DE2449959C3 - Kreisförmiger Schwingquarz mit DT-Schnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kreisförmigen Schwingquarz mit DT-Schnitt.

Schwingquarze, die einen DT-Schnitt aufweisen, sind bekannt aus der DT-OS 21 16 078. Diese bekannten Schwingquarze bestehen aus einer rechteckförmigen oder viereckigen Quarzplatte, gegebenenfalls mit abgeschrägten Kanten, und sind so ausgebildet, daß die Achse des Schwingquarzes einen DT-Schneidwinkel aufweist. Schwingquarze mit DT-Schnitt können auch aus runden Scheiben hergestellt sein, wie weiter unten noch erläutert wird; sie verfugen allgemein über eine Frequenzkonstante von 2070 bis 2080 kHz · mm. Diese Frequenzkonstante entspricht dem Produkt der natürlichen Frequenz und der Länge (in mm) einer der Seiten des Vierecks der Quarzplatte oder dem Durchmesser der runden Scheibe. Als nutzbares Frequenzband ergibt sich bei Schwingquarzen mit DT-Schnitt ein Bereich etwa zwischen 100 bis 300 kHz.

Aus der DT-OS 14 16 068 ist ein Schwingquarz bekannt, der, wie die Querschnittsdarstellung der F i g. 2 dieser DT-OS zeigt, linsenförmig ausgebildet ist. Bei diesem Schwingquarz handelt es sich um einen sogenannten Dicken Schwinger, d. h. um einen AT- oder BT-Schnitte aufweisenden Dickenscherschwinger. Der Dickenscherschwinger nach dieser DT OS hat die Aufgabe, einen möglichst hohen Gütefaktor Q zu erzielen. Allgemein soll ein Dickenschwinger hergestellt werden, der durch ein zu den Elektroden seniaechtes Feld erregt wird und eine Induktivität aufweist, die zwischen den Induktivitäten der Kristalle der gleichen Schwingungsart mit vollen metallisierten Elektroden und den Induktivitäten hegt, die bei Schwingquarzen der gleichen Schwingungsart auftreten, wenn der Kristall durch ein zu den Elektroden paralleles Feld erregt wird.

Die bei diesem bekannten Dickenscherschwinger auf den größten Oberflächen des Schwingquarzes aufgebrachten parallelen Elektroden sind ringförmig ausgebildet und schließen einen zentralen, nicht metallisierten Abschnitt ein. Dadurch erhöht sich der Gütefaktor mit der Zunahme der nichtmetallisierten Oberfläche. Gelagert wird ein solcher linsenförmiger Schwingquarz durch an der Oberfläche angreifende Klauen, die an weiteren, kleinen nichtmetallisierten Flächen des Dikkenscherschwingers angreifen. Ein solcher Dickenscherschwinger kann auch normal plattenähnlich aus gebildet sein und braucht nicht die LJnsenform zu besitzen. Andererseits liegt der Grund für die Linsenform bei diesem bekannten Dickenscherschwinger darin, daß sich auf Grund der an den Rändern des Diekenscheischwingers angreifenden Lagerung Verluste im peri- pheren Bereich des Elementes ergeben, die durch den verdickten Zentralbereich auf ein Minimum reduziert werden können; bei einem Dickenscherschwinger ist daher eine solche Ausbildung angebracht, die in direkter Beziehung zu der bei einem solchen Schwingquarz erforderlichen Lagerung steht.

Schließlich läßt sich der US-PS 33 39 091 ein der DT-OS 14 16 068 entsprechendes System mit ähnlicher Lagerung für einen Dickenscherschwinger entnehmen, wobei auch hier die Lagerung für den Schwingquarz nur an den peripheren Randbereichen angreift

