DE69206203T2

DE69206203T2 - Längsquarz-Kristallresonator.

Info

Publication number: DE69206203T2
Application number: DE69206203T
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Kawashima
Original assignee: Seiko Electronic Components Ltd
Current assignee: Seiko Electronic Components Ltd
Priority date: 1991-07-10
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2012-01-23
Also published as: EP0522676B1; EP0522676A1; JPH0522070A; DE69206203D1; US5218260A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Längs- Quarzkristallresonator, z.B. einen Resonator, welcher einen Schwingungsabschnitt und einen Trägerabschnitt umfaßt, die integral durch ein Ätzverfahren hergestellt werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Längs-Quarzkristallresonator mit einer Form, die für eine Taktsignalquelle eines tragbaren Instruments, wie z.B. einer IC-Karte, einer Rufanlage und einer bewegbaren Kommunikationsvorrichtung, geeignet ist, wobei der Resonator eine verringerte Größe und einen gesenkten Energieverbrauch aufweist.
Bei einem bekannten Längs-Quarzkristallresonator, welcher einen Schwingungsabschnitt und einen Trägerabschnitt umfaßt, die integral durch ein Ätzverfahren hergestellt sind, ist der Schwingungsabschnitt von einem einzigen Schwingungsarm gebildet, wodurch der Reihenwiderstand R&sub1; nicht gesenkt werden kann. Der bekannte Längs-Quarzkristallresonator mit einem einzigen Schwingungsarm weist daher eine relativ kleine Gesamtmasse auf. Daher weist der bekannte Resonator den Nachteil einer asymmetrischen Form auf, welche durch das Ätzverfahren aufgrund einer strukturellen Anisotropie des Quarzkristalls verursacht wird. Die Asymmetrie der Form kann das Schwingungsvermögen beeinträchtigen. In Anbetracht dessen weist der bekannte Resonator einen relativ großen Schwingungsenergieverlust durch den Trägerabschnitt auf, wodurch ernsthafte Probleme verursacht werden, wie z.B. ein unerwünscht hoher Wert von R&sub1;. Ferner bleibt gleichzeitig ein weiteres Problem darin, daß das Schwingungsstartansprechen aufgrund des großen Betrags der äquivalenten Induktivität L&sub1; relativ langsam ist. Es besteht daher seit langem das Verlangen nach einem Längs- Quarzkristallresonator mit kleinen Werten von R&sub1; und L&sub1;.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Längs-Quarzkristallresonator vorgesehen, umfassend Vibratormittel, welche über Brückenmittel mit einem Rahmenmittel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonantor wenigstens eine Anordnung von Schwingungsarmen umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind, Verbindungsabschnitte, welche die Schwingungsarme der Anordnung oder jeder der Anordnungen miteinander an ihren entgegengesetzten Enden verbinden, und Brückenabschnitte, welche den zentralen Teil von jeder der Anordnungen mit einem Abschnitt des Rahmenmittels verbindet.
Wenigstens eine der Anordnungen kann wenigstens drei Schwingungsarme umfassen, die parallel zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise umfaßt das Rahmenmittel einen Montageabschnitt, welcher integral mit jeweiligen Enden eines Paars von zueinander beabstandeten Rahmenabschnitten verbunden ist, deren entgegengesetzte Enden direkt oder indirekt mit jeweiligen Brückenabschnitten verbunden sind.
Wenigstens eine der Anordnungen kann sich bezüglich des Rahmenmittels nach außen erstrecken.
Es kann wenigstens drei der Anordnungen geben. In diesem Falle kann die zentral angeordnete der Anordnungen mehr Schwingungsarme aufweisen als die anderen und/oder kann sich bezüglich der anderen Anordnungen nach außen erstrekken. Ferner kann nur die zentral angeordnete Anordnung mit Anregungselektroden versehen sein, wodurch die äußeren Anordnungen beim Einschließen der Schwingungsenergie innerhalb der zentral angeordneten Anordnung helfen.
