DE2500687C3

DE2500687C3 - Vorrichtung zur stoßfesten Halterung eines Quarzkirstallbiegeschwingers

Info

Publication number: DE2500687C3
Application number: DE2500687A
Authority: DE
Inventors: Kikuo Suwa Nagano Oguchi
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1974-01-09
Filing date: 1975-01-09
Publication date: 1986-11-13
Also published as: FR2257153A1; FR2257153B1; CH641633GA3; HK55078A; DE2500687B2; CH645507GA3; GB1465863A; CH641633B; DE2500687A1; MY7800432A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der durch die DE-AS 20 46 737 bekanntgewordenen Vorrichtung zur stoßfesten Halterung eines stimmgabelförmigen Piezo-Schwingers in einem Gehäuse sind zwei gleichzeitig als elektrische Leitungen dienende Metallstifte vorgesehen, an denen der Piezoschwinger mittels Stützfedern befestigt ist. Die Stützfedern sind ein notwendiger Bestandteil der Halterung, weil sonst bei Erschütterungen, denen eine Armbanduhr beim Tragen ausgesetzt ist. der Piezo-Schwinger brechen würde. Die Stützfedern haben somit die Aufgabe, einen auf das Gehäuse des Piezo-Schwingers ausgeübten btoß weitgehend zu absorbieren.

Durch die DE-AS 19 15 465 ist eine Vorrichtung zur Halterung eines scheibenförmigen Piezo-Schwingers bekanntgeworden, der zur Stabilisierung von in der Nachrichten-, insbesondere Fernsehtechnik, benötigten Frequenzen dient. Der scheibenförmige Schwinger ist mit annähernd gegenüberliegenden Stellen seines Randes in die durch Schlitzung entstehenden Spalte zweier drahtförmiger Anschlußelement eingeschoben und dort mit Hilfe eines Leitklebers befestigt. Ein in nachrichtentechnische Geräte eingesetzter Schwinger ist nicht den gleichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt wie ein in eine Armbanduhr eingebauter Schwinger, der während des Tragens der Uhr häufig großen Beschleunigungskräften oder Stoßkräften unterworfen ist Halterungen für Piezo-Schwinger, die den mechanischen Beanspruchungen in einem nachrichten technischen Gerät genügen, erfüllen deshalb in der Regel nicht die Anforderungen bei einem Einsatz des Schwingers in Armbanduhren. Für diese hat man bisher Stützfedern zur Absorption von auf das Gehäuse des Piezo-Schwingers ausgeübten Stoßen für erforderlich erachtet.

Das Patent 24 18 277 betrifft einen Quarzkristallbiegeschwinger mit einer dünnen Quarzkristallplatte in Form einer Stimmgabel mit Elektroden zur Erzeugung entgegengesetzt gerichteter elektrischer Felder zwischen den Randbereichm und dem mittleren Bereich der Zinken der Stimmgabel, die zur Verursachung einer Breitenbiegung der Zinken parallel zur Oberseite und Unterseite der Quarzkristallplatte eine wesentliche Komponente parallel zur X-Achse des Kristalls aufweisen, wobei die Schnittebene der Quarzkristallplatte gegenüber einem X-Schnitt um einen Winkel von 0° bis 10° um die X-Achse und weiter um einen Winkel von 70° bis 90° um die V-Achse verdreht ist, sämtliche Elektroden für die Erregung des Schwingers an der Vorderseite und/oder an der Rückseite der Quarzkristallplatie angeordnet sind und jede Zinke der Stimmgabel zwei elektrisch gleichpolige Elektroden an ihren Randbereichen und eine dem gegenüber elektrisch gegenpolige Elektrode in ihrem mittleren Bereich besitzt. Diese Schwinger können sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Elektroden unterschiedlicher Polarität aufweisen, durch die der Schwinger zu der gewünschten Schwingungsform angeregt werden kann. Als Halterung hat man für derartig dünn ausgebildete Piezo-Schwinger das Auflöten des Basisteils auf einen oberflächlich metallisierten Keramikblock für notwendig erachtet.

Es hat sich nun herausgestellt, daß bei deranigen Quarzkristalibiegeschwingern Schwierigkeiten wegen des unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwisehen der Stützplatte und dem Quarz auftreten. Es kommt wegen der unterschiedlicher. Ausdehnungskoeffizienten im Basisteil des stimmgabelförmigen Quarzkristallbiegeschwingers beim Abkühlen zu solchen Spannungen, daß ein Bruch auftreten kann.

