DE2458358A1

DE2458358A1 - Oszillator-anordnung

Info

Publication number: DE2458358A1
Application number: DE19742458358
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hishida; Toshihiko Nakayama; Hisao Wakabayashi
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1971-09-16
Filing date: 1974-12-07
Publication date: 1975-06-12
Also published as: CH599605B5; US3988621A; CH1635074A4; DE2458358C2; GB1452570A

Description

Hamburg, den 6. Dezember 1974 169374 IP 49771

Priorität: 10. Dezember 1973, Dapan, Gbm.-Anm. Nr. 141 162/1973 28. September 1974, Japan, Gbm.-Anm. Nr. 117 501/1974

Anmelder;

Citizen UJatch Company Limited

9-18, 1-chome, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo / 3apan

Oszillator-Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an einem Quarzkristalloszillator vom Dicken-Scherungstyp, der insbesondere für Uhrwerke verwendet uiird.

Eine übliche bekannte Ausführungsform der Halterung für einen Quarzkristalloszillator vom Dicken-Scherungstyp meist, wie noch ausführlich erläutert wird, ein Paar ziemlich langer Drahthalter auf, welche das Quarzkristallelement in Gestalt einer Konvexlinse starr an zwei diametral gegenüberliegenden Umfangspunkten halten. Die Fußenden dar Drahthalter werden

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starr in einer Grundplatte aus Keramik oder dergleichen befestigt, auf die eine gehäuseartige Haube aufgeschoben wird, so daß eine schützende Gehäuseanordnung entsteht, in welcher das Oszillatorelement vom Linsentyp in einer elastischen, aber geschützten Weise gehalten wird.

Diese Art üblicher Quarzkristallhalterungen neigt dazu, unter dem Einfluß äußerer Schwingungen und/oder mechanischer Stöße instabil zu werden; das führt wiederum zu merklichen Änderungen in der Kristall-Impedanz und der Arbeitsfrequenz.

Außerdem wird, wenn derartige bekannte Anordnungen für elektronische Uhren verwendet werden sollen, häufig im Uhrwerk ein verhältnismäßig großer Raum zur Unterbringung dieser Anordnung benötigt.

Die Erfindung bezweckt deshalb, eine Oszillator-Anordnung zu schaffen, in der insbesondere die Halterung des Quarzkristalls äußerst stabil gegenüber äußeren mechanischen Schwingungen und Stoßen ist.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung einer Quarzkristall-Anordnung, deren Halterungsteile so gedrängt ausgeführt sind, daß die gesamte Anordnung unter Beanspruchung von erheblich weniger Raum als in den bisher üblichen Fällen in einer elektronischen Uhr oder dergleichen untergebracht werden kann.

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Eine erfindungsgemäße Quarzkristalloszillator-Anordnung meist einen elastischen Ring auf, der mit einer mehrzahl von ringsum verteilten, radial nach innen vorspringenden und einteilig mit dem Ring ausgebildeten Ansätzen versehen ist, die mit
konzentrischen Ausnehmungen ausgebildet sind, die in Druckberührung mit dem Quarzkristall an entsprechend auseinanderliegenden Umfangsstellen treten.

U/eitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus

den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und

den Zeichnungen, in denen die Erfindung ausführlich erläutert und dargestellt ist. Es zeigen :

Fig. 1 eine auseinander gezogene schaubildliche An

sicht einer Oszillator-Anordnung nach dem
Stand der Technik,

Fig. 2 eine auseinander gezogene schaubildliche An

sicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillator-Anordnung,

Fig. 2a zwei gesonderte Querschnitte durch einen ela?

stischen Trägerring, der Teil der Anordnung nach Fig. 2 ist,

Fig. 3 eine Fig» 2 entsprechende Darstellung einer

zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung eines

dritten Ausführungsbeispieles für die Erfindung.

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Ein Quarzoszillator vom Dicken-Scherungstyp ist in einer bekannten Anordnung, siehe Fig. 1, in Form einer Konvexlinse ausgebildet. Zur Halterung des Oszillatorelementes sind zwei, stützende und leitende Metalldrähte 1, 1' vorgesehen, deren obere Enden 2, 2¹ spulenförmig sind. Jedes Ende meist zuiei oder vier Windungen auf, mit denen diametral gegenüberliegende Punkte, die im Randbereich des Quarzkristallelementes 3 ausgewählt sind, von dessen Ober- und Unterseite her eingespannt werden. Um die Befestigung an dieser Stelle zu sichern, werden die aufgewickelten Enden 2, 2" vorzugsweise mit Klebemittel versehen, wie Epoxy-Harz.

