CH617794A5

CH617794A5 - Quartz crystal vibrator

Info

Publication number: CH617794A5
Application number: CH1095377A
Authority: CH
Inventors: Shin Shibata; Kikuo Oguchi
Original assignee: Suwa Seikosha Kk
Priority date: 1973-07-10
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1980-06-13
Also published as: GB1444504A; JPS5027492A; MY7800425A; CH612820B5; HK52978A; JPS5334875B2; CH952774A4

Abstract

In order to obtain small dimensions, a stable and exact frequency and simple and inexpensive manufacture, the vibrator (8) includes a structure which may be called @two-terminal@. The geometric arrangement of the electrodes (9, 10) on the two faces of the vibrator makes it possible to vibrate its legs in a direction parallel to their plane. The vibrator (8) is fixed to a support block (17) made of an insulating material, such as ceramic. This block is provided with conducting coverings (18, 19) which are isolated from one another. Connection wires (20, 21) form the electrode conductors. <IMAGE>

Description

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REVENDICATIONS Vibreur en cristal de quartz pour application non horlogère, formé d'une embase fixée par adhérence à un support et de deux branches vibrantes coplanaires revêtues d'électrodes sur au moins une de leurs faces, et d'un circuit connecté aux électrodes 5 pour les exciter et créer entre elles des champs électriques de manière à faire vibrer les dites branches dans une direction parallèle à leur plan, caractérisé en ce que les électrodes sont agencées de manière que la direction des dits champs électriques présente une composante principale parallèle au dit plan et en Ul ce que le support est constitué d'un plot en un matériau isolant revêtu d'une couche conductrice divisée en plusieurs parties, chacune de ces parties étant connectée à une des électrodes. CLAIMS Quartz crystal vibrator for non-horological application, formed of a base fixed by adhesion to a support and two vibrating coplanar branches coated with electrodes on at least one of their faces, and a circuit connected to electrodes 5 for excite them and create between them electric fields so as to vibrate said branches in a direction parallel to their plane, characterized in that the electrodes are arranged so that the direction of said electric fields has a main component parallel to said plane and in Ul that the support consists of a pad of an insulating material coated with a conductive layer divided into several parts, each of these parts being connected to one of the electrodes.

La fréquence de résonance d'un vibreur en cristal de quartz agissant l'effet des forces piézoélectriques est très stable. Elle est utilisée de plus en plus fréquemment comme étalon de temps dans les montres-bracelet grâce aux rapides progrès que fait la 2» technique des circuits intégrés présentement. L'utilisation d'un vibreur de cristal de quartz est liée aux conditions suivantes: The resonant frequency of a quartz crystal vibrator acting the effect of piezoelectric forces is very stable. It is used more and more frequently as a time standard in wristwatches thanks to the rapid progress made by the technique of integrated circuits at present. The use of a quartz crystal vibrator is linked to the following conditions:

—faibles dimensions —Small dimensions

— fréquence stable - stable frequency

-fréquence exacte 25 - exact frequency 25

— production facile et peu coûteuse. - easy and inexpensive production.

La première condition est remplie si on utilise un quartz mince dont l'épaisseur est de 200|i ou moins. Un vibreur de ce genere peut être produit en grande série au moyen des techniques de gravure photochimique. La quatrième condition est m réalisée en même temps. En ce qui concerne la condition 2, il est nécessaire de l'étudier sur tous ses aspects en rapport avec l'angle de coupe du cristal, la forme du vibreur, la configuration des électrodes, l'étanchéité de la capsule à l'air. Pour satisfaire la troisième condition, il est nécessaire que l'on puisse faire varier 35 facilement la fréquence d'oscillation et cela dans un large domaine au moyen d'un trimmer qui est branché dans le circuit de l'oscillateur. En ce qui concerne la quatrième condition, la structure de la capsule ou le mode de montage du vibreur a une importance. 4« The first condition is fulfilled if a thin quartz whose thickness is 200 | i or less is used. A vibrator of this kind can be produced in large series using photochemical etching techniques. The fourth condition is met at the same time. Regarding condition 2, it is necessary to study it on all its aspects related to the angle of cut of the crystal, the shape of the vibrator, the configuration of the electrodes, the airtightness of the capsule . To satisfy the third condition, it is necessary that the oscillation frequency can be easily varied and this over a wide range by means of a trimmer which is connected to the circuit of the oscillator. Regarding the fourth condition, the structure of the capsule or the method of mounting the vibrator is of importance. 4 "

