß sein, wodurch große Wärmemengen abgeführt und ein starker Kühlungseffekt erzielt werden kann. Die Erfindung ermöglicht es, mit der piezoelektrischen Meßtechnik in Bereiche vorzustoßen, die bisher verschlossen waren und die als unerreichbar galten.A transducer constructed according to the invention can reach a temperature range of about 400.degree ίο be used without forced cooling, without thereby the sensitivity (through the formation of Dauphine twins) decreases significantly. The invention not only makes measurements with piezoelectric The temperature range accessible to the sensors is extended to around 400 ° C without cooling, but rather If forced cooling is also provided, it becomes the area that can be covered with cooling increased to a very great extent because the temperature at the quartz elements rose to about 400 "C may increase. The temperature difference to the cooling medium can therefore be very large, which means that it is large Heat dissipated and a strong cooling effect can be achieved. The invention enables it is to advance with the piezoelectric measuring technology in areas which were previously closed and which were considered unreachable.

Die Erfindung läßt sich bei praktisch allen Arten piezoelektrischer Aufnehmer verwenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, die mindestens ein stabförmiges Quarzelement aufweist, bei dem der transversale Piezoffeket benutzt wird, wobei die mechanische Vorspannung im wesentlichen in der Richtung der Längsachse des Quarzclementes wirkt, ist diese Längsachse, so gerichtet, daß sie im wesentliehen in der durch die Y- und die Z-Achse des Quarzkristalls bestimmten Ebene liegt und mit seiner Y-Achse einen Winkel ■*' im Winkelbereich 15° <V < 30^c bildet. Bei der angegebenen Orientierung der Längsachse zur Y- und zur Z-Achse ergibt sich bei einem Aufnehmer, der den transversalen Piezoeffekt benutzt, eine ausreichend gute Empfindlichkeit bis zu einer Temperaturobergrenze in der Gegend von 400° C.The invention can be used with virtually all types of piezoelectric transducers. In a preferred embodiment, which has at least one rod-shaped quartz element, in which the transversal Piezoffeket is used, wherein the mechanical preload acts essentially in the direction of the longitudinal axis of the quartz element, this longitudinal axis is directed so that it is essentially in the direction through the Y- and the Z-axis of the quartz crystal lies in a certain plane and forms with its Y-axis an angle ■ * 'in the angular range 15 ° <V <30 ^c . Given the specified orientation of the longitudinal axis to the Y and Z axes, a sensor that uses the transverse piezo effect has a sufficiently good sensitivity up to an upper temperature limit of around 400 ° C.

Die Erfindung ist aber nicht auf piezoelektrische Aufnehmer beschränkt, deren Quarzelemente so geschnitten ist, daß der transversale Piezoeffekt benutzt wild. Vielmehr ist bei Ausführungsformen der Erfindung, die mindestens ein plattenförmiges Quarzelement aufweisen, bei dem der longitudinal Piezoeffekt benutzt wird, wobei die mechanische Vorspannung im wesentlichen senkrecht zu den zwei zueinander parallelen Elektrodenflächen in der Richtung der Dicke der Quarzplatte wirkt, diese Richtung so orientiert, daß ein in mathematisch positiven Sinne zwischen der Y-Achse des Quarzkristalls und der Projektion der Vorspannungsrichtung auf die Y- und Z-Achse des Quarzkristalls bestimmte Ebene gemessener Winkel \ im Winkelbereich 5" < ύ' < 40° liegt \un\ ein von der Projektion tier Vorspannungsrich^f" lung an! die du Rh V- und Y-Achse des Quarzkristall beslimiVfie Ebene : lit der Y-Achse eingeschlossener Winkel ./ du He/ieluing 15 ·-: ,;' < 27 erfüllt. Ein derartiger Aiilnehmcr weist dieselben Vorteile auf beschriebene Aufnehmer, läßtThe invention is not limited to piezoelectric transducers, the quartz elements of which are cut so that the transverse piezo effect is used wildly. Rather, in embodiments of the invention which have at least one plate-shaped quartz element in which the longitudinal piezo effect is used, the mechanical prestress acting essentially perpendicular to the two mutually parallel electrode surfaces in the direction of the thickness of the quartz plate, this direction is oriented such that a plane measured in a mathematically positive sense between the Y-axis of the quartz crystal and the projection of the bias direction onto the Y- and Z-axis of the quartz crystal \ in the angular range 5 "<ύ '<40 ° lies \ un \ a from the projection animal Vorspannungsrich ^f "lung on! the du Rh V- and Y-axis of the quartz crystal beslimiVfie plane: lit the Y-axis included angle ./ du He / ieluing 15 · -:,; '<27 fulfilled. Such a participant has the same advantages of the transducers described

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\ orstoiiuid bechriebene bei mil er K .ilibne: empfindlickkcit bis /u\ orstoiiuid described with mil er K .ilibne: sensitivity to / u

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sind, ist die Erfindung auch bei Aufnehmern verwendbar, deren Quarzelemente in einen mehrachsigcn Spannungszustand versetzt sind. Es können zusätzliche Vorspann mittel vorgesehen sein, die in den Quarzelementen nicht nur einen zwei-, sondern auch einen mehrachsigen Spannungszustand hervorrufen. Es lassen sich damit Aufnehmer mit besonderen, an bestimmte Anwendungsfälle angepaßten Eigenschaften herstellen.are, the invention can also be used with transducers whose quartz elements are in a multiaxial State of tension are offset. Additional biasing means may be provided that are included in the Quartz elements cause not only a two-axis, but also a multi-axis stress state. It can be used with transducers with special properties adapted to specific applications produce.

