JP2002118441A

JP2002118441A - 捩り振動子

Info

Publication number: JP2002118441A
Application number: JP2000308717A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamamoto; 泉山本; Toru Yanagisawa; 徹柳沢; Hiromi Ueda; 浩美上田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-19
Also published as: WO2002031975A1

Abstract

(57)【要約】【課題】脚形状が簡単で、水晶板の切り出しが簡単に
行え製作しやすく、単純な発振回路により発振可能であ
り、しかも共振周波数の温度特性が良好な捩り振動子を
提供する。【解決手段】捩り振動子を３脚音叉で構成することに
より、その振動特性から面内一次振動を抑制することが
できたので、複雑な脚形状や、水晶の切り出し角度を２
軸に施すなどの複雑な手段を用いることなく、温度特性
の良好で製作が容易な捩り振動子を得た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時計や移動体通信
機の基準信号源として用いられる水晶振動子に関する。
詳しくは、捩り振動子の形状と電極構造に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】時計や移動体通信機の基準信号源として
２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動
子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
向に屈曲振動するような振動モード（面内振動）で使用
される。その共振周波数ｆは温度によって変化し、最大
周波数ｆ₀に対する変化の割合（ｆ−ｆ₀）／ｆ₀は図１
５のような二次曲線を示す。温度に対する二次温度係数
は約−３．５×１０^-2ppm/℃²である。水晶は三方晶系
に属する異方性単結晶であり、どのような角度に音叉を
切り出すかによって性質が異なってくる。従来の２脚音
叉振動子では、図１６のように基部１の幅方向を水晶の
結晶軸のＸ軸（電気軸）とし、脚３の長さ方向および厚
み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸（機械軸）およ
びＺ軸（光学軸）に一致させた状態からＸ軸を回転軸と
して０〜５°回転した方向とすることで、温度特性の二
次曲線の頂点が室温付近となり、二次温度係数も最適値
を得ている。

【０００３】共振周波数の変化は時刻の精度に関わるた
め、様々な温度特性の向上が図られている。その一つに
捩り振動モードの利用がある。

【０００４】特公昭５８−２９６５３号公報によればＸ
軸を回転軸として３３〜３９°回転した角度に切り出し
た水晶板の捩り振動は、周波数の温度変化による変動が
少なく、良好な温度特性を持つことが示されている。

【０００５】我々はこれを２脚音叉型振動子に適用する
ことを考え実験を行った。基部１の幅方向を水晶のＸ軸
とし、脚３の長手方向および厚み方向を、それぞれ水晶
の結晶軸のＹ軸およびＺ軸に一致させた状態からＸ軸を
回転軸として３０°〜３５°回転した方向とした。電極
構造は図１７に示す様に脚の各面に電極を配し、対向す
る電極を同電位とするように配線した。インピーダンス
アナライザを用いて外部より強制振動させた観察では２
６０ｋＨｚ付近に共振周波数がある捩り振動が生じ、通
常の音叉に比べて二次温度係数は３分の１程度となり、
良好な温度特性を得ることが出来た。しかしながら、自
励発振させたところ、捩り振動が生じず２本の脚３が互
いに反対方向に一次の屈曲振動をする通常の音叉振動モ
ード（面内一次振動）が発振してしまうという課題が浮
上した。これは面内振動のＱが高く、等価直列抵抗が小
さいので容易に発振するためである。この課題は発振回
路中に周波数選択回路を挿入して面内一次振動の周波数
領域の信号を抑制することによって回避できることがわ
かったが、回路が複雑になるという課題が残った。

【０００６】２脚音叉の捩り振動を利用した別の例とし
て特開平５−３７２８５号公報には電極を図１８に示す
ように側面には設けず表裏それぞれの面に、二本の平行
な電極７を設けて捩り振動を励起する試みがなされてい
る。この電極構造では該特許の明細書中の記述にある様
に２本の脚が平行に伸びた通常の音叉形状では、利用す
る圧電定数ｅ₁₆が零のため励振出来ないので、脚部の根
元に角度を持たせることで解決を試みている。

