CH652261A5 - Piezoelektrischer schwinger. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schwinger, der einen Körper in Form eines im wesentlichen rechteckigen, aus einem piezoelektrischen Kristall geschnittenen Blocks enthält, der zwei zueinander parallele Hauptflächen aufweist, die in unmittelbarer Nähe einer der zwei diese Hauptflächen begrenzenden Endflächen mit einem Elektrodensystem versehen sind, während die dieser Endfläche gegenüber liegende Endfläche für die Abstützung des Körpers bestimmt ist, wobei der Körper einen um die X-Achse gedrehten Kristallschnitt aufweist.

Dabei ist unter einem um die X-Achse gedrehten Kristallschnitt auf übliche Weise zu verstehen, dass der Körper mit einer derartigen Orientierung aus dem Kristall geschnitten ist, dass eine Hauptachse des Körpers zu der X-Achse parallel ist, während die beiden anderen Hauptachsen zu einer Y'-bzw. einer Z'-Achse parallel sind, die aus der Y- und der Z-Achse durch Drehung der Kristallachsen um die X-Achse entstanden sind.

Ein derartiger Schwinger ist z.B. aus der deutschen Patentanmeldung P 27 Ol 416 bekannt. Dabei besteht der Körper aus einem langgestreckten rechteckigen Block, der aus einem Quarzkristall gemäss dem AT-Schnitt geschnitten ist, wobei der Körper zwei langgestreckte Hauptflächen mit der Längsachse in der Z'-Richtung und der Breitenachse in der X-Richtung enthält und diese Hauptflächen mit einander gegenüber liegenden Elektroden versehen sind. Durch den gewählten Schnitt in Verbindung mit dem Elektrodensystem wird ein kombinierter Schwingungsmodus angeregt, der aus einer XY'-Dickenschiebeschwingung und einer XY'-Biege-schwingung besteht.

Bei derartigen Schwingern, die für Resonanzfrequenzen grösser als 100 kHz bestimmt sind, geht das Bestreben dahin, die Abmessungen möglichst klein zu halten. Diese Anforderung wird bei dem bekannten Schwinger dadurch begegnet, gungsrichtung aufweisen, die in der X Y'-Ebene liegt, d.h. in einer zu der Längsachse des Körpers senkrechten Ebene. Dies bedeutet auch, dass es möglich ist, die Elektroden asymmetrisch auf den Hauptflächen anzubringen, wenn nur eine der diese beiden Hauptflächen in der Längsrichtung begrenzenden den Endflächen als Trägerfläche für den Schwinger verwendet wird. Da die Schwingungsmoden eine Bewegungsrichtung parallel zu diesen Endflächen aufweisen, stört die freie Endfläche diese Schwingungsmoden nicht, wodurch in bezug auf diese Endfläche die Anforderung entfällt, dass an der betreffenden Stelle die Schwingung bereits abgeklungen sein soll, was bedeutet, dass die Elektroden auf den Hauptflächen in der Nähe dieser freien Endfläche angebracht werden dürfen. Ausserdem wird durch die Elektroden eine sogenannte Energiefixierung (energy-trapping) bewirkt, d.h. dass die erzeugten Schwingungen im wesentlichen auf das Gebiet zwischen den Elektroden beschränkt sind, während die Amplitude der Schwingungen der angegebenen Schwingungsmoden ausserhalb dieses Elektrodengebietes als Funktion des Abstandes von diesem Elektrodengebiet stark abnimmt.