Anschließend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention will then be explained in more detail with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 einen bekannten piezoelektrischen Druckaufnehmer, 1 shows a known piezoelectric pressure sensor,

F i g. 2 einen Beschleunigungsaufnehmer,F i g. 2 an accelerometer,

Fig. 3 ein Stück Quarzkristall mit Angabe der Achsenorientierung und3 shows a piece of quartz crystal with indication of the axis orientation and

F i g. 4 das Polarendiagramm in der FZ-Ebene für die Elastizitätskoeffizienten.F i g. 4 the polar diagram in the FZ plane for the coefficients of elasticity.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Druckaufnehmer handelt es sich um einen Typ, bei dem der piezoelektrische Transversaleffekt benutzt wird und dessen Konstruktion beispielsweise in der CH-PS 3 40 356 beschrieben ist. Die Konstruktionsmerkmale dieses Gebers können, wenn ein entsprechend geschnittenes Quarzelement eingesetzt wird, im wesentlichen auch für einen hochtemperaturfesten Druckaufnehmer gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet werden.In the case of the FIG. 1 is of the type in which the piezoelectric Transverse effect is used and its construction, for example, in CH-PS 3 40 356 is described. The design features of this encoder can, if appropriately cut Quartz element is used, essentially also for a high-temperature-resistant pressure transducer according to the embodiments of the invention can be used.

Dasselbe gilt für einen Beschleunigungsaufnehmer gemäß F i g. 2, dessen Quarzelemente den longitudinalen Piezoefiekt ausnutzen. Auch bei diesem Beispiel kann ein Quarzelement mit Schnittrichtung gemäß den Ausführungsbeispieien der Erfindung angewendet werden, ohne die meisten konstruktiven Merkmale der seitherigen Ausführung zu verändern.The same applies to an accelerometer according to FIG. 2, the quartz elements of which are longitudinal Take advantage of the piezoelectric effect. In this example, too, a quartz element with the cutting direction according to FIG the Ausführungsbeispieien of the invention can be applied without most of the structural features the previous execution.

In Fig. 3 sind in den Quarzkristall vier verschiedene Aufnehmerelemente hinsichtlich ihrer Orientierung eingezeichnet. Ein piezoelektrisches Transversalaufnehmerelement 26 weist dieselbe Orientierung auf, wie sie für die bisher bekannten Druckaufnehmer verwendet wurde; ein scheibenförmiges Longitudinalaufnehmerelement 32 weist dieselbe Orientierung auf. wie sie für die bisher bekannten Quarzelemcnle für diesen Anwendungsfall benutzt wurde. In Fig. 3 ist ferner ein Transversalaufnehmerelement 29 mit der neuen Orientierungslage dargestellt sowie ein Longitudinalaufnehmerelement 34 mit ebenfalls der neuen Orientierung.In Fig. 3 there are four different ones in the quartz crystal Pick-up elements drawn with regard to their orientation. A piezoelectric transverse pick-up element 26 has the same orientation as used for the previously known pressure transducers became; a disk-shaped longitudinal pick-up element 32 has the same orientation. as it was used for the previously known quartz elements for this application. In Fig. 3 is Furthermore, a transverse sensor element 29 is shown with the new orientation position and a longitudinal sensor element 34 with the new orientation as well.

Der bekannte Druckaufnehmer nach F i g. 1 enthält als wesentliches Element zwei halbzylinderförmige Piezodruckharze 1 mit der Orientierung XY mit je einer ebenen Schnittinnenfläche und einer zylindermantelförmigen Außenfläche, die in den meisten Fälle metallisiert sind. Die Metallisierungen sind durch Facetten voneinander elektrisch isoliert und dienen zur Aufnahme der piezoelektrisch erzeugten Ladungen. Zwischen den beiden Quarzhalbzylindern ist eine metallische Elektrode 2 eingeklemmt, die mit den Metallisierungen der beiden ebenen Halbzylinderschnittfiächen in elektrischer Verbindung steht. Diese Elektrode leitet die piezoelektrisch erzeugten Ladungen, wobei es sich bei Druck meistens um negative Ladungen handelt, über einen Draht 3 durch ein Isolierrohr 4 zu einem Steckerkern 5. der in einem Isolator 6 gehalten ist. Ein hochisolicrendcs Kabel kann mit einem Endstecker am Gehäuse 7 angeschraubt werden, in der Weise, daß der Innenleiter mit dem Steckerkern 5 des Druckaufnehmers Kontakt macht.The known pressure transducer according to FIG. 1 contains, as an essential element, two semi-cylindrical piezo printing resins 1 with the orientation XY , each with a flat inner surface and a cylinder jacket-shaped outer surface, which are metallized in most cases. The metallizations are electrically insulated from one another by facets and serve to accommodate the piezoelectrically generated charges. A metallic electrode 2 is clamped between the two quartz half-cylinders and is in electrical connection with the metallizations of the two flat half-cylinder sectional areas. This electrode conducts the piezoelectrically generated charges, the pressure mostly being negative charges, via a wire 3 through an insulating tube 4 to a plug core 5, which is held in an insulator 6. A hochisolicrendcs cable can be screwed with an end plug on the housing 7, in such a way that the inner conductor makes contact with the plug core 5 of the pressure transducer.

