DE3324084A1

DE3324084A1 - Piezoelektrischer resonator in form einer stimmgabel

Info

Publication number: DE3324084A1
Application number: DE19833324084
Authority: DE
Inventors: Jean 2000 Neuchâtel Hermann
Original assignee: Centre Electronique Horloger SA
Current assignee: Centre Electronique Horloger SA
Priority date: 1982-07-14
Filing date: 1983-07-05
Publication date: 1984-01-19
Also published as: GB8317704D0; GB2124022A; CH650897GA3; US4503353A; JPS5923909A; DE3324084C2; GB2124022B

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Resonator aus Quarz in Form einer Stimmgabel, der für Uhren verwendbar ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Resonator liefert eine relativ niedrige Frequenz und wird aufgrund seiner guten Stoßfestigkeit, seiner leicht durchführbaren Herstellung und Montage derzeit bei der Uhrenherstellung am häufigsten benutzt. Der zunehmende Wunsch nach einer höheren Genauigkeit hat die Hersteller dazu veranlaßt, dessen Leistungen und vor allem dessen thermische Eigenschaften zu verbessern. W.P. Mason hat in seinem Artikel "A new quartz-crystal plate", veröffentlicht im Januar 1940 in "Bell Telephone System Technical Publications" aufgezeigt, wie die thermischen Eigenschaften durch die Kopplung verschiedener Schwingungsarten beeinflußt werden können. Erst vor kurzem sind durch die Firma Suwa Seikosha Co. Ltd. zwei Anwendungen der Form einer Stimmgabel auf der 33. und 34. Tagung "Annual Frequency Control Symposium" von 1979 bzw.. 1980 vorgestellt worden. Die erste Veröffentlichung durch E. Monosaki et al, mit dem Titel "New quartz tuning fork with very low temperature coefficient" betrifft eine Stimmgabel, die gemäß der Biegegrundschwingung schwingt und deren Temperaturkoeffizienten

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erster und zweiter Ordnung aufgrund einer Kopplung mit der Torsionsgrundschwingung verschwinden. Die zweite Veröffentlichung durch S. Kogure et al mit dem Titel "New type twin mode resonator" betrifft ebenfalls eine Stimmgabel, die Biegeschwingungen, allerdings in der 1. Harmonischen durchführt und eine Kopplung mit der Torsionsgrundschwingung benutzt.

Xn diesen beiden Fällen wird die Kopplung dazu benutzt, die thermischen Eigenschaften einer Stimmgabel, die gemäß einer Biegeschwingung schwingt, zu modifizieren, wodurch die Frequenzänderungskurve als Funktion der Temperatur, die zunächst parabelförmig verläuft, in eine kubische Funktion transformiert wird. Der hauptsächliche Nachteil der beschriebenen Lösung besteht darin, daß die vorgesehene Kopplung die Dispersion des thermischen

Koeffizienten erster Ordnung erheblich vergrößert, die folg-. . lieh- individuell eingestellt werden muß, wodurch auch die Herstellungskosten eines solchen Resonators erhöht werden. Außerdem sind die Schnittwinkel und Schwingungsart so gewählt, daß ohne Kopplung der thermische Koeffizient erster Ordnung einen hohen Wert besitzt, so daß sich der Effekt der Kopplung zugleich auf den Koeffizienten der ersten Ordnung und den Koeffizienten der zweiten Ordnung auswirkt. Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Resonator in Form einer Stimmgabel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, dessen Frequenz über einen großen Temperaturbereich praktisch konstant bleibt und der keine Einstellung seiner thermischen Eigenschaften erfordert.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst

Hierbei kann erreicht werden, daß der Temperaturkoeffizient erster Ordnung nahezu Null und der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung klein ist, insbesondere können die Temperaturkoeffizienten erster und zweiter Ordnung nahezu Null sein. Der Resonator ist geeignet, nach photolithographischen Verfahren hergestellt zu werden.

Die Wahl einer Torsionsschwingung erlaubt die Schnittwinkel 0 und θ derart zu legen, daß der thermische Koeffizient erster Ordnung Null ist. In diesem Fall ist der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung klein und es ist möglich, ihn verschwinden zu lassen, indem eine Kopplung mit einer Biegeschwingung angewendet wird, ohne daß die Kopplung den Koeffizienten erster Ordnung beeinflußt.

Die geometrischen Abmessungen des Resonators können so gewählt werden, daß die Torsionsgrundschwingung mit einer Biegeschwingung gekoppelt wird, so daß die Temperaturkoeffizienten erster und zweiter Ordnung mindestens annähernd bei Null liegen.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den UnteranSprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert werden.

Fig.1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Resonators.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht

einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht

einer dritten Ausführungsform. 30

Fig. 4 zeigt für die Resonatoren der Figuren 1 und 2 die Anordnung von Elektroden.

