DE2604452C3 - Quarzkristallresonator mit einem abgeschrägte Flächen aufweisenden Kristallkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ouarzkristallresonator mit einem abgeschrägte Flächen und einen rechteckigen Grundriß aufweisenden Kristallkörper, bei welchem Kristallbereiche zu Dickenscherschwingungen anregbar sind.

Ein derartiger Resonator ist aus oer DT-OS 15 91 672 bekannt.

Piezoelektrische Kristallresonatoren finden bekanntlich ein breites Anwendungsfeld als Bauteile für beispielsweise Nachrichtengeräte. Quarzkristalle haben ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Querzahl Q, des Temperaturkoeffizienten usw. Quarzkristalle werden insbesondere als Komponenten der Frequenzsteuerung in Sendern, Empfängern u. dgl. sowie für Filter mehrkanaliger Nachrichtensysteme verwendet.

Von den verschiedenen Typen von Quarzkristallresonatoren, welche zur Zeit im Gebrauch sind, wird vor allem ein Quarzkristallresonator verwendet, der als Dickenscherungsschwinger ausgebildet ist. Dieser Quarzkristalltyp wird insbesondere in Quarzkristallfiltern mit relativ hohen Frequenzbereichen verwendet. Der Grund hierfür liegt in der Deckungsgleichheii bezüglich der Temperaturcharakteristiken, des (?-Faktors, in der ausreichenden Stoßfestigkeit und der Bearbeitbarkeit.

Derartige Quarzkristallresonatoren kommen in relativ hohen Frequenzbereichen, beispielsweise zwischen 50OkHz bis 50MHz zum Einsatz. Man verwendet für die Kristallkörper verschiedene Ausgangsformen. Beispielsweise sind linsenförmige Kristallkörper in konvexer und bikonvexer Ausführung mit rundem Grundriß aus den deutschen Auslegeschriften 12 44 250 und 10 81065 bekannt. Bei derartig geformten Kristallschwingern ist es schwierig, die Kristallbereiche in der Nähe des Randes gleichförmig auszubilden. Außerdem besteht bei derartigen Kristallschwingern die Gefahr, daß durch Oberschwingungen die Grundschwingungen beeinträchtigt werden. Eine Resonatoranordnung, weiche einen Kristall mit rechteckigem Grundriß vom Dickenscherschwingungstyp aufweist, ist aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 15 91672 bekannt Der Kristallkörper L.esitzt eine

ίο bikonvexe Querschnittsform. Um einen derartigen Kristallresonator bei hohen Frequenzen einsetzen zu können und um die aus den Dickenscherschwingungen erwähnten Vorteile erzielen zu können, ist es notwendig, daß man das Verhältnis von Dicke des Kristallkörpers zur Länge des Kristallkörpers unter einen Wert von 0,05 bemißt. Um dies zu erreichen, muß man am Ausgangskristallkörper eine relativ umfangreiche Schleifarbeit durchführen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Quarzkri-Stallresonator zu zeigen, bei dem ohne Beeinträchtigung der aus dem Dickenscherschwingungsverhalten des Kristallkörpers resultierenden Eigenschaften das Verhältnis von Dicke zu Länge des Kristallkörpers auf 0,05 oder größer bemessen werden kann und bei dessen Fertigstellung demzufolge eine relativ geringe Schleifarbeit notwendig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Quarzkristallresonator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daD die Ecken beider Hauptflachen des Kristallkörpers abgeschrägte Flächen aufweisen, welche it< Richtung auf die Eckenpunkte zu steiler geneigt sind als die Hauptflächen des Kristallkörpers, und daß die Hauptflächen sich bis zu den Mitten jeder der seitlichen Begrenzungsflächen des Kristallkörpers erstrecken.

Eine Ausgestaltung der Erfindung für einen plankonvexen Kristallkörper wird darin gesehen, daß die in den Ecken der ebenen Hauptfläche vorgesehenen abgeschrägten Flächen zwei Flächenbereiche mit zueinander unterschiedlichen Neigungswinkeln aufweisen.

F.ine weitere Ausgestaltung der Erfindung wird bei einem Quarzkristallresonator mit bikonvexem Kristallkörper darin gesehen, daß die in den Ecken beider Hauptflächen vorgesehenen abgeschrägten Flächen aus zwei Flächenbereichen mit zueinander unterschiedlichen Neigungswinkeln gebildet werden.

