DE1766489B1 - Piezoelektrisch betriebener kristallresonator - Google Patents

Description

Ein derartiger Resonator ist bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 050 838). Bei diesem bekannten Resonator umgreifen die Stoßfänger die elastischen Arme in einem gewissen Abstand von 60 dem Stift, der am Kristall befestigt und längs einer Schwingungsknotenachse ausgerichtet ist. Jeder elastische Arm liegt dabei etwa parallel zu einer Oberfläche des Kristalls. Die Stoßfänger weisen eine

erheblich größere Steifigkeit auf als die elastischen 65 lieh, die Stoßfänger zusammen mit den federnden Arme. Wenn dieser Resonator einer Beschleunigung Armen einstückig auszubilden, wodurch sich eine ausgesetzt wird, bewegt sich der elastisch gehaltene wirtschaftliche Fertigung und sehr kleine Abmessun-Resonator gegenüber dem festen Gehäuse so weit, gen des Kristallresonators ergeben.

bildet, die eine Elastizität in Längsrichtung des Kristalles begründen.

bildet, wodurch sich keine schlagartige Abbremsung der Bewegung des Kristalls unter dem Einfluß starker Beschleunigungen ergibt.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Stoßfänger jeweils einen Teil einer elastischen Kristallaufhängung bilden und eine höhere Steifigkeit aufweisen als die den Kristall im Ruhezustand tragenden federnden Arme der Kristallaufhängung. Auf diese Weise ist es mög-

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Stoßfänger in zwei Hauptrichtungen elastisch sind, da sich auf diese Weise eine gleichmäßige Abbremsung der Bewegung des Kristalls unter dem Einfluß einer Beschleunigung ergibt.

Weiterhin ist es möglich, daß der am Kristall befestigte Stift der jeweiligen Kristallaufhängung frei in eine Kappe im Gehäuse hineinragt, die eine Anschlagplatte gegen eine Axialbewegung und einen Anschlagring gegen eine transversale Bewegung aufweist. Auf diese Weise wird die Schwingung des Kristalls bei Auftreten großer Beschleunigungen zwar starr begrenzt, da diese starre Begrenzung jedoch im Bereich der Schwingungsknotenachsen erfolgt, ergibt sich keine Störung der Schwingung des Kristalls.

In jedem Falle ist es vorteilhaft, wenn die federnden Arme der Kristallaufhängung Schleifen bilden, die eine Elastizität in Längsrichtung des Kristalls ergeben, da hierdurch die Schwingung des Kristalls am wenigsten gestört wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die perspektivische Ansicht eines stabförmigen Quarzkristalls, der Biegeschwingungen ausführt,

F i g. 2 die schematische Darstellung eines während der Resonanzschwingungen gebogenen Quarzstabes,

F i g. 3 einen Querschnitt durch einen bekannten piezoelektrisch betriebenen Kristallresonator, bei dem ein Quarzkristall in einem Gehäuse aufgehängt ist,

Fi g. 4 und 5 Querschnitte durch einen erfindungsgemäßen Quarzresonator, dessen Quarzstab Biegeschwingungen ausführt, und

F i g. 6 und 7 Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kristallresonators.

Gemäß F i g. 1 der Zeichnungen weist ein Quarzstab 1, der Biegeschwingungen ausführt, zwei Schwingungsknotenachsen auf. Der Quarzstab ist etwa in den Hauptrichtungen X und Y des Kristallgitters geschnitten. Die Bezugszeichen P und P' betreffen in F i g. 1 Schwingungsknotenpunkte, an denen die Schwingungsknotenachsen aus dem Quarzstab 1 austreten. Wenn mit L die gesamte Länge des Quarzstabs bezeichnet wird, befinden sich die Schwingungsknoten etwa im Abstand von 0,224 L von den freien Enden des Quarzstabs. Der Abstand / zwischen den Schwingungsknotenpunkten P und P' beträgt somit 0,552 L.

