DE2139479A1

DE2139479A1 - Kristall Oszillator

Info

Publication number: DE2139479A1
Application number: DE19712139479
Authority: DE
Inventors: Kinji Mitsui Hiromitsu Nagano Fujita (Japan)
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1970-08-06
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1972-02-10
Also published as: CH593511B5; MY7600173A; FR2102085B1; GB1304680A; US3728641A; FR2102085A1; CH1156671A4

Description

Dtpl.-lng. Heinz Lesser. Patentanwalt D - 8 München 81, Cosimastra&e 81 Telefon: (0811) 4838 20

Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 3-4, 4-chome, Ginza, Chuo-ku Tokyo/ Japan

L 9456 F l/km

KRISTALL-OSZILLATOR

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kristall-Oszillator, insbesondere für eine schwingkristall-gesteuerte Armbanduhr, mit einem Kondensator veränderlicher Kapazität zur Kompensation des Einflusses von Temperaturänderungen auf die Oszillatorfrequenz.

Wie im Zusammenhang mit einem in der Zeichnung dargestellten Beispiel noch näher erläutert werden wird, wurden bisher zum Zwecke der Kompensation des Einflusses von Temperaturschwankungen auf die Oszillatorfrequenz besondere Kompensationsbauelemente, wie Thermistoren oder Kondensatoren entsprechend veränderlicher Kapazität mit in der Regel ausschliesslich negativem Temperaturkoeffizienten eingesetzt, mit denen darüberhlnaus keine weitere Funktion ausgeübt wurde, deren Verluste also alleii für die Temperaturkompensation aufzubringen sind.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Kristall-Oszillator dar eingangs genannten Art zur Verfügung gestellt werden, bei dem die Temperaturkompensation verbessert bzw. vereinfacht ist„ Bevorsugt aoll besonderes Augenmerk darauf galegt werden die T©mp3zraturkoinpensation unter möglichst geringen Verlustenergie stattfindet= Dartlberhinaus soll Ir

Dipl.-Ing Heim Lesser, Patentanwolt

81 Cosi'mastrafje 81 Telefon: (0811) 483820

Weiterbildung der Kristall-Oszillator möglichst kompakt aufgebaut werden können; die Anzahl der benötigten Einzelteile soll niedrig gehalten werden. Schliesslich soll insbesondere das der Temperaturkompensation dienende Element möglichst vereinfacht, leicht und unter geringem Platzbedarf einbaubar und mit erhöhter Betriebssicherheit ausgestattet sein.

Dazu wird erfindungsgemäss der Kristall-Oszillator derart ausgerüstet, dass der Kondensator ein Dielektrikum unter Verwendung von Bariumtitanat (BaTiO₃) od. dgl. aufweist, dessen Temperatur koeffizient in Abhängigkeit von der Temperatur einen positiven und einen negativen Bereich durchläuft. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Kondensator dabei gleichzeitig verstellbar ausgebildet, so dass er nicht nur die Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf die Oszillatorfrequenz, sondern auch deren Regulierung ermöglicht, wofür bislang zwei voneinander unabhängige Bauelemente vorgesehen waren. Dadurch lässt sich auch eine entsprechend raumsparende Bauweise für den Kristall-Oszillator erreichen; durch die Vereinigung der beiden Funktionen - Einregulieren der Nennfrequenz und Kompensation des Temperaturänderungseinflusses - wird das Bauteil insgesamt vereinfacht, 1st auf insgesamt geringerem Raum durch nur einen entsprechenden Befestigungsvorgang unterzubringen und aufgrund des einfachen Aufbaus insgesamt betriebssicherer als entsprechende Einzelelemente. Besonders vorteilhaft wird die bei jedem Bauelement unvermeidlich auftretende Verlustenergie durch Zusammenfassen der Funktionen der Bauelemente entsprechend verringert.

Die Verstellbarkeit des Kondensators kann dabei stufenlos beispielsweise nach Vorbild .eines Drehkondensators durch Verschwenken einer kreisabschnitt- oder spiralabschnittförmig berandetan Elektrode gegenüber der ähnlich bemessenen Gegenelektrode - ausgebildet sein; es sind aber auch stufenweise ver-

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stellbare Ausführungen empfehlenswert, bei denen insbesondere die Elektroden auf das als Sinterkörper ausgeführte Dielektrikum aufgebrannt angeordnet werden können. Die Elektroden sind also nicht selbst gegeneinander verschwenkbar, sondern werden von einem verschenkbaren Schaltglied wahlweise mit dem zugehörigen äusseren Elektrodenanschluss des Kondensators verbunden.

