JP2011259426A - １次係数および２次係数の温度補償型共振子 - Google Patents

Abstract

【課題】１次および２次温度補償型水晶共振子を提供する。
【解決手段】温度補償共振子の本体３、５、７のコアが、１次および２次の温度係数（α、β、α’、β’）を決定する水晶においてカット角度（θ’）で形成されたプレートから形成され、本体３、５、７は、コア上に少なくとも部分的に堆積され、共振子の１次および２次の温度係数（α、β、α’、β’）をほぼゼロにするために、共振子の１次および２次の温度係数（α、β、α’、β’）それぞれに対して反対の符号の、温度による１次および２次ヤング率変動（ＣＴＥ１、ＣＴＥ２、ＣＴＥ１’、ＣＴＥ２’）を有するコーティングを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ほぼゼロである１次温度係数および２次温度係数を有する、スプリング付きテンプ、音叉またはより一般的には時間基準部または周波数を製造するための微小電気機械システム(ＭＥＭＳ, Micro-Electro-Mechanical-System) タイプの温度補償型共振子に関する。

欧州特許第１４２２４３６号は、ＣＯＳＣ（スイス公式クロノメーター検査協会（Ｃｏｎｔｒｏｌｅ Ｏｆｆｉｃｉｅｌ Ｓｕｉｓｓｅ ｄｅｓ Ｃｈｒｏｎｏｍｍｅｔｒｅｓ））認証のプロセス温度、すなわち＋８℃と＋３８℃の間の温度周りで温度係数をほぼゼロにするためにケイ素から形成され、二酸化ケイ素でコーティングされたひげぜんまいすなわちヘアスプリングを開示している。同様に、国際公開第２００８−０４３７２７号の文献は、同じ温度範囲においてヤング率からのドリフトが低いという類似の特性を有するＭＥＭＳ共振子を開示している。

しかし、上記の開示における２次周波数のドリフトだけでも、上記の用途に応じて複雑な補正を必要とする可能性がある。たとえば、ＣＯＳＣ認証され得る電子クォーツ腕時計に関しては、電子補正が、温度測定値に基づいて行われる必要がある。

欧州特許第１４２２４３６号 国際公開第２００８−０４３７２７号

本発明の目的は、１次係数および２次係数の温度補償型水晶共振子を提供することによって、上記で述べた欠点のすべてまたは一部を克服することである。

したがって、本発明は、変形に使用される本体を含む温度補償型共振子であって、本体のコアが、１次温度係数および２次温度係数を決定する、水晶カット角度（θ）で形成されたプレートから形成される温度補償型共振子において、本体が、コア上に少なくとも部分的に堆積されたコーティングを含み、上記共振子の上記１次温度係数および２次温度係数に対してそれぞれ反対符号のヤング率の１次温度依存変動および２次温度依存変動を有し、それによって共振子の１次温度係数および２次温度係数が、ほぼゼロにされることを特徴とする、温度補償型共振子に関する。

有利には、本発明によれば、変形に使用される共振子本体は、２つの次数に関して補償をするために１つのコーティングのみを有する。したがってコーティング材料の次数それぞれについての大きさおよび符号に依存して、単結晶の水晶におけるカット角度およびコーティングの厚さが、上記２つの次数を補償するように算出される。

本発明の他の有利な特徴によれば、
− 本体は、同一の対をなす面を有するほぼ四角形状の断面を含み、
− 本体は、そのほぼ四角形状の断面が全体的にコーティングをされ、
− プレートのカット角度は、上記１次のおよび２次の温度係数が負であるように選択され、コーティングは、正の１次のおよび２次のヤング率変動を含み、
コーティングには、二酸化ゲルマニウムが含まれ、
− プレートのカット角度は、上記１次温度係数および２次温度係数が、それぞれ正および負であるように選択され、コーティングが、負および正である１次ヤング率変動および２次ヤング率変動を有し、
コーティングには、人工ダイヤが含まれ、
− 本体は、ひげぜんまい即ちヘアスプリングを形成する渦巻き状の棒体で、慣性ブロックに結合され、
− 本体は、少なくとも２本の対称に装着されたアームを含んで、音叉を形成し、
音叉が、反転タイプおよび／または溝付きタイプおよび／または円錐タイプおよび／またはひれ型タイプのものであり、
− 本体は、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）である。