【０００７】また、２脚音叉の捩り振動を利用した他の
例として特開平５−１９９０６３号公報では、特開平５
−３７２８５号公報と同様に電極を図１８に示すように
側面には設けず表裏それぞれの面に、二本の平行な電極
７を設ける例が示されているが、圧電定数ｅ₁₆を零とし
ないために基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、脚
の伸びる方向および厚み方向をそれぞれＹ軸およびＺ軸
に一致させた状態からＸ軸を回転軸として回転し、さら
に新たな厚み方向であるＺ’軸を回転軸として回転する
という２重回転を行うことが提案されている。

【０００８】

【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、脚の各面に電極を形成した２脚音叉
捩り振動子では回路が複雑であるという課題があった。
また、脚の表裏に二本の平行な電極を設けた２脚音叉捩
り振動子では、脚形状が複雑であり、または水晶板の切
り出しが２重回転となるため複雑であり容易に行えない
という課題があった。

【０００９】上記課題を解決するため、本発明の目的
は、発振に用いる回路が簡単であり、形状が単純で水晶
板の切り出しも容易に行え製作し易く良好な温度特性を
有した捩り振動子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の捩り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、該脚の各々が捩り振動
モードで使用されることを特徴とする。

【００１１】本発明の捩り振動子は両端に位置する脚の
振動は互いに同相であり、中央に位置する脚の振動は該
両端に位置する脚の振動と互いに逆相であることを特徴
とする。

【００１２】本発明の捩り振動子は、水晶からなること
を特徴とする。

【００１３】本発明の捩り振動子は、前記脚の各面に電
極を有し、該脚の対向する面の電極同士が同電位となる
ように配線したことを特徴とする。

【００１４】本発明の捩り振動子は、前記中央に位置す
る脚の側面部の電極と前記両端に位置する脚の表裏面の
電極とを同電位とし、該中央に位置する脚の表裏面の電
極と該両端に位置する脚の側面部の電極とを同電位とす
るように配線したことを特徴とする。

【００１５】本発明の捩り振動子は、前記電極の長手方
向の長さを前記脚の根元から該脚の全長の０．５倍以下
としたことを特徴とする。

【００１６】本発明の捩り振動子は、前記基部の幅方向
を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記脚の長手方向および厚
み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸およびＺ軸に一
致させた状態からＸ軸を回転軸として角度θだけ回転し
た方向とし、角度θが次の不等式２５°≦θ≦４５° を満足するように構成したことを特徴とする。

【００１７】(作用)３脚音叉では各脚が面内で一次の屈
曲振動をするモード（面内一次振動）は２脚音叉の面内
振動に比べて基部への漏れ振動が大きい。このため本発
明のように捩り振動子を３脚音叉とすると面内一次振動
は発振し難いので、自励発振の際に面内一次振動が発振
してしまうことがなく、特別な回路を附加する必要がな
い。また、各脚の各面に電極を設け対向する電極同士を
同電位とする電極構造をとることによって、利用する圧
電定数をｅ'₁₄およびｅ'₃₆とすることが出来、Ｚ軸まわ
りの回転が零でも利用する圧電定数が零ではないので、
脚形状は真っ直ぐに伸びた単純な構造とすることができ
る。さらにＸ軸を回転軸として回した後にＺ’軸を回転
軸として回すというような２重回転を行う必要がない。

【００１８】

【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。（実施例）図１は本発明による捩り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
実施例の捩り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。

【００１９】本実施例の捩り振動子の幅方向は水晶の結
晶軸のＸ軸方向に一致している。脚の伸びている方向お
よび厚み方向は、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸およびＺ
軸に一致させた状態からＸ軸を回転軸として角度θだけ
回転した方向にとる。回転した後の脚の長手方向をＹ’
軸、厚み方向をＺ’軸と定める。角度θは２５°〜４５
°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。