Die Quar/.halbzylindcr befinden sich in einer Vorspannhiilse 8. die am Gehäuse mit einer Ringschweißnahl 9 befestigt ist. Das Druckmedium wirkt auf die Vorderseite 10 der Spannhülse; danvt der cmpfindliehe dünnwandige Teil der Vorspannhülse 8 und die darin befindlichen Quarze nicht mit dem Druckmedium in Berührung kommen, ist zwischen Gehäuse 7 im vorderen Teil der Vorspaniihülsc 10 eine Membran 11 eingeschweißt. Die Boden- und Deckflächen der Quarzhalbzylinder ruhen auf den Unterlagen 12 und 13, denen oft noch die Aufgabe zufällt, die Quarze gegen Temperatureinflüsse von der Frontfläche 10 her zu schützen und thermische Ausdehnungsunterschiede zwischen den Quarzen 1 und der Vorspannhülse 8 zu kompensieren. Die Vorspannhülse 8 wird zu kurz dimensioniert und muß, bevor sie am Gehäuse 7 angeschweißt werden kann, elastisch gespannt werden. Die Hülse 8 ist infolgedessen nach ihrem Festschweißen mit der Schweißnaht 9 unter einer Zug-Vorspannung und die Auflagen 12 und 13 sowie die Quarze 1 unter Druckvorspannung. Die Vorspannung ist notwendig, um bei den Auflagen 14 zwischen dem vorderen Teil der Vorspannhülse und der Auflage 12, ferner bei 15, 16 und 17 gute Auflagen mit geringer Spaltelaslizität zu erreichen. Die Druckkräfte wirken bei 10 auf die Vorspannhülse bzw. bei 11 auf die Membran und werden durch diese zur Hauptsache auf die Quarze 1 weitergeleitet, wo sie eine Vergrößerung der mechanischen Vorspannung in Längsrichtung der Quarzhalbzylinder bewirken. Diese Veränderungen der Vorspannung haben eine Veränderung der piezoelektrischen Polarisation senkrecht zur ebenen Schnittfläche bzw. eine Veränderung der piezoelektrischen Ladungen an den Metallisieruncen zur Folge, wobei die meisten positiven piezoelektrischen Ladungen, die auf der Mantelfläche der Quarzhalbzylinder entstehen, von der Vorspannhülse, mit der sie in elektrischem Kontakt steht, auf das geerdete Gehäuse abgeleitet werden. Die piezoelektrische Polarisation und mechanische Spannung, die beide durch homogene Vektorfelder charakterisiert werden können, stehen zueinander senkrecht. Deshalb spricht man von piezoelektrischen Transversaleffekt, da die mechanische Spannung und dieThe quarters are in a preload sleeve 8. which is attached to the housing with a 9 weld ring. The print medium acts on the Front 10 of the clamping sleeve; then the cmpfindliehe thin-walled part of the prestressing sleeve 8 and the The crystals in it do not come into contact with the pressure medium, is between the housing 7 a membrane 11 is welded into the front part of the Vorspaniihülsc 10. The bottom and top surfaces the quartz half-cylinder rests on the supports 12 and 13, which often still have the task of to protect the crystals against temperature influences from the front surface 10 and thermal expansion differences to compensate between the crystals 1 and the prestressing sleeve 8. The preload sleeve 8 is dimensioned too short and must be elastic before it can be welded to the housing 7 be excited. As a result, the sleeve 8 is below the weld seam 9 after it has been welded in place a tensile prestress and the supports 12 and 13 and the crystals 1 under compressive prestress. the Preload is necessary to the supports 14 between the front part of the prestressing sleeve and the edition 12, furthermore at 15, 16 and 17 good editions to be achieved with low gap elasticity. The compressive forces act at 10 on the prestressing sleeve or at 11 on the membrane and are passed through this mainly to the crystals 1, where they cause an increase in the mechanical prestress in the longitudinal direction of the quartz half-cylinder. These changes in bias have a change in piezoelectric polarization perpendicular to the flat cut surface or a change in the piezoelectric charges on the metallization as a result, with most of the positive piezoelectric charges on the outer surface the quartz half-cylinder arise from the prestressing sleeve with which it is in electrical contact the earthed housing. The piezoelectric polarization and mechanical tension, both of which can be characterized by homogeneous vector fields are perpendicular to each other. That is why one speaks of the piezoelectric transverse effect, since the mechanical tension and the

4f erzeugte Polarisation transversal zueinander stehen. An Stelle der halbzylinderförmigen Kristalle können aber auch andere geeignete geometrische Formen, wie Segmente, Prismen, Prismen mit dreieckigem Querschnitt usw. gewählt werden.4f generated polarization are transverse to each other. Instead of the semi-cylindrical crystals, however, other suitable geometric shapes, such as Segments, prisms, prisms with a triangular cross-section, etc. can be selected.

Im Gegensatz dazu wird im Modell des Beschleunigungsaufnehmers nach Fig. 2 der longitudinale Effekt verwertet. Wir haben bei diesem Aufnehmer ein ganz ähnliches Funktionsprinzip und auch ähnliche Aufbauelemente. Die Quarzelemente 41, 42, die bei dieser Ausführungsform kreisrunde Platten mit der Orientierung X sind, erzeugen unter dem Einfluß einer senkrecht zur Plattenebene wirkenden Kraft Ladungen, die von Elektrode 43 zum Steckerkern 45 geführt werden. Zwischen Kern und SteckergehäuseIn contrast to this, the longitudinal effect is used in the model of the accelerometer according to FIG. 2. With this transducer we have a very similar functional principle and also similar structural elements. The quartz elements 41, 42, which in this embodiment are circular plates with the orientation X , generate charges under the influence of a force acting perpendicular to the plane of the plate, which are guided from the electrode 43 to the plug core 45. Between the core and the connector housing

befindet sich der Isolator 46. Der Stecker ist am Gehäuse 47 angeschweißt, das ein Gewindeloch 48 zur Befestigung des Beschleunigungsaufnchmcrs enthält. Die positiven Ladungen werden durch das Gehäuse 47 bzw. durch die seismische Masse 49 direkt abgelei-is the insulator 46. The plug is welded to the housing 47, which has a threaded hole 48 for Includes attachment of acceleration sensor. The positive charges are carried through the case 47 or directly derived by seismic mass 49

let. Die Vorspannhülse 50 ist bei 51 wieder mit Vorspannung am Gehäuse 47 angeschweißt und setzt die Quarzplatten 41, 42 unter eine Druckvorspannung. Unter dem Einfluß von Beschleunigungen erzeugt dielet. The prestressing sleeve 50 is again prestressed at 51 welded to the housing 47 and places the quartz plates 41, 42 under a compressive bias. The generated under the influence of accelerations

seismische Masse 49 Trägheitskräfte, die eine Veränderung der Vorspannungen bewirken, was wiederum eine Veränderung der piezoelektrischen Polarisation und der Piezoladungen bewirkt. Mechanische Vorspannung und piezoelektrische Polarisation können hier wiederum durch ein Vektorfeld charakterisiert werden, wobei die Vektoren hier parallel zueinander stehen. Deshalb spricht man hier von longitudinalem Piezoeffekt.seismic mass 49 inertial forces that cause a change in the prestresses, which in turn causes a change in the piezoelectric polarization and the piezo charges. Mechanical preload and piezoelectric polarization can here again be characterized by a vector field where the vectors are parallel to each other. That is why one speaks here of longitudinal Piezo effect.

