DE2913798A1

DE2913798A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2913798A1
Application number: DE19792913798
Authority: DE
Inventors: Ryoji Iwakura; Shigeru Morokawa; Tetsuo Sugama
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1979-04-05
Publication date: 1979-10-11
Also published as: JPS54131894A; GB2020898A; GB2020898B

Description

2913738

PAVENTANWALTE A. GRÜNECKER

OlPL-tNG.

H. KINKELDEY

ΠΗ-INQ

W. STOCKMAlR

DR-ING - AeE (CALItCHl

K. SCHUMANN

DRR£Rr<iAT DiPL-PHYS

P. H. JAKOB

DtPL-tNG-

G. BEZOUD

Da HER NAT DIPL-OCM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE *3

P 13 737 P/ha

Piezoelektrischer Schwinger

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger und insbesondere den Aufbau sowie ein Verfahren zum Herstellen und Verwenden von Elektroden, die.an einem Quarzschwinger ausgebildet sind, dessen elektrische Parameter je nach Wunsch vorgegeben werden können.

Bei Quarzschwingern gehen geringfügige Änderungen der Schaltungskonstanten gewöhnlich mit ähnlichen geringen Abweichungen in der Schwingungsfrequenz einher, was durch die Änderung der Schwingungsverhältnisse verursacht wird. Diese Änderungen sind in Abhängigkeit vom Grad der Kopplung zwischen dem Quarzkristall und der Schaltung des Schwingers verschieden. Je kleiner im allgemeinen die elektromechanische Kopplungskonstante k ist, die den Grad der Kopplung zwischen dem Quarzkristall und der Schaltung wiedergibt, umso geringer ist der Einfluß, der der Schaltung zuzuschreiben ist. Umso kleiner ist dementsprechend die Schwankung der Schwingungsfrequenz. Wenn ein Quarzschwinger mit niedriger Leistung

909841/0888 ~⁶"

TELEFON (OSS) 33 98 82 TELEX OB-2Q38O TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER

1913798

— ο —

dazu verwandt wird, ein hochfrequentes Normalzeitsigrial bei einer Vorrichtung, wie beispielsweise einer elektronischen Uhr zu erzeugen, wird eine große Energiemenge verbraucht, wenn die elektrische Impedanz des Schwingers gering ist. Das führt zu einer nicht hinnehmbar großen Entladung der Batterie der Vorrichtung. Dadurch, daß die elektromechani— sehe Kopplungskonstante k so klein wie möglich gehalten wird, wird jedoch die elektrische Impedanz des Schwingers erhöht, so daß der zum Schwingen erforderliche Energieverbrauch herabgesetzt werden kann. Bei einem Quarzschwinger ergeben sich dennoch unerwünschte Effekte, wenn die Kopplungskonstante k so klein wie möglich gehalten wird. Bei einem D-ickenscherungsschwinger führt beispielsweise eine Herabsetzung der Kopplungskonstanten Ic dazu, daß der Flächenbereich der Hauptelektroden so klein wie möglich gehalten werden muß. Das führt zu einem höheren effektiven Serienwiderstand oder CI-Wert des Quarzschwingers, zum Auftreten von Neben- oder Störschwingungen und zu einem Abfall des Gütefaktors oder Q-Wertes, der der Tatsache zuzuschreiben ist, daß der Energie—

einfangbereich schmaler wird. Jeder Versuch, diesen Effekt dadurch auszuschließen, daß der Flächenbereich der Hauptelektroden stark vergrößert wird, löst nicht das Problem der Stör- und Nebenschwingungen.

Durch die Erfindung wird ein piezoelektrischer Schwinger geliefert, der ein piezoelektrisches Element mit einer ersten und einer zweiten planaren Oberfläche, von denen jede einen Hauptschwingbereich und einen Nebenschwingbereich neben dem Hauptschwingbereich hat, eine Hauptelektrode, die am Hauptschwingbereich der ersten und der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebildet ist, und eine Hilfselektrode aufweist, die am Nebenschwingbereich der ersten und der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Elementes ausgebildet ist, wobei das piezoelektrische Element einen Energieeinfangbereich aufweist, der von der Haupt- und der Hilfselektrode auf der ersten und der zweiten Oberfläche des piezoelektrischen Elementes begrenzt wird.