【００２０】水晶はＳｉＯ₂からなる三方晶系に属する
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、本実施例における捩り振動
子の共振周波数の温度依存性を示すグラフである。共振
周波数ｆは温度によって変化し、最大周波数ｆ₀に対す
る変化の割合（ｆ−ｆ₀）／ｆ₀は上に凸の二次曲線とな
る。二次温度係数は約−１．１×１０^-2ppm/℃²であ
り、従来の２脚音叉型屈曲振動子の３分の１以下の値を
持っており温度特性は良好である。最大周波数ｆ₀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。頂点温
度は角度θだけでなく脚の幅Ｗと厚みＤの比によっても
変化する。図３は辺比Ｗ／Ｄによって頂点温度が２５℃
となる角度θがどのように変化するかを現したグラフで
ある。振動子の強度とサイズのバランスを考慮した実用
的な範囲は辺比Ｗ／Ｄが１〜３である。この範囲では頂
点温度５が室温付近になる角度θは２５°〜４５°であ
り、これが好適である。

【００２１】角度θのさらに好適な値は次のような理由
から求められる。本実施例の捩り振動子はフッ酸とフッ
化アンモニウムの混合液によるエッチングによって製作
される。エッチング性は水晶の方位により異なり角度θ
によってもエッチングレートは図８のように変化する。
エッチング性はθが小さいほど良く、速いエッチングが
できる。本実施例の捩り振動子では従来の屈曲振動モー
ドで使用される２脚音叉振動子に比べて角度θが大きい
ので、エッチング時間は３〜４倍を必要とする。よって
厚さを増やすことは量産性を損なうため好ましくなく、
実際の設計では厚さＤをほぼ一定として脚の幅Ｗを変え
ることのみ許されることになる。厚さと脚の長さを一定
にした場合、辺比Ｗ／Ｄを小さくすることは脚幅が小さ
くなり脚が細くなることを意味するので、辺比Ｗ／Ｄが
小さい方が共振周波数は高くなる。時計や移動体通信機
の基準周波数源として用いる場合、周波数が高くなると
消費電力が増加するため好ましくない、従って辺比Ｗ／
Ｄは共振周波数からの要請では大きくしたい。しかしな
がら、図３に見るように辺比Ｗ／Ｄが大きいと頂点温度
を室温付近とする角度θを大きくする必要があり、エッ
チングレートが低下してしまう。以上のような共振周波
数からの要請とエッチングレートからの要請の双方を考
慮すると辺比Ｗ／Ｄは２前後にするのが適当である。図
３を参照すると辺比が１．５〜２．５で頂点温度が室温
付近となる角度θは３０°〜４０°であり、これが角度
θのさらに好適な範囲である。

【００２２】以上のように、角度θを決めるに当たって
は頂点温度５、エッチング性の各面からの検討が必要で
あり、その結果２５°≦θ≦４５°が好適であると求め
られた。また、さらに好適なのは３０°≦θ≦４０°の
範囲であった。

【００２３】本実施例の捩り振動子の電極構造を図４に
示す。電極７は各脚３の各面に設けられている。また、
各脚３の先端には周波数調整用電極９が設けられてい
る。周波数調整用電極９をレーザ等でトリミングするこ
とにより脚の質量を変化させて共振周波数を調整する。
図５は脚３の断面と各電極７のつながりを示している。
脚３の各面には電極７があり、対向する電極７同士が同
電位となる様に配線される。また、中央に位置する脚の
側面の電極は両端に位置する脚の表裏面の電極と同電位
とし、中央に位置する脚の表裏面の電極は両端に位置す
る脚の側面の電極と同電位となるよう配線される。図６
は本実施例の電極７により印加される電界１１を模式的
に現した図であるが、脚３の内部にＸ方向およびＺ’方
向へ電界１１が生じることを示している。電界１１は脚
断面の中心に対し点対称となる。また、電界１１の向き
はＸ成分とＺ’成分で中心に対して互いに逆向きであ
り、Ｘ方向の電界成分が中心に向かう時はＺ’方向の電
界成分は逆に中心から遠ざかる向きに作用する。

