DE494716C

DE494716C - Piezoelectric vibration generator

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Publication number: DE494716C
Application number: DEE37663D
Authority: DE
Original assignee: ELEKTROTECHNISCHER TRUST DER S
Current assignee: ELEKTROTECHNISCHER TRUST DER S
Priority date: 1927-07-08
Filing date: 1928-07-05
Publication date: 1930-04-29

Description

Piezoelektrischer Schwingungserzeuger Bei vielen Anwendungen von piezoelektrischen Kristallen handelt es sich um beabsichtigte Erregung von höheren Oberschwingungen derselben. Bekanntlich wurden bereits von Langevin, Cady, Pierce usw. verschiedene Formen und Konstruktionen von Elektrodeneinrichtungen zur Erregung von piezoelektrischen Schwingungen in Kristallen vorgeschlagen.Piezoelectric vibration generator In many applications of piezoelectric Crystals are intentional excitation of higher harmonics the same. It is well known that Langevin, Cady, Pierce, etc. have already made several Shapes and constructions of electrode devices for excitation of piezoelectric Suggested vibrations in crystals.

Derartige Einrichtungen, wenn sie auch gute Resultate bei Erregung von Dickenschwingungen und Längsschwingungen der Grundwelle und den ersten geradzahliaen Oberschwingungen ergeben, sind jedoch zur Erregung von höheren Oberschwingungen in piezoelektrischen Platten wenig geeignet. Denn bei dieser Anordnung wird die Einwirkung des elektrischen Feldes auf die Teile der Kristallplatte, die einer halben stehenden Welle entsprechen, durch die Einwirkung des Feldes auf die der angrenzenden Halbwelle entsprechenden Teile aufgehoben.Such bodies though they do well with arousal of thickness vibrations and longitudinal vibrations of the fundamental wave and the first even numbers Harmonics result, but are used to excite higher harmonics not very suitable in piezoelectric plates. Because with this arrangement the Effect of the electric field on the parts of the crystal plate that are half a standing wave, by the action of the field on that of the adjacent Half-wave corresponding parts canceled.

Speziell ist es bei einer derartigen Elektrodenanordnung unmöglich, ungerade Oberschwingungen zu erregen; die geradzahligen Oberschwingungen werden aber verhältnismäßig sehr schwach erregt und dabei desto schwächer, je höher deren Ordnung ist. Wenn es sich um rationelle und starke Erregung höherer Oberschwingungen handelt, erscheint auch die von G i e b e und S c h e i b e vorgeschlagene Anordnung von periodisch wechselnden losen Elektrodenpaaren nicht wirksam genug.In particular, with such an electrode arrangement, it is impossible to excite odd harmonics; the even harmonics become but comparatively very weakly excited, and the weaker the higher the degree of excitement Is okay. When it comes to rational and strong excitation of higher harmonics acts, the arrangement proposed by G i e b e and S c h e i b e also appears of periodically changing loose electrode pairs is not effective enough.

Die vorliegende Einrichtung zur Erregung von höheren piezoelektrischen Oberschwingungen in Kristallen, in der die genannten Nachteile vermieden «erden, beruht analog den Anordnungen von G i e b e und S c h e i b e auf der Verwendung von elektrischen Feldern mit raumperiodischer Struktur. Im Gegensatz aber zu den obenerwähnten Anordnungen wird dieses raumperiodische Feld durch besonders ausgestaltete starre oder halbstarre Elektrodenkomplexe erzeugt.The present device for the excitation of higher piezoelectric Harmonics in crystals, in which the disadvantages mentioned are avoided. is based on the use analogous to the arrangements of G i e b e and S c h e i b e of electric fields with a spatially periodic structure. In contrast to the In the above-mentioned arrangements, this space-periodic field is specially designed generated rigid or semi-rigid electrode complexes.

