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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator, einen
Schnittwinkel, ein Dicke-zu-Breite-Verhältnis Rzx, eine Form
und eine Anregungselektrodenstruktur, wie einen Torsions-
Quarzkristallresonator von dem speziellen Schnittyp, der in
dieser Beschreibung TT-Schnitt genannt wird. Die vorliegende
Erfindung betrifft insbesondere den
Torsions-Quarzkristallresonator des Typs, der als Taktsignalquelle in verschiedenen
tragbaren Geräten, wie einer Armbanduhr, einem
Funkrufempfänger, einer IC-Karte und einem drahtlosen
Kommunikationsgerät für Fahrzeuge geeignet ist, in welchen eine hohe
Genauigkeit, eine kompakte Größe sowie eine gute Stoßfestigkeit
des Resonators bei einem vernünftigen Preis gefordert ist.
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Früher wurde sowohl ein Biegemoden-Quarzkristallresonator eines
Stimmgabeltyps als auch ein
Längendehnungsmoden-Quarzkristallresonator in einem Frequenzband von 200 kHz - 600 kHz
eingesetzt. Allerdings verwendet der
Biegemoden-Quarzkristallresonator des Stimmgabeltyps eine Oberschwingung, weshalb die
Gestaltung von Elektroden kompliziert ist und ein
beträchtlicher Schwingungsenergieverlust durch die Lagerung für die
Leitungsdrähte etc. verursacht wird. Demzufolge besitzt dieser
Resonatortyp den Nachteil eines relativ hohen Reihenwiderstands
R&sub1;. Andererseits besitzt der
Dehnungsmoden-Quarzkristallresonator eine Schwingungsfrequenz, die reziprok zur Länge
eines Schwingarms des Resonators ist. Deshalb ist der Resonator
im relativ niedrigen Frequenzbereich unterhalb 600 kHz
vergrößert, wodurch der Nachteil verursacht wird, daß eine
Verkleinerung der Größe schwierig ist. Im Hinblick auf diese
Nachteile wurde lange Zeit ein Quarzkristallresonator eines
neuen Schnittyps erwünscht, welcher sich durch eine
Schwingungsfrequenz im Bereich von 200 kHz - 600 kHz, eine
miniaturisierte kompakte Größe, einen verschwindenden
Temperaturkoeffizienten sowie einen einfachen chemischen
Ätzprozeß auszeichnet.
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Ein Typ eines vorgeschlagenen Resonators nach dem Stand der
Technik ist in der britischen Patentveröffentlichung Nr.
2124022A gezeigt, in welcher ein Quarzresonator des
Stimmgabeltyps gezeigt ist, welcher Achsen x', y' und z' aufweist, die
aus den Achsen x, y, z des Kristalls hervorgehen, und zwar
durch Drehen um einen Winkel φ um die x-Achse und dann Drehen
um einen Winkel θ mit einem Wert von + oder - 45º um die
resultierende z'-Achse, und welcher eine sich längs der x'-
Achse erstreckende Länge aufweist. Bereiche von φ zwischen -45
und -38º und + 40 und + 80º mit speziellen Beispielen von -
45,5º und +64,5º sind vorgeschlagen. Es ist vorgeschlagen, daß
die Verwendung dieser Winkel dazu führen kann, daß die
Temperaturkoeffizienten erster und zweiter Ordnung klein sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Torsions-
Quarzkristallresonator eines neuen Schnittyps bereitzustellen,
der definiert ist durch Drehen eines Z-Platten-Quarzkristalls
um die x-Achse und Drehen des Quarzkristalls um die z'-Achse.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
optimalen Bereich des Dicke-zu-Breite-Verhältnisses bei einem
Torsions-Quarzkristallresonators mit gutem Frequenz-Temperatur-
Verhalten festzulegen. Das Frequenz-Temperatur-Verhalten kann
nämlich durch optimales Einstellen des Verhältnisses der Dicke
zur Breite des Resonators verbessert werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Anregungselektrodenstruktur mit einem verringerten
Reihenwiderstand bereitzustellen. Der Reihenwiderstand kann nämlich
durch Anordnen der Anregungselektrode an einer zur z'-Achse
normalen Fläche des Resonatorstücks und durch Anordnen einer
Verbindungselektrode an einer Seitenfläche eines
Schwingabschnitts des Resonators reduziert werden.
