DE976256C

DE976256C - Piezoelectric crystal plate with a damping layer

Info

Publication number: DE976256C
Application number: DEN10946A
Authority: DE
Inventors: Nikolaj Balakirski; Herman Lambertus De Jong
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1954-07-21
Filing date: 1955-07-17
Publication date: 1963-05-30
Also published as: FR1137423A; CH334118A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Kristallplatte solcher Abmessungen, daß der Kristall Scherungsdickenschwingungen ausführen kann, bei der sich wenigstens auf einer Seite der Platte eine Elektrode befindet, die nur einen Mittelteil der Platte bedeckt. Solche Kristalle sind unter anderem als Frequenzstabilisator für Frequenzen von 5 bis 100 MHz und höher verwendbar. The invention relates to a piezoelectric Crystal plate of such dimensions that the crystal shear thickness vibrations can perform, in which at least one side of the plate is an electrode that only covers a central part of the plate. Such crystals are among other things as a frequency stabilizer for Frequencies from 5 to 100 MHz and higher can be used.

Eine der in der Praxis an Oszillatorkristalle gestellten Anforderungen ist, daß die »Aktivität« des Kristalls über einen größeren Temperaturbereich, z. B. zwischen —50 und +90° C, nahezu konstant ist, wenigstens oberhalb eines bestimmten Mindestpegels liegt. Die »Aktivität« kann dadurch bestimmt werden, daß der Kristall in Zusammenwirkung mit einem als Standard eingerichteten Röhrenoszillator in Schwingung versetzt und der Gitterstrom der Röhre gemessen wird.One of the requirements placed on oscillator crystals in practice is that the "activity" of the crystal over a wider temperature range, e.g. B. between -50 and + 90 ° C, almost is constant, is at least above a certain minimum level. The "activity" can thereby be determined that the crystal in cooperation with a set up as a standard The tube oscillator is set in motion and the grid current of the tube is measured.

Es ergibt sich, daß bei vielen im übrigen gut wirkenden Ouarzkristallen der erwähnten Art die Aktivitätskurve (Gitterstrom der Oszillatorröhre als Funktion der Temperatur des Kristalls) einen oder mehrere große. Niedergänge aufweist, so daß diese Kristalle nicht gut brauchbar sind. Der sich daraus ergebende Ausschuß bei der Herstellung kann sehr beträchtlich sein.It turns out that in the case of many otherwise good-working quartz crystals of the type mentioned, the Activity curve (grid current of the oscillator tube as a function of the temperature of the crystal) or several large ones. Has declines, so that these crystals are not very useful. Which the resulting waste in manufacture can be very significant.

Diese Erscheinung kann durch die Annahme erklärt werden, daß die Abnahme der Aktivität entsteht, indem höhere Harmonische anderer Schwin-This phenomenon can be explained by the assumption that the decrease in activity occurs, in that higher harmonics of other vibrations

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gungsarten — deren Grundfrequenzen viel niedriger liegen als die der gewünschten Schwingungsart, wie einer Oberflächen-Scherungsschwingung und Biegeschwingung — mit der gewünschten Schwingung interferieren. Da die Temperaturabhängigkeit dieser niedrigeren Schwingungsarten eine andere ist als die der gewünschten Schwingung, wirken die Schwingungsarten sich nur bei bestimmten Temperaturen entgegen; an diesen Stellen wird ίο in der Aktivitätskurve ein Abfall auftreten.types of vibration - the fundamental frequencies of which are much lower than those of the desired type of vibration, such as surface shear vibration and flexural vibration - interfere with the desired vibration. Because the temperature dependence of these lower types of vibration is different from that of the desired vibration the types of vibration only oppose each other at certain temperatures; in these places will ίο there is a drop in the activity curve.