Die Drahtträger 1, 1 ' sind durch ihre Fußenden fest mit den oberen Enden der Anschlußstecker 21, 21· verbunden, z.B. durch Löten, Schweißen oder eine andere bekannte Befestigungsart. Die Anschlüsse 21, 21' sind fest in einer Grundplatte 20 angeordnet, die aus Keramik oder einem ähnlichen, nicht leitenden Material bestehen, und leiten einen Pulsstrom zur pulsierenden Erregung eines Paares piezoelektrischer Elektrodenelemehte, von denen eines bei 22 gezeigt ist und die auf die beiden Flächen des Quarzkristalloszillatorelementes 3 aufgeklebt sind. Ein Metallgehäuse 23, das an seinem nicht gezeigten oberen Ende vorzugsweise abgeschlossen ist, wird mit der Grundplatte 20 zu einer starren Anordnung verbunden, welche die Quarzkristallelektrodeneinheit schützt.

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Eine derartige bekannte Quarzkristallanordnung ist z.B. für die Nachrichtentechnik an sich gut verwendbar. Falls jedoch eine solche Anordnung in entsprechend miniaturisierter Form in Uhren verwendet werden soll, kann der Oszillator in seiner Kristallimpedanz und der Frequenzstabilität abträglich durch äußere Schwingungen, Stöße und ähnliche mechanische und körperliche Wirkungen beeinflußt werden. Außerdem ist bei den üblichen Anordnungen ein übermässiger Leerraum zwischen dem Kristall und dem Schutzgehäuse vorhanden. Dadurch benötigt die Gesamtanordnung verhältnismäßig viel Raum.

Anhand der Fig. 2 wird eine erste Ausführuncjsform der Erfindung beschrieben, die im Hinblick auf die Verwendung in Uhren oder dergleichen beträchtliche Verbesserungen ermöglicht.

In der erfindungsgemäßen Oszillatoranordnung qird ein Quarzkristalloszillatorelement 4 vom Dicken-Scherungstyp und in Linsenform verwendet. Ein Haltering 5 ist aus einem elastischen und isolierenden Material, wie z.B. Hartgummi, halbhartem Kunststoff oder dergleichen geformt oder ausgestanzt, so daß er zum Abstützen des Oszillatorelementes 4 in der nachfolgend beschriebenen Weise geeignet ist.

Vom inneren Umfang des elastischen Ringes 5 gehen mehrere elastische Vorsprünge 5a und 5b aus, die sich radial nach innen erstrecken, siehe Fig. 2a. Diese radialen Vorsprünge 5a und 5b liegen in fegelmäßigen Uiinkelabständen konzentrisch zueinander

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und abwechselnd. Jeder der Vorsprünge 5a ist mit ainer nach unten und radial nach innen sich öffnenden liiinkelrinhe oder Ausnehmung 5a¹ versehen, die in Umfangsrichtung konzentrisch verläuft und einen elastischen Druckkontakt mit der oberen Umfangsflache des Linsenelementes 4 nach geringer elastischer Verformung herstellen kann, siehe in Fig. 2a die vergrößerte Darstellung. In gleicher Weise ist jeder der l/orsprünge 5b mit einer nach oben und radial nach innen sich öffnsnden Uiinkelrinne 5b¹ versehen, die konzentrisch verläuft und einen elastischen Druckkontakt mit der.unteren Umfangsflache des Linsenelementes 4 nach geringfügiger elastischer Verformung herstellt, siehe hierzu den unteren Teil der Fig. 2a. Das Linsenelement 4 wird dadurch fest, jedoch etwas elastisch durch die Vorsprünge 5a und 5b an seiner Ober- und Unterseite abgestützt, so daß dadurch das Element in seine vorgesehene Anordnung gebracht und darin gehalten uiird. Der Stützring 5 kann z.B. aus "Teflon", Polyamid oder einem ähnlichen elastischen Material hergestellt sein. Die abstützenden Vorsprünge 5a und 5b überlappen sich nicht mit ihren Linseneinstellausnehmungen 5a¹ und 5b¹, sondern deren Öffnungsrichtungen sind, in axialer Richtung des Ringes gesehen, einander entgegengesetzt.