Das Bestreben zur Herabsetzung der Abmessungen des Schwingers wird bei diesem bekannten Schwinger durch die Anforderung begrenzt, dass an der Stelle der als Tragfläche wirkenden Endfläche die Schwingung völlig ausgedämpft sein soll, wodurch der Mindestabstand zwischen dem Elektrodengebiet und dieser Tragfläche festgelegt wird. Ausserdem weist dieser Schwinger den Nachteil auf, dass sowohl die Dicke als auch die Breite des Körpers die Schwingungsfrequenz bestimmende Abmessungen sind, was selbstverständlich Genauigkeitsanforderungen bei der Herstellung mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Schwinger zu schaffen, der sehr geringe Abmessungen aufweisen kann und sich ausserdem auf einfache und zuverlässige Weise herstellen lässt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Schnitt des Körpers derart ist, dass die Hauptflächen zu der Z'-Achse senkrecht und die genannten Endflächen zu der X- oder Y'-Achse senkrecht sind, und dass das Elektrodensystem derart ausgebildet ist, dass in dem Körper ein kombinierter Schwingungsmodus erhalten wird, der aus einer XY'-Dickenschiebeschwingung und einer Dickenschwingung in der X-oder Y'-Richtung besteht.

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In dem piezoelektrischen Schwinger nach der Erfindung wird daher ein kombinierter Schwingungsmodus, der aus einer XY'-Dickenschiebeschwingung und einer Dickenschwingung in der X- oder Y'-Richtung besteht, verwendet, der ein sogenannter Randmodus (edge mode) ist. Dies bedeutet, dass dieser Modus nur in unmittelbarer Nähe einer der die Hauptflächen begrenzenden Endflächen angeregt werden kann, so dass automatisch die Anforderung der für eine Mindestabmessung wichtigen asymmetrischen Anordnung der Elektroden auf den Hauptflächen erfüllt wird. Ausserdem hat sich gezeigt, dass der angewandte Schwingungsmodus mit zunehmenden Abstand von dieser Endfläche immer stärker gedämpft wird, was bedeutet, dass der Abstand der als Tragfläche wirkenden Endfläche von dieser freien Endfläche erheblich kleiner als bei dem bekannten Schwinger sein kann. Weiter wird durch den angewandten Schwingungsmodus erreicht, dass nur eine Abmessung des Körpers für die Schwingungsfrequenz entscheidend ist, wodurch die Herstellung erheblich erleichtert wird. Um störende Schwingungen in den Z'-Richtung zu vermeiden, ist die Abmessung des Körpers in der Z'-Richtung derart klein, dass in dieser Richtung keine Schwingungen mit einer Frequenz, die gleich oder kleiner als die Frequenz des gewünschten Modus ist, auftreten können.

Eine erste Ausführungsform des Schwingers nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der Hauptflächen zwei Elektroden enthält, die je einzeln in der unmittelbaren Nähe einer der quer zu den Endflächen liegenden Seitenflächen angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform können die Elektroden derart mit zwei Signalklemmen verbunden werden, dass beim Anlegen einer Spannung an diese Klemmen zwei einander entgegengesetzte elektrische Felder senkrecht zu den Hauptflächen erzeugt werden. Auch können die Elektroden derart mit zwei Signalklemmen verbunden werden, dass beim Anlegen einer Spannung an diese Klemmen ein elektrisches Feld erzeugt wird, das im wesentlichen zu den Hauptflächen und den Endflächen parallel ist.

Eine zweite Ausführungsform des piezoelektrischen Schwingers nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Hauptflächen mit zwei Elektroden versehen ist, die einzeln in der unmittelbaren Nähe einer der zu den Endflächen senkrechten Seitenflächen angeordnet sind, wobei diese zwei Elektroden einzeln mit zwei Signalklemmen verbunden sind, und dass die andere Hauptfläche mit einer gemeinsamen diesen beiden Elektroden gegenüber angeordneten Elektrode versehen ist.

Eine dritte besonders effektive Ausführungsform des piezoelektrischen Schwingers nach der Erfindung ist schliesslich dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptflächen mit einem ersten und einem zweiten Paar einander gegenüber angeordneten Elektroden versehen sind, wobei diese Paare je in der unmittelbaren Nähe einer der quer zu den Endflächen liegenden Seitenflächen angeordnet sind, während die Hauptflächen weiter mit einem dritten Paar einander gegenüber angeordneten Elektroden versehen sind, die zwischen den Elektroden des ersten und des zweiten Paares liegen, und dass die Elektroden des ersten und des zweiten Paares mit einer ersten Signalklemme und die Elektroden des dritten Paares mit einer zweiten Signalklemme verbunden sind, während der Schnitt des Körpers derart gewählt ist, dass die Endflächen zu der X-Achse senkrecht sind.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 eine Anzahl Ausführungsformen des Schwingers nach der Erfindung und

Fig.4 schematisch ein Schwingungsmuster.

