DE69221215T2 - Drehschwingender Quarzkristallresonator - Google Patents

Drehschwingender Quarzkristallresonator

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DE69221215T2
DE69221215T2 DE1992621215 DE69221215T DE69221215T2 DE 69221215 T2 DE69221215 T2 DE 69221215T2 DE 1992621215 DE1992621215 DE 1992621215 DE 69221215 T DE69221215 T DE 69221215T DE 69221215 T2 DE69221215 T2 DE 69221215T2
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quartz crystal
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tuning fork
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von welchen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung ist, die das Koordinatensystem des Torsions-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • Fig. 4 eine graphische Darstellung ist, die ein Beispiel des Frequenz-Temperatur-Verhaltens des Torsions-Quarzkristallresonators - des Stimmgabeltyps gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 5 eine graphische Darstellung ist, die ein weiteres Beispiel des Frequenz-Temperatur-Verhaltens zeigt;
  • 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;
  • Fig. 6B eine Schnittdarstellung ist, die die Elektrodenstruktur des Resonators nach Fig. 6A zeigt;
  • Fig. 7 eine Gesamtansicht ist, die eine Form und eine Anregungselektrodenanordnung einer anderen Ausführungsform des Torsions-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • Wie oben beschrieben kann der Torsions-Quarzkristallresonator mit dem TT-Schnitt gemäß der vorliegenden Erfindung folgende bemerkenswerte Effekte hervorrufen:
  • (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.
  • (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.
  • (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.
  • (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.
  • (5) Die vorliegende Erfindung kann die Miniaturisierung des Quarzkristallresonators erleichtern.
  • (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.
  • (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.

Claims (4)

1. Torsions-Quarzkristall-Stimmgabelresonator (10), der in einem Torsionsmodus schwingen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen speziellen Schnittyp aufweist, welcher derart definiert ist, daß ein z-Platten-Quarzkristall (1), der normal zu einer z-Achse ist, um eine x-Achse um einen Schnittwinkel φ im Bereich von -50º bis +300 gedreht ist und ferner um eine resultierende z'-Achse um einen weiteren Schnittwinkel im Bereich von -30º bis -10º oder +100 bis +300 gedreht ist, um den Torsions-Quarzkristall-Stimmgabelresonator zu bilden, wobei der Resonator eine sich längs einer resultierenden y'-Achse erstreckende Länge aufweist, ein Dicke-zu-Breite-Verhältnis (Rzx) im Bereich von 0,1 bis 1,5 aufweist, wobei sich die Breite 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.
2. Torsions-Quarzkristall-Stimmgabelresonat&sub0;r nach Anspruch 1, umfassend eine Anregungselektrode (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), die auf einer Seite des Resonators angeordnet ist, welche normal zur z'-Achse ist.
3. Torions-Quarzkristall-Stimmgabelresonator (10), der in einem Torsionsmodus schwingen kann, umfassend: einen Schwingabschnitt (12) mit einer Stimmgabelform mit einer Oberseite und einer Unterseite; einen Brückenabschnitt (14) der mit einem Zwischenteil des Schwingabschnitts verbunden ist; einen Halteabschnitt (13), der mit dem Brückenabschnitt verbunden ist und an einem Ende des Halteabschnitts einen Träger (16) aufweist; und ein Paar von Anregungselektroden (17, 18, 20, 22) 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 +30º 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.
4. Torsions-Quarzkristall-Stimmgabelresonator nach Anspruch 3, wobei der Schwingabschnitt und der Halteabschnitt durch chemisches Ätzen der z-Platte integral miteinander ausgebildet sind.
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