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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht aus von einem
Resonator mit Temperaturkompensierung nach der Gattung des Hauptanspruches.
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Resonatoren, die in Betriebsumgebungen mit
starken Temperaturschwankungen eingesetzt werden, sind mit den verschiedensten
Mitteln zur Kompensierung der durch die Temperaturschwankungen hervorgerufenen
Wärmeausdehnung
ausgestattet. In der
EP
0 621 651 B1 werden gebogene Stirnseiten bzw. Blenden und
Klemmringe verwendet, die allerdings in der Herstellung aufwändig sind, da
sie die Stirnseite HF-dicht verschließen müssen. Anstelle des Klemmringes
wird in der
EP 0399
450 A1 eine ebene Scheibe verwendet.
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Ferner ist es bereits bekannt, zur
Temperaturkompensierung Bi-Metalle
im Innern des Resonators anzuordnen. Diese Bimetalle haben zum Teil sehr
komplexe Strukturen und sind daher aufwändig in ihrer Herstellung.
Eine Kompensation mit ebenen Bi- und Trimetallen ist in der
US 4,488,132 beschrieben.
Der Einbau des Bi- bzw. Trimetalls in der beschriebenen Form hat
den Nachteil, dass er nicht den Einfluss der Resonatorwand auf die
Durchbiegung des Bi- bzw. Trimetalls berücksichtigt. Aufgrund der unterschiedlichen
Materialeigenschaften von Resonatorwand und Bi- bzw. Trimetall kommt
es zu Spannungen im Bi- bzw. Trimetall, wenn sich der Durchmesser
des Resonators in Abhängigkeit
von der Temperatur anders als der Durchmesser des Bi- bzw. Trimetalls ändert. Diese
Spannungen wirken der notwendigen freien Ausbiegung des Bi- bzw.
Trimetalls entgegen. Darüber
hinaus ändert
sich die Biegelinie des freien Bi- bzw. Trimetalls. Die Biegelinie
wird gezwungen, senkrecht auf der Fläche der Seitenwand zu stehen.
Dadurch geht ein zusätzlicher
Anteil der Ausbiegung des Bi- bzw. Trimetalls verloren.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Der erfindungsgemäße Resonator mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, dass die zur
HF-dichten Verbindung der die Temperaturkompensierung realisierenden
Mehrfachmetallscheibe mit der Resonatorwandung an sich erforderliche
mechanisch dichte und feste Verbindung in ein biegeelastisch bewegliches
System eingebettet ist. Die biegeelastische, d. h. flexible Verbindung
der Mehrfachmetallscheibe mit der Resonatorwandung ist der negativen Wirkung
der mechanisch festen Verbindung entgegengerichtet. Die Ausbiegung
der Mehrfachmetallscheibe nimmt dadurch wieder zu. Des Weiteren
reduziert die flexible Befestigung die durch die unterschiedlichen
Durchmesseränderungen
des Resonators erzeugten Spannungen. Gleichzeitig bildet die Mehrfachmetallscheibe
den HF-dichten Abschluss der mindestens einen Stirnseite des Resonators.
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Die Einbettung der Verbindung von
Mehrfachmetallscheibe und Resonatorwandung in das biegeelastische
System kann durch verschiedene technische Mittel mit unterschiedliche
intensiver Wirkung erzielt werden. Die Resonatoren selbst sind Hohlkörper, deren
Querschnittsform beliebig, z. B. ein Kreis oder eine Ellipse aber
auch ein Rechteck sein kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist die Mehrfachmetallscheibe mit der Resonatorwandung
mittels einer Flanschverbindung verbunden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird die biegeelastische Verbindung zwischen Resonatorwandung
und Mehrfachmetallscheibe durch eine Wanddickenreduzierung im Bereich der
Verbindungsstelle erzielt. Sie kann eine beliebige Form aufweisen.
