DE727468C

DE727468C - Disc-shaped, piezoelectric oscillator made of quartz

Info

Publication number: DE727468C
Application number: DEZ20704D
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1932-12-25
Filing date: 1932-12-25
Publication date: 1942-11-04
Also published as: FR762968A; GB422245A

Description

Scheibenförmiger, piezoelektrischer Oszillator aus Quarz Eine Hauptsclhvierigkeit für die. Konstanthaltung der Frequenz piezoelektrisher Oszillatoren oder Resonatoren liegt in deren verhältnismäßig großem Temperaturkoeffizienten. Insbesondere für Rundfunksender werden zur Erreichung einer größtmöglichen Frequenzkonstanz sehr verwickelte und dementsprechend teure Thermostaten verwendet. Für ortsbewegliche Stationen muß man aus Gewichtsgründen von einem Thermostaten absehen. Hier macht sich ganz besonders die Temperaturabhängigkeit der Frequenz bemerkbar, da solche Stationen meist mit kÜrzeren Wellen arbeiten und sich der Überlagerungston dementsprechend stärker ändert. Es ist bekannt, daß sich ganz besonders in den ersten Minuten nach der Inbetriebnahme die Frequenz des Oszillators.in unerwünscht starker Weise ändert, bis sich ein Temperaturgleichgewicht einstellt. Besonders unangenehm wirkt diese Erscheinung, wenn die Sendestation sowohl wie die Empfangsstation mit einem Kristalloszillator gesteuert werden, da die örtlichen Temperaturverhältnisse stets verschieden sein werden.Disk-Shaped Quartz Piezoelectric Oscillator A major four for the. Keeping the frequency of piezoelectric oscillators or resonators constant lies in their relatively large temperature coefficient. Especially for Broadcasting stations are very much in order to achieve the greatest possible frequency constancy used intricate and accordingly expensive thermostats. For the portable Stations have to be refrained from using a thermostat for reasons of weight. Here does the temperature dependence of the frequency is particularly noticeable, since such Stations mostly work with shorter waves and the overlay tone changes accordingly more changes. It is known that especially in the first few minutes after the start-up changes the frequency of the oscillator in an undesirably strong manner, until a temperature equilibrium is established. This is particularly uncomfortable Appearance when both the sending station and the receiving station have a crystal oscillator can be controlled, as the local temperature conditions are always different will.

