DE3220032C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quarzresonatoreinheit entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Herstellung von Uhren mit hoher Ganggenauigkeit finden vorzugsweise zusammengesetzte Resonatoren Verwendung, die aus zwei stimmgabelförmigen Schwingquarzen bestehen. Bei derartigen Resonatoren ist die Frequenz nahezu unabhängig von der Tempera­ tur, wenn eine geeignete Kombination der Frequenz-Temperatur­ charakteristiken entsprechend der Differenz der Schnittwinkel der beiden Schwingquarze verwendet wird. Neben einer möglichst hohen Ganggenauigkeit wird ferner auch eine Miniaturisierung an­ gestrebt, so daß insbesondere extrem flache Armbanduhren herge­ stellt werden können. Im Hinblick auf eine Miniaturisierung ist es jedoch nicht wünschenswert, zwei Schwingquarze in einer Arm­ banduhr vorzusehen. Es wurden ferner Schwingquarze mit einem AT- Schnitt entwickelt, die eine hohe Ganggenauigkeit mit Hilfe eines einzigen Schwingquarzes ermöglichen. Bei Verwendung derartiger Schwingquarze ergeben sich jedoch Schwierigkeiten im Hinblick auf den hohen Stromverbrauch bei hohen Frequenzen, auf die entspre­ chend kurze Lebensdauer der Batterie, sowie im Hinblick auf eine Miniaturisierung.

Deshalb wäre es wünschenswert, Schwingquarze mit einem GT-Schnitt derartig zu verbessern, daß sie in Massenproduktion durch Fotoätzverfahren mit einer miniaturisierten Größe herge­ stellt werden können. Ein derartiger Schwingquarz kann durch eine geeignete Kombination des Schnittwinkels, der Form und der Elektro­ denanordnung derart ausgebildet werden, daß er bei sehr kleiner Größe eine kleine Kristallimpedanz und eine sehr gute Frequenz- Temperaturcharakteristik besitzt. Vorteile eines derartigen Schwingquarzes mit einem GT-Schnitt bestehen insbesondere im Hinblick auf die Temperaturcharakteristik, da die Frequenzab­ weichungen bei Temperaturen zwischen -80°C und 120°C nur einige ppm betragen. Da die Temperaturcharakteristik des Schwingquarzes durch das Abmessungsverhältnis der langen Seite zu der kurzen Seite des Schwingquarzes bestimmt wird, ergibt sich eine Ver­ schlechterung der Temperaturcharakteristik in Abhängigkeit von bei der Herstellung unvermeidbaren Herstellungstoleranzen. Des­ halb ist es zweckmäßig, eine Frequenzeinstellung durch Auftragen von Massen auf die kurzen und langen Seiten durchzuführen, oder eine Frequenzeinstellung durch Entfernung vorher aufgetragener Massen mit Hilfe von Lasereinrichtungen durchzuführen. Im folgen­ den sollen einige Schwierigkeiten beschrieben werden, die bei der Frequenzeinstellung auftreten.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Schwingquarz R mit einem GT-Schnitt (DE-OS 29 39 844), der einen Schwingteil 1, Brückenteile 2, sowie Dämpfungsteile 3 enthält, welche eine Schwingungsübertragung zu Stützteilen 4 ver­ hindern sollen. Der schraffierte Bereich zeigt die Ausbildung einer Elektrode. Die Temperaturcharakteristik des Resonators wird durch Kopplung von zwei Schwingungsformen des einzigen Schwingquarzes erhalten und hängt von der Frequenzdifferenz der beiden Schwingungsformen ab. Insbesondere wird die Temperaturcharakteristik eines Schwing­ quarzes mit einem GT-Schnitt durch die Differenz zwischen der kürzeren und der längeren Seitenabmessung bestimmt. Die höhere Frequenz f _Hy wird durch die Länge H der kurzen Seite und die ge­ ringere Frequenz f _L wird durch die Länge L der langen Seite be­ stimmt. Die Frequenz-Temperaturcharakteristik dieses Schwing­ quarzes wird bestimmt durch f _H -f _L = Δ f.

