DE2001337A1 - Vorrichtung zum Aufhaengen von Biegeschwingern - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Aufhängen von Biegeschwingern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung' zum Aufhängen von Biegeschwingern mit zwei Schwingungsknotenachsen, die im Bereich von Knotenpunkten an den Austrittsstellen der Schwingungs-

₄knotenachsen auf den Oberflächen des Biegeschwingers angreift und Bänder mit etwa rechteckigem Querschnitt an Verbindungsgliedern zwischen Biegeschwinger und Befestigungsstellen auf einem Träger aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufhängen von X-Y-Biegequarzen als Gangordner in Zeitmessger&ten, vorzugsweise in tragbaren Zeitmessgeräten wie Taschenoder Armbanduhren.

Vorrichtungen zum Aufhängen von X-Y-Biegequarzen beispielsweise in tragbaren Zeitmessgeräten sollen zwei Bedingungen erfüllen, deren Verwirklichung im wesentlichen zu entgegengesetzten Konstruktionsmerkmalen führen. Die erste Bedingung besteht darin, dass der Biegequarz unter dem Einfluss von Stössen oder" regelmässigen Beschleunigungen nicht mit Massen in Berührung kommen darf, die seine Schwingungen abdämpfen könnten. Die Aufhängevorrichtung muss also so steif sein, dass sie das Aufschlagen des Quarzes an anderen Massen verhindert. Die zweite Bedingung besteht darin, dass über die Vorrichtung zum Aufhängen dem Biegequarz möglichst keine oder doch nur geringe Energie entzogen werden darf, da dies zu Gangungenauigkeiten des Biegequarzes und eben gegebenenfalls zu unzulässigen Energieverlusten führen würde. Gemäss der zweiten Bedingung soll also die Aufhängevorrichtung möglichst nur geringe Kräfte auf den Biegequarz in den Bereichen seiner grössten Bewegung rückwirken lassen und dementsprechend weich

Gerade bei Taschen- und Armbanduhren ist wegen des geringen zur Verfügung stehenden Volumens ein Kompromiss zwischen den beiden Bedingungen bezüglich ihrer Erfüllung nur sehr schwer zu finden, da einerseits gerade die zur Verfügung stehende Energie und andererseits das Volumen sehr gering sind.

Stossfänger der verschiedensten Art zum Aufhängen von Schwingquarzen wurden bereits bekannt. Sie erfordern jedoch in Grössenordnungen für tragbare Kleinuhren eine höchst präzise Porm-

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gebung und benötigen jedenfalls besonderen Raum, der beispieleweise in Armbanduhren nur schwer zu finden ist.

Es wurde auch schon eine Vorrichtung zum Aufhängen von Biegequarzen bekannt, die an Knotenpunkten dee Quarzes angreift und Bänder mit etwa rechteckigem Querschnitt an Verbindungsgliedern zwischen dem Quarz und uefestigungsstellen auf einem ιrager aufweist. Die Bänder bilden dabei Spiralfedern und sind um die verlängerten Schwingungsknotenachsen gewunden, idese bekannte Aufhängevorrichtung νF-Patentschrift 980 022; soll insbesondere den Vorteil haben, dass sie nur sehr geringe Torsionskräfte auf den Biegequarz während des-

k sen öchwingungsbewegungen rflckwirken lässt. Andererseits aber ist diese Aufhängevorrichtung ganz offensichtlich in Richtung der Schwingungsknotenachsen derart weich, dass bereits der geringste ütoes genügt, den Biegequarz gegen den nächst gelegenen Irager stossen zu lassen. Zum Aufhängen von Biegequarzen in tragbaren Kleingeraten ist also die bekannte vorrichtung keinesfalls geeignet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zum Aufhängen von Biegeschwingern zu schaffen, die gegenüber Stössen oder regelmäesigen Beschleunigungen verhaltnismassig steif ist und trotzdem die Eigenschwingung des .Biegeschwingers nicht beeinflusst. Insbesondere soll die Aufhängevorrichtung sehr einfach aufgebaut und billig

) sein und nur wenig Platz beanspruchen. Der unmittelbare Zweck, der mit der Erfindung verfolgt wird, besteht darin, einen möglichst kleinen Gangordner für eine Kleinuhr zu schaffen, der nur geringe Energie verbraucht.