Die Erfindung betrifft einen scheibenförmigen, piezoelektrischen Oszillator oderResonator aus Quarz, dessen Dickenabmessung senkrecht zu einer der elektrischen Achsen liegt, und bezweckt die Beseitigung der Temperaturabhängigkeit. Maßgebend für die Achsenorientierung in dem Kristallsystem, dem der Quarz angehört, ist dabei die folgende, indem »Lehrbuch -der'Kris.tallphysik« von W. Voigt dargelegte Bestimmung. Die gewöhnlichste Form, in der die betreffenden Kristalle auftreten, ist die einer sechsseitigen Säule, auf welche beiderseitig gleiche sechsseitige Pyramiden aufgesetzt sind. Aussehen und Ausbildung dieser Pyramidenflächen zeigen; daß sie abwechselnd verschieden sind, und zwar entsprechen dabei drei gleichwertige Flächen der einen Pyramide, die am einen Ende der Z-Achse (optischen Achse) liegt, je den drei um 6o° gegen diese versetzten Flächen der anderen Pyramide. Die drei gleichwertigen Flächen jeder Pyramide, die sich durch ihr besonders physikalisches und chemisches Verhalten vor den drei anderen Flächen derselben Pyramide auszeichnen und zumeist auch besonders gut ausgebildet sind, werden allgemein als positive R-Flächen oder R-Flächen schlechthin, die übrigen als negative R-Flächen oder R'-Flächen bezeichnet. Das Achsenkreuz wird nun so gelegt, daß die positive Y-Achse (mechanische Achse) aus der Mitte einer der um die positive Z-Achse gruppierten positiven R-Flächen austritt. Das Vorzeichen der Z-Achse kann beliebig angenommen werden. -Die X-Achse (elektrische Achse) steht senkrecht auf den beiden anderen Achsen, und ihre positive. Richtung bildet mit denen der Y- und der Z-Achse in dieser Reihenfolge eine Rechtsschraube für rechtsdrehenden Quarz, dagegen eine Linksschraube für linksdrehenden O_uarz.The invention relates to a disk-shaped, piezoelectric oscillator orResonator made of quartz, the thickness of which is perpendicular to one of the electrical Axes lies, and aims to eliminate the temperature dependence. Authoritative for the axis orientation in the crystal system to which the quartz belongs is included the following provision presented in the "Textbook - der'Kris.tallphysik" by W. Voigt. The most common form in which the crystals in question appear is the one Six-sided column on which the same six-sided pyramids are placed on both sides are. Show the appearance and formation of these pyramid surfaces; that they take turns are different, namely three equivalent areas correspond to the one Pyramid, which is at one end of the Z-axis (optical axis), each of the three around 6o ° against these offset surfaces of the other pyramid. The three equals Areas of each pyramid that are characterized by their particularly physical and chemical properties Characteristic behavior in front of the other three faces of the same pyramid and mostly are also particularly well developed, are generally called positive R-surfaces or R-surfaces par excellence, the others referred to as negative R-surfaces or R'-surfaces. The axis cross is now placed in such a way that the positive Y-axis (mechanical axis) from the center of one of the positive R surfaces grouped around the positive Z axis exit. The sign of the Z-axis can be assumed arbitrarily. -The X axis (electrical Axis) is perpendicular to the other two axes, and their positive. Direction forms with those of the Y and Z axes in this order a right-hand screw for right-turning quartz, on the other hand a left-hand screw for left-turning O_uarz.

Es sind nun Verfahren bekannt, die Frequenz eines Oszillators in geringen Grenzen zu ändern; dies setzt aber stets eine weitere Erschwerung der Bedienung des Sende- oder Empfangsgerätes voraus. Man hat weiterhin versucht, eine Kombination - zweier Eigenschwingungen eines einzigen Kristalls zu bilden. Der Vorgang besteht darin, daß eine Harmonische der von der Breitendimension einer solchen Platte abhängigen Querschwingung auf die durch die Dicke der Platte bestimmte Schwingung abgestimmt wird, wobei dann miteinander gekoppelte Schwingungen entstehen. Da nun bei Platten, deren Dickenabmessung mit der Y-Richtung zusammenfällt, der Temperaturkoeffizient der Dickenschwingung positiv, der der Querschwingung und ihrer Harmonischen dagegen negativ ist, so läßt sich durch geeignete Abstimmung einer Harmonischen der Querschwingung auf die Dickenschwingung innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls ein sehr kleiner Temperaturkoeffizient der entstehenden Kopplungsschwingungen erzielen.Methods are now known to reduce the frequency of an oscillator to a low level Change boundaries; but this always makes operation more difficult of the sending or receiving device. They continued to try a combination - to form two natural vibrations of a single crystal. The process persists in that a harmonic depends on the width dimension of such a plate Transverse vibration matched to the vibration determined by the thickness of the plate is, with mutually coupled vibrations then arise. Since now with plates, whose thickness dimension coincides with the Y-direction, the temperature coefficient the thickness oscillation is positive, that of the transverse oscillation and its harmonics, on the other hand is negative, it can be determined by suitable coordination of a harmonic of the transverse oscillation on the thickness oscillation within a certain temperature interval achieve a small temperature coefficient of the resulting coupling vibrations.

In ähnlicher Weise, ebenfalls durch das Zusammenwirken zweier Eigenschwingungen mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten kann man bei kleinen Quarzstäben geeigneter Orientierung einen Oszillator mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls erzeugen.In a similar way, also through the interaction of two natural vibrations with opposite temperature coefficients one can use more suitable for small quartz rods Orientation an oscillator with a very small temperature coefficient within of a certain temperature interval.