Fig. 2 zeigt die Anordnung des Schwingquarzes R in Fig. 1 auf einem Träger 5 zum Zwecke der Einstellung von Δ f. Fig. 2 zeigt zu verdampfendes Material E, das von der Oberseite her aufgedampft wird. Mit Hilfe bekannter Ver­ fahren ist es jedoch verhältnismäßig schwierig, eine geeignete Frequenzeinstellung zu erzielen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der auf dem Träger 5 ange­ ordnete Schwingquarz R mit einer Zuleitung 7 durch ein Lötmittel 6 verlötet. Der Träger stützt die beiden Stützteile 4 des Schwingquarzes in Fig. 1 ab, um eine stoßsichere Lagerung zu er­ möglichen, da die Brückenteile 2, die zur Schwingungsdämpfung dienen, sehr dünn ausgebildet sind.

Fig. 3 dient zur Erläuterung eines Verfahrens zur Frequenzein­ stellung, das für eine Massenproduktion geeignet ist. Bei diesem bekannten Aufdampfungsverfahren ist das zu verdampfende Material im Gegensatz zu Fig. 2 unter dem Schwingquarz angeordnet. Der an dem Träger 5 angeordnete Schwingquarz R wird über eine Zuleitung 7 mit einer Oszillatorschaltung verbunden, so daß dessen Fre­ quenz bei der Frequenzeinstellung gemessen werden kann. Ein den Schwingquarz tragender Stift 8 wird mit Hilfe eines unter Feder­ vorspannung stehenden Zapfens 9 gegen die Halterung angedrückt. An das zu verdampfende Material E wird eine Spannung angelegt, so daß eine Aufdampfung durch Öffnungen in einer Maske M erfolgen kann. Bei diesem Verfahren wird das zu verdampfende Material orts­ fest angeordnet und der Schwingquarz R zusammen mit der Maske be­ wegt, so daß nur der betreffende Schwingquarz, dessen Frequenz engestellt werden soll, unmittelbar über dem zu verdampfenden Material angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht in Richtung des Pfeils X in Fig. 3. Der Schwingquarz R ist auf der Unterseite des Trägers 5 angeordnet. Wenn ein Träger, wie beispielsweise der Träger 5 B, und damit der betreffende Schwingquarz unter einem Winkel versetzt angeordnet ist, erfolgt eine versetzte Auftragung des verdampften Materials gegenüber der Lage der Öffnung der Maske M, so daß die Massen nicht an den gewünschten Stellen entlang der kurzen und langen Seite des Schwingquarzes aufgetragen werden. Derartige Fehler treten in der Praxis verhältnismig oft auf. Da die Massen bei einer oszillierenden Bewegung des Schwingquarzes aufgetragen wer­ den, muß ferner ein gewisser Abstand zwischen der Maske und dem Schwingquarz vorgesehen werden, so daß die Massen auf Bereichen aufgetragen werden, deren Fläche größer als die Öffnung der Maske ist. Ferner werden die Öffnungen in der Maske fortschreitend klei­ ner, da an deren Umrandung ebenfalls verdampftes Material nieder­ geschlagen wird. Deshalb ist eine geeignete Positionierung ver­ hältnismäßig schwierig und langwierig bei bekannten Verfahren zur Frequenzeinstellung, zumal der Schwingquarz in eine geeigne­ te Lage relativ zu der Öffnung der Maske gebracht werden muß. Ferner ist der Bereich der Masseauftragung auf dem Schwingquarz größer als die betreffende Öffnung der Maske, da ein ausreichen­ der Abstand zwischen dem Schwingquarz und der Maske eingehalten werden muß. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß die Maske wegen der Verkleinerung der Öffnungen nach einer gewissen Betriebszeit durch eine neue Maske ausgewechselt werden muß.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Quarzresonator­ einheit der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die bei der Herstellung erfolgende Frequenzeinstellung durch das Aufdampfen oder Aufsprühen von Material in möglichst genau vorherbestimmbaren Bereichen bei ver­ ringertem Arbeitsaufwand durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise wird ein der­ artiger Schwingquarz durch ein Foto-Ätzverfahren herge­ stellt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß keine zusätzliche Maske erforderlich ist, welche Masken bisher bei der Massenproduktion erforderlich waren. Dadurch kann nicht nur ein zusätzlicher Arbeitsaufwand vermieden werden, sondern mit Hilfe der Öffnungen können auch die zu bedampfenden Be­ reiche hinsichtlich ihrer Lage ausreichend genau vorherbe­ stimmt werden.

