DE2736406A1

DE2736406A1 - Quarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE2736406A1
Application number: DE19772736406
Authority: DE
Inventors: Kikuo Oguchi; Shin Shibata
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1976-08-18
Filing date: 1977-08-12
Publication date: 1978-02-23
Also published as: JPS5323589A; CH622152GA3; FR2362532B1; US4172908A; FR2362532A1; US4099078A; GB1555171A

Description

BLUMBACH · WESER BERGEN · KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Paientconiult RadedcestraGe 43 8000 München 60 Telefon (089) 887603/883604 Telex OS-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 77/8743

3-4, 3-chome, Ginza, Chuo-ku Tokyo, Japan

Quarzkristallschwinger

Die Erfindung betrifft einen Quarzkristallschwinger gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch Anwendung von fotochemischen Ätzmethoden für die Herstellung von Quarzkristallschwingern konnten ausreichend kleine Abmessungen und geringe Kosten des Schwingers ermöglicht werden. Bezüglich der Eigenschaften ist dieser Schwinger Jedoch etwas schlechter als ein herkömmlicher dicker Schwinger, der durch mechanische Verarbeitung hergestellt worden ist.

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München: «. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phy«. Dr. r«r. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H.P. Brehm Dlpl.-Chem. Dr. Phil. net. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. . P.Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwimer Dipl.-Ing. Olpl.-W.-Ing.

ORIGINAL INo

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem mittels fotochemischen Ätzens hergestellten Schwinger das Leistungsverhalten eines mechanisch hergestellten Schwingers zu erhalten und somit das Herstellungsverfahren für einen Schwinger, der die Eigenschaften eines mechanisch hergestellten Schwingers aufweist, zu vereinfachen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeic hnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von AusfUhrungsformen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Schnittwinkel eines herkömmlichen Schwingers,

Fig. 2 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines herkömmlichen Schwingers,

Fig. 2 eine Rückansicht des in Flg. 2 gezeigten Schwingers,

Fig. 4 eine Schnittansicht, die das innere elektrische Feld des herkömmlichen Schwingers zeigt,

Flg. 5 ein Beispiel einer Oszillatorschaltung mit einem iuarzkristallschwinger,

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ORIGINAL INSPECTED

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Pig. 6 eine Darstellung, welche die Änderung der Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit vom hinzugefügten Kondensator zeigt,

Fig. 7 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingers,

Fig. 8 eine Rückansicht der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 9 eine Schnittansicht der in Fig. J gezeigten Ausführungsform,

Fig. 10 Schnittansichten verschiedener Schwinger, in denen Pfeile die Richtung des elektrischen Feldes angeben, und

Fig. 11 eine Methode zur Herstellung erfindungsgemäöer Schwinger.

Fig. 1 entsprechend ist ein erfindungsgemäßer Stimmgabelschwiiiger 2 aus.einer dünnen Quarzkristallplatte 1 mit einer Dicke von o,2 mm oder weniger mittels fotochemischen Ätzens hergestellt. Die Quarzkristallplatte 1 ist erhalten worden durch Drehen einer zur X-Achse senkrecht stehenden Platte um einen Winkel Ol von 0° bis 10° um die X-Achse und anschließendes Drehen um einen Winkel Avon 70° bis 90° um die Y'-Achse.

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ORIGiNAL INSPBCTED

Zur Vereinfachung der Darstellung wird im folgenden OC als 0° und β als 90° angenommen.

Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine Vorder-, Rück- bzw. Schnittansicht eines herkömmlichen Quarzkristallschwingers. Obere und untere Oberflächen der Stimmgabel sind mit bipolaren Elektroden 3,5 bzw. 4,6 versehen. Auf den einzelnen Gabelzinken sind die Elektroden so angeordnet, daß sie sich umgeben.

Pig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht zur Erläuterung des inneren elektrischen Peldes. Elelctrodenpaare 3*5 und 4,6, die Je auf der unteren bzw. oberen Oberfläche angeordnet sind, weisen je die gleiche Polarität auf. Infolgedessen wird ein parallel zur X-Achse verlaufendes elektrisches Feld, wie es durch Pfeile angedeutet ist, im Inneren der Stimmgabel induziert, so daß diese Stimmgabel Biegeschwingungen ausführt.

Gemäß Fig. 2 ist der Schwinger 2 an Zuleitungsdrähten 11, 12, die auch als Elektrodenzuleitungen dienen, mit Hilfe eines leitenden Materials wie Legierungslot befestigt. In öffnungen 7, 8 sind leitende Materialien 9, 10 eingefüllt, um die Elektroden auf beiden Oberflächen elektrisch zu verbinden.

