DE2209101A1 - Crystal rod for an oscillator and oscillator with such a crystal rod - Google Patents
Crystal rod for an oscillator and oscillator with such a crystal rodInfo
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Description
COMPAGKIS d1ELECTRONIQUE et de
PIEZO-ELECTRICITE - C.E.P.E.COMPAGKIS d 1 ELECTRONIQUE et de
PIEZO-ELECTRICITE - CEPE
101, Rue du President-Roosevelt
Sartrouville/Frankreicli 101, rue du President-Roosevelt
Sartrouville / France
Unser Zeichen: C 2877Our reference: C 2877
Kristallstab für einen Oszillator und Oszillator mit einem solchen KristallstabCrystal rod for an oscillator and oscillator with such a crystal rod
Die Erfindung bezieht sich auf Schwingkristalle für Zeitgeber, deren Schwingungen gewöhnlich elektrisch durch den piezoelektrischen Effekt mit Hilfe von geeignet angebrachten Elektroden aufrechterhalten werden, und die in den meisten Fällen durch einen Quarzkristall gebildet sind, der in bestimmten Richtungen geschnitten ist, die mit seinem Kristallgitter verknüpft sind.The invention relates to oscillating crystals for timers, the oscillations of which are usually electrical by the piezoelectric effect with the help of suitable attached electrodes are maintained, and in most cases by a quartz crystal are formed, which is cut in certain directions associated with its crystal lattice.
Im Fall von niedrigen Frequenzen, die beispielsweise zwischen einigen Kilohertz und einigen 10 Megahertz liegen, haben die verwendeten Quarzelemente die Form von länglichen Stäben, deren Querschnitt einem Quadrat angenähert ist, und die mit Elektroden von solcher Form und Anordnung versehen sind, daß dieIn the case of low frequencies, for example between a few kilohertz and a few tens of megahertz lie, the quartz elements used have the shape of elongated rods, the cross-section of which is a Square is approximated, and which are provided with electrodes of such a shape and arrangement that the
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erhaltenen Schwingungen in einer Biegebewegung des ganzen Stabs erfolgen.The vibrations obtained take place in a bending movement of the entire rod.
Wegen der Notwendigkeit, den schwingenden Quarz in Halterungen zu befestigen, üblicherweise durch • Lötstellen, entsteht jedoch eine beträchtliche Schwierigkeit, nämlich die Übertragung von mechanischer Energie von dem Quarz auf diese Halterungen oder Aufhängevorrichtungen, wodurch die Betriebseigenschaften, die der Quarz für sich allein hat, verändert werden; diese Änderungen entwickeln sich im Laufe der Zeit infolge der Alterung der Lötstellen weiter.Because of the need to fix the oscillating quartz in brackets, usually by • Solder joints, however, a considerable difficulty arises, namely the transfer of mechanical energy from the quartz to these supports or suspension devices, thereby altering the operating properties that the quartz has on its own; these Changes develop over time as the solder joints age.
Diese Erscheinungen werden dadurch herabgesetzt, daß als Befestigungspunkte für die Aufhängungsglieder am Quarz besondere Punkte gewählt werden, an denen die Amplitude der Schwingung als minimal erachtet wird. Nach dem Stand der Technik werden diese Punkte auf den Längsachsen der Befestigungsflächen in bestimmten Abständen von den Enden gewählt, die bei der angewendeten Biegeschwingungsart gleich dem O,224-fachen der Länge des Stabes gewählt sind.These phenomena are reduced by acting as attachment points for the suspension links special points can be selected on the quartz at which the amplitude of the oscillation is considered to be minimal. According to the prior art, these points are determined on the longitudinal axes of the fastening surfaces Distances chosen from the ends which, for the type of bending vibration used, are 0.224 times greater the length of the rod are chosen.
Diese übliche Wahl ergibt sich jedoch aus Berechnungen, die für den Fall von homogenen schwingenden Stäben durchgeführt worden sind, ohne daß der orientierte und anisotrope Charakter der in Wirklichkeit verwendeten piezoelektrischen Kristalle und insbesondere die durch die Biegung erzeugten asymmetrischen Scherkräfte berücksichtigt werden. Dies hat übermässig grosse Wechselkräfte in den Zonen der für die Befestigung der Stäbe dienenden Lötstellen mit einer zeitlichen Änderung ihrer Eigenschaften und eine nicht vernachlässigbareHowever, this usual choice results from calculations made for the case of homogeneous vibrating rods have been carried out without the oriented and anisotropic character of those actually used piezoelectric crystals and in particular the asymmetrical shear forces generated by the bending are taken into account will. This has excessively large alternating forces in the zones for fastening the rods Serving solder joints with a temporal change in their properties and a non-negligible
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Änderung der abgegebenen Frequenz zur Folge.Result in a change in the output frequency.
