DE2701416C3

DE2701416C3 - Piezoelektrischer Schwinger in rechteckiger Blockform

Info

Publication number: DE2701416C3
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: 1980-01-31
Also published as: JPS5290289A; US4071797A; GB1572810A; FR2339197B1; DE2701416B2; FR2339197A1; CH607450A5; DE2701416A1

Description

schwingung und der (Xyy-Biegungssehwingung auftriu, ein besonders günstiges Temperaturverhalten des Schwingers erzielt werden kann. Ferner ergeben die angegebenen 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 sich ergebenden Abmessungsverhältnisse eine besonders günstige Ausnutzung der an sich bekannten Energieeinschlußtechnik und sie erlauben ferner uine 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) A'Z'-Oberflächen mit Elektroden versehen, die sich über die ganze Breite X des Schwingers erstrecken und deren Länge wesentlich kurzer als die Länge des Schwingers ist, um eine Energieein.angzone 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 ^-Orientierung im Bereich von 34°^8'. Wie sich herausgestellt hat, ist das Temperaturverhalten des erfindungsgemäßen Schwingers in diesem Bereich besonders günstig.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beträgt die gedrehte VOrientierung des piezoelektrischen Schwingers 34"48'. Bei diesem Wert wird, wie sich herausgestellt hat. ein besonders günstiger piezoelektrischer Schwinger erhalten.

In einer besonders vorteilhaften und erfinderischen Weiterbildung ist der piezoelekirische Schwinger an den XV"-Enu."lächen befestigt, wodurch die A^-V-BiC-gungsschwingungen, die an den VZ'-Flächen ankommen, ungehindert sind. Herkömmliche Schwinger wurden an den Z'V-Enden befesngt. wodurch über die X V-Biegungsschwingungen Energie an die Befesiigung verlorenging. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann der Güiefaktor beträchtlich verbessert werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Elektroden in der Nähe eines Enc'es des Blockes angeordnet worden. Dadurch wird einerseits eine hinreichend große Energieeinschluß/one unii andererseits /. 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 Platzausnul/ung erreichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der /eich nungcn näher erläutert. Es zeigt

F i g. I einen herkömmlichen rechteckigen Schwinger aus einem AT-Schnitt mit cbt-ncn Oberflächen, dessen größte Ausdehnung in Richtung der -Y-Achse ist,

F ig, 2 einen anderen herkömmlichen rechteckigen Schwinger aus einem AT-Schnitt, der in der XY'<B'\cgungsschwingungsiflöde schwingt, die sich in der ^'Richtung fortpflanzt und bei dem ein Teil seiner Energie in dieser Schwingüngsform bei den Enden der »V'Achse oder nahe diesel Achse durch die Aufhängung absorbiert wird,

F i g. 3 einen weiteren herkömmlichen Schwinger aus einem AT-Schnitt, der konvexe Oberflächen hat unrl dessen größte Ausdehnung sich entlang der A^--AChSe erstreckt,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ausbildung des Schwingers, bei der sich die größte Ausdehnung längs der Z'-Achse erstreckt und bei der das Verhältnis (XZY') von Breite (X)zu Dicke f V/sehr klein ist,

F i g. 5 einen erfindungsgemäßen rechteckigen

ίο Schwinger, bei dem gezeigt ist, wie die Schwingungen der XV-Biegungsmode an den freien VZ'-Flächen enden, die nicht mehr dazu benutzt werden, um den Schwinger zu halten,

Fig. 6 einen erfindungsgemäßen rechteckigen

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

Fig. 7 eine graphische Darstellung der normierten Resonanzfrequenzen eines rechteckigen Schwingers aus einem AT-Schnitt als Funktion .;s Verhältnisses a/b, wobei a die Längenerstreukung entlang der X-Achse und b die Dickenerstreckung entlang der V-Achse ist. Die Frequenzen sind auf die Frequenz Ft, normiert, die als

2b

definiert ist. C₆₆ stellt den der Drehung und Dickenscherschwingungsmode entsprechenden Schermodul dar und ο steht für die Dichte. Eine solche Frequenz wäre die einer unendlich ausgedehnten Platte,
π Fig. 8 die Resonanzfrequenz als Funktion der Temperatur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen rechteckigen Schwingers,

Fig.9 den linearen TemperaturkoeffizRenten der Frequenz bei 25 C für erfindungsgemäße rechteckige Schwinger.

