DE2947721A1

DE2947721A1 - Stimmgabelschwinger

Info

Publication number: DE2947721A1
Application number: DE19792947721
Authority: DE
Inventors: Minoru Inoue; Shigeru Kogure; Eishi Momosaki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1978-11-27
Filing date: 1979-11-27
Publication date: 1980-06-04

Description

Stimmgabel schwinger
Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Stimmgabelschwinger (im folgenden einfach Schwinger genannt) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen herkasnmlichen Quarzkristallschwinger, wobei die Richtung, in welcher die Stimmgabelarme schwingen, angegeben ist. Die Bezugszahl 1 bezeichnet einen Hauptteil des Schwingers, 2 eine Elektrode, 3 einen Sockel, 4 die Richtung, in die die beiden Stimmgabelarme zu einem bestimmten Zeitpunkt schwingen und 5 die Schwingungsrichtung eine halbe Periode nach diesem Zeitpunkt. Die beiden Stimmgabelarme führen eine Biegeschwingung aus, deren Fixpunkt der Verbindungsteil der Arme oder Zinken ist, wie dies durch die Bezugszahlen 4 und 5 dargestellt ist.
Ein solcher Schwinger wird bei elektronischen Armbanduhren verwendet, da er klein ist und seine Resonanzfrequenz in den leisten Fällen unter 100 kHz liegt, was einen geringen Energieverbrauch zur Folge hat.
Fig. 2 zeigt die Abweichung der Resonanzfrequenz des in Fig. 1 gezeigten Schwingers mit der Temperatur gegenüber der Resonanzfrequenz bei 20 OC und normiert auf die Frequenz bei 20 OC (wenn fT und f20 die Resonanzfrequenz bei einer beliebigen Temperatur in "C bzw. bei 20 °C bezeichnen, dann ist die Abweichung f/f = (fT fg)/fg) Dieser Temperaturgang der Resonanzfrequenz ist eine Kurve zweiten Grades (eine Parabel), deren Scheitelpunkt bei der Raumtemperatur liegt und deren zweiter Temperaturkoeffizient (der später noch erläutert wird) bei ungefähr -35 x 10 9/OCL) liegt.
Wenn dieser Quarzkristallschwinger in einer elektrischen Armbanduhr verwendet wird, gewinnt oder verliert die Uhr, da sich die Resonanz frequenz gemäß Fig. 2 in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, temperaturempfindliche Elemente, etwa in Form eines Kondensators und eines Thermistors, die mit Dielectrica versehen sind, in einen Oszillator einzusetzen, um den erwähnten Temperatur gang der Resonanzfrequenz zu kompensieren. Selbst wenn jedoch solche temperaturempfindlichen Elemente eingesetzt werden, ist es unmöglich, den Temperaturgang der Resonanzfrequenz perfekt zu kompensieren, da das Verhalten solcher temperaturempfindlicher Elemente nicht dem Temperaturgang der Resonanzfrequenz des Quarzkristallschwingers angepaßt ist. Es ergibt sich der Nachteil, daß der Temperaturgang der Oszillatorfrequenz sogar noch schlechter als vor der Kompensation werden kann, und zwar infolge von Schwankungen und fehlender übereinstimmung der Eigenschaften des temperaturempfindlichen Elements und des Quarzkristallschwingers, wie sie sich bei Massenproduktion ergibt.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde daher ein Dickenscherschwinger vorgesehen, bei dem der Resonanzfrequenz-Temperaturgang des Quarzkristallschwingers selbst besser ist. Der Temperaturgang der Resonanzfrequenz dieses Schwingers ist bei Raumtemperatur eine kubische Funktion. Dieser Temperaturgang ist so gut, daß die Abweichung der Resonanz frequenz von OOC bis 40 OC ungefähr 1/10 derjenigen beträgt , die beim Stirnrngabel-Quarzkristallschwinger mit Biegeschwingungen auftritt. Wenn jedoch dieser Dickenscherschwinger in einer elektronischen Armbanduhr verwendet wird, erhält man eine sehr kurze Batterielebensdauer, da die Resonanzfrequenz dieses Schwingers mehrere EMz beträgt und der Oszillatorstrom sowie der Strom für die Frequenzteilung entsprechend hoch sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Quarzkristallschwinger, insbesondere fUr eine elektronische Armbanduhr zu schaffen, der eine niedrige Resonanzfrequenz zur Verringerung des Energieverbrauchs und einen guten Temperaturgang der Resonanzfrequenz zur Erzielung einer hohen Genauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 perspektivisch eine Ausführungsform eines herkömmlichen Quarzkristallschwingers, Fig. - 2 den Temperaturgang der Resonanzfrequenz des Schwingers von Fig. 1, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingers, Fig. 4 den Winkel, mit dem der erfindungsgemäße Schwinger aus dem Quarzkristall geschnitten ist, Fig. 5 einen Querschnitt der Stimmgabelarme und der