FR2474254A2

FR2474254A2 - Quartz crystal resonator for watch - has rectangular crystal block mounted in space between capacitor electrodes

Info

Publication number: FR2474254A2
Application number: FR8001316A
Authority: FR
Original assignee: COMPOSANTS ELECTRO STE FSE
Current assignee: COMPOSANTS ELECTRO STE FSE
Priority date: 1979-01-31
Filing date: 1980-01-22
Publication date: 1981-07-24
Also published as: DE3003312A1

Abstract

The crystal resonator is esp. for use in a watch. It consists of a quartz crystal with electrodes stuck to its flat surfaces, to form a capacitor structure with the crystal acting as the dielectric. The quartz crystal block is cut so that the two flat faces have a given orientation with respect to the mechanical, electrical and optical axes of the crystal. The crystal block (12) is cut into a rectangular shape, and the thickness, length and breadth of this shape may be in a given ratio. The broad flat surfaces may be a given distance apart. The plates (16, 17) of the capacitor are set at a slight distance from the faces (13, 14) of the block (12) and are connected by a picture frame shaped member (20). An elastomer block (25) connects the crystal block to one of the electrode plates.

Description

La présente addition constitue un perfectionnement à un résonateur à cristal comprenant un bloc cristallin,par exemple et de préférence en quartz, comportant au moins deux faces planes parallèles, placées dans l'espace diélectrique d'un condensateur de façon à pouvoir osciller en mode de cisaillement d'épaisseur,selon la demande de brevet principale nO 79 02 503. The present addition constitutes an improvement to a crystal resonator comprising a crystal block, for example and preferably made of quartz, comprising at least two parallel planar faces, placed in the dielectric space of a capacitor so as to be able to oscillate in mode of thickness shear, according to main patent application No. 79 02 503.

On sait que la fabrication des résonateurs à cristal, notamment lorsqu'il s'agit d'une fabrication de grande série se heurte à un certain nombre de problèmes technologiques provenant par exemple du fait que le bloc cristallin doit être monté dans un encapsulage sous-vide et que les connexions électriques sont réalisées sous forme de traversées étanches à l'aide de scellement verre-métal ou céramique-métal. It is known that the manufacture of crystal resonators, in particular when it is a mass production, encounters a certain number of technological problems originating for example from the fact that the crystal block must be mounted in a sub-encapsulation. vacuum and that the electrical connections are made in the form of watertight crossings using glass-to-metal or ceramic-to-metal sealing.

La présente addition a pour but de proposer un résonateur à bonnes performances et qui peut être réalisé par des opérations simples et monté dans un encapsulage facile à réaliser. Le résonateur à cristal selon la présente addition se prête ainsi à une fabrication de grande série, permettant un bon rendement de production et un prix de revient très bas. The purpose of this addition is to propose a resonator with good performance and which can be produced by simple operations and mounted in an encapsulation which is easy to produce. The crystal resonator according to the present addition thus lends itself to mass production, allowing good production efficiency and a very low cost price.

Pour atteindre ce but, le résonateur selon la présente addition est caractérisé en ce que le bloc cristallin est enfermé dans un bottier métallique pourvu d'un couvercle en une matière isolante qui est pourvu sur sa surface interne, sur la partie en regard de la surface supérieure plane dudit bloc cristallin, -d'une couche métallique coopérant électriquement avec un organe de contact électrique externe, et est maintenu à l'intérieur dudit bottier en une position parallèle à la surface interne de la paroi de fond dudit bottier et à la surface interne dudit couvercle par au moins un organe de ressort de serrage configuré et placé en appui sur une surface de boîtier de façon à pouvoir exercer une pression sensiblement ponctuelle de maintien sur le bloc cristallin, au niveau des quatre coins d'une surface principale plane de celui-ci. To achieve this goal, the resonator according to the present addition is characterized in that the crystalline block is enclosed in a metal case provided with a cover made of an insulating material which is provided on its internal surface, on the part facing the surface upper plane of said crystalline block, of a metallic layer cooperating electrically with an external electrical contact member, and is maintained inside said case in a position parallel to the internal surface of the bottom wall of said case and to the surface internal of said cover by at least one clamping spring member configured and placed in abutment on a housing surface so as to be able to exert a substantially punctual holding pressure on the crystalline block, at the level of the four corners of a main plane surface of this one.

