DE2500687B2

DE2500687B2 - Vorrichtung zur stossfesten halterung eines stimmgabelfoermigen piezo-schwingers

Info

Publication number: DE2500687B2
Application number: DE19752500687
Authority: DE
Inventors: Shin; Oguchi Kikuo; Suwa Nagano Shibata (Japan)
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1974-01-09
Filing date: 1975-01-09
Publication date: 1977-12-22
Also published as: DE2500687A1; MY7800432A; CH641633B; GB1465863A; CH645507GA3; HK55078A; CH641633GA3; FR2257153A1; FR2257153B1; DE2500687C3

Description

JO

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der durch die DT-AS 20 46 737 bekanntgewordenen Vorrichtung zur stoßfesten Halterung eines stimmgabelförmigen Piezo-Schwingers in einem Ge- js hause sind zwei gleichzeitig als elektrische Leitungen dienende Metallstifte vorgesehen, an denen der Piezoschwinger mittels Stützfedern befestigt ist. Die Stützfedern sind ein notwendiger Bestandteil der Halterung, weil sonst bei Erschütterungen, denen eine Armbanduhr beim Tragen ausgesetzt ist, der Piezo-Schwinger brechen würde. Die Stützfedern haben somit die Aufgabe, einen auf das Gehäuse des Piezo-Schwingers ausgeübten Stoß weitgehend zu absorbieren.

Durch die DT-AS 19 15 465 ist eine Vorrichtung zur ₄> Halterung eines scheibenförmigen Piezo-Schwingers bekanntgeworden, der zur Stabilisierung von in der Nachrichten-, insbesondere Fernsehtechnik, benötigten Frequenzen dient. Der scheibenförmige Schwinger ist mit annähernd gegenüberliegenden Stellen seines Randes in die durch Schlitzung entstehenden Spalte zweier drahtförmiger Anschlußelemente eingeschoben und dort mit Hilfe eines Leitklebers befestigt. Ein in nachrichtentechnische Geräte eingesetzter Schwinger ist nicht den gleichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt wie ein in eine Armbanduhr eingebauter Schwinger, der während des Tragens der Uhr häufig großen Beschleunigungskräften oder Stoßkräften unterworfen ist. Halterungen für Piezo-Schwinger, die den mechanischen Beanspruchungen in einem nachrichten- _h() technischen Gerät genügen, erfüllen deshalb in der Regel nicht die Anforderungen bei einem Einsatz des Schwingers in Armbanduhren. Für diese hat man bisher Stützfedern zur Absorption von auf das Gehäuse des Piezo-Schwingers ausgeübten Stößen für erforderlich _h-, erachtet.

Die Hauptpatentanmeldung 24 18 277 betrifft stimmgabelförmige Piezo-Schwinger, die durch Drehung einer höchstens 0,3 mm dicken X-Schnittplatte um einen Winkel von 0° bis 10° um die X-Achse und durch eine weitere Drehung um einen Winkel von 70° bis 90° um die V'-Achse erhalten werden. Diese Schwinger weisen sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Elektroden unterschiedlicher Polarität auf, durch die der Schwinger zu der gewünschten Schwingungsform angeregt werden kann. Als Halterung hat man für derartig dünn ausgebildete Piezo-Schwinger das Auflöten des Basisteils auf einen oberflächlich metallisierten Keramikblock für notwendig erachtet.

Es hat sich nun herausgestellt, daß bei derartigen Piezo-Schwingern Schwierigkeiten wegen des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Stützplatte und dem Quarz auftreten Es kommt wegen der unterschiedlichen Ausdehungskoeffizienten im Basisteil des stimmgabelförmigen Piezo-Schwingers beim Abkühlen zu solchen Spannungen, daß ein Bruch auftreten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, für den Piezo-Schwin- ?er nach der Hauptpatentanmeldung eine stoßfeste Vorrichtung zur Halterung anzugeben, bei dem die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten mechanischen Spannungen eliminiert

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Basisteil des Piezo-Schwingers direkt an zwei durch die Gehäusewand hindurchgeführten Metallstiften befestigt ist.

