DE903823C

DE903823C - Piezoelectric oscillator in the form of a tuning fork

Info

Publication number: DE903823C
Application number: DEK12488A
Authority: DE
Inventors: Dr August Karolus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1951-12-16
Filing date: 1951-12-16
Publication date: 1954-02-11

Description

Piezoelektrischer Oszillator in Form einer Stimmgabel Zur Zeitmessung, ebenso wie für Aufgaben der Mehrfachtelegraphie und -telephonie, der Bildübertragung, der Drehzahlregelung, der Fernmessung und Fernsteuerung werden Oszillatoren im Bereich von ioo bis 20 ooo Hz gebraucht. Falls an die Konstanz der erzeugten Schwingungen hohe .Anforderungen gestellt werden, erzeugt man heute die Wechselströme dieser Frequenz durch Stimmgabeln oder durch Frequenzteilung aus piezoelektrisch angeregten Quarzen höherer Frequenz. Beide Verfahren haben erhebliche Nachteile. Die Frequenz von Stimmgabeln ist über längere Zeitabschnitte sehr wenig konstant. Besonders solche aus Eisen-Nickel-Legierungen, die einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Frequenz besitzen, ändern ihre Länge und ihre elastischen Eigenschaften ständig. Bei den üblichen Amplituden zeigen diese Stoffe eine ständige Verfestigung, die auch nach Jahren noch nicht abgeschlossen ist und bereits in wenigen Monaten eine größere. Frequenzänderung erzeugt als die in den Geräten vorkommenden Temperaturschwankungen. Diese letzteren lassen sich immer durch Thermostaten genügend herabsetzen.Piezoelectric oscillator in the form of a tuning fork for measuring time, as well as for tasks of multiple telegraphy and telephony, image transmission, speed control, remote measurement and remote control are oscillators in the field from 100 to 20,000 Hz needed. In case of the constancy of the generated vibrations high. Demands are made, one generates the alternating currents of these today Frequency through tuning forks or through frequency division from piezoelectrically excited Crystals of higher frequency. Both methods have significant disadvantages. The frequency tuning forks is very little constant over long periods of time. Especially those made of iron-nickel alloys, which have a small temperature coefficient of frequency their length and elastic properties are constantly changing. Both usual amplitudes show these substances a constant solidification, which also after Years has not yet been completed and a larger one in a few months. Frequency change generated than the temperature fluctuations occurring in the devices. The latter can always be reduced sufficiently by thermostats.

Völlig frei von den erwähnten Alterungen sind Stimmgabeln aus geschmolzenem Quarz (Quarzglas). Leider ist der Elastizitätsmodul derselben stark von der Temperatur abhängig, und eine Stimmgabel aus Quarzglas hat deshalb einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz von etwa i - i o--4.Fused tuning forks are completely free of the aging mentioned Quartz (quartz glass). Unfortunately, their modulus of elasticity is strongly dependent on temperature dependent, and a tuning fork made of quartz glass therefore has a temperature coefficient the frequency of about i - i o - 4.

Wegen der skizzierten Nachteile erreichen die heute bekannten Stimmgabeln nicht die Konstanz der Frequenz wie die Schwingquarze. Es ist daher üblich, für die eingangs genannten Anwendungsgebiete, von einem Quarzoszillator der Frequenz i oo kHz ausgehend, durch mehrere Frequenzteilerstufen die verlangte tonfrequente Schwingung zu erzeugen. Solche Teilerstüfen dürfen aber, wenn sie betriebssicher sein sollen, bekanntlich nur ein kleines Teilerverhältnis (max. i : 5) aufweisen. Die Frequenzteilung von ioo kHz auf i kHz erfordert demgemäß wenigstens drei Stufen, also wenigstens drei, meist aber sechs Elektronenröhren.Because of the disadvantages outlined above, the tuning forks known today achieve not the constancy of the frequency like the oscillating crystals. It is therefore common for the areas of application mentioned at the beginning, from a crystal oscillator the frequency i oo kHz starting, through several frequency divider stages the required to generate audio frequency oscillation. However, such splitter steps are allowed if they are operationally safe should be, as is well known, only have a small division ratio (max. i: 5). The frequency division from ioo kHz to i kHz accordingly requires at least three levels, so at least three, but mostly six electron tubes.