Die erfindungsgemässe Lösung der genannten Aufgabe ist an der anfangs beschriebenen Vorrichtung verwirklicht und besteht darin, dass jeweils ein Ende jedes Bands direkt am Biegeschwinger befestigt ist, während das andere Ende mit dem Träger in Verbindung steht, dass ausserdem die Längsseiten der Querschnitte der Bänder etwa parallel zur Hauptschwingungsrichtung verlaufen, und dass die Bänder etwa senkrecht zur Hauptschwingungsrichtung und mindestens , teilweise in Richtung senkrecht zu den achwingungsknotenachsen abgebogen sind.

Die Bänder können etwa senkrecht zur Hauptschwingungsrich-009831/1521

tung mindestens jeweils zu einer Bucht gebogen sein» die gegen den Biegeschwinger gerichtet ist.

Damit werden insbesondere die Reaktionskräfte am Biegeschwinger gering gehalten, die dadurch entstehen» dass sich während der Schwingungen die Abstände zwischen den Knotenpunkten ständig verändern.

Wenn die Aufhängevorrichtung ia Bereich der Befestigungsetellen am Biegeechwinger weicher sein soll als in den übrigen Bereichen, sollen die zu den Schwingungsknotenachsen parallelen Komponenten der dichtungen, in denen sich die Bänder erstrecken, in den Bereichen der Schwingungsknoteaachsen grosser sein als die Summe aller übrigen derartigen Komponenten in den Bereichen ausserhalb der achwingungsknotenachstn.

Uie neue Aufhängevorrichtung kann unter Umständen schon so steif sein, dass ihre Befestigung am Biegeschwinger problematisch wird. Ss hat sich dabei als besondere vorteilhaft erwiesen, dass dl· am Biegeschwinger befestigten Bnden der Bänder Füsschen mit zur Oberfläche des üiegeschwingers etwa paralleler Kontaktfläohe aufweisen. Diο Püsschen können aus entsprechend abgebogenen Jfinden dtr bänder und die Kontaktflächen je aus einem Stück der Breitseite eines Bandes bestehen.

(tomäse einem anderen Vorschlag bestehen die Füsschen je aus einem gestauchten Ende eines Bande und die Kontaktflächen je am Indquerschnitt desselben Bands. Im Band mit rechteckigem Quersohnitt jedes Verbindungsglieds zwischen Biegeschwinger und üefestigungsstelle auf dem Träger entstehen Torsionakräfte und Biegekräfte während den Schwingungen des Biegeschwingers, wie lorsionskräfte treten insbesondere in dem xeil eines .Bandes auf, der etwa parallel zu einer Schwingungsknotenachse verläuft.

Der Torsion setzt ein Band der erfindungsgemässen Aufhängevorrichtung einen nur verhältnismässig geringen Widerstand entgegen. Da die Längsseiten des Querschnitts eines Bands etwa parallel zur Hauptschwingungsrichtung ausgerichtet sind, ist der widerstand gegen Biegung des Bands in der tiauptschwingungsrichtung des Biegeschwingers verhältnismässig gross. Dennoch lassen sich

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periodische Biegungen eines Bands der beschriebenen form in der Aufhängevorrichtung nicht verhindern, selbst wenn reine Torsionskräfte auf das Ende des üands einwirken würden, das an Biegeschwinger befestigt ist. Dieses isnde führt also Schwingungsbewegungen angenähert entlang einem Kreisbogen aus. Durch den Mittelpunkt su dem Kreisbogen verläuft eine virtuelle schwenkachse, um die, vom .biegeschwinger aus gesehen, das Band des Verbindungsglieds zwischen Biegeschwinger und Befestigungsstelle auf dem ιrager periodisch schwenkt.

