DE509714C

DE509714C - Piezoelectric crystal body for generating torsional vibrations

Info

Publication number: DE509714C
Application number: DEK116045D
Authority: DE
Original assignee: Kolster Brandes Ltd
Current assignee: Kolster Brandes Ltd
Priority date: 1929-08-04
Filing date: 1929-08-04
Publication date: 1930-10-11

Description

Piezoelektrischer Kristallkörper zur Erzeugung von Torsionsschwingungen Die Erfindung betrifft piezoelektrische Kristallkörper, namentlich solche, die in Verbindung mit elektrischen Stromkreisen verwendet werden können, und ein Verfahren zu deren Herstellung. Es ist schon seit längerer Zeit bekannt, daß Kristalle gewisser Substanzen, wie z. B. von Rochelle- oder Seignettesalz (Kalium-Natriumtartrat), Quarz, Turmalin o. dgl., eine elektromotorische Kraft erzeugen, wenn sie mechanisch deformiert «-erden, und daß umgekehrt Volumendeformationen hervorgerufen werden, wenn man sie elektrisch erregt.Piezoelectric crystal body for generating torsional vibrations The invention relates to piezoelectric crystal bodies, namely those which are shown in Connection to electrical circuits can be used and a method for their production. It has been known for a long time that crystals are certain Substances such as B. Rochelle or Seignette salt (potassium sodium tartrate), Quartz, tourmaline, or the like, generate an electromotive force when mechanically deformed "-ground, and that, conversely, volume deformations are caused, if you energize them electrically.

Derartige Kristalle finden in der Elektrotechnik ein weites Anwendungsgebiet, insbesondere in den Zweigen der Elektrotechnik, die sich mit der Erzeugung, Übertragung und Nutzbarmachung von Wechselströmen oder Wechselpotentialen der Hörfrequenz oder auch der höchsten Radiofrequenz befaßt.Such crystals have a wide range of applications in electrical engineering, especially in the branches of electrical engineering that deal with generation, transmission and utilization of alternating currents or alternating potentials of the audio frequency or also deals with the highest radio frequency.

Bisher ist man Schwierigkeiten bei der Verwendung von verhältnismäßig großen Kristallen und solcher Kristalle begegnet, die man aus einer Lösung der Mutterlauge, wie z. B. Rochellesalzkristalle, gewonnen hat. Die großen Kristalle erfordern selbstverständlich mehr Zeit zum Wachsen als die kleineren; außerdem sind sie erheblich zerbrechlicher und neigen dazu, Risse und Sprünge zu bilden, sogar noch bevor die Kristalle hinreichend gefestigt und erhärtet sind.So far one is having difficulty in using relative encounters large crystals and such crystals that are obtained from a solution of the mother liquor, such as B. Rochelle salt crystals. The big crystals require of course more time to grow than the smaller ones; they are also much more fragile and tend to form cracks and fissures even before the crystals become sufficiently large are consolidated and hardened.

Im Falle der Verwendung natürlicher Kristalle, wie Quarz und Turmalin o. dgl., wachsen die Schwierigkeiten und Herstellungskosten von Kristallen sehr rasch mit der Größe, und die Gefahr zufälliger Beschädigungen beim Gebrauch des Kristalls ist wesentlich höher.In the case of using natural crystals, such as quartz and tourmaline or the like, the difficulty and manufacturing cost of crystals greatly increase rapidly with size, and the risk of accidental damage when using the Crystal is much higher.

Die Erfindung zielt auf die Herstellung eines zusammengesetzten piezoelektrischen Kristallkörpers hin, der namentlich für Torsionsschwingungen geeignet ist; die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kristallkörpers, durch welches dem Kristallkörper jede gewünschte Größe; Form und Eigenfrequenz dadurch gegeben werden kann, daß man Bruchteile von Kristallen, kleine Kristalle, Kristallkerne u.. dgl. von heterogener Größe und Form verwendet, die zu einem einzigen Gebilde miteinander verbunden und mit Elektroden versehen werden, so d.aß die piezoelektrischen Effekte der zusammengesetzten Kristalle zusammengefaßt werden können.The invention aims at the manufacture of a composite piezoelectric Crystal body that is particularly suitable for torsional vibrations; The invention also extends to a method for producing such a crystal body, by which the crystal body has any desired size; Shape and natural frequency thereby can be given that you can get fractions of crystals, small crystals, crystal nuclei u .. the like. of heterogeneous size and shape used to form a single structure are connected to each other and provided with electrodes, so d.ass the piezoelectric Effects of the composite crystals can be summarized.