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Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
einen Torsions-Quarzkristallresonator bereitzustellen, der eine
spezielle Gestaltung aufweist, die zur Reduzierung des
Schwingungsenergieverlusts wirksam ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem ersten Aspekt
ein in einem Torsionsmodus schwingungsfähiger Torsions-
Quarzkristall-Stimmgabelresonator bereitgestellt, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Resonator einen speziellen
Schnittyp aufweist, der derart definiert ist, daß ein z-
Platten-Quarzkristall, der normal zu einer z-Achse ist, um eine
x-Achse um einen Schnittwinkel φ im Bereich von -50º bis +30º
gedreht wird und ferner um eine resultierende z'-Achse um einen
weiteren Schnittwinkel φ im Bereich von -30º bis -10º oder +10º
bis +30º gedreht wird, um den Torsions-Quarzkristall-
Stimmgabelresonator zu bilden, wobei der Resonator seine Länge
längs einer resultierenden y'-Achse sich erstreckend besitzt,
ein Dicke-zu-Breite-Verhältnis (Rzx) im Bereich von 0,1 bis 1,5
besitzt, wobei die Breite sich in einer Richtung der
resultierenden x'-Achse und die Dicke sich in einer Richtung
der resultierenden z'-Achse erstreckt, und wobei der Resonator
im Bereich der Raumtemperatur einen Temperaturkoeffizienten α
erster Ordnung von angenähert Null aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem zweiten Aspekt
ein in einem Torsionsmodus schwingungsfähiger Torsions-
Quarzkristall -St immgabelresonator bereitgestellt, der umfaßt:
einen Schwingabschnitt mit einer Stimmgabelform mit einer
Oberseite und einer Unterseite; einen Brückenabschnitt, der mit
einem Zwischenteil des Schwingabschnitts verbunden ist; einen
Halteabschnitt, der mit dem Brückenabschnitt verbunden ist und
an einem Ende des Halteabschnitts einen Träger aufweist; und
ein Paar von Anregungselektroden entgegengesetzter Polaritäten,
die einander benachbart auf wenigstens einer Seite von
Oberseite
und Unterseite des Schwingabschnitts angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einer
Quarzkristallplatte gebildet ist, die definiert ist durch Drehen
einer z-Platte um eine x-Achse um einen Winkel im Bereich
von -50º bis +300 und durch weiteres Drehen derselben um eine
resultierende z'-Achse um einen weiteren Winkel im Bereich von
-30º bis 10º oder +10º bis +30º, wobei der Resonator ein
Dicke-zu-Breite-Verhältnis (Rzx) im Bereich von 0,1 bis 1,5
aufweist, wobei die Breite sich in einer Richtung der
resultierenden x'-Achse und die Dicke sich in einer Richtung
der resultierenden z'-Achse erstreckt, und wobei der Resonator
im Bereich der Raumtemperatur einen Temperaturkoeffizienten α
erster Ordnung von näherungsweise Null aufweist.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von welchen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die das
Koordinatensystem des
Torsions-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2A eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung
zwischen Schnittwinkeln φ, θ und einem Dicke-zu-
Breite-Verhältnis Rzx des
Torsions-Quarzkristallresonators der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei
der Temperaturkoeffizient α erster Ordnung zu Null
festgelegt ist;
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Fig. 2B eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung
zwischen dem Temperaturkoeffizienten β zweiter
Ordnung und dem Schnittwinkel φ bei dem Resonator der
Fig. 2A zeigt;
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Fig. 3A eine weitere graphische Darstellung ist, die die
Beziehung zwischen den Schnittwinkeln φ, θ und dem
Dicke-zu-Breite-Verhältnis Rzx zeigt, wobei der
Temperaturkoeffizient α erster Ordnung zu Null
festgelegt ist;
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Fig. 3B eine weitere graphische Darstellung ist, die die
Beziehung zwischen dem Temperaturkoeffizienten β
zweiter Ordnung und dem Schnittwinkel φ bei dem