Fig. 5 zeigt für den Resonator der Figur 3 die Anordnung von Elektroden.

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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Resonators, in der Schnittwinkel und Orientierung des Resonators in Bezug auf Kristallachsen dargestellt sind. Ausgehend von einem Quarzkristall, dessen elektrische, mechanische und optische Achsen durch die Achsen X, Y bzw. Z angegeben sind, erhält man eine Grundplatte nach einer ersten Drehung um die Y-Achse mit dem Winkel 0 gefolgt von einer zweiten Drehung um die Z'-Achse mit dem Winkel Θ. In dem neuen Achsensystem X¹, Y' und Z¹ ist die Stimmgabel so orientiert, daß sich ihre Länge 1 entlang der X'-Achse, Ihre Breite w entlang der Y'-Achse und ihre Stärke t entlang der Z'-Achse erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Schnittwinkel 0 und θ Werte von 59° bzw. 49°. Diese Schnittwinkel sind so gewählt, daß für eine Schwingung des Resonators gemäß der Torsionsgrundschwingung der thermische Koeffizient erster Ordnung im wesentlichen Null ist. Der thermische Koeffizient zweiter Ordnung kann ebenfalls verschwinden durch die Einstellung der Stärke t des Resonators derart, daß eine Kopplung der Torsionsgrundschwinung mit der ersten harmonischen Biegeschwingung erreicht wird. Mit den vorstehend definierten Schnittwinkeln besitzt die Kopplung keinen wesentlichen Einfluß auf den thermischen Koeffizienten erster Ordnung, wirkt dagegen aber beträchtlich auf den thermischen Koeffizienten zweiter Ordnung ein. Im Vergleich zu den bekannten Stimmgabeln, die gemäß einer nicht gekoppelten Biegeschwingung schwingen, zeigt diese Stimmgabel ein besseres thermisches Verhalten, ihre Frequenzänderungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur ist eine kubische Funktion, während sie für die bekannten Stimmgabeln eine quadratische Funktion ist. Während die Stärke t des Resonators durch die notwendige Kopplungsstärke für das Beseitigen des thermischen Koeffizienten zweiter Ordnung definiert ist, sind die anderen Abmessungen, nämlich die Länge 1 und die Breite w der Arme so festgelegt,

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daß ein annehmbarer Kompromiß zwischen der Frequenz und den Abmessungen des Resonators erreicht wird. Zum Beispiel kann ein Resonator für Uhren, der in ein zylindrisches Gehäuse mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 6 mm eingekapselt ist, mit einer Schwingungsfrequenz der Größenordnung von 260 kHz realisiert sein.

Fig. 4 zeigt anhand eines Querschnitts durch einen der Stimmgabelarme die Anordnung von Elektroden, die notwendig sind, um den Resonator von Fig. 1 zu Torsionsschwingungen anzuregen. Auf den vier Flächen eines Arms 10 sind Metallschichten 11 bis 14 angebracht, die als Elektroden dienen. Die Elektroden 11 und 12 oder 13 und 14 zweier gegenüberliegender Flächen haben die gleiche Polarität, während die beiden Elektroden von angrenzenden Flächen entgegengesetzte Polarität aufweisen. Die Elektroden ebenso wie die Verbindungen zwischen den Elektroden oder zwischen den Elektroden und den Ausgangsklemmen sind in bekannter Weise realisiert.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Ausführungsform des Resonators der Fig. 1, bei der die Stimmgabelarme parallel zur Y'-Achse verlaufen. Wie im Falle der Fig. 1 werden die Achsen X¹, Y¹ und Z¹ aus den Kristallachsen X,Y und Z mittels zweier Drehungen erhalten, die erste erfolgt um die Y-Achse mit dem Winkel 0 und die zweite um die Z-Achse mit dem Winkel Θ. Die Schnittwinkel 0 und θ liegen in dem Bereich zwischen 5O°<0<7O° und 40°<θ<65°. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführung betragen die Winkel 0 und θ 60° bzw. 50,5° und gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausf+hrung 61° bzw. 57,5°. Alle Bemerkungen, die in Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1 gemacht wurden, beziehen sich auch auf die Ausführungsform der Fig. 2. Um den Resonator zu Schwingungen gemäß der Torstionsgrundschwingung anzuregen, wird insbesondere die gleiche Anordnung der Elektroden (Fig.4) benutzt. Mittels einer geeigneten Wahl der Stärke der Stimmgabel kann der thermische Koeffizient zweiter Ord-

