DE4106188C2 - Mehrelektroden-Quarzkristallresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrelektroden-Quarzkri­ stallresonator, wie er insbesondere für temperaturkompen­ sierte Quarzkristalloszillatoren verwendet wird.

Es sind bereits Quarzkristalloszillatoren, bei denen ein Mehrelektroden-Quarzkristallresonator verwendet wird, von den Erfindern des Gegenstandes der vorliegenden Erfin­ dung zur Verbesserung der Eigenschaften von temperaturkom­ pensierten Quarzkristalloszillatoren entwickelt worden, die in den Japanischen Patentanmeldungen Nr. 63-15142, 63- 25093, 63-248632, 63-275669, 63-335050 (1988) und 1-223610 (1989) des Anmelders der vorliegenden Erfindung beschrieben sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Art von tem­ peraturkompensiertem Quarzkristalloszillator unter Verwen­ dung eines Mehrelektroden-Quarzkristallresonators ist in Fig. 6 gezeigt. Dieser bekannte Quarzkristalloszillator besteht im wesentlichen aus einem Mehrelektroden-Quarzkri­ stallresonator 1, einer Oszillatorschaltung 2, einer Tem­ peraturkompensationsschaltung 3 und einem Frequenzeinstell­ element 4.

Der Mehrelektroden-Quarzkristallresonator 1 enthält ein Quarzkristallplättchen 5, wie ein AT-geschnittenes Quarzkristallplättchen, das in einem Dickenscherschwin­ gungsmodus schwingt. Längs der Richtung der Z'-Achse des Quarzkristallplättchens 5 sind zwei Paare von Elektroden 6a, b und 7a, b so angeordnet, daß sie Seite an Seite auf den Hauptflächen des Plättchens 5 ausgerichtet sind. Zwischen den Elektroden des einen Elektrodenpaares 6a, 6b sind die Oszillatorschaltung 2 und das Frequenzeinstellelement 4 in Serie elektrisch verbunden, wogegen die Temperaturkompen­ sationsschaltung 3 elektrisch zwischen den Elektroden des anderen Elektrodenpaars 7a, 7b angeschlossen ist. Die Frequenz, bei der die Oszillatorschaltung 2 schwingt, ver­ ändert sich in Abhängigkeit der Änderungen der Umgebungs­ temperatur für das eine Elektrodenpaar 6a, b. Das Frequenz­ einstellelement 4 ist ein Element variabler Kapazität, mit dem die Schwingungsfrequenz bei einer bestimmten Temperatur genau auf die vorgesehene Nennfrequenz einstellbar ist.

Die Temperaturkompensationsschaltung 3 enthält eine Kompensationsspannungserzeugungsschaltung 8, die entspre­ chend den Umgebungstemperaturänderungen an dem einen Elektrodenpaar 6a, b an einem spannungsveränderlichem Kapa­ zitätselement 9 eine für die Frequenzkompensation notwen­ dige Kompensationskapazität erzeugt. Die Kapazitätsänderung des spannungsveränderlichen Kapazitätselements 9 kompen­ siert die Frequenzänderung infolge der Temperaturänderung des einen Elektrodenpaars 6a, b durch Einstellung der Lastkapazität der Oszillatorschaltung 2 über eine elastische akustische Kopplung zwischen den beiden Elektrodenpaaren 6a, b und 7a, b.

Ein Vorteil des oben beschriebenen, bekannten Oszilla­ tors, bei dem keinerlei elektrische Verbindung zwischen der Oszillatorschaltung 2 und dem Frequenzeinstellelement 4 be­ steht, ist, daß der Einfluß auf die Temperaturkompen­ sationsschaltung 3 beim Einstellen der Schwingungsfrequenz vermindert und die Betriebszuverlässigkeit des Oszillators erhöht werden.