Bei der Erfindung besteht ferner der Vorteil, daß der Abstand zwischen den Quarzresonatoreinheiten und der Verdampfungsein­ heit verringert werden kann. Bei mehrmaligem Aufdampfen durch die Öffnung einer Maske wäre es außerdem wegen der Divergenz der Materialteilchen beim Bedampfungsvorgang erforderlich, den Abstand der Maske von den Quarzresonatoreinheiten entsprechend der Verringerung der Querschnittsgröße der Öffnungen der Maske zu verändern, oder bei einer Massenproduktion sehr nachteilige Produktionsunterbrechungen zum Auswechseln der Maske vorzu­ sehen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher er­ läutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen bekannten Schwingquarz mit einem GT-Schnitt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Schwingquarzes in Fig. 1, der an einem Träger angeordnet ist;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer Einrichtung zur Frequenzeinstel­ lung derartiger Schwingquarze mit Hilfe eines bekannten, eine Massenproduktion ermöglichenden Verfahrens;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Einrichtung in Fig. 3; und

Fig. 5 bis 7 perspektivische Ansichten von Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung.

Das erste in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Schwingquarz 10 mit einem GT-Schnitt vor der Anordnung auf einem Träger 11, der mit einer Anzahl von Öffnungen A 1, A 2 und B 1, B 2 versehen ist. Der Träger 11 besitzt eine Ausnehmung und der Schwingungsteil, die Dämpfungsteile und die Brückenteile des Schwingquarzes 10 werden über der Ausnehmung des Trägers ange­ ordnet. Die Öffnungen in dem Träger sind in der Nähe der Mitte der beiden längeren Seiten und der beiden kürzeren Seiten des Schwingungsteiles des Schwingquarzes angeordnet.

Die Öffnungen können jedoch auch in den Ecken des Schwingungs­ teils oder in Zwischenlagen zwischen den Ecken und den Mitteltei­ len der längeren und kürzeren Seiten des Schwingungsteils vorge­ sehen werden. Dann ist es jedoch schwieriger, die Frequenz der langen Seiten und der kurzen Seiten unabhängig voneinander zu ändern, da die zur Frequenzänderung auf die langen Seiten aufge­ tragenen Massen auch eine beträchtliche Änderung der Frequenz der kurzen Seiten verursachen, so daß eine geeignete Einstellung von Δ f verhältnismäßig schwierig ist.

Im folgenden soll ein Verfahren zur Frequenzeinstellung bei Ver­ wendung eines Schwingquarzes mit GT-Schnitt mit einem derartigen Träger erläutert werden. Der auf dem Träger angeordnete und damit verlötete Schwingquarz (Fig. 2) wird beispielsweise in eine be­ kannte Einrichtung der in Fig. 3 dargestellten Art zur Durchfüh­ rung einer Aufdampfung eingesetzt. Die Form der auf den Schwing­ quarz aufgetragenen Massen wird durch die Öffnungen in dem Trä­ ger 11 bestimmt, so daß eine mit Öffnungen versehene Maske der in Fig. 3 dargestellten Art nicht erforderlich ist. Ferner ist es deshalb nicht erforderlich, eine Ausrichtung des Schwingquar­ zes zu den betreffenden Öffnungen der sonst erforderlichen Maske durchzuführen.

Während einer Halterung des Schwingquarzes in seiner Lage wird die Frequenzdifferenz Δ f eingestellt. Fig. 6a zeigt eine Rück­ ansicht des Trägers 11 in Fig. 5 bei der Einstellung der höheren Frequenz f _H . Die Öffnungen B 1 und B 2 werden dann durch ein Ab­ deckglied 12 abgedeckt. Das Abdeckglied 12 dient als Verschluß zum Öffnen und Schließen der Aufdampfungsbereiche und kann durch Anordnung an der Aufdampfungseinrichtung in einfacher Weise be­ tätigt werden. Das Abdeckglied 12 kann in Berührung mit dem Trä­ ger stehen, so daß die Öffnungen B 1 und B 2 gut abgedichtet wer­ den. Deshalb ist es nicht erforderlich, wie bei bekannten Verfah­ ren, eine mit Öffnungen versehene Maske zu verwenden und eine Relativbewegung zwischen Maske und Schwingquarz durchzuführen. In der dargestellten Lage wird deshalb die höhere Frequenz f _H einge­ stellt, während die Öffnungen B 1 und B 2 abgedeckt sind.

