DE2454321A1

DE2454321A1 - Quarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE2454321A1
Application number: DE19742454321
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Ogata
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1973-11-16
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1975-05-22
Also published as: DE2454321B2; FR2252693B1; GB1448651A; FR2252693A1; MY7800427A; CH607881GA3; DE2454321C3; JPS5081296A; JPS5652490B2; HK53278A; CH607881B

Description

BLUIVIBACH · WESER · BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

.-UmTj P G.flt:>V3ACh DiPL-PHVS. DR. W WESER-DIPL ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

i-^aAOtN . 8 MÜNCHEN 60,FLOSSMANNSTR/\SSE15

TELEFON (089) 883603/883604

74/8732

Kabushiki Eaisha Suva Seikosha Tokyo / Japan

Quarzkristallschwinger

Die Erfindung betrifft einen Quarzkristallschwinger mit einem Befestigungsteil, ,das Teil des Schwingers ist, und insbesondere eine Befestigungsart für einen Stimmgabel-Quarzkristallschwinger.

In den vergangenen Jahren wurde die Entwicklung kleiner Quarzkristallschwinger vorangetrieben und eine große Anzahl von Armbanduhren, die Quarzkristallschwinger als Frequenznormal verwenden, entwickelt. Infolge seiner niedrigen Frequenz und der extrem geringen Abmessungen hat unter diesen Schwingern der Stimmgabel-Quarzkristallschwinger, der mittels einer Photoät^technik hergestellt wird, eine besondere Bedeutung erlangt. Die bekannten

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Stimmgabel-Quarzkirstallschwinger weisen jedoch noch einige Unzulänglichkeiten auf. So werden insbesondere viele Schwinger infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Stimmgabel-Quarzkristallschwinger und einem Halteteil zerstört.

Der Erfindung l^gt die Aufgabe zugrunde, einen kleinen und leistungsfähigen Quarzkristallschwinger für Armbanduhren zu schaffen, bei dem der genannte Nachteil vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch, einen Quarzkristallschwinger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von elf Figuren. Es zeigen:

Fig, I eine perspektivische Ansicht eines bekannten dünnen Stimmgabel«Quarzkristallschwingers,

Fig. 2 eine Rückansicht des Schwingers von Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung der Schnittrichtung des Schwingers,

Fig, H eine Darstellung der Elektrodenanordnung,

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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines dünnen erfindungsgemäßen Stimmgabelschwingers, bei dem die Elektrodenform geändert wurde,

Fig. 6 eine Rückansicht des Schwingers von Fig. 5,

Fig. 7 . eine Darstellung der Schnittrichtung des Schwingers,

Fig. 8 eine Darstellung der Elektrodenanordnung,

Fig. 9 einen Quarzkristallschwinger, der infolge der Verwendung eines Isdiermaterials mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Quarzkristallschwingers als Halteteil gebrochen ist,

Fig. 10 eine Darstellung der Beanspruchungsrichtung, die zum Bruch führt und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des Schwingers mit einem erfindungsgemäßen Halteteil.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Stimmgabel-Quarzkristallschwingers , der unter Verwendung einer Photoätztechnik hergestellt wurde. Mit dieser Technik wird ein Vibrator 1 aus einer NT-Schnitt-Quarzkristallplatte mit einer Dicke von einigen zehn Mikron gezogen. Die Fig. 2 und 3 zeigen Elektroden, mit denen ein elektrisches Feld an den Schwinger gelegt werden kann. Die Elektroden 2 und 3 sind durch angeschlossene Drähte 4 und 5 mit Anschlüssen 6 und 7 verbunden. Fig. 2 zeigt eine Form einer Elektrode 9 auf der Rückseite des Vibrators 1. Der Schwinger 1

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ist mittels eines Teiles seiner Rückelektrode, d. h. dem Teil 10 in Fig. 2, an einem Halteteil 8 befestigt, das gleichzeitig einen Elektrodenanschluß darstellt. Als Bindemittel wird ein Lot oder ein eutektisches Lot aus Gold oder Silber verwendet.