Es wurde festgestellt, daß der Schwingungsbereich der niedrigeren Schwingungsarten sich über nahezu die ganze Kristallplatte erstreckt, während der Schwingungsbereich der gewünschten Scherungsdickenschwingung im wesentlichen auf die Mitte der Platte konzentriert ist, wo sich auch die Elektrode befindet. Der Randbereich um den Mittelteil der Platte bleibt, was die gewünschte Schwingung anbelangt, nahezu in Ruhe. Es ist daher grundsätzlich möglich, unter Verwendung geeigneter auf dem Plattenrand angebrachter mechanischer Dämpfungsmittel die Aktivität der störenden Nebenschwingungen beträchtlich zu unterdrücken, ohne diejenige der Hauptschwingung wesentlich herabzusetzen. Es ist bereits bekannt, zur Vermeidung von Nebenfrequenzen, auf die Kristallplatte längs des Randes eine Schicht eines viskosen Materials, z. B. Firnis, aufzubringen, die eine bestimmte mechanische Dämpfung herbeiführt. Die Schwierigkeit dabei ist, daß sich die Konzistenz der viskosen Schicht nach einem gewissen Zeitverlauf durch Austrocknung, Oxydation usw. ändert, so daß die Wirkung nicht konstant ist.It was found that the vibration range of the lower vibration modes extends over extends almost the entire crystal plate during the vibration range of the desired shear thickness vibration is essentially concentrated in the center of the plate, where the Electrode is located. The edge area around the middle part of the plate remains what is desired As far as vibration is concerned, almost at rest. It is therefore basically possible to use suitable mechanical damping means attached to the edge of the plate reduce the activity of the disruptive secondary vibrations considerably to suppress without significantly reducing that of the main oscillation. It is already known to avoid spurious frequencies on the crystal plate along the edge a layer of viscous material, e.g. B. Varnish to apply a certain mechanical Brings about damping. The difficulty with this is that the consistency of the viscous Layer changes after a certain period of time due to drying out, oxidation, etc., so that the Effect is not constant.

Es üt ferner bekannt, zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen von schwingenden Teilen Blei zu verwenden. Auch harte Kunstharze wurden für den gleichen Zweck verwendet.It is also known to use lead to dampen unwanted vibrations from vibrating parts. Hard synthetic resins too were used for the same purpose.

Kunstharze haben aber einen relativ niedrigenBut synthetic resins have a relatively low Elastizitätsmodul und Torsionsmodul, so daß bei längerer und gegebenenfalls auch schon bei kurzfristiger unzulässiger Beanspruchung die einmal festgelegten Dämpfungsverhältnisse sich ändern, was zu Unzuträglichkeiten führt, da nun die Nebenwellen oder Oberwellen nicht mehr ausreichend ge dämpft werden.Modulus of elasticity and modulus of torsion, so that at longer and, if necessary, even in the case of short-term, inadmissible use, the one time specified damping ratios change, which leads to inconveniences, since now the secondary waves or harmonics are no longer ge be dampened.

Die Erfindung bezweckt, eine Verbesserung dieser Vorrichtung zu schaffen und weist das Kennzeichen auf, daß die Dämpfungsschicht mit kleinerer Oberfläche als die der Elektrode aus email artigem Material besteht, denn es hat sich als möglich erwiesen, mit derartigen festen trockenen Stoffen eine beträchtliche Dämpfung zu erreichen, die sich mit der Zeit, sei es durch Korrosion oder Beanspruchung, nicht ändert.The invention aims to provide an improvement of this device and is characterized in that the damping layer with a smaller surface than that of the electrode made of email like material exists, because it has been found possible to achieve considerable attenuation with such solid dry fabrics, the does not change over time, be it due to corrosion or stress.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in derThe invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which

Fig. ι und 2 zwei Ausführungsformen darstellen undFig. Ι and 2 represent two embodiments and

Fig. 3 bestimmte Abmessungen derselben veranschaulicht. Figure 3 illustrates certain dimensions thereof.