L'addition sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusiurs modes de réalisation de l'addition et dans lesquels
- la figure 1 est une illustration des directions de découpe du bloc cristallin utilisé dans le cadre de l'addition
- la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du résonateur à cristal selon l'addition
- la figure 3 est une vue de dessus du résonateur selon la figure 2, le couvercle et le ressort de serrage étant enlevés
- les figures 4 et 5 sont des vues en coupe axiale de deux autres modes de réalisation du résonateur à cristal selon l'addition ; et
- la figure 6 illustre en une vue en perspective le ressort destiné à maintenir en place le bloc cristallin.The addition will be better understood and other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly during the explanatory description which follows, made with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example illustrating several modes. of the addition and in which
- Figure 1 is an illustration of the cutting directions of the crystal block used in the context of the addition
- Figure 2 is an axial sectional view of a first embodiment of the crystal resonator according to the addition
- Figure 3 is a top view of the resonator according to Figure 2, the cover and the clamping spring being removed
- Figures 4 and 5 are views in axial section of two other embodiments of the crystal resonator according to the addition; and
- Figure 6 illustrates in a perspective view the spring intended to hold the crystal block in place.

Comme il a été expliqué en détail dans la demande de brevet principal, le résonateur à cristal comprend un bloc cristallin quiauneforme sensiblement parallélépipèdique et est fait de préférence par une coupe AT, ce qui signïfie que les faces principales sont normales à un axe Y' obtenu par rotation du système de référence d'un angle d'environ 34 à 360 autour de l'axe X, dans le sens positif (figure 1). Le bloc cristallin 100 en quartz, illustré sur la figure 1 produit des vibrations dont le mode est un cisaillement d'épaisseur, si le champ électrique d'excitation est appliqué suivant l'axe OY . La vibration du bloc cristallin a lieu dans le plan XY'. La coupe présente de notables avantages par rapport à la coupe Y simple.Il confère notamment au résonateur à cristal une excellente stabilité en température. As explained in detail in the main patent application, the crystal resonator comprises a crystal block which has a substantially parallelepiped shape and is preferably made by an AT cut, which means that the main faces are normal to an axis Y 'obtained by rotation of the reference system by an angle of approximately 34 to 360 around the X axis, in the positive direction (Figure 1). The crystal block 100 made of quartz, illustrated in FIG. 1, produces vibrations, the mode of which is a thickness shear, if the electric excitation field is applied along the axis OY. The vibration of the crystal block takes place in the XY 'plane. The cut has significant advantages over the simple Y cut, giving the crystal resonator excellent temperature stability.

Un des problèmes survenant dans des quartz de ce type est que le cisaillement d'épaisseur n1 est pas le seul mode de vibration qui est excité. Il s'est avéré que pour une plaque de dimensions non infinies il se produit obligatoirement une flexion d'ordre supérieur selon l'axe X. En outre, le champ électrique orienté dans la direction de l'axe Y produit également une excitation du cisaillement de surface dans le plan XZ'. En outre, de très faibles asymétries peuvent produire des vibrations d'allongement selon l'axe X bien que le champ soit en principe nul dans la direction de cet axe.Tous ces modes sont à plus basse fréquence que le cisaillement d'épaisseur, mais si un mode partiel supérieur de l'un d'eux coïncide avec le mode principal, il y a"cotpage"entre modes, c'est-à-dire entratnement de l'une des vibrations par l'autre. Ceci peut provoquer des instabilités de fréquence et un comportement thermique perturbé. One of the problems occurring in quartz of this type is that the thickness shear is not the only mode of vibration which is excited. It turned out that for a plate of non-infinite dimensions there is necessarily a bending of higher order along the axis X. In addition, the electric field oriented in the direction of the axis Y also produces an excitation of the shear in the XZ 'plane. In addition, very small asymmetries can produce elongation vibrations along the X axis although the field is in principle zero in the direction of this axis. All these modes are at lower frequency than the shear of thickness, but if a higher partial mode of one of them coincides with the main mode, there is a "cotpage" between modes, that is to say entrainement of one of the vibrations by the other. This can cause frequency instability and disturbed thermal behavior.

