DE2701416B2

DE2701416B2 - Piezoelektrischer Schwinger in rechteckiger Blockform

Info

Publication number: DE2701416B2
Application number: DE2701416A
Authority: DE
Inventors: Jean Biel Engdahl; Raymond Port Huguenin; Alphonse E. Solothurn Zumsteg
Original assignee: Societe Suisse pour lIindustrie Horlogere Management Services SA
Current assignee: Meggitt SA
Priority date: 1976-01-20
Filing date: 1977-01-14
Publication date: 1979-05-31
Also published as: FR2339197B1; FR2339197A1; DE2701416C3; CH607450A5; US4071797A; GB1572810A; JPS5290289A; DE2701416A1

Description

27 Ol 416

schwingung und der (X V'y-ßiegungsschwingung auftritt, ein besonders günstiges Temperaiurverhallen des Schwingers erzielt werden kann. Ferner ergeben die ungegebenen Maßverhältnisse bei den gewünschten Frequenzen Quarzschwinger mit besonders geringen absoluten Abmessungen, die sich vorzüglich zum Einbau auch in kleinste Geräte eignen. Außerdem wird ein überraschend hoher Gütefaktor erreicht. Außerdem erlauben die 5Üch ergebenden Abmessungsverhältnisse eine besonders günstige Ausnutzung der an sich bekannten EnergieeinschluBtechnik und sie erlauben ferner eine erfinderische Anbringung des Quarzschwingers, durch die das Verhalten des Quarzschwingers weiter verbessert wird.

Diese und weitere Verbesserungen sind in den Unteransprüchen beansprucht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der piezoelektrische Schwinger an seinen (einander gegenüberliegenden) XZ'-Oberflächen mit Elektroden versehen, die sich über die ganze Breite X des Schwingers erstrecken und deren Länge wesentlich kürzer als die Länge des Schwingers ist, um eine Energie :;nfangzone innerhalb des Abschnittes des Schwingers zwischen den Elektroden zu schaffen. Durch diese Energie-Einfangtechnik ist es möglich, zu verhindern, daß die Dickenscherschwingungsenergie an die Befestigungen des Quarzschwingers gelangt und dort gedämpft wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung liegt die gedrehte V-Orieniierung im Bereich von 34°48'. Wie sich herausgestellt hat, ist das Tcmperalurverhalten des erfindungsgemäßen Schwingers in diesem Bereich besonders günstig.

In einer besonders vorteilhaften Aiisfiihrungsforni beträgt die gedrehte ^-Orientierung des piezoelektrischen Schwingers J4"48'. Bei diesem Wert wird, wie sich herausgestellt hat, ein besonders günstiger piezoelektrischer Schwinger erhalten.

In einer besonders vorteilhaften und erfinderischen Weiterbildung ist der piezoelektrische Schwinger an den ΛΎ'-E.idflächen befestigt, wodurch die .YV'-Biegungsschwmgungen, die an den VZ'-Fläehen ankommen, ungehindert sind. Herkömmliche Schwinger wurden an den Z'V-Endcn befestigt, wodurch über die XV-Biegungsschwingungcn Energie an die Befestigung verlorenging. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann der Gütefaktor beträchtlich vorbessert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Elektroden in der Nähe eines Fndes des Blockes angeordnet worden. Dadurch wird einerseits eine hinreichend große F.nergieeinschlußzone jnd andererseits z. B. eine nur einseitige Befestigung des Quarzschwingers erleichtert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Befestigungen des Schwingers nur an einer Endfläche des Blockes angeordnet. Dadurch läßt sich auch bei schwierigen räumlichen Verhältnissen ein befriedigender Einbau unter optimaler Platzausnutzung erreichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen herkömmlichen rechteckigen Schwinger aus einem AT-Schnitt mit ebenen Oberflächen, dessen größte Ausdehnung in Richtung der ,Y-Achse ist,

Fig. 2 einen anderen herkömmlichen rechteckigen Schwinger aus einem AT-Schnitt, der in der ,YV'-Biegungsschwingungsmodc schwingt, die sich in der -Y-Richtung fortpflanzt und bei dem ein Teil seiner Energie in dieser Schwingungsform bei den Enden der /Y-Achse oder nahe die :er Achse durch die Aufhängung absorbiert wird.