Vorteile der Erfindung können darin gesehen werden, daß bei der Herstellung des Quarzkristallresonators das Schwingungsverhalten bei der Grundirequenz sowie

Änderungen des Schwingungsverhaltens aufgrund von Temperaturänderungen die gleichen sind wie beim Ausgangskristall vor dem Schleifen. Zudem kann man den Kristallkörper ohne Schwingungsverlust lagern. Man kann daher einen Kristallkörper mit geringen Abmessungen leicht herstellen.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen

F i g. 1 und 2 die Wirkungsweise eines Quarzkristall, der als Dickenscherungsschwinger arbeitet,

F i g. 3A, B einen Quarzkristall mit ebenen Hauptflächen,

Fig.4A bis 6B einen plankonvexen Quarzkristallresonator und seine Herstellung,

Fig. 7A bis 9B einen bikonvexen Quarzkristallresonator und seine Herstellung und

Fig. 10 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen Widerstand und Verhältnis von Dicke zu

Konturenlänge des Quarzkristalls darstellt

In den F i g. 1 und 2 ist das Dickenscherungsschwingen eines Quarzkristallresonators gezeigt Der Resonator ist in der einen Figur als rechtwinklige Platte und in der anderen Figur bikonvex ausgebildet. Wie durch Vektoren 50a und 60a gezeigt ist ergeben sich die maximalen Verschiebungen in entgegengesetzten Richtungen in den mittleren Bereichen an den entgegengesetzt liegenden Hauptflächen des Quarzkristallresonators. Die Verschiebungen an den beiden Hauptfläehen nehmen hinsichtlich der Größe allmählich von den mittleren Bereichen zu den entgegengesetzt liegenden Seiten ab, wie das durch entsprechende Vektordarstellungen 50a bis 50c/ und 60a bis 60c/ gezeigt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Verschiebungen in einem bestimmten Bereich vernachlässigbar, wobei dieser Bereich in der Figur durch strichpunktierte Linien abgegrenzt ist und mit 90 bezeichnet ist.

Dieses Schwingungsverhalten tritt dann auf, wenn das Verhältnis von Dicke b zur Konturen'änge a des Kristalls, d. h. b/a, ausreichend klein ist, beispielsweise unter 0,05 liegt. Wenn das Verhältnis b/a größer als 0,05 ist, ergibt sich ein deutliches Formscherungsschwingungsverhalten, welches das Dickenscherungsschwingungsverhalten merklich beeinflußt Demzufolge wächst der Schwingungsverlust durch Trägerelemente, welche den Kristaü mechanisch stützen, an, d. h. die Grundschwingung der Dickenscherungsschwingung wird durch die Trägerelemente beeinflußt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem man die im vorstehenden erwähnten Nachteile beseitigen kann, ist in den Fig. 3A und 3B dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Platte mit einer bestimmten Eigenfrequenz, bei der mechanische Resonanz auftreten kann, an ihren Ecken 16 geschliffen, so daß sich verjüngende Eckenbereiche ergeben. Es verbleiben unbearbeitete mittlere Bereiche in den Hauptfläehen 18 des Kristallkörpers 10. Die Dicke des Kristallkörpers entlang einer geraden Linie, welche die Mitten entgegengesetzt liegender seitlicher Begrenzungsflächen verbindet, und auch die Längen der entsprechenden geraden Linien bleiben die gleichen wie die bei der ursprünglichen Quarzplatte. Das bedeutet, daß der endgültige Kristallkörper eine Gestalt aufweist, wie sie in der Fig. 3A in der Draufsicht und in der Fig.3B in der Seitenansicht gezeigt ist. Der Aufwand an Schleifarbeit ist bei diesem Ausführungsbeispiel gering.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den F i g. 4A bis 6B gezeigt. Bei der Herstellung dieses Quarzkristallresonators wird zunächst ein rechtwinkliger Quarzkristall vom plankonvexen Typ hergestellt, bei dem das b/a-Verhältnis größer als 0,05 ist und welcher eine bestimmte Eigenfrequenz aufweist. Die Minen λ. β, γ und δ der seitlichen Begrenzungsflächen des Quarzkristalls 110 behalten die gleiche Dicke bzw. den gleichen Abstand voneinander, wie das bei der ursprünglichen Kristallplatte vor dem Schleifen der Fall war. Die Ecken 114 der ebenen Hauptfläche 113 des Quarzkristall 110 werden in der Weise geschliffen, daß sie abgeschrägte Kristallflächen 115 bilden, wie das aus den F i g. 4A und 4B zu ersehen ist. Zusätzliche abgeschrägte Kristallflächen 116, deren Neigung verschieden ist von der der gewölbten Hauptfläche 112 des Quarzkristalls 110, werden durch Schleifen in den Ecken 114 in die gewölbte Hauptfläche 112 eingeformt, wie das in F i g. 5A und 5B dargestellt ist. Zusätzliche abgeschrägte Flächen 117 werden an den Ecken 114 in die ebene Hauptfläche 113 eingeformt Di·.: zusätzlichen abgeschrägten Flächen 117 grenzen an die abgeschrägten Kristallflächen 115 an, welche in einem stärkeren Maße geneigt sind als die Flächen 117, wie das auch aus den F i g. 6A und 6B zu ersehen ist Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt der fertige plankonvexe Kristallresonator in den Kristallecken einen keilförmigen Querschnitt

Der auf diese Weise hergestellte Quarzkristallresonator besitzt entlang der X- und V-Achsen die gleiche Dicke wie die Ausgangskristallplatte.