In einer Ausführungsform ist/sind die Anordnung/en vollständig durch Abschnitte des Rahmenmittels umgeben.
Ein Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Mehrzahl von Schwingungsarmen auf, welche durch einen Trageabschnitt getragen sind. Die Gesamtmasse der Mehrzahl von Schwingungsarmen kann derart eingerichtet sein, daß sie größer ist als die Masse eines einzigen Schwingungsarms, so daß ein Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung eine größere potentielle Energie aufweist. Daher kann die von dem Trageabschnitt an den Schwingungsarm angelegte Widerstandskraft, wenn diese Pro Schwingungsarm abgeschätzt wird, gesenkt werden. Gleichzeitig wird die elektromagnetische Energie vergrößert. Daher kann ein Längs-Quarz kristallresonator erhalten werden, welcher gesenkte Werte des Reihenwiderstands R&sub1; und der äquivalenten Induktivität L&sub1; aufweist.
Die Erfindung ist, lediglich anhand von Beispielen, in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in welchen
Fig. 1 eine Draufsicht ist, welche eine erste Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Draufsicht ist, welche eine zweite Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine Draufsicht ist, welche eine dritte Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 eine Draufsicht ist, welche eine vierte Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 eine Draufsicht ist, welche eine fünfte Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 1 umfaßt einen einzigen Vibratorabschnitt 2 und einen Trägerabschnitt 3, welcher mit dem Vibratorabschnitt 2 durch Brückenabschnitte 4 gekoppelt ist. Ferner umfaßt der Vibratorabschnitt 2 eine Anordnung von zwei Schwingungsarmen 2a, welche parallel zueinander angeordnet sind und welche miteinander an ihren entgegengesetzten Enden durch Verbindungsabschnitte 8 verbunden sind, die im wesentlichen belastungsfrei sind, um dadurch eine Öffnung 9 einzuschließen.
Der Trägerabschnitt 3 umfaßt ein Paar von Rahmenabschnitten 6, die mit einem Montageabschnitt 7 integral ausgebildet sind und deren Enden sich von diesem weg erstrecken. Jeder Rahmenabschnitt 6 ist an seinem entgegengesetzten Ende mit dem entsprechenden Brückenabschnitt 4 verbunden, der sich von einem zentralen oder mittleren Teil des jeweiligen Schwingungsarms 2a weg erstreckt, um einen flexiblen Abschnitt 5 zu bilden, welcher einer Biegeschwingung unterliegt. Wie man erkennen wird, erstreckt sich die Anordnung 2 aus dem Rahmen 3, 6, 7 heraus. Ferner sind Anregungselektroden (nicht gezeigt) derart angeordnet, daß sie ein Paar von Schwingungsarmen 2a in der gleichen Richtung in Schwingung versetzen.
Daher weist der Resonator der Fig. 1 eine um die Hälfte gesenkte äquivalente Induktivität, eine um das Doppelte erhöhte Kapazität und einen um die Hälfte gesenkten Reihenwiderstand R&sub1; im Vergleich zu einem bekannten Resonator mit einem einzigen Schwingungsarm auf, wobei diese Werte im Resonanzschwingungszustand gemessen werden. Zum Beispiel weist ein bekannter Resonator des Typs mit einem einzigen Schwingungsarm einen Reihenwiderstandswert von R&sub1;=380 Ohm bei einer Frequenz von f=450 kHz auf, wogegen der erfindungsgemäße Resonator der Fig. 1 mit den beiden Schwingungsarmen einen Reihenwiderstandswert von R&sub1;=195 Ohm aufweist, welcher in beträchtlicher Weise um die Hälfte gesenkt ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 1 dieser Ausführungsform umfaßt drei Vibratorabschnitte 2 und einen Trägerabschnitt 3. Der zentral angeordnete Vibratorabschnitt 2 erstreckt sich bezüglich der äußeren Vibratorabschnitte 2 nach außen heraus. Jeder Vibratorabschnitt 2 umfaßt eine Anordnung von zwei Schwingungsarmen 2a und Verbindungsabschnitten 8, die in einer dem Resonator der Fig. 1 entsprechenden Art und Weise angeordnet sind. Der Trägerabschnitt 3 ist derart