CH214271A - Piezoelectric device. - Google Patents

Piezoelectric device.

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CH214271A
CH214271A CH214271DA CH214271A CH 214271 A CH214271 A CH 214271A CH 214271D A CH214271D A CH 214271DA CH 214271 A CH214271 A CH 214271A
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CH
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piezoelectric device
crystal
oscillating crystal
tentans
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Inventor
Gesellschaft Fuer D Telefunken
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Telefunken Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

  

      Piezoelektriscbe        Vorrichtung.       Zur Erzeugung kurzer Wellen benutzt  man bekanntlich die Dickenschwingungen       piezoelektrischer'Quarzplatten,    das heisst sol  che     Eigenschwingungen,    deren Frequenz von  der Dicke des     gristalles    abhängt, für längere  Wellen dagegen die     Querschwingungen    der  artiger     Platten,    das     heisst    solche Eigen  schwingungen, deren Frequenz von den Quer  dimensionen abhängt.

   Es gibt ein Übergangs  gebiet, etwa im Bereich von 800 bis 1600 m,  in dem die Platten bei Ausnutzung der     Dik-          kenschwingungen    eine grosse     und    ungünstige  Dicke, bei Ausnutzung von Querschwingun  gen dagegen kleine Querdimensionen besitzen.  Sie eignen sich zu einer exakten Halterung  nicht mehr. Es wurde früher allgemein an  genommen, dass bei Dickenschwingungen das  Verhältnis des Plattendurchmessers zur Plat  tendicke gross,     mindestens    aber grösser als  10 : 1 sein muss.

   Bei     Verwendung    von     Dik-          kenschwingimgen    in dem Übergangsgebiet  kommt man unter     Verwendung    dieser Dimen-         sionierungsregel    zu sehr grossen Platten, die  kostspielig werden und die auch wegen ihrer  grossen Masse bei der     Halterung    Schwierig  keiten machen. Bei     scharfkantigen        Platten,     oder selbst bei Platten, die, wie beispielsweise  vorgeschlagen,     abgerundete    Ecken besitzen,  treten erhebliche Störungen bei der Dicken  schwingung auf.

   Die eigentliche     Dicken-          schwingung    besteht nicht aus: einer einzigen  Resonanzstelle, sondern besitzt meist mehrere       unmittelbar    benachbarte Resonanzstellen. Die       Erklärung    dafür ergibt sich anschaulich un  mittelbar daraus, dass, solange die     Platte    un  endlich gross ist, der     Schwingungszustand    da  durch zustande kommt, dass eine ebene Welle  in der Platte hin- und herläuft, die jeweils  an den Begrenzungsflächen reflektiert wird.

    Bei Platten, deren Verhältnis Durchmesser  zu Dicke nicht mehr sehr gross ist, kann  von ebenen Wellen, die sich innerhalb der  Platte fortpflanzen, auch nicht annähernd  mehr die Rede     sein.    Es tritt ein kompli-      zierten Ausbreitungsmechanismus in der  Platte auf, der durch die scharfkantige Be  grenzung ein     Frequenzspektrum    hervorruft.  



  Vorliegende Erfindung bezieht sich auf  eine     piezoelektrische    Vorrichtung mit in     Dik-          kenschwingungen    erregtem Schwingkristall,  bei dem das Verhältnis des Durchmessers zur  grössten Dicke     kleiner    als 10 : 1 ist. Erfin  dungsgemäss besitzt der Schwingkristall  wenigstens angenähert die Form eines ab  geplatteten     Rotationsellipsoids.     



  Im folgenden sind an Hand der beilie  genden Zeichnung Ausführungsbeispiele der  Erfindung erläutert.  



  Ein Kristall von der Form eines abgeplat  teten     Rotationsellipsoids    hat, wie die mathe  matische Theorie ergibt, eine eindeutige       Eigenschwingung.    Versuche haben ergeben,  dass es nicht unbedingt notwendig ist, dem  Kristall die schwer     herstellbare    strenge Form  eines     Rotationsellipsoids    zu geben. Der  Schwingungsvorgang wird bereits dann ein  deutig, wenn die Form auch nur angenähert  der eines     Rotationsellipsoids    gleicht, wie dies       Fig.    1 beispielsweise zeigt.

   Beim Schwing  kristall nach     Fig.    1 ist die Begrenzungsfläche  aus mehreren Rotationsflächen mit kreis  bogenförmigen Erzeugenden, denen verschie  dene Halbmesser zukommen, zusammenge  setzt, und zwar von zwei Kugelhauben mit  den Kugelradien     R1,        R@    und den Kugelmittel  punkten     Ml,        M_    und von einem Flächenteil  eines     Toroids    mit dem Radius     r-    der kreis  förmigen Erzeugenden.

