JPS5818806B2 - 音叉形圧電振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、主面（最とも広い面をいう。

）がＵ字形に成形された音叉形圧電振動子（以下、音叉
形圧電振動子という。

）の保持器に関するものである。音叉形圧電振動子、特
に音叉形水晶振動子が腕時計の振動源として使用される
ようになって以来。

形状の小形化および銅損、耐衝撃性が強く要求されると
共に、音叉形圧電振動子本来の電気特性即ち保持器の影
響を極力少なくして直列共振抵抗および共振周波数のそ
れぞれの温度特性、を良好ならしめφことが要求されて
いるが、これらの要求は互に相反する点があるため容易
に満足されない。

例えば、第１図に示すような音叉形水晶振動子の保持構
造の場合、脚部１′および基部１“から成る音叉形水晶
振動片１は、その基部１“の−主面を保持台２に接着ま
たは半田付により固着して保持される。

このような音叉形水晶振動子は、小形化および制振、耐
衝撃性に関する限り凌れているが、水晶振動子の本来の
電気特性のうち特に要件とされる直列共振抵抗値および
共振周波数のそれぞれの温度特性が保持台２の機械的影
響により強制的に束縛を受けて劣化されている。

即ち、音叉形水晶振動子は、厚み系振動姿態を利用した
高周波振動子（数ＭＨｚ〜数拾ＭＨｚ）の直列共振抵抗
が数Ω〜数拾Ωのように元々小さい値であるのに対して
、屈曲振動姿態を利用した低周波振動子（数Ｈｚ〜数百
ＫＨｚ）であることから、その直列共振抵抗が真空封入
した密封容器内の環境下でも５０にΩ以上もあり、更に
この値は、周囲温度に対して一定せず、ときにはある温
度において発振停止する程の急激に大きくなることすら
ある。

この直列共振抵抗値の劣化現象に伴って共振周波数温度
特性も、通常水晶振動片１の形状および切断方位角が一
定であれば共振周波数温度％Ｆｌが測定誤差範囲内のバ
ラツキの中に包含されるべきであるにもかかわらず、再
現性なくして大きなバラツキをもって分布し、かつ周波
数変化率が本来の特性よりも大きくなることがある。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもの
であって、音叉形圧電振動子の電気特性を劣化せしめる
ことなく、小形化に適し、かつ外部からの振動および衝
撃に耐え得る保持機能を持った保持器を具備した音叉形
圧電振動子を提供するところにある。

このような目的を達成するため、本発明の音叉形圧電振
動子は、主面がＵ字形に成形された音叉形圧電振動片の
基部を保持する音叉形圧電振動子の保持器が、該基部の
両主面の相対向する面の−部分を挟持個所にし、該挟持
個所からそれぞれ該両生面と接触することなく該音叉形
圧電振動片の長手方向に延在し、かつ該基部の端面を囲
んで合体していることを特徴とする音叉形圧電振動子か
ら成る。

ここで、「音叉形圧電振動子」とは、水晶、タンタル酸
リチウム、ニオブ酸リチウムおよび圧電セラミック等の
音叉膨圧電体に屈曲振動すべき励振電極を配置し、該圧
電体の形状および物質定数に基づく共振周波数に一致し
た交番電圧を該励振電極に印加することより振動するも
のであり、「基部」とは、屈曲振動する脚部以外の音叉
形圧電振動片を指す。

以下、本発明を実施例の図示をもって説明する。

先ず本発明の理解を容易ならしめるため、音叉形圧電振
動子の構成および動作原理を第２および第３図によって
説明する。

第２図は、音叉形圧電振動子の基本構成を示す斜視図で
あり、同図のａおよびｂにおいて斜線を施した部分は音
叉形圧電振動子を屈曲振動させるための励振電極であっ
て、それぞれの脚１′の主面（Ｂｓ Ｃｓ平面）の対向
すべき面に分割電極３１゜および脚部１′の主面（Ｂ２
Ｃ２平面）と側面（Ａ２Ｃ２平面）のそれぞれ対向す
べき面に４面電極３２が配置されている。

なお、１“は音叉形圧電振動片の基部である。

音叉圧電振動片の形状は、ａおよびｂにおいて、それぞ
れＢｌＣ，平面、Ｂ２Ｃ２平面を主面とするＵ字形を成
し、結晶軸（ＡｓＢｓｃｓ）および（Ａ２ Ｂ２Ｃ２）
は、共に直交立方座標軸であって、一般に使用される結
晶座標軸（Ｘ’ＹＺ）を用いて表現すれば、例えば圧電
体が水晶の場合、Ａ１がＸ、Ｂｌがｚ’、ｃ、がＹ′で
あり、Ａ２がＺ“、Ｂ２がｘ、 Ｃ２がＹ′である。