Resonator nach Fig. 3A zeigt;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, die ein Beispiel des
Frequenz-Temperatur-Verhaltens des
Torsions-Quarzkristallresonators - des Stimmgabeltyps gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 5 eine graphische Darstellung ist, die ein weiteres
Beispiel des Frequenz-Temperatur-Verhaltens zeigt;
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Fig. 6A eine schematische Ansicht ist, die den Torsions-
Quarzkristallresonator des Stimmgabeltyps zeigt, der
aus einer Quarzkristallplatte gebildet ist, die gemäß
der vorliegenden Erfindung festgelegte Schnittwinkel
φ, θ besitzt;
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Fig. 6B eine Schnittdarstellung ist, die die
Elektrodenstruktur des Resonators nach Fig. 6A zeigt;
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Fig. 7 eine Gesamtansicht ist, die eine Form und eine
Anregungselektrodenanordnung einer anderen
Ausführungsform des Torsions-Quarzkristallresonators gemäß
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 8 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung
zwischen einer piezoelektrischen Konstante e&sub1;&sub6; und dem
Schnittwinkel φ des Resonators gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei der andere Schnittwinkel θ als
Parameter festgelegt ist; und
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Fig. 9 eine graphische Darstellung ist, die die Beziehung
zwischen dem Schnittwinkel φ und der
Frequenzkonstante f y&sub0; zeigt, wobei der andere Schnittwinkel
θ bei dem Torsions-Quarzkristallresonator des
Stimmgabeltyps gemäß der vorliegenden Erfindung als
ein Parameter festgelegt ist.
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Fig. 1 zeigt das Koordinatensystem des
Torsions-Quarzkristallresonators der vorliegenden Erfindung. Das Koordinatensystem 0-
xyz umfaßt einen Ursprungspunkt 0, eine elektrische Achse x,
eine mechanische Achse y sowie eine optische Achse z. Ein
ursprünglicher Torsions-Quarzkristallresonator 1 besitzt eine
Abmessung mit einer Dicke z&sub0;, einer Breite x&sub0; und einer Länge y&sub0;,
wobei ein Torsionsmoment um die y-Achse vorgesehen ist. Dieser
ursprüngliche Resonator ist durch einen z-Platten-Quarzkristall
definiert, der normal zur z-Achse ist.
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Dann wird der ursprüngliche Resonator um die x-Achse um einen
Winkel φ im Bereich von -90º bis +90º gedreht, wobei eine
Richtung im Gegenuhrzeigersinn durch ein Plus-Zeichen
bezeichnet ist, so daß der gedrehte Resonator eine neue z-
Achse, d.h. z'-Achse aufweist. Ferner wird der Resonator um die
z'-Achse um einen anderen Winkel θ im Bereich ± (10º bis 80º)
gedreht, wodurch der erfindungsgemäße Resonator mit einem neuen
Schnitt definiert ist, der nachfolgend als "TT-Schnitt"
bezeichnet ist.
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Die Schnittwinkel φ, θ und das Dicke-zu-Breite-Verhältnis Rzx
= z&sub0;/x&sub0; sind optimal bestimmt, um den Temperaturkoeffizienten α
erster Ordnung auf Null zu setzen. Fig. 2A zeigt die Beziehung
zwischen den Schnittwinkeln φ, θ und dem Dicke-zu-Breite-
Verhältnis Rzx, welche festgelegt werden, um den Umstand zu
schaffen, daß der Temperaturkoeffizient α erster Ordnung bei
dem Torsions-Quarzkristallresonator der vorliegenden Erfindung
zu Null wird.
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Fig. 2B zeigt die Beziehung zwischen dem
Temperaturkoeffizienten β zweiter Ordnung und dem Schnittwinkel φ bei der
Bedingung α = 0. Diese Graphen zeigen berechnete Werte, bei
denen der Schnittwinkel θ als ein Parameter auf 0º, ± 10º, ±
20º und ± 30º festgesetzt ist, und gemessene Werte, wobei der
Schnittwinkel θ auf 0º, ± 10º, ± 20º und ± 30º festgesetzt ist.
Wie es aus dem Graph nach Fig. 2A verständlich ist, kann die
Bedingung α = θ durch geeignete Wahl des Dicke-zu-Breite-
Verhältnisses Rzx geschaffen werden, wobei im Falle von θ = ±
(0º bis 30º) der Schnittwinkel φ von -50º bis +60º reicht.
