DE68914631T2 - Oszillator hoher frequenzstabilität für den betrieb bei normalem luftdruck und im vakuum. - Google Patents
Oszillator hoher frequenzstabilität für den betrieb bei normalem luftdruck und im vakuum.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen sehr frequenzstabilen Oszillator mit piezoelektrischem Resonator, der sowohl bei Atmosphärendruck als im Vakuum arbeiten kann.
- Die Oszillatoren mit piezoelektrischem Resonator bilden die Zeitbasis für zahlreiche Geräte. Diese Zeitbasis muß sehr genau sein. Die die Frequenzstabilität beeinflussenden Parameter sind zahlreich: Temperatur, Druck, Schwingungen, Stöße, Alter, Starts, Halts usw. Insbesondere die Temperatur- und Druckveränderungen beeinflussen erheblich die Frequenzstabilität eines Oszillators mit piezoelektrischem Resonator.
- Die in Satelliten betriebenen Oszillatoren müssen mit einer großen Frequenzstabilität sowohl bei Atmosphärendruck vor dem Start als auch in Vakuum arbeiten, wenn der Satellit sich im Orbit befindet. Außerdem haben Temperaturänderungen im Vakuum und bei Atmosphärendruck nicht dieselben Wirkungen, da es im Vakuum keine Konvektion gibt.
- Die in Oszillatoren, die sowohl im Vakuum als auch bei Atmosphärendruck arbeiten können, verwendeten Materialien müssen eine gewisse Anzahl von Kriterien erfüllen. Erstens sollten sie die Raumfahrtregeln respektieren, insbesondere was die Kondensationsrate und die Gewichtsverlustrate angeht. Außerdem soll ihr thermischer Widerstand nur wenig variieren, so daß Temperaturänderungen beim Übergang von Atmosphärendruck zum Vakuum und umgekehrt möglichst klein bleiben.
- Die bekannten, sehr stabilen Oszillatoren mit piezoelektrischem Resonator befinden sich im allgemeinen und einem Dewar-Gefäß, um eine gute thermische Isolation nach außen zu garantieren.
- Aus der Druckschrift US-A-3 617 692 ist ein Quarzresonator eines Oszillators bekannt, der in einem aus zwei ineinandergesetzten Behältern gebildeten Thermostatgefäß angeordnet ist. Der äußere Behälter ist aus einem thermisch isolierenden Material, während der innere Behälter zwei durch ein Wärmeisoliermittel voneinander getrennte Metallwände besitzt. Nichts ist jedoch vorgesehen, damit der Oszillator eine hohe Frequenzstabilität sowohl im Vakuum als unter Atmosphärendruck hat.
- Die vorliegende Erfindung schlägt einen sehr frequenzstabilen Oszillator mit piezoelektrischen Resonator vor, dessen Frequenzstabilität so groß ist, daß ein Dewar-Gefäß überflüssig ist.
- Die vorliegende Erfindung schlägt einen sehr frequenzstabilen Oszillator mit einem piezoelektrischen Resonator vor, bestehend aus einem piezoelektrischen Plättchen, das in einem aus einer Basis und einer Kappe gebildeten Gehäuse eingekapselt ist, wobei der Resonator in einem Thermostatgefäß untergebracht ist, dessen Seiten von einem Boden und mindestens einem Deckel begrenzt werden, wobei das Thermostatgefäß aus einem in einen äußeren Behälter eingesetzten inneren Behälter besteht, wobei die Seiten der beiden Behälter unmittelbar in Berührung stehen und ihre Böden den Boden des Thermostatgefäßes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der Kappe des Resonators in engem thermischem Kontakt mit den Seiten und dem Boden des inneren Behälters steht und daß der innere Behälter in den äußeren Behälter eingeschraubt ist und beide je aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen, so daß der Oszillator gleich gute Eigenschaften der Frequenzstabilität bei atmospherischem Druck und im Vakuum besitzt.
- Eine weiche Dichtung könnte zwischen den Boden des inneren Behälters und den Boden des äußeren Behälters eingefügt werden.
- Die Kappe des Resonators kann mit ihrer ganzen Außenoberfläche an der Innenseite des inneren Behälters angelötet werden.
- Das Thermostatgefäß wird in ein Zwischengefäß eingefügt, wobei sich ein schmaler Abstand zwischen den beiden Gefäßen ergibt, so daß die Konvektionserscheinungen vernachlässigbar werden, wenn man bei Atmosphärendruck arbeitet.
- Die äußere Oberfläche des Zwischengefäßes ist hochglänzend, um die thermischen Verluste durch Abstrahlung des Thermostatgefäßes möglichst klein zu machen.
