DE3006040A1

DE3006040A1 - Elektrode fuer stimmgabelquarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE3006040A1
Application number: DE19803006040
Authority: DE
Inventors: Minoru Inoue; Shigeru Kogure; Eishi Momosaki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1979-02-20
Filing date: 1980-02-18
Publication date: 1980-08-28
Also published as: DE3006040C2; JPS55112017A; GB2047954A; CH647384GA3; FR2449916A1; JPS6251006B2; FR2449916B1; HK87785A; US4356425A; GB2047954B

Description

Elektrode für Stimmgabelquarzkristallschwinger

Die Erfindung betrifft eine E]ektrode für einen Stimmgabelquarzkristallschwinger nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere zxir Verwendung bei einem sogenannten Kopplungs- oder Kombistimmgabelquarzkristallschwinger.

Bei einem solchen Kombistimmgabelquarzkristallscliwinger besteht eine gegenseitige Kopplung zwischen zwei unterschiedlichen im. Stimmgabelquarzkristallschwinger auftretenden Schwingungsweisen, was zur Folge hat, daß der Resonanzfrequenz-Temperaturgang einer dieser beiden Schwingungsweisen gegenüber dem Zustand ohne Kopplung verbessert wird, daß also nur eine geringe temperaturbedingte Änderung der Resonanzfrequenz auftritt.

Es stehen verschiedene Schwingungsweisen für eine solche Kopplung zur Verfügung. Bei dem hier beschriebenen Kombistimmgabelquarzkristallschwinger besteht die Kopplung zwischen einer Biegeschwingung und einer Torsionsschwingung. Wenn diese beiden Schwingungsweisen miteinander gekoppelt werden, tritt eine Verbesserung des Resonanzfrequenz-Temperaturgangs der Biegeschwingung ein. Dadurch kann, wenn ein solcher Schwinger bei einer elektronischen Uhr eingesetzt wird, deren Genauigkeit erheblich verbessert werden. Der Kombistimmgabelquarzkristallschwinger ist im einzelnen in den japanischen Offenlegungsschriften 23 903/78 und 1.4 95 00/78 beschrieben.

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Obwohl man sowohl eine Grundschwingung als auch eine Oberschwingung der Biegeschwingung verwenden kann, eignet sich, vom Gesichtspunkt der Zeitgenauigkeit her gesehen, die Oberschwingung besser. Dies liegt daran, daß die Güte Q bei der Oberschwingung größer ist und daß bei ihr eine geringere altersbedingte Änderung der Resonanzfrequenz als bei der Grundschwingung auftritt. Außerdem kann sich die Resonanzfrequenz abhängig von der Lage des Stimmgabelquarzkristallschwingers in bezug auf die Richtung der Schwerkraft (was als Frequenzabweichung infolge von Lageänderung bezeichnet wird) etwas ändern. Diese Änderung ist bei der Oberschwingung geringer als bei der Grundschwingung.

Die Oberschwingung bringt also die beiden erwähnten Vorteile. Sie hat jedoch eine hohe Frequenz, so daß in vielen Fällen die Oberschwingung mit der niedrigsten Resonanzfrequenz (diese wird nachfolgend als erste Oberschwingung bezeichnet) ausgewählt wird, damit ein zu großer Anstieg des Energieverbrauchs vermieden wird, wenn der Kombistimmgabelquarzkristallschwinger bei einer elektronischen Uhr eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrodenanordnung zur Anregung der mit einer Torsionsschwingung gekoppelten ersten Biege-Oberschwingung. Der in dieser Figur durch die Schraffur 1 gekennzeichnete Teil stellt eine Elektrode dar. Diese Elektrodenanordnung wurde ursprünglich zur Anregung der Biege-Grundschwingung verwendet, eignet sich aber auch zur Anregung der ersten Oberschwingung.

