DE3620558C2

DE3620558C2 -

Info

Publication number: DE3620558C2
Application number: DE3620558A
Authority: DE
Inventors: Hitoaki Tokio/Tokyo Jp Hayashi
Original assignee: Asahi Dempa Co Ltd
Current assignee: Asahi Dempa Co Ltd
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1986-06-19
Publication date: 1992-02-06
Also published as: JPS62230108A; DE3620558A1; US4716332A; JPH0640612B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger mit einer piezoelektrischen schwingenden Platte und einem Elektrodenpaar, welche an entgegengesetzten Oberflächen der piezoelektrischen schwingenden Platte angebracht sind und insbesondere einen piezoelektrischen Schwinger zur Erzeugung von hauptsächlich Oberwellenschwingungen in einem Dicken-Schermodus.

Bei piezoelektrischen Vibratoren bzw. Schwingern, die z. B. aus DE 28 47 944 A1 und DE 29 17 598 A1 bekannt sind, gibt es verschiedene Moden, wie z. B. die Biegeschwingung, Dickenlängsschwingung und Dickenscherschwingung. Um eine Schwingungsfrequenz zu erzeugen, die höher liegt als im Megaherzbereich, wird grundsätzlich der Dicken-Scher-Schwingungsmodus verwendet. Eine Grundfrequenz einer Dickenscherschwingung ist umgekehrt proportional zur Dicke einer piezoelektrischen Schwingplatte, die aus piezoelektrischem Material besteht. Z. B. wird im Fall der Verwendung einer Quarzschwingplatte eines AT-Schnitts (temperaturabhängiger Kristall) eine Grundfrequenz von 10 MHz erhalten, wenn man eine Schwingplatte verwendet, die eine Dicke von 0,167 mm aufweist. Eine Grundfrequenz von 30 MHz wird erzeugt, wenn eine Schwingplatte mit einer Dicke von 0,056 mm verwendet wird. Wenn es daher gewünscht ist, einen piezoelektrischen Schwinger zur Erzeugung einer höheren Frequenz zu schaffen, ist es notwendig, eine Schwingplatte zu verwenden, welche eine geringere Dicke aufweist. Jedoch ist es praktisch schwierig, die Schwingplatte mit einer Dicke kleiner als 0,1 mm mit großer Präzision und hoher Ausbeute herzustellen. Daher ist es allgemein geläufig, Oberwellen zu verwenden, z. B. die dritte Oberwelle, um eine Frequenz höher als 20 MHz zu erhalten.

Im allgemeinen kann der piezoelektrische Schwinger bei jeder der beiden folgenden Frequenzen schwingen, nämlich der Grundfrequenz und der Oberwellenfrequenz. Um daher den piezoelektrischen Schwinger bei einer gewünschten Oberwellenfrequenz schwingen zu lassen, ist es gebräuchlich, eine variable Spule oder Kondensator einzustellen, der bzw. die in einem Oszillator vorgesehen ist, welche eine Frequenzauswahleigenschaft aufweist. Dies wird im Detail mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine äquivalente Schaltung eines piezoelektrischen Vibrators oder Schwingers 1 und eine Oszillatorschwingung 2, die mit dem piezoelektrischen Schwinger verbunden ist. Parallel zum piezoelektrischen Vibrator oder Schwinger 1 ist in Serienschaltung ein effektiver Lastwiderstand 3 und eine effektive Lastkapazität 4 der Oszillatorschaltung 2 angeschlossen. Um den piezoelektrischen Schwinger 1 positiv schwingen zu lassen, ist es erforderlich, den Lastwiderstand 3 genügend groß zu machen, verglichen mit dem Serienresonanzwiderstand einer Serienschaltung, die aus einem Widerstand des piezoelektrischen Schwingers 1 und der Lastkapazität 4 zusammengesetzt ist, wobei der Serienresonanzwiderstand als Äquivalent des Serienwiderstandes bestimmt ist. Um daher den piezoelektrischen Schwinger 1 des Dicken-Schermodus bei einer Oberwellenfrequenz in stabiler Weise schwingen zu lassen, sollte der Widerstandswert des piezoelektrischen Schwingers 1 bei der Oberwellenfrequenz ausreichend kleiner sein als der bei der Grundfrequenz.

