DE2920356A1

DE2920356A1 - Rechteckiger quarzresonator mit at-schnitt

Info

Publication number: DE2920356A1
Application number: DE19792920356
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Echigo; Tsuneo Kuwabara; Shunichi Motte; Kunihiro Takahashi; Shiro Yamashita
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1979-05-19
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2920356C2; FR2426338A1; FR2426338B1; CH634717GA3; GB2021311B; GB2021311A; US4247797A; CH634717B

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH germering PATENTANWALT

TELEFON

K. Mai 1979 S/kn

PHONB MÜNCHEN β* 36 3Θ DIPL₁-PHYs-F-ENDLICH POSTFACH, D - 8Ο34 GERMERTNG TELEX: B2 173Ο PATE

Meine Akte: D-4560

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokio, Japan

Rechteckiger Quarzresonator mit AT-Schnitt

Die Erfindung betrifft einen rechteckigen Quarzresonator mit AT-Schnitt.

Die Erfindung bezieht sich auf rechteckige Quarzresonatoren, insbesondere auf Quarzresonatoren mit AT-Schnitt mit Miniaturgröße, bei welchen falsche oder unerwünschte Resonanzfrequenzen von der Haupt-Dickenscherresonanzfrequenz entfernt sind, um dadurch den Gütefaktor der Hauptfrequenz und die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken einer Resonanzfrequenz zu verbessern.

Quarzresonatoren mit AT-Schnitt werden allgemein in Geräten zur Kommunikation oder ähnlichem wegen ihrer hervorragenden Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, wegen eines hohen Gütefaktors und eines niedrigen Ersatzwiderstandes (Verlust-.Widerstandes) verwendet.

Der normalerweise verwendete Resonator mit AT-Schnitt hat im allgemeinen scheibenförmige Gestalt und das Dimensionsverhältnis zwischen dem Durchmesser und der Dicke ist groß und ist kaum durch Störresonanzen beeinträchtigt. Hinsichtilich eines

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-A-

Quarzresonators in Miniaturgröße zur Verwendung in einer Armbanduhr sind wegen der starken Kopplung zwischen der Dickenscherresonanz und den Störresonanzen der Gütefaktor und die Frequenz-Temperatur-Kennlinien des Quarzresonators besonders verschlechtert. Insbesondere wurde unter den vorliegenden Bedingungen im Hinblick auf einen dünnen, rechteckigen Quarzresonator im AT-Schnitt, wie er bereits in der Literatur publiziert wurde, und desgleichen, ein durch Massenproduktion herstellbarer und brauchbarer Quarzresonator bisher nicht realisierbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen rechteckigen Quarzresonator' im AT-Schnitt, der Miniaturgröße hat, zur Verwendung in einer Armbanduhr zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfndung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit dem erfindungsgemößen Quarzresonator wird eine Verschlechterung des Gütefaktors und der Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, die sich bei den bekannten Quarzresonatoren in Miniaturgröße aufgrund der starken Kopplung zwischen der Dickenscherresonanz und den Fehlresonanzen bzw. Störresonanzen ergeben, vermieden. Der erfindungsgemäße, rechteckige Quarzresonator mit AT-Schnitt, der Miniaturgröße hat, weist einen hohen Gütefaktor auf! und wird durch Störresonanzen nicht negativ beeinträchtigt. Der erfindungsgemäße Quarzresonator weist sehr gute Frequenz-Temperatur-Charakteristiken auf und ist in Massenproduktion herstellbar, ohne daß dadurch die Genauigkeit der Herstellung infolge der Beseitigung der erwähnten Nachteile beeinträchtigt wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Quarzresonators anhand der Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine kristallographische Darstellung der Achsen eines rechteckigen Quarzresonators im AT-Schnitt nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Quarzresonators nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Ansicht zur Darstellung der gegenseitigen Beziehung des Frequenz-Temperatur-rKoeffizienten gegenüber dem Verhältnis w/t nach einer Ausführungsform eines rechteckigen AT-Quarzresonators nach der Erfindung,

