JP2001196891A

JP2001196891A - 振動子

Info

Publication number: JP2001196891A
Application number: JP2000001171A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamamoto; 泉山本; Toru Yanagisawa; 徹柳沢
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨時に印加できる有効な電界が小さく厚み
精度の向上が困難であり、完成した３脚音叉振動子の共
振周波数のばらつきが大きい。【解決手段】脚の伸びる方向を水晶の結晶軸のＹ軸と
し、幅方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸の
Ｘ軸およびＺ軸に一致させた状態からＹ軸のまわりに４
０〜６５°だけ回転した方向とすることによって、温度
特性を良好に保ちながら研磨時における印加電界の有効
成分を大きくし、厚み精度を向上した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時計等の基準信号
を発生させるために用いられる振動子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】現在、時計等の基準信号を発生させるた
めに用いられる振動子としては図９に示す様な２本の脚
を有する水晶からなる音叉が広く用いられている。この
ような２脚音叉振動子は２本の脚が脚の並ぶ方向すなわ
ち面内で、互いに反対方向に屈曲運動するような振動モ
ード（面内振動）で使用される。２脚音叉振動子の共振
周波数ｆｒは脚の長さＬと幅Ｗでほぼ決定され、おおよ
そ次式で現される値を持つ。ｆｒ〜７００×Ｗ／Ｌ²（ｋＨｚ）

【０００３】近年、時刻を刻む機器は腕時計や壁掛け時
計のような時計単体の機能を持った製品から、ＶＴＲ、
ファックス、パーソナルコンピュータなどに拡がってお
り、特に最近では携帯電話に代表されるような携帯機器
への伸長が著しい。これらの製品にも基準信号の発生に
は水晶からなる振動子が用いられているが、携帯機器は
小型化が追求される傾向にあり、また使用される電池の
容量には限りがあることから、用いられる振動子にも小
型化、低消費電力化が求められている。

【０００４】しかしながら現在広く用いられている２脚
音叉振動子で小型化と低消費電力化の双方を実現するの
は次のような理由から困難であった。すなわち、２脚音
叉振動子を相似的に小型化すると、前記の式からわかる
ように共振周波数が上昇してしまい、一般に電気回路は
周波数が高くなるとより電力を多く消費するようになる
ので低消費電力化が実現できない。一方、共振周波数を
一定に保ったまま小型化するには脚幅の脚長さに対する
割合をより小さくする必要があり、脚の強度が著しく損
なわれ現実的ではなかった。

【０００５】共振周波数が脚幅に依存しない振動子とし
ては３本の脚を持つ３脚音叉振動子の面外振動モードの
利用が考えられる。３脚音叉振動子の共振周波数は脚の
長さＬと脚の厚みＤとでほぼ決定され、おおよそ次式で
現される値を持つ。ｆｒ〜７００×Ｄ／Ｌ²（ｋＨｚ）

【０００６】特開昭５８−１１１５１５号公報では水晶
を用いたときの良好な周波数温度特性を実現する手段と
して、音叉と水晶の結晶軸との関係について次のような
開示がなされている。すなわち、３本の脚を有する振動
子において、図１０に示すように、脚の幅方向、長さ方
向がそれぞれ水晶の結晶軸のＸ軸およびＹ軸に一致した
状態からＸ軸の周りに角度φだけ回転するとき、φを−
２５°から＋３５°の範囲の角度に設定すると周波数温
度特性が良好となることが開示されている。

【０００７】支持方法は材料として金属を用いた例が特
公昭４３−１１９４にあり、基部と取付部との間に２つ
の連結部を設けることによって漏れ振動が低減できるこ
とが開示されている。

