DE1244250B - Kristallschwinger in Form einer konvexen, vorzugsweise bikonvexen Linse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03h

Deutsche Kl.: 21a4-10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

A 34401IX d/21 a4
8. April 1960
13. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sieh auf einen Kristallschwinger in Form einer konvexen, vorzugsweise bikonvexen Linse, Zweck der Erfindung ist die Unterdrückung unerwünschter Nebenresonanzen,

Es ist bekannt, daß ein Kristallschwinger in Abhängigkeit von seiner Form meist Resonanzen höherer Ordnung aufweist. Schwingungen höherer Ordnung üben oft einen schädlichen Einfluß auf die gewünschte Schwingungseigenschaft aus.

Als Kristallschwinger in einem Kurzwellenband wird allgemein eine R₁-PIaWe (AT-Schnitt), die eine gute Frequenz-Temperaturcharakteristik hat, verwendet. Diese Art von Kristallplatten weist als Hauptschwingung die Dicken-Scher-Sehwingung auf, deren Frequenz also in erster Linie von der Dicke der Kristallplatte abhängig ist.

Die bisher verwendeten Kristallplatten haben meistens die Form einer rechteckigen oder kreisförmigen Platte. Bei diesen Schwingern treten verschiedene Arten von Nebenschwingußgen in Form von harmonischen Schwingungen und parasitären Randschwingungen auf. Das Bild dieser Schwingungen wird schon durch eine sehr kleine Abweichung der Abmessungen des Schwingers, die im Bereich Bearbeitungstoleranz liegt, erheblich verändert.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Kristallschwingers, bei dem unerwünschte Resonanzfrequenzen möglichst weitgehend unterdrückt werden.

Gemäß der Erfindung ist ein Kristallschwinger in Form einer konvexen, vorzugsweise bikonvexen Linse gekennzeichnet durch Anregung der Dicken-Scher-Randschwingungen zweiter oder dritter Ordnung mit Hilfe von ringförmigen Elektroden, die auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Schwingers aufgebracht sind, wobei die Elektroden im Fall der Anregung von Schwingungen zweiter Ordnung einen äußeren Durchmesser von 0,78 bis 0,83 D (D = Außendurchmesser des Schwingelementes) und einen inneren Durchmesser von 0,15 bis 0,30D und im Fall der Anregung von Schwingungen dritter Ordnung einen äußeren Durchmesser von 0,65 bis 0,75 D und einen inneren Durchmesser von 0,22 bis 0,30 D aufweisen.

Es ist bereits ein piezoelektrischer Schwingungserzeuger bekannt, bei dem zur Erregung höherer Oberschwingungen die Belegungsflächen von auf zwei Seiten des Kristalls angeordneten Elektroden in Richtung der Schwingungsachse des Kristalls periodisch unterbrochen sind und die beiden Elektroden so zueinander angeordnet sind, daß Belegungsflächen und Aussparungen sich gegenüberliegen. Bei diesem bekannten Schwingungserzeuger wird ein platten-Kristallschwinger in Form einer konvexen,
vorzugsweise bikonvexen Linse

Anmelder:

Tokujiro Ando, Tokio

Vertreter:

Dr. E. Wiegand und Bipl.-Ing. W. Niemann,

Patentanwälte, Hamburg 50, Königstr. 28

Als Erfinder benannt:
Toshio Shinada,
Akira Ohnuki, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 9. April 1959 (11186)

förmiger Kristall benutzt, und die Elektroden sind insbesondere solche, die im Längsschnitt die Form eines Kammes oder Stabgitters haben.

Weiter ist es bei plattenförmigen Quarzschwingern bekannt, alle geraden harmonischen Oberschwingungen dadurch zu unterdrücken, daß die Elektroden symmetrisch zu der Knotenlinie angeordnet werden. Es ist ferner bekannt, durch besonders geformte oder bemessene Elektroden bei plattenförmigen Schwingern eine oder mehrere der ungeraden harmonischen Oberschwingungen mit Ausnahme der Hauptresonanzschwingung zu unterdrücken.

