DE2948567A1 - TUNING FORK SWINGER - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- G04F5/06—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using oscillators with electromechanical resonators producing electric oscillations or timing pulses using piezoelectric resonators
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Description
Die Erfindung betrifft einen Stimmgabelschwinger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a tuning fork transducer according to the Preamble of claim 1.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Stimmgabelquarzkristallschwingers mit eingetragener Richtung der Schwingungen in dem Stimmgabelärmen. Dabei ist mit 1 eine Schwingungsrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt und mit 2 die Schwingungsrichtung eine halbe Periode später bezeichnet. Der Temperaturgang der Resonanzfrequenz dieses Schwingers ist eine parabelförmige Kurve, deren Scheitel bei der Raumtemperatur liegt. Der Temperaturkoeffizient des quadratischen Glieds dieser Kurve, der als der zweite Temperaturkoeffizient bezeichnet wird, beträgt -35 χ 1O"9/(°C)2. Diese Art Schwinger zeichnet sich durch eine niedrige Frequenz aus, die zu einem niedrigen Energieverbrauch führt, weshalb dieser Schwinger häufig für elektronische Armbanduhren verwendet wird. Infolge der großen Änderung der Resonanzfrequenz bei Temperaturänderungen ist es jedoch schwierig, die Genauigkeit der Zeiteinhaltung bei Verwendung solcher bekannter Schwinger zu ver-Fig. 1 shows a perspective view of a conventional tuning fork quartz crystal vibrator with the direction of the vibrations in the tuning fork arms plotted. Here, 1 denotes a direction of oscillation at a certain point in time and 2 denotes the direction of oscillation half a period later. The temperature response of the resonance frequency of this oscillator is a parabolic curve, the apex of which is at room temperature. The temperature coefficient of the quadratic term of this curve, which is referred to as the second temperature coefficient, is -35 χ 10 " 9 / (° C) 2. This type of transducer is characterized by a low frequency, which leads to low energy consumption, which is why it is The oscillator is widely used for electronic wristwatches, but due to the large change in the resonance frequency with changes in temperature, it is difficult to ascertain the accuracy of the timing when using such known transducers.
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bessern.improve.
Man hat daher daran gedacht, den Temperaturgang der Resonanzfrequenz dadurch zu kompensieren, daß ein Kondensator mit einem temperaturempfindlichen Dielektrikum oder ein thermoempfindliches Element, etwa ein Thermistor,in der Oszillatorschaltung eingesetzt wird. Da es jedoch schwierig ist, für eine gute Übereinstimmung der Eigenschaft des Schwingers mit der des thermoempfindlichen Elements zu sorgen, ergab sich, daß die Genauigkeit des Schwingers bei seiner Massenproduktion eher verschlechtert als verbessert wurde. AT-Schnitt-Quarzkristallschwinger mit extrem geringer temperaturabhängiger Änderung der Resonanzfrequenz bei Raumtemperatur sind verwendet worden, haben jedoch eine so hohe Resonanzfrequenz, daß der Energieverbrauch entsprechend hoch und die Batterielebensdauer entsprechend niedrig sind.One has therefore thought of the temperature response of the resonance frequency to compensate by using a capacitor with a temperature sensitive dielectric or a thermosensitive one Element, such as a thermistor, in the oscillator circuit is used. However, since it is difficult for the property of the transducer to match that of the To provide a thermosensitive element, it was found that the accuracy of the vibrator in its mass production rather worsened than was improved. AT-cut quartz crystal oscillator with an extremely low temperature-dependent change in the resonance frequency at room temperature have been used however, have such a high resonance frequency that the energy consumption is correspondingly high and the battery life is correspondingly high are low.
Die Forderung bestand daher nach einem Quarzkristallschwinger, der bei niedriger Frequenz arbeitet und eine geringere temperaturbedingte Resonanzfrequenzabweichung besitzt. Dies ist möglich geworden durch Kopplung zweier im Stimmgabelschwinger auftretender unterschiedlicher Schwingungsweisen. Dieser Schwingertyp soll nachfolgend als "Kombischwinger" bezeichnet werden. Wenn insbesondere Quarzkristall als piezoelektrisches Element verwendet wird, wird der Schwinger "Kombiquarzschwinger" genannt.There was therefore a need for a quartz crystal oscillator that works at a low frequency and a lower temperature-dependent one Has resonance frequency deviation. This has become possible by coupling two in the tuning fork transducer occurring different modes of vibration. This type of transducer will hereinafter be referred to as a "combination transducer" will. If, in particular, quartz crystal is used as the piezoelectric element, the "combi-quartz oscillator" is called.
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Dieser Kombischwinger soll kurz an einer Ausführungsform eines Kombiquarzschwingers erläutert werden.This combination chair will briefly look at one embodiment a combination quartz oscillator will be explained.
Fig. 2 zeigt eine Art und Weise, nach der eine Quarzkristallplatte aus einem Quarzkristall herausgeschnitten wird. Die Achsen X, Y und Z sind die elektrische, die mechanische bzw. die optische Achse des Quarzkristalls. Die Quarzkristallplatte wird aus dem Quarzkristall in einer um die X-Achse um den Winkel θ gedrehten Lage herausgeschnitten, so daß die Stimmgabelarme in Richtung einer Y'-Achse liegen. Wenn die so gewonnenen Stimmgabel mit demselben Elektrodenmuster, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, versehen wird und der Schwinger angeregt wird, dann ergibt sich eine ähnliche Biegeschwingung wie beim Schwinger gemäß Fig. 1. Andererseits wird eine Torsionsschwingung um die Längsmittellinien der Stimmgabelärme induziert. Fig. 2 shows a manner in which a quartz crystal plate is cut out from a quartz crystal. the Axes X, Y and Z are the electrical, mechanical and optical axes of the quartz crystal, respectively. The quartz crystal plate is cut out of the quartz crystal in a position rotated about the X-axis by the angle θ, so that the tuning fork arms lie in the direction of a Y'-axis. If the so won Tuning fork is provided with the same electrode pattern as shown in FIG. 1 and the oscillator is excited Then a bending vibration similar to that of the vibrator according to FIG. 1 results. On the other hand, there is a torsional vibration induced around the longitudinal center lines of the tuning fork arms.