また圧電体がタンタル酸リチウムの場合、Ａ１がＺ′、
Ｂ１がＸ′、Ｃ１がＹ“であり、Ａ２がＸ′、Ｂ２がＺ
′、Ｃ２がＹ“である。

ここで、結晶座標軸（ｘｙ’ｚ’）は、初めの結晶座標
軸（ｘｙｚ）のＸ軸を中心にして座標軸を回転したもの
を示す意味で（ｘｙ’ｚ”）とし、結晶座標軸（Ｘ／
ｙ／／ ｚ／ ）は、初めの結晶座標軸（ｘｙｚ）のＺ
軸を中心にして座標軸を回転した後の結晶座標軸（ｘ’
ｙ’ｚ）を更にＸ′軸を中心にして回転したものを示す
意味で（Ｘ／ Ｙ／／Ｚ／）としである。

このように結晶座標軸を回転することは、使用する温度
に適した周波数％性を得るために圧電体の切断方位角を
所望角の範囲で回転することであり、音叉形圧電振動子
の設計技術としての通常手段である。

第３図のａおよびｂに示す電極の接続図は、それぞれ第
２図のａおよびｂの同記号に対応し、それぞれの電極に
係る部分の詳細図で共に音叉形圧電振動片の脚部１′の
頭から見込んだ場合を示す。

そして、端子り、と８１問および端子Ｄ２とＢ２間に音
叉形圧電振動子の共振周波数に一致した交番電圧を印加
すれば、第２図のａおよびｂに示す音叉形圧電振動子は
、それぞれＢ、 Ｃ，平面およびＢ２Ｃ２平面を屈曲振
動面として屈曲振動する。

次に本発明の実施例について説明するが、結晶座標軸お
よび励振電極の配置図は、図面を複雑にするので、これ
らは図示せず、音叉形圧電振動片および保持器を中心に
した図示をもって説明する。

第４図は、本発明の一実施例である音叉形水晶振動子の
構造図であり、同図ａがその全体図、同図すが保持器の
詳細図である。

脚部１′および基部１“から成る音叉形水晶振動片１は
、基部１の両生面の相対向する面上で保持器４の挾持面
８１および８２によって挾持される。

保持器４は、密封容器の底板７に固着されたガラス等の
絶縁物から成る挿通孔６、に植設された引出端子５１に
半田付して固着される。

ここで、脚部１′に配置された励振電極から導かれた２
端子電極のうち一方を基部１“の両生面上に相対向して
配置しておくことより、２端子電極のうち１端子を保持
器４と半田付または導電接着剤により電気接続できると
共に、音叉形水晶振動片１は保持器４で保持される。

また、残りの端子電極は、挿通孔６２に植設された引出
端子５□にリード線を接続することより気接続される。

このようにして構成された音叉形水晶振動子は、この後
密封容器のカバーを底板７にコールドウエルデング接合
（容器内は真空にする）することで組立が完了する。

以上、本発明の実施例で注目すべき構成は、音叉形水晶
振動片１の基部１“と保持器４との構成にある。

即ち、音叉形水晶振動片１の挟持個所が基部１の両生面
の相対向する面上にあって、保持器４の挟持面８１，８
□の一部分だけであると共にその挟持個所からそれぞれ
両主面と接触することなく音叉形水晶振動片１の長手方
向に延在し、基部１“の端面を囲んで合体された保持器
の構造が注目される。

ところで、第５図に示す音叉形水晶振動片１の保持器９
は、本発明の実施例に示した保持器４と一見したところ
類以じているように思われる。

しかし、保持器９は、その詳細図である同図すに示すよ
うに挟持面１０Ｉおよび１０□と底面１１が基部１″の
主面上の中央部から長手方向端部までの領域と底面１″
にわたって接触して構成されていることに注意しなけれ
ばならない。

そこで、本発明の実施例である第４図に示す音叉形水晶
振動子と第５図に示す音叉形水晶振動子について、図示
以外の点に関して条件を変えずに電気特性を比較すれば
、それらの構成の相違個所から予想をもできない程の著
しい差が現われることを説明する。

即ち、対称１次モードである基本波振動では、両者は共
に直列共振抵抗および共振周波数の各温度特性が良好で
あるので、大差はないが、しかるに対称：２次モードで
の眼動では、下記する通り著しい差が現われる。

第１１図および第１２図は、それぞれ対称２次４モード
の共振周波数が２００，０００Ｈ，Ｚであって、保持器
として第４図および第５藺に示す保持器４および９を使
用したそれぞれの音叉形水晶振動子の直列共振抵抗温度
％性および共振周波数温度特性を示す。

