DE747008C - Piezoelektrischer, beschleunigungsempfindlicher Geber - Google Patents

Description

• Piezoelektrischer, beschleunigungsempfindlicher Geber Die Erfindung befaßt sich mit einem beschleunigungsempfindlichen Geber, insbesondere zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Energie mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristallgebildes mit daran angebrachten trägen Massen, die beim Auftreten von Beschleunigungskräften oder Schwingungen B iegungen oder Biegesohwingungen des Kristallgebildes hervorrufen.
• Die bekannten Geber dieser Art haben, da die Kristalle einseitig eingespannt sind, bei Belastung der freien Enden, wie es sowohl bei den Tonabnehmern als auch bei bekannten Schwingungsmessern durchgeführt ist, den Nachteil, daß die Stelle, an der der Kristall in seine Einspannung hineinragt, durch Biegungen mechanisch stark beansprucht wird. Da piezoelektrische Kristalle gewöhnlich als dünne Platten ausgebildet sind und daher keine große mechanische Festigkeit aufweisen, kann diese einseitige Einsp.annungsart leicht zu Beschädigungen des Kristall les führen.
• Diese Nachteile vermeidet die Erfindung durch eine derartige Ausbildung des Gebers, daß das rechteckige oder quadratische, plattige Kristallgebilde mit einer im Verhältnis zu seiner nutzbaren Fläche geringen Aufl.agefläche in seinem Schwerpunkt oder in dessen Nähe eingespannt bzw. gelagert ist und die trägen Massen an den oder in Ider Nähe der freien Enden des Kristallgebildes angebracht sind.
• Auf di.ese Weise, indem also der Kristall mit verhältnismäßig geringer Auflagefläche in seinem Schwerpunkt gehalten wird, können bei einigermaßen symmetrischer Ausbildung des Kristalles seine mit den trägen Massen belasteten Enden Schwingungen fast gleicher Amplitude ausführen. Der Schwerpunkt des Kristalles ist dann praktisch keinen Biegekräften mehr unterworfen, so daß die in die- -sem Punkt angreifende Halterung lediglich Zug- oder Druckkräfte senkrecht zur Kristallfläche ausübt. Es werden demnach die bei der bekannten Einspannungsart an der Einspannstelle auftretenden Biegekräfte grundsätzlich vermieden. Hierin liegt also ein wesentlicher Fortschritt.
• Darüber hinaus weist der beschleunigungsempfindliche Geber gemäß der Erfindung einen weiteren Vorteil auf. Dieser besteht in der Schallunempfindlichkeit des ganzen Gerätes.
• Je empfindlicher nämlich ein derartiger Geber ausgestaltet wird, desto mehr spricht er auf Luftschwingungen an. Diese Schwingungen sind als Schallschwingungen praktisch überall vorhanden, und sie können zu einer Verfälschung der messung führen, wenn man nicht Vorsorge trägt, daß sie unwirksam gernacht werden. Bei dem Geber nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Gehäuse möglichst hoher Eigenfrequenz vorgesehen ist, das außerdem noch innen oder außen bzw. nur auf einer Wandung mit schalldämpfenden Schichten, wie Asphalt, Harz o. dgl., überzogen ist. Diese Schalldämpfung hat nichts mit jenen; bei Tonabnehmern bekannten Dämpfungen zu tun, wo der Kristall durch angelegte Gummipolster vor zu starken Amplituden geschützt wird.
• Vielmehr kann bei dem vorliegenden Geber der Kristall völlig frei schwingen, und es werden lediglich die unerwünschten Schallschwingungen von ihm ferngehalten.
• Da man Seignette-Salz-Kristalle bereits in größeren Exemplaren gezüchtet hat, ist es möglich, Kristallplatten von einigen Zentimetern Länge zu präparieren und diese zu sehr empfindlichen Gebern in der erfindungsgemäßen Weise zu verarbeiten. Hierbei kann man erfindungsgemäß die Kristallplatten entweder länglich-rechteckig oder auch etwa quadratisch präparieren. Bei der länglichrechteckigen Ausbildung des Kristalls haltert man den Kristall zweckmäßig in oder in der Nähe seines Schwerpunktes auf einer möglichst geringen Auflagefläche. Als Auflage kann beispielsweise ein Gummiklotz oder @wulst dienen. Die trägen Massen, die zweckmäßig aus Metallklötzen bestehen, ordnet man in der Nähe der freien Enden der Kristallplatte an. Die Befestigung der Massen an dem Kristall bzw, des Kristalles auf seiner Auflagefläche kann selbstverständlich mittelseines Harzes oder eines Lackes erfolgen. Bei der quadratischen Ausbildung der Kristallplatte erfolgt die Lagerung ebenfalls in dem Schwerpunkt der Platte, und als Masse verwendet man zwei Körper der vorhin beschriebenen Art, die man erfindungsgemäß an zwei diametralen Ecken der quadratischen Kristallplatte anordnet. Für starke Amplituden bzw. sehr starke Beschleunigungskräfte kann man selbstverständlich auch die eben beschriebenen Angriffspunkte der Lagerung und der Massen miteinander vertauschen.
