JPS59202720A - 音叉型水晶振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、屈曲振動の基本振動と捩れ振動の基本振動の
弾性結合を利用する音叉型水晶振動子において、主振動
の周波数及び周波数温度特性の両方を調整するための増
減するオモリの位置に関するものである。

近年、屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を利用して、屈曲
振動の周波数温度特性（以後、ｆ−Ｔ特性と呼ぶ）を良
好にしようとする音叉型水晶振動子が提案されている。

この音叉型水晶振動子は、比較的低い周波数で年差表示
可能な高精度腕時計用水晶振動子になり得るため注目さ
れている。

ところで、二つの振動の弾性結合を利用し、屈曲振動の
ｆ’−Ｔ特性を良好にする場合、二つの振動の周波数差
（以後、δｆと呼ぶ）を適切な値にする必要がある。何
故なら二つの振動の結合の強さは、主にδｆに依るから
である。第１図に示す如く、音叉型水晶振動子の厚みを
ｔ、音叉腕の長さを！、音叉腕の幅をＷとすると、屈曲
振動の周波数（以後、ｆＦと呼ぶ）はＷ／ノ・２に、捩
れ振動の周波数（以後、ｆＴと呼ぶ）はほぼｔ／（１ｗ
）に比例する。故にδｆを適切な値にするには、振動子
の厚みｔを適切な値にすれば良い。ところが、厚みｔに
よるｆＴの変化量は非常に大きいために、厚みｔのみに
よシδｆを適切な値にする事は殆んど不可能である。そ
こで、音叉型水晶振動子上にオモリの増減を施こし、δ
ｆの調整を行なうことが試みられている。

オモリの増減による周波数調整には、主振動の周波数を
ねらい値にするものと、δｆを調整することによシ、主
振動のｆ−Ｔ％性を調整する二種類のものが考えられる
。ここで、主振動とは、屈曲振動と捩れ振動の二つの振
動の内、発振回路に振動子を組んだ時に発振する振動、
即ち等価抵抗Ｒ１が低い振動を言う。以後、便利のため
屈曲振動が主振動である場合を想定して議論を進めてい
く。

この屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を利用した音叉型水
晶振動子として、従来、主に屈曲の二次振動と捩れの基
本振動の弾性結合を利用したものが考えられてきた。同
一形状の音叉型水晶振動子を屈曲の二次振動で励振させ
た場合と屈曲の基本振動で励振させた場合とでは、前者
の周波数は後者の周波数に比べ約６倍の値を持つ。その
ため、屈曲の二次振動と捩れの基本振動の弾性結合を利
用する音叉型水晶振動子は、屈曲の基本振動と捩れの基
本振動の弾性結合を利用する音叉型水晶振動子に比べ、
主振動である屈曲振動の周波数を同一にする時、音叉腕
の長さ！を長くし々ければならない。しかも、！を長く
した結果、屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を起させるた
めに、振動子の厚みｔを厚くしなければならない。この
様に、屈曲の二次振動と捩れ振動の弾性結合企利用する
場合、振動子の大きさが大きくなることと、フォトリン
グラフィを利用してエツチングにより振動子を作製する
時に長時間を要し、拙産に適さない欠点を持っていた。

本発明は、従来の欠点を改善し、屈曲の基本振動と捩れ
の基本振動の弾性結合を利用することによシ、振動子を
小型にし、しかもフォトリソグラフィで作製する場合、
短時間で作製できる様にし、かつオモリの増減による主
振動の周波数とｆ−Ｔ特性の調整が簡単に実行できる。

