DE2648508B2

DE2648508B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Inversionstemperatur eines piezoelektrischen Schwingquarzes

Info

Publication number: DE2648508B2
Application number: DE2648508A
Authority: DE
Inventors: Hubert Bruegg Matthey (Schweiz)
Original assignee: Suisse Pour L'industrie Horlogere Management Services Sa Biel (schweiz) Ste
Current assignee: Suisse Pour L'industrie Horlogere Management Services Sa Biel (schweiz) Ste
Priority date: 1975-10-27
Filing date: 1976-10-22
Publication date: 1978-12-14
Also published as: FR2334115A1; JPS6118354B2; CH591765A5; DE2648508A1; GB1518868A; US4084131A; FR2334115B1; JPS5254393A; DE2648508C3

Description

f-fo
/o

10

während der Temperaturänderung von 7/, in Richtung auf 7} mißt, daß man das Maximum der relativen Frequenzdrift erfaßt und die diesem zugeordnete Temperatur mißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigegerät (23) mit elektrischen Werten beaufschlagt wird, die proportional zu der Frequenzdrift sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jo Temperaturquellen (1, 2) für den Quartz (8), die auf Temperaturen Th, Ti diesseits und jenseits der Inversion; temperatur To gebracht werden können, eine Einheit (HV. welche den Quartz (8) in Resonanzschwingungen versetzt und eine Schwin- r> gung f angibt, eine Einh-it (13), welche eine vorzugsweise einstellbare Referenzfrequenz f₀ abgibt, und eine Einheit (12, 14) vorgesehen sind, welche die beiden Frequenzen /und h erfaßt und das Maximum der relativen Frequenzdrift anzeigt. to

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf einer Schiene (5) verfahrbarer Schlitten (6) vorgesehen ist, mit dem der Quartz (8) von der einen Temperaturquelle (1) zu der anderen (2) gebracht werden kann. -r>

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, 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 (It) verbindbar ist. v>

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturquellen (1, 2) vorzugsweise ebene Platten (3, 4) aufweisen, mit denen der Quartz (8) in innigen Kontakt gebracht werden kann. v<

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Temperaturquelle (2) eine flüssigkeits-, insbesondere wassergekühlte Platte ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der m> Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzkomparator (12), der eine Spannung abgibt, die repräsentativ für die Differenz zwischen der Quartzfrequenz f und der Referenzfrequenz ft, ist, eine Diode (18), über die die Spannung an eine M 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

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:

15

20 wobei /die Frequenz, /5> eine Referenzfrequenz, Γ die Temperatur und ao,a\...a„ 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 vcnlächiässigi 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:

/o

^ K_n+ K₁T+ K₁T².

Diese Formel, graphisch dargestellt, ergibt eine Parabel, für die die Symmetrieachse parallel zur Ordinate liegt. K₀ entspricht der relativen Frequenzdrift bei T=O. K\ hängt für einen speziellen Schwiiigquartz von der Orientierung des aktiven Elements auf dem Schwingquartz relativ zur Kris.ai'achse des Quartzes und von dessen Dimensionen ab Ki 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 To 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.

Die Bestimmung von To mittels Messungen direkt an einem bestimmten Quartz fordert die Koordinaten

für drei Punkte, die drei Gleichungen mit drei Unbekannten bilden, welche, wenn sie gelöst sind, die Werte ACo, K\ und Ki ergeben. Die Gleichung der Parabel, welche die Funktion annähernd wiedergibt, ist dann bekannt. Um 7Ό zu bestimmen, ist die Ableitung nach 7"zu bilden.

Will man dieses Verfahren in die Praxis umsetzen, braucht man entweder drei Räume mit unterschied!:·

chen Temperaturen oder einen Raum, der auf drei bestimmte Temperaturen gebracht werden kann.
Man kann die Zahl bestimmter Punkte

zwischen zwei gegebenen Grenzen beliebig vervielfachen. 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. Wenn man die Zahl der Messungen gegen unendlich gehen läßt, erhält man eine kontinuierliche Kurve, die die Abhängigkeit zwischen Frequenz und Temperatur wiederspiegelt. Wenn 7ö zwischen einer niedrigen und einer hohen Temperatur liegt, findet man 7ö dann auf den ersten Blick.

