DE1206032B

DE1206032B - Gabelfoermiger Quarzoszillator fuer Ton-frequenzen

Info

Publication number: DE1206032B
Application number: DEK44057A
Authority: DE
Inventors: Toshio Shinada
Original assignee: KINSEKISHA LAB Ltd; KINSEKISHA KENKYUJO KK
Current assignee: KINSEKISHA LAB Ltd; KINSEKISHA KENKYUJO KK
Priority date: 1960-06-21
Filing date: 1961-06-21
Publication date: 1965-12-02
Also published as: NL266211A; US3128397A; GB972700A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HO3h

Deutsche KL: 21a4-10

Nummer 1206 032

Aktenzeichen: K 44057IX d/21 a4

Anmeldetag: 21. Juni 1961

Auslegetag: 2. Dezember 1965

Die Erfindung richtet sich auf Verbesserungen an einem Quarzoszillator für Tonfrequenzen, der aus einem Rohquarz gebildet und gabelartig geformt ist und der sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß er einen geringen Temperaturkoeffizienten etwa bei 5 Raumtemperatur aufweist.

Es ist bekannt, daß bei einem Quarzoszillator die Art von Schwingungen hauptsächlich von seiner Form und der der Elektroden abhängig ist. Der Hauptgrund dafür, daß Quarzoszillatoren im größten Umfang im Bereich des Fernmeldewesens Verwendung finden gegenüber Oszillatoren aus anderem piezoelektrischem Material, liegt in der Elastizität des Quarzes begründet sowie insbesondere darin, daß der i2-Wert größer ist und die Verluste geringer sind.

Quarzoszillatoren arbeiten im allgemeinen auf kurzen und langen Hochfrequenzwellen. Bei niedrigen Frequenzen werden stabförmige Quarze verwendet. Selbst dann aber beträgt die Minimalfrequenz einige Kilohertz. Es ist nämlich schwierig, aus natürlichem Quarz große Mutterkristalle von guter Qualität zu erhalten. Selbst wenn es möglich wäre, hinreichend große Mutterkristalle zu gewinnen, wäre dies vom praktischen Standpunkt aus unzweckmäßig infolge des außerordentlich hohen Preises und der Tatsache, daß der Quarzoszillator selbst zu groß würde, was der heutigen allgemeinen Tendenz, elektronische Teile so klein wie möglich auszubilden, zuwiderlaufen würde. In Anbetracht dieser Erwägungen wurde gefunden, daß bei an sich bekannter Ausbildung der Schwingquarze in Gabelform die Herstellung von Oszillatoren ermöglicht wird, deren Anwendungsbereich sich trotz relativ geringer Größe bis zu Frequenzen unter 1 KHz erstreckt.

Die Abb. IA, IB und 2A der Zeichnung sind perspektivische Darstellungen der Formen von bekannten Oszillator-Quarzplatten. Um mit dem gabelförmigen Quarzoszillator eine Frequenz zu erzielen, die derjenigen äquivalent ist, die sich mit den üblichen stangenförmigen Quarzoszillatoren von der Länge Ll ergibt, braucht die Länge L des schwingenden Teils des gabelförmigen Quarzoszillators lediglich etwa 40 % der Länge Ll der stangenförmigen Quarzoszillatoren zu betragen.

Die Abb. 2 B zeigt beispielsweise die Schwingungsweise und die Achsrichtung eines gabelförmigen Quarzoszillators nach Abb. 2 A bei Zugrundelegung einer Schneidrichtung gegenüber den Kristallachsen X, Y und Z eines Mutterkristalls gemäß Abb. 3A. Die Hauptfläche der Gabel liegt in der Ebene der Y- und der Z-Achse. Ihre Längsrichtung Y' ist um +« (wie aus der Zeichnung ersichtlich) oder —λ gegenüber Gabelförmiger Quarzoszillator für Tonfrequenzen

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Kinsekisha Kenkyujo, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