Il s'est avéré que ces couplages indésirables peuvent être éliminés par un choix approprié des dimensions du bloc cristallin. Etant donné que ltépaisseur est déterminée par la fréquence désirée, ce sont les autres dimensions qui doivent être choisies en conséquence. Ainsi le bloc cristallin, dans un mode de réalisation avantageux pourrait présenter un rapport de 12,5 entre la longueur L et l'épaisseur e et un rapport d'environ 3,5 à 5 entre la largeur 1 et l'épaisseur e. It has been found that these undesirable couplings can be eliminated by an appropriate choice of the dimensions of the crystal block. Since the thickness is determined by the desired frequency, it is the other dimensions which must be chosen accordingly. Thus, the crystalline block, in an advantageous embodiment, could have a ratio of 12.5 between the length L and the thickness e and a ratio of approximately 3.5 to 5 between the width 1 and the thickness e.

Dans les conditions qui viennent d'être énoncées, l'ensemble du bloc cristallin en forme d'une plaque est en vibration et seul le centre géométrique de cette plaque parallélépipèdique est nodal. Mais ce centre n'est pas accessible pour la fixation. Les modes de réalisation du résonateur à cristal selon la présente addition tiennent parfaitement compte de cet état de fait. Under the conditions which have just been stated, the whole of the crystalline block in the form of a plate is in vibration and only the geometric center of this parallelepiped plate is nodal. But this center is not accessible for fixation. The embodiments of the crystal resonator according to the present addition take full account of this fact.

Les figures 2 et 3 représentent un premier mode de réalisation. Le bloc cristallin 100 qui peut entre recouvert d'électrodes sur ces faces principales 101,102 repose par ces quatre angles 103 sur un épaulement 104 pratiqué dans le fond 106 d'un bottier métallique 105. Figures 2 and 3 show a first embodiment. The crystalline block 100 which can between covered with electrodes on these main faces 101, 102 rests by these four angles 103 on a shoulder 104 formed in the bottom 106 of a metal shoemaker 105.

Ce dernier comprend dans sa zone périphérique une zone 108 permettant la fixation par exemple par soudage dbncouvercle 107 au bottier 105. La surface interne du couvercle 107 est recouverte dans sa partie médiane en regard de la surface supérieure du bloc cristallin 100 en forme d'une plaquette, par une couche métallique 109. La surface externe du couvercle porte une couche métallique 110 qui correspond à la couche 109. Ces couches 109, 110 forment avec la matière isolante du couvercle 107, qui est de préférence réalisé en verre ou en céramique, un condensateur placé électriquement en série avec la plaquette 100 et permettant d'exciter la vibration de celle-ci.La plaquette 100 est maintenue en place sur l'épaulement 104 par l'intermédiaire d'un organe formant ressort 111 configuré et disposé entre le couvercle 1C7et la surface supérieure de la plaquette 100 de façon à prendre appui ponctuellement sur cette surface supérieure de la plaquette, au niveau des quatre coins de cette surface. Le mode de réalisation suivant les figures 2 et 3, comme d1ailleurs les modes de réalisation représentés sur les figures 4 etE; présente: 'davantage important d'éviter des traversées étanches et les inconvénients de coNs derffl élevés et d'une faible fiabilité,quselles impliquent.The latter comprises in its peripheral zone a zone 108 allowing the fixing, for example by welding of the cover 107 to the housing 105. The internal surface of the cover 107 is covered in its middle part facing the upper surface of the crystal block 100 in the form of a plate, by a metal layer 109. The external surface of the cover carries a metal layer 110 which corresponds to the layer 109. These layers 109, 110 form with the insulating material of the cover 107, which is preferably made of glass or ceramic, a capacitor placed electrically in series with the plate 100 and making it possible to excite the vibration thereof. The plate 100 is held in place on the shoulder 104 by means of a spring member 111 configured and disposed between the cover 1C7 and the upper surface of the plate 100 so as to bear punctually on this upper surface of the plate, at the four corners of this surface. The embodiment according to Figures 2 and 3, as elsewhere the embodiments shown in Figures 4 and E; presents: 'more important to avoid watertight crossings and the drawbacks of high derffl coNs and low reliability, which they entail.