In der Patentanmeldung P 22 07 696.6 "Befestigungsvorrichtung für einen Schwingkristall" der gleichen Anmelderin vom 18. Februar 1972 ist eine neuartige Ausführungsform der Befestigung eines Kristallstabes beschrieben, bei welcher die Lagen jedes Paares von Befestigungspunkten für die Aufhängungselemente auf den beiden entsprechenden Befestigungsflächen in Abständen von den Enden gewählt sind, die grosser bzw. kleiner als der angegebene Wert des 0,224-fachen der Länge des Stabes sind, und die ferner an Punkten liegen, die ausserhalb der Längssymmetrieachsen der Befestigungsflächen liegen. In the patent application P 22 07 696.6 "Fastening device for a vibrating crystal" by the same applicant from February 18, 1972 a novel embodiment of the attachment of a crystal rod is described, in which the layers of each pair of attachment points for the suspension elements on the two corresponding fastening surfaces are selected at distances from the ends that are larger or smaller than the stated value are 0.224 times the length of the rod, and which are further at points which lie outside the longitudinal axes of symmetry of the mounting surfaces.
Die mit solchen Befestigungen ausgestatteten Stäbe haben verbesserte Betriebseigenschaften im Vergleich zu den Stäben bekannter Art gezeigt.The bars equipped with such fastenings have improved operating characteristics compared to the Rods of known type shown.
Wenn jedoch die Stäbe sehr kleine Abmessungen haben, wurde festgestellt, daß der restliche Einfluß der Befestigungsvorrichtungen eine übermässig grosse Bedeutung annahm, und eine gründlichere Untersuchung hat ergeben, daß wenigstens ein Teil hiervon der Tatsache zuzuschreiben ist, daß der äussere Umriß der verwendeten Stäbe ohne Bezugnahme auf den anisotropen Charakter des verwendeten Materials ausgebildet ist.However, when the bars are very small, it has been found that the residual influence of the Fixing devices assumed undue importance, and a more thorough investigation has shown that at least part of this is due to the fact that the outer outline of the rods used is designed without reference to the anisotropic character of the material used.
Das Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieser bereits zuvor beschriebenen Nachteile des Einflusses der Befestigungen des Quarzes durch Schaffung einer veränderten Form der Quarzstäbe, die unter Berücksichtigung der Anisotropie ihres Materials ausgebildet ist.The aim of the invention is to avoid these previously described disadvantages of influence the fixings of the quartz by creating a modified shape of the quartz rods, taking into account the anisotropy of their material is formed.
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Nach der Erfindung ist ein quaderförmiger Kristallstab, der mechanische Schwingungen in einer Biegeschwingungsform in einer Ebene ausführen kann, mit zwei Paaren von Flächen, die zu seiner Längssymmetrieachse parallel sind, wobei das erste Flächenpaar senkrecht zu der Biegeschwingungsebene und das zweite Flächenpaar parallel dazu 1ίβ££η und mit einem Paar Stirnflächen, deren Umriß durch Gerade gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die im ersten Flächenpaar liegenden Umrißgeraden der Stirnflächen mit einer senkrecht zu dem zweiten Flächenpaar stehenden Geraden einen Winkel zwischen O0 und 60° einschliessen.According to the invention, a cuboid crystal rod that can perform mechanical vibrations in a bending mode in a plane, with two pairs of surfaces that are parallel to its longitudinal axis of symmetry, the first pair of surfaces perpendicular to the bending vibration plane and the second pair of surfaces parallel to it η and with a pair of end faces, the contour of which is formed by straight lines, characterized in that the contour lines of the end faces lying in the first pair of faces enclose an angle between 0 ° and 60 ° with a straight line perpendicular to the second pair of faces.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing. Show in it:
Fig. 1 einen nach dem Stand der Technik ausgeführten Kristallstab,1 shows a crystal rod made according to the prior art,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Kristallstabes nach der Erfindung undFig. 2 shows a first embodiment of a crystal rod according to the invention and
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Kristallstabes nach der Erfindung.3 shows a second embodiment of a crystal rod according to the invention.