Abb. z ist eine Seitenansicht eines zusammengesetzten elektrischen Kristallkörpers gemäß der Erfindung, zum Teil im Schnitt; Abb. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine Art der Verbindung zwischen den Einzelkristallen zu einem einheitlichen Kristallkörper erkennen läßt; die A@bb.3 bis 6 sind Querschnitte durch einen zusammengesetzten Kristallkörper gemäß der Erfindung, die verschiedene Arten der Kristallanordnung erkennen lassen.Fig. Z is a side view of an assembled electrical Crystal body according to the invention, partly in section; Fig. 2 is a schematic Representation showing a kind of connection between the single crystals to one uniform crystal body can be recognized; the A@bb.3 to 6 are cross-sections through a composite crystal body according to the invention, the various types the crystal arrangement can be recognized.

Gemäß der Erfindung wird eine Vielzahl piezoelektrischer Kristalle ausgewählt, die miteinander zu verbinden sind. Die Auswahl wird vorzugsweise so- getroffen, daß die Kristalle chemisch und optisch ähnlich sind. Beispielsweise kann eine Anzahl von Quarzkristallen ausgewählt werden, die sorgfältig in rechtsasymmetrische und linksasymmetrische getrennt werden. Der zusammengesetzte piezoelektrische Kristallkörper kann aus beiden dieser Komponenten gebildet werden, doch ist es besser, in jedem zusammengesetzten Gebilde nur Kristalle der gleichen Asymmetrie zu verwenden, da anderenfalls die mechanischen Vibrationen der einen Sorte in mechanischer Beziehung i8o° außer Phase mit den Schwingungen der anderen Sorte sind, was einer einwandfreien Wirkung der Einrichtung nachteilig ist und sogar zu deren Zerstörung führen kann.According to the invention, a plurality piezoelectric Crystals selected to be bonded together. The selection is preferred made so that the crystals are chemically and optically similar. For example A number of quartz crystals can be selected, carefully divided into right asymmetric and left-asymmetric ones are separated. The composite piezoelectric crystal body can be formed from both of these components, but it is better in each compound structures only use crystals of the same asymmetry, since otherwise the mechanical vibrations of one kind in a mechanical relationship i8o ° out of phase with the vibrations of the other variety are what a flawless one Effect of the device is disadvantageous and can even lead to their destruction.

Im Falle von anderen hemiedrischen Kristallen, die nur in rechter oder linker Form vorkommen, wie z. B. Rochellesalz, ist die Trennung der Formen natürlich nicht nötig.In the case of other hemhedral crystals, only in the right or left form, such as B. Rochelle Salt, is the separation of forms of course not necessary.

Nachdem die einzelnen Kristalle ausgew ählt sind, kann damit begonnen werden, sie zu einem zusammengesetzten Körper aufzubauen, indem die Kristalle in der gewünschten Form angeordnet werden, wobei man sorgfältig jeden Kristall eigens in Bezug auf die optische Achse so richtet, daß die piezoelektrischen Kräfte der verschiedenen Einzelkristalle zusammengefaßt werden können. Da Kristalle der gleichen chemischen und optischen Form immer entweder einer rechtsgängigen oder einer linksgängigen Schraube entsprechen, je nachdem, ob die Kristalle rechts- oder linksasymmetrisch sind, braucht man nur die Kristalle bezüglich ihrer optischen Achse parallel anzuordnen und mit symmetrischen Elektroden zu versehen, um auf die einzelnen Kristalle elektrornotorische Kräfte aufzudrücken oder elektromotorische Kräfte von ihnen abnehmen zu können.After the individual crystals have been selected, you can begin building them into a composite body by placing the crystals in The shape you want can be arranged, carefully considering each crystal individually with respect to the optical axis so that the piezoelectric forces of the different single crystals can be combined. Because crystals of the same chemical and optical form always either right-handed or left-handed Screw, depending on whether the crystals are right or left asymmetrical you only need to arrange the crystals parallel with respect to their optical axis and to be provided with symmetrical electrodes in order to be electromotive on the individual crystals To apply forces or to be able to remove electromotive forces from them.