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Wie aus Fig. 2B ersichtlich ist, nimmt der Absolutwert von β im
Bereich von φ = 30º einen Minimalwert an, wenn der
Schnittwinkel θ auf ± 10º festgesetzt ist. Wird beispielsweise bei φ
= 28º und θ = ± 10º ein Wert von α = θ erhalten, so ist mit
Hinblick auf den Resonator des Stimmgabeltyps der berechnete
Wert von β gleich -1,16 x 10&supmin;&sup8;/ºC² und der gemessene Wert von ß
gleich -1,29 x 10&supmin;&sup8;/ºC². Somit ist der Absolutwert des
berechneten und gemessenen β beträchtlich kleiner als der des
Biegemoden-Quarzkristallresonators (β = -3,8 x 10&supmin;&sup8;/ºC²), und
zwar ungefähr ein Drittel. Ferner wird die Bedingung α = θ bei
θ = -42º und θ = ± 30º erhalten, wobei der berechnete Wert von
β gleich -1,06 x 10&supmin;&sup8;/ºC² ist und der gemessene Wert
gleich - 1,22 x 10-8/ºC² ist. In diesem Fall kann der Absolutwert von β
beträchtlich reduziert werden.
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Im allgemeinen wird die Bedingung α = θ im Bereich von φ = -50º
bis +60º durch geeignetes Festlegen des anderen Schnittwinkels
0 sowie des Dicke-zu-Breite-Verhältnisses Rzx erhalten, wobei
der Wert von β auf den Bereich von -1,2 x 10&supmin;&sup8;/ºC² bis -3,7 x 10&supmin;
&sup8;/ºC² reduziert ist. Da der Absolutwert von β klein gemacht
werden kann, kann ein Torsions-Quarzkristallresonator mit einem
hervorragenden Frequenz -Temperatur-Verhalten erhalten werden.
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Die Fig. 3A und 3B zeigen für den gleichen
Torsions-Quarzkristallresonator des Stimmgabeltyps ähnliche Beziehungen wie
in den Graphen der Fig. 2A und 2B gezeigt, wobei der
parametrische
Schnittwinkel θ ferner größer auf ± 40º, ± 60º und ±
80º festgelegt ist. Der Graph aus Fig. 3A zeigt nämlich die
Beziehung zwischen den Schnittwinkeln φ, θ und dem Dicke-zu-
Breite-Verhältnis Rzx, welche festgelegt sind, um die Bedingung
α = 0 zu erfüllen. Fig. 3B zeigt den Wert des
Temperaturkoeffizienten β zweiter Ordnung unter der Bedingung α = 0. Mit
Ausnahme des Bereichs um φ = 35º, in dem die Bedingung α =
nicht realisiert ist, kann die Bedingung α = θ im allgemeinen
im Bereich von φ = -90º bis +90º durch geeignete Wahl des
Dicke-zu-Breite-Verhältnisses Rzx erzielt werden. Wie es aus
der Fig. 38 ferner ersichtlich ist, kann der Wert β einen
relativ niedrigen Wert im Bereich von -1,0 x 10&supmin;&sup8;/ºC² bis -3,8
x 10&supmin;&sup8;/ºC² wie in dem Fall von θ = ±(0º bis 30º) annehmen,
wodurch ein Torsions-Quarzkristallresonator des Stimmgabeltyps
erhalten wird, der ein gutes Frequenz-Temperatur-Verhalten
aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Bedingung α = θ durch
Wahl des Schnittwinkels φ im Bereich von -90º bis +90º, durch
Wahl des anderen Schnittwinkels θ im Bereich von +(0º bis 80º)
und durch Wahl des Verhältnisses Rzx im Bereich von 0,1 bis 1,5
erfüllt werden. Ein typisches Temperaturverhalten des damit
definierten Resonators ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Fig. 4
ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel des Frequenz-
Temperatur-Verhaltens des Stimmgabeltyps des
Torsions-Quarzkristallresonators der vorliegenden Erfindung mit
Schnittwinkeln von φ = 28º und θ = 10º zeigt. Die Kurve in
durchgezogener Linie zeigt den berechneten Wert der Frequenzabweichung
Δf/f und Kreispunkte zeigen die gemessenen Werte. Andererseits
zeigt die Kurve in unterbrochener Linie das Frequenz-
Temperatur-Verhalten des herkömmlichen
Biegemoden-Quarzkristallresonators. Wie es aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4
ersichtlich ist, besitzt der Torsions-Quarzkristallresonator
der vorliegenden Erfindung des Stimmgabeltyps ein besseres
Frequenz-Temperatur-Verhalten.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel des Frequenz-Temperatur-
Verhaltens eines solchen Quarzkristallresonators vom
Stimmgabeltyp mit Schnittwinkeln von φ = -42º und θ = 30º. Wie in
dem Fall der Fig. 4 ist aus der graphischen Darstellung nach
Fig. 5 verständlich, daß der Torsions-Quarzkristallresonator
des Stimmgabeltyps gemäß der vorliegenden Erfindung im
Vergleich zu dem herkömmlichen Biegemoden-Quarzkristall
resonator ein besseres Frequenz-Temperatur-Verhalten besitzt.