なお、第１１図は、横軸が温度Ｔ（’Ｃ）縦軸が直列共
振抵抗Ｃ１，（ＫΩ）であり、第１２図は、横軸が温度
Ｔ （℃）、縦軸が共振周波数Ｆ（Ｈｚ ）である。

そして、各％性曲線の１２および１４は第４図に示す保
持器４，１３および１５は第５図に示す保持器５を使用
した場合の音叉形水晶振動子の直列共振抵抗温度特性お
よび共振周波数温度特性曲線図である。

曲線１２および１４は、竜叉形水晶振動子の形状寸法お
よび水晶振動片の切断方位角で定まる音叉形水晶振動子
本来の％性に近い特性曲線であるが、一方、曲線１３お
よび１５は、それぞれ前述の曲線１２および１４と比較
して、共に変動量が各温度において著しく大きいのみな
らず、０℃および３０℃において直列共振抵抗値が白に
Ωのケタでは測定できない程の大きな値になるため、そ
のときの共振周波数も著しく大きな変動を起こすと共に
、発振停止にまで至ってしまう。

また、各％性曲線の再現性においては、第４図の保持器
４を使用した音叉形水晶振動子は良好であるが、一方、
′第５図の保持器９を使用°した音叉形水晶振動子はバ
ラツキが非常に大きく分布しているため、この点でも本
発明が優秀であることを立証している。

以上説明したように本発明に係る音叉形水晶振動子は、
対称１次モード（基本波振動）のみならず、対称２次モ
ードにおいても音叉形水晶振動子の電気特性を劣化する
ことなく、良好なる特性を維持することができる。

また、剛衝撃試１験によれば、本発明を用いた音叉形水
晶振動子を組込んだ腕時計を１．５ｍの高度から木板上
に落下させても日差０．３秒以下の周波数偏差しか生じ
ないことが確認されており、保持機能についても十分満
足している。

小形化の点については、実施例の図示の通り説明するま
でもなく最適であるといえる。

以上、圧電体として水晶を実施例に取りあげたが、他の
圧電体、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム
および圧電セラミック等の圧電体から成る音叉形圧電振
動子においても、本発明の作用効果が得られることは、
当業者であれば容易に理解できよう。

また、本発明の他の実施例として第６図、第７図および
第８図に示す音叉形圧電振動子の構造図を挙げることが
できる。

第６図および第８図に示す音叉形圧電振動子は、前者が
振動片１の主面に対して垂直に保持した場合、後者が振
動片１の主面に対して平行に保持した場合であって、共
に２つの保持器４．および４２を使用して基部１“の両
主面に配置された２端子電極にそれぞれ電気接続すると
同時に振動片１を保持器４１および４□によって保持し
ている。

第７図に示す音叉形圧電振動子は、振動片１の主面に対
して垂直に保持した場合であって、第４′図に示した構
造図と同様に保持器４を１個使用している。

このような各実施例においても、第４図すに示した保持
器４を基本構成にして使用しているので、第４図ａに示
した音叉形圧電振動子と同様な作用効果が得られること
は明らかである。

また、保持器の変形として、第９図および第１０図に示
されるものが挙げられる。

かくして本発明による音叉形圧電振動子は、小形化およ
び耐振、耐衝撃性に優れると共に、音叉形圧電振動子本
来の電気特性を対称１次モードのみならず対称２次モー
ドの振動においても劣化していないので、この分野にお
ける工業上の利用価値が極めて高い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の音叉形水晶振動子の構造図、第２図は音
叉形圧電振動子の基本構成を示す斜視図、第３図は第２
図に基づく構成の電極の接続図、第４図は本発明の一実
施例である音叉形圧電振動子の構造図、第５図は本発明
と比較すべき音叉形圧電振動子の構造図、第６，７およ
び８図は本発明の他の実施例である音叉形圧電振動子の
構造図、第９，１０図は本発明に使用する保持器の他の
実施例である構造図、並びに第１Ｌ１２図はそれぞれ本
発明の実施例と第５図に示した構造図に基づく音叉形圧
電振動子の対称２次モード振動における直列共振抵抗温
度特性曲線図および共振周波数温度特性曲線図である。 １・・・・・・音叉形圧電振動片、１“・・・・・・音
叉形圧電振動片の基部、４ 、４１．４□・・・・・・
保持器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 主面がＵ字形に成形された音叉形圧電振動片の基部
   を保持する音叉形圧電振動子の保持器が、該基部の両主
   面の相対向する面の一部分を挟持個所にし、該挟持個所
   からそれぞれ該両主面と接触することなく該音叉形圧電
   振動片の長手方向に延在し、かつ該基部の端面を囲んで
   合体していることを特徴とする音叉形圧電振動子。