JP2013525743A - 少なくとも１次と２次の温度補正が施された振動子 - Google Patents

Abstract

本発明は、温度補正が施された振動子（１）に関し、これは、変形して用いられる本体を備え、この本体のコア部（３）は第１の材料を含んでいる。本発明によれば、本体は、少なくとも第１と第２の被覆部（４，５）を有し、これにより、当該振動子の１次と２次の温度係数（α，β）を略ゼロにすることが可能である。本発明は、タイムベースおよび周波数ベースの分野に関する。
【選択図】図９

Description

本発明は、タイムベースまたは周波数ベースを形成するための、ヒゲゼンマイ、ＭＥＭＳ、または音叉タイプの温度補正が施された振動子に関するものであり、その温度係数は、少なくとも１次と２次で略ゼロである。

特許文献１では、ＣＯＳＣ（スイス公式クロノメーター検査協会）の検定プロセスの温度、すなわち＋８〜＋３８℃あたりで温度係数が略ゼロになるように、ケイ素で構成されて二酸化ケイ素で被覆されたヒゲゼンマイを開示している。同様に、特許文献２では、その同じ温度範囲でのヤング率のドリフトが少ないという類似の特性を持つＭＥＭＳ振動子を開示している。

欧州特許第１４２２４３６号 国際公開第２００８／０４３７２７号

しかしながら、上記開示での周波数ドリフトは２次のみであっても、適用例によっては複雑な補正が必要となることがある。例えば、電子時計がＣＯＳＣの認定を受けるためには、温度測定に基づく電子補正を実行しなければならない。

本発明の目的は、少なくとも１次と２次の温度補正が施された振動子を提供することにより、前述の欠点のすべてまたは一部を解消することである。

そこで、本発明は温度補正が施された振動子に関し、これは、変形して用いられる本体を備え、本体のコア部に第１の材料を含むものであり、その本体は、第２と第３の材料でそれぞれ形成された少なくとも第１と第２の被覆部を有し、各材料で温度に伴うヤング率の変動が異なり、当該振動子の温度に伴う周波数変動を１次と２次で略ゼロにすることができるように、上記少なくとも第１と第２の被覆部の厚さはそれぞれ調整されていることを特徴とする。

本発明によれば、変形して用いられる振動子の本体は、効果的に、補正する温度係数の次数と同数の被覆部を有する。これにより、コア部および各被覆部の材料の各次の大きさと符号に従って、各次について相殺するように、それぞれの厚さが計算される。

本発明の他の効果的な特徴によれば、
‐ 本体は、温度に伴うヤング率の変動がコア部および他の被覆部の材料とは異なる第４の材料で形成された第３の被覆部を有し、当該振動子の温度に伴う周波数変動を１次、２次、および３次で略ゼロにすることができるように、それら３つの被覆部の厚さはそれぞれ調整されている。
‐ 本体のコア部は、単結晶ケイ素のように、温度に伴うヤング率の変動が１次と２次で負である。
‐ 本体は略四辺形の断面を有し、その面は２つずつが同じものであるか、またはその面の全体が被覆されている。
‐ 第１の被覆部は、二酸化ケイ素のように、温度に伴うヤング率の変動が１次で正、２次で負である。
‐ 第２の被覆部は、二酸化ゲルマニウムのように、温度に伴うヤング率の変動が２次で正、１次で正であるか、または温度に伴うヤング率の変動が１次で負である。
‐ 第１の被覆部は、第２の被覆部と逆になっている。
‐ 当該振動子の周波数をできる限り大きな強度で修正するため、被覆部を施すのは、本体の中立面に平行な面が優先される。
‐ 本体は、バーが渦を巻いてヒゲゼンマイを形成し、慣性フライホイールに連結されたものであるか、または少なくとも２つの対称的に取り付けられたバーを有して、音叉を形成するものであるか、またはＭＥＭＳ振動子である。

最後に、本発明は、さらに、前述の様々な態様のいずれかによる振動子を少なくとも１つ含むことを特徴とする、例えば時計のようなタイムベースまたは周波数ベースに関するものである。

その他の特徴および効果は、添付の図面を参照して、限定するものではない例として以下で行う説明から、明らかになるであろう。

図１は、ヒゲゼンマイの全体斜視図である。 図２は、図１のヒゲゼンマイの代表断面図である。 図３は、本発明によるいくつかの実施形態の図である。 図４は、本発明の第１の実施形態による各材料の弾性係数を示すグラフである。 図５は、本発明の第２の実施形態による各材料の弾性係数を示すグラフである。 図６は、本発明による振動子に周波数変動がないことを示すグラフである。 図７は、二酸化ケイ素で被覆したケイ素のヒゲゼンマイの１次と２次の温度係数の変化を示すグラフである。 図８は、二酸化ゲルマニウムで被覆したケイ素のヒゲゼンマイの１次と２次の温度係数の変化を示すグラフである。 図９は、二酸化ケイ素と二酸化ゲルマニウムで被覆したケイ素のヒゲゼンマイの１次と２次の温度係数の変化を示すグラフである。

