DE2752734B1

DE2752734B1 - Als Obertonresonator verwendeter Dickenscherschwinger

Info

Publication number: DE2752734B1
Application number: DE2752734A
Authority: DE
Inventors: Werner Mattuschka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-11-25
Filing date: 1977-11-25
Publication date: 1979-04-26
Also published as: FR2410391B1; US4188557A; IT1100292B; IT7830049A0; FR2410391A1

Description

IL f

= (4 bis 5) · 10"

bestimmt ist, wobei f die Betriebsfrequenz des Resonators ist. 5»

Die Erfindung bezieht sich auf einen als Obertonresonator verwendeten Dickenscherschwinger für einen quarzstabilisierten Oszillator im MHz-Bereich, wobei die Verwendung des zur Zusammenarbeit mit einer im wesentlichen aperiodischen Schwingschaltung bestimmten Resonators ohne zusätzliche Frequenzselek- bo tionsmittel durch bestimmte Abmessungsverhältnisse des Resonators ermöglicht ist.

Ein solcher Resonator ist aus der DE-AS 26 41 571 bekannt. Dieser Resonator kann ohne zusätzliche Selektionsmittel zusammen mit einer insbesondere in μ integrierter Schaltungstechnik erstellten aperiodischen Schwingschaltung entweder mit der dritten oder fünften Harmonischen oder Resonatorgrundfrequenz betrieben werden, wobei jeweils die Grundschwingung und die dritte Harmonische beim Betrieb mit der fünften Harmonischen oder die Grundichwingung und die fünfte Harmonische beim Betrieb mit der dritten Harmonischen in ausreichender Weise durch bestimmte Abmessungen des Resonators selbst und seiner Anregungselektroden unterdrückt wird.

Liegt die gewünschte Betriebsfrequenz des Resonators und der Oszillatorschaltung jedoch z. B. in dem für den dritten Oberton eines Dickenscherungsschwingers relativ niedrigen Frequenzbereich von ca. 10 bis 25 MHz, so kann es bei bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere auch durch den Einfluß der integrierten Schaltung, zu einer nicht genügenden Unterdrückung der fünften Harmonischen kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Resonator der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei diesem eine noch bessere Unterdrückung des Grundtones und der unerwünschten Harmonischen gewährleistet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 entsprechende Ausbildung eines solchen Resonators gelöst.

Daß die bi- bzw. plankonvexe, also halblinsenförmige oder linsenförmige Ausbildung plattenförmiger Dickenscherungsschwinger, die kreisscheibenförmig ausgebildet sind oder in Form rechteckiger oder quadratischer Platten vorliegen, gegenüber solchen Dickenscherungsschwingern, die planparallele große Oberflächen aufweisen, Vorteile bringen können, ist schon seit langem bekannt, z. B. aus der DE-AS 10 81 065 oder der DE-AS 12 44 250. So ist z. B. in Spalte 4, Zeilen 28 bis 32 der DE-AS 10 81 065 ausgeführt, daß durch die linsenförmige Ausbildung eines piezoelektrischen Resonators, der als Dickenscherungsschwinger betrieben wird, die Randschwingungen ohnehin schon schwächer sind, als bei Körpern mit ebenen Begrenzungsflächen. Im allgemeinen führt dies dazu, daß der Durchmesser bzw. die Diagonale eines Resonators mit linsenförmiger oder halblinsiger Ausbildung kleiner gemacht werden kann, als bei solchen Resonatoren, die planparallele Begrenzungsflächen aufweisen, so daß z. B. die Gefahr des Zerbrechens solcher Resonatoren vermindert werden kann. Darüber hinaus befaßt sich die DE-AS 10 81 065 jedoch nur mit Maßnahmen, die beim Betrieb eines piezoelektrischen Resonators in der Grundschwingung die Unterdrückung parasitärer Nebenwillen ermöglicht und die DE-AS 12 44 250 mit der Erzeugung sog. Dickenscherungs-Randschwingungen der zweiten oder dritten Ordnung, die jedoch keine ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung eines solchen piezoelektrischen Resonators sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Anhand von vier Figuren werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung noch näher erläutert.

Dabei zeigen in grobschematischer Darstellung

F i g. I einen kreisscheibenförmigen plankonvexen,

F i g. 2 einen kreisscheibenförmigen bikonvexen,

F i g. 3 einen quadratischen und

F i g. 4 einen rechteckförmigen Resonator, wobei die beiden letzteren ebenfalls entweder plan- oder bikonvex ausgebildet sind.

Im einzelnen ist den Figuren zu entnehmen, daß bei den entweder kreisscheibenförmigen, quadratischen oder rechteckigen Resonatoren 1 zumindest eine der beiden großen Oberflächen 2 linsenförmig gewölbt ist.

Der Bereich maximaler Dicke befindet sich daher in der Mitte des Resonators. Diese maximale Dicke d soll in Millimetern den Wert η ■ 1700)//haben, wobei anstelle von f die gewünschte Betriebsfrequenz in kHz einzusetzen ist und π die Ordnungszahl der gewählten Harmonischen ist Dies ergibt z. B. bei einer Betriebsfrequenz von 20 MHz und einem Betrieb des Resonators mit der 3. Harmonischen (n = 3) eine maximale Resonatordicke von ca. 0,25 mm. Der Durchmesse! D des Resonators bei kreisscheibenförmiger Ausbildung ι ο des Resonators ist ca. (54 bis 72)/n-mal so groß wie die maximale Dicke des Resonators zu wählen. Somit ergibt sich ein Resonatordurchmesser Dbei einer Betriebsfrequenz von 20 MHz im 3. Oberton von ca. 5 mm, wobei

als Multiplikator der Wert y = 20 gewählt worden ist. '⁵ Bei quadratischem oder rechteckförmigem Resonatorformat ist die Diagonale D ebenfalls (54 bis 72)/n-mal so groß wie die maximale Dicke des Resonators zu bemessen.