Es wurden Oszillatoren entwickelt und hergestellt, die unmittelbar tonfrequente Schwingungen erzeugen. Solche Oszillatoren sind Stäbe aus Quarzkristall, die bei iooo Hz bereits eine Länge von 12 cm aufweisen und die in Biegeschwingungen angeregt in der Grundschwingung zwei Knotenstellen besitzen. An diesen Knotenstellen werden die Stäbe an einer Halterung festgebunden. Abgesehen davon, daß sich der Quarz bei jeder Erschütterung in dieser Befestigung verschiebt und dabei seine Frequenz sprunghaft ändert, wird bei dieser Halterung ein erheblicher Teil der Schwingungsenergie auf die Umgebung übertragen. Die Halterung solcher Biegeschwinger durch Drähte, die an den Knotenstellen angelötet sind und die gleichzeitig zur Stromzuführung dienen, sind ebenfalls erschütterungsempfindlich und geben durch die Erhitzung des Quarzes beim Löten zu langdauernden Frequenzänderungen Anlaß. Die Dekremente solcher Biegeschwinger sind außerdem mindestens eine Größenordnung schlechter als diejenigen von Quarzstäben von ioo kHz oder Quarzplatten im Bereich von 300 bis 5oo kHz. Obwohl es gelungen ist, den Temperaturkoeffizienten der Frequenz auch für Biegeschwinger sehr zu verringern, haben diese bis heute wegen ihrer geringen Güte und ihrer zeitlichen Inkonstanz keine Anwendung für die eingangs genannten Gebiete gefunden.Oscillators have been developed and manufactured that directly generate audio-frequency vibrations. Such oscillators are rods made of quartz crystal, which at 100 Hz already have a length of 12 cm and which, when excited in bending vibrations, have two nodes in the fundamental vibration. The rods are tied to a bracket at these nodes. Apart from the fact that the quartz shifts with every shock in this fastening and its frequency changes abruptly in the process, a considerable part of the vibration energy is transferred to the environment with this holder. The support of such flexural oscillators by wires that are soldered to the nodes and which are also used to supply power are also sensitive to vibrations and, due to the heating of the quartz during soldering, give rise to long-lasting frequency changes. The decrements of such flexural oscillators are also at least an order of magnitude worse than those of quartz rods of 100 kHz or quartz plates in the range from 300 to 500 kHz. Although it has been possible to reduce the temperature coefficient of the frequency also for flexural vibrators, these have so far not been used for the areas mentioned above because of their poor quality and their temporal inconsistency.

Die genannten Nachteile der Biegeschwinger lassen sich vermeiden, wenn man diesen die Form einer Stimmgabel gibt. Wegen der Symmetrie einer Gabel, wie sie Fig. i zeigt, bleibt auf dem Stiel ein in der Nähe von F gelegenes Gebiet praktisch in Ruhe, auch wenn die Gabelzinken Schwingungen ausführen. An dieser Stelle kann die Gabel eine Bohrung besitzen, in der die Aufhängung befestigt ist. Es hat sich aber gezeigt, daß eine Aufhängung der Gabel an zwei oder drei Spiralfedern in der Nähe der Stelle F keine meßbare Frequenzänderung erzeugt, vorausgesetzt, daß die Federn genügend elastisch sind. Auch eine Lagerung des Gabelstieles in Gummi wäre möglich. Es muß aber dann dafür gesorgt werden, daß die Gabel stets in gleicher Lage schwingt. Die Aufhängung der Gabel an weichen Spiralfedern sorgt dafür, daß die Gabel stets senkrecht hängt. Eine Verdrehung einer üblichen Stimmgabel von der horizontalen in die vertikale Stellung verändert die Eigenfrequenz derselben um 6 - i o---8. Da aber für die genannten Anwendungen die Frequenz auf wenigstens i : ios, meist aber auf 1 : 1o7 unverändert sein soll, kann dies betriebssicher nur durch eine freie Aufhängung der Gabel gewährleistet werden.The mentioned disadvantages of the oscillating oscillator can be avoided, if you give them the shape of a tuning fork. Because of the symmetry of a fork, as shown in FIG. 1, an area in the vicinity of F remains on the stem practically at rest, even when the forks vibrate. At this point the fork can have a hole in which the suspension is attached. It has but it has been shown that a suspension of the fork on two or three spiral springs produces no measurable frequency change in the vicinity of point F, provided that that the springs are sufficiently elastic. Also a storage of the fork handle in rubber could be possible. But it must then be ensured that the fork is always the same Location swings. The suspension of the fork on soft spiral springs ensures that the fork always hangs vertically. A twist of a standard tuning fork from the horizontal to vertical position changes the natural frequency of the same 6 - i o --- 8. But since the frequency is set to at least i : ios, but should mostly be unchanged at 1: 1o7, can only do this reliably free suspension of the fork.