屈曲の基本振動と捩れの基本振動の弾性結合を利用する
音叉型水晶振動子を提供することを目的としたものであ
る。

以下、図面を参照し、本発明の詳細な説明する。

第２図は、屈曲の基本振動と捩れの基本振動の弾性結合
を利用する音叉型水晶振動子における増減するオモリの
位置２１　、２１’を示している。

オモリを増減する音叉腕上の位置は、音叉腕長をｋとす
る時、先端からＩ！＝”＝Ａ１５とする。この位置にオ
モリを蒸着等で付着させた時のｆＴとｆｙの変化量を第
３図に示す。第３図において、横軸は第２図にＨ、Ｉ　
、　Ｈｌ、工１を示す音叉腕先端の幅方向の位置を表わ
している。縦軸はｆｙとｆＴの変化率δｆ／ｆを表わし
ている。３１はｆｙの３２はｆＴの変化量を表わしてい
る。この結果は有限要素法による計算から求めたもので
ある。

第３図から明らかな様に、ｆｐの変化量は音叉腕の幅方
向の位置に殆んど依らず、はぼ一定であるが、ｆＴＦｉ
音叉腕の幅方向中央部において殆んど変化せず、幅方向
両端部で大きく変化する。又第３図の３１と３２から明
らかな如く、オモリの付着によシｆＦとｆＴの周波数変
化量がほぼ等しくなる位置が、音叉腕幅方向中央部と両
端部の中間に存在する。

ところで、ｆ−Ｔ特性を式で表わすと次式で表わすこと
ができる。

（ｆＴｌｆＴｏ　）／ｆＴｏ　＝　ａ　（Ｔｓ　　Ｔｏ
　）＋β、（Ｖｔ　　’ｏ）２＋γ（Ｔｌ−Ｔｏ）＋＋ ここで％　ｆＴ＋は任意の温度ＴＩＫおける周波数を、
ｆＴｏは基準温度Ｔｏにおける周波数を、α、β、γは
それぞれ一次、二次、三次周波数温度係数を表わしてい
る。第４図は、水晶のあるカット方位における、屈曲振
動と捩れ振動の弾性結合を利用する音叉型水晶振動子の
主振動のα及びβのδｆ即ちＣｆＦ−ｆＴ）との関係を
表わしたグラフである。４０１がαを、４０２がβをそ
れぞれ表わしている。屈曲振動と捩れ振動の周波数差δ
ｆがδｆｏにおいて、αとβはゼロになり、温度による
周波数の変化が殆んどない優れたｆ−Ｔ特性が得られる
。第４図から明らかな如く、δｆがδｆ。

よフ大きいとαとβは共に負の値を持ち、δｆがδｆｏ
よフ小さいとαとβは共に正の値を持つ。

第５図は、δｆの大きさの違いによる主振動のｆ−Ｔ特
性を示したグラフである。５１ｉｄδｆがδｆｏの時、
５２はδｆがδｆｏよフ小さい時、５３はδｆがδｆｏ
よシ大きい時のｆ−Ｔ特性を示している。

ところで、屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を利用する音
叉型水晶振動子を量産により作製する場合、主に振動子
の厚みのバラツキにょｐδｆがバヲツ〈。その結果、量
産にょシ作製された多数の音叉型水晶振動子のｆ゛−Ｔ
特性は、第５図の５１．５２．５３で示される様なαと
βが正や負の値を持った一定でない特性を持つことにな
る。そこで、全ての振動子のｆ−Ｔ特性を、αとβが共
にゼロとなる様にするために、オモリの増減を行なう必
要がある。

第６図は、屈曲の基本振動と捩れの基本振動の弾性結合
を利用する本発明の音叉型水晶振動子のオモリの位置の
一実施例を示す平面図である。第６図では、オモリのみ
示しておシ、励振電極は省略しである。第６図において
、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩが本発明のオモリの位置を表わして
いる。前述した様に、二つの振動の弾性結合を利用する
振動子において、主振動のｆ−Ｔ特性を調整する温特調
整と主振動の周波数をねらい値に合わせこむ周波数調整
の二つの調整がオモリの増減にょシ必要となる。

