DE2702106A1

DE2702106A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2702106A1
Application number: DE19772702106
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Kawashima
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1977-01-19
Publication date: 1977-08-04
Also published as: JPS5291677A; GB1544305A; FR2339892A1

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH ο aus« untkrpfaffenhofen 18.1.1977 PATENTANWALT postfacm S/lei

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TELEX: S2I73O

Meine Akte: D-4176

Kabushiki Kaisha Daini Seikosha Tokyo, Japan

Piezoelektrischer Schwinger

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die üblicherweise in Armbanduhren vorgesehenen Quarzkristallschwinger arbeiten nach dem Durchbiegungsprinzip mit 32 768 KHz. Hinsichtlich der Stabilitätscharakteristik ist ein derartiger stimmgabelähnlicher Quarzkristallschwinger ausgezeichnet und er vermag diese Eigenschaft auch dann beizubehalten, wenn er einem Stoß ausgesetzt wird. Da jedoch die Frequenzänderung abhängig von der Temperatur in der Frequenz-Temperatur-Kennlinie relativ groß ist, muß die Frequenz durch eine Oszillatorschaltung kompensiert oder korrigiert werden, wenn ein

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-r-

Quarzkristallschwinger hoher Präzision erwünscht ist. Die Frequenzkompensation ist jedoch äußerst schwierig "bzw. mühselig auszuführen, da die Temperatur bzw. der Temperaturwert des Temperatur-Umkehrpunktes oder -Fluktuationspunktes des Quarzkristallschwingers und derjenige des Kompensationselementes, beispielsweise eines Kondensators, nahezu der gleiche sein sollte. Demzufolge läßt sich mit den bekannten Quarzkristallschwingern keine preislich günstige Uhr mit Quarzkristall herstellen. Bei einem Quarzkristall schwinger in Form eines Stabes mit freien Enden, der leicht herzustellen ist, ist jedoch insbesondere die durch die Beständigkeit gegenüber Stoß bzw. Schlag charakterisierte Eigenschaft geringer und somit ist ein derartiger Schwinger nicht für die Verwendung in einer Armbanduhr geeignet.

Ein mit der Frequenz 32,768 KHz schwingender Quarzkristallschwinger läßt sich durch C-MOS-IC-Technik herstellen, d.h. genauer gesagt läßt sich die benannte Frequenz durch diese Technik, durch die Kapazität der Energiezelie oder dgl. festlegen. Die C-MOS-IC-Technik hat große Fortschritte gemacht, wodurch ein Quarzkristallschwinger mit einigen wenigen MHz als Schwingungsfrequenz herstellbar ist. Ein AT-Quarzkristallschwinger, d.h. ein temperaturabhängiger Kristallschwinger, der ausgezeichnete Frequenz-Temperatur-Charakteristiken aufweist, läßt sich jedoch äußerst schwierig im Bereich der Mikrometerdimension verkleinern. Wenn ein derartiger Schwinger verkleinert werden soll, wird eine Störschwingung erzeugt ; da ein derartiger temperaturabhängiger Quarzkristallschwinger (AT-Schwinger) gehaltert werden bzw. aufliegen sollte, läßt sich die gewünschte Charakteristik nur schwer erreichen. Die Frequenz-Temperatur-Charakteristik ist

aufgrund der Störschwingung nicht zufriedenstellend; da der temperaturabhängige Quarzkristallschwinger aufliegt,