Aus der DE-OS 15 41 640 ist eine Vorichtung zur Halterung eines Schwingkristalls nach dem Oberbegriff des Patentanspruch I bekannt. Der in diesem Fall plattenförmige Schwingkristall besitzt auf jeder Platlenseite eine Elektrode und ist so in Schlitze der durch den Boden des Gehäuses für den Schwingkristall hindurchgeführten Metallstifte eingesteckt, daß jeder der beiden Elektroden mit einem zugehörigen Metallstift in Kontakt steht, so daß die Stifte gleichzeitig als F.lektmdcnzuführung dienen.

Aufgabe der Erfindung ist es. für den Quarzkristall biegeschwinger nach dem Hauptpatent eine stoßfeste Vorrichtung zu Halterung anzugeben, bei dem die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten mechanischen Spannungen eliminiert sind.

Diese Aufgabe ist durch die Verwendung der aus der DE-OS 15 41640 bekannten Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Bei dieser Art der Befestigung werden durch die Nachgiebigkeit der Metallstifte schädliche durch untcrschiedliche Ausdehnungskoeffizienten verursachte Spannungen verhindert. Die Stifte absorbieren gleichzeitig die über das Gehäuse auf den Schwinger ausgeübten Stöße, der im Vergleich zu den bekannten stimmga-

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belförmigen Quarzkristalischwingern wegen seines besonderen Schnittes und der Art seiner Erregung sehr dünn ausgebildet ist und deshalb eine kleine Masse aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert In der zugehörigen Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schrägansicht eines Quarzkristallschwingers gemäß dem Hauptpaient.

F i g. 2 de£ cn Rückansicht,

F i g. 3 die Schnittwinkel dieses Schwingers,

F i g. 4 eine Erregungsart dieses Schwingers,

Fig.5 und 6 eine Schrägansicht bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform,

F i g. 7 und 8 eine Draufsicht bzw. Schnittansicht einer gegenüber den F i g. 5 und 6 modifizierten Ausführungsform,

Fig.9 und 10 vergrößerte Ansichten der Ausführungsform gemäß den F i g. 7 und 8,

F i g. 11 bis 16 weitere Ausführungsformen,

Fig. 17 eine Herstellungsmethode für eine der AusiünruugMuniieii gemäß F i g. 5 bis iO,

Fig. 18 eine andere Herstellungsmethoden,

Fig. 19 bis 23 weitere Ausführungsformer.

F i g. 1 und F i g. 2 zeigen in einer Schrägansicht die Vorder- bzw. die Rückseite eines Stimmgabel-Quarzkr:- staüschwingers 15 gemäß dem Hauptpatent mit weniger als 200 μΐη Dicke. Der Schwinger ist aus einer Quarzkristallplatte, die in F i g. 3 dargestellt ist. mittels einer fotomechanischen Ätzmethode herausgeätzt. Seine Schnittrichtung wird durch Drehung einer X-Schnitt-Platte um einen Winkel α von 0° bis 10° um die A"-Achse und durch eine weitere Drehung um einen Winke! /von 70° bis 90° in die V-Achse Achse erhalten. 16 und 17 in Fig. I und 25 und 26 in Fig. 2 sind Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an den Schwinger 15. Ein Tci! der rücksseitiger. Elektroden 25/27 und 26/28 ist auf Metallschichten 18 und 19 befestigt, die entsprechend den Elektrodenabschnitten 27 und 28 des Schwingers auf der oberen Fläche einer Halterung 24 aus isolierendem Material mittels Niederschiagens, Sinterns usw. gebildet sind. Die Elektroden 16 und 25 einerseits sowie 17 und 26 andererseits sind mittels Auschlußdrähte 20 und 21 mit Anschlüssen 22 bzw. 23 verbunden.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Schwingers, in welcher dessen Elektrodenanordnung sowie das innere elektrische Feld bei dessen Betrieb aargestellt sind. Di? an den Schwinger angelegten elektrischen Felder verlaufen parallel zur -Y-Achse, die durch Pfeile angedeutet ist. Demgemäß beträgt die dynamische Impedanz dieses Quarzkristallschwingers etwa 50 Kiloohm und ist damit weil geringer als bei bekannten Schwingern. Die Temperatur, bei welcher die Temperaturkoeffizient 0 ist. kann je nach Größe des Winkels α zwischen 20°C und 40"C gewählt we. den. Somit ist dieser Schwinger, der eine hohe Leistungsfähigkeit und recht geringe Abmessungen aufweist, als Quarzkristallschwinger für Armbanduhren ausgezeichnet geeignet. Bei einem derartigen Schwinger ist es erforderlich. Elektroden zweier Polaritäten nicht nur von der Vorderseite, sondern auch von der Rückseite herauszuführen.