9Q9841/0S88 " ⁷ "

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einem piezoelektrischen Schwinger, der ein piezoelektrisches Element mit einem Hauptschwingbereich und einem Nebenschwingbereich aufweist. Eine Hauptelektrode ist am Hauptschwingbereich des piezoelektrischen Elementes ausgebildet und eine Nebenschwingungen herabsetzende Einrichtung ist am Nebenschwingbereich des piezoelektrischen Elementes vorgesehen. Die Hauptelektrode und die Nebenschwingungen herabsetzende Einrichtung bilden einen vereinigten Energieeinfangbereich im piezoelektrischen Element, um Nebenschwingungen im Nebenschwingungsbereich herabzusetzen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Äusfuhrungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Figur 1A zeigt in einer Draufsicht den Aufbau eines bekannten Quarzschwingers.

Figur 1B zeigt, eine Querschnittsansicht längs der Linie 1B-1B in Figur 1A.

Figur 2A zeigt in einer Draufsicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzschwingers .

Figur 2B zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie 2B-2B in Figur 2A.

Figur 3A,3B,3C und 3D zeigen Draufsichten zur Darstellung

eines Ausführungsbeispiels des Elektrodenaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Ansichten in Figur 3A bis Figur 3D> jeweils einen Aufbau mit immer kleiner werdenden elektromechanischen Kopplungskonstanten zeigen.

Figur 4A zeigt in einer Draufsicht ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

909841/0888 ~ ⁸■ "

-s - 191379»

piezoelektrischen Schwingers, wobei eine Anzahl von Hilfselektroden kurzgeschlossen ist.

Figur 4B zeigt eine Querschnittsansicht längs der

Linie 4B-4B in Figur 4A.

Figur 5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht

ein weiteres Ausführungsbeispiel· der Erfindung, wobei Hilfselektroden an einem Dickenscherungsschwinger ausgebildet sind.

Figur 6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht

ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Hilfselektroden an einem Stiitungabelschwingelement ausgebildet sind.

Figur 7 zeigt in einer Querschnittsansicht ein

abgewandeltes Beispiel des in Figur 2 dargestellten Schwingers, bei dem ein dünner Halbleiterfilm auf einem Quarzelement ausgebildet ist.

Figur 8 zeigt in einer Querschnitts ansicht ein

weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1A zeigt eine Draufsicht auf den herkömmlichen Aufbau eines· AT-Quarzschwingers von der Art eines Dickenscherungsschwingers, während Figur 1B eine Querschnittsansicht des in Figur IA dargestellten Schwingers zeigt. Der Quarzschwinger Io weist ein Quarzelement 12 auf, dessen ümfangsbereich abgeschrägt ist, um Schwingungsenergieverluste an die Umgebung herabzusetzen. Wie es am besten in Figur 1B dargestellt ist, sind Hauptelektroden 14 und 16 an den mittleren Bereichen der oberen und unteren Außenfläche des Schwingelemen-

909841/0888 " ⁹ "*■

1913798

tes 12 jeweils ausgebildet- Diese Elektroden 14 und 16 werden über die Zuleitungen 14a und 16a jeweils mit einem Treiberstrom versorgt, um eine Schwingung mit einer vorbestimmten Frequenz zu bewirken. Die zusätzliche Masse, die die Elektroden 14 und 16 darstellen, führt dazu, daß ein Energieeinfang auftritt, wobei der Energieeinfangbereich durch den schraffierten Bereich 18 in Figur 1B wiedergegeben ist. Wenn bei einem herkömmlichen Quarzschwinger dieser Art der Flächenbereich der Hauptelektroden 14 und 16 stark vermindert wird, um die elektromechanische Kopplungskonstante so klein wie möglich zu halten, ergibt sich ein schmalerer Ener— gieeinfangbereich 18, was zu einem schwächeren Energieeinfanggrad führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Neben- oder Störschwingungen im Nebenschwingungsbereich 11 neben dem Hauptschwingungsbereich auftreten. Die Nebenschwingungen führen zu einer instabilen Schwingungsfrequenz des Quarzschwingers, so daß es schwierig ist, das Schwingungselement in einfacher Weise zu halten, damit dieses genau schwingt. Es wird ein elektrischer Strom erzeugt, wenn Nebenschwingungen an jeder Oberfläche auftreten.