La présente invention a pour objet un vibreur en cristal de quartz pour application non horlogère formé d'une embase fixée par adhérence à un support et de deux branches vibrantes coplanaires revêtues d'électrodes sur au moins une de leurs faces, et d'un circuit connecté aux électrodes pour les exciter et 45 créer entre elles des champs électriques de manière à faire vibrer les dites branches dans une direction parallèle à leur plan, et son but est de perfectionner les vibreurs de ce genere déjà connus afin de satisfaire dans une mesure plus grande que jusqu'à maintenant aux quatre conditions rappelées ci-dessus. 50 The subject of the present invention is a quartz crystal vibrator for non-horological application formed by a base fixed by adhesion to a support and by two coplanar vibrating branches coated with electrodes on at least one of their faces, and by a circuit. connected to the electrodes to excite them and create between them electric fields so as to vibrate the said branches in a direction parallel to their plane, and its aim is to perfect the vibrators of this kind already known in order to satisfy to a greater extent great that so far to the four conditions recalled above. 50

Dans un vibreur connu selon le brevet US 3 683 213, la disposition des électrodes est une disposition dite «à trois bornes». Le principe de cette disposition est représenté aux fig. 1,2 et 3 du dessin annexé qui seront décrites plus loin. L'une des faces du vibreur est revêtue d'une couche continue qui forme 55 une première électrode connectée à une borne de masse du circuit tandis que l'autre face du vibreur porte deux revêtements distincts connectés chacun à une des trois autres bornes d'alimentation du vibreur. In a vibrator known according to US Pat. No. 3,683,213, the arrangement of the electrodes is a so-called “three-terminal” arrangement. The principle of this arrangement is shown in Figs. 1,2 and 3 of the appended drawing which will be described later. One of the faces of the vibrator is coated with a continuous layer which forms a first electrode connected to a ground terminal of the circuit while the other face of the vibrator carries two separate coatings each connected to one of the three other terminals of vibrator supply.

Pour atteindre le but spécifié ci-dessus, le vibreur, objet de 60 la présente invention, comporte une structure qu'on peut appeler à deux bornes qui procure comme on le verra plus loin, les avantages visés. To achieve the aim specified above, the vibrator, object of the present invention, has a structure that can be called two terminals which provides, as will be seen below, the intended advantages.

Le vibreur selon l'invention, du genere spécifié plus haut, est caractérisé en ce que les électrodes sont agencées de manière m que la direction des dits champs électriques présente une composante principale parallèle au dit plan et en ce que le support est constitué d'un plot en un matériau isolant revêtu d'une couche conductrice divisée en plusieurs parties, chacune de ces parties étant connectée à une des électrodes. The vibrator according to the invention, of the kind specified above, is characterized in that the electrodes are arranged in such a way that the direction of said electric fields has a main component parallel to said plane and in that the support consists of a pad made of an insulating material coated with a conductive layer divided into several parts, each of these parts being connected to one of the electrodes.

On va décrire ci-après, à titre d'exemple, diverses formes d'exécution du vibreur selon l'invention en comparant la structure du vibreur à celle d'une disposition à trois bornes déjà connue. Various embodiments of the vibrator according to the invention will be described below, by way of example, by comparing the structure of the vibrator with that of a three-terminal arrangement already known.

