DE2631074C3 - Piezoelektrische Kristallbaugruppe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Kristallbaugruppe mit einem Kristall, mit zwei im Abstand angeordneten Leitungsdrähten, die freie SphwLigUngsteile 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 Quarsbaugruppen werden in vielen elektronischen 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 ν elen Faktoren ab, wobei einer der

JO 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

« 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

ίο 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 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 Mittel punkt des Kristalls ausgehend zu den Außenflächen hin M) konisch erweitert sind. Fine weitere senkrecht zur erstgenannten Bohrung verlaufende Bohrung dient zur Aufnahme von Befestigungseinrichtungen der in die erstgenannte Bohrung eingeführten Leitungsdrähte, wobei über diese Befestigungseinrichlungen ein elektri-(i5 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 Herstellungsvorgang erfordert, da sich die Schwingungseigenschaften 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 Viertelwellenlänge 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 ab-njstimmen, 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 Weiterbi! düngen der Erfindung ergeben sich aus den Jnteransprüchen.

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 Längssennitt-Ansicht der Kristallbaugruppe im wesentlichen entlang der Schnittlinie TI-II nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht im wesentlichen entlang der Linie III-III nach F i g. i\

F ι g. 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 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, 186 aufweist, die jeweils einen der beiden Knotenpunkte 20a, 206 (Fig,5) auf der unteren Oberfläche 16 umgeben. Die Krisiallbaugruppe 10 schließt weiterhin zwei Leitungsdrähte 22a, 226 mit geradlinigen Abschnitten 24«, 246 ein. Die oberen Enden 26a, 266 der Leitungsdrähte sind mit Hilfe von Lot jeweils an den Knotenpunkten 20a, 206 senkrecht zur unteren Oberfläche 16 befestigt, so daß die geraden Teile 24-a, 246 parallel zueinander angeordnet sind.

Wie es aus den Fi g. 2 bis 4 zu erkennen ist, schließt die Kristallbaugruppe 10 weiterhin eine lannggestreckte und im wesentliche]! stabförmige Grundplatte 28 mit einer ebenen inneren Oberfläche 30, einer ebenen

to äußeren Oberfläche 32 die mit Abstand und parallel zur ebenen inneren Oberfläche 30 angeordnet ist, zwei lange Seitenflächen 34a, 346, die die inneren und äußeren Oberflächen 30, 32 verbinden und orthogonal zu diesen angeordnet sind, sov/ie zwei kurze Seiienoberflächen 36a, 36b ein, die im wesentlichen orthogonal zu den langen Seitenoberflächen 34a, 346 angeordnet sind. Die Grundplatte ist weiterhin mit zwei konischen Löchern 38a, 386 versehen, die orthogonal zur inneren Oberfläche 30 angeordnet sind und deren größere Enden 40a. 40Z) in der inneren Oberfläche 30 liegen. Metallisierte Oberflächenteile oder Kissen 42a, 426 auf der äußeren Oberfläche 32 umgeben :ie öffnungen der ι ««ι.« ta* tah

Die piezoelektrische Kristallbaugruppe 10 nach den F i g. 2 bis 4 schließt weiterhin eine Abdeckung 44 mit einem im wesentlichen langgestreckten und ebenen Abdeck'eil 46, mit zwei langen Wandteilen 48a, 486, mit zwei kurzen Wandteilen 50a, 506, mit zwei Anlageanschlägen 52a, 526 an den langen Wandteilen 48a, 486 für in die Grundplatte sowie zwei Grundplatten-Festlegungsanschläge 54a, 546 an den kurzen Wardteilen 50a, 506 ein.

Beim Zusammenbau werden die herumgelegten Elektroden 18a, 186 auf Teile des Kristalls 12 r. aufmetallisiert, 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 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 Ob rfläche 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 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 KristJj'l 12 wird in den oberen Teil der Abdeckung 44 eingesetzt, bis die innere Oberfläche 30 der Grundplatte 38 gegen die Anlag'-anschläge 52a. 526,54a, IAb anstößt.

Vorzugsweise wird eine Vergußmassenvertiefung 60,

die durch die äußere Oberfläche 32 der Grundplatte 28

wi 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 hermetisch die Grundplatte 28 gegenübel dem unteren

ι»· Teil der Abdeckung 44 ab und gleichzeitig ergibt sich eine Befestigung und hermetische Abdichtung der Leitungsdrähte 22a, 226 an der Grundplatte 28.
Bei einer wahlweisen Konstruktion sind die Lötver-

bindungen 58a, 58b 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 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 2» 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 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 um die Knotenpunkte 2Oa₁,20b 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, 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 gestrichelten Linien 286 dargestellt ist, so daß sich zumindest zwei Perioden der Biegeschwingungen ergeben, die auf die Leitungsdrähte 22a, 226 bei jeder Schwingungsperiode des 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 Viertelwellenlänge 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, 246 der Leitungsdrähte 22a, 22b an der äußeren Oberfläche 32 der stabförmigen Grundplatte 28 befestigt sind, so daß die geraden Teile 24a, 286 frei in jeder Richtung in den konischen 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 30 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 Länge in den konischen und 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 die Grundplatte 20 wirksam vermieden, weil die Befestigung der Abdeckung oder des Deckels 44 an der 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

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, d a durch gekennzeichnet, daß die beiden Löcher (38a, 3Sb) 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 Verankerungseinrichtungn (42a, 42b) benachbart zur zweiten von dem Kristall (12) entfernten Oberfläche (32) liegt und daß der Teil der Leitungsdrähte (22a, 22Zj) 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. Kristallbai'gruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufmetallisierte Kissen (42a, 42b)mh der zweiten Oberfläche(32) verbunden sind und zumindest teilweise jedes der Löcher (38a, 38b) umgeben und daß die Veranke ungseinrichtungen Metallabscheidungen (58a, 58b) 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 stabförmiges Teil aus dielektrischem Material einschließt, in dem die Löcher (38a, 386,/ 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,38Z>,)eine konische Form aufweist.

6. Krisiallbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Leitungsdrähte von dem Kristall (12) bis tvr zweiten Oberfläche (32) der Grundplatte (28) im Wesentlichen einer Viertelwellenlänge entspricht.