   Der mittlere Teil des       Kristalles    nach     Fig.    1, der     -,veniger    als die  Hälfte des Durchmessers beträgt, kann, wie       Fig.    2 zeigt, planparallel geschliffen sein.  Auch die Form nach     Fig.    2 gibt, wie es der  Versuch zeigt, einen einwelligen Schwing  kristall. Erfahrungsgemäss kann die Mittel  kante des     Kristalles,    wie es     Fig.    3 zeigt, zu  einer Schneide     zugeschliffen    werden. Dies  ist besonders wichtig, da sich die Kristalle in  der Mittelebene     dämpfungsfrei    unter Aus  nutzung der     schneidenartigen    Kristallkante  haltern lassen.

   Auch im Fall der Eigen  schwingungen des     Rotationsellipsoids    stellt    die     Mittelebene        eine    Knotenlinie des Schwin  gungsvorganges dar.  



  Die Dickenschwingungen können durch,       Scherungsvorgänge    bestimmt sein, das heisst  die Quarzkristalle sind vom Typ des     Y-          Schnittes,    oder solchen, die um die X-Achse  gegen die F- Achse geneigt sind oder die  einen kleinen Winkel mit der X-Achse be  sitzen. Vorzugsweise werden solche Orien  tierungen gegenüber dem normalen     Y-Schnitt     gewählt, dass der Temperaturkoeffizient der  Eigenschwingung kleiner als 5.     10-6    pro  Grad Celsius ist. Die Dickenschwingun  gen können aber auch durch     longitudinale     Vorgänge gegeben sein, vor allem Dicken  schwingungen des sogenannten X-Schnittes.  



  Bei der vorgeschlagenen Formgebung ge  lingt es,     Quarzoszillatoren    unter Verwendung  der     Dickenschwingungen    bis zu Zellen von  1600 m herzustellen, mit     verhältnismässig     kleinem Quarzdurchmesser. Während bisher  für das Wellenbereich bei etwa 1000 m  Quarzplatten bei einer ungefähren Dicke von  6 mm von<B>50</B> mm Durchmesser und mehr  verwendet wurden, gelingt es nunmehr,  Quarzkristalle zu verwenden, die einen  Durchmesser von beispielsweise 30 mm be  sitzen. Man gelangt daher zu einer erheb  lichen Ersparung an Quarzrohmaterial, wei  terhin zu einer Verringerung des Fassungs  volumens und indirekt auch zu einer Ver  kleinerung der Thermostate bei hochwertigen  Sendern.



      Piezoelectric device. It is well known that the thickness vibrations of piezoelectric quartz plates are used to generate short waves, i.e. such natural vibrations, the frequency of which depends on the thickness of the crystal, for longer waves, on the other hand, the transverse vibrations of such plates, i.e. such natural vibrations, whose frequency depends on the transverse dimensions depends.

   There is a transition area, for example in the range from 800 to 1600 m, in which the plates have a large and unfavorable thickness when the thickness vibrations are used, but small transverse dimensions when the lateral vibrations are used. They are no longer suitable for an exact mounting. In the past it was generally assumed that in the case of thickness oscillations, the ratio of the plate diameter to the plate thickness must be large, but at least greater than 10: 1.

   If thickness oscillations are used in the transition area, using this dimensioning rule results in very large plates, which become expensive and which, because of their large mass, also cause difficulties in mounting. With sharp-edged plates, or even with plates that have rounded corners, as proposed, for example, significant disturbances occur in the thickness vibration.

   The actual thickness oscillation does not consist of: a single point of resonance, but mostly has several immediately adjacent points of resonance. The explanation for this arises directly from the fact that as long as the plate is infinitely large, the oscillation state comes about because a plane wave runs back and forth in the plate, which is reflected at the boundary surfaces.

    In the case of plates whose diameter to thickness ratio is no longer very large, there is no longer any question of plane waves propagating within the plate. A complicated propagation mechanism occurs in the plate which, due to the sharp-edged delimitation, creates a frequency spectrum.



  The present invention relates to a piezoelectric device with vibrating crystal excited in thick vibrations, in which the ratio of the diameter to the greatest thickness is less than 10: 1. In accordance with the invention, the oscillating crystal has at least approximately the shape of a flattened ellipsoid of revolution.



  In the following, embodiments of the invention are explained with reference to the accompanying drawings.



  A crystal in the shape of a flattened ellipsoid of revolution has, as the mathematical theory shows, a unique natural oscillation. Tests have shown that it is not absolutely necessary to give the crystal the difficult-to-produce strict shape of an ellipsoid of revolution. The oscillation process is already clear when the shape is only approximately the same as that of an ellipsoid of revolution, as FIG. 1 shows, for example.

