DE1065473B

DE1065473B -

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Publication number: DE1065473B
Application number: DENDAT1065473D
Authority: DE
Priority date: 1956-11-16
Publication date: 1959-09-17
Also published as: GB824786A

Description

DEUTSCHES

KL.21a4 10

INTERNAT. KL. H 03 h

PATENTAMT

G 23373 VIIIa/2la⁴

ANMELDETAG: 15. NOVEMBER 1957

BEKANNTMACHUNG
DERANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 17. SEPTEMBER 1959

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element, das insbesondere aus einem Kristall aus Quarz, Turmalin oder Seignettesalz oder einem Block aus ferroelektrischem Material, wie z. B. Bariumtitanat, hergestellt ist, wobei auf wenigstens einer seiner Oberflächen eine Elektrode durch einen elektrisch leitenden Flächenbelag gebildet ist.

Es ist bekannt, daß bestimmte Kristalle, z. B. Quarz, Turmalin und Seignettesalz, die piezoelektrische Effekte zeigen, als Steuer- oder Regelelemente verwendet werden können, um die Frequenz z. B. einer elektrischen Oszillatorschaltung stabil zu halten. Die Frequenz, bei der solche Kristalle schwingen, ändert sich geringfügig mit der Temperatur, und in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise wenn der Kristall die Frequenz eines Hauptoszillators in einem Trägerfernsprechsystem regelt, ist es wesentlich, die Schwingungsfrequenz trotz Temperaturänderung konstant zu halten. Es ist bekannt, das Kristallsteuerelement zu diesem Zweck in einem Ofen anzuordnen, der mit thermostatischer Temperaturregelung versehen ist. Eine solche Anordnung bringt aber notwendigerweise einen großen Raumaufwand mit sich, und eine verhältnismäßig große Menge elektrischer Energie wird verbraucht, um den Ofen zu erwärmen und die erforderliche thermostatische Regelung zu betätigen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Kristallelementen zur Verwendung in elektrischen Oszillatorschaltungen, bei denen die oben beschriebene Ofenanordnung zur Temperaturregelung nicht benötigt wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Elektrode mit einem Anschluß an jedem Ende versehen und so geschaltet, angeordnet und in ihrer Stärke so bemessen ist, daß sie das Widerstandselement eines elektrischen Heizkreises bildet, mittels dem das Element erwärmt werden kann, um seine Temperatur auf einem gewünschten Wert zu halten. Dieses Element kann aus einem Kristall, aus Quarz, Turmalin oder Seignettesalz oder aus einem Körper aus ferroelektrischem keramischem Material, wie Bariumtitanat, bestehen.

Zwei solche elektrisch leitenden Flächenbeläge können auch an den beiden gegenüberliegenden Oberflächen dieses Elementes vorgesehen sein. Die elektrisch leitenden Flächenbeläge können außerdem als Elektroden verwendet werden, an die das Schwingungspotential einer elektrischen Oszillatorschaltung angelegt wird.

Der Heizkreis, der den elektrisch leitenden Flächenbelag bzw. die elektrisch leitenden Flächenbeläge einschließt, wird zweckmäßig in üblicher Weise in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt.

Piezoelektrisches Element
und Verfahren zu seiner Herstellung

sowie Schaltung
mit einem solchen Element

Anmelder:

The General Electric Company Limited,
London

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Berlin-Friedenau, Lauterstr. 37,

und Dipl.-Ing. K. Grentzenberg, München 27,

Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. November 1956

Arthur Edward Harrold,

Coventry, Warwickshire (Großbritannien),

ist als Erfinder genannt worden

Vorzugsweise wird ein derartiger elektrisch leitender Flächenbelag in der gleichen Weise hergestellt wie die bekannten gedruckten Schaltungen. Ein auf einer Oberfläche eines Elementes zu erzeugender leitender Flächenbelag kann beispielsweise dadurch gebildet werden, daß diejenigen Teile einer im wesentlichen kontinuierlichen Schicht aus leitendem Material durch Säureätzung, Elektroätzung oder elektrische Funkenerosion entfernt werden, die nicht erforderlich sind. Auch kann die Oberfläche des Elementes vor dem Aufbringen der leitenden Schicht entsprechend abgedeckt werden. Der elektrisch leitende Flächenbelag kann aus Silber oder Gold gebildet sein und eine Dicke in der Größenordnung von angenähert 0,5 μ haben. ■■:·■'·.■