Da die Struktur des Erregerfeldes der räumlichen Verteilung der Piezoladungen auf der Platte während des Schwingungszustandes derselben der Verteilung der stehenden Wellen auf der Platte möglichst entsprechen soll, so folgt daraus, daß zur Erreichung der besten Wirkung die Struktur des Erregerfeldes periodisch sein muB mit einer Raumperiode, die gleich der Länge einer stehenden Welle derjenigen Oberschwingung ist, die man erregen will. Die zu verwendenden Elektrodenkomplexe müssen deshalb eine entsprechende Gestalt besitzen.Because the structure of the excitation field of the spatial distribution of the piezo charges on the plate during the vibrational state of the same of the distribution of the standing Waves on the plate should correspond as much as possible, so it follows that to achieve For the best effect, the structure of the excitation field must be periodic with a Space period, which is equal to the length of a standing wave of that harmonic is that you want to excite. The electrode complexes to be used must therefore have a corresponding shape.

Solche Elektrodenkomplexe mit periodischer Struktur können auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Eine der einfachsten Anordnungen zur Erreichung einer periodischen Struktur des Erregerfeldes besteht darin, daß man den an der piezokristallinischen Platte anliegenden Elektrodenoberflächen eine regelmäßige gewellte oder gezähnte Form gibt. Aus der Fig. i, wo derartige Elektroden mit einer piezokristallinischen Platte dazwischen im Längsschnitt dargestellt sind, ist zu ersehen, daß -das elektrische Feld zwischen den vorstehenden Teilen (Zähnen) der Elektrodeal, z. B. i' und i" (Fig. i), die der Kristalloberfläche näher liegen, stärker ist als zwischen den anderen Teilen (Vertiefungen), z. B. 2' und 2" (Fig. i der Elektroden). Daher wird die Einwirkung des Feldes auf die Halbwelle i-2 als die stärkere durch die Einwirkung auf die angrenzende Halbwelle 2-3 nicht aufgehoben.Such electrode complexes with a periodic structure can have different way be realized. One of the simplest arrangements for achieving a periodic The structure of the excitation field consists in the fact that the piezocrystalline Plate abutting electrode surfaces have a regular corrugated or serrated Gives shape. From Fig. I, where such electrodes with a piezocrystalline Plate between them are shown in longitudinal section, it can be seen that -the electrical Field between the protruding parts (teeth) of the Elektrodeal, e.g. B. i 'and i " (Fig. I), which are closer to the crystal surface, is stronger than between the other parts (depressions), e.g. B. 2 'and 2 "(Fig. I of the electrodes). Therefore the action of the field on the half-wave i-2 than the stronger one due to the action on the adjacent half-wave 2-3 not canceled.

Wenn der Abstand zwischen den entsprechenden Punkten zweier nebeneinanderliegender Vorsprünge gleich der Länge der stehenden Welle der in der Platte zu erregenden Oberschwingung ist, wird sich die Wirkung des Erregerfeldes längs der ganzen Platte summieren und somit wird eine der zur starken Erregung der gewünschten Oberschwingung notwendigen Bedingungen erfüllt.When the distance between the corresponding points of two adjacent Projections equal to the length of the standing wave to be excited in the plate If there is a harmonic, the effect of the excitation field will be along the whole plate add up and thus becomes one of the strongest excitation of the desired harmonic necessary conditions are met.

Die besprochene Anordnung ergibt eine periodische Erregerfeldstruktur, wobei der erwähnte Abstand zwischen korrespondierenden Punkten zweier gegenüberliegender Vorsprünge hier als Raumperiode erscheint. Es soll aber bemerkt werden, daß, wie aus Fig. i zu ersehen ist, die Erfüllung der Bedingung einer richtigen Raumperiode noch nicht genügend ist, um alle Vorteile einer derartigen periodischen Struktur vollständig auszunutzen. Es ist wesentlich, daß die Stellen der maximalen Feldeinwirkung (Vorsprünge) mit den Maxima der piezoelektrischen Polarisation im Kristalle zusammenfallen oder mit anderen Worten, nicht nur eine richtige Erregerfeldstruktur, sondern auch eine richtige Lage des Kristalls in bezug zum Felde wesentlich ist.The arrangement discussed results in a periodic excitation field structure, where the mentioned distance between corresponding points of two opposite ones Projections appear here as a space period. It should be noted, however, that how from Fig. i it can be seen that the condition of a correct space period is fulfilled is not yet sufficient to take full advantage of such a periodic structure to take full advantage of it. It is essential that the points of maximum field action (Protrusions) coincide with the maxima of the piezoelectric polarization in the crystal or in other words, not only a correct excitation field structure, but also a correct position of the crystal in relation to the field is essential.

