DE763329C

DE763329C - Biegungsschwingungen ausfuehrender Quarzkristall

Info

Publication number: DE763329C
Application number: DES145093D
Authority: DE
Inventors: Hans V Dipl-Ing Beckerath
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens Corp
Priority date: 1941-04-29
Filing date: 1941-04-29
Publication date: 1954-10-18
Also published as: FR887596A

Description

Anas» ST Fat«T»t An»
JL VU

AUSGEGEBEN AM
18. OKTOBER 1954

EICH S PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 a⁴ GRUPPE 10

S I45og3 Villa 12ΐα*

■i-^-Λ

g. Hans v. Beckerath, Berlin

ist als Erfinder genannt worden

Siemens & Halske A. G., Berlin und Mündien

Biegungssdiwingungen ausführender Quarzkristall

(Ges. v. 15. 7. 51)
Patenterteilung bekanntgemacht am 4. Januar 1945

Die Erfindung betrifft einen Biegungsschwingungen ausführenden Quarzkristall. Ein solcher Kristall ist insbesondere geeignet, beispielsweise als Steuer- oder Filterkristall, Schwingungen" im tonfrequenten Gebiet auszuführen. Es besteht seit langem ein großes Bedürfnis nach tonfrequenten konstanten Quarzen, z. B. zur Verwendung in mit 3 oder 4 kHz schwingenden Grundgeneratoren für harmonisch aufgebaute Trägerfrequenzsysteme. Der im Verhältnis zu Längsschwingern große Temperaturkoeffizient der bisher üblichen Biegungsschwinger, bei denen die Schwingungen in der durch die F- und Z-Achse bestimmten Ebene des Quarzes erfolgen, erschwert aber ihre Verwendung für diese Zwecke, da zur Erzielung der geforderten Konstanz die Verwendung eines sehr genau arbeitenden Thermostaten notwendig ist. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den Temperaturkoeffizienten von insbesondere tonfrequent schwingenden Quarzen, die piezoelektrisch erregte Biegungsschwingungen ausführen, herabzusetzen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Quarzkristallen, die im wesentlichen in einer durch die X- und Y-Achse bestimmten Ebene schwingen, der Temperaturkoeffizient klein gehalten werden kann. Es ist zwar bereits

ein Vorschlag bekanntgeworden, Biegungsschwingungen ausführende Quarzkristall so auszubilden, daß sie in einer durch die X- und Y-Achse bestimmten Ebene schwingen, jedoch S war nicht bekannt, daß bei derartigen Kristallen der Temperaturkoeffizient klein gehalten werden kann.

Ein Biegungsschwingungen ausführender Quarzkristall gemäß der Erfindung, der im ίο wesentlichen in einer durch die X- und Y-Achse bestimmten Ebene schwingt, ist dadurch gekennzeichnet, daß an allen vier Längsseiten des stabförmigen Quarzkristalls derartig angeordnete und geschaltete, vorzugsweise auf der Kristalloberfläche aufgebrachte Elektrodenbelegungen vorgesehen sind, daß zwei zur X-Achse parallel, aber entgegengesetzt gerichtete Feldkomponenten entstehen.

Bei Kristallen, die Dicken- bzw. Längsao schwingungen ausführen, war es bekannt, den Kristall in zwei verschiedenen Richtungen verschieden stark zu erregen, derart, daß ein kleiner Temperaturkoeffizient resultiert. Zu diesem Zweck wurden zwei Elektrodenpaare rechtwinklig zueinander angeordnet und so der Kristall in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen erregt. Die Erregung des Kristalls war veränderbar, beispielsweise durch einen regelbaren Vorwiderstand oder Abstandsänderung einer Elektrode. Der resultierende Temperaturkoeffizient ist dann abhängig von dem Schwingzustand und den entsprechenden Temperaturkoeffizienten der beiden Richtungen. Diese bekannte Maßnahme ist aber auf Biegungsschwinger nicht übertragbar, da hierbei keine gekoppelten Schwingungen auftreten.

An Hand der nachfolgenden rechnerischen Überlegungen läßt sich leicht zeigen, daß bei dem Piezokristall nach der Erfindung ein gegenüber dem Temperaturkoeffizienten der bekannten Biegungsschwinger geringerer Temperaturkoeffizient erreicht werden kann. Die Erfindung soll weiterhin an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

In Fig. ι ist ein längs schwingender Kristallstab üblicher Ausführung schematisch dargestellt. Die Orientierung ist dabei so, daß die Länge des Kristallstabes, die mit I bezeichnet ist, in Richtung der Y-Achse liegt, während die Breite δ die Richtung der Z-Achse hat. Das elektrische Feld verläuft parallel zur X-Achse. Die Elektrodenbelegungen 1 und 2 sind oberhalb und unterhalb des Kristallstabes 3 angebracht. Die Richtung des elektrischen Feldes ist durch die Pfeile 4 angedeutet.