Elektrodenanordnung des erfindungsgemäßen Schwingers, Fig. 6 den Kopplungszustand und die Schwingungsweisen der Resonanzfrequenzen der Torsionsschwingung und der Biegeschwingung, abhängig von einer Änderung der Dicke des Stimmgabelarmes, Fig. 7 den ersten Temperaturkoeffizienten der Torsionsschwingung und die Differenz der Resonanz frequenz zwischen der Torsionsschwingung und der Biegeschwingung, wenn die Torsionsschwingung mit der Biegeschwingung gekoppelt ist, Fig. 8 die Änderung des zweiten Temperaturkoeffizienten abhängig von einer Änderung des Schnittwinkels, mit dem der Schwinger aus dem Quarzkristall herausgeschnitten ist, unter der Voraussetzung, daß der erste Temperaturkoeffizient der Torsionsschwingung null bleibt, Fig. 9 den Temperaturgang der Resonanz frequenz des erfindungsgemäßen Schwingers und den Temperaturgang der Resonanzfrequenz des herkömmlichen Schwingers, Fig. 10 die Temperaturabhängigkeit des Resonanzwiderstandes der Torsionsschwingung und des Resonanzwiderstandes der Biegeschwingung, Fig. 11 die Schnittwinkel, unter denen ein Schwinger mit gekoppelten oder kombinierten Schwingungsweisen (im folgenden auch als "Kombischwinger" bezeichnet) aus dem Quarzkristall geschnitten wird, Fig. 12 ein Beispiel eines Kombischwingers und dessen Schwingungsweisen, Fig. 13 die Auslenkungen der verschiedenen Schwingungsweisen, Fig. 15 die Kopplung der beiden Schwingungsweisen, Fig. 15 den Temperaturgang der Frequenz eines Kombischwingers, Fig. 16 die Veränderung der Frequenz, wenn ein Metallfilm zur Frequenzeinstellung aufgebracht wird, Fig. 17 eine Draufsicht auf einen Kombischwinger, die dessen Trägerteil zeigt, Fig. 18 Auslenkungen der verschiedenen Schwingungsweisen im Trägerteil, Fig. 19 Draufsichten und Teilansichten von bis 27 erfindungsgemäßen Kombischwingern, Fig. 28 die Frequenzjustierung eines erz in dungsgemäßen Kombischwingers, Fig. 29 die Einstellung des Frequenz-Temperatur-und 30 gangs und das Verfahren der Einstellung, Fig. 31 die Auslenkungen der Schwingungsweisen im Trägerteil eines erfindungsgemäßen Kombischwingers, und Fig, 32 Draufsichten auf andere Kombischwinger und 33 gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Mit 6 ist der Hauptteil eines erfindungsgemäßen Schwingers bezeichnet. 7 ist eine Elektrode.
8 ist ein den Schwinger tragender Sockel.
Fig. 4 zeigt die Art und Weise, in welcher ein solcher Schwinger aus dem Quarzkristall herausgeschnitten wird. Die X-, Y-und Z-Achsen bezeichnen die elektrische Achse, die mechanische Achse bzw. die optische Achse des Kristalls. Eine in der XY-Ebene liegende Quarzkristallplatte wird um den Winkel e um die X-Achse gedreht. Eine Quarzkristallplatte in der XY'-Ebene wird herausgeschnitten. Dann wird der erfindungsgemäße Schwinger in einer solchen Weise herausgeschnitten, daß die Stimmgabelarme mit der X-Achsenrichtung einen Winkel 9 einschließen. Im Rahmen dieser Erfindung ist 5° 4 Oo oder y $ 1800.
Fig. 5 zeigt die Richtung des innerhalb der Stimmgabelarme erzeugten elektrischen Feldes, wenn an die gemäß Fig. 3 angeordneten Elektroden eine elektrische Wechselspannung bzw.
ein Wechselfeld angelegt wird. Die Bezugszahl 9 bezeichnet eine Komponente des elektrischen Feldes in Breitenrichtung des Stimmgabelarmes (nachfolgend als EH bezeichnet). Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Komponente des elektrischen Feldes in Dickenrichtung des Stimmgabelarmes (nachfolgend als EV bezeichnet). In ähnlicher Weise kann das Feld in jedem anderen Teil in die Komponenten der Breitenrichtung und der Dickenrichtung zerlegt werden. Ein Moment, dessen Achse in der Längsmitte des Stimmgabelarmes liegt, wirkt am Querschnitt des Stimmgabelarmes aufgrund der Komponenten des elektrischen Feldes in Breitenrichtung, die an jedem Teil des Querschnitts des Stimmgabelarmes wirksam sind. Die Folge davon ist eine Torsionsschwingung, deren Achse in der Mitte des Stimmgabelarmes liegt. In ähnlicher Weise wird eine Biegeschwingung hervorgerufen, deren Schwingungskomponente in der XY'-Ebene liegt und die auf die Komponenten des elektrischen Feldes in Breitenrichtung zurückzuführen ist, welche an jeder Stelle des Querschnitts des Stimmgabelarmes wirksam sind. Wenn Y= 00, tritt keine Biegeschwingung auf, da die piezoelektrische Konstante für die Biegeschwingung null ist. Wenn / / von 0° ausgehend langsam größer wird, wird die piezoelektrische Konstante groß genug, um die Biegeschwingung anzufachen.