Allgemein läßt sich zum Aufbau und zur Technologie von Schwingquarzen verweisen auf die S. 192 bis 2Oi im »Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker«, 2. Band, herausgegeben von Kurt Ri nt, 1953. sowie auf die S. 216 bis 219 einer Veröffentlichung von R. A. H e i s i η g, »Quartz Crystal for Electrical Circuit«. Einer Tabelle auf S. 198 des erwähnten »Handbuchs« lassen sich übliche Schwingungsformen von Quarzkr-jtallen entnehmen, wobei insbesondere auf den Flachenscherschwinger der Nr. 3 und den Dickenscherschwinger der Nr. 4 hingewiesen wird. Die Flächenscherschwinger weisen jeweils CT- oder DT-Schnitte auf, wie eingangs schon erwähnt, während es sich bei den Dickenscherschwingern jeweils um AT-Schnitte oder BT-Schnitte handelt. Entsprechend dieser Definition weist der Schwingquarz der weiter vorn genannten DT-OS 14 16 068 als Dickenscherschwinger einen AT- oder BT-Schnitt auf. Beide Schwingungsarten und im übrigen auch die in der erwähnten Tabelle noch weiterhin angegebenen unterscheiden sich fundamental voneinander, wie sich der schematischen Darstellung des Bewegungsschemas für diese Schwingungsformen entnehmen läßt. Die Flächenscherschwinger nach den CT- oder DT-Schnitten, zu denen auch der vorliegende Schwingquarz gehört, weisen Knotenlinien auf, die den scheibenartigen, in dieser Veröffentlichung als viereckig ausgebildeten Quarz unterteilen, wobei sich der Knotenpunkt im Scheibenmittelpunkt befindet. Im Gegensatz hierzu arbeiten die Dickenscherschwinger nach den AT- oder BT-Schnitten mit durch das Quarzinnere laufenden Knotenlinien.

Der S. 200 des erwähnten Handbuchs läßt sich entnehmen, daß die Konstante in der Temperatur-Frequenz-Beziehung für den DT-Schnitt 2 χ 10-⁸ beträgt, während sie für den CT-Schnitt wesentlich schlechter ist und 5 χ 10~⁸ beträgt. Andererseits liefert jedoch, wie ebenfalls der S. 200 entnommen werden kann, der CT-Schnitt einen erwünschten relativ hohen Arbeitsfrequenzbereich zwischen etwa 250 und 500 kHz, während der DT-Schnitt bei Schwingquarzen nur einen Arbeitsfrequenzbereich zwischen etwa 150 und 300 kHz zu liefern imstande ist. Lediglich ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß sie mit Bezug auf die DT-OS 14 16 068 schon erwähnten Dickenscherschwinger praktische Frequenzbereiche bis 100 MHz auf Grund ihrer unterschiedlichen Arbeitsweise erreichen zu kön-¹S nen.

Im vorliegenden Fall sind von Bedeutung lediglich die Flächenscherschwinger, wobei dem schon genannten Buch von H ei s ing auf S. 217/218, unter Ab-

jchnitt 6.33 »Scherresonanzfrequenzen«, entnommen »erden kann, daß bei Flächenscherschwingern die Eigenfrequenz des Schwingquarzes ausschließlich durch seine Längs- und Breitenab.nessungen bzw. durch den Durchmesser bestimmt ist, jedoch nicht durch die Dicke des Schwingquarzes. Eine experimentelle Formel hierfür ist auf S. 218 als Formel 6.8 angegeben. Ähnliche Ausführungen lassen sich der S. 200 des erwähnten Handbuchs entnehmen.

Zur Bestimmung der Frequenz eines als Flächentcherschwinger ausgebildeten Schwingquarzes geht man allgemein aus von der Orientierung des Schnittwinkels mit Bezug auf die Kristallisationsachse und die Abmessungen des Schwingquarzes; zunächst wird der Schnittwinkel in der Weise orientiert, daß festgelegt wird, ob es sich um einen CT- oder einen DT-Schnitt handelt; hierdurch bestimmt man auch die Frequenzkonstante. Anschließend werden die /■,bmessungen des Umrisses des Schwingquarzes festgelegt, wodurch man dann unter Verwendung der Frequenzkonstante zur gewünbchten effektiven Arbeitsfrequenz kommt.

Entsprechend den weiter vorn gemachten Ausführungen weist ein Schwingquarz mit einem CT-Schnitt gegenüber einem Schwingquarz mit DT Schnitt überlegene Frequenzeigenschaften auf, andererseits verfügt der Schwingquarz mit DT-Schnitt über das bessere Frequenz-Temperatur-Verhalten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schwingquarz mit DT-Schnitt zu schaffen, der bei Beibehaltung des bisherigen günstigen Temperatur Frequenz-Verhaltens bei einem solchen Schnitt eine wesentlich höhere Frequenzkonstante aufweisen soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten kreisförmigen Schwingkreis mit DT-Schnitt und besieht erfindungsgemäß darin, daß der Quarzkristall so ausgebildet ist, daß seine Dicke vom Mittelpunkt zum Randbereich allmählich abnimmt, daß über nahezu die gesamte Oberfläche sich gegenüberliegende Elektroden angebracht sind und daß den Quarzkristall lagernde und die elektrische Verbindung herstellende Zuleitungen mit den Elektrodenmittelpunkten verbunden sind.