Fig". 1 zeigt einen in einem teilweise dargestellten Träger befestigten Quarzstab, der in einer BiegeSchwingungsform schwingen kann und nach dem Stand der Technik ausgebildet ist.Fig. 1 shows a carrier partially shown attached quartz rod, which is in a bending waveform can vibrate and is designed according to the state of the art.
Der Quarzstab ist in Form eines Quaders aus einem Kristallquarz geschnitten, wobei die Kanten des Quaders in besonderen Richtungen liegen, die mit dem Kristallgitter so verknüpft sind, daß die der beabsichtigten Anwendung entsprechenden Schwingungseigenschaften erhalten werden.The quartz rod is cut in the shape of a cuboid from a crystal quartz, with the edges of the cuboid in special Directions that are related to the crystal lattice so that those of the intended application corresponding vibration properties can be obtained.
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Wenn die kristallografische Achse X die elektrische Achse, die kristallografische Achse Y die mechanische Achse und die kristallografische Achse Z die optische Achse des Kristalls sind, ist es ferner bekannt, einen Quarzstab so zu schneiden, daß seine Kantenrichtungen .parallel zu Achsen X, Y' und Z' liegen, wobei die Achsen Y und Y1 sowie die Achsen Z und Z1 in einem Winkel© zueinander stehen, der üblicherweise einen Wert in der Nähe von 5° hat, gezählt in der trigonometrischen Richtung. Diese Schnittform erteilt dem Stab eine minimale Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Der Stab ist mit Befestigungsvorrichtungen 4 und 5 versehen, wobei die Lage der Befestigungspunkte auf den Befestigungsflachen, beispielsweise der Fläche 10, entsprechend den Angaben in der Patentanmeldung P 22 07 696.6 "Befestigungsvorrichtung für einen Schwingkristall" der gleichen Anmelderin vom 18. Februar 1972 gewählt sind, nämlich an den Schnittpunkten dieser Flächen mit einer besonderen Geraden D, die durch einen Punkt M auf der Längssyminetrieachse des Stabs geht. Dieser Punkt liegt von dem am nächsten liegenden Ende des Stabes in einem Abstand, der zwischen dem 0,2-fachen und dem 0,224-fachen der grössten Abmessung des Stabes enthalten ist.If the crystallographic axis X is the electrical axis, the crystallographic axis Y is the mechanical axis and the crystallographic axis Z is the optical axis of the crystal, it is also known to cut a quartz rod so that its edge directions 'parallel to axes X, Y' and Z 'lie, the axes Y and Y 1 and the axes Z and Z 1 being at an angle to one another, which usually has a value in the vicinity of 5 °, counted in the trigonometric direction. This sectional shape gives the rod a minimal temperature dependence of the frequency. The rod is provided with fastening devices 4 and 5, the position of the fastening points on the fastening surfaces, for example surface 10, according to the information in patent application P 22 07 696.6 "Fastening device for a vibrating crystal" by the same applicant from February 18, 1972 , namely at the intersection of these surfaces with a special straight line D, which goes through a point M on the longitudinal axis of symmetry of the rod. This point lies from the nearest end of the rod at a distance which is comprised between 0.2 times and 0.224 times the largest dimension of the rod.
Die Gerade D ist andererseits in einer Ebene P enthalten, die senkrecht zu den Beiestigungsflächen steht und den Punkt M enthält; die Schnittlinien mit diesen Flächen können als Linien kleinster Schwingung angesehen werden, auf denen die Stellen der Befestigungspunkte der Befestigungsvorrichtung des Quarzes frei gewählt werden können.The straight line D, on the other hand, is contained in a plane P which is perpendicular to the attachment surfaces stands and contains the point M; the lines of intersection with these surfaces can be seen as lines of the smallest oscillation be viewed, on which the points of attachment points of the attachment device of the quartz are free can be chosen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des °chwingstabs nach der Erfindung.Fig. 2 shows a first embodiment of the swing rod according to the invention.