Fig. 4 graphische Darstellungen der Frequenzempfindlichkeiten bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen,

Fig. 5 einen Bereich eines Quarzresonators nach der Erfindung,

Fig. 6 eine Aufsicht auf die Y-Z^1-Ebene eines Quarzresonators, dessen Seitenflächen geneigt sind, und

Fig. 7 eine Temperaturcharakteristik eines rechteckigen Quarzresonators mit AT-Schnitt nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine kristallographische Ansicht der Achsen eines rechteckigen Quarzresonators im AT-Schnitt, im folgenden kurz AT-Quarzresonator genannt, nach der Erfindung. Mit 1 ist eine Quarzkristallplatte bezeichnet; die Platte 1 wird gegenüber den neuen Achsen X, Y¹ und Z¹ im Gegenuhrzeigersinn unter etwa 35 um die X-Achse gedreht. Die Quarzkristallplatte hat eine Länge 1 (auf der X-Achse), eine Breite w (in Richtung derZ¹-Achse) und eine Dicke t (in Richtung der Y'-Achse). Ein rechteckiger AT-Quarzresonator wird dadurch gebildet, daß beide Elektroden auf den größeren Flächen der X-Z¹-Ebene der Quarzkristallplatte 1 durch Aufdampfen oder ein Spritzverfahren (spattering) geschaffen werden.

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Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines rechteckigen AT-Quarzresonators nach der Erfindung, wobei der Quarzresonator mit 2 und die beiden Endbereiche des Quarzresonators in Längsrichtung mit 3, 3 bezeichnet sind; die beiden Endbereiche 3 haben abgeschrägte Kantenform. Der Grund, warum beide Endabschnitte in Form von abgeschrägten Kanten gefertigt sind, besteht darin, eine Kopplung zwischen Störresonanzen und der Hauptresonanz zu schwächen und eine Verschlechterung des Gütefaktors zu verhindern, wenn der Quarzresonator aufgelegt bzw. gestutzt wird. Die Endabschnitte des Quarzresonators können die Form von planen, abgeschrägten Kanten auf einer Seite oder konvexe Form (Form einer Linse) haben, die anders als die Form einer abgeschrägten Kante ist. Ein einfacher, rechteckiger Quarzresonator wie die Quarzkristallplatte 1 in Fig. 1 eignet sich für eine Massenherstellung. Ein rechteckiger AT-Quarzresonator wird dadurch fertiggestellt, daß Elektroden aus einem metallischen Film sowohl auf und unterhalb die X-Z¹-Ebene des Quarzresonators 2 aufgedampft oder aufgesprüht werden und der Quarzresonator 2 durch Drahtverbindungen gelagert und anschließend in einer Kapsel untergebracht wird. Die Dimensionen w (Breite) und (Länge) sind äußerst bedeutende Faktoren fUr den rechteckigen AT-Quarzresonatori Bei einem Quarzresonator mit Miniaturgröße sollten die beeinträchtigenden Störresonanzfrequenzen ausreichend weit von der Resonanzfrequenz der Haupt-Dickenscherresonanz entfernt sein, so daß die negativen Einflüsse beseitigt sind, welche durch die Störresonanzen, wie beispielsweise Flächenschwingungen, hervorgerufen werden. Im folgenden wird auf die Wahl der Länge 1 der ersten Platte Bezug genommen. Die Störresonanz mit großem Frequenzbereich entlang der Länge ist eine Biegeresonanz f = ^T \J 23 . _{dabei lst} f eine Resonanzfrequenz, ^P die Dichte eines Quarzes und η eine Betriebsgröße (eine gerade Zahl). Wenn die Größe η klein ist, verschlechtern sich der Gutefaktor und die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken, weshalb vorzuziehen ist, daß η -größer als 18 ist, wobei die Praktikabilitöt in Betracht zu ziehen ist. Di· Biegeresonanzfrequenz stimmt mit der Hauptresonanzfrequenz