Will man die Inversionstemperatur T₀ 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 einen: 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 behandelt werden 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 Quanzen, die in großen Stückzahlen hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, welches die schnelle Bestim- r, mung 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 zeigt

Fi g. 1 eine graphische Datstellung der Abhängigkeit

zwischen der relativen Frequenzdrift

Temperatur, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Kurve

und der

F ig. 3 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zwei Stellungen,

F i g. 4 schematisch einen Schaltkreis zur Bestimmung der Inversionstemperatur,

F i g. 5 ein Beispiel für eine Eiohkurve und

F i g. 6 die Einteilung des Anzeigefeldes eines Meßinstrumentes, welches in einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsp· /näßen Verfahrens zur A π<υαη/)<·ηΑ L j-i. »l . ■ ■. ■. t
r \llTTCtlUUIIg tVUlllllIL.

Die Zahl der Punkte

die notwendig ist für die Bestimmung der Kurve, kann auf zwei reduziert werden, wenn riner von ihnen mit der Inversionstemperatur Ta zusammenfällt und wenn der Koeffizient des Ausdrucks zweiten Grades der Gleichung der Parabel bekannt ist (s. Fig. 1).

Für die Temperatur T₀ wird die Ableitung nach der Temperatur Null:

-( "Yl

tΛ Vn Jh

= (K₁ + 2 K₂ T)ι , = K₁ + 2 K₂ T_n .

so daß K, + 2 K₂T₀ = Ound damit/Ci = -2 K₂T₀KX.
Dieser Ausdruck für K\, eingeführt in die Gleichung was ergibt

führt zu

K₀- 2K₂T₀T+ K₂T²,
wobei für 7"= Tögilt:

( ^Ι/Λ -κ KT*

\ Jo /1 /.,

Die Differenz der relativen Frequenzdrift Δτ, die ϊϊ zwischen der Temperatur T und der Temperatur 7ö herrscht, ist

'"' - f " { r ) -- K₂Ii - T_n) . „

Jo \ Ja /ι ι.

Diese Funktion ist in F i g. 2 dargestellt.

Wenn die relative Frequenzdrift Δτ <= Δ zwischen einer bekannten Temperatur T = Th und einer t>-, unbekannten Temperatur Tö ist, wird die Gleichung:

I =

,- T„f,

T₀ =

Zusammenfassend ergibt sich somit, daß für einen Quartz, für den die Konstante K2 bekannt ist, die Bestimmung von T₀ zu der Messung einer festen Temperatur Th und der Frequenzdrift relativ dazu zwischen 7* und T₀ führt. Ist T_h größer als T₀, ist das Zeichen vor der Wurzel Minus. Ist Th kleiner als Ti, ist das Zeichen positiv.

Die Erfindung basiert auf folgenden Annahmen:

a) Für iden:^:sche Quartze, die sorfefiltig hergestellt worden sind, verändert sich die Frequenz mi*, der Temperatur nach dem Gesetz

ei.i Ausdruck, in dem K₂ bekannt, konstant und reproduzierbar ist.

b) Wenn die Temperatur Teine Funktion der Zeit 9(t) ist, verändert sich die Frequenz nach dem Gesetz

Δ_τ=

unter der Bedingung, daß die Geschwindigkeit der

Änderung

df

Γ V C)J

der Temperatur hinreichend klein ist, so daß man die Wirkung der thermischen Zeitkonstanten des Quart/es vernachlässigen kann.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung, i< > mit der das oben dargelegte in die Praxis umgesetzt werden kann. Auf einer Grundplatte befinden sich zwei Ueizqucllen 1 und 2, die auf verschiedene Temperaturen gebracht werden können. Sie sind mit ebenen thermischen Kontaktflächen 3 und 4 ausgerüstet, die ι ϊ 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 _> <i 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 r> Verschiebung des Schlittens zuläßt.

Der Meßkreis der Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Er weist einen elektronischen Kreis 11, der einen Quartz 8 in Resonanzschwingungen hält, einen Frequenzkomparator 12, der die Frequenzdrift /"des Resonators 8 in in bezug auf die Referenzfrequenz /ö mißt, welche von einem Generator 13 stammt, und eine Anzeigeeinheit 14 auf. Der Generator 13 führt an seinem Ausgang 15 ein Signal, dessen Frequenz /Ό innerhalb eines bestimmten Bereiches mittels eines Organs 16 geändert werden r> kann. Der Komparator 12 liefert an seinem Ausgang 17 ein Signal in Form einer kontinuierlichen Gleichspannung, die proportional zu der Frequenzdrift

Af = /·-/„ ,„

und damit zu der relativen Frequenzdrift J ist, wobei

die Größe der Frequenz fa als Eichkonstante aufgefaßt werden kann.