Die Elektroden können Platten aus Metallfolien besitzen, die in den Kristallen an geeigneten Punkten befestigt sind, welche mechanisch und elektrisch entgegengesetzte Pole bilden. Beispielsweise kann eine Elektrode aus einem äquatorialen Gürtel aus leitendem Material bestehen, der um den Kristall herum in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene eine Schleife bildet, während die andere Elektrode an der Grundfläche des Kristalls befestigt werden kann.The electrodes can have plates made of metal foils, which are in the Crystals are attached at suitable points, which are mechanical and electrical form opposite poles. For example, an electrode from an equatorial Belts are made of conductive material that wrap around the crystal in a perpendicular manner to the optical axis extending plane forms a loop, while the other Electrode can be attached to the base of the crystal.

Bei der Erfüllung dieser Bedingungen können die Einzelkristalle auf verschiedene @#,Teisen zu einer einheitlichen Struktur vereinigt werden. In Abb. i ist eine Anzahl von Kristallen 1,:2, 3, 4 usw. dargestellt, die zu einem mehr oder weniger zylindrischen Gebilde zusammengesetzt sind, in welchem eine Anzahl von Kristallen mit ihren optischen Achsen in Richtung der strichpunktiert angedeuteten optischen Achse und parallel zu dieser liegt. Die hier dargestellten Einzelkristalle können in irgendeiner beliebigen Weise so angeordnet sein, daß sie eine einheitliche Struktur der gewünschten Abinessungen bilden und können etwa in der Weise nebeneinand'ergestellt werden, wie ein Maurer beim Herstellen einer Mauer aus Steinen verschiedener Größe und Form verfährt.When these conditions are met, the single crystals can rise different @ #, Teisen can be combined into a single structure. In fig. i is represented by a number of crystals 1,: 2, 3, 4, etc., which lead to one more or less cylindrical structures are composed in which a number of crystals with their optical axes in the direction of the dash-dotted lines optical axis and is parallel to this. The single crystals shown here can be arranged in any convenient manner so that they form a uniform Form the structure of the desired refinements and can be created in this way become like a bricklayer making a wall out of stones of various sizes and form moves.

Die verschiedenen Einzelkristalle können in jeder gewünschten Weise miteinander zu einem einzigen Gebilde verbunden werden, doch verwendet man vorzugsweise einen Klebstoff oder ein Bindemittel der gleichen elastischen Eigenschaften, wie sie die Einzelkristalle selbst aufweisen, so daß die Schwingungen auf alle Einzelkristalle übertragen werden. Bei Verwendung von Rochellesalzkristallen wird zur Bindung der einzelnen Kristalle vorzugsweise ein sogenannter Rochellesalzzement verwendet oder eine Schmelze von Rochellesalz, weche bei einer Temperatur hergestellt ist, die dem gewünschten Kristallgehalt des schmelzflüssigen Bindemittels entspricht.The various single crystals can be used in any desired manner can be connected to one another into a single structure, but is preferably used an adhesive or binder with the same elastic properties as they have the single crystals themselves, so that the vibrations affect all single crystals be transmitted. When using Rochelle salt crystals, the individual crystals, a so-called Rochelle salt cement is preferably used or a melt of Rochelle salt, which is produced at a temperature which corresponds to the desired crystal content of the molten binder.

