DE3135102A1

DE3135102A1 - Modengekoppelte quarzstimmgabel

Info

Publication number: DE3135102A1
Application number: DE19813135102
Authority: DE
Inventors: Shigeru Suwa Nagano Kogure
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1982-05-06
Also published as: FR2490039A1; US4453105A; CH651176GA3; JPS5748819A; GB2086132B; FR2490039B1; DE3135102C2; GB2086132A

Description

b« Ο β 6

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modengekoppelte Quarzstimmgabel gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung zielt ab auf eine Verbesserung der Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer modengekoppelten Quarzstimm-•jO gabel, u.zw. speziell auf die Verbesserung der Frequenz-Temperatur-Kennlinie hinsichtlich des Terms der vierten Ordnung bei Zimmertemperatur.

Bisher wurden für elektronische Armbanduhren unter +5°x-■J5 ' geschnittene Quarz Stimmgabeln unter Ausnutzung der' Biegeschwingungsform verwendet, da der Resonator eine para- · ■ bolische Frequenz-Temperatur-Kennlinie bei Zimmertemperatur aufweist und daher hinsichtlich der Zeitgenauigkeit vorteilhaft ist. Dieser Resonator arbeitet bei einer tiefen Frequenz, wodurch ein geringer Energiebedarf bedingt ist. Mit"diesem Resonator hat die Uhr jedoch eine Zeitnacheilung von 20 Sekunden pro Monat.

Bei dem Versuch, elektronische Armbanduhren mit höherer Genauigkeit und langlebigeren Batterien herzustellen, wurde eine modengekoppelte Quarzstimmgabel entwickelt, die bei niedriger Frequenz und Zimmertemperatur eine kubische Frequenz-Temperatur—Kennlinie besaß. Eine solche Quarzstimmgabel ist in den Japanischen Patentanmeldungen 53-23903, 53-149499 und 53-149500 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billigen Resonator mit kleinen Abmessungen anzugeben, durch den eine erhöhte Genauigkeit einer elektronischen Armbanduhr gewährleistet ist, indem eine Normalfrequenzquelle

• * β.

fr S «

Ί geringer Abmessung geschaffen wird; der Temperaturkoeffizient dritter Ordnung der modengekoppelten Quarzstimmgabel soll hierbei zu Null gemacht werden.

Diese Aufgabe wird durch im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze, die den Schnitt eines Resonators gemäß der Erfindung aus einem Quarzkristall verdeutlicht;

15· Fig. 2 die Kopplung der F^-Schwingungsform und

der T -Schwingungsform;

Fig. 3 die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten erster Ordnung von der Dicke;

Fig. 4 die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung von den Schnittwinkeln;

die Frequenz-Temperatur-Kennlinien einer herkömmlichen modengekoppelten Quarzstimmgabel;

die Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten dritter Ordnung von der Dicke; und

Fig. 7 die Frequenz.-Temperatur-Kennlinie einer erfindungsgemäßen modengekoppelten Quarzstimmgabel .

	Fig.	5
25
	Fig.	6
30

Eine erfindungsgemäße moden.gekoppelte Quarzstimmgabel verwendet die Biegeschwingungsform des ersten Obertons (F,-Schwingungsform) als Hauptschwingung und eine Grund Torsionsschwingungsform (T -Schwingungsform) als eine Unterschwingung.

Die Resonanzfrequenz der mit der T -Schwingungsform gekoppelten F..-Schwingungsform kann ausgehend von einer Temperatur von 2O⁰C durch eine Temperatur T wie folgt ■

. verbreitert werden: ·'

f (T).. « f (20) {1 + cJ(T-20)+^(T-20)^z-!-r(T-20)³ ₊

wobei α: ein Temperaturkoeffizient erster Ordnung, ß: ein Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung, γ: ein Temperaturkoeffizient dritter Ordnung,

und
<b: ein Temperaturkoeffizient vierter Ordnung ist;

die fünfte und höherer Potenzen von (T-20) sind klein und werden vernachlässigt.

Eine herkömmliche modengekoppelte Quarzstimmgabel besaß bei Zimmertemperatur eine kubische Frequenz-Temperatur-Kennlinie. Das heißt es waren α = β = 0 . . . (2) in der obigen Gleichung (1). Die Ursachen für die obige Beziehung (2) sollen im folgenden erläutert werden.·

Fig. 1 zeigt den Schnitt eines' Resonators aus einem Quarzkristall. Die X-, Y- und £-Achse bedeuten die elektrische, mechanische bzw. optische Achse eines Quarzkristalls. Eine Stimmgabel mit einer Dicke t, einer Armbreite w und einer Armlänge i wird gemäß Darstellung aus einer Z-Platte geschnitten, die im Uhrzeigersinn (dies wird als negativ bezeichnet) entsprechend einem Schnittwinkel 0 um die X-Achse gedreht wurde. Wie