Fig. 3 zeigt die Schnittrichtung des Schwingers 1. CX stellt einen ersten Rotationswinkel und ß einen zweiten Rotationswinkel dar. Die Winkel sind in einem Bereich von 0° bis 10° bzw. 50° bis 70° festgelegt. Wenn entsprechend Fig. 4 über die Elektroden 2, 3 und 9 ein elektrisches Feld angelegt wird, beginnt der Schwinger 1 eine Stimmgabelschwingung auszuführen. In Fig. 4 ist der Winkel o( als 0 dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die oben erwähnten Schwinger können mit extrem geringen Abmessungen leicht in Massenproduktion hergestellt werden. Wie jedoch aus Fig. 4 ersichtlich, tragen nur die in X-Achsenrichtung liegenden Komponenten 13 und 14 der elektrischen Felder 11 und 12 zur Schwingungserzeugung bei. Daher nimmt die dynamische Impedanz mit grös-

ser werdendem Winkel ß umgekehrt proportional cos ß zu. Außerdem wird die Temperatur, bei der der Temperaturkoeffizient , bei dem es sich um eine Frequenz-Temperaturabhängigkeit handelt, Null wird, entsprechend der Größe des Winkels ß groß und wird bei ß=75 20 C; bei einem solchen Winkel beträgt die dynamische Impedanz 1 HiI oder mehr. Um eine Temperatur von etwa 2 5° C zu erhalten, bei der der Temperaturkoeffizient Null ist, was für einen Quarzkristallschwinger für eine Armbanduhr erforderlich ist, muß der Winkel ß 75° oder größer sein, wodurch die dynamische

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Impedanz mehrere M Jl groß wird. Aus diesen Gründen ist es schwierig, den oben beschriebenen Stimmgabel-Quarzkristallschwinger für eine Armbanduhr zu verwenden.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dünnen Stimmgabel-Quarzkristallschwingers, der die oben erwähnten Unzulänglichkeiten dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß eine andere Elektrodenform vorgesehen wird. Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite dieses Schwingers. Der Schwinger 15 ist mittels einer Photoätztechnik aus einer Quarzkristallplatte herausgeschnitten. Der Winkel fliegt im Bereich von 0° bis 10°. Mit 16 und 17 in Fig. 5 bzw. 2 5 und 26 in Fig. 6 sind die Elektroden bezeichnet , mittels derer ein elektrisches Feld an den Schwinger angelegt werden kann. Der Schwinger 15 ist mittels Befestigungsteilen 27 und 28 seiner Rückelektroden 2 5 und 26 an Metallfilmen 18 und 19 befestigt; diese Metallfilme sind auf der Oberfläche eines Halteteiles 24 aus Isoliermaterial mittels Ablagerung, Sinterung etc. angebracht und entsprechen den Halteteilen 27 und 28 der Elektroden. Die Elektroden 16, 17, 25 und 26 sind jeweils durch Drahtverbindungen 20 und 21 mit Elektrodenanschlüssen 22 und 23 verbunden.. In Fig. 8 ist die Anordnung bzw. Verteilung der Elektroden dargestellt. Da ein elektrisches Feldjarallel zur X-Achse (in Fig. 8 durch Pfeile dargestellt) angelegt wird, liegt die dynamische Impedanz eines entsprechend Fig. 5 verbesserten Stimmgabel-Quarzkristallschwingers bei 5Q kJi und ist damit im Vergleich zum Schwinger von Fig. 1 extrem niedrig; die Temperatur_s

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bei der der Temperaturkoeffizient, bei dem es sich um eine Frequanz-Temperaturabhängigkeit handelt, Null ist, kann ohne Änderung der dynamischen Impedanz durch Variation des Winkels t^ im Bereich von 20° C bis ^0° C frei gewählt werden.

Dementsprechend eignet sich der in Fig. 5 dargestellte leistungsfähige und extrem kleine Schwinger gut für die Anwendung bei einer Uhr. In dem Fall jedoch, in dem für das Isoliermaterial 24 in
Fig. 5 Materialien mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, wie Glas, keramisches Material oder ähnliches, verwendet wird, .brechen die meisten Schwinger, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist; in Fig. 9 ist mit 29 die Bruchlinie eines Schwingers angedeutet. Dieser Bruch hat folgende Ursache. Da der Grad der Kontraktion von der Verfestigungstemperatur der Bindemittel bis zur normalen Temperatur beim Quarzkristallschwinger, der
einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit einen hohen Kontraktionsgrad aufweist und beim Halteteil mit einem
niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und damit einem geringen Kontraktionsgrad unterschiedlich ist, wird der Quarzkristallschwinger bei normaler Temperatur einem Zug ausgesetzt. Dies hat eine Zugbelastung im Quarzkristallschwinger zur Folge, wie sie durch den.Pfeil 30 in Fig. 10 gezeigt ist. Daher tritt der Bruch des Schwingers auf. Bei Verwendung eines keramischen Materials mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
7 χ 10 /Grad für das Halteteil und eutektischer Lote aus Au - Sn als Bindemittel ergibt sich beispielsweise eine Zugbelastung von -