Nachfolgend wird die Biege-Grundschwingung mit BQ und die Torsions-Grundschwingung mit TQ abgekürzt. Die Resonanzfrequenz der Biege-Grundschwingung wird mit fBQ, die der Torsions-Grundschwingung mit f Q bezeichnet. Wenn sich f_0 dem Wert von fT0 annähert, tritt eine Kopplungserscheinung auf.In the following, the basic bending oscillation is abbreviated to B Q and the basic torsional oscillation is abbreviated to T Q. The resonance frequency of the bending fundamental is denoted by f BQ , that of the torsional fundamental is denoted by f Q. When f_ 0 approaches the value of f T0 , a coupling phenomenon occurs.
Fig. 3 zeigt ein Schwingungsweisendiagramm zur Erläuterung des Kopplungsbereichs, wenn der Schnittwinkel θ den Wert 6q besitzt. Auf der Abszisse ist die Dicke t des Schwingers, auf der Ordinate seine Resonanzfrequenz aufgetragen. Die Frequenz,3 is a waveform diagram for explaining the coupling area when the intersection angle θ is 6q owns. The thickness t of the transducer is plotted on the abscissa and its resonance frequency is plotted on the ordinate. The frequency
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die unabhängig von der Dicke einen konstanten Wert besitzt, ist die Resonanzfrequenz f _ einer reinen Biegeschwingung, für den Fall also, daß keine Kopplung zwischen der Biege- und der Torsionsschwingung besteht. Die Frequenz, die sich linear mit der Dicke ändert, ist die Frequenz f _ einer reinen Torsionsschwingung. In dem durch einen Kreis umrundeten Bereich tritt eine Kopplung auf. Wenn der in Fig. 2 definierte Schnittwinkel θ auf den Wert Θ» eingestellt ist und die Dicke des Kombischwingers verändert wird, dann ändert sich der Temperatürgang von f_Q bei Kopplung von BQ mit TQ. In der Praxis wird der Kombischwinger mit einer Dicke, die dünner als t1 ist, verwendet. which has a constant value regardless of the thickness, is the resonance frequency f _ of a pure bending vibration, i.e. for the case that there is no coupling between the bending and torsional vibration. The frequency, which changes linearly with the thickness, is the frequency f _ of a pure torsional vibration. Coupling occurs in the area surrounded by a circle. If the intersection angle θ defined in FIG. 2 is set to the value Θ »and the thickness of the combination oscillator is changed, then the temperature range of f_ Q changes when B Q is coupled to T Q. In practice, the combination chair is used with a thickness that is thinner than t 1 .
Fig. 4 zeigt den ersten Temperaturkoeffizienten a, den zweiten Temperaturkoeffizienten b und den dritten Temperaturkoeffizienten c über der Dicke t des Schwingers, die auf der Abszisse aufgetragen ist. Der Schnittwinkel ist 6Q. Die Ordinate gibt die Temperaturkoeffizienten a, b und c wieder. In Fig. 4 ist ein Maßstab nicht eingetragen. Die Größenordnung dieser Koeffizienten a, b und c liegt bei 1o"6/°C, 1o"8/(°C)2 bzw. 10~10/(°C) Bei diesen Temperaturkoeffizienten handelt es sich um die Koeffizienten bei einer Temperatur T der Taylor'sehen Reihe der Resonanzfrequenz als Funktion der Temperatur f(T) Fig. 4 shows the first temperature coefficients a, b to the second temperature coefficient, and the third temperature coefficient c to the thickness t of the transducer, which is plotted on the abscissa. The cutting angle is 6 degrees . The ordinate shows the temperature coefficients a, b and c. A scale is not entered in FIG. 4. The magnitude of these coefficients a, b and c is from 1o "6 / ° C, 1o" 8 / (° C) 2 and 10 ~ 10 / (° C) These temperature coefficient If it is, the coefficients at a temperature T the Taylor series of the resonance frequency as a function of the temperature f (T)
Die Taylor'sehe Reihe ist
4/5 The Taylor series is
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f(T) ^f(20) + f(2O)a(T-2O) + f (20) b (T-20) 2 f (T) ^ f (20) + f (2O) a (T-2O) + f (20) b (T-20) 2
f(2O)C(T-2O)3, f (2O) C (T-2O) 3 ,
a = f'(20)/f(20) a = f ' (20) / f (20)
b = f" (2O)/(2f (20)) b = f "(2O) / (2f (20))
c s- f» " (2O)/(6f (20)) .c s - f »" (2O) / (6f (20)).
Wie oben beschrieben und aus Fig. 4 ersichtlich, gibt es eine Kristalldicke tQ, bei der der erste und der zweite Temperaturkoeffizient a und b null werden. In diesem Fall ist der Temperaturgang der Resonanzfrequenz eine kubische Funktion der Tempetatur.As described above and as can be seen from FIG. 4, there is a crystal thickness t Q at which the first and second temperature coefficients a and b become zero. In this case the temperature response of the resonance frequency is a cubic function of the temperature.
Fig. 5 zeigt den Temperaturgang der Resonanzfrequenz für einen Kombiquarzschwinger und einen herkömmlichen Stimmgabelquarzkristallschwinger. Auf der Abszisse ist die Temperatur T, auf der Ordinate At/f -(f(t) - f(2O))/f(2O) .5 shows the temperature response of the resonance frequency for a combination quartz oscillator and a conventional tuning fork quartz crystal oscillator. On the abscissa is the temperature T, on the ordinate At / f - (f (t) - f (2O)) / f (2O).