Durch die Erfindung soll ein piezoelektrischer Schwinger geliefert werden, der so ausgebildet ist, daß die Nebenschwingungen des Schwingungselementes so gering wie möglich sind, indem eine Nebenschwingungen herabsetzende Einrichtung am Nebenschwingungsbereich des Schwingungselementes vorgesehen ist.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingers ist in den Figuren 2A und 2B dargestellt, die jeweils eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht des piezoelektrischen Schwingers zeigen. Der piezoelektrische Schwinger 2o weist ein piezoelektrisches Schwingelement, beispielsweise ein Quarzschwingelement 22 mit einer bikonvexen Form auf. Aufgedampfte Metallschichten 24 und 26 sind an den Hauptschwingungsbereichen, d.h. an den mittleren Bereichen der oberen und unteren planaren Aus-

909841/0888

1S137S8

-losenfläche des Schwingungselementes 22 jeweils ausgebildet und dienen als Hauptelektroden zum Betreiben des Schwingungselementes 22. Die Hauptelektrode 24 weist einen sich radial erstreckenden Elektrodenteil 24a auf, der mit einer Anschlußklemme 24b verbunden ist, wahrer"¹, die Hauptelektrode 26 einen radial verlaufenden Elektrodenteil 26a aufweist, der mit einer Anschlußklemme 26b verbunden ist. HiIfselektroden 28 und 28* sind auf der oberen und unteren planaren Außenfläche des Schwingungselementes 22 um die Hauptelektroden 24 und 26 herum jeweils ausgebildet und stellen die Einrichtung zum Vermindern der Neben- oder Störschwingungen dar. Jede Hilfselektrode dient als eine Einrichtung, die einen Kurzschluß des elektrischen Stromes bewirkt, der in jedem Nebenschwingungsbereich des Schwingungselementes 22 erzeugt wird, um dadurch die Nebenschwingungen so klein wie möglich zu halten. Jede Elektrode 28 und 28' ist halbkreisförmig ausgebildet. Die Abstände zwischen der Hilfselektrode 28 und der Hauptelektrode-24 einerseits und der Hilfselektrode 28' und der Hauptelektrode 26 andererseits sind extrem und derart klein, daß die Schwingungsenergie, die sich zwischen den Hauptelektroden entwickelt, auf den Bereich zwischen den Hilfselektroden nahezu ohne Dämpfung übertragen wird. Der Energieexnfangbereich ist daher größer und umfaßt den Bereich 32 zwischen den Hauptelektroden und den Hilfselektroden,. der in der Zeichnung schraffiert dargestellt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Quarzschwinger kann die elektromechanische Kopplungskonstante k frei gewählt werden, ohne daß eine Änderung des Energieeinfangbereichs 32 verursacht wird und ohne daß die mechanischen Eigenschaften des Schwingers geändert werden, wenn das Verhältnis der Flächenbereiche der Hauptelektroden 24, 26 zu den Flächenbereichen der Hilfselektroden 28, 28', die am Quarzelement ausgebildet sind, geändert wird, während die Summe der Elektrodenflächenbereiche und die Lage der Elektroden immer konstant gehalten werden. Darüberhinaus wirken die Hilfselektroden 28, 28' als Kurzschlüsse, wodurch piezoelektrisch induzierte

-11-

909841/0888 .

I9137S8

Spannungen unterdrückt werden, die eine Folge von Nebenoder Störschwingungen, beispielsweise von Biege schwingungen höher Ordnung sind, während die Hauptelektroden 24, 26 zur elektromechanischen umwandlung der Grundschwingung beitragen.

In den Figuren 3Ά bis 3D ist ein Beispiel für eine Anzahl von Elektrodenausbildungen dargestellt, bei dem es möglich ist, die elektromechanische Kopplungskonstante k des Quarzschwingers gemäß der Erfindung einzustellen, wobei gleiche Bauteile wie in den Figuren 2A und 2B mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die in den Figuren 3A, 3B,3C und 3D dargestellten Beispiele zeigen Ausbildungen zur schrittweisen Herabsetzung der Kopplungskonstanten k, obwohl die Energieeinfangbereiche bei allen Beispielen, äquivalent sind. Obwohl jede Hilfselektrode 28,28' in diesem Fall unter Verwendung desselben Verfahrens ausgebildet ist, das dazu benutzt wird, die Hauptelektrode 24 auszubilden, kann die Hauptelektrode 24 zunächst über einen großen. Flächenbereich ausgebildet und anschließend einem Laserstrahl-Fräsen unterworfen werden, um daraus die Hilfselektrode zu. bilden.

In den Figuren 4A und 4B ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingers dargestellt.

