DE757570C

DE757570C - Halterung fuer Schwingkristalle

Info

Publication number: DE757570C
Application number: DES126830D
Authority: DE
Inventors: Hans Von Dipl-Ing Beckerath
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Priority date: 1937-04-15
Filing date: 1937-04-16
Publication date: 1953-09-14

Description

Zur Halterung von Schwingkristallen aus Quarz, Turmalin od. dgl. sind eine Reihe von Vorschlägen bekanntgeworden, nach denen der Kristall zur Erzielung einer möglichst geringen Dämpfung in seiner Knotenebene eingespannt wurde. Die Einspannung erfolgte dabei zwischen Spitzen, Schneiden, Stegen od. dgl. Es wurde eine gut definierte Einspannung mit einer möglichst geringen flächenhaften Berührung mit dem Kristall angestrebt. Mit Rücksicht auf die Wirkungen von Erschütterungen durch Stoß oder Berührung muß man immer einen Kompromiß zwischen geringer Dämpfung und betriebssicherem Arbeiten schließen. Bisher war es jedoch nicht möglich, eine gut definierte Einspannung zu verwirklichen.

Gemäß der Erfindung wird eine Halterung für Schwingkristalle aus Quarz, Turmalin od. dgl. vorgeschlagen, bei der der Schwingkristall zur Erzielung einer möglichst punktförmigen, aber gut definierten Einspannung zwischen Kugeln aus hartem, nur wenig deformierbarem Material unter relativ hohem

Flächendruck eingespannt wird. Es sind an sich schon Anordnungen bekannt, bei denen der Kristall zwischen konvex gewölbten Halterungen eingespannt ist. Bei einer dieser bekannten Halterungen soll die Wölbung der Halteteile so bemessen sein, daß der Krümmungsradius mehrere Fuß beträgt. Bei einer anderen Anordnung kommt gleichfalls ein beträchtlicher Krümmungsradius der Halteteile ίο zur Anwendung. Mit derartigen Anordnungen ist es nicht möglich, eine punktförmige Einspannung des Kristalls zu erzielen, da mit einer Deformation des Kristalls gerechnet werden muß, die bei derartig großen Krümmungsradien eine mehr oder weniger große Berührungsfläche an der Einspannstelle hervorruft.

Bei der Halterung nach der Erfindung, die in einem Schwingungsknotenpunkt des Kristalls erfolgt, ist der Schwingkristall zur Erzielung einer möglichst punktförmigen gut definierten Einspannung zwischen zwei Kugeln mit einem Durchmesser, der klein ist gegenüber den Oberflächenabmessungen des Kristalls, insbesondere kleiner als 3 mm, aus hartem, nur wenig deformierbarem Material unter hohem, nahe an der Festigkeitsgrenze des Kristalls liegendem Flächendruck eingespannt. Durch die Halterung nach der Erfindung wird erreicht, daß die Lage des Einspannpunktes selbst bei Wirkung äußerer Beschleunigungskräfte unbedingt erhalten bleibt. Durch den geringen Durchmesser der Einspannkugeln wird ein Geringhalten der Reibungsverluste durch die Fassung gewährleistet. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß sich der Kristallstab von selbst immer tangential zu den Kugeloberflächen einstellt, so daß der Einspanndruck immer senkrecht zur Kristalloberfläche wirkt, wobei stets eine punktförmige Einspannung erhalten bleibt. Dies läßt sich bei den bekannten Anordnungen, bei denen der Kristall zwischen Spitzen, Schneiden, Stegen od. dgl. eingespannt ist, nicht erreichen.

Als Einspannkörper werden vorteilhaft kleine Stahlkugeln verwendet, wie sie für Kugellager fabrikationsmäßig hergestellt werden. Die Kugeln dienen auch als Stromzuführung zu den als Elektroden wirkenden metallisierten Oberflächen des Quarzes.

Untersuchungen haben gezeigt, daß bei einer solchen der punktförmigen Einspannung möglichst nahekommenden Anordnung die Frequenz und die Dämpfung praktisch unabhängig von dem Einspannungsdruck werden, wenn die Einspannung genau in einem Knotenpunkt erfolgt. Bei Schwingungen, deren Fortpflanzungsrichtung parallel zu den Elektrodenflächen verläuft, ist für die Grundschwingung der Oberflächenmittelpunkt als Symmetriezentrum eine Knotenstelle der Schwingungen. Es können hierfür Stäbe mit rechteckigem Querschnitt, die longitudinal Schwingungen ausführen, oder runde oder anders begrenzte Platten, die sowohl longitudinale wie Scherungsschwingungen ausführen können, verwendet werden.

