DE2648508A1

DE2648508A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der inversionstemperatur eines piezo-elektrischen schwingquartzes

Info

Publication number: DE2648508A1
Application number: DE19762648508
Authority: DE
Inventors: Hubert Matthey
Original assignee: SSIH Management Services SA
Current assignee: SSIH Management Services SA
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1977-04-28
Also published as: GB1518868A; CH591765A5; JPS6118354B2; JPS5254393A; FR2334115B1; US4084131A; DE2648508B2; FR2334115A1; DE2648508C3

Description

DIPL.-INQ. DIETER JANDER PATENTANWÄLTE

KOLBErtGER STRASSE 21 8 MÜNCHEN 80 (B OGENHAUSEN) Telefon: 089/98 27 04

Zustelladresee reply to:

KURFÜRSTENDAMM 66 1 BERLIN 15

Telefon: 030/8 83 SO 71/72

Telegramme: Consideration Berlin

1103/15.860 DE 22. Oktober 1976

Patentanmeldung

der Firma

Societe Suisse pour I¹Industrie Horlogdre Management Services S.A. 96 Rue Stämpfli CH-2500 Biel

"Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Inversionstemperatur eines piezoelektrischen Schwingquartzes"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Inversionstemperatur von piezoelektrischen Schwingquartzen.

Die Frequenz eines Schwingquartzes hängt von der Temperatur nach folgendem Gesetz ab:

f = f_o (a

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PATENTANWALTS

wobei f die Frequenz, f eine Referenzfrequenz, T die Temperatur und a_o, a^ , ..... a_n Koeffizienten sind.

Bei einem Quartz, der präzise dimensioniert und nach den Kristallachsen orientiert ist, und der nach einem bestimmten Gesetz schwingt, sind gewisse Koeffizienten sehr klein. Die Ausdrücke mit diesen Koeffizienten können insofern für einen begrenzten Temperaturbereich vernachlässigt werden, was obigen Ausdruck vereinfacht.

Beispielsweise können für die Mehrzahl aller Schwingquartze für Frequenzen unter 1 MHz die Ausdrücke η größer als 2 für den Bereich um die Umgebungstemperatur vernachlässigt werden. Man erhält dann als relative Frequenzdrift:

^f " ^fo = ^^f = K + K.T + K₉T²

Diese Formel, graphisch dargestellt, ergibt eine Parabel, für die die Symmetrieachse parallel zur Ordinate liegt. K_Q entspricht der relativen Frequenzdrift bei T=O. K^ hängt für einen speziellen Schwingquartz von der Orientierung des aktiven Elements auf dem Schwingquartz relativ zur Kristallachse des Quartzes und von dessen Dimensionen ab. K₂ hängt vor allem von der Art der Schwingung und zu einem geringeren Teil von der Orientierung und den Dimensionen ab. K₂ entspricht der Breite der öffnung der Parabel, und sein Vorzeichen, normalerweise negativ, gibt an, daß die Parabel nach unten offen ist.

Die Krümmung der Parabel wird Null bei T der Inversionstemperatur. In der Umgebung dieser Temperatur besitzt der Quartz hinsichtlich seiner Frequenz die größte Temperaturunempfindlichkeit. Es besteht insofern ein Interesse, diese Temperatur zu bestimmen.

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PATENTANWÄLTE

Die Bestimmung von T mittels Messungen direkt an einem bestimmten Quartz fordert die Koordinaten (Af , T) für

ο drei Punkte, die drei Gleichungen mit drei Unbekannten bilden, welche, wenn sie gelöst sind, die Werte K , K„ und Kp ergeben. Die Gleichung der Parabel, welche die Funktion

lähernd wiedergibt, ist dann beka:
ist die Ableitung nach T zu bilden,

annähernd wiedergibt, ist dann bekannt. Um T zu bestimmen,

Will man dieses Verfahren in die Praxis umsetzen, braucht man entweder drei Räume mit unterschiedlichen Temperaturen oder einen Raum, der auf drei bestimmte Temperaturen gebracht werden kann.

