DE2001337C3 - Vorrichtung zum Aufhangen von Biegeschwingern und Verfahren zum Herstellen einer solchen - Google Patents

Description

Rieeeschwiriger bereits unter dem Einfluß geringster ς ößb oder anderer Beschleunigungen an den Innenänden des ihn aufnehmenden Gehäuses anschlagen ürde Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es ^forderlich, Stoßfänger vorzusehen, die die von den cchwiiigungsknotenachsen ausgehenden Stifte mit nem gewissen Abstand umgreifen und ebenfalls federnd ausgebildet sind, so daß bei einer übermäßigen Auslenkung der Arme eine Begrenzung der Bewegung d s Biegeschwingers erfolgt und verhindert wird, daß die elastischen Arme über die Elastizitätsgrenzen hinaus verformt werden. Durch die Verwendung getrennter Halterungsarme sowie eines zusätzlichen federnden Stoßfängers ergibt sich jedoch ein sehr komplizierter Aufbau, der insbesondere bei sehr kleinen Biegeschwinem wie sie beispielsweise bei Armbanduhren verwendet werden, sehr schwierig herzustellen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die möglichst kompakt und klein ist und die Stöße und Beschleunigungen in allen drei Richtungen, X, Yund Z und insbesondere in Richtung der Schwingung (X) dämpft und absorbiert, wobei eine Dämpfung der Eigenschwingung des Biegeschwingers möglichst gering sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bänder, die mit den Längsseiten ihrer Querschnitte parallel zur Hauptschwingungsrichtung verlaufen, je ein Torsionsstück und ein Biegestück aufweisen', daß die Torsionsstücke, die jeweils mit einem Ende'an den Knotenpunkten auf die seitlichen Flächen des Biegeschwingers angelötet oder angeschweißt sind, sich teilweise parallel zu den Schwingungsknotenachsen erstrecken und an ihren anderen Enden zur Vereinigung mit den Biegestücken gegen die Mitte des Schwingers in Richtung etwa senkrecht zu den Schwingungsknotenachsen abgebogen sind, und daß die Biegestücke jeweils in eine Bucht gebogen sind, die mit ihrer konvexen Seite gegen den Biegeschwinger gerichtet ist, wobei die Biegestücke sich auf einem wesentlichen Teil ihrer Länge in einer zur Hauptachse des Schwingers etwa parallelen Richtung und senkrecht zur Hauptschwingungsrichtung erstrecken.

Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung wird die Steifigkeit der Aufhängung bei Krafteinwirkung parallel zur Hauptschwingungsachse wesentlich vergrößert, so daß keine zusätzlichen Stoßfänger erforderlich sind, und gleichzeitig wird die Elastizität der Aufhängung in Längsrichtung des Biegeschwingers nicht beeinträchtigt.'Weiterhin sind keine getrennten, an dem Biegeschwinger befestigten Stifte erforderlich, so daß sich eine einstückige Ausbildung der einzelnen Aufhängungselemente ergibt, was insbesondere bei sehr kleinen Biegeschwingern vorteilhaft ist. Die relativ steife Ausbildung der Aufhängevorrichtung ermöglicht die Verwendung kleinerer Gehäuse, da die Schwingungamplituden des Biegeschwingers unter dem Einfluß äußerer Beschleunigungen kleiner sind. Durch den Fortfall zusätzlicher Stoßfänger ist weiterhin die Dämpfung der Eigenschwingung des Biegeschwingers bei Auftreten von äußeren Beschleunigungen verringert.

