CH615540A5

CH615540A5 -

Info

Publication number: CH615540A5
Application number: CH783177A
Authority: CH
Inventors: Werner Mattuschka
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1976-09-15
Filing date: 1977-06-27
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS5336494A; US4114062A; FR2409602A1; DE2849782A1; GB2011705B; GB2011705A; FR2365240A1; DE2641571B1; DE2849782C2; FR2409602B1; US4262227A; FR2365240B1; GB1575718A; JPS5470789A; JPS6255324B2; NL7710102A; JPS5829890B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen als Obertonquarz verwendeten Dickenscherungsschwinger für einen quarzstabilisierten Oszillator mit einer Betriebsfrequenz im MHz-Bereich, der auf seinen planparallelen, in der x, z'-Ebene verlaufenden Oberflächen je eine Anregungselektrode trägt und bei dem durch den Abstand dieser Oberflächen voneinander die in der y'-Richtung verlaufende Dicke des Vibrators bestimmt wird.

Obertonquarze weisen im allgemeinen gegenüber Grundtonquarzen eine höhere zeitliche Frequenzkonstanz auf und sind gegenüber Einflüssen, die von der zugeordneten Schwingschaltung ausgehen, unempfindlicher. Sie werden daher für Anwendungsfälle, bei denen in dieser Hinsicht höhere Anforderungen gestellt werden, bevorzugt herangezogen.

Beim Einsatz von Obertonquarzen benötigt man jedoch im allgemeinen zusätzliche Selektionsmittel, um die gewünschte höhere Harmonische des Quarzes aussieben zu können, wenn der Quarz z. B. mit einer aperiodischen Schwingschaltung betrieben werden soll.

Solche zusätzlichen Selektionsmittel machen jedoch z. B. die durch die moderne integrierte Schaltungstechnik erzielbare Einsparung an Raumbedarf bei solchen Schwingschaltungen weitgehend wieder zunichte.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Dickenscherungsschwinger der eingangs genannten Art so auszubilden, dass er ohne zusätzliche Selektionsmittel mit einer aperiodischen Schwingschaltung zusammenwirken kann.

Erfindungsgemäss ergibt sich die Lösung dieser Aufgabe durch eine den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 entsprechende Ausbildung des Vibrators.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass es durch diese besondere Bemessung des Vibrators möglich ist, den Vibrator nur in der erwünschten Harmonischen anregbar zu machen. Insbesondere ist es durch diese Ausbildung eines Schwingquarzes möglich die Grundfrequenz bzw. die Grundfrequenz und die dritte Harmonische ausreichend zu unterdrücken, wenn der Quarz bei der dritten bzw. bei der fünften Harmonischen betrieben werden soll.

Besonders vorteilhaft können dabei auch Quarze verwendet werden, deren Dimension in x-Richtung von derjenigen in z'-Richtung abweicht, wodurch z. B. die Quarzabmessungen bei relativ hohen Betriebsfrequenzen so eingestellt werden können, nämlich durch geeignete Wahl von ß, dass der Quarz z. B. in rationeller Massenfertigung relativ unkompliziert in die Halteorgane, deren Abstand voneinander häufig mehr oder weniger festliegt, eingesetzt werden kann. Durch die Wahl von z. B. ß = 0,3 kann die Dimension des Quarzes in z'-Richtung wesentlich grösser gemacht werden als in x-Richtung und als sie bei rundem oder quadratischem Quarz wäre, ohne dass dadurch die durch die erfindungsgemässe Lehre mögliche Selektionswirkung beeinträchtigt wird.

Zur weiteren Verbesserung der Selektionswirkung des Quarzes ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Elektrodendimension in der z'-Richtung so gewählt ist, dass sie bei einer gegenüber der Quarzgrundfrequenz dreimal grösseren Betriebsfrequenz des Quarzes etwa 14 bis 18 mal grösser ist, als die Vibratordicke, und bei einer gegenüber der Quarzgrundfrequenz 5 mal grösseren Betriebsfrequenz 6 bis 10 mal grösser, dass die Elektrodendimension in x-Richtung maximal gleich der in z'-Richtung ist und mindestens den Wert 0,5- lx aufweist, wobei lx die Abmessung des Vibrators in x-Richtung ist und dass die Elektrodenmasse so bemessen ist, dass sich der Frequenzunterschied À f zwischen der Schwingfrequenz des mit Elektroden versehenen Vibrators und der des Vibrators ohne Elektroden zur Betriebsfrequenz verhält wie a (k/n • e)2, wobei a den Wert 1,3 bis 1,6 k den Wert 2,4 und e bei ji = 3, also dem 3. Oberton etwa den Wert 14 bis 18, bei n = 5, also dem 5. Oberton etwa den Wert 6 bis 10 hat.