In Fig. 3 ist ein prismatischer Teil des Quarzkristalls 21 dargestellt. In axialer Richtung des Prismas, parallel zu den Kanten, ist die Z-Achse 22. Die Ebene senkrecht zu dieser Z-Achse schneidet aus dem prismatischen Teil ein Sechseck heraus. Die drei Diagonalen des Sechseckes sind die X-Achsen, und die drei Normalen zu den Seiten des Sechseckes sind die Y-Achsen. An der abgebildeten Kristallform ist nicht anzusehen, daß die Symmetrie nicht 6zählig, sondern 3zählig ist. Es ist eine Drehung um 120° um die Z-Achse notwendig, um die X- und Y-Achsen in ihresgleichen überzuführen, da die .Y-Achsen eine Polarität aufweisen, d. h. einen positiven und negativen Richtungssinn haben, der nicht vertauscht werden darf, was bei einer Drehung um nur 60° der Fall wäre, obschon natürlich eine Drehung um 60° das Sechseck wieder in ein gleiches Sechseck überführt. Die Polarität ist gerade am piezoelektrischen Effekt feststellbar. In F i g. 3 ist einfachheitshalber nur eine -Y-Achse 24 und eine Y-Achse 23 eingezeichnet. Die Unierschiede der bisher bekannten Schnitte für piezoelektrische: Quarzaufnehmer gegenüber den neu vorgeschlagenen sollen an Hand von Fig. 3 erläutert werden. Als Grundlage für die zu besprechenden Schnitte denke man sich eine Platte 25 aus diesem Prisma herausgeschnitten, mit der Plattenebene senkrecht zur -Y-Achse und den Seiten parallel zu Y- und Z-Achsen. In der Kristallographie ist es üblich, die Orientierung einer Ebene durch die bekannten Miller-Bra-'ais-Iridizes zu charakterisieren. Die YZ-Ebenc unserer Platte 25 hat die Indizes (2TT0).In Fig. 3, a prismatic part of the quartz crystal 21 is shown. The Z-axis 22 is in the axial direction of the prism, parallel to the edges. The plane perpendicular to this Z-axis cuts a hexagon out of the prismatic part. The three diagonals of the hexagon are the X-axes, and the three normals to the sides of the hexagon are the Y-axes. It cannot be seen from the crystal form shown that the symmetry is not 6-fold, but 3-fold. A rotation of 120 ° around the Z-axis is necessary in order to convert the X- and Y-axes into their equals, since the .Y-axes have a polarity, i.e. have a positive and negative sense of direction, which must not be interchanged, which would be the case with a rotation of only 60 °, although of course a rotation of 60 ° converts the hexagon back into an identical hexagon. The polarity can be determined from the piezoelectric effect. In Fig. 3, only a -Y-axis 24 and a Y-axis 23 are shown for the sake of simplicity. The differences between the previously known sections for piezoelectric quartz sensors and the newly proposed ones will be explained with reference to FIG. 3. As a basis for the cuts to be discussed, imagine a plate 25 cut out of this prism, with the plate plane perpendicular to the -Y axis and the sides parallel to the Y and Z axes. In crystallography it is common to characterize the orientation of a plane by the well-known Miller-Bra-'ais iridices. The YZ plane of our plate 25 has the indices (2TT0).

Aus einer solchen Platte ist es möglich, die uns interessierenden Schnitte herauszuschneiden bzw. auf diese Plattenebene zu beziehen. In Fig. 2 ist diese Platte mit den eingezeichneten Schnitten räumlich dargestellt. «From such a plate it is possible to cut out the cuts that are of interest to us or to relate them to this plate level. In Fig. 2 this plate is shown three-dimensionally with the drawn sections. «

Die Transversalhalbzylinder — nach bisher üblicher Orienticrungsweise XY 26, F i g. 3 — haben die Zylinderachse 27 parallel zur Y-Achse, und die Schnittfläche, welche den Zylinder in zwei Teile teilt, ist parallel zur YZ-Ebene (2TT0). Die Krafteinleitungsflächen 28 sind parallel zu einer -YZ-Ebene, d. h. zu einer Seitenfläche des oeckigen Prismas (OTTO). Ia der Praxis schneidet man aus der Platte 25 zunächst einen rechteckigen Stab, klebt diesen mit der Fläche, welche die ZyHnderschnittfläche bilden soll, auf einen Dom und schleift den Stab zu einem Halbzylirider. Zuletzt wird noch die Zylinderschnittfläche und die Mantelfläche des Halblzylinders mit einer Metallisierung sowie alle Kanten mit einer Facette versehen, so daß Mantelelektrode und Schnittflächenelektrode elektrisch voneinander isoliert sind Der Transversalquarz 29 mit der Orientierung XY t 30° für 'He temperaturbeständigen Druckfühler nach vorliegendem Vorschlag hat dieselbe Form wie Halbzylinder 26 und kann aus derselben Grundplatte 25, mit derselben Fabrikationstechnik, herausgeschnitten werden. In diesem Falle muß die Zylinderachse 30 wiederum in der YZ-Ebene liegen, jedoch um den Winkel <\ - 30° um die -Y-Achse in der positiven Richtung gedreht sein. Die Kraftcinleitungsflächen 31 sind dann nicht mehr parallel zu einer Seitenfläche (OTlO) des Prismas, sondern gegen diese ebenfalls um 30° geneigt und entsprechen ungefähr der Gitterebene (0433).The transverse half-cylinder - according to the usual orientation XY 26, F i g. 3 - have the cylinder axis 27 parallel to the Y axis, and the section surface which divides the cylinder in two parts is parallel to the YZ plane (2TT0). The force introduction surfaces 28 are parallel to a -YZ plane, ie to a side surface of the octagonal prism (OTTO). In practice, a rectangular rod is first cut from the plate 25, glued to a mandrel with the surface that is to form the cylindrical cross-section, and the rod is ground to form a semi-cylindrical rod. Finally, the cylinder cut surface and the jacket surface of the half cylinder are provided with a metallization and all edges with a facet, so that jacket electrode and cut surface electrode are electrically isolated from each other.The transverse quartz 29 with the orientation XY t 30 ° for 'He temperature-resistant pressure sensor according to the present proposal has the same Shape like half cylinder 26 and can be cut out of the same base plate 25 using the same manufacturing technique. In this case, the cylinder axis 30 must again lie in the YZ plane, but be rotated by the angle <\ - 30 ° around the -Y axis in the positive direction. The force introduction surfaces 31 are then no longer parallel to a side surface (OT10) of the prism, but also inclined by 30 ° relative to it and correspond approximately to the grid plane (0433).

