DE2629366B2

DE2629366B2 - Schwingkristallanordnung

Info

Publication number: DE2629366B2
Application number: DE2629366A
Authority: DE
Inventors: Dietrich 7911 Unterelchingen Kubetzko; Helmut 7910 Neu-Ulm Lindstedt; Guenther Dipl.-Ing. 7900 Ulm Rabitz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2629366A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingkristallanordnung mit wenigstens einem passiven Heizelement, welches in Wärmekontakt zum Schwingkristall steht.

Bekanntlich weist die Eigenfrequenz eines Schwingkristalls ein temperaturabhängiges Verhalten auf, da sich u. a. die Abmessungen des Kristalls durch die Wärmeausdehnung ändern. Es ist allgemein bekannt, die Einflüsse der Temperatur durch Verwendung von Kristallen mit bestimmten Schnittwinkeln z. B.-AT-Schnitte zu vermindern. Allerdings sind der hierdurch erreichbaren Verbesserung relativ enge Grenzen gesetzt.

Weiterhin ist es bekannt, die Frequenz von Schwingkristallen durch Einbau derselben in einen temperaturgeregelten Ofen (Thermostaten) konstant zu halten. So ist beispielsweise aus der Siemens Zeitschrift, März 1961, Heft 3, Seiten 164/165, ein stetig

ίο geregelter Thermostat bekannt, wobei die Temperaturregelung mit Hilfe von Halbleiter-Bauelementen vorgenommen wird. Hierbei ist ein Halbleiter vorgesehen, der als Temperaturfühler zur Ableitung einer der Temperaturabweichung proportionalen Regelgröße ausgebildet ist. Diese wird verstärkt und durch einen Leistungstransistor in einen ständig fließenden Heizstrom umgesetzt. Die Heizwicklung ist auf einem Blechmantel aufgebracht, der in Wärmekontakt zum Schwingkristallhalter steht. Das Heizelement steht also nicht in direktem Kontakt zum Schwingkristall selbst, so daß bei schnellen Temperaturänderungen die Regelung erst mit einer gewissen Verzögerung wirksam wird. Zudem ist ein solcher Thermostat mit seinen Regeleinrichtungen für Geräte die in einer möglichst kompakten Bauweise hergestellt sein sollen, beispielsweise für Sprechfunkgeräte viel zu groß und unhandlich.

Diese Nachteile treffen auch auf einen in der Druckschritt Elektronik, 1964, Heft 6, Seite 185, be-

jo schriebenen Thermostaten zu, welcher einen Thermistor als Meßfühler aufweist und wobei der Heizstrom mittels einer Brückenschaltung und einer Halbleiterverstärkerstufe gesteuert wird. Im Thermostat ist ein nutzbarer Hohlraum vorgesehen, der unter anderem

j5 auch zur Aufnahme eines Schwingquarzes dienen kann. Auch diese Anordnung nimmt ein relativ großes Volumen ein:

Eine Temperaturregelschaltung für einen, von einem Behälter aufgenommenen Bauteil, wobei wiederum ein Temperaturfühler und eine Heizvorrichtung vorgesehen ist, und wobei zum Zwecke einer Regelung bei kleiner Temperaturabweichung und demzufolge kleiner Leistungszuführung ein Integrator verwendet wird, ist aus der DE-OS 2 345 234 bekannt.

Auch hier muß jedoch der Bauteil in einen Behälter eingebaut werden, so daß die gesamte Anordnung wieder viel zu große Abmessungen annimmt.

Ein Kompensationsnetzwerk zur Konstanthaltung der Frequenz eines Kristalloszillators in Form einer

r,₀ Brücke aus Widerständen und Thermistoren und unter Verwendung eines Varactors ist aus der DE-OS 2046 644 bekannt. Mit Hilfe dieser Brückenanordnung soll ein Abfall der Sperrspannung des Varactors erreicht werden, der sich mit der Temperatur ändert.