El U

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Torsionsstücke an ihren freien Enden zur Oberfläche des Biegeschwingers etwa parallel abgewinkelte Füßchen bilden, welche an der Seilenfläche des Biegeschwingers angelötet oder anpesehweißt sind.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung zum Aufhängen von piezoelektrisch betriebenen Biegequarzen in Kleinuhren, wie Taschen- oder Armbanduhren, werden gerade gestreckte Bänder aus Kupfer-Berylliumbronze zugeschnitten, kalt in ihre endgültige Form gebracht und dabei verfestigt und an einem Ende mit einer Gold enthaltenden Schicht versehen und mit einer Elektrodenschicht des Biegequarzes durch Schweißung verbunden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Biegeschwingers mit der Aufhängevorrichtung,

F i g. 2 den Querschnitt durch ein Gehäuse, in dem der X- V-Biegeschwinger aufgehängt ist, und

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Deckel und eine Seitenansicht der Aufhängevorrichtung und des Biegeschwingers nach F i g. 2.

Gemäß der Darstellung in F i g. 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 Biegeschwingers 1 soll die einer Koordinate X sein. Die in F i g. 1 eingezeichneten Koordinaten X, Y und Z bzw. -X, -Y und -Z entsprechen dem in der Kristallographie ebenso benannten Hauptrichtungen eines Kristallgitters.

In F i g. 1 sind als wesentliche Elemente der Aufhängevorrichtung zwei Bänder 2 und 3 dargestellt, die mit Füßchen 4 und 5 an einer der X-V-Flächen des Biegeschwingers angreifen. Die Füßchen 4 und 5 bestehen lediglich aus abgebogenen Enden der beiden Bänder 2 und 3, von denen je ein Stück der Fläche einer Breitseite etwa parallel zur A"-K-Fläche liegt und mit dieser durch Löten oder Schweißen verbunden ist.

Etwa parallel zu den Schwingungsknotenachsen des Biegeschwingers 1 verlaufen Torsionsstücke 6 und jedes der beiden Bänder 2 und 3. In den Torsionsstücken tritt im wesentlichen Torsionsspannung bei den Schwingungen des Biegeschwingers 1 auf. An den äußeren Enden der Torsionsstücke sind die Bänder in Richtung aufeinander zu abgebogen.

Die Biegungsrichtung steht im wesentlichen etwa senkrecht zu den Schwingungsknotenachsen und zur Schwingungshauptrichtung X. Die an die Torsionsstükke 6 und 7 anschließenden Stücke der Bänder, deren Hauptrichtung also etwa parallel zur Koordinate Y verläuft, lassen sich auch als Biegestücke bezeichnen, da in ihnen während der Schwingungen im wesentlichen Biegekräfte auftreten. In den Bereichen der Biegestücke 8 und 9 sind die Bänder 2 und 3 jeweils in eine Bucht und 11 gebogen, die gegen den Biegeschwinger gerichtet, ist. Durch diese Buchten wird die gesamte Aufhängevorrichtung in Richtung der Koordinate V elastisch und kann sich den Veränderungen des Abstands zwischen den beiden Schwingungsknotenachsen während der Schwingungsbewegungen anpassen. Theoretisch könnte man die Buchten 10 und 11 so stark ausgestalten, daß sie als Stoßfänger gegen die X-K-Flächen des Biegeschwingers 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.

Die freien Enden der Bänder 2 und 3 können starr mit Befestigungsstellen auf einem Träger verbunden sein.

Der 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.

Gemäß den Darstellungen in den F i g. 2 und 3 ist in einem Gehäuse 13 ein piezoelektrisch erregter Biegeschwinger 14 auf einem Deckel 15 des Gehäuses durch eine erfindungsgemäß ausgestaltete Aufhängevorrichtung befestigt. Die Aufhängevorrichtung besteht insgesamt aus vier identischen Verbindungsgliedern 16,17,18 i.s und 19, von denen der Einfachheit halber nur das Verbindungsglied 19 näher erläutert wird. Analog der Darstellung in F i g. 1 ist in F i g. 2 vom Biegeschwinger 14 eine der Y-Z-Flächen erkennbar, während die F i g. 3 vom Biegeschwinger 14 eine der X- Y-Flächen darstellt. Dementsprechend ist in F i g. 2 die Hauptschwingungsrichtung des Biegeschwingers senkrecht zur Zeichenebene und in F i g. 3 in der Zeichenebene senkrecht zur nicht besonders dargestellten Koordinaten Y, die jedoch derselben Koordinaten in F i g. 1 entspricht.