Bei der vereinfachten Herstellungsmethode werden einige zehn Schwinger durch chargenweise Sammelverarbeitun^ gleichzeitig hergestellt. Diese Methode ermöglicht es, den Herstellungs-

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prozeß effektiv zu vereinfachen und die Kosten zu reduzieren, und zwar im Vergleich mit der mechanischen Methode zur Herstellung eines herkömmlichen dünnen Schwingers. Außerdem kann der beschriebene Schwinger leicht mit einer Länge und Breite von 5 mm oder weniger bzw. 1,5 mm oder weniger hergestellt werden, so daß man einen Schwinger mit extrem kleinen Abmessungen herstellen kann, und zwar in Verbindung mit einer einfachen Halterungsmethode.

Flg. 5 zeigt ein Beispiel einer Oszillatorschaltung mit einem Quarzkristallschwinger 51» einem CMOS-Transistoren aufweisenden Inverter, einem Drain-Kondensator 53 und einem Gate-Kondensator 5^·

Fig. 6 zeigt die Änderung der Schwingungsfrequenz im Fall einer Änderung des Drain-Kondensators oder des Gate-Kondensators.

Kurve 55 gilt für den Fall, daß die äquivalente Serienkapazltät 1 χ 10"¹⁵P beträgt, und Kurve 56 gilt für den Fall, daß die äquivalente Serienkapazität 2 χ 10 ^F 1st. Der veränderliche Frequenzbereich soll groß sein. Bei dem In den Flg. 2 bis 4 gezeigten Schwinger beträgt die äquivalente Serienkapazität etwa 1 χ 10" ^F, und eine weitere Verbesserung ist zu erwarten.

Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen die Vorder-, Rück- bzw. Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Schwingers. Das Wesen der Erfindung kann in einer Kombination einer neuen Elektrodenanordnung

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und einer neuen Befestigungsmethode gesehen werden. Der Schnittwinkel, die Herstellungsmethode und die Form des Schwingers 14 sind im wesentlichen die gleichen wie beim beschriebenen herkömmlichen Schwinger. 15, 15", 16 und 16' sind Elektroden, die auf den Seiten des Schwingers angeordnet sind. Die Elektroden 15 und 15' sind mit Elektroden

17 und 20 und die Elektroden 16 und 16' sind mit Elektroden

18 und 19 verbunden. Wie die Schnittansicht zeigt, ist der Wirkungsgrad höher als der beim Schwinger nach Fig. 3, da die elektrische Feldkomponente in X-Achsenrichtung effizient induziert wird. Im Experiment wurde eine äquivalente Serienkapazität erreicht, die etwa zweimal so groß wie bei der herkömmlichen AusfUhrungsform ist.

Die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Schwingers wird anhand eines Vergleichs mit anderen Schwingern in Verbindung mit Fig. 10 beschrieben. Fig. A .zeigt einen dicken Schwinger, der durch einen herkömmlichen mechanischen Prozeß hergestellt worden 1st. Das elektrische Feld wird zwischen den Elektroden der oberen und unteren Oberflächen des Schwingers und den Elektroden auf den Seiten des Schwingers erzeugt. Das elektrische Verhalten dieses Schwingers ist recht gut, und er wird weitestgehend verwendet. Fig. B zeigt ein Beispiel, bei dem die Elektrodenstruktur dieses Schwingers auf einen dünnen Schwinger angewendet 1st. Da die Fläche der SeJtenelektroden klein ist, ist in diesem Fall der Wirkungsgrad der erzeugten

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ORIGINAL INSPECTED

elektrischen Feldes niedrig, und deshalb ist ein solcher Schwinger für die Praxis schlecht. Der in Pig. C gezeigte Schwinger ist zuvor beschrieben worden und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenelektroden weggelassen und

Elektroden daß anstelle der Seitenelektroden/am Umfang der oberen und der unteren Oberfläche des Schwingers vorgesehen sind. In Fig. E ist die Elektrodenstruktur gemäß Fig. C auf den dicken Schwinger aufgebracht. Der Wirkungsgrad ist schlecht, da das elektrische Feld aufgrund der Dicke des Schwingers dessen Inneres nicht erreichen kann. In Fig. D sind die in den Fig. B und C zu sehenden Vorzüge vereint. Das Innere elektrische Feld wird viel wirksamer angelegt, und zwar durch die Wirkung, die durch die Elektrode am Umfang der oberen und der unteren Oberfläche und durch die Seitenelektroden erzeugt wird. Eine solche Wirkung kann man bei einem dicken »hwinger nicht finden, sondern lediglich bei einem dünnen Schwinger, der mittels einer fotochemfchen Ätzmethode hergestellt worden ist.

Da im erfindungsgemäßen Fall die Elektroden zwischen der oberen und der unteren Oberfläche elektrisch verbunden sind, weist der Schwinger keine öffnung auf, wie man sie beim herkömmlichen Schwinger findet. Demzufolge kann der erfindungsgemäße Schwinger einfach dadurch befestigt werden, daß er auf Zuleitungsdrähte 21 und 22 geklebt wird, die durch ein hermetisch dichtes Endteil 23 geführt sind.

