DE2631074B2 - Piezoelektrische Kristallbaugruppe - Google Patents
Piezoelektrische KristallbaugruppeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Kristallbaugruppe mit einem Kristall, mit zwei im
Abstand angeordneten Leitungsdrähten, die freie Schwingungsteile aufweisen, und mit einer Grundplatte,
die mit Abstand von dem Kristall angeordnet ist und zwei mit Abstand angeordnete Löcher aufweist, die
jeweils mit einem der Leitungsdrähte ausgerichtet sind und jeweils einen Leitungsdraht aufnehmen, und die
eine erste dem Kristall zugewandte Oberfläche und eine -> von dem Kristall entfernte Oberfläche sowie Verankerungseinrichtungen
zur starren Befestigung der Leitungsdrähte an der Grundplatte aufweist.
Derartige piezoelektrische Kristallbaugruppen oder Quarzbaugruppen werden in vielen elektronischen
ίο Schaltungen verwendet.
In der US-Patentschrift 37 35 166 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 erstrekken 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 Befestigungsstücken 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 Faktoren ab, wobei einer der
J» Faktoren 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
Jr> 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,
so der einen Abstand von einer Viertel-vellenlänge 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 der Kristalle erforderlich ist.
Es ist weiterhin eine Kristallbaugruppe bekannt, bei der der Kristall entlang eines Durchmessers durchbohrt
ist, wobei die beiden Bohrungen jeweils vom Mittelpunkt des Kristalls ausgehend zu den Außenflächen hin
fao konisch erweitert sind. Eine weitere senkrecht zur
erstgenannten Bohrung verlaufende Bohrung dient zur Aufnahme von Befestigungseinrichtungen der in die
erstgenannte Bohrung eingeführten Leitungsdrähte, wobei über diese Befestigungseinrichtungen ein elektri-
<·ϊ scher Anschluß hergestellt werden kann. Hierzu ist es
jedoch erforderlich, den Kristall mit zwei durchgehenden Bohrungen sowie zwei Sackbohrungen, die in die
durchgehenden Bohrungen münden, zu versehen, was
einen sehr komplizierten Herstellungsvorgamg erfordert,
da sich die Schwingungseigenschaiften des Kristallstabes nicht ändern dürfen und eine außerordentliche
Bruchgefahr gegeben ist. Der Vorteil dieser Anordnung liegt jedoch in der Tatsache, daß ein Teil der
Länge der vorzugsweise ein Viertelwelleniänge aufweisenden Leitungsdrähte im Innern des Kristalls liegt, so
daß sich verringerte Abmessungen der Kristallbaugruppe ergeben. Es ist jedoch erforderlich, den Durchmesser
der Bohrung und den Durchmesser der Leitungsdrähte sehr genau abzustimmen, damit sich ein definierter
Beginn des frei beweglichen Bereiches der Leitungsdrähte ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrische Kristallbaugruppe der eingangs genannten
Art zu schaffen, die einfacher herstellbar ist und bei der der frei bewegliche Abschnitt der Leitungsdrähte
in einfacher Weise bei der Fertigung einstellbar ist, wobei die Vorteile des verringerten Raumbedarfs
beibehalten werden sollen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kristallbaugruppe sind die an die sich verjüngenden
Bohrungen zu stellenden Genauigkeitsanforderungen wesentlich verringert, da der wirksame Befestigungspunkt der Leitungsdrähte an der Grundplatte in
eindeutiger Weise in der Ebene der zweiten von dem Kristall entfernten Oberfläche der Grundplatte liegt,
selbst wenn der Innendurchmesser der Bohrung an der zweiten Oberfläche nicht genau dem Außendurchmesser
der Leitungsdrähte entspricht. Es sind weiterhin keine Bohrungen an dem Kristall selbst erforderlich,
und die Grundplatte kann aus leicht zu bohrendem und zu bearbeitendem Material hergestellt sein. Die Stärke
der Grundplatte kann mit zur Aufnahme der Viertelwellenlänge der Leitungsdrähte verwendet werden, so daß
die Baugruppe sehr kompakt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch
näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt
F i g. 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,
F i g. 3 eine Schnittansicht im wesentlichen entlang der Linie III-III nach F i g. 2;
F i g. 4 eine auseinandergezogene Draufsicht der Kristallbaugruppe nach F i g. 1;
F i g. 5 eine Unteransicht des Kristalls nach F i g. 2, wobei in gestrichelten Linien die Schwingung des
Kristalls um dessen Knotenpunkt gezeigt ist.
In den Zeichnungen und insbesondere in den Fig. 1 und 2 ist eine piezoelektrische Kristallbaugruppe zu
erkennen, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und die einen langgestreckten stabförmigen Quarzkristall 12
vom X-Y-Schnitt einschließt, der eine obere Oberfläche 14, eine untere Oberfläche 16 parallel zur oberen
Oberfläche 14 und zwei herumgelegte Elektroden 18a, 18Z) aufweist, die jeweils einen der beiden Knotenpunkte
20a, 206 (Fig.5) auf der unteren Oberfläche 16 umgeben. Die Kristallbaugruppe 10 schließt weiterhin
zwei Leitungsdrähte 22a, 226 mit geradlinigen Abschnitten 24a, 24b ein. Die obsren Enden 26a, 26b der
Leitungsdrähte sind mit Hilfe von Lot jeweils an den Knotenpunkten 20a, 20b senkrecht zur unteren
Oberfläche 16 befestigt, so daß die geraden Teile 24a, 24b parallel zueinander angeordnet sind.