Diesen bekannten Verfahren haftet aber der Nachteil an, daß ein kleiner Temperaturkoeffizient nur innerhalb eines kleinen Temperaturintervalls auftritt, das in den meisten Fällen nur einige Grad beträgt. Bei Überschreitung der Grenzen dieses Intervalls tritt plötzliche sprunghafte Frequenzänderung auf.However, this known method has the disadvantage that a small Temperature coefficient only occurs within a small temperature interval, which in most cases is only a few degrees. When the limits are exceeded this interval there is a sudden abrupt change in frequency.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich anderer Weg eingeschlagen. Es handelt sich hier um ein Verfahren zur unmittelbaren Verringerung der Temperaturkoeffizienten bei Ouarzoszillatoren. -Nach der Erfindung ergeben sich plattenförmige Oszillatoren und Resonatoren der oben angegebenen Art mit sehr kleinem Temperaturkoeffizienten über einen sehr großen Temperaturbereich, wenn die Richtung der Dickenabmessung der Platten gegen die optische Achse in bestimmter Weise geneigt ist. Während man bisher fast ausschließlich Quarzplatten verwendete, in deren Hauptebene die optische Achse (ZAchse) enthalten war, schließt bei den erfindungsgemäßen Quarzplatten die Normale der Platte mit der optischen Achse einen Winkel ein, der zwischen den Grenzen + 36° und -;- 47°, gemessen von der optischen Achse gegen die positive Richtung der Y-Achse, oder-53° und -58°. gemessen von der optischen Achse gegen die negative Richtung der Y-Achse. liegt. Solche Platten ergeben Oszillatoren mit einem Temperaturkoeffizienten, welcher verschwindend klein ist. Insbesondere läßt sich für jede Arbeitstemperatur ein positiver und ein negativer Winkel angeben. bei dem der Temperaturlzoeffizient praktisch Null ist. Für Zimmertemperatur liegt dieserWinkel etwa bei -1-4i° und -54°. Soll der Temperaturlcoeffizient für eine andere Arbeitstemperatur verschwinden, so muß die Neigung etwas von -f- 41' oder -54° abweichen. Jedoch ändert sich bei einer Abweichung der Temperatur von der jeweilig gewählten Arbeitstemperatur um 3o° der Temperaturkoeffizient so wenig, daß der Temperaturkoeffizient immer noch klein gegenüber den bisher üblichen ist.In the present invention, a fundamentally different approach has been taken. This is a process for reducing the temperature coefficients directly with quartz oscillators. -According to the invention, plate-shaped oscillators result and resonators of the type indicated above with very small temperature coefficients over a very wide temperature range if the direction of the thickness dimension of the plates is inclined in a certain way with respect to the optical axis. While one so far almost exclusively quartz plates have been used, the main plane of which is the optical Axis (Z axis) was included, includes the quartz plates according to the invention Normal of the plate with the optical axis an angle between the boundaries + 36 ° and -; - 47 °, measured from the optical axis against the positive direction the Y-axis, or -53 ° and -58 °. measured from the optical axis against the negative Direction of the Y-axis. lies. Such plates produce oscillators with a temperature coefficient which is vanishingly small. In particular, for every working temperature specify a positive and a negative angle. at which the temperature coefficient is practically zero. For room temperature this angle is approximately -1-4 ° and -54 °. If the temperature coefficient is to disappear for a different working temperature, so the inclination must deviate slightly from -f- 41 'or -54 °. However, changes in a deviation of the temperature from the respectively selected working temperature by 3o ° the temperature coefficient so little that the temperature coefficient is still is small compared to the usual ones.