Die in Fig. r angegebene zurErregung eines periodischen Erregerfeldes dienende Elektrodenform ist weder die einzig mögliche, noch in allen Fällen die allerbeste. In manchen Fällen wird es zweckmäßiger sein, den Vorsprüngen und Vertiefungen eine andere Form zu geben, die eine andere, den jeweiligen Bedingungen der Erregung der Piezokristallschwingungen besser entsprechende Feldstruktur ergibt, z. B. die Verzahnung schärfer oder so zu gestalten, daß sie im Längsschnitte eine gleichmäßig verlaufende gewellte Linie (z. B. eine sinusförmige) darstellt. Es können auch Bitter- oder kammartige Elektroden verwendet werden. Unter Umständen wird es zweckmäßig sein, die periodische Struktur des Erregerfeldes dadurch zu erreichen, daß man auf die wirksame Fläche einer piezoelektrischen Platte, auf galvanoplastischem Wege oder mittels Kathoden- oder irgendeiner anderen Zerstäubung, oder auf eine andere Weise, leitende Schichten gewünschter Form aufträgt, welchen eine entsprechende Wechselspanüung zugeleitet wird.The one indicated in Fig. R for the excitation of a periodic excitation field Serving electrode shape is neither the only possible nor in all cases the very best. In some cases it will be more convenient to use the protrusions and depressions to give another form, the other, the respective conditions of arousal the piezo crystal vibrations results in a better corresponding field structure, z. B. the To make the teeth sharper or so that they have a uniform longitudinal section represents a running wavy line (e.g. a sinusoidal one). It can also be bitter or comb-like electrodes can be used. It may be useful be to achieve the periodic structure of the excitation field by clicking on the effective area of a piezoelectric plate, by electroforming or by means of cathodic or some other sputtering, or to another Way, conductive layers of the desired shape applied, which a corresponding Wechselspanüung is fed.

Die angegebene Methode der Erzeugung einer periodischen Erregerfeldstruktur ohne Verwendung von getrennten Elektroden gestattet auch, auf einfache Weise ein Feld solcher Struktur zu erzeugen, daß seine Einwirkung auf jede Halbwelle sich summieren wird. Zu diesem Zwecke genügt es, auf den wirksamen Kristallplattenflächen nach den erwähnten Verfahren zwei Systeme voneinander isolierter leitender Schichten und die korrespondierenden Systeme jeder Fläche miteinander zu verbinden. Die Einwirkung eines derartigen Feldes auf ein System von Oberschwingungen einer Platte, deren. stehende Wellen der Raumperiode dieses Feldes gleich sind, wird also besonders stark sein., Wie oben erwähnt wurde, ist für das gute Funktionieren der vorliegenden Anordnung, namentlich bei Erregung von Oberschwingungen höherer Ordnungen, eine möglichst gute Koinzidenz der Stellen stärkster Wirkung des Erregerfeldes mit den Bäuchen stehender Wellen der zu erregenden Oberschwingungen höchst wichtig. Zur Erzielung dieser Koinzidenz wird es zweckmäßig sein, die Elektroden nicht starr aus einem ganzen Metallstück auszuführen, sondern so, daß dieselben in gewissen Grenzen eine stetige Veränderung der Raumperiode des Erregerfeldes gestatten. Zu diesem Zwecke kann man z. B. die Elektroden nach Fig, i aus einzelnen Stücken aufbauen mit federnden bzw. elastischen Zwischenlagen, so daß der Abstand zwischen den einzelnen Stücken mittels einer besonderen Schraubeneinrichtung zu regulieren ist.The specified method of generating a periodic excitation field structure without the use of separate electrodes also allows a simple way Generate a field of such a structure that its action on each half-wave is different will sum up. For this purpose it is sufficient to use the effective crystal plate surfaces according to the mentioned method, two systems of conductive layers isolated from one another and to connect the corresponding systems of each surface with each other. The impact of such a field on a system of harmonics of a plate whose. standing waves of the space period of this field are the same, is therefore particularly strong As mentioned above, for the proper functioning of the present arrangement, especially in the case of the excitation of higher-order harmonics, as good as possible Coincidence of the places of strongest effect of the exciter field with the bellies standing Waves of the harmonics to be excited are extremely important. To achieve this coincidence it will be useful to make the electrodes not rigid from a whole piece of metal to be carried out, but in such a way that they are subject to constant change within certain limits the space period of the excitation field. For this purpose you can z. B. the Build electrodes according to Fig, i from individual pieces with resilient or elastic Intermediate layers, so that the distance between the individual pieces by means of a special Screw device is to be regulated.