Hinsichtlich dieser Biegeschwingung und der Torsionsschwingung werden sowohl die Grundschwingung als auch die Oberschwingung angefacht. Dies ist auch der Fall, wenn < ersetzt wird durch y - 1800. Dies ist ebenso der Fall, wenn die Elektrode von Fig. 1 verwendet wird.
Wenn die Resonanz frequenz der Biegeschwingung der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung angenähert wird, tritt eine Kopplung der beiden Schwingungsweisen auf. Diese Kopplung wird erfindungsgemäß im Schwinger ausgenutzt, damit sich ein besserer Temperaturgang der Resonanzfrequenz erzielen läßt.
Fig. 6 zeigt die Voraussetzung dieser Kopplung. Auf der Abszisse ist die Dicke des Stimmgabelarmes, auf der Ordinate die Resonanzfrequenz aufgetragen. Die beiden ausgezogenen Linien zeigen die Resonanz frequenz der Biegeschwingung und der Torsionsschwingung abhängig von der Dicke. Die Pfeile zeigen die Schwingungsweise im Querschnitt des Stimmgabelarmes im Fall der Dicken t1, t2, t3, t4 und t5. Bei der Dicke t1 ist die Schwingungsweise bei hoher Frequenz eine Biegeschwingung und bei niedriger Frequenz eine Torsionsschwingung, da zwischen beiden Resonanzfrequenzen eine große Differenz besteht. Bei der Dicke t2 ist der Unterschied zwischen den beiden Resonanzfrequenzen geringer, so daß die Schwingungsweise bei hoher Frequenz eine geringe Torsionsschwingung in der Biegeschwingung enthält. Bei niedriger Frequenz ist in der Torsionsschwingung eine geringe Biegeschwingung enthalten. Bei der Dicke t3 ist die Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen am kleinsten; es ist nun unmöglich zu unterscheiden, welche der beiden Schwingungsweisen die Biegeschwingung und welche die Torsionsschwingung ist. Nimmt die Dicke weiter bis auf t4 zu, dann wird die Kopplung schwächer und schwächer. Bei der Dicke t5 sind die Biegeschwingung und die Torsionsschwingung genau getrennt. Im Bereich der Dicke von t2 bis t4 tritt eine Kopplung zwischen der Biegeschwingung und der Torsionsschwingung auf.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den Temperaturgang der Frequenz der Torsionsschwingung bei Schwingungskopplung. Die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz kann als Funktion f(T) ausgedrückt werden. Die folgende Gleichung ergibt sich aus der Taylor'schen Reihe von f(T) für die Temperatur von 20 OC: f(T)=f(20) + f(20)a(T-20) + f(20)b(T-20) 3 + f(2(T-2O) + a = f'(20)/f(20) b = f''(20)/(2f(20)) c = f"'(20)/(6f(20)), wobei a, b und c der erste Temperaturkoeffizient, der zweite Temperaturkoeffizient bzw. der dritte Temperaturkoeffizient genannt werden.
Fig. 7 zeigt den Verlauf des ersten Temperaturkoeffizienten a der Torsionsschwingung über der Dicke t und die Differenz fT fig ob zwischen der Resonanz frequenz fT der Torsionsschwingung und der Resonanzfrequenz B der Biegeschwingung, wenn Torsionsschwingung und Biegeschwingung unter der Voraussetzung gekoppelt sind, daß Y in Fig. 4 zu einem bestimmten Wert gewählt ist. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, gibt es eine Dicke, bei der der erste Temperaturkoeffizient a null wird.
Fig. 8 zeigt den Verlauf des zweiten Temperaturkoeffizienten b der Torsionsschwingung über dem Schnittwinkel e der Quarzkristallplatte, wenn Torsionsschwingung und Biegeschwingung unter der Voraussetzung gekoppelt sind, daß'f in Fig. 4 den gleichen Wert wie bei Fig. 7 besitzt. Bei jedem Schnittwinkel e ist die Dicke so gewählt, daß a immer null ist. Die Werte des zweiten Temperaturkoeffizienten b in Fig. 8 gelten also für den Fall, daß der erste Temperaturkoeffizient a null ist. Wie aus den Fig. 7 und 8 hervorgeht, gibt es, falls 30einen bestimmten Wert besitzt, eine Dicke und einen Schnittwinkel, für die sowohl a als auch b der Biegeschwingung null werden.
