DE2410010A1

DE2410010A1 - Biegeschwinger aus einkristall-lithiumtantalat

Info

Publication number: DE2410010A1
Application number: DE19742410010
Authority: DE
Inventors: Kunimoti Itoh; Shegeyuki Miyazaki; Morio Onoe; Toshio Shinada
Original assignee: KINSEKISHA LAB Ltd
Current assignee: KINSEKISHA LAB Ltd
Priority date: 1973-03-05
Filing date: 1974-03-02
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS49115492A

Description

Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat.
Die Erfindung betrifft Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat, wobei unter dem Begriff "Biegeschwinger" auch"Stimmgabeloszillatoren" zu verstehen sind.
Im allgemeinen haben Lithiumtantalat-Elemente Resonanzfrequenzen mit einer gegenüber Schwingquarzen weniger günstigen Temperaturemfpindlichkeit, wobei sich Schwierigkeiten bei der Erzielung eines korrekten Temperaturausgleiches ergeben.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat in der Weise auszubilden, daß dieser Nachteil ausgeschaltet wird.
Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßer Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiurntantalat durch eine Biegeschwingungsebene in der x-y'-Ebene und einen zyw (e)-Schnitt mit e als Schnittwinkel zwischen 20 und 600 sowie durch einen Null-Temperaturkoeffizienten der Resonanzgrequenz innerhalb eines Temperaturbereiches von -20°C bis +80qC.
Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen: Figur 1 einen entgegen dem Uhrzeigersinn um e0 verdrehten Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat; Figur 2 eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Biegeschwinger mit geteilten Elektroden; Figur 5 in einer Graphik die Beziehung zwischen dem Schnittwinkel und dem zugehörigen Temperaturkoeffizienten, berechnet aufgrund des Elastizitätsmoduls und seines Temperaturkoeffizienten, des linearen Dehnungskoeffizienten und des räumlichen Ausdehnungskoeffizienten; und Figur 4 in einer Graphik die Temperaturempfindlichkeit der Resonanzfrequenz.
Figur 1 zeigt den zyw (e)-Schnitt (zyw(e)-cutl entnommen den IRE-Standards) in einem Biegeschwinger 1 aus Einkristall-Lithiumtantalat, der von der y-Achse entgegen dem Uhrzeigersinn um e verdreht ist, während Figur 2 einen BiegeschwSnger 2 aus dem vorgenannten Kristall zeigt, der mit in der z'-Ebene geteilten Elektroden 5 bestückt ist.
Im allgemeinen ergibt sich die- Grund-Resonanzfrequenz eines Biegeschwingers mit rechteckigem Querschnitt aus nachstehender Formel (1) bei einem ausreichend hohen Wert für l/w, wobei 1 die Länge des Biegeschwingers bedeutet und w die Abmessung einer zur Ebene der Biegeschwingung parallelen Seite: Hierin sind: E = Young'scher Modul p = Dichte m = 4,73* Es ist bekannt, daß ein Lithiumtantalat-Einkristall der Spitzengruppe 5 m mit einem zyw(e)-schnitt gemäß Figur 1 mit einer piezoelektrischen Konstante d'52 elektrisch erregt werden kann, um in Biegeschwingungen parallel zur x-y'-Ebene versetzt zu werden, indem in der z'-Ebene geteilte Elektroden gemäß Figur 2 vorgesehen und quer zu den Elektrodenpaaren elektrische Felder gegenseitig entgegengesetzter Phase angelegt werden. Die Resonanzfrequenz eines derartigen Biegeschwingers aus Einkristall-Lithiumtantalat läßt sich durch Substitution nachstehender Gleichung (2) in obige Gleichung (1) bestimmen: 1 E = S11E . cos4# + (2 . S 44E) . sin²# . cos ²# - 2 . S14E . cos³# . sin# + S33E . sin4# ....... (2) Der Temperaturkoeffizient Tf der Resonanzfrequenz ergibt sich aus Gleichung ()) df dw dl dE .....(3) Tf = 1/f = 1/w - 2/l + 1/2 ß + 1/2 1/E ..... (3) dT dT dT dT wobei: ß = räumlicher Ausdehnungskoeffizient, dl dw 1/l = α11.cos²# + α33 . sin²#, 1/w = α11, und dT dT α11 sowie α33 = lineare Ausdehnungskoeffizienten.
Bei Berechnung des Wertes der Gleichung (3) für einen Bereich von # zwischen -90° und +90° unter Einsatz spezifischer Werte für die Federung (compliance) bei 25°C, den Temperaturkoeffizienten der Federung sowie den linearen und den räumlichen Ausdehnungskoeffizienten stellt sich heraus, daß es zwei Schnitte neben e = 300 und 500 gibt, welche einen Temperaturkoeffizienten von Null liefern.
Aus vorstehender Gleichung zeigt sich, daß ein Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat einen Temperaturkoeffizienten NULL innerhalb eines Temperaturbereiches von 200C bis +8000 haben kann, wenn seine Biegeschwingungsebene in der x-y'-Ebene liegt und sein Schnittwinkel im Bereich von 200 bis 600 für einen zyw(e)-Schnitt.
Figur 4 zeigt in einer Graphik die Temperaturempfindlichkeit der Resonanzfrequenz bei mehreren Biegeschwingern.
Dabei zeigt insbesondere Kurve 5, daß ein zyw(300)-Schnitt von 16,8 KHz einen Temperaturkoeffizienten NULL bei 200C, Kurve 6, daß ein zyw(30°)-Schnitt von 28,) KHz einen temperaturkoeffizienten NULL bei 300C und Kurve 7, daß ein zyw(500) Schnitt von )0,4 KHz einen Temperaturkoeffizienten NULL bei 280C ergibt.
Die Erfindung schafft somit einen Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat mit einem hohen Kopplungsfaktor, einen hohen Gütefaktor und einer niedrigen Impedanz sowie mit verbesserter Temperaturempfindlichkeit, da der Temperaturkoeffizient NULL der Resonanzfrequenz innerhalb eines Temperaturbereiches von 200 bis +800C vorliegt. Da eine Biegeschwingung naturgemäß Niederfrequenzsch;zingungen ergibt, läßt sich mit einem im Vergleich zu einem Scherungs-oder Längsschwinger kleineren Schwinger sehr vorteilhaft eine Schwingung mit einer gegebenen Frequenz erzielen.

Claims

Patentanspruch:

Biegeschwinger aus Einkristall-Lithiumtantalat, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Biegeschwingungsebene in der x-y' -Ebene und einen zyw(6)-Schnitt mit 8 als Schnittwinkel zwischen 20 und 600 sowie durch einen Null-Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz innerhalb eines Temperaturbereiches von -20°C bis +80°C.

L e e r s e i t e