DE3135102C2 - Modengekoppelte Quarzstimmgabel - Google Patents

Abstract

Um auch bei Temperaturen unterhalb von 0 ° C einen Resonator hoher Stabilität zur Verfügung zu haben, schafft die Erfindung eine modengekoppelte Quarzstimmgabel, bei der die Dicke der Stimmgabel, die Breite der Stimmgabelarme und deren Länge sowie der Schnittwinkel so gewählt sind, daß nicht nur die Koeffizienten α und β der Terme erster und zweiter Ordnung der Frequenz-Temperatur-Kennlinie Null werden, sondern daß auch der Koeffizient γ des Terms dritter Ordnung zu Null wird, so daß eine Frequenz-Temperatur-Kennlinie erhalten wird, die im wesentlichen nur durch den Term vierter Ordnung bestimmt wird.

Description

2. Quarzstimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modenkopplung zwischen der ersten Biegeoberschwingung und der Torsionsgrundschwingung besteht

3. Quarzstimmgabel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Quarzstimmgabel 200 μπι oder weniger beträgt und sie durch ein Photolithographieverfahren hergestellt ist

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modengekoppelte Quarzstimmgabel gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung zielt ab auf eine Verbesserung der Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer modengekoppelten Quarzstimmgabel, u. zw. speziell auf die Verbesserung der Frequenz-Temperatur-Kennlinie hinsichtlich des Terms der vierten Ordnung bei Zimmertemperatur.

Bisher wurden für elektronische Armbanduhren unter +5°x-geschnittene Quarzstimmgabeln unter Ausnutzung der Biegeschwingungsform verwendet, da der Resonator eine parabolische Frequenz-Temperctur-Kennlinie bei Zimmertemperatur aufweist und daher hinsichtlich der Zeitgenauigkeit vorteilhaft ist Dieser Resonator arbeitet bei einer tiefen Frequenz, wodurch ein geringer Energiebedarf bedingt ist Mit diesem Resonator hat die Uhr jedoch eine Zeitnacheilung von 20 Sekunden pro Monat.

Bei dem Versuch, elektronische Armbanduhren mit höherer Genauigkeit und langlebigeren Batterien herzustellen, wurde eine modengekoppelte Quarzstimmgabel entwickelt die bei niedriger Frequenz und Zimmertemperatur eine kubische Frequenz-Temperatur-Kennlinie besaß. Eine solche Quarzstimmgabel ist in der GB-A-2 006 520 beschrieben.

Der Erfingung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quarzstimmgabel für einen billigen Resonator mit kleinen Abmessungen anzugeben, durch den eine erhöhte Genauigkeit einer elektronischen Armbanduhr gewährleistet ist, indem eine Normalfrequenzquelle geringer Abmessung geschaffen wird: der Temperaturkoeffizient dritter Ordnung der modengekoppelten Quarzstimmgabel soll hierbei zu Null gemacht werden.
Diese Aufgabe wird durch in; kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Skizze, die den Schnitt eines Resonators gemäß der Erfindung aus einem Quarzkristall verdeutlicht,

F i g. 2 die Kopplung der F_t -Schwingungsform und der Γο-Schwirigungsform,
F i g. 3 die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten erster Ordnung λ von der Dicke,
F i g. 4 die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung/? von dem Schnittwinkel Φ,
F i g. 5 die Frequenz-Temperatur-Kennlinien einer herkömmlichen modengekoppelten Quarzstimmgabel,
F i g. 6 die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten dritter Ordnung von der Dicke und
F i g. 7 die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer erfindungsgemäßen modengekoppelten Quarzstimmgabel. Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der modengekoppelten Quarzstimmgabel besteht die Kopplung zwischen der ersten Biegeoberschwingung (F\ -Schwingungsform) als Hauptschwingung und der Torsionsgrundschwingung (To-Schwingungsform) als einer Unterschwingung.

Die Resonanzfrequenz der mit der To-Schwingungsform gekoppelten F\ -Schwingungsform kann ausgehend von einer Temperatur von 20° C durch eine Temperatur Γ wie folgt als Reihenentwicklung dargestellt werden:

f(T)s /"(20) [I+χ (T- 20) +ß (T- 20)²+/ (T- 20)³ + δ (T- 2Of \ (1)

oc: ein Temperaturkoeffizient erster Ordnung,

ß: ein Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung,

y: ein Temperaturkoeffizient dritter Ordnung und

δ: ein Temperaturkoeffizient vierter Ordnung ist;

die fünfte und höhere Potenzen von (T-20) sind klein und werden vernachlässigt.

Eine herkömmliche modengekoppelte Quarzstimmgabel besaß bei Zimmertemperatur eine kubische Frequenz-Temperatur-Kennlinie: Das heißt, es waren

A = i?=0 (2)

in der obigen Gleichung (1). Die Ursachen für die obige Beziehung (2) sollen im folgenden erläutert werden.