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Fig. 6A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Torsions-
Quarzkristallresonators vorn Stimmgabeltyp, welcher aus einer
Quarzkristallplatte mit den gemäß der Erfindung festgelegten
Schnittwinkeln φ, θ gebildet ist. Fig. 6B zeigt einen
Querschnitt des gleichen Resonators, welcher die Elektrodenstruktur
veranschaulicht. Der Resonator besitzt ein Paar von
Elektrodenanschlüssen A und B. Der eine Anschluß A ist mit den Elektroden
2, 5, 7 und 8 verbunden und der andere Anschluß B ist mit den
Elektroden 3, 4, 6 und 9 verbunden. Bei dieser
Elektrodenstruktur wird der Torsions-Quarzkristallresonator 10 gemäß
einer piezoelektrischen Konstante e&sub1;&sub6; angeregt. Fig. 8 zeigt die
Beziehung zwischen der piezoelektrischen Konstante e&sub1;&sub6; und den
Schnittwinkeln φ, θ.
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Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Gestalt und
eine Anregungselektrodenanordnung einer weiteren
Ausführungsform des Torsions-Quarzkristallresonators der vorliegenden
Erfindung zeigt. Ein Resonator 11 umfaßt einen Schwingabschnitt
12 mit Anregungselektroden 17, 18, 21 und 22 (die Elektroden 21
und 22 sind in der Ansicht verdeckt) und mit
Verbindungselektroden 19, 20 (die Elektrode 20 ist in der Ansicht
verdeckt), sowie einen Halteabschnitt 13, der durch ein Paar
von Brückenabschnitten 14 mit dem Schwingabschnitt verbunden
ist. Der Halteabschnitt 13 umfaßt einen Rahmen 15, der an die
im zentralen Teil des Schwingabschnitts 12 angeordneten
Brückenabschnitte 14 gekoppelt ist, und ist an einen Träger 16
gekoppelt.
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Die Anregungselektrode 17 ist an einer Oberseite des
Schwingabschnitts 12 ausgebildet. Die Verbindungselektrode 20 ist an
einer geätzten Seite angeordnet, die durch einen Ätzprozeß für
eine Verbindung zwischen der Anregungselektrode 17 und der
weiteren Anregungselektrode 21 (nicht gezeigt) ausgebildet ist,
welche an einer Unterseite des Schwingabschnitts 12
entgegengesetzt zur vorderen Anregungselektrode 18 ausgebildet ist. In
einer ähnlichen Weise ist die vordere Anregungselektrode 18 mit
der hinteren Anregungselektrode 22 (nicht gezeigt) verbunden,
die entgegengesetzt zur vorderen Anregungselektrode 17
ausgebildet ist, und zwar durch die andere Verbindungselektrode 19,
die an der geätzten Seite ausgebildet ist. Das Paar von
Anregungselektroden 17, 18 entgegengesetzter Polaritäten ist
längs des Rahmens 15 zu dem Träger 16 hin für die externe
elektrische Verbindung verlängert. Eine Wechselspannung wird
zwischen die Endanschlüsse des Paars von Anregungselektroden
17, 18 angelegt, um effizient eine Torsionsschwingung
hervorzurufen.