Bei dieser Art der Befestigung werden durch die Nachgiebigkeit der Metallstifte schädliche durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten verursachte Spannungen verhindert. Die Stifte absorbieren gleichzeitig die über das Gehäuse auf den Schwinger ausgeübten Stöße, der im Vergleich zu den bekannten stimmgabelförmigen Quarzkristallschwingern wegen seines besonderen Schnittes und der Art seiner Erregung sehr dünn ausgebildet ist und deshalb eine kleine Masse aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand vor Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Quarzkristallschwingers gemäß dem Hauptpatent,

F i g. 2 dessen Rückansicht,

F i g. 3 die Schnittwinkel dieses Schwingers, F i g. 4 eine Erregungsart dieses Schwingers,

F i g. 5 und 6 eine Schrägansicht bzw. Schnittansichi einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

F i g. 7 und 8 eine Draufsicht bzw. Schnittansicht eine: gegenüber den F i g. 5 und 6 modifizierten Ausführungs form,

Fig. 9 und 10 vergrößerte Ansichten der Ausfüh rungsform gemäß den F i g. 7 und 8,

Fig. 11 bis 16 weitere erfindungsgemäße Ausfüh rungsformen,

Fig. 17 eine Herstellungsmethode für eine de Ausführungsformen gemäß den Fig. 5 bis 10, Fig. 18 eine andere Herstellungsmethode,

Fig. 19 bis 23 weitere erfindungsgemäße Ausfüh rungsformen.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen in einer Schrägansicht cdi« Vorder-bzw. die Rückseite eines Stimmgabel-Quarzkri siaüschwingers 15 gemäß dem Hauptpatem mit wenige als 200 μΐη Dicke. Der Schwinger ist aus eine Quarzkristallplatte, die in Fig. 3 dargestellt ist, mittel einer fotomechanischen Ätzmethode herausgeätz Seine Schnittrichtung wird durch Drehung eine

Cl

X-Schnitt-Platte um einen Winkel λ von 0° bis 10° um die X-Achse und durch eine weitere Drehung um einen Winkel γ von 70° bis 90° in die V-Ac hse Achse erhalten. 16 und 17 in Fig. 1 und 25 ...nd 26 in Fig. 2 sind Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an den Schwinger 15. Ein Teil der rückseitigen Elektroden 25/27 und 26/28 ist auf Meiallschichten ;8 und 19 befestigt, die entsprechend den Elektrodenabschnitten 27 und 28 des Schwingers auf der oberen Fläche einer Halterung 24 aus isolierendem Material mittels Niederschiagens, Sinterns usw. gebildet sind. Die Elektroden 16 und 25 einerseits sowie 17 und 26 andererseits sind mittels Anschlußdrähten 20 und 21 mit Anschlüssen 22 bzw. 23 verbunden.

Fig.4 zeigt eine Schnittansicht des Schwingers, in welcher dessen Elektrodenanordnung sowie das innere elektrische Feld bei dessen Betrieb dargestellt sind. Die an den Schwinger angelegten elektrischen Felder verlaufen parallel zur X-Achse, wie durch Pfeile angedeutet ist. Demgemäß beträgt die dynamische Impedanz dieses Quarzkristallschwingers etwa 50 Kiloohm und iiit damit weit geringer als bei bekannten Schwingern. Die Temperatur, bei welcher der Temperaturkoeffizient 0 ist, kann je nach Größe des Winkels λ zwischen 20"C und 40°C gewählt werden. Somit ¹St dieser Schwinger, der eine hohe Leistungsfähigkeit und recht geringe Abmessungen aufweist, als Quarzkristallschwinger für Armbanduhren ausgezeichne: geeignet. Bei einem derartigen Schwinger ist es erforderlich, Elektroden zweier Polaritäten nicht nur von der Vorderseite, sondern auch von der Rückseite herauszuführen.