Le mode dé réalisation représenté sur la figure 4 se distingue du mode de réalisation qui vient d're décrit par le fait que la plaque cristalline 100 est montée en sandwich entre deux organes fermant ressort 111. Un ressort est interposé entre le fond du bottier 105 et la surface inférieure de la plaque cristalline 100, tandis que l'autre est placée comme auparavant entre le couvercle et la surface supérieure de cette plaquette. Dans ce mode de réalisation il n'est plus nécessaire de pratiquer un épaulement dans le fond du boiter, comme dans le cas de la figure 2. The embodiment shown in FIG. 4 differs from the embodiment which has just been described by the fact that the crystal plate 100 is sandwiched between two members closing the spring 111. A spring is interposed between the bottom of the case 105 and the lower surface of the crystal plate 100, while the other is placed as before between the cover and the upper surface of this wafer. In this embodiment, it is no longer necessary to make a shoulder in the bottom of the box, as in the case of FIG. 2.

Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 se distingue du mode de réalisation selon la figure 4 par le seul fait essentiel que les deux couches métalliques 109, 110 situées sur lesfacesinterne et externe respectivement du couvercle 107 sont électriquement reliées au niveau du centre du couvercle par une zone localement conductrice 112. Un couvercle pourvu d'une telle zone conductrice peut être réalisé avantageusement en choisissant comme matière de couvercle par exemple un oxyde métallique que l'on réduit localement par chauffage en présence d'hydrogène.Le mode de réalisation suivant la figure 5 est avantageux si on désire éviter que les couches métalliques 109, 110 se comportent comme une capacité montée en série avec la structure proprement dite du résonateur à cristal, comprenant le bloc cristallin 100 et les deux armatures métalliques fcrmées par la paroi inférieure du bottier 105 et la couche métallique 109 en regard du bloc 100 en forme de plaquette. The embodiment shown in Figure 5 differs from the embodiment according to Figure 4 by the only essential fact that the two metal layers 109, 110 located on the inner and outer faces respectively of the cover 107 are electrically connected at the center of the cover by a locally conductive zone 112. A cover provided with such a conductive zone can advantageously be produced by choosing as cover material for example a metal oxide which is locally reduced by heating in the presence of hydrogen. FIG. 5 is advantageous if it is desired to avoid that the metal layers 109, 110 behave like a capacitor mounted in series with the structure proper of the crystal resonator, comprising the crystal block 100 and the two metal frames formed by the bottom wall of the shoemaker 105 and the metal layer 109 opposite the block 100 in the form of a wafer.