Longitudinalquarzplatten nach bisher bekannter Art 32 können ebenfalls aus einer Grundplatte 25 ausgeschnitten werden, indem man beispielsweise zuerst eine quadratische Platte 33 heraussägt, diese dann einspannt und daraus eine runde Platte 32 schleift. Die Elektroden werden auf den senkiccht zur -Y-Achse stehenden Grund- und Deckflächen (2TT0) angebracht. Diese sind gleichzeitig die Krafteinleilungsflächen. Die Longitudinalquarzplatten für die temperaturbeständigen Aufnehmer nach neuer Art 34 mit der Orientierung, welche nach der Empfehlung der IRE mit dem Symbol YZ 1 20° w 30° beschrieben ist, haben die gleiche Form wie die alten Platten 32, ihre Normale hat jedoch in der Ausgangsposition die Richtung der Y-Achse, und die ganze Platte ist dann um 20° um die Z-Achse und nachher noch um 30° um die mitgedrehte A"-Achse gedreht.Longitudinal quartz plates of the previously known type 32 can also be cut out of a base plate 25 by, for example, first sawing out a square plate 33, then clamping it in and grinding a round plate 32 from it. The electrodes are attached to the base and top surfaces (2TT0) that are perpendicular to the -Y axis. These are also the force application areas. The longitudinal quartz plates for the temperature-resistant transducers of the new type 34 with the orientation, which is described according to the recommendation of the IRE with the symbol YZ 1 20 ° w 30 °, have the same shape as the old plates 32, but have their normal in the starting position the direction of the Y-axis, and the whole plate is then rotated by 20 ° around the Z-axis and then by 30 ° around the co-rotated A "axis.

Damit wären die neuen Orientierungen der Halbzylinder 29 und der Platten 34 gegenüber dem alten Halbzylinder 26 und Platten 32 abgegrenzt. Es bleibt noch zu erläutern, warum die neuen Orientierungen in bezug auf Temperaturbeständigkeit besser sein sollen. Dies geschieht am besten an Hand von Fig. 4.This would be the new orientations of the half cylinders 29 and the plates 34 compared to the old one Half cylinder 26 and plates 32 delimited. It remains to be explained why the new orientations should be better in terms of temperature resistance. This is best done using FIG. 4.

Bekanntlich ist das elastische Verhalten von Kristallen anisotrop, d. h. richtungsabhängig. Dkse Richtungsabhängigkeit des elastischen Koeffizienten s™ für verschiedene Richtungen in der YZ-Ebene ist in F i g. 4 als Polarendiagramm angegeben. Für irgendeine Richtung, die einen Winkel β mit der Y-Achse bildet und in der YZ-Ebene liegt, gibt die Polarkurvc die Größe des elastischen Koeffizienten si als Länge des Radiusvektors des Schnittpunktes des Strahles mit dem Winkel α mit der eingezeichneten Kurve. An dieser Kurve ist von großer Bedeutung, daß sie in bezug auf die Z-Achse nicht spiegelsymmetrisch ist. In einer Quarzplatte oder in einem Stab ist die Kraftwirkungsrichtung durch die geometrische Form und Anordnung vorbestimmt. Geht nun das Material in die Dauphine-Zwiilingsform über, so bedeutet dies, wie schon erwähnt, eine 180^c-Drehung der Orientierung um die Z-Achse, so daß die positiven X- und Y-Achsenrichtungen in die entsprechenden negativen X- und Y-Achsenrichtungen übergehen. Dies bedeutet, da ja die Kraftrichtung die gleiche bleibt, daß in bezug auf die neuen kristallographischen Achsen des Materials die Kraft in einer anderen Richtung wirkt. Wenn wir, um beim Beispiel von Fig. 4 zu bleiben, den Winkel λ von der positiven Y-Achse in positive Richtung abgetragen haben und die Strecke OA als Maß für den elastischen Koeffizienten s^ bekommen haben, müßten wir für Material desselben Kristallstabes oder Platte, jedoch in der Dauphine-Zwiilingsform den Winkel α nicht mehr von 4- Y, sondern von — Y aus, und zwar in der negativen Richtung abtragen, da ja die +Y-Achse zu einer — Y-Achse geworden ist. und wir kommen dann zu einem kleineren Werts^' für den elastischen Koeffizienten, der der Strecke OB entspricht. Großer elastischer Koeffizient bedeutet große Deformation pro Spannungseinheit. Das heißt, er ist der »Weichheit« des Materials proportional. Elastischer Koeffizient Si₁, bedeutet in kristallographischem Sinne dasIt is well known that the elastic behavior of crystals is anisotropic, ie dependent on the direction. The directional dependence of the elastic coefficient s ™ for different directions in the YZ plane is shown in FIG. 4 given as a polar diagram. For any direction which forms an angle β with the Y axis and lies in the YZ plane, the polar curve c gives the size of the elastic coefficient si as the length of the radius vector of the intersection of the ray with the angle α with the curve drawn. What is very important about this curve is that it is not mirror-symmetrical with respect to the Z-axis. In a quartz plate or in a rod, the direction of force action is predetermined by the geometric shape and arrangement. If the material now changes to the Dauphine twin form, this means, as already mentioned, a 180 ^c rotation of the orientation around the Z axis, so that the positive X and Y axis directions in the corresponding negative X and Y directions - Skip axis directions. This means that since the direction of force remains the same, the force acts in a different direction with respect to the new crystallographic axes of the material. If, to stay with the example of FIG. 4, we have plotted the angle λ from the positive Y-axis in the positive direction and have obtained the distance OA as a measure of the elastic coefficient s ^ , we would have to be the material of the same crystal rod or plate , but in the Dauphine twin form the angle α is no longer from 4-Y, but from - Y, in the negative direction, since the + Y-axis has become a - Y-axis. and we then come to a smaller value ^ 'for the elastic coefficient, which corresponds to the segment OB. Large elastic coefficient means large deformation per unit of tension. That is, it is proportional to the "softness" of the material. Elastic coefficient Si ₁ , means that in a crystallographic sense