Die Fig. 1 zeigt den Dämpfungsverlauf eines Quarzstabes von 27,5 mm Länge, 11 mm Breite und 0,5 mm Dicke mit einer Eigenfrequenz von 100 kHz in Abhängigkeit von der Einspannstelle. Als Ordinate ist der Resonanzwiderstand in Ohm, als Abszisse der Abstand der Einspannstelle vom Flächenmittelpunkt ο bei Längsverschiebungen der Einspannstelle in Millimeter eingetragen. Die Kurve α wurde bei einem Einspanndruck von 50 g, die Kurve b bei einem Einspanndruck von 550 g aufgenommen. Aus der Betrachtung der Kurven ersieht man, daß die Dämpfung im Flächenmittelpunkt ein Minimum hat, das bei Messungen im Vakuum noch wesentlich ausgeprägter auftreten wird, da die Luftdämpfung an der Gesamtdämpfung einen großen Anteil hat. Bei einer Verschiebung der Einspannung zeigt sich die Dämpfung von dem Einspanndruck abhängig. Es können hierbei somit beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufene Druckände- go rungen der Einspannung Dämpfungsänderungen hervorrufen.

Wichtiger ist noch der Frequenzgang mit der Einspannstelle, der einen ähnlichen Verlauf wie die Dämpfung zeigt und in Fig. 2 für den gleichen Quarzstab dargestellt ist. Als Ordinate ist die Frequenzabweichung Af in Hertz und als Abszisse der Abstand der Einspannung von dem mit ο bezeichneten Flächenmittelpunkt in Millimeter eingetragen. Von ο ioo aus nach rechts ist der Abstand in der Querrichtung, nach links in der Längsrichtung eingetragen. Die Kurve α bzw. a! ist bei einem Einspanndruck von 100 g, die Kurve b bzw. b' bei einem Einspanndruck von 1100 g aufgenommen. Man ersieht, daß im Flächenmittelpunkt sowohl die Frequenz selbst wie auch ihre Änderungsgeschwindigkeit am kleinsten ist. Bei einer Verschiebung in der Längsrichtung wie quer dazu steigt die Frequenz an. Hierbei ist die Größe der Änderung abhängig vom Einspanndruck und nimmt mit letzterem zu. Die Druckabhängigkeit verschwindet bei nahezu punktfÖrmiger Einspannung im Flächenschwerpunkt.

Stabilität der Quarzschwingungen gegenüber Erschütterungen oder langsamen Druckänderungen, die durch Arbeiten des Fassungsmaterials eintreten können, ist mithin nur bei punktfÖrmiger zentrischer Einspannung zu erwarten. Es kann dabei ein großer Einspanndruck verwendet werden, so daß die Lage des

Einspannpunktes bei Wirkung äußerer Beschleunigungskräfte unbedingt erhalten bleibt. Bei einer solchen Einspannung sind Reibungsverluste durch die Fassung praktisch beseitigt, und Dämpfung und Resonanzfrequenz entsprechen dem vollkommen frei schwingenden Quarz.

Der Einspanndruck wird durch die zulässige Festigkeit des Quarzes begrenzt. Praktisch wird man den Druck so groß wählen, daß einerseits die Fixierung des Einspannpunktes gegen die Wirkung äußerer Kräfte bei Stoß, Berührung usw. als gesichert gelten kann, andererseits noch genügend Abstand von der Festigkeitsgrenze bleibt.

Einer Drehung des Stabes um die Einspannachse in der Elektrodenebene steht nur ein geringer Reibungswiderstand entgegen. Jedoch hat eine solche Drehung keinen Einfluß auf den schwingenden Quarz.

Die Drehmöglichkeit hat aber praktische Nachteile. So muß der die Fassung umschließende Schutzkörper unnötig groß werden, was einen erhöhten Raumbedarf zur Folge hat.