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2 5 kg/mm , die über der Bruchgrenzbelastung einer auf mehrere zehn Mikron dicke polierten Quarzkristallplatte liegt. In Fig. 10 sind mit 15 der Quarzkristallschwinger, mit 31 ein Bindemittel und mit 24 ein Halteteil bezeichnet. Beim in Fig. 1 gezeigten Quarzkristallschwinger verwendet man Metalle, wie Nickel, Messing etc. als Halteteil, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten fast gleich oder ein wenig höher als derjenige des Quarzkristalls sind. Auf diese Weise kann der Bruch des Quarzkristallschwingers vermieden werden, da der Quarzkristall eher einer Druckbelastung als einer Zugbelastung ausgesetzt wird. Wenn die Druckbelastung jedoch stark ist, ergibt sich eine schlechte Alterungscharakteristik des Quarzkristallschwingers sowie eine nachteilige Frequenzverschiebung, wenn dieser durch Fallen einen Stoß erhält.

Erfindungsgemäß können die oben beschriebenen Nachteile durch die Schaffung eines kleinen, leistungsfähigen und billigen Quarzkristallschwingers vermieden werden, Fig. 11 zeigt einen solchen erfindungsgemäßen Quarzkristallschwinger, Der Bruch des Schwingers wird dadurch vermieden, daß Isoliermaterialien als Halteteil 31 verwendet werden, deren thermische Ausdehnung.mit der des Schwingers nahezu übereinstimmt. Da der thermische Ausdehnungskoeffizient in Längsrichtung des Schwingers anders als in einer dazu rechtwinkligen Richtung ist, eignet sich ein Quarzkristallstück, das in der gleichen Richtung wie der Schwinger geschnitten ist, .am besten als Halteteil,

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Durch Verwendung eines Quarzkristallstücks gleicher Schnittrichtung als Halteteil für den Schwinger erhält man ein isolierendes Halteteil, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem des Schwingers nahezu übereinstimmt.

Der erfindungsgemäße Stimmgabel-Quarzkristallschwinger ist sehr leistungsfähig und extrem klein und kann außerdem gut und billig in Massenproduktion unter Verwendung des oben beschriebenen Halteteiles mittels einer Photoätztechnik hergestellt werden. Es ist daher zu erwarten, daß der erfindungsgemäße Quarzkristallschwinger für die Verwendung von Quarzarmbanduhren in Zukunft eine große Bedeutung erlangt.

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Claims

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Patentansprüche

\ y. Quarzkristallschwinger mit einem Befestigungsteil, das Teil

des Schwingers ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Befestigungsteil (27, 28) auf einem Halteteil (24, 31) montiert ist, wobei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Befestigungsteiles und des Halteteiles einander angepaßt sind.
2. Quarzkristallschwinger nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Schwinger (15) mittels Elektroden (27, 28) des Befestigungsteiles am Halteteil (24, 31) befestigt ist, wobei das Halteteil aus Isoliermaterial mit einem Metallfilm (18, 19) auf seiner Oberfläche besteht und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem des Schwingers nahezu gleich ist.
3. Quarzkristallschwinger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (15) an einem Halteteil (24, 31) aus Isoliermaterial unter Verwendung geteilter Elektroden (27, 28) des Befestigungsteiles befestigt ist, daß das Isoliermaterial auf- seiner Oberfläche einen der Teilung der Elektroden entsprechend geteilten

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Metallfilm (18, 19) besitzt und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Isoliermaterials dem des Schwingers nahezu gleich ist.

U. Quarzkristallschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Isoliermaterial des Halteteiles (31) ein Quarzkristallstück mit ungefähr der gleichen Schnittrichtung wie die des Schwingers (15) ist.

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