最後に、本発明は、たとえば時計などの時間または周波数基準部であって、上記の変形形態のいずれかによる少なくとも１つの共振子を含むことを特徴とする、時間または周波数基準部にも関する。

他の特徴および利点が、付属の図を参照して、非限定的に表すことによって与えられた以下の説明からはっきりと明確になるであろう。

音叉共振子の一タイプの全体斜視図である。 音叉共振子の一タイプの全体斜視図である。 音叉共振子の一タイプの全体斜視図である。 音叉共振子の一タイプの全体斜視図である。 図１〜４の共振子断面の代替策を示す図である。 図１〜４の共振子断面の代替策を示す図である。 Ａはヘアスプリング付きテンプ共振子の１つの部分の全体斜視図であり、Ｂは、Ａに図示のひげぜんまいの代表的な断面図である。 単結晶の水晶におけるカット角度による音叉の１次および２次の温度係数を示すグラフである。 二酸化ゲルマニウムの層の厚さによる、Ｚ軸に対して−８．４°に等しい角度でカットされた水晶音叉の１次および２次の温度係数の変動を示すグラフである。 水晶の結晶軸に対するカット角度の概略図である。 水晶の結晶軸に対するカット角度の概略図である。

上記で説明したように、本発明は、ヘアスプリング付きテンプまたは音叉のタイプ、あるいはより全体的にはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）のものになり得る水晶共振子に関する。本発明の説明を簡単にするために、以下で提示した用途は、ヘアスプリング付きテンプおよび音叉に対してのみである。しかし、当業者は、以下の教示からいかなる困難も伴わずに他の共振子用途を達成することができる。

図８のグラフは、水晶のｚ軸に沿ったカット角度による現行の音叉共振子に対する１次および２次の温度係数のドリフトの特徴付けを示している。

図１０および１１は、単結晶の水晶に対するｚ軸の空間的解釈を示している。水晶は、結晶軸ｘ、ｙ、ｚを有する。ｘ軸は、電気軸であり、ｙ軸は、機械軸である。図１０および１１の例では、ひげぜんまいまたは音叉の高さｈは、したがって、選択されているカット角度θによって決まる結晶軸ｚに対する向きを有する。

当然ながら、カット角度θは、軸に対して単一の角度に限定されないが、その理由は、複数の軸に対する複数の角度における回転もまた、本発明の範囲内の所望の技術的効果を得るために可能であるためである。例として、最終のカット角度θは、したがって、ｘ軸に対する第１の角度Φおよびｚ軸に対する第２の角度Θの結果になり得る。

図８は、連続線で示すように、１次温度係数αが、０°および１２°のカット角度辺りでゼロ軸と交差することを示している。したがって、単結晶の水晶のカット角度に応じて、ほぼゼロである１次温度係数αを「自然に」得ることが可能であり、すなわち共振子が、温度から事実上独立する１次の周波数の変動を有することが明確である。

これらの有利な利点は、０°に近いカット角度で時計用の時間基準部を形成するために、数十年間使用されてきている。

図８はまた、点線で示すように、２次温度係数βが、ゼロ軸と決して交差しないことも示している。故に、現在のカット角度が０°に近い場合であっても、水晶は、１次温度係数αの場合には及ばないものの、２次温度係数βにおける変動のために温度変動に対して影響を受けやすいままであることが明確である。

最後に、図８では、単結晶の水晶における負のカット角度が、負である１次αおよび２次βの温度係数を有する共振子を体系的に形成することを見ることができる。

有利には、本発明の着想は、温度変動に影響を受けにくい共振子を得るために水晶共振子の１次αおよび２次βの温度係数を補償する目的で、水晶のカット角度θとコーティングの単一の層を適合させることである。