In Fig. 2 ist die Orientierung und Anordnung der Elektroden für einen Biegungsschwinger der bekannten Ausführungsart schematisch dargestellt. Die Orientierung entspricht hierbei der des in Fig. 1 gezeigten Längsschwingers. Auf dem Kristall 3 sind sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite je zwei voneinander isolierte Elektrodenbelegungen vorgesehen, die mit 5 und 6 bzw. 7 und S bezeichnet sind. Die nebeneinanderliegenden Elektrodenbelegungen haben entgegengesetztes Potential, so daß sich die durch die Pfeile 4 und 9 dargestellten Richtungen des elektrischen Feldes ergeben.

Für Biegungsschwinger gilt für die Grundfrequenz folgende Gleichung:

Hierbei ist δ die Breite und / die Länge, während E den Elastizitätsmodul und ρ die Dichte darstellt. Der Temperaturkoeffizient für die Eigenschwingungen läßt sich aus folgender Gleichung herleiten:

ι df _ ι db_ _2_dl ι dg τ dE

f dT b dT I dT 2Q dT

db

Hierin ist — — =a₆derlineareAusdehnungs-

TdT

koeffizient in der Breite, — -τ=· = a_t der lineare Ausdehnungskoeffizient in der Länge, a„ der Temperaturkoeffizient der

dT

Dichte, -g -τψ = aE der Temperaturkoeffizient

des Elastizitätsmoduls.

Berücksichtigt man, daß entsprechend Fig. 2 δ in Richtung der Z-Achse und I in Richtung der Y-Achse liegt, so läßt sich die Gleichung folgendermaßen schreiben:

ι df 11

-Tr -pfr = az — 2αγ a_Q + —a_E.

f dT 2^2

Für Längsschwinger gilt folgende Beziehung:

Dementsprechend ist nach Fig. 1

LlL _ _ _JL JL

f dT ^r 2, " 2

Für E ist in beiden Fällen der Elastizitätsmodul in Richtung der Y-Achse einzusetzen. Damit hat auch as in beiden Formeln den gleichen Wert. Bei Quarzkristallen ist nun der Wert αχ gleich dem Wert αγ und verschieden von dem Wert az. Die Gleichung

τ df Ii

7 ΎΨ ⁼ ^αζ -

sowie die Gleichung
χ df _ .

f dT

—as

werden identisch, wenn man für az den Wert αχ einsetzen kann. Dies läßt sich dann erreichen,

wenn erfindungsgemäß die Biegungsschwingungen in der X Y-Achse erfolgen. In diesem Fall ist auch für Biegungsschwingungen der gleiche kleine Temperaturkoeffizient zu erwarten, wie 5- er sich bei longitudinal schwingenden Stäben erreichen läßt.

. Wie sich durch Versuche ergeben hat, lassen sich in der Tat die bei Längsschwingern erreichbaren geringen Werte des Temperaturkoeffizienten auch bei erfindungsgemäß ausgebildeten Biegungsschwingern erzielen. Kleine Abweichungen zwischen den gemessenen und errechneten Werten der Temperaturkoeffizienten rühren daher, daß die Voraussetzungen linearer Beziehungen zwischen Frequenz und Temperatur nicht völlig zutreffen. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten wie auch der Temperaturkoeffizient des Elastizitätsmoduls sind selbst wieder von der Temperatur abhängig.

Die Temperaturabhängigkeit wird im allgemeinen durch eine gekrümmte Kurve dargestellt von der allgemeinen Form

f = f_o[x + U₁ (T - T₀) + a, (T - T₀)* +U₃(T- T₀)* + ...].

Ist z. B. im Sonderfall ^₁ = 0, so wird

f =

«₂(Γ- T₀)*

Für T = T₀ wird der Temperaturkoeffizient

-τ -tL·· zu Null. Es entsteht dann in erster Anao f dT

näherung eine Parabel, die bei positivem a₂ nach oben, bei negativem a_z nach unten gekrümmt ist.
Schmale longitudinalschwingende Stäbe der angegebenen Orientierung ergeben einen solchen Kurvenverlauf, ■ wobei der Scheitel der Kurve etwa bei Zimmertemperatur liegt. Einen ähnlichen Frequenzgang erhält man mit Biegungsschwingungen, die in der X Y-Ebene verlaufen.

Die Temperaturabhängigkeit der Frequenz läßt sich weiterhin noch durch eine geringe

._ Änderung des Schnittwinkels des Kristallstabes beeinflussen. Zu diesem Zweck kann man die Längsachse aus der Y-Richtung um einen kleinen positiven oder negativen Winkel in der YZ-Ebene herausdrehen. Dadurch ist es möglich, den Scheitel der Kurve, für den der Temperaturkoeffizient Null beträgt, nach höheren oder tieferen Temperaturen zu verschieben.

Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn mit einem Thermostaten gearbeitet wird, da man dann den Scheitel der Kurve aus der Zimmertemperatur in die beispielsweise 50⁰ betragende Temperatur des Thermostaten verschieben kann.