Um das linsenförmige Kristallelement 4 mit dem Stützring 5 so zusammenzusetzen, daß das Element 4 richtig und etwas elastisch gehalten wird, werden zunächst die beiden Teils provisorisch in eine konzentrische Lage zueinander.gebracht, in der sie bereits in Berührung miteinander stehen, worauf der Ring durch

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Einwirkung von Hand etuias gebogen und auf die Anordnung insgesamt ein axialer Druck ausgeübt wird. Dadurch uiird der Umfangsbereich des Linsenelementes 4 von den Halterungsvorsprüngen 5a und 5b nacheinander aufgenommen und zwischen den Vorsprüngen gefangen. Durch Lösung der verbiegenden Handkraft tritt der gebogene Ring 5 in seine normale ebene Form zurück und hält dann das Linsenelement 4 in der vorgesehenen Weise elastisch, siehe den Mittelteil der Fig. 2.

Das Linsenelement 4 ist fest und konzentrisch an seinen beiden Flächen mit zwei piezoelektrischen Erregerelektroden 6 verbunden.

Eine luftdichte Deckscheibe 7 ist aus einem harten, nicht leitenden Material, vorzugsweise Keramik, hergestellt und enthält ein Paar fest darin angeordneter leitender Anschlußstifte 7a, die diametral einander gegenüberliegen. Die oberen Kopfabschnitte dieser Stifte gehen luftdicht durch das [material der Deckscheibe 7, und wenn diese mit dem Ring 5 von dessen Bodenseite her zusammengesetzt morden ist, durch entsprechende Aufnahmeöffnungen 5c, die in einem entsprechend liegenden Paar von Uorsprüngen 5a ausgebildet sind.· Die Anschlußköpfe können etuias aus den entsprechenden Aulhahmeöffnungen 5c vorspringen und sind an ihren äußeren Enden fest mit feinen Leitungen 8, verbunden, die zu den einander gegenüberliegenden Teilen der Elektroden 6 gehen. Die Befestigung kann in üblicher jüeise, uiie durch Punktschweißung, Löten, Heißpressen oder dergleichen vorgenommen morden sein.

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Für die Anordnung ist eine Abdeckhaube oder ein Deckel 18 vorgesehen, dessen Oberseite geschlossen und Unterseite offen ist, siehe Fig. 2. Diese Haube 18 kann aus Metall oder einem isolierenden Material, wie Keramik, Kunststoff oder dergleichen, hergestellt sein. .

Die Haube 18 kann mit dem zylindrischen Umfang des Stützringes 5 oder stattdessen mit der Umfangskante der Abdeckscheibe 7 oder mit beiden zusammengesetzt werden, je nach den Durchmesser- und Umfangsgrößen der Haube 18 und der Scheibe 7. Falls der Durchmesser der Scheibe7geringfügig größer als der des Ringes 5 ist, wird die Scheibe fest und· abdichtend an der Bodenfläche des Ringes 5 befestigt, wobei die beiden Teile unter Benutzung won Epoxy-Harz oder einem anderen üblichen Klebemittel aneinander festgeklebt werden. Sodann kann die Haube auf die Scheibe gesetzt und an dieser abdichtend befestigt werden, wobei die Scheibe an ihrer Umfangskante mit Epoxy-Harz oder einem anderen Klebstoff versehen worden ist. Falls der Durchmesser der Scheibe 7 gleich dem des Ringes 5 ist, kann die Haube -18 an den beiden Teilen 5 und 7 gemeinsam befestigt werden· Falls der Durchmesser der Scheibe kleiner als der des Ringes 5 ist, wird die Haube 18 nur an dem Ring 5 befestigt. Auch hierfür können Klebeverfahren, wie oben erwähnt, benutzt werden. Um den mechanischen Oszillator 5, 6 gegen abträgliche Einflüsse der Luftfeuchtigkeit und/oder irgendwelcher Fremdkörper zu schützen, können jedoch auch Teile der Klebearbeiten dadurch überflüssig gemacht werden, indem die Hauptteile der Anordnung 5, 7, 18 besonders maßgenau hergestellt werden.

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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 3 erläutert.