Insbesondere ist mit dieser Bemessungsregel bezüglich der Elektrodenmasse eine einfache Anleitung gegeben, wie zunächst von derjenigen Frequenz auszugehen ist, mit der der noch nicht mit Elektroden versehene Quarz, also der sog. nackte Quarz, schwingt. Durch entsprechende z. B. Bedampfung des Quarzes mit Elektrodenmaterial wird dann die Schwingfrequenz des Quarzes solange abgesenkt, bis diese mit der vorgesehenen Betriebsfrequenz übereinstimmt. Die auf diese Weise auf den Quarz aufgebrachte Elektrodenmasse hat

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dann automatisch die zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungen des Quarzes erforderliche Grösse.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann schliesslich noch vorgesehen sein, dass zur Halterung des Vibrators vorgesehene Halteorgane bei einem Vibrator dessen Abmessung in x-Richtung mit der in z'-Richtung übereinstimmt, jeweils in den Schnittpunkten der in x-Richtung verlaufenden Symmetrielinie des Vibrators mit dem Vibratorrand am Vibrator vorgesehen sind und dass bei einem Vibrator, dessen Abmessung in x-Richtung von der in z'-Richtung abweicht, die Halteorgane am Vibrator jeweils in den Schnittpunkten der in z'-Richtung verlaufenden Symmetrielinie des Vibrators mit dem Vibratorrand angeordnet sind und dass ausserhalb der Elektroden, in der Nähe des Vibratorrandes zusätzlich punkt- oder linienförmig Dämpfungsmasse auf dem Vibrator befestigt ist.

Durch diese Wahl der Angriffspunkte der Halteorgane am Quarz wird vorteilhaft die Selektionswirkung des Quarzes bezüglich der dritten oder der fünften Harmonischen noch begünstigt. Die zusätzliche Anbringung von punkt- oder linienförmig angeordneten Dämpfungsmassen ist zwar nicht unbedingt erforderlich, kann aber in manchen Fällen zur zusätzlichen Unterdrückung unerwünschter Schwingungsmoden beitragen.

An Hand von drei Figuren wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung noch näher erläutert.

Dabei zeigen, unter Weglassung aller nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Einzelheiten, jeweils schematisch dargestellt

Fig. 1 einen kreisscheibenförmigen Schwingquarz,

Fig. 2 zwei Schwingquarze, die in x-Richtung gegenüber ihrer Dimension in z'-Richtung verkürzt sind und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Quarzscheibe mit über der Scheibe dargestellter Amplitudenverteilung der fünften und dritten Harmonischen sowie der Grundschwingung des Quarzes.

Eine nichtdargestellte, quarzstabilisierte, aperiodische Schwingschaltung soll mit einer Frequenz von 24 MHz betrieben werden.

Der für diese Schwingschaltung vorgesehene Quarz wird als Obertonquarz eingesetzt, um die dadurch erzielbaren Vorteile (grosse zeitliche Frequenzkonstanz, verringerter Schal-tungseinfluss auf den Quarz) nutzen zu können. Zusätzliche Selektionsmittel zur Aussiebung der gewünschten Obertonschwingung sollen nicht vorgesehen sein.

Zunächst ergibt sich aus der bekannten Beziehung d = N/f die Dicke des Vibrators, also dessen Abmessung in y'-Richtung, wobei für f die Frequenz der Grundschwingung in kHz und für N der Wert 1670 kHz mm einzusetzen ist.

Wird beispielsweise die dritte Harmonische des Quarzes als Oberton-Betriebsfrequenz gewählt, so ergibt dies eine Quarzgrundfrequenz von 24/3 • 103 kHz = 8-103 kHz. Hieraus errechnet sich eine Vibratordicke von = 0,21 mm.