Fig. 9 zeigt den Temperaturgang der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung für den Fall, daß der erste und der zweite Temperaturkoeffizient a und b auf die oben erwähnte Weise extrem klein gemacht wurden. Auf der Abszisse in Fig. 9 ist die Temperatur T, auf der Ordinate die Abweichung ef/f der Resonanzfrequenz dargestellt. Die Bezugszahl 11 bezeichnet den Temperaturgang der Resonanz frequenz des erfindungsgemäßen Schwingers. Wenn der erste und der zweite Temperaturkoeffizient a und b exakt null sind, beschreibt der Temperaturgang der Resonanzfrequenz eine kubische Kurve. Wenn jedoch der zweite Temperaturkoeffizient b infolge von Fertigungsschwankungen einen geringen negativen Wert aufweist, beschreibt der Temperaturgang der Resonanzfrequenz eine Parabel. Die Kuve 11 in Fig. 7 entspricht diesem Fall. Die Bezugszahl 12 in Fig. 7 zeigt den Temperaturgang der Resonanzfrequenz eines herkömmlichen Schwingers mit Biegeschwingung. Die Änderung der Abweichung der Resonanz frequenz des erfindungsgemäßen Schwingers von O OC bis 40 OC beträgt etwa 1/10 der Änderung der Abweichung der Resonanzfrequenz des herkömmlichen Schwingers, so daß sich also durch die Erfindung ein erheblich verbesserter Temperaturgang der Resonanzfrequenz erreichen läßt.
Wird solch ein Quarzkristallschwinger in einer elektronischen Armbanduhr verwendet, dann kann deren Genauigkeit ohne Kompensation des Resonanzfrequenz-Temperaturgangs mit Hilfe eines temperaturempfindlichen Elements verbessert werden.
ber erfindungsgemäße Schwinger besitzt also einen besseren temperaturgang der Resonanzfrequenz und weist eine Kopplung zwischen Torsionsschwingung und Biegeschwingung auf, wobei der erste und der zweite Temperaturkoeffizient a und b der torsionsschwingung zu null gemacht werden können, wenn der Winkel # einen bestimmten geeigneten Wert erhält und die Dicke des Schwingers und der Schnittwinkel 8, mit dem der Schwinger us dem Quarzkristall geschnitten wird, einen speziellen Wert erhalten.
Sm folgenden soll erläutert werden, wie der Winkel Y auszuwählen ist.
Palls der Winkel!P=00 ist, ergeben sich im Schwinger keine Biegeschwingungen, so daß auch keine Kopplung zwischen der torsionsschwingung und der Biegeschwingung auftreten kann.
Daher ist der Winkels beim erfindungsgemäßen Schwinger ungleich null. Ebenso wie die Beschränkung besteht, daß der Wankel /w/ ungleich null sein muß,besteht eine weitere Be-Bchränkung, daß /#/ einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf. Diese Beschränkung rührt daher, daß der Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung und der Biegeschwingung sich mit der Temperatur ändert, wenn die Torsionsschwingung und die Biegeschwingung gekoppelt sind.
Fig. 10 zeigt die Änderung des Resonanzwiderstandes, abhängig von der Temperatur im Fall der Kopplung von Torsionsschwingung und Biegeschwingung. Bei einer Temperatur von etwa 20 OC sind der Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung und der der Biegeschwingung gleich groß oder der Resonanzwiderstand der Biegeschwingung beträgt ein Mehrfaches dessen der Torsionsschwingung. Wie in Verbindung mit Fig. 5 erläutert, werden Biegeschwingungen umso leichter angeregt, je größer /y3/ ist.
Umso größer also der Betrag des Winkel'P ist, umso kleiner wird der Resonanzwiderstand der Biegeschwingung. In Fig. 10 beträgt der Winkel // wenigstens 200. Auf der Abszisse ist die Temperatur, auf der Ordinate der Wert des Resonanzwiderstandes aufgetragen. 13 zeigt den Verlauf des Resonanzwiderstandes der Torsionsschwingung und 14 den der Biegeschwingung.
Die temperaturbedingten Änderungen des Resonanzwiderstandes der Torsionsschwingung und der Biegeschwingung, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind, führen zu folgenden Problemen. Ist die Temperatur niedriger als T0 in Fig. 10, dann ist der Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung kleiner als R,, so daß in diesem Bereich Torsionsschwingungen möglich sind. Steigt die Temperatur jedoch über Tg, dann wird der Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung zu groß, so daß die Torsionsschwingung aufhört. Hier können Biegeschwingungen auftreten, wenn der Schwinger in einem die Erzeugung von Biegeschwingungen ermöglichenden Zustand ist, da der Resonanzwiderstand der Biegeschwingung bei einer Temperatur größer als T0 kleiner als Rg wird. Als Folge davon wird die Schwingungsfrequenz unstetig und springt von der Resonanz frequenz der Torsionsschwingung zur Resonanzfrequenz der Biegeschwingung.
Es ist erforderlich, den Resonanzwiderstand der Biegeschwingung eher größer als den der Torsionsschwingung zu machen, um das erwähnte Stoppen der Torsionsschwingung und das Springen der Schwingungsfrequenz zu vermeiden. Es ist erforderlich, den Resonanzwiderstand der Biegeschwingung wenigstens zehnmal so groß wie den Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung zu machen. Wird der Resonanzwiderstand der Biegeschwingung in diesem Ausmaß größer, dann wird die temperaturbedingte Xnderung des Resonanzwiderstandes der Torsionsschwingung so klein, daß es möglich wird, den Stopp der Schwingung und das Springen der Schwingungsfrequenz, die von der Änderung der Temperatur bewirkt würden, zu vermeiden.