Der Heizstrom, der an den oder die elektrisch leitenden Flächenbeläge geliefert wird, kann Gleichstrom sein.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes piezoelektrisches Kristallelement sowie eine elektrische Oszillatorschaltung, deren Frequenz von einem solchen Kristallelement stabilisiert wird, werden nun an Hand

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von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- standselement einer Temperaturfühlanordnung, mitspielen beschrieben. Es zeigt ■ tels der die Lieferung von Gleichstrom an das Kri-

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Kristall- Stallwiderstandselement geregelt wird.

elementes,. . Der erste Brückenzweig der Oszillatorbrücke 16

^ Fig. 2, einen schematischen Querschnitt durch eine 5 enthält das Kristallelement 1 und einen in Reihe geAnordnung, die"' ein" solches Kristallelement enthält, schalteten Abgleichkondensator 17, der zweite Brük-' Fig; 3 die'Schaltung eines elektrischen Oszillators, kenzweig einen Widerstand 18, der dritte Zweig eine der ein solches Kristallelement enthält. Wolframheizfadenlampe 19 (diese kann aber auch '•'^Iti'Fig. 1 umfaßt "das'Kristallelement 1, das die durch einen Thermistor oder einen nichtlinearen Frequenz des mit Bezug auf Fig. 3 zu beschreibenden io Widerstand anderer Art ersetzt werden) und der elektrischen Oszillators stabilisiert, einen flachen Ab- vierte Zweig einen Widerstand 20. Der Knotenpunkt schnitt, der aus einem Quarzkristall geschnitten .ist, 21 des ersten und vierten Brückenzweiges ist geerdet, wobei' das'Kristallelement 1 zwei größere ebene Ober- Die Schwingungen in der Brücke 16 werden durch flächen 2 und 3 hat. Die Oberfläche 2 des Kristall- einen Verstärker 22 aufrechterhalten, der zwei Einelementes 1 ist mit einem leitenden Belag 4 bestimm- 15 gangsklemmen 23 und 24 sowie zwei Ausgangsklemter Formgebung versehen, der im folgenden als Kri- men 25 und 26 hat. Die Eingangsklemme 23 ist an Stallwiderstandselement bezeichnet ist. Die gegen- den Knotenpunkt 27 des dritten und vierten Zweiges überliegende Oberfläche 3^ weist eine normale Elek- der Brücke 16 und die Eingangsklemme 24 ist an den trode 5 auf. Das Kristallwiderstandselement 4 wird Knotenpunkt 28 des ersten und zweiten Zweiges der dadurch hergestellt, daß die' Oberfläche 2 des Kri- ao Brücke 16 angeschlossen. Die Ausgangsklemmen 25 stalls 1 in. geeigneter. Weise teilweise abgedeckt und und 26 des Verstärkers 22 sind mit dem Knotenpunkt dann darauf in einem Vakuum Silber aufgesprüht 29 des zweiten und dritten Zweiges der Brücke 16 oder aufgedampft wird. Das Verfahren wird fortge- bzw. mit Erde verbunden.

setzt, bis das auf der Oberfläche 2 niedergeschlagene In dem ersten Zweig der Brücke 16 ist das Kristall-Silber eine Stärke von etwa 0,5 μ hat. Die Form des 25 element 1 so angeordnet, daß die Leitung 30 zwischen Kristallwiderstandselementes 4 ist derart, daß es der normalen Elektrode 5 und dem Abgleichkondeneinen.' -Widerstandspfad zwischen einem Eingangs- sator 17 liegt, während die Leitung 31 das Kristallpunkt'6 und einem'Ausgangspunkt'7^ Widerstandselement 4 mit dem Knotenpunkt 21 des Breite des Spaltes 8 zwischen benachbarten Teilen ersten und vierten Zweiges der Brücke 16 verbindet, des Kristallwiderstandselementes die Größenordnung 30 Die andere Anschluß leitung 32 zu dem Kristallelevon 0,4 mm hat. . ::.^J; ment 4 ist an eine weitere Brückenschaltung 33 ange-