Bei Ausführung des Vibrators als kreisscheibenförmiger Quarz 1 (Fig. 1 ) ergibt sich somit (ß = 1 ) bei einem gewählten Abmessungsverhältnis von 20 (das Abmessungsverhältnis kann im wesentlichen frei zwischen 20 und 30 gewählt werden) eine Dimension des Quarzes in x- bzw. z'-Richtung von 4,2 mm aus der Beziehung lz'/d ^ 20/Vß bei ß = 1 und der Wahl von 20 als Abmessungsverhältnis zwischen der Dimension des Quarzes in z'-Richtung (lz') und seiner Dicke d.

Bei Ausführung des Vibrators mit in x-Richtung verkürzter Konfiguration (Fig. 2), also als Rechteck- oder Ovalquarz 3,4 ergibt sich für die Abmessung in z'-Richtung, bei z. B. der Wahl von ß = 0,55, als ein innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 1,0 liegender Wert von ß, der Wert 5,6 mm und in x-Richtung aus ß-lz' der Wert 3,1 mm.

Sowohl für den kreisscheibenförmigen Quarz 1 (Fig. 1) als auch für den in x-Richtung verkürzten Quarz 3,4 (Fig. 2) sind die Elektroden so zu bemessen, dass diese in z'-Richtung und ebenso in x-Richtung ungefähr 2,9 mm breit sind. Die Elektrodendimension in z'-Richtung soll sich nämlich zur Vibratordicke so verhalten, dass sich eine Zahl aus dem Bereich 14 bis 18 ergibt, wobei im Ausführungsbeispiel die Zahl 14 gewählt wurde.

Die Frequenz des nackten Quarzes schliesslich muss etwa um den Betrag 120 kHz = A f höher gewählt werden, als die gewünschte Betriebsfrequenz fB von 24 MHz, entsprechend der Gleichung A f = fB • a (k/n • e)2, wobei der experimentiell ermittelte Wert von a etwa zwischen 1,3 und 1,6 liegen kann, im vorliegenden Fall wurde für a der Wert 1,5 gewählt, k als Materialkonstante den Wert 2,4 hat und e als Zahl, die das Verhältnis zwischen Elektrodenabmessung in z'-Richtung und Vibratordicke angibt, bei n = 3 etwa den Wert 14 bis 18 annehmen darf, im vorliegenden Fall hat e den Wert 14, während e bei n = 5 etwa den Wert 6 bis 10 haben soll, wobei n die Ordnungszahl derjenigen Harmonischen des Schwingquarzes ist, mit der der Quarz betrieben werden soll. Im vorliegenden Fall hat n daher den Wert 3. Durch die auf den nackten Quarz, z. B. durch geeignete Bedampfung, aufzubringende Elektrodenmasse wird die Schwingfrequenz des Quarzes auf die gewünschte Betriebsfrequenz abgesenkt.

Durch diese Massnahmen wird ein als Dickenscherungsschwinger arbeitender Quarzvibrator erhalten, der nur in der dritten Harmonischen mit der Frequenz von 24 MHz anregbar ist und somit ohne Selektionsmittel mit der aperiodischen Schwingschaltung betrieben werden kann.

Der in Fig. 2 dargestellte Rechteck- bzw. Ovalquarz 3,4 wird immer dann bevorzugt einzusetzen sein, wenn sich mit der hierdurch erzielbaren grösseren Dimension des Quarzes in z'-Richtung eine günstigere Anpassung des Quarzes an den Abstand der Halterungsorgane 2 voneinander ergibt, als dies bei einem mit gleicher Frequenz schwingenden kreisscheibenförmigen Quarz der Fall wäre.

Bei der schliesslich in Fig. 3 über einem Querschnitt einer Quarzscheibe 1 eingezeichneten Verteilung der Schwingamplitude der fünften und dritten Harmonischen 7,8 und der Grundschwingung 9 über der Dimension x bzw. z' der Quarzscheibe, mit übertrieben dick dargestellten, einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen 5, die, wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, über leitende Streifen 6 mit den Halteorganen 2 elektrisch verbunden sind (Streifen und Halteorgane sind in Fig. 3 nicht dargestellt), ist zu ersehen, dass deren Dimensionierung abweichend vom eben angeführten Ausführungsbeispiel so gewählt ist, dass die 5. Harmonische gleich der Betriebsfrequenz ist.