• Es ist selbstverständlich nicht erforderlich. daß nur eine einzige dünne Kristallpiatte verwendet wird. Da man Kristallplatten in sehr geringen Stärken präparieren kann, ist es sogar vorteilhafter, zwei oder mehr Platten in geeigneter kristallographischer Orientierung und mit dezwischen angebrachten leitenden Belegungen zu vereinigen und entsprechende Belegungen miteinander zu verbinden. Obgleich dadurch die Biegefestigkeit des Kristallgebildes höher wird, erzielt man aber eine wesentlich gesteigerte elektrische Wirkung.
• Durch geeignete Bemessung der trägen Massen kann man auch für kleine Beschleunigungskräfte bzw. Schwingungsamplituden eine genügende Durehbiegung des Kristallgebildes sichern.
• Der erfindungsgemäße Geber besitzt @ielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Wie bereits -erwähnt wurde, kann er für die Erfassung von Beschleunigungskräften bzw, mechanischen Schwingungen jeder Art verwendet werden. Aber auch für die Abtastung des Körperschalles, beispielsweise für physiologische Untersuchungen, also des Herzschalles usw., sowie für die Aufnahme des Bodenschalles bei der Bodenforschung ist das Gerät sehr gut geeignet.
• In der Zeichnung sind in Fig. l ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gebers und in Fig. 2 eine Schaltung zur Hervorhebund der tiefen Frequenzen dargestellt, die nicht den Gegenstand der Erfindung bildet, sondern nur zu deren ausführlicher Erläuterung angeführt ist.
• In einem verhältnismäßig starkwandigen Gehäuse 1, das, wie bereits erwähnt wurde, für bestimmte Zwecke mit einer luftschalldämpfenden Umkleidung 2 versehen ein kann, ist ein aus zwei Kristallplatten 3, 4 bestehendes piezoelektrisches Kristallgebilde angeordnet. Die Platten 3. 4 sind mit leitenden Belegungen 5, 6, 7 versehen, die mit ihnen durch Lack oder Harz verbunden sind. Zur Halterung des Kristalles dient ein Lager S auf das der Kristall bzw. die Belegung 7 aufgekittet ist. Sofern der Geber sehr starken Kräften unterworfen wird, ist es zweckmäßig. dem Lager 8 gegenüber mit der anderen Gehäusewandung verbunden ein hier nicht dargestelltes Gegenlager anzuordnen, so daß der Kristall zwischen beiden Lagern eingespannt ist. In der Nähe der beiden freien Eiiden des Kristallgebildes sind zwei träge Massen 9 und 10 angebracht. Die Befestigung dieser Körper kann ebenfalls durch Lack oder @ Harz erfolgen. Man kann selbstverständlich auch statt der beiden Körper g und 10 auf der Ober- und Unterseite des Kristalles Körper anbringen, die man zwedkmäß ig miteinander mechanisch verbindet. Diese Art der Befestigung hat den Vorteil, daß keine Belastung der Kittung zwischen den Kristallplatten bzw. zwischen den Belegungen und den Kristallpllatten auftreten. -Das ganze Gehäuse ist, wie bereits erwähnt wurde, luftdicht verschlossen und mit zwei Durchführungen 11 and 12 für die elektrischen Ableitungen der Kristallbelegungen versehen. Als Ableitung verwendet man am besten schmale; dünne, sehr weiche Metallbänder, beispielsweise Stanniolstreifen, die möglichst phne dämpfenden Einfluß auf die Schwingungen des Kristalles sind. Statt, wie hier dargestellt-ist, die Ableitungen an den freien Enden des Kristalles herauszuführen, kann man selbstverständlich, besonderes bei länglich-rechteckig ausgebildeten Kristallen, die Ableitungen 13, 14 auch an den Längsseiten in der Nähe des Lagers 8 vornehmen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Verwendung schmaler, dünner Metallstreifen eine Beeinflussung der Schwingungen des Kristalles praktisch bedeutungslos ist.
• In Fig. 2 ist das Kristallgebilde ohne Lager und Nassen mit den in Fig. I gebrauchten Bezugszeichen nochmals dargestellt. Die Ableitungen führen zu einem Verstärker 15, in dessen Ausgang ein anzeigendes oder schreibendes Meßgerät, beispielsweise eine Oszillo. graphenschleife I6, eingeschaltet ist. Man kann natürlich auch zur Aufzeichnung einen Elektronenstrahl oszillographen verwenden. In dem Leitungszuge zwischen Kristall und Verstärker sind zur Betonung bestimmter Frequenzen ein Kondensator I7 und ein Widerstand 18 eingeschaltet. Durch Änderung des Kondensators I7 ist es möglich, einen bestimmten Frequenzbereich jeweils an den Verstärkereingang zu legen. Da die bei langsamen Schwingungen vom Kristall, erzeugten Spannungen geringer sind als bei schnellen, muß der Verstärker 15 zweckmäßig mit einer Möglichkeit zur Regelung des Verstärkungsgrades versehen sein.