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Durch einen derartigen Aufbau des Resonators kann der
Reihenwiderstand R&sub1; verringert werden, während die Schwingungsenergie
effizient innerhalb des Schwingabschnitts gehalten werden kann,
wodurch ein verbesserter Quarzkristallresonator mit
hervorragenden elektrischen Eigenschaften und ohne Schwingungsverluste
bereitgestellt wird. Ferner kann der Resonator in einfacher
Weise durch einen chemischen Ätzprozeß hergestellt werden,
obwohl ein derartiger Resonator eine ziemlich komplizierte
Gestalt aufweist.
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Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der piezoelektrischen
Konstante e&sub1;&sub6; und dem Schnittwinkel φ, wobei der andere
Schnittwinkel θ als ein Parameter festgelegt ist. Wie es aus
der graphischen Darstellung ersichtlich ist, wird die
piezoelektrische Konstante e&sub1;&sub6; bei θ = 0º im gesamten Bereich
des Schnittwinkels φ Null: Daher kann der vorliegende
Torsions-Quarzkristallresonator nicht angeregt werden. Wenn der
Schnittwinkel θ steigt, so steigt allerdings der Absolutwert
von e&sub1;&sub6; allmählich derart, daß die Konstante e&sub1;&sub6; einen
Maximalwert bei θ = 30º besitzt. Obwohl es in der Figur nicht
gezeigt ist, sinkt der Absolutwert von e&sub1;&sub6; umgekehrt und
allmählich, wenn der Schnittwinkel θ weiter erhöht wird, so daß
der Absolutwert von e&sub1;&sub6; bei θ = 60º minimal wird. Wenn der
Schnittwinkel noch weiter erhöht wird, so steigt der
Absolutwert von e&sub1;&sub6; wieder. Wie es aus der obigen Beschreibung
verständlich ist, wird der Torsions-Quarzkristallresonator mit
dem Schnittwinkel θ = 0º nicht durch die zuvor erwähnte
Elektrodenstruktur angeregt. Ferner ist der Absolutwert von e&sub1;&sub6;
extrem klein in dem Bereich des Schnittwinkels unterhalb θ =
10º, wodurch der Reihenwiderstand R&sub1; ziemlich groß und daher
nicht praktikabel ist. Dementsprechend wird der Absolut-
Schnittwinkel θ nicht kleiner als 10º festgelegt, um in der
vorliegenden Erfindung den Reihenwiderstand R&sub1; zu verringern.
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Die Beschreibung richtet sich nun auf die Miniaturisierung des
Resonators. Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem
Schnittwinkel φ und der Frequenzkonstante f y&sub0; im Hinblick auf den
Torsions-Quarzkristallresonator vom Stimmgabeltyp der
vorliegenden Erfindung mit dem Dicke-zu-Breite-Verhältnis Rzx = 0,8.
In diesem Fall ist der andere Schnittwinkel θ als ein Parameter
festgelegt. Abhangig von den Werten der Schnittwinkel φ, θ
reicht der Frequenzwert von 80 bis 97 kHz'cm. Dies ist größer
als der typische Wert von 7,9 kHz cm des herkömmlichen Biege-
Quarzkristallresonators vom Stimmgabeltyp mit dem Dicke-zu-
Breite-Verhältnis von 0,1, was jedoch kleiner als der typische
Wert von 270 kHz cm des herkömmlichen Längendehnungsmoden
Quarzkristallresonators ist. Die Frequenzkonstante des
Torsions-Quarzkristallresonators vom Stimmgabeltyp der
vorliegenden Erfindung liegt nämlich in einem Bereich zwischen denen
des Biegemodus und des Längendehnungsmodus, so daß der
erfindungsgemäße Resonator insbesondere für die Verwendung im
Frequenzbereich von 200 kHz bis 600 kHz geeignet ist.