Weiter ändert sich die Kapazität Quarz, gegen Fassung im allgemeinen mit einer Drehung. Falls diese Kapazität konstant bleiben soll, muß eine entsprechende rotationssymmetrische Abschirmung vorgesehen werden. Bei sehr langen Quarzen (tiefe Frequenzen) werden bereits durch geringe Winkelbeschleunigungen, z. B. beim Transport, Drehbewegungen verursacht. Ein häufiges Hin- und Herdrehen des Quarzes kann aber zu Beschädigungen der Metallbelegungen an der Einspannstelle führen.

Gemäß weiterer Erfindung wird daher vorgeschlagen, die Drehung durch zwei feste starre Anschläge, die in geringem Abstand,

z. B. von etwa ²/io mm, von den Seitenflächen entfernt sind, zu verhindern.

Einer Drehung wirkt hierbei in der Einspannung ein elastisches rückwirkendes Drehmoment entgegen, so daß der Quarz nach Berührung des Anschlages und Abbremsung der aufgedrückten Kraft sich selbst wieder um einen kleinen Winkel zurückdreht und vollständig frei schwingen kann. Dieser Drehwinkel wächst mit dem Einspanndruck und beträgt in einem praktischen Fall z. B. rund 20'. Wesentlich ist es dabei, daß die Anschläge selbst nicht federnd sind und eine glatte Oberfläche haben.

Die Verwendung von Kugeln hat einen großen konstruktiven Vorteil. Es erübrigt sich damit eine genaue Zentrierung der Konstruktionsteile, die den Druck auf den Quarz übertragen. Da der Quarzstab sich von selbst tangential zu den Kugeloberflächen einstellt, wirkt der Einspanndruck immer senkrecht zur Quarzoberfläche. In Fig. 3 ist eine beispielsweise Ausführungssform dargestellt. Der Quarzstab 1 ist im Flächenmittelpunkt zwischen den Stahlkugeln 2 und 3 eingespannt. Der Druck wird zweckmäßig durch eine einseitig bei 5 eingespannte Blattfeder 4 erzeugt, an deren freiem Ende die Stahlkugel 2 fest angebracht ist. Die zweite Stahlkugel 3 ist mit einer starren Grundplatte 6 fest verbunden. Auf diese Weise sind Führungen mit seitlichem Spiel der druckübertragenden Teile vermieden.

Die zwischen den Außenklemmen der Fassung liegende Kapazität als Parallelschaltung der Teilkapazitäten von Fassung und Quarz kann auch durch eine geeignete konstruktive Abschirmung unabhängig von einer möglichen Drehung des Quarzes konstant gehalten werden, z. B. können an der unteren Grundplatte und an der oberen Druckfeder genügend große kreisförmige Blechscheiben zentrisch zum Einspannpunkt angebracht werden, oder man umschließt den Quarz mit einer zylindrischen Blechtrommel, die mit der Grundplatte fest verbunden ist und deren Grundflächen zur Aufnahme der Kugelträger je eine Durchbohrung haben. Die möglichen Kapazitätsänderungen sind jedoch im allgemeinen so klein, daß sie für die meisten Anwendungen von Quarzen, z. B. in Sprachbandfiltern, nicht berücksichtigt zu werden brauchen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halterung für in einem Schwingungsknotenpunkt eingespannte Kristalle aus Quarz, Turmalin od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkristall zur Erzielung einer möglichst punktförmigen gut definierten Einspannung zwischen zwei Kugeln mit einem Durchmesser, der klein ist gegenüber den Oberflächenabmessungen des Kristalls, insbesondere kleiner als 3 mm, aus hartem, nur wenig deformierbarem Material unter hohem, nahe an der Festigkeitsgrenze des Kristalls liegendem no Flächendruck eingespannt ist.

2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächendruck durch eine einseitig eingespannte Blattfeder erzeugt ist, die am freien Ende eine der Einspannkugeln trägt.

3. Halterung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung der Kapazität zwischen Kristall und Fassung infolge Drehung des Kristalls durch eine geeignete Abschirmung vermieden ist.

4· Halterung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daB eine Drehung des Kristalls durch starre Anschläge insbesondere mit glatter Oberfläche vermieden ist.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschriften Nr. 457 890, 546762;

britische Patentschrift Nr. 279 595; USA.-Patentschrift Nr. 1978 188; Bell System Technical Journal, Juli 1934, Bd. 13, S. 405 ff, insbes. S. 431, Fig. 24.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

( 5401 9.53