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treten große Energieverluste gegenüber einem konventionellen Quarzschwinger auf und der Qualitätsfaktor Q wird verschlech tert. Trotz der bisher fortschrittlichen Entwicklung der SOS IC-Technik läßt sich ein derartiger Quarzschwinger praktisch nicht in Armbanduhren einsetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Quarzschwinger zu schaffen, bei dem die oben angegebenen Nachteile und Schwierigkeiten beseitigt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft einen Quarzschwinger mit Mikrominiaturisierung, der eine höhere Frequenz als die bisher bekannten, in Armbanduhren verwendbaren Quarzschwinger benutzt und der insbesondere aufgrund der Fortschritte in der C-MOS-IC-Technik herstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Quarzkristallschwinger weist vorteilhafterweise einen Temperaturkoeffizienten O in einem großen Temperaturbereich auf, wodurch eine Uhr mit Quarzkristall hoher Präzision ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für den Quarzkristall ein piezoelektrisches Material verwendet; anstelle des piezoelektrischen Materials können jedoch auch Verbindungen wie LiTaO,, LiNbO, oder dgl. ebensogut angewandt werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Auf- und Seitenansichten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingers,

7 0 U im / U b 5 7

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Schwinger, der an seinem vorderen Ende ein Gewicht zur Frequenzeinjustierung trägt,

Fig. 3» 4- Aufsichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung, und

Fig. 5 ein Diagramm zum Vergleich der Temperaturcharakteristik eines erfindungsgemäßen Schwingers mit der Charakteristik eines bekannten Schwingers.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wobei in Fig. 1A eine Aufsicht und in Fig. 1B eine Seitenansicht dargestellt sind. Mit 1 ist ein stangenförmiger Schwinger bezeichnet, der ein Ende 1a aufweist, welches fest angeordnet wird, während das andere Ende 1b frei schwingen kann. An der oberen und unteren Oberfläche des freien Endes 1b sind Elektroden 2,3 angeordnet, welche eine Längsschwingung hervorrufen. Ein elektromagnetisches Feld wird in Richtung des voll ausgezeichneten Pfeiles bzw. in Richtung des gestrichelten Pfeiles erzeugt, wenn ein positives bzw. negatives elektrisches Feld (Spannung) an die Elektroden 2 und 3 angelegt wird.

Da bei der Erfindung ein Ende des Schwingers befestigt und das andere Ende in Längsrichtung frei zu schwingen vermag, ergibt sich die Frequenz aus folgender Gleichung:

f = nK/2^i

Dabei bedeuten E das Elastizitätsmodul, β die Dichte, I die Länge des stangenförmigen Schwingers und η eine Konstante.

Durch Anwendung der Taylor-Reihen ergibt sich folgende Gleichung:

7 0 9 8 3 1 / Ο ο 5 7

-V-

f(T) = f(25) fi +oC(T-25) +/3(T-25)² + t (T-25)³J et = C3f(T)/9T3/f(25)i /3 = ra²f(T)/3T²J/f(25)/2!

3 f

Wenn das Differential %γ gebildet wird, können (C, A , Jf berechnet werden. Die Temperatureigenschaft ist zufriedenstellend bzw. gut, wennoC= O ist. Somit liefert obige Gleichung eine gute Temperaturcharakteristig bzw. Frequenz-Temperatur-Kennlinie. Die Frequenz kann beliebig aus der für die Frequenz zuständigen Formel ausgewählt werden; die Frequenz wird hoch, wenn die Länge des Schwingers verkürzt wird. Aufgrund der Fortschritte in der C-MOS-IC-Technik ist ein Schwinger mit einer Frequenz von 500 KHz oder dgl. fraglos praktikabel. Wenn der Schwinger für eine dem Allgemeingebrauch zugängliche Uhr benützt wird, wird ein 4-stufiger Frequenzteiler in der Oszillatorschaltung zweckmäßigerweise eingesetzt, um die Frequenzteilung zu bewirken. Aus den dargestellten Ausführungsformen geht hervor, daß der Quarzkristall schwinger an dem festen Abschnitt la gut bzw. sehr fest befestigt ist und somit die Beständigkeit gegenüber Stoßen bzw. Schlägen betreffende Eigenschaft erhöht ist, wenn die Fläche des befestigten Abschnitts 1a größer als die Fläche des schwingenden Abschnitts 1b ist. Der Schwinger wird durch Klebemittel oder ein Lötmittel befestigt.

