JPH0125248B2

JPH0125248B2 -

Info

Publication number: JPH0125248B2
Application number: JP59022525A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kogure
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1984-02-09
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1989-05-17
Also published as: JPS59171208A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、結合音叉型水晶振動子に関する。

結合音叉型水晶振動子とは、音叉型水晶振動子
に存在する２つの異なる振動モードを結合させる
ことにより、前記２つの振動モードのうち一方の
振動モードの共振周波数温度特性を改善、即ち、
温度変化による共振周波数変化を少なくしたもの
である。

結合させる２つの振動モードとしては、幾つか
あるが、本発明に係わる結合音叉型水晶振動子で
は、屈曲振動と捩り振動を用いる。この２つの振
動モードを結合させたとき、屈曲振動の共振周波
数温度特性が改善される。この振動子の電子時計
に用いることにより、時間精度を大幅に向上させ
ることができる。屈曲振動と捩り振動の結合を用
いた結合音叉型水晶振動子については、特開昭54
−116191号、特開昭55−75325号、特開昭55−
75326号に詳しく述べてある。

屈曲振動として、基本振動を用いる場合と高調
波を用いる場合があるが、電子時計の時間精度向
上という点からは、高調波を用いる方がよい。こ
れは、基本振動よりも高調波の方が、振動のＱ値
が一般的には高いため、共振周波数の経時変化が
少ないからである。また、重力方向に対する音叉
型水晶振動子の向きにより、共振周波数が僅かに
ずれるが、基本振動よりも高調波の方が、この量
が少ないからである。

高調波は、このような２つの利点を有するが、
共振周波数が高くなるため、高調波の中でも最低
次の高調波（以下、第一高調波と呼ぶ）を用いる
ことが多い。これは電子時計に結合音叉型水晶振
動子を用いるとき、消費エネルギーの大幅な増大
を避けるためである。

以下、第一高調波と捩り振動の結合を用いた結
合音叉型水晶振動子について述べる。

第１図は、従来の結合音叉型水晶振動子の外観
図である。１は結合音叉型水晶振動子、２は結合
音叉型水晶振動子１を支持し、電極と導通をとる
ためのリード、３は半田、４はプラグである。ま
た、本図に付されたＸ軸、Y′軸、Z′軸は、それぞ
れ水晶原石の電気軸、電気軸のまわりに回転され
た機械軸、電気軸のまわり回転された光軸を表わ
し、結合音叉型水晶振動子１が水晶原石から切断
されるときの方向を示している。発振周波数は約
200KHz、２つの共振周波数の差は４〜5KHzであ
る。

一般に、屈曲振動の第一高調波のＱ値は、基本
振動のＱ値よりも高いのであるが、結合音叉型水
晶振動子においては基部の変位が大きいため、第
１図の如き支持方法では、第一高調波本来の高い
Ｑ値を得ることが困難であつた。あるいは、ひど
い場合には、振動漏れが生じるという欠点があつ
た。また、この結合音叉型水晶振動子は、捩り振
動も用いている訳であるが、従来、このモードに
対する振動漏れの防止という点については考慮さ
れていなかつた。特に、捩り振動の振動漏れは、
共振周波数温度特性の調整時に、それのばらつき
を大きくする原因となる。また、振動子のケース
をクランプしたとき、振動子によつては、共振周
波数温度特性に異状が生ずることもある。従つ
て、捩り振動の振動漏れも抑えをことが必要であ
る。

そこで、本発明の先行例は、かかる欠点を除去
したもので、結合音叉型水晶振動子において、屈
曲振動、捩り振動の振動漏れを抑え、かつ、それ
らのＱ値を向上させることを目的とする。

先ず、第１図の如き支持方法で、Ｑ値の低下、
振動漏れの生ずる理由について考えよう。

第２図は、その為の説明図である。５は振動
子、６はリード、７はプラグ、８は音叉基部が振
動していることを示す矢印。９はプラグが振動し
ていることを示す矢印。第２図の如く、振動子の
マウント部分の振動振幅が大きいと、振動子が振
動源となつてプラグを振動させることになる。マ
ウント部分の振動振幅が大きいと、この部分での
振動エネルギーの損失が大きくなり、Ｑ値が低下
する。また、一般に、振動論に依れば、振動振幅
の零でないところ、即ち、等価質量の無限大でな
いところに他の質量を付加すると、その振動系の
周波数は低下する。即ち、プラグ７に他の質量を
付加すると、振動子５の共振周波数は低下する。
プラグ７に付加された質量が、多少、ふらふらと
動けば、それに伴い、振動子５の共振周波数もふ
らついてしまう。これが、振動漏れの生ずるメカ
ニズムである。

第３図は、本発明の先行例の一具体例の外観図
である。１０は結合音叉型水晶振動子、１１はリ
ード、１２は半田、１３はプラグである。リード
の直線部の長さをＳ、厚みをｔ、リード内幅を
W₁、リード外幅をW₂とする。１４はリードとプ
ラグの接点にある一点、１５はプラグの底面の端
にある一点である。