nung durch eine Kopplung der Torsionsgrundschwingung mit der ersten Harmonischen der Biegeschwingung beseitigt werden. Die Kopplung besitzt nur einen Einfluß auf den thermischen Koeffizienten zweiter Ordnung, da der Koeffizient erster Ordnung für die vorstehend definierten Schnittwinkel nahezu Null ist.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem man die Achsen X¹, Y¹, Z' aus den Kristallachsen X/ Y, und Z durch zwei Drehungen erhält; die eine erfolgt um die X-Achse mit dem Winkel 0 und die andere mit dem Winkel θ um die Z'-Achse. Die Stimmgabel ist so orientiert, daß ihre Arme parallel der X'-Achse verlaufen. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform besitzten die Schnittwinkel 0 und θ Werte von -45,5° und + 45?. Für diese Schnittwinkel weist der Resonator der Fig. 3, wenn er zu Torsionsgrundschwingungen angeregt wird, einen thermischen Koeffizienten erster Ordnung auf, der praktisch Null ist, und einen sehr geringen Koeffizienten zweiter Ordnung auf. Die Anordnung der Elektroden, die für die Anregung eines solchen Resonators zu Torsionsschwingungen verlangt wird, ist in Fig. 5 dargestellt. Nur zwei Flächen eines jeden Armes brauchen metallisiert zu sein. Jede der zwei Flächen trägt zwei Elektroden 21 und 24 oder 22 und 23, die entgegengesetzte Polarität aufweisen, und die entsprechenden Elektroden, etwa 21 und 23 und 22 und 24, der zwei Flächen besitzen ebenfalls entgegengesetzte Polarität. Die Elektroden des anderen Stimmgabelarmes zöigen eine identische Anordnung, ihre Polarität ist insgesamt entgegengesetzt zu der der entsprechenden Elektroden des ersten Armes. Die verschiedenen beschriebenen Resonatoren zeigen interessante thermische Eigenschaften und erfordern keine individuelle Einstellung. Sie können daher billig hergestellt werden z.B. durch Aussparüngs-Photolithographie.

Claims

Ansprüche

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Piezoelektrischer Resonator in Form einer Stimmgabel, der aus einer Quarzplatte mit den Achsen X', Y' und Z¹ besteht, wobei sich die Achsen X', Y¹ und Z¹ aus einer elektrischen Achse X, einer mechanischen Achse Y und einer optischen Achse Z ergeben mittels einer ersten Drehung um die Y-Achse mit einem Winkel 0 und einer zweiten Drehung um die Z'-Achse mit einem Winkel Θ, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator gemäß einer Torsionsgrundschwingung schwingt und die Schnittwinkel 0 und θ wählbar sind, daß der thermische Koeffizient erster Ordnung im wesentlichen Null ist.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wahl seiner geometrischen Abmessungen die Torsionsgrundschwingung mit einer Biegeschwingung derart gekoppelt ist, daß der thermische Koeffizient zweiter Ordnung im wesentlichen Null ist.
3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Arme der Stimmgabel parallel zur X'-Achse der Quarzplatte verlaufen und die Schnittwinkel 0 und θ in den Bereichen 50°^. 0^70° und 40°<θ<.65° liegen.

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4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel 0 = 59° und θ 49° sind.
5. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme der Stimmgabel parallel zur Y'-Achse der Quarzplatte verlaufen und die Schnittwinkel 0 und θ in den Bereichen 50°< 0<7O° und 40°< θ <70° liegen.
6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel 0 = 60° und θ = 50,5° sind.
7. Resonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittwinkel 0 = 61° und θ = 57,5° sind.
8. Piezoelektrischer Resonator in Form einer Stimmgabel, der aus einer Quarzplatte mit den Achsen X¹, Y¹ und Z' besteht, wobei sich die Achsen X¹, Y¹ und Z¹ aus einer elektrischen Achse X, einer mechanischen Achse Y und einer optischen Achse Z ergeben mittels einer ersten Drehung um die Y-Achse mit einem Winkel 0 und einer zweiten Drehung um die Z'-Achse mit einem Winkel Θ, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme der Stimmgabel parallel der X'-Achse der Quarzplatte verlaufen, die Stimmgabel gemäß einer Torsionsgrundschwingung schwingt, und die Schnittwinkel 0 und θ wählbar derart sind, daß der thermische Koeffizient erster Ordnung im wesentlichen Null ist.
9. Resonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß seine geometrischen Abmessungen derart gewählt sind, daß der Torsionsgrundschwingungsmodus mit einem Biegeschwingung smodus gekoppelt ist, so daß die Temperaturkoeffizienten erster und zweiter Ordntmg "mindestens annähernd bei Null liegen.
10. Resonator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schnittwinkel 0 bzw. θ gilt:

-50° < 0 <-32° bzw. θ = - 45°
11. Resonator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schnittwinkel 0 bzw. θ gilt:

40°< 0 <80° bzw. θ = * 45°