DE2942477A1

DE2942477A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2942477A1
Application number: DE19792942477
Authority: DE
Inventors: Daniel Cesar Leon Vangheluwe
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1979-10-20
Publication date: 1980-05-08
Also published as: NL7810583A; ES485253A1; JPS5558613A; GB2037070A; CH627045B; BE879590A; FR2440115A1; CH627045GA3

Description

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"Piezoelektrischer Schwinger"

Die Erfindung bezieht sich auf einen

piezoelektrischen Schwinger mit einem Körper in Form eines langgestreckten rechteckigen Blocks, der aus einem Quarzkristall gemäss einem AT-Schnitt ausgeschnitten ist, wobei der Körper zwei langgestreckte Ilauptflachen mit der Längsachse in der Z'-Richtung und der Breitenachse in der X-Richtung des Kristallschnittes aufweist, und auf einem Teil der Hauptflächen einander gegenüberliegende Elektroden angebracht sind, die zum Anregen eines kombinierten Schwjngungsmodus dienen, der aus einer XY'-Dicken-Seherschwingung und einer XY'-Biegeschwingung besteht, während der Körper in der Nähe einer ersten der die beiden Hauptflächen in der Z'-Richtung begrenzenden Endflächen mit Mitteln zur Befestigung des Schwingers auf einem Träger versehen ist.

Ein derartiger Schwinger ist aus der

DE-OS 2.7OI.J4I6 bekannt und eignet sich insbesondere zur Anwendung in elektronischen ULaen . Durch den angegebenen Kristallschnitt wird erreicht, dass die beiden durch die Elektroden in dem Körper angeregten Schwjngungsinodcn eine

Bewegungsrichtung aufweisen, die in der XY'-Ebene liegt, d.h. in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Körpers. Weiter wird mit Hilfe der Elektroden ein sogenannter Energieeinfang ("Energy trapping") bewirkt, d.h., dass die erzeugten Schwingungen im wesentlichen auf das Gebiet

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zwischen den Elektroden beschränkt sind, während die Amplitude der Schwingungen der angegebenen Schwingungsmoden ausserhalb des Elektrodengebietes als Funktion des Abstandes von diesem Elektrodengebiet verhältnismässig stark abnimmt:.

Dies ist für die notwendige Befestigung

des Schwingers besonders nützlich. Venn die Endflächen des Körpers nämlich in einem derartigen Abstand von dem Elektrodengebiet liegen, dass angenommen werden kann, dass die

Schwingungen an diesen Endflächen völlig ausgedämpft sind, können diese Endflachen als Tragflächen für den Körper verwendet, z.B. eingeklemmt werden, ohne dass dadurch das Schwingungsrnuster in dem Körper beeinflusst wird. Als Tragpunkte für den Körper werden dabei meistens die elektri-

sehen Anschlussklemmen für die Elektroden benutzt, die dann aiif diesen Endflächen angeordnet und elektrisch mit den Elektroden verbunden sind.

In der genannton DE-OS sind grundsätzlich

zwei mögliche Bauarten für einen derartigen Schwinger an-20

gegeben. Bei der ersten Bauart sind die Elektroden zentral auf den beiden Hauptflachen angeordnet, während jede der in einem Abstand von diesen Elektroden liegenden Endflächen GJno Anschlussklemme für eine der Elektroden enthält und

als !Vagpunkt für den Schwinger dient. Bei der zweiten 25

möglichen Bauart enthält eine der Endflächen beide Anschlussklemmen und dient nur diese Endfläche als Tragpunkt für den Schwinger. Da die zweite Endfläche bei dieser Bauart nicht als Tragpunkt dient und demzufolge eine Be;vegung

vollführen kann, brauchen die Elektroden nicht mehr zentral 30

auf den beiden Hauptflachen angeordnet zu werden, sondern kann der Abstand zwischen der zweiten (freien) Endfläche und den Elektroden kleiner als der zwischen der ersten (eingeklemmten) Endfläche und dicsenElektroden sein. Dabei

wird aber angegeben, dass der Abstand zwischen dieser 35

zweiten Endfläche und den Elektroden nicht unbeschränkt klein sein darf. Diese Bedingung fändet offenbar ihren Grund in der Annahme, dass neben den genannten Schwingungs-

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moden auch ein Schwingungsmodus mit einer Bewegungsrichtung parallel zur Längsachse des Körpers, insbesondere der erwähnte Dicken-Torsionsmodus, auftreten kann, und dass dafür gesorgt werden muss, dass an der Stelle dieser zweiten Endfläche diese Schwingung genügend stark gedämpft ist, um über die durch diese Endfläche auferlegten Randbedingungen keine Störung des Schwingungsmusters, was eine Verringerung des Gütefaktors des Schwingers zur Folge haben würde, einzuführen.