In diesem Fall ist ein. Quarzkristalloszillatorelement 9 vorgesehen, das die Form einer Konvexlinse hat und zum Dicken-Scherungstyp gehört. Das Element 9 ist mit einem Paar entgegengesetzt angeordneter, piezoelektrischer Erregerelektroden wie in dem ersten Beispiel v/ersehen, uiobei auf eine ausführlichere Erläuterung der Einfachheit halber verzichtet wird. Ferner ist ein Stützring 10 vorgesehen, der aus einem isolierenden elastischen Material hergestellt und an seinem inneren Umfang mit einem Paar diametral gegenüberliegenden, nach innen gerichteten Stützvorsprüngen 10a und 10b ausgebildet ist. Jeder dieser Vorsprünge 10a, 10b ist an seinem inneren unteren Kantenabschnitt mit einer konzentrischen, winkligen Ausnehmung 10c versehen, die einen Umfangsabschnitt des Linsenelementes 10 aufnimmt und in seiner Lage hält und ähnlich der Ausnehmung 5a¹ wirkt. Diese Vorsprünge 10a, 10b sind ferner jeweils mit einem Loch 10a¹, 10b¹ ausgebildet, in das eng passend der obere freiliegende Kopf eines Anschlußstiftes 11a eingreift, entsprechend der Anordnung des Stiftendes 7a.

Eine luftdichte Abdeckscheibe 11 entspricht in ihrer Ausbildung und Wirkung der Scheibe 7 des ersten Beispiels; die Abwandlung diesem gegenüber besteht darin, daß eine kreisförmige Hauptscheibe 11b und ein abgestufter konzentrischer Flanschabschnitt 11c zusammen anstelle einer glatten ebenen Scheibe

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\/ariuendat werden. Weiter umfaßt die Anordnung eine Abdeckhaube 16, die einteilig mit einem abgestuften Ringflansch 16a ausgebildet ist. Der Hauptteil 11b der Scheibe 11 dient dazu, das Linsenelement 9 von unten her in die Aufnahmeeinschnitte 10c der Stützvorsprünge 10a und 10b zu drücken. Nach dem Zusammenbau der Scheibe 11 und der Haube 16 umschließen diese die Teile 9, 10, wobei die beiden Flanschen 11a, 16a dicht aufeinander liegen und durch Bolzen, Schrauben, Punktschweißung, Löten oder Kleben an ihren aufeinander passenden Flächen verbunden sind. Am einfachsten werden die Teile dadurch zusammengebaut, daß die drei Hauptbestandteile, siehe Fig. 3, unter Druck zusammengesetzt werden, so daß der Oszillator in einem einwandfrei luftdicht abgeschlossenen Raum eingeschlossen ist.

In der dritten Ausführungsform, siehe Fig. 4, ist der Kristallhaltering in zwei Ringe 12 und 13 aufgeteilt morden. Der erste Ring 12 ist mit einem Paar ebener konzentrischer Vorsprünge 12a, 12b ausgebildet, von denen jeder eine Öffnung 12a¹ bzu/. 12b¹ zur Aufnahme des Kopfes des Anschlußstiftes aufweist. Der zweite Ring 13 ist mit zwei entsprechenden konzentrischen l/orsprüngen 13a und 13b versehen, die konzentrische Ausnehmungen 13c und entsprechende Löcher 13a¹ und 13b¹ zur Aufnahme der Anschlußstifte aufweisen, wobei die Löcher nach dem Zusammenbau in Flucht mit den Öffnungen 12a·, 12b¹ liegen. Jede der Ausnehmungen 13c ist nach oben und innen, wie bei 10c im vorhergehenden Fall geöffnet. Die Ausnehmungen 10c können jedoch auch einen U-förnigen Querschnitt haben.

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Die luftdichte Abschlußscheibe 15 entspricht in ihrer Formund Wirkung der Scheibe 7 in Fig. 2. Durch die Scheibe 15 gehen die Anschlußstifte 15a hindurch.

Ein Quarzkristalloszillatorelement 14 entspricht den Elementen 3, 4 oder 9. Dieses 'Element 14 wird zwischen dem ersten und dem zuzeiten. Haltering 12, 13 eingespannt, so daß es fest, jedoch etwas elastisch in seiner Lage gehalten wird.

Die drei Teile 12, 13 und 14 werden zunächst zusammengesetzt, um eine Bauteilgruppe zu schaffen, an die von unten die Abdeckscheibe 15 fest angesetzt wird, indem die freiliegenden oberen Kopfabschnitte der Anschlußstifte 15a eng passend in die Öffnungen 13a», 12a¹, 13b¹ und 12b¹ eingeführt werden. Die Anschlußleitungen 33, 33' werden mit ihren äußeren Enden an den Köpfen der derart' eingesetzten Anschlußstifte 15a befestigt.