La fig. 1 est une vue en perspective frontale d'un vibreur connu, Fig. 1 is a front perspective view of a known vibrator,

la fig. 2 une vue explicative du mode d'entraînement d'un vibreur de la fig. 1, fig. 2 an explanatory view of the drive mode of a vibrator of FIG. 1,

la fig. 3 montre un vibreur usuel fixé par adhérence, fig. 3 shows a conventional vibrator fixed by adhesion,

la fig. 4 est une vue en perspective frontale d'une forme de réalisation de l'invention, fig. 4 is a front perspective view of an embodiment of the invention,

la fig. 5 une vue en perspective arrière de ce vibreur, fig. 5 a rear perspective view of this vibrator,

la fig. 6 une vue explicative de la méthode d'entraînement du vibreur de la fig. 4, fig. 6 an explanatory view of the method of driving the vibrator of FIG. 4,

la fig. 7 une vue en perspective d'une autre forme de réalisation de l'invention, fig. 7 is a perspective view of another embodiment of the invention,

la fig. 8 une vue en perspective d'une autre forme de réalisation de l'invention, et la fig. 9 une vue en perspective éclatée illustrant la fabrication du vibreur de la fig. 8. fig. 8 is a perspective view of another embodiment of the invention, and FIG. 9 an exploded perspective view illustrating the manufacture of the vibrator of FIG. 8.

La fig. 1 montre un vibreur usuel du type «à trois bornes». A cette figure X, Y et Z sont les axes électrique mécanique et optique d'un cristal de quartz. Le vibreur 4 est coupé dans une plaque monocristalline de quartz qui est obtenue en faisant tourner une plaque coupée selon X autour de l'axe d'un angle a puis d'un angle y autour de l'axe Y' qui est un nouvel axe Y obtenu par la rotation a. L'angle a est choisi de 0 à 10° et l'angle y de 50 à 70° oude—50à—70° selon la caractéristique de température ou autre. Le vibreur en forme de diapason 4 est équipé d'électrodes 1 et 2 sur sa surface. A la figure. 2, on voit en 3 une électrode de mise à la masse montée sur la surface arrière du vibreur. Quand des conducteurs 5 et 6 sont alimentés par des sources de tension respectivement positive et négative, un champ électrique représenté par les flèches de la fig. 2 s'établit dans le cristal qui est pris en sandwich entre les électrodes d'entraînement et l'électrode de mise à la masse. Ainsi, les contraintes créées dans la côté intérieur et le côté extérieur du diapason sont contraires. En conséquence, une vibration de flexion symétrique est excitée dans le diapason. Fig. 1 shows a conventional vibrator of the “three-terminal” type. In this figure X, Y and Z are the mechanical and optical electrical axes of a quartz crystal. The vibrator 4 is cut in a quartz monocrystalline plate which is obtained by rotating a plate cut along X around the axis by an angle a then by an angle y around the axis Y 'which is a new axis Y obtained by rotation a. The angle a is chosen from 0 to 10 ° and the angle y from 50 to 70 ° or from -50 to -70 ° depending on the temperature characteristic or other. The tuning fork-shaped vibrator 4 is equipped with electrodes 1 and 2 on its surface. In the figure. 2, we see at 3 a grounding electrode mounted on the rear surface of the vibrator. When conductors 5 and 6 are supplied by positive and negative voltage sources respectively, an electric field represented by the arrows in FIG. 2 is established in the crystal which is sandwiched between the drive electrodes and the grounding electrode. Thus, the stresses created in the inner side and the outer side of the tuning fork are contrary. As a result, a symmetrical bending vibration is excited in the tuning fork.

A la fig. 3, le vibreur 4 est soudé sur un plot de fixation métallique 7 au moyen d'un film métallique qui est déposé sur la surface arrière de ce vibreur. En conséquence, l'electrode de mise à la masse placée sur la face arrière est connectée à la capsule par le bloc support. Un inconvénient d'un vibreur à trois bornes de ce type est que les champs électriques établis dans le cristal présentent une composante X très faible qui représente l'action qui entraîne le vibreur comme le montre la fig. 2. In fig. 3, the vibrator 4 is welded to a metal fixing stud 7 by means of a metal film which is deposited on the rear surface of this vibrator. Consequently, the grounding electrode placed on the rear face is connected to the capsule by the support block. A disadvantage of a vibrator with three terminals of this type is that the electric fields established in the crystal have a very weak component X which represents the action which drives the vibrator as shown in fig. 2.