Die kubische Kurve 3 gibt den Temperaturgang der Resonanzfrequenz des Kombiquarzschwingers wieder, während die parabelförmige Kurve 4 den entsprechenden Temperaturgang des herkömmlichen Schwingers zeigt. Beim Kombischwinger liegt die Änderung der Resonanzfrequenz im Temperaturbereich von 0 0C bis 40 0C bei etwa 1/10 derjenigen des herkömmlichen Schwingers, Da es sich beim Kombischwinger um einen StimmgabelschwingerThe cubic curve 3 shows the temperature response of the resonance frequency of the combination quartz oscillator, while the parabolic curve 4 shows the corresponding temperature response of the conventional oscillator. In the case of the combination oscillator, the change in the resonance frequency in the temperature range from 0 ° C. to 40 ° C. is about 1/10 of that of the conventional oscillator, since the combination oscillator is a tuning fork oscillator
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handelt, ist dessen Resonanzfrequenz niedrig, nämlich in der Größenordnung von etwa 100 kHz. Selbst wenn anstelle der Biege-Grundschwingung die erste Biege-Oberschwingung verwendet wird, ist die sich dann ergebende Resonanzfrequenz von etwa 200 kHz eine niedrige Frequenz.is, its resonance frequency is low, namely in the order of about 100 kHz. Even if instead of the Bending fundamental oscillation the first bending harmonic is used, the resulting resonance frequency is about 200 kHz is a low frequency.
Wenn also ein Kombischwinger gemäß der Erfindung in einer elektronischen Armbanduhr verwendet wird, besitzt diese Uhr sowohl eine hohe Genauigkeit als auch eine lange Batterielebensdauer, da sie mit niedriger Frequenz arbeitet.So if a combination chair according to the invention is used in an electronic wrist watch, this watch has both high accuracy and long battery life as it operates at low frequency.
Da der Temperaturgang der Resonanzfrequenz des Kombischwingers stark von seinem Schnittwinkel und besonders von äußeren Abmessungen abhängt, zeigt dieser Temperaturgang eine gewisse Streuung oder Toleranz infolge der begrenzten Maßhaltigkeit, wenn die Schwinger in Massenfertigung hergestellt werden, und wird schlechter als der der herkömmlichen Schwinger. Eine Streuung des Schnittwinkels stellt keinerlei praktisches Problem dar, wenn sie auf + 3 Minuten beschränkt bleibt. Es ist möglich, den Schnittwinkel mit etwa dieser Genauigkeit einzuhalten. Daher muß zur Verwirklichung des Kombiquarzschwingers die Streuung der äußeren Abmessungen auf irgendeine Weise korrigiert werden. Dies gilt nicht nur für den Kombiquarzschwinger, sondern auch für andere Kombischwinger.Because the temperature response of the resonance frequency of the combination oscillator depends heavily on its cutting angle and especially on external dimensions, this temperature curve shows a certain degree Variation or tolerance due to limited dimensional accuracy when the transducers are mass-produced, and becomes worse than that of the conventional transducer. Scattering the cutting angle is not practical Problem if it is limited to + 3 minutes. It is possible to maintain the cutting angle with about this accuracy. Therefore, in order to realize the combination quartz oscillator, the dispersion of the external dimensions must be somehow Getting corrected. This not only applies to the combination quartz oscillator, but also to other combination oscillators.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kombischwinger zu schaffen, bei dem sowohl die Streuung des Schnittwinkels als auch dieThe object of the invention is to create a combination chair in which both the spread of the cutting angle and the
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Streuung äußerer Abmessungen korrigiert ist.Scatter of external dimensions is corrected.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features in The characterizing part of claim 1 solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen enthalten.Advantageous further developments of the invention are set out in the subclaims contain.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren im einzelnen erläutert. Es zeigen:The invention is explained in detail below with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Stimmgabelquarzkristallschwingers,1 is a perspective view of a conventional tuning fork quartz crystal oscillator.
Fig. 2 ein Verfahren zum Ausschneiden des Kombiquarzschwingers aus dem Quarzkristall,2 shows a method for cutting out the combination quartz oscillator from the quartz crystal,
Fig. 3 ein Betriebsweisendiagramm, das den Bereich erkennen läßt, wo eine Biege-Grundschwingung mit einer Torsions-Grundschwingung gekoppelt ist,Fig. 3 is an operating mode diagram that shows the area where a bending fundamental oscillation with is coupled to a torsional fundamental oscillation,
Fig. 4 den ersten, den zweiten und den dritten Temperaturkoeffizienten im Falle einer Kopplung von Biegeschwingung und Torsionsschwingung abhängig von der Dicke des Schwingers,4 shows the first, second and third temperature coefficients in the case of a coupling of flexural vibration and torsional vibration depending on the thickness of the vibrator,
Fig. 5 den Temperaturgang der Resonanzfrequenz desFig. 5 shows the temperature response of the resonance frequency of the
,,^,„, 030026/0649,, ^, ", 030026/0649
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Kombiquarzschwingers und des herkömmlichen Stimmgabelquarzkristallschwingers ,Combination quartz oscillator and the conventional tuning fork quartz crystal oscillator ,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, 6 is a perspective view of an embodiment of the invention,
Fig. 7 ein Betriebsweisendiagramm in Abhängigkeit von der Dicke, zur Darstellung eines Bereichs, in dem zwei Schwingungsweisen miteinander gekoppelt sind, wobei ein konvexer Teil nahe dem Armansatz der Stimmgabel vorgesehen ist und der Schnittwinkel sowie die äußeren Abmessungen ihre optimalen Werte besitzen,FIG. 7 shows an operating mode diagram as a function of the thickness, for the representation of a region in two modes of vibration are coupled with each other, with a convex part near the arm base the tuning fork is provided and the cutting angle and the external dimensions are optimal Own values,
Fig. 8 eine Verteilung der Auslenkung der Biege-Grundschwingung und der Torsions-Grundschwingung über der Längsrichtung eines nicht mit einem konvexen Teil nahe dem Armansatz versehenen Stimmgabelarms,8 shows a distribution of the deflection of the bending fundamental oscillation and the torsion fundamental oscillation over the longitudinal direction of a tuning fork arm not provided with a convex part near the arm base,
Fig. 9 eine Verteilung der Auslenkung der ersten Biege-Oberschwingung und der Torsions-Grundschwingung über der Längsrichtung eines nicht mit einem konvexen Teil nahe dem Armansatz versehenen Stimmgabelarms. 9 shows a distribution of the deflection of the first bending harmonic and the fundamental torsional vibration over the longitudinal direction of a tuning fork arm not provided with a convex portion near the arm base.
