DE2951815A1

DE2951815A1 - Dickenscherungsquarzkristalloszillator

Info

Publication number: DE2951815A1
Application number: DE19792951815
Authority: DE
Inventors: Satoshi Akutsu; Susumu Ebihara; Masanobu Okazaki
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 1978-12-27
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-07-03
Also published as: CH627913B; GB2043996B; US4476411A; CH627913GA3; GB2043996A; DE2951815C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Dickenscherungsquarzkristalloszillator. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Kristalloszillator/ der klein und leicht gemacht werden kann und ausgezeichnete elektrische Charakteristika aufweist.

Im wesentlichen zeigt ein AT-geschnittener Dickenscherungsquarzkristalloszillator eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die durch eine dreidimensionale Kurve dargestellt ist, und ist stabil gegen Temperaturschwankungen. So wird er als Referenzfrequenzsignalquelle verschiedener elektronischer Vorrichtungen und Apparaturen wie etwa nachrichtentechnische Vorrichtungen und elektronische Uhren verwendet.

Jedoch wirft der AT-geschnittene Dickenscherungsquarzkristalloszillator beim praktischen Gebrauch verschiedene Probleme auf. Bei der Reduzierung der Größe des Oszillators ohne Verschlechterung seiner Frequenz-Temperatur-Charakteristik, so daß der Oszillator in einem kleinen Gehäuse,beispielsweise einer elektronischen Uhr angeordnet werden kann, tritt das folgende Problem auf.

Ein bekannter Dickenscherungsquarzkristalloszillator besteht aus einer Quarzkristallplatte, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist und sich in Richtung der X-Achse erstreckt. Der Oszillator vibriert in eine Richtung parallel zur X-Achse. Um den Oszillator klein zu gestalten ist die Kristallplatte mit einem Winkel von 34° 45' bis 35° 20' (im weiteren als "Schnittwinkel" bezeichnet) geschnitten und mit einem Neigungswinkel von 2° bis 16° versehen. Der Schnittwinkel und der Neigungswinkel sind wie folgt definiert.

Es wird angenommen, daß die durch die X-und Z-Achsen definierte X-Z Ebene der Kristallplatte um die X-Achse gedreht wird, und daß man eich Y* und Z'-Achsen vorstellt, die mit dem gleichen Winkel zu den Y- bzw. Z-Achsen geneigt sind. Dann ist der "Schnittwinkel" der Winkel, um den/durch die X-Achse und die imaginäre Z'-Achse definierte

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X-Z'-Ebene zur X-Z-Ebene geneigt ist. Und der "Neigungswinkel¹ ist der Winkel, um den die Seitenflächen der Kristallplatte geneigt sind, wenn eine der Hauptoberflächen der Kristallplatte die parallel zur X-Z'-Ebene sind, in Richtung der imaginären Z'-Achse verschoben ist.

Wenn sie mit diesem Schnittwinkel geschnitten und mit diesem Neigungswinkel versehen ist, hat die Kristallplatte eine verminderte Breite oder wird in Richtung der Z'-Achse kürzer ohne seine eigene Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die durch eine dreidimensionale Kurve mit einem Wendepunkt ungefähr bei der Raumtemperatur dargestellt ist, zu verschlechtern. Die oben beschriebene Methode der Gestaltung einer Kristallplatte bewirkt jedoch keine Verkürzung der Platte in Richtung der X-Achse. Das heißt, die Methode kann die Länge der Kristallplatte aus dem folgenden Grund nicht reduzieren. Wie in dem "30th Annual Symposium on Frequency Control - 1976" Seiten 196-201 beschrieben is^ ändert ein AT-geschnittener Quarzkristalloszillator mit einem Schnittwinkel von 35°30' einer Länge a entlang der X-Achse und einer Stärke b entlang der Y-Achse seine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, falls die Länge a ein wenig reduziert wird, so daß das Verhältnis von a zu b von 2,935 auf 2,745 abnimmt. Insbesondere tritt der Wendepunkt bei einer Temperatur von 60° C bis 80° C auf. Das heißt, bei Reduzierung der Länge eines AT-geschnittenen Quarzoszillators tritt der Wendepunkt bei einer weit höheren Temperatur als Raumtemperatur auf, und die dreidimensionale Kurve, die die Charakteristik zeigt wird in der Nähe der Raumtemperatur fast zweidimensional. Wenn dies geschieht, kann der Quarzkristalloszillator praktisch nicht verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Dickenscherungsquarzkristalloszillator zu schaffen, der klein und leicht gemacht werden kann, und dessen Länge ohne Verschlechterung der elektrischen Charakteristik reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Dickenscherungsquarzkristalloszillator gelöst, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Quarzkristallplatte mit zwei Hauptoberflächen, die sich in Richtung