Ausser einem hohen Gütefaktor sind die

Abmessungen des Schwingers von besonderer Bedeutung. Da diese Schwinger in erster Linie zur Anwenlung in Uhrenschaltungen bestimmt sind, geht ein starkes Bestroben dahin, die Abmessungen dieser Schwinger möglichst zu verkleinern.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen

Schwinger zu schaffen, der unter Beibehaltung des hohen Gütefaktors mit kleineren Abmessungen hergestellt werden kann. Der Schwingel¹ nach der Erfindung ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden auf den llauptf lachen

angeordneten Elektroden bis zur zweiten der die beiden llauptf lachen begrenzenden Endflächen erstrecken.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass innerhalb des Elektrodengebietes des Körpers in hohem Masse nur Schwingungen erzeugt werden, deren Βολνο-

gungsrichtungen in der XY'-Ebene liegen, d.h. in einer zu den Endflächen parallelen Ebene. Dies bedeutet jodoch, dass es dann zulässig ist, die zweite Endfläche mit dem Hand der Elektroden zusammenfallen zu lassen, da sich diese Endfläche frei in der XY'-Richtung bewegen kann und

demzufolge keine Störung der Schwingungen mit einer Bewegungsrichtung in der XY'-Ebene herbeiführt. Dies bedeutet, dass die Längsabmessung dos Schwingers auf ein Mindestmass herabgesetzt worden kann, wodurch dieser Schwinger in einer

möglichst kleinen Umhüllung untergebracht werden kann. 35

Der Schwinger nach der Erfindung ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Abmessung des Körpers in der X-Richtung und

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der Abmessung in der Y'-Richtung innerhalb eines der nachstehenden Bereiche liegt:

zwischen 1,1 und 1,9 zum Anregen der zweiten Harmonischen der Biegeschwingung zwischen 2,2 und 3,6 zum Anregen der vierten Harmo

nischen der Biegeschwingung

zwischen 3,6 und 5>3 zum Anregen der sechsten Harmonischen der Biege schwingung

zwischen 5»1 und 6,8 zum Anregen der achten Harmonischen der Biegeschwingung

zwischen 6,5 und 8,'l zum Anregen der zehnten Harmonischen dor Biegeschwingung und

zwischen 8 und 10,^ zum Anregen der zwölften Harmonischen der Biegeschwingung. Ein Ausfübrungsboispiel der Erfindung

ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden nä'her beschrieben. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 zwei Ausführungsformen bekannter Schwinger und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Schwingers nach der Erfindung.

Der Schwinger nach Fig. 1 der in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Art

enthält einen langgestreckten rechteckigen Block 1, der aus einem Quarzkristall geniäss dem AT-Schnitt ausgeschnitten ist. Dabei haben, wie in der Figur dargestellt ist, sowohl die Y-Achse als auch die Z-Achse eine Drehung von etwa 35⁰O¹ erfahren. Dieser Block 1 enthält zwei Haupt-

flächen 2 und 3, die sich parallel zur XZ'-Ebene des Kristal1 schnittes erstrecken, wobei sich die Längsachse dieser Ilauptf lachen in dor Z ' -Richtung erstrockt. Auf jeder der beiden Ilauptf lachen 2 und 3 ist eine Elektrode U bzw.

5 angebracht. Diese beiden Elektroden k und 5 erstrecken 35

sich in X-Richtung bis zu den beiden Seitenflächen des Blockes 1. Jn dor Z'-Richtung (Längsachse dos Blockes 1) ist ihre Abmessung beschränkt, und zwar derart, dass nur ein zentral liegendes Gebiet des Körpers 1 von einer an

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diese Elektroden h und 5 angelegten Spannung angeregt wird .

Um diese Spannungen an die Elektroden anlegen zu können, ist die Elektrode h über einen auf der Hauptf lä'che 2 angebrachten Leiter 1 1 mit einer Anschlussklemme 9 verbunden, während die Elektrode 5 über einen auf der Hauptfläche 3 angebrachten Leiter 10 mit einer Anschlussklemme 8 verbunden ist. Diese beiden Anschlussklemmen 8 und 9 sind auf den Endflächen 6 und 7 des Körpers befestigt und weisen eine derartige Bauart auf, dass sie zugleich zur Befestigung des Körpers 1 auf einem Träger dienen können.