Fig. 6b betrifft die Einstellung der niedrigeren Frequenz f _L . Da­ bei werden zunächst mit Hilfe eines weiteren Abdeckglieds 13 die Öffnungen A 1 und A 2 abgedeckt. Dann kann die niedrigere Frequenz f _L eingestellt werden und damit die Frequenzdifferenz Δ f wesent­ lich einfacher als bei bekannten Verfahren einjustiert werden.

Ein weiterer Vorteil bei Verwendung eines derartigen Trägers, bei dem der Schwingquarz über der konkaven Ausnehmung des Trägers angeordnet wird, ergibt sich dadurch, daß ein zweckmäßiger Ab­ stand zwsichen den Öffnungen und dem Schwingteil des Schwing­ quarzes vorhanden ist. Ein Abstand von größenordnungsmäßig 10 Mikrometer reicht aus, um eine Berührung des Schwingungsteils des Schwingquarzes mit dem Träger bei normalen Stoßbelastungen zu vermeiden. Wenn die konkave Ausnehmung des Trägers 11 eine Tiefe von etwa 30 Mikrometer aufweist, reicht eine Plattenstärke des Trägers von 100 Mikrometer aus, welche zur Hälfte ausgeätzt wird, so daß der Träger mit einer sehr gleichförmigen Dicke her­ gestellt werden kann. Da die Öffnungen dem Träger in einem sehr kleinen Abstand von dem Schwingungsteil des Schwingquarzes angeordnet werden können, ist der Aufdampfungsbereich auf den Schwingquarz praktisch gleich der Größe und Ausbildung der Öff­ nungen in dem Träger. Da der Schwingquarz durch Klebstoffe zu­ verlässig an dem Träger befestigt werden kann, kann eine genaue Relativlage der Öffnungen sichergestellt werden. Deshalb werden die Massen auf dem Schwingungsteil entsprechend der Form der Öffnungen selbst dann aufgetragen, wenn die Lage der Öffnungen mehr oder weniger von dem Träger beim Einsetzen in die Aufdamp­ fungseinrichtung versetzt sind. Deshalb ist eine in einfacher Weise durchführbare Ausrichtung des Schwingquarzes auf dem Trä­ ger relativ zu der Aufdampfungseinrichtung möglich, da in diesem Zusammenhang eine besonders präzise Anordnung Anordnung nicht er­ forderlich ist.

Im Gegensatz zu der Verwendung einer Maske bei bekannten Verfah­ ren, deren Öffnungen bei wiederholter Benutzung einen sich fort­ schreitend verringernden Querschnitt aufweisen, tritt bei der beschriebenen Ausbildung des mit Öffnungen versehenen Trägers diese Schwierigkeit nicht auf, weil jeder Schwingquarz an einem derartigen Träger angeordnet ist und die Frequenzeinstellung durch die vorgesehenen Öffnungen jeweils nur einmal erfolgt.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Träger 11 nur mit einer einzigen Öffnung C versehen ist. Die einzige Öffnung wird verwendet, um die Dicke der erregenden Elektroden für die Frequenzeinstellung hinzuzufügen, falls die Einstellung der Frequenz-Temperaturcharakteristik nahezu beendet ist und auf die Schwingungsfrequenz (Exponenten von 2) einjustiert ist. Obwohl die beschriebenen Ausführungsbeispiele besonders gut auf Schwingquarze mit einem AT-Schnitt und mit einem GT-Schnitt an­ wendbar sind, ist die Erfindung auch auf Schwingquarze mit anderen Schwingungsformen anwendbar.

Claims (2)

1. Quarzresonatoreinheit, die aus einem insbesondere einen GT-Schnitt aufweisenden Schwingquarz mit einem rechteck­ förmigen Schwingungsteil besteht, an dem zumindest an einer von zwei gegenüberliegenden Seiten ein über ein Brückenteil damit verbundener Stützteil vorgesehen ist, sowie aus einem Träger besteht, der mit dem bzw. den Stützteilen verbunden ist, wobei der Träger eine Aus­ nehmung aufweist, über der der Schwingungsteil in einem Abstand von der dadurch gebildeten Trägeroberfläche an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Trägers, der gegenüber dem Schwingungsteil in einem Abstand davon angeordnet ist, zumindest eine Öffnung gegenüber einem Kantenbereich des Schwingungsteils vor­ gesehen ist, durch die Material für die Einstellung der Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Schwingquarzes aufgedampft oder aufgesprüht werden kann.

2. Quarzresonatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwingquarz durch ein Foto-Ätzver­ fahren hergestellt ist.