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Montageanordnung für einen Kristall als Längsbiegeschwinger Die Erfindung
betrifft eine Montageanordnung für einen Kristall als Längsbiegeschwinger, der im
Erregungszustan@ zumindest zwei durch Hauptflächen in einem Abstand verlaufende
Schwingungsknoten aufweist Kristalle als Längsbiegeschwin;er sind besonders schwierig
zu montieren. Es ist nämlich ausserordentlich wichtig, das die Schwingbewegung des
Kristalls nicht gestört wird. Jegliche Störung oder Dämpfung der Kristall schwingung
verschlechtert die Güte Qund kann deren Schwingfrequenz beeinflussen. Auf der anderen
Seite muss die Montageanordnung stark genug sein, um den Schwingungen, ohne zu brechen,
standhalten zu können.
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Bekannte Längsbiegeschwinger werden in den Schwingungsknoten der einander
gegenüberliegenden Hauptflächen durch angelötete Leitungen montiert. Diese Leitungen
stehen -von den Hauptflächen
flächen des Kristalls ab und sind mit
ihren äusseren Enden an einem starren Träg@relement befestigt. Die Leitungen werden
auch als elektrische Anschlussleitungen für die auf den gegenüberliegenden Haupt
flächen angebrachten Elektroden des Kristalls benutzt. Angelötete Montage- und elektrische
Anschlussleitungen stellen keine zufriedenstellende Montageanordnung dar, da die
Anschluss@verbindungen eine Tenden@@e@ @rseits zum -Abbrechen und andererseits zum
Abrg;asen der El@@ @@ von den Hauptflächen unter dem Einfluss der durch @ie @@@@ngung
entstehenden Kräfte haben. Dies ist auch der Fall bei Anschlüssen, die in den Schwingungsknoten
der Kristalle angebracht sind, da selbst in diesen Befestigungabereichen im Schwingungsknoten
geringe Verschiebebewegungen nicht zu vermeiden sind und die Grösse dieser Verpohiebe-
bzw. Schwingungsbewegungen zunehmend mit dem Abstand von dem eigentlichen -Knotenpunkt
grösser wird Das Anlöten oder Befestigen durch Druckschweissen der Leitungen an
den Elektroden im Knotenpunktbereich ist extrem schwierig und nimmt einen verhältnismässig
langen Zeitanteil der Montage in Anspruch. Damit wird dieser Montagevorgang unverhältnismässig
teuer und zusätzlich zu diesen Schwierigkeiten bei angelöteten oder durch Druckschweissung
befestigten Leitungen ergibt sich, dass;diese Leitungen von den Hauptflächen des
Kristalls abstehen un& daher zusätzlichen Raum sowohl für die elektrische als
auch Linie mechanische Montage benötigen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Montageanordnung
für Längsbiegeschwinger zu schaffen, die wesentlich weniger Montageraum beansprucht
und aus einer einfacheren und billigeren Montagestruktur besteht1 die jedoch sehr
zuverlässig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass durch den
Kristall im-Bereich der Schwingungsknoten Oeffnungen verlaufen, dass auf den Hauptflächen
Elektroden angebracht sind, die
die in elektrischer Verbindung mit
durch die Öffnungen verlaufenden elektrischen Leitungen stehen, und dass die elektrischen
Leitungen gleichzeitig der Halterung des Kristalls auf der Montagebasis dienen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren
Ansprüchen.
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sic 3Ur 9t der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbe@@ @@e @n Verbindung mit den Ansprüchen und der
Zeic:'rang Es @@@@ Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zur einer Montagebasis
montierten Längsbiegeschwingers; Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig.
1; Fig. 3 eine Draufsicht auf den Biegeschwinger,aus der das Biegeverhalten hervorgeht.
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Gemäss Fig. 1 ist eine langgestreckte, im wesentlichen elliptisch
geformte Montagebasis 10 mit einem nach oben stehenden Teil versehen, deren Oberfläche
im wesentlichen flach ist und zwei durch diesen Teil verlaufende Öffnungen aufweist.
In den Öffnungen sind Anschlussleitungen 11 und 12 montiert, die auf der Unterseite
mit einem wesentlich längeren Stück und auf der Oberseite der Montagebasis mit einem
verhältnismässig kurzen Stück über die Montagebasis gemass Fig. 2 hervorstehen.
Die Anschlussleitungen 11 und 12 werden-in den Öffnungen -t Hilfe eines geeigneten
Isolationsmaterials 13 gemäss Fig. 2 fest,gehalten. Dieses Isolationsmaterial kann
z.B. aus Glas od. dgl.
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bestehen. Selbstverständlich kann die Montagebasis lo jede beliebige
Form in Abhängigkeit von der Kristallart, der Frequenz und der Schwingungsart des
Kristalls aufweisen. Die dargestellte Montagebasis wurde der einfacheren Beschreibung
wegen gewählt.