Im Gegensatz zu diesen bekannten plattenförmigen Schwingungserzeugern, bei denen bestimmte Oberschwingungen erregt werden, handelt es sich bei der Erfindung darum, in einem linsenförmigen Kristallschwinger auf Grund einer besonderen Elektrodenanordnung und -ausbildung Dicken-Scher-Randschwingungen der zweiten oder dritten Ordnung anzuregen. Die Art dieser Sekundärschwingungen weicht von einfachen Oberschwingungen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundschwingung darstellen, grundsätzlich ab.

Durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Ausbildung eines Kristallschwingers in Form einer konvexen Linse ist unter anderem der Vorteil erzielt, daß sowohl gegenüber bekannten Kristallschwingem dieser Art als auch gegenüber bekannten

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Kristallschwingern in Form einer ebenen Platte der einem Erregerhochfrequenzoszillator 1 über ein FiI-

Gütefaktor beträchtlich erhöht ist. ter 2 angelegt wird. Teil 6 ist ein Rahmen zur Be-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der festigung eines Kristallschwingers K, welcher nur

Zeichnung beispielsweise näher erläutert. einen sehr geringen Abstand 7 von der Oberfläche

Abb. 1 ist eine Ansicht des Kristallschwingers, 5 der unteren Elektrode aufweist,

der bei der Erfindung zur Anwendung gelangt; Der Rahmen 6 wird durch Arme 8 gehalten, die

A b b. 2 ist eine Seitenansicht des Kristallschwin- ihrerseits um ihre mittlere Achse 9 drehbar sind, um

gers von Abb. 1; den Kristallschwinger entlang der konkaven Ober-

Abb. 3 und 4 stellen Diagramme von Resonanz- fläche der Grundelektrode 3 zu verschieben, während

frequenzspektren dar, die bei einem Kristallschwin- io der Schwinger erregt wird. In der Mitte der unteren

ger mit völlig festhaftenden Elektroden erhalten wor- Elektrode 3 ist eine Bohrung mit einem Durchmesser

den sind; von etwa 0,2 bis 0,4 mm, in welcher ein dünner

Abb. 5 veranschaulicht die Oberflächenladungs- Kupferdraht 10 koaxial gehalten und von der Elek-

verteilung, welche einer Grunddickenschwingung zu- trode durch einen Isolator 11 isoliert wird, wobei ein

geordnet ist; 15 Ende des Kupferdrahtes mit einem Widerstand 12

Abb. 6 und 7 veranschaulichen die Oberflächen- verbunden ist. An diesem Widerstand 12 wird eine ladungsverteilungen, die mit den Dicken-Seher- Spannung erzeugt, die direkt proportional der Ober-Randschwingungen zweiter und dritter Ordnung ver- flächenladungsdichte auf den Schwingkristalloberbunden sind, welche vorwiegend durch die Elek- flächen ist. Diese Spannung wird durch einen trodenanordnung gemäß der Erfindung erregt werden; 20 HF-Verstärker 13 verstärkt und durch ein Aufzeich-

Abb. 8 zeigt eine Elektrodenanordnung gemäß nungsgerät 14 angezeigt,

der Erfindung; Die Ergebnisse, die beim Messen der Oberflächen-

Abb. 9 stellt einen Längsschnitt des Aufbaues ladungsmuster auf diese Weise erhalten werden,

gemäß Ab b. 8 dar; wenn der Schwingkristall nach A b b. 1 entsprechend

Abb. 10 veranschaulicht das Frequenzspektrum 25 den Ab b. 3 und 4 in Schwingung ist, sind in Abb. 5 der Dicken-Rand-Scherschwingungen höherer Ord- gezeigt, in welcher Kurve I χ im rechten Teil und nung, welche vorwiegend in einem Kristallschwinger Kurve Iz im linken unteren Teil die Oberflächengemäß der Erfindung erregt werden, und ladungsverteilung des Meßgeräts 14 in Abb. 11 ent-