aufgebaut, daß die Schwingungsenergie effizienter in den Vibratorabschnitten 2 eingeschlossen ist, die mit den Öffnungen 9 versehen sind, so daß der Trägerabschnitt 3 ein Paar von Brückenabschnitten 4 umfaßt, entsprechende Biegungsabschnitte, welche mit den jeweiligen Brückenabschnitten 4 verbunden sind, entsprechende Rahmenabschnitte 6, welche mit den jeweiligen Biegungsabschnitten 5 verbunden sind, und einen Montageabschnitt 7, welcher mit dem Paar von Rahmenabschnitten 6 verbunden ist. Durch einen derartigen Aufbau wird der Reihenwiderstand R&sub1; weiter gesenkt und gleichzeitig ist die Schwingungsenergie effizienter innerhalb der Vibratorabschnitte eingeschlossen, wodurch ein verbesserter Längs-Quarzkristallresonator vorgesehen ist, welcher im wesentlichen frei von Schwingungsenergieverlusten ist.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht einer dritten Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 1 umfaßt einen einzigen Vibratorabschnitt 2 und einen Trägerabschnitt 3, welcher mit dem Vibratorabschnitt 2 durch ein Paar von Brückenabschnitten 4 gekoppelt ist. Der Vibratorabschnitt 2 umfaßt eine Anordnung von drei Schwingungsarmen 2a, welche parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Arme 2a miteinander an ihren Enden, welche im wesentlichen belastungsfrei sind, durch Verbindungsabschnitte 8 verbunden sind, um Öffnungen 9 zu bilden. Ferner erstrecken sich die Brückenabschnitte 4 von Zwischenteilen des äußersten Paars von Schwingungsarmen 2a, wobei ein Paar von Rahmenabschnitten 6, umfassend ein Paar von Biegungsabschnitten 5, mit den entsprechenden Brückenabschnitten 4 verbunden ist, um eine Biegeschwingung gemäß dem Poisson-Verhältnis durchzuführen. Ferner sind Anregungselektroden (nicht gezeigt) angeordnet, um die drei Schwingungsarme 2a in der gleichen Richtung in Schwingung zu versetzen oder anzutreiben. Daher ist im Vergleich zu dem bekannten Resonator des Typs mit einem einzigen Schwingungsarm im Resonanzschwingungszustand des Resonators die äquivalente Induktivität um ungefähr ein Drittel gesenkt, die äquivalente Kapazität um ungefähr das Dreifache erhöht und der Reihenwiderstand um ungefähr ein Drittel gesenkt.
Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht einer vierten Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 1 umfaßt drei Vibratorabschnitte 2 und einen Trägerabschnitt 3. Der zentrale Vibratorabschnitt 2 umfaßt eine Anordnung von drei Schwingungsarmen 2a und Verbindungsabschnitten 8, welche in einer dem Resonator der Fig. 3 entsprechenden Art und Weise angeordnet sind. Der Trägerabschnitt 3 ist derart aufgebaut, daß die Schwingungsenergie effizienter innerhalb der Vibratorabschnitte 2 eingeschlossen ist, so daß der Trägerabschnitt 2 durch ein Paar von Biegungsabschnitten 5 gebildet ist, die mit jeweiligen Brückenabschnitten 4 verbunden sind, ein Paar von Rahmenabschnitten 6, die an ihren entgegengesetzten Enden mit den entsprechenden Biegungsabschnitten 5 verbunden sind, und einen Montageabschnitt 7, welcher mit den Rahmenabschnitten 6 verbunden ist. Durch einen derartigen Aufbau wird der Reihenwiderstand R&sub1; weiter gesenkt, während die Schwingungsenergie effizienter innerhalb der Vibratorabschnitte eingeschlossen ist, wodurch ein verbesserter Längs-Quarzkristallresonator hergestellt wird, welcher im wesentlichen frei von Schwingungsenergieverlusten ist.