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Ein
Ein als Längsbiegeschwinger arbeitender Kristall
15 ist in Form eines langgestreckten rechteckigEn Stabes ausgebildet und besteht
aus einem piezoelektrischEn Eristallmaterial, z.B. Quarz. Der Kristall 15 hat eine
erste Hauptfläche 16 auf der Oberseite und eine zweite Hauptfläche 17 auf der Unterseite.
Auf der ersten Hauptfläche 16 sind zwei Elektroden 19 und 20 angebracht, die sich
im wesentlichen parallel über die gesamte Länge des Kristalls erstrecken und vo@einander
@ -trennt sind. Diese Elektroden 19 und 20 bedecken etw@ g@e Teile der ersten Hauptfläche
16, die mit Ausnahme eines Kle@-nen, schmalen, über die gesamte Länge des Kristalls
sich -streckenden Bereichs zwischen den Elektroden 19 unc 2 ganze Oberfläche des
Kristalls bedecken. In gleicher Weise sind Elektroden 22 und 23 auf der zweiten
Haupt fläche 17 angebracht. Diese Elektroden 19, 20, 22 und 23 verlaufen derart,
dass die Elektroden 19 und 22 einerseits und die Elektroden 20 und 23 andererseits
parallel verlaufende P'rtten auf gegenüberliegenden Seiten des Kristalles darstellen.
Bei der dargestellten Ausführungsform besteht der Kristall 15 aus einem Quarzstab
mit NT-Schnitt. Wenn dieser Stab elektrisch richtig erregt wird, beginnt er sich
zu verbiegen aufgrund einer Längsexpansion. So wird z.B. derjenige Teil des Kristalls
15 zwischen den Elektroden 19 und 22 länger, wenn ein Potential an diese Elektroden
19 und 22 angelegt wird. Wenn dasselbe Potential mit entgegengesetzter Polarität
gleichzeitig an die Elektroden 20 und 23 des Kristalls angelegt wird, verkürzt bich
der Teil des Kristalls zwischen diesen Elektroden. Damit führt der Kristall eine
Biege schwingung gemäss Fig. 3 zwischen den beiden durch gestrichelte Linien 26
und eine voll ausgezogene Linie 25 dargestellten Endlagen aus. Wenn die Polarität
des Potentials zwischen den Elektroden 19 und 22 bzw. 20 und 23 umgekehrt wird,
kehrt sich auch die Bewegungsrichtung der Biegeschwingung um, so dass sich der Kristall
nach der entgegengesetzten Richtung verbiegt. Aus Fig. 3 geht hervor, dass die beiden
Punkte 30 und 31 in den Haupt flächen des Kristalles
Kristalles
15 im wesentlichen während der Biegeschwingung in ihrer stationären Lage bleiben.
Diese Punkte liegen im Schwingungsknoten. Die Frequenz, mit der der Kristall die
Biegeschwingung ausführt. hangt von der Kristallcharakteristik ab einschliesslich
dem Material, dem Schnitt sowie dar Dimensionierung usw. Es ist allgemein üblich,
z.3. die Schwingungsfrequenz eines Kristalls zu verändern, indem geringe Materialteile
an den Enden abgenommen werden oder der Kristall verkürzt wird. Da die Anbringung
der Elektroden 19, 20, 22 und 23 eine Belastung des Kristalles darstellt, d.h. eine
Frequenzänderung auslöst, ist es in der Regel notwendig, die abschliessende Abstimmung
auf die Frequenz durch das Abnehmen von Material an den Endflächen vorzunehmen,
nachdem die Elektroden und notwendigen Leitungen angebracht sind. -Ausserdem müssen
die Längskanten des Kristalles extrem weich und frei von Verunreinigungen sein,
mm eine wesentliche Verringerung der Güte Q des Kristalls zu-vermeiden.
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Der Kristall 15 ist an den Schwingungsknoten 30 und 31 mit Öffnungen
35 und 36 versehen. Diese Öffnungen verlaufen von der einen Hauptfläche 16 zur anderen
Hauptfläche 1?. Die Öffnungen sind sehr dünn und können in unterschiedlicher r Form
ausgebildet sein, so z.B. als kreisrunde Öffnung, die senkrecht auf den Hauptflächen
steht, oder ans kreisrunde Öffnung, die unter einem Winkel zu den Hauptfläohen verlauft
als konisch erweiterte Öffnung, wobei die konische Erweiterung von den Hauptflächen
zum Inn@@n der Kristalls verläuft usw. Für einen Kristall mit einer Schwingfrequenz
von etwa 32 kHz @eträgt der Durchmesser@@iner solchen Öffnung vorzugsweise etwa
0,1 mm. Im Betrieb liegen die Elektroden 19 und 23 auf den gegenüberliegenden Hauptflächen
auf demselben Potential und die Elektroden 20 und 22 ebenfalls auf einem gleichen
Potential. Die Elektroden 19 und 23 sind über die Öffnung 36' miteinander verbunden,
indem die Elektrode 19 auf der Hauptfläche 16 um die Öffnung 36, wie in Fig. 1 erkennbar,
herum ausgebildet
ausgebildet ist und entsprechend ein Teil der
Elektrode 23 um das gegenüberliegende Ende dieser Öffnung 36 herum auf -der Hauptfläche
17 ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Öffnung 36 mit dem Elektrodenmaterial
plattiert ist, um diese elektrische Kontaktverbindung zwischen den Elektroden herzustellen.
