DE2951815C2 - Dickenscherungsquarzkristalloszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dickenscherungsquarzkristalloszillator. Insbesondere bezieht sie sich auf einen Kristalloszillator,der klein und leicht hergestellt werden kann und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist.

Im wesentlichen zeigt ein AT-geschnittener Dickcnscherungsquarzkristalloszillator eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, die durch eine dreidimensionale Kurve dargestellt ist, und arbeitet stabil bei 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, wie er sich aus der Literaturstelle »Proceedings of the 24th Annual Symposion on Frequency Control«, April 1970, US Army Electronics Command, Seiten 17 bis 20, »Thickness Twist Vibrations of a Quartz Strip« von R. D. Mindlin ableiten läßt besteht aus einer Quarzkristallplatte, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist und sich in Richtung der X-Achse erstreckt Der Oszillator vibriert in einer Richtung parallel zur X-Achse. Dabei wird zwischen einem sogenannten Schnittwin kel and einem Neigungswinkel unterschieden, die wie folgt definiert sind:

Es wird angenommen, daß die durch die X· und Z-Achsen definierte X-Z-Ebene der Kristallplatte um die

ίο X-Achse gedreht wird, und daß man sich V- und Z'-Achscn vorstellt, die mit dem gleichen Winkel zu den Y- bzw. Z-Achsen geneigt sind Dann ist der »Schnittwinkcl« der Winkel, um den die durch die X-Achse und die imaginäre Z'-Achse definierte X-Z'-Ebene zur X-Z- Ebene geneigt ist und der »Neigungswinke!« ist der Winkel, um den die Seitenflächen der KristallpMatte geneigt sind, wenn eine der Hauptoberflächen der Kristallplatte, die parallel zur X-Z'-Ebene verläuft, in Richtung der imaginären Z'-Achse verschoben ist

Wenn sie mit einem bestimmten Schnittwinkel geschnitten und mit einem bestimmten Neigungswinkel versehen ist hat die Kristallplatte eine verminderte Breite oder wird in Richtung der Z'-Achse kürzer, ohne ihre 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 bei Anwendung dieser Methode läßt sich die Länge der Kristallplatte aus dem folgenden Grund nicht reduzieren. Wie in dem »30th Annual Symposiom on Frequency Control — 1976«, Seiten 196 bis 201 beschrieben ist ändert ein AT-geschnittener Quarz- kristalloszillator mit einem Schnittwinkel von 35° 30' einer Länge a entlang der X-Achse und einer Stärke b entlang der V-Achse seine Frequenz-Temperatur-Charakteristik, falls die Länge a ein we^ig reduziert wird, so daß das Verhältnis von a zu b von 2,935 auf 2,745 ab nimmt Insbesondere tritt der Wendepunkt bei einer Temperatur von 60° bis 80⁰C auf. Das heißt bei Reduzierung der Länge eines AT-geschnittenen Quarzoszillators tritt der Wendepunkt bei einer weit höheren Temperatur als Raumtemperatur auf, und die dreidi mensionale Kurve wird in der Nähe der Raumtempera tur fast zweidimensional. Wenn dies geschieht, kann der Quarzkristalloszillator praktisch nicht verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Dicken-

scherungsquarzkristalloszillator zu schaffen, der klein und leicht hergestellt werden kann, und dessen Länge ohne Verschlechtern seiner elektrischen Eigenschaften reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch

einen Quarzkristall mit einer Länge von 5 mm bis 10 mm, und mit zwei Hauptoberflächen, wobei die Flächen in Längsrichtung des Quarzkristalls sich in Richtung der X-Achse erstrecken und wobei sich die zwei Hauptoberflächen im wesentlichen parallel zu einer X- Z'-Ebene erstrecken, die durch die X-Achse und eine imaginäre Z'-Achse definiert ist, welche zur Z-Achse des Quarzkristalls entsprechend einem Winkel von 35" 08' bis 35° 16' geneigt ist, und wobei eine der Hauptflächen gegenüber der anderen Hauptfläche in Richtung

b5 der Z'-Achsc derart versetzt ist, daß die sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Quarzkristalls entsprechend einem Winkel von 4° bis 6° zur Z'-Achse geneigt verlaufen.