Fg. 10 die dynamische Kapazität erfindungsgemäßer rechteckiger Schwinger.

Zur Erfindung gelangte man u. a. durch die folgenden Erwägungen:

^4> 1. Reine Dickenscherschwingung existiert nicht in einem Körper mit endlichen Abmessungen.

2. In einer Quarzplatte sind Dickenscherschwingun· gen X Vimmei mn Biegungsschwingungen in einer

_5n Ebene AT'gekoppelt.

3. Eine XV-Biegungsschwingungsmode wird in der ^Richtung und nicht in der Z'-Richtung fonge-

4. Energie des Biegungsschwingungsmodes X Vkann nicht mit dem gleichen Verfahren, uas /um Einfangen der Dickenscherschwingungen benutzt wird, eingeschlossen werden.

Diese vier Erwägungen zeigen, daß man es vermeiden w muß. den Schwinger an Orten, die nahe an der X-Achse liegen, zu befestigen, da sonst die dorthin gelangenden A'V'Biegungsschwingürigen von der Befestigung absorbiert Werden und den Gütefaktor entsprechend vermindern. Ein rechteckiger Schwinger, dessen Länge sich längs def Z'-Achs\i erslieckt, könnte eine Lösung sein, Wenn man jedoch sehr sehmale Schwinger haben möchte, d. h. solche mit einem sehr kleinen Verhältnis ii/b. Wo adie Breite in der Richtune Xund bd\e Dicke in

der Richtung V ist, wie in Fig.4 gezeigt, wo z. 13. a/b ungefähr gleich 2,8 wäre, ist die Kopplung zwischen der Dickenschcrschwingung und der Biegungsschwingung XV" ungeheuer groß und keine der Eigenschaften, die aus dieser Kopplung folgen, ist bekannt außer der Resonanzfrequenz. Hier liegt die erste Schwierigkeit, denn die Resonanzfrequenz hängt nicht nur von der Dicke, sondern auch in einem sehr starken Maße von der Breite ab, wie in F i g. 7 gezeigt wird. So verursacht 3. B. in einem 4-MHz-Qüarzschwinger mit einem Breite-Dicke-Verhältnis von 3 {X/Y'—i) gemäß der Erfindung die Änderung von '/iooo mm der Breite (X) eine Frequenzänderung von 1,6 kHz, d. h. 400 ppm. Es müssen also während der Herstellung sehr enge Toleranzen in zwei Richtungen statt in einer Richtung eingehalten werden. Diese Schwierigkeit kann durch chemische Ätzung während des Abslimmvorgangs bewältigt werden. Andere Schwierigkeiten werden durch die Auswahl von A/K'-Verhältnissen überwunden, die in dieser Erfindung vorgeschlagen werden.

Durch Berechnung des Verhaltens der Resonanzfre quenz als Funktion der Temperatur wurde eine Erweiterung der bestehenden Theorien erreicht. F i g. 8 zeigt eine Kurve, die einer solchen Berechnung folgt. Solche Kurven ähneln denen der AT-Schnitt-Schwinger. aber sie sind asymmetrisch und haben einen Wendepunkt, der bei höheren Temperaturen liegt, als der der antisymmetrischen Kurven des gewöhnlichen AT-Schwingcrs. Der unlere 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 Umgebungstemperatüren arbeiten sollen, wie sie z. B. bei einer Armbanduhr gefunden werden können.

