DE2410010A1

DE2410010A1 - BENDING VIBRATOR MADE OF SINGLE CRYSTAL LITHIUM TANTALATE

Info

Publication number: DE2410010A1
Application number: DE19742410010
Authority: DE
Inventors: Kunimoti Itoh; Shegeyuki Miyazaki; Morio Onoe; Toshio Shinada
Original assignee: KINSEKISHA LAB Ltd
Current assignee: KINSEKISHA LAB Ltd
Priority date: 1973-03-05
Filing date: 1974-03-02
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS49115492A

Description

Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat. Flexural transducer made of single crystal lithium tantalate.

Die Erfindung betrifft Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat, wobei unter dem Begriff "Biegeschwinger" auch"Stimmgabeloszillatoren" zu verstehen sind.The invention relates to flexural transducers made of single crystal lithium tantalate, whereby the term “flexural oscillator” also includes “tuning fork oscillators” are.

Im allgemeinen haben Lithiumtantalat-Elemente Resonanzfrequenzen mit einer gegenüber Schwingquarzen weniger günstigen Temperaturemfpindlichkeit, wobei sich Schwierigkeiten bei der Erzielung eines korrekten Temperaturausgleiches ergeben.In general, lithium tantalate elements have resonance frequencies with a temperature sensitivity which is less favorable compared to quartz crystals, whereby difficulties arise in achieving a correct temperature compensation.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat in der Weise auszubilden, daß dieser Nachteil ausgeschaltet wird.The invention has set itself the task of a flexural oscillator from single crystal lithium tantalate in such a way that this disadvantage is eliminated will.

Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiurntantalat durch eine Biegeschwingungsebene in der x-y'-Ebene und einen zyw (e)-Schnitt mit e als Schnittwinkel zwischen 20 und 600 sowie durch einen Null-Temperaturkoeffizienten der Resonanzgrequenz innerhalb eines Temperaturbereiches von -20°C bis +80qC.A flexural oscillator according to the invention made of single crystal lithium tantalate is identified by a bending vibration plane in the x-y 'plane and a zyw (e) section with e as a cutting angle between 20 and 600 as well as a zero temperature coefficient the resonance frequency within a temperature range of -20 ° C to + 80qC.

Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen: Figur 1 einen entgegen dem Uhrzeigersinn um e0 verdrehten Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat; Figur 2 eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Biegeschwinger mit geteilten Elektroden; Figur 5 in einer Graphik die Beziehung zwischen dem Schnittwinkel und dem zugehörigen Temperaturkoeffizienten, berechnet aufgrund des Elastizitätsmoduls und seines Temperaturkoeffizienten, des linearen Dehnungskoeffizienten und des räumlichen Ausdehnungskoeffizienten; und Figur 4 in einer Graphik die Temperaturempfindlichkeit der Resonanzfrequenz.A more detailed explanation of the invention emerges from the following Description based on the accompanying drawings; it shows: Figure 1 one opposite flexural oscillator made of single crystal lithium tantalate rotated clockwise by e0; FIG. 2 is a perspective top view of a flexural oscillator according to the invention with split electrodes; Figure 5 is a graph showing the relationship between the cutting angle and the associated temperature coefficient, calculated on the basis of the modulus of elasticity and its temperature coefficient, the coefficient of linear expansion and the spatial Expansion coefficient; and FIG. 4 shows the temperature sensitivity in a graph the resonance frequency.

Figur 1 zeigt den zyw (e)-Schnitt (zyw(e)-cutl entnommen den IRE-Standards) in einem Biegeschwinger 1 aus Einkristall-Lithiumtantalat, der von der y-Achse entgegen dem Uhrzeigersinn um e verdreht ist, während Figur 2 einen BiegeschwSnger 2 aus dem vorgenannten Kristall zeigt, der mit in der z'-Ebene geteilten Elektroden 5 bestückt ist.Figure 1 shows the zyw (e) cut (zyw (e) cutl taken from the IRE standards) in a flexural oscillator 1 made of single crystal lithium tantalate, opposite to that of the y-axis is rotated clockwise by e, while FIG. 2 shows a flexural oscillator 2 shows the aforementioned crystal, with electrodes 5 divided in the z'-plane is equipped.