Die Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer fünften Ausführungsform eines Längs-Quarzkristallresonators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Resonator 1 umfaßt drei Vibratorabschnitte 2 und einen Trägerabschnitt 3, welcher mit den Vibratorabschnitten 2 durch Brückenabschnitte 4 verbunden ist. Die Vibratorabschnitte 2 sind vollständig durch die Abschnitte des Rahmens umgeben. Ferner umfaßt der zentrale Vibratorabschnitt 2 sechs Schwingungsarme 2a, welche parallel zueinander angeordnet sind und an ihren entgegengesetzten Endabschnitten, die im wesentlichen belastungsfrei sind, durch Verbindungsabschnitte 8 miteinander gekoppelt sind, um Öffnungen 10 zu bilden. Der Trägerabschnitt 3 ist derart aufgebaut, daß die Schwingungsenergie effizienter innerhalb der Vibratorabschnitte 2 eingeschlossen ist. D.h. der Trägerabschnitt 3 umfaßt ein Paar von Biegungsabschnitten 5, welche mit den jeweiligen Brückenabschnitten 4 verbunden sind, ein Paar von Rahmenabschnitten 6, welche jeweils mit einem ihrer Enden mit den entsprechenden Biegungsabschnitten 5 verbunden sind, und einen Montageabschnitt 7, welcher mit dem Paar von Rahmenabschnitten 6 verbunden ist. Ferner sind Anregungselektroden (nicht gezeigt) auf geätzten Oberflächen der sechs Schwingungsarme 2a gebildet. Somit weist der zentral angeordnete Vibratorabschnitt 2 mehr Schwingungsarme 2a auf, als jeder der äußeren Vibratorabschnitte 2, von welchen jeder nur zwei Schwingungsarme 2a aufweist. Wenn jeder der äußeren Vibratorabschnitte 2 keine Anregungselektrode aufweist, unterstützt dies das Einschließen der Schwingungsenergie innerhalb des zentralen Vibratorabschnitts 2.
Daher weist in dem Resonanzschwingungszustand der Resonator 1 der Fig. 5 eine um ungefähr 1/6 gesenkte äquivalente Induktivität, eine uin ungefähr das Sechsfache erhöhte äquivalente Kapazität und einen mehr oder weniger um 1/6 gesenkten Reihenwiderstand R&sub1; auf, obwohl dies von Ausgestaltungsdetails des Trägerabschnitts 3 abhängt, im Vergleich zu dem bekannten Resonator des Typs mit einem einzigen Schwingungsarm. Wenn N im allgemeinen die Anzahl der in dem Vibratorabschnitt eingegliederten Schwingungsarme ist, dann ist die äquivalente Induktivität um ungefähr ein Ntel gesenkt.
Durch einen derartigen Aufbau wird die äquivalente Induktivität beträchtlich gesenkt, so daß die Schwingungsstartdauer verkürzt werden kann, um ein schnelles Startansprechen zu erreichen. Ferner wird der Reihenwiderstand R&sub1; gesenkt, während die Schwingungsenergie innerhalb des Vibratorabschnitts eingeschlossen ist, wodurch ein verbesserter Längs-Quarzkristallresonator vorgesehen ist, welcher im wesentlichen frei von Schwingungsenergieverlusten ist. Ferner kann, obwohl ein Resonator der vorliegenden Erfindung eine komplizierte Konfiguration aufweist, der Resonator integral durch ein chemisches Ätzverfahren hergestellt werden.
Ein Längs-Quarzkristallresonator, wie er vorangehend beschrieben worden ist, weist eine neue Form auf, die einen Vibratorabschnitt und einen Trägerabschnitt umfaßt und die integral durch ein Ätzverfahren hergestellt wird, wodurch die folgenden Effekte erhalten werden:
(1) Eine Mehrzahl von Schwingungsarmen ist vorgesehen, so daß die äquivalente Induktivität des Resonators gesenkt werden kann, um dadurch die Startzeit am Beginn der Oszillation zu verkürzen.
(2) Der Reihenwiderstand R&sub1; wird ebenso durch Integrieren einer Mehrzahl der Schwingungsarme gesenkt.
(3) Der Vibratorabschnitt und der Trägerabschnitt werden integral durch ein Ätzverfahren hergestellt, wodurch die Größe und die Dicke des Resonators verringert werden.
(4) Die Form des Trägerabschnitts ist verbessert, um einen Resonator herzustellen, welcher im wesentlichen frei von Schwingungsenergieverlusten ist. Daher weist der Resonator einen kleinen Reihenwiderstand R&sub1; auf, während der Resonator mit externen Leitungen durch den Montageabschnitt des Resonators verbunden werden kann.
(5) Eine Mehrzahl der Resonatoren kann durch ein MassenÄtzverfahren hergestellt werden, wobei jeder einzelne Resonator mit externen Leitungen am Montageabschnitt verbunden ist, welcher an einer Seite des Resonators angeordnet ist, wodurch eine Herstellung bei geringen Kosten ermöglicht wird.

