DE903471C - Elektromechanisches Schwingungssystem - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 8. FEBRUAR 1954

I 3307 VIII a 13i a*

Marcel C. Tournier, Paris

ist als Erfinder genannt worden

Elektromeohamische Schwingungesysteme, welche aus piezoelektrischen Kristallen bestehen, sind bekannt und werden z. B. als Frequenznomrale verwendet. Bei ihrem Gebrauch ergeben sich aber Schwierigkeiten, insbesondere bei niedrigen. Frequenzen. Bei solchen Frequenzen erhalten die Kristalle große Dimensionen, so daß sie sehr kostspielig werden. Wenn die Kristalle eine sehr !genau festliegende Resonanzfrequenz erhalten sollen, macht auch das Schleifen besondere Schwierigkeiten. Wenn zufällig bei dem Schleifen des Kristalls die gewünschte¹ Frequenz überschritten wird, ist der Kristall für den Zweck unbrauchbar, da er nicht wieder verlängert werden, kann. Ferner muß der Kristall mit zwei Elektroden versehen werden, ohne daß dadurch die Dämpfung erhöht wird. Man muß daher teure und komplizierte Tragvorrichtungen verwenden. Die Kosten dieser Kristalle fallen auch sehr ins Gewicht, wenn man eine große Zahl von Kristallen, welche auf ver- ao schiedene Frequenzen eingestellt sind, verwenden muß, wie es z. B. bei, Filtern für Anlagen mit mehreren Trägenfrequenzkanälen der Fall ist.

Es ist schon bekannt, Sch'wingungssysteme zur Erzeugung von oberhalb des Hörbereiches liegenden Wellen zu verwenden. Die hierbei benutzten Schwingungssysteme bestehen aus drei Platten, deren mittlere eine Quarzplatte ist, während die beiden äußeren Platten aus Metall (bestehen. Die Metallplatten haben eine Dicke, welche gleich der

einer Viertel wellenlänge der in den Metallplatten auftretenden· elastischen Schwingungen ist. Durch die Vereinigung der Metallplatten mit der Quarzplatte hat man die abgegebene Leistung des Schwingungserzeugers erhöht.

Es ist auch bekannt, einen elektromechanischen Schwingungserzeuger aus einem piezoelektrischen Körper zu verwenden, mit dessen entgegengesetzten Enden zusätzliche Massen, welche z. B. aus· Metall ίο bestehen können, verbunden sind, um die Frequenz des Schwingungssystems zu verändern.

Eine solche Anordnung zeigt Abb. i. Dort ist das piezoelektrische Element mit ι bezeichnet, ■welches mit den Gliedern 2 und 3 gekoppelt ist. Die Kopplung zwischen den Gliedern 1 und 2 bzw. 1 und 3 ist derart, daß alle oder ein Teil der Schwingungen des piezoelektrischen Kristalls zu den Gliedern 2 und 3 übertragen werden. Um die maximale Belastung zu erhalten, wird 'die Ouarzplatte in der Mitte des Systems angeordnet.

Für die Bemessung der Glieder 2 und 3 ist die Kenntnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elastischen Wellen in den Massen notwendig, aus •denen die Glieder 2 und 3 bestehen. Aber auch bei der Kenntnis der Fortpflanzungsgeschwindigkeit ergibt die Ausführung dieser Glieder noch Schwierigkeiten.

Gemäß der Erfindung wird diesen Schwierigkeiten dadurch begegnet, daß für die Herstellung der Glieder 2 und 3 ein Material gewählt wird, deren elastische Wellen eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit besitzen, die im wesentlichen die gleiche ist wie in dem piezoelektrischen Element. Das kombinierte Schwingungssystem hat dann die gleichen Dimensionen wie ein Quarzelement gleicher Eigenfrequenz.

Glieder 2 und 3 können beispielsweise, ebenso wie das Element 1, eine zylindrische Form und auch die gleiche Dichte haben.

Es sei vorausgesetzt, d;aß die Dicke der Quarzplatte klein ist im Vergleich zu der ganzen Länge des zusammengesetzten Stabes. Wenn dieser kombinierte Stab die gleiche Amplitude erreicht hat wie ein homogener Kristallstab·, ist die maximale +5 kinetische Energie 'die gleiche.

Die Enden des Stabes; können durch Glieder ersetzt werden, deren Dichte ^₁ gleich oder größer ist als die Dichte ςο des Kristalls.

Ein weiteres Kennzeichen 'der Erfindung ist in der Befestigung der Glieder 2 und 3, die aus Stahl oder Aluminium bestehen können, an den Enden des Kristalls zu sehen, ohne daß dabei die Dämpfung des Schwingungssystems beträchtlich erhöht wird. Man kann die Metallteile vermittels eines Leimes, insbesondere des braunen Gummilackes, am dem Kristall befestigen. Das so hergestellte kombinierte Schwingungssystem ist durchaus dauerhaft und kann ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Einstellung der Frequenz der kombinierten. Schwingungssysteme. Die Form der Metallstäbe und/oder der Kristalle kann in weiten Grenzen geändert werden. Man kann ihnen z. B. statt einer zylindrischen die Kugelform geben. Auch ist eine axiale Symmetrie nicht erforderlich. Es genügt eine Symmetrie hinsichtlich einer Ebene. Die Glieder können auch konische Symmetrie zeigen usw. Eine der freien Oberflächen der metallischen Glieder kann durch eine kleine Masse 4 (Abb. 2) abgeschlossen werden, welche .aus einem weichen Metall, wie z. B. Lötmetall, besteht. Die Zuführungsdrahte 5 und 6 (Abb. 2) können direkt an die Metallglieder angelötet werden, wodurch die Montage beträchtlich erleichtert wird.

