DE2631074A1

DE2631074A1 - Piezoelektrische kristallbaugruppe

Info

Publication number: DE2631074A1
Application number: DE19762631074
Authority: DE
Inventors: Ind Elkhart; Jack A English; James N Hufford; Willie P Ozbirn
Original assignee: CTS Corp
Current assignee: CTS Corp
Priority date: 1975-07-14
Filing date: 1976-07-09
Publication date: 1977-02-03
Also published as: FR2318506B3; DE2631074B2; IT1064937B; CH607335A5; CA1069610A; DE2631074C3; FR2318506A1; GB1506830A; US4152616A; BR7604556A; JPS5211889A

Description

'äite Dip;.--!ng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Qünther Koch 2631074 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9. Juli 197-'

Unser Zeichen: I5 565 - Fk/Ne

CTS Corporation
Elkhart, Indiana, USA

Piezoelektrische Kristallbaugruppe

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Kristallbaugruppe mit einem Kristall, von dem s ich zwei mit Abstand angeordnete Leitungsdrähte nach außen hin erstrecken und freie Schwingungsteile aufweisen, und mit einer Grundplatte, die in Abstand von dem Kristall angeordnet ist und zwei mit Abstand angeordnete Löcher aufweist, die jeweils mit einem der Leitungsdrähte ausgerichtet sind und diese aufnehmen.

Derartige piezoelektrische Kristallbaugruppen oder Quarzbaugruppen werden in vielen elektronischen Schaltungen verwendet.

In der US-Patentschrift 3 755 I66 der gleichen Anmelderin ist eine piezoelektrische Kristallbaugruppe beschrieben, bei der zwei Leitungsdrähte orthogonal an den Knotenpunkten an einer Oberfläche eines Kristalls mit X-Y-Schnitt befestigt sind, wobei sich die Leitungsdrähte durch zwei dünne rohrförmige parallel in einer Grundplatte angeordnete Befestigungsstücke erstrecken und an diesen befestigt sind, wobei eine Abdeckung an der Grundplatte befestigt ist, um den Kristall einzuschließen und wobei der Teil der Leitungsdrähte zwischen den rohrförmigen Befesti-

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gungsstücken und dem Kristall eine derartige Länge sowie einen derartigen Durchmesser aufweist, daß ein maximaler Anteil der den Leitungsdrähten von dem Kristall erteilten Schwingungsenergie zum Kristall zurückgeführt wird, so daß die Energie des Kristalls nicht in seiner Halterung verbraucht wird.

Der Betriebswirkungsgrad eines Kristalls oder Quarzes hängt von vielen Paktoren ab, wobei einer der Paktoren die Länge des Teils jedes der Leitungsdrähte vom Kristall zum Befestigungspunkt der Leitungsdrähte an der Grundplatte ist. Wenn die Länge der Teile der Leitungsdrähte vorzugsweise eine Viertelwellenlänge beträgt, so wird die auf die Leitungsdrähte von dem Kristall bei dessen Erregung übertragene Schwingungsenergie im wesentlichen zum Kristall zurückgeführt. Es treten jedoch üblicherweise Schwierigkeiten bei der Befestigung der Leitungsdrähte an einem vorgegebenen Punkt an der Grundplatte oder an ,einem rohrförmigen Befestigungsstück auf, das in der Grundplatte vorgesehen ist, weil das Metall, beispielsweise geschmolzenes Lot, ausgehend von der Grundplatte oder dem rohrförmigen Befestigungsteil von dem von dem Kristall entfernten Ende auf Grund der Kapillarwirkung weiterfließt. In vielen Fällen fließt das Metall nicht bis zum gewünschten Befestigungspunkt der Leitungsdrähte an einer Viertelwellenlänge die rohrförmigen Befestigungsstücke hoch. Die Befestigung der Leitungsdrähte an einem anderen als dem gewünschten Punkt, der einen Abstand von einer Viertelwellenlänge von dem Kristall aufweist, führt dazu, daß die vom Kristall auf die Leitungsdrähte übertragene Schwingungsenergie teilweise verbraucht wird und nicht zum Kristall zurückgeführt wird, so daß eine größere Energie zur Ansteuerung des Kristalls erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Kristallbaugruppe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die erforderliche Länge der Leitungsdrähte zwischen dem Kristall und der Grundplatte verringert wird, so daß sich eine kleinere Baugruppe ergibt und bei der gleichzeitig die freie

