DE2209033A1

DE2209033A1 - Befestigungsvorrichtung fur einen Kn Stallstab, insbesondere fur Oszillatoren

Info

Publication number: DE2209033A1
Application number: DE19722209033
Authority: DE
Inventors: Guy Sartrouville Vidal Pierre Courbevoie Gibert, (Frankreich)
Original assignee: CEPE
Current assignee: CEPE
Priority date: 1971-02-26
Filing date: 1972-02-25
Publication date: 1972-09-07
Also published as: FR2127184A5; CH551704A; US3906249A; GB1376671A

Description

COMPAGNIB d'ELECTRONIQUE et' de
PIEZO-ELECTRICITE - C.E.P.E.

101, Rue du President-Roosevelt
Sartrouville/Frankreich

Unser Zeichen: C 2878

Befestigungsvorrichtung für einen Kristallstab, insbesondere für Oszillatoren

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingkristalle für Zeitgeber, deren Schwingungen gewöhnlich elektrisch durch den piezoelektrischen Effekt mit Hilfe von geeignet angebrachten Elektroden aufrechterhalten werden, und die in den meisten Fällen durch einen Quarzkristall gebildet sind, der in bestimmten Richtungen geschnitten ist, die mit seinem Kristallgitter verknüpft sind.

Im Fall von niedrigen Frequenzen, die beispielsweise zwischen einigen Kilohertz und einigen 10 Megahertz liegen, haben die verwendeten Quarzelemente die Form von länglichen Stäben, deren Querschnitt einem Quadrat angenähert ist, und die mit Elektroden von solcher Form und Anordnung versehen sind, daß die erhaltenen Schwingungen in einer Biegebewegung des ganzen Stabes erfolgen.

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Wegen der Notwendigkeit, den schwingenden Quarz in Halterungen zu befestigen, üblicherweise durch Lötstellen, entsteht jedoch eine beträchtliche Schwierigkeit, nämlich die Übertragung von mechanischer Energie von dem Quarz auf diese Halterungen oder Aufhängevorrichtungen, wodurch die Betriebseigenschaften, die der Quarz für sich allein hat, verändert werden; diese Änderungen entwickeln sich im Lauf der Zeit infolge der Alterung der Lötstellen weiter.

Diese Erscheinungen werden dadurch herabgesetzt, daß als Befestigungspunkte für die Aufhängungsglieder am Quarz die Punkte gewählt werden, die üblicherweise "Knotenpunkte" genannt v/erden, und an denen die Amplitude der Schwingung am kleinsten ist.

Die Weiterentwicklung der industriellen Bedürfnisse führt jedoch zur Verwendung von immer kleineren Quarzen, so daß die Abmessungen der Aufhängungsglieder in Bezug auf diese Quarze nicht mehr vernachlässigbar sind, was zu wachsenden Schwierigkeiten bei der Ausbildung von genauen und vollkommen reproduzierbaren Befestigungen führt und schliesslich eine massige Fertigungsregelmässigkeit und zeitliche Stabilität zur Folge hat.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Befestigungsvorrichtung, die diesen Nachteil nicht aufweist.

Nach der Erfindung ist eine Befestigungsvorrichtung für einen quaderförmigen Kristallstab, der mechanische Schwingungen in einer Biegeschwingungsform in einer Ebene ausführen kann, die parallel zu der Ebene der Befestigungsflächen des Quaders liegt, mit einem feststehenden Träger und Aufhängungsdrähten, die jeweils an einem Ende an

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dem Träger und am anderen Ende an dem Kristall an Punkten minimaler Schwingung auf den Befestigungsflächen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende jedes Aufhängungsdrahtes an der entsprechenden Befestigungsfläche mit einem Teil der Seitenfläche des Aufhängungsdrahtes befestigt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 eine nach dem Stand der Technik ausgeführte Aufhängung svorri chtung,

Fig. 2 eine Aufhängungsvorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 3, 4 und 5 andere Ausführungsformen der Aufhängungsvorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Aufhängungsvorrichtung bekannter Art, die bei einem eine Biegeschwingung ausführenden Quarzstab angewendet ist. Sie enthält einen feststehenden Träger 1, an dem Aufhängungsdrähte 2 befestigt sind, deren Enden an der Oberfläche des Quarzstabes 3 an vier Knotenpunkten 4, 5, 6, 7> d.h. Punkten kleinster Schwingung enden.