まず、オモリの増減にょ勺、ｆ−Ｔ特性を調整すること
から考える。第３図から明らかな如く、■の位置にオモ
リを増減した場合、ｆＴの変化量は少なく、ｆＦの変化
量は大きい。反対にＨの位置にオモリを増減した場合、
ｆＴの変化量はｆｙの変化量よりも大きい。Ｉ、ＩＩ、
１［Ｉの位置にオモリがあらかじめ付着されていて、そ
のオモリをレーザーにより飛ばすことによる調整を考え
る。初めのｆ−Ｔ特性が第５図の５３に示す様に、αと
βが共に負の値を持った振動子を５１に示す様なαとβ
が共にゼロの値を持っｆ−Ｔ特性にするＫは、ｆｌ’（
！：ｆＴの差δｆを小さくすれば良いため、Ｈのオモリ
を飛ばせば良い。一方、初めのｆ−Ｔ特性が第５図の５
２に示す様に、αとβが共に正の値を持った振動子を５
１に示す様なαとβが共にゼロの値を持つｆ−Ｔ特性に
するには、δｆを大きくすれば良いため、■のオモリを
飛ばせば良い。この様に、■と■のオモリの何れか一方
を飛ばすことによシ、ａとβが共にゼロとなる優れたｆ
−Ｔ特性の振動子を得ることができる。これで、温特調
整は完了する。

次に、主振動であるｆｙをねらい値にする周波数調整を
考える。せっかく■あるいは■ジオモリを飛ばすことに
よシ調整したｆ−Ｔ特性を、ｆＦの調整時にくずしては
ならない。αとβが共にゼロとなる良好なｆ−Ｔ特性が
得られる時の（ｆＦ−ｆＴ）／ｆＦの値は、普通２〜５
％という非常に小さな値である。そのため、オモリの増
減によりｆＦとｆＴの変化量がほぼ等しければ、ＣｆＦ
−ｆＴ）／ｆＦの値はほぼ一定の値を保ち、ｆ−１特性
も殆んど変化しない。第３ν１において示した様に、３
３及び３４の位置ではｆｖとｆＴの変化量は等しい。故
に、第６図に卦けるＩとＨの中間の位置！である■の位
置にオモリを増減した場合、ｆｙとＪＴの変化量はほぼ
等しく、それ故に主振動である屈曲振動のｆ　−Ｔ　Ｉ
ｖｊ性は殆んど変化しない。故に、■ある因は■のオモ
リの増減にょるｆ−Ｔ特性の調整後、オモＩＪ　［７に
ょシｆＦの調整を行なえば、優れたｆ−Ｔ特性を持ち、
しかも主振動の周波数ｆｙもねらいの値を持つ音叉型水
晶振動子を多数得ることが可能となる。− 第７図は本発明の他の実施例を示す塙叉型水晶振動子の
平面図を示している。第６図と同様、励振用電極は省略
し、オモリのみを示している。音叉腕先端には７１と７
２のオモリが一様に付着されている。オモリは音叉腕先
端に一様についているが、この音叉型水晶振動子のｆ−
、Ｔ特性の調整と、主振動の周波数ｆｙのねらい値への
調整は、第６図に示したｉ、ｎ、ｍの位置に対応したオ
モリをレーザーにより飛ばすことにより行なえば良い。

飛ばすべきオモリの位置にレーザービームを設走するこ
とは、自動的かつ容易に行なうことができる。故に、本
発明のオモリは、第６図に示す如く、Ｉ　、　ｎ　、　
ＩＩＩと区切られて付着されて込なくとも良いのである
。

第８図は本発明の他の実施例を示す音叉型水晶振動子の
平面図である。８１．８２．８３はそれぞれ第６図に示
す１．ＩＩ、Ｉ［［の位置のオモリに対応し、かつｆ−
Ｔ特性の調整あるいは主振動の周波数のねらい値に設定
する場合の粗調整用のオモリである。８１’、　８２’
、　８３’はそれぞれ第６図に示すＩ、ＩＩ、ＩＩＩの
位置のオモリに対応し、かつｆ−Ｔ特性の調整あるいは
主振動の周波数のねらい値に設定する場合の微調整用の
オモリである。８１．８２．８３のオモリは、８１’、
　８２’、　８３’のオモリよりも厚く形成されている
。粗調整用のオモリだけでは、ｆ−Ｔ特性や主振動の周
波数を厳密にねらいの特性にすることはできない。特に
、腕時計用高精度振動子にする場合、二種類の調整は厳
密に行なう必要があるため、微調整用オモリは不可欠で
ある。