上述のように、本発明は振動子に関するものであり、これは、ヒゲゼンマイ、音叉、またはより一般的にＭＥＭＳ（「微小電気機械システム」）タイプの振動子とすることができる。発明の説明を簡略化するため、以下ではヒゲゼンマイへの適用例のみ提示する。しかしながら、当業者であれば、上記のような振動子の他の適用例を、以下の教示からそれほど困難なく実現可能であろう。

同様に、説明は、本例では単結晶ケイ素で形成されたヒゲゼンマイである、本体のコア部について行う。しかしながら、コア部の材料は単結晶ケイ素に限定されるものではなく、例えば、多結晶ケイ素、ガラス、窒化物、ダイヤモンド、単結晶石英、または金属など、異なる種類の材料にまで広げることができる。

図６のグラフは、実際の振動子の周波数ドリフト特性を温度の関数として示している。“石英 ｚカット”と付した第１の実線曲線は、僅かに回転させたｚカットの単結晶石英の３２ｋＨｚ音叉の周波数ドリフトを示している。“Ｓｉ‐ＳｉＯ₂”と付した第２の破線曲線は、二酸化ケイ素で被覆されたケイ素のＭＥＭＳ振動子の周波数ドリフトを示している。

これら２つの曲線について、特に−２０〜＋８０℃までの広い温度範囲にわたってドリフトがゼロでないことがわかる。この周波数ドリフトは、主として、温度に伴うヤング率の変動によるものである。しかしながら、この２つの実際の構成例の周波数ドリフトは、＋１０〜＋４０℃では僅かであるものの、振動子の外部からの補正が必要となることがある。例えば、ＣＯＳＣの認定を受けるために、時計の温度測定に基づいて電子的に補正される石英音叉を含む電子時計の場合がそうである。

そこで、効果的に、本発明は振動子を提案することを目的とし、温度に伴うその周波数ドリフトは、“複合体”と付した鎖線曲線で示すようにさらに最小化されており、そのスケールは、ドリフトの有意な差を示すため、他の２つの曲線と意図的に同じにしている。より具体的には、振動子の本体は、本発明によれば、補正する温度係数の次数と同数の被覆部を有している。

従って、振動子の本体は、好ましくは、少なくとも２つの被覆部を有し、さらに、２次の補正によっても依然として容認できない周波数ドリフトが生じる場合には、第３の被覆部を有することがある。しかし、３次の補正の後には、どのような振動子の場合でも、周波数ドリフトは無視できる程度になる。これにより、コア部および各被覆部の材料の各次の大きさと符号に従って、各次について相殺するように、それぞれの厚さが計算される。

定義として、振動子の周波数の相対的変動は、以下の関係に従う。

Δｆ／ｆ₀＝Ａ＋α・（Ｔ−Ｔ₀）＋β・（Ｔ−Ｔ₀）²＋γ・（Ｔ−Ｔ₀）³

ただし、
‐ Δｆ／ｆ₀は、ｐｐｍ（１０^-6）で表される周波数の相対的変動；
‐ Ａは、基準点に依存するｐｐｍで表される定数；
‐ Ｔ₀は、℃で表される基準温度；
‐ αは、ｐｐｍ．℃^-1で表される１次温度係数；
‐ βは、ｐｐｍ．℃^-2で表される２次温度係数；
‐ γは、ｐｐｍ．℃^-3で表される３次温度係数。

また、熱弾性係数（ＣＴＥ）は、温度に伴うヤング率の相対的変動を表す。以下で用いる“α”および“β”という表現は、この場合、それぞれ１次と２次の温度係数、すなわち温度に伴う振動子周波数の相対的変動を表す。“α”および“β”という表現は、振動子本体の熱弾性係数、および本体の膨張係数に依存する。さらに、“α”および“β”という表現は、例えば、ヒゲゼンマイ振動子のテンプなどいずれかの別の慣性部に固有の係数も考慮する。タイムベースまたは周波数ベースとなる振動子は振動を維持する必要があるので、温度依存性は、その維持機構による寄与も含むことがある。振動子の本体は、少なくとも２つの被覆部４、５で覆われたコア部３であることが好ましい。