Bei diesem Aufbau arbeitet der Quarzkristallresonator bezüglich seines Schwingungsverhaltens, insbesondere bezüglich der Grundschwingungen in der gleichen Weise wie der ursprüngliche Quarzkristallresonator vom plankonvexen Typ, ohne daß das Grundschwingungsverhalten beeinträchtigt wird.

in den Fig. 7A bis 9B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgangskristall vom bikonvexen Typ. Die Dicke und die Länge des bikonvexen Ausgangskristalis entlang der Linien, welche die Mittelpunkte bei α und γ sowie β und ö auf den entsprechenden entgegengesetzt liegenden sei'lichen Begrenzungsflächen verbinden, sind die gleichen wie beim rechtwinkligen Ausgangskristall. Der bikonvexe Ausgangskristall hat eine bestimmte Eigenfrequenz und das b/a-Verhältnis ist größer als 0,05.

In die Kristallecken 204 werden in die konvexe Hauptfläche 202 des Kristalls durch Schleifen der Ecken

204 abgeschrägte Flächen 205 eingeformt. Jede abgeschrägte Fläche besitzt eine Neigung, die von der der konvexen Hauptfläche 202 abweicht, wie das aus den Fig. 7A und 7B zu ersehen ist. Dann werden die Kristallecken 204 auf der konvexen Hauptfläche 202 geschliffen, so daß weitere abgeschrägte Flächen 206 in den Ecken 204 entstehen, wie das in den F i g. 8A und 8B dargestellt ist. Die abgeschrägten Flächen 206 haben eine andere Neigung als die konkave Hauptfläche 203. Ferner sind zusätzliche abgeschrägte Flächen 207 und 208 in den Eckenbereichen 204 der Hauptfläehen 202 und 203 eingefornU. Die zusätzlichen Flächen 207 und 208 stoßen an die entsprechenden geneigten Flächen

205 und 206 an, haben jedoch eine unterschiedliche Neigung gegenüber diesen. In den Ecken 204 ergibt sich demgemäß ein keilförmiger Querschnitt, wie das aus der Fig. 9B zu ersehen ist.

Da der Quarzkristall dieses Ausführungsbeispiels, insbesondere entlang der -Y- und K-Achsen, die gleiche Dicke beibehält wie der ursprüngliche Kristall, arbeitet der fertige Quarzkristall mit dem gleichen Schwingungsverhalten, insbesondere mit dem gleichen Grundschwingungsverhalten wie der ursprüngliche Quarzkristall, ohne daß das Grundschwingungsverhaiten unterdrückt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß bei starker Änderung der Dicke des Quarzkristalls, d. h. bei starker Änderung der Abstände der Punkte α, β, γ und δ voneinander gegenüber dem bikonvexen Ausgangskristall das Schwingungsverhalten und die Resonanzfrequenzen stark verändert werden.

Wenn man ferner den bikonvexen Ausgangsquarzkristall mit rechtwinkligem Grundriß mit einem anderen Abschrägungsverfahren bearbeitet, beispielsweise mit einem Doppeltabschrägungsverfahren, bei dem die Dicke des Kristalls an den genannten Punkten nicht erhalten bleibt, um beispielsweise eine leichte Abstützung des Kristalls mit einem geringen Schwingungsverlust zu erzielen, läßt sich zwar unter Umständen ein

Quarzkristallresonator mit geringem Schwingungsverlust erhalten, jedoch besitzt dieser Kristallresonator einen niedrigen (?-Faktor im Vergleich zum Ausgangskristallresonator. Außerdem ist das Schwingungsverhalten dieses Resonators anders als das des Ausgangskristalls.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Quarzkristallresonator mit einem abgeschrägte Flächen und einen rechteckigen Grundriß aufweisenden Kristallkörper, bei welchem Kristallbereiche zu Dickenscherschwingungen anregbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken (16, 114,204) beider Hauptfiächen (18,112,113,202,203) des Kristallkörpers (10, UO, 200) abgeschrägte Flächen (115, 116, 205, 206, 207, 208) aufweisen, weiche in Richtung auf die Eckenpunkte zu steiler geneigt sind als die Hauptflächen des Kristallkörpers, und daß die Hauptfiächen sich bis zu den Mitten (α, β, γ, δ) jeder der seitlichen Begrenzungsflächen des Kristallkörpers erstrecken.

2. Quarzkristallresonator mit plankonvexem Kristallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken (114) der ebenen Hauptfläche (113) vorgesehenen abgeschrägten Flächen zwei Flächenbereiche (115, 117) mit zueinander unterschiedlichen Neigungswinkeln aufweisen (F i g. 6B).

3. Quarzkristallresonator mit bikonvexem Kristallkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ecken (204) beider Hauptflächen (202, 203) vorgesehenen abgeschrägten Flächen aus jeweils zwei Flächenbereichen (205, 207 und 206, 208) mit zueinander unterschiedlichen Neigungswinkeln gebildet sind (Fig. 9B).