F i g. 9 gibt den linearen Temperaturkoeffizienten der Frequenz 77 bei 25" als Funktion der Abmessungsverhältnisse und für verschiedene Winkel des Schnittes an. Die Kurven 2, 4, 6, 8, 10 und 12 sind für einen Winkel von 35" 15' berechnet, die Kurve 6a für 34^c30' und Kurve 8,7 für 34°36'. Die Kurven 4', 6', 8', 10' und 12'

ιό

20

25

35

40

OttlVJ tll CiIlXIt tnrt Itll CiIlX-It TT tnr\t_t Ut-A Ο\.ΙΙΙΙΙΙΙ\,3 VlMI JJ

Kurve 4" für einen Winkel des Schnittes von 34°48' gemessen. Die Kurven 6' und 10' werden durch die Flächenscherschwingung. 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 Tf in parabolischer und zyklische^ Weise von dem Abmcssungsverhälfriis a/babhängt.

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

Kurven 4b, 6ö, Sb, lOb und Ι2ύ stellen gemessene Werte dar. Q ist in der Umgebung der Werte des Verhältnisses a/b maximal, die den Scheitelpunkten der Parabeln von ^entsprechen.

letzt wird auf die Fig.4. 5 und 6 Bezug genommen. Diese /eigen Ausführungsformcn, durch die die Erfindung ausgeführt werden kann. So zeigl Fig.4 die Anordnung des Quarzes im Verhältnis zu seiner kristallographischen Achse, wobei c die Länge ist und der Z'-Aehse folgt,«-? die Breite längs der X-Achse und b die Dicke längs der V'-Achsc ist In Fig. 5 wird ein befestigter Quarzblock gezeigt, der wie in F i g. 4 gezeigt, geschnitten wurde. Daraus ist ersichtlich, daß die zentrale Elektrodenanordnung E über die Breite a dergestalt ist. daß sie einen Dickcnschcrmode XY' gekoppeil mit einer Biegungsschwingung ebenfalls XY' hervorruft. Bei der Richtung Z'kann in diesem FaI! eine Art Dickenlorsionsschwingung entstehen. Im Hinblick auf die Wahl und die Anordnung der Elektroden E wird das Enogie-Einfang-Prinzip zur Anwendung kommen, so daß eine exponentiell Verminderung dieser letzteren Schwingungen in Richtung auf die Enden des Blocks, die als Be'estigungspunkle benutzt werden, erhalten wird. Solche Schwinger wurden z. B. für 4,19 MHz mit einem LängefZ'^-DickefVJ-Verhältnis 25. einem BreitefAV-Dicke-fV")-Verhältnis 3,125 und dem Gütefaktor von mehr als 500 000 hergestellt.

Darüber hinaus ist es unnötig, wie durch die Anordnung der Fig. 6 gezeigt wird, daß die Zone der eingeschlossenen Energie im Zentrum des Schwingers bezüglich seiner Länge liegt und man kann die Anordnung sogar so treffen, daß der Schwinger an einem einzelnen Außenende befestigt wird. So ist in

Γ7 : ~ c J:~ rl-1.* ι r-:_ j .. hisL. -ι. .1.1 .... ..

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entfernt davon, eines Endes des Schwingers, während die Verbändungseleklroden am anderen Ende des Schwingers sind; es ist verständlich, daß der Schwinger selbst mit einem Ende befestigt sein kann. Hiermit kann ebenso wie mit der Ausführungsform nach Fig.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 !'-Orientierung von ungefähr 35°0', dessen größte Ausdehnung längs der Z'-Achse ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzblock (Fig.4) bei einem Bre'ne(X)-Dlcke(Y')-Vsrhältnis aus dem Bereich zwischen 1,1 und 1,9 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der (XK'^-Dickenscherschwingung mit der zweiten Harmonischen der (VCK'j-Biegungsschwingung bestimmt ist;

daß der Quarzblock (Fig.4) bei einem Breite^)-Dickef y^-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 1$. und 3,6 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der (XVy-Dickenscherschwingung mit tier vierten Harmonischen der (TiV^-BiegungsfchwingungLjstimmtist; daß der Qu.sryhlock (Fig. 4) hei einem Breite/Ά",)-Dicke(Y')-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 3,6 lind 5,3 auf einer Frequenz betrieben wird, die durch Kopplung der fXVy-Dickenscherschwingung mit der sechsten Harmonischen der (XY')-R\z%\mg%-schwingung bestimmt ist;