Fig. 5 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, Fig. 6 eine Schnittansicht. Zwei Stifte 31 sind durch eine Seitenwand eines Gehäuses 30 geführt. Wenigstens die Endteile dieser Stifte sind in flache Form gebracht. 15 stellt einen Quarzkristallschwinger dar, der mittels Lötmittel od. dgl. an den beiden Stiften befestigt ist. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform in Drauf- bzw. Schnittansicht, bei welcher Lötmittel 3Γ so aufgebracht ist, daß eine leitende Verbindung sowohl zu den oberen wie auch zu den unteren Elektroden hergestellt ist. Die Fig. 8 und 10 zeigen in vergrößerter Darstellung die Halterung des Schwingers, und zwar F i g. 9 den Zustand bei höherer Temperatur als im Fall von F i g. 10. Da der Ausdehnungskoeffizient der die Seitenwand bildenden Keramik (7 · 10-⁶/°C) kleiner ist als derjenige des Quarzkristallschwingers (13 · 10~⁶/°Ο, zieht sich der Schwinger im Fall des Abkühlens der gesamten Anordnung relativ stärker zusammen. Da jedoch, wie in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist, die Stifte gebogen werden, wird eine durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte Spannung ausgeschaltet. Der Schwinger befindet sich in einem weitgehend entspannten Zustand, so daß dessen Brechen verhindert ist.

Bei den bisherigen Ausführungsformen erstrecken sich die Stifte von der Seitenwand nach innen. Jedoch kann ein Stift 32 entsprechend der Schnittansicht nach ~_; Fig. 11 oder ein Stift 33 entsprechend der Schnittansicht nach Fig. 12 meist dieselbe Wirkung hervorbringen, da eine Entlastung der Spannung durch Torsion und Biegung des Stiftes verursacht wird. Gemäß Fig.!! erhebt sich der Stift 32 vom Boden her und ist „-, abgebogen, gemäß F i g. 12 ist der obere Teil des Stiftes 33 in eine ebene Form gebracht. Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform, bei welcher ein abgebogener Stift 32 verwendet ist. Die Fig. 15 und 16 zeigen eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform, bei welcher ein oben abgeflachter Stift 33 verwendet ist. Bei der Ausführung nach den F i g. 13 bis 16 ist die Lötmittelverbindung 32' bzw. 33' derart ausgebildet, daß sie eine leitende Verbindung sowohl zu den oberen als auch den unteren Elektroden des Schwingers herstellt. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 11 bis 16 hat der Stift die Funktion eines Stoßabsorbers, der verhindert, daß ein auf das Gehäuse wirkender Stoß auf den Schwinger übertragen wird. Für den Fall einer praktischen Verwendung dieses Stiftes sind zahlreiche Materialeigenschaften, die Querschnittsform und die Abmessungen zu berücksichtigen.

Als nächstes werden Herstellungsmethoden für die Ausführungsformen gemäß den Fig. 5 bis 10 beschrieben.

Fig. 17 zeigt eine erste Methode. Ein Bodenteil 34 und ein Seitenteil 35 werden getrennt aus keramischem Material hergestellt und bei hoher Temperatur unter Verwendung von Glas zur hermetischen Verbindung verklebt. Gleichzeitig werden durch Einlegen zweier Stifte 36 zwischen die Teile 34 und 35 sämtliche Teile als ein Stück ausgebildet, wobei die Luftdichtigkeät aufrechterhalten wird.

Fig. 18 zeigt eine andere Methode. Zunächst werden Durchbohrungen 38 im Gehäuse 37 vorgesehen, die so groß sind, daß Stifte hindurchpassen. Darauf werden die Stifte in die Durchbohrungen eingesetzt und mit dem Gehäuse dadurch verklebt, daß Glas zur hermetischen Verbindung in einen sehr schmalen Spalt zwischen diesen gegossen wird.