【０００８】このような振動子は図１１〜１７に示すよ
うな工程で製作される。まず、水晶の結晶原石から所定
の方位を持った水晶板２９を切り出す。次に水晶板２９
の両面を所定の板厚まで研磨する。研磨は厚みを自動的
に管理できる両面研磨装置を用いて行われる。水晶板２
９はキャリア３１に保持され、上定盤２３と下定盤２５
に挟まれて研磨される。上定盤２３と下定盤２５との間
にはインピーダンスアナライザ等の周波数測定機２７が
接続され、水晶板２９の上面と下面の間に交流電圧を印
加し厚み滑り振動を発生させ共振周波数が測定される
（図１１）。研磨が進むと共振周波数が次第に上昇し、
所定の厚さに対応する値になったところで研磨を終了す
る。続いて板の両面にＣｒ３３、Ａｕ３５からなる金属
膜３７を蒸着する（図１２）。板の両面にフォトレジス
ト３９を塗布し、音叉のパターンを露光、現像する（図
１３）。フォトレジスト３９で保護された部分を残して
金属膜３７をエッチングにより除去した後、フォトレジ
スト３９を剥離する（図１４）。電極のためのフォトレ
ジスト３９を再び両面に塗布し、電極の配線パターンを
露光、現像する（図１５）。フッ化水素酸やフッ化水素
酸とフッ化アンモニウムの混合液により水晶をエッチン
グする（図１６）。水洗の後、金属膜３７をエッチング
して配線パターンを得る（図１７）。フォトレジストを
除去した後、側面部へも電極が必要な場合はメタルマス
クで表面を覆いながら金属膜を蒸着し側面部への電極を
形成して完成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の技術では、研磨による厚み精度の向上が困難で
あり、完成した３脚音叉振動体の共振周波数ばらつきが
大きいという課題があった。これは次のような理由によ
る。上述したように、水晶板の研磨には自動的に板厚を
検知して研磨を終了する両面研磨装置が用いられるが、
特開昭５８−１１１５１５号公報に示された水晶の方位
はＸ軸の周りに−２５°〜３５°の範囲であり、面の法
線方向はほとんどＺ方向を向いている。水晶はその性質
上Ｚ方向への電界印加では分極しないので、有効な電界
はＹ軸方向成分のみである。従って、厚み方向に印加す
る電界をＥＰとすると有効なＹ軸方向の電界成分は高々
ＥＰ×ｓｉｎ３５°＝０．５７ＥＰであり、さらに温度
特性上の好適値であるφ＝１４°付近ではＥＰ×ｓｉｎ
１４°＝０．２４ＥＰでありほとんど有効な電界が印加
できない。このため、研磨時の共振周波数測定の精度が
悪く板厚の精度を向上できなかった。

【００１０】また、水晶が異方性を有する単結晶である
ことから、振動が完全な対称形にならないため上述した
従来の技術による支持構造では漏れ振動が取付部にまで
及んでしまうという課題があった。

【００１１】上記課題を解決するため、本発明の目的
は、共振周波数の温度特性が良好であり、且つ水晶板の
厚み精度を向上し共振周波数の安定した３脚振動子を提
供することにある。また、漏れ振動が少なくＱ値の高い
振動子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の振動子は一つの基部と該基部から同一の方
向に伸びる３本の脚を有し、該脚の各々が面外方向へ屈
曲振動する振動モードで使用される、水晶からなる振動
子であって、該脚の伸びる方向を水晶の結晶軸のＹ軸と
し、幅方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸の
Ｘ軸およびＺ軸に一致させた状態からＹ軸のまわりに角
度θだけ回転した方向とし、角度θが次の不等式を満足
するように構成したことを特徴とする。４０°≦θ≦６５°

【００１３】本発明の振動子は、一つの基部と該基部か
ら同一の方向に伸びる３本の脚を有し、該脚の各々が面
外方向へ屈曲振動する振動モードで使用される、水晶か
らなる振動子であって、該基部から見て該脚の伸びる方
向とは反対方向にある該基部に接続する２つの連結部を
有し、該２つの連結部は該振動子の幅方向の中心線に対
して互いに線対称な位置にあり、該２つの連結部を結ぶ
梁を有し、該梁と該振動子を固定するための取付部とを
結ぶ一つの支持部を有することを特徴とする。

【００１４】本発明の振動子は、前記３本の脚の内、中
央に位置する脚の幅を他の２本の脚の幅の１．５〜２．
５倍としたことを特徴とする。

【００１５】本発明の振動子は該振動子を励振するため
の電極が、前記取付部以外の部分において、該振動子の
幅方向の中心線に対して線対称な形状を有していること
を特徴とする。

