DE2703334A1

DE2703334A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2703334A1
Application number: DE19772703334
Authority: DE
Inventors: Hirofumi Kawashima
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1976-01-29
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US4112323A; CH625389GA3; HK48282A; GB1536066A; FR2339992A1; FR2339992B1; CH625389B

Description

24.1.1977

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH d - «.os.« unterpi-affehhofen PATENTANWALT postfach S/eS TELEFON (MÜNCHEI· ·4 S6 S·

PHONS

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Heine Akte: D-4180 Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo, Japan Piezoelektrischer Schwinger

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Im allgemeinen wird ein Quarzkristallschwinger, der die Fora einer Stimmgabel hat, in Uhren verwendet und hat eine Frequenz von 32768 Hz. Diese Frequenz wird durch herkömmliche IC-Technik festgelegt. Ein Schwinger mit stimmgabelähnlichem Aufbau wird im allgemeinen wegen der einfachen Lagerung benutzt, wobei die Qualität des Schwingers nicht beeinträchtigt ist. Ein stimmgabelähnlicher Schwinger liefert eine parabelförmige Frequenz-Temperatur-Kennlinie, was rechnerisch ermittelt werden kann; der Parabel-Koeffizient eines derartigen Schwingers ist jedoch groß, weshalb es schwierig ist, einen äußerst exakt arbeitenden Quarzkristall fUr Armbanduhren auf der Grundlage

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der bekannten Schwinger zu schaffen. Um einen äußerst präzis arbeitenden Quarzkristall fUr eine Armbanduhr zu schaffen/ ist es notwendig, die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Schwingers zu verbessern. Dabei ist es jedoch wiederum schwierig, einen AT-Quarzkristallschwinger, d.h. einen temperaturabhängigen Quarzkristallschwinger kleiner Größe ζυ schaffen, der gute Frequenz-Temperatur-Eigenschaften hat. Bislang ist es nicht möglich, einen derartigen Schwinger zu schaffen, der in Armbanduhren verwendet werden kann. Trotz der Fortschritte in der SOS-IC-Technik lassen sich die Fortschritte nicht auf derartige Schwinger umlegen, so daß ein günstiger Schwinger für Armbanduhren geschaffen werden könnte. Im allgemeinen ist der Schaft- oder Stangenabschnitt eines stimmgabelähnlichen Schwingers starr an dem Lagerelement befestigt. Wenn ein solcher Schwinger einem Stoß- oder Schlag ausgesetzt wird, ist die Verlagerung von Abschnitten des Schwingers sehr groß und daher können diese Abschnitte des Schwingers abbrechen. Da ein herkömmlicher Schwinger mit Biegeschwingung keine zufriedenstellende Frequenz-Temperatur-Charakteristik liefert, ist es somit schwierig, mit einem derartigen Schwinger einen exakt arbeitenden Quarzkristall für Armbanduhren zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Schwinger ζυ schaffen, bei dem die vorstehend angegebenen Nachteile und Schwierigkeiten beseitigt sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnteransprUchen.

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Die Erfindung liefert insbesondere einen piezoelektrischen Schwinger bzw. Kristallschwinger mit Biegeschwingung, der kreisförmig oder polygon ausgebildet ist und gegenüber bekannten Schwingern verbesserte Frequenz-Temperatur-Charakteristiken hat.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht (Fig. la) und eine Seitenansicht (Fig. Ib) einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 und 3 weitere Ausfuhrungsformen der Erfindung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 einen kreisförmigen Quarzschwinger mit Lagerung,

die Richtung des elektrischen Feldes und die Schwingrichtung, und

Fig. 6 einen Vergleich zwischen der Frequenz-Temperatur-Charakteristik eines bekannten Schwingers und derjenigen des erfindungsgemäßen Schwingers.