Man kann die Zahl bestimmter Punkte (if , T) zwischen zwei gegebenen Grenzen beliebig ^υverfielfachen. Auf diese Weise können-Anomalien in dem Frequenz-Temperaturgang festgestellt werden. Eine solche kann beispielsweise entstehen, wenn unerwünschte Schwingungsarten oktroyiert werden oder wenn die Aufhängung fehlerhaft ist. ¥enn man die Zahl der Messungen gegen unendlich gehen läßt, erhält man eine kontinuierliche Kurve, die die Abhängigkeit zwischen Frequenz und Temperatur wiederspiegelt. Wenn T zwischen einer niedrigen und einer hohen Temperatur liegt, findet man T dann auf den ersten Blick.

Will man die InversionstemOeratur T durch die Punktmethode

erhalten, so bedarf das einer langen Zeit, weil sich die Temperatur in dem Meßraum nur langsam ändert bzw. weil der Quartz von einem Raum in einen anderen gebracht werden muß. Hinzukommt, daß abgesehen von den kontinuierlichen graphischen Darstellungen die Daten, die man auf diese Weise erhält, anschließend mittels Rechenmethoden behandeln müssen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. All das ist ungünstig, wenn es gilt, schnelle Ergebnisse zu erhalten, was der Fall ist bei der Überprüfung von Quartzen, die in großen Stückzahlen hergestellt werden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches die schnelle Bestimmung der Inversionstemperatur ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß,wie im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben, gelöst.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit zwischen der relativen Freouenzdrift -Δ f und der Temperatur;

^fo Fig. 2 eine graphische Darstellung der KuI¹Ve Am =

/δ A -(Δ-ί)

Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des

erfindungsgemässen Verfahrens in zwei Stellungen;

Fig. 4 schematisch einen Schaltkreis zur Bestimmung der Inversionstemperatur;

Fig. 5 ein Beispiel für eine Eichkurve und

Fig. 6 die Einteilung des Anzeigefeldes eines Meßinstrumentes, welches in einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Anwendung kommt.

Die Zahl der Punkte (&f , T), die notwendig ist für die Be-

^fo

Stimmung der Kurve, kann auf zwei reduziert werden, wenn einer von ihnen mit der Inversionstemperatur T zusammenfällt und wenn der Koeffizient des Ausdrucks zweiten Grades der Gleichung der Parabel bekannt ist (s. Fig. 1).

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Für die Temperatur T_Q wird die Ableitung nach der Temperatur

= (K. + 2K₉T) = K. + 2K₉T ^{L 1}

T = T₀ ^T ~ "o

so daß K₁ + 2K₂T₀ = 0 und damit K₁ = - 2K₂T_Q ist.

Dieser Ausdruck für K₁, eingeführt in die Gleichung Af führt zu K₀ - 2K₂T₀T + K₂T², ^fo

wobei für T = T_Q gilt:

ο T = T₀

Die Differenz der relativen Frequenzdrift A₁ die zwischen der Temperatur T und der Temperatur T herrscht, ist

^{1 1}O ^xo T =

Diese Funktion ist in Fig. 2 dargestellt.

Wenn die relative Frequenzdrift >Δ. _φ = Δ. zwischen einer bekannten Temperatur T=T, und einer unbekannten Temperatur T ist, wird die Gleichung:

Δ = K₂ (T₁₁ - T_o)²,

"2 ^VJ"h ^xo' /
was ergibt

d.

Zusammenfassend ergibt sich somit, daß für einen Quartz, für den die Konstante K₂ bekannt ist, die Bestimmung von T zu der Messung einer festen Temperatur Tj₁ und der Frequenzdrift relativ dazu zwischen T_h und T_Q führt. Ist T^ größer als T , ist das Zeichen vor der Wurzel Minus. Ist T^ kleiner als T_Q, ist das Zeichen positiv.