A bb. 11 ist eine schematische Ansicht einer Meß- lang der X- bzw. Z'-Achse bei Schwingungen der

anordnung, die zur Messung der Oberflächen- 30 Art I aufzeigen. Überdies zeigt sich beim Wieder-

ladungsverteilung des Kristallschwingers mit kon- holen der Messung in verschiedenen Richtungen,

vexer Linsenkonfiguration verwendet wird. die anders als die X- und Z'-Richtung sind, daß ein

In den A b b. 1 und 2 der Zeichnungen ist ein Oberflächenladungsmuster I, wie es in dem linken

Kristallschwinger von konvexer Linsenkonfiguration oberen Teil der Abbildung gezeigt wird, vorliegt,

mit entgegengesetzten konvexen Oberflächen dar- 35 In ähnlicher Weise ergeben die Schwingungen der

gestellt. Obwohl eine theoretische Analyse der- Art II gemäß den A b b. 3 und 4 die Ladungsvertei-

artiger Kristallschwinger schwierig ist, ist experimen- lung, wie sie Kurve II χ entlang der X-Richtung und

teil gefunden worden, daß nur solche Schwingungen Kurve Uz entlang der Z'-Richtung in Abb. 6 zeigen,

höherer Ordnung der möglichen Schwingungen vor- und es wird dabei das Oberflächenladungsmuster II

herrschend auftreten können, welche in naher Be- 40 erhalten. Die Oberflächenladungsverteilung der

ziehung zu den Radien der Oberflächenkrümmung Schwingungen nach Art III gemäß den A b b. 3 und 4

sowie zur Dicke, welche die Hauptschwingung be- durch III bzw. HIx und IIIζ in Abb. 7 dargestellt,

stimmt, stehen. Dies leitet sich wahrscheinlich von Die Schwingung, wie sie in Abb. 5 gezeigt wird,

den vereinfachten Begrenzungsbedingungen des ist die allgemeinste Art der Dicken-Scher-Schwin-

Schwingkristalls ab. 45 gung, während die in den A b b. 6 und 7 dargestell-

Die Abb. 3 und 4 erläutern Beispiele experimen- ten Dicken-Scher-Randschwingungen höherer Ord-

teller Daten, die bei 950 bzw. 5000 kHz in Form nung sind. Hierbei handelt es sich um stark aus-

eines Frequenzspektrums aufgenommen wurden, wo- geprägte Resonanzeffekte, die zur Verwendung in

bei die Frequenz als Abszisse und die erregende Oszillatoren und für Filterzwecke geeignet sind, da

Spannung als Ordinate aufgetragen wurden, und die 50 das Verhältnis der piezoelektrischen Äquivalenz-

man erhält, wenn die Elektroden jeweils die gesamte kapazität zur elektrostatischen Kapazität niedrig ist.

Oberfläche des Kristallschwingers bedecken. Zum Vergleich sei erwähnt, daß im Fall einer ebenen

Die Arten der Hauptschwingungen und der kreisförmigen R₁-PIaWe (AT-Schnitt) das Kapazitäts-Schwingungen höherer Ordnung können durch Mes- verhältnis etwa V200 beträgt, während das der Hauptsung der Oberflächenladungsdichte am Kristall- 55 schwingung in einem linsenförmigen Kristallschwinschwingerresonator, basierend auf der Theorie des ger experimentell zu l,4/10³ bis l,35/10³ und das piezoelektrischen Effekts, bestimmt werden, wonach der Dicken-Scher-Randschwingungen höherer Orddie Oberflächenladungsdichte direkt proportional nung zu 6,7/10⁴ bis 9,2/10⁴ ermittelt wurde,
einer elastischen Veränderung an der Kristall- Wie aus den Ladungsmustern der Abb. 6 und 7 platte ist. 60 zu vermuten ist, können ringförmige Elektroden, wie