uemäss einer besonderen Weiterbildung des Erfindungegedankens sollen nun die einen JSnden der Bänder jeweils an gegenüber den Knotenpunkten versetzten stellen des Biegeschwingers befestigt sein, an denen vom Biegeschwinger auf die Bänder übertragene Botationskräfte und Translationekrafte in den Bändern periodische Deformationen im Elastizitätsbereich erzeugen, deren virtuelle schwenkachsen, bezogen auf die Befestigungestellen, etwa mit den achwingungsknotenachBen zusammen fallen. Somit bilden die Bänder Teile des gesamten Schwingungssystems. Zweckmäesigerweise ist dabei jedes Band nach Elastizität, Länge und Massenverteilung etwa im Bereich der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers selbst resonant.

Bei einer Vorrichtung zum Aufhängen eines Ji-Y-Biegequarzes in einer Taschen- oder Armbanduhr hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, dass der Biegequarz in einem eigenen Gehäuse unter Vakuum angeordnet und mit seinen i-ii-iJ'lächen parallel sum Deckel des gehäuses auf diesem befestigt ist, und dass die Bänder einerseits an den X-I-J?'lächen des Biegequarzes angreifen, während sie andererseits an Stäben von isolierten Durchführungen im Deckel gehalten sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel mit üilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert- in den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 die perspektivische Ansicht eines schematischen Modells eines Biegeschwingers, an dem eine Aufhängevorrichtung angeordnet ist,

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Figur 2 den Querschnitt durch ein Gehäuse, in dem ein Χ-ϊ-.üiegequarz aufgehängt ist, und

Figur 3 einen Querschnitt durch den Deckel und eine Seitenansicht der Aufhängevorrichtung und des Biegequarzes nach Figur 2.

ü-emäss der Darstellung in Figur 1 bildet ein im Querschnitt rechteckiger Stab 1 einen Biegeschwinger, dieser Biegeschwinger kann in an sich bekannter Weise aus einem kristall geschnitten und piezoelektrisch in Schwingungen versetzt sein.

Andere Biegeschwinger derselben Form lassen sich auch beispielsweise magnetostriktiv erregen. Die Hauptschwingungsrichtung des Jöiegeschwirigers 1 soll die einer Koordinate Σ sein, üie in Figur 1 eingezeichneten Koordinaten X, Y und L bzw. -X, -Ϊ und -Z entsprechen dem in der üristallographie ebenso benannten Hauptrichtungen eines Kristallgitters.

xn Figur 1 sind als wesentliche .Elemente einer erfindungsgemäss ausgestalteten A¹IfhangeTorriohtuiig awei Bänder 2 und 3 dargestellt, die mit Füsschen 4 und 5 an einer der Χ-ϊ-Flächen des Biegeschwingers angreifen, vie Füsschen 4 und 5 bestehen lediglich aus abgebogenen Enden der beiden Bänder 2 und 3, von denen je ein Stück der ü'läche einer Breitseite etwa parallel aur X-I-Jrläche liegt und mit dieser durch Löten oder ochweissen verbunden ist.

Etwa parallel zu den Schwingungsknotenachsen des .Biegeschwingers 1 verlaufen Torsionsstücke 6 und 7 jedes der beiden .bänder 2 und 3· i-n den xorsionsstücken tritt im wesentlichen xorsionsspannung bei den Schwingungen des .Biegeschwingers 1 auf. An den ausseifen Enden der Torsionsstücke sind die Bänder in Jtichtung aufe inanderzu abgebogen.