Diese Punkte liegen auf den Längsachsen der Flächen 8 und 9 in besonderen Abständen von den Enden, die bei der angev/endeten Biege Schwingungsform gleich dem 0,224-fachen der Gesamtlänge des Stabes sind.

Im Betrieb entsteht unter dem Einfluß von elektrischen Feldern, die über nicht dargestellte Elektroden an den piezoelektrischen Stab angelegt werden, ein Schwingungszustand in einer Biegeschwingungsform, der eine ab-

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wechselnde Verformung der mittleren Faser zwischen zwei Endstellungen 13 und 14 ergibt, die der Klarheit wegen mit einer übertrieben grossen Amplitude in Fig. 1 dargestellt sind.

Diese Wechselbewegung ergibt eine abwechselnde Verdrehung des Aufhängungsdrahtes durch Drehung seines Endes in der Richtung der Pfeile mit der Schwingungsfrequenz des Quarzes, wobei sich diese Torsionsschwingungen bis zu dem Teil des feststehenden Trägers ausbreiten, an dem die Aufhängung befestigt ist. Der Aufhängungsdraht verhält sich also wie eine Übertragungsleitung für eine mechanische Wechselenergie, deren Auswirkung auf den richtigen Betrieb des Quarzes eingangs gezeigt worden ist.

Es ist bekannt, bei solchen Leitungen die übertragene Energie dadurch zu verringern, daß man die übertragungsleitung in einer " Viertelwellenlängen-Schwingung" schwingen läßt, was zu einem besonderen Wert der Länge der Aufhängungsdrähte nach der folgenden Gleichung führt:

d =

darin sind:

d die freie Länge des Aufhängungsdrahtes, f die Schwingungsfrequenz des Kristalls, V die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingung entlang

dem Draht,
λ die Wellenlänge der sich ausbreitenden Schwingung.

Aus Gründen des Raumbedarfs ist es erwünscht, daß die Länge d des Aufhängungsdrahtes klein ist, was dazu führt, daß bei einer durch die Anwenduncsbedincungen vorgegebenen

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Frequenz f eine gleichfalls geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit V gesucht werden muß. Nun entspricht jedoch die zuvor beschriebene Torsionsschwingungsform bei einer Aufhängung bekannter Art einer grossen Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Draht, und sie ermöglicht keine wirksame Kontrolle der Reflexionsbedingungen an den Enden des Drahtes.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung nach der Erfindung, wobei zur Vereinfachung, wie auch in den folgenden Figuren, nur der obere Teil der Vorrichtung dargestellt ist. Der Aufhängungsdraht ist an dem Quarz parallel zu dessen Fläche befestigt, was dadurch erreicht wird, daß das Ende umgebogen ist, wodurch ein Hebel gebildet wird. Im Betrieb ersetzt dieser Hebel die Torsionsschwingungsbewegung des bekannten Drahtes durch eine Biegeschwingungsform, wobei der Draht zu beiden Seiten seiner Mittelstellung 2 die Endstellungen 19 und einnimmt; diese Biegeschwingung hat eine sehr viel niedrigere Ausbreitungsgeschwindigkeit, deren Notwendigkeit und Vorteile zuvor gezeigt worden sind.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführ-ungsform der Erfindung, bei der eine geometrische Schwingungseigenschaft eines Kristalls ausgenutzt wird, nämlich das Vorhandensein von. Knotenlinien minimaler Schwingung an der Oberfläche des Quarzes, auf denen dann die zuvor definierten Knotenpunkte liegen. Bei dieser Ausführungsform werden die Knotenlinien 22 als Lötkontaktlinien für das Anlöten des den Umwandlungshebel bildenden Teils der Aufhängung gewählt. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei der Vorrichtung von Fig. 2, .jedoch mit verringerten Schwingungamplituden und demzufolge einer "besssren mechanischen Isolierung dos Quarzes.