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, undFig. 10 is a perspective view of a further embodiment of the invention, and
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Fig. 11 eine Draufsicht auf eine Stimmgabel zur Erläuterung des Begriffs "Armansatz", der den gestrichelt eingekreisten Bereich bezeichnet.11 is a plan view of a tuning fork for explanation the term "arm approach", which designates the area circled with dashed lines.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kombiquarzschwingers. Hierin ist 5 ein Hauptkörper, 6 sind Elektroden, 7 ist ein Sockel, 8 sind Silbergewichte, die an den Enden der Stimmgabelarme aufgedampft sind, 9 sind konvexe oder vorspringende Teile nahe den Armansätzen der Stimmgabelarme, und 10 sind Silbergewichte, die in dem sich über die konvexen Teile und die Armansätze erstreckenden Bereiche aufgedampft sind.6 is a perspective view of a combination quartz oscillator according to the invention. Herein 5 is a main body, 6 are electrodes, 7 is a base, 8 are silver weights vapor-deposited on the ends of the tuning fork arms, 9 are convex or protruding parts near the arm bases of the tuning fork arms, and 10 are silver weights that are in the are vapor deposited over the convex parts and the arm approaches extending areas.
Wenn bei dem Kombiquarzschwinger der Schnittwinkel ÖQ, Länge und Breite des Schwingers Lft bzw. W_, Länge und Breite eines Stimmgabelarms 1„ bzw. w_ und die Dicke tQ sind, ist die temperaturabhängige Änderung von f Q minimal und fß0 selbst hat einen günstigen Wert. Die Änderungen des Schnittwinkels und der äußeren Abmessungen führen jedoch zu einer Streuung des Werts von fBQ und des Temperaturgangs von fR0. Um diese Streuung zu kompensieren, werden die Silbergewichte 8 und 10 an den Enden der Stimmgabelarme und den konvexen Teilen 9 nahe den Armansätzen aufgedampft. Bei den herkömmlichen Stimmgabelquarzkristallschwingern ist es schon bekannt, Metalle wie Silber an den Enden der Stimmgabelärme zur Einstellung der Re-If the cutting angle Q , length and width of the vibrator L ft or W_, length and width of a tuning fork arm 1 ″ or w_ and the thickness t Q , the temperature-dependent change of f Q is minimal and f ß0 itself is in the case of the combination quartz oscillator a cheap value. However, the changes in the angle of intersection and the external dimensions lead to a scattering of the value of f BQ and the temperature response of f R0. In order to compensate for this scattering, the silver weights 8 and 10 are vapor-deposited on the ends of the tuning fork arms and the convex parts 9 near the arm bases. With the conventional tuning fork quartz crystal oscillators, it is already known to use metals such as silver at the ends of the tuning fork arms to adjust the
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sonanzfrequenz aufzudampfen.evaporation of the resonance frequency.
Der Grund, warum es erforderlich ist, daß Silber sowohl an
den Enden als auch an den konvexen Teilen der Stimmgabelarme aufgedampft wird, soll nachstehend erläutert werden. Die beiden
Stimmgabelarme sind symmetrisch zueinander, und die Erfindung wird unter Bezug auf einen dieser Stimmgabelärme beschrieben.
The reason why it is required that silver be attached to both
the ends as well as the convex parts of the tuning fork arms will be explained below. The two tuning fork arms are symmetrical to one another, and the invention will be described with reference to one of these tuning fork arms.
Fig. 7 ist ein Betriebsweisendiagramm für einen Kopplungsbereich über der Dicke t, wobei der Schnittwinkel Q0, Länge
und Breite der äußeren Größe L0 bzw. WQ und Länge und Breite
des Stimmgabelarms 1Q bzw. wQ sind, während der konvexe Teil
nahe dem Armansatz nicht vorgesehen ist. Auf der Abszisse
von Fig. 7 ist die Dicke des Schwingers, auf der Ordinate eine Resonanzfrequenz aufgetragen.Fig. 7 is an operational diagram for a coupling area versus thickness t, where the intersection angle Q 0 , length
and width of the outer size L 0 and W Q and length and width of the tuning fork arm 1 Q and w Q , respectively, while the convex portion near the arm base is not provided. On the abscissa
of FIG. 7, the thickness of the vibrator, plotted on the ordinate represents a resonance frequency.
Die beiden Kurven zeigen wie in Fig. 3 die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung fnri und die der Torsionsschwingung f m_. WennAs in FIG. 3, the two curves show the resonance frequency of the flexural vibration f nri and that of the torsional vibration f m _. if
ti U IUti U IU
die oben angegebenen Größen genau die Werte θ0, L„, WQ, 1Q
bzw. wQ besitzen, folgen die Resonanzfrequenzen fR0 und fT0
bei einer Änderung der Dicke des Schwingers den beiden Kurven in Fig. 7. Bei der Dicke t_ ergibt sich die geringste Änderung
von fB0 abhängig von der Temperatur. Unter dieser Voraussetzung
kann fß0 auf einen günstigen Viert eingestellt werden. In diesem
Fall ist es also nicht notwendig, den Temperaturgang vonthe quantities given above exactly the values θ 0 , L ″, W Q , 1 Q
and w Q have to follow the resonance frequencies f and f R0 T0 when changing the thickness of the vibrator the two curves in Fig. 7. In the thickness t_, the slightest change results from f B0 depending on the temperature. With this assumption , f ß0 can be set to a favorable fourth. In this case it is not necessary to calculate the temperature curve from
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_Λ und den Wert von f_n selbst einzustellen._ Λ and adjust the value of f_ n yourself.