Um einen Resonanzwiderstand der Biegeschwingung zu erhalten, der wenigstens zehnmal so groß wie der Resonanzwiderstand der Torsionsschwingung ist, darf der Winkel nicht zu groß werden, d. h. der Winkel Y muß 200 oder weniger betragen.
Wird der Betrag des Winkels S zu 200 oder weniger gewählt, dann erhält man einen Schwinger, dessen Schwingung nicht stoppt und dessen Schwingungsfrequenz nicht springt.Wenn der Winkel 9 ausgewählt wird, dann kann w durch w - 1800 ersetzt werden; in diesem Fall sollte f zwischen 1600 und 2000 liegen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die oszillierende Schwingungsweise (nachfolgend als Hauptschwingung bezeichnet) die Torsionsschwingung, während die mit ihr zu koppelnde Schwingung (nachfolgend als Zusatzschwingung bezeichnet) die Biegeschwingung ist. Aber auch wenn die Schwingungsweisen von Hauptschwingung und Zusatzschwingung gegenüber jenen in dieser Ausführungsform der Erfindung umgekehrt sind oder sogar die Schwingungsweisen weder die Torsionsschwingung noch die Biegeschwingung sind, ist es möglich, den Schwingungsstopp und das Springen der Schwingungsfrequenz aufgrund der Temperaturänderung dadurch zu vermeiden, daß der Resonanzwiderstand der Zusatzschwingung wenigstens zehnmal so groß wie der Resonanzwiderstand der Hauptschwingung gemacht wird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Frequenz der die Hauptschwingung darstellenden Torsionsschwingung zwischen 50 kHz und 300 kHz. Ein Dickenscherschwinger mit einem guten Temperaturgang der Resonanzfrequenz hat eine Resonanzfrequenz von mehreren MHz. Wenn also ein erfindungsgemäßer Schwinger in einer elektronischen Armbanduhr eingesetzt wird, kann der Energieverbrauch 1/10 desjenigen im Fall des Dickenscherschwingers werden, so daß eine lange Lebensdauer der Batterie erreicht wird.
Selbst wenn die Hauptschwingung nicht die Torsionsschwingung sondern eine andere Schwingungsweise ist, ist es möglich, dadurch eine niedrige Schwingungsfrequenz zu erzielen, daß der Schwinger als Stimmgabelschwinger ausgebildet wird.
Auch in diesem Fall kann bei Einsatz eines solchen Schwingers in einer elektronischen Armbanduhr der Energieverbrauch gesenkt werden.
Wie erläutert, schafft die Erfindung einen Stimmgabelschwinger, dessen Schwingungsfrequenz dadurch niedrig ist, daß es sich um einen Schwinger der Stimmgabelart handelt, und bei dem der Temperaturgang der Schwingungsfrequenz so verbessert ist, daß er nur noch etwa 1/10 desjenigen des herkömmlichen Stimmgabelschwingers beträgt. Letzteres gelingt durch Kopplung der Zusatzschwingung mit der Hauptschwingung. Wenn der Resonanzwiderstand der Zusatzschwingung wenigstens zehnmal so groß wie der der Hauptschwingung gemacht wird, wird ein Schwingungsstopp und ein Springen der Schwingungsfrequenz vermieden.
Wird solch ein Stimmgabelschwinger in einer elektronischen Armbanduhr eingesetzt, dann wird deren Genauigkeit verbessert und der Energieverbrauch auf etwa 1/10 desjenigen bei Einsatz eines Dickenscherschwingers gesenkt.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz eines Quarzkristallschwingers beschränkt, sondern kann auch für Stimmgabelschwinger aus einem anderen piezoelektrischen Material verwendet werden.
Die nachfolgenden Ausführungen befassen sich mit der Form solch eines Kopplungs- oder Kombischwingers der Stimmgabelart, bei dem zwei verschiedene Schwingungsweisen gekoppelt sind. Man erstrebt eine optimale Form eines solchen Kombischwingers, um gleichzeitig folgende Forderungen zu erfüllen: Die Erleichterung der Einstellung sowohl der Frequenz als auch des Frequenz-Temperaturgangs des Schwingers und die Vermeidung des Ubergreifens der Schwingung des Kombischwingers von einem Trägerteil.
Fig. 11 zeigt Schnittrichtungen, in denen der erfindungsgemäBe (StimmGabel-) Quarzkristallschwinger aus einem Quarzkristall herauszuschneiden ist. Die X-, Y- und Z-Achse sind die elektrische Achse, die mechanische Achse bzw. die optische Achse. Der herkömmliche Schwinger ist um die X-Achse gedreht, so daß sich ein Winkel von 2 bis 50 im Gegenuhrzeigersinn mit der Y-Achse ergibt. Der erfindungsgemäße Schwinger ist entgegengesetzt um die X-Achse gedreht, so daß sich ein Winkel von etwa 12,50 im Uhrzeigersinn mit der Y-Achse ergibt ( + = 12,50) Fig. 12 ist ein Beispiel, das die Schwingungsweisen in diesem erfindungsgemäßen Schwinger zeigt. 21 ist die Richtung der Auslenkung einer Biegeschwingung der ersten Oberwelle. 22 ist die Richtung der Aus lenkung der Torsionsschwingung der Grundwelle.