La figure 6 illustre la forme de l'organe formant ressort 111 avantageusement utilisé dans les trois modes de réalisation selon l'addition. Le ressort de maintien 111 a la forme d'une plaquette de forme sensiblement rectangulaire. Les quatre coins 113 de cette plaquette sont pliés hors du plan de celle-ci, dans une même direction pour former des pattes à angle vif par lesquels ce ressort prend appui sur la surface supérieure de la plaquette cristalline 100. Cette configuration du ressort permet d'obtenir des forces de pression importantes, par exemple de l'ordre de 100 à 200 grammes pour un bloc cristallin de dimensions voisineNde celle indiquée plus haut, c'est-à-dire présentant une longueur L d'environ 5 mm, une épaisseur e d'environ 0,4 mm et une largeur de l'ordre de 1,4 à 2 mm. La pression spécifique atteint ainsi des valeurs très importantes.Par exemple, puisque la force du ressort se répartit entre les quatre angles 113 et à supposer que la surface d'appui soit de 10 4 mm2 la pression spécifique atteint des valeurs supérieures à 250 kg/mm2, ce qui entrain 11 écrasement du ressort au niveau de ces angles vifs et permet d'obtenir une véritable soudure à froid. Figure 6 illustrates the shape of the spring member 111 advantageously used in the three embodiments according to the addition. The retaining spring 111 has the shape of a plate of substantially rectangular shape. The four corners 113 of this plate are folded out of the plane thereof, in the same direction to form tabs at sharp angles by which this spring bears on the upper surface of the crystal plate 100. This configuration of the spring allows '' obtain significant pressure forces, for example of the order of 100 to 200 grams for a crystalline block of dimensions similar to that indicated above, that is to say having a length L of approximately 5 mm, a thickness e of about 0.4 mm and a width of the order of 1.4 to 2 mm. The specific pressure thus reaches very important values. For example, since the spring force is distributed between the four angles 113 and assuming that the bearing surface is 10 4 mm2 the specific pressure reaches values greater than 250 kg / mm2, which causes the spring to be crushed at these sharp angles and makes it possible to obtain a true cold weld.

Ceci amène des avantages importants : le montage estparticulièrement résistant auchocsen raison de la solidité de la fixation et celle-ci constitue un système parfaitement' élastique, sans perte par friction, n'amortissant que très peu la vibration du cristal. This brings important advantages: the mounting is particularly resistant to shock due to the solidity of the fixing and this constitutes a perfectly elastic system, without loss by friction, only very slightly damping the vibration of the crystal.

En effet, on peut montrer qu'un élément vibrant stil n'est pas maintenu à une région nodale ne peut être fixé que de deux façons,soit de-manière parfaitement souple de façon à éliminer toute transmission d'énergie à l'extérieur, soit de manière parfaitement rigide et dépourvuede friction, de façon à ne pas convertir l'énergie de vibration en frottement, ce qui se traduirait par un notable abaissement du facteur de qualité. In fact, it can be shown that a vibrating element stil is not maintained at a nodal region can only be fixed in two ways, either in a perfectly flexible manner so as to eliminate any transmission of energy to the outside, either in a perfectly rigid and frictionless manner, so as not to convert the vibration energy into friction, which would result in a noticeable reduction in the quality factor.

En particulier, l'utilisation des colles et de matière plastique se heurte au fait que ces matières ont-des pertes internes élevées.In particular, the use of adhesives and plastic material collides with the fact that these materials have high internal losses.

Les avantages des résonateurs à cristal selon l'addition résident avant tout dans le fait qu'ils ne comprennent qu'un très petit nombre de constituants qui sont faciles à usiner. En particulier, l'élément vibrant n'a pas besoin de répondre aux mêmes exigences de parallélisme et de planéité que pour les quartz usuels puisqu'il n'y apasdeconcentration d'énergie. The advantages of crystal resonators according to the addition reside above all in the fact that they comprise only a very small number of constituents which are easy to machine. In particular, the vibrating element does not need to meet the same requirements of parallelism and flatness as for the usual quartz since there is no energy concentration.

Pour l'assemblage, on pourra soit souder directement le couvercle sous vide, ou procéder au soudage dans l'air et prévoir un orifice que l'on refermera après la mise sous vide.For assembly, you can either directly weld the vacuum lid, or proceed with welding in air and provide an orifice that will be closed after vacuuming.

il est encoreànoter que la présence des électrodes sur les surfaces principales 101, 102 n'est pas obligatoire, comme il a été indiqué plus haut. it should also be noted that the presence of the electrodes on the main surfaces 101, 102 is not compulsory, as indicated above.