Ii g. 3 einen weiteren herkömmlichen Schwinger aus einem AT-Schnitt, der konvexe Oberflächen hat und dessen größte Ausdehnung sich entlang der -Y-Achse erstreckt,

ι Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ausbildung des Schwingers, bei der sich die größte Ausdehnung längs der Z'-Aehse erstreckt und bei der das Verhältnis (XZY') von Breite (X) i\i Dicke f V'Jsehr klein ist,

F i g. 5 einen erfindungsgemäßen rechteckigen

κι Schwinger, bei dem gezeigt ist, wie die Schwingungen der ΛΎ'-Biegungsmode an den freien V'Z'-Flächen enden, die nicht mehr dazu benutzt werden, um den Schwinger zu halten,

Fig. 6 einen erfindungsgemäßen rechteckigen

i'i Schwinger, der nur an einem Ende gehalten wird, und für den der Bereich des Energieeinfanges nicht notwendig bezüglich der Länge in der Mitte liegt,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der normierten Resonanzfrequenzen eines rechteckigen Schwingers

in aus einem AT-Schnitt als Funktio'· des Verhältnisses a/h, wobei 3 die Lan^enerstrecfj"** snt'sn" der X-Achse und b die Dickenerstreckung entlang der K'-Achse ist. Die Frequenzen sind auf die Frequenz f₀ normiert, die als

/n ⁼

lh

/ei.

definiert ist. C«, stellt den der Drehung und Dickenscherschwingungsmode entsprechenden Schermodul dar um! η steht für die Dichte. Eine solche Frequenz wäre die einer unendlich ausgedehnten Platte.

Fig. 8 die Resonanzfrequenz als Funktion der Temperatur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen rechteckigen Schwingers.

Fig. 9 den linearen Temperalurkoeffi/ien'.en der Frequenz bei 25"C für erfindungsgemäße rechteckige Schwinger,

'•'ig. 10 die dynamische Kapazität crfindungsgemäßer rechteckiger Schwinger.

Zur Erfindung gelangte man ti. a. durch -Jic folgenden Erwägungen:

1. Reine Dickenscherschwingung existiert nicht in einem Körper mit endlichen Abmessungen.

2. In einer Quarzplatte sind Dickenscherschwingungcn XVimmer mit Biegungsschwingungen in einer Ebene -YVgekoppelt.

J. Eine -YV-Biegungsschwingungsmode wird in der A'-Richtung und nicht in der Z'-Richlung fortgepflanzt.

4. Energie des Biegungsschwingungsmodes X Y'kann nicht mit aem gleichen Verfahren, das zum Einfangen der Dickenscherschwingungen benutzt wird, eingeschlossen werden.

Diese vier Erwägungen zeigen, daß man es vermeiden muß, den Schwinger an Orten, die nahe an der X-Achse liegen, zu befestigen, da sonst die dorthin gelangenden XK'-Biegungsschwingungen von der Befestigung absorbiert werden und den Gütefaktor entsprechend vermindern. Ein rechteckiger Schwinger, dessen Länge sich längs der Z'-/»-:hse erstreckt, könnte eine Lösung sein. Wenn man jedoch sehr schmale Schwinger haben möchte, d. h. solche mit einem sehr kleinen Verhältnis a/b. wo a die Breite in der Richtung Λ"und b die Dicke in

