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Scheibenförmiger piezoelektrischer Oszillator aus Quarz.
Scheibenförmige Oszillatoren und Resonatoren aus Quarz, bei denen also die Dickenabmessung nur einen kleinen Bruchteil der senkrecht zu dieser liegenden Abmessungen beträgt, wurden bisher so aus einem Kristall herausgeschnitten, dass die Dickenabmessung der Scheibe senkrecht zur optischen Achse des Kristalles liegt, u. zw. entweder parallel oder senkrecht zu einer der elektrischen Achsen. Es ist bekannt, dass Oszillatoren der zweiten Art besser schwingen als solche der ersten, sie zeigen jedoch folgenden Nachteil. Bekanntlich ist die Wellenlänge eines Oszillators von seiner Dickenabmessung und von seiner Lage zu den Achsenrichtungen des Kristalles abhängig.
Kleine Abweichungen der Lage können bei den bekannten Oszillatoren erhebliche Abweichungen der Wellenlänge von dem gewünschten Wert veranlassen und dadurch unter Umständen zur vollständigen Unbrauchbarkeit des Oszillators für den im einzelnen Falle beabsichtigten Verwendungszweck führen. Diese Empfindlichkeit gegenüber der Lage ist dann besonders stark, wenn die Dickenabmessung senkrecht zu einer der elektrischen Achsen steht ; es ändert sich bei den bekannten Oszillatoren hier bei einem Fehler der Lage gegen die optische Achse von + 10 die Wellenlänge um etwa 1/140.
Nach der Erfindung wird diese Empfindlichkeit durch eine solche Schnittrichtung beseitigt, dass die Dickenabmessung der Scheibe zwar senkrecht zu einer der elektrischen Achsen liegt, aber gegen die optische Achse unter einem Winkel von +25 bis +55 oder von-45 bis-70 geneigt ist. Die Oszillatoren nach der Erfindung haben an den oben angegebenen Grenzen höchstens die Hälfte der genannten Empfindlichkeit der bekannten Oszillatoren und in den mittleren Richtungen von ungefähr +30 und ungefähr-60 sind sie fast vollkommen unempfindlich.
Ein weiterer Vorteil der der Erfindung entsprechenden Oszillatoren ist der, dass sie von der Doppelwelligkeit frei sind, die die bekannten Oszillatoren öfters zeigen, bei denen die Diekenabmessung senkrecht zu einer der elektrischen Achsen und senkrecht zur optischen Achse liegt.
Der Erfindung entsprechende Oszillatoren zeigen ziemlich unabhängig von ihrer äusseren Form (Rechteck, Quadrat, Kreis) gute Schwingungseigenschaften ; die Sehwingungsneigung ist besonders günstig bei rechteckigen Oszillatoren.
Es ist schon vorgeschlagen worden, bei stabförmigen Oszillatoren die Längsachse (die dabei in der Richtung der grössten Abmessung liegt) mit der optischen Achse einen Winkel einschliessen zu lassen, der +60 bis +75 oder-40 bis-50 beträgt, um saubere Schwingungsverhältnisse zu erhalten, also zu einem andern Zweck, als der mit der vorliegenden Erfindung verfolgte ist.
Für die Herstellung von Kristallen für sehr kurze oder sehr lange Wellen ist es erwünscht mit einer nicht zu geringen bzw. nicht zu grossen Dicke auszukommen. Die der Erfindung entsprechenden Oszillatoren liefern nun bei einer Dicke von 1 mm eine Wellenlänge von 120 m bei mittleren Werten der angegebenen positiven Neigungen und von 180 m bei mittleren Werten der negativen Neigungen, während die bekannten Oszillatoren mit senkrecht zu einer der elektrischen Achse und senkrecht zur optischen Achse stehender Dickenabmessung etwa 150 m liefern.
Bei den neuen Oszillatoren wird man daher vorzugsweise für besonders kurze Wellen den positiven Winkelbereich wählen und erhält dann eine grössere Dicke als bei den bekannten Oszillatoren der genannten Art, was die Schwierigkeit der Herstellung dünner
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wählen, da man dann mit geringeren Dicken auskommt und somit eine grössere Feldstärke im Oszillator erhält.
Eine Hauptschwierigkeit für die Konstanthaltung der Frequenz piezoelektrischer 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 ortsbewegliehe Stationen muss man aus Gewichtsgründen von einem Thermostaten absehen. Hier macht sieh 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 Temperaturgleiehgewicht 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. Es sind zwar Verfahren bekannt, die Frequenz eines Oszillators in geringeren Grenzen zu ändern, dies setzt aber stets eine weitere Erschwerung der Bedienung des Sende-oder Empfangsgeräts voraus.
Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, dass sich in den oben angegebenen Bereichen des Neigungswinkels der Dickenabmessung des Oszillators gegen die optische Achse von +25 bis +55 und von-45 bis-70 die Bereiche von +36 bis +47 und von-48 bis-60 durch einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten auszeichnen. Insbesondere lässt sich für jede Arbeitstemperatur ein positiver und ein negativer Winkel angeben, bei dem der Temperaturkoeffizient praktisch Null ist.
Für Zimmertemperatur liegt dieser Winkel etwa bei +41 und-54 . Soll der Temperaturkoeffizient für eine andere Arbeitstemperatur verschwinden, so muss die Neigung etwas von +41 oder-54 abweichen. Jedoch ändert sich bei einer Abweichung der Temperatur von der jeweilig gewählten Arbeitstemperatur um + 300 der Temperaturkoeffizient so wenig, dass der Temperaturkoeffizient immer noch klein gegenüber den bisher üblichen ist. Von ganz besonderer Bedeutung ist diese Unempfindlichkeit der Oszillatoren gegen Temperaturänderungen für die Anwendung der ultrakurzen Wellen.
In der Zeichnung ist die Erfindung durch ein Beispiel erläutert.
Ein im Schnitt dargestellter scheibenförmiger Oszillator aus Quarz, dessen Dickenabmessung mit a bezeichnet ist, ist in zwei Stellungen ji und A2 gezeigt. Die optische Achse Z-Z des Kristalls, aus dem der Oszillator geschnitten ist, liegt in der Zeiehenebene. Eine der elektrischen Achsen des Kristalls steht senkrecht auf der Zeichenebene und ist auf den Beschauer zu gerichtet. Die Dickenabmessung a des Oszillators steht also auf dieser elektrischen Achse in beiden Fällen senkrecht und ist gegen die optische Achse Z-Z bei i um + 41 und bei A2 um - 540 geneigt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Scheibenförmiger piezoelektrischer Oszillator oder Resonator aus Quarz, dessen Dickenabmessung nur einen kleinen Bruchteil seiner zu dieser senkrechten Abmessungen beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenabmessung senkrecht zu einer der elektrischen Achsen liegt und gegen die optische Achse unter einem Winkel von +25 bis +55 oder von-45 bis-70 geneigt ist.