Jedoch ist bei den bekannten piezoelektrischen Schwingern die Differenz zwischen dem Widerstandswert bei der Oberwellenfrequenz und dem Widerstandswert bei der Grundfrequenz gering. Z. B. sind der Widerstandswert von piezoelektrischen Schwingern mit schwingenden Quadratplatten von 8 mm×8 mm und einer Dicke von 0,21 mm bei der Grundfrequenz von 8 MHz und der dritten Oberwellenfrequenz von 24 MHz in der folgenden Tabelle 1 gezeigt:

Table 1

Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, unterscheiden sich der Widerstandswert des piezoelektrischen Schwingers bei der Grundfrequenz und der Widerstandswert der dritten Oberwellenfrequenz nur leicht voneinander. Daher wird in der Oszillatorschaltung, welche den bekannten piezoelektrischen Schwinger umfaßt, die dritte Oberwelle unstabil, um die Oberwellenschwingung zu stoppen, und beginnt daher bei der ungewünschten Grundfrequenz zu schwingen. Wenn insbesondere die Oberwelle in Verbindung mit einem C-MOS-Inverter und einem TTL-Inverter verwendet wird, welcher jüngst entwickelt wurde, könnte der piezoelektrische Schwinger nicht bei einer gewünschten Oberwellenfrequenz schwingen, wenn die Charakteristiken bzw. Kennlinien des Vibrators oder Schwingers und der Oszillatorschaltung sich leicht oder geringfügig ändern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen und nützlichen sowie anwendbaren piezoelektrischen Schwinger vom Dicken-Schermodus zu schaffen, welcher bei einer gewünschten Oberwellenfrequenz in stabiler Weise schwingen kann und bei dem die Schwingung bei der Grundfrequenz wahlweise unterdrückt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen piezoelektrischen Schwinger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In dem piezoelektrischen Schwinger nach der vorliegenden Erfindung wird der Widerstandswert bei der Grundfrequenz extrem groß, während der Widerstandswert bei der Oberwellenfrequenz nicht wesentlich erhöht ist oder nur geringfügig erhöht ist, so daß die Grundschwingung zu einem großen Teil unterdrückt ist und der piezoelektrische Schwinger stabil bei der gewünschten Oberwellenfrequenz schwingen kann.

Im folgenden werden die Figuren beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Äquivalenzschaltung mit einem Oszillator, welcher einen piezoelektrischen Schwinger aufweist,

Fig. 2 eine Frontansicht, die ein Ausführungsbeispiel des piezoelektrischen Schwingers veranschaulicht, und zwar der erfindungsgemäßen Art,

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, welche die Wirkung des piezoelektrischen Schwingers bzgl. der Widerstandscharakteristik von Fig. 2 veranschaulicht, und