■to« α γ

* ©oft »ο

Fig. 2 zeigt, werden die F - und die Tg-Schwingungsform des Resonators in einem Flächenbereich gekoppelt _t in dem die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsformen sich nahekommen; dieser Kopplungs-Flächenbereich ist in der Zeichnung durch eine gestrichelte Kreislinie angedeutet. ■ -

Wird die'Dicke t in dem Kopplungs-Flächenbereich variiert, ändert sich α der F₁-Schwingungsform gemäß Darstellung in Fig. 3; bei einer Dicke t_Q hat α den Wert 0.

Um gleichzeitig mit α den Wert ß zu 0 zu machen, wird der Schnittwinkel 0 geändert, weil im allgemeinen aufgrund der Kopplung ß = 0 ist, wenn α = 0 ist.

· Fig. 4 zeigt die Werte von 3 in Abhängigkeit des Schnittwinkels ,■ wenn α = 0 durch Auswahl geeigneter Dicken ist. ■Also gilt, α =3 = 0 für 0 = 0-, und die Frequenz-Temperatur-Kennlinien haben gemäß der Beziehung (1) kubische Form. Da h kleiner ist als γ, ergibt sich insgesamt eine kubische Kurve. Zwei Parameter, nämlich die Dicke (die als Kopplungsgrad bezeichnet werden kann) und der Schnittwinkel, werden somit für die Beziehung α = 0 und 3=0 eingestellt.

'

Fig. 5 zeigt die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer modengekoppelten Quarzstimmgabel·, die man durch das oben geschilderte Vorgehen erhält. Die Frequenz-Temperatur-Kennlinie eines derartigen Resonators ist insoweit gut, als sie in einem Temperaturbereich zwischen 0 C und 40⁰C nur um 1/ppm oder weniger schwankt. Wird ein derartiger Resonator daher in einer elektronischen Armband-"uhr verwendet, so zeichnet sich die Armbanduhr durch extreme Präzision aus, wobei die Nacheilung nur wenige Sekunden pro Jahr beträgt.

0 ft 0

•j Werden Armbanduhren jedoch in einem kalten Klima verwendet, so leidet ihre Genauigkeit aufgrund des großen Anteils der Frequenz-Temperatur-Kennlinie unterhalb einer Temperatur von 0⁰C. Wird ein solcher Resonator oder ein AT-Schriitt-Resonator mit einer kubischen Frequenz-Temperatur-Kennlinie als Normalfrequenzquelle für nachrichtentechnische Anlagen verwendet, so ist es erforderlich,· daß die Frequenz in einem breiteren Temperaturbereich unverändert bleibt, da die Anlage nur selten bei mit den Temperaturen eines menschlichen Körpers vergleichbaren Temperaturen betrieben wird. Es wird speziell. gefordert, daß die Normalfrequenzquellen für nachrichtentechnische Anlagen einer FrequenzSchwankung von nur 3 ppm oder weniger in einem Temperaturbereich zwischen -30⁰C und +60⁰C Unterliegen, Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, fand bei dem herkömmlichen AT-Schnitt-Resonator VCXO und TCXO Anwendung, um die Frequenzabwei- " chung aufgrund von schwankenden Umgebungstemperaturen herabzusetzen. Diese Verfahren jedoch sind insoweit nachteilig, als die Oszillatoren vermehrt Energie aufnehmen, "viel Platz beanspruchen und daher nicht geeignet sind für Anlagen mit geringen Abmessungen»

Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen γ und der Dicke t.

Gemäß dieser Figur wird zunächst t bestimmt, und dann werden 1, w und ein Schnittwinkel so bestimmt, daß die Beziehung α = ß = 0 erfüllt ist. Fig. 6 zeigt den Wert von γ für α = ß = 0. Gemäß Fig. 6 ist. α = ß = 0, wenn die Dicke t beträgt, was zu einer Frequenz-Temperatur-Kennlinie vierter Ordnung oder Potenz führt. Dieser Vorgang soll nachstehend im einzelnen erläutert werden. Man nehme an, die Resonanzfrequenzen der F₁- und T_Q-Schwingungsform betrügen f„ bzw» f_, so gilt folgende Beziehung:

^fF ⁼ ^KJ?T" ' ... (3)

wobei K„ und K₁₇₁ Konstanten sind.

Unter der Annahme, daß

^R " f,

^fT

gilt, ist es bekannt, daß R den Frequenz-Temperatur-Kennlinien entspricht. AUs den Gleichungen (3) und (4) erhält man:

Wenn man annimmt, daß der Wert von R bei α = 0 nun . · ist, so wir.d der Ausdruck (6) zur/

_ Kj .