Düsseldorf 1, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Toshio Shinada, Susumu Oinuma, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 21. Juni 1960 (28 336)

der X— r-Ebene geneigt. Die Abb. 3B und 3C sind perspektivischeDarstellungen beider Seiten des Schwingquarzes mit den Elektroden zur Erregung der Schwingungen. Die Abb. 3D gibt ein Schaltschema der Verbindungen zwischen den Elektroden wieder, und es ist gezeigt, daß der Oszillator in den Schwingungsknotenpunkten durch Halter la, Ib, lc und ld gelagert ist, die gleichzeitig als Leitungen zu den Elektroden dienen. Sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite des Schwingquarzes sind paarweise voneinander isolierte Elektrodenbeläge 2, 3 und 2a, 3 a sowie 4, 5 und 4a, Sa vorgesehen. Jede dieser Elektroden wird von einem Metallüberzug gebildet, der in üblicher Weise durch Zerstäuben oder Vakuumverdampfung auf die Oszillatorflächen aufgebracht worden ist.

Da sich eine Phasenverschiebung von etwa 180° in dem elektrischen Wechselpotential zwischen den Elektrodenpaaren 2 und 3a, 3 und 2a, 4 und 5a sowie 5 und 4 a ergibt, wenn der Quarzoszillator schwingt, liegen die Schwingungen des Oszillators in der Y—Z-Ebene, wie dies die Abb. 2B und 3A zeigen. In Abb. 3 E sind experimentell ermittelte Kennlinien dargestellt, die die Frequenzabweichung bei Änderung der Temperatur von zwei Ausführungsbeispielen (I, II) von Quarzen entsprechend Abb. 2A bis 3D zeigen.

Es zeigt sich also, daß die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz bei dieser Ausbildungsform verhältnismäßig groß ist, und es hat sich ergeben, daß es bei Schwingquarzen,deren Schwingungen in der Y—Z-Ebene liegen, nicht möglich ist, einen geringen Temperaturkoeffizienten bei Raumtemperatur zu erhalten,

S09 740/154

selbst wenn das Verhältnis der Breite W zur Länge L oder der Schnittwinkel χ geändert wird, oder auch die sonstigen Abmessungen (T, Wo, H in A b b. 2A).

Gemäß der Erfindung wird es dagegen durch die im folgenden beschriebene Ausbildung des gabelförmigen Quarzoszillators möglich, einen geringen Temperaturkoeffizienten etwa bei Raumtemperatur zu erzielen, indem der Schnittwinkel α der Hauptfläche des Kristalls gegenüber der Ebene mit der X-Achse und der F-Achse, mit der Kristallachse des Oszillators oder der X-Achse als Drehpunkt, im Bereich von —5 bis +10° liegt, und indem die Größe des Quarzes so gewählt ist, daß das Verhältnis der Breite W eines jeden der Schenkel zu seiner Länge £ 0,02 bis 0,09 beträgt.

Die perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen gabelförmigen Oszillators in

Abb. 4 zeigt dessen Schnittwinkel gegenüber den Kristallachsen;

Abb. 5 verdeutlicht die Schwingungsweise;

Abb. 6A und 6B sind perspektivische Darstellungen des Schwingers mit den Elektroden von beiden Seiten;

Abb. 7 zeigt ein Schaltschema der Elektrodenverbindungen;

Abb. 8 ist eine graphische Darstellung der Versuchsergebnisse bezüglich der Frequenzabweichung bei Temperaturänderungen bei Schwingquarzen nach der Erfindung;

Abb. 9 ist eine graphische Darstellung der Abhängigkeit jeweils der Temperatur, bei welcher die Temperaturkennlinie einen Temperaturkoeffizienten Null annimmt, von der Frequenz bei verschiedenen Schnittwinkeln <x.

Der erfindungsgemäße Quarzoszillator ist, wie A b b. 4 zeigt, so ausgebildet, daß die Hauptfläche in einer Ebene liegt,, die um einen gegebenen Winkel x von einer die X-Achse und die F-Achse einschließenden Ebene verdreht ist, wobei die X-Achse der Drehpunkt ist.