【００２４】本実施例の捩り振動子で利用する圧電定数
はｅ'₁₄およびｅ'₃₆である。ｅ'₁₄はＸ方向の電界と
Ｙ’Ｚ’面内のずり歪とを関係づける圧電定数であり、
ｅ'₃₆はＺ’方向の電界とＸＹ’面内のずり歪とを関係
づける圧電定数である。θ＝０の時、ｅ'₁₄およびｅ'₃₆
はそれぞれ水晶固有の圧電定数であるｅ₁₄およびｅ
₃₆（＝０）に一致する。上述のように本実施例の電極構
造によればＸ方向およびＺ’方向へ脚断面の中心に対し
点対称な電界が生じるので、ｅ'₁₄およびｅ'₃₆によって
捩り振動を発振することができる。ｅ'₁₄およびｅ'₃₆は
角度θにより図７のように値が変化するが、上記した角
度θの好適な範囲において同符合であり、矛盾無く発振
することが出来、また駆動するのに充分な大きさがある
ことがわかる。

【００２５】本実施例の捩り振動子は図９に示す様に中
央の脚３と両端の脚３が逆相で捩れる振動を行うが、他
の振動モードが発振する場合があることがわかった。実
験の結果、これは圧電定数ｅ₁₂の作用によって面内二次
振動が発振しているものであることがわかった。面内二
次振動は図１０に示す様に各脚の中央部が腹となる振動
であり、中央の脚と両端の脚が逆相で振動するモードで
ある。

【００２６】一般に水晶振動子の等価回路は図１１のよ
うに等価直列インダクタンスＬ₁と等価直列容量Ｃ₁およ
び等価直列抵抗Ｒ₁による直列回路に等価並列容量Ｃ₀が
付加された回路で表現できる。種々の検討の結果、電極
長を変えると面内二次振動の等価直列抵抗が変化し、電
極長を短くする方が大きくなることがわかって来た。こ
れは面内二次振動の歪が脚の長さ方向の中央付近が最大
で、根元方向に向かって小さくなるためである。必要な
捩り振動の歪は各脚の根元が最大なので、歪の場所によ
るこの差を利用すれば面内二次振動の等価直列抵抗のみ
を大きくして発振し難くしてやることが出来ると考え、
実験の結果図１２に示すグラフを得た。図１２によれば
電極長によって捩り振動の等価直列抵抗はほとんど変化
しないのに対し、面内二次振動の等価直列抵抗は大きく
変化する。脚全長に対して電極長が０．５倍以下であれ
ば面内二次振動の等価直列抵抗は捩り振動の等価直列抵
抗の１０倍以上になるので好ましい。また、電極長が脚
全長に対して０．４倍以下だと面内二次振動の等価直列
抵抗は捩り振動の等価直列抵抗の２０倍以上になるの
で、製作上のばらつき等で捩り振動の等価直列抵抗がた
とえ２倍程度変化しても、面内二次振動の等価直列抵抗
は１０倍以上となり充分なマージンを得ることができ、
さらに好適である。

【００２７】本実施例の捩り振動子では、２脚音叉にお
いて課題となった面内一次振動の自励発振は観測されな
かった。インピーダンスアナライザによる測定では各脚
が面内で屈曲一次振動を行う面内一次振動の等価直列抵
抗は１００ｋΩ以上であり自励発振の心配はないことを
確認した。これは、３脚音叉の面内一次振動は基部1の
漏れ振動を伴うためである。２脚音叉の場合は左右の脚
３が反対方向へ運動するため対称性が良く、中心線が節
となるので基部の中央を支持すれば漏れ振動がほとんど
生じないが、図１３に示すように３脚音叉の面内一次振
動は両端の脚３と中央の脚３が逆相で屈曲振動するモー
ドなので対称性が良くない。この為、両端の脚３と中央
の脚３の幅を変えるなどしなければ基部１への漏れ振動
が生じる。捩り振動子では共振周波数が脚の断面形状と
長さで決まる。そのため、３脚音叉捩り振動子では各脚
はほぼ等しい断面形状とする必要があるので面内一次振
動では漏れ振動を伴うのである。