Durch ihre Gestaltung, insbesondere Länge und Tiefe, lässt sich
die Flexibilität
des Resonators steuern. Wird diese Wanddickenreduzierung im Bereich
des freien Endes der Resonatorwandung in diese eingebracht, verändert sich
die Biegelinie der Mehrfachmetallscheibe positiv. Bei der Verformung
der Mehrfachmetallscheibe steht deren Biegelinie nicht mehr senkrecht
auf der Resonatorfläche.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu der Wandstärkereduzierung
der Resonatorwandung eine partielle Dickenreduzierung im Randbereich
der Mehrfachmetallscheibe vorgesehen. Diese Dickenreduzierung gibt
der ganzen Anordnung noch eine zusätzliche Flexibilität. Obwohl
die hier benutzten handelsüblichen
Bimetalle hinsichtlich ihrer Ausbiegung und Kraftentwicklung bereits
schon optimiert sind, kann eine weitere Verbesserung der Flexibilität der Merhfachmetallscheibe
durch die o. g. partielle Dickenreduzierung nahe der Einspannung
erzielt werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung sind die Wanddickenreduzierungen kontinuierlich
ausgebildet, so dass sich die Materialbelastung in diesen Bereichen
in Grenzen hält.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung sind die Wanddickenreduzierungen sprunghaft,
beispielsweise als Nut, ausgebildet. Dadurch treten in diesem Bereich
zwar Spannungsspitzen auf, jedoch wird durch diese Gestaltung der an
die Einspannung der Mehrfachmetallscheibe angrenzenden Bereiche
eine erhöhte
Elastizität
erreicht.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung kann die freie Stirnseite des Resonators
auch mit einer Membran abgeschlossen sei. In diesem Fall bilden
die Membran und die Resonatorwandung eine Einheit.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist die Mehrfachmetallscheibe mit ihrer
Mitte zusätzlich
mit der Membran verbunden. Dies verbessert den mechanisch-thermischen
Kontakt zwischen beiden Teilen. Die Verbindung kann durch an sich
bekannte Montagemittel oder -verfahren, beispielsweise Kleben oder
Schrauben, erfolgen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung ist an dem äußeren Rand der Mehrfachmetallscheibe
ein Ring befestigt. Durch die Dicke des Ringes lässt sich die Kompensation beeinflussen.
Wenn der Ring auf die Mehrfachmetallscheibe aufgeschraubt ist, hat das
den Vorteil, dass bei bereits gefertigten Resonatoren mit Mehrfachmetallscheibe
auch nachträglich
die Kompensation veränderbar
ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beispielbeschreibung,
den Zeichnungen und den Ansprüchen
entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch einen zylindrischen Topfresonator mit einer Bimetallscheibe
und axialer Ein- und Auskopplung,
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2 einen
Schnitt durch einen zylindrischen Resonator mit durch eine Membran
abgeschlossener Stirnseite und auf dieser liegender Bimetallscheibe,
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3 die
Befestigung des Bimetalls an der Membran,
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4 einen
Vergleich der Biegelinien bei starrer und biegeelastischer Einspannung
und
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5 ein
Schema zur Arbeitsweise der Temperaturkompensierung.
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Wie aus 1 zu erkennen, besteht der zylindrische
Topfresonator aus einer Resonatorwand 1, die den Mantel
und die linke Stirnseite des Topfresonators bildet. An dieser linken
Stirnseite ist eine axiale Ein- oder Auskopplung 2 und
an seiner Mantelfläche
eine seitliche Zwischenkopplung 3 vorgesehen. An seiner
rechten Stirnseite weist der Topfresonator einen Flansch 4 auf,
mit dem eine Bimetallscheibe 5 fest verbunden ist, die
den Topfresonator an dieser Seite verschließt.
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Die Bimetallscheibe 5 besteht
aus einer aktiven Schicht 6 und einer passiven Schicht 7.
Damit sich die Bimetallscheibe 5 an der Stirnseite nach
innen biegt, muss sie so am Flansch 4 angebracht sein,
dass die aktive Schicht 6 nach innen zeigt. Die feste Verbindung
zwischen Flansch 4 und Bimetallscheibe 5 ist hier
nicht näher
dargestellt. Es sind sowohl lösbare
als auch unlösbare
Verbindungen möglich.
Unmittelbar vor dem Flansch 4 weist die Resonatorwand 1 eine
umlaufende Nut 8 auf, wodurch die Resonatorwand 1 in
diesem Bereich dünner
ist als in ihrem übrigen
Verlauf. Im vorliegenden Beispiel ist in die Bimetallscheibe 5 ebenfalls
nahe dem Flansch 4 eine Rille 9 eingebracht. Damit
stehen zur Einstellung der Stärke
der Ausbiegung bei gegebenem Innendurchmesser des Resonators folgende
Parameter zur Verfügung:
- – Bimetalltyp
- – Bimetalldicke
- – Außendurchmesser
des Resonators
- – Form
der Nut 8
- – Abmessungen
der Nut 8
- – Dicke
des Flansches 4
- – Form
der Rille 9 der Bimetallscheibe 5
- – Abmessungen
der Rille 9
- – Position
der Rille 9 (durch ihren Durchmesser bestimmt)
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Im Unterschied zum ersten Beispiel
ist in 2 der Resonator
mit einer Membran 10 abgeschlossen, wobei die Membran 10 und
die Resonatorwand 1 eine Einheit bilden. Die Ein- bzw.