Der in Fig. 1 gezeigte Schwinger hat kreisförmige Gestalt, jedoch kann er auch polygone Gestalt haben, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Der Quarzkristallschwinger wird aus einer Platte bzw. einem Scheibchen eines Quarzkristallmaterials herausgeschnitten, ähnlich

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wie dies bei den bekannten Quarzkristallschwingern ausgeführt wird. Mit C ist der Schwinger bezeichnet, an dem mehrere Elektroden A, A¹, B und B¹ angeordnet sind. Die Elektroden A,B* sind Über eine Seite des Quarzkristallschwingers oder Über eine Durchgangsöffnung elektrisch miteinander verbunden; die Elektroden A', B sind in ähnlicher Weise miteinander elektrisch verbunden.

Um durch das elektrische Feld maximale Energie zu erhalten, sind die Elektroden A, A* sowie die Elektroden B,B'symmetrisch angeordnet.

In den Figuren 2 bis 4 sind weitere Ausfuhrungsformen der Erfindung dargestellt; in Fig. 2 ist die Elektrode A dreieckförmig ausgebildet, während diese Elektrode A bei der AusfUhrungsforn nach Fig. 3 kreisringförmig gestaltet ist. Die zugeordnete Elektrode B wird entsprechend den Figuren 2 und 3 von der Elektrode A im wesentlichen umgeben, hat jedoch zumindest einen Über die Elektrode A hinausreichenden vorspringenden Abschnitt. Analog der Darstellung nach Fig. Ib ist die nicht dargestellte Seite der Ausführungsform nach Fig. und 3 in gleicher Weise mit Elektroden versehen.

Bei der in Fig 4 gezeigten AusfUhrungsform der Erfindung weist der Quarzkristallschwinger C an seinen Seitenflächen Vorsprünge D auf. Diese Vorsprünge D des kreisförmigen Schwingers sind durch ein Klebemittel oder Lötmittel an den Lagerelementen befestigt. Auf diese Weise wird der Energieverlust des Schwingers auf ein Minimum reduziert. Das Prinzip der Erregung und die Lagerung des Quarzkristallschwingers nach der Erfindung ergibt sich aus Fig. 5.

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— © —

Nach Fig. 5 ist die Peripherie des knisföraigen Quarzkristallschwingers durch ein Klebemittel oder Lötmittel an des Lagerelement befestigt. Die Befestigung des Quarzkristallschwingers im Bereich seines peripheren Abschnittes bedeutet, daß dieser gebogene Abschnitt starr bzw. fest an dem Lagerglied befestigt wird oder daß der kreisförmige .Schwinger an mehreren Lagerelementen im Bereich seines Umfanges befestigt wird.

Wenn positive und negative Spannungen Über die Elektroden A¹, B angelegt werden, wobei die Elektrode A mit der Elektrode B¹ und die Elektrode B mit der Elektrode A* verbunden ist, werden elektrische Felder erzeugt, die inFig. 5 durch Pfeile dargestellt sind und in dem kreisförmigen Quarzkristallmaterial auftreten.

Aus Fig. 5 ergibt sich ferner, daß bezüglich der linken und der rechten Seite dieser Schnittansicht elektrische Felder erzeugt werden, die entgegengesetzte Richtung zueinander haben· Wenn auf der linken Seite hohe Belastungen auftreten, ««erden auf der gegenüberliegenden Seite in entgegengesetzter Richtung wirkende Belastungen erzeugt. Wenn daher ein Wechselstrom an die Elektroden A, B' angelegt wird, liefert der kreisförmige Quarzkristallschwinger symmetrische Biegeschwingungen in den Richtungen, die durch die Pfeile in Fig. 5 gezeigt sind. Auf diese Weise wird eine Schwingung des Quarzkristallschwingers in einer Oszillatorschaltung ermöglicht.

Die Frequenz des Quarzkristallschwingers nach der Erfindung läßt sich folgendermaßen festlegen:

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— Λ —

dabei bedeuten dU eine Konstante,
ns

die Dichte,
R den Radius der kreisförmigen Scheibe des

Schwingers,
D die Biegefestigkeit, die eine Funktion

der Dicke T ist.

