DE2849782A1

DE2849782A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2849782A1
Application number: DE19782849782
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Ikeno; Tetsuro Konno; Mitsuyuki Sugino; Hirobumi Yanagi
Original assignee: Seikosha KK
Current assignee: Seikosha KK
Priority date: 1976-09-15
Filing date: 1978-11-16
Publication date: 1979-05-17
Also published as: JPS5336494A; US4114062A; FR2409602A1; GB2011705B; GB2011705A; FR2365240A1; DE2641571B1; DE2849782C2; FR2409602B1; US4262227A; FR2365240B1; GB1575718A; JPS5470789A; JPS6255324B2; CH615540A5; NL7710102A; JPS5829890B2

Description

Anmelder: Kabushiki Kaisha Seikosha, 6-21, 2-chome, Kyobashi, Chuo-ku, Tokyo, Japan

Piezoelektrischer Schwinger

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger, insbesondere einen Schwingquarz für Dickenscherschwingungen, mit einem AT-Schnitt oder BT-Schnitt, oder einen keramischen S chw inge r .

Der Erfindung liegt die experimentell bestätigte Erkenntnis zugrunde, daß piezoelektrische Schwinger, die Dickenscher schwingungen durchführen, ein anormales Frequenzphänomen zeigen, das sich von dem bekannten Kippphänomen unterscheidet, bei welchem die Grundschwingung in eine wilde Schwingung übergeht, deren Schwingungsform sich von derjenigen der Grundschwingung unterscheidet. Das genannte anormale Frequenzphänomen wird durch harmonische Schwingungen induziert, deren Schwingungsform dieselbe wie diejenige der Grundschwingung ist. Wenn dieses anormale Frequenzphänomen bei der Betriebstemperatur und der Lastkapazität des piezoelektrischen Schwingers auftritt, können eine Reihe von Schwierigkeiten auftreten, insbesondere eine instabile Arbeitsweise das piezoelektrischen Schwingers.

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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Auftreten eines derartigen anormalen Frequenzphänomens so weitgehend zu vermeiden, daß eine stabile und sehr genaue Arbeitsweise erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs gelöst.

Zusammenfassend sind deshalb die wesentlichen Merkmale der Erfindung in einem piezoelektrischen Schwinger zu sehen, bei dem eine !linienförmige zusätzliche Masse auf der Knotenlinie der dritten harmonischen Oberschwingung ausgebildet ist. Diese zusätzliche Masse hat lediglich einen Einfluß auf die Grundschwingung und praktisch keinen Einfluß auf die dritte harmonische Ober schwingung. Auf diese weise kann das anormale Frequenzphänomen, das durch die harmonische Schwingung induziert wird, in zuverlässiger Weise ausgeschaltet werden.

Anhand der zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Vorderansicht bzw. einen Längsschnitt durch einen bekannten Schwingquarz mit einem AT-Schnitt;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für die Antriebsschaltung mit dem Schwingquarz in Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik dieses bekannten Schwingquarzes;

Fig: 5 Seitenansichten unterschiedlicher Ausführungsformen von Schwingquarzen;

Fig. 6 eine Frequenz-Resonanz-Charakteristik eines bekannten Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt;

Fig. 7 eine Lastkäpazität-Charakteristik eines bekannten Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt;

Fig. 8 eine vergrößerte Vorderansicht eines Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt vor der erfindungsgemäßen Anordnung einer zusätzlichen Masse*

Fig. 9 und IO graphische Darstellungen der verteilung der Schwingungsenergie der Grundschwingung eines Schwingquarzes

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mit einem AT-Schnitt auf der X- bzw. Z'-Achse;

Fig. 11 und 12 graphische Darstellungen der Verteilungen der Schwingungsenergie einer dritten harmonischen Oberschwingung eines Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt auf der X- bzw. Z'-Achse· und

