DE2701416C3 - Piezoelektrischer Schwinger in rechteckiger Blockform - Google Patents
Piezoelektrischer Schwinger in rechteckiger BlockformInfo
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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,
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 34c30' und
Kurve 8,7 für 34°36'. Die Kurven 4', 6', 8', 10' und 12'
ιό
20
25
35
40
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 .... ..
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 (6)
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;
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
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR (1) | FR2339197A1 (de) |
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