Durch Anlegen eines elektrischen Signals

an die Elektroden k und 5 wird ein kombinierter Schwingungsmodus angeregt, der aus einer Dicken-Scherschwingung und einer Biegeschwingung besteht, wobei die Bewegungsrichtungen dieser beiden Schwingungen zur XY'-Ebene parallel sind. Weiter hat sich herausgestellt, dass bei diesem Scbwingungsmodus ein verhältnisniässig starker Energieeinfang auftritt,

d.h., dass die Schwingungen im wesentlichen auf das Gebiet des Körpers 1 zwischen den Elektroden h und 5 beschränkt bleiben und ausserhalb dieses Gebietes mit zunehmendem Abstand der Elektroden k und 3 von den Endflächen 6 und

ist nun derart gewühlt, dass sichergestellt ist, dass an 25

den Stellen dieser Endflächen alle Schwingungen, sowohl

die gewünschton als auch die gegebenenfalls auftretenden unerwünschten Schwingungen, praktisch völlig ausgedämpft sind. Dies bedeutet, dass dann diese Endflächen ohne Bedenken als Stützflächen des Körpers dienen können, ohne dass 30

dies zu einer Störung des Sch\\ringungsmusters innerhalb des Körpers führt.

Weiter wird vorzugsweise das Breite/Dicke-Verhältnis des Körpers 1 innerhalb bestimmter Grenzen gewählt wobei die Breite die Abmessung in der X-Richtung 35

und die Dicke die Abmessung in der Y'-Richtung ist. Vie in der genannten deutschen Patentanmeldung angegeben ist, wird dieses Verhältnis vorzugsweise innerhalb des Bereiches

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von 1,1 bis 1,9 für die zweite Harmonische der Biegeschwingung, innerhalb dos Bereiches von 2,2 bis 3»6 für dio vierte Harmonische der Bicgoschwingung, innerhalb des Bereiches von 3,6 bis 5.3 für die sechste Harmonische der " Biegeschwingung, innerhalb des Bereiches von 5>1 bis 6,8 für die achte Harmonische der Biegeschwingung, innerhalb dos Bereiches von 6,5 bis 8,4 für die zehnte Harmonische der Biegeschwingung und innerhalb des Bereiches von 8 bis 10,4 für die zwölfte Harmonische der Biegeschwingung gewählt. Es hat sich herausgestellt, dass damit Schwinger mit einem sehr hohen Gütefaktor erhalten werden, wobei Herstellungstoleranzen nur einen beschränkten Einfluss ausüben.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform

des bekannten Schwingers, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind.

Die beiden Hauptflachen 2 und 3 enthalten wieder die einander gegenüber angeordneten Elektroden h und 5· Im Gegensatz zu dem Schwinger nach Fig. 1 wird nun

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aber nur ein Ende des Körpers 1 als Tragpunkt benutzt.

Dazu sind auf den Hauptflächen 2 und 3 dieses Körpers 1 in der N/i ha der Endfläche 7 zwei Abstützungen 8 und 9 befestigt, die sowohl zur mechanischen Befestigung des Schwingers als auch zum elektrischen Anschluss dianen. Die Elek-

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troden 4 und 5 sind über elektrische Leiter 11 und 10 mit diesen Abstützungen verbunden. In bezug auf den Abstand zwischen der Endfläche 7 und dem Elektrodengebiet gilt naturgemöss dieselbe Bedingung, die in bezug auf den Schwinger nach Fig. 1 gestellt wurde.

30

In bezug auf die Endfläche 6 ist dies

nicht mehr der Fall. Da diese Endfläche 6 nicht mehr eingeklemmt ist, d.h., da sie sich frei bewegen kann, ist es zulassig, dass an der Stelle dieser Endfläche Schwingungen

mit einer zu dieser Endfläche parallelen Bewegungsrichtung 35

auftreten. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen dieser Endfläche 6 und dem Elektrodengebiet kleiner als der Abstand zwischen der Endfläche 7 und dem Elektrodcngebiet

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gewählt werden kann. In der genannten deutschen Patentanmeldung wird besagt, dass in dem Körper eine Dicken-Torsionsschwingung in der Z'-Richtung auftreten kann, deren Amplitude als Funktion des Abstandes vom Elektrodengebiet exponentiell abnimmt. Daraus lässt sich ableiten, dass der Abstand zwischen der Endfläche 6 und dem Elektrodengebiet offenbar derart sein muss, dass diese Dicken-Torsionsschwingung an der Stelle der Endfläche 6 genügend stark gedämpft ist. Die Endfläche 6 würde nämlich bestimmt eine an der Stelle auftretende Schwingung in der Z'-Richtung beeinflussen und dadurch den Gütefaktor dos Schwingers beeinträchtigen.

Fig. 3 zeigt schliosslich ein Ausführungsbeispiel dos Schwingers nach der Erfindung. Dio Befesti-

gung dor Abstützungen 8 und 9 ^a"i Körper 1 und der Anschluss der Elektroden 't und 5 an diese Abstützungen erfolgt auf völlig gleiche Weise wie beim Schwinger nach I^ig. 2. Der wesentliche Unterschied zum .Schwinger nach Fig. 2 besteht

darin, dass die Endfläche 6 mit dem Rand dos Klektrodenge-20

bietes zusammenfallt, mit anderen Worten, dass sich die Elektroden ^t und 5 bis zu dieser Endfläche 6 erstrecken. Diese Positionierung der Endfläche 6 gründet sich auf die Erkenntnis, dass von den Elektroden h und 5 praktisch nur

Schwingungen angeregt werden, die eine Bewegungsrichtung 25

in einer zur XY'-Ebene parallelen und somit zur Endfläche parallelen Ebene aufweisen.