Der piezoelektrische Schwinger 29 weist ein Quarzelement 3o mit bikonvexer Form, zwei erste Hauptelektroden 32 und 34, die im mittleren Bereich der oberen Außenfläche des Quarzelementes 3o ausgebildet sind, und zwei zweite Hauptelektroden auf, die im mittleren Bereich der unteren Außenfläche des Quarzelementes 3o ausgebildet sind» Der piezoelektrische Schwinger 29 ist weiterhin mit einer ersten und einer zweiten. Hilfselektrode 4o und 42, die im Nebenschwingungsbereich auf der oberen Außenfläche des Quarzelementes 3o ausgebildet sind, und mit einer dritten und vierten Hilfselektrode versehen, die .im. Nebenschwingungsbereich - der unteren Außenflä-

909841/0888 .

191379a

ehe des Quarzelementes 3o vorgesehen sind. Die erste Hilfselektrode 4o, die auf der oberen Außenfläche ausgebildet ist, kann elektrisch mit der vierten Hilfselektrode 46 an der unteren Außenfläche über einen Leitungsdraht 5o verbunden sein, um einen Kurzschluß des elektrischen Stromes zu bewirken, der im ersten und zweiten Teil der Nebenschwingungsbereiche erzeugt wird. In ähnlicher Weise kann die zwei te Hilfselektrode 42 elektrisch über einen Leitungsdraht mit der dritten Hilfselektrode 44 verbunden sein, um einen Kurzschluß des elektrischen Stromes zu bewirken, der im dritten und vierten Teil der Nebenschwingungsbereiche erzeugt wird. Die Wirkung der Hilfselektroden besteht darin, daß sie den Energieeinfangbereich festlegen, der mit 48 bezeichnet ist. Die Hilfselektroden dienen nicht nur dazu, die Neben- oder Störschwingungen zu unterdrücken, sondern unterdrücken aufgrund ihrer in Figur 4B dargestellten Verbindungen auch Schwingungen anderer Art, insbesondere Biegeschwingungen.

In den Figuren 5 und 6 sind weitere, bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Anwendung bei einem Dickenscher ungs schwinger sowie einem gewöhnlichen Stimmgabelschwinger dargestellt, wie er in elektronischen Uhren verwandt wird. In Figur 5 ist mit 6o ein rechteckiges Quarzelement bezeichnet, ist mit 62 eine Hauptelektrode bezeichnet, die im Hauptschwingungsbereich, d.h. im mittleren Bereich des Elementes 6o ausgebildet ist, und ist mit 64 eine Hilfselektrode bezeichnet, die am. Nebenschwingungsbereich des Elementes 6o vorgesehen ist. Als Folge des dargestellten Aufbaus bildet sich ein Energieeinfangbereich unter den kombinierten Bereichen der Hauptelektrode 62 und der Hilfselektrode 64. In Figur 6 ist mit 7o ein stimmgabelförmiges Quarzelement bezeichnet, bezeichnen 72,74,76 die Hauptelektröden und bezeichnen 78 und 8o Hilfselektroden, die in den Nebenschwingungsbereichen des Elementes 7o ausgebildet sind und über eine Leitung 82 miteinander verbunden sind. Die Schaltung der Hauptelektroden 72,74 über die Hauptelektrode 76 ermög-

S09841/0888

191379a

licht es den Elektroden nicht nur als Treiberelektroden zu dienen, sondern erlaubt es ihnen, elektrische Ladungen zu unterdrücken, die durch Schwingungen höherer Ordnung erzeugt werden. Die Leitung 82, die am Quarzeiement ausgebildet ist, um Schwingungen höherer Ordnung zu unterdrücken, kann das darüberhinaus mit größerer Wirksamkeit erreichen, wenn die Leitung einen hohen spezifischen Widerstand hat.