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Schwingungslänge der Leitungsdrähte zwischen dem Kristall und dem Befestigungspunkt an der Grundplatte wirksamer und genauer steuerbar ist, so daß die Übertragung der Schwingungsenergie von dem Kristall auf die Halterungsanordnung so weit wie möglich verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße piezoelektrische Kristallbaugruppe weist einen piezoelektrischen Kristall mit zwei daran befestigten Elektroden auf. An jeder Elektrode ist ein Leitungsdraht befestigt. Eine Grundplatte aus dielektrischem Material weist eine innere Oberfläche mit Abstand von der unteren Oberfläche d es Kristalls auf. Die Grundplatte weist weiterhin zwei konische Löcher auf, die sich durch die Grundplatte mit Abstand voneinander und elektrisch isoliert erstrecken. Diese konischen Löcher verlaufen senkrecht zur inneren Oberfläche der Grundplatte, wobei der größere Durchmesser jedes Loches in der inneren Oberfläche der Grundplatte liegt und die Leitungsdrähte aufnimmt. Die Leitungsdrähte werden an der Grundplatte an einer von dem Kristall entfernten Stelle an der Grundplatte befestigt und hermetisch gegenüber dieser abgedichtet, so daß die Leitungsdrähte frei innerhalb der konisch geformten Löcher sowie zwischen der inneren Oberfläche der Grundplatte und der unteren Oberfläche des Kristalls schwingen können. Eine über den Kristall gesetzte Abdeckung steht mit der Grundplatte in Eingriff und schließt zusammen mit dieser den Kristall ein. Die Abdeckung erstreckt sich senkrecht über die von dem Kristall entfernte oder äußere Oberfläche der Grundplatte hinaus und wirkt mit dieser so zusammen, daß sich eine Vergußvertiefung ergibt. Diese Vergußvertiefung wird mit einem Abdichtmaterial beispielsweise einem Epoxy-Material gefüllt und ergibt eine her-

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metische Abdichtung zwischen der Grundplatte und der Abdeckung, wobei gleichzeitig die Öffnungen zwischen den Leitungsdrähten und den konischen Löchern hermetisch abgedichtet werden. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird die Gesamtgröße der Kristallbaugruppe verringert, so daß ihre Anwendung bei kleinen elektronischen Uhren vereinfacht wird. Weiterhin kann die wirksame Länge der den Kristall halternden Leitungsdrähte genauer gesteuert werden, so daß die Übertragung der Schwingungsenergie von dem Kristall auf die Halterungsanordnung verringert xtfird. Die Leitungsdrähte können frei in den Löchern schwingen, die in der Grundplatte vorgesehen sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeichen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Kristallbaugruppe;

Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnitt-Ansicht der Kristallbaugruppe im wesentlichen entlang der Schnittlinie II-II nach Fig. 1:

Fig. J eine Schnittansicht im wesentlichen entlang der Linie III-III nach Fig. 2;

Fig. 4 eine auseinandergezogene Draufsicht der Kristallbaugruppe nach Fig. 1;

Fig. 5 eine Unteransicht des Kristalls nach Fig. 2, wobei in gestrichelten Linien die Schwingung des Kristalls um dessen Knotenpunkte gezeigt ist.

In den Zeichnungen und insbesondere in den Figuren 1 und 2 ist eine piezoelektrische Kristallbaugruppe zu erkennen, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und die einen langgestreckten

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stabförmigen Quarzkristall 12 vom X-Y-Schnitt einschließt, der eine obere Oberfläche 14, eine untere Oberfläche l6 parallel zur oberen Oberfläche 14 und zwei herumgelegte Elektroden l8a, l8b aufweist, die jeweils einen der beiden Knotenpunkte 20a, 20b (Fig. 5) auf der unteren Oberfläche 16 umgeben. Die Kristallbaugruppe 10 schließt weiterhin zwei Leitungsdrähte 22a, 22b mit geradlinigen Abschnitten 24a, 24b ein. Die oberen Enden 26a, 26b der Leitungsdrähte sind mit Hilfe von Lot jeweils an den Knotenpunkten 20a, 20b senkrecht zur unteren Oberfläche l6 befestigt, so daß die geraden Teile 24a, 24b parallel zueinander angeordnet sind.