Ein solcher erfindungsgemSss ausgestalteter Kondensator bewirkt in Zusammenschaltung mit dem Schwingkristall eines Kristall-Oszillators also sowohl die Kompensation der durch Temperaturänderungen bedingten Frequenzabweichungen als auch die Möglichkeit einer gezielten Regulierung der Oszillatorfrequenz , beispielsweise den Abgleich auf eine bestimmte Nennfrequenz. Bevorzugt wird dabei der erfindungsgemäss ausgestaltete Kondensator dem Schwingkristall in Reihenschaltung oder einer entsprechenden Ersatzschaltung zugeordnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung wiedergegebenen Beispiele näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild eines herkömmlich ausge

rüsteten Kristall-Oszillators;

Figur 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungs

beispieles des erfindungsgemäss ausgerüsteten Kristall-Oszillators;

Figuren 3a und 3b eine Schemadarstellung in zwei Ansichten

eines ersten Ausführungsbeispieles eines Kondensators gemäss der'Erfindung;

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Figur 4 eine Schemadarstellung eines weiteren

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäss ausgebildeten Kondensators;

Figur 5 eine Schemadarstellung eines dritten

Ausführungsbeispieles eines für den erfindungsgemässen Oszillator geeigneten Kondensators.

Die in Figur 1 gezeigte, herkömmliche Ausbildung eines Kristall Oszillators zeigt ein Kompensationselement C. für Temperaturänderungen, das zu dem Schwingkristall X in Reihe geschaltet ist. Als Kompensationselement dieser Art kommen Thermistoren oder Kondensatoren entsprechend veränderlicher Kapazität in Betracht, durch welche sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Diese Kompensationselemente bilden eigene, von anderen Schaltungselementen unabhängige Teile und sind hermetisch gekapselt, während die Einregulierung auf die Nennfrequenz mittels von aussen zugänglicher Elemente erfolgt. Die grundsätzliche Ausbildung solcher Oszillatortypen weist für die Regulierung einen Kondensator C auf, der in Reihe oder parallel zu dem Kompensationselement C. geschaltet ist. Im übrigen zeigt das Schaltbild nach Figur 1 noch einen Transistor Tr, einen Basiswiderstand R, eine Lastinduktivität L und eine Batterie B.

Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen gemäss der Erfindung ist an Stelle des Kompensationselementes C. und des Regulier-Kondensators C ein einziges Element vorgesehen, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und von einer Formänderung durch eine Verstellbewegung für das Einstellen einer bestimmten Nennfrequenz (f_) ändert. In Figur

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2 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Kristall-Oszillators dargestellt. Zu dem Schwingkristall X ist in Reihe ein Kondensator C. geschaltet, mit dessen Hilfe sich sowohl der Einfluss der Temperatur kompensieren als auch der Gang der Uhr regulieren lässt.

In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Dielektrikum des Kondensators aus einem ferroelektrischen Werkstoff, wie keramische Stoffe aus oder auf der Basis von BaTiO₃₀ Der so ausgerüstete Kondensator dient als Temperaturkompensationselement. Den dielektrischen Werkstoff erhält man durch Mischungen unter Verwendung von Barium oder Strontium. Je nach Wahl des Mischung; Verhältnisses erhält man verschiedene Curiepunkt-Temperaturen für den Werkstoff. Für Temperaturen oberhalb des Curiepunktes zeigt BaTiO₃ eine negative Temperaturcharakteristik (unterhalb des ferroelektrischen Curiepunktes polarisiert BaTiO₃ spontan). Steigt demnach die Umgebungstemperatur gegen die Temperatur des Curiepunktes an, so erhöht sich die Kapazität des BaTiO ; überschreitet die Umgebungstemperatur die Temperatur des Curiepunktes, so verringert sich die Kapazität wieder»

Die Eigenschaften des ferroelektrischen Werkstoffes ändern sich schlagartig, sobald die Temperatur den Curiepunkt überschreitet? Es ist dann schwierig, diese Eigenschaften wieder zu erhalten. Steigt die Temperatur zunächst von niedrigen Werten zu hohen an und wird sie danach von hohen auf niedrige Werte abgesenkt, dann werden nicht die Ausgangswerte des Dielektrikums erreicht, sondern es stellt sich ein Hysterese-Verlauf ein (Elektrete). Diese Dinge sind grundsätzlich bekannt, nachträgliche Versuche, insbesondere ein Druck-Alterungs-Versuch, bei dem man einen derartigen Temperaturwechsel sehr häufig über einen Bereich hin aufgebracht hat, der doppelt so gross ist als der Bereich der Betriebstemperatur, wie zwischen -20 Grad C - 4- 80 Grad C, ha ben bestätigt, dass die vorgenannten ferroelektrischen Werk-

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stoffe durchaus erfolgreich bei den hier in Frage stehenden Oszillatoren Anwendung finden können.