Bei den in den Figuren 2, 3, 4, 5 und 6 dargestellten Quarzschwingern ist der Energieeinfangbereich des Schwingers durch die Form des Quarzelementes bestimmt, wenn die darauf ausgebildeten Elektroden extrem dünn sind, so daß es nahezu keinen Einfluß gibt, der der zusätzlichen Masse zuzuschreiben wäre. Der Energieeinfangeffekt kann darüberhinaus dadurch verstärkt werden, daß das Quarzelement eine unterschiedliche Stärke hat, wie es bei dem in Figur 7 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Quarzschwinger mit 21o bezeichnet, und mit unterschiedlicher Stärke oder einem abgestuften Teil 211 und mit Hauptelektröden 212 und 213 versehen. Bei einem derartigen Aufbau wird der Teil des Quarzelementes, der durch die Stärke des abgestuften Teils 211 vergrößert ist, gleichfalls zu einem Teil des Energieeinfangbereiches, so daß der gesamte Bereich gleich der schraffierten Fläche 214 ist. Bei dem in Figur 7 dargestellten Schwinger können sich jedoch Schwingungen anderer Art entwickeln. Um einen wirklich ausgezeichnet arbeitenden Schwinger zu erhalten, sollten somit Hilfselektroden 215, 216, 217 und 218 über den gesamten Energieeinfangbereich ausgebildet sein, um dadurch Stör- oder Nebenschwingungen in der oben beschriebenen Weise zu unterdrücken. Wenn somit die zusätzliche Masse vernachlässigt werden kann, hat die erfindungsgemäße Ausbildung einen geringen Einfluß auf den Energieeinfangbereich der Hilfselektroden, während sie gleichzeitig die Unterdrückung der Neben- und StOrschwingungen stark erhöht. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Hilfselektroden sind daher extrem wirksam, wenn sie bei. einem. Quarzschwinger angewandt werden.

- 14 -

909841/0888

- Ί4 -

1913798

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung können die folgenden Halbleiterherstellungsverfahren angewandt werden. Herkömmliche Elektroden werden in gewöhnlicher Weise dadurch ausgebildet, daß Verfahren wie das Vakuumniederschlagen, Aufdampfen oder lonenimplantieren, verwandt werden, tun Metalle wie Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Chrom usw. niederzuschlagen. Eine zu große zusätzliche Masse kann jedoch zu Schwingungen höherer Ordnung führen, so daß dann, wenn ein Schwinger die erfindungsgemäß vorgesehenen Hilfselektroden aufweist, die Schwingungsenergie nicht mit ausreichender Genauigkeit in den Zwischenräumen eingefangen werden kann, die die Hauptelektroden von den Hilf selektroden trennen. Es können daher Fälle auftreten, in denen der Effekt der Kombination dieser Elektroden beeinträchtigt ist.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden wird erfindungsgemäß ein Verfahren verwandt, das die Wirkung der Hilfselektroden verstärkt. Bei diesem Verfahren ergibt sich kein. Unterschied in der Höhe der Elektroden auf der Oberfläche des Quarzelementes an den Stellen der Oberfläche innerhalb des Energieeinfangbereiches. Im folgenden wird ein derartiges Verfahren im einzelnen beschrieben, das auf einem Halbleiterherstellungsverfahren basiert.

Eine dünne einkristalline oder polykristalline Schicht aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium Si, Germanium Ge, Galliumarsenid GaAs, Cadmiumoxid CdS, Zinnoxid Sn₃O₃ oder Indiumoxid In-O₃ wird auf der Oberfläche eines Quarzschwingelementes ausgebildet. Anschließend werden die Bereiche, die zu Elektroden ausgebildet werden sollen, mit einem Stör stoff dotiert. Die Leitfähigkeit der- Bereiche der Halbleiter schicht, die den Energieexnfangbereich bestimmen sollen, wird insbesondere als Funktion der Position auf der Oberfläche des Schwingers erhöht. Diese Bereiche mit erhöhter Leitfähigkeit dienen als Ersatz für herkömmliche aufgedampfte Metallelektroden. Es können auch. Verfahren, bei denen der Stör stoff über eine Ionenimplantation diffundiert