Mit der gleichen Bezeichnungsweise wie in F i g. 1 stellt die F i g. 2 den Quarzstab während seiner Resonanzschwingungen in stark gebogenem Zustand dar. Zwei strichpunktierte Linien sind Mittellinien des Quarzstabs und schneiden in jedem Schwingungszustand des Quarzstabes die Schwingungsknotenachsen.

Gemäß der Darstellung in F i g. 3 der Zeichnungen ist der Quarzstab 1 in einem Gehäuse 2 angeordnet und durch insgesamt vier elastische Drähte 3 gehalten. Jeweils ein Ende der elastischen Drähte 3 ist bei einem Schwingungsknotenpunkt P bzw. P' am Quarzstab angelötet, während das andere Ende von einem Metallstab 4 gehalten wird, der durch die Wand des Gehäuses 2 hindurchragt und gegenüber dem Gehäuse mit einer Durchführungsisolation 5 elektrisch isoliert ist.

Wenn der Quarzstab Resonanzschwingungen mit der Frequenz / ausführt, entsteht in den Schwingungsknotenachsen bzw. den Schwingungsknotenpunkten P und P' eine Rotation, wie dies klar aus F i g. 2 hervorgeht. Außerdem verkürzt sich der direkte Abstand / zwischen den Schwingungsknotenachsen periodisch, und zwar mit der doppelten Frequenz der Schwingungsfrequenz des Quarzstabs. Die Frequenz der periodischen Verkürzung beträgt also 2/.

Wenn die Kristallaufhängung den Qualitätsfaktor des gesamten Kristallresonators nicht sehr stark beeinträchtigen soll, muß sie in Längsrichtung des Quarzstabes 1 elastisch ausgebildet sein. Allerdings wird dann die Kristallaufhängung derart weich, daß der Quarzstab bereits unter dem Einfluß geringster Stöße oder anderer Beschleunigungen an den Innenwänden des Gehäuses 2 anschlägt.

Die im folgenden beschriebenen beiden Ausführungsformen der Erfindung dienen dazu:

a) zu verhindern, daß die elastischen Arme der Kristallaufhängung über die Elastizitätsgrenzen hinaus verformt werden,

b) zu verhindern, daß der Quarzstab 1 mit dem Gehäuse 2 in Berührung kommt und entweder ganz oder teilweise zerbricht,

c) Stöße elastisch aufzufangen und die Verschiebung des Quarzstabs im Gehäuse zu begrenzen, ohne die Resonanzschwingungen des Quarzstabs zu dämpfen oder zu stören,

d) zu verhindern, daß unter dem Einfluß von Stoßen oder anderen Beschleunigungen die elektrischen Zuleitungen durch Berühren mit Stoßfängern oder dem Gehäuse kurzgeschlossen werden.

In den F i g. 4 und 5 ist ein erfindungsgemäßer Resonator nur teilweise dargestellt, und zwar nur mit der Kristallaufhängung im Bereich einer Schwingungsknotenachse bzw. an einem Schwingungsknotenpunkt. Die Schwingungsknotenachse ist in F i g. 5 durch eine strichpunktierte Linie P dargestellt.

Gemäß den F i g. 4 und 5 wird ein Quarzstab 10 in einem Gehäuse 11 durch Aufhängungsglieder 12 und 13 gehalten. Die beiden Aufhängungsglieder befinden sich an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Quarzstabs. Das Aufhängungsglied 13 ist ebenso aufgebaut wie das Aufhängungsglied 12, so daß sich die Beschreibung im folgenden auf das Aufhängungsglied 12 beschränken kann.

Das Aufhängungsglied 12 weist einen schleifenförmigen Federarm 14 auf, dessen eines Ende das Ende eines Drahtstifts 15 hält. Der Stift ist in der Schwingungsknotenachse P ausgerichtet und am Quarzstab 10 fest verlötet. Das andere Ende des Federarms 14 geht in eine Bundplatte 22 über, die am Ende eines Stabs 19 befestigt ist. Der Stab 19 ragt durch das Gehäuse 11 nach außen. Eine Durchführungsisolation für den Stab 19 besteht aus einem Glasring 20, der in einer Manschette 21 gehalten ist. Die Manschette besteht aus Metall und ist am Gehäuse 11 verlötet.