Nachdem der zusammengesetzte, hier als Zylinder dargestellte Kristallkörper gebildet ist, kann er mit einem Ende auf einem Sockel 3o aufgebracht werden, der zu diesem Zwecke mit einer Ausnehmung 3 i versehen und mit einem Deckel oder einem die Kraft gleichmäßig verteilenden Spannteil 32 versehen ist, welcher das andere Kristallkörperende bedeckt und mit diesem beispielsweise durch Verkitten oder Verkleben fest verbunden ist. Außerdem kann eine Mehrzahl von mechanischen Klemmteilen, wie z. B. Zugstangen 50 und 5 i, vorgesehen sein, die durch den Sockel und die Kappe hindurchgehen und mit Gewinden zur Aufnahme von Muttern 52 und 53 versehen sind, mittels derer das Kristallgebilde unter Druck gesetzt werden kann. Der Kristallkörper ist jetzt fertig zum Gebrauch und kann entweder als Generator oder als Motor verwendet werden, indem ihm entweder elektromotorische Schwingungen aufgedrückt werden, die in Tors.ionsschwingungen des Kristalls umgewandelt werden, so daß das eine Ende des Zylinders in Bezug auf das ändere Ende sich zu drehen bestrebt ist, oder indem man auf den Kristall mechanische Kräfte einwirken läßt, die bestrebt sind, sein eines Ende in einer senkrecht zur optischen Achse gerichteten Ebene zu ver- i drehen, so daß entsprechende elektromotorische Kräfte hervorgerufen werden. In Abb. 2 ist ein regelmäßigerer Aufbau der einzelnen Kristallkomponenten dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann eine Kristallreihe aus Kristallen io, 11, 12 und 13 bestehen, die alle mit ihren optischen Achsen parallel liegen und in einer Richtung angeordnet sind, die senkrecht zu den optischen Achsen verläuft. Eine Mehrzahl von Kristallen kann auch in der gleichen Ebene neben den Kristallen io, 11, 1 2 und 13 liegen, wodurch ein festes Gebilde entsteht, welches aus einer Mehrzahl von Kristallen besteht, die in Richtungen liegen, welche zu den optischen Achsen und in bezug aufeinander senkrecht liegen. Über der ersten Schicht kann eine zweite Schicht von Kristallen 14., 15 und 16 angeordnet werden, worauf eine weitere Schicht von Kristallen 17, 1ß, 19 und 2o angeordnet werden kann. Es können gewünschtenfalls auch mehr Schichten vorgesehen werden, um das zusammengesetzte Gebilde auf die gewünschten Abmessungen zu bringen. Die entsprechenden Elektroden, die nur schematisch angedeutet sind, verbinden die entsprechenden Pole des zusammengesetzten Kristallgebildes, was z. B. einerseits mittels der Leitungen 21, 22, 23 und 24. geschehen kann, die an die Hauptleitung 2b angeschlossen sind, und andererseits durch Leitungen 25, 26, 27, die zu der Hauptleitung 29 führen.After the assembled crystal body, shown here as a cylinder, has been formed, one end of it can be placed on a base 3o, which for this purpose is provided with a recess 3i and is provided with a cover or a clamping part 32 which evenly distributes the force covers the other end of the crystal body and is firmly connected to it, for example by cementing or gluing. In addition, a plurality of mechanical clamping parts, such as. B. tie rods 50 and 5 i, which pass through the base and the cap and are provided with threads for receiving nuts 52 and 53, by means of which the crystal structure can be put under pressure. The crystal body is now ready for use and can be used either as a generator or as a motor, either by applying electromotive vibrations to it, which are converted into torsional vibrations of the crystal so that one end of the cylinder moves with respect to the other end tends to rotate, or by allowing mechanical forces to act on the crystal which aim to rotate its one end in a plane perpendicular to the optical axis, so that corresponding electromotive forces are produced. In Fig. 2 a more regular structure of the individual crystal components is shown. In this embodiment, a crystal row may consist of crystals io, 11, 12 and 13, all of which are parallel with their optical axes and are arranged in a direction which is perpendicular to the optical axes. A plurality of crystals can also lie in the same plane next to the crystals io, 11, 1 2 and 13 , whereby a solid structure is formed which consists of a plurality of crystals which lie in directions which are to the optical axes and in relation lie perpendicular to each other. A second layer of crystals 14, 15 and 16 can be placed over the first layer, after which another layer of crystals 17, 1β, 19 and 20 can be placed. If desired, more layers can also be provided in order to bring the composite structure to the desired dimensions. The corresponding electrodes, which are only indicated schematically, connect the corresponding poles of the composite crystal structure, which z. B. can be done on the one hand by means of lines 21, 22, 23 and 24, which are connected to the main line 2b, and on the other hand by means of lines 25, 26, 27, which lead to the main line 29.