In Fig. 3 ist die grundsätzliche Anordnung der Elektroden eines Kristalls nach der Erfindung dargestellt. Der Kristall 3 ist mit vier Belegungen versehen, die auf sämtliche Längsseiten verteilt sind. Die auf gegenüberliegenden Seiten angebrachten Belegungen 10 und 11 sowie 12 und 13 sind miteinander verbunden und an je eine Stromzuführung angeschlossen. Der Verlauf des elektrischen Feldes ist durch die Pfeile 14 angedeutet. Die in Richtung der X-Achse verlaufenden Feldkomponenten sind in beiden Stabhälften entgegengesetzt gerichtet, so daß, wenn z. B. die linke .Stabhälfte sich unter dem Einfluß der Feldlinien zu verlängern sucht, die rechte sich zu verkürzen bestrebt ist, was eine Durchbiegung des Stabes zur Folge hat.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zusammengehörigen gegenüberliegenden Elektroden 10 und 11 sowie 12 und 13 in _an sich bekannter Weise durch Belegungsbrücken miteinander verbunden. Für die XZ-Belegungen 10 und 11 ist die Brücke 15 vorgesehen, während die Brücken 16 und 17 die X Y-Belegungen 12 und 13 miteinander verbinden. Auf diese Weise brauchen nur an den beiden Knotenstellen 18 und 19 Strom-Zuführungen angebracht zu werden. Dies kann in bekannter Art beispielsweise durch Anlöten an Drähten auf die Metallschicht erfolgen, wobei die beiden Zuleitungsdrähte gleichzeitig zur Halterung des schwingenden Stabes an den beiden Knoten dienen.

In den Fig. 5, 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele für die Erfindung schematisch dargestellt. Es handelt sich bei diesen Abbildungen um schematische Zeichnungen der Elektrodenanordnungen. Dabei ist in Fig. 5 a ein Kristallstab von seiner Oberseite und in Fig. 5 b von seiner Unterseite gesehen dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen Übertragerkristall mit Phasenumkehr. Die Haiterung erfolgt an den beiden Knoten 20 und 21. Der Knotenpunkt 22 auf der Unterseite des Kristalls ist geerdet.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Übertrager- kristall ohne Phasenumkehr. Zur Halterung können gleichfalls die Knotenpunkte 20 und 21 dienen, während die Erdung am Punkt 22 erfolgt. Die Anordnung der Elektroden ermöglicht bei diesem Ausführungsbeispiel eine sehr gute kapazitive Schirmung der primären gegen die sekundäre Elektrodenbelegung.

Eine besonders einfache Halterung ergibt sich, wenn der Quarz in einer geradzahligen Oberwelle, z. B. der zweiten Oberwelle, erregt wird. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 7 dargestellt. Die Halterung kann hierbei durch Einspannung in der Mitte des Stabes an den Stellen 23 und 24 erfolgen. Die zur Einspannung dienenden Spitzen, Kugeln oder Schneiden können dabei gleichzeitig zur Stromführung benutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Biegungsschwingungen ausführender Quarzkristall, der im wesentlichen in einer durch die X- und Y-Achse bestimmten Ebene schwingt, dadurch gekennzeichnet, daß an allen vier Längsseiten des stabförmigen Quarzkristalls derartig angeordnete und geschaltete, vorzugsweise auf der

ίο Kristalloberfläche aufgebrachte Elektrodenbelegungen vorgesehen sind, daß zwei zur X-Achse parallel, aber entgegengesetzt gerichtete Feldkomponenten entstehen.
2. Quarzkristall nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine solche Orientierung des Kristalls, daß die Längsachse aus der y-Richtung um einen kleinen positiven oder negativen Winkel in der YZ-Ebene herausgedreht ist.

ao
3. Quarzkristall nach den Ansprüchen 1

und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusammengehörige gegenüberliegende Elektroden durch Belegtmgsbrücken miteinander verbunden sind.
4. Quarzkristall nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Elektrodenbelegungen, daß zwei Stromzuführungen angebracht sind, die sich an den beiden Knotenstellen (18, 19 in Fig. 4) befinden.
5. Quarzkristall nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführung in jedem Knoten durch Anlöten eines Drahtes auf die Metallschicht erfolgt und die angelöteten Drähte gleichzeitig zur Halterung dienen.
6. Quarzkristall nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz als Übertragerquarz mit kapazitiver Schirmung ausgebildet ist.
7. Quarzkristall nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine gekreuzte Anordnung der Elektrodenbelegungen, derart, daß zusammengehörige und miteinander durch Belegungsbrücken verbundene Elektrodenbelegungen auf der einen Stabhälfte auf dem einen Längsseitenpaar und auf der anderen Stabhälfte auf dem anderen Längsseitenpaar verlaufen.
8. Quarzkristall nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung des Quarzes, daß er in einer höheren, insbesondere der zweiten Oberwelle erregbar ist und seine Einspannung in der Mitte erfolgt.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Schweizerische Patentschriften Nr. 132 431, 202 081;

USA.-Patentschrift Nr. 1 907 427;
Zeitschrift für techn. Physik, 21. Band, 1940, Heft 2, S.3off.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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