;Die_:an dem. Eingangspunkt 6 und dem. Ausgangs- schlossen, die im folgenden beschrieben wird, und

punkt;7. angelöteten Anschluß leitungen 9 bzw. 10 und auch im Nebenschluß an Erde über eine geeignete ge-

die Ahschlußleitung 11 (Fig. 2), die an die Punkte 12 wählte Kapazität 34.

der Elektrode 5 an der Oberfläche 3 des Kristall- 35 Die weitere Brückenschaltung 33 umfaßt einen elementes 1 gelötet sind, sind zweckmäßig so ausge- ■ ersten, zweiten und dritten Widerstand 35, 36 bzw. bildet, daß sie das Kristallelement 1 innerhalb einer 37, die in den ersten, zweiten bzw. dritten Zweig der Glas- oder Metallumhüllung 13 zu tragen vermögen. Brücke 33 geschaltet sind, wobei das Kristallwider-Glimmerscheiben 14 können vorgesehen werden, um standselement 4 in dem vierten Zweig der Brücke 33 eine etwaige übermäßige Bewegung des Kristall- 4° angeordnet ist. Die Widerstände 35, 36 und 37 haben elementes 1 zu begrenzen, wodurch ein Bruch der Zu- jeweils gleichen Widerstandswert, der die gleiche leitungen 9, 10 und 11 verursacht werden könnte. Im Größe wie der Widerstand des Kristallwiderstandsnormalen Betrieb darf das Kristallelement 1 die GHm- elementes 4 hat. Die Gleichstromversorgung des Krimerscheiben 14 nicht berühren. Der Zweck der Um- Stallwiderstandselementes 4 wird durch einen Gleich-. hüllung 13 besteht darin,. Wärmeverluste aus dem 45 stromverstärker 38 aufrechterhalten. Die Eingangs-Kristallelement 1 zu vermindern. Eine stärkere klemmen 39 und 40 des Verstärkers 38 sind an den Wärmeisolierung kann in"; an sich bekannter Weise Knotenpunkt 43 des ersten und zweiten Zweiges der noch dadurch bewirkt werden, daß die Umhüllung 13 Brücke 33 bzw. den Knotenpunkt 44 des dritten und evakuiert und mit Doppelwänden versehen wird, wo- vierten Zweiges der Brücke 33 angeschlossen, und bei der Raum 15 zwischen den Wandungen evakuiert 50 die Ausgangsklemmen 41 und 42 sind mit dem Knowird, oder dadurch, daß die Umhüllung 13 aus Glas tenpunkt 45 des zweiten und dritten Zweiges der besteht und einige oder alle Oberflächen der Wan- Brücke 33 bzw. mit Erde verbunden. Der Knotendungen der Umhüllung 13 versilbert werden. punkt 46 des ersten und vierten Zweiges der Brücke

Die in Fig. 3 dargestellte Oszillatorschaltung weist 33 ist ebenfalls geerdet.

eine kristallgesteuerte Brücke auf, wobei eine weitere 55 Die Anordnung ist derart getroffen, daß eine er-

Brückenschaltung für die¹ Lieferung und Regelung höhte Spannung an das Kristallwiderstandselement 4

■des'Gleichstromes zum Heizen des Kristallelementes 1 angelegt wird, wenn die Temperatur des Kristall-

;vorgesehen ist. ■'·". elementes 1 abfällt, und umgekehrt, so daß die Tem-

■ Das Kristallwiderstandselement 4 hat in dieser peratur des Kristallelementes 1 und daher die Schwin-

Schaltung drei Funktionen¹ zu erfüllen. Erstens bildet 60 gungsfrequenz der Brücke 16 konstant gehalten wird.