Beispielsweise das Verbindungsglied 19 besteht im wesentlichen aus dem Band 20, das einen rechteckigen Querschnitt aufweist, und aus einem Stab 21, der zu einer Glasdurchführung 22 im Deckel 15 gehört. Lötstellen 23 und 24 verbinden das Band 20 einerseits mit einer Elektrode des Biegeschwingers 14 und andererseits mit dem Stab 21. Die Lötstellen bestehen im wesentlichen aus einem Silberlot oder einer Goldlegierung.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel weist der Biegeschwinger 14 in der >'-Richtung eine Gesamtlänge von 23,8 mm, in der Z-Richtung eine Breite von 1,2 mm, in der X-Richtung eine Dicke von 0,8 mm und eine Resonanzfrequenz von 8192 Hz auf. Das Band 20 besteht aus Kupfcr-Bcrylliumbronze und hat einen Querschnitt von 0,2 mm Länge und 0,1 mm Breite. Die Gesamtlänge des Verbindungsglieds 19 ebenso wie die der anderen Verbindungsglieder beträgt in der Y-Richtung 2,6 mm, der mittlere Abstand des Stabs 21 vom Bicgcschwingcr in Z-Richtung ist 0,7 mm. Eine erste Biegung 25 am Ende des Torsionsstücks des Bands 20 hat einen Radius von 0,4 mm, während der Radius einer Bucht 26 im Band 0,25 mm beträgt. Der Scheitel der Biegung 25 ist 1,1 mm von der nächsten Oberfläche des Bicgcschwingcrs in Z-Richtung entfernt,

Die Fortschrittlichkeit der Erfindung Ittßt sich bei dem zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel daran ermessen, daß sich ein Qualitätsfaktor von der Größe 120 000 ergab und selbst nach konstanten Beschleunigungen von mehr als 500 g weder Frequenzänderungen noch bleibende Formänderungen festgestellt werden konnten. Stoßförmige Beschleunigungen können 1000 g weit überschreiten, ohne daß bleibende Schaden oder Fehlmessungen auftreten. Vergleichsweise dazu ergaben Messungen an Biegeschwinger, die in ähnlicher Weise mit Verbindungsgliedern runden Querschnitts aufgehängt sind, daß beim selben Qualitätsfaktor im Ruhezustand die Resonanzfrequenz bei Beschleunigungen im Bereich von 100 g unstabil und eine bleibende Formänderung in den Verbindungsgliedern festgestellt wurde. Diese Tatsache läßt sich im wesentlichen damit erklären, daß Bänder mit rechteckigem Querschnitt eben bei der erfindungsgemäßen Anordnung in der X-Richtung ein sehr großes Biegemoment aufweisen und somit zu starke Auslenkungen des Biegeschwingers 14 gegenüber dem Gehäuse 13 verhindern. Außerdem haben die Bänder mit rechteckigem Querschnitt den Vorteil, daß sie gegenüber Drähten mit rundem Querschnitt, deren Querschnittsfläche gleich ist, ein geringes Torsionsmoment aufweisen und somit geringere Reaktionskräfte auf den Biegeschwinger ausüben. Zu dem beschriebenen Erfolg trägt außerdem wahrscheinlich die Tatsache bei, daß die Befestigungsstellen der Bänder 16 bis 19 am Biegeschwinger 14 gegenüber den Knotenpunkten an den X- Y-Flächen nach außen verschoben sind. Damit fällt dann die vorher definierte virtuelle Schwenkachse eines solchen Bandes mit einer Schwingungsknotenachse des Biegeschwingers zusammen. Die virtuelle Schwenkachse ebenso wie die Schwingungsknotenachse verläuft etwa durch das erste Viertel der Biegung 25. Eine dritte Komponente, die zu dem beschriebenen Erfolg geführt haben mag, bestchi in der Auswahl des Materials für die Bänder der Verbindungsglieder 16 bis 19. Bisher wurde nämlich in der Technik für die Aufhängung von Biegequarzen immer Phosphorbronzc verwendet, während nunmehr erstmals Kupfer-Beryllium-Bronze vorgeschlagen wird. Dieses Material zeichnet sich durch sehr hohe Elastizität und Zähigkeit aus und verleiht den Verbindungsgliedern die Eigenschaften von vollwertigen Resonatoren, in denen jedenfalls nur wenig Energie vcrlorcngchl solange sie im Bereich ihrer eigenen Resonanzfrequenz schwingen.

Abschließend sei der Vollständigkeit halber erwähnt daß die ElcktriziUUszufuhr zum Biegequarz, über du Verbindungsglieder der Aufhangevorrichtung erfolgt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufhängen von X-V-Biegeschwingern mit zwei Schwhigungsknotenachsen, vorzugsweise als Gangordner in Zeitmeßgeräten, z. B. Taschen- oder Armbanduhren, die im Bereich von Knotenpunkten an den Austrittsstellen der Schwingungsknotenachsen auf den Oberflächen des Biegeschwingers angreift und Bänder mit etwa rechteckigem Querschnitt an Verbindungsgliedern zwischen Biegeschwinger und Befestigungsstellen auf einem Träger aufweist, wobei jeweils ein Ende jedes Bandes direkt am Biegeschwinger befestigt ist, während das andere Ende mit dem Träger in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (2,3) die mit den Längsseiten ihrer Querschnitte parallel zur Hauptschwingungsrichtung verlaufen, je ein Torsionsstück (6 bzw. 7) und ein Biegestück (8 bzw. 9) aufweisen, daß die Torsionsstücke (6, 7), die jeweils mit einem Ende an den Knotenpunkten auf die seitlichen Flächen des Biegeschwingers (1) angelötet oder angeschweißt sind, sich teilweise parallel zu den Schwingungsknotenachsen erstrecken und an ihren anderen Enden zur Vereinigung mit den Biegestükken (8, 9) gegen die Mitte des Schwingers (1) in Richtung etwa senkrecht zu den Schwingungsknotenachsen abgebogen sind, und daß die Biegestücke (8, 9) jeweils in eine Bucht (10,11; 26) gebogen sind, die mit ihrer konvexen Seite gegen den Biegeschwinger (1) gerichtet ist, wobei die Biegestücke (8,9) sich auf einem wesentlichen Teil ihrer Länge in einer zur Hauptachse des Schwingers (1) etwa parallelen Richtung und senkrecht zur Haupf.schwingungsrichtung erstrecken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsstücke (6 bzw. 7) an ihren freien Enden zur Oberfläche des Biegeschwingers (1) etwa parallel abgewinkelte Füßchen (4, 5) bilden, welche an der Seitenfläche des Biegeschwingers angelötet oder angeschweißt sind.

3. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zum Aufhängen von piezoelektrisch betriebenen Biegequarzen in Kleinuhren wie Taschen- oder Armbanduhren, dadurch gekennzeichnet, daß gerade gestreckte Bänder aus Kupfer-Berylliumbronze zugeschnitten, kalt in ihre endgültige Form gebracht und dabei verfesitigt werden und daß sie an einem Ende mit einer Gold enthaltenden Schicht versehen und mit einer Elektrodenschicht des Biegequarzes durch Schweißung verbunden werden.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufhängen von X- Y-Biegeschwingern mit zwei Schwingungsknotenachsen, vorzugsweise als Gangordner in Zeitmeßgeräten, z. B. Taschen- oder Armbanduhren, die im Bereich von Knotenpunkten an den Austrittsstellen der Schwingungsknotenachsen auf den Oberflächen des Biegeschwingers angreift und Bänder mit etwa rech»:kkigem Querschnitt an Verbindungsgliedern zwischen Biegeschwinger und Befestigungsstellen auf einem Träger aufweist, wobei jeweils ein Ende jedes Bandes direkt am Biegeschwinger befestigt ist, während das