Durch eine geeignete Dimensionierung kann eine weitgehende Kompensation der Frequenzänderung des Kristalls herbeigeführt werden. Allerdings ist gerade diese Dimensionierung schwierig zu realisieren und zudem kann die Kompensation nur in einem klei-

_bn nen Temperaturbereich erfolgen.

Aus der DE-OS 2 543 314 ist ein Schichtkörper bekannt, der eine erste Widerstandsschicht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes und eine zweite Widerstandsschicht mit einem kon-

_b5 stanten Widerstand enthält. Solche Schichtkörper sind vorzugsweise in Form flexibler Heizelemente ausgebildet und insbesondere für Anwendungen interessant, bei denen hohe Dichten der Energie oberhalb

und/oder höhere Betriebstemperaturen z. B. oberhalb 100° C gefordert werden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 2337436 eine Anordnung zur Konstanthaltung der Frequenz eines Schwingkristalls bekannt. Die Temperaturregelung erfolgt hier mittels einer Heiz- oder Kühleinrichtung, weiche aus einem Halbleiter-Bauelement mit mindestens einer Grenzschicht besteht. Dieses Bauelement ist zusammen mit dem Schwingkristall im selben Gehäuse untergebracht. Allerdings sind auch hier wieder ι ο zusätzliche Regeleinrichtungen erforderlich, welche den durch das Halbleiter-Bauelement fließenden Strom steuern.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Schwingkristallanordnung mit wenigstens einem positiven Heizelement anzugeben, bei welcher auf einfache Weise ohne zusätzliche Regeleinrichtung eine Stabilisierung der Kristalltemperatur in relativ kurzem Zeitraum wird und welche sich durch eine geringe Wärmeabstrahlung an ihre Umgebung auszeich- 2<> net.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Merkmale

das passive Heizelement ist ein PTC-Widerstand, der eine solche Curie-Temperatur aufweist, daß der .>■> Schwingkristall auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur höhere Temperatur erhitzt wird,

zur Aufnahme der Schwingkristallanordnung ist ein Gehäuse vorgesehen, welches außen mit einer wärmeisolierenden Kappe umgeben ist. x>

Die Erfindung soll an Hand der Fig. 1 und 2 noch näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist eine Schwingkristallanordnung dargestellt, weiche als frequenzbestimmendes Element eine kreisförmige Quarzscheibe 2 enthält, die beidseitig 3^r> mit Elektrodenbelägen 4 versehen ist. Die Elektrodenbeläge sind ihrerseits mit Anschlüssen Q₁ und Q₂ verbunden, welche isoliert durch das Gehäuse 1 hindurchgeführt sind. Unmittelbar auf der Quarzscheibe ist weiterhin ein PTC-Widerstand 3 befestigt, der mit m) den ebenfalls isoliert, durch das Gehäuse 1 hindurchgeführten Anschlüssen U₁ und U₂ verbunden ist. Das Gehäuse selbst besteht z. B. aus einer metallischen Bodenplatte sowie einer metallischen Gehäusekappe und wird zweckmäßigerweise an Masse gelegt. Je nach 4^ri Aufgabenstellung kann sich jedoch auch die Verwendung eines Gehäuses aus einem anderen Material, wie z. B. Glas oder Keramik als vorteilhaft erweisen.

Der PTC-Widerstand ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar auf der -,o Oberfläche des Schwingkristalls befestigt, da hierdurch ein direkter Wärmeübergang auf den Kristall möglich ist und die Temperaturregelung somit ohne Zeitverzögerung einsetzen kann. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der PTC-Widerstand in hinreichendem Abstand von frequenzbestimmenden Bereich der Quarzscheibe, d. h. dem Elcktrodenbereich oder in einen Schwingungsknoten der Quarzscheibe angebracht. Hierdurch wird der Einfluß der zusätzlichen Masse auf die Eigenfrequenz des Schwingkristalls klein gehalten. Gemäß einer Weilerbildung können auch mehrere PTC-Widerstände vorzugsweise in einer regelmäßigen Anordnung auf der Quarzscheibe befestigt werden, was eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung in der Quarzscheibe zur Folge hat.