Fig.2 zeigt die Methode zur Einstellung der Frequenz der Längsschwingung bei der Erfindung. Dabei wird ein Gewicht auf dem freien Ende des schwingenden Abschnitts 1b angeordnet und die Frequenz wird durch Entfernung oder teilweise Entfernung des Gewichtes 5 einjustiert. Ersichtlicherweise kann die Frequenzeinjustierung auch dadurch erfolgen, daß das Gewicht 5 auf das freie Ende des schwingenden Abschnitts 1b aufgebracht wird.

7 0 9 ΗΊ I ''

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher ein Verlust der Schwingungsenergie soweit wie möglich dadurch beseitigt wird, daß eine Nut bzw. Aussparung 4 zwischen dem schwingenden Abschnitt 1b und dem festen Abschnitt 1a vorgesehen wird. Dabei soll die Aufnahmeenergie des Quarzschwingers reduziert werden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Fläche des festen Abschnitts 1a kleiner als die Fläche des schwingenden Abschnitts 1b.

Die Form des befestigten Abschnitts 1a des Vibrators bei den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wird auf beliebige Weise in eine ovale, rechteckige oder andere Form gebracht, wobei eine derartige Formgebung ohnejweiteres durch Ätztechniken erreichbar ist. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der schwingende Abschnitt und der feste Abschnitt in Form eines einzigen Körpers ausgebildet sind.

Die Dicke, die der Körper haben soll, wird durch die Ätzbedingung, die Abdeckung (Resist) oder dgl. bestimmt und die maximale Dicke liegt bei etwa 150 yxm. Wenn der Wert der Dicke größer wird, wird die Verlagerung bzw. Schwingung zu klein, da das elektrische Feld geschwächt wird, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist; demzufolge erhöht sich die Konstante R₀ der Ersatzschaltung des Quarzkristalls oder dgl. Demzufolge kann die Dicke des Schwingers nicht weiter erhöht werden. Je kleiner andererseits der Wert der Dicke wird, um so kleiner wird die Konstante R . Wenn jedoch der Wert der Dicke des Schwingers zu klein ist, besteht die Möglichkeit, daß der Schwinger aufgrund eines Stoßes bricht. Daher sollte die Dicke des Vibrators wenigstens 25yum bei entsprechender Abwägung der Festigkeit des Quarzkristalls betragen.

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Fig. 5 zeigt die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Schwingers nach der Erfindung und eines konventionellen Schwingers in Form einer Stimmgabel, der eine Schwingung in
Form einer Durchbiegung ausführt. Aus der Zeichnung ergibt sich, daß die Temperaturcharakteristik a des erfindungsgemäßen Schwingers im Vergleich zur Temperaturcharakteristik b eines konventionellen Schwingers wesentlich besser ist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Schwinger,

~ dadurch gekennzeichnet, daß er ein stangenförmiges piezoelektrisches Element (1) zur Ausführung einer Längsschwingung aufweist, daß an der oberen und unteren Oberfläche des Elementes Elektroden (2,3) angeordnet sind und daß ein Ende (1a) fest angeordnet und das andere Ende (1b) freischwingend angeordnet ist.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des festen Endes (1a) größer als die Fläche des freischwingenden Endes (1b) ist.

3· Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das freischwingende Ende (1b) und das feste Ende (1a) an einem einzigen Körper festgelegt bzw.

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definiert sind.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Ende (1a) und das freischwingende Ende (1b) an einem einzigen Korper nebeneinanderliegend angeordnet sind.

5· Piezoelektrischer Schwinger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stangenförmige Element (1) durch Ätzung in Form eines einzigen Körpers ausgebildet ist.

6. Piezoelektrischer Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stangenförmige Element (1) eine maximale Dicke von I5O/UH aufweist.

7. Piezoelektrischer Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem freien Ende (1b) ein Gewichtselement (5) zur Frequenzeinstellung angeordnet ist.

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