DE976256C - Piezoelektrische Kristallplatte mit Daempfungsschicht - Google Patents

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.

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.

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.

Diese Erscheinung kann durch die Annahme erklärt werden, daß die Abnahme der Aktivität entsteht, indem höhere Harmonische anderer Schwin-

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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.

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.

Es üt ferner bekannt, zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen von schwingenden Teilen Blei zu verwenden. Auch harte Kunstharze wurden für den gleichen Zweck verwendet.

Kunstharze haben aber einen relativ niedrigen 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.

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.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

Fig. ι und 2 zwei Ausführungsformen darstellen und

Fig. 3 bestimmte Abmessungen derselben veranschaulicht.

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.

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.

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 allgemeinen

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.

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.

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.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Piezoelektrische Kristallplatte solcher Abmessungen, daß der Kristall Scherungsdickenschwingungen ausführen kann, bei der sich we- nigstens auf einer Seite der Platte eine Elektrode befindet, die nur einen Mittelteil der Platte bedeckt, wobei der nicht von der Elektrode bedeckte Teil mit einer eine mechanische Dämpfung herbeiführenden Schicht teilweise bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht mit kleinerer Oberfläche als die der Elektrode aus einem emailartigen Material besteht.
2. 2. Piezoelektrische Kristallplatte nach An spruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht aus mehreren Flecken besteht, die je eine kleine Oberfläche gegenüber der der Elektrode haben.
3. 3. Piezoelektrische Kristallplatte nach An spruch ι oder 2 für eine höhere Frequenz als 10 MHz, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht in einem Abstand von wenigstens 2 mm von der Mitte des Kristalls aufgebracht ist und daß wenigstens ein Teil der Schicht sich in einem Abstand von weniger als 5 mm vom Mittelpunkt befindet.
4. 4. Piezoelektrische Kristallplatte nach An spruch ι oder 2 für eine zwischen 5 und 10 MHz liegende Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschicht in einem Abstand von wenigstens 3 mm von der Mitte des Kristalls aufgebracht ist und daß wenigstens ein Teil der Schicht sich in einem Abstand von weniger als 9 mm vom Mittelpunkt befindet.

   In Betracht gesogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 690538, 855727, 324;

   deutsche Patentanmeldung Q 57 VIII al 21 a* (bekanntgemacht am 2. 10. 1952);

   deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 671842;

   USA.-Patentschriften Nr. 1459803, 2166326;

   Annalen der Physik, 5. Folge, Bd. 23, H. 2, S. 161; VDI-Zeitschrift, Bd. 96, Nr. 6, S. 171 bis 175.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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