Im allgemeinen ergibt sich die- Grund-Resonanzfrequenz eines Biegeschwingers mit rechteckigem Querschnitt aus nachstehender Formel (1) bei einem ausreichend hohen Wert für l/w, wobei 1 die Länge des Biegeschwingers bedeutet und w die Abmessung einer zur Ebene der Biegeschwingung parallelen Seite: Hierin sind: E = Young'scher Modul p = Dichte m = 4,73* Es ist bekannt, daß ein Lithiumtantalat-Einkristall der Spitzengruppe 5 m mit einem zyw(e)-schnitt gemäß Figur 1 mit einer piezoelektrischen Konstante d'52 elektrisch erregt werden kann, um in Biegeschwingungen parallel zur x-y'-Ebene versetzt zu werden, indem in der z'-Ebene geteilte Elektroden gemäß Figur 2 vorgesehen und quer zu den Elektrodenpaaren elektrische Felder gegenseitig entgegengesetzter Phase angelegt werden. Die Resonanzfrequenz eines derartigen Biegeschwingers aus Einkristall-Lithiumtantalat läßt sich durch Substitution nachstehender Gleichung (2) in obige Gleichung (1) bestimmen: 1 E = S11E . cos4# + (2 . S 44E) . sin²# . cos ²# - 2 . S14E . cos³# . sin# + S33E . sin4# ....... (2) Der Temperaturkoeffizient Tf der Resonanzfrequenz ergibt sich aus Gleichung ()) df dw dl dE .....(3) Tf = 1/f = 1/w - 2/l + 1/2 ß + 1/2 1/E ..... (3) dT dT dT dT wobei: ß = räumlicher Ausdehnungskoeffizient, dl dw 1/l = α11.cos²# + α33 . sin²#, 1/w = α11, und dT dT α11 sowie α33 = lineare Ausdehnungskoeffizienten.In general, the basic resonance frequency of a flexural oscillator with a rectangular cross section results from the following formula (1) with a sufficiently high value for l / w, where 1 means the length of the flexural oscillator and w the dimension of a side parallel to the plane of the flexural oscillation: Here are: E = Young's modulus p = density m = 4.73 * It is known that a lithium tantalate single crystal of the tip group 5 m with a zyw (e) cut according to FIG. 1 can be electrically excited with a piezoelectric constant d'52 in order to be set in flexural vibrations parallel to the x-y 'plane by providing electrodes divided in the z' plane according to FIG. 2 and applying electrical fields of mutually opposite phase transversely to the electrode pairs. The resonance frequency of such a flexural oscillator made of single crystal lithium tantalate can be determined by substituting the following equation (2) in the above equation (1): 1 E = S11E. cos4 # + (2nd S 44E). sin² #. cos ² # - 2. S14E. cos³ #. sin # + S33E. sin4 # ....... (2) The temperature coefficient Tf of the resonance frequency results from equation ()) df dw dl dE ..... (3) Tf = 1 / f = 1 / w - 2 / l + 1/2 ß + 1/2 1 / E ..... (3) dT dT dT dT where: ß = spatial expansion coefficient, dl dw 1 / l = α11.cos² # + α33. sin² #, 1 / w = α11, and dT dT α11 and α33 = linear expansion coefficients.

Bei Berechnung des Wertes der Gleichung (3) für einen Bereich von # zwischen -90° und +90° unter Einsatz spezifischer Werte für die Federung (compliance) bei 25°C, den Temperaturkoeffizienten der Federung sowie den linearen und den räumlichen Ausdehnungskoeffizienten stellt sich heraus, daß es zwei Schnitte neben e = 300 und 500 gibt, welche einen Temperaturkoeffizienten von Null liefern.When calculating the value of equation (3) for a range of # between -90 ° and + 90 ° using specific values for the suspension (compliance) at 25 ° C, the temperature coefficient of the suspension as well as the linear and spatial Expansion coefficient it turns out that there are two cuts besides e = 300 and 500, which one Provide temperature coefficients of zero.

Aus vorstehender Gleichung zeigt sich, daß ein Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat einen Temperaturkoeffizienten NULL innerhalb eines Temperaturbereiches von 200C bis +8000 haben kann, wenn seine Biegeschwingungsebene in der x-y'-Ebene liegt und sein Schnittwinkel im Bereich von 200 bis 600 für einen zyw(e)-Schnitt.The above equation shows that a flexural oscillator consists of Single crystal lithium tantalate has a zero temperature coefficient within a temperature range can have from 200C to +8000 if its plane of bending vibration is in the x-y 'plane and its cutting angle is in the range from 200 to 600 for a zyw (e) cut.

Figur 4 zeigt in einer Graphik die Temperaturempfindlichkeit der Resonanzfrequenz bei mehreren Biegeschwingern.FIG. 4 shows a graph of the temperature sensitivity of the resonance frequency with several flexural transducers.

Dabei zeigt insbesondere Kurve 5, daß ein zyw(300)-Schnitt von 16,8 KHz einen Temperaturkoeffizienten NULL bei 200C, Kurve 6, daß ein zyw(30°)-Schnitt von 28,) KHz einen temperaturkoeffizienten NULL bei 300C und Kurve 7, daß ein zyw(500) Schnitt von )0,4 KHz einen Temperaturkoeffizienten NULL bei 280C ergibt.Curve 5 in particular shows that a zyw (300) cut of 16.8 KHz a temperature coefficient ZERO at 200C, curve 6 that a zyw (30 °) cut of 28,) KHz a temperature coefficient ZERO at 300C and curve 7 that a zyw (500) Section of) 0.4 KHz results in a temperature coefficient of ZERO at 280C.

Die Erfindung schafft somit einen Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat mit einem hohen Kopplungsfaktor, einen hohen Gütefaktor und einer niedrigen Impedanz sowie mit verbesserter Temperaturempfindlichkeit, da der Temperaturkoeffizient NULL der Resonanzfrequenz innerhalb eines Temperaturbereiches von 200 bis +800C vorliegt. Da eine Biegeschwingung naturgemäß Niederfrequenzsch;zingungen ergibt, läßt sich mit einem im Vergleich zu einem Scherungs-oder Längsschwinger kleineren Schwinger sehr vorteilhaft eine Schwingung mit einer gegebenen Frequenz erzielen.The invention thus creates a flexural oscillator made of single crystal lithium tantalate with a high coupling factor, a high quality factor and a low impedance as well as with improved temperature sensitivity, since the temperature coefficient is ZERO the resonance frequency is within a temperature range of 200 to + 800C. Since a flexural vibration naturally results in low-frequency vibrations, it is possible to with a smaller oscillator compared to a shear or longitudinal oscillator very advantageously achieve an oscillation at a given frequency.

Claims

Claim:

Flexural transducer made of single crystal lithium tantalate, g e k e n n z e i c h n e t through a bending vibration plane in the x-y 'plane and a zyw (6) section with 8 as a cutting angle between 20 and 600 and a zero temperature coefficient the resonance frequency within a temperature range of -20 ° C to + 80 ° C.

L e r s e i t e