Der auf der Verwendung eines Mehrelektroden-Quarzkri­ stallresonators 1 beruhende, oben beschriebene Quarzkri­ stalloszillator erregt jedoch neben einem erwünschten sym­ metrischen Schwingungsmodus mit der Frequenz f_s1 gleichzei­ tig einen nicht erwünschten antisymmetrischen Schwingungs­ modus mit der Frequenz f_a1 in der Nachbarschaft der Fre­ quenz f_s1, worauf sich die in Fig. 7 gezeigte Resonanz­ kurve bezieht, die mit einem Übertragungsleitungsverfahren gemessen ist. Dies läßt sich wie folgt erklären.

Im allgemeinen werden in dem Quarzkristallplättchen viele den erwünschten Dickenscherschwingungsmodus beglei­ tende unharmonische Schwingungsmoden gemessen, wobei diese Schwingungsmoden in einer Modusnotation (y, x, z) dargestellt werden, bei der x die Anzahl der Schwingungsaus­ lenkungsmaxima längs der Richtung der X-Achse des Quarzkristallplättchens und z die Anzahl der Schwingungs­ auslenkungsmaxima längs der Richtung der Z'-Achse desselben angibt, wogegen y die Ordnung der harmonischen Oberschwin­ gung des erwünschten Dickenscherschwingungsmodus bezeich­ net, die bei Resonanz längs der Y'-Achse des Quarzkristalls auftreten. Die Größen von x und y sind durch die Randbedingungen an den Elektroden und auch durch die Abmessungen des Quarzkristallplättchens bestimmt, wogegen y nur durch die Dicke des Plättchens in seinem Elektroden­ bereich bestimmt ist, wobei y = 1, 3, 5. . . .

In dem Falle, daß zwei Elektrodenpaare 6a, b und 7a, b längs der Z'-Achsenrichtung auf dem Quarzkristallplättchen angebracht sind, werden im allgemeinen zwei vorherrschende Schwingungsmoden beobachtet, nämlich ein symmetrischer Schwingungsmodus (y, 1, 1) mit der Frequenz f_s1 und ein anti­ symmetrischer Schwingungsmodus (y, 1, 2) mit einer Frequenz f_a1, die etwas höher ist als die Frequenz f_s1, wie in den Fig. 8(a) bzw. 8(b) dargestellt ist.

Andererseits kann im Falle eines einzigen Elektrodenpaars 10a, b der antisymmetrische Schwingungsmodus grundsätzlich nicht erregt werden infolge einer Auslöschung der durch einen antisymmetrischen Schwingungsmodus auf dem Elektrodenpaar 10a, b induzierten elektrischen Ladung.

Bei den zur Verwendung in temperaturkompensierten Quarzkristalloszillatoren verwendeten Mehrelektroden-Quarz­ kristallresonatoren bestand eine bisher nicht überwundene Schwierigkeit oft in einer abrupten Frequenz- und Phasen­ verschiebung zwischen den genannten beiden Schwingungs­ moden.

Aus der EP-A-0 352 695 ist ein Quarzkristalloszillator mit temperaturkompensierter Frequenzcharakteristik bekannt. Dabei liegt eine mit einer Schaltung verbundene Elektrode am Rand eines Quarzkristallresonators. Weiter an dem Resonator anliegende Elektroden sind an unterschiedliche Kompensations­ kreise angeschlossen.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mehrelektroden-Quarzkristallresonator zu schaffen, bei dem an­ tisymmetrische Schwingungsmoden so wirksam unterdrückt werden, daß eine abrupte Frequenz- und Phasenverschiebung bei der Ver­ wendung in temperaturkompensierten Quarzkristall-Oszillatoren verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach Anspruch 1 und nach Anspruch 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegen­ stand der Ansprüche 3 bis 8.

Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein Mehr­ elektroden-Quarzkristallresonator geschaffen, der ein zu einer Schwingung in einem Dickenscherschwingungsmodus ge­ eignetes Kristallplättchen und längs dem Plättchen voneinander beabstandet angeordnete und elektrisch mit einer Oszillatorschaltung und einer Schaltung variabler Im­ pedanz verbundene Hauptelektroden zum Bewirken einer solchen Schwingung sowie eine oder mehrere den Hauptelektroden gegenüberliegend angeordnete Gegenelektro­ den enthält, wobei eine der Hauptelektroden in einem mittleren Bereich des Plättchens angeordnet ist und zweite und dritte der Hauptelektroden elektrisch miteinander ver­ bunden und getrennt jeweils zwischen dem mittleren Bereich und den jeweiligen Enden des Plättchens angeordnet sind, wogegen eine oder mehrere Gegenelektroden den Haupt­ elektroden gegenüberliegend zusammen elektrisch mit Masse verbunden sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1(a) eine Oberflächenabwicklung, die die Elektroden auf den beiden Hauptflächen eines mit mehreren Elektroden versehenen Quarzkristallresonators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt;