【００１６】本発明の振動子は、該振動子を励振するた
めの電極を有し、中央脚の該電極の幅が他の二つの脚の
該電極の幅の略２倍であることを特徴とする。

【００１７】（作用）本発明の様な結晶方位を用いる
と、水晶板の法線方向はＸ方向に大きな成分を持つので
有効な電圧印加が可能となり、水晶板の板厚管理精度が
向上し、温度特性が良好であると同時に共振周波数の安
定した３脚振動子を得ることができる。

【００１８】また、本発明の様に取付部と基部との間
に、２つの連結部とこれらを結ぶ梁と梁と取付部とを結
ぶ一つの支持部を設けると、異方性によるわずかな漏れ
振動も除去することが出来、Ｑ値の高い振動子を得るこ
とが出来る。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を
図面に基づいて説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明による振動子の
実施の形態を示す図であり、水晶方位を説明する説明図
である。本実施例の振動子は一つの基部１と基部１から
同一の方向に伸びる３本の脚３で構成されている。

【００２１】本実施例の振動子の脚３は水晶の結晶軸の
Ｙ軸方向へ伸びている。幅方向および厚み方向は、それ
ぞれ水晶の結晶軸のＸ軸およびＺ軸に一致させた状態か
らＹ軸のまわりに角度θだけ回転した方向にとる。角度
θは４０°〜６５°とするのが好適である。この角度θ
の範囲は次のように求められた。

【００２２】水晶はＳｉＯ２からなる３方晶系に属する
単結晶であり異方性を有する。弾性定数は方向によって
異り、テンソルで表現される。また、その温度依存性は
テンソルの各成分ごとに異なる。このため、水晶からな
る振動子の共振周波数は、結晶軸に対する方位によって
も異なると同時に温度依存性も方位によって変化する。
図２はある角度θにおける、本発明による振動子の共振
周波数の温度依存性を示すグラフである。図２に示すよ
うに共振周波数はある温度で頂点を持つ上に凸のグラフ
となる。頂点を示す温度を頂点温度と称す。頂点温度が
使用温度範囲の中間付近にあれば共振周波数変化の幅は
小さくなるので、そのような角度θを選択することが必
要となる。図３は角度θを変えた時、頂点温度がどのよ
うに変化するかを現したグラフであり、およそ角度θ＝
５２°付近で頂点温度は２５℃となることを示してい
る。

【００２３】一方、本発明による振動子は図４に示すよ
うに、脚の並ぶ面に垂直な方向にそれぞれの脚が振動す
る面外振動モードで使用される。両端の脚（以下これを
側脚５と称す）は同方向、中央脚７は反対方向に屈曲運
動する。このような屈曲運動を生じさせるには各脚に図
５のような電極９を設ければ良い。図５は脚の断面を現
した図である。すなわち、脚の表裏で脚幅方向への電圧
を逆向きに印加すれば、表面が伸びる時に裏面が縮むの
で面外方向への屈曲が生じる。従って、電圧を交番に印
加すれば面外方向への屈曲振動を生じさせることができ
る。水晶の圧電現象は電圧を印加する方向によって異な
っており、Ｘ軸方向の電気分極に対してはＸ軸方向伸縮
歪み、Ｙ軸方向伸縮歪み、ＹＺ面滑り歪みのそれぞれが
生じ、Ｙ軸方向の電気分極に対してはＺＸ面滑り歪み、
ＸＹ面滑り歪みが生じるが、Ｚ軸方向へは圧電性がなく
Ｚ軸方向の電気分極は機械歪みを生じないことが知られ
ている。従って、面外方向への屈曲振動を誘起するため
にはＸ軸方向への電界を印加する必要がある。電極間に
加える電界をＥＤとするとＸ軸方向の有効な電界はＥＤ
×ｃｏｓθである。従って、面外振動を励起させるには
θは小さい方が望ましいことになる。

【００２４】さらに、製造工程において厚み管理は厚み
方向に電界を印加し厚み方向への伸縮運動、すなわち厚
み縦振動を生じさせその共振周波数を測定することによ
って行われる。このとき印加される電界をＥＰとする
と、Ｘ軸方向への有効な電界はＥＰ×ｓｉｎθである。
従って、板厚を精度良く管理するためにはθは大きい方
が望ましい。