Wie es aus den Figuren 2 bis 4 zu erkennen ist, schließt die Kristallbaugruppe 10 weiterhin eine langgestreckte und im wesentlichen stabförmige Grundplatte 28 mit einer ebenen"inneren Oberfläche 50, einer ebenen äußeren Oberfläche 32, die mit Abstand und parallel zur ebenen inneren Oberfläche 30 angeordnet ist, zwei lange Seitenflächen 34a, 34b, die die inneren und äußeren Oberflächen 30, 32 verbinden und orthogonal zu diesen angeordnet sind, sowie zwei kurze Seitenoberflächen 36a, 36b ein, die im wesentlichen orthogonal zu den langen Seitenoberflächen 34a, 34b angeordnet sind. Die Grundplatte ist weiterhin mit zwei konischen Löchern 38a, 38 b versehen, die orthogonal zur inneren Oberfläche 30 angeordnet sind und deren größere Enden 40a, 40b in der inneren Oberfläche 30 liegen. Metallisierte Oberflächenteile oder Kissen 42a, 42b auf der äußeren Oberfläche 32 umgeben die Öffnungen der Löcher 38a, 38b.

Die piezoelektrische Kristallbaugruppe 10 nach den Figuren 2 bis 4 schließt weiterhin eine Abdeckung 44 mit einem im wesentlichen langgestreckten und ebenen Abdeckteil 46, mit zwei langen Wandteilen 48a, 48b, mit zwei kurzen Wandteilen 50a, 50b, mit zwei Anlageanschlägen 52a, 52b an den langen Wandteilen 48a, 48b für die Grundplatte sowie zwei Grundplatten-Festlegungsanschläge 54a, 54b an den kurzen Wandteilen 50a, 50b ein.

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Beim Zusammenbau werden die herumgelegten Elektroden 18a, l8b auf Teile des Kristalls 12 aufmetallisiert und die Enden 26a, 26b der Leitungsdrähte 22a, 22b werden mit Hilfe von Metallabscheidungen, wie z.B. Lot-Hohlkehlen 56a, 56b an den Elektroden 18a, l8b an den Knotenpunkten 20a, 20b des Kristalls befestigt und die Leitungsdrähte 22a, 22b werden durch die konischen Löcher 38a, 58b in der Grundplatte eingesetzt. Die untere Oberfläche l6 des Kristalls 12 ist mit Abstand und parallel zur inneren Oberfläche 30 der Grundplatte 28 angeordnet und die Leitungsdrähte werden an einem Punkt, der gleich einer Viertelwellenlänge entspricht, an den metallisierten Teilen 42a, 42b der Grundplatte 28 mit Hilfe von Lotverbindungen 58a, 58b befestigt. Weil die konische Form der Löcher 38a, 38b wirksam verhindert, daß die Lotverbindungen 58a, 58b sich innerhalb der konischen Löcher 38a ausbilden, sind die Schwingungslängen der geraden Teile 24a, 24b der Leitungsdrähte 22a, 22b genau festgelegt. Die Grundplatte 18 mit den daran befestigten Leitungsdrähten 22a, 22b sowie dem an die Enden 26a, 26b der Leitungsdrähte 22a, 22b angelötetenKristall 12 wird in den oberen Teil der Abdeckung 44 eingesetzt, bis die innere Oberfläche 30 der Grundplatte 28 gegen die Anlageanschläge 52a, 52b, 54a, 54b anstößt.

Vorzugsweise wird eine Vergußmassenvertiefung 60, die durch die äußere Oberfläche 32 der Grundplatte 28 und die vorstehenden Teile 62a, 62b, 64a, 64b der Abdeckung 44 gebildet ist, mit einer geeigneten Vergußmasse 66, wie z.B. einem Epoxy-Material gefüllt. Die Vergußmasse 66 wird wirksam befestigt und dichtet hermetisch die Grundplatte 28 gegenüber dem unteren Teil der Abdeckung 44 ab und gleichzeitig ergibt sich eine Befestigung und hermetische Abdichtung der Leitungsdrähte 22a, 22b an der Grundplatte 28.

Bei einer wahlweisen Konstruktion sind die Lötverbindungen 58a, 58b fortgelassen und es wird lediglich das Epoxy-Material zur Abdichtung und Befestigung der Leitungsdrähte 22a, 22b

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an der Grundplatte 28 verwendet. Allgemein sind hierbei zwei Epoxy-Klebevorgänge erforderlich: Einerseits zur Festlegung der Lage des Kristalls gegenüber der Grundplatte und andererseits zur Befestigung und hermetischen Abdichtung der Abdeckung gegenüber der Grundplatte.

