DE3006040C2

DE3006040C2 - Elektrodenanordnung für Stimmgabelquarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE3006040C2
Application number: DE3006040A
Authority: DE
Inventors: Minoru Suwa Nagano 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: 1986-09-25
Also published as: JPS55112017A; GB2047954A; CH647384GA3; FR2449916A1; JPS6251006B2; FR2449916B1; DE3006040A1; HK87785A; US4356425A; GB2047954B

Description

25

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

Solche Elektrodenanordnungen sind z. B. aus der DE-AS 24 18 277 und der US-PS 40 99 078 bekannt.

Bei einem Kombistimmgabelquarzkristallschwinger 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 der DE-OS 29 48 331 beschrieben.

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 Grund

schwingung.

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.

F i g. 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-Gruiidschwingung 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 Kapazitätsverhältnis (das Verhältnis der elektrostatischen Kapazität zur Ersatz-Reihenkapazität) abnimmt Wenn der Ersatz-Resonanzwiderstand zunimmt, steigt der Energieverbrauch für die Schwingung. 1st das Kapaz.tätsverhältnis 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 Elektrodenanordnung 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 erläuert. Es zeigt

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

F i g. 2 den Schnittwinkel, mit dem eine Quarzplatte aus dem Quarzkristall geschnitten wird und die Richtung in der die Stimmgabelarme in dieser Quarzplalte liegen,

F i g. 3 das die Schwingungen anregende elektrische Feld in einem Querschnitt der Stimmgabelarme,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Verteilung der Auslenkung einer Biegeschwingung in einem Stimmgabelarm,

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

F i g. 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 K-Achse und die Z-Achse sind die elektrische Achse, die mechanische Achse bzw. die optische Achse des Quarzkristalls. Aus F i g. 2 entnimmt man, daß der Schwinger aus einer Quarzplatte geschnitten wird, die um einen Winkel <P\m Bereich von 0° bis

— 15° um die A"-Achse gedreht wurde. Dabei sollten die Stimmgabelarme des Schwingers in Richtung der Achse V" liegen.

F i g. 3 zeigt das anregende elektrische Feld in einem Querschnitt der Stimmgabelarme. Das elektrische Feld isi in dem Schnitt der Stimmgabelarme durch Pfeile 2 angedeutet

Fig.4 zeigt eine Verteilung derAuslenkung Ux der Biegeschwingung eines Stimmgabelarms. Auf der Abszisse ist in Richtung des Stimmgabelarms die Entfernung vom Ende eines Sockels (nicht gezeigt) des Schwingers, das mit O bezeichnet ist, aufgetragen. A bezeichnet das Ende des Stimmgabelarms und B seinen Ansatz an der Stimmgabel. Mit der Bezugszahl 3 ist der Verlauf 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 daß das von außen angelegte elektrische Feld für die Anregung nicht wirkungsvoll ist und der Ersatz-Resonanzwiderstand zunimmt

Als nächstes soll die Ladung, die in einer selchen Elektrode der in F i g. 1 gezeigten Art auftritt, betrachtet werden. Die Polarisation in Richtung der X-Achse, die an der Seitenfläche des Stimmgabelarms auftritt, ist wie folgt definiert:

10 Px^d_nS

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 F i g. 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

F i g. 5 zeigt die Verteilung der Spannung 5, die infol- 20 ebenfalls eine positive Ladung auf.
d ii i f i d

ge der Biegeschwingung im Stimmgabelarm auftritt. Hierbei handelt es sich um eine Zugspannung (expansiv) und eine Druckspannung (kontraktiv) in Richtung von

Y\ die sich ergibt aus dem Produkt von

mit dem 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 F i g. 1 gezeigten Art wirkungsvoll in Erscheinung. Da das Kapazitätsverhältnis um so größer ist, je größer die in der Elektrode auftretende Ladungsmenge ist, eignet sich die Elektrode der in F i g. 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

Abstand von einer neutralen Ebene. Die Abszisse von F ig. 5 stimmt mit derjenigen von Fig. 4 überein. Auf der Ordinate von F i g. 5 ist die Spannung Saufgetragen. Die Bezugszahl 5 bezeichnet in Fig.4 die Verteilung der Spannung imFall der ersten Oberschwingung, während die Bezugszahl 6 den Verlauf der Spannung im Fall der Grundschwingung kennzeichnet.

Diese Spannung S ist unter der Voraussetzung, daß die Komponente des von außen angelegten elektrischen

Feldes in A"-Richtung mit Ex bezeichnet wird, wie folgt 35 der in der Elektrode auftretenden Ladung und das Kadefiniert: pazitätsverhältnis.