Fig· 11 zeigt ein Beispiel einer Herstellungsmethode für den

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erfindungsgemäßen Schwinger.

In Fig. 11 handelt es sich bei den mit 24 gekennzeichneten Schwingern um zwei von mehreren Schwingern, die aus einer Quarzkristallplatte gebildet sind und deren beide obere und untere Oberflächen mit Elektroden versehen sind. Die Schwinger sind mit einem Rahmen 25 verbunden, damit sie nicht auseinanderfallen. In Wirklichkeit sind einige zehn Schwinger miteinander verbunden. Um Jedoch die Zeichnung zu vereinfachen, ist ein Teil von ihnen in vergrößerter Darstellung herausgegriffen. 26 und 27 sind aus Metall hergestellte Masken, die öffnungen 28, 28' aufweisen. Die öffnung 28' in der Mitte ist etwas weiter und erstreckt sich beidseitig über die Gabelzinken. Die Elektrodenschichten werden auf den Rand- und Seitenteilen des Schwingers erzeugt, indem der Schwinger zwischen die beiden Masken gebracht und eine Metallschicht auf dem Schwinger mittels Vakuumauf dampfung niedergeschlagen wird. Der Schwinger und die Masken sollten gegenüber der Verdampfungsquelle geneigt sein oder umgedreht werden.

Die Seitenelektroden brauchen nicht auf den gesamten Seitenoberflächen der Gabelzinken vorgesehen zu werden. Es reicht vielmehr aus, die Seitenelektroden nur auf dem durch Biegung verformten Teil vorzusehen. Vorzugsweise wird Jede der vier Seiten des Schwingers mit Seitenelektroden versehen. Es können Jedoch einige Elektroden weggelassen werden.

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Obwohl die Elektroden, die herkömmlicherweise nur auf der oberen und der unteren Oberfläche des Schwingers vorgesehen sind, erfindungsgemäß auch auf den Seiten des Schwingers vorhanden sind, ist es nicht erforderlich, einzelne Schwinger getrennt zu bearbeiten, und es können einige zehn Schwinger mit Hilfe des gleichzeitig mit den Schwingern hergestellten Rahmens verbunden gemeinsam behandelt werden. Aufgrund dieses chargenweisen Sammelherstellungsvorgangs ist die Kostenerhöhung für die Erzeugung der Seitenelektroden pro Schwinger sehr gering.

Da die äquivalente Serienkapazität beim erfindungsgemäßen Schwinger etwa 2 χ 10" -h? ist, kann man die in Fig. 6 gezeigte Kurve 56 erhalten sowie einen Frequenzänderungsbereich, der nahezu zweimal so groß wie derjenige des herkömmlichen dünnen Schwingers ist. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schwingers kann deshalb der Bereich, in dem die Resonanzfrequenz beim Herstellungsvorgang der Schwinger eingestellt werden kann, nahezu zweimal so groß sein, wie beim herkömmlichen Herstellungsvorgang, und somit kann die Ausbeute stark erhöht werden.

Selbst wenn man den erhöhten Herstellungsaufwand in Betracht zieht, ist der Vorteil, der sich aus den genannten Merkmalen ergibt, sehr groß. Die Erfindung bringt in starkem Maße eine Miniaturisierung, eine hohe Leistungsfähigkeit und niedrige Kosten für die Schwinger, die sich sehr gut fUr Armbanduhren eignen. 809808/0787

Claims

BLUMBACH · WESER BERGEN · KRAMER ZWIRNER. HIRSCH · BREHM 2 7 36 A ÜB PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 77/8743 3-4, 4-chome, Ginza, Chuo-ku, Tokyo, Japan Patentansprüche

1. Stimmgabelförmiger Quarzkristallschwinger mit einer Dicke von o,2 mm oder weniger, hergestellt mittels fotochemischen Ätzens, dadurch gekennzeichnet, daß an Gabelzinken Elektrodenschichten (15, 15'* 16, 16') vorgesehen sind.

2. Quarzkristallschwinger nach Anspruch 1, mit einer Haltevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kristallplatte des Schwingers um eine solche handelt, die durch Drehen einer Platte mit X-Schnitt um einen Winkel von 0° bis 10° um die X-Achse und anschließendes Drehen um 70° bis 90° um die Y-Achse hervorgegangen ist, und daß neben Seiten des Schwingers sowohl die obere als auch die untere Oberfläche mit Elektrodenschichten (17 bis 20) versehen sind derart, daß ein elektrisches Feld parallel zur Schwingungsebene des Schwingers erzeugbar ist.

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. . H. P. Brehm Dipl.-Chern. Dr. phil. rat. Wiesbaden: P.6. Blumbach Dipl.-tng. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

'NSP6CTED

" ² " 2 7 j b U ί 11,

Quarzkristallschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er an zwei als Elektrodenzuleitungen dienenden Metallstiften (21, 22) befestigt ist.

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ORIGtNAl. INSPECTED