Wird jedoch durch eine Elektrode solchen Aufbaus die erste Oberschwingung angeregt, ergibt sich als Nachteil, daß der Ersatz-Resonanzwiderstand zunimmt und das Kapazitäts-

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verhältnis (das Verhältnis der elektrostatischen Kapazität zur Ersatz-Reihenkapazität) abnimmt. Wenn der Ersatz-Resonanzwiderstand zunimmt, steigt der Energieverbrauch für die Schwingung. Ist das Kapazitätsverhältnis klein, dann ist der einstellbare Bereich der Schwingungsfrequenz begrenzt. Es handelt sich hier also um bedeutende Nachteile für den Fall, daß der Kombistimmgabelquarzkristallschwinger bei einer elektronischen Uhr eingesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, die eine Anregung des Stimmgabelquarzkristallschwingers in einer Oberschwingung ermöglicht, ohne daß die genannten Nachteile auftreten, daß also insbesondere der Ersatz-Resonanzwiderstand groß wird und das oben definierte Kapazitätsverhältnis klein wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Der Unteranspruch enthält eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform, einer Elektrodenanordnung zur Erregung der mit einer Torsionsschwingung gekoppelten ersten Biege-Oberschwingung,

Fig. 2 den Schni.ttwinkel, mit dem eine

Quarzplatte aus dem Quarzkristall geschnitten wird und die Richtung in der die Stimmgabelarme in dieser

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Quarzplatte liegen,

Fig. 3 das die Schwingungen anregende elektrische Feld in einem Querschnitt der Stimmgabelarme,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Verteilung der Auslenkung einer Biegeschwingung in einem Stimmgabelarm,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Verteilung der bei einer Biegeschwingung in einem Stimmgabelarm auftretenden Spannung und

Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode.

Fig. 2 zeigt einen Schnittwinkel, unter dem eine Quarzplatte aus einem Quarzkristall geschnitten wird, und die Richtung der Stimmgabelarme, wenn die Stimmgabel aus der Quarzplatte herausgeschnitten wird. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind die elektrische Achse, die mechanische Achse bzw. die optische Achse des Quarzkristalls. Aus Fig. entnimmt man, daß der Schwinger aus einer Quarzplatte geschnitten wird, die um einen Winkel Ύ" im Bereich von bis -1.5° ¹^m die X-Achse gedreht wurde. Dabei sollten die Stimmgabelarme des Schwingers in Richtung der Achse Y¹ liegen.

Fig. 3 zeigt das anregende elektrische Feld in einem Querschnitt der Stimmgabelarme. Das elektrische Feld ist in dem

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Schnitt der Stimmgabelarme durch Pfeile 2 angedeutet.

Fig. 4 zeigt eine Verteilung der Auslenkung Ux der Biegeschwingung eines Stimmgabelarms. Auf der Abszisse ist in Richtung des Stimmgabelarms die Entfernung vom Ende eines Sockels (nicht geneigt) des Schwingers, das mit 0 bezeichnet ist, aufgetragen. A bezeichnet das Ende des Stimmgabelarms und B seinen Ansatz an der Stimmgabel. Mit der Bezugszahl· 3 ist der Veriauf der Auslenkung im Fall der ersten Oberschwingung, mit der Bezugszahl 4 der Verlauf der Auslenkung im Fall· der Grundschwingung bezeichnet. Da die Komponente der Torsionsschwingung geringer ist, wird nur die Komponente der Biegeschwingung betrachtet.

Fig. 5 zeigt die Verteilung der Spannung S, die infolge der Biegeschwingung im Stimmgabelarm auftritt. Hierbei handelt es sich um eine Zugspannung (expansiv) und eine Druckspannung (kontraktiv) in Richtung von Y¹, die sich ergibt aus dem Produkt von d²Ux ' _mit dem Abstand von einer neutralen dY¹²

Ebene. Die Abszisse von Fig. 5 stimmt mit derjenigen von Fig. 4 überein. Auf der Ordinate von Fig. 4 ist die Spannung S aufgetragen. Die Bezugszahl· 5 bezeichnet in Fig. 4 die Verteiiung der Spannung im Fail· der ersten Oberschwin-

gung, während die Bezugszahl· 6 den Veriauf der Spannung im FaM der Grundschwingung kennzeichnet.