Les deux électrodes ou au moins l'une d'elles peuvent être éliminées. Dans le mode de réalisation suivant les figures 2 et 3, l'épaulement 104 duboôtier 105 peut être tel que la plaquette cristalline en quartz soit très près du fond et forme avec lui une capacité suffisante pour l'excitation, ce qui justifierai l'abandon de l'électrode sur la surface inférieure 102 de la plaquette. L'électrode sur la surface supérieure 101 pourrait également être supprimée à condition de donner au ressort 111 une forme telle qu'il soit proche du quartz sur une grande partie de sa surface. En pratique, toutefois, on conservera au moins l'une des électrodes, car ceci fournit un moyen simple de réglage fin de la fréquence par enlèvement ou addition de matière sur celle-ci.Both electrodes or at least one of them can be eliminated. In the embodiment according to FIGS. 2 and 3, the shoulder 104 duboôtier 105 may be such that the crystal crystal plate is very close to the bottom and forms with it a sufficient capacity for excitation, which will justify abandonment of the electrode on the lower surface 102 of the wafer. The electrode on the upper surface 101 could also be eliminated provided that the spring 111 is given a shape such that it is close to quartz over a large part of its surface. In practice, however, at least one of the electrodes will be kept, as this provides a simple means of fine-tuning the frequency by removing or adding material thereon.

Bien entendu, l'addition n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. Of course, the addition is in no way limited to the embodiments described and shown which have been given only by way of example. In particular, it includes all the means constituting technical equivalents of the means described as well as their combinations if these are executed according to its spirit and implemented within the framework of protection as claimed.

Claims

1. Piezoelectric crystal resonator, comprising a crystalline block, for example and preferably made of quartz, substantially in the shape of a parallelepiped and placed in the dielectric space of a capacitor device so as to be able to oscillate in shear mode thick, according to one of claims I to 4 of main patent application No. 79 02 503, characterized in that said crystalline block is enclosed in a metal case provided with a cover of an insulating material which is provided on its internal surface, on the facing part of the planar upper surface of said crystalline block, of a metal layer cooperating electrically with an external electrical contact member, and in that said crystalline block is held inside said casing a position parallel to the internal surface of the bottom wall of said case and to the internal surface of said cover by at least one clamping spring member configured and placed in abutment on a surface of shoemaker so as to be able to exert a substantially punctual holding pressure on the crystalline block, at the level of the four corners of a flat main surface thereof.

2. Resonator according to claim 1, characterized in that a shoulder is formed in the aforementioned internal surface of the aforementioned bottom wall of the shoemaker; on which the crystal block rests by the four angles of its lower main surface, and in that a single clamping spring member is interposed between the internal surface of the aforementioned cover and the upper main surface of said crystal block.

3. Resonator according to claim 1, characterized in that it comprises two clamping spring members / one being interposed between the internal surface of the bottom wall of the aforementioned cover and the lower main surface of the crystal block and the another being placed between the internal surface of the aforementioned cover and the upper main surface of said crystalline block.

4. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that each clamping spring member is formed by a flexible blade, preferably rectangular, the wedge parts of which are folded back from the plane of the blade to form support legs. at a sharp angle, by which the blade bears on the crystalline block at the four corners thereof, when it is under compression by said cover.

5. Resonator according to claim 4, characterized in that in the state compressed by the aforementioned cover, each clamping spring member in the form of the aforementioned blade produces at its support legs a high pressure leading to crushing of these tabs for the formation of a cold weld with the surface of the aforementioned crystalline block.

6. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that a metal layer is deposited on the external surface of the aforementioned cover opposite the metal layer on the internal surface of the cover, the two metal layers forming a capacity mounted in series with the condenser in the dielectric space of which the crystal block is located, for the excitation of the latter.

7. Resonator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the aforementioned cover comprises on its external surface a metal layer and an electrically conductive area passing through said cover to establish an electrical contact between the metal layers on the internal surfaces. and external of said cover.

8. Resonator according to claim 7, characterized in that the aforementioned conductive zone is produced for a cover constituted by a metal oxide by a local reduction of this zone by heating in the presence of hydrogen.

9. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that the crystalline block is covered on one of its main flat faces or on the two surfaces by thin metal electrodes.

10. Resonator according to one of the preceding claims, characterized in that the crystal block has a ratio of the order of 12.5 between its length and its thickness and a ratio of the order of 3.5 to 5 between its width and thickness.