- Die Erfindung und weitere Merkmale gehen aus der nachfolgenden, nicht beschränkend zu verstehenden Beschreibung und der einzigen Figur hervor, die einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen, sehr frequenzstabilen Oszillator mit piezoelektrischem Resonator zeigt.
- In dieser Figur enthält der piezoelektrische Resonator 1 ein Plättchen aus piezoelektrischem Material 2, das durch zwei leitende Pfosten 3 gehalten wird, an denen die elektrische Verbindung mit einem Oszillatorkreis 5 herstellende elektrische Drähte 4 angebracht sind.
- Das piezoelektrische Plättchen 2 ist in ein von einer Basis 8 und einer Kappe 7 gebildetes Gehäuse eingekapselt. Der Resonator 1 befindet sich in einem Thermostatgefäß 10 mit einem Boden 15 und Seiten 14.
- Das Thermostatgefäß 10 kann, wie in der Figur gezeigt, aus zwei Rücken an Rücken aneinanderliegenden Hohlräumen 6, 17 gebildet werden, die einen gemeinsamen Boden 15 besitzen.
- Der erste Hohlraum 6 enthält die elektronische Schaltung 5 des piezoelektrischen Oszillators. Es ist nämlich günstig für den guten Betrieb des Oszillators, wenn diese elektronische Schaltung 5 in einem Thermostatgefäß untergebracht wird. Der zweite Hohlraum 17 enthält den piezoelektrischen Resonator 1.
- In der in der Figur dargestellten Ausführungsform besteht der zweite Hohlraum des Thermostatgefäßes 10 aus einem äußeren Behälter 30, in den ein innerer Behälter 40 eingesetzt ist. Die beiden Behälter 30 und 40 sind miteinander fest verbunden. Der äußere Behälter 30 besitzt Seiten 34 und einen Boden 35. Der innere Behälter 40 besitzt Seiten 44 und einen Boden 45. Die beiden Behälter 30 und 40 sind wenigstens über ihre Seiten 34, 44 in unmittelbarem Kontakt.
- In dieser Ausführungsform steht die Kappe 7 des piezoelektrischen Resonators 1 über die ganze äußere Oberfläche mit den Seiten 44 und dem Boden 45 des inneren Behälters 40 in Berührung. Diese Berührung kann durch Verlöten verwirklicht sein.
- Da die Kappe 7 im allgemeinen zylindrisch ist, ist der innere Behälter 40 ebenfalls zylindrisch. Seine Seiten 44 können auf ihrer äußeren Oberfläche ein Gewinde tragen. Der innere Behälter 40 kann in den äußeren Behälter 30 eingeschraubt werden. Die Seiten 34 des äußeren Behälters 30 tragen auch auf ihrer inneren Oberfläche ein Gewinde geeigneter Abmessungen. Die beiden Behälter sind so fest miteinander verbunden.
- Eine thermische Dichtung aus einem weichen metallischen Material ist zwischen den Boden 35 des äußeren Behälters 30 und den Boden 45 des inneren Behälters 40 eingefügt. Diese Dichtung 16 wird zerquetscht, wenn der innere Behälter 40 in den äußeren Behälter 30 eingeschraubt wird. Dadurch wird die Wärmeleitung zwischen dem Resonator 1 und dem Thermostatgefäß 10 verbessert. Diese thermische Dichtung 16 besteht aus einem gut wärmeleitenden metallischen Material wie z.B. Indium, Gold, Silber, Kupfer usw.
- Die Seiten 14 des zweiten Hohlraums 17 des Thermostatgefäßes werden von den Seiten 44 des inneren Behälters 40 gebildet, die in die Seiten 34 des äußeren Behälters 30 eingebaut sind. Der Boden 15 des Thermostatgefäßes besteht aus dem Boden 44 des inneren Behälters 40, der mit der Dichtung 16 bedeckt ist, welche ihrerseits vom Boden 35 des äußeren Behälters 30 abgedeckt wird.
- Die soeben beschriebene Konstruktion ergibt gute Ergebnisse hinsichtlich der thermischen Stabilität. Sie besitzt den Vorteil, daß sie bei Ausfall des piezoelektrischen Resonators 1 zerlegt werden kann.
- Das Thermostatgefäß 10 besitzt weiter mehrere Heizelemente 11, die über seine äußere Oberfläche verteilt sind. Die Heizelemente sind beispielsweise Leistungstransistoren, deren thermischer Widerstand so gewählt ist, daß er möglichst gering ist, um einen möglichst guten Wärmeübergang zur äußeren Oberfläche des Thermostatgefäßes 10 zu gewährleisten. Die Leistungstransistoren können durch Verlötung in der Dampfphase auf die äußere Oberfläche des Thermostatgefäßes 10 aufgebracht sein.