Fig. 13 zeigt die Auslenkungen dieser Oberwelle und Grundwelle längs der Länge der Arme der Stimmgabel. X ist die Auslenkung der ersten Oberwelle der Biegeschwingung, während T die Aus lenkung im Drehwinkel der Grundwelle der Torsionsschwingung ist. A, B und C entsprechen A, B und C des in Fig. 2 gezeigten Schwingers.
Fig. 14 zeigt die Änderungen der Resonanzfrequenz fB der Biegeschwingung (x) und der Resonanz frequenz (fT) der Torsionsschwingung ng) bei sich ändernder Dicke t des Schwingers. Bei der Erfindung wird die Kopplung von fB und fT ausgenutzt.
Wenn t = t1 dann ist die elastische Kopplung von f und fT t1, ist B T maximal. Ist die Dicke des Schwingers etwas geringer als diese der maximalen Kopplung entsprechende Dicke, d. h. t = t0, und die Frequenzdifferenz fB ~ fT = A 2' dann ergibt sich der in Fig. 15 dargestellte Temperaturgang für f B. Aus Berechnungen und Experimenten ergibt sich + zu ungefähr 12,50 und t0 zu 140 bis 160 µm.
Der in Fig.15 dargestellte Temperaturgang von fB ist eine kubische Kurve. Dieser Temperaturgang des erfindungsgemäßen Schwingers ist erheblich besser als der parabelförmige Temperaturgang herkömnlicher Stimmgabelquarzkristallschwinger.
Ein Vergleich des Temperaturgangs des vorliegenden Schwingers mit dem herkömmlichen ergibt bei einer Temperaturänderung von 0 OC bis 40 OC eine Frequenzänderung von 14 PPM*) beim herkömmlichen Schwinger und von 0,2 PPM beim vorliegenden Schwinger.
Der hier als Kombischwinger bezeichnete erfindungsgemäße Stimmgabelschwinger wird mittels eines fotolitographischen Verfahrens hergestellt. Sein Temperaturgang ändert sich mit der Dicke. Die Dickenänderung beruht auf dem Herstellungsverfahren des Schwingers. Solche Dickenänderungen müssen kompensiert werden, d. h. es muß eine Einstellung des Temperaturgangs der Frequenz vorgenommen werden. Möglichkeiten der Kompensation der Dickenänderung und der Einstellung des Frequenz-Temperaturgangs sind kurz gesagt das Aufbringen eines Metallfilms an Schwingungsknotenpunkten E der Schwingungsweise x in Fig. 13 oder Entfernen eines Metallfilms von Knotenpunkten E mit Hilfe eines Lasers o, ä. In Fig. 12 sind die schraffierten Teile E Bereiche, auf die ein Metallfilm aufgebracht wird oder von denen er entfernt wird. Durch diese Möglichkeiten wird hauptsächlich die Frequenz fT der Schwingungsweise r verändert, während nur eine geringe Änderung der Resonanz frequenz fB der Schwingungsweise x auftritt. Dies ist also gleichwirkend mit einer Änderung der Dicke t in Fig. 14. Die schwierige Einstellung des Frequenztemperaturgangs des Kombischwingers kann also auf diese Weise erfolgen. Diese Art der Einstellung wird nachfolgend als "Verfahren P" bezeichnet. Die Wirkung ist aus den Fig. 29 und 30 zu ersehen. Wie aus diesen Figuren erkennbar, wird die Frequenz durch das Verfahren P vom Zustand 1 t) = Teile pro zum Zustand 2 verschoben, damit sich die erwünschte Frequenzdifferenz f2 ergibt (siehe auch Fig. 14). Danach muß fB auf den gewünschten Wert fBO eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein Metallfilm auf die Bereiche EC an den Enden der Stimmgabelarme (die Bereiche zwischen den schraffierten Teilen E und den vorderen Punkten C in Fig. 12) aufgebracht oder mittels eines Lasers von diesen Teilen entfernt. Diese Art der Einstellung wird nachfolgend als "Verfahren Q" bezeichnet. Die Verschiebung der Frequenzen fB und fT durch das Verfahren Q sind in Fig. 16 dargestellt. Wie aus dieser Figur erkennbar, wird, nachdem die Frequenzdifferenz ,af2 zwischen fB und durch das Verfahren P auf einen Optimalwert eingestellt wurde, dieser Optimalwert durch das Verfahren Q auf asz verschoben.
Mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist beabsichtigt, diesen Nachteil auszuschließen, d. h.
eine Form des Stimmgabelschwingers zu schaffen, bei der a f2 durch das Verfahren Q nicht verschoben wird.