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Fig. 4 zeigt eine weitere, vereinfachte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der freie Teil der Aufhängung in einer Ebene liegt, die parallel zu der Ebene des Quarzes liegt, an welcher der Hebel 24 befestigt ist. Die Wirkungsweise ist die gleiche v/ie bei den Vorrichtungen von Fig. 2 und 3, jedoch mit einer verbesserten Umwandlung einer Schwingungsform in die andere Schwingungsform aufgrund der Vereinfachung des mechanischen Aufbaus, jedoch auf Kosten eines grösseren Raumbedarfs in der Längsrichtung.

Fig.5 zeigt eine Abänderung der Ausführungsform von Fig.4, bei welcher dem freien Teil der Aufhängung ein rechteckiger Querschnitt erteilt worden ist, dessen eine Schmalseite an dem Quarz befestigt ist, während die Breitseiten senkrecht zu der Befestigungsebene des Quarzes liegen.

Diese Querschnittsform läßt eine Schwingung der Aufhängung in der Ebene parallel zu der Befestigungsfläche des Quarzes ohne weiteres zu, widersetzt sich jedoch einer Schwingung in der senkrechten Ebene, wodurch die Ebene der nutzbaren Schwingung sehr genau definiert ist.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ist die Erfindung mit Erfolg bei Quarzoszillatoren angev/endet worden, die bei niedrigen Frequenzen in der Grössenordnung von einigen Kilohertz arbeiten, und sie hat eine grosse Verbesserung des Gütefaktors des Kristalls etwa im Verhältnis 2 ergeben, und im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik aufgehängten Quarzen in Folge der langsamen Änderungen ihrer Aufhängungsart eine merkliche Verringerung der zeitlichen Auswanderung der erhaltenen Frequenz.

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Claims

_ ₇ _ 2209Q33

Patentansprüche

Μ. !Befestigungsvorrichtung für einen quaderförmigen ^ Kristallstab, der mechanische Schwingungen in einer Biegeschwingungsform in einer Ebene ausführen kann, die parallel zu der Ebene der Befestigungsflächen des Quaders liegt, mit einem feststehenden Träger und Aufhängungsdrahten, die jeweils an einem Ende an dem Träger und am anderen Ende an dem Kristall an Punkten minimaler Schwingung auf den Befestigungsflächen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende jedes Aufhängungsdrahtes an der entsprechenden Befestigungsfläche mit einem Teil der Seitenfläche des Aufhängungsdrahtes befestigt ist.
2. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Befestigungsflächen befestigte Teil des Aufhängungsdrahtes mit dem frei bleibenden Teil des Aufhängungsdrahtes einen Winkel bildet.
3. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel ein rechter Winkel ist.
4-. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der frei bleibende Teil des Aufhängungsdrahtes mit den Befestigungsflächen einen rechten Winkel bildet.
5. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der frei bleibende Teil des Aufhängungsdrahtes parallel zu den Befestigungsflächen liegt.

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6. Befestigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufhängungsdraht einen rechteckigen Querschnitt hat, und daß die Seitenfläche, von der ein Teil an der Befestigungsfläche befestigt ist, einer Schmalseite des Rechtecks entspricht.
7. Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Befestigungsflächen befestigte Teil der Seitenfläche des Aufhängungsdrahtes entlang einer Linie verläuft, die den Punkten minimaler Schwingung entspricht.
8. Quarzoszillator, gekennzeichnet durch eine Befestigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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