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Die Erfindung basieifc auf folgenden Annahmen:

a) Für identische Quartze, die sorgfältig hergestellt worden sind, verändert sich die Frequenz mit der Temperatur nach dem Gesetz

Δι = K₂ (τ - T₀)²,

■ ein Ausdruck, in dem K₂ bekannt, konstant und reproduzierbar ist.

b) Wenn die Temperatur T eine Funktion der Zeit It (t) ist, verändert sich die Frequenz nach dem Gesetz Δ_ = K^M^Ct) - Tr unter der Bedingung, daß die Geschwindigkeit der Änderung d Γ M^ (t)J der Temperatur hinreichend klein ist, so daß

man die Wirkung der thermischen Zeitkonstanten des Quartzes vernachlässigen kann.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung, mit der das oben Dargelegte in die Praxis umgesetzt werden kann. Auf einer Grundplatte befinden sich zwei Heizquellen 1 und 2, die auf verschiedene Temperaturen gebracht werden können. Sie sind mit ebenen thermischen Kontaktflächen 3 und 4 ausgerüstet, die sich in der gleichen Ebene befinden und mechanisch über eine Gleitschiene 5 miteinander verbunden sind, auf der ein Schlitten 6 hin- und herbewegt werden kann. Letzterer ist mit einer Öffnung 7 für einen zu prüfenden Quartz 8 ausgerüstet. Der Quartz wird in innigen Kontakt mit der einen oder anderen Kontaktfläche 3 bzw. 4 gebracht. Der Schlitten 6 ist mit elektrischen Zuführungen 9 für den Quartz 8 versehen. Ferner ist ein Anschlußkabel 10 vorhanden, über das der Quartz mit einer Meßapparatur verbunden ist, wobei das Kabel die Verschiebung des Schlittens zuläßt.

Der Meßkreis der Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Er weist einen elektronischen Kreis 11, der einen Quartz 8 in Resonanzschwingungen hält, einen Frequenzkomparator 12, der

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die Frequenzdrift f des Resonators 8 in bezug auf die Referenzfrequenz f_Q mißt, welche von einem Generator 13 stammt, und eine Anzeigeeinheit 14 auf. Der Generator 13 führt an seinem Ausgang 15 ein Signal, dessen Frequenz f innerhalb eines bestimmten Bereiches mittels eines Organs 16 geändert v/erden kann. Der !Comparator 12 liefert an seinem Ausgang 17 ein Signal in Form einer kontinuierlichen Gleichspannung, die proportional zu der Frequenzdrift Jf^f = f - f und damit zu der relativen Frequenzdrift

4P*— ist, wobei die Größe der Frequenz f als Eichkonstante

aufgefaßt werden kann.

Die Anzeigeeinheit 14 weist eine Diode 18, deren Vorwärtsspannungsabfall vernachlässigt werden kann, und die mit dem Ausgang des Komparators 1?- verbunden ist, und einen Kondensator 19 auf, der als Speicher dient und mit der Diode verbunden ist.

Der Kondensator 19 kann über einen Widerstand 20 entladen werden, welcher mittels eines Schalters 21 eingeschaltet werden kann. Ein Verstärker 22 mit hoher Eingangsimpedanz verbindet den Kondensator 19 mit einem Drehspulinstrument 23, das mittels eines Widerstandes 24 eingestellt werden kann. Das Instrument 23 zeigt Werte an, die proportional zu der Spannung sind, welche an den Kontakten des Kondensators 13 anliegt. Der Strom ist dabei vernachlässigbar klein.

Die Bestimmung der Inversionstemperatur T des Quartes kann in folgender Weise erfolgen: Die eine Heizquelle, z.B. 1 (Fig. 3), wird auf die Temperatur T, gebracht, die größer als die vermutete Inversionstemperatur ist, und auf dieser Temperatur gehalten. Die andere Heizquelle, z.B. 2, wird auf die Temperatur T- gebracht, die kleiner als T ist. T liegt dann zwischen T, und T~.