A la fig. 4, on voit un vibreur de type «à deux bornes». Il n'est pas désavantageux que l'angle de coupe d'un tel vibreur soit similaire à celui du vibreur à trois bornes et par conséquent dans la description qui suit, on supposera que l'angle de coupe est le même. Aux fig. 4, 5 et 6, on voit un vibreur 8, des électrodes 9.10,11 et 12. Les éléments 13 et 14 sont des prolongements conducteurs que présentent les électrodes 11 et 12. Les fils conducteurs 15 et 16 relient les électrodes antérieure et postérieure. Quand ces fils reçoivent des tensions respectivement positive et négative, les champs électriques à l'intérieur du cristal de quartz sont tels que les montrent les flèches de la fig. 6 et une vibration de flexion symétrique est induite dans le diapason du fait des contraintes contraires que subissent les côtés extérieur et intérieur du diapason. Comme on le voit du dessin, ces champs comprennent une composante dans le sens de l'axe X qui est plus grande que précédemment, et qui contribue mieux à l'excitation du diapason que dans le cas de la fig. 1. Le vibreur est donc excité efficacement et l'impédance In fig. 4, we see a “two-terminal” type vibrator. It is not disadvantageous that the cutting angle of such a vibrator is similar to that of the three-terminal vibrator and therefore in the description which follows, it will be assumed that the cutting angle is the same. In fig. 4, 5 and 6, we see a vibrator 8, electrodes 9.10, 11 and 12. The elements 13 and 14 are conductive extensions which have the electrodes 11 and 12. The conductive wires 15 and 16 connect the anterior and posterior electrodes. When these wires receive positive and negative voltages respectively, the electric fields inside the quartz crystal are as shown by the arrows in fig. 6 and a symmetrical bending vibration is induced in the tuning fork due to the opposite stresses that the outer and inner sides of the tuning fork undergo. As seen in the drawing, these fields include a component in the direction of the X axis which is larger than previously, and which contributes better to the excitation of the tuning fork than in the case of FIG. 1. The vibrator is therefore effectively excited and the impedance

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dynamique peut être plus faible qu'avec un vibreur «à trois bornes» conventionnel. dynamic may be lower than with a conventional “three-terminal” vibrator.

Dans ce cas, toutefois, la méthode de montage et la fixation usuelle ne peut pas être appliquée, car les conducteurs d'électrodes ayant deux sortes de polarités, ils dovent être conduits hors de la surface postérieure du vibreur. In this case, however, the usual mounting method and fixation cannot be applied, since the electrode conductors having two kinds of polarities, they must be conducted outside the posterior surface of the vibrator.

Selon l'invention, cette difficulté est surmontée d'une façon très simple. According to the invention, this difficulty is overcome in a very simple manner.