Die Biegungsrichtung steht im wesentlichen etwa senkrecht zu dex Schwingungsknotenaohsen und zur öchwingungshauptriclitung JL. Die an die? Torsionsstticke 6 und 7 anschliessenden Stücke der Bänder, deren Jiauptrichtung also etwa parallel zur coordinate I verläuft, lassen ai.ch auch als Biegsptüüke bezeichnen, da in limen während

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der schwingungen im wesentlichen tüegekräfte auftreten, xn den tiereichen der jöiegestücke 8 und 9 sind die Bänder 2 und 3 jeweils in eine bucht 10 und 11 gebogen» die gegen den Biegeschwinger 1 gerichtet ist. Durch diese .Buchten wird die gesamte Aufhängevorrichtung in Richtung der Koordinate Y elastisch und kann sich den Veränderungen des Abstands zwischen den beiden cichwingungsknotenachsen während der Schwingungsbewegungen anpassen, xheoretisch könnte man die .Duchten 10 und 11 so stark ausgestalten, dass sie als ütossfanger gegen die ^-Y-Flachen des uiegeschwingers 1 stossen, wenn dieser bei außergewöhnlich starken Beschleunigungen zu sehr ausgelenkt wird. Versuche haben jedoch gezeigt, dass dies sicherlich in den meisten Fällen nicht notwendig sein wird.

uie freien finden der Bänder 2 und 3 können starr mit Defestigungsstellen auf einem χrager verbunden sein.

uer Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, dass ein Biegeschwinger üblicherweise nicht einseitig gehalten ist, und dass an der nicht sichtbaren X-Y-Fläche des Biegeschwingers Verbindungsglieder angreifen, die den sichtbaren Verbindungsgliedern mit den Bändern 2 und 3 gleichen.

G-emäss den Darstellungen in den Figuren 2 und 3 ist in einem Gehäuse 13 ein piezoelektrisch erregter Biegequarz 14 auf einem Deckel 15 des üehäuses durch eine erfindungsgemäss ausgestaltete Aufhängeverrichtung befestigt. Die Aufhängevorrichtung besteht insgesamt aus vier identischen Verbindungsgliedern 16, 17, 18 und 19, von denen der Einfachheit halber nur dad verbindungsglied 19 näher erläutert wird. Analog der Darstellung in Figur 1 ist in Figur 2 vom ßiegequarz 14 eine der Y-Z-Flächen erkennbar, während die Figur 3 vom Biegequarz 14 eine der X-Y-Flächen darstellt. Dementsprechend ist in Figur 2 die nauptschwingungsrichtung dir- .üiegequarzes senkrecht zur /.,eichenebene und in Figur 3 in der ^eichenebene senkrecht zur nicht besonders dargestellten koordinaten Y, die jedoch derselben Koordinaten in Figrir 1 entspricht.

Beispielsweise das Verbindungsglied 19 beau.'·., im wesentlichen aus dem Band 20, das einen rechteckigen yuerschnitt aufweist, und au3 einen ütab 21, der zj. einer Gl,^durchführung 22 im Deckel

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gehört. Lötetellen 23 und 24 verbinden das Band 20 einerseits mit einer elektrode des Biegequarzes 14 und andererseits mit dem stab 21· Die Lotsteilen bestehen im wesentlichen aus einem Silberlot oder einer Goldlegierung.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel weist der Biegequarz 14 in der T-üichtung eine Gesamtlänge von 23,8 mm, in der Z-Richtung eine .breite von 1,2 mm, in der X-Richtung eine nicke von 0,8 an und eine Resonanzfrequenz von 8Ί92 Hz auf. Das Band 20 besteht aus Äupfer-Berylliuebronce und hat einen Querschnitt von 0,2 mm Länge und 0,1 mm Breite, nie ü-e samt länge des Verbindungsglieds 19 ebenso wie die der anderen Verbindungsglieder beträgt in der X-Richtung 2,6 mm, der mittlere Abstand des Stabs 21 vom Biegequarz in Z-Richtung ist 0,7 mm. üine erste Biegung 25 am Ende des Torsioneetücke des iJands 20 hat einen Kadius von 0,4 mm, während der Kadius einer Bucht 26 im Band 0,25 mm beträgt, ner acheitel der Biegung 25 ist 1,1 mm von der nächsten Oberfläche des Biegequarzes in α-Richtung entfernt.