Fig. 18 zeigt eine Schrägansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuten 38', die in Stiften 37' vorgesehen sind, eingesetzt und mittels eines Lötmittels oder eines anderen leitfähigen Materials befestigt. 39' ist ein mit einer hermetischen Dichtung versehener Einsatz. 40 ist eine Kappe, die zusammen mit dem Einsatz ein luftdichtes Gehäuse bildet. Bei dieser Ausführungsform sind die Elektroden der Vorder- und der Rückseiten automatisch leitend verbunden.

Die Fig. 20 und 21 zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuten 42 eingesetzt und befestigt, die an den Seiten von Stiften 41 vorgesehen sind.

Die F i g. 22 und 23 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuter 44 abgebogener Stifte 43 eingesetzt und befestigt.

Be: obigen Ausführungsbeispielen ist als Gehäusema terial Keramik genannt worden. Es kann auch eir Metallgehäuse mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Quarzkristallschwin gers verwendet werden.

Außerdem ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines einstückigen Stiftes beschränkt, sondern es kanr auch ein mehrteiliger Stift, z. B. ein üblicher Stift verwendet werden, auf dem ein anderes, geeigne ausgebildetes Glied befestigt ist.

Ferner kann die Erfindung, wenn sie auch die best! Wirkung bei Anwendung auf den Quarzkristallschwin ger mit dem beschriebenen Elektrodenaufbau ergibt auch auf stimmgabelförmige Quarzkristallschwinger mi anderem Elektrodenaufbau Anwendung finden. It diesem Fall ist es möglich, bei Bedarf drei Stifte zi verwenden. Ferner kann als piezoelektrisches Materia

neben Quarzkristall Lithiumtantalat oder Piezokeramik verwendet werden.

Wie aus obiger Beschreibung zu entnehmen ist, würde selbst dann, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses oder Einsatzes recht unterschiedlich von demjenigen des Schwingers wäre, aufgrund des Verbiegens der Stifte keinesfalls eine große Spannung auf den Schwinger ausgeübt. Das heißt, die durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Schwinger verursachte Spannung kann dadurch absorbiert werden, daß zwei Stifte mit mehr oder weniger Elastizität sich durch das Gehäuse hindurch in dessen Inneres erstrecken, und daß der Quar/kristallschwinger an den Endteilen der Stifte befestigt ist. Da ein auf das Gehäuse ausgeübter StoC nicht direkt auf den Schwinger gelangt, üben die Stifte gleichzeitig die Funktion eines Stoßabsorbers aus. De; weiteren kann bei den Ausführungsbeispielcn gemäC

^r> Fig. 17 bis 21 dadurch, daß der Schwinger in Schlitzt eingesetzt ist und daher von beiden Seiten gehalter wird, eine feste Halterung erreicht werden. Da es nichi erforderlich ist, die Elektroden mittels Anschlußdrähter leitend zu verbinden, kann hinsichtlich Miniaturisierung

ίο des gesamten Gehäuses und hinsichtlich Reduzierung der Kosten ein beträchtlicher Fortschritt erzielt werden Speziell bei Anwendung dieser Erfindung auf Armband uhren erweisen sich die erfindungsgemäßen Vorteile al: maximal.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur stoßfesten Halterung eines stimmgabelförmigen Piezo-Schwingers, der durch Drehung einer höchstens 0,5 mm dicken X-Schnittplatte um einen Winkel (α) von 0° bis 10° um die X-Achse und durch eine weitere Drehung um einen Winkel (γ) von 70° bis 90° um die y'-Achse erhalten wird, in einem Gehäuse, das zwei Elektrodendurchführungen aufweist, nach Patentanmeldung 24 18 277, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil des Piezo-Schwingers (15) direkt an zwei durch die Gehäusewand hindurchgeführten Metalistiften (31,32,33) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (31, 32, 33) gleichzeitig als Elektrodenzuführung dienen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo-Schwinger (15) in Schlitze (38, 42, 44) eingesetzt ist, die an den Stiften (37,41,43) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Quarzkristallplatte Elektroden (16/17 bzw. 25/26) unterschiedlicher Polarität vorgesehen sind.