Fig. ι zeigt eine Kristallplatte 1 nahezu quadra tischer Form mit einer Kante von z. B. 13 mm und einer Stärke von 0,25 mm. Der Schnitt und die Abmessungen des Kristalls sind derart gewählt, daß der Kristall bei Erregung durch einen Röhrenoszillator Scherungsdickenschwingungen ausführt und die Temperaturabhängigkeit der erzeugten Frequenz (Temperaturkoeffizient) einen günstigen niedrigen Wert hat (dies ist unter anderem der Fall bei dem AT- und dem BT-Schnitt). Die Frequenz des Kristalls beträgt bei den angegebenen Abmessungen etwa 6,5 MHz. Die Kristallplatte ist auf den beiden Seiten mit je einer aufgedampften Elektrode 3 größtenteils kreisförmiger Gestalt versehen, die im wesentlichen nur einen Mittelteil der Platte bedeckt und nach einer der beiden unteren Ecken einen Ausläufer 5 besitzt. Die Platte ist in diesen Winkelpunkten in zwei nachgiebigen Bügeln 7 festgeklemmt, die gleichzeitig die elektrische Verbindung mit zwei Steckerstiften 9 darstellen. Der Kristall kann mittels einer Metallkappe 11 staubdicht abgedeckt sein.Fig. Ι shows a crystal plate 1 almost quadra tables shape with an edge of z. B. 13 mm and a thickness of 0.25 mm. The section and the dimensions of the crystal are chosen in such a way that when excited by a tube oscillator, the crystal executes shear thickness oscillations and the temperature dependence of the generated frequency (temperature coefficient) has a favorable low value (this is the case with the AT and BT, among others. Cut). The frequency of the crystal is about 6.5 MHz with the specified dimensions. The crystal plate 3 is provided mostly circular shape on both sides with a vapor-deposited electrode which substantially covers and after one of the two lower corners a spur 5 has only a central part of the plate. The plate is clamped in two flexible brackets 7 at these angular points, which at the same time represent the electrical connection with two connector pins 9. The crystal can be covered in a dust-tight manner by means of a metal cap 11.

Auf einer Seite des Randes der Platte 1 sind mehrere nahezu kreisförmige Flecke 13 angebracht, die je aus einer dünnen Schicht glasartigen Emails, z. B. aus Bleiborat, bestehen, die an der Kristalloberfläche fest haftet. Infolge des Unterschieds in den mechanischen Eigenschaften zwischen dem Kristall und den Flecken 13 entsteht eine örtliche Hemmung der Bewegungen der Kristalloberfläche, was sich in einer kräftigen Dämpfung der die Niedergänge in der' Aktivitätskurve herbeiführenden schädlichen Nebenschwin- gungen auswirkt. Es ergibt sich, daß diese Niedergänge nach der Anbringung der Flecke 13 praktisch verschwunden oder wenigstens nicht mehr in störendem Maße vorhanden sind.On one side of the edge of the plate 1, several almost circular spots 13 are made, each made of a thin layer of glass-like enamels, e.g. B. of lead borate, which at the Crystal surface firmly adheres. As a result of the difference in mechanical properties between the crystal and the spots 13 there is a local inhibition of the movements of the Crystal surface, which results in a strong damping of the harmful secondary vibrations that cause the declines in the activity curve. effects. It turns out that these companionships after the application of the patches 13 is practical disappeared or at least no longer exist to a disruptive extent.

Fig. 2 veranschaulicht die Ausführung bei einer Kristallplatte kreisförmiger Gestalt. Die Zahl, die Größe und die Form der Flecke ist beliebig und kann am besten empirisch bestimmt werden. Die herbeigeführte Dämpfung sowohl der Nebenschwingungen als auch der Hauptschwingung nimmt zu, je näher die Flecke am Mittelpunkt der Kristallplatte angebracht werden. Es ist aber möglich, einen Abstand zu finden, bei dem die Nebenschwingungen bereits eine wesentliche Dämpfung erfahren, die Hauptschwingung aber nur wenig ge- no dämpft wird. Fig. 3 zeigt den durch zwei mit der Kristallplatte· konzentrische Kreise mit einem Radius R₁ bzw. R₉ begrenzten Bereich, in dem die Dämpfungsschicht, d. h. die Flecke 13 in den Fig. ι und 2 oder wenigstens ein Teil derselben, vorzugsweise für verschiedene Eigenfrequenzen / des Kristalls, angebracht sein können. Für Frequenzen über 10 MHz z.B. ergibt es sich als erwünscht, daß sich die Flecke in einem Abstand von wenigstens 2 mm vom Mittelpunkt befinden, um eine übermäßige Dämpfung der Hauptschwingung zu vermeiden. Ein etwas größerer Abstand ist zulässig; bei einem größeren Abstand als etwa 5 mm ist aber die Dämpfungswirkung nur jrioch gering. Es ist daher erwünscht, daß wenigstens ein Teil der Flecke — oder im allgemeinenFig. 2 illustrates the implementation with a crystal plate of circular shape. The number, size and shape of the spots are arbitrary and can best be determined empirically. The induced damping of both the secondary vibrations and the main vibration increases the closer the spots are placed to the center of the crystal plate. However, it is possible to find a distance at which the secondary vibrations already experience substantial damping, but the main vibration is only slightly damped. 3 shows the area bounded by two circles concentric with the crystal plate with a radius R ₁ or R ₉ , in which the damping layer, ie the spots 13 in FIGS Natural frequencies / of the crystal, may be appropriate. For frequencies above 10 MHz, for example, it turns out to be desirable that the spots be at a distance of at least 2 mm from the center in order to avoid excessive damping of the main oscillation. A slightly larger distance is permissible; at a distance greater than about 5 mm, however, the damping effect is only slight. It is therefore desirable that at least some of the spots - or in general