On le voit à la fig. 7. Dans cette figure, on utilise un plot de support 17 ayant la forme d'un pont retourné, fait d'une matière isolante, comme de la céramique. Ce plot est équipé de revêtements conducteurs 18 et 19 qui sont isolés l'un de l'autre. Le vibreur 8 est supporté de telle manière que les portions de fixation 13 et 14 adhèrent et soient fixées aux conducteurs 19 et 18 par une soudure tendre ou un adhésif conducteur. Les fils de liaison 20 et 21 forment les conducteurs d'électrodes. La fixation décrite peut être réalisée par exemple en préparant une plaque céramique mince revêtue d'une pâte d'or, en frittant cette plaque puis en usinant une saignée pour partager le revêtement conducteur. On peut aussi utiliser une plaque de verre mince sur laquelle un film métallique est déposé et que l'on coupe par gravure chimique. Si les conducteurs 18 et 19 peuvent être isolés complètement, le support ne nécessite pas d'échancrure. Il est désirable que le taux de dilatation du matériau de support soit en accord avec celui du cristal de quartz. Cependant, il n'est pas facile de trouver des matériaux appropriés aux cristaux ayant différents angles de coupe. Si on utilise comme support un cristal de quartz ayant le même angle de coupe que le vibreur, il n'y a aucune contrainte entre lé • vibreur et le support, dans une large gamme de températures, de sorte que l'on obtient un vibreur de qualité supérieure ayant des 5 caractéristiques très stables. We see it in fig. 7. In this figure, a support stud 17 is used, in the form of an inverted bridge, made of an insulating material, such as ceramic. This pad is equipped with conductive coatings 18 and 19 which are isolated from each other. The vibrator 8 is supported in such a way that the fixing portions 13 and 14 adhere to and are fixed to the conductors 19 and 18 by a soft solder or a conductive adhesive. The connecting wires 20 and 21 form the electrode conductors. The attachment described can be carried out for example by preparing a thin ceramic plate coated with a gold paste, by sintering this plate then by machining a groove to share the conductive coating. It is also possible to use a thin glass plate on which a metallic film is deposited and which is cut by chemical etching. If the conductors 18 and 19 can be completely isolated, the support does not require a notch. It is desirable that the expansion rate of the support material be in agreement with that of the quartz crystal. However, it is not easy to find materials suitable for crystals with different cutting angles. If a quartz crystal having the same cutting angle as the vibrator is used as support, there is no constraint between the vibrator and the support, in a wide range of temperatures, so that a vibrator is obtained. of superior quality with very stable characteristics.

La fig. 8 montre une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle le support est constitué sous la forme d'une partie de la capsule. Une capsule 22 comprend un pied 23 pour fixer le vibreur 8. Les bornes d'électrodes sont en 24. La fig. 9 111 montre l'assemblage de la capsule. La plaque 25 est une plaque de base et 26 et 27 sont des éléments de cadres dont chacun est fait d'une céramique semi-calcinée. La pâte d'or 24 est étendue au préalable sur les portions masquées du cadre 26. Les trois pièces sont ensuite empliées et calcinées. L'or se fritte au cours ' ^ de cette opération et devient dur et les plaques de céramique sont fixées l'une à l'autre. Comme on le voit, cette forme de réalisation présente les avantages de l'invention d'une façon encore plus nette que la première forme de réalisation. La première nécessite quelques manipulations pour la fixation et le 2(1 montage du support dans la capsule. Fig. 8 shows another embodiment of the invention in which the support is constituted in the form of a part of the capsule. A capsule 22 includes a foot 23 for fixing the vibrator 8. The electrode terminals are at 24. FIG. 9 111 shows the assembly of the capsule. The plate 25 is a base plate and 26 and 27 are frame elements, each of which is made of semi-calcined ceramic. The gold paste 24 is extended beforehand over the masked portions of the frame 26. The three pieces are then filled and calcined. The gold sintered during this operation and became hard and the ceramic plates were fixed to each other. As can be seen, this embodiment has the advantages of the invention even more clearly than the first embodiment. The first requires some manipulation for the fixing and the 2 (1 mounting of the support in the capsule.

Cette invention est indispensable pour l'utilisation pratique des nouveaux vibreurs en quartz, qui sont bien plus avantageux que les quartz conventionnels. Ces nouveaux quartz et leur :5 montage selon la présente invention permettent de réaliser des oscillateurs de haute qualité ayant une fréquence très stable et aptes à de nombreux usages non horlogers. This invention is essential for the practical use of the new quartz vibrators, which are much more advantageous than conventional quartz. These new quartz crystals and their assembly according to the present invention make it possible to produce high quality oscillators having a very stable frequency and suitable for numerous non-watchmaking uses.

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3 feuilles dessins 3 sheets of drawings