DE756697C

DE756697C - Piezoelektrisches Druckelement

Info

Publication number: DE756697C
Application number: DEZ26109D
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr-Ing Meurer
Original assignee: Zeiss Ikon AG
Current assignee: Zeiss Ikon AG
Priority date: 1940-11-24
Filing date: 1940-11-24
Publication date: 1952-12-22

Description

Piezoelektrisches Druckelement Es war bisher üblich, bei piezoelektrischen Druckelementen, wie sie z. B. zur Untersuchung und Messung von -Kräften und Drücken Verwendung finden, einen Quarz nach Abb. I zu benutzen, der dem eingezeichneten Pfeil entsprechend in Richtung der elektrischen Achse von den Kräften beeinflußt oder gedrückt wird. Bei einem solchen Quarz ist die bei der Einwirkung eines Druckes z. B. von 1 kg in Richtung der elektrischen Achse an den senkrecht zu dieser angebrachten Elektroden auftretende Ladung, welche für die piezoelektrischen Messungen allein ausschlaggebend ist, Q=B#K oder, da K=1 kg ist, Q = 2,1 10-11 Coulomb (B=2,1#10-11 Coulomb/kg ist die piezoelektrische Konstante des Quarzes). Ein in dieser Speise verwendeter Quarz ist zwar insofern vorteilhaft, als er relativ hohen mechanischen Beanspruchungen gewachsen ist. Der Nachteil eines solchen Quarzes besteht jedoch in der verhältnismäßig geringen Empfindlichkeit, die sich im übrigen aus der oben angegebenen Formel ergibt.
Es ist ferner bekannt. einen quarz zu verwerden, bei dem die Druck- oder Krafteinwirkung in Richtung einer neutralen und senkrecht zu einer elektrischen Achse des Quarzes und die Abnahme der Ladung an zwei Elektroden erfolgt, deren Flächen zu der betreffenden elektrischen Achse senkrecht stehen. Bei einem solchen Quarz (Abb. 2) ist die Ladung, welche auf den Elektrodenfiächen auftritt, Q=B#K#l/d. Beträgt K wieder 1 kg und wird die Länge l zu 2 cm und die Dicke d zu 0,1 cm angeommen, so ist l:d = 20 und somit die erzielte Ladung Q=42#10-11 Coulomb. Diese ist also im vorliegenden Fall @omal größer als bei der Anordnung nach Abb. 1. Der erzielten größeren Empfindlichkeit steht jedoch hier der Nachteil gegenüber, daß derartige lange Quarzlamellen eine geringe Knickfestigkeit und Verformungssteifigkeit besitzen: Um einen Quarzkörper hoher Knickfestigkeit und Verformungssteifigkeit zu erhalten, ist vorgeschlagen worden, den Quarzkörper in Form eines Zvlinders aus dem Kristall herauszuschneiden, und zwar derart, daß die neutrale Achse mit der Zvlinderachse zusammenfällt. Der herausgeschnitteile Ouarzkörper wird alsdann mit zentraler Längsbohrung versehen.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Abnahme der elektrischen Ladung bei einem derartigen piezoelektrischen Druckelement. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wandung der zentralen Längsbohrung eine geschlossene, gegen Erde isolierte Belegung erhält, während an der Mantelfläche des Zylinders senkrecht zur elektrischen Achse zwei voneinander isolierte Belegungen zur Abnahme der positiven und negativen Ladung vorhanden sind. Es ist zweckmäßig, einen hohlzylindrischen Ouarzkörper aus mehreren vorzugsweise längs der NIantellinie geschnittenen Teilen derart zusammenzusetzen, daß sich alle Flächen der Außenelektroden gleichnamig und entgegengesetzt zu allen Flächen der Innenelektroden polarisieren und die eine Elektrode auf der inneren Wandung und die andere Elektrode auf der äußeren Mantelfläche des Zylinders angel>racht ist.
Die Abb. 3 zeigt ein Beispiel dafür, wie ein halbzylindrischer Quarz aus dem Kristall herausgeschnitten worden ist. Mit einem ebensolchen zweiten halbzylindrischen Ouarz (Mantelstück) erfolgt die Zusammensetzung zu einem Hohlzylinder, bei dem die eine Elektrode auf der Wandung der inneren Bohrung und die andere Elektrode auf der äußeren Mantelfläche aufgebracht wird. Es ist vorteilhaft, die äußere Elektrode nicht die ganze Mantelfläche bedecken zu lassen, sondern nach den Stirnseiten des Zylinders hin einen schmalen Streifen auf dem Quarz zur besseren Isolation frei zu lassen. Dieser Streifen ist in den Abbildungen mlscllraffiert gelassen, während die Elektroden selbst durch Schraffur gekennzeichnet worden sind.
Eine höhere Empfindlichkeit des Quarzes erreicht man dadurch, daß der Quarzkörper nicht nur aus zwei Teilen, sondern aus drei, vier oder mehr Teilen zusammengesetzt wird.
Dies ist ohne weiteres verständlich, weil sidl bei feinerer Unterteilung in immer vollkommener Weise die Möglichkeit ergibt, die Mantelstücke des Zylinders so herzustellen. daß ihre Beläge (Elektroden) senkrecht zu einer elektrischen Achse liegen. Ein Beispiel dafür, wie der Quarz aus vier Teilen zusammengesetzt wird, zeigt die Abb. 4.
Es hat sich fernerhin als vorteilhaft erwiesen, die innere Elektrode in die Trennfugen zwischen den einzelnen Teilzylindern hineinzuziehen, und zwar bis auf einen für die Isolation erforderlichen Streifen. Auch dies-geht aus den Abbildungen hervor. Auf diese XVeise wird die wirksame Elektrodenfläche im Verhältnis zur gedrückten Fläche größer.
Der beschriebene Ouarz ist nicht nur für piezoelektrische Druckelemente geeignet, sondern kann auch in anderen Fällen Anwendung finden, wo es darauf ankommt, gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit, Knickfestigkeit und Verformungsstetigkeit zu erreichen.

Claims

PATENTANsPRÜcHE: I. Abnahme der elektrischen Ladungen bei piezoelektrischen Druckelementen mit hohlzylindrischen Quarzkörpern, bei denen die Zylinderachse mit der neutralen Achse des Kristalls zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere NVandung der zentralen Längsbohrung eine geschlossene gegen Erde isolierte Belegung erhält, während an der Mantelfläche des Zylinders senkrecht zur elektrischen Achse zwei voneinander isolierte Belegungen zur Abnahme der positiven und negativen Ladung vorhanden sind.
2. Abnahme der elektrischen Ladungen bei piezoelektrischen Druckelementen mit hohlzylindrischen Quarzkörpern, bei denen die Zylinderachse mit der neutralen Achse des Kristalls zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der hohlzylindriscllc Quarzkörper aus mehreren vorzugsweise längs der Mantellinie geschnittenen Teilen derart zusammengesetzt ist, daß sich alle Flächen der Außenelektroden gleichnamig und entgegengesetzt zu allen Flächen der Innenelektroden polarisieren und die eine Elektrode auf der inneren Wandung und die andere Elektrode auf der äußeren Mantelfläche des Zylinders angebracht ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode in die Trennfugen der einzelnen Zylinderteile bis auf einen zur Isolation erforderlichen Streifen hingezogen ist.