Die Frequenz des Schwingungssystems kann durch Hinzufügen eines Stückchens weichen Metalls 4 eingestellt werden, dessen Masse durch eine Feile geändert werden kann, selbst wenn das System schwingt. Eine derartige Justierung läßt sich sehr leicht mit großer Genauigkeit ausführen, im 'Gegensatz zu der bekannten Justierung eines Kristalls vermittels! Abschleifen«. Wenn· bei der erfindungsgemäßen Justierung zuviel Material entfernt worden ist, kann man wieder etwas hinzufügend \vas beim Abschleifen des Kristalls nicht möglich ist.

Die kombinierten Kristalle können mit Oberschwingungen erregt werden, d. h. also mit Frequenzen,, die höher ,als die Grundfrequenz sind. Wenn ein gewöhnlicher Quarzkristall mit der ra-ten Oberschwingung schwingt, zeigen Berechnungen, daß die Verhältnisse so liegen, als wenn der piezoelektrische Modul η² wäre. Wenn andererseits ein zusammengesetztes Schwingungssystem, bei 'welchem in der Mitte des Stabes ein piezoelektrisches Element liegt, mit einer Oberschwingung schwingt, ist die Elektrizitätsmenge, welche in der Mitte auftritt, die gleiche, wenn die elastische Deformation für die Oberschwingung genau so groß ist wie für die Grandschwingung. Versuche haben gezeigt, daß ein Stab dieser Art leicht mit der dreißigsten Obersohwingung erregt werden kann. Die Frequenz, mit welcher dias zusammengesetzte Schwingungssystem schwingt und welche durch Hinzufügen einer Belastunig erniedrigt werden kann, kann auch durch eine elastische Gegenkraft erhöht werden. Wenn also der Kristall oder das kombinierte Schwingungssystem zusammengedrückt wird, kann man die Schwimgungsfrequenz heraufsetzen und kontinuierlich durch den angewendeten Druck regeln.

Man kann auch Materialien verwenden, welche einen bestimmten Temperaturkoeffizienten haben.. Wenn man eine große Konstanz des Srihwingungssystems wünscht, können für die Glieder 2 und 3 z. B. die unter dem Warenzeichen bekannten Metalllegierungen Elinvar oder Invar benutzt werden, welche einen .sehr geringen Temperaturkoeffizienten besitzen. Dia beiden Glieder 2 und 3 können auch verschiedene Temperaturkoeffizienten haben. iao

In der Abb. 3 ist der Kristall 1 vermittels einer mit Gewinde versehenen Mutter 8 zwischen die beiden Glieder 2 und 3 geklemmt. Auf den Enden der Glieder 2 und 3, welche dem Kristall zugewendet sind, befinden sich entgegengesetzt gerichtete Gewinde.

In der Abb. 4 wird die Kopplung zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und den metallischen Gliedern 2 und 3 durch zwei Flansche 9 und 10 bewirkt, welche mit dem zweiteiligen Halteglied 7 in Eingriff kommen. Auf die beiden Teile des Gliedes 7, welche mit Gewinde versehen sind, wird ein mit Innengewinde versehener Ring aufgeschraubt, welcher die Glieder 2 und 3 gegen den Kristall 1 drückt.

Die Abb. 5 zeigt eine Tragvorrichtung für ein zusammengesetztes piezoelektrisches Element. Die Mutter 8 sitzt auf einem Fuß 11, welcher auf einem Rahmen 14 durch die Schrauben 12 und 13 befestigt ist. Das Zusammendrücken des zweiteiligen Gliedes 7 (Abb. 4) wird hier durch einen Steckschlüssel bewirkt, welcher in die Löcher 15 und 16 eingeführt wird. Die Teile 2 und 3 können auch elastisch gegen den piezeoelektrischen Kristall 1 gedrückt werden, wobei der angewendete Druck regulierbar ist. In

ao manchen Fällen kann man die Teile 2 und 3 an das piezoelektrische Element 1 kleben und außerdem noch die Teile 2 und 3 gegen das Element 1 pressen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Elektromecihanisches Schwingungssystem, welches aus einem piezoelektrischen Element besteht, an dessen Enden zusätzliche Massen mechanisch angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Massen aus einem Material bestehen, in weichem die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elastischen Wellen im wesentlichen .die gleiche ist wie in 'dem piezoelektrischen Element.
2. 2. Schwingungssystem nach Anspruch 1, 'dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der zusätzlichen Massen die gleiche oder größer ist als die Dichte des piezoelektrischen Elementes.
3. 3. Schwingungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient der Geschwindigkeit der elastisehen Wellen gleich Null oder sehr gering ist.
4. 4. Schwingungssystem mach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Quarz für das piezoelektrische Element die zusätzlichen Massen aus Stahl oder Aluminium bestehen.
5. 5. Schwingungssystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um den Druck zu ändern, mit welchem die zusätzlichen Massen gegen die Flächen des piezoelektrischen Körpers gedrückt wenden.

   Angezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrit Nr. 414764;
   französische Patentschrift Nr. 667 387.

   Hierzu r Blatt Zeichnungen

   5740 1.54