Fig. 13 und 14 zusätzliche Massen betreffende Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte plankonvexe Schwing-, quarz mit einem AT-Schnitt (Frequenz der Grundschwingung f »4,2 MHz) besteht aus einem Quarzkörper 1, Antriebselektroden 2, sich nach außen erstreckenden Elektroden 2a und einer zusätzlichen Masse 3. Der Quarzkörper 1 hat einen Durchmesser von 8,00 mm und eine Dicke im Zentrum von 0,41 mm. Die Antriebselektroden 2 sind auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Quarzkörpers 1 aufgedampft und haben einen Durchmesser von 5,20 mm. Die sich radial nach außen erstreckenden Elektroden 2a sind einstückig mit den Antriebselektroden 2 ausgebildet und mit nicht dargestellten Stützfedern verbunden. Die zusätzliche Masse 3 besteht aus einer dünnen Schicht auf einer der Antriebselektroden 2, die aufgedampft oder in sonstiger Weise aufgebracht ist, um die Grundfrequenz f einzustellen. Die zusätzliche Masse 3 wird durch eine kreisförmige Schicht gebildet, deren Zentrum mit demjenigen der Antriebselektroden 2 koaxial ist. Die zusätzliche Masse 3 besteht im allgemeinen aus demselben Material wie die Antriebselektroden 2, beispielsweise aus Gold oder Silber. Gewünschtenfalls kann die zusätzliche Masse 3 auf jeder der beiden Antriebselektroden 2 vorgesehen werden. Die zur Bildung der zusätzlichen Masse aufgebildete Materialmenge wird in Ausdrücken des Frequenzabfalls (kHz) gekennzeichnet, der durch die Ausbildung der zusätzlichen Masse 3 verursacht wird.

Eine Anzahl von Schwingquarzen der beschriebenen Art wurde in einer Schaltung entsprechend Fig. 3 unter Verwendung einer Antriebsschaltung mit Lastkapazitäten C₁, C„ und C, und einer C-MOS-integrierten Schaltung ohne eine Frequenzwählschal-

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tung in dem Schwingungskreis erregt, um die Frequenz-Temperatur-Charakteristik zu messen. In Fig. 3 ist der in Fig. 1 und 2 dargestellte Schwingquarz mit dem Bezugszeichen 4 bezeichnet. Das Ergebnis dieser Messungen ist in Fig. 4 dargestellt, wobei auf der Ordinate die Frequenz f (kHz) und auf der Abszisse die Temperatur T(⁰C) aufgetragen ist. Die Bereiche in der graphischen Darstellung, die mit einem Kreis umgeben sind, zeigen die Stellen, an denen das erwähnte anormale Frequenzphänomen auftritt.

Es wurde festgestellt,'daß dieses anormale Frequenzphänomen durch gegenseitige Interferenzen zwischen dem Strom der Grundschwingung, der Rückkopplung durch die Grundschwingung, und dem Strom einer harmonischen Schwingung verursacht wird, der durch die harmonischen Schwingungen rückgekoppelt wird,, und daß dieses anormale Frequenzphänomen sich von dem bekannten Kippphänomen unterscheidet. Es wurde ferner festgestellt, daß d ieses anormale Frequenzphänomen mit größerer Wahrscheinlichkeit bei Schwingern der in Fig. 1 und 2 dargestellten Art auftritt, bei denen auf einer Antriebselektrode 2 für die Feineinstellung der Frequenz eine zusätzliche Masse 3 ausgebildet ist. Ferner tritt dieses anormale Frequenzphänomen stärker bei konvexen linsenförmigen Schwingquarzen mit einem AT-Schnitt auf, beispielsweise bei plankonvexen Formen in Fig. 5(B), bei bikonvexer Ausbildung in Fig. 5(C) und bei abgeschrägten Formen inTFig. 5(D) und in Fig. 5(E), während bei plattenförmigen Ausbildungen entsprechend Fig. 5(A) der Effekt geringer ist. Es wurde ferner festgestellt, daß das anormale Frequenzphänomen auch in Schwingern auftreten kann, die keine zusätzliche Masse 3 aufweisen.