   When oscillating crystal according to Fig. 1, the boundary surface of several surfaces of rotation with circular arc-shaped generators, which come with different radii, put together, namely by two spherical domes with the spherical radii R1, R @ and the ball centers Ml, M_ and a surface part of a toroid with the radius r- the circular generatrices.

   The middle part of the crystal according to FIG. 1, which is less than half the diameter, can, as FIG. 2 shows, be ground plane-parallel. Also the shape of Fig. 2, as the experiment shows, a single-wave oscillating crystal. Experience has shown that the central edge of the crystal, as shown in FIG. 3, can be ground to form a cutting edge. This is particularly important because the crystals in the central plane can be held without damping using the cutting edge-like crystal edge.

   Even in the case of the natural vibrations of the ellipsoid of revolution, the center plane represents a nodal line of the vibration process.



  The thickness oscillations can be determined by shearing processes, i.e. the quartz crystals are of the Y-cut type, or those that are inclined about the X-axis against the F-axis or that sit at a small angle with the X-axis. Preferably such orientations are chosen compared to the normal Y-section that the temperature coefficient of the natural oscillation is less than 5.10-6 per degree Celsius. The Dickenschwingun conditions can also be given by longitudinal processes, especially thick vibrations of the so-called X-cut.



  With the proposed shape it succeeds in producing quartz oscillators using the thickness oscillations up to cells of 1600 m, with a relatively small quartz diameter. While quartz plates with an approximate thickness of 6 mm of <B> 50 </B> mm diameter and more have been used for the wave range at around 1000 m, it is now possible to use quartz crystals with a diameter of, for example, 30 mm . This leads to a considerable saving in quartz raw material, furthermore to a reduction in the volume and, indirectly, to a reduction in the thermostats for high-quality transmitters.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Piezoelektrische Vorrichtung mit in Dik- kenschwingungen erregtem Schwingkristall, bei dem das Verhältnis des Durchmessers zur grössten Dicke kleiner als 10 : 1 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkristall wenigstens angenähert die Form eines ab geplatteten Rotationsellipsoids besitzt. Claim: Piezoelectric device with oscillating crystal excited in thick oscillations, in which the ratio of the diameter to the greatest thickness is less than 10: 1, characterized in that the oscillating crystal has at least approximately the shape of a flattened ellipsoid of revolution. UN TERA ,-SPRüCHE 1. Piezoelektrische Vorrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche des Schwingkristalles aus mehreren Rotationsflächen mit kreis bogenförmigen Erzeugenden, denen ver- schiedene Halbmesser zukommen, zusammen gesetzt ist. 2. Piezoelektrische Vorrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teil des Schwingkristalles, der weniger als die Hälfte des Durchmessers be trägt, planparallel geschliffen ist. UN TERA, -SPATCHES 1. Piezoelectric device according to patent claim, characterized in that the boundary surface of the oscillating crystal is composed of several surfaces of rotation with circular arc-shaped generators, which have different radiuses. 2. Piezoelectric device according to Pa tentans claims, characterized in that the central part of the oscillating crystal, which carries less than half the diameter be, is ground plane-parallel. 3. Piezoelektrische Vorrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkristall in der Mittelebene zu einer schneidenartigen gante geschliffen ist und längs dieser gante gehaltert ist. 3. Piezoelectric device according to Pa tent claims, characterized in that the oscillating crystal is ground in the central plane to a cutting edge-like gante and is supported along this gante. 4. Piezoelektrische Vorrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung des Quarzkristalles durch Scherungsvorgänge gegeben ist. 5. Piezoelektrische Vorrichtung nach Un teranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine derartige Orientierung vorgesehen ist, dass der Wert des Temperaturkoeffizienten der Eigenschwingung kleiner als 5 . 10-6 pro Grad Celsius ist. 4. Piezoelectric device according to Pa tentans claims, characterized in that the natural oscillation of the quartz crystal is given by shearing processes. 5. Piezoelectric device according to Un teran claim 4, characterized in that such an orientation is provided that the value of the temperature coefficient of the natural oscillation is less than 5. 10-6 per degree Celsius is. 6. Piezoelektrische Vorrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschwingung des Quarzkristalles durch longitudinale Vorgänge gegeben ist. 6. Piezoelectric device according to Pa tentans claims, characterized in that the natural oscillation of the quartz crystal is given by longitudinal processes.
CH214271D 1938-08-31 1939-08-25 Piezoelectric device. CH214271A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2339893A1 (en) * 1976-01-29 1977-08-26 Seiko Instr & Electronics PIEZO-ELECTRIC VIBRATOR

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR2339893A1 (en) * 1976-01-29 1977-08-26 Seiko Instr & Electronics PIEZO-ELECTRIC VIBRATOR

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