Es zeigt sich, dass in diesem Fall die zusätzliche Anbringung von Dämpfungsmasse 10 an der Peripherie der Scheibe zweckmässig ist, um die Ausbildung der Grundschwingung und insbesondere der 3. Harmonischen zusätzlich zu behindern. Während nämlich die Amplitude der 5. Harmonischen, also der Betriebsfrequenz im Bereich der Dämpfungsmasse im wesentlichen vollständig abgeklungen ist und somit die 5. Harmonische von den Dämpfungsmassnahmen unbeeinflusst bleibt, wirkt sich die Dämpfungsmasse 10 auf die 3. Harmonische stark reduzierend aus.

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1. Als Obertonquarz verwendeter Dickenscherungsschwin-ger für einen quarzstabilisierten Oszillator mit einer Betriebsfrequenz im MHz-Bereich, der auf seinen planparallelen, in der x, z'-Ebene verlaufenden Oberflächen je eine Anregungselektrode trägt und bei dem durch den Abstand dieser Oberflächen voneinander die in der y'-Richtung verlaufende Dicke des Vibrators bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrator (1 ; 3; 4) zwischen seiner in z'-Richtung gemessenen Dimension und seiner Dicke ein Abmessungsverhältnis y aufweist, dessen Wert im Bereich 20/Vß ^ y ^ 30/Vß liegt, bei einer Dicke des Vibrators (1 ; 3; 4), die durch eine Quarzgrundfrequenz bestimmt ist, deren Wert V3 der Betriebsfrequenz beträgt oder ein Abmessungsverhältnis y von ca. 12/Vß, bei einer Dicke des Vibrators, die durch eine Quarzgrundfrequenz bestimmt ist, deren Wert Vs der Betriebsfrequenz beträgt,

wobei ß das Verhältnis der Dimension des Vibrators in x-Rich-tung zu der ih z'-Richtung angibt und einen Wert hat, der im Bereich 0,3 ^ ß 1,0 liegt.

2. Dickenscherungsschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodendimension in der z'-Richtung so gewählt ist, dass sie im Falle einer gegenüber der Quarzgrundfrequenz dreimal grösseren Betriebsfrequenz des Quarzes etwa 14 bis 18 mal grösser ist, als die Vibra tordicke und im Falle einer gegenüber der Quarzgrundfrequenz 5 mal grösseren Betriebsfrequenz 6 bis 10 mal grösser.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Dickenscherungsschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodendimension in x-Richtung maximal gleich der in z'-Richtung ist und mindestens den Wert 0,5 • Ix aufweist, wobei lx die Abmessung des Vibrators in x-Richtung ist.

4. Dickenscherungsschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenmasse so bemessen ist, dass sich der Frequenzunterschied À f zwischen der Schwingfrequenz des mit Elektroden versehenen Vibrators und der des Vibrators ohne Elektroden zur Betriebsfrequenz verhält wie a (k/n • e)2, wobei a den Wert 1,3 bis 1,6, k den Wert 2,4 und e bei n = 3, also dem 3. Oberton etwa den Wert 14 bis 18, bei n = 5, also dem 5. Oberton etwa den Wert 6 bis 10 hat.

5. Dickenscherungsschwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Halterung des Vibrators vorgesehene Halteorgane (2) bei einem Vibrator ( 1 ) dessen Abmessung in x-Richtung mit der in z'-Richtung übereinstimmt, jeweils in den Schnittpunkten der in x-Richtung verlaufenden Symmetrielinie des Vibrators mit dem Vibratorrand am Vibrator vorgesehen sind und dass bei einem Vibrator, dessen Abmessung in x-Richtung von der in z'-Richtung abweicht, die Halteorgane (2) am Vibrator (3; 4) jeweils in den Schnittpunkten der in z'-Richtung verlaufenden Symmetrielinie des Vibrators mit dem Vibratorrand angeordnet sind.

6. Dickenscherungsschwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb der Elektroden (5) in der Nähe des Vibratorrandes zusätzlich punkt- oder linienförmig Dämpfungsmasse (10) auf dem Vibrator (1 ; 3; 4) befestigt ist.