定義の例として、共振子の相対的な周波数変動は、以下の関係に従う：

Δf／f₀ ＝Ａ＋α・(Ｔ−Ｔ₀)＋β・(Ｔ−Ｔ₀)²＋γ・(Ｔ−Ｔ₀)³
式中、
− Δf／f₀ は、ｐｐｍ（１０^-6）で表された相対的な周波数変動であり、
− Ａは、ｐｐｍの、基準点に依存する定数であり、
− Ｔ₀は、℃の、基準温度であり、
− αは、ｐｐｍ．℃^-1で表された、１次温度係数であり、
− βは、ｐｐｍ．℃^-2で表された、２次温度係数であり、
− γは、ｐｐｍ．℃^-3で表された、３次温度係数である。

さらに、熱弾性係数（ＣＴＥ）は、温度によるヤング率の相対変動を表している。以下で使用される用語「α」および「β」は、それぞれ１次および２次の温度係数、すなわち温度による共振子の相対的な周波数変動を表している。用語「α」および「β」は、共振子本体の熱弾性係数および本体の熱膨張の係数によって決まる。さらに、用語「α」および「β」は、たとえばヘアスプリング付きテンプ共振子用のテンプなどの任意の別個の慣性部材特有の係数を考慮に入れている。

時間または周波数基準部を意図した任意の共振子の振幅が維持されなければならないとき、熱依存はまた、維持システムからの寄与も含むことができる。好ましくは、共振子本体は、その外面の少なくとも１つの部分または全体、場合によっては、圧電駆動が望まれる場合に通常必要な金属化の上部において単一のコーティングでコーティングされた水晶コアである。明らかなことに、この後者の場合、どのようなコーティングが選ばれても、連結パッドは、自由のままでなければならない。

図１から４に示した例は、本発明に適用可能な音叉の変形形態１、２１、３１、４１を示している。これらは、方向Ｂおよび方向Ｃそれぞれにおける振動を意図された２本のアーム５、７、２５、２７、３５、３７、４５、４７に連結されたベース３、２３、３３、４３から形成される。

図２から４の変形形態は、反転タイプの音叉２１、３１、４１を示しており、すなわちベース２３、３３、４３は、共振子２１、３１、４１の締結領域と能動領域の間の分離を最適化し、物体の所与の表面に合わせた振動アームの長さを最適化するために、２本のアーム２５、２７、３５、３７、４５、４７間に延ばされている。図２から４の変形形態は、溝付きタイプの音叉２１、３１、４１を示しており、すなわち２本アーム２５、２７、３５、３７、４５、４７は、電極の堆積のための溝２４、２６、３４、３６、４４、４６を含んで、圧電結合を増大させ、それによって優れた電気パラメータを備えた小型サイズの共振子を提供する。

さらに、図１は、円錐アームの変形形態５、７を示しており、すなわち、この場合断面は、アームの長さにわたって弾性応力をより良好に分配し、それによって電極の結合を増大させるためにベース３から離れるにつれて徐々に減少する。最後に、図１および４は、ひれ型タイプの音叉１、４１を示しており、すなわち、両方のアーム５、７、４５、４７は、共振子１、４１のアーム５、７、４５、４７の振幅慣性を増大させるためにその端部にひれ２、８、４２、４８を含んで、所与の周波数に対して最適化された長さを備えた共振子を提供する。したがって、限定的に、反転および／または溝付きおよび／または円錐および／またはひれ型タイプのものになり得る多くの可能な音叉の変形形態が存在することが明確である。

有利には、本発明によれば、各々の音叉１、２１、３１、４１は、音叉１、２１、３１、４１のコア５８、５８’上の層５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’の堆積によって補償される１次αおよび２次βの温度係数を含む。図５Ａおよび５Ｂ、図６Ａおよび６Ｂは、平面Ａ−Ａに沿った音叉１、２１、３１、４１の４つの限定的な断面の例を提案しており、層５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’で少なくとも部分的にコーティングされたそれらの四角形またはＨ字形状の断面をより明確に示している。当然ながら、コーティング５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’は、各部分５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’の場所をより明確に示すために、コア５８、５８’の寸法に対して原寸ではない。