der Richtung Y'ist, wie in F"ig.4 gezeigt, wo ζ. Π. a/b ungefähr gleich 2,8 wäre, ist die Kopplung zwischen der Dickcnscherschwingung und der Biegungsschwingung XY' ungeheuer groß und keine der Eigenschaften, die aus dieser Kopplung folgen, ist bekannt außer der ^r> Resonanzfrequenz. Hier liegt die erste Schwierigkeit, denn die Resonanzfrcquem: hängt nicht nur von der Dicke, sondern auch in einem sehr starken Maße von der Breite ab, wie in Fig. 7 gezeigt wird. So verursacht z. B. in einem 4-MHz-Qiiarzschwinger mit einem in Brcitc-Dickc-Vcrhältnis von 3 (AYV= 3) gemäß der Erfindung die Änderung von '/inoomm der Breite (X) eine frequenzänderung von 1,6 kHz, d.h. 400 ppm. Es müssen also ν ährcnd der Herstellung sehr enge Toleranzen in zvci Richtungen statt in einer Richtung r> eingehalten werden. Diese Schwierigkeil kann durch chemische Ätzung während des Abstimmvorgangs bewältigt werden. Andere Schwierigkeiten werden

.~ YZV'.VorhSllnicc

den. die in dieser Erfindung vorgeschlagen werden.

Durch Berechnung des Verhallens der Resonanzfrequenz als Funktion der Temperatur wurde eine Erweiterung der bestehenden Theorien erreicht. E i g. 8 zeigt eine Kurve, die einer solchen Berechnung folgt. Solche Kurven ähneln denen der ΛΤ-Schnitt-Schwinger, aber sie sind asymmetrisch und haben einen Wendepunkt, der bei höheren Temperaturen liegt, als Jcr der antisymmetrischen Kurven des gewöhnlichen AT-Schwingcrs. Der untere Umkehrpunkt kann z. B. in die Gegend von 25"C gelegt werden und der Abschnitt der zugehörigen Parabel ist sehr offen und erstreckt sich mindestens bis 50" C. Dieses quadratische Verhalten ist sehr günstig für Schwinger, die bei Umgebungstemperaturen arbeiten sollen, wie sie z. B. bei einer Armbanduhr gefunden werden können.

F i g. 9 gibt den linearen Temperaturkoeffizienten der Frequenz Ti bei 25 als Funktion der Abmessunj svcrhältnisse und für verschiedene Winkel dc.-> Schnitte an. Die Kurven 2, 4, 6, 8, 10 und 12 sind für einen Winkel von 35 15' berechnet, die Kurve (v; für 34 30' und Kurve 8.) für 34 3b'. Die Kurven 4', 6', 8', 10' und 12' sind für einen Winkel des Schnittes von 35 15' und die Kurve 4" für einen Winkel des Schnittes von 34 43' gemessen. Die Kurven 6' und 10' werden durch die Flächcnschcrschwingung. die durch die Theorie nicht berücksichtigt wurde, gestört. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment hat sich als recht gut herausgestellt, dies insbesondere für die Werte des Verhältnisses a/b. die den Scheitelpunkten der Kurven entspricht. Solche Ergebnisse scheinen neu zu sein und zeigen, daß 77in parabolischer und zyklischer Weise von dem Abmesstingsvcrhällnis a/h abhängt.

Wie in Fig. 10 gezeigt wird, hängt der Wert der dynamischen Kapazität G in gleicher Weise in einer parabolischen und zyklischen Weise vom Verhältnis a/b ab.

Kurven 4/). 66. 8/>, iOb und 126 stellen gemessene Werte dar. G ist in der Umgebung der Werte des Verhältnisses a/h maximal, die den Scheitelpunkten der Parabeln von //entsprechen.