Im allgemeinen zeigt die Temperaturcharakteristik des Schwingkristalls einen parabolischen Verlauf, wobei die Frequenz im Umkehrpunkt bei Null die grösste Abhängigkeit von der Temperatur zeigt. Als Fixpunkt der Temperaturcharakteristik wird daher 20 Grad C festgelegt. Folgerichtig wird das Temperaturkompensationselement ebenfalls auf 20 Grad C ausgerichtet. Ein dielektrischer Werkstoff, dessen Curiepunkt nahe bei der Normaltemperatur liegt, kann seine Ursprungscharakteristik auch in Temperaturbereichen beibehalten, die oberhalb des Curiepunktes liegen, so dass sich für die praktische Verwendung keine Schwierigkeiten ergeben.

Die vorliegende Erfindung macht von diesen grundlegenden Betrachtungen Gebrauch. Figur 3 zeigt eine erste Ausfuhrungsform eines einstellbar ausgebildeten Kondensators, der zugleich als Temperaturkompensationskondensator dient. In der Breitansicht gemäss Figur 3a ist ein Bariumtitanat (BaTiO₃)-Dielektrikum 1 dargestellt, parallel zu dessen einer Oberfläche eine Metallscheibe 2 verdrehbar ist. Figur 3b zeigt, dass auf der anderen Oberfläche des Dielektrikums 1 eine Gegenelektrode 3 vorgesehen ist, die festliegt. Eine Verdrehung der Elektrode 2 führt zu unterschiedlich grossen Bereichen einander gegenüberliegender Elektrodenflächen, so dass die Kapazität stufenlos veränderlich ist, wie dies von Drehkondensatoren her bekannt ist. In ruhender Stellung wirkt das temperaturabhängige Dielek trikum kapazitätsverändernd, wodurch - wie bereits beschrieben - der Einfluss der Temperaturänderungen auf die Oszillator frequenz kompensiert werden kann.

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Die Form des Dielektrikums 1 kann auf verschiedene Weise abgeändert werden, wodurch sich die Charakteristik des Kapazitätsanstiegs in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Elektrode .2 annähernd frei wählbar bestimmen lässt (lineare, logarithmische oder dgl. Abhängigkeit).

In den Figuren 4a und 4b sind Ausführungsformen eines stufen-.weise veränderbaren Kondensators dargestellt, der erfindungsgemäss zugleich als Temperaturkompensationskondensator ausgebildet ist.

Dabei zeigt Figur 4a Silberelektroden 4a, 4b, 4c, 4d und 4e, die auf eine Oberfläche des Bariumtitanat (BaTiO₃)-Dielektrikums

5 aufgebrannt sind. Die Flächenbereiche dieser Elektroden sind unterschiedlich gross gewählt. Mit Hilfe des drehbaren Kontaktes

6 lässt sich wahlweise jede der vorgenannten Silberelektroden einzeln mit dem nicht dargestellten, äusseren Kondensatoranschluss verbinden, der diesen Elektrodenflächen gemeinsam zugeordnet ist. Auf der abgewandten Oberfläche des Dielektrikums befindet sich eine Gegenelektrode, die mit dem anderen Kondensatoranschluss in Verbindung steht. Je nach Verdrehstellung des Kontaktes 6 ist eine der unterschiedlich grossen Elektroden 4a bis 4e eingeschaltet, so dass sich abhängig von dem Verdrehwinkel des Einstellkontaktes 6 unterschiedliche Kapazitäten einstellen lassen.