Die Grundplatte 28 besteht vorzugsweise aus dielektrischem Material, allgemein aus einem Keramikmaterial, wie z.B. Aluminiumoxyd und das Material für die Abdeckung 44 und die Vergußmasse 66 ist vorzugsweise so ausgewählt, daß sich im wesentlichen der gleiche lineare Ausdehnungskoeffizient wie bei der Grundplatte ergibt. Hierdurch wird verhindert, daß unzulässige thermische Beanspruchungen die Verbindung beschädigen und/oder Zugspannungen auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Epoxymaterial 66 und der Abdeckung 44 oder zwischen dem Epoxymaterial 66 und der Grundplatte 28 hervorrufen. Ein derartiges Metall, das im Handel unter dem Handelsnamen KOVAR erhältlich ist und eine Legierung aus Eisen, Kobalt und Nickel mit einem linearen Ausdehnungskoeffizient von ungefähr 6,2 χ 10~ ist, ist mit dem für die Grundplatte verwendbaren Aluminiumoxyd im Hinblick auf den Ausdehnungskoeffizienten vereinbar.

In Fig. 5 ist die Schwingungsart des Kristalls 12 durch gestrichelte Linien 68a, 68b dargestellt. Es ist leicht zu erkennen, daß obwohl die Schwingung des Kristalls 12 um die Knotenpunkte 20a, 20b erfolgt, die Leitungsdrähte 22a, 22b sowohl Drehschwingungen als auch Biegeschwingungen auf Grund der Schwingungen des Kristalls ausgesetzt werden. Die Ausübung der Drehschwingungen auf die Leitungsdrähte 22a, 22b ist aus der Krümmung der gestrichelten Linien 68a, 68b erkennbar. In gleicher Weise ist aus einer Betrachtung der Fig. 5 zu erkennen, daß die Knotenpunkte 20a, 20b jedesmal dann näher aneinandergebracht werden, wenn der Kristall in die Form schwingt, die durch die gestrichelten Linien 28b dargestellt ist, so daß sich zumindest zwei Perioden der Biegeschwingungen ergeben, die auf die Leitungsdrähte 22a, 22b bei jeder Schwingungsperiode des

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Kristalls 12 ausgeübt werden. Auf Grund der komplexen den Leitungsdrähten durch den Kristall erteilten Schwingungen ist es sehr schwierig, theoretisch die Länge des Leitungsdrahtes zu berechnen, die gleich einer Viertelwellenlange der Betriebsfrequenz des Kristalls ist. Entsprechend wird die freie Schwingungslänge des Leitungsdrahtes empirisch bestimmt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kristallbaugruppe ergibt sich eine wirkungsvolle Verringerung der Gesamtgröße der Kristallbaugruppe 10 dadurch, daß die geraden Teile 24a, 24b der Leitungsdrähte 22a, 22b an der äußeren Oberfläche 32 der stabförmigen Grundplatte 28 befestigt sind, so daß die geraden Teile 24a, 24b frei in jeder Richtung in den konisohen Löchern 38a, 38b sowie zwischen dem Kristall 12 und der Grundplatte 28 schwingen können. Daher wird der Abstand zwischen dem Kristall 12 und der Oberfläche J50 der Grundplatte 28 um die Dicke der Grundplatte 28 verringert und die Gesamtgröße der Baugruppe wird ebenfalls entsprechend verringert, während die Leitungsdrähte immer noch eine Länge von einer Viertelwellenlänge behalten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform schwingt der Kristall mit 32,768 kHz, die Leitungsdrähte weisen einen Durchmesser von 0,127 mm auf und sie sind an der äußeren Oberfläche der Grundplatte befestigt, so daß sich eine freie Schwingungslänge von ungefähr 1,65 mm ergibt, wobei die freie Schwingungslänge empirisch als eine Viertelwellenlänge bestimmt wurde. Bei der gleichen Anordnung weist die Grundplatte eine Dicke von 1,17 mm auf. Somit werden 70 % der für die Leitungsdrähte benötigten Lange in den konischen oder sich verjüngenden Löchern in der Grundplatte aufgenommen und die Gesamtgröße der Kristallbaugruppe wird beträchtlich verringert. Die Kosten für die gesamte Kristallbaugruppe werden ebenfalls verringert, weil die Grundplatte aus einem Stück besteht und die Löcher in der Grundplatte vorgesehen sind. Weiterhin werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung Beanspruchungen der Baugruppe auf

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die Grundplatte 28 wirksam vermieden, weil die Befestigung der Abdeckung oder des Deckels 44 ander Grundplatte 28 mit Hilfe einer Vergußmasse und nicht durch einen Kaltschweißvorgang erfolgt.