Die erste Ausführungsform des Schwingers nach der

Erfindung, wie in Fig. 1 dargestellt, enthält einen Körper 1 in Form eines rechteckigen Blocks. Dieser Block enthält zwei Hauptflächen 2 und 3, zwei Endflächen 4 und 5 und zwei Seitenflächen 6 und 7. Dieser Körper 1 ist aus einem piezoelektrischen Kristall gemäss einem um die X-Achse gedrehten Schnitt geschnitten, und zwar derart, dass die Z'-Achse zu den beiden Hauptflächen 2 und 3 senkrecht und die X-Achse zu den beiden Endflächen 4 und 5 senkrecht ist.

Auf der Hauptfläche 2 sind zwei Elektroden 8 und 8' angebracht, wobei sich die Elektrode 8 an die Endfläche 4 und an die Seitenfläche 7 und sich die Elektrode 8' an die Endfläche 4 und die Seitenfläche 6 anschliesst. Auf gleiche Weise sind auf der Hauptfläche 3 Elektroden 9 und 9' angebracht. Diese Elektroden 8, 8', 9 und 9' sind über Leiter 10, 10', 11 bzw. 11' und daran befestigte Anschlussdrähte mit den Signalklemmen 12 und 15 verbunden, und zwar derart, dass eine kreuzweise Verbindung erhalten wird, d.h. dass die Elektroden 8 und 9' mit der Signalklemme 12 und die Elektroden 8' und 9 mit der Signalklemme 15 verbunden sind. Mittels dieses Elektrodensystems werden zwischen den Elektroden 8 und 9 bzw. 8' und 9' zwei einander entgegengesetzte elektrische Felder in der Z'-Richtung erzeugt.

Als Alternative können die beiden Elektroden 8 und 9 mit der Signalklemme 12 und die beiden Elektroden 8' und 9' mit der Signalklemme 15 verbunden werden. In diesem Falle wird ein elektrisches Feld erzeugt, das im wesentlichen zu den Hauptflächen 2 und 3 und der Endfläche 4 parallel verläuft.

Wenn den beiden Signalklemmen 12 und 15 ein Differenzsignal zugeführt wird, wird von dem dadurch in dem Körper hervorgerufenen elektrischen Feld eine kombinierte Schwingung erzeugt, die aus einer XY'-Dickenschiebeschwingung und einer Y'-Dickenschwingung besteht.

Die insgesamt erzeugte kombinierte Schwingung weist dann ein Schwingungsmuster auf, wie es in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Weiter ist in Fig. 4 schematisch angegeben, aus welchen zwei Komponenten dieses Schwingungsmuster aufgebaut ist, und zwar aus einer Dickenschwingung T und einer Dickenschiebeschwingung S.

Diese kombinierte Schwingung kennzeichnet sich durch die Tatsache, dass sie in grossem Masse auf das Gebiet in der Nähe der freien Endfläche 4 beschränkt bleibt und ausserhalb dieses Gebietes mit zunehmenden Abstand sehr stark ausgedämpft. Dies hat zur Folge, dass der Abstand zwischen den Elektroden 8 und 9 auf den Hauptflächen und der als Tragfläche dienenden Endfläche 5 sehr klein gewählt werden kann, ohne dass dabei die von dieser Endfläche auferlegten Randbedingungen zu Störungen in dem Schwingungsmuster führen. So hat sich herausgestellt, dass im Vergleich zu dem in der Einleitung beschriebenen bekannten Schwinger der genannte Abstand zwischen den Elektroden 8 und 9 und der Endfläche 5 um einen Faktor 2 bis 3 herabgesetzt werden kann. Dies bedeutet, dass man bei dem Schwinger nach der Erfindung mit erheblich kleineren Abmessungen auskommen kann.