Eine Abdeckhaube 17 ist als eine nach oben geschlossene, nach unten offene Schale ausgeführt und mit einem kleinen, abgestuften konzentrischen Ringflansch 17a versehen. Die Haube ist so ausgebildet, daß sie beim Aufsetzen auf die Abdeckscheibe 15 eng und dicht passend anschließt. Diese durch Aufsetzen zu erreichende eng passende Anordnung kann vorzugsweise auch für die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden.

Besonders empfiehlt es sich, die Haube 17 und/oder die Abschluß· scheibe -15 aus Quarzkristallmaterial herzustellen. In dieser

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Form können auch die entsprechenden Teile der vorhergehenden Beispiele in einer bevorzugten Ausführungsform hergestellt werden.

Durch Anwendung der hier erläuterten erfindungsgemäßen Merkmale wird eine neuartige Quarzkristallhalterung geschaffen, bei welcher die Verbindungsleitungen an den entsprechenden piezoelektrischen Elektroden ohne Verwendung leitenden Klebematerials oder nur mit einer kleinen Menge dieses Materials befestigt werden können, um dadurch die erforderliche Leitungsverbindung mit den Elektroden herzustellen. Die elastische Halterung und Abstützung des Quarzkristalloszillators in der endgültigen Anordnung macht dies möglich, da die Anordnung in einem geringeren Ausmaß als bisher durch äußere mechanische Stöße usw. gefährdet ist. Die Leitungsverbindung kann natürlich durch eine unter Wärmeeinwirkung ausgeführte Bindung, durch Ultraschallschweißung oder durch ähnliche, hochwirksame Befestigungsverfahren hergestellt sein.

Auf diese Weise können die Kristallimpedanz und die Dauerfrequenz besonders bei der Massenherstellung von Uhren äußerst stabil gehalten bzw. reproduziert werden. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß mit erfindungsgemäßen Anordnungen elektronische Digital-Uhren in hohem Maße verbessert werden . können.

So sind z.B. Fallversuche mit einer Fallhöhe von 1 m ausgeführt

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morden. Dabei ergaben sich Schwankungen in der Arbeitsfrequenz uon weniger als 1 ppm. Das ist auf jeden Fall eine bemerkenswerte Verbesserung.

Der Stützring kann aus. Kunststoff oder metallischem Material hergestellt werden. Im ersteren Fall ist eine [Massenproduktion im großen Umfange unter Anwendung won Formgießverfahren möglich. Im zweiten Fall können die Ringe im wesentlichen oder vollständig durch Pressen hergestellt werden. Die Herstellungsleistung wird demnach wesentlich verbessert.

Die Erfindung gestattet außerdem, aufgrund der gedrängten Ausführung der Quarzkristallabstützung und Halterung eine besonders gute und sparsame Raumausnutzung.

- PATENTANSPRÜCHE -

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Claims

P A T E N T A N S P R Ö C H E

Oszillator-Anordnung mit einem linsenförmigen Quarzkristalloszillator vom Dicken-Scherungstyp, der in einem aus Teilen zusammengesetzten Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristall (4; 9; 14) in einem aus , elastischen Material hergestellten Ring (5; 10; 12,13) gehalten ist, der einteilig mit mehreren, umfänglich mit Abstand zueinander liegenden und radial einwärts gerichteten l/orsprüngen (5a, 5b$ 5a,10b; 12a,13ä,12b,13b) ausgebildet ist, die konzentrische Ausnehmungen (5a',5b^f; 10c; 13c) mit abwechselnd entgegengesetzter form zur Herstellung eines Druckkontaktes mit dem Quarzkristall auf dessen beiden Seiten und auseinander liegenden U_mfangsbereichen aufweisen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Haltering (5; 10; 12,13) mit dem darin elastisch abgestützten Quarzkristalloszillator sowie mit einer Abdeckhaube (18; 16; 17) und einer Bodenscheibe (7; 11; 15) zu einer kompakten Oszillator- und Gehäuse-Einheit zusammengesetzt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenscheibe (7; 11; 15) zwei Anschlußstifte befestigt sind, deren in das Gehäuseinnere hineinreichende Endabschnitte (7a; 11a; 15a) in entsprechend ausgebildete Bohrungen (5c; 10a«,10b¹; 13a · ,12a · ,13b · ,12b·) eingreifen.

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4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenscheibe (11; 15), die Abdeckhaube (16; 17) und der Ring (,1Q; , 12,13) mit unmit.telb,a,r eng ,.aneinander-. anschließenden Abschnitten,. (11b,11c,1.6a) ^ausgebildet sind.

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