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der X-Achse der Kristallplatte erstrecken/ 5 mm bis 10 mm lang und parallel zu einer X-Z'-Ebene sind, die durch die X-Achse und eine imaginäre, zur Z-Achse der Kristallplatte mit 35° 08' bis 35° 16' geneigten Z'-Achse definiert ist, wobei eine der Hauptoberflächen in Richtung der Z'-Achse verschoben ist, wodurch eine Neigung der Seitenflächen der Kristallplatte mit einem Winkel von 4° bis 6° geschaffen ist.

Bestehend aus einer derartigen Quarzkristallplatte zeigt der Dickenscherungsquarzkristalloszillator eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die durch eine dreidimensionale Kurve mit einem Wendepunkt ungefähr bei der Raumtemperatur dargestellt ist. Der Oszillator ist daher gegen Temperaturschwankungen stabil. Ferner kann er klein und leicht gemacht werden, weil seine Länge ohne Verschlechterung seiner elektrischen Charakteristika verkleinert werden kann. Ferner bleibt er stoßfest, sogar wenn ein Elektrodenpaar von einem seiner Enden herausgeführt ist. Wenn sie derart herausgeführt sind, können die Elektroden viel leichter mit den Leitungsdrähten einer externen Vorrichtung verbunden werden, als wenn eine von ihnen vom anderen Ende des Oszillators herausgeführt ist. Dies trägt zu einer effektiven Herstellung bei, insbesondere wenn die Oszillatoren in großen Mengen hergestellt werden.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das den Schnittwinkel, den Neigungswinkel und die Länge eines erfindungsgemäßen Dickenquarzkristalloszillators darstellen;

Fig. 2 Kurven, die die Beziehung zwischen den Längen der erfindungsgemäßen Oszillatoren und der Temperatur an der der Wendepunkt auftritt, zeigen, wenn die Oszillatoren verschiedene Neigungswinkel aufweisen und mit Grundwellen mit einer Resonanzfrequenz von 4 MHz erregt werden;

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Flg. 3 Kurven, die die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz

und der Temperatur an dem der Wendepunkt auftritt, zeigen, wenn der Oszillator 5 mm lang ist und verschiedene Neigungswinkel aufweist;

Fig. 4 Kurven, die die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und der Rate der Frequenzänderung der Oszillatoren zeigt, bezüglich Oszillatoren mit verschiedenen Schnittwinkeln;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Dickenscherungsquarzkristalloszillators;

Fig. 6 den Oszillator aus Figur 5 aufgefaltet, zur Darstellung wie Elektroden auf den Hauptoberflächen des Oszillators durch Aufdampfen gebildet sind;

Fig. 7 eine Frontansicht des Oszillators aus Figur 5, der mit aufgedampften Elektroden versehen ist;

Fig. 8 eine Seitenansicht des Oszillators aus Figur 5; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht des in den Figuren 6 bis 8 gezeigten Oszillators, der an einem Sockel befestigt ist.