図１から図３の例では、コレット２と一体になったヒゲゼンマイ１を示しており、そこでは本体の１次と２次の温度係数が補正されている。図２は、ヒゲゼンマイ本体の断面を提示しており、その四辺形の断面をより明確に示している。このように、本体は、その長さｌ、高さｈ、および厚さｅで定義することができる。図３は、網羅的ではないが可能な代替案Ａ、Ａ’、Ｂ、Ｃ、およびＤを示している。当然のことながら、被覆部４および５は、各部３、４、５の位置をより明確に示すため、コア部３の寸法に対して正確な縮尺にはなっていない。

第１の代替案Ａでは、断面の１つの面が、被覆部４により覆われ、そしてつぎに連続して被覆部５により覆われている。被覆部４、５の積層順序は固定ではなく、つまり、被覆部４と５を入れ換えてもよい。また、被覆される面がバーの中立面Ｆに平行であると、これによって、当該振動子の周波数は、曲げ平面Ｆに垂直な面に被覆が施される場合に比べて、より大きな強度で修正される。当然のことながら、代替案Ａ’に示すように、被覆部４、５がそれぞれ異なる面上にあることも想定することができる。

第２の代替案ＢまたはＣでは、本体の断面は、２つずつ同じ面を含んでいる。この場合、例Ｂのように２つの平行な面が２つの被覆部４、５を、特定の積層順序ではなく、つまり、被覆部４、５を逆にすることも可能として含むか、あるいは例Ｃのように、平行な面の各ペアがそれぞれ被覆部４、５の一方のものを含む。当然のことながら、２つの隣接する面に被覆部４があり、他の２つの面を被覆部５で覆うことも想定することができる。

第３の代替案Ｄでは、本体の断面は、その全体が被覆部４により覆われ、そしてつぎに連続して被覆部５で覆われた面を含んでいる。しかし、被覆部４と５の積層順序は重要ではなく、すなわち被覆部４と５を入れ換えてもよい。

図４は、ケイ素、二酸化ケイ素、二酸化ゲルマニウムを用いる本発明の実施形態を説明するため、各材料のヤング率の温度依存性を表すグラフを示している。このように、ケイ素のヤング率は温度の上昇によって減少し、一方、他の２つの材料のヤング率は温度の上昇によって増加する。また、この増加は、２つの温度値の間すなわち−２０℃〜＋８０℃で、二酸化ゲルマニウムに比べて、二酸化ケイ素のほうがより著しい。

実際には、ケイ素の熱弾性係数は１次と２次で負であり、他の２つの材料の熱弾性係数は１次で正である。しかしながら２次の熱弾性係数は、二酸化ケイ素の場合は負であるのに対し、二酸化ゲルマニウムの場合は正である。

しかしながら、図４のこのような説明は、材料の熱弾性係数に注目したものである。振動子の周波数変化の係数α、βを最終的に得るためには、さらに、材料の膨張係数および振動維持機構の影響を考慮する必要がある。この最終的な説明の理解のために、その２つの係数を図７と８に示している。

この場合、図７では、コア部３は、ケイ素のように１次と２次で負の熱弾性係数を有し、また、二酸化ケイ素のように１次で正、２次で負の熱弾性係数を有する被覆部４で覆われている。さらに、材料の膨張係数、特にテンプの膨張係数（１８ｐｐｍ／℃）も考慮される。振動維持機構の影響は、ここでは無視できる程度である。また、図７は、α（実線）とβ（鎖線）の各次で単位が同じでないことも示している。被覆部のある厚さで１次のαは相殺され、すなわちライン０と交差するが、しかし、２次のβは、コア部の材料に対して独立に減少していくだけであることがわかる。従って、１次のαは補正が可能であるが、２次のβの場合はそうでないことが明らかである。

図８では、コア部３は、ケイ素のように１次と２次で負の熱弾性係数を有し、また、二酸化ゲルマニウムのように１次と２次で正の熱弾性係数を有する被覆部５で覆われている。図７と同様に、図８は、α（実線）とβ（鎖線）の各次で単位が同じでないことを示している。被覆部の薄い厚さで２次のβは相殺され、すなわちライン０と交差するが、しかし、１次のαはもっと大きな厚さで相殺されることがわかる。しかしながら、αとβの各次の両方を、１つの材料のある厚さで補正することは不可能である。

これは、各材料の熱弾性係数の大きさが各次で異なることに起因する。このように、単一の補正層を施すことを可能にするような、コア部の材料と“真逆”の被覆部の材料を見つけることは非現実的であると思われるのではあるが、本発明は、補正する各次について被覆部を追加することを提案する。この場合、各々の被覆部は、各次を“直接的に”補正するためのものではなく、各々の補正を改善するためのものである。