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überein, wenn η = 18 und η = 20; dann wird das Dimensionsverhältnis Länge/Dicke l/t mit η = 18 und η = 20 berechnet und der zentrale bzw. Mittelwert dieses Verhältnisses ausgewählt. Die Gr u nd-Dickensch er resonanz frequenz,, d.h. eine Hauptresonanz ist gegeben durch f = ~ U ~- ; dabei ist C'₆₆ eine Elastizitätsk'onstante. Bei einem AT-Quarzresonator wird l/t zu 14,5 und 16^2 berechnet; vorzugsweise wird dieses Verhältnis l/t aus dem Bereich von 14,5 bis 16, 2 gewählt.

Im folgenden wird auf die Breite w im Falle eines dünnen, rechteckigen AT-Quarzresonators Bezug genommen; die Breitenscherresonanz und die in Breitenrichtung wirkende Resonanz sollten beseitigt sein. Daher ist es erforderlich, zu prüfen, ob oder ob nicht die Änderung des Frequenz-Temperatur-Koeffizienten der Dickenscherresonanzfrequenz gegenüber der Breitendimension in dem Umfang liegt, der praktisch verwendet wird, wobei die Toleranz berücksichtigt wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der gegenseitigen Beziehungen zwischen einem Frequenz-Temperdur-Koeffizienten und w/t, wobei die Neigung der Freuqnz-Temperatur-Kennlinien der Dickenscherresonanz bei Raumtemperatur bei einem Längen-Dickenverhältnis l/t =5,7 des Quarzresonators 2 entsprechend dem rechtwinkligen AT-Resonatorrach Fig. 2 ist, während das Breiten/Dicken-Verhältnis w/t dieses Quarzresonators zwischen 4, 5 und 3,0 variiert.

Die Schnittwinkel der bei dem Test verwendeten Probe beträgt 35°20'. Aus dem Korrelationsdiagramm ist ersichtlich, daß der Temperaturkoeffizient 3 (A f/f )/3 t nicht kontinuierlich weiterverläuft, d.h. eine Unstetigkeit hat, wenn w/t=t3,0, 3,8 und- 4,5 ist. Als Grund für diese Unstetigkeit wird angenommen,daß es die vorstehend erwähnte Breitenscherresonanz und in Breitenrichtung sich ausdehnende Resonanz (width-extensiorial resonance) sind. Die Breitenscherresonanzfrequenz ergibt, sich durch f =.5— 1/ —5~~ / ^^ie vorstehend erwähnte Resonanzfrequenz

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I c'

in Breitenri chtung ergibt sich zu f = γ— V —^— . Wenn die Resonanzfrequenzen der beiden Resenoanzen gleich der Resonanzfrequenz, der Dickenscherresonanzfrequenz sind, wird w/t zu l,5n und 1,9n berechnet. Obgleich diese Resonanzen nur auftreten, wenn η eine im allgemeinen ungerade Zahl ist, ,stimmt der Unstetigkeitspunkt in Fig. 3 mit der Breitenscherresonanz für η = 3 überein, wenn w/t = 4,5 ist, und stimmt mit der Breitenscherresonanz für η = 2 überein, wenn w/t = 3,0 ist. Im Falle einer Resonanz in Breitenrichtung ist w/t = 3,8 (in Fig. 3). Dies bedeutet, daß der Einfluß der Resonanz in Breitenrichtung und der Breitenscherresonanz auf den Frequenz-Temperatur-Koeffizienten der Dickenscherresonanz auch dann eintritt, wenn η eine gerade Zahl ist. Aus dem Diagramm nach Fig. 3 zur Veranschailichung der Korrelation ist ersichtlich, daß die Genauigkeit der Herstellung an dem Bereich endet, an welchem die Neigung des Frequenz-Temperatur-Koeffizienten groß ist, was daher nicht für eine Massenproduktion geeignet ist. Aus Fig. ist ersichtlich, daß der Wert w/t aus dem Bereich 3,1 bis 3,7· für einen Bereich geringer Neigung vorzuziehen ist. Um die Resonanzfrequenz der Dickenscherresonanz auf 4,2 MHz festzulegen, beträgt die Dicke t etwa 0,4 mm und die Toleranz der Breite w ist der realistische Bereich.