Figur 4b zeigt eine andere Ausführungsform eines stufenweise verstellbaren Kondensators, bei dem die Abstufungen wesentlich feiner und die Gesamtkapazität bei gleich grosser Dielektrikum-Fläche grosser gehalten werden kann. Eine der Elektroden ist in eine Vielzahl von fcektorförmigen Silberelektroden 7a, 7b, .... unterteilt, wobei die Sektorenelektroden auf die eine

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Oberfläche des Bariumtitanat-Dielektrikums 5 aufgebrannt sind. An einem bestimmten Kontaktbereich der Silberelektroden greift eine Kontaktscheibe 8 an_f die je nach der Grosse des Verdrehwinkels eine mehr oder weniger grosse Zahl der sektorenförmigen Silberelektroden übergreift und miteinander kurzschliesst. Die Elektrodenscheibe 8 ist andererseits mit dem äusseren Kondensatoranschluss/ der diesen Elektroden zugeordnet ist, verbunden. Auch hier befindet sich auf der anderen Oberfläche des Dielektrikums eine Gegenelektrode, die mit dem anderen äusseren Anschluss des Kondensators in Verbindung steht. Aufgrund der Möglichkeit einer besonders feinen Unterteilung der erstgenannten Elektrode in sektorförmige Abschnitte lässt sich eine besonders feine Stufung des einstellbaren Kondensators erreichen. Diese Form des mehr oder weniger fein stufenweise verstellbaren Kondensators ist insbesondere dann angebracht, wenn ein gesintertes Bariumtitanat-Dielektrikum Verwendung findet, da dann die Elektroden zweckmässig auf die Oberfläche des Dielektrikums aufgebrannt werden, um die geforderte Genauigkeit der Kapazität bzw. Kapazitätsänderungen zu erhalten.

Unter Anwendung der erfindungsgemässen Lehre lassen sich Kristall-Oszillatoren herstellen, die einen besonders geringen Platzbedarf aufweisen und deren Oszillatorfrequenz temperaturstabilisiert ist; solche Oszillatoren sind besonders fUr quarzkristall-gesteuerte Armbanduhren geeignet, deren Platzangebot gering ist und deren Ganggenauigkeit möglichst von äusseren Einflüssen unabhängig sein soll.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

l.y Kristall-Oszillator, insbesondere für eine schwingkristallgesteuerte Armbanduhr, mit einem Kondensator veränderlicher Kapazität zur Kompensation des Einflusses von Temperaturänderungen auf die Oszillatorfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass der.Kondensator (C ) ein Dielektrikum (1;5) unter Verwendung von Bariumtitanat (BaTiO₃ od. dgl. aufweist, dessen Temperaturkoeffizient in Abhängigkeit von der Temperatur einen positiven und einen negativen Bereich durchläuft.
2. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der Kondensator (C. ) zur Einregulierung der Oszillator-Nennfrequenz stufenlos verstellbar ist
3. Oszillator nach Anspruch· 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C ) eine kreis- oder spiralsegmentförmlge Elektrode (2) aufweist, die gegenüber dem Dielektrikum (1) in stufenlos unterschiedliche Überdeckungslagen verdrehbar gelagert ist.
4. Oszillator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der Kondensator (C. ) zur Einregulierung der Oszillator-Nennfrequenz stufenweise verstellbar ist.
5. Oszillator nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass eine der Kondensatorelektroden in unterschiedlich grosse Flächenabschnitte (4a bis 4e) unter-

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teilt ist, die einzeln wahlweise mittels eines verstellbaren Kontaktes (6) mit dem zugehörigen Elektrodenanschluss verbindbar sind.
6. Oszillator nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass eine der Kondensatorelektroden in eine Vielzahl von Flächenabschnitten (7a, 7b ...) unterteilt ist, deren einer oder parallel geschaltet mehrere bis alle wahlweise mittels einer der Parallelschaltung der Flächenabschnitte dienenden Kontaktscheibe (8) mit dem zugehörigen Elektrodenanschluss verbindbar sind.
7. Oszillator nach einem oder beiden der Ansprüche 5 und 6 , dadurch gekennzeichnet , dass die Flächenabschnitte (4a bis 4e; 7a, 7b ...) fest auf dem Dielektrikum (1; 5) aufgebracht sind.
8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass das die Flächenabschnitte (4a bis 4e; 7a, 7b ..) bildende Elektrodenmetall auf das gesinterte Dielektrikum (1;5) aufgebrannt ist.
9. Oszillator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass der Kondensator (C. ) in Reihenschaltung oder einer entsprechenden Ersatzschaltung zu einem Schwingkristall (x) des Kristall-Oszillators angeordnet ist.

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