Das Aufhängungsglied 12 weist außerdem einen Stoßfänger 16 auf, der im wesentlichen aus einem abgewinkelten Federarm 17 und einem am freien Ende des Federarms angeordneten offenen Ring 18 besteht. Das eine Ende des Federarms geht ebenfalls in die Bundplatte 22 über. Der offene Ring 18 umgreift mit einem gewissen Abstand den Stift 15.

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Der Federarm 14 ist derart elastisch, daß der erfindungsgemäßen Kristallresonators unmittelbar am

Quarzstab 10 sich unter dem Einfluß eines Stoßes Kristall aufgefangen, und zwar an Stellen, an denen

oder einer anderen Beschleunigung gegenüber dem der Kristall bei Resonanzschwingungen nur wenig

Gehäuse 11 in jeder Richtung verschieben kann. Ins- Bewegung aufweist.

besondere läßt die Schleifenbildung des Federarms 5 Gemäß der Darstellung in den F i g. 6 und 7 be-

14 eine periodische Verkürzung des Abstands zwi- findet sich ein Quarzstab 30 in einem Gehäuse 31. Es

sehen zwei Schwingungsknotenachsen ohne weiteres ist wiederum nur eine Schwingungsknotenachse P als

zu. Der Quarzstab kann also schwingen, ohne daß strichpunktierte Linie dargestellt. In dieser Schwin-

wesentliche Kräfte, die die Schwingung dämpfen gungsknotenachse sind zwei Drahtstifte ausgerichtet

könnten, über den Federarm 14 auf ihn übertragen io und am Quarzstab 30 befestigt, von denen der eine

würden. Stift mit der Bezugsziffer 35 gekennzeichnet ist. In

Der Federarm 17 des Stoßfängers 16 ist gegenüber einer weiteren, nicht dargestellten Schwingungs-

dem Quarzstab 10 derart abgeknickt, daß sich der knotenachse befinden sich gleichwertige Elemente,

offene Ring 18 in der Nähe des Quarzstabs befindet die der elektrischen Zuleitung zu den Oberflächen-

und etwa parallel zu dessen Oberfläche ausgerichtet 15 belegungen des Quarzstabs und der Aufhängung des

ist. Unter dem Einfluß eines Stoßes oder einer ande- Quarzstabs im Gehäuse 31 dienen. Von vier gleichen

ren Beschleunigung in Richtung der Schwingungs- Elementen wird im folgenden jeweils nur ein Element

knotenachse P bewegt sich der Quarzstab gegen die näher erläutert.

Kraft des Federarms 14 so lange, bis seine Ober- Ein Federarm 34 hält an seinem einen Ende den

fläche am Ring 18 anschlägt. Wenn die Beschleuni- 20 Stift 35. Das andere Ende des Federarms 34 ist am

gung groß genug ist, wird der Federarm 17 des Stoß- Ende eines Stabs 36 festgelötet. Der Stab 36 ragt

fängers elastisch verformt, so daß sich der Quarzstab durch die Wand des Gehäuses 31 und bildet die elek- Λ

noch weiter gegen das Gehäuse verschiebt. Allerdings irische Zuleitung zum Quarzstab 30 von außen. Ein

setzt der Federarm 17 einer weiteren Bewegung des von einer Manschette 38 gehaltener Glasring 37 bildet

Quarzstabs 10 einen wesentlich höheren Widerstand 25 die elektrische Durchführungsisolation für den Stab

entgegen als der Federarm 14. 36. Die Manschette 38 ist am Gehäuse 31 festgelötet.