Claims (4)

1. P A T E N T A N S P R Ü C H E : 1. Beschleunigungsempfindlicher Geber, insbesondere zur Umwandlung mechanischer Schwingungen in elektrische Energie mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristall gebildes mit daran angebrachten trägen Massen, die Ibeim Auftreten von Beschleunigungskräften oder 5 Schwingungen Biegungen oder Biegeschwingungen des Kristallgebildes hervorrufen, dadurch gekennzeichnet, daß das rechteckige oder quadratische, plattige Kristallgebilde mit einer im Verhältnis zu seiner nutzbaren Fläche geringen Auflagefläche in seinem Schwerpunkt oder in dessen Nähe eingespannt bzw. gelagert ist und die trägen Massen an den oder in der Nähe der freien Enden des Kri staligebi 1 des' angebracht sind.
2. 2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die trägen Massen diametral an zwei Ecken des Kristallgebildes angebracht sind.
3. 3. Geber nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallgebilde mit seiner Lagerung und den Massen von einem vorzugsweise luft- und feuchtigkeitsdicht verschließbaren Gehäuse möglichst hoher Eigenfrequenz umgeben ist.
4. 4. Geber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse entweder innen oder außen oder innen und außen mit einer oder mehreren den Luftschall dampfenden Schichten, wie Asphalt, Harz o. dgl., überzogen ist.

   Zur Abgrenzung des Anmeldun,gsgegen-~ standes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften .... Nr. 590 996, 586488, +59926; -französische Patentschrift . . . - 772 835; Druckschrift »Schwing» 101 (MW.20.4.36) der Askania-Werke Akt.-Ges., Berlin-Friedenau, S. 25.