Auskopplung erfolgt in diesem Fall durch eine seitliche, in die Resonatorwand 1 eingebrachte
koaxiale Ein- oder Auskoppelvorrichtung 11, während die
Zwischenkopplung 3 hier an der Stirnseite des Resonators
vorgesehen ist. Eine weitere Besonderheit besteht bei dieser Ausführung darin, dass
außen
auf der Bimetallscheibe 5 ein Ring 12 befestigt
ist. Seine Befestigung kann auf unterschiedliche Weise sowohl lösbar, beispielsweise
mittels Schrauben, aber auch durch Fügeverfahren, die eine unlösbare Verbindung
herstellen, beispielsweise Löten,
Schweißen,
o. a., erfolgen. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass zu
den o. g. Einstellmöglichkeiten
der Stärke der
Ausbiegung noch folgende weitere variierbare Parameter hinzukommen:
- – Dicke
der Membran 10
- – Material
des Ringes 12
- – Dicke
des Ringes 12
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Zur Verbesserung des thermisch-mechanischen
Kontaktes zwischen Bimetall 5 und Membran 10 können beide
Teile zusätzlich
noch in der Mitte miteinander verbunden sein. 3 zeigt hierzu eine mechanische Verbindung
mittels einer Schraube 13 und einer Hülse 14. Die Membran 10 besitzt
zu diesem Zweck in ihrem Mittelpunkt eine Gewindebuchse 15.
Beim Einschrauben der Schraube 13 in diese drückt die
Hülse 14 die
Bimetallscheibe 5 gegen die Membran 10. Es ist
aber auch möglich,
die Verbindung durch Klebung herzustellen.
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Nachfolgend soll die Wirkungsweise
der Erfindung näher
beschrieben werden. Aus 4 wird der
unterschiedliche Verlauf einer fest am Flansch des Resonators eingespannten
Bimetallscheibe 5 deutlich. Die mit a gekennzeichnete Bieglinie
zeigt den Verlauf der Ausbiegung bei der notwendigerweise festen
Einspannung, d. h. starren Verbindung der Bimetallscheibe 5 mit
der Resonatorwand 1. In dem sich unmittelbar an die Resonatorwand 1 anschließenden Bereich
steht die Biegelinie fast senkrecht auf der Resonatorwand 1,
das bedeutet, dass hier nur eine sehr geringe Ausbiegung vorhanden
ist. Wird dagegen die starre Verbindung der Bimetallscheibe 5 in
das erfindungsgemäße biegeelastische System
eingebunden, beginnt die Ausbiegung bereits in unmittelbarer Nähe der Resonatorwand 1 und ist
auch in ihrem Betrag deutlich größer als
bei ausschließlich
starrer Verbindung, was aus dem Verlauf der mit b gekennzeichneten
Biegelinie ersichtlich ist.
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5 zeigt
schematisch das Prinzip der Temperaturkompensierung. Bei Raumtemperatur
hat der Resonator die Länge
L0, die hier durch den unteren waagerechten Pfeil dargestellt ist.
Die senkrechten Linien an den Pfeilspitzen stellen also die Ausgangslage
der Stirnseiten des Resonators bei der Temperatur T0 dar. Durch
eine Temperaturerhöhung dehnt
sich der Resonator auf eine Länge
L0+dL aus, wodurch sein Volumen größer wird. Die Lage der freien
Stirnseite ist dabei durch die mit c gekennzeichnete Line dargestellt.
Die Volumenvergrößerung hat eine
Erniedrigung der Resonanzfrequenz zur Folge, was jedoch vermieden
werden muss. Änderungen der
Resonanzfrequenz bezüglich
Länge und
Durchmesser des Resonators werden durch ein überproportionales Einbiegen
der freien Stirnseite des Resonators erreicht. Der Verlauf einer
eingebogenen Stirnseite ist mit d gekennzeichnet.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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- 1
- Resonatorwand
- 2
- Ein-
und Auskopplung
- 3
- Zwischenkopplung
- 4
- Flansch
- 5
- Bimetallscheibe
- 6
- Aktive
Schicht
- 7
- Passive
Schicht
- 8
- Nut
- 9
- Rille
- 10
- Membran
- 11
- koaxiale
Ein- und Auskoppelvorrichtung
- 12
- Ring
- 13
- Schraube
- 14
- Hülse
- 15
- Gewindebuchse