Fig. 4A bis 4D Frontansichten von einzelnen Ausführungsformen des piezoelektrischen Schwingers nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Frontansicht eines Ausführungsbeispiels des piezoelektrischen Schwingers nach der Erfindung. Der piezoelektrische Schwinger umfaßt eine Schwingplatte 11, die aus einem AT-Schnitt-Quarz von einer Dicke von 0,21 mm hergestellt ist. Die Schwingplatte 11 weist im allgemeinen eine Quadratform mit einer Seitenlänge von 8 mm auf. Auf der front- und rückseitigen Hauptoberfläche der Schwingplatte 11 sind kreisförmige Elektroden 12 und 13 gegenüberliegend zueinander angebracht. In Fig. 2 ist die Elektrode 13 auf der rückseitigen Hauptoberfläche der Schwingplatte 11 angebracht, was jedoch nicht sichtbar ist, ausgenommen ihr Anschlußbereich. Anschlußdrähte 14 und 15, welche jeweils mit den Elektroden 12 und 13 verbunden sind, sind durch einen Elektrodenfuß 16 aus elektrisch isolierendem Material gestützt bzw. auf diesem gelagert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Ecke der Schwingplatte 11 längs einer schrägen Linie abgeschnitten, so daß ein Teil der Kontur der Schwingplatte dichter zur Kontur der Elektroden 12 und 13 verläuft. In dieser Konfiguration ist die Schwerenmitte der Schwingplatte 11 exzentrisch in bezug auf die Schwerenmitte der Elektroden 12 und 13.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Ecke der Schwingplatte 11 in der Weise abgeschnitten, daß ein Bereich der Schwingplatte, der ein rechtwinkliges gleichschenkeliges Dreieck bildet, mit einer Seite von l mm entfernt wird. Die Widerstandswerte des piezoelektrischen Wandlers wurden bei der Grundfrequenz und der dritten Oberwellenfrequenz gemessen, während die Länge l innerhalb eines Bereiches von 0 bis 4 mm geändert wurde. Die Widerstandsmessung wurde mit Hilfe eines Kristallwiderstandsmessers (CI-Messer) durchgeführt, dessen Ergebnis in der folgenden Tabelle 2 dargestellt ist.

Table 2

Fig. 2 zeigt Widerstandskurven bei der Grundfrequenz und der dritten Oberwellenfrequenz. Eine Kurve A verkörpert die Widerstandsänderung bei der Grundfrequenz, und eine Kurve B bezeichnet die Widerstandsänderung bei der dritten Oberwellenfrequenz. Wie aus der oben genannten Tabelle 2 verstanden werden kann sowie aus der Kurvendarstellung von Fig. 3, ist der Widerstandswert von 18,6 Ω bei einer Schwingplatte 11 mit nicht abgeschnittener Ecke (l = 0) für die Grundschwingung im wesentlichen gleich dem Widerstandswert von 17,1 Ω für die dritte Oberwelle. Wenn jedoch die Ecke der Schwingplatte 11 abgeschnitten wird, nimmt der Widerstandswert der Grundwelle abrupt zu, während der Widerstandswert der dritten Oberwellenfrequenz nicht wesentlich erhöht wird, solange und soweit die Länge l kleiner als 3 mm ist. Der Widerstandswert wird leicht zunehmen, wenn die Länge l 3 mm überschreitet. Auf diese Weise ist es durch Abschneiden der Ecke der Schwingplatte möglich, den Widerstandswert des piezoelektrischen Schwingers für die Grundschwingung extrem höher zu machen als den Widerstandswert der dritten Oberwellenschwingung, so daß die Grundschwingung im wesentlichen und hauptsächlich unterdrückt ist und der piezoelektrische Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz in stabiler Weise schwingen kann.

Die Fig. 4A bis 4D sind Frontansichten, die einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingers zeigen. In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4A sind beide Ecken einer oberen Seite einer Schwingplatte 11 längs einer geneigten Linie abgeschnitten, während in einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4B die obere Seite einer Schwingplatte 11 insgesamt abgeschnitten ist, und zwar in einer Entfernung 1 vol von der ursprünglichen Oberfläche. In einer Ausführungsform gemäß Fig. 4C ist eine Ecke der Schwingplatte in solcher Weise abgeschnitten, daß ein Bereich der Schwingplatte, der eine rechtwinklige Dreiecksform mit Seitenlängen l_H und l_V(l_H≠l_V) aufweist, entfernt ist. In diesen Ausführungsbeispielen ist die Schwerenmitte der Schwingplatte exzentrisch in bezug auf die Schwerenmitte der Elektrode. In einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4D sind alle vier Ecken einer quadratischen Schwingplatte 11 abgeschnitten. Gemäß der Erfindung kann der piezoelektrische Schwinger stabil bei der dritten Oberwellenfrequenz schwingen, während die Grundschwingung wirksam und selektiv unterdrückt werden kann.

Es wird nun ein Beispiel des piezoelektrischen Schwingers nach der Erfindung beschrieben.