Dies bedeutet, dass es zulässig ist, die

Endfläche 6 mit dem Rand dor Elektroden Ί und 5 zusammenfallen zu lassen. Damit wird dann eine Mindostabrnessung 30

dos Schwingers erzielt. Ausserdein wird dadurch ein Mindestwert des über den Anschlussklemmen der Elektroden gemessenen Eiiigangswiderstandes gewährleistet. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, dass durch das Zusammenfallen der

Endfläche 6 mit dem Rand des Elektrodengobietes das ange-35

regte Schwingungsmuster bosser· auf das Elektrodengebiet beschränkt bleibt. Dadurch ist ein Höchstwert dor dynamischen Kapazität (Bowogungskapazitä t) gesichert, dor wieder

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zu einem Mindestwert des genannten Eingangswiderstandes führt.

Um die Abmessungen des Schwingers noch weiter zu beschränken, kann nach einer weiteren Massnahme gemäss der Erfindung eine Fazettierung des Körpers angewandt werden, wie in Fig. 3 schematisch durch die strichpunktierte Linie 12 dargestellt ist. Diese Fazottierung bringt mit sich, dass die Dicke des Körpers 1 (Abstand zwischen den Hauptflächen 2 und 3) in der Nähe der Endfläche 7 allmählieh abnimmt. Durch diese Fazottierung wird erreicht, dass die im Körper erzeugten Schwingungen zusätzlich gedämpft werden, bevor sie die Endfläche 7 erreichen können, was ja erforderlich ist, um es zu ermöglichen, die Befestigungs— mittel 8 und 9 an der Stelle dieser Endfläche 7 anzubringen.

Durch diese zusätzliche Dämpfung infolge der Fazettierung 12 kann der Abstand zwischen der Endfläche 7 und den Elektroden 3 und k also kleiner gewählt werden, wodurch die Gesamtabmessung des Schwingers herabgesetzt wird. Erwünschtcni'ui 1 s können selbstverständlich auch unier Beibehaltung derselben Abmessungen die Abmessungen der Elektroden 3 und h grosser gewählt werden, was für den Einstellbereich der Resonanzfrequenz günstig ist.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

_v 1 . Piezoelektrischer »Schwinger mit einem

Körper in Form eines langgestreckten rechteckigen Blockes, der aus einem Quarzkristall gemäss einem AT-Schnitt ausgeschnitten ist, wobei der Körper zwei langgestreckte Hauptg

flächen mit der Längsachse in der Z'-Richtung und der Breitenachso in der X-Richtung dos Kristallschnittes aufweist, und auf einem Teil der llaiiptf lachen einander gegenüberliegende Elektroden angeordnet sind, die dazu dienen, einen kombinierten Schwdngungsinodus anzuregen, der aus

einer XY'-Dicken-Scherschwingung und einer XY'-Biegeschwingung besteht, während der Körper in der Nähe einer ersten der die beiden Hauptflächen in. der Z'-Richtung begrenzenden Endflächen mit Befestigungsinitteln zur Befestigung des Schwingers auf einem Träger versehen ist,

dadurch gekonnzeichnet, dass sich die beiden auf den Ilauptf lachen (2 und 3) angeordneten Elektroden (H und 5) bis ZUi¹ zvfo it on dor die beiden Ilauptf lachen begrenzenden Endflächen (6) erstrecken.
2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Abmessung des Körpers (1) in der X-Richtung und der Abmessung in der Y'-Richtung innerhalb eines der nachstehenden Bereiche liegt:

zwischen 1,1 und 1 ,9 zum Anregen der zweiten llarmo-

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nischen der Biegeschwingung

zwischen 2,2 und 3,6 zum Anregen der vierten Harmonischen der Biegeschvingung

zwischen 3t6 und 5»3 zum Anregen der sechsten Harmo-5 nischen der Biegeschwingung

zwischen 5|1 und 6,8 zum Anregen der achten Harmonischen der Biegeschwingung

zwischen 6,5 und 8,4 zum Anregen der zehnten Harmonischen der Biegeschwingung und

10 zwischen 8 und 10,4 zum Anregen der zwölften Harmonischen der Biegeschwingung.
3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rechteckige Block in dem Sinne fazettiert ist, dass der Abstand zwischen den beiden 15 Hauplflachen in der Nähe der Befestigungsmittel einen zu der nahe liegenden Endfläche hin abnehmenden Verlauf aufweist.

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