BU dUBU dU
Zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung sei angenommen, daß der Schnittwinkel, die Länge, die Breite und die Dicke des Schwingers und die Länge und Breite des Stimmgabelarms bei einer Massenproduktion von den jeweiligen beabsichtigten Werten 9Qf L_, W-, tQ, 1Q und wQ etwas abweichen. Ferner wird angenommen, daß infolge dieser ProduktionsSchwankungen der Wert von fß0 am Punkt C und der V/ert von fTQ am Punkt D liegen. Wegen dieser geringen Abweichungen ergibt sich ein verschlechterter Temperaturgang der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung, d. h. er weicht von der bevorzugten kubischen Kurve ab. Außerdem weicht auch die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung fßQ von dem erwünschten oder günstigen Wert ab. Zur Verhinderung dieser Abweichung ist es erforderlich, daß die Resonanzfrequenz fR_ am Punkt C und die Resonanzfrequenz fTQ am Punkt D auf irgendeine Weise auf die Werte an den Punkten A bzw. B eingestellt werden. Falls also die bei Massenproduktion abweichenden Resonanzfrequenzen auf die Frequenzen der Biegeschwingung bzw. der Torsionsschwingung, die sich in einem ideal geschnittenen Schwinger finden, eingestellt werden können, nimmt der modifizierte Quarzkristallschwinger dieser Erfindung im wesentlichen den Temperaturgang der Resonanzfrequenz des ideal geschnittenen Schwingers mit präzisen Abmessungen von Schnittwinkel, Länge, Breite, Dicke und Länge und Breite des Stimmgabelarms, wie oben beschrieben, an. Es ist auch möglich, daß die Resonanzfrequenz f „ auf den gewünschten Wert eingestellt wird.To explain the present invention, it is assumed that the cutting angle, the length, the width and the thickness of the vibrator and the length and width of the tuning fork arm in a mass production of the respective intended values 9 Qf L_, W-, t Q , 1 Q and w Q differ slightly. It is also assumed that, as a result of these production fluctuations, the value of f ß0 is at point C and the value of f TQ is at point D. Because of these small deviations, the temperature response of the resonance frequency of the flexural vibration deteriorates, ie it deviates from the preferred cubic curve. In addition, the resonance frequency of the flexural vibration f ß Q deviates from the desired or favorable value. To prevent this deviation, it is necessary that the resonance frequency f R _ at point C and the resonance frequency f TQ at point D are set in some way to the values at points A and B, respectively. If the resonance frequencies deviating in mass production can be adjusted to the frequencies of the flexural oscillation or the torsional oscillation found in an ideally cut oscillator, the modified quartz crystal oscillator of this invention essentially takes the temperature response of the resonance frequency of the ideally cut oscillator with precise dimensions Cut angle, length, width, thickness and length and width of the tuning fork arm as described above. It is also possible for the resonance frequency f n to be set to the desired value.
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Das Nachfolgende dient der Erläuterung, wie die Resonanzfrequenzen an den Punkten C und D auf die gewünschten Werte der Resonanzfrequenzen an den Punkten A und B eingestellt werden können.The following is used to explain how the resonance frequencies at points C and D are set to the desired values of the resonance frequencies at points A and B. can be.
Fig. 8 zeigt die Verteilungen derAuslenkungen Ux in Richtung der X-Achse für die Biege-Grundschwingung B und des Torsionswinkels T für die Torsions-Grundschwingung T_ über der Längsrichtung des Stimmgabelarms, der nicht mit konvexen Teilen nahe seines Armansatzes versehen ist. Auf der Abszisse bezeichnet 0 das Ende der Schwingerbasis, während 1 das freie Ende des Stimmgabelarms kennzeichnet. Die Position 0,4 entspricht dem Armansatz, so daß der Stimmgabelarm im Bereich von 0,4 bis 1 liegt, die Position 0,2 bezeichnet das Ende eines Leitungsstifts, der den Schwinger auf dem Sockel hält. Die Ordinate auf der linken Seite der Darstellung und die ausgezogene Kurve geben die Auslenkungen Ux in Richtung der X-Achse für die Biege-Grundschwingung BQ wieder. Die Ordinate auf der rechten Seite der Darstellung und die gestrichelte Kurve zeigen die Torsionsauslenkung % . Wie aus Fig. 8 erkennbar, weist auch der Teil unterhalb des Armansatzes Schwingungskomponenten auf. Die Biegeschwingung B_ hat einen Knotenpunkt nahe dem Armansatz (Pos. 0,4). Allgemein gilt für einen Schwinger, daß, wenn ein Gewicht an einem Punkt angesetzt wird, der eine Schwingungsauslenkung erfährt, die Resonanzfrequenz verringert wird.Fig. 8 shows the distributions of the deflections Ux in the direction of the X-axis for the bending fundamental oscillation B and of the torsion angle T for the torsional fundamental oscillation T_ over the longitudinal direction of the tuning fork arm, which is not provided with convex parts near its arm base. On the abscissa, 0 denotes the end of the vibrator base, while 1 denotes the free end of the tuning fork arm. Position 0.4 corresponds to the base of the arm so that the tuning fork arm is in the range from 0.4 to 1, position 0.2 denotes the end of a lead pin that holds the transducer on the base. The ordinate on the left-hand side of the illustration and the solid curve show the deflections Ux in the direction of the X-axis for the bending fundamental oscillation B Q. The ordinate on the right-hand side of the illustration and the dashed curve show the torsional deflection % . As can be seen from FIG. 8, the part below the arm attachment also has vibration components. The bending vibration B_ has a node near the arm attachment (pos. 0,4). In general, for a vibrator, if a weight is applied to a point that experiences vibration deflection, the resonance frequency is reduced.