F i g. 1 zeigt den Schnitt eines Resonators aus einem Quarzkristall. Die X-, Y- und Z-Achse bedeuten die elektrische, mechanische bzw. optische Achse eines Quarzkristalls. Eine Stimmgabel mit einer Dicke t, einer Armbreite w und einer Armlänge / wird gemäß Darstellung aus einer Z-Platte geschnitten, die im Uhrzeigersinn (dies wird als negativ bezeichnet) entsprechend einem Schnittwinkel Φ um die X-Achse gedreht wurde. Wie F i g. 2 zeigt, werden die Fr und die 70-Schwingungsform des Resonators in einem Bereich gekoppelt, in dem die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsformen sich nahekommen; dieser Kopplungs-Bereich ist in der Zeichnung durch eine gestrichelte Kreislinie angedeutet

Wird die Dicke t innerhalb des Kopplungs-Bereiches variiert, ändert sich α der Fi-Schwingungsform gemäß Darstellung in F i g. 3; bei einer Dicke to hat * den Wert 0. ι ο

Um gleichzeitig mit λ den Wert β zu 0 xu macnen, wird der Schnittwinkel Φ geändert, bis /?=0, wobei im allgemeinen aufgrund der Kopplung λ=0 bleibt

F i g. 4 zeigt die Werte von ^in Abhängigkeit des Schnittwinkels Φ, wenn ac—O aufgrund der gewählten Dicke ist Also gilt a=ß=0 für Φ=Φο, und die Frequenz-Temperatur-Kennlinien haben gemäß der Beziehung (1) kubische Form. Da ^kleiner ist alsy, ergibt sich insgesamt eine kubische Kurve. Zwei Parameter, nämlich die Dicke (die als Kopplungsgrad bezeichnet werden kann) und der Schnittwinkel, werden somit für die Beziehung a - 0 und β= Ο eingestellt

F i g. 5 zeigt die Frequenz-Temperatiur-Kennlinie einer modengekoppelten Quarzstimmgabel, die man durch das oben geschilderte Vorgehen erhält. Die Frequenz-Temperatur-Kennlinie eines derartigen Resonators ist insoweit gut, als sie in einem Temperaturbereich zwischen 0° C und 40° C nur um 1 /ppm oder weniger schwankt Wird ein derartiger Resonator daher in einer elektronischen Armbanduhr verwendet, so zeichnet sich die Armbanduhr durch extreme Präzision aus, wobei die Nacheilung nur wenige Sekunden pro Jahr beträgt.

Werden Armbanduhren jedoch in einem kalten Klima verwendet, so leidet ihre Genauigkeit aufgrund des großen Abfalls der Frequenz-Temperatur-Kennlinie unterhalb einer Temperatur von O⁰C. Wird ein solcher Resonator oder ein AT-Schnitt-Resonator mit einer kubischen Frequenz-Temperatur-Kennlinie als Normalfrequenzquelle für nachrichtentechnische Anlagen verwendet, so ist es erforderlich, daß die Frequenz in einem breiteren Temperaturbereich unverändert bleibt, da die Anlage nur selten bei mit den Temperaturen eines menschlichen Körpers vergleichbaren Temperaturen betrieben wird. Es wird speziell gefordert, daß die Normalfrequenzquellen für nachrichtentechnische Anlagen einer Frequenzschwankung von nur 3 ppm oder weniger in einem Temperaturbereich zwischen -3O⁰C und +6O⁰C unterliegen. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, fand bei dem herkömmlichen AT-Schnitt-Resonator VCXO und TCXO Anwendung, um die Frequenzabweichung aufgrund von schwankenden Umgebungstemperaturen herabzusetzen. Diese Verfahren jedoch sind insoweit nachteilig, als die Oszillatoren vermehrt Energie aufnehmen, viei Platz beanspruchen und daher nicht geeignet sind für Anlagen mit geringen Abmessungen.

F i g. 6 zeigt die Beziehung zwischen γ und der Dicke t. Gemäß dieser Figur wird zunächst t bestimmt, und dann werden 1, w und ein Schnittwinkel so bestimmt, daß die Beziehung cc=/?= 0 erfüllt ist. F i g. 6 zeigt den Wert von ;»für tx=ß=Q.Gemäß Fig.6 ist A=^=Z=O, wenn die Dicke f * beträgt, was zu einer Frequenz-Temperatur-Kennlinie vierter Ordnung oder Potenz führt. Dieser Vorgang soll nachstehend im einzelnen erläutert werden. Man nehme an, die Resonanzfrequenzen der F\- und 70-Schwingungsform betrügen //rbzw. fr. so gilt folgende Beziehung:

wobei Kf und Kr auf 20⁰C bezogene Konstanten sind.
Das Verhältnis von ff und /Vsei mit R bezeichnet, d. h.