Es ist klar, daß bei Einwirkung mechanischer Kräfte auf das Kristallgebilde gemäß Abb.2, durch welche der Kristall um seine optische Achse auf Torsion beansprucht wird, eine elektromotorische Kraft an den Sammelleitungen 28, 29 auftritt, und daß umgekehrt die Anwendung einer elektromotorischen Kraft in diesen Leitern eine entsprechende Tordierung des Kristallgebildes zur Folge hat.It is clear that mechanical when exposed to forces on the crystal structures in accordance with Fig.2, by which the crystal is claimed around its optical axis to twist, an electromotive force to the manifolds 28, 29 occurs, and conversely, the application of an electromotive force in This leads to a corresponding twisting of the crystal structure.

In den Abb. 3 bis 6, welche senkrechte Schnitte durch die optische Achse des zusammengesetzten Kristallkörpers darstellen, ind weitere Mittel gezeigt, um die verschies s denen Einzelkristalle derart anzuordnen, daß die piezoelektrischen Kräfte der einzelnen Kristalle zusammengefaßt werden können. Gemäß Abb. 3 sind die Kristalle 33 und 34. symmetrisch angeordnet, wobei der v erbleibende Raum entweder ganz oder teilweise durch ein $indemittel, wie z. B. einen Klebestoff oder eine Schmelze 34., ausgefüllt sein kann.3 to 6, represented in Figs. Which vertical cuts through the optical axis of the composite crystal body shown ind further means to the verschies s which to arrange individual crystals in such a way that the piezoelectric forces of the individual crystals can be summarized. According to Fig. 3, the crystals 33 and 34 are arranged symmetrically, with the remaining space either wholly or partly by a means, such as. B. an adhesive or a melt 34., can be filled.

Die Anordnung gemäß Abb. 4. ist symmetrisch und weist Kristalle 36 bis 4.3 auf; der verbleibende Raum wird wie zuvor durch das Bindemitte135 ausgefüllt. Bei der in Abb.5 dargestellten Ausführungsform sind die verschiedenen Kristalle 45, bis 45,;, ringförmig angeordnet, wobei der innere und äußere Raum von dem Bindemittel ausgefüllt ist.The arrangement according to Fig. 4 is symmetrical and has crystals 36 up to 4.3; the remaining space is filled by the binding means 135 as before. In the embodiment shown in Fig.5, the different crystals are 45, to 45,;, arranged in a ring, with the inner and outer space of the binder is filled out.

Abb.6 zeigt eine heterogene Anordnung von Kristallen 461, 46. bis 46,Z verschiedener Größe und Form; auch hier sind die Zwischenräume von dem Bindemittel 35 ausgefüllt.Fig.6 shows a heterogeneous arrangement of crystals 461, 46. bis 46, Z of different size and shape; here, too, the gaps are from the binder 35 completed.

Claims

PATENT CLAIMS. i. Pfezoelectric crystal body for generating torsional vibrations, characterized in that it consists of a large number of chemically and optically identical crystals of any size and shape, which are joined together in such mutual position that their torsional vibrations add up.

2. Piezoelectric crystal body according to claim i, characterized in that that the optical axes of the individual crystals arranged above and / or next to one another lie parallel to each other and in or perpendicular to the longitudinal axis of the crystal body.

3. Piezoelectric crystal body according to Claim i and 2, characterized in that that the individual crystals are connected to one another by an adhesive, its Elasticity properties correspond to the elasticity properties of the individual crystals.

4 .. Piezoelectric crystal body according to claim i or the following, characterized characterized in that a plurality of individual crystals by encompassing metal clamps is combined into one unit.

5. Piezoelectric crystal body according to claim i to 4., characterized in that it is on a base plate by metallic Clamping parts is attached,