daß der Quarzblock (Fig. 4) bei einem BreitefX,)-DickefK'J-Verhältnis aus dem Bereich zwischen 5,1 lind 6,8 auf einer Frequenz beirieben wird, die durch Kopplung der (-YV^-Dickenscherschwingung mit der achten Harmonischen der f-fyV-Biegungs- »chwingung bestimmt ist;

daß der Quarzblock (F ig-4) b<:i einem Breile(A> DickefV"/-Verhältnis aus Jern Bereich zwischen 6.5 lind 8,4 auf einer Frequenz betrie en wird, die durch Ji Kopplung der fXVy-Dickcnscherschwingung mit der zehnten Harmonischen der f-YV^-Biegungs lchwingung bestimmt ist.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß er an seinen (einander 4n gegenüberliegenden) Λ/'-Oberflächen mit Elektro den versehen ist. die sich über die ganze Breite X de«. Schwingers erstrecken und deren Länge wesentlich kürzer als die Länge des Schwingers ist. um eine l-nergieeinfang/one innerhalb des Abschnittes des « Schwingers /wischen den f lektrodcn /u schaffen.

5 Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 »der 2. dadurch gekennzeichnet, daß die gedrehte V-Orientieriing im Bereich von 34 48' liegt.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der >o Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet. <ljß die fedrehtc V Orientierung 34 48' beträgt.

5 Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß er •n den YV-Endflächen befestigt ist. wodurch die 5> XV'-Biegtingsschwingiingcn, die <in den Y'/'Fla· then ankommen, ungehindert sind.

6 Piezoeleklriulu'r Schwinger nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in der Nahe eines F.ndes des Blockes angeordnet sind,

7t Piczöelckirischer Schwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich· tictj daß die Befestigungen des Schwingers (Fi g. 6) nur ah einer Endfläche des Blockes angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger in rechteckiger Blockform, aus einem Quarzkristall in einer gedrehten /-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 vielt Probleme mit sich, die bei anderen Anwendungen nicht oder nicht 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 Paben. 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 beeinflussen.

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

Rechteckige Formen für einen Quarzkristall sind den für Frequenzen von mehr als 1 MHz schon verwendeten Kristallen von kreisrunder Linsenform (vgl. GB-PS 14 01 042) vorzuziehe ι, da die Kristalle mit Linsenform einen größeren Raumbedarf aufweisen und Schwierigkeiten bei Herstellung und Montage machen. Eine 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 I)S- PS 23 06 909 bekannt.

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, bei denen die Erstreckung in Z'-Richtung die Erstrekkung in X-Richtung überwiegt, ein relativ große·. Verhältnis n/b. wobei a die Erstreckung in XRichlung und b die Erstreckung in V-Richtung ist. Dieses Verhältnis wird in der US-PS 2 3 06 909 vor allem deswegen so groli !'t-wählt. weil bei kleinen Verhältnissen a/f>die Kopplung zwischen den (X Y>Dickenscher schwingungen und den fXVy-Biegungsschwingungcn sehr stark wird. Eine solche Kopplung soll aber in der US-PS 23 06 909 gerade vermieden werden. So ist es aber nicht möglich. Quarzschwinger mit den gewünsch ten kleinen Abmessungen herzustellen, da die das Verhältnis mitbestimmende V'Erstreckung /7 zur Erzielung bestimmter Frequenzen und zur Wahrung der mechanischen Stabilität eine bestimmte Mindestabmes sung haben muß.

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

Diese Aufgäbe wird effiridiihgsgcniiiß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindufigsgemäße Lösung bietet insbesondere folgende Vorteile:

Überraschenderweise zeigt sich, daß bei den arigegc^ beneri Abmessungen, bei denen eine bislang vermiedene starke Kopplung zwischen der (AY'^Dickenschep