Es ist ferner bekannt, longitudinal schwingende stabförmige Quarzkristalle -derart aus dem Mutterkristall zu schneiden, daß die Richtung der mechanischen Schwingungen in ihnen nicht senkrecht zur optischen Achse steht, sondern unter einem Winkel von angenähert 70° bzw. angenähert 48° zur optischen Achse steht. Diese Maßnahme wurde getroffen, weil diese Ebenen in jeder Beziehung bevorzugte Ebenen sind, wodurch sich besonders eindeutige und saubere Schwingungsverhältnisse ergeben sollen. Derartige stabförmige Schwingkristalle, deren Längsachse in der 1'-Z-Ebene liegt, «-erden zu Longitudinalschwingungen durch ein elektrisches Feld angeregt. dessen Feldvektor in Richtung der -V-Achse liegt. Maßgebend für die Wahl des Schnittwinkels gegen die optische Achse ist bei derartigen stabförmigen, Longitudinalschwingungen ausführenden Stäben der Verlauf des Dehnungsmoduls in der 1'-Z-Ei)ene. der bei den bekannten Winkeln ausgezeichnete Werte aufweist. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um plattenförmige Schwingkristalle vom Typus des Y-Schnittes, welche zu Scherschwingungen angeregt werden durch ein elektrisches Feld, dessen Feldvektor etwa in der 1--Z-Ebene liegt.It is also known, longitudinally oscillating rod-shaped quartz crystals -to cut from the mother crystal in such a way that the direction of the mechanical vibrations in them is not perpendicular to the optical axis, but at an angle of is approximately 70 ° or approximately 48 ° to the optical axis. This measure was met because these levels are preferred levels in every respect, whereby particularly clear and clean vibration conditions should result. Such rod-shaped oscillating crystals, the longitudinal axis of which lies in the 1'-Z plane, «-grounds excited to longitudinal vibrations by an electric field. its field vector lies in the direction of the -V-axis. Decisive for the choice of the cutting angle against In the case of such rod-shaped, longitudinal vibrations, the optical axis is Rods the course of the elongation modulus in the 1'-Z-egg) ene. that of the known Angles has excellent values. In contrast, the present invention to plate-shaped oscillating crystals of the Y-cut type, which are excited to shear vibrations by an electric field whose Field vector lies approximately in the 1 - Z plane.

Die in einer noch bekanntgewordenen Untersuchung aufgestellten Bewegungsgleichungen für kristalline Medien sowie die numerische Frequenzberechnung für den R-und R'-Schnitt, die wohl eine Abweichung von der optischen Achse aufweisen, lassen keine Schlüsse auf die erfindungsgemäße Lösung des Problems, temperaturunabhängige Quarzplatten herzustellen, zu, wenngleich in einer anderen mit dieser Untersuchung zusammenhängenden Arbeit eine Verkleinerung des Temperaturkoeffizienten beim R- und beim R'-Schnitt festgestellt wenden konnte, die jedoch zu der Annahme führte, daß man nur auf dem hier eingangs genannten bekannten Wege der Verkopplung von Schwingungen weiterkommen könne, um den Temperaturkoeffizienten noch weiter herabzudrücken.The equations of motion established in an investigation that has become known for crystalline media as well as the numerical frequency calculation for the R and R 'cut, which probably show a deviation from the optical axis do not allow any conclusions to be drawn to the inventive solution to the problem, temperature-independent quartz plates to manufacture, albeit in another with this investigation related work a reduction of the temperature coefficient at R- and found at the R'-cut, which led to the assumption, that one can only use the known way of coupling vibrations mentioned here could go further to lower the temperature coefficient even further.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Oszillatoren nach der vorliegenden Erfindung für die Anwendung der ultrakurzen Wellen von ganz besonderer Bedeutung sind.It should be noted that the oscillators according to the present Invention for the application of ultra-short waves of particular importance are.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Disc-shaped, piezoelectric oscillator or quartz resonator, the thickness of which is perpendicular to one of the electrical Axes, characterized in that the angle of inclination of the thickness dimension is between + 36 ° and + 47 ° or -53 ° and -58 ° relative to the optical axis. -. Oscillator or resonator according to claim i, characterized in that said Angle is approximately + 4i ° or -54 °.