Fig. 1(b) ein Blockschaltbild eines temperatur­ kompensierten, den erfindungsgemäßen Mehrelektroden-Quarz­ kristallresonator enthaltenden Kristalloszillators;

Fig. 2(a) und 2(b) Darstellungen zur Erläuterung der Auslenkung im Betrieb und der auf den Elektroden induzierten Ladungen bei Schwingung im antisymmetrischen Schwingungsmodus bzw. im symmetrischen Schwingungsmodus für den Mehrelektroden-Quarzkristallresonator gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung des charakteristischen Ansprechverhaltens des Mehrelektroden-Quarzkristallreso­ nators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines temperaturkompen­ sierten, einen Mehrelektroden-Quarzkristallresonator gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthal­ tenden Oszillators;

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines spannungsgesteuerten Oszillators unter Verwendung eines Mehrelektroden- Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines temperaturkompen­ sierten Kristalloszillators unter Verwendung eines Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach dem Stand der Technik mit Elektroden üblicher Art;

Fig. 7 eine Darstellung der charakteristischen Ansprechverhaltens eines Resonators nach dem Stand der Technik;

Fig. 8(a) bis 8(c) Darstellungen zur Erläuterung der Auslenkung im Betrieb und der auf den Elektroden eines üblichen Quarzkristallresonators mit einer Elektrode bzw. eines üblichen Mehrelektroden-Quarzkristallresonators nach dem Stande der Technik induzierten elektrischen Ladungen.

Bezugnehmend auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1(a) eine Ansicht der Oberflächenab­ wicklung eines Quarzkristallplättchens eines Mehrelektro­ den-Quarzkristallresonator dargestellt. Das Quarzkristall­ plättchen hat beispielsweise die Form eines AT-ge­ schnittenen Scheibchens. Auf dem Plättchen sind zwei Paare von Elektroden angeordnet, wobei ein erstes Elektrodenpaar 13a, b in einem mittleren Bereich des Plättchens angeordnet und eine Elektrode 13a des ersten Elektrodenpaars die der anderen Elektrode 13b gegenüberliegende Gegenelektrode ist. Ein zweites Elektrodenpaar enthält getrennte Bereiche 11a, b und 12a, b, die getrennt in der Nähe und auf beiden Seiten der Elektroden des ersten Elektrodenpaars 13a, b längs der Z'-Achsenrichtung des Plättchens 5 angeordnet sind, wobei die Bereiche 11a und 12a eine Elektrode auf einer Ober­ fläche des Plättchens 5 bilden, wogegen die Bereiche 11b und 12b auf der anderen Oberfläche des Plättchens 5 angeordnet sind und die andere Elektrode des zweiten Elek­ trodenpaars bilden. Die getrennten Bereiche 11a, 12a und 11b, 12b des zweiten Elektrodenpaars sind jeweils durch eine Brücke 14a bzw. 14b miteinander verbunden, die gegen die Elektroden des ersten Elektrodenpaars 13a, b versetzt sind.

Die Elektroden des ersten Elektrodenpaars 13a, b sind elektrisch mit einer Temperaturkompensationsschaltung 3 verbunden, wogegen das zweite Paar von Elektroden, die durch die miteinander durch Brücken 14a, b verbundenen Be­ reiche 11a, 12a und 11b, 12b gebildet sind, elektrisch mit einer Oszillatorschaltung 2 und einer variablen Kapazität 4, die in Serie liegen, verbunden sind, wie in Fig. 1(b) dargestellt, wo schematisch ein temperaturkompensierter Quarzkristalloszillator unter Verwendung eines erfindungs­ gemäßen Mehrelektroden-Quarzkristallresonators gezeigt ist.