letzt wird auf die I i g. 4, 5 und b Bezug genommen. Diese zeigen Ausfiihrungsformcn, durch die clic Erfindung ausgeführt werden kann. So zeigt F ig. 4 die Anordnung des Quarzes im Verhältnis zu seiner kristallographischcn Achse, wobei c die iJingc ist und der 7- -Achse folgt,;/ die Breite längs der X-Achse und /> die Dicke !sn*⁷?: der V'-Achsc is*, !π \'\^σ. *» ^¹IrH ein befestigter Quarzbiock gezeigt, der wie in I i g. 4 ge/cigl. geschnitten wurde. Daraus ist ersichtlich, dal! die zentrale Elektrodenanordnung /: über die Breite ;; dergestalt ist. daß sie einen Dickcnschcrmode A)" gekoppelt mit einer Biegungsschwingung ebenfalls A )
hervorruft. Bei der Richtung /T'kann in diesem Fall eine Art Dickentorsionsschwingung entstehen. Im Hinblick auf die Wahl und die Anordnung der Elektroden /:'wird das E"crgic-F.infang-Prinzip zur Anwendung kommen, so daß eine exponentiell Verminderung dieser letzteren Schwingungen in Richtung auf die Enden des Blocks, die als Bcfcstigungspi'nktc benutzt werden, erhalten wird. Solche Schwinger wurden z. B. für 4.19 MHz mit einem l.ängeCZ'/'-DickcfV/'-Vcrhältnis 25. einem Brcitc'A^-Dickc-f Y")-Verhältnis 3,125 und dem Gütefaktor von mehr als 500 000 hergestellt.

Darüber hinaus ist es unnötig, wie durch die Anordnung der F i g. 6 gezeigt wird, daß die Zone der eingeschlossenen Energie im Zentrum des Schwingers bezüglich seiner l.änge liegt und man kann die Anordnung sogar so treffen, daß der Schwinger an einem einzelnen Außencndc befestigt wird. So ist in I i g. 6 die Elcktrodenzonc /: in der Nähe, obwohl etwas entfernt davon, eines Endes des Schwingers, während die Verbindiingselektroden am anderen finde des Schwingers sind; es ist verständlich, daß der Schwinger selbst mit einem Ende befestigt sein kann. Hiermit kann ebenso wie mit der Ausführungsform nach F i g. 5 ein sehr hoher Gütefaktor erreicht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Schwinger in rechteckiger Blockform, aus einem Quarzkristall in einer gedrehten K-Orientierung von ungefähr 35°0', dessen größte Ausdehnung längs der Z'-Achse ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzblock (Fig.4) bei einem Breite(A>Dicke(V"J-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 1,1 und 1,9 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der f-VVy-Dickenscherschwingung mit der zweiten Harmonischen der fXV'^Bicgungsschwingung bestimmt ist;

daß der Quarzblock (Fig.4) bei einem Breite^- Dickef V'j-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 2,2 und 3,6 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der fXK'^-Dickenscherschwingung _mit der vierten Harmonischen der fA"Vy-Biegungsschwingui.g bestimmt ist;

daß der Quarzblöck (Tig.4) bei einem BreitcfA,¹-Dickef VJ-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 3,6 und 5,3 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der fXKy-Dickenscherschwingung mit der sechsten Harmonischen der fXVJ-Biegungsschwingung bestimmt ist;

daß der Quarzblock (Fig.4) bei einem Brehe(X)-DickefK'^-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 5,1 und 6,8 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der f-YV'^-Dickenscherschwingung mit der achte· Harmonischen der (XVj-Biegungsschwingung bestimmt ist;

duß der Quarzblock (Fig.4) bei einem BreitefA^- Dickei'V'V-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 6,5 und 8,4 auf einer Frequenz beüieben wird, die durch Kopplung der fXV^-Dickenscherschwingung mit der zehnten Harmonischen der fXK'J-Biegungsschwingung bestimmt ist.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß er an seinen (einander gegenüberliegenden) XZ'-Oberflächen mit Elektroden versehen ist, die sich über die ganze Breite X des Schwingers erstrecken und deren Länge wesentlich kürzer als die Länge des Schwingers ist, um eine Energieeinfangzone innerhalb des Abschnittes des Schwingers zwischen den Elektroden /u schaffen.

3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, dal} die gedrehte V-Orientierung im Bereich von 34"48' liegt.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gedrehte V-Orientierung 34°48' beträgt.

5. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er an den A'V-Endflächen befestigt ist, wodurch die XV-Biegungsschwingungen, die an den V'Z'-Flächen ankommen, ungehindert sind.

6. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in der Nähe eines Endes des Blockes angeordnet sind.

7. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungen des Schwingers (Fig.6) nur an einer Endfläche des Blockes angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen

Schwinger in rechteckiger Blockform, aus einem Quarzkristall in einer gedrehten V-Orientierung von ungefähr 35"0', dessen größte Ausdehnung längs der

> Z'-Achse ist.

Solche Schwinger sollen u. a. und vorzugsweise in Armbanduhren verwandt werden. Bei einer solchen Verwendung bringt der Quarzschwinger v'rele Probleme mit sich, die bei anderen Anwendungen nicht oder nicht ίο in diesem Ausmaße auftreten. Im Hinblick auf relativ große Schwankungen der Temperatur ist es wünschenswert, einen Schwinger mit einer möglichst flachen Temperaturcharakteristik zu schaffen. Ferner sollte ein solcher Schwinger eine hohe dynamische Kapazität ι· haben. Wegen der starken Stöße, denen ein solcher Kristall fortwährend ausgesetzt ist, müssen die Befestigungsanordnungen völlig sicher sein und dürfen auf keine Weise die Frequenz des Kristalls beeinPiUssen.

Es wurde schon vorgeschlagen, daß, wo ein J» Hochfrequenzquarz benutzt werden soll, dieser vom AT-Typ sein so", bei dem natürlich, wie wohl bekannt, die Hauptschwingungen in der Dickenscherung auftreten.

Rechteckige Formen für einen Quarzkristall sind den 2) für Frequenzen von mehr als 1 MHz schon verwendeten Kristallen von kreisrunder Linsenform (vgl. GB-PS 14 01 042) vorzuziehen, da die Kristalle mit Linsenform einen größeren Raumbedarf aufweisen und Schwierigkeiten bei Herstellung und Montage machen. Eine to Verkleinerung des Durchmessers solcher linsenförmiger Kristalle vermindert den Gütefaktor stark und löst das Problem der kostspieligen Herstellung nicht.

Piezoelektrische Schwinger der angegebenen Gattung sind aus der US-PS 23 06 909 bekannt,
π Bei diesen Schwingern wurde die Z'-Richtung aber nicht ausdrücklich als Richtung der größten Ausdehnung bevorzugt. Vielmehr sind die dort beschriebenen Schwinger beinahe quadratisch.

Ferner haben auch die dort beschriebenen Schwinger. 4i) bei denen die Erstreckung in Z'-Richlung die Erstrckkung in X-Richtung überwiegt, ein relativ großes Verhältnis a/b, wobei a die Erstreckung in X-Richtung und b die Erstreckung in V'-Richiung ist. Dieses Verhältnis wird in der US-PS 23 06 909 vor allem π deswegen so groß gewählt, weil bei kleinen Verhältnissen a/b die Kopplung zwischen den (XV/Dickenschcrschwingungen und den fXV'j-Biegungsschwingungcn sehr stark wird. Eine solche Kopplung soll aber in der US-PS 23 06 909 gerade vermieden werden. So isl es ■>» aber nicht möglich, Quarzschwinger mit den gewünschten kleinen Abmessungen herzustellen, da die das Verhältnis mitbestimmende K'-Erslrcckung b zur Erzielung bestimmterJrcquenzen und zur Wahrung der mechanischen Stabilität eine bestimmte Mindestabmes- Y, sung haben muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwinger der angegebenen Gattung zu schaffen, der weiter erheblich verkleinerte Abmessungen aufweist und bei dem durch die geeignete Wahl der Dimensionierung gleichzeitig Mi sein Temperaturverhalten verbessert und ein hoher Gütefaktor erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet insbesondere b^r) folgende Vorteile:

Überraschenderweise zeigt sich, daß bei den angegebenen Abmessungen, bei denen eine bislang vermiedene starke Kopplung zwischen der fAT^-Dickenscner-