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Reziproke vom Elastizitätsmodul, wie er in der Technik gebräuchlich ist. Der Wechsel vom größeren elastischen Koeffizienten s^ entsprechend Strecke OA zum kleineren s& entsprechend OB bedeutet eine Versteifung des Materials bzw. von OB nach OA ein »Weicherwerden« des Materials. Wenn nun eine elastische Vorspannung vorhanden ist, wie es in piezoelektrischen Aufnehmern (Fig. 1 und 2) üblich ist, ist eine »Versteifung« mit einer Vergrößerung der elastischen Vorspannung (weil die Vorspannhülse stärker gedehnt und der Kristall mit der größeren Kraft zusammengepreßt wird) und gleichzeitig mit einer Verkleinerung der Deformation des Kristallelementes verbunden. Die höhere elastische Energie, die zur Steigerung der Vorspannung nötigt ist, bzw. die Arbeit, die vom Kristall gegen die äußere Kraft der Vorspannhülse geleistet werden sollte, muß irgendwoher kommen. Daß dazu die innere (Wärme-)Energie ausgenutzt wird, kommt nicht in Frage, da dies gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen würde. Anderseits gibt der Quarzkristall, der ursprünglich gerade in der steiferen Richtung OB vorgespannt war, durch den Übergang von der ursprünglichen Form in den Dauphine-Zwilling die mechanische Energie frei, da ja der Kristall »weicher« wird, und diese mechanische Energie setzt sich in Wärme um. Dieser zweite Vorgang der Dauphine-Verzwillingung ist irreversibel, weil die freigewordene Wärme, wie oben erwähnt, nicht wieder in elastische Energie umgesetzt werden kann. Durch die mechanische Vorspannung wird die eine Polarisationsrichtung von Dauphine-Zwillingen stabil und die andere labil, da sie durch die geringste Veranlassung durch spontane Zwillingsbildung in die stabile Form überzugehen trachten. Unter Vorspannung^ist die eine Polarisationsrichtung von den Dauphine-Zwillingen gegenüber der anderen um so stabiler, je größer die Unterschiede der elastischen Energien der beiden Formen sind. Dieser Unterschied ist einerseits von der Größe der Vorspannung, und zwar quadratisch, und zweitens vom Winkel α abhängig. Wenn α = 0° wäre, was der alten Orientierung der Quarzstäbe entsprechen würde, ist überhaupt kein Unterschied vorhanden. Dasselbe gilt für α = 90°. Das Maximum der Differenz der Elastizitätskoeffizienten für α und λ* = 180° — λ und damit auch der elastischen Energie unter der gegebenen Vorspannung finden wir mit einem Winkel « = 30°.Reciprocal of the modulus of elasticity, as it is used in technology. The change from the larger elastic coefficient s ^ corresponding to the distance OA to the smaller s & corresponding to OB means a stiffening of the material or from OB to OA a "softening" of the material. If there is an elastic pretension, as is usual in piezoelectric transducers (Fig. 1 and 2), a "stiffening" with an increase in the elastic pretension (because the pretensioning sleeve is stretched more and the crystal is compressed with the greater force) and at the same time associated with a reduction in the deformation of the crystal element. The higher elastic energy, which is necessary to increase the prestress, or the work that should be done by the crystal against the external force of the prestressing sleeve, has to come from somewhere. It is out of the question that the internal (heat) energy is used for this purpose, as this would violate the second law of thermodynamics. On the other hand, the quartz crystal, which was originally pretensioned in the stiffer direction OB , releases the mechanical energy through the transition from the original shape to the Dauphine twin, since the crystal becomes "softer", and this mechanical energy is converted into heat around. This second process of dauphine twinning is irreversible because, as mentioned above, the released heat cannot be converted back into elastic energy. Due to the mechanical bias, one direction of polarization of Dauphine twins becomes stable and the other unstable, since they tend to change into the stable form through the slightest cause by spontaneous twin formation. Under bias ^ one direction of polarization of the Dauphine twins is more stable compared to the other, the greater the differences in the elastic energies of the two forms. This difference depends on the one hand on the size of the preload, namely quadratically, and on the other hand on the angle α. If α = 0 °, which would correspond to the old orientation of the quartz rods, there is no difference at all. The same applies to α = 90 °. The maximum of the difference between the elasticity coefficients for α and λ * = 180 ° - λ and thus also the elastic energy under the given prestress is found at an angle = 30 °.