【００２８】これまで記したように本実施例における捩
り振動子は不要な副振動を、振動子自身の構造による特
性と電極構造の工夫により除去することが出来るので、
発振は図１４に示すような、振動子１３に抵抗１５とイ
ンバータ１７を並列に接続した簡単な発振回路を利用し
て容易に行うことができる。

【００２９】本実施例の捩り振動子の等価直列抵抗は１
〜５ｋΩ程度である。従来の平行な電極を用いた捩り振
動子の等価直列抵抗は３０〜５０ｋΩ程度なので、１０
分の１程度の値である。この理由は平面上に平行に電極
を配置するよりも、本実施例の様に脚の各面に電極を設
けた方が脚内部に有効に電界を印加することができるた
めである。

【００３０】

【発明の効果】以上に記したように、本発明の捩り振動
子は、温度特性が良好な上、形状が簡単で水晶板の切り
出しも一重回転で容易になり製作し易く、また用いる発
振回路も単純になるという効果がある。さらに、等価直
列抵抗を小さくすることが出来、低消費電力の捩り振動
子を得ることができ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】本発明による捩り振動子の共振周波数の温度依
存性を示す図である。

【図３】本発明による捩り振動子において、頂点温度が
常温となる角度θが辺比によって変化する様子を示す図
である。

【図４】本発明による捩り振動子の電極構造を示す図で
ある。

【図５】本発明による捩り振動子の電極と配線を示す図
である。

【図６】本発明による捩り振動子の印加電界を説明する
説明図である。

【図７】水晶の圧電定数の角度θによる変化を示す図で
ある。

【図８】水晶のエッチングレートの角度θ依存性を示す
図である。

【図９】本発明による捩り振動子の脚の動きを説明する
説明図である。

【図１０】３脚音叉における面内二次振動の脚の動きを
説明する説明図である。

【図１１】水晶振動子の等価回路を示す図である。

【図１２】本発明による捩り振動子の電極長と等価直列
抵抗の関係を示す図である。

【図１３】３脚音叉における面内一次振動の脚の動きを
説明する説明図である。

【図１４】本発明による捩り振動子を自励発振させる為
の発振回路を示す回路図である。

【図１５】従来の２脚音叉振動子における共振周波数の
温度依存性を示す図である。

【図１６】従来の２脚音叉振動子の方位を示す図であ
る。

【図１７】従来の２脚音叉捩り振動子の電極と配線を示
す図である

【図１８】従来の他の２脚音叉捩り振動子の電極と配線
を示す図である

【符号の説明】

１基部３脚５頂点温度７電極９周波数調整用電極１１電界１３振動子１５抵抗１７インバータ

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、該脚の各々が捩り振動モードで使
用されることを特徴とする捩り振動子。
【請求項２】請求項１記載の捩り振動子であって、両
端に位置する脚の振動は互いに同相であり、中央に位置
する脚の振動は該両端に位置する脚の振動と互いに逆相
であることを特徴とする捩り振動子。
【請求項３】請求項１および請求項２記載の捩り振動
子であって、水晶からなることを特徴とする捩り振動
子。
【請求項４】請求項３記載の捩り振動子であって、前
記脚の各面に電極を有し、該脚の対向する面の電極同士
が同電位となるように配線したことを特徴とする捩り振
動子。
【請求項５】請求項４記載の捩り振動子であって、前
記中央に位置する脚の側面部の電極と前記両端に位置す
る脚の表裏面の電極とを同電位とし、該中央に位置する
脚の表裏面の電極と該両端に位置する脚の側面部の電極
とを同電位とするように配線したことを特徴とする捩り
振動子。
【請求項６】請求項４および請求項５記載の捩り振動
子であって、前記電極の長手方向の長さを前記脚の根元
から該脚の全長の０．５倍以下としたことを特徴とする
捩り振動子。
【請求項７】請求項３〜６記載の捩り振動子であっ
て、前記基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記
脚の長手方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸
のＹ軸およびＺ軸に一致させた状態からＸ軸を回転軸と
して角度θだけ回転した方向とし、角度θが次の不等式２５°≦θ≦４５° を満足するように構成したことを特徴とする捩り振動
子。