- Die Anzahl der Heizelemente 11 ist größer oder gleich 2, um eine gute Verteilung der Wärme im Thermostatgefäß 10 zu sichern.
- Die Anschlußdrähte 4 am Ausgang des piezoelektrischen Resonators 1 verlaufen im Inneren eines Kanals 13 in der Dicke einer Seite 34 des äußeren Behälters 30. Der Kanal verlängert sich in der Dicke einer Seite des ersten Hohlraums 6. Die Anschlußdrähte 4 sind an die den Oszillator bildende elektronische Schaltung 5 angeschlossen, die sich im ersten Hohlraum 6 befindet.
- Die beiden Hohlräume 6 und 17, die das Thermostatgefäß bilden, besitzen je einen Deckel 18, 19. Die Deckel 18, 19 können mittels Schrauben am Thermostatgefäß befestigt werden. In der Figur wurden nur die Schrauben 20 des Deckels 18 dargestellt.
- Das Thermostatgefäß 10 wird in ein geschlossenes Sekundärgefäß 21 eingeführt. Die innere Form des Sekundärgefäßes 21 ist der äußeren Form des Thermostatgefäßes 10 angepaßt. Ein schmaler Abstand 22 ist zwischen den Wänden der beiden Gefäße 10 und 21 belassen. Dieser Abstand 22, der etwa einige Millimeter beträgt, ermöglicht es, die Konvektion gering zu halten, wenn man bei atmosphärischem Druck arbeitet. Die beiden Gefäße sind nur in Höhe von Vorsprüngen 23 in Berührung, die beispielsweise an den Deckeln 18, 19 des Thermostatgefäßes 10 liegen. Die Vorsprünge 23 könnten beispielsweise durch Schrauben am Sekundärgefäß 21 befestigt sein, um die beiden Gefäße 10 und 21 miteinander zu verbinden. In der Figur wurden die Befestigungsmittel zwischen den beiden Gefäßen nicht dargestellt. Diese Vorsprünge könnten auch auf der äußeren Oberfläche des Thermostatgefäßes 10 oder sogar auf der inneren Oberfläche des Sekundärgefäßes 21 liegen. Thermische Widerstände 24 sind am Ende jedes Vorsprungs 23 in Höhe des Kontakts mit dem Sekundärgefäß 21 eingefügt. Diese thermischen Widerstände 24 bestehen aus einem thermisch isolierenden Material wie z.B. einem Harz mit Glasfasern.
- Sie tragen zur thermischen Isolierung des Thermostatgefäßes 10 bei.
- Die innere Oberfläche des Sekundärgefäßes 21 wird oberflächenbehandelt, wie zum Beispiel hochglanzverzinnt, so daß sich eine geringe Emissivität ergibt. Dadurch werden die Strahlungsverluste verringert, die sich beim Betrieb im Vakuum ergeben.
- Das Sekundärgefäß 21 wird mit einem Deckel 25 verschlossen, der mit dem Sekundärgefäß 21 durch Schrauben fest verbunden werden kann. Diese Schrauben wurden in der Figur nicht dargestellt. Das Sekundärgefäß 21 kann in ein Gehäuse eingesetzt werden, das das Gehäuse des sehr stabilen Oszillators bildet. Dieses Gehäuse wurde nicht dargestellt, um die Figur nicht zu überladen.
- Das Thermostatgefäß 10 besteht aus einem Material einer thermischen Leitfähigkeit in der Größenordnung von 380 W/m ºC und einer spezifischen Wärme zwischen 0ºC und 100ºC von etwa 0,38 kJ/kg ºC. Kupfer, Aluminium oder eine Legierung dieser beiden Metalle eignen sich gut für die Herstellung des Thermostatgefäßes 10. Jeder Behälter könnte aus einem der eben zitierten Materialien bestehen. Die Deckel 18, 19 des Thermostatgefäßes 10 sind ebenfalls aus einem der oben zitierten Materialien. Das Thermostatgefäß wird auf der ganzen Außenoberfläche verzinnt, um das Auflöten der Heizelemente 11 zu erlauben.
- Die innere Oberfläche des Thermostatgefäßes wird ebenfalls verzinnt, um die Kappe 7 des Resonators 1 unmittelbar in dem Thermostatgefäß einlöten zu können. Die Innenoberfläche des inneren Behälters wird verzinnt, um hier die Kappe 7 des piezoelektrischen Resonators 1 befestigen zu können. Die Kappe 7 des Resonators 1 besteht im allgemeinen aus vergoldetem Kupfer.