Fig. 6 zeigt "die Frequenz-Phase-Charakteristik (Resonanz-Charakteristik) eines bekannten plankonvexen Schwingquarzes mit einem AT-Schnitt (bei dem die Menge der zusätzlichen Masse 3 einen Frequenzabfall von 4 kHz entspricht), wobei f die Grundfrequenz und f_. und f₃„ Frequenzen einer Gruppe von harmonischen Schwingungen sind, welche in der Nähe der dreifachen Frequenz der Grundfrequenz f liegen. Wie aus der Lastkapazität-Charakteristik in Fig. 7 sichtbar ist, ändert sich die Grundfrequenz f_Q mit der Lastkapazität C , welcher Effekt bei der Fre-

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quenzeinstellung von Schwingquarzen ausgenutzt wird. Dabei verursachen jedoch f₃i/3 und f₃₂/³ praktisch keine Änderung. Bei praktischen AnwendungsfällenJbeträgt die iastkapazität C meist 10 pF oder weniger, weil eine kleinere Lastkapazität im allgemeinen einen größeren Bereich für die Frequenzeinstellung ermöglicht. Deshalb kann es beim Arbeitsbereich der Lastkapazität C_ mitunter vorkommen, daß die Grundfrequenz f mit der Frequenz f^^/3 zusammenfällt. Selbst wenn diese Frequenzen nicht zusammenfallen, können sie bei gewissen Temperaturbedingungen zusammenfallen, weil die Frequenzen sich nur äußerst wenig unterscheiden, in derartigen Fällen übt dann die Frequenz f->₂/3 einen Einfluß auf die Grundfrequenz f aus, wodurch das anormale Frequenzphänomen verursacht wird. Dies gilt allgemein für eine Gruppe von harmonischen Schwingungen mit einem ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz f .

Deshalb sind bei einem piezoelektrischen Schwinger mit Dickenscherschwingungen, beispielsweise beim Schwingquarz mit einem AT-Schnitt, fast immer eine Reihe von Gruppen mit harmonischen Oberschwingungen in dem Bereich des η-fachen (ungerade Zahl) der Frequenz der Grundfrequenz f_ vorhanden. Ferner können einige der harmonischen Schwingungen die Beziehung f =

f /n zwischen deren Frequenz f und der Grundfrequenz f,_, ns ■ ns O

beispielsweise aufgrund von Herstellungsfehlern, speziellen Betriebsbedingungen ohne Eigenschaften der Antriebsschaltung, aufweisen.

Aus den erwähnten Gründen besteht deshalb eine große Wahrscheinlichkeit, daß das in Fig. 4 dargestellte anormale Frequenzphänomen auftritt. Der Betrag H dieses anormalen Frequenzphänomens wird größer, wenn die Ordnung η der harmonischen Schwingungen kleiner wird.

Daß dieses anormale Frequenzphänomen bisher nicht als Schwierigkeit in Erscheinung trat, dürfte darin zu sehen sein, daß das Auftreten des Phänomens besonders von der Art und der Arbeitsweise der verwandten Antriebsschaltung abhängt. Das Phänomen tritt beispielsweise nicht auf, wenn ein piezoelektri-

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scher Schwinger für Dickenscherschwingung durch einen Schwingungskreis angetrieben wird, der eine Frequenzwahl/Abstimmschaltung wie beispielsweise einen Parallel schwingungskre is enthält. Wenn ferner eine C-MOS-integrierte Schaltung 5 ohne Frequenzwahlschaltung in -ihrem Schwingungskreis wie in Fig. 3 verwandt wird, tritt das anormale Frequenzphänomen nicht auf oder ist jedenfalls klein, wenn die Ansprechcharakteristik der integrierten Schaltung 5 für hohe Frequenzen nicht besonders gut ist. Bei einer besseren Ansprechcharakteristik der integrierten Schaltung 5 für hohe Frequenzen besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit, daß das anormale Frequenzphänomen auftritt. Deshalb kann das anormale Frequenzphänomen erhebliche Schwierigkeiten verursachen, wenn integrierte Schaltungen mit einem sehr hohen Ansprechvermögen für hohe Frequenzen verwandt werden.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Ein in Fig. 8 dargestellter plankonvexer Schwingquarz mit einem AT-Schnitt, der wie der bekannte Quarzkörper 1 in Fig. 1 ausgebildet ist und Antriebselektroden 2 aufweist, wurde unter verwendung der Schaltung in Fig. 3 mit einer Lastkapazität C_T =oq angetrieben, bevor die zusätzliche