Der Resonator kann entweder plankonvex, also halblinsig, oder bikonvex, also mi* linsenförmigem Querschnitt versehen werden.

Bei plankonvexer Ausbildung des Resonators ist der Linsenradius 3 so zu bemessen, daß sich sein Wert aus der Multiplikation der reziproken maximalen Dicke des Resonators mit einem zwischen 140 und 180 liegenden Zahlenwert ergibt. Ein Dickenscherungsschwir jer für die Betriebsfrequenz von 20 MHz ist daher bei einer maximalen Dicke von 0,25 mm und einem Durchmesser jo von 5 mm bei plankonvexer Ausbildung des Resonators mit einem Linsenradius 3 von etwa 600 mm zu versehen, wobei als Multiplikator der Wert 150 verwendet wurde. Bei einer ebenfalls möglichen bikonvexen, also linsenförmigen Ausbildung des Resonators ist für die Linsenradien 4 der doppelte Wert des Linsenradius 3 anzusetzen. Somit ergibt sich für die Linsenradien 4 bei bikonvexem Resonator ein Wert von 1200 mm. Gleiche Wer'e für den Linsenradius 3 bzw. die Linsenradien 4 sind auch bei einer quadratischen oder rechteckförmigen Ausbildung des Resonators zu wählen.

Um die Selektivität des Resonators bezüglich der gewünschten z. B. der dritten Harmonischen noch weiter zu verbessern, ist der Durchmesser der konzentrisch zum Resonatormittelpunkt vorgesehenen Anregungselektroden 5, die bei allen Resonatorformaten im wesentlichen vorteilhaft kreisförmig ausgebildet sind, etwa gleich dem 0,4- bis 0,5fachen von D, also dem Resonatordurchmesser oder der Resonatordiagonalen zu wählen. Bei einem Resonatordurchmesser von 5 mm sind daher die Anregungselektroden mit einem Durchmesser von ca. 2,5 mm zu versehen.

Die Elektrodenmasse, d. h. die Menge des auf den Resonator zur Bildung der Elektroden aufzudampfenden oder jedenfalls auf diesen aufzubringenden leitenden Materials, ist so zu wählen, daß der noch unbeschichtete, also nackte Resonator, etwa eine um

Af-

IO-³· f

(4 bis 5)

höhere Schwingfrequenz aufweist, als die gewünschte Betriebsfrequenz f. Bei einer Betriebsfrequenz von 20MHz ist also der nackte Resonator bei der Feinbearbeitung so zu bemessen, daß er mit einer Frequenz von /= 20,080 bis 20,100 MHz schwingt. Diese Schwingfrequenz ist dann durch eine so lange fortgesetzte Beschichtung oder Bedampfung des Resonators mit Elektrodenmaterial herabzusetzen, bis die gewünschte Betriebsfrequenz von 20 MHz erreicht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Als Obertonresonator verwendeter Dickenscherschwinger für einen quarzstabilisierten Oszillator im M Hz-Bereich, wobei die Verwendung des zur Zusammenarbeit mit einer im wesentlichen aperiodischen Schwingschaltung bestimmten Resonators ohne zusätzliche Frequenzselektionsmittel durch bestimmte Abmessungsverhältnisse des Resonators ermöglicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der als plan- oder bikonvexe Scheibe ausgebildete Resonator (1) mit einer maximalen Resonatordicke (d) in Millimetern von ca. (λ ■ 1700)//versehen ist, wobei /die Betriebsfrequenz in kHz und η die Ordnungszahl der erwünschten Harmonischen ist, daß der Radius (3) der konvoxen Wölbung des Resonators in Millimetern bei plankonvex ausgebildetem Resonator ca. das 140- bis 180fache des Kehrwertes der maximalen Resonatordicke (d) und bei bikonvex ausgebildetem Resonator ca. das 280 bis 360fache dessen (d) ist und daß bei im wesentlichen kreisscheibenförmiger Resonatorkonfiguration der Resonatordurchmesser (D) und bei im wesentlichen rechteckförmiger Resonatorkonfiguration die Rechteckdiagonale (D) gleich ca. dem (54 bis 72)/n-fachen der maximalen Resonatordicke bemessen ist.

2. Obertonresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der konzen- jo trisch zum Scheibenmittelpunkt auf den beiden großen Oberflächen des Resonators (1) einander gegenüberliegend angeordneten Anregungselektroden (5) ca. dem 0,4- bis 0,5fachen des Durchmessers (D) bei im wesentlichen kreisscheibenförmigem r> Resonator oder der Diagonalen (D) bei im wesentlichen rechteckförmigem Resonator entspricht.

3. Obertonresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Anregungselektroden (5) durch einen relativen Frequenzunterschied zwischen dem elektrodenfreien (nackten) und dem mit den Anregungselektroden (5) versehenen Resonator (1) von ca.