Diese Spannung S ist unter der Voraussetzung, daß die Komponente des von außen angeiegten el·ektrischen Feides in X-Richtung mit Ex bezeichnet wird wie foigt definiert:

S Ξ*'-Cl₁₁Ex, (D

wobei d.j ^ der piezoeiektrische Spannungskoeffizient ist

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und -^₁₁ positiv ist. Aus dieser Gleichung ergibt sich in Fig. 3, daß S in der rechten Hälfte des rechten Stimmgabelarms negativ (Kontraktion) ist, in der linken Hälfte dieses Stimmgabelarms positiv (Expansion) ist, während S in der rechten Hälfte des linken Stimmgabelarms positiv (Expansion) und in der linken Hälfte dieses Stimmgabelarms negativ (Kontraktion) ist, so daß also eine Biegeschwingung erzeugt wird.

Wie in Fig. 5 gezeigt, ändert sich das Vorzeichen der Verteilung bzw. des Verlaufs der Auslenkung im Fall der Biegeschwingung nahezu an allen Stellen nicht, wobei die Grundschwingung durch eine Elektrode der in Fig. 1 gezeigten Art angeregt wird. Da beispielsweise die Komponente des angelegten elektrischen Feldes in Richtung der X-Achse, das in der rechten Hälfte des rechten Stimmgabelarms von Fig. 1 auftritt, vom Ende des Stimmgabelarms bis zu seinem Ansatz unverändert bleibt, ändert sich das Vorzeichen der Spannung nicht.

Es ist jedoch etwas schwierig, mit einer Elektrode der in Fig. 1 gezeigten Art die erste Oberschwingung anzuregen. Dies liegt daran, daß sich das Vorzeichen der Verteilung der Spannung bei der ersten Oberschwingung gemäß Fig. 5 bei der Hälfte des Stimmgabelarms ändert. Daher wird die erste Oberschwingung nicht leicht durch eine solche Elektrode der in Fig. 1 gezeigten Art angeregt, wo sich das Vorzeichen der Spannung nirgendwo vom Ende des Stimmgabelarms bis zu seinem Ansatz an der Stimmgabelbasis ändert. Dies bedeutet, daß das von außen angelegte elektrische Feld für die Anregung nicht wirkungsvoll ist und der Ersatz-Resonanzwiderstand zun immt.

Als nächstes soll die Ladung, die in einer solchen Elektrode

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der in Fig. 1 gezeigten Art auftritt, betrachtet werden. Die Polarisation in Richtung der X-Achse, die an der Seitenfläche des Stimmgabelarms auftritt/ ist wie folgt definiert:
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Px = d_t1S (2)

Die an der Seitenfläche des Stimmgabelarms auftretende Ladung ergibt sich aus dem Skalarprodukt des Polarisationsvektors und des Normalvektors, der senkrecht auf der Fläche steht. In Fig. 3 beispielsweise tritt an der rechten Hälfte des rechten Stimmgabelarms eine negative Ladung, an seiner linken Hälfte eine negative Ladung, an der rechten Hälfte des linken Stimmgabelarms eine positive Ladung und an seiner linken Hälfte ebenfalls eine positive Ladung auf.

Da sich das Vorzeichen des Verlaufs 6 der Spannung bei. der Grundschwingung nahezu über alle Teile nicht ändert, tritt eine elektrische Ladung bei einer solchen Elektrode der in Fig. 1 gezeigten Art wirkungsvoll in Erscheinung. Da. das Kapazitätsverhältnis umso größer ist, je größer die in der Elektrode auftretende Ladungsmenge ist, eignet sich die Elektrode der in Fig. 1 gezeigten Art zur Anregung der Grundschwingung.

Das Vorzeichen der Spannungsverteilung im Fall der ersten Oberschwingung ändert sich jedoch über der Länge des Stimmgabelarms, wobei gebunden durch die Stellen dieser Ladungsänderung zueinander entgegengesetzte Vorzeichen der auftretenden Ladung aneinandergrenzen. Als Folge davon verringern sich die Menge der in der Elektrode auftretenden Ladung und das Kapazitätsverhältnis.

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Fig. 6 zeigt eine Ausfülirungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung, mit der es möglich ist, in einer Kombiquarzstimmgabel, bei der die erste Biege-Oberschwingung und die Torsionsschwingung auftreten, einen kleinen Ersatz-Resonanzwiderstand und ein großes Kapazitätsverhältnis zu erzielen.