第６図、第７図、第８図の本発明の実施例に卦いて、オ
モリは主面（音叉型水晶振動子の最も広い面）の片面の
みに増減されても、あるいは両面に増減されてもどちら
でも良い。本発明の効果は各々の場合において、全く変
わらない。第９図と第１Ｏ図は、第８図の８４と８５を
結ぶ直線上で切った本発明の音叉型水晶振動子の断面図
を示している。第９図は片面にのみ、第１０図は両面に
オモリが付着゛されてｂる例をそれぞれ示している。

９１と１０１は音叉型水晶振動子の音叉腕の断面、９２
と１０２は増減するオモリの下地金属を表わしている。

下地金属としては普通ＣγとＡｕの二層で形成されてい
ることが多い。９３と１０３は第６図に示すＩの位Ｎに
増減するオモリを、９４と１０４は第６図に示すＨの位
置に増減するオモリを、９５と１０５は第６図に示すＩ
ＩＩの位置に増減するオモリをそれぞれ表わしている。

又、以上において、主振動は屈曲振動の場合を想定して
説明してきたが、本発明は主振動として捩れ振動を利用
する場合にもその脣まあてはまる。

主振動が捩れ振動であっても、第６図に示すＩあるいは
■の位置にオモリを増減することによって主振動のｆ−
Ｔ％性を調整することができ、又第６図の■の位＃にオ
モリを増減することによりｆ−Ｔ４？性を変化させずに
主振動の周波数をねらい値に設定することが可能だから
である。

以上詳細に説明した様に、本発明の屈曲の基本振動と捩
れの基本振動の弾性結合を利用する音叉型水晶振動子は
、従来の屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を利用する音叉
型水晶振動子に比べ小型であり、シかもｆ−Ｔ特性と主
振動の周波数をねらい値にする調整がオモリの増減によ
シ容易に行々える利点がある。その結果、本発明の音叉
型水晶振動子は高精度振動子として容易に量産できる優
れた利点を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は音叉型水晶振動子の外形を表わす斜視図。第２
図は増減するオモリの位置を示す音叉型水晶振動子の平
面図。第３図は、第２図に示す位置にオモリを増大した
時の屈曲振動と捩れ振動の周波数変化量を示すグラフ。 第４図は、屈曲振動と捩れ振動の周波数差δｆとｆ−Ｔ
特性における一次及び二次周波数温度係数の関係を表わ
すグラフ。第５図は、屈曲振動と捩れ振動の弾性結合を
利用する音叉型水晶振動子の三種のδｆにおけるｆ−Ｔ
特性を示すグラフ。第６図、ｕＳ７図、第８図は本発明
の増減するオモリの位置を表わした音叉型水晶振動子の
平面図。第９図と第１０図は、本発明の増減するオモリ
の位置を表わした音叉型水晶振動子の音叉腕の断面図。 ９１．１０１・・音叉型水晶振動子の音叉腕の断面 ９２．１０２・・下地金属 ９３．１０３・・音叉腕幅方向中央部１［増減するオモ
リ ９４．１０４・・音叉腕幅方向端部■に増減するオモリ ９５．１０５・・ＩとＨの中間の位置■に増減するオモ
リ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【１】　　屈曲振動の基本振動と捩れ振動の基本振動の
   弾性結合を利用する音叉型水晶振動子において、音叉腕
   先端にオモリを増減することによシ、主振動の周波数及
   び周波数温度特性の両方を調整する事を特徴とする音叉
   型水晶振動子。 （２）音叉腕先端の幅方向中央部（Ｉと呼ぶ）あるいは
   幅方向端部（■と呼ぶ）にオモリを増減することによシ
   主振動の周波数温度特性を、■と■の間の位置（■と呼
   ぶ）にオモリを増減することによｐ主振動の周波数を調
   整することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の音
   叉型水晶振動子。