Der Ausdruck "konisch" bezeichnet irgendeine konische oder sich verjüngende Form, bei der der Querschnitt des Konus zwischen dem Scheitel und der Basis oval, kreisförmig oder mehreckig sein kann.

Patentansprüche;

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Claims

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Patentansprüche

Ij Piezoelektrische Metallbaugruppe mit einem Kristall, zwei mit Abstand angeordneten und sich von dem Kristall nach außen hin erstreckenden Leitungsdrähten, die freie Schwingungsteile aufweisen, und mit einer Grundplatte, die mit Abstand von dem Kristall angeordnet ist und Befestigungseinrichtungen für den Kristall aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (28) zwei mit Abstand angeordnete Löcher (38a, 38b) aufweist, die jeweils mit einem der Leitungsdrähte (22a, 22b) ausgerichtet sind und jeweils einen Leitungsdraht (22a, 22b) aufnehmen, daß die Grundplatte (28) eine erste dem Kristall (12) zugewandte Oberfläche (30) und eine von dem Kristall (12) entfernte Oberfläche (32) sowie Verankerungseinrichtungen (42a, 42b) zur festen Befestigung der Leitungsdrähte (22a, 22b) an der Grundplatte (28) aufweist, daß die beiden Löcher (38a, 38b) benachbart zum Kristall (12) einen größeren Durchmesser und an ihrem von dem Kristall (12) entfernten Enden einen kleineren Durchmesser aufweisen und daß die Verankerungseinrichtungen (42a, 42b) eine wirksame Befestigung der Leitungsdrähte (22a, 22b) näher an der zweiten Oberfläche (32) als an der ersten Oberfläche (30) der Grundplatte (28) bewirken.
2. Kristallbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil jedes der Leitungsdrähte (22a, 22b) benachbart zur ersten Oberfläche, der eine Ebene dieser Oberfläche schneidet und sich im wesentlichen von der ersten Oberfläche (30) zur zweiten Oberfläche (32) erstreckt, nicht an der Grundplatte (28) befestigt ist, so daß die Erregung des Kristalls eine freie Schwingung

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der Leitungsdrähte (22a, 22b) in jeder Richtung innerhalb der Löcher (38a, 38b) in der Grundplatte (28) er-• möglicht.
3. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung jedes der Leitungsdrähte (22a, 22b) zur Kante des jeweiligen Loches an der zweiten Oberfläche (32) kleiner als die Entfernung jedes Leitungsdrahtes von der Kante des jeweiligen Loches in der ersten Oberfläche (30) ist.
4. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß aufmetallisierte Kissen (42a, 42b) mit der zweiten Oberfläche (32) verbunden sind und zumindest teilweise jedes der Löcher (38a, 38b) umgeben und daß die Verankerungseinrichtungen Metallabscheidungen (58a, 58b) einschließen, die mit den Kissen und den Leitungsdrähten verbunden sind.
5. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g ekennzeichnet durch eine Abdeckung (44), die mit Teilen der Grundplatte (28) zusammenwirkt und den Kristall (12) einschließt, und Befestigungseinrichtungen (66), die die Leitungsdrähte (22a, 22b) gegenüber der Grundplatte (28) und die Grundplatte (28) gegenüber der Abdeckung (44) hermetisch abdichten.
6. Kristallbaugruppe nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen mit der Abdeckung (44) und der Grundplatte verbundenes Material (66) einschließen.
7. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) ein langgestreckter Stab mit allgemein rechtwinkligem Quer-

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schnitt und gegenüberliegenden parallelen Seiten ist.
8. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (28) ein langgestrecktes stabförmiges Teil aus dielektrischem Material einschließt, in dem die Löcher (58a, 58b) ausgebildet sind und daß die elektrische Isolation der Löcher durch das dielektrische Material gegeben ist.
9. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennze ichnet, daß die beiden Löcher (58a, 38b) einen größeren Durchmesser in der Nähe der dem Kristall (12) zugewandten Oberfläche (30) und einen kleineren Durchmesser an der von dem Kristall entfernten Oberfläche (32) aufweisen.
10. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (38a, 38b) eine konische Form aufweisen und daß die Leitungsdrähte (22a, 22b) lediglich an der zweiten Oberfläche (32) an der Grundplatte(28) befestigt sind.
11. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge d*er Leitungsdrähte von dem Kristall (12) zur zweiten Oberfläche (32) der Grundplatte (28) im wesentlichen einer ViertelwelLenlänge entspricht.

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