Der Erfindung gelingt es, einen scheibenförmigen Schwingquarz mit einem DT-Schnitt mit einem weiteren, in die Frequenzkonstante eingehenden Dimensionsbereich auszustatten, und zwar dahingehend, daß auch die Dicke des Schwingkristalls, die nach gefestigter Lehrmeinung bei solchen Schwingkrislallen mit DT-Schnitt oder CT-Schnitt nicht in die Frequenzkonstante eingeht, vom Scheibenmittelpunkt zu den Randbereichen zunehmend verringert wird, wobei in der Weise eine Abhängigkeit der Frequenzkonsta.ue zum Radius der Wölbung erzielt wird, daß beispielsweise bei einem Radius von 30 mm eine Frequenzkonstante von 3 200 kHz ■ mm erreicht wird. Eine solche Frequenzkonstante liegt weit über der für Schwingquarze dieser Schwingungsform erreichbaren Frequenzkonstante von etwa 2 47OkHz ■ mm und erzielt nahezu die Frequenzkonstante von kreisscheibenartigen Schwingquarzen mit CT-Schnitt. Andererseits ergibt sich aber der Vorteil, daß trotz dieser hohen Frequenzkonstante nicht die bekannten Nachteile des CT-Schnitts in Kauf genommen werden müssen, denn der erfindungsgemäße Schwingquarz behält die günstige Temperatur-Frequenzbeziehung für den DT-Schnitt bei, der kann daher stabil in dem gewünschten Frequenzbereich betrieben werden und weist eine überlegene Frequenztemperaturbeziehung auf.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß sich der erfindungsgemäße Schwingquarz leicht bearbeiten läßt und der Orientierungswinkel beim Schneiden leicht zu bemessen ist. Da ein solcher Schwingquarz nur geringe Abmessungen aufweist, wird auch nur eine geringe Menge des relativ kostspieligen Ausgangsmaterials benötigt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind beide gegenüberliegenden Oberflächen konvex ausgebildet, so daß der Schwingquarz eine Linsenform aufweist, andererseits kann auch nur eine der beiden Oberflächen konvex und die andere geradflächig ausgebildet sein. Die flache Seite läßt sich dann leicht bearbeiten und kann zur einfachen Bestimmung der Orientierung des. Schneidwinkels mit Bezug auf die Krisiallisationsachse des Kristalls verwendet werden.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung an Hand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. ί eine Seitenansicht eines auf beiden Seiten konvexe Oberflächen aulweisenden Schwingquarzes, die

F i g. 2 und 3 grafische Kurvenverläufe der Frequenz- und Temperatureigenschaften des in Fig.! gezeigten Schwingquarzes,

F i g. 4 eine Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Schwingquarzes.

In F ι g. 1 ist der verbesserte .Schwingquarz dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die oberen und unteren Flächen des Schwingquurz.es 1 konvex ausgebildet, wobei auf die konvexen Oberflächen entweder durch eine Aufdampftechnik, durch Niederschlagen, Aufspritzen oder Aufstauben Elektroden 2 und 3 aufgebracht sind. Mit den Mittelpunkten der beiden Elektroden 2 und 3 sind eine Spannung oder Leistung zufuhrende Leuer 4 und 5 durch Schweißen oder Löten verbunden. Durch Veränderung des Krümmungsradius eines solchen in der beschriebenen Weise aufgebauten Schwingquarzes wurden jeweils Reihenresonanzfrequenz und Reihenresonanzwiderstand gemessen, dabei hatte ein solcher Schwingquarz einen Durchmesser D von 9.43 mm und eine maximale Dicke t von 0,8 mm. Hs ergab sich die in F ι g. 2 dargestellte Kurvencharaktenstik, wobei die Ordinate die Frequenzkonstante dar stellt, die gleich ist dem Produkt des Durchmessers D in mm und der natürlichen Frequenz f in kHz; die Abszisse stellt den Krümmungsradius in mm dar.