Bezugnehmend auf die Fig. 2(a) und 2(b), werden zwei Arten von Vibrationsschwingungen, d. h. eine antisymme­ trische (y, 1, 2) einer Frequenz f_a1 bzw. eine symmetrische (y, 1, 1) einer Frequenz f_s1 gleichzeitig an demselben Plätt­ chen 5 beobachtet. Der antisymmetrische Schwingungsmodus kann jedoch sehr wirksam unterdrückt werden infolge des Um­ standes, daß die durch den antisymmetrischen Schwingungs­ modus, wie in Fig. 2(a) dargestellt, auf den getrennten Elektrodenbereichen 11a und 12a oder 11b und 12b induzier­ ten Ladungen durch die Verbindung der Brücken 14a, b ausge­ löscht werden, wogegen der symmetrische Schwingungsmodus wegen derselben Ladungsrichtung der auf den getrennten Elektrodenbereichen 11a wie auf 12a oder 11b wie auf 12b, wie in Fig. 2(b) dargestellt, induzierten Ladungen nicht unterdrückt werden kann, so daß der symmetrische Schwingungsmodus den antisymmetrischen wesentlich über­ wiegt. Dadurch wird eine Verschiebung von Frequenz und Phase vom symmetrischen Schwingungsmodus der Frequenz f_s1 zum antisymmetrischen der Frequenz f_a1, wie in Fig. 3 gezeigt, bei einer Verwendung in beispielsweise dem in Fig. 1(b) gezeigten temperaturkompensierten Quarzkristall­ oszillator verhindert.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen Mehrelektroden-Quarzkristallresonators zur Verwendung in einem temperaturkompensierten Quarzkristall­ oszillator, bei dem ein erstes Paar von Elektroden 13a, b elektrisch mit einer variablen Kapazität 4 und einer Oszillatorschaltung 2, die in Serie liegen, verbunden ist, um bei einer Nennfrequenz f₀ zu schwingen, wogegen ein zweites und ein drittes Elektrodenpaar 11a, 11b bzw. 12a, 12b zum Zwecke der Temperaturkompensation mit einer Temperaturkompensationsschaltung 3 elektrisch verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung können aus den gleichen Gründen dieselben vorteilhaften Wirkungen wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel erwartet werden.

Gegenüber den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Anordnung der Elektrodenpaare nicht notwendigerweise auf eine Richtung entlang der Z'-Achse des Plättchens 5 beschränkt, vielmehr können sie auch in der Richtung längs der X-Achse angeordnet sein, wobei der antisymmetrische Schwingungsmodus in dieser Notation zum Beispiel als (y, 2, 1) bezeichnet ist, anstatt von (y, 1, 2) im Falle der Anordnung entlang der Z'-Achse des Plättchens 5.

Weiter können die gegen die Elektrodenbereiche ver­ setzt angeordneten Brücken 14a, b durch eine elektrische Verbindung außerhalb des Plättchens 5 ersetzt sein.

Weiter können die getrennten Elektroden 11b, 12b und 13b als eine gemeinsame Elektrode gegenüber den Elektroden 11a, 12a und 13a angeordnet sein.

Der erfindungsgemäße Mehrelektroden-Quarzkristallreso­ nator kann auch auf einen spannungsgesteuerten Oszillator angewendet werden, wobei die Steuerung der Schwingung in der gleichen Weise wie bei einem temperaturkompensierten Quarzkristalloszillator erfolgt, wie das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 5 zeigt.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Mehrelektro­ den-Quarzkristallresonator für einen doppelt temperaturkom­ pensierten Quarzkristalloszillator verwendet werden, wie er in den eingangs angegebenen Patentanmeldungen beschrieben ist.

Die an das zweite Elektrodenpaar anzulegende Impedanz kann mit einer geeigneten Schaltung oder einer Kombination von Einrichtungen oder Elementen, wie variablen oder festen Kapazitäten, Induktivitäten und/oder Widerständen als mög­ liche Mittel zur Frequenztemperaturkompensation eines Oszillators unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mehr­ elektroden-Quarzkristallresonators ausgewählt werden.