Fig.5 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, F i g. 6 eine Schnittansicht. Zwei Stifte 31 sind durch eine Seitenwand eines Gehäuses 30 geführt. Wenigstens die Endteile dieser Stifte sind in flache Form gebracht. 15 stellt einen Quarzkristallschwinger dar, der mittels Lötmittel od. dgl. an den beiden Stiften befestigt ist. Die Fig.7 und 8 zeigen eine Ausführungsform in Drauf- bzw. Schnittansicht, bei welcher Lötmittel 3 Γ so aufgebracht ist, daß eine leitende Verbindung sowohl zu den oberen wie auch zu den unteren Elektroden hergestellt ist. Die Fig.8 und 10 zeigen in vergrößerter Darstellung die Halterung des Schwingers, und zwar F i g. 9 den Zustand bei höherer Temperatur als im Fall von Fig. 10. Da der Ausdehnungskoeffizient der di .· Seitenwand bildenden Keramik (7 · 10-⁶/⁼C) kleiner ist als derjenige des Quarzkri-Stallschwingers (13 - 10-⁶/°C), zieht sich der Schwinger im Fall des Abkühlens der gesamten Anordnung relativ stärker zusammen. Da jedoch, wie in der Zeichnung übertrieben dargestellt ist, die Stifte gebogen werden, wird eine durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte Spannung ausgeschaltet. Der Schwinger befindet sich in einem weitgehend entspannten Zustand, so daß dessen Brechen verhindert ist

Bei den bisherigen Ausführungsformen erstrecken sich die .Stifte von der Seitenwand nach innen. Jedocii kann ein Stift 32 entsprechend de Schnittansicht nach Fig. Π oder ein Stift 35 entsprecner d der Schnittansicht nach Fig. 12 meist dieselbe Wirkung hervorbringen, da eine Entlastung der Spannung durch Torsion und Biegung des Stiftes verursacht wird. Gemäß Fig. 11 erheh.' sich der Stift 32 vom Boden her und ist abgebogen, gemäß Fig. 12 ist der obere Teil des Stiftes 33 in eine ebene Form gebracht. Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform.

bei welcher ein abgebogener Stift 32 verwendet ist. Die Fig. 15 und 16 zeigen eine Drauf- bzw. Schnittansicht einer Ausführungsform, bei welcher ein oben abgeflachter Stift 33 verwendet ist. Bei der Ausführung nach den Fig. 13 bis 16 ist die Lötmitielverbindung 32' bzw. 33' derart ausgebildet, daß sie eine leitende Verbindung sowohl zu den oberen als auch den unteren Elektroden des Schwingers hcisicih. Bei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 11 bis 16 hat der Stift die Funktion eines Stoßabsorbers, der verhindert. d>.ü ein auf das Gehäuse wirkender Stoß auf den Schwinger übertragen wird. Für den Fall einer praktischen Verwendung dieses Stiftes siiid zahlreiche Materialeigenschaften, die Querschnittsform und die Abmessungen zu berücksichtigen.

Als nächstes werden Herstellungsmethoden für die Ausführungsformen gemäß den Fig. * bis 10 beschrieben.

Fig. 17 zeigt eine erste Methode. Ein Bodenteil 34 und ein Seitenteil 35 werden getrennt aus keramischem Material hergestellt und bei hoher Temperatur unter Verwendung von Glas zur hermetischen Verbindung verklebt. Gleichzeitig werden durch Einlegen zweier Stifte 36 zwischen die Teile 34 und 35 sämtliche Teilt als ein Stück ausgebildet, wobei die Luftdichtigkei; auf- -eci.er.ialten wird.

Fig. 18 zeigt eine andere Methode. Zunächst wurden Durchbohrungen 38 im Gehäuse 37 vorgesehen, die so groß sind, daß Stifte hindurchpassen. Darauf werden die Stifte in die Durchbohrungen eingesetzt und mit dem Gehäuse dadurch verklebt, daß Glas zur hermetischen Verbindung in einen sehr schmalen Späh zwischen diesen gegossen wird.

F i g. 19 zeigt eine Schrägansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuten 38', die in Stiften 37' vorgesehen sind, eingesetzt und mittels eines Lötmittels oder eines anderen leitfähigen Materials befestigt. 39' ist ein mit einer hermetischen Dichtung versehener Einsatz 40 ist eine Kappe, die zusammen mit dem Einsatz ein luftdichtes Ge-

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häuse bildet. Bei dieser Ausführungsform sind die Elektroden der Vorder- und der Rückseiten automatisch leitend verbunden.