Wie dem Kurvenverlauf der F i g. 2 entnommen werden kann, steigt die Frequenzkonstante an bei abnehmendem Krümmungsradius und man erzieh für einen Krümmungsradius von 30 mm eine Frequenzkonstanie von etwa 3 200 kHz ■ mm. Diese Frequenzkonstante ist größer als die Frequenz.konstame von 2 080 kHz · mm eines rechteckförniigen oder quadratischen, plattenförmigen Schwingquarzes; diese Frequenzkonstante ist auch größer als die Frequenzkonstante von 3 090 kHz · mm eines CT-gischnittenen Schwingquarzes derselben Form. Andererseits nimmt der Reihenresonanzwiderstand mit abnehmendem Krümmungsradius ebenfalls ab. Die gemessene Frequenz-Temperaturcharakteristik eines DT-geschnittenen Schwingquarzes mit dem in F i g. 1 gzeigten Aufbau ist durch die dick durchgezogene Linie A in F i g. 3 dargestellt. Diese Temperaturabhängigkeit ist der Frequenz-Temperaiurcharakteristik eines CT-geschnittenen Schwingquarzes, wie sie durch die gestrichelte Linie B in F i g. 3 dargestellt ist, überlegen. Mit anderer. Worten verfügt ein DT-geschnittener Schwingquarz nach F i g. 1 über eine Frequenz-Temperalurcharakteristik, die einem bekann-

ten DT-geschnittenen Schwingquarz in rechteckförmiger oder viereckiger Plattenform inne wohnt. Auf diese Weise ist es möglich — wenn die gegenüberliegenden Oberflächen eines Schwingquarzes mit einem vorgegebenen Krümmungsradius konvex angeordnet sind —, einen DT-geschnittenen Schwingquarz im Frequenzbereich eines CT-geschnittenen Schwingquarzes stabil zu betreiben, ohne daß es zu einer Verschlechterung des Frequenz-Temperaturverhaltens des ersteren kommt.

F i g. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel läßt sich eine vereinfachte Bearbeitung eines Schwingquarzes erzielen, da die komplizierte Bearbeitung auf Grund der dual konvexen Oberflächen und deren genauen Herstellung vermieden werden kann, desgleichen auch die Schwierigkeiten hinsichtlich der Bestimmung des Schneidwinkels, die bei einem dual konvexen Oberflächenaufbau auftreten.

Wie F i g. 4 entnommen werden kann, weist der dort gezeigte Schwingquarz 6 auf einer Seite eine flache Oberfläche und auf der anderen Seite eine konvexe Oberfläche vorgegebenen Krümmungsradius auf und ist vom DT-geschnittenen Typ. Auf diesen Oberflächen sind durch Vakuum-Dampfbeschichtung oder sonstige geeignete Techniken Elektroden 7 und 8 aufgebracht, mit denen den Schwingquarz halternde und Spannung zuführende Leiter 9 und 10 jeweils mit den Mittelpunkten verbunden sind. Die Frequenzkonstante dieses Schwingquarzes 6 wurde mit annähernd 3 14OkHz · mm gemessen. Obwohl der Schwingquarz 6 vom DT-geschnittenen Typ ist, ist es möglich, ihn im

ίο Frequenzbereich eines CT-geschnittenen Schwingquarzes zu verwenden, wodurch ein solcher Schwingquarz eine hervorragende Frequenz-Temperaturcharakteristik aufweist, die ein Merkmal eines bekannten DT-geschnittenen Schwingquarzes in rechteckiger oder viereckiger Plattenform ist. Da eine Seite oder Fläche dieses Schwingquarzes flach und eben ist, kann es extretr einfach bearbeitet werden. Darüber hinaus ist es, nachdem diese flache Seite bearbeitet worden ist, möglich in einfacher Weise die Orientierung des Schneidwinkel:

des Schwingquarzes mit Bezug auf die Kristallisations achse zu messen, indem die flache Fläche als Bezugs ebene ausgenutzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: ^

1. .Kreisförmiger Schwingquarz mit DT-Schnitt, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz- kristall (1,6) so ausgebildet ist, daß seine Dicke vom Mittelpunkt zum Randbereich allmählich abnimmt, daß über nahezu die gev»mte Oberfläche sich gegenüber liegende Elektroden (2. 3: 7, 8) angebracht sind und daß den Quarzkristall (1. 6) lagernde und ι ο die elektrische Verbindung herstellende Zuleitungen (4, 5; 9, 10) mit den Elektrodenmittelpunkten verbunden sind.

2. Schwingquarz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine beiden gegenüberliegenden >5 Oberflächen konvex ausgebildet sind (Unsenform).

3. Schwingquarz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich eine seiner beiden Ober flächen konvex und die andere geradflächig ausgebildet ist.