In Fig. 6 zeigt (a) die Elektrode 7 auf einer Seite der Stimmgabel (Vorder- oder Rückseite), während Fig. 6(b) die Elektrode 8 auf der anderen Seite bezeichnet. Mit 9 sind allgemein Seitenelektroden bezeichnet, die sich auf den Schmalseiten befinden. Die Elektrode 7 umfaßt Abschnitte 71 bis 74 im Bereich der oberen Hälfte 10 der Stimmgabel sowie Abschnitte 75 bis 78 im. Bereich der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel. Mit dem Elektrodenabschnitt 78 ist eine Anschlußfläche 7a, mit dem Elektrodenabschnitt 75 eine Anschlußfläche 7b verbunden. Die Elektrode 8 der anderen Seite ist gleichermaßen in Abschnitte 81 bis 84 im Bereich der oberen Hälfte 10 und Abschnitte 85 bis 88 im Bereich der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel aufgeteilt. Die Seitenelektrode 9 umfaßt Elektrodenabschnitte 91, 92, 93, 94, 95 und 96. Die Anschlußfläche 7a ist mit dem Elektrodenabschnitt 78 verbunden, die Anschlußfläche 8a mit dem Elektrodenabschnitt 88. Die Elektrodenabschnitte 88 und sind durch aen Seitenelektrodenabschnitt 93 miteinander verbunden. Die Anschlußfläche 7b steht mit dem Elektrodenabschnitt 75, die Anschlußfläche 8b mit dem Elektrodenabschnitt 85 in Verbindung. Der Elektrodenabschnitt 75 besitzt einen Verbindungssteg zum Elektrodenabschnitt 71, während der Elektrodenabschnitt 85 einen Verbindungssteg zum Elektrodenabschnitt 84 und dieser einen Verbindungssteg zum Elektrodenabschnitt 87 besitzt. Die Elektrodenabschnitte 71 und 81 sind durch den Seitenelektrodenabschnitt 91 miteinander verbunden. Der Seitenelektrodenabschnitt 92 verbindet entsprechend die Elektrodenabschnitte 73 und 83 miteinander. Der Seitenelektrodenabschnitt 95 stellt eine Verbindung zwischen den Elektrodenabschnitten 77 und 87 her, während der Seitenelektrodenabschnitt 96

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die Elektrodenabschnitte 76 und 86 miteinander verbindet. Der Seitenelektrodenabschnitt 94 verbindet die Elektrodenabschnitte 75 und 85. Die Seitenelektrodenabschnitte sind längs der Trennlinie zwischen dem oberen Teil 10 und dem unteren Teil 11 getrennt. In Fig. 6 sind die Elektrodenabschnitte, die mit den Anschlußflachen 7a und 8a in Verbindung stehen, kreuzschraffiert, während die Elektrodenabschnitte, die mit den Anschlußflachen 7b und 8b in Verbindung stehen, normalschraffiert sind. Bezüglich der Form der einzelnen Elektrodenabschnitte wird auf die Darstellung in den Fig. 6(a) und 6(b), die eine Ausführungsform als Beispiel zeigen, Bezug genommen.

Bei einer Elektrode der in Fig. 6 gezeigten Art sind die Richtung des in der oberen Hälfte 10 der Stimmgabel einerseits und in der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel andererseits auftretenden elektrischen Feldes zueinander entgegengesetzt, so daß sich das Vorzeichen der auftretenden Spannung umkehrt. Demgemäß wird durch diese Elektrode die erste Oberschwingung angeregt und damit das anregende elektrische Feld wirkungsvoll ausgenutzt und der Ersatz-Resonanzwiderstand verringert.

Obwohl andererseits das Vorzeichen der an der oberen Hälfte 10 der Stimmgabel auftretenden Ladung einerseits und das der an der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel auftretenden Ladung andererseits entgegengesetzt sind, beeinflussen sich diese Ladungen nicht gegenseitig, da die Seitenelektrode an der Grenze zwischen der oberen Hälfte 10 und der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel getrennt ist. Daher kann das Kapazitätsverhältnis mit dieser Elektrode vergrößert werden.