der Dämpfungsschicht — sich innerhalb des angegebenen Bereiches befindet. Ein Teil kann außerhalb dieses Bereiches angebracht sein; dessen Auswirkung ist aber sehr gering. Die Außenabmessungen des Kristalls (mit Ausnahme der Stärke) sind nicht kritisch.the damping layer - is within the specified range. A part can be outside this area should be appropriate; but its effect is very small. The external dimensions of the crystal (with the exception of the strength) are not critical.

Für einen Kristall mit einer Frequenz zwischen 5 und ίο MHz liegen die Abstände R₁ und i?₂ ts. Fig. 3) zwischen etwa 3 und 9 mm.For a crystal with a frequency between 5 and ίο MHz are the distances R ₁ and i? ₂ ts. Fig. 3) between about 3 and 9 mm.

Da die Dämpfungsschicht aus festem Material eine kräftige Dämpfung herbeiführt, braucht deren Oberfläche nur klein, z. B. kleiner als die der Elektrode (3 in Fig. 1), zu sein. Die dargestellten Flecke 13 hallen einen Durchmesser von 0,5 bis 2 mm und sind vorzugsweise klein gegenüber der Elektrode. Die Zahl der Flecke wird, nachdem die Größe der Flecke festgelegt wurde, empirisch derart gewählt, daß gerade noch nicht eine zu große Dämpfung der Hauptschwingung auftritt.Since the damping layer made of solid material creates a strong damping, it needs it Surface only small, e.g. B. smaller than that of the electrode (3 in Fig. 1) to be. The illustrated Spots 13 have a diameter of 0.5 to 2 mm and are preferably small compared to the Electrode. The number of spots becomes so empirically after the size of the spots is determined chosen so that the main oscillation is not attenuated too much.

Claims

Patent claims:

i. Piezoelectric crystal plate of such dimensions that the crystal can perform shear thickness vibrations, in which at least one side of the plate has an electrode which covers only a central part of the plate, the part not covered by the electrode with a mechanical damping layer is partially covered, characterized in that the damping layer with a smaller surface than that of the electrode consists of an enamel-like material.

2. Piezoelectric crystal plate according to claim i, characterized in that the damping layer consists of several spots, each of which has a small surface compared to that of the electrode.

3. Piezoelectric crystal plate according to claim ι or 2 for a frequency higher than 10 MHz, characterized in that the damping layer is applied at a distance of at least 2 mm from the center of the crystal and that at least part of the layer is at a distance of is less than 5 mm from the center point.

4. Piezoelectric crystal plate according to claim ι or 2 for a frequency between 5 and 10 MHz, characterized in that the damping layer is applied at a distance of at least 3 mm from the center of the crystal and that at least part of the layer is in one Is less than 9 mm from the center point.

In Betracht gesogene Druckschriften:Documents considered:

Deutsche Patentschriften Nr. 690538, 855727, 324;German patent specifications No. 690538, 855727, 324;

deutsche Patentanmeldung Q 57 VIII al 21 a*German patent application Q 57 VIII al 21 a * (bekanntgemacht am 2. 10. 1952);(published October 2, 1952);

deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 671842;German utility model No. 1 671842;

USA.-Patentschriften Nr. 1459803, 2166326;U.S. Patent Nos. 1459803, 2166326;

Annalen der Physik, 5. Folge, Bd. 23, H. 2, S. 161;Annalen der Physik, 5th volume, vol. 23, no.2, p. 161; VDI-Zeitschrift, Bd. 96, Nr. 6, S. 171 bis 175.VDI magazine, Vol. 96, No. 6, pp. 171 to 175.

For this purpose ι sheet of drawings

JS 609 579/370 8.56 (309 594/2 5.63)JS 609 579/370 8.56 (309 594/2 5.63)