- Das Sekundärgefäß 21 besteht ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material. Die gleichen Materialien können für die beiden Gefäße 10 und 21 verwendet werden.
Claims (15)
1. Sehr frequenzstabiler Oszillator mit einem
piezoelektrischen Resonator (1) bestehend aus einem piezoelektrischen
Plättchen, das in einem aus einer Basis (8) und einer Kappe
(7) gebildeten Gehäuse eingekapselt ist, wobei der Resonator
(1) in einem Thermostatgefäß (10) untergebracht ist, dessen
Seiten (14) von einem Boden (15) und mindestens einem Deckel
(18, 19) begrenzt werden, wobei das Thermostatgefäß aus einem
in einen äußeren Behälter (30) eingesetzten inneren Behälter
(40) besteht, wobei die Seiten (34, 44) der beiden Behälter
unmittelbar in Berührung stehen und ihre Böden (35, 45) den
Boden (15) des Thermostatgefäßes bilden, dadurch
gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche der Kappe des Resonators in
engem thermischem Kontakt mit den Seiten (44) und dem Boden
(45) des inneren Behälters (40) steht und daß der innere
Behälter (40) in den äußeren Behälter (30) eingeschraubt ist und
beide je aus einem gut wärmeleitenden Material bestehen, so
daß der Oszillator gleich gute Eigenschaften der
Frequenzstabilität bei atmospherischem Druck und im Vakuum besitzt.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kappe (7) im Inneren des inneren Behälters (40) eingelötet
ist.
3. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine thermische Dichtung (16) zwischen den
Boden (35) des äußeren Behälters (30) und den Boden (45) des
inneren Behälters (40) eingefügt ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
thermische Dichtung (16) aus einem weichen, gut wärmeleitenden
Metall ist.
5. Oszillator nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmedichtung (16) unter den Metallen
der Gruppe lndium, Gold, Silber, Kupfer ausgewählt ist.
6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das gut wärmeleitende Material unter Kupfer,
Aluminium und ihren Legierungen ausgewählt ist.
7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Thermostatgefäß (10) in ein
verschlossenes Sekundärgefäß (21) eingefügt ist, wobei die innere Form
des Sekundärgefäßes (21) der äußeren Form des
Thermostatgefäßes (10) angepaßt ist und ein schmaler Abstand (22) zwischen
den beiden Gefäßen (10, 21) verbleibt, um die
Konvektionserscheinungen möglichst klein zu halten.
8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
enge Zwischenraum (22) in der Größenordnung von einigen
Millimetern liegt.
9. Oszillator nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß Kontaktpunkte zwischen den beiden Gefäßen
mittels Vorsprüngen (23) hergestellt werden, die mit mindestens
einem der Gefäße fest verbunden sind.
10. Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kontaktoberfläche zwischen den beiden Gefäßen so gering
wie möglich gewählt wird.
11. Oszillator nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß ein thermischer Widerstand (24) auf jedem
Vorsprung (23) angebracht ist, um die beiden Gefäße (10, 21)
thermisch voneinander zu isolieren.
12. Oszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der thermische Widerstand (24) aus einem Material wie einem
glasfaserverstärkten Harz besteht.
13. Oszillator nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Sekundärgefäßes
(21) durch Verzinnen hochglänzend gemacht wird, um die
Strahlungsverluste möglichst klein zu halten.
14. Oszillator nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Sekundärgefäß (21) aus einem gut
wärmeleitenden Material wie Kupfer, Aluminium oder einer
Legierung dieser Metall besteht.
15. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der äußere Behälter des Thermostatgefäßes
zwei Hohlräume (6, 17) bildet, die Rücken an Rücken liegen und
durch einen gemeinsamen Boden (15) voneinander getrennt sind,
sowie durch Deckel (18, 19) verschlossen sind, wobei der erste
Hohlraum (6) eine elektronische Schaltung (5) des Oszillators
und der zweite (17) den Resonator (1) und den inneren Behälter
(40) enthält.
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| FR2633465B1 (fr) | 1993-09-10 |
| US5025228A (en) | 1991-06-18 |
| DE68914631D1 (de) | 1994-05-19 |
| WO1989012929A1 (fr) | 1989-12-28 |
| EP0378635A1 (de) | 1990-07-25 |
| FR2633465A1 (fr) | 1989-12-29 |
| EP0378635B1 (de) | 1994-04-13 |
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