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Wenn daher ein Gewicht in einem Bereich nahe des freien Endes des Stimmgabelarms (Pos. 1,0) angesetzt wird, verringert sich die Resonanzfrequenz beider Schwingungen, da sowohl Ux als auch T an diesem freien Ende ungleich null sind. Wenn das Gewicht am Knotenpunkt bei ungefähr 0,4 angesetzt wird, wird die Resonanzfrequenz fß0 kaum verändert, da die Auslenkung Ux an dieser Stelle null ist. Die Resonanzfrequenz der Torsions-Grundschwingung fTQ nimmt jedoch ab, da die Torsionsauslenkung Z ungleich null ist.Therefore, if a weight is applied in an area near the free end of the tuning fork arm (pos. 1,0), the resonance frequency of both vibrations is reduced, since both Ux and T are not equal to zero at this free end. If the weight at the node is set at approximately 0.4, the resonance frequency f ß0 is hardly changed, since the deflection Ux is zero at this point. The resonance frequency of the torsional fundamental oscillation f TQ decreases, however, since the torsional deflection Z is not equal to zero.
Anzumerken ist aber, daß die Anordnung eines Gewichts an einem Knotenpunkt eine geringe Änderung der Resonanzfrequenz fß0 der Biege-Grundschwingung BQ hervorruft, da die Auslenkung in Richtung der Y-Achse am Knotenpunkt ungleich null ist. Diese Änderung der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung ist jedoch extrem klein verglichen mit der Änderung, die sich in der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung TQ ergibt.It should be noted, however, that the arrangement of a weight at a node causes a slight change in the resonance frequency f ß0 of the bending fundamental oscillation B Q , since the deflection in the direction of the Y-axis at the node is not equal to zero. However, this change in the resonance frequency of the flexural vibration is extremely small compared with the change which results in the resonance frequency of the torsional vibration T Q.
Um die Werte der Resonanzfrequenzen an den Punkten C und D so zu ändern, daß sie mit denen der Punkte A bzw. B übereinstimmen, wird in einem ersten Schritt ein Gewicht nahe dem freien Ende des Stimmgabelarms angesetzt, so daß die Resonanzfrequenz am Punkt C geändert und in Übereinstimmung mit der am Punkt A gebracht wird. In einem zweiten Schritt wird dann ein Gewicht an einem Knotenpunkt nahe dem Armansatz des Schwingers angebracht und dadurch die Resonanzfrequenz von Punkt D geändert und in Übereinstimmung mit der ResonanzfrequenzTo change the values of the resonance frequencies at points C and D so that they match those of points A and B, respectively, In a first step, a weight is placed near the free end of the tuning fork arm, so that the resonance frequency changed at point C and brought into line with that at point A. Then in a second step a weight attached to a node near the base of the arm of the transducer and thereby the resonance frequency of Point D changed and in accordance with the resonance frequency
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am Punkt B gebracht. Wie erwähnt, kann also durch Ansetzen der Gewichte an diesen Stellen die Schwingungsfrequenz so geändert werden, daß sie einen gewünschten Wert aufweist und der Temperaturgang der Resonanzfrequenz den Verlauf einer kubischen Kurve gemäß 3 in Fig. 5 besitzt.brought to point B. As mentioned, the vibration frequency can thus be achieved by applying the weights at these points can be changed so that it has a desired value and the temperature response of the resonance frequency has the curve of a cubic Curve according to 3 in Fig. 5 has.
Um aber die Resonanzfrequenz fTQ auf den gewünschten Wert zu verringern, muß das am Knotenpunkt von B- nahe dem Armansatz anzusetzende Gewicht groß sein, da der Torsionswinkel T von T0 an diesem Knotenpunkt klein ist. Daher wird ein konvexer Teil nahe dem Armansatz vorgesehen, um die Resonanzfrequenz fT0 in großem Ausmaß zu verringern, wenn ein bestimmtes Gewicht an Knotenpunkt angesetzt wird. Die Form dieses konvexen Teils kann rechteckig, kreisförmig oder sonstwie sein.However, in order to reduce the resonance frequency f TQ to the desired value, the weight to be applied at the junction of B- near the arm attachment must be large, since the torsion angle T of T 0 is small at this junction. Therefore, a convex portion is provided near the base of the arm in order to reduce the resonance frequency f T0 to a great extent when a certain weight is applied to the node. The shape of this convex part can be rectangular, circular or otherwise.
Wenn der Schwinger mit konvexen Teilen versehen wird, ändern sich die Verteilung von Ux und Z etwas, und auch das Optimum des Schnittwinkels und der äußeren Abmessungen verändert sich ein wenig. Dies rührt von der Masse des konvexen Teils her. Selbst wenn aber der Schwinger mit konvexen Teilen versehen ist, wird der gewünschte Wert von f_n erhalten und der Frequenz-If the transducer is provided with convex parts, the distribution of Ux and Z change a little, and the optimum of the intersection angle and the external dimensions also change a little. This is due to the mass of the convex part. But even if the transducer is provided with convex parts, the desired value of f_ n is obtained and the frequency
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Temperaturgang im wesentlichen eine kubische Kurve, indem man den Schnittwinkel und die äußeren Abmessungen (einschließlich der Lage und Größe eines konvexen Teils) auf einen optimalen Wert einstellt. Es ist also erforderlich, die bei der Massenproduktion der Schwinger auftretenden Schwankungen mit konvexenTemperature response is essentially a cubic curve by taking the angle of intersection and the external dimensions (including the position and size of a convex part) to an optimal value. So it is required in mass production the oscillations occurring with convex fluctuations
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Teilen zu korrigieren.Parts to correct.
Da die konvexen Teile von der Mittelachse der Torsionsschwingung entfernt sind, ist ihr Torsionsmoment groß, so daß das zusätzliche Gewicht dieser Teile einen großen Einfluß auf die Torsionsschwingung hat und den Wert von fTQ stark vermindert. Einen weiteren Effekt bringt die große Fläche, an der Gewichte angebracht werden können.Since the convex parts are removed from the central axis of the torsional vibration, their torsional moment is large, so that the additional weight of these parts has a great influence on the torsional vibration and greatly reduces the value of f TQ. Another effect is the large area on which weights can be attached.
Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 6 werden der Viert und der Temperaturgang von f Q auf diese Weise eingestellt. Ähnliche Wirkungen können erreicht werden bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen Gewichte an anderen Stellen anstatt den Enden der Stimmgabelarme angesetzt werden. Beispielsweise kann ein Gewicht an irgendeinem Punkt angesetzt werden, bei dem sowohl die Auslenkung Ux von B- als auch der Torsionswinkel T von T_ ungleich null sind. Dies führt zur Verminderung der Resonanzfrequenzen von B_ und TQ, obwohl das Verhältnis der Abnahme dieser Resonanzfrequenzen sich von dem Fall unterscheidet, bei dem das Gewicht an einer Stelle nahe dem freien Ende der Stimmgabelarme angebracht wird. Beispielsweise ist es auch möglich, ein Gewicht um den Mittelteil der Stimmgabelärme und außerdem am konvexen Teil anzubringen. Bei einer weiteren Alternative ist es möglich, das Gewicht nahe dem Mittelteil der Stimmgabelarme und dann das Gewicht am konvexen Teil vorzusehen, wenn sich zeigt, daß die am freien Ende der Stimmgabelarme angesetzten Gewichte alleinIn the embodiment according to FIG. 6, the fourth and the temperature response of f Q are set in this way. Similar effects can be achieved in alternative embodiments of the invention in which weights are applied to locations other than the ends of the tuning fork arms. For example, a weight can be applied at any point at which both the deflection Ux of B- and the torsion angle T of T_ are not equal to zero. This leads to a decrease in the resonance frequencies of B_ and T Q , although the ratio of the decrease in these resonance frequencies is different from the case where the weight is attached to a position near the free end of the tuning fork arms. For example, it is also possible to attach a weight around the central part of the tuning fork arms and also on the convex part. In a further alternative, it is possible to provide the weight near the central part of the tuning fork arms and then the weight on the convex part if it is found that the weights attached to the free end of the tuning fork arms alone
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nicht zu den erwünschten Wirkungen führen. D. h. es ist möglich, das Gewicht an einem oder mehreren Stellen zusätzlich zum konvexen Teil, der am Knotenpunkt der Stimmgabelarme liegt, anzuordnen.do not lead to the desired effects. I. E. it is possible to add the weight in one or more places to the convex part, which lies at the junction of the tuning fork arms.
Bei einem Kombi- oder Kopplungsschwinger sollten zum Zwecke der Korrektur der bei Massenproduktion auftretenden Toleranzen die Werte von f _ und f Q vor der Einstellung durch Zusatz von Gewicht über den gewünschten Werten von f _ und fTQ liegen, die auftreten, wenn der Quarzkristall mit dem richtigen Winkel geschnitten und richtig dimensioniert ist. Daher ist es nötig, die Dicke bei der Massenproduktion etwa sgrößer als die optimale Dicke zu machen, oder die Länge des Stimmgabelarms bei der Massenproduktion etwas kürzer als die optimale Länge zu machen.In the case of a combination or coupling oscillator, for the purpose of correcting the tolerances that occur in mass production, the values of f _ and f Q should be above the desired values of f _ and f TQ , which occur when the quartz crystal with cut at the right angle and dimensioned correctly. Therefore, it is necessary to make the thickness about s larger than the optimal thickness in mass production, or to make the length of the tuning fork arm slightly shorter than the optimal length in mass production.
Wenn anstelle der Biege-Grundschwingung BQ die erste Biege-Oberschwingung genutzt wird, finden dieselben Einstellvorgänge statt (die erste Biege-Oberschwingung und ihre ResonanzfrequenzIf the first bending harmonic is used instead of the bending fundamental B Q, the same adjustment processes take place (the first bending harmonic and its resonance frequency
werden mit B, bzw. fn1 bezeichnet).
ι ο ιare denoted by B or f n1 ).
ι ο ι
Fig. 9 zeigt die Verteilungen der Auslenkung U1χ in Richtung der X-Achse für B1 und des Torsionswinkels f' von TQ über der Längsrichtung des Stimmgabelarms, der nicht mit konvexen Teilen nahe dem Armansatz versehen ist. Die Abszisse ist dieselbe wie in Fig. 8, die Ordinate auf der linken Seite und die ausgezogene Kurve sind den Auslenkungen U'x in Richtung der X-Achse9 shows the distributions of the deflection U 1 χ in the direction of the X axis for B 1 and the torsion angle f 'of T Q over the longitudinal direction of the tuning fork arm, which is not provided with convex parts near the arm base. The abscissa is the same as in FIG. 8, the ordinate on the left and the solid curve are the deflections U'x in the direction of the X-axis
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zugeordnet, während die Ordinate auf der rechten Seite und die gestrichelte Kurve dem Torsionswinkel bzw. der Torsionsauslenkung T' entsprechen. Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß unterhalb des Armansatzes der Stimmgabel Komponenten der Schwingungsauslenkung vorhanden sind. Die Kurve der Verteilung von U'x zeigt Knotenpunkte um die Position 0,4 (Armansatz) und 0,9.assigned, while the ordinate on the right-hand side and the dashed curve correspond to the torsion angle and the torsion deflection T ' . From Fig. 9 it can be seen that components of the oscillation deflection are present below the arm attachment of the tuning fork. The curve of the distribution of U'x shows nodes around the position 0.4 (arm base) and 0.9.
Im Kombischwinger mit einer Kopplung von B^ und T- ist zur Korrektur der Herstellungstoleranzen beim Wert und Temperaturgang von f n1 erforderlich, daß die Gewichte am konvexen Teil, der nahe dem Armansatz liegt·, und dann Gewichte an einem oder mehreren Punkten zusätzlich zum Knotenpunkt angeordnet werden.In the combination chair with a coupling of B ^ and T-, it is necessary to correct the manufacturing tolerances in the value and temperature response of f n1 that the weights on the convex part, which is close to the arm base, and then weights on one or more points in addition to the node to be ordered.