Bei einem derart hergestellten bzw. ausgebildeten Quarzkristall zeigt der Dickenscherungsquarzkristalloszillator ein Frequenz-Temperatur-Verhalten, welches durch eine dreidimensionale Kurve mit einem Wendepunkt ungefähr bei der Raumtemperatur dargestellt ist Ein derartiger Oszillator ist daher gegen Temperaturschwankungen stabil. Darüber hinaus kann er klein und leicht hergestellt werden, weil seine Länge ohne Verschlechterung seiner elektrischen Eigenschaften reduziert werden kann. Auch ist er weiterhin stoßfest und zwar sogar dann, wenp ein Elektrodenpaar von einem seiner Enden herausgeführt ist. Bei derart herausgeführten Elektroden ergibt sich eine sehr viel einfachere Verbindungsherstellung mit Leitungsdrähten einer externen Vorrichtung, und zwar im Gegensatz zu einer Anordnung, bei welcher die Elektroden von beiden Enden des Oszillators herausgeführt sind. Dadurch wird auch die Herstellung des Oszillators vereinfacht, insbesondere im Falle einer Massenproduktion.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus de·; Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 iin Diagramm, das den Schnittwinkel, den Neigungswinkel und die Länge eines Dickenquarzkristalloszillators mit Merkmalen nach der Erfindung darstellen;

F i g. 2 Kurven, die die Beziehung zwischen den Längen der Oszillatoren mit Merkmalen nach der Erfindung und der Temperatur, an der der Wendepunkt auftritt, wiedergeben, wenn die Oszillatoren verschiedene Neigungswinkel aufweisen und mit Grundwellen mit einer Resonanzfrequenz von 4 MHz erregt werden;

F i g. 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;

F i g. 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 Dickenscherungstjuarzkrisialloszillators gemäß Patentanspruch 5;

F i g. 6 den Oszillator aus F i g. 5 aufgefaltet, zur Darstellung wie Elektroden auf den Haupiobci flächen des Oszillators durch Aufdampfen gebildet sind;

F i g. 7 eine Frontansicht des Oszillators aus F i g. 5, der mit ausgedampften Elektroden versehen ist;

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

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

Ein erfindungsgemäßer Dickenscherungsquarzkristalloszillator umfaßt eine wie in F i g. 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 definierte X-Z-Ebene der Kristallplatte 1 ist um die X-Achse um 35° 08' bis 35° 16' gedreht, und schafft so imaginärc V"und Z'-Achsen, die zu der Vbzw. Z-Achse der Platte ί mit dem gleichen Winkel von 35° 08' bis 35° 16' geneigt sr.id. Folglich sind die Ha'iptoberflächen 2 parallel zu der durch die X- und Z'-Achscn definierte X-Z'-Kbenc ungeordnet. 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

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° 10', 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

is 4 MHz können natürlich auch an die Oszillatoren angelegt werden). Dann zeigen die OsziUatoren Frequenz-Temperatur-Charakteristika, die durch dreidimensionale Kurven mit Wendepunkten dargestellt sind. Die Oszillatoren, die 10 mm oder länger 'v^ren zeigten Frequenz-Temperatur-Charakteristika s.-»» Wendepunkten, die ungefähr bei Raumtemperatur auftraten, ungeachtet ob ihre Neigungswinkel 2°, 5° oder 10° waren. Die Oszillatoren, die kurzer 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 F ig. 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

^rIs wurde eine weitere Anzahl von Dickenscherungsquarzkristalloszillatorcn hergestellt. Sie umfaßten Quarzkristallplatten mit derselben Dicke, derselben Breite von 1,4 mm, derselben Länge von 5 mm und dem gleichen Schnittwinkel von 35° 10'. Grundwerten 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, auftraten. Wie Fig.3 zeigt, hängt die Temperatur, an dem ein Wendepunkt auftritt, vom Neigungswinkel der Kristallplatte ab. Insbesondere bei Anlegen von Grund-Wellen 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 Grundwelbn 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-Temperatür-Charakteristik mit einem Wen-

b5 depunkt, der ungefähr bei Raumtemperatur auftritt, zeigt.