ϊes eine der Elektroden des Kristallelementes 1, wobei Aus Fig. 1 erkennt man, daß das Kristallwider-

die "an. der entgegengesetzten Oberfläche 4 des Kri- standselement 4 nach Art der gedruckten Schaltungen

Stallelementes 1 gebildete Elektrode 5 die andere aufgebracht werden kann, indem beispielsweise eine

Elektrode'. ist. Zweitens': bildet das Kristallwider- Silberschicht auf die teilweise entsprechend abgedeckte

- standselement 4 das Wide'r'standselement einer Heiz- 65 Oberfläche 2 des Kristallelementes 1 gesprüht wird

anordnung, mittels welcher dem Kristallelement 1 oder die unerwünschten Teile einer kontinuierlichen

■Warme zugeführt wird, um es auf der erforderlichen Metallschicht auf der Oberfläche 2 durch Säureätzung

■Temperatur zu halten, und damit die erforderliche oder elektrische Funkenerosion entfernt werden. In

• Schwingungsfrequenz aufrechtzuerhalten. Drittens anderer Weise können aber die unerwünschten Teile

.'bildet das Kristallwiddrstandselement4 das Wider- 70 einer kontinuierlichen Metallschicht auf der Ober-

fläche 2 durch Elektroätzung entfernt werden, wobei die Oberfläche als die Anode in einer elektrolytischen Zelle wirkt und die unerwünschten Teile der Oberfläche, die nicht abgedeckt sind, durch elektrolytische Wirkung entfernt werden. Die Erfindung ist nicht auf den Fall begrenzt, bei dem das Kristallwiderstandselement 4 aus Silber gebildet ist, da auch andere Metalle, beispielsweise Gold, verwendet werden können.

Obgleich die beschriebene Ausführungsform der Erfindung eine Oszillatorschaltung ist, wird bemerkt, daß die Erfindung in gleicher Weise auf andere Schaltungen, wie etwa ein elektrisches Filternetzwerk, anwendbar ist, in welchem die Frequenz von einem piezoelektrischen Element stabilisiert wird, dessen Resonanzfrequenzänderung durch Temperaturänderung das zulässige Maß überschreitet, wenn keine Temperaturregelung erfolgt.

Die Erfindung kann auf jedes piezoelektrische Element angewandt werden, in welchem Elektroden auf die Oberfläche eines Körpers aus piezoelektrischem Material aufgebracht sind. Außer Quarz kann beispielsweise Turmalin, Seignettesalz oder ein gesinterter Block aus ferroelektrischem keramischem Material, wie Bariumtitanat, verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Element, das insbesondere aus einem Kristall aus Quarz, Turmalin oder Seignettesalz oder einem Block aus ferroelektrischem Material, wie z.B. Bariumtitanat, hergestellt ist, wobei auf wenigstens einer seiner Oberflächen eine Elektrode durch einen elektrisch leitenden Flächenbelag gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einem Anschluß an jedem Ende versehen und so geschaltet angeordnet und in ihrer Stärke so bemessen ist, daß sie das Widerstandselement eines elektrischen Heizkreises bildet, mittels dessen das Element erwärmt werden kann, um seine Temperatur auf einem gewünschten Wert zu halten.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Flächenbelag aus Silber oder Gold besteht und eine Stärke von angenähert 0,5 μ hat.

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise innerhalb einer aus Glas bestehenden, vorzugsweise evakuierten Umhüllung angeordnet ist, die gegebenenfalls Doppelwandungen aufweist, wobei der Raum zwischen den Wandungen evakuiert ist. ^

4. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Elementes nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächenbeläge in an sich bekannter Weise nach Art der gedruckten Schaltungen hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächenbeläge dadurch erzeugt werden, daß von der Oberfläche des Elementes diejenigen Teile einer im wesentlichen kontinuierlichen Schicht aus leitendem Material durch Säureätzung, Elektroätzung oder elektrische Funkenerosion entfernt werden, die nicht erforderlich sind.

.6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Flächenbeläge dadurch erzeugt werden, daß eine leitende Schicht durch Aufsprühen oder Aufdampfen auf die Oberfläche des Elementes aufgebracht wird, nachdem diese zum Teil entsprechend abgedeckt worden ist.

7. Elektrische Oszillatorschaltung unter Anwendung eines piezoelektrischen Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der elektrisch leitenden Flächenbeläge nicht nur als Heizelement, sondern auch als Widerstandselement einer Temperaturfühlanordnung benutzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 552 771;
USA.-Patentschriften Nr. 1 791 804, 2 004 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen