DE3009531A1

DE3009531A1 - Piezoelektrischer dickenschwinger

Info

Publication number: DE3009531A1
Application number: DE19803009531
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Ikeno; Tetsuro Konno; Mitsuyuki Sugita; Hirobumi Yanagi
Original assignee: Seikosha KK
Current assignee: Seikosha KK
Priority date: 1979-03-12
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1980-09-25
Also published as: JPS55121727A; US4370584A; CH636228A5; DE3009531C2; FR2451665A1; HK56285A; JPS6013608B2; GB2048565A; GB2048565B; SG33085G; FR2451665B1

Description

Anmelder: Kabushiki Kaisha Seikosha, Tokyo, Japan

Piezoelektrischer Dickenschwinger

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Dickenschwinger, insbesondere einen Quarzschwinger mit einem AT-Schnitt, einen
Quarzschwinger mit einem BT-Schnitt oder einen keramischen
Schwinger, dessen Grundschwingung eine Dickenscherschwingung
ist.

Bei einem Quarzschwinger sind neben der Grundschwingung zahlreiche andere störende Nebenschwingungeη möglich. Wenn die Frequenz der Grundschwingung in der Nähe der Frequenz einer Nebenschwingung liegt, ergibt sich die Schwierigkeit, daß der Quarzschwinger mit der Frequenz der Nebenschwingung arbeitet oder
dadurch beeinflußt werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen Schwinger zu schaffen, der mit einem verbesserten Wirkungsgrad in der
Grundschwingung schwingt und bei dem störende Nebenschwingungen möglichst weitgehend unterdrückt sind. Ferner soll ein verbesserter Gütefaktor Q des Schwinger erzielt werden und Störungen
durch Streukapazitäten sollen möglichst weitgehend vermieden
werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

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Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind deshalb in einem piezoelektrischen Schwinger zu sehen, in dessen einer Antriebselektrode eine Aussparung vorgesehen ist, die schmal in Richtung der X-Achse in einem zentralen Bereich und breiter in rechten und linken Teilen auf der Z-Achse ist. Eine derartige Ausbildung einer Antriebselektrode ermöglicht eine gute Anregung der Grundschwingungen, unterdrückt aber eine Arbeitsweise mit Frequenzen entsprechend störenden Nebenschwingungen.

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

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Quarzschwingers mit einem AT-Schnitt;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Verteilung der elektrischen Ladung entlang der Z-Achse bei der Grundschwingung des Quarzschwingers in Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht des Schwingquarzes in Fig. 5, wobei die Ladungsverteilung in einem einer Nebenschwingung entsprechenden Schwingzustand dargestellt ist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der elektrischen Ladungsverteilung entlang der Z-Achse entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Schwingzustand;

Fig. 5 das Äquivalentschatlbild eines Schwingquarzes;

Fig. 6 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels eines Schwingquarzes gemäß der Erfindung mit einem AT-Schnitt und die Ladungsverteilung bei einem der Grundschwingung entsprechenden Schwingzustand;

Fig. 7 eine Rückansicht des Schwingquarzes in Fig. 6 mit einer Ladungsverteilung bei einem einer Nebenschwingung entsprechenden Schwingzustand;

Fig. 8 eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schwingquarzes gemäß der Erfindung mit einem AT-Schnitt ; und

Fig. 9 eine Rückansicht des Schwingquarzes in Fig. 8.

Wenn die Frequenz der Grundschwingung eines Schwingquarzes der Frequenz einer Nebenschwingung benachbart ist, wird die Arbeitsweise des Schwingquarzes durch die Nebenschwingung beeinflußt oder der Schwingquarz schwingt mit der Frequenz der Nebenschwingung. Bei-

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spielsweise bei einem Dickenscherschwinger mit einem AT-Schnitt beträgt die Frequenz der Grundschwingung 4,2 MHz und die Frequenz der benachbarten Nebenschwingung etwa 4,6 MHz. Bei der Grundschwingung I ergibt sich die in Fig. 1 angedeutete elektrische Ladungsverteilung, welcher die graphische Darstellung in Fig. 2 entspricht. Fig. 3 zeigt die Ladungsvertexlung bei einer Nebenschwingung II, welcher die graphische Darstellung in Fig. 4 entspricht. Bei der in Fig. 1 und 2 angedeuteten Grundschwingung ergibt sich eine positive elektrische Ladungskonzentration in dem zentralen Teil des Quarzkörpers. Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Nebenschwingung ergibt sich eine positive elektrische Ladungskonzentration in einem zentralen Teil des Quarzkörpers, und zwei negative Komponenten der elektrischen Ladungsvertexlung treten auf der rechten und der linken Seite der zentralen positiven Komponente auf der Z-Achse auf. Diese elektrische Ladungsverteilung ist im wesentlichen gleich der Verteilung von Schwingungsenergie. Durch die Erfindung wird dagegen ein piezoelektrischer Schwinger geschaffen, Welcher eine derartige Ausbildung der Antriebselektroden aufweist, da er praktisch nur mit einer der Grundschwingung entsprechenden Frequenz schwingt, während Nebenschwingungen unterdrückt werden.

Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung zeigt einen Dickenscherschwinger mit einem Quarzkörper 1 mit einer vorderen Antriebselektrode 2 und einer hinteren Antriebselektrode 4 (Fig. 7), die in einem zentralen Teil eine Aussparung 3 aufweist. Die vordere Antriebselektrode 2 besitzt vorzugsweise eine im wesentlichen kreisförmige Form und wird auf dem Quarzkörper 1 beispielsweise durch Aufdampfen oder in sonstiger bekannter Weise ausgebildet. In entsprechender Weise wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche die Antriebselektrode 4 ausgebildet, welche die speziell ausgebildete Aussparung 3 aufweist. Die Aussparung 3 weist Bereiche auf/ welche eine große Breite W. in Richtung der X-Achse besitzen und der rechten Komponente IIB und der linken Komponente HC der Neben schwingung II entsprechen, sowie einen Bereich mit einer geringeren Breite W₀ in Richtung der X-Achse, welcher der elektrischen Ladung der Grundschwingung I entspricht. Deshalb ist die Aussparung 3 schmal in dem zentralen Bereich und breit in rechten und linken Teilen entlang der Z-Achse. Mit der Aussparung 3 verbundene Schlitze 3a und 3b entsprechen der Stützeinrichtung der

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Maske bei der Herstellung der Aussparung 3 beim Aufdampfen der Antriebs elektrode 4. Mit Hilfe anderer bekannter Herstellungsverfahren kann die Ausbildung von Schlitzen 3a und 3b vermieden werden.

Die hintere Antriebselektrode 4 ist deshalb so ausgebildet, daß ihr mittlerer Bereich in den zentralen Bereich der Aussparung 3 vorragt, der eine kleinere Breite W~ besitzt, während die rechten und linken Teile der Aussparung 3 den rechten und linken Komponenten der elektrischen Ladungsverteilung der Nebenschwingung mit einer größeren Breite W- entsprechen, so daß dort keine Elektrodenschicht vorhanden ist, weshalb der Schwingquarz mit einem verbesserten Wirkungsgrad mit der Frequenz der Grundschwingung schwingt und Schwingungen mit einer Frequenz entsprechend einer benachbarten Nebenschwingung praktisch nicht auftreten können.

Ein derartiger Quarzschwinger besitzt einen verbesserten Gütefaktor Q, weil die kinetische Kapazität Cm extrem abfällt, während der Kristallwiderstand R lediglich ansteigt (Fig. 5). Wegen der Abnahme der kinetischen Kapazität Cm besteht bei einem derartigen Quarzschwinger praktisch keine Wechselwirkung aufgrund einer Streukapazität, so daß sich eine wesentlich verbesserte Frequenzstabilität ergibt. Da ferner einer der Antriebselektroden, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die hintere Antriebselektrode ist, keine Elektrodenschicht in dem zentralen Teil des Quarzkörpers aufweist, in welchem die Schwingungsleistung groß ist, ist die Änderung der Frequenz des Schwingquarzes durch Alterungserscheinungen verhältnismäßig gering. Eine Frequenztrimmung durch eine zusätzliche Masse kann in wirkungsvoller Weise vorgenommen werden, da die andere Antriebselektrode 2 eine Elektrodenschicht in dem zentralen Teil des Quarzkörpers aufweist, in dem die Schwingungsleistung groß ist.

Die vordere Antriebselektrode 2 besitzt in jedem Fall eine Elektrodenschicht in dem Teil, in dem sich die elektrische Ladung entsprechend der Grundschwingung konzentriert, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 6 dargestellt ist. Vorzugsweise ist die vordere Antriebselektrode verhältnismäß groß und kreisförmig ausgebildet, wie in Fig. B dargestellt ist, um einen guten Wert des Kristallwiderstands R und der kinetischen Kapazität Cm zu erzielen.

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Bei dem in Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine vordere Antriebselektrode 12 auf einem Quarzkörper 11 vorgesehen, die in Richtung der X-Achse verlängert ausgebildet ist und mit Hilfe an sich bekannter Verfahren beispielsweise aufgedampft sein kann. Anstelle von Abweichungen von der Kreisform in Form von Vorsprüngen 12a und 12b in Richtung der X-Achse/ kann auch eine elliptische Ausbildung vorgesehen werden, wobei die Hauptachse in Richtung der X-Achse liegt. Die hintere Antriebselektrode 14 mit der zentralen Aussparung 13 besitzt die in Fig.7 dargestellte Ausführ un gs form.

Wenn zwischen der vorderen Antriebselektrode 12 und der hinteren Antriebselektrode 14 eine Spannung angelegt wird, arbeitet der in Fig. 8 und 9 dargestellte Schwinger mit gutem Wirkungsgrad mit der Frequenz der Grundschwingung, während Nebenschwingungen wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 und 7 praktisch ausgeschlossen sind. Durch die Ausbildung von Vorsprüngen in Richtung der X-Achse an der vorderen Antriebselektrode 12 können die Werte der kinetischen Kapazität Cm und des Kristallwiderstand R bei dem Äquivalentschaltbild in Fig. 5 verbessert werden, weil der Kristallwiderstand R extrem abfällt, während die kinetische Kapazität Cm lediglich ansteigt, was darauf zurückzuführen ist, daß die hintere Antriebselektrode 14 in Richtung der X-Achse verlängert ist, so daß die Überdeckung der hinteren Antriebselektrode 14 durch die vordere Antriebselektrode 12 verhältnismäßig großflächig ist.

Ein piezoelektrischer Schwinger entsprechend den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann deshalb mit einem guten Wirkungsgrad bei einer der Grundschwingung entsprechenden Frequenz betrieben werden, wobei die einer benachbarten Frequenz entsprechende Nebenschwingung unterdrückt wird. Ferner sind die Einflüsse auf die Frequenz des Schwingers aufgrund von Alterungserscheinungen sehr gering und eine Frequenztrimmung durch eine zusätzliche'Masse kann in wirkungsvoller Weise durchgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche

Piezoelektrischer Dickenscherschwinger mit einem piezoelektrischen Körper, an dessen gegenüberliegenden Oberflächen Antriebselektroden ausgebildet sind, dadurch gekenn zei chnet, daß in einem zentralen Bereich, einer der beiden Antriebselektroden (4; 14) eine Aussparung (3;13) vorgesehen ist, welche schmal in Richtung der X-Achse in dem zentralen Teil des piezoelektrischen Körpers (1 ; 11) ist, in dem sich die elektrische Aufladung entsprechend der Grundschwingung konzentriert, und daß die Aussparung in Richtung der X-Achse rechts und links von dem zentralen Teil entlang der Z-Achse des piezoelektrischen Körpers breiter ist, in welchen Bereichen sich die rechten und linken Komponenten der elektrischen Aufladung entsprechend einer Nebenschwingung konzentrieren.

Piezoelektrischer Dickenscherschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Antriebselektrode (2 ;12) sich in Richtung der X-Achse verlängerende Bereiche (12a,12b) aufweist.

ORIGINAL INSPECTED

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