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Die Beschreibung konzentriert sich nun auf die typischen
elektrischen Äquivalentschaltungsparameter des Torsions-
Quarzkristallresonators des Stimmgabeltyps der vorliegenden
Erfindung. Die unten stehende Tabelle 1 zeigt die typischen
Parameter hinsichtlich verschiedener Proben eines derartigen
Torsions-Quarzkristallresonators vom Stimmgabeltyp mit den
Schnittwinkeln φ = 0º, θ = 30º und den anderen Schnittwinkeln
α = 26º, θ = 10º. Wenn φ = 0º und θ = 30º gilt, werden folgende
Daten erhalten: Frequenz f = 444,1 kHz, R&sub1; = 2,2 kΩ und Q =
378.000. Andererseits werden im Falle φ = 26º, θ = 10º folgende
Daten erhalten: f = 385,8 kHz, R&sub1; = 14,4 kΩ und Q = 276.000.
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Dementsprechend ist es nun möglich, einen Resonator mit einem
kleinen Wert von R&sub1; und einem großen Wert von Q zu erhalten.
Ferner ist es aus dem Wert von e&sub1;&sub5; verständlich, daß andere
hervorragende R&sub1;- und Q-Werte in dem anderen
Schnittwinkelbereich von φ und θ neben den aufgeführten Proben erzielt
werden können.
Tabelle 1
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Wie oben beschrieben kann der Torsions-Quarzkristallresonator
mit dem TT-Schnitt gemäß der vorliegenden Erfindung folgende
bemerkenswerte Effekte hervorrufen:
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(1) Der Schnittwinkel φ ist in dem Bereich von -90º bis +90º,
der andere Schnittwinkel θ ist in dem Bereich von ±(10º bis
80º) und das Dicke-zu-Breite-Verhältnis Rzx in einem Bereich
von 0,1 bis 1,5 derart festgelegt, daß der erste
Temperaturkoeffizient
α auf Null festgelegt ist, wodurch ein
hervorragendes Frequenz-Temperatur-Verhalten erzielt wird.
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(2) Insbesondere sind die Schnittwinkel φ, θ und das Dicke-zu-
Breite-Verhältnis Rzx optimal festgelegt, um den
Temperaturkoeffizienten β zweiter Ordnung um ungefähr ein Drittel des
herkömmlichen Biegemoden-Quarzkristallresonators vorn
Stimmgabeltyp reduziert, wodurch Frequenzvariationen in bezug auf
die Temperatur im Vergleich zu den vorbekannten Biegemoden und
den Längendehnungsmoden reduziert werden.
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(3) Der oben erwähnte Resonator kann in einfacher Weise durch
einen Ätzprozeß gebildet werden, wenn der Schnittwinkel φ in
einem Bereich von -55º bis +30º liegt und der andere
Schnittwinkel θ in einem Bereich von ±(10º bis 80º) liegt, wodurch die
Größe und die Dicke des Resonators verringert werden. Zudem
kann eine Vielzahl von Resonatorstücken auf einmal durch
Serienverarbeitung eines Wafers hergestellt werden, wodurch die
Produktionskosten verringert werden.
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(4) Der Resonator der vorliegenden Erfindung besitzt einen
Frequenzbereich zwischen der fundamentalen Schwingungsmode des
Biege-Quarzkristallresonators vorn Stimmgabeltyp und des
Längendehnungsmoden-Quarzkristallresonators. Somit ist der
Resonator der vorliegenden Erfindung insbesondere im Bereich
von 200 kHz bis 600 kHz geeignet.
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(5) Die vorliegende Erfindung kann die Miniaturisierung des
Quarzkristallresonators erleichtern.
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(6) Die Anregungselektroden sind an den Ober- und Unterseiten
des Resonatorstücks angeordnet, wodurch der Reihenwiderstand R&sub1;
verringert und der Q-Wert des Torsions-Quarzkristallresonators
erhöht wird.
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(7) Der Resonator der vorliegenden Erfindung kann als ein
Stimmgabeltyp oder ein Frei-Frei-Balkentyp gestaltet sein, so
daß der Schwingabschnitt integral mit dem Halteabschnitt
ausgebildet sein kann. Dies führt zu einer Reduzierung des
Verlusts von Schwingungsenergie, welcher sonst durch die
Leitungsdrahtlagerung hervorgerufen würde, um einen Torsions-
Quarzkristallresonator mit hoher Stoßfestigkeit herzustellen.