andere Ende mit dem Träger in Verbindung steht.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (französische Patentschrift 9 80 022) sind die Bänder spiralförmig um die verlängerten Schwingungsknotenachsen gewunden. Auf diese Weise können während der Biegeschwingungen auf den Biegequarz nur sehr geringe Halterungs-Torsionskräfte rückwirken. Diese bekannte Aufhängevorrichtung ist jedoch in Richtung der Schwingungsknotenachsen derart weich, daß bereits der geringste Stoß genügt, um den Biegeschwinger gegen den nächstgelegenen Träger stoßen zu lassen. Diese Berührung des Biegeschwingers mit ruhenden Teilen, beispielsweise des Trägers oder der Aufhängung, ist jedoch unerwünscht, da hierdurch die Schwingungen des Biegeschwingers gedämpft werden. Bei der bekannten Vorrichtung müßte daher ein ausreichender freier Raum vorgesehen werden, um ein Anstoßen des Biegeschwingers an andere Teile zu verhindern. Dies ist jedoch in vielen Fällen auf Grund des geringen zur Verfügung stehenden Volumens nicht möglich. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Bänder bzw. die Aufhängevorrichtung so steif zu machen, daß sie das Aufschlagen des Biegeschwingers an anderen Massen verhindert. Dieser Möglichkeit steht jedoch die Forderung entgegen, daß dem Biegeschwinger über die Aufhängevorrichtung möglichst keine oder nur eine geringe Energie entzogen werden darf, da sonst Gangungenauigkeiten und gegebenenfalls unzulässige Energieverluste auftreten. Diese Forderung kann jedoch nur durch eine relativ weiche Aufhängevorrichtung erfüllt werden.

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung zum Aufhängen eines Biegeschwingers (deutsche Patentschrift 9 70 230) werden U-förmig gebogene Drähte verwendet, wobei an jedem freien Ende der Schenkel dieses U-förmigen Drahtes senkrecht zu diesem Schenkel verlaufende Drahtstücke abgebogen sind, die einerseits mit den Flächen des Biegeschwingers und andererseits mit einem Träger in Verbindung stehen. Diese Art der Aufhängung ist relativ weich, ermöglicht jedoch nur das Abfangen von Stoßen in maximal zwei Ebenen. Außerdem ist ein relativ großes Volumen für den Träger bzw. das Gehäuse des Biegeschwingers erforderlich, so daß seine Verwendung insbesondere in Verbindung mit tragbaren Zeitmeßgeräten oder modernen fernmeldetechnischen Ausrüstungen geringer Größe nicht sinnvoll ist. Andere drahtförmige Aufhängungen verwendende Vorrichtungen weisen zum Teil eine größere Steifigkeit auf, sie erfordern jedoch bei sehr kleinen Anordnungen eine höchst präzise Formgebung und benötigen ein Volumen, das beispielsweise in Armbanduhren oder miniaturisierten elektronischen Ausrüstungen nicht zur Verfügung steht.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zum Aufhängen eines Biegeschwingers bekannt (holländische Offenlegungsschrift 68 07 887), bei der der Biegeschwinger über längs einer Schwingungsknotenachse ausgerichtete Stifte von federnden Armen gehalten wird, die sich im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Biegeschwingers erstrecken. Diese Arme können als Bänder oder als Drähte mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet sein. Damit der Qualitätsfaktor nicht sehr stark beeinträchtigt wird, müssen die Arme in Längsrichtung des Biegeschwingers elastisch ausgebildet sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die Arme zu einer Bucht gebogen werden, die in den Zeichnungen parallel zur Hauptschwingungsrichtung verläuft. Hierdurch wird die Aufhängung des Biegeschwingers derart weich, daß der