Ein erfindungsgemäßer Dickenscherungsquarzkristalloszillator umfaßt eine wie in Figur 1 gezeigte Quarzkristallplatte. Die Kristallplatte 1 weist zwei parallele Hauptoberflächen 2 auf, die sich in Richtung der X-Achse der Kristallplatte 1 erstrecken. Die durch die X- und Z-Achsen / λ-^F^Ebene der Kristallplatte 1 ist um die X-Achse um 35° 08' bis 35° 16* gedreht, und schafft so imaginäre Y' und Z¹-Achsen, die zu der Y bzw. Z-Achse der Platte 1 mit dem gleichen Winkel von 35° 08' bis 35° 16' geneigt sind. Folglich sind die Hauptoberflächen 2 parallel zu der durch die X- und Z'-Achsen definierte X-Z'-Ebene angeordnet. Die obere Hauptoberfläche 2 der Kristallplatte 1 ist in Richtung der Z'-Achse verschoben, wodurch eine Neigung der Seitenflächen der Platte 1 mit einem Winkel von 4° bis 6° (im weiteren als "Neigungswinkel" bezeichnet) geschaffen ist.

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Eine Anzahl von Dickenscherungsquarzkristalloszillatoren wurde hergestellt. Sie weisen Kristallplatten mit der gleichen Dicke bzw. Stärke, der gleichen Breite von 1,4 mm , dem gleichen Schnittwinkel von 35° 10¹, verschiedene Neigungswinkel von 2°, 5° und 10° und verschiedene Längen, die im Bereich von 3 mm bis 15 mm liegen, auf. Grundwellen mit einer Resonanzfrequenz von 4 MHz wurden an die Oszillatoren angelegt. (Grundwellen mit einer anderen Resonanzfrequenz als 4 MHz können natürlich auch an die Oszillatoren angelegt werden). Dann zeigen die Oszillatoren Frequenz-Temperatur-Charakteristika, die durch dreidimensionale Kurven mit Wendepunkten dargestellt sind. Die Oszillatoren, die 10 mm oder länger waren zeigten Frequenz-Temperatur-Charakteristika mit Wendepunkten, die ungefähr bei Raumtemperatur auftraten, ungeachtet ob ihre Neigungswinkel 2°, 5° oder 10° waren. Die Oszillatoren, die kürzer als 10 mm waren, und Neigungswinkel von 2° und 10° aufwiesen, zeigten Frequenz-Temperatur-Charakteristika mit Wendepunkten, die bei Temperaturen weit höher als Raumtemperatur auftraten. Diese Oszillatoren konnten daher praktisch nicht verwendet werden. Im Gegensatz dazu zeigten die Oszillatoren, die kürzer als 10 mm lang waren, und einen Neigungswinkel von 5° aufwiesen, Frequenz-Temperatur-Charakteristika mit Wendepunkten, die bei relativ niederer Temperatur auftraten, und diese Oszillatoren konnten praktisch verwendet werden. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen, wie in Figur 2 dargestellt, daß ein Dickenscherungsquarzkristalloszillator praktisch verwendet werden kann, wenn er 5 mm bis 10 mm lang ist, und einen Neigungswinkel von 4° bis 6° aufweist, weil der Wendepunkt ungefähr bei der Raumtemperatur auftritt.

Es wurde eine weitere Anzahl von Dickenscherungsquarzkristalloszillatoren hergestellt. Sie umfassten Quarzkristallplatten mit der -selben Dicke, derselben Breite von 1,4 mm, derselben Länge von 5 mm und dem gleichen Schnittwinkel von 35° 10*. Grundwellen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen wurden an diese Oszillatoren angelegt. Diese zeigten dann Frequenz-Temperatur-Charakteristika mit Wendepunkten, die bei solchen Temperaturen, wie sie in Figur dargestellt sind, auf-