探求は最初、ｚ軸に対する負の角度に沿って、すなわち負の１次αおよび２次βの温度係数に沿って単結晶の水晶においてカットされた音叉共振子１に対して行われた。したがって、正の１次および２次の熱弾性係数、ＣＴＥ１、ＣＴＥ２を備えた材料が、求められた。酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）および安定化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムがこれらの特徴に対応していることが発見された。

水晶共振子の１次温度係数αおよび２次温度係数βのを補償する目的で、単一の層のコーティングを備えた水晶におけるカット角度θを見出すために、分析が行われた。図５Ａの場合、すなわち音叉１のアーム５、７の各側面上のコーティング５２、５４の場合、音叉共振子１の１次温度係数αおよび２次温度係数βは、ｚ軸に対して角度がθ＝−８．４０８°、および、層２の厚さと層４の厚さがともにｄ＝５．４７μｍにおいて収束することが見出された。

この収束を、図９に示してあり、そこでは、音叉１の１次温度係数αおよび２次温度係数βの双方は、層２、４の厚さが同一であるｄのときに、ゼロ軸と交差することを明確に示している。

図６Ａ、すなわち音叉１のアーム５、７を完全に覆うコーティング５６に関しては、音叉共振子１の１次温度係数αおよび２次温度係数βは、ｚ軸に対して角度θ＝−８．４１６°、および、層６の厚さｄ＝４．２６μｍのところで収束することが見出された。したがって、カット角度θは、図５Ａの変形形態とほぼ等しいが、コーティング５６の必要な厚さｄの方が、はるかに小さいことが結論付けられる。

図５Ｂおよび６Ｂに示す溝付き音叉の断面に対する同様の解釈で、ここでも角度θおよび厚さｄが決定され得る。図６Ｂの場合は、溝の縁におけるコーティング５６’が、補償層が能動的である表面を増大させる点で特に有利である。したがって、図６Ｂの特定の場合、コーティング５６’の厚さｄが、必然的に一層小さくなることが明確である。

上記の変形形態のすべてに関して、アーム５、７、２５、２７、３５、３７、４５、４７は、必然的にコーティングされるが、ベース３、２３、３３、４３は、必ずしもコーティングが必要でないことに留意されたい。実際、コーティング５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’が存在する必要があるのは、応力の領域のところである。

図７Ａおよび７Ｂに示した例では、コレット１３と一体化されている本体１５を有し、本体の１次温度係数αおよび２次温度係数βが補償される、ひげぜんまい１１を見ることができる。図７Ｂは、ひげぜんまい１１の本体１５の横断面を提案しており、その四角形状の断面をより明確に示している。本体１５は、したがって、その長さｌ、高さｈ、および厚さｅによって定義され得る。図７Ｂは、コア１８が、図６Ａと同様の方法で全体的にコーティングされる例を示している。当然ながら、図７Ｂは、非限定的な例を示しているにすぎず、音叉１、２１、３１、４１の場合と同様に、ひげぜんまい１１は、本体１５の少なくとも１つの部分または全体の外面上にコーティングを有することができる。

したがって、調査は二次的に、負の１次温度係数αおよび２次温度係数βを備え、正である１次熱弾性係数ＣＴＥ１および２次熱弾性係数ＣＴＥ２を有するコーティング材料を備えた単結晶の水晶に切り分けられるひげぜんまい１１を有するヘアスプリング付きテンプ共振子に対して行われた。

水晶共振子の１次温度係数αおよび２次温度係数βを補償する目的で、単一の層のコーティングを備えた水晶におけるカット角度θを見出すために、分析が行われた。

図７Ｂの場合、すなわちひげぜんまい１１の本体１５をすべて覆うコーティング１６の場合、共振子の１次温度係数αおよび２次温度係数βは、テンプの複数の熱膨張値に対して収束することが見出された。

結果的に、上記の説明に照らし、本発明の教示は、特定のコーティング材料、または特定の共振子またはコーティングの特定の堆積領域にも限定されない。水晶のｚ軸に対するカットの例も限定していない。上記で説明したように複数の回転が可能であるのと同様に、ｘ軸およびｙ軸などの水晶における他の基準もまた可能である。