- 15 -

909841/0888

- η 13798

wird, Fotoäztverfahren oder Fotowiderstandsverfahren verwandt werden. Der abschließende Verfahrensschritt besteht in der Ausbildung eines Schutzüberzugs auf der Oberfläche des Halbleitermaterials. Das endgültige Produkt bildet einen Schwinger, dessen Oberfläche mit Elektroden nahezu gleichförmiger Masse und Stärke versehen ist. Darüberhinaus ist der Unterschied zwischen den Haupt- und den Hilfselektroden theoretisch insoweit beseitigt, als es die Schwingung anbetrifft, so daß der einzige Energieeinfangbereich optimal ausgenutzt werden kann, der durch den breiten Flächenbereich begrenzt wird, der sowohl die Haupt- als aucn die Hilfselektroden einschließt. Wenn der Quarzschwinger mit der Halbleiterschicht anschließend abgeschrägt wird oder wenn seiner Oberfläche eine unterschiedliche Höhe gegeben wird, ergibt sich ein Quarz schwinger, bei dem der Energieeinfangbereich unabhängig von dem Verfahren festliegt, mit dem die elektromechanische Kopplungskonstante k gewählt wird. Der Schwinger ist in keiner Weise den herkömmlichen Schwingern bezüglich der Neben- oder Störschwingungen unterlegen und zeigt einen optimalen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten bei einem geringen Energieverlust.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines derartigen Schwingers ist in Figur 8 dargestellt. Mit 5o1 ist ein Quarzelement bezeichnet, 5o2 und 5o3 bezeichnen die Hauptelektroden, 5o4 bis 5o7 bezeichnen die Hilfselektroden, wobei diese Elektroden 5o2, 5o3 und 5o4 bis 5o7 aus einem Halbleitermaterial bestehen, und mit 5o8 ist ein Isolierschutzüberz-ug bezeichnet, der aus einem dünnen Film aus SiO,, oder einem ähnlichen Material besteht. Die Zwischenräume, die die Hauptelektroden 5o2 und 5o3 von den Hilfselektroden 5o4, 5o5, 5o6 und 5o7 trennen, sind somit mit dem Schutzüberzug und dem Halbleitermaterial gefüllt, so daß sich ein Quarz schwinger ergibt, der einen ausreichenden Energieeinfangbereich zeigt, der durch den schraffierten Bereich 5o9 in Figur 8 wiedergegeben ist.

- 16 -

.'909841/0888

1913798

Dieses Verfahren kann auch bei dem in Figur 2 dargestellten Quarzschwinger angewandt werden. Insbesondere kann die Konzentration der Energie im Energieeinfangbereich 32 dadurch erleichtert werden, daß in die Zwischenräume/ die die Hauptelektroden 24,26 von den Hilfselektrode!! 28,28' trennen, ein Isoliermaterial eingebracht wird oder daß diese Zwischenräume mit einem Isoliermaterial gefüllt werden, das auch die Oberflächen der Elektroden überzieht. Umgekehrt ist es auch möglich, irgendeine andere Schwingung einer speziellen gewünschten Ordnung aus den Schwingungen zweiter oder höherer Ordnung und nicht die Grundschwingungsart auszuwählen und zu erhalten, indem Hilfselektroden verwandt werden, die einen spezifischen Widerstand haben, um Schwingungen außer der gewählten Schwingungsart zu unterdrücken, woraufhin der gesamte Wirkungsgrad des Systems klein ist.

In der Praxis weist ein Dickenscherungsschwingungen ausführender Quarzkristall im X-Schnitt, Z-Schnitt oder AT-Schnitt ausgezeichnete Eigenschaften, insbesondere aufgrund eines kleineren Temperaturkoeffizienten und des Temperaturumkehr— punktes der Schwingungsfrequenz bei der ' Kauratemperatur auf.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Oberfläche eines Quarzele— mentes mit Haupt- und Hilfselektroden versehen wird, die mechanisch vereinigt jedoch nicht miteinander verbunden sind, ergibt sich ein Quarzschwinger, bei dem Neben- und Störschwingungen vermieden werden und die Energieeinfangzone vergrößert ist. Wenn ein Halbleitermaterial für die Elektroden verwandt wird, ergibt sich darüberhinaus eine höhere Wirksamkeit der Hilfselektroden und werden unerwünschte und ungewöhnliche Schwingungs arten ausgeschlossen. Das hat zur Folge, daß ein Quarzoszillator, der von dem erfindungsgemäßen Quarz schwinger Gebrauch macht, einen extrem hohen Nutzungswert, insbesondere dann hat, wenn er in elektronischen Uhren, Hör- und Tonvorrichtungen und Nachrichtenanlagen verwandt wird.

Es ist ersichtlich, daß als Material für den piezoelektri-

- 17 -

909841/0888

IS 1-3-79 $

sehen Schwinger gemäß der Erfindung ein einkristallines oder ein polykristallines Material verwandt werden kann, das piezoelektrische Eigenschaften zeigt, wie beispielsweise Lithiumtantalat oder Bariumtantalat oder ein ähnliches Material.