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In dieser Figur ist in gestrichelten Linien, beispielsweise den Linien 8, der quaderförmige Umriß eines Quarzstabs bekannter Art dargestellt, der mit Befestigungsvorrichtungen 4 und 5 versehen ist, die mit einem nicht dargestellten Träger 1 verbunden sind. Die Stirnflächen 6 und 7 des Stabes unterscheiden sich jedoch von denjenigen des bekannten Stabes dadurch, daß sie nicht mehr senkrecht zu der Richtung des LängsSymmetrieachse des Stabes stehen, sondern einen gegebenen Winkel Y mit der senkrechten Ebene einschliessen, die den üblichen Stirnflächen, beispielsweise der Stirnfläche 9 entspricht.In this figure, in dashed lines, for example the lines 8, the cuboid outline of a quartz rod shown known type, which is provided with fastening devices 4 and 5 with a not shown carrier 1 are connected. The end faces 6 and 7 of the rod, however, differ from those of the known rod in that it is no longer perpendicular to the direction of the longitudinal axis of symmetry of the rod, but enclose a given angle Y with the vertical plane, which is the usual End faces, for example the end face 9 corresponds.
Dieser Winkel, dessen Wert zwischen O0 und 45° liegt, hängt von dem Verhältnis der Dicke t zu der Breite V/ des Stabes ab und wird in der "umgekehrten" Richtung, d.h. im Uhrzeigersinn gezählt.This angle, the value of which is between 0 and 45 °, depends on the ratio of the thickness t to the width V / of the rod and is counted in the "reverse" direction, ie clockwise.
Die Bemessung dieses Winkels erfolgt auf Grund von theoretischen Überlegungen, die durch praktische Erprobungen kontrolliert worden sind, wobei man sich auf Überlegungen stützt, die denjenigen analog sind, die zu der Wahl der neuen, verschobenen Stellen der Befestigungspunkte geführt haben; dies kann die Tatsache erklären, daß einerseits die Winkela, die sich auf die die Punktepaare verbindenden Geraden beziehen, und andererseits die WinkelY, die sich auf die Stirnflächen beziehen, den gleichen Sinn haben.The dimensioning of this angle is based on theoretical considerations, which are followed by practical Trials have been controlled based on considerations analogous to those which led to the choice of the new, relocated locations of the attachment points; this may be the fact declare that on the one hand the angles a, which relate to the straight lines connecting the pairs of points, and on the other hand the angles Y, which are applied to the end faces relate to have the same meaning.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines schwingenden Kristallstabs nach der Erfindung. Er weist die gleichen allgemeinen geometrischen Eigenschaften wie derjenige von Fig. 2 auf, doch ist den Stirnflächen zusätzlich eine Drehung um einen Winkels um die Achse .Z'Fig. 3 shows a second embodiment of a vibrating crystal rod according to the invention. He knows the the same general geometrical properties as that of FIG. 2, but the end faces an additional rotation by an angle around the axis .Z '
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erteilt worden.granted.
Dieser Winkel, dessen Wert zwischen 0° und 60° enthalten ist, wird in einer zu der XY1-Ebene parallelen Ebene in der "umgekehrten" Richtung, also im Uhrzeigersinn gezählt.This angle, the value of which is between 0 ° and 60 °, is counted in a plane parallel to the XY 1 plane in the "reverse" direction, that is to say clockwise.
Es läßt sich zeigen, daß dieser Winkel nach Größe und Richtung in dem Quarz die Richtungen der Stirnflächen und diejenigen der bereits angegebenen Linien kleinster Schwingung des Quarzes einander anzunähern sucht, so daß auf der ganzen Außenfläche die "Grenzbedingungen" erfüllt werden, die eine gegebene Schwingungsform in einem anisotropen Medium kennzeichnen.It can be shown that the size and direction of this angle in the quartz correspond to the directions of the end faces and seeks to bring those of the lines of smallest oscillation of quartz already given closer to one another, so that on the entire outer surface the "boundary conditions" are met, which a given waveform in an anisotropic medium.
Beispielsweise hat ein Quarzstab nach der Erfindung mit einer Länge von 47 mm, einer Dicke von 2,4 mm und einer Breite von 1,6 mm, dessen Stirnflächen einen Winkely von 11° und einen Winkel6 von 40° aufwiesen, einen zeitlichen Alterungsgrad gezeigt, der viermal kleiner als bei einem nach dem Stand der Technik geschnittenen Kristallstab war. For example, a quartz rod according to the invention with a length of 47 mm, a thickness of 2.4 mm and a width of 1.6 mm, the end faces of which had an angle of 11 ° and an angle6 of 40 °, showed a degree of aging with time that was four times smaller than that of a crystal rod cut according to the prior art.
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