Die Anzeigeeinheit 14 weist eine Diode 18, deren 4', Vorwärtsspannungsabfall vernachlässigt werden kann, und die mit dem Ausgang des Komparators 12 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 ,o 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 7ö des Quartzes kann in folgender Weise erfolgen: Die eine Heizquelle, z. B. 1 (F i g. 3), wird auf die Temperatur 7* gebracht, die größer als die vermutete Inversionstemperatur ist, und auf dieser Temperatur gehalten. Die andere Heizquelle, z. B. 2, wird auf die Temperatur Tf gebracht, die kleiner als To ist To Hegt dann zwischen T_n und Tf.

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 Tf₁ gebracht. Seine Frequenz wird und bleibt dann fh (s. F'g-2).

Dann wird der Schalter 21 (Fig.4) geschlossen, die Referenzfrequenz k des Generators 13 wird mittels des Organs 16 so eingestellt, daß /ö = fh ist. Der Komparator 12 gibt Null Volt an seinem Ausgang 17 ab. Das zeigt auch das Instrument 23 an. Wenn der Quartz seine Gleichgewichtstemperatur 7» erreicht hat, bleibt die Anzeige Null. Die Vorjustierung des derates ist nun beendet.

Dann wird der Schalter 21 geöffnet, der Quartz 8 wird in thermischen Kontakt mit der zweiten Heizquelle mit der Temperatur 7}gebracht, indem der Schlitten 6 längs der Schiene 5 bewegt wird. Die Frequenz /"des Quartzes wandert nun auf den neuen Wert ff (s. F i g. 2). Der Komparator 12 liefert über seinen Ausgang 17 eine

lJ^suiiiiuiia piupvt liviitli *-u r uitu t«ttt i.irr\.r ■ umi HUI

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 T₀ erreicht ist, läuft die relative Frequenzdrift durch den Maximalwert von ά. Die Ausgangsspannung des Komparators 12 wird in dem Kondensator 19 gespeichert, und das Instrument 23 zeigt abermals die entsprechende Bewegung an.

Dit Temperaturänderung in Richtung auf 7>hält nach dem Durchlaufen des Wertes TO an. Die Frequenzvariation fällt ab, ebenso die Ausgangsspannung des Komparators 12.

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

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

F i g. 5 zeigt die Eichkurve für die Anordnung für AG = 4 · 10 - ⁸/° C², die typisch für einen Quartz ist, der in der Grundbiegungsart in der kristallographischer Ebene XYbei einer Temperatur T_h = 55° C schwingt.

F i g. 6 zeigt die Einteilung der Skala des Instrumentes 23. Die untere Reihe stellt die T₀-Werte dar. Ganz links liegt der Punkt T₀ = 7% Diesem ist der Wert 4 = 0 zugeordnet, was gleichbedeutend mit f—k ist Die Angabe 100% ganz rechts bedeutet 4 = 100%, was gleichbedeutend mit f=2 f₀ ist Wenn die Temperatur Th mit ±1°C konstantgehalten wird und K₂ mit ±10% Genauigkeit bekannt ist ist die Genauigkeit der Messung von T₀ ±2° C im Bereich von 25° C, eine Genauigkeit die in den meisten Fällen ausreicht

Für Quartze, die ein Volumen von 0,1 cm³ haben, dauert die Bestimmung der Inversionstemperatur größenordnungsmäßig 1 Minute. Bei der Punkt-für-Punki-Besiimnrang gemäß dem Stromverfahren ist größenordnungsmäßig 1 Stunde erforderlich.

Es ist klar, daß die Heizquelle mit der niederer

Temperatur Bestimmung Bestimmung

Ti ebenso als Referenzpunkt für dienen kann. Man würde dann

die die

verwenden.

Du jrundsätzlich die Präzision der Referenztemperatur besummend ist, und da es ausreicht, daß die andere

Temperatur auf der anderen Seite von T₀ liegt, ohne daß die präzise Kenntnis derselben von Wichtigkeit wäre, ist es vorteilhaft, die höhere Temperaturquelle als Referenzpunkt zu nehmen. Diese Quelle kann dann eine erhitzte Platte mit der Temperatur Th 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patemansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Inversionstemperatur eines piezoelektrischen Schwingquartzes, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Quartz mit Resonanzfrequenz schwingen läßt, daß man ihn auf eine konstante Temperatur 7* bringt, die über oder unter, vorzugsweise über der Inversionstemperatur To liegt, daß man die der Temperatur 7* zugeordnete Resonanzfrequenz f₀ einstellt, daß man den Quartz auf eine Temperatur 7} bringt, die unter oder über, vorzugsweise unter der Inversionstemperatur 7Ό liegt, und die relative Frequenzdrift