【００２５】上述したように、角度θは温度特性、励振
特性、厚み管理のそれぞれに最適な値が存在し、これら
の兼ね合いによって最適値が決定された。我々はこれら
の検討の結果、角度θは４０°〜６５°とすれば好適で
あることを見い出した。また、特に温度特性を重視する
用途では４５°〜６０°の範囲とするのが好適であるこ
とを見い出した。

【００２６】（実施例２）図６は本発明による振動子の
実施の形態を示す図であり、一つの基部１、基部１から
同一の方向に伸びる３本の脚３、脚３の伸びる方向とは
反対方向にある２つの連結部１１、連結部１１を繋ぐ梁
１３、振動子全体を固定するための取付部１５、梁１３
と取付部１５を結ぶ一つの支持部１７から構成されてお
り、全体が一つの水晶から形成されている。３本の脚の
内、中央脚７の幅は側脚５の幅の略２倍である。また、
電極９が各脚に形成されており、脚の先端部にはそれを
レーザでトリミングすることによって共振周波数の調整
を行うための周波数調整用金属膜２１がある。

【００２７】３脚音叉は幅方向の中心線に対して線対称
な形状をしているので、等方材料を用いた場合、寸法誤
差がなければ振動は完全に対称となる、この場合従来の
技術によるような基部を２つの連結部１１で支持する方
法は有効であり、ほとんど取付部１５に生じる漏れ振動
はない。しかしながら、水晶は異方性があるので寸法誤
差が全くなくても振動は対称とはならないため、２つの
連結部１１を設けただけでは取付部１５まで漏れ振動が
生じてしまうことがわかった。実験では、取付部の固定
方法によって共振周波数が数百ｐｐｍ変化することが観
測された。

【００２８】そこで、漏れ振動の生じ方を詳細に検討し
たところ、漏れ振動の方向は対称軸１９の左右で異なっ
ており、対称軸１９を軸とする捻り振動が生じているこ
とがわかった。捻り振動を低減するには棒状のいわゆる
トーションバーを設けるのが良いことから、我々は本実
施例にあるように、２つの連結部１１と取付部１５との
間に梁１３および支持部１７を設けたところ、固定方法
による共振周波数の差は１０ｐｐｍ以下に改善すること
が出来た。この理由は次のように考えられる。

【００２９】すなわち、支持部１７を設けたことにより
連結部１１および梁１３は対称軸１９を軸とする捻り振
動が容易となった。このため、水晶の異方性の結果とし
て生じた脚３および基部１の捻り振動による角運動量を
相殺するように、連結部１１および梁１３が逆方向に捻
り振動するようになり、取付部を除いた部分で角運動量
が釣り合うため、取付部への漏れ振動が低減したものと
考えられる。

【００３０】また、中央脚７は側脚５とは反対方向に運
動するので、運動量保存の法則から、全ての脚が同じ幅
であれば中央脚７は側脚５より２倍の早さで運動する必
要がある。すなわち、振幅は２倍となる。従って、又部
の捻れは大きくなり、結果として漏れ振動は大きくなる
ことがわかった。これについて検討した結果、中央脚７
の脚幅と共振周波数の固定方法による差の間には一定の
関係があることがわかった。図７は中央脚７の幅ＷＣの
側脚の幅ＷＳに対する割合によって、固定方法による共
振周波数の差ｄｆがどのような依存性を示すかを現した
図である。これを見ると、中央脚７の幅が側脚の幅の
１．５〜２．５倍程度において共振周波数の変化は最小
となることが明らかとなった。さらに好適には１．８〜
２．２倍とすることが良いことがわかった。

【００３１】（実施例３）図８に本発明による電極構造
の実施の形態を示す。

【００３２】本実施例による電極構造は幅方向の対称軸
１９である中心線に対して、取付部１５を除いて対称で
ある。また、中央脚７の電極９の幅は他の脚の電極９の
幅の略２倍である。これによって、振動は線対称となり
漏れ振動をさらに軽減することができた。これは、中心
線に対して対称な電極構造を持つと、加えられる電界も
全く対称になり結果として振動の様子も中心線に対して
対称となるので、漏れ振動を軽減できるためと考えられ
る。