Der negative Einfluß, der durch Stönesonanzen mit hoher Empfindlichkeit auf die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken und den Gütefaktor des Quarzresonators hervorgerufen wird, kann in dem vorstehend erwähnten Dimensionsbereich beseitigt werden. Um bessere Frequenz-Temperatur-Charakteristiken und' einen besseren Gütefaktor zu erhalten, sollten Störresonanzen mit schwachem Frequenzbereich ebenso wie Störresonanzen mit hohem Frequenzbereich beseitigt werden.

Um die Störresonanzfrequenzen mit schwachem Frequenzbereich im einzelnen zu studieren, wie dies hinsichtlich des in Perspektivansicht dargestellten Quarzresonators nach Fig. 2

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erfolgt ist, wurden die beiden Endbereiche 3 des Quarzresonators 2 folgendermaßen gewählt: Die Kantenlänge 1_Q wurde derart gewählt, daß 1-/1 = 0,22 und die Dicke t_Q wird derart gewählt, daß t_Q/t = 0,45 sind. Der Mittelwert des Breiten/ Dickenverhältnisses w/t 3,3 und der Mittelwert des Längen/ Dickenverhältnisses l/t 15,7 des Quarzresonators werden gewählt und die Probe des Quarzresonators, deren Länge 1 und deren Breite w über und unterhalb der Mittelwerte von 14, 5 und 16,2 liegen, wie dies dies vorstehend erwähnt ist, wird zur Ermittlung des Frequenzansprechverhaltens gemessen, das in Fig. graphisch dargestellt ist.

Fig. 4a zeigt die verschiedenen Resonanzfrequenzen in einem rechteckigen AT-Quarzresonantor als Ergebnis einer Änderung des Verhältnisses Breite/Dicke, wobei entlang der Abszisse das Verhältnis w/t und entlang der Ordinate eine Frequenzkonstante ft aufgetragen sind. Fig. 4b zeigt verschiedene Resonanzfrequenzen in einem rechteckigen AT-Resonator als Ergebnis der Änderung des Verhältnisses Länge/Dicke, wobei entlang der Abszisse l/t aufgetragen ist. Die Linien in Rg. 4a und 4b sind tatsächlich gemessene Werte, die miteinander verbunden sind (um die dargestellten Kurven zu ergeben).

Eine Linie E zeigt eine Dickenscher-Resonanzgrundfrequenz der Hauptresonanz, deren Frequenzkonstante etwa 1665 KHz mm beträgt. Die anderen Linien sind jeweils Störresonanzen und, obgleich die Art der Resonanzen derselben- unterschiedlich ist, kann die Neigung der Frequenzkonstante gegenüber w/t und l/t experimentell bestimmt werden. Die Neigung dieser Linien ist durch Linien innerhalb des Mikrobereichs dargestellt^in welchem die Störresonanzfrequenzen, die bei der Bestimmung von w/t und l/t beachtet werden müssen, gerade Linien F, G, H und I sind.