Ein zweiter zusätzlicher Vorteil des Schwingers nach der Erfindung besteht darin, dass die Frequenz der erzeugten kombinierten Schwingung nur durch eine einzige Abmessung des Körpers 1, und zwar durch die Breite des Körpers, d.h. den Abstand d zwischen den Seitenflächen 6 und 7,

bestimmt wird. Dies bedeutet, dass während der Herstellung auch nur diese Abmessung mit der für das Festlegen der Resonanzfrequenz erforderlichen Genauigkeit verwirklicht zu werden braucht.

Die Temperaturabhängigkeit des dargestellten Schwingers ist naturgemäss von dem gewählten Kristallschnitt, d.h. dem Winkel 0 über den die Y- und Z-Achse um die X-Achse des Kristalls gedreht sind, unabhängig, wie in dem Achsensystem nach Fig. 1 angegeben ist. Computerberechnungen haben

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nachgewiesen, dass für Quarz der Temperaturkoeffizient erster Ordnung für 0= ±25° Null ist. Für die Frequenzzahl, d.h. das Produkt der Resonanzfrequenz fo und der Abmessung d, gilt für diesen Schnitt : fo • d = 2685 kHz • m -3.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, die im grossen und ganzen der nach Fig. 1 entspricht. Der einzige Unterschied besteht darin, dass statt der Elektroden 9 und 9' nun eine einzige Elektrode 9 auf der Hauptfläche 3 angebracht ist, die sich völlig zwischen den Seitenflächen 6 und 7 erstreckt und sowohl der Elektrode 8 als auch der Elektrode 8' auf der Hauptfläche 2 gegenüber liegt. Diese Elektrode ist nicht mit einer Signalklemme verbunden. Diese Elektrode nimmt automatisch ein Potential an, das halbwegs zwischen den Pegeln der beiden den Signalklemmen 12 und 15 angebotenen Signale liegt, so dass auch bei diesem Elektrodensystem die gewünschten entgegengesetzt gerichteten Felder in der Z'-Richtung entstehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist der weniger komplizierte Entwurf der Leiterbahnen zur Herstellung der benötigten Verbindungen mit den Signalklemmen.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Schnitt des Körpers derart gewählt ist, dass die Endflächen 4 und 5 zu der X-Achse senkrecht sind. Das Elektrodensystem besteht aus drei Elektrodenpaaren, und zwar 8 und 9, 8' und 9' bzw. 16 und 16'. Die Elektroden 16 und 16' sind an die Signalklemme 15 und die übrigen Elektroden an die Signalklemme 12 angeschlossen. Auf diese Weise werden zwei einander entgegengesetzte elektrische Felder parallel zu den Hauptflächen und den Endflächen erhalten.

Es sei bemerkt, dass sich die Erfindung keineswegs auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können selbstverständlich abhängig von dem gewählten Kristallschnitt abweichende Elektrodensysteme und/oder Elektrodenformen verwendet werden. So werden z.B. die Elektroden auf den Hauptflächen sich nicht völlig bis zu den Rändern der Hauptfläche zu erstrecken brauchen. Auch können z.B. auf jeder Hauptfläche in der Nähe der Endfläche zwei zu dem Rand zwischen der Endfläche und der Hauptfläche parallele Elektroden angeordnet werden, die in einiger Ent-5 fernung voneinander liegen und mit je einer gesonderten Signalklemme verbunden sind. Auch ein derartiges Elektrodensystem erzeugt eine Kombination elektrischer Felder, die abhängig von dem gewählten Kristallschnitt den gewünschten Schwingungsmodus anregen können. So ist es auch einleuch-lo tend, dass in bezug auf die Form und die Anordnung der Leiterbahnen und der zugleich als Abstützung dienenden Signalklemmen viele Abwandlungen möglich sind.