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Masse aufgetragen wurde, um die Verteilung der Schwingungsenergie der Grundschwingung (f =4203,580 kHz) und der dritten harmonischen Ober schwingung (fo-> ⁼ 12595,66 kHz, ^-^·χ/^>~ 4198,55 kHz) nach einem üblichen Verfahren zu messen. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in den Fig. 9 bis 12 enthalten, bei welchen graphischen Darstellungen auf der Ordinate die Schwingungsenergie E und auf der Abszisse die X-Achse bzw. die Z'-Achse des Quarzkörpers 1 aufgetragen sind. Die in Fig. 9 und 10 dargestellte verteilung der .Schwingungsenergie der Grundschwingung konzentriert sich in der Nähe des Zentrums 0 'des Quarzkörpers 1 und fällt kontinuierlich zu dem Randbereich ab. Diese Tatsache ist an sich bekannt. Bei den harmonischen Oberschwingungen ergibt sich jedoch die in den Fig. 11 und 12 dargestellte Verteilung der Schwingungsenergie, wobei ein Scheitelwert A im Zentrum 0 des Quarzkörpers 1 auftritt, und

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Scheitelwerte C außerhalb von Schwingungsknoten B. Es ist ein Abfall zu den Schwingungsknoten B von beiden Scheitelwerten A und C und ein allmählicher Abfall zu den Randbereichen von den Scheitelwerten C erkennbar. Deshalb ergibt sich für die harmonischen Oberschwingungen eine elliptische Schwingungsknotenlinie L, die in Fig. 8 und 13 dargestellt ist, welche durch das gleichzeitige Auftreten der Schwingungsknoten B gebildet wird. Bei dem Schwingquarz mit der oben beschriebenen Form und Größe hat die Schwingungsknotenlinie L einen Abstand d, von etwa 0,6 mm auf der X-Achse und einen Abstand d» von etwa 1,2 mm auf der Z'-Achse.

Auf der Basis dieser Meßergebnisse wurde eine zusätzliche Massebelegung 3a gebildet, die bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 13 eine ellipsenförmige Linie entlang der Schwingungsknotenlinie L ist und eine Breite von etwa 0,2 mm aufweist. Die Massebelegung erfolgt auf der ebenen Oberfläche einer Antriebselektrode 2 der in Fig. 2 dargestellten Art durch Aufdampfen oder durch ein sonstiges bekanntes Verfahren. Gewünschtenfalls kann die zusätzliche Massebelegung 3a auf der gewölbten gegenüberliegenden Elektrodenoberfläche oder auf den Oberflächen beider Elektroden 2 erfolgen. Diese zusätzliche Massebelegung 3a hat praktisch keinen Einfluß, auf die dritte harmonische, Oberschwingung, sondern hat lediglich einen wesentlichen Einfluß auf die Grundschwingung, weil sie auf der Schwingungsknotenlinie L der dritten Oberschwingung ausgebildet wird, welche in einem Bereich vorhanden ist, in welchem die Schwingungsenergie der Grundschwingung ausreichend groß ist. Deshalb wird die Frequenz f_₂ der dritten harmonischen Oberschwingung praktisch nicht geändert, während die Frequenz f der Grundschwingung verringert wird. Dadurch wird die Differenz zwischen fq₂/^ ^unc^ ^n größer, so daß ein Zusammenfallen der Frequenzen bei den betreffenden Lastkapazitäten und Temperaturen unter Betriebsbedingungen praktisch nicht vorkommen kann. Deshalb kann das anormale Frequenzphänomen vermieden werden.