Wird an den PTC-Widerstand eine Spannung angelegt, so stellt sich nach kurzer Zeit eine konstante Temperatur ein, welche von der Curie-Temperatur des verwendeten PTC-Widerstandsmaterials abhängt. Bei den üblicherweise verwendeten Materialien fällt der Widerstandsverlauf zunächst mit zunehmender Temperatur leicht ab und steigt dann jenseits der Curie-Temperatur steil an. Hierdurch wird die selbsttätige Regelung des Heizstroms bewirkt und damit auch die gewünschte Temperaturstabilisierung. Wird nun beispielsweise durch absinkende Umgebungstemperatur dem Schwingkristall Wärmeenergie entzogen, so kühlt sich der darauf befestigte PTC-Widerstand auf eine Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur ab. Hierbei verringert sich der Widerstand, was eine Erhöhung des Heizstroms zur Folge hat. Dem Kristall wird dadurch mehr Wärmeenergie zugeführt und die Temperatur des Kristalls stellt sich wieder auf den ursprünglichen Wert ein.

Zur Verwendung in PTC-Widerständen haben sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Wider-Standsmaterialien als vorteilhaft erwiesen, deren Curie-Temperaturen oberhalb 80° C liegen. Hierdurch ist gewährleistet, daß bei den üblicherweise auftretenden Unterschieden in der Umgebungstemperatur die Regelung mit Sicherheit erfolgt.

Um die Temperaturstabilisierung noch weiter zu erhöhen, werden gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung, am Gehäuse und/oder der Halterung und/ oder den elektrischen Anschlüssen weitere PTC-Widerstände angebracht (Fig. 2). Zusätzlich kann die Abkühlung dadurch verringert werden, daß gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen Halterungsoder Anschlußdrähte aus schlecht wärmeleitendem Material verwendet werden oder eine wärmeisolierende Kappe, wie z. B. aus Polyurethanschaum, über den Quarz geschoben wird.

Durch die genannten Maßnahmen konnten Quarzoszillatoren aufgebaut werden, deren Frequenzgenauigkeit in der Größenordnung K)"'' bis IO liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingkristallanordnung mit wenigstens einem passiven Heizelement, welches in Wärmekontakt zum Schwingkristall steht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

das passive Heizelement ist ein PTC-Widerstand (3) der eine solche Curie-Temperatur aufweist, daß der Schwingkristall (2, 4) auf eine gegenüber der Umgebungstemperatur höhere Temperatur erhitzt wird,

zur Aufnahme der Schwingkristallanordnung ist ein Gehäuse (1) vorgesehen, welches außen mit einer wärmeisolierenden Kappe umgeben ist.

2. Schwingkristallanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein PTC-Widerstand (3) verwendet wird, dessen Curie-Temperatur oberhalb 80° C liegt.

3. Schwingkristallanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (3) auf der Oberfläche des Schwingkristalls (2, 4) befestigt ist.

4. Schwingkristallanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (3) in hinreichendem Abstand vom frequenzbestimmenden Bereich oder im Bereich eines Schwingungsknotens des Schwingkristalls (2, 4) befestigt ist.

5. Schwingkristallanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungs- und/oder Anschlußdrähte für den PTC-Widerstand (3) und/oder den Schwingkristall (2, 4) aus schlecht wärmeleitendem Material bestehen.

6. Schwingkristallanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer gleichmäßigen Temperatur-Verteilung mehrere PTC-Widerstände (3), vorzugsweise in legelmäßiger Anordnung auf dem Schwingkristall (2, 4) befestigt sind.

7. Schwingkristallanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer PTC-Widerstand (3) an Anschlußdrähten oder am Gehäuse (1) befestigt ist, welches zur Aufnahme des Schwingkristalls (2, 4) sowie des darauf befestigten PTC-Widerstandes (3) dient.

8. Schwingkristallanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schwingkristall (2, 4) mit PTC-Widerstand (3) und der Gehäusewand (1) eine wärmeisolierende Kappe, vorzugsweise aus Polyurethanschaum, vorgesehen ist.