In entsprechender Weise-sind die Elektroden 20 und 22 miteinander verbunden, indem
ein Tdl der Elektrode 20 um die Öffnung 35 auf der Haupt fläche 16 herum verläuft
und ferner ein Teil der Elektrode 22 auf dem gegenüberliegenden Ende der Öffnung
35 auf der Haupt fläche 17 um diese Öffnung 35 herum ebenfalls verläuft. Diese beiden
Teile sind über zumindest einen Teil der die innenfläche der Öffnung 35 bedeckenden
plattierten Leitungsverbindung miteinander verbunden. Es ist offensichtlich, dass
das Plattieren der Innenfläche der Offnungen 35 und 36 nur eine Möglichkeit aus
einer Vielzahl von Möglichkeiten ist, um die Elektroden 19 und 23 sowie 20 und 22
miteinander zu verbinden. So kann-z.B. auch die elek -trische Nontageleitung durch
die Enden der Öffnung 35 und 36 geführt werden und auf den Haupt flächen 16 bzw.
17 mit der zugeordneten Elektrode verbunden werden. Da die Elektroden 19, 20, 22
und 23 auf die Hauptflächen 16 und 17 bei der vorliegenden lusführungsform aufplattiert
sind, ist das Plattieren der inneren Oberfläche der Öffnungen 35 und 36 die einfachate.
Massnahme. Jedoch kann es wegen des geringen Durchmessers der Öffnungen 3 und 36
notwendig sein, die Konfigurati@@ der Öffnung etwas abzuändern, wie vorausstehend
angedeutet ist, um eine ausreich@nde Plattierung der inneren Oberfläche der Öffnungen
3@ und 36 und eine entsprechende gute elektrische Kontaktgabe si@@erzust@llet.
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Die kurzen elektrischen Anschluss- und Montageleitungen 40 werden
in den Öffnungen 35 wand 36 fest angeordnet, z.B. durch Einlöten od. dgl. Diese
kurzen Leitungen stehen etwas über eine Hauptfläche des Kristalls hervor, im vorliegenden
Fall die Hauptfläche -17, und sind mit diesen Enden an die wesentlich
wesentlich
schwereren und kräftigeren Anschlussleitungefs 11 und 21 befestigt, welche geringfügig
über die Oberfläche der Basis 10 überstehen. Aufgrund der Befestigung der Elektroden
19 und 23 sowie 20 und 22 durch die Öffnungen 35 und 36 können die Leitungen 40
aus den Öffnungen 35 und 36 nur in einer Richtung vorstehen, so dass der Kristall
grundsätzlich parallel und in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Basis
10 montiert werden kann. Da der Kristall parallel zur Oberfläche der Basis 10 montiert
ist im Gegensatz za a grundsätzlich rechtwinkligen Orientierung nach dF Staat der
Technik, kann die Gesamtabmessung eines fertiggasteilt-a un(" fertig montierten
Kristalles erheblich verringert werden. Da die Leitungen 40 fest in den Öffnungen
35 und 36 eingesetzt sind und nicht mit den Elektroden verlötet sein müssen, ist
die Verbindung zuverlässiger und auch widerstandsfähiger bzw.
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verhältnismässig robust.
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Da der Kristall 15 verhältnismässig hart, spröde und/oder zerbrechlich
sein kann, ist die Herstellung der Öffnungen 35 und 36 verhältnismässig schwierig.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Quarz als Kristall benutzt, bei dem
die Offnungen mit Hilfe eines YAG-Lasers oder mit einer speziellen Borvorrichtung
in einem Schlamm mit Diamantstaub hergestellt sein können. Der piezoelektrisch aktive
Quarz wird inaktiv und elektrisch unwirksam bei etwa 2860C, so dass es unbedingt
erforderlich ist, dass die Öffnungen 35 und 36 mit einer minimalen Erwärmung hergestellt
werden. Die angegebenen Verfahren wurden als zweckmässig ermittelt, wobei nur ein
sehr geringer Anteil des die Oeffnung umgebenden Quarzes ina@tiviert wird. Wenn
andere Quarzmaterialien verwendet werden, kann es zweckmässig sein, andere Verfahren
zur Herstellung der Offnungen 35 und 36 zu benutzen, was jedoch dem handwerklichen
Können des Fachmanns überlassen werden kann.
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Patentanssrüche