ide Fortschrittlichkeit des Anmeldungsgegenstandea läüst sich bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispisl daran ermessen, dass sich ein Qualitätsfaktor von der trosse 120¹OOO ergab und selbst nach konstanten Beschleunigungen von mehr als 500 g weder Frequenzänderungen noch bleibende iormänderungen festgestellt werden konnten, ötossförmige Beschleunigungen können 10G0 g weit überschreiten, ohne dass bleibende Schaden oder Fehlmessungen auftreten. vergleichsweise dazu ergaben Kessungen an Biegequarzen, die in ahnlicher weise mit Verbindungsgliedern runden Querschnitts aufgehängt sind, dass beim selben Qualitätsfakter im Ruhezustand die Resonanzfrequenz bei Beschleunigungen im Bereich von 100g unstabil und eine bleibende Formänderung in den Verbindungsgliedern festgestellt wurde, niese Tatsache lässt, sich im wesentlicher, üatrsit orkliUS.L, ä?.s3 .Bänder mit rechteckigem Querschnitt eben bei der erfiisoung^^V^assen Anordnung in der X-Hichtung ein sehr grosees Biegefflcmyy.; au:.* isen und somit zu starke Aualenkungen dec ßxr_;.s-vnr.·"??-'^ V.1 g^c'nzlhev dem Gehäuse 13 verhindern. Ausserdes habsu die ... · TAt . ^:;cht.- rki em Querschnitt den vorteil, dass sie gegenüber ji cc v. --m^'"" „uer-

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schnitt, deren yuersehnittsflSehe gleich ist, ein geringeres Tor-Bloneoionent aufweisen und sonit geringere neaktionskräfte auf den Biegequars ausüben. Zu dem beschriebenen Erfolg trügt aueeerdem wahrscheinlich die Tatsache hei, dass die üefestigungsstellen der Bänder 16 - 19 an uiegequarz 14 gegenüber den Knotenpunkten an den X-T-Plfichen nach auaeen verschoben sind, juamit fällt dann die rorher definierte virtuelle schwenkachse eines solchen Bandes «it einer Schwingungeknotenachse des uiegequar«es zusammen. Sie virtuelle Schwenkachse ebenso wie die Schwingungsknotenachee verläuft etwa durch das erste Viertel der Biegung 25. Bine dritte Komponente, die su de« beschriebenen Jsrfolg geführt haben nag, besteht in der Auswahl des Materials für die Sander der Verbindungsglieder 16 - 19. Bisher wurde nämlich in der Technik für die Aufhängung von Siegequarsen Iner Phosphorbronce verwendet, während nunmehr erstmals ILupfer-Beryllium-Bronce vorgeschlagen wird· Dieses Material «eichnet eich durch sehr hohe Slastisittt und Zähigkeit aus und verleiht den Verbindungsgliedern die ligenschaften von vollwertigen ßeeonatoren, in denen jedenfalls nur wenig Inergie verloren geht, solange sie i> Bereich ihrer eigenen lesonansfrequens schwingen.

Abschliessend sei der VollstSndigkeit halber erwähnt, das« die Hektrlzitätssufuhr xum Biegequars Über die Verbindungsglieder der Aufhängevorrichtung erfolgt.

äelbstverstSndlich ist die Xrfindung nicht auf das uebiet der ^eitaesstechnik beschränkt.

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Claims (1)

1. ©rrichtung zum Aufhängen von Biege schwingern mit zwei χ Sehwingangsknotenachsen, vorzugsweise von. X-Y-Biegequarzen in Zeitmessgerät en, Sie im Bereich von Knotenpunkten an den Austrittsstellen der Schwingungsknotenaehsen auf den Oberflächen des Biegeschwingers angreift und Bänder mit etwa rechteckigem Querschnitt an Verbindungsgliedern zwischen Biegeschwinge? und Befestigungsstellen auf einem frager aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Bade jedes Bands direkt am Biegeschwinger befestigt ist, während das andere Inde mit dem Träger in Verbindung steht, dass ausserdem die Längsseiten der Querschnitte der Bänder etwa parallel zur Hauptsehwingungsriehtung verlaufen, und dass die Bänder etwa senkrecht zur Hauptschwingungsrichtung und mindestens teilweise in Richtung senkrecht zu den aehwingungsknötenachsen abgebogen sind.