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traten. Wie Figur 3 zeigt, hängt die Temperatur, an dem ein Wendepunkt auftritt, vom Neigungswinkel der Kristallplatte ab. Insbesondere bei Anlegen von Grundwellen mit einer Resonanzfrequenz von 15 MHz oder mehr an die Oszillatoren, die Neigungswinkel von 2°, 5° und 10° aufwiesen, trat der Wendepunkt ungefähr bei Raumtemperatur auf. Wenn Grundwellen mit einer Resonanzfrequenz von weniger als 15 MHz an die Oszillatoren, die einen Neigungswinkel von 2° oder 10° aufwiesen, angelegt wurden, traten die Wendepunkte bei so hohen Temperaturen auf, daß die Oszillatoren praktisch nicht verwendet werden konnten. Die Ergebnisse des Experimentes zeigen, daß ein Dickenscherungsquarzkristalloszillator mit einem Neigungswinkel von 5° oder ungefähr 5° und 5 mm bis 10 mm Länge eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik mit einem Wendepunkt, der ungefähr bei Raumtemperatur auftritt, zeigt.

Wie allgemein bekannt ist, hijngt die Frequenz-Temperatur-Charakteristik eines AT-geschnittenen Dickenscherungsquarzkristalloszillators vom Schnittwinkel seiner Quarzkristallplatte ab. Eine Anzahl von Dickenscherungsquarzkristalloszillatoren wurden hergestellt. Die Oszillatoren wiesen Quarzkristallplatten mit derselben Dicke, derselben Breite von 1,4 mm, verschiedenen Längen von 5 mm bis 10 mm und verschiedenen Neigungswinkeln von 35° 05*, 35° 08", 35° 12', 35° 16' und 35° 20* auf. Die Ausgangsfrequenzen änderten sich mit verschiedenen Raten entsprechend der Umgebungstemperatur, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Wie Figur 4 zeigt, ändert sich die Frequenz mit einer Rate von -30 ppm bis +30 ppm bei -10° C bis + 60° C soweit die Oszillatoren mit einem Schnittwinkel von 35° 08' bis 35° 16' betrachtet werden. Mit anderen Worten, die Oszillatoren mit einem Schnittwinkel innerhalb dieses Bereiches konnten praktisch verwendet werden. Andererseits ändert sich die Frequenz abrupter bei -10° C bis + 60° C, soweit die Oszillatoren mit einem Schnittwinkel außerhalb dieses Bereiches betrachtet werden. Mit anderen Worten, die Oszillatoren mit einem Schnittwinkel von weniger als 08' oder größer als 35° 16' konnten nicht praktisch verwendet werden.

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In den Oszillatoren, die bei den oben genannten Experimenten hergestellt und verwendet wurden, wiesen die Quarzkristallplatten die gleiche Breite von 1,4 mm auf. Die Breite der Platten ist natürlich nicht auf 1,4 mm beschränkt.

Folglich umfaßt der erfindungsgemäße Dickenscherungsquarzkristalloszillator eine Quarzkristallplatte mit einer Länge von 5 mm bis 10 mm entlang der X-Achse, einen Schnittwinkel von 35° 08' bis 35° 16' und einen Neigungswinkel von 4° bis 6° . Versehen mit einer solchen Quarzkristallplatte zeigt der Oszillator eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die durch eine dreidimensionale Kurve mit einem ungefähr bei Raumtemperatur auftretenden Wendepunkt dargestellt ist. Die Länge der Kristallplatte kann ohne Verschlechterung der elektrischen Charakteristika verkleinert werden. So kann der Oszillator klein gemacht und in einem kleinen Gehäuse einer elektronischen Armbanduhr angeordnet werden.

Wie oben dargelegt, werden die elektrischen Charakteristika des erfindungsgemäßen Dickenscherungsquarzkristalloszillators nicht verschlechtert, obwohl die Länge der Quarzkristallplatte verkleinert ist. Die Stoßfestigkeit des Oszillators wird nicht herabgesetzt, wenn ein Elektrodenpaar von einem der Enden der Kristallplatte herausgeführt wird.

Es wird nun unter Bezug auf die Figuren 5 bis 9 eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in der ein Elektrodenpaar von einem der Enden einer Quarzkristallplatte herausgeführt und an einem Sockel befestigt ist.