Solche Messungen der Ladungsdichte der Schwing- sie in den Abb. 8 und 9 dargestellt sind, die koaxial oberfläche können durch eine Meßanordnung, wie an die beiden konvexen Oberflächen des Schwingsie schematisch in Abb. 11 dargestellt ist, ausgeführt kristalls angelegt sind, eine Bevorzugung der Resowerden. Dabei wird ein Schwinger K einer zu mes- nanzen der Schwingungen der Art II bzw. III (Abb. 3) senden konvexen Linse zur Schwingung mit Hilfe 65 bewirken. Bei Verwendung von Elektroden solcher einer Erregerhochfrequenz erregt, die zwischen einer Art wirkt sich die Grundschwingung in der elektrientsprechend konkaven oberen Elektrode 5 und sehen Schaltung sehr viel geringer aus, da die Obereiner ebenfalls konkaven Grundelektrode 3 von flächenladung bei dieser Schwingung im wesentlichen

Claims (2)

innerhalb der ringförmigen Elektroden liegt. Andererseits liegen die Oberflächenladungen bei Schwingungen, die von höherer als der dritten Ordnung der Dicken-Scher-Randschwingungen sind, im wesentlichen außerhalb des Bereichs der ringförmigen Elektroden. Der ringförmige Elektrodenteil 20 in A b b. 8 kann in bekannter Weise durch Aufdampfen oder Aufstäuben auf die Oberfläche des Kristalls K aufgebracht werden. Die Größe des äußeren und des inneren Durchmessers D1 und D2 gemäß A b b. 8 sollen natürlich der gewünschten Schwingungsform möglichst weitgehend angepaßt sein. Das ist bei Schwingungen der Art II der Fall, wenn der äußere DUrChDIeSSCrD1 gleich 0,78 bis 0,83 D (D = äußerer Durchmesser des Kristalls) und der innere Durchmesser D2 gleich 0,15 bis 0,30D ist, und im Fall von Schwingungen der Art III, wenn D1 gleich 0,65 bis 0,75 D und D2 gleich 0,22 bis 0,30 D ist. •Die Bleibelegungen 21 und 23, die mit den ringförmigen Elektroden 20 bzw. 22 verbunden sind und im wesentlichen an gegenüberliegenden Stellen liegen, sind für die elektrischen Anschlüsse bestimmt. Bei Wahl einer solchen Anordnung ist in an sich bekannter Weise die Halterung dieser Art von Kristallschwingern an diametral gegenüberliegenden Kantenteilen erleichtert, und die Haltearme können auch als elektrische Anschlüsse dienen. A b b. 10 zeigt die Beziehung zwischen Anregungsfrequenz und angeregter Spannung bei einer Ausfüh- rungsf orm der Erfindung, bei der die Durchmesser D1 und D2 0,80 D und 0,20 D betragen. Patentansprüche:

1. Kristallschwinger in Form einer konvexen, vorzugsweise bikonvexen Linse, gekennzeichnet durch Anregung der Dicken-Scher-Randschwingungen zweiter oder dritter Ordnung mit Hilfe von ringförmigen Elektroden, die auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Schwingers aufgebracht sind, wobei die Elektroden im Fall der Anregung von Schwingungen zweiter Ordnung einen äußeren Durchmesser von 0,78 bis 0,83 D (D = Außendurchmesser des Schwingelements) und einen inneren Durchmesser von 0,15 bis 0,30 D und im Fall der Anregung von Schwingungen dritter Ordnung einen äußeren Durchmesser von 0,65 bis 0,75 D und einen inneren Durchmesser von 0,22 bis 0,30 D aufweisen.

2. Kristallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmigen Elektroden an diametral gegenüberliegenden Stellen seitlich mit Bleibelegungen verbunden sind, die als elektrische Anschlüsse dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 494716;
»Proceedings of the I. R. Ε.«, 9/1951, S. 1086.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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