Auch Stöße oder andere Beschleunigungen mit Der Federarm 34 besteht aus einem schleifen-

einer Komponente senkrecht zur Schwingungsknoten- förmig gebogenen Federdraht, der Bewegungen des

achse P werden vom Stoßfänger 16 aufgefangen. Stiftes 35 gegenüber dem Stab 36 in jeder Richtung

Wenn die Trägheitskraft des Quarzstabs 10 größer 30 zuläßt.

ist als die Federkraft des Federarms 14, stößt dabei Das freie Ende des Stiftes 35 ragt in eine Kappe

der Stift 15 gegen die innere Umrandung des offenen 42, die ebenfalls in das Gehäuse 31 eingesetzt und

Rings 18, so daß die Elastizitätskraft des Federarms mit diesem verlötet ist. In der Kappe 42 befinden

17 zusätzlich zur Elastizitätskraft des Federarms 14 sich ein Anschlagring 39, der mit Bezug auf die

am Quarzstab in Richtung seiner ursprünglichen 35 Schwingungsknotenachse P transversale Bewegungen

Stellung im Gehäuse 11 angreift. des Quarzstabs 30 bzw. des Stiftes 35 begrenzt, und

Das Aufhängungsglied 12 kann mit seinem Feder- eine Anschlagplatte 40, die mit Bezug auf die Schwin-

arm 14 und seinem Stoßfänger 16 aus einem Stück gungsknotenachse axiale Bewegungen des Quarzstabs

gefertigt sein und befindet sich während des Betriebs und des Stiftes begrenzt. Der Anschlagring 39 und

auf demselben elektrischen Potential. Der Stoßfänger 40 die Anschlagplatte 40 können aus Uhrensteinen ge-

16 braucht also nicht elektrisch isoliert zu sein, damit schnitten sein. Zwischen der Anschlagplatte und dem

bei Stoßen oder anderen Beschleunigungen Kurz- Anschlagring befindet sich als Abstandshalter ein

Schluß zwischen den verschiedenen elektrischen Zu- weiterer Ring 41. Der Stift 35 ist selbstverständlich λ

leitungen vermieden wird. Das Aufhängungsglied 12 weniger elastisch als der Federarm 34. ™

wird vorzugsweise aus Blech gestanzt oder mit Hilfe 45 Der Anschlagring 39 und die Anschlagplatte 40

von photochemischen Verfahren aus Blech her- können in bekannter Weise ihrerseits elastisch in der

gestellt, insbesondere wenn es sehr kleine Abmessun- Kappe 42 gelagert sein, und zwar in der Art, wie die

gen aufweist. stoßgesicherten Lager von Uhrenunruhen. Diese Art

Die bei Stoßen oder anderen Beschleunigungen von Lagerung ist an sich bekannt und wurde deshalb

auftretenden Kräfte werden vom Stoßfänger des 50 in den Zeichnungen nicht näher dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche: bis die elastischen Arme an den entsprechenden Stoßfängern anschlagen. Wenn die Beschleunigung groß genug ist, bewegt sich der Resonator auch noch weiter gegenüber dem 5 Gehäuse, allerdings gegen eine erheblich erhöhte Rückstellkraft, wobei die elastischen Arme der Resonatoraufhängung sehr stark belastet und möglicherweise außerhalb der Elastizitätsgrenzen bleibend verformt werden. Weiterhin ist es möglich, daß die Löt-