Prinzipiell ist jedoch der Winkel O<«<90° (bzw. 180° < α < 270°) günstiger als die alte Orientierung mit λ = 0°. Vorteilhaft ist es jedoch, für Transversalquarze α = 30° zu wählen, wie es in Fig. 3 eingezeichnet ist. Gewisse Schwierigkeiten treten bei Longitudinalquarzen auf. Um optimale Stabilität in bezug auf Zwillingsbildung zu bekommen, müßte auch bei Longitudinalquarzen die Kraft in dieser Richtung α = 30° zu der Y-Achse in der YZ-Ebene liegend wirken. Die Plattenebene der Longitudinalquarze, die zur Krafteinleitung wie zur Anbringung der Elektroden dient, stände dann senkrecht zur YZ-Ebene. Für alle solche Ebenen ist je-QOch bei Quarz der piezoelektrische Longitudinaleffekt = 0. Die Projektion der Normale zur Plattenebene der Longitudinalquarze auf die ΑΎ-Ebene muß aus der YZ-Ebene um einen Winkel β herausgedreht werden, damit überhaupt ein longitudinaler Piezoeffekt feststellbar wird. Dieser longitudinal piezoelektrische Effekt wäre am größten, wenn der Winkel ungeradzahlige Vielfache von 30 ' annimmt. Dann aber verschwindet wiederum der energetische Unterschied zwischen den beiden Dauphine-Zwillingen, und es werden beide Zwillingsfcrmen gleich stabil. Es gill also einen Kompromiß zwischen möglichst großer Stabilität und möglichst großem Piezokoeffizienten zu finden. Dieser wird etwa mit einem Winke! β — 20 erzielt, wobei etwa 50% des Energieunterschiedes der beiden Polarisationsrichtungen von Dauphinc-Zwijlingen erreicht wird, der für einen Winkel β = 0" für die gleiche Vorspannung vorhanden wäre und anderseits noch etwa 60% des Piezoefiekles aufweist, der bei β = 30° vorhanden ist.In principle, however, the angle O <«<90 ° (or 180 ° <α <270 °) is more favorable than the old orientation with λ = 0 °. However, it is advantageous to choose α = 30 ° for transverse crystals, as shown in FIG. 3. Certain difficulties arise with longitudinal crystals. In order to get optimal stability with regard to the formation of twins, the force would have to act in this direction α = 30 ° to the Y-axis in the YZ-plane, even with longitudinal quartz crystals. The plane of the plate of the longitudinal quartz, which is used to introduce forces and attach the electrodes, would then be perpendicular to the YZ plane. For all such planes, the piezoelectric longitudinal effect = 0. The projection of the normal to the plate plane of the longitudinal quartz on the ΑΎ plane must be rotated out of the YZ plane by an angle β so that a longitudinal piezo effect can be determined at all. This longitudinal piezoelectric effect would be greatest if the angle were odd multiples of 30 '. But then the energetic difference between the two Dauphine twins disappears again, and both twin forms become equally stable. It is therefore a good idea to find a compromise between the greatest possible stability and the greatest possible piezo coefficient. This is about with a wink! β - 20 achieved, with about 50% of the energy difference between the two polarization directions being achieved by Dauphinc-Zwijlingen, which would be present for an angle β = 0 "for the same bias voltage and, on the other hand, still have about 60% of the piezoelectric eccentricity at β = 30 ° exists.

Die Orientierung der Krafteinleitungsflächen eines solchen Aufnehmers entspricht annähernd der Quarzgitterebene (T322). The orientation of the force application surfaces of such a transducer corresponds approximately to the quartz lattice plane (T322).

Wenn für ein System mehrere Zustände möglich sind, so ist, wenn man thermodynamische Kriterien anwendet, derjenige der wahrscheinlichste, der die ao tiefste freie Enthalphie G besitzt.If several states are possible for a system, then if one considers thermodynamic criteria the one who has the ao lowest free enthalpy G is the most likely.

Der elastische Anteil der freien Enthalphie eines deformierten Kristalls ist ganz allgemein durch den AusdruckThe elastic part of the free enthalpy of a deformed crystal is quite general due to the expression

-1-Ls₁₁₁T_xT₁,-1-Ls ₁₁₁ T _x T ₁ ,

gegeben, wobei sj„ die elastischen Koeffizienten und T₁ die Spannungskomponenten bedeuten. Auf unser spezielles Problem angewendet, ergibt sich unter der Voraussetzung, daß die elektrische Feldstärke gleich Null und die Temperatur unverändert bleibt, für die zwei Polarisationsrichtungen von Dauphine-Zwillingen ein Unterschiedgiven, where sj "denotes the elastic coefficient and T ₁ denotes the stress components. Applied to our special problem, assuming that the electric field strength is zero and the temperature remains unchanged, there is a difference for the two polarization directions of Dauphine twins

AG = G* -G-i Σ (S₁₁₁ - st,.) T₁T₁,. (1) AG = G * -Gi Σ (S ₁₁₁ - st ,.) T ₁ T _1,. (1)

Unter Annahme, daß nur ein einfacher einachsiger Spannungszustaud 7, vorhanden sei, was für die meisten piezoelektrischen Wandler zutrifft, geht diese Formel über inAssuming that there is only a simple uniaxial stress condition 7, which is the case for most piezoelectric transducer applies, this formula goes into

Der Unterschied der Elastizitätskoeffizienten für die ursprüngliche Form und die verzwillingte Form läßt sich auf bekannte Weise leicht aus der Transformationsgleichung für s^ für gedrehte Koordinatenachsen ausrechnen und wir kommen zur Formel:The difference in the coefficients of elasticity for the original shape and the twinned shape can easily be derived in a known manner from the transformation equation for s ^ for rotated coordinate axes calculate and we come to the formula:

Si₁ — s£ = — 4 cos 3 β sin « cos³ λ s_u . (3) (3) in (2) eingesetzt gibt
AG = 2 cos! β sin oc cos* xs_uT ² ₂. (4) Si ₁ - s £ = - 4 cos 3 β sin «cos ³ λ s _u . (3) (3) inserted in (2) there
AG = 2 cos! β sin oc cos * xs _u T ² ₂ . (4)