Obwohl weitere harmonische Oberschwingungen größerer Ordnung auftreten, ist die dritte harmonische Oberschwingung

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mit der kleinsten Ordnung η diejenige, welche den stärksten Einfluß auf das Auftreten des anormalen Frequenzphänomens hat. Obwohl eine harmonische Oberschwingung mit der Frequenz f., ^ (mit Ausnahme der Frequenz fo?) ϊ-^η einer Gruppe der harmonischen Oberschwingungen der dritten Ordnung enthalten ist, besteht bei der ersteren praktisch nicht die Möglichkeit, daß die Frequenz t-,/3 mit der Grundfrequenz f_ zusammenfällt. Deshalb kann das anormale Frequenzphänomen ausreichend verhindert werden, wenn eine Gegenmaßnahme gegen die dritte harmonische Oberschwingung mit der Frequenz f-j~ durchgeführt wird.

Ferner kann die zusätzliche Masseribelegung 3a unterbrochen werden, so daß sich zwei Massebelegungen 3b ergeben, wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 14 dargestellt ist. Weil die zum Auftragen der zusätzlichen Massebelegung erforderliche Maske einen zentralen Maskenteil und einen Umfangsmaskenteil aufweisen, welche Teile miteinander mindestens an einer Stelle verbunden sein müssen, ist eine derartige unterbrechung aus praktischen Gründen in vielen Fällen erforderlich. Der ausgesparte Teil der zusätzlichen Massebelegung wird vorzugsweise auf der Z'-Achse vorgesehen, wie in Fig. 14 dargestellt ist. Weil der Einfluß der zusätzlichen Massebelegung auf die Grundschwingung größer wird, wird die zusätzliche Massebelegung so nahe wie möglich zu dem Zentrum O des Quarzkörpers 1.vorgesehen.

Obwohl die beschriebenen AusführungsbeispieIe Schwingquarze mit einem AT-Schnitt betreffen, ist die Erfindung auch auf andere piezoelektrische Schwinger anwendbar, beispielsweise auf Schwingquarze mit einem BT-Schnitt oder auf keramische Schwinger, welche mit einer Dickenscherschwxngung schwingen.

Wie in verbindung mit Fig. 13und 14 beschrieben wurde, haben die zusätzlichen Massebelegungen 3a oder 3b nur einen wesentlichen Einfluß auf die Grundschwingung, aber praktisch keinen Einfluß auf die dritte harmonische Oberschwingung. Deshalb kann das anormale Frequenzphänomen noch weitergehend bei den Betriebsbedingungen mit den betreffenden Lastkapazitäten und

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Temperaturen vermieden werden. Diese Vermeidung des anormalen Frequenzphänomens kann dadurch erreicht werden, daß die Form der Öffnung der Maske beim Aufdampfen geändert wird. Zur Herstellung eines Schwingers gemäß der Erfindung ist deshalb keine sonstige Änderung bei der Anwendung bekannter Herstellungsverfahren erforderlich. Ein piezoelektrischer Schwinger gemäß der Erfindung bringt insbesondere dann erhebliche Verbesserungen, wenn er unter Verwendung einer C-MOS-integrierten Schaltung angetrieben wird, die keine Frequenzwählschaltung in ihrem Schwingkreis aufweist, und wenn die Schwingungsform eine Dickenscher schwingung ist. Dieser Vorteil wird um so größer, je besser das Ansprechvermögen der integrierten Schaltung für hohe Frequenzen ist.

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Claims

Patentanspruch

Piezoelektrischer Schwinger, auf dessen Schwingkörper auf beiden Oberflächen eine Antriebselektrode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zusätzliche Massebelegung (3a, 3b) auf mindestens einer Oberfläche einer Antriebselektrode (2) vorgesehen ist, die linienförmig auf der Schwingungsknotenlinie (L) einer harmonischen Oberschwingung dritter Ordnung ausgebildet ist, welche die Beziehung f = f., /3 zwischen der Frequenz f der Grundschwingung

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und einer Frequenz f₃ der dritten harmonischen Oberschwingung bei den auftretenden Betriebstemperaturen und Lastkapazitäten erfüllen kann.

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