例として、図９に計算を示している。この例では、コア部３は、ケイ素のように１次と２次で負の熱弾性係数を有するものである。コア部３は、二酸化ケイ素のように１次で正、２次で負の熱弾性係数を有する第１の被覆部４で覆われている。第１の被覆部４は、つぎに第２の被覆部５で覆われており、これは、二酸化ゲルマニウムのように１次と２次で正の熱弾性係数を有している。

図９は、αとβの各次の補正が略同一の最終的な厚さで収束するように、すなわちαとβの２つの曲線が同じ厚さでライン０に交差するように、計算によって被覆部４、５のそれぞれの厚さを調整することが可能になることを示している。このようにして、図９の例では、コア部３、第１の被覆部４、第２の被覆部５の厚さは、それぞれ約４０、３．５、３．６ミクロンとなる。

このように、コア部３の所望の厚さまたは所望の最終的な断面の厚さに応じて、温度補正された振動子を提供することが可能であり、その温度補正は、図６に示す“石英‐ｚカット”または“Ｓｉ‐ＳｉＯ₂”に比較して大きく向上している。

当然のことながら、本発明は図示の例に限定されるものではなく、当業者には明らかである種々の変更および変形が可能である。具体的には、向上した温度補正が得られるように、コア部３または被覆部４、５などについて他の材料を想定することができる。

例えば、（ほとんどの材料がそうであるように）負の１次熱弾性係数を有し、かつ正の２次熱弾性係数を有する、（安定化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムのような）Ｘと呼ばれる材料は、温度補正を実現できる可能性が高い。この例を図５に示している。これによって、この種の材料の場合、図４の実施形態の場合よりも第１の被覆部の厚さを大きくする必要があることは明らかである。

Claims (18)

1. 温度補正が施された振動子（１）であって、変形して用いられる本体を備え、前記本体のコア部（３）は第１の材料を含み、
   前記本体は、第２と第３の材料でそれぞれ形成された少なくとも第１と第２の被覆部（４，５）を有し、各材料で温度に伴うヤング率の変動が異なり、前記振動子の温度に伴う周波数変動を１次と２次（α，β）で略ゼロにすることができるように、前記少なくとも第１と第２の被覆部の厚さはそれぞれ調整されていることを特徴とする、振動子。
2. 前記本体は、温度に伴うヤング率の変動が前記コア部（３）および他の前記被覆部（４，５）の材料とは異なる第４の材料で形成された第３の被覆部を有し、前記振動子の温度に伴う周波数変動を１次、２次、および３次（α，β，γ）で略ゼロにすることができるように、前記３つの被覆部の厚さはそれぞれ調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の振動子（１）。
3. 前記本体の前記コア部（３）は、温度に伴うヤング率の変動が１次と２次で負であることを特徴とする、請求項１または２に記載の振動子（１）。
4. 前記本体の前記コア部（３）は単結晶ケイ素を含むことを特徴とする、請求項３に記載の振動子（１）。
5. 前記本体は略四辺形の断面を有し、その面は２つずつが同じものであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の振動子（１）。
6. 前記本体は略四辺形の断面を有し、その面の全体が被覆されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の振動子（１）。
7. 前記第１の被覆部（４）は、温度に伴うヤング率の変動が１次で正、２次で負であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の振動子（１）。
8. 前記第１の被覆部（４）は二酸化ケイ素を含むことを特徴とする、請求項７に記載の振動子（１）。
9. 前記第２の被覆部（５）は、温度に伴うヤング率の変動が２次で正であることを特徴とする、請求項７または８に記載の振動子（１）。
10. 前記第２の被覆部（５）は、温度に伴うヤング率の変動が１次で正であることを特徴とする、請求項９に記載の振動子（１）。
11. 前記第２の被覆部（５）は二酸化ゲルマニウムを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の振動子（１）。
12. 前記第２の被覆部（５）は、温度に伴うヤング率の変動が１次で負であることを特徴とする、請求項９に記載の振動子（１）。
13. 前記第１の被覆部（４）は、前記第２の被覆部（５）と逆になっていることを特徴とする、請求項９ないし１２のいずれかに記載の振動子（１）。
14. 前記振動子の周波数を可能な最大強度で修正するため、前記被覆部を施すのは、前記本体の中立面（Ｆ）に平行な面が優先されることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれかに記載の振動子（１）。
15. 前記本体は、バーが渦を巻いてヒゲゼンマイを形成し、慣性フライホイールに連結されたものであることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれかに記載の振動子（１）。
16. 前記本体は、少なくとも２つの対称的に取り付けられたバーを有して、音叉を形成するものであることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれかに記載の振動子（１）。
17. 前記本体は、ＭＥＭＳ振動子であることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれかに記載の振動子（１）。
18. 請求項１ないし１７のいずれかに記載の振動子を少なくとも１つ含むことを特徴とする時計。
    

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