Die Anforderung der größten Stabilität gegen die Zwillingsbildung verlangt den größten positiven Wert von AG. Da der elastische Koeffizient S₁₄ beim QuarzThe requirement of the greatest stability against the formation of twins requires the greatest positive value of AG. Since the elastic coefficient S ₁₄ for quartz

im unverzwillingten Zustand negativ ist, bedeutet diese Anforderung, daß der Wert der Winkelfunktion cos 3 β sin α cos³ « maximal sein soll. Das ist für a = 30° bzw. 210° bei β = 0°, 120° und 240° sowie für « = 150° bzw. 330° bei β = 60°, 180° und 300°is negative in the non-twinning state, this requirement means that the value of the angle function cos 3 β sin α cos ³ «should be maximum. That is for a = 30 ° or 210 ° with β = 0 °, 120 ° and 240 ° and for «= 150 ° or 330 ° with β = 60 °, 180 ° and 300 °

erfüllt.Fulfills.

Die höhere Stabilität in bezug auf Zwillingsbildung konnte auch für piezoelektrische Aufnehmer mit halbzylindrischen Transversalquarzen, mit der als optimal berechneten Orientierung, welche nach derThe higher stability with regard to the formation of twins could also be used for piezoelectric transducers semicylindrical transverse quartz crystals, with the orientation calculated as optimal, which after the

Empfehlung der IRE mit dem Symbol XY t 30° beschrieben ist, experimentell eindeutig nachgewiesen werden.Recommendation of the IRE is described with the symbol XY t 30 °, can be clearly demonstrated experimentally.

Die gleichen Untersuchungen und theoretischer.The same research and theoretical.

Überlegungen haben auch gezeigt, daß derartig orientierte Transversalquarzc einen wesentlich niedrigeren Temperaturkoeffizienten des piezoelektrischen Transversaleffektes in einem breiten Temperaturbereich aufweisen als die bisher normal benutzten Transversalquarze. Considerations have also shown that such oriented Transverse quartz has a significantly lower temperature coefficient of the piezoelectric transverse effect have in a broad temperature range than the transversal crystals normally used up to now.

Dazu kommt als weiterer Vorteil dieser Schnittrichtung noch eine kleinere Richtungsabhängigkeit (anisotropie) der Temperaturausdehnungskoeffizienten des Quarzes in der Ebene der Elektroden.In addition, as a further advantage of this cutting direction, there is a smaller directional dependency (anisotropy) the temperature expansion coefficient of the quartz in the plane of the electrodes.

Die Tatsache, daß alle diese Vorteile für ähnliche Orientierung dei Quarzelementc gelten, ist durch die Materialeigenschaften des Quarzes bedingt. Im üb-The fact that all of these advantages apply to similar orientations of the quartz elements is evident from the Material properties of quartz conditional. In the

rigen besteht /wischen diesen Eigenschaften kein, innerer Zusammenhang. Durch die 3zähligc Symmetrie der Z-Achse des Quarzes ist die Äquivalenz der Gitlercbencn (045?), (4043), (4^03) bzw. der Gitterebenen (132~2). (2732). (3272) gegeben.There is / are no inner characteristics of these properties Connection. Due to the three-fold symmetry of the Z-axis of the quartz, the equivalence of the Gitlercbencn (045?), (4043), (4 ^ 03) or the lattice levels (132-2). (2732). (3272) given.

Ferner sei ilarauf hingewiesen, daß man aus der Formel (2) unter der Voraussetzung mehrachsiger komplizierter Spannungszustande der Quarzelementc, welche z. B. durch Schubspannung charakterisiert ίο wären, noch andere gegen Zwillingsbildung widerstandsfähige Kristallorienticrungcn ableiten könnten, wobei für die Berechnung des für die Stabilität entscheidende . I G Formel (1) anzuwenden wäre.Furthermore, it should be pointed out that from the formula (2) one can, on the assumption of multiaxial complicated stress states of the quartz elements, which z. B. characterized by shear stress ίο would be, still others, resilient to twinning Crystal orientations could be derived, which is decisive for the calculation of the stability . I G formula (1) would apply.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Piezoelectric pressure, force or acceleration transducer with at least one Biit force introduction members connected and held by prestressing means under mechanical prestress quartz element, characterized in that the direction of the mechanical prestress in the quartz element (1) and the orientation of the quartz element to the crystal axes ( X, Y, Z) are aligned with one another in such a way that the free enthalpy of the Dauphine twin modification minus the free enthalpy of the non-twinned modification has a positive value.

2. Piezoelectric pickup according to claim 1 with at least one rod-shaped Quartz element using the transverse piezo effect, with the mechanical preload acts essentially in the direction of the longitudinal axis of the quartz element, thereby characterized in that the longitudinal axis (30) is directed so that it is substantially in the through the Y- and Z-axis of the quartz crystal lies in a certain plane and with its Y-axis one Forms angle α 'in the angular range 15 ° <α' <30 °.

3. Piezoelectric pick-up according to claim 1 with at least one plate-shaped quartz element, in which the longitudinal piezo effect is used, the mechanical bias acting essentially perpendicular to the two mutually parallel electrode surfaces in the direction of the thickness of the quartz plate, characterized in that this direction is so is aligned so that an angle &' measured in a mathematically positive sense between the Y-axis of the quartz crystal and the projection of the biasing direction onto the Y- and Z-axis of the quartz crystal is in the angular range 5 ° <Cft'<40 ° and a The angle ß ' enclosed by the projection of the biasing direction on the plane determined by the X- and Y-axes of the quartz crystal and the Y-axis satisfies the relation 15 ° <ß'< 27 °.

4. Piezoelectric pick-up according to one of the preceding claims, characterized in that that additional biasing means are provided, which in the quartz elements a multi-axis Create a state of tension.