   2) vorrichtung^ naohr Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder etwa senkrecht zur Hauptschwingungsrichtung mindestens jeweils zu einer Bucht gebogen sind, die gegen den Biegeschwinger gerichtet ist«

   3) Vorrichtung nach Anspruch 2), dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Schwingungsknotenachsen parallelen Komponenten der dichtungen, in denen sich die Bänder erstrecken, in den Bereichen der Schwingungsknotenachsen grosser sind als die Summe aller übrigen derartigen" Komponenten in den Bereichen ausserhalb der öchwingungsknotenachsen.

   4) Vorrichtung nach Anspruch 1;, dadurch gekennzeichnet, dsfs die am Biegeschwinger befestigten Enden der Bänder nüsschen mit zur Oberfläche des Biegeschwingers etwa paralleler Kontaktfläche aufweisen.

   5) vorrichtung nach Anspruch 4)» dadurch gekennzeichnet, dass die .russchen aus entsprechend abgebogenen Enden der sander und die .kontaktflächen je aus einem stück der Breitseite eines Bandes

   S) vorrichtung nach Anspruch 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Füssehen je aus einem gestauchten Ende eines Bands und die

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   Kontaktflächen je am jsndquerschnitt des .oandee bestehen.

   7) vorrichtung nach Anspruch 1/, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Enden der Bänder jeweils an gegenüber den Knotenpunkten versetzten otellen des jsiegeschwingers befestigt* sind, an denen von Biegeschwinger auf die Bänder übertragene Rotationekr&fte und Translationskräfte in den .Bändern periodische Deformationen im BIastizitätsbereich erzeugen, deren virtuelle ochwenkachsen, bezogen auf die Befestigungestellen, etwa mit den achwingungsknotenachsen zusammenfallen, und dass somit die Bänder Teile des gesamten ochwingungssystems bilden.

   8; vorrichtung nach Anspruch Ij, dadurch gekennzeichnet, dass jedes .band nach Elastizität, .Länge und Hassenverteilung etwa im Bereich der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers selbst resonant ist.

   9) Vorrichtung nach Anspruch 1;, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder aus Kupfer-Berylliumbronce bestehen.

   10) Vorrichtung nach Anspruch 1), zum Aufhängen von piezoelektrisch betriebenen Biegequarzen auf deren Oberflächen sich verschiedene Elektrodenschichten befinden, dadurch gekennzeichnet, dass Bänder aus Kupfer-Berylliumbronce jeweils direkt mit einer der Elektrodenschichten verbunden sind und elektrische Zuleitungen bilden.

   11) Vorrichtung nach Anspruch 1 j, zum Aufhängen eines JL-Y-Biegequarzes in einer Taschen- oder Armbanduhr, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegequarz in einem eigenen Gehäuse unter Vakuum angeordnet und mit seinen i-Z-iflächen parallel zum i»eckel des Gehäuses auf diesem befestigt ist, und dass die Bänder einerseits an den X-T-Plächen des Biegequarzes angreifen, während sie andererseits a*n Stäben von isolierten Durchführungen im Deckel gehalten sind.

   12) Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-11, zum Aufhängen von piezoelektrisch betriebenen Biegequarzen in Kleinuhren wie xaschen- oder Armbanduhren, dadurch gekennzeichnet, dass gerade gestreckte Bänder aus juipfer-Berylliumhronce zugeschnitten, kalt in ihre endgültige Form gebracht und dabei verfestigt werden und dass ihre einen Enden mit einer ijold ent-

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   haltenden Schicht versehen -und mit einer Elektrodenechicht des Biegequarzee durch üchweisaung verbianden werden.

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