Wie aus Abb. 6 und 7 hervorgeht, sind an den vier Seiten eines jeden der beiden parallelen Längsteile vier Elektroden angeordnet. Eine Elektrode 11 an der Vorderseite des einen Schwingteils ist elektrisch leitend mit einer Elektrode 13 an der ihr gegenüberliegenden Seite verbunden. Eine Elektrode 12 an der Innenseite ist in gleicher Weise mit einer Elektrode 14 an der Außenseite verbunden. Entsprechend sind an dem anderen Schwingungsteil die Elektroden 15 und 17 sowie die Elektroden 16 und 18 miteinander verbunden. Gemäß der aus A b b. 7 ersichtlichen Schaltung wird eine Wechselspannung über 10, 10 α, 10έ und 10 c an die Elektroden gelegt.

Die Schwingungsrichtung, die bei dem vorbeschriebenen Oszillator erreicht wird, liegt in der X—F-Ebene (Abb. 4 und 5). Die Schwingungsweise ist durch die gestrichelten LinienO, O' in Abb. 5 angedeutet. Durch Veränderung des Schnittwinkels α des Kristalls, der aus A b b, 4 ersichtlich ist, kann die Schwingungsebene verändert werden.

In A b b. 8 ist die experimentell ermittelte Temperaturkennlinie der Frequenz des Quarzoszillators nach erfindungsgemäßen Beispielen wiedergegeben. Die Kurve III entspricht einem Quarz, der bei 796,6 Hz schwingt, wobei λ = +5° betrug, und die Dimensionen unter Bezugnahme auf die Abb. 6A und 6B die folgenden waren: Basishöhe = 5 mm, Länge der Schwingteile 46,27 mm, Breite dieser Teile sowie die des Zwischenteils und die Dicke = 2 mm. Andererseits entspricht die Kurve IV einem Quarz mit 1505,6 Hz, wobei « = — 5° betrug, und die Dimensionen folgende waren: Basishöhe 5 mm, Länge der Schwingteile 33,6 mm, Breite dieser Teile sowie des Zwischenteils und Dicke 2 mm.

Für diesen Oszillator wurde durch Versuch ermittelt, daß bei einer Auswahl des Winkels α in dem Bereich von —5 bis +10° und des Verhältnisses der Breite W der beiden Schwingteile zu ihrer Länge L zwischen 0,02 bis 0,09 und Anwendung derselben im Bereich von 400 bis 3000 Hz sich Kurven ergaben, die weitgehend gleich waren und sich nur die Temperaturen nach Abb. 8, bei welchen die Temperaturkennlinien ein Maximum und damit einen Temperaturkoeffizienten von Null erreichen, wie in Abb. 9 dargestellt, ändern. In Abb. 9 sind auf der Abszissenachse die Frequenz in kHz und auf der Ordinate die Temperatur in °C aufgetragen, bei welcher der Null-Temperaturkoeffizient erzielt wird. Wenn in diesen Fällen «-. über +12° oder unter —8° gelangt, werden die Kennlinien infolge Vereinigung mit anderen Schwingungsformen unterbrochen oder wellig.

Somit lassen sich bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Quarzoszillators Schwingungen von mehreren hundert Perioden erhalten. Durch Auswahl des Schnittwinkels (α) nach Abb. 4 und Anordnung der Elektroden nach den Abb. 6 und 7 nehmen sie entsprechende Kennlinien an und bewirken, daß die Frequenzabweichung in einem Temperaturbereich von ±30° C unterhalb von ±1,5 X IO-⁵ gehalten werden kann.

Claims

Patentanspruch:

Gabelförmiger Quarzoszillator für Tonfrequenzen von 400 bis 3000 Hz, bestehend aus einer länglichen Platte mit einem in Längsrichtung verlaufenden Einschnitt von bestimmter Breite in ihrem Mittelteil, der zur Anlegung der zur Schwingungserzeugung notwendigen Wechselspannung an den vier Flächen eines jeden die Schwingungsteile bildenden Seitenschenkels mit Elektroden versehen ist, wobei jeweils einander gegenüberliegende Elektroden miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittwinkel« der Hauptfläche des Kristalls gegenüber der Ebene mit der X-Achse und der F-Achse, mit der Kristallachse des Oszillators oder der X-Achse als Drehpunkt, im Bereich von —5 bis +10° liegt, und daß die Größe des Quarzes so gewählt ist, daß das Verhältnis der Breite W eines jeden der Schenkel zu seiner Länge L 0,02 bis 0,09 beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 740/154 11.65 © Bundesdruckerei Berlin