Dies gelingt dadurch, daß hauptsächlich die erste Oberwelle der Biegeschwingung (fB) verwendet wird und daß mit ihr die Grundwelle der Torsionsschwingung (fT) gekoppelt ist. Wenn der Kombischwinger die gleiche Form wie ein herkömmlicher Stimmgabelquarzkristallschwinger besitzt, kann Schwingungsenergie'durch das Tragelement im Trägerteil (A in Fig. 12 oder OD in Fig. 17) abfließen. Es geht daher weiter darum, die am besten geeignete Form zu finden, bei der diese Streuung der Schwingung nicht auftritt.
Fig. 19 ist eine Draufsicht auf einen Kombischwinger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Innerhalb des Endteiles V der Stimmgabel ist ein Einschnitt vorgesehen. In dem Fall, bei dem auf den Endbereich EC (Fig. 12) ein Metallfilm aufgebracht wird, werden fig B und fT durch einen Einschnitt optimaler Größe im gleichen Verhältnis verringert. D. h., die Frequenz im Zustand 2 am Ende des Verfahrens P wird zum Zustand 3 verschoben, wobei #f2 konstant bleibt (siehe Fig. 29 und 30).
Im Fall der Fig. 29 wird das Verfahren P durch Aufbringen des Metallfilms, im Fall von Fig. 30 durch Entfernen mittels eines Lasers durchgeführt. fB wird auf diese Weise auf den gewünschten Wert fBO eingestellt, wobei die Frequenzdifferenz 3 f3 mit der Differenz f2 übereinstimmt. Auf diese Weise läßt sich ein Kombischwinger mit einem guten Temperaturgang seiner Frequenz und gewünschter Frequenz B schaffen.
Im folgenden soll erläutert werden, warum B und fT durch den Einschnitt innerhalb des Endes der Stimmgabel im gleichen Verhältnis verringert werden. Wird kein Einschnitt vorgesehen, dann wird fT stärker reduziert als fB, wie aus Fig. 16 ersichtlich. Wird der Einschnitt vorgesehen, dann kann der zur Einstellung aufgebrachte Film im Bereich des Einschnitts nicht anhaften, so daß es kaum möglich ist, daß die Massenerhöhung zum Drehmoment beiträgt. Folglich nimmt die Verringerung von fT infolge des zur Einstellung aufgebrachten Films ab. Da andererseits die Masse des zur Einstellung aufgebrachten Films die erste Oberwelle der Biege schwingung fB ohne Änderung beeinflußt, wird B in nahezu gleichem Verhältnis wie ohne Einschnitt reduziert. Durch geeignete Auswahl der Größe des Einschnitts kann daher dafür gesorgt werden, daß B und in gleichem Verhältnis verringert werden. Die betreffende Größe des Einschnitts liegt beispielsweise bei 0,1 bis 10 % der Gesamtmasse des Kombischwingers.
Die Fig. 20 bis 23 und 25 sind Draufsichten anderer Ausführungsformen der Erfindung. Die Fig. 32 und 33 sind ebenfalls Draufsichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung. Diese Kombischwinger zeigen die oben erläuterte Wirkung infolge von mit V bezeichneten Ein- bzw. Ausschnitten. Die Gründe sind die gleichen wie oben angegeben.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf den zweiten Teil der zu erfüllenden Forderungen, nämlich das Abfließen von Schwingungsenergie.
Wenn der Kombischwinger die gleiche Form wie ein herkömmlicher Stimmgabelquarzkristallschwinger (Fig. 12 und 17) aufweist, dann ist die Auslenkung am getragenen Teil (OD in Fig. 17) gemäß Darstellung in Fig. 18, da f die erste Oberwelle der B Biegeschwingung ist. In Fig. 18 ist auf der horizontalen Achse x die Entfernung vom Ursprungspunkt 0 längs dem getragenen Teil OD aufgetragen. Ux zeigt die Aus lenkung in Richtung der x-Achse, während Uy die Auslenkung in Richtung der y-Achse wiedergibt. Wie aus Fig. 18 ersichtlich, erreicht Ux bei Annäherung an D einen relativ großen Wert, während Uy zwischen ,0 und D einen großen Wert besitzt. Da die Werte von Ux und Uy groß sind, fließt Schwingungsenergie infolge der entsprechenden Auslenkungen durch den getragenen Teil ab, wenn der Teil DOD' in Fig. 17 durch Befestigung getragen wird.
Fig. 19 ist eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung zur Verhinderung des Abfließens von Schwingungsenergie.
Wie schon erwähnt, ist hier der Einschnitt im Teil V vorgesehen. Die Wirkung dieses Einschnitts auf die Auslenkungen im getragenen Teil DOD' in Fig. 17 soll nachfolgend erläutert werden. Das in Fig. 31 gezeigte Ergebnis ist durch geeignete Auswahl der Größe des Einschnitts auf der Grundlage experimenteller Ergebnisse oder der Analyse der Schwingung nach der Methode des endlichen Elements geonnen. Im getragenen Teil OD (OD') ist es möglich, die Aus lenkung Ux in Richtung der x-Achse und die Auslenkung Uy in Richtung der y-Achse dadurch nahezu 0 zu machen, daß der Einschnitt 0,1 bis 10 % der gesamten Masse des Kombischwingers beträgt.