Wenn anstelle von F1 die zweite oder höhere Biege-Oberschwingung genutzt wird, finden dieselben Einstellvorgänge statt. In diesem Fall werden die Gewichte, da Knotenpunkte an zwei oder mehr Stellen existieren, irgendwo, ausgenommen diese Knotenpunkte, angesetzt.If the second or higher bending harmonic is used instead of F 1, the same adjustment processes take place. In this case, since nodes exist in two or more places, the weights are set anywhere other than these nodes.
Auch in dem Fall, daß eine Torsions-Oberschwingung anstelle von T0 genutzt wird, besitzt diese Torsionsschwingung keinen Knotenpunkt am Knotenpunkt der Biegeschwingung entsprechend der Position nahe dem Armansatz, so daß Frequenz und Temperaturgang in der oben angegebenen Weise wirkungsvoll eingestellt werden können.Even in the event that a torsional harmonic is used instead of T 0 , this torsional vibration does not have a node at the node of the bending vibration corresponding to the position near the arm base, so that the frequency and temperature response can be effectively adjusted in the above-mentioned manner.
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Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung. 11 bezeichnet hierin einen Kombiquarzschwinger, bei dem R mit TQ gekoppelt ist. 12 sind Elektroden. 13 ist ein Sockel. 14 ist ein konvexer Teil, der über die ganze Basisseite der Stimmgabel verläuft. 15 und 16 sind Silbergewichte. Der Zusatz von Gewichten 15 und 16 korrigiert Abweichungen im Wert und Temperaturgang von f n , die bei einerFigure 10 is a perspective view of another embodiment of the invention. 11 denotes a combination quartz oscillator in which R is coupled to T Q. 12 are electrodes. 13 is a socket. 14 is a convex part that runs all over the base of the tuning fork. 15 and 16 are silver weights. The addition of weights 15 and 16 corrects deviations in the value and temperature response of f n that occur in a
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Massenfertigung auftreten. Durch Vorsehen der konvexen Teile 14 trägt das Gewicht 15 erheblich zur Abnahme von f_,0 bei. Der konvexe Teil 14 verhindert außerdem, daß die Basis der Stimmgabel im Fall eines Stosses bricht.Mass production occur. By providing the convex portions 14, the weight 15 0 contributes significantly to the decrease of f_, wherein. The convex portion 14 also prevents the base of the tuning fork from breaking in the event of an impact.
Bei dieser Ausführungsform sind die Stellen und die Anzahl der Stellen, an denen Gewichte angebracht werden sollten, genauso wie bei Fig. 6. Die oben erwähnten Einstellvorgänge finden ebenso in dem Fall statt, daß anstelle von BQ eine Biege-Oberschwingung und anstelle von T- eine Torsions-Oberschwingung verwendet werden.In this embodiment, the locations and the number of points at which weights should be attached, the same as in FIG. 6. The above-mentioned setting operations will also find place in the case that instead of B Q a bending harmonic and instead of T - a torsional harmonic is used.
Bei den beiden obigen Ausführungsformen der Erfindung ist Silber als Gewicht aufgedampft. Andere Metalle können ebenso zur gewünschten Wirkung führen. Auch kann man statt des Aufdampfens das Material aufsprühen. Auch alles Nichtmetallische kann als Gewicht verwendet werden. Ferner können zuvor an einigen Stellen angesetzte Gewichte mittels eines Lasers etc. entfernt werden.In the above two embodiments of the invention, silver is vapor deposited as a weight. Other metals can as well lead to the desired effect. The material can also be sprayed on instead of vapor deposition. Everything non-metallic too can be used as a weight. Furthermore, weights previously applied at some points can be removed using a laser, etc. removed.
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Wenn bei der Massenfertigung der Wert von fT0 infolge einer großen Abweichung unter dem optimalen Wert liegt, wird der Quarzkristall des konvexen Teils 9 in Fig. 6 und des konvexen Teils 14 in Fig. 10, der nahe dem Knotenpunkt liegt, mit Hilfe eines Lasers etc. entfernt, wodurch f Q auf den optimalen Wert erhöht werden kann.In mass production, when the value of f T0 is below the optimum value due to a large deviation, the quartz crystal of the convex part 9 in Fig. 6 and the convex part 14 in Fig. 10 which is near the node is made using a laser etc. removed, whereby f Q can be increased to the optimal value.
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wurden mit Quarzkristall als piezoelektrischem Element beschrieben. Die Erfindung kann aber auch auf einen Schwinger mit einem anderen piezoelektrischen Element als Quarzkristall oder auf Metall verwendende Schwinger angewendet werden.The preferred embodiments of the invention were made with Quartz crystal described as a piezoelectric element. However, the invention can also be applied to one transducer with another piezoelectric element can be applied as quartz crystal or vibrators using metal.
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß beim Stimmgabelschwinger mit einer Kopplung unterschiedlicher Schwingungsweisen eine bei der Massenproduktion der Schwinger auftretende Streuung dadurch korrigiert werden kann, daß nahe den Armansätzen der Stimmgabelarme oder über die gesamte Basisseite der Stimmgabel konvexe Teile ausgebildet und dann Gewichte an einigen Stellen erhöht oder erniedrigt werden oder der Quarzkristall des konvexen Teils entsprechend dem Knotenpunkt entfernt wird. Es ist möglich, auf diese Weise eine elektronische Armbanduhr mit einer hohen Genauigkeit und einer langen Lebensdauer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Kombischwingers herzustellen.In summary, it can be stated that the tuning fork oscillator with a coupling is different Ways of oscillation a scattering occurring in the mass production of the oscillator can be corrected by the fact that near the arm bases of the tuning fork arms or convex parts formed over the entire base side of the tuning fork and then weights be increased or decreased in some places, or the quartz crystal of the convex part corresponding to the nodal point Will get removed. It is possible in this way an electronic wrist watch with a high accuracy and a long service life using the combination chair according to the invention.
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