JP5400093B2 - 1次係数および2次係数の温度補償型共振子 - Google Patents

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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(Ta25)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。
Figure 0005400093
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 (9)

  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)を含み、
    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
    前記コーティング(52、54、56、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)を有し、
    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、共振子。
  2. 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)を含み、
    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、
    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’)を含み、
    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、共振子。
  3. 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または2に記載の共振子。
  4. 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または2に記載の共振子。
  5. 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からのいずれかに記載の共振子。
  6. 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からのいずれかに記載の共振子。
  7. 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、請求項に記載の共振子。
  8. 前記本体が、MEMSであることを特徴とする、請求項1からのいずれかに記載の共振子。
  9. 請求項1から8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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