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungs-

Sst — duEx, (1) gemäßen Elektrodenanordnung, mit der es möglich ist,

in einer Kombiquarzstimmgabel, bei der die erste Bie-

wobei d\ 1 der piezoelektrische Spannungskoeffizient ist 40 ge-Oberschwingung und die Torsionsschwingung auf- und — d\ 1 positiv ist. Aus dieser Gleichung ergibt sich in treten, einen kleinen Ersatz-Resonanzwiderstand und F i g. 3, daß S in der rechten Hälfte des rechten Stimm- ein großes Kapazitätsverhältnis zu erzielen,
gabelarms negativ (Kontraktion) ist, in der linken Hälfte In F i g. 6 zeigt (a) die Elektrode 7 auf einer Seite der

dieses Stimmgabelarms positiv (Expansion) ist, während Stimmgabel (Vorder- oder Rückseite), während S in der rechten Hälfte des linken Stimmgabelarms posi- 45 F i g. 6 (b) die Elektrode 8 auf der anderen Seite bezeich-

tiv (Expansion) und in der linken Hälfte dieses Stimmgabelarms negativ (Kontraktion) ist, so daß also eine Biegeschwingung erzeugt wird.
Wie in F i g. 5 gezeigt, ändert sich das Vorzeichen der net. 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

Verteilung bzw. des Verlaufs der Spannung im Fall der 50 Bereich der unteren Hälfte 11 der Stimmgabel. Mit dem

Biegeschwingung nahezu an allen Stellen nicht, wobei die Grundschwingung durch eine Elektrode der in F i g. 1 gezeigten Art angeregt wird. Da beispielsweise die Komponente des angelegten elektrischen Feldes inRichtung der ,Y-Achse, das in der rechten Hälfte des rechten Stimmgabelarms von F i g. 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 F i g. 1 gezeigten Art die erste Oberschwingung anzu- 60 mit dem Elektrodenabschnitt 88. Die Elektrodenabregen. Dies liegt daran, daß sich das Vorzeichen der schnitte 88 und 78 sind durch den Seitenelektrodenab-Verteilung der Spannung bei der ersten Oberschwin- schnitt 93 miteinander verbunden. Die Anschlußfläche gung gemäß F i g. 5 bei der Hälfte des Stimmgabelarms Tb steht mit dem Elektrodenabschnitt 75, die Anschlußändert. Daher wird die este Oberschwingung nicht leicht fläche 86 mit dem Elektrodenabschnitt 85 in Verbindurch eine solche Elektrode der in F i g. 1 gezeigten Art 65 dung. Der Elektrodenabschnitt 75 besitzt einen Verbinangeregt, wo sich das Vorzeichen der Spannung nir- dungssteg zum Elektrodenabschnitt 71, während der gendwo vom Ende des Stimmgabelarms bis zu seinem Elektrodenabschnitt 85 einen Verbindungssteg zum Ansatz an der Stimmgabelbasis ändert. Dies bedeutet, Elektrodenabschnitt 84 und dieser einen Verbindungs-

Elektrodenabschnitt 78 ist eine Anschlußfläche 7a, mit dem Elektrodenabschnitt 75 eine Anschlußfläche Tb 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 Ta ist mit dem Elektrodenabschnitt 78 verbunden, die Anschlußfläche 8a

steg 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 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 F i g. 6 sind die Elektrodenabschnitte, die mit den Anschlußflächen 7a und Sa in Verbindung stehen, kreuzschraffiert, während die ElekirOucuäuSCuriittc, uic ΐΤΗΐ den ÄnSChiliuiiäCiicn 7υ UHu Bb in Verbindung stehen, normalschraffiert sind. Bezüglich der Form der einzelnen Elektrodenabschnitte wird auf die Darstellung in den F i g. 6 (a) und 6 (b), die eine Ausführungsform als Beispiel zeigen, Bezug genommen.

Bei einer Elektrode der in F i g. 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 anderereits 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.

Wird eine Elektrode, wie sie in F i g. 6 gezeigt ist und später noch näher erläutert werden wird, bei einer Kombiquarzstimmgabel verwendet, bei der die erste Biege-Oberschwingung und die Torsionsschwingung auftreten, dann ergeben sich ein kleiner Ersatz-Resonanzwiderstand und ein großes Kapazitätsverhäitnis. Verglichen mit der in F i g. 1 gezeigten Elektrode ist im Fall der Elektrode von F i g. 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 angeendet wird, kann auch bei einer Elektrodenanordnung zur wirksamen Anregung höherer Oberschwingungen als der zweiten Oberschwingung ausgenutzt werden. Das heißt im Fall einer /7-ten Oberschwingung müßte die Elektrode über die Länge des Stimmgabelarms /7-mal geteilt sein. Die Stellen der Teilung liegen dort, wo sich das Vorzeichen der (mechanischen) Spannung ändert Bei Erregung der /7-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 n-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 /7-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 angeregt werden, wenn die Elektrode an den Stellen des Vorzeichenwechseins 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 77-te Biege-Oberschwingung auftritt, wirksam.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrodenanordnung für einen Stimmgabel-

q uarzkristallschwinger, die auf Vorder- und Rückseite jeder der beiden Stimmgabelarme eine erste Elektrode (72,74 bis 76,82,84 bis 86) aufweist, beiderseis derer eine zweite bzw. eine mit dieser elektrisch verbundene dritte Elektrode (71,73,78,81,83,88,91 bis 94) am Stimmgabelarm angeordnet und gegenüber der ersten Elektrode elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung in Längsrichtung der Stimmgabelarme in π (η ist eine positive ganze Zahl) Abschnitte unterteilt ist, von denen jeweils bei zwei benachbarten Abschnitten (10, 11) die zweite und die dritte Elektrode des einen Abschnitts mit der ersten Elektrode des anderen Abschnitts und die erste Elektrode des einen Abschnitts mit der zweiten und der dritten Elektrode des anderen Abschnitts verbunden sind.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch fotolithografische Technik hergestellt ist.