Claims

1. Längs-Quarzkristallresonator, umfassend Vibratormittel (2), welche über Brückenmittel (4) mit einem Rahmenmittel (3, 6, 7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator wenigstens eine Anordnung (2) von Schwingungsarmen (2a) umfaßt, welche Parallel zueinander angeordnet sind, Verbindungsabschnitte (8), welche die Schwingungsarme (2a) von der Anordnung oder jeder der Anordnungen (2) an ihren entgegengesetzten Enden miteinander verbinden, und Brückenabschnitte (4), welche den zentralen Teil von jeder der Anordnungen (2) mit einem Abschnitt des Rahmenmittels (3, 6, 7) verbindet.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Anordnungen (2) wenigstens drei Schwingungsarme (2a) umfaßt, welche parallel zueinander angeordnet sind.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenmittel (3, 6, 7) einen Montageabschnitt (7) umfaßt, welcher integral mit jeweiligen Enden eines Paars zueinander im Abstand angeordneter Rahmenabschnitte (6) verbunden ist, deren entgegengesetzte Enden direkt oder indirekt mit jeweiligen Brückenabschnitten (4) verbunden sind.

4. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Anordnungen (2) sich von dem Rahmenmittel (3, 6, 7) nach außen erstreckt.

5. Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei der Anordnungen (2) vorhanden sind.

6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentral angeordnete der Anordnungen (2) mehr Schwingungsarme (2a) aufweist als die anderen.

7. Resonator an Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zentral angeordnete Anordnung (2) sich über die anderen Anordnungen (2) hinaus nach außen erstreckt.

8. Resonator nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung oder alle der Anordnungen (2) vollständig durch Abschnitte des Rahmenmittels (3, 6, 7) umgeben ist/sind.

9. Resonator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur die zentral angeordnete Anordnung (2) mit Anregungselektroden versehen ist, wobei die äußeren Anordnungen das Einschließen der Schwingungsenergie innerhalb der zentral angeordneten Anordnung unterstützen.

10. Längs-Quarzkristallresonator, umfassend: ein Paarvon Schwingungsarmen (2a), welche parallel zueinander angeordnet sind, Verbindungsabschnitte (8) zum Verbinden des Paars von Schwingungsarmen (2a) anihren Enden, Brückenabschnitte (4), welche sichvon Zwischenteilen der jeweiligen Schwingungsarme (2a) weg erstrecken, und ein Paar von Rahmenabschnitten (6), welche mit den jeweiligen Brückenabschnitten (4) verbunden sind und an ihren Enden integral getragen sind.

11. Längs-Quarzkristallresonator, umfassend: wenigstens drei Schwingungsarme (2a), welche parallel zueinander angeordnet sind, Verbindungsabschnitte (8) zum Verbinden der Schwingungsarme (2a) an ihren Enden, ein Paar von Brückenabschnitten (4), welche sich von Zwischenteilen eines äußersten Paars der Schwingungsarme weg erstrecken, und ein Paar von Rahmenabschnitten (6), welche mit den jeweiligen Brückenabschnitten (4) verbunden sind und an ihren Enden integral getragen sind.