Die Frequenz des kreisförmigen, scheibenförmigen Quarzkristallschwingers wird durch dessen Dicke und Radius bestimmt. Demzufolge ist es möglich, die geeignete Frequenz des Quarzkristallschwingers ohne weiteres bzw. frei dadurch einzustellen, daß dessen Dimension verändert wird. Der Quarzkristallschwinger nach der Erfindung kann somit dadurch klein gestaltet werden, daß dessen Radius klein gewählt wird.

Aufgrund der Fortschritte der IC-Technik kann ein Quarzkristallschwinger mit mehreren 100 KHz fUr Armbanduhren geschaffen werden; darüber hinaus läßt sich dieser Schwinger unter Verwendung von Maskentechniken durch chemisches Ätzen herstellen.

Da im allgemeinen da« verwendete Resist-Material nicht sehr gut ist, ist die Dicke, Über die der chemische Ätzvorgang ausgeführt werden kann, auf etwa 100 (um begrenzt. Durch Verbesserung des Resist-Materials und durch Auswahl eines anderen Resist-Materials läßt sich ein Quarzkristallschwinger erzeugen, der eine größere Dicke als 150/um hat und durch Ätzen hergestellt wird. Wenn der Quarzkristallschwinger kleiner als 10 mm ist, ist es möglich, einen derartigerfSchwinger auch in Armbanduhren anzuwenden. Die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des erfindungsgemäßen Schwingers ist in Fig. 6 in Verhältnis zu

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der Charakteristik eines bekannten Schwingers dargestellt. Daraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Schwinger eine sehr gute Frequenz-Temperatur-Charakteristik liefert.

Die gute Frequenz-Temperatur-Charakteristik des erfindungsgeäßen piezoelektrischen Schwingers wird dadurch hervorgerufen, daß ein kreisförmiger oder polygoner Quarzkristallschwinger benUtzt wird. Darüber hinaus sind die Kosten fUr einen derartigen Quarzkristallschwinger niedrig, da der Schwinger durch Anwendung von Ätztechniken herstellbar ist.

Die Erfindung ist nicht auf Quarzkristallschwinger begrenzt, sondern auf alle piezoelektrischen Kristalle anwendbar, z.B. auch auf Lithium-Tantalat und Lithium-Niob. In den Zeichnungen geben X., X~, X«, und X'w X'», X'~ die entsprechenden elektrischen Achsen an.

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Leerseite

Claims

PotentonsprUche

1.] Piezoelektrischer Schwinger, bestehend aus einem

Kristallelement und mehreren Elektroden zur Erzeugung einer

Biegungsschwingung,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger an seinem Umfang befestigt bzw. gelagert ist.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (A,B) in zwei Elektrodenbereiche unterteilt sind.

3. Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

an die beiden Elektrodenbereiche eine positive bzw. negative Spannung angelegt ist.

4. Schwinger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächen des Schwingers jeweils ane in zwei Abschnitte unterteilte Elektroden aufweisen und daß jeweils ein Elektrodenabschnitt auf der einen Seite mit einem Elektrodenabschnitt auf der anderen Seite des Schwingers Über eine Seite des Schwingers verbunden ist.

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5. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Dicke im Bereich zwischen 25 akb und 150/um liegt.

6. Schwinger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Abmessung kleiner als 10 mm ist.

7. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an seinem Umfang einen Vorsprung aufweist und Über diese VorsprUnge gelagert ist.

8. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere vorspringende Abschnitte an dem Umfang des Schwingers vorgesehen sind, mittels welchen der Schwinger gelagert ist.

9. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode senkrecht zur elektrischen Achse angeordnet ist.

10. Schwinger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Elektroden vorgesehen sind.

11. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Atzen hergestellt ist.

12. Schwinger nach wenigstens einem der vorangehenden AnsprUche, dadurch gekennzeichnet, daß er kreisförmige oder polygone Form aufweist.

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