909841/0888

Claims

A. GRÜNECKER

H. KINKELOEY 5 Q I O 7 Q Q

_w STOCKMAIR

DR-ING--Α*ε CCAUECH)

K. SCHUMANN

OR REa NAT -EXPL-RHYS

P. H. JAKOB

DfPU-ING.

β. BEZOLD

OR. PER NAT. · OPL-CHBW

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSrRASSE

P 13 737

5. April 1979

Citizen Watch Company, Limited

No. 1-1, 2-chome, Kishishinguku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Piezoelektrischer Schwinger

PATENTANSPRÜCHE

y Piezoelektrischer Schwinger gekennzeich- net durch ein piezoelektrisches Element (22,30,60,70,21ο, 5o1) mit einer ersten und einer zweiten planaren Außenfläche, von denen jede einen Hauptschwingungsbereldti und einen Nebenschwingungsbereich neben dem Hauptschwingungsbereich hat, durch eine Hauptelektrode (24,26,32,34,62,72,74,76,212,213, 5o2,5o3) , die im Hauptschwingungsbereich der ersten und der zweiten Außenfläche des piezoelektrischen Elementes (22,3o, 6o,7o,21o,5o1) ausgebildet ist_/und durch eine Hilfselektrode (28,28·,40,42,64,78,80,215-218,504-507), die im Nebenschwingungsbereich der ersten und der zweiten Außenfläche des piezoelektrischen Elementes (22,3o,6o,7o,21o,5ol) ausgebildet ist, wobei das piezoelektrische Element (22,3o,6o, 7o,21o,5o1) einen Energieeinfangbereich (32,48,214_f5o9) aufweist, der von der Haupt- und der Hilfselektrode (24,26,28, 28¹,40,42,32,34,62,64,74,76,78,80,212,213,2*5-218,504-507)

909841/0888

TEL6FON (oss) aaaaea telex os-seaeo teleqramme monapat tclekopierer

ί. ■ —

begrenzt wird/ die an der ersten und der zweiten Außenfläche des piezoelektrischen Elementes (22,30,60/70,210,501) ausgebildet sind.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (22,3o,6o,7o,21o,5o1) ein Dickenscherungsschwingungen ausführendes Quarzelement ist.

3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (24,26,32,34,62,72) aus einer aufgedampften Metallschicht besteht, die im Hauptschwingungsbereich jeder Außenfläche des piezoelektrischen Elementes (22,3o,6o,7o) ausgebildet ist.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (32,34) aus einer ersten und einer zweiten aufgedampften Metallschicht besteht, die im Hauptschwingungsbereich jeder planaren Außenfläche des piezoelektrischen Elementes (3o) ausgebildet sind.

5. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode {4o,42, 46) aus einer ersten und einer zweiten aufgedampften Metallschicht besteht, die elektrisch gegeneinander isoliert sind.

6. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hilfselektrode (4o) an der ersten planaren Außenfläche elektrisch mit der zweiten Hilfselektrode (46) an der zweiten planaren Außenfläche verbunden ist und daß die zweite Hilfselektrode (42) an der ersten planaren Außenfläche elektrisch mit der ersten Hilfselektrode an der zweiten planaren Außenfläche elektrisch verbunden ist.

909841/0888

IS13798

7. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2 / dadurch gekennze ichnet, daß die Hilfselektrode (28,28',4ο,42,64,78,80,215-218,504-507) elektrisch gegen die Hauptelektrode (24,26,32,34,62,72,74,76,212,213,5o2,5o3) isoliert ist.

8. piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Isolierfilm, der im Zwischenraum zwischen der Hauptelektrode (5o2,5o3) und der Hilfselektrode (5o4-5o7) ausgebildet ist.

9. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm auch über den Außenflächen der Hauptelektrode (5o2,5o3) und der Hilfselektrode (5o4-5o7) ausgebildet ist.

10. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hauptelektrode (212,213,5o2,5o3) und jede Hilfselektrode (215-218,5o4-5o7) aus einer dünnen Halbleiterschicht bestehen.

11. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht ein Halbleiterenergieband aufweist, dessen Verteilung sich in Abhängigkeit von der geometrischen Lage auf den planaren Außenflächen des piezoelektrischen Elementes (21o,5o1) ändert.

12. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Quarze lement (3o) eine bikonvexe Form hat.

13. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzelement (6o) eine rechteckige Form hat.

14. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch

909841/088 8 _ ₄ _

1513798

gekennz eichnet, daß das Quarzelement (7o) die Form einer Stimmgabel hat.

909841/0888