Wie es aus den F i g. 2 bis 4 zu erkennen ist, schließt die Kristallbaugruppe 10 weiterhin eine lannggestreckte
und im wesentlichen stabförmige Grundplatte 28 mit einer ebenen inneren Oberfläche 30, einer ebenen
ίο 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, 3Sb 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, 426 auf der äußeren Oberfläche 32 umgeben die öffnungen der
Löcher 38a, 386.
Die piezoelektrische Kristallbaugruppe 10 nach den
2j Fig.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, 486 für
in die Grundplatte sowie zwei Grundplatten-Festlegungsanschläge
54a, 546 an den kurzen Wandteilen 50a, 506 ein.
Beim Zusammenbau werden die herumgelegten Elektroden 18a, 186 auf Teile des Kristalls 12
π auf metallisiert, und die Enden 26a, 266 der Leitungsdrähte 22a, 226 werden mit Hilfe von Metallabscheidungen,
wie z. B. Lot-Hohlkehlen 56a, 566 an den Elektroden 18a, 186 an den Knotenpunkten 20a, 206 des
Kristalls befestigt, und die Leitungsdrähte 22a, 226
w werden durch die konischen Löcher 38a, 386 in der
Grundplatte eingesetzt. Die untere Oberfläche 16 des Kristalls 12 ist mit Abtand 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, 426 der Grundplatte 28 mit Hilfe von
Lotverbindungen 58a, 586 befestigt. Weil die konische Form der Löcher 38a, 386 wirksam verhindert, daß die
Lotverbindungen 58a, 586 sich innerhalb der konischen
riii Löcher 38a ausbilden, sind die Schwingungslängen der
geraden Teile 24a, 246 der Leitungsdrähte 22a, 226 genau festgelegt. Die Grundplatte 18 mit den daran
befestigten Leitungsdrähten 22a, 226 sowie dem an die Enden 26a, 266 der Leitungsdrähte 22a, 226 angelöteten
Kristall 12 wird in den oberen Teil der Abdeckung 44 eingesetzt, bis die innere Oberfläche 30 der Grundplatte
38 gegen die Anlageanschläge 52a, 526,54a, 546 anstößt.
Vorzugsweise wird eine Vergußmassenvertiefung 60,
die durch die äußere Oberfläche 32 der Grundplatte 28
μ) und die vorstehenden Teile 62a, 626, 64a, 646 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 hemetisch die Grundplatte 28 gegenüber dem unteren
hi Teil der Abdeckung 44 ab und gleichzeitig ergibt sich
eine Befestigung und hermetische Abdichtung der Leitungsdrähte 22a, 226an der Grundplatte 28.
Bei einer wahlweisen Konstruktion sind die Lötver-
Bei einer wahlweisen Konstruktion sind die Lötver-
bindungen 58a, 5Sb fortgelassen, und es wird lediglich das Epoxy-Material zur Abdichtung und Befestigung
der Leitungsdrähte 22a, 22b an der Grundplatte 28 verwendet. Allgemein sind hierbei zwei Epoxy-Klebevorgänge
erforderlich: Einerseits zur Festlegung der ι 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 Keramik- in
material, 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 ιϊ
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 Handelsnahmen KOVAR erhältlich ist und eine Legierung aus Eisen,
Kobalt und Nickel mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von ungefähr 6,2 χ 10~6 ist, ist mit dem für r>
die Grundplatte verwendbaren Aluminiumoxyd im Hinblick auf den Ausdehnungskoeffizienten vereinbar.
In F i g. 5 ist die Schwingungsart des Kristalls 12 durch gestrichelte Linien 68a, 686 dargestellt. Es ist leicht zu
erkennen, daß, obwohl die Schwingung des Kristalls 12 κι
um die Knotenpunkte 20a, 20b erfolgt, die Leitungsdrähte
22a, 226 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, 686
erkennbar. In gleicher Weise ist aus einer Betrachtung der F i g. 5 zu erkennen, daß die Knotenpunkte 20a, 20b
jedesmal dann näher aneinandergebracht werden, wenn der Kristall in die Form schwingt, die durch die w
gestrichelten Linien 286 dargestellt ist, so daß sich zumindest zwei Perioden der Biegeschwingungen
ergeben, die auf die Leitungsdrähte 22a, 22b bei jeder Schwingungsperiode des Kristalls 12 ausgeübt werden.