Beispiel

Eine Schwingplatte wurde aus einer quadratischen Platte von einem AT-Schnitt-Quarz mit einer Dicke von 0,21 mm und einer Seitenlänge des Quadrates von 8 mm gebildet. Auf beiden Oberflächen der Platte wurden kreisförmige Elektroden mit einem Durchmesser von 5 mm angebracht, wobei die Schwerenmitte der Schwingplatte identisch ist mit der Mitte der kreisförmigen Elektroden. Sodann werden beide oberen Ecken der Schwingplatte allmählich abgeschnitten, wie in Fig. 4A gezeigt, wobei die Widerstandswerte des Schwingers für die Grundschwingung bei 8 MHz und die dritte Oberwellenschwingung bei 24 MHz durch den CI-Messer gemessen werden. Das Meßergebnis ist durch die Kurven A und B in Fig. 3 veranschaulicht. Die Kurve A stellt die Widerstandsänderung bei der Grundfrequenz dar, während die Kurve B die Widerstandsänderung bei der dritten Oberwellenfrequenz bezeichnet. Der Widerstandswert der Grundschwingung nimmt rapide zu, wenn die Länge l größer als 1 mm ist. Im Gegensatz hierzu nimmt der Widerstandswert der dritten Oberwelle nicht wesentlich zu bzw. ändert sich nicht wesentlich, wenn die Länge l kürzer als ungefähr 2,5 mm ist. Wenn die Ecken in beachtlichem Maße abgeschnitten werden (l ≅ mm) nimmt der Widerstandswert für die dritte Oberwelle nur bis ungefähr 40 Ω zu, was extrem gering ist verglichen mit dem Widerstandswert für die Grundschwingung. Zwanzig piezoelektrische Schwinger, deren obere Ecken um l = 3 mm abgeschnitten wurden, wurden hergestellt und in eine echte Oszillatorschaltung eingeschaltet. Sodann wurden die piezoelektrischen Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz von 24 MHz in Schwingung versetzt. Alle piezoelektrischen Wandler arbeiteten stabil bei einer Nominalspannung von 5 V. Sogar wenn die Spannung auf 60% vom Nominalwert, d. h. auf 3 V, verringert wurde, schwangen alle zwanzig piezoelektrischen Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz in äußerst stabiler Weise.

Wie oben im Detail beschrieben, kann der Widerstandswert bei der Grundfrequenz in einem piezoelektrischen Schwinger vom Dicken-Schermodus nach der Erfindung selektiv erhöht bzw. vergrößert werden, um die Grundschwingung bis zu einem großen Ausmaß zu unterdrücken, und zwar dadurch, daß ein Teil der Kontur der Schwingplatte dichter an die Elektrode herangebracht wird. Daher kann der piezoelektrische Schwinger stabil bei einer Oberwellenfrequenz schwingen. Ein solcher piezoelektrischer Schwinger kann in vorteilhafter Weise bei unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten angewendet und eingesetzt werden und bewirkt einen bemerkenswerten Fortschritt in der einschlägigen Industrie.

Claims

1. Piezoelektrischer Schwinger mit

- einer Schwingplatte (11) aus piezoelektrischem Material, die eine quadratische Grundform besitzt und gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist, und
- einem Elektrodenpaar aus kreisförmigen Elektroden (12, 13), die jeweils auf den Oberflächen der Schwingplatte gegenüberliegend zueinander angebracht sind,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Ecke der Schwingplatte (11) derart abgeschnitten ist,

- daß die Schwerpunktmitte der Schwingplatte (11) exzentrisch in Bezug auf die Schwerpunktmitte der Elektroden (12, 13) des Elektrodenpaares angeordnet ist.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingplatte aus Quarz hergestellt ist.

3. Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz in Schwingung versetzt wird.

4. Schwinger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingplatte (11) eine Dicke von ungefähr 0,21 mm aufweist und daß der piezoelektrische Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz von 24 MHz in Schwingung versetzt wird.

5. Schwinger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingplatte (11) eine Dicke von ungefähr 0,167 mm aufweist und daß der piezoelektrische Schwinger bei der dritten Oberwellenfrequenz von 30 MHz in Schwingung versetzt ist.