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Die Frequenzkonstanten dieser vier Störresonanzen sind durch die Funktionen von w/t und l/t wie folgt dargestellt: Gerade Linie F: f_pt = -78,8 w/t - 99,5 l/t + 3490 Gerade Linie G: f_Qt = -260 w/t - 47,3 l/t +3250 Gerade Linie H: ^t = -412 w/t - 61,2 l/t + 4020 Gerade Linie I: fjt = -29,5 w/t - 102 l/t + 3320 Wenn die Hauptresonanzfrequenzkonstante f_t ist, sollten folgende Gleichungen erfüllt werden: f_Et 4 f_Ft; f_Et ^ f_Gt; f_Et 4 f_Ht; f_£t ^ fjt Dabei ist f^t = 1665 (KHz mm); da die Rate der Frequenzverschlechterung, welche durch die Dicke der Elektrode bei der Resonanz hervorgerufen wird, größer als diejenige der Störresonanz ist, kann die Frequenzkonstante in der Größenordnung von 10 (KHz mm) geändert werden. Demzufolge können die vorstehenden Gleichungen folgendermaßen dargestellt werden: f_Et - 10 ^ fpt; f_Et + 10 ^ f_Gt; f_Et - 10 έ f_Ht; f_£t + 10 somit ergibt sich:

1655 4 -78,8 w/t - 99,5 l/t + 3490
1675 2 -260 w/t - 47,3 l/t + 3250
1655 4.-412 w/t - 61,2 l/t + 4020
1675 > -29,5 w/t - 102 l/t + 3320

Wenn w/t und l/t die vorstehenden vier Gleichungen erfüllen, können die Störresonanzen mit großem Frequenzbereich bzw. großem Frequenzgang beseitigt werden und gleichzeitig können wie in dem Betriebsdiagranm nach Fig. 3 dargestellt ist, die Hauptresonanzfrequenz gegenüber den Störresonanzfrequenzen mit geringem Frequenzbereich entfernt liegen.

Fig. 5 zeigt einen Bereich (w/t, l/t), welcher die vorstehenden vier Gleichungen erfüllt, wobei entlang der Abszisse w/t und entlang der Ordinate l/t aufgetragen sind. Für die in Fig. 5 gezeigten Punkte ergeben sich folgende Werte, wobei jeweils der erste Wert dem Verhältnis w/t und der zweite Wert dem

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Verhältnis l/t entsprechen:

A: 3,16 15,94

B: 3,40 15,75

C: 3,4? 15,52

D: 3,30 15,17

Ein Bereich innerhalb des Vierecks, das durch die Punkte A, B, C und D gebildet wird, erfüllt die vorstehenden vier Gleichungen.

Fig. 6 stellt eine Ausführungsform eines AT-Quarzresonators nach der Erfindung dar, wobei die Y-Z'-Ebene des Quarzresonators dargestellt und die Seitenfläche desselben geneigt ist; die X-Y'-Ebenen sind- entgegen dem Uhrzeigersinn um etwa 5 um die X-Achse geneigt, welche senkrecht zur Zeichenebene verläuft/ worauf besonders hingewiesen wird.

Die Seitenfläche des Quarzresonators ist geneigt, um die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Quarzresonators als Äquivalent gegenüber derjenigen einer unendlichen Platte zu bestimmen, da die -Biegungstemperatur der Frequenz-Temperatur-Charakteristik höher als diejenige einer unendlichen Platte wegen der piezoelektrischen Anisotropie wird, wenn das Verhältnis w/t des Quarzresonators klein wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Wert w/t des Bereichs in Fig. 5 bestimmt, wobei der Breitenwert der oberen oder unteren Oberfläche der X-Z¹-Ebene verwendet wird, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Obgleich beide Endbereiche in Längsrichtung des Quarzresonators in dem Experiment kantenförmig abgeschrägt sind, wobei die Länge der Kante 1_Q/1 = o,22 + o,04 und die Dicke des Endbereichs t_Q/t = 0,45 + 0,20 entsprechend Fig. 2 gewählt ist, ist der Bereich nahezu der gleiche wie das Viereck, das in Fig. 5 gezeigt ist. Der Quarzresonator kann in konvexer Form nach Art einer Linse (lenz) bearbeitet sein; anstelle einer Bearbeitung in Form einer abgeschrägten Kante kann der Quarzresonator auch die Form einer planen, abgeschrägten Kante oder plankonvexe Form auf einer Seite haben.