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Der Quartz 8 wird in die öffnung 7 des Schlittens 6 gelegt und in Resonanzschwingungen versetzt. Er wird dann in Kontakt mit der Heizquelle mit der Temperatur T, gebracht. Seine Frequenz wird, und bleibt dann, f/ (s. Fig. 2),

Dann wird der Schalter 21 (Fig. 4) geschlossen, die Referenzfrequenz f des Generators 13 wird mittels des Organs so eingestellt, daß f = f, ist. Der Komparator 12 gibt Null Volt an seinem Ausgang 17 ab. Das zeigt auch das Instrument 23 an. Wenn der Quartz seine Gleichgewichtstemperatur Tj₁ erreicht hat, bleibt die Anzeige Null. Die Vorjustierung des Gerätes ist nun beendet.

Dann wird der Schalter 21 geöffnet, der Quartz 8 wird in thermischen Kontakt mit der zweiten Heizquelle mit der Temperatur T~ gebracht, indem der Schlitten 6 längs der Schiene 5 bewegt wird. Die Frequenz f des Quartzes wandert nun auf den neuen Wert f~ (s. Fig. 2). Der Komparator liefert über seinen Ausgang 17 eine Spannung proportional zu Af und mit einer Polarität derart, daß diese über die Diode °18 an dem Kondensator 19 und dem Eingang des Verstärkers 22 anliegt. Das Instrument 23 zeigt den Spannungsverlauf an.

Sobald die Inversionstemperatur T_Q erreicht ist, läuft die relative Frequenzdrift durch den Maximalwert von ZS.. Die Ausgangsspannung des Komparators 12 wird in dem Kondensator 19 gespeichert,und das Instrument 23 zeigt abermals die entsprechende Bewegung an.

Die Temperaturänderung in Richtung auf T_f hält nach dem Durchlaufen des Wertes T an. Die Frequenzvariation fäl] ab, ebenso die Ausgangsspannung des Komparators 12.

Der Kondensator 19 kann sich jedoch nicht entladen, so daß die Maximalspannung gespeichert wird, welche der relativen

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AX

Frequenzdrift Δ entspricht. Das Instrument 23 zeigt diesen Wert fortgesetzt an. Es ist sinnvoll, die Skala des Instrumentes 23 so einzuteilen, daß sie eine Funktion der Spannung an den Kontakten der Kapazität 19 darstellt, gemäß der Beziehung ^=T,-

Es kann unterstellt werden, daß die Konstante K₂ gleich dem Durchschnittswert für alle zu messende Quartze gleicher Art ist.

FIg. 5 zeigt die Eichkmrve für die Anordnung für K₂ = 4.10" die typisch für einen Quartz ist, der in der Grundbiegungsart In der kristallographischen Ebene XY bei einer Temperatur T_h = 55° C schwingt.

FIg. 6 zeigt die Einteilung der Skala des Instrumentes 23. Die untere Reihe stellt die T -Werte dar. Ganz links liegt der Punkt T = T, . Diesem ist der Wert A=O zugeordnet, was gleichbedeutend mit f = f _Q ist. Die Angabe 100% ganz rechts bedeutete = 100?£, was gleichbedeutend mit f = 2 f ist Wenn die Temperatur T^ mit +1⁰C konstantgehalten wird und K₂ mit + 10 % Genauigkeit bekannt ist, ist die Genauigkeit der Messung von T + 2° im Bereich von 25° C, eine Genauigkeit, die in den meisten Fällen ausreicht.

Für Quartze, die ein Volumen von 0,1 cm haben, dauert die Bestimmung der Inversionstemperatur größenordnungsmässig 1 Minute. Bei der Punkt-für-Punkt-BeStimmung gemäß dem Stromverfahren ist größenordnungsmässig 1 Stunde erforderlich.

Es ist klar, daß die Heizquelle mit der niederen Temperatur T^ ebenso als Referenzpunkt für die Bestimmung dienen kann. Man würde dann die Bestimmung T=T-+ ]/ Δ verwenden.