In der Fig. z ist eine weitere, sehr zweckentsprechende Elektrodenform zur Erzielung einer periodischen Feldstruktur angegeben, bei welcher die Strukturelemente gewissermaßen hintereinander geschaltet sind. Als ein Vorteil dieser Anordnung kann man anführen, daß sie die Möglichkeit einer eventuellen sehr erwünschten Verminderung der effektiven erregenden Feldstärke zuläßt, da das auf die Platte wirkende Feld nur ein Bruchteil des an die Elektroden angelegten Feldes ist. Eine Ausführungsform dieser Art von Elektroden für den Fall, daß dieselben auf die Platte selbst aufgetragen werden, ist in Fig. 3' und 3" dargestellt. Endlich ist in Fig.4 für die Erregung von Längsschwingungen in einem Kristallring (optische Achse der Zylinderringachse) eine Ausführungsform von hintereinander geschalteten Elektroden dargestellt.In Fig. Z is a further, very appropriate electrode shape specified to achieve a periodic field structure in which the structural elements are connected in series, as it were. As an advantage of this arrangement can they argue that they have the possibility of an eventual, very desirable reduction the effective exciting field strength, since the field acting on the plate is only a fraction of the field applied to the electrodes. One embodiment this type of electrodes in the event that they are applied to the plate itself be is shown in Fig. 3 'and 3 ". Finally, in Fig.4 for the excitation of longitudinal vibrations in a crystal ring (optical axis of the Cylinder ring axis) an embodiment of electrodes connected in series shown.

Zum Schluß sei noch bemerkt, daß man eine in der Längsoberschwingung der K-ten Ordnung erregte piezokristallinische Platte als ein Komplex von K+ i-Platten von K+ i mal: kleinerer Lange ansehen kann, die in ihrem Grundtone mit streng gleicher Frequenz gleichzeitig schwingt. Von diesem Standpunkte aus kann man sagen, daß die vorliegende Anordnung die Möglichkeit ergibt, eine größere Anzahl kleiner piezoelektrischer Oscillatoren gleichzeitig gleichmäßig und mit streng gleicher Frequenz zu erregen.Finally it should be noted that there is one in the longitudinal harmonic of the Kth order excited piezocrystalline plate as a complex of K + i plates von K + i mal: can see the shorter length that is strictly the same in its basic tone Frequency oscillates at the same time. From this point of view it can be said that the present arrangement gives the possibility of a larger number of small piezoelectric To excite oscillators at the same time evenly and with strictly the same frequency.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Piezoelectric vibrator, thereby characterized in that the contact surfaces of the arranged on two sides of the crystal Electrodes periodically interrupted in the direction of the oscillation axis of the crystal are and that the two electrodes are mounted to each other that the contact surfaces and the recesses face each other. a. Arrangement according to claim i, characterized characterized in that the electrodes have the shape of a comb or in longitudinal sections Own bar grating. 3. Arrangement according to claim i and a, characterized in that that the electrodes are divided and held together by a socket, so that the spacing of the touch strip can be changed. 4. Arrangement according to claim i, characterized in that the electrodes are strip-like Coating on the crystal surfaces by electroplating or by means of cathode sputtering are upset. 5. Arrangement according to claim 3 and 4, characterized in that the strips of the electrodes are conductively connected one behind the other.