Wie allgemein bekannt ist, hängt die Frequenz-Tcmpcratur-Charaktcristik eines AT-gcschnittenen Dicken-

scherungsquarzkristalloszillators vom Schnittwinkel seiner Quarzkristallplatte ab. Eine Anzahl von Dickenscherungsquarzkristalloszillatoren wurden hergestellt. Die Oszillatoren wiesen Quarzkristallpiatten 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 Fig.4 dargestellt ist. Wie Fig.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 Schnittwinkcl von 35° 08' bis 35" 16' betrachtet werden. Mit anderen Worten, die Oszillatoren mit einem Schnittwinkcl innerhalb dieses Bereiches konnten praktisch verwendet werden. Andererseits ändert sich die Frequenz abrupter bei — 10°C bis +öifC, soweit die Oszillatoren mit ciiiciii Scftnitiwinkel außerhalb dieses Bereiches betrachtet werden. Mit anderen Worten, die Oszillatoren mit einem Schnittwinkel von weniger als 35° 08' oder größer als 35° 16' konnten nicht praktisch verwendet werden.

In den Oszillatoren, die bei den obengenannten 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 Dickenscherungsquarzkristalloszillator gemäß Patentanspruch 1 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 Dickenscherungsquarzkristalloszillators gemäß Patentanspruch 1 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 F i g. 5 bis 9 eine Ausführungsform des Gegenstands des Patentanspruchs 1 beschrieben, in der ein Elektrodenpaar von einem der Enden einer Quarzkristal! platte herausgeführt und an einem Sockel befestigt ist

F i g. 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 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

F i g. 6 zeigt den Oszillator aus F i g. 5 aufgefaltet Die

F i g. 7 und 8 sind die Vorder- bzw. die Seitenansichten des Oszillators aus F i g. 5. Wie die F i g. 6, 7 und 8 zeigen, ist auf der anderen Hauptoberfläche des Kristallstückes 3 eine weitere Erregerelektrodc 7 und eine wei- tere 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 Zuführungsclcktrodcn 6 und 8 können leicht mit externen Zuführungsdrähten verbunden werden, wenn sie so

ίο ausgebildet sind, daß sie sich um ein Ende des Oszillators 3 biegen, und so die Effektivität der Herstellung steigern.

F i ε. 5 zeigt de«,

tor ajfrecht 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 «.2 durch Zuführungsdrähte 11 verbunden. Wenn das Stück 3 auf einem solchen Sockel angeordnet wird, ist es, da seine Länge verkleinert ist, ausreichend stoßfest.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dickenscherungsquarzkrisialloszillator, gekennzeichnet durch einen prismaförmigen Quarzkristall (1) mit einer Länge von 5 mm bis 10 mm, und mit zwei Hauptoberflächen (2), wobei die Flächen in Längsrichtung des Quarzkristalls (1) sich in Richtung der X-Achse erstrecken und wobei sich die zwei Hauptoberflächen im wesentlichen parallel zu einer X-Z'-Ebene erstrecken, die durch die X-Achse und eine imaginäre Z'-Achse definiert ist, welche zur Z-Achse des Quarzkristalls entsprechend einem Winkel von 35° 08' bis 35° 16' geneigt ist, und wobei eine der Hauptflächen gegenüber der anderen Hauptfläche in Richtung der Z'-Achse derart versetzt ist, daß die sich gegenüberliegenden Seitenflächen des Quarzkristalls entsprechend ^inem Winkel vßi.4" bis 6° zur Z'-Achse geneigt verlaufen.

2. DickenscheningsquarzkristaÜQszillator 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

3. DickenscherungsquarzRristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (3) an einem Sockel (9) befestigt ist und daß ein Paar Zuführungselektroden (6, 8) aus einem Ende des Oszillators herausgeführt und mit externen Zuführungsdrähten (11) verbunden sind.

4. Dickenscherungsquari-Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall aus einer Quarzk. istallplatte besteht.

5. Dickenscherungsquarzkristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptoberflächen in Richtung der X'-Achse und der Z'-Achse nach Art einer Ellipse gekrümmt sind.