50 R _mL· (5)

ff

R ist eine charakteristische Größe für die Frequenz-Temperatur-Kennlinie.

Aus den Gleichungen (3) und (4) erhält man:

Für den Fall, daß oc=0 gilt, sei R durch R₀ ersetzt. Für diesen Fall wird also die Gleichung (6) zu:

(}) ro

_F 2 \w/ J

Hat /irden Wert />& so erhält man aus Gleichung (3): es

fm ^{= K}r-~T- (8)

Wird / zuerst bestimmt, dann bestimmen sich w und /unter der Bedingung λ=0 aus den Gleichungen (7) und

(8). Wenngleich im allgemeinenβφΟ ist, ist nach Bestimmung von w und /entsprechend dem oben geschilderten ,'

Vorgehen für jeden eingestellten Schnittwinkel die Beziehung λ=/?=0 bei einem gewissen Schnittwinkel J₁

gegeben. Zunächst wird t bestimmt, und dann werden / und w bei dem Schnittwinkel bestimmt, der λ=^=0 $

ergibt. Durch die Änderung, daß t zuerst bestimmt wird, ändert sich / und iv oder das Verhältnis w/l, was zu \S,

x—ß=0 führt. Dander Fi-Schwingungsform hauptsächlich von dem Verhältnis w/l abhängt, ändert sich/und %

wird bei einer etwaigen Dicke / * Null. Jetzt gilt natürlich λ=/5"=/=0. Τ

F i g. 7 zeigt die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer erfindungsgemäßen modengekoppelten Quarzstimmgabel. Man sieht, daß die Kennlinie in einem breiten Temperaturbereich gut ist, weil der Temperaturkoeffizient % ίο dritter Ordnung Null ist. ^

Es gibt vier Schnittwinkel, für die λ=/?= 0 gilt. Solche Schnittwinkel sind folgendermaßen gegeben: |?

zyw:-\2,5°±2O°/o ft

zyw: +25° ±20% |

zyl: -40° ±10% 1

zyl·. +40° ±10% I

Bei diesen Buchstabenkombinationen handelt es sich um international gebräuchliche Bezeichnungen für %

Quarz-Schnittwinkel ausgehend von einer Bezugslage im X-, Y- und Z-Koordinatensystem. Die ersten beiden s Buchstaben kennzeichnen die Bezugslage, wobei der erste Buchstabe die Achse des Koordinatensystems kennzeichnet, die sich in Dickenrichtung des Quarzes erstreckt, und der zweite Buchstabe die Achse kennzeichnet, die

sich in Längenrichtung erstreckt. Der dritte Buchstabe gibt die Drehachse an, wobei w die sich in Breitenrich- -· tung erstreckende Drehachse und /die sich in Längsrichtung erstreckende Drehachse ist.

Die Schnittwinke! ändern sich in dem Bereich zwischen ±10% und ±20% in Abhängigkeit der Differenz zwischen synthetischem und natürlichem Quarz. Mit diesen Schnittwinkeln ergeben sich t und w/l, die zu der

Beziehung oc=ß= 0 und /= 0 führen, wie folgt: ;;¥,

t = 50 μ bis 500 μ '{

und . ί

w/l = 0,08 bis 0,15 j

Da Resonatoren mit t < 200 μ mittels Photolithographie-Verfahren hergestellt werden können, können solche Resonatoren mit geringen Abmessungen und kostengünstig hergestellt werden.

Elektronische Uhren, die eine modengekoppelte Quarzstimmgabel mit Λ=β=γ—0 gemäß der Erfindung .

besitzen, können unter den verschiedensten Umweltbedingungen mit hoher Genauigkeit arbeiten. /₍

Der erfindungsgemäße Resonator kann als bezüglich Umgebungstemperaturen stabilisierte, klein bemessene ■■ ·

Normalfrequenzquelle in nachrichtentechnischen Anlagen verwendet werden. ■:.-,

Wenngleich die Erfindung anhand einer modengekoppelten Quarzstimmgabel erläutert wurde, die eine Biege- ;■

schwingungsform des ersten Obertons verwendet, läßt sich die erfindungsgemäße Lehre auch auf solche Quarz- ; Stimmgabeln anwenden, die eine Oberwelle höherer Ordnung oder andere Schwingungsformen verwendet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Modengekoppelte Quarzstimmgabel, deren Dicke 50 bis 500 μπι beträgt, dadurchgekenazeichn e t, daß das Verhältnis der Breite w der Stimmgabeianne zu deren Länge / tv//= 0,08 bis 0,15 beträgt und daß die Quarzstimmgabel einen der nachfolgenden Schnittwinkel besitzt:

zyw: +25° ±20%,
zy/:-40°±10%,
zy/:+40°±10%.