したがって、本発明によれば、有利な方法で、任意の水晶共振子の１次温度係数αおよび２次温度係数βを、αおよびβの反対の符号を持つ１次熱弾性係数ＣＴＥ１および２次熱弾性係数ＣＴＥ２を有する単一の層で補償することが可能である。したがって、１次α温度係数および２次温度係数βが負ではない、単結晶の水晶における代替的なカットθ’を補償することも可能であることが理解されなければならない。

非限定的な例として、代替の１次温度係数α’および２次温度係数およびβ’が、それぞれ正および負である場合、反対の符号、すなわちそれぞれ負および正の符号である１次熱弾性係数ＣＴＥ１’および２次熱弾性係数ＣＴＥ２’を有する代替的なコーティングを使用することが可能である。したがって、このコーティングは、共振子を透明状態にできることを有利に意味する人工ダイヤから形成されてよい。

１、２１、３１、４１ 音叉の変形形態；
５、７、２５、２７、３５、３７、４５、４７ アーム；
３、２３、３３、４３ ベース。

Claims (15)

1. 本体を含む温度補償共振子であって、前記本体（３、５、７、１５、２３、２５、２７、３３、３５、３７、４３、４５、４７）のコア（５８、５８’、１８）が、１次のおよび２次の温度係数（α、β、α’、β’）を決定する、水晶カット角度（θ、θ’）で形成されたプレートから形成される温度補償共振子において、前記本体（３、５、７、１５、２３、２５、２７、３３、３５、３７、４３、４５、４７）が、前記コア（５８、５８’、１８）上に少なくとも部分的に堆積され、前記共振子の１次および２次の温度係数（α、β、α’、β’）をほぼゼロにするために、前記共振子の１次および２次の温度係数（α、β、α’、β’）それぞれに対して反対の符号の、温度による１次および２次のヤング率変動（ＣＴＥ１、ＣＴＥ２、ＣＴＥ１’、ＣＴＥ２’）を有するコーティング（５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’、１６）を含むことを特徴とする、共振子。
2. 前記本体（３、５、７、１５）が、同一の対をなす面を備えたほぼ四角形状の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の共振子。
3. 前記本体（３、５、７、１５）が、全体的にコーティングされた面を有するほぼ四角形状の断面を含むことを特徴とする、請求項１に記載の共振子。
4. 前記プレートの前記カット角度（θ）が、前記１次および２次の温度係数（α、β）が負であるように選択されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の共振子。
5. 前記コーティング（５２、５４、５６、１６、５２’、５４’、５６’、１６）が、正である１次および２次のヤング率変動（ＣＴＥ１、ＣＴＥ２）を有することを特徴とする、請求項４に記載の共振子。
6. 前記コーティング（５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’、１６）が、酸化ゲルマニウムを含むことを特徴とする、請求項５に記載の共振子。
7. 前記コーティング（５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’、１６）が、酸化タンタルを含むことを特徴とする、請求項５に記載の共振子。
8. 前記プレートの前記カット角度（θ’）が、前記１次および２次の温度係数（α’、β’）が、それぞれ正および負であるように選択されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の共振子。
9. 前記コーティング（５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’、１６）が、それぞれ負および正である１次および２次のヤング率変動（ＣＴＥ１’、ＣＴＥ２’）を含むことを特徴とする、請求項８に記載の共振子。
10. 前記コーティング（５２、５４、５６、５２’、５４’、５６’、１６）が、人工ダイヤを含むことを特徴とする、請求項９に記載の共振子。
11. 前記本体（１５）が、ひげぜんまい（１１）を形成する渦巻き状の棒体であり、慣性部材と連結されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の共振子。
12. 前記本体が、音叉（１、２１、３１、４１）を形成する少なくとも２本の対称に装着されたアーム（５、７、２５、２７、３５、３７、４５、４７）を含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の共振子。
13. 前記音叉（１、２１、３１、４１）が、反転型および／または溝付き型および／または円錐型およびまたはひれ型タイプのものであることを特徴とする、請求項１２に記載の共振子。
14. 前記本体が、ＭＥＭＳであることを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の共振子。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の少なくとも１つの共振子を含むことを特徴とする、時計。

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