Für die Anregung einer Stimmgabel aus Quarzkristall sind für Antrieb und Rückkopplung getrennte Elektrodensysteme, etwa in Form eines Dreipoles zweckmäßig. Eine solche Elektrodenanordnung zeigt Fig. 2. Die Elektroden aus Silber, Gold od. dgl. sind auf den Kristall nach bekannten technischen Verfahren aufgedampft oder eingebrannt. Die Querverbindungen der einzelnen Belege können durch angelötete Drähte oder durch eingebrannte Belege ausgeführt werden. Die Ano-dnung der Elektroden zur Anregung eines Stabes in Biegeschwingungen werden als bekannt vorausgesetzt. Bei der Ausbildung der Gabel als Dreipol hat sich eine räumliche Trennung des Einganges und des Ausganges sehr bewährt, so daß die beiden Elektrodensysteme für Antrieb und Rückkopplung auf getrennten Zinken liegen, wie dies in Fig.2 rechts gezeigt ist. Die unerwünschte kapazitive Kopplung wird bei dieser Anordnung wesentlich kleiner als bei symmetrischer Verteilung der Elektroden. Der Antrieb der Stimmgabel durch piezoelektrische Kräfte, die nur die eine Hälfte des Oszillators beeinflussen, hat keine Unsymmetrie der Schwingung zur Folge. Der piezoelektrisch zu Biegeschwingungen angeregte Zinken überträgt über den gemeinsamen Stiel auf den zweiten Zinken dasselbe Biegemoment. Die Amplituden beider Zinken sind völlig gleich, vorausgesetzt, daß ihre Massen und die Verteilung derselben gleich sind.For the excitation of a tuning fork made of quartz crystal are for drive and feedback, separate electrode systems, expediently in the form of a three-pole. Such an electrode arrangement is shown in Fig. 2. The electrodes made of silver, gold or. Like. Are vapor-deposited or on the crystal according to known technical processes burned in. The cross connections of the individual documents can be made by soldered wires or by means of burned-in documents. The arrangement of the electrodes for The excitation of a rod in bending vibrations is assumed to be known. at the formation of the fork as a three-pole has a spatial separation of the entrance and the output very well proven, so that the two electrode systems for drive and feedback are on separate tines, as shown in Fig.2 on the right is. The undesired capacitive coupling is much smaller with this arrangement than with symmetrical distribution of the electrodes. The drive of the tuning fork through has piezoelectric forces that only affect one half of the oscillator does not result in an asymmetry of the oscillation. The piezoelectric to flexural vibrations excited tines transmit the same to the second tine via the common stick Bending moment. The amplitudes of both prongs are exactly the same, provided that their masses and their distribution are equal.

Die Gabel wird so aus dem Quarzkristall geschnitten, daß der Temperaturkoeffizient der Frequenz in dem für den Betrieb vorgesehenen Temperaturbereich Null wird. Zur Beseitigung der Luftreibung schwingt die Gabel im Vakuum oder in Wasserstoff.The fork is cut from the quartz crystal so that the temperature coefficient the frequency becomes zero in the temperature range intended for operation. To the Removing air friction, the fork swings in a vacuum or in hydrogen.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Ouarz crystal tuning fork, characterized by that the excitation of the vibrations is done by electrodes that are only on one Prongs of the fork are arranged while the delivery of energy by a second Electrode system takes place on the other prong.

2. tuning fork according to claim i, characterized in that the elastic suspension of the same does not generate any energy the environment transmits and the fork hangs vertically.

3. Device according to claim i and 2, characterized in that the suspension is by one or more spiral springs takes place, which serve at the same time for power supply. ... device according to requirements i, characterized in that the Ouarz fork is oriented so that in the used Temperature range, the temperature coefficient of frequency becomes zero.