Die Fig.20 und 21 zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuten 42 eingesetzt und befestigt, die an den Seiten von Stiften 41 vorgesehen sind.

Die F i g. 22 und 23 zeigen eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform. Der Schwinger 15 ist in Nuten 44 abgebogener Stifte 43 eingesetzt und befestigt.

Bei obigen Ausführungsbeispielen ist als Gehäusematenal Keramik genannt worden. Es kann auch ein Metallgehäuse mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als demjenigen des Quarzkristallschwingers verwendet werden.

Außerdem ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines einstückigen Stiftes beschränkt, sondern es kann auch ein mehrteiliger Stift, z. B. ein üblicher Stift, verwendet werden, auf dem ein anderes, geeignet ausgebildetes Glied befestigt ist.

Ferner kann die Erfindung, wenn sie auch die beste Wirkung bei Anwendung auf den Quarzkristallschwinger mit dem beschriebenen Elektrodenaufbau ergibt, auch auf stimmgabelförmige Quarzkristallschwinger mit anderem Elektrodenaufbau Anwendung finden. In diesem Fall ist es möglich, bei Bedarf drei Stifte zu verwenden. Ferner kann als piezoelektrisches Material neben Quarzkristall Lithiumtantalat oder Piezokeramik verwendet werden.

Wie aus obiger Beschreibung zu entnehmen ist, würde selbst dann, wenn der Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses oder Einsatzes recht unterschiedlich von demjenigen des Schwingers wäre, aufgrund des Verbiegens der Stifte keinesfalls eine große Spannung auf den Schwinger ausgeübt. Das heißt, die durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Schwinger verursachte Spannung kann dadurch absorbiert werden, daß zwei Stifte mit mehr oder weniger Elastizität sich durch das Gehäuse hindurch in dessen Inneres erstrecken, und daß der Quarzkristallschwinger an den Endteilen der Stifte befestigt ist. Da ein auf das Gehäuse ausgeübter Stoß nicht direkt auf den Schwinger gelangt, üben die Stifte gleichzeitig die Funktion eines Stoßabsorbers aus. Des weiteren kann bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 17 bis 21 dadurch, daß der Schwinger in Schlitze eingesetzt ist und daher von beiden Seiten gehalten wird, eine feste Halterung erreicht werden. Da es nicht erforderlich ist die Elektroden mittels Anschlußdrähten leitend zu verbinden, kann hinsrrhtlich Reduzierung der Kosten ein beträchtlicher Fortschritt erzielt werden. Speziell bei Anwendung dieser Erfindung auf Armbanduhren erweisen sich die erfindungsgemäßen Vorteile als maximal.

55 Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

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Claims

25 OO 687 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur stoßfreien Halterung eines Quarzkristallbiegeschwingers, bei der der Basisteil des Quarzkristailbiegeschwingers (15) direkt an zwei durch die Gehäusewand hindurch geführten Metallstiften (31, 32, 33) befestigt ist und die Stifte (31,32, 33) gleichzeitig als Elektrodenzuführung dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorichtung bei einem Quarzkristallbiegeschwinger mit einer dünnen Quarzkristallplatte in Form einer Stimmgabel mit Elektroden zur Erzeugung entgegengesetzt gerichteter elektrischer Felder zwischen den Randbereichen und dem mittleren Bereich der Zinken der Stimmgabel, die zur Verursachung einer Breitenbiegung der Zinken parallel zur Oberseite und Unterseite der Quarzkristallplatte eine wesentliche Komponente parallel zur X-Achse des Kristalls aufweisen, vobei die Schnittebene der QuarzkristaHnlatte gegenüber einem X-Schnitt um einen Winkel (λ) von 0° bis 10° um die X-Achse und weiter um einen Winkel (y) von 70^; bis 90° um die V-Achse verdreht ist, sämtliche Elektroden (16,17,25,26) für die Erregung des Schwingers (15) an der Vorderseite und an der Rückseite der Quarzkristallplatte angeordnet sind und jede Zinke cer Stimmgabel zwei elektrisch gleichpolige Elektroden an ihren Randbereichen und eine demgegenüber elektrisch gegenpolige Elektrode in ihrem mittleren Bereich besitzt, nach Patent ~>A 18 277 verwendet ist. wobei sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Quarzkristallplatte Elektrode,. (16, 17 bzw. 25, 26) unterschiedlicher Polarität vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Ansprucl. I, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzkristallbiegeschwinger (15) in Schlitze (38, 42, 44) eingesetzt ist. die an den Stiften (37,41,43) vorgesehen sind.