Claims (8)

1. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator zur Verwendung für einen Oszillator, mit einem Quarzkristallplättchen (5), auf dem ein erstes und ein zweites Paar von Elektroden angebracht sind, wobei eines von den Elektrodenpaaren elektrisch mit ei­ ner Oszillatorschaltung (2) und das andere der Elektrodenpaare elektrisch mit einer Schaltung (3) variabler Impedanz verbun­ den ist, und wobei der Quarzkristallresonator in einem Dicken­ scherschwingungsmodus schwingt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Elektrodenpaar (13a, b) in einem Mittelbe­ reich des Quarzkristallplättchens (5) angeordnet und elek­ trisch mit der Oszillatorschaltung (2) verbunden ist,
daß das zweite Elektrodenpaar getrennte Bereiche (11a, 12a und 11b, 12b) enthält, die in der Nähe und auf gegenüber­ liegenden Seiten des ersten Elektrodenpaares (13a, b) angeord­ net sind, und elektrisch mit der Schaltung (3) variabler Impe­ danz verbunden ist und
1daß das erste und das zweite Elektrodenpaar (13a, b; 11a, 12a und 11b, 12b) längs der Richtung der Z'-Achse oder der X- Achse des Plättchens (5) angeordnet sind, um antisymmetrische Schwingungsmoden zu unterdrücken.

2. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator zur Verwendung für einen Oszillator, mit einem Quarzkristallplättchen (5), auf dem ein erstes und ein zweites Paar von Elektroden angebracht sind, wobei eines von den Elektrodenpaaren elektrisch mit ei­ ner Oszillatorschaltung (2) und das andere der Elektrodenpaare elektrisch mit einer Schaltung (3) variabler Impedanz verbun­ den ist, und wobei der Quarzkristallresonator in einem Dicken­ scherschwingungsmodus schwingt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Elektrodenpaar (13a, b) in einem Mittelbe­ reich des Quarzkristallplättchens (5) angeordnet und elek­ trisch mit der Schaltung variabler Impedanz verbunden ist,
daß das zweite Elektrodenpaar getrennte Bereiche (11a, 12a und 11b, 12b) enthält, die in der Nähe und auf gegenüber­ liegenden Seiten des ersten Elektrodenpaares (13a, b) angeord­ net sind, und elektrisch mit der Oszillatorschaltung (2) ver­ bunden ist und
daß das erste und das zweite Elektrodenpaar (13a, b; 11a, 12a und 11b, 12b) längs der Richtung der Z'-Achse oder der X- Achse des Plättchens (5) angeordnet sind, um antisymmetrische Schwingungsmoden zu unterdrücken.

3. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode des zweiten Elektrodenpaares bildenden Bereiche (11a, 12a) elek­ trisch miteinander verbunden sind, und daß die die andere Elektrode des zweiten Elektrodenpaares bildenden Bereiche (11b, 12b) elektrisch miteinander verbunden sind.

4. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die jeweilige Elektrode des zweiten Elektrodenpaares bildenden Bereiche (11a, 12a und 11b, 12b) miteinander über Brücken (14a bzw. 14b) elektrisch ver­ bunden sind, die auf dem Plättchen (5) von dessen mittleren Bereich versetzt angeordnet sind.

5. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die jeweiligen Elektroden des zweiten Elektrodenpaares bildenden Bereiche (11a, 12a und 11b, 12b) über eine elektrische Verbindung außerhalb des Plättchens (5) miteinander elektrisch verbunden sind.

6. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektro­ den (13b) des ersten Elektrodenpaares (13a, b) und die Berei­ che (11b, 12b) einer der Elektroden des zweiten Elektrodenpaa­ res als einzige, gemeinsame Elektrode auf dem Plättchen (5) angebracht sind.

7. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (3) variabler Impedanz eine spannungsgesteuerte Schaltung ist.

8. Mehrelektroden-Quarzkristallresonator nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (3) variabler Impedanz eine variable Kapazität oder eine variable Induktivität ist.