1. Piezoelektrisch betriebener Kristallresonator,
dessen vorzugsweise stabförmiger Kristall in den
Bereichen der Schwingungsknotenachsen von
federnden Armen gehalten wird, welche jeweils
an einem am Kristall befestigten und längs einer
Schwingungsknotenachse ausgerichteten Stift befestigt sind, wobei Stoßfänger vorgesehen sind, io stellen am Kristall während einer Beschleunigung welche die Beweglichkeit des Kristalls gegenüber unter sehr starker Belastung stehen und nach einiger dem Gehäuse beschränken, dadurch ge kenn- Zeit Ermüdungserscheinungen aufweisen können, zeichnet, daß die Stoßfänger (16, 17, 18, Schließlich ist es bei der bekannten Aufhängung Fig. 4 bis 5; 39, 40, Fig. 6 bis 7) die Stifte (15 nicht möglich, vertikale Stöße zu begrenzen, so daß bzw. 35) mit Abstand umgreifen und außerdem 15 die Stifte sehr stark belastet werden. Eine Verstärzur Beschränkung eines in der Knotenachsenrich- kung dieser Stifte ist jedoch nicht möglich, da andetung gerichteten Stoßes als seitlicher Anschlag renfalls die Schwingung des Resonators zu stark gefür den Kristall (10) dienen. dämpft wird.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch ge- Weiterhin ist es bereits bekannt (deutsche Patentkennzeichnet, daß die Stoßfänger (16, 17, 18) 20 schrift 970 230), den Resonator an relativ dünnen elastisch ausgebildet sind (F i g. 4 und 5). Tragdrähten aufzuhängen und eine übermäßige Be-

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch ge- wegung auf Grund von starken Beschleunigungen kennzeichnet, daß die Stoßfänger (16, 17, 18) durch starre, direkt auf den Resonator wirkende jeweils Teil einer elastischen Kristallaufhängung Stoßfänger zu begrenzen. Diese Art der Aufhängung (14,15, 22) sind und eine höhere Steifigkeit auf- 25 hat jedoch den Nachteil, daß bei Auftreten einer Beweisen als die im Ruhezustand tragenden Teile schleunigung der Resonator mit dem Stoßfänger an (14,15) der Kristallaufhängung (Fig. 4 und 5). einer Stelle in Berührung kommt, an der der Reso-

4. Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch nator starke Resonanzschwingungen ausführt. Diese gekennzeichnet, daß die Stoßfänger (16, 17, 18) Resonanzschwingungen werden dabei schwer gestört in zwei Hauptrichtungen elastisch sind (Fig. 4 30 oder zumindest stark abgedämpft. Außerdem besteht und 5). die Gefahr einer Beschädigung des Resonators bei

5. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch einer Berührung mit den starren Stoßfängern,
gekennzeichnet, daß der am Kristall befestigte Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stift (35) der jeweiligen Kristallaufhängung (34, piezoelektrisch betriebenen Kristallresonator der ein-36) frei in eine Kappe (42) am Gehäuse (31) hin- 35 gangs genannten Art zu schaffen, bei dem die einragt, die eine Anschlagplatte (40) gegen axiale elastische Aufhängung sowie die Stoßfänger in allen Bewegung und einen Anschlagring (39) gegen drei Richtungen wirksam sind. Dabei sollen der Retransversale Bewegung aufweist (F i g. 6 und 7). sonator sowie die Verbindungsstellen zwischen dem

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 Resonator und den Stiften nur sehr wenig belastet bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische 40 werden und die Schwingung des Resonators soll nicht Arm (14; 34) der Kristallauf hängung Schleifen beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stoßfänger die Stifte mit Abstand umgreifen und außerdem zur Beschränkung eines in der 45 Knotenachsenrichtung gerichteten Stoßes als seitlicher Anschlag für den Kristall dienen.

Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, daß die

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelek- Stoßfänger unabhängig in allen drei möglichen Stoßtrisch betriebenen Kristallresonator, dessen Vorzugs- richtungen wirksam sind und die Schwingung des weise stabförmiger Kristall in den Bereichen der 50 Kristallresonators nicht beeinträchtigen, da sie im Schwingungsknotenachsen von federnden Armen ge- Bereich der Schwingungsknotenachse wirken. Die halten wird, die jeweils an einem am Kristall be- federnden Arme dienen nur zur Aufhängung des festigten und längs einer Schwingungsknotenachse Kristallresonators und können daher so fein und ausgerichteten Stift befestigt sind, wobei Stoßfänger biegsam ausgebildet werden, daß sie die Schwingung vorgesehen sind, welche die Beweglichkeit des Kri- 55 des Kristallstabes nicht beeinflussen,
stalls gegenüber dem Gehäuse beschränken. Vorzugsweise sind die Stoßfänger elastisch ausge-