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Wird eine Elektrode, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist und später noch näher erläutert werden wird, bei einer Kombiquarz stimmgabel verwendet, bei der die erste Biege-Oberschwingung und die Torsionsschwingung auftreten, dann ergeben sich ein kleiner Ersatz-Resonanzwiderstand und ein großes Kapazitätsverhältnis. Verglichen mit der in Fig. 1 gezeigten Elektrode ist im Fall der Elektrode'von Fig. 6 der Ersatz-Resonanzwiderstand etwa halb so groß, während das Kapazitätsverhältnis etwa fünfmal so groß ist. Es stellen sich also bedeutende Verbesserungen ein.

Genau das gleiche Prinzip, das hier in bezug auf die erste Oberschwingung angewendet wird, kann auch bei einer Elektrodenanordnung 'zur wirksamen Anregung höherer Oberschwingungen als der zweiten Oberschwingung ausgenutzt werden. Das heißt im Fall einer η-ten Oberschwingung müßte die Elektrode über die Länge des Stimmgabelarms η-mal geteilt sein. Die Stellen der Teilung liegen dort, wo sich das Vorzeichen der (mechanischen) Spannung ändert. Bei Erregung der η-ten Oberschwingung kann allerdings auch eine Aufteilung der Elektrode in weniger als η Teile ausreichen. Dies liegt daran, daß man zufriedenstellende Ergebnisse erhält, wenn die zur wirksamen Anregung der η-ten Oberschwingung ausgenutzte Komponente des elektrischen Feldes stärker als die Komponente des nicht zur Anregung benutzten elektrischen Feldes ist. So ist es beispielsweise möglich, die n-te Oberschwingung wirksam mit einer nur einmal geteilten Elektrode anzuregen.

Die erfindungsgemäße Elektrode kann leicht mit Hilfe der fotolithographischen Technik hergestellt werden.

Wenn andererseits eine Torsions-Oberschwingung als Hauptschwingung eingesetzt wird, als die Schwingung also, die einen guten Resonanzfrequenz-Temperaturgang aufweist und oszilliert, dann kann die n-te Oberschwingung wirksam an-

geregt werden, wenn die Elektrode an den Stellen des Vorzeichenwechsels der Spannung geteilt wird.

Wie beschrieben kann bei Anwendung eines Kombistimmgabelquarzkristallschwingers mit der erfindungsgemäßen Elektrode auf eine elektronische Uhr der Ersatz-Resonanzwiderstand und damit der Energieverbrauch verringert werden, während das Kapazitätsverhältnis größer wird und daher die Frequenz ausreichend eingestellt werden kann. Durch Einsetzen der Kombiquarzstimmgabel mit der erfindungsgemäßen Elektrode kann daher eine elektronische Uhr hoher Genauigkeit und langer Lebensdauer realisiert werden.

Die Elektrode dieser Erfindung ist jedoch nicht nur in Verbindung mit einer KombiquarzStimmgabel, sondern auch bei einem Stimmgabelquarzkristallschwinger, in dem nur die n-te Biege-Oberschwingung auftritt, wirksam.

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Claims

BLUiviBÄCH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWiRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult RadeckestraSe 43 6000 München 60 Telefon (089) 8S3603/8S3604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult

Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha, 80/8707

3-4, 4-choine, Ginza, Chuo-ku, HO/mü

Tokyo, Japan

Patentansprüche

Elektrode für einen Stimmgabelquarzkristallschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem Stimmgabelarm angeordnete Elektrode (7, 8, 9) an η Stellen (n ist eine positive ganze Zahl) längs der Länge des Stimmgabelarms geteilt ist derart, daß die Komponenten in Richtung der X-Achse des von der Elektrode erzeugten elektrischen Feldes, die in Längsrichtung benachbart sind, außer Phase sind.
2. Elektrode nach Anspruch T, dadurch g e k e η η ζ. eichnet , daß sie durch fotolithographische Technik hergestellt ist.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Pb/s. Or. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof.Dr. jur. D.pl.-Ir.g., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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