Figur 5 zeigt einen Dickenscherungsquarzkristalloszillator mit einem Kristallstück 3, das eine Länge, einen Schnittwinkel und einen Neigungswinkel innerhalb der oben genannten Bereiche aufweist. Das Quarzkristallstück 3 weist eine gekrümmte Oberfläche auf. Dieses Stück 3 kann durch Abschrägen der Enden einer Quarzkristallplatte mit einem Schnittwinkel von 35° 08' bis 35° 16" durch Einbringen der Platte in eine Trommel zusammen mit einem Schleifmittel und durch Drehen der Trommel mit hoher Geschwindigkeit

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erhalten werden. Eine Erregerelektrode 5 ist auf einer der Hauptoberflächen des Stückes 3 durch Aufdampfen gebildet, und eine Zuführungselektrode 6 ist auf der gleichen Hauptoberfläche ebenfalls durch Aufdampfen gebildet.

Figur 6 zeigt den Oszillator aus Figur 5 aufgefaltet. Die Figuren 7 und 8 sind die Vorder- bzw. die Seitenansichten des Oszillators aus Figur 5. Wie die Figuren 6, 7 und 8 zeigen, ist auf der anderen Hauptoberfläche des Kristallstückes 3 eine weitere Erregerelektrode 7 und eine weitere Zuführungselektrode 8, beide durch Aufdampfen gebildet. Diese Elektroden 5, 6, 7 und 8 können leicht auf die Hauptoberflächen des Stückes 3 aufgedampft werden. Ferner sind die Elektroden 5 und 6 gegenseitig durch ihre bloße einander überlappende Ausbildung verbunden, ohne Verwendung eines Zuführungsdrahtes oder elektrisch leitenden Klebers. Die Elektroden 7 und 8 sind gegenseitig auf die gleiche Weise verbunden. Die Zuführungselektroden 6 und 8 können leicht mit externen Zuführungsdrähten verbunden werden, wenn sie so ausgebildet sind, daß sie sich um ein Ende des Oszillators 3 biegen, und so die Effektivität der Herstellung steigern.

Figur 9 zeigt den Dickenscherungsquarzkristalloszillator aufrecht auf einem Sockel 9 stehend. Das untere Ende des Kristallstückes 3 ist an dem Sockel 9 mit einem Klebemittel 10 angeklebt, und die Zuführungselektroden 6 und 8 sind mit externen Steckern 12 durch Zuführungsdrähte 11 verbunden. Wenn das Stück 3 auf einem solchen Sockel angeordnet wird, ist es, da seine Länge verkleinert ist, ausreichend stoßfest.

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Claims

Nihon Dempa Kogyo Ltd., Tokyo/Japan

Dickenscherungsquarzkristalloszillator

PATENTANSPRÜCHE

M./Dickenscherungsquarzkristalloszillator, gekennzeichnet durch eine Quarzkristallplatte (1) mit zwei Hauptoberflächen (2), die sich in Richtung der X-Achse der Kristallplatte erstrecken, 5 nun bis 10 nun lang und parallel zu einer X-Z'-Ebene sind, die durch die X-Achse und eine imaginäre, zur Z-Achse der Kristallplatte mit 35° 08" bis 35° 16' geneigten Z'-Achse definiert ist, wobei eine der Hauptoberflächen in Richtung der Z'-Achse verschoben ist, wodurch eine Neigung der Seitenflächen der Kristallplatte (1) mit einem Winkel von 4° bis 6° geschaffen ist.
2. Oickenscherungsquarzkristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer harmonischen Grundfrequenz von 15 MHz oder mehr erregt ist, so daß er eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik mit einem Wendepunkt, der ungefähr bei Raumtemperatur auftritt, aufweist.

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3. Dickenscherungsquarzkristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberflächen(2) eine solche Länge aufweisen,daß der Oszillator (3) an einem Sockel (9) derart befestigt werden kann, daß ein Paar Zuführungselektroden (6, 8) aus einem Ende des Oszillators herausgeführt und mit externen Zuführungsdrähten (11) verbunden sind.

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