^R°⁼ Kp *

Hat f-n den Wert f„_n, so erhält man aus Gleichung (3) : Jc Jt υ

f_F0 ^=KF

Wird t zuerst bestimmt, dann bestimmen sich w und 1 unter der Bedingung a, = 0 aus den Gleichungen (7) und (8) . Wenngleich im allgemeinen j3 j^ ο ist, ist nach Bestimmung von "w und 1 entsprechend dem oben geschilderten Vorgehen für jeden eingestellten Schnittwinkel die Beziehung α = ß = 0 bei einem gewissen Schnittwinkel gegeben. Zunächst wird t bestimmt, und dann werden 1 und w bei dem Schnittwinkel bestimmt, der α = ß =0 ergibt. Durch die Änderung, daß t zuerst bestimmt wird, ändert sich 1 und w oder das Verhältnis w/i,.was zu α = ß = "0 führt. Da γ der F₁-Schwingungsform hauptsächlich von dem Verhältnis w/1 abhängt ,-ändert sich Y und" wird bei einer etwaigen Dicke t* Null. Jetzt gilt natürlich α = 3 = γ = 0. . "

Fig. 7 zeigt die Frequenz-Temperatur-Kennlinie einer erfindungsgemäßen modengekoppelten Quarzstimmgabel. Man sieht, daß die Kennlinie in einem breiten Temperaturbereich gut ist, weil der Temperaturkoeffizient dritter Ordnung Null ist.

Es ist bekannt, daß es vier Schnittwinkel gibt, für die

α = β = 0 gilt. Solche Schnittwinkel sind folgendermaßen gegeben: . '

zyw - 12,5° ± 20 %

zyw + 25° t 20 %

zyl - 40° i 10 % ' '

zyl + 40° ί 10 %

Die Schnittwinkel ändern sich in dem Bereich, zwischen ± 10 % und ± 20 % in Abhängigkeit der Differenz zwischen synthetischem und natürlichem Quarz;. Mit diesen Schnittwinkeln ergeben sich t und w/1, die zu der Beziehung α = β = 0 und γ = 0 führen, wie folgt:

t = 50 μ^ 500 μ, und

w/1 = 0,08 /^ 0,15 ·

Da Resonatoren mit t £ 200 μ mittels Photolithographie-Verfahren hergestellt werden können, können solche Resonatoren mit geringen Abmessungen und kostengünstig hergestellt werden.

Elektronische Uhren, die eine modengekoppelte Quarzstimmgabel mit a, = β = γ =0 gemäß der Erfindung besitzen, können unter den verschiedensten ümweltbedingungen mit hoher Genauigkeit'arbeiten.

Der erfindungsgemäße Resonator kann als bezüglich Umgebungstemperaturen stabilisierte, klein bemessene Normal-

■ ο a · · 4«. «

10

•j frequenzquelle in nachrichtentechnischen Anlagen verwendet werden.

Wenngleich die. Erfindung anhand einer modengekoppelten 5 " .Quarzstimmgabel erläutert wurde, die eine Biegeschwingungsform des ersten Obertons verwendet, läßt sich die erfindungsgemäße Lehre auch auf solche QuarzStimmgabeln anwenden, die eine Oberwelle höherer Ordnung oder andere Schwingungsformen verwendet. 10

Leerseite

Claims

BLUMBACK · WESER'- BER^Kä . KRAMER ZWIRNER. HOFFMANN PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radeckestraße 43 8Q00 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsu.li ' Pateniconsuit Sonnenberger SUaSe 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 81/8763 3-4, 4-chome, Ginza, Chuo-ku, DR/sa Tokyo/ Japan Modengekoppelte Quarzstimmgabel Patentansprüche

1. Modengekoppelte Quarzstimmgabel, bei der die Biegeschwingungsform des ersten Obertons und eine Grund-Tors ions schwingungs form verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß
t = 50~ 500 um

W/l = 0,08 ~ 0,15

wobei t die Dicke der Stimmgabel, W die Breite der Stimmgabelarme und 1 die Länge der Arme ist, und daß der Schnittwinkel

zyw -12,5° ± 20 %, oder

zyw " i~ 20 %, oder

zyl -40^ö ί 10 %, oder · . . zyl +40° ί 10 %
beträgt.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-lng. Wiesbaden: P. O. Blumbach Dipl.-lng. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-lng. Dipl.-W.-Ing.

β · · *■ ύ ■> β ο *

β « « » Q · » α f *ν< t I·

2. QuarzStimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß t 200 μια oder weniger beträgt, und daß der Resonator nach dem Photolithographieverfahren hergestellt ist.