【００３３】また、実施例２で示したように、中央脚７
の幅は側脚５の幅の略２倍であることが望ましいが、こ
れは中央脚７の質量が他の二つの脚の質量の略２倍であ
ることが望ましいと言い換えることができる。

【００３４】時計用振動子の場合、周波数は３２ｋＨｚ
であり、脚長さ１ｍｍ程度の小型振動子においては、脚
の厚みは約３０μｍとなる。一方電極膜の厚さは０．２
〜０．４μｍ程度である。したがって、密度を考慮する
と電極膜は脚の全重量の５〜１０％程度となり無視ので
きない重量を占める。よって、電極も中央脚においては
他の２倍の幅を持たせると漏れ振動が軽減できると考え
られる。

【００３５】

【発明の効果】以上に記したように、本発明によれば、
共振周波数の温度特性が良好であり、且つ水晶板の厚み
精度を向上し共振周波数の安定した３脚振動子が得られ
るという効果がある。また、漏れ振動が低減しＱ値の高
い振動子が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一の実施例を示す図であり、水
晶の方位を示す図である。

【図２】本発明による振動子の共振周波数の温度依存性
を示す図である。

【図３】本発明による振動子の頂点温度の角度θ依存性
を示す図である。

【図４】本発明による振動子の振動モードを説明する説
明図である。

【図５】本発明による振動子の電極と印加電界を説明す
る説明図である。

【図６】本発明による第二の実施例を示す図である。

【図７】本発明による振動子の固定方法による共振周波
数差ｄｆが中央脚の幅ＷＣと側脚の幅ＷＳの比によって
どのように変化するかを現した図である。

【図８】本発明による第三の実施例を示す図である。

【図９】従来の２脚音叉振動子を示す図である。

【図１０】従来の３脚音叉振動子を示す図である。

【図１１】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１２】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１３】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１４】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１５】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１６】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【図１７】従来の振動子の製造工程を示す図である。

【符号の説明】

１基部３脚５側脚７中央脚９電極１１連結部１３梁１５取付部１７支持部１９対称軸２１周波数調整用金属膜２３上定盤２５下定盤２７周波数測定機２９水晶板３１キャリア３３Ｃｒ３５Ａｕ３７金属膜３９フォトレジスト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの基部と該基部から同一の方向に伸
びる３本の脚を有し、該脚の各々が面外方向へ屈曲振動
する振動モードで使用される、水晶からなる振動子であ
って、該脚の伸びる方向を水晶の結晶軸のＹ軸とし、幅
方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＸ軸お
よびＺ軸に一致させた状態からＹ軸のまわりに角度θだ
け回転した方向とし、角度θが次の不等式４０°≦θ≦６５° を満足するように構成したことを特徴とする振動子。
【請求項２】一つの基部と該基部から同一の方向に伸
びる３本の脚を有し、該脚の各々が面外方向へ屈曲振動
する振動モードで使用される、水晶からなる振動子であ
って、該基部から見て該脚の伸びる方向とは反対方向に
ある該基部に接続する２つの連結部を有し、該２つの連
結部は該振動子の幅方向の中心線に対して互いに線対称
な位置にあり、該２つの連結部を結ぶ梁を有し、該梁と
該振動子を固定するための取付部とを結ぶ一つの支持部
を有することを特徴とする振動子。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の振動子であ
って、前記３本の脚の内、中央に位置する脚の幅を他の
２本の脚の幅の１．５〜２．５倍としたことを特徴とす
る振動子。
【請求項４】請求項２記載の振動子であって、該振動
子を励振するための電極が、前記取付部以外の部分にお
いて、該振動子の幅方向の中心線に対して線対称な形状
を有していることを特徴とする振動子。
【請求項５】請求項３又は請求項４記載の振動子であ
って、該振動子を励振するための電極を有し、中央脚の
該電極の幅が他の二つの脚の該電極の幅の略２倍である
ことを特徴とする振動子。