Auf Grund der komplexen den Leitungsdrähten durch ίγ>
den Kristall erteilten Schwingungen ist es sehr schwierig, theoretisch die Länge des Leitungsdrahtes zi
berechnen, die gleich einer Viertelwellenlänge de Betriebsfrequenz des Kristalls ist. Entsprechend wire
die freie Schwingungslänge des Leitungsdrahtes empi risch bestimmt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung dei Kristallbaugruppe ergibt sich eine wirkungsvolle Ver
ringerung der Gesamtgröße der Kristallbaugruppe IC dadurch, daß die geraden Teile 24a, 24b der Leitungs
drähte 22a, 22b an der äußeren Oberfläche 32 dei stabförmigen Grundplatte 28 befestigt sind, so daß die
geraden Teile 24a, 286 frei in jeder Richtung in der konischen Löchern 38a, 386 sowie zwischen derr
Kristall 12 und der Grundplatte 28 schwingen können Daher wird der Abstand zwischen dem Kristall 12 unc
der Oberfläche 30 der Grundplatte 28 um die Dicke der Grundplatte 28 verringert, und die Gesamtgröße de
Baugruppe wird ebenfalls entsprechend verringert während die Leitungsdrähte immer noch eine Länge
von einer Viertelwellenlänge behalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform schwingt dei Kristall mit 32,768 kHz, die Leitungsdrähte weisen einer
Durchmesser von 0,127 mm auf, und sie sind an dei äußeren Oberfläche der Grundplatte befestigt, so dal
sich eine freie Schwingungslänge von ungefähr 1,65 mn ergibt, wobei die freie Schwingungslänge empirisch al:
eine Viertelwellenlänge bestimmt wurde. Bei de gleichen Anordnung weist die Grundplatte eine Dicke
von 1,17 mm auf. Somit werden 70% der für die Leitungsdrähte benötigten Länge in den konischen unc
sich verjüngenden Löchern in der Grundplatte aufge nommen, und die Gesamtgröße der Kristallbaugrupp«
wird beträchtlich verringert. Die Kosten für die gesamte Kristallbaugruppe werden ebenfalls verringert, weil die
Grundplatte aus einem Stück besteht und die Löcher ii der Grundplatte vorgesehen sind. Weiterhin werder
durch die erfindungsgemäße Ausbildung Beanspruchun gen der Baugruppe auf die Grundplatte 20 wirksan
vermieden, weil die Befestigung der Abdeckung ode des Deckels 44 an der Grundplatte 28 mit Hilfe eine
Vergußmasse und nicht durch einen Kaltschweißvor gang erfolgt.
Der Ausdruck »konisch« bezeichnet irgendeine konische oder sich verjüngende Form, bei der de:
Querschnitt des Konus zwischen dem Scheitel und de Basis oval, kreisförmig oder mehreckig sein kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Piezoelektrische Kristallbaugruppe mit einem Kristall, mit 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 zwei mit Abstand
angeordnete Löcher aufweist, die jeweils mit einem der Leitungsdrähte ausgerichtet sind und jeweils
einen Leitungsdraht aufnehmen, und die eine erste dem Kristall zugewandte Oberfläche und eine von
dem Kristall entfernte Oberfläche sowie Verankerungseinrichtungen zur starren Befestigung der
Leitungsdrähte an der Grundplatte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Löcher (38a, 38b) an der dem Kristall zugewandten Oberfläche einen größeren Durchmesser und an der
von dem Kristall entfernten Oberfläche einen kleineren Durchmesser aufweisen und daß der
wirksame Befestigungsbereich der Verankerungseinrichtungen (42a, 42b) benachbart zur zweiten von
dem Kristall (12) entfernten Oberfläche (32) liegt und daß der Teil der Leitungsdrähte (22a, 22b) der sich
benachbart zur ersten Oberfläche erstreckt, die Ebene dieser Oberfläche schneidet und sich im
wesentlichen von dieser ersten Oberfläche aus in Richtung auf die zweite Oberfläche (32) hin
erstreckt, an der Grundplatte (28) nicht befestigt ist, so daß die Leitungsdrähte frei in jeder Richtung in
den Löchern in der Grundplatte (28) schwingen können.
2. Kristallbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufmetallisierte Kissen (42a,
426,) mit der zweiten Oberfläche (32) verbunden sind
und zumindest teilweise jedes der Löcher (38a, 38b)
umgeben und daß die Verankerungseinrichtungen Metallabscheidungen (58a, 58/?,) einschließen, die mit
den Kissen und den Leitungsdrähten verbunden sind.
3. Kristallbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (12) ein
langgestreckter Stab mit allgemein rechtwinkligem Querschnitt und gegenüberliegenden parallelen
Seiten ist.
4. Kristallbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte
(28) ein langgestrecktes stabförrniges Teil aus dielektrischem Material einschließt, in dem die
Löcher (38a, 38b) ausgebildet sind, und daß die elektrische Isolation der Löcher durch das dielektrische
Material gegeben ist.
5. Kristallbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Löcher (38a, 38b) eine konische Form aufweist.
6. Kristallbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge der Leitungsdrähte von dem Kristall (12) bis zur zweiten Oberfläche (32) der Grundplatte (28) im
wesentlichen einer Viertelwellenlänge entspricht.
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