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Fig. 7 gibt die Temperaturcharakteristik einer Ausführungsform eines rechteckigen AT-Quarzresonators nach der Erfindung wieder, wobei J die Frequenz-Temperatur-Charakteristik und k die Temperaturcharakteristik des Ersatzwiderstandes darstellen. Der Schnittwinkel diese Beispiels beträgt 35 24' und der optimale Schnittwinkel kann dadurch verändert werden, daß die Breite des Quarzresonators geändert wird. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, zeigt der rechteckige AT-Quarzresonator eine gute Frequenz-Temperatur-Charakteristik und eine flache Temperaturcharakteristik des Ersatz- bzw. Verlustwiderstandes.

Der in Fig. 5 dargestellte Dimensionsbereich ist weit genug, um eine Genauigkeit bei der Herstellung und eine Massenherstellung zu ermöglichen; wenn die Hauptresonanzfrequenz des Quarzresonators etwa 4 MHz beträgt, beträgt dessen Dicke etwa 0,4 mm, seine Breite etwa 1,3 mm, seine Länge etwa 6,2 mm; dadurch läßt sich ein rechteckiger AT-Quarzresonator mit äußerst kleiner Größe erreichen.

Durch.die Erfindung ist es somit möglich, einen rechteckigen AT-Quarzresonator in Miniaturgröße zu schaffen, der nahezu keinerlei negativen Einflüssen ausgesetzt ist, die durch Störresonanzen hervorgerufen werden. Außerdem hat der erfindungsgemäße Quarzresonator gute Frequenz-Temperatur-Charakteristik, einen großen Gütefaktor, eine gute· Temperaturcharakteristik seines Ersatzwiderstandes und außerdem ist eine Massenproduktion möglich, wobei die Genauigkeit seiner Herstellung beibehalten werden kann.

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Leerseite

Claims

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH «ρ^μινο 1<$· Mai 197?

PATENTANWALT

⁶ ^N MÜNCHEN 84 36 38

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH POSTFACH, D - 8034 GERMERINQ

TELEX: B2 1730 PATE

Meine Akte: D-4560

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokio, Japan

Patentansprüche

Rechteckiger Quarzresonator mit AT-Schnitt, gekennzeichnet durch eine um etwa 35 um die X-Achse gedrehte Quarzkristallplatte, deren Länge (1) in Richtung der X-Achse, deren Breite (w) in Richtung der Z^r-Achse und deren Dicke (t) in Richtung der Y'-Achse liegen, und durch Dimensionsverhältnisse aus der Breite (w) und der Dicke (t), wobei das Breiten/Dicken-Verhältnis (w/t) aus dem Bereich 3, 1 bis 3, 7 gewählt ist, sowie durch ein Längen- und Dicken-Verhältnis (l/t), das aus dem Bereich 14,5 bis 16,2 ausgewählt ist.
2. Quarzresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Breiten/Dicken-Verhältnis (w/t) und das Längen-Dicken-Verhältnis (l/t) aus einem Bereich ausgewählt sind, der innerhalb eines Mjjerecks liegt, das durch vier Punkte bestimmt ist, deren Koordinatenwerte durch die Abszisse als Breiten/Dicken-Verhältnis (w/t) und deren Ordinate als Längen/Dicken-Verhältnis (l/t) bestimmt sind (w/t; l/t): A (3,14; 15,94), B (3,40; 15,75), C (3,49; 15, 12) und D (3,30; 15,17).

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3. Quarzresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endabschnitte in Längsrichtung des Quarzresonators in Form einer abgeschrägten Kante oder konvex ausgebildet sind.
4. Quarzresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen, d.h. die X-Y'-Ebenen, im Gegenuhrzeigersinn um etwa 5 gegenüber der X-Achse geneigt sind.

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