In bezug auf die Form des Körpers sei bemerkt, dass obgleich diese Form im wesentlichen rechteckig sein soll, 15 bestimmte Abweichungen von dieser Rechteckform möglich und gegebenenfalls erwünscht sind. So ist es im allgemeinen schwierig, rechtwinklige Flächen herzustellen, ohne dass Teile des Randes abbröckeln. Da dadurch das Schwingungsmuster gestört werden kann, werden dann meistens die 2o betreffenden Ränder, insbesondere die Ränder zwischen den Hauptflächen 2 und 3 und der Endfläche 4, in einer Nachbearbeitung abgerundet. Weiter ist es möglich, in der Nähe der für die Abstützung bestimmten Endfläche 5 eine Facettierung des Körpers anzuwenden. Insbesondere kann in der Nähe 25 dieser Endfläche der Abstand zwischen den Seitenflächen 6 und 7 allmählich herabgesetzt werden. Damit wird die Asymmetrie des Schwingers, die eine Bedingung für die Erzeugung des gewünschten Schwingungsmodus ist, zusätzlich vergrös-sert.

30 Weiter ist es einleuchtend, dass es wünschenswert ist, die Befestigung des Schwingers derart auszuführen, dass unerwünschte Schwingungsmoden bei dieser Abstützung in der Nähe der Endfläche 5 gedämpft werden. Dadurch wird erreicht, dass alle Schwingungsmoden, die zu den Endflächen 35 symmetrisch sind, völlig gedämpft werden.

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1 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Piezoelektrischer Schwinger, der einen Körper in Form eines im wesentlichen rechteckigen aus einem piezoelektrischen Kristall geschnittenen Blocks enthält, der zwei zueinander parallele Hauptflächen aufweist, die in unmittelbarer Nähe einer der zwei diese Hauptflächen begrenzenden Endflächen mit einem Elektrodensystem versehen sind, während die dieser Endfläche gegenüber liegende Endfläche für die Abstützung des Körpers bestimmt ist, wobei der Körper einen um die X-Achse gedrehten Kristallschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnitt des Körpers derart ist, dass die Hauptflächen zu der Z'-Achse senkrecht und die genannten Endflächen zu der X- oder Y'-Achse senkrecht sind, und dass das Elektrodensystem derart ausgebildet ist, dass in dem Körper ein kombinierter Schwingungsmodus erhalten wird, der aus einer XY'-Dickenschiebeschwingung und einer Dik-kenschwingung in der X- oder Y'-Richtung besteht.
2. 2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Hauptflächen zwei Elektroden enthält, die je einzeln in der unmittelbaren Nähe einer der quer zu den Endflächen liegenden Seitenflächen angeordnet sind.
3. 3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden derart mit zwei Signalklemmen (12,15) verbunden sind, dass beim Anlegen einer Spannung an diese Klemmen zwei einander entgegengesetzte elektrische Felder senkrecht zu den Hauptflächen erzeugt werden.
4. 4. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden derart mit zwei Signalklemmen (12, 15) verbunden sind, dass beim Anlegen einer Spannung an diese Klemmen ein elektrisches Feld erzeugt wird, das im wesentlichen zu den Hauptflächen und den Endflächen parallel ist.
5. 5. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der'Hauptflächen mit zwei Elektroden versehen ist, die einzelnen in der unmittelbaren Nähe einer der zu den Endflächen senkrechten Seitenflächen angeordnet sind, wobei diese zwei Elektroden einzeln mit zwei Signalklemmen verbunden sind, und dass die andere Hauptfläche mit einer gemeinsamen diesen beiden Elektroden gegenüber angeordneten Elektrode versehen ist.
6. 6. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptflächen mit einem ersten und einem zweiten Paar einander gegenüber angeordneter Elektroden versehen sind, wobei diese Paare je in der unmittelbaren Nähe einer der quer zu den Endflächen liegenden Seitenflächen angeordnet sind, während die Hauptflächen weiter mit einem dritten Paar einander gegenüber angeordneten Elektroden versehen sind, die zwischen den Elektroden des ersten und des zweiten Paares liegen, und dass die Elektroden des ersten und des zweiten Paares mit einer ersten Signalklemme und die Elektroden des dritten Paares mit einer zweiten Signalklemme verbunden sind, während der Schnitt des Körpers derart gewählt ist, dass die Endflächen zu der X-Achse senkrecht sind.