Da grundsätzlich die Präzision der Referenztemperatur bestimmend ist, und da es ausreicht, daß die andere Temperatur

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auf der anderen Seite von T liegt, ohne daß die präzise Kenntnis derselben von ¥ichtigkeit wäre, ist es vorteilhaft, die höhere Temperaturquelie als Referenzpunkt zu nehmen. Diese Quelle kann dann eine erhitzte Platte mit der Temperatur T^ sein, die konstant und leicht zu reproduzieren ist. Die andere Quelle ist eine kalte Platte, von der nur bekannt ist, daß ihre Temperatur niedriger als die Inversionstemperatur ist. Diese Platte kann beispielsweise eine durch kaltes Wasser gekühlte Platte sein.

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Claims

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PTENTANWÄLTE

PATENTANWÄLTE

Patentansprüche :

Verfahren zur Bestimmung der Inversionstemperatur eines
■■—

piezo-elektrischen Schwingquartzes, dadurch gekennzeichnet , daß man einen Quartz mit Resonanzfrequenz
schwingen läßt, daß man ihn auf eine konstante Temperatur (T, ) bringt, die über oder unter, vorzugsweise über der Inversionstemperatur (TJ liegt, daß man die der Temperatur (T )zugeordnete

^σ h

Resonanzfrequenz (tj einstellt, daß man den Quartz auf eine

Temperatur(T^ bringt, die unter oder über, vorzugsweise unter der Inversionstemperatur (IJ liegt, und die relative Frequenzdrift Cf- f ₀) während der Temperaturänderung von (Tj₁) in Richtung

ο
auf (T^) mißt, daß man das Maximum der relativen Frequenzdrift erfaßt und die diesem zugeordnete Temperatur bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturbestimmung mittels vorher geeichter Medien, insbesondere einer in Temperaturwerten geeichten Skala eines Anzeigegeräts erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigegerät auf elektrische ¥erte reagiert, die proportional zu der relativen Frequenzdrift sind.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,' daß zwei Temperaturquellen (1,2) für den Quartz (8), die auf Temperaturen (T, , T_f) diesseits und jenseits der Inversionstemperatur (T_Q) gebracht werden können, eine Einheit (11), welche den Quartz (8) in Resonanzschwingungen versetzt und diese Schwingung (f) abgibt,
eine Einheit (13), welche eine vorzugsweise einstellbare Referenzfrequenz (f) abgibt, und eine Einheit (12,14) vorgesehen sind, welche die beiden Frequenzen (f und f ) erfaßt und das Maximum der relativen Frequenzdrift anzeigt.

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PATENTANWÄLTE

PATENTANWÄLTE
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schlitten (6) vorgesehen ist, mit dem der Quartz (8) von der einen Temperaturquelle

(I) zu der anderen (2) gebracht werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturquellen (1,2) vorzugsweise ebene Platten (3,4) aufweisen, mit denen der Quartz (8) in innigen Eontakt gebracht werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Temperaturquellen (1,2) eine Schiene (5) befindet, auf der der Schlitten (6) verfahrbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß· der Schlitten (6) mit elektrischen Kontakten (9) und einem Kabel (10) versehen ist, über welche Elemente der Quartz mit der elektrischen Einheit

(II) verbindbar ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet , daß ein Frequenzkomparator (12), der eine Spannung abgibt, die repräsentativ, für die Differenz zwischen der Quartzfrequenz (f) und der Referenzfrequenz (f ) ist, eine Diode (18), über die die Spannung an eine Kapazität (19) legbar ist, ein Schalter (21), über den die Kapazität (19) entladen werden kann, ein Verstärker (22), der die Spannung ebenfalls erhält, und ein Anzeigeinstrument (23), insbesondere ein Drehspulinstrument, vorgesehen sind, das die Spannung zur Anzeige bringt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala des Instrumentes (23) in Temperaturwerten geeicht ist und das Instrument (23) die Inversionstemperatur (T ) unmittelbar anzeigt.

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11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Temperaturquelle (2) eine flüssigkeits- insbesondere wassergekühlte Platte ist.

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