Die Fig. 20 bis 23 und 25 bis 27 sind Draufsichten weiterer Ausführungsformen dieser Erfindung. Die Fig. 32 und 33 sind ebenfalls Draufsichten anderer Ausführungsformen der Erfindung. Die in Fig. 31 dargestellte Wirkung erhält man durch Vorsehen des Einschnitts innerhalb des Endes der Stimmgabel oder durch Vorsehen konvexer Teile außerhalb des Endes der Stimmgabel, die die gleiche Wirkung wie der innerhalb vorgesehene und mit V bezeichnete Einschnitt besitzen.
Die in Fig. 31 gezeigte Wirkung erhält man auch durch Vorsehen konvexer oder konkaver Teile - mit W bezeichnet- am Grundteil des Stimmgabelschwingers, gemäß Darstellung in den Fig. 20, 21 und 24. Der geeignete Betrag von W ist beispielsweise 1 bis 50 % der Breite des Kombischwingers.
Das Vorsehen entweder des Einschnitts V oder des konkaven oder konvexen Teils W erfüllt die erwähnte zweite Forderung.
Beide Forderungen lassen sich durch Vorsehen des Ein schnitts V allein erfüllen. Leichter ist es jedoch, beide Forderungen dadurch zu erfüllen, daß zusätzlich zum Einschnitt V konkave oder konvexe Teile W an der Basis des Schwingers vorgesehen werden. Bisher wurden nur Auslenkungen in Richtung der x-Achse und der y-Achse betrachtet. Zieht man die Auslenkung in Richtung der z-Achse in die Betrachtung ein, dann ist die Kombination des Einschnitts V und der konkaven oder konvexen Teile W wirksamer zur Minimalisierung der Auslenkung in Richtung der z-Achse.
Wie schon einmal erwähnt, beziehen sich die beschriebenen Ausführungsformen auf einen Quarzkristallschwinger, ohne daß jedoch die Erfindung auf eine solche Art Schwinger beschränkt wäre.
Die erste an die zuletzt beschriebenen Ausführungsformen gestellte Forderung der Erleichterung der Einstellungen der Frequenz und des Temperaturgangs der Frequenz und die zweite Forderung der Verhinderung einer Schwingungsübertragung über den getragenen Teil werden dadurch erfüllt, daß ein Einschnitt und/oder konkave oder konvexe Teile am Ende der Stimmgabel und/oder an der Basis des Stimmgabelschwingers vorgesehen werden. Dadurch wird die Herstellung des Kombischwingers erleichtert und seine Massenproduktion praktikabel. Außerdem wird ein Streufluß von Schwingungsenergie verringert und der Q-Wert der Schwingung verbessert. Auf diese Weise weist die Erfindung einen Weg zur Realisierung von sehr genauen Subminiaturschwingern.
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Claims

Patentansorüche IStin?mgabelschwinger , dadurch gekennzeichnet, daß er eine Haupt- und eine mit dieser gekoppelte Zusatzschwingung aufweist, deren Resonanzwiderstand wenigstens zehnmal so groß wie der der Hauptschwingung ist.
2. Stinrngabelschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Quarzkristall als piezoelektrischem Material besteht und die Stimmgabel aus einer Quarzkistallplatte geschnitten ist, welche um eine Z'-Achse so gedreht ist, daß sie mit der +X-Achse oder der -X-Achse einen Winkel (f) von +200 einschließt, wobei sich die Z'-Achse durch Drehen einer Platte aus einer XY-Ebene um einen Winkel (0) um die X-Achse ergibt und die X-Y- und Z-Achse die elektrische Achse, die mechanische Achse bzw. die optische Achse des Quarzkristalls sind.
3. Stimmgabelschwinger, insbesondere nach Anspruch 1, mit zwei gekoppelten Schwingungsweisen, dadurch gekennzeichnet, daß konkave oder konvexe Bereiche an den Armen der Stimmgabel und/oder an dem Basisteil des Stimmgabelschwingers vorgesehen sind.
4. Stimmgabelschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einschnitt (V) an einem Abschnitt der Stimmgabelarme und/oder konvexe Bereiche an einem Abschnitt des Basisteils des Stimmgabelschwingers vorgesehen sind.
5. Stimmgabelschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß konvexe Bereiche an einem Abschnitt der Stimmgabelarme und/oder konvexe Bereiche an einem Abschnitt des Basisteils des Stimmgabelschwingers vorgesehen sind.
6. Stimmgabelschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einschnitt an einem Abschnitt der Stimmgabelarme und/oder konkave Bereiche an einem Abschnitt des Basisteils des Stimmgabelschwingers vorgesehen sind.
7. Stimmgabelschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß konkave Bereiche an einem Abschnitt der Stimmgabelarme und/oder konkave Bereiche an einem Abschnitt des Basisteils des Stimmgabelschwingers vorgesehen sind.