本発明の先行例の原理を、第４図ａ，ｂ，ｃ，
ｄを用いて説明する。ａは第３図のリードの直線
部以外の部分の形状・寸法を一定とし、Ｓを変え
たときの、屈曲振動、捩り振動の周波数変化を示
している。１６は屈曲振動、１７は捩り振動のそ
れである。あるＳに対する周波数を基準にして、
縦軸が描かれている。ｂはＳに対する点１４の変
位置を示す。縦軸は、音叉腕先端の最大変位を１
としたときの相対的な値である。１８は屈曲振
動、１９は捩り振動のそれに対応する。ｃはＳに
対する点１５の変位量を示す。縦軸はｂと同じで
ある。２０は屈曲振動、２１は捩り振動に対応す
る。ｄはＳに対するλを表わしている。プラグ１
３を完全自由にしたときの周波数をｆ FREE、
完全固定したときの周波数を CLAMPとした
とき、 λ＝ FREE− CLAMP／ CLAMP … である。２２は屈曲振動、２３は捩り振動のそれ
である。ａ，ｂ，ｃ，ｄの横軸は、総て同じスケ
ールである。

さて、ａで、領域Ｓ１，Ｓ２においては、Ｓを
変えても曲線１６，１７の変化は小さい。領域Ｓ
１，Ｓ２以外の領域では、周波数変化は極めて大
きく、周波数が飛んでいる。振動子のマウント部
分（半田１２でリード１１が接着されている部
分）が完全に静止していれば、周波数はＳに依ら
ず一定であるが、実際には振動している為、リー
ドと振動子が結合を起こしているからである。即
ち、周波数の飛んでいる領域では、特にリードと
振動子との結合が強くなつているのである。ま
た、領域Ｓ１，Ｓ２では、リードと振動子の結合
は弱くなつている為、周波数変化が小さいのであ
る。リードとプラグの接点１４の変位量は、ｂに
示されている如く、領域Ｓ１，Ｓ２で小さく、そ
れ以外の部分では、急激に大きくなつている。こ
れは言い換えれば、振動子とリードの結合の弱い
領域では、点１４はほぼ節に近い状態になつてお
り、結合の強い領域では腹い近い状態になるとい
うことである。従つて、ｃに示す如く、プラグの
一点１５の変位も、点１４が節に近くなつている
領域で小さく、腹に近くなつている領域で急激に
大きくなるのである。これは、プラグがリードに
より振動させられるということと、点１４がリー
ドとプラグの接点にあるということを考えれば、
もつともなことである。ａとｃを対応づけると、
こうなる。即ち、プラグの振動振幅の小さい領域
では、リードと振動子とは結合が弱く、Ｓを変え
ても周波数変化は小さい。プラグの振動振幅の大
きい領域では、結合が強く、Ｓを変えると周波数
が急激に変化する。Ｓが領域Ｓ１もしくはＳ２で
あれば、プラグの振幅は小さい。即ち、振動子と
リードとプラグを含めた全振動系において、プラ
グの等価質量は大きくなつている。従つて、プラ
グに他の質量を付加しても、全振動系の周波数変
化は極めて小さい。つまり、振動子の周波数変化
は極めて小さい。これは、振動漏れが極めて小さ
いということである。逆に、Ｓが領域Ｓ１，Ｓ２
以外のところにあると、プラグの振幅は大きくな
り、プラグの等価質量は減少する。従つて、プラ
グに他の質量を付加すると、全振動系の周波数が
大きく低下する。つまり、振動子の周波数が大き
く低下する。これは振動漏れである。ｃに示す如
く、領域Ｓ１，Ｓ２では屈曲振動、捩り振動に対
し、プラグの変位は小さいので、両モードに対
し、良好に振動漏れを防止できる。このことを示
したのがｄである。プラグ１３に他の質量が付加
された場合の如く、実際に実現する境界条件は、
プラグ１３を完全自由にした場合の境界条件と、
完全固定にした場合の境界条件の中間にある。そ
こで、λが小さければ、プラグ１３に他の質量が
付加されても、付加されない場合に比べ、周波数
変化は小さい。即ち、振動漏れが少ないことにな
る。ｄの屈曲振動のλ２２、捩り振動のλ２３
は、領域Ｓ１，Ｓ２において、極めて小さく、振
動漏れが極めて小さいことを示している。こうし
て、両モードに対し、良好に振動漏れが防止でき
る。第４図ａ，ｂ，ｃ，ｄの結果は、有限要素法
を用いた計算機シミユレーシヨンの結果である
が、実験結果と良く一致する。

第５，６，７図は、本発明の先行例の他の具体
例である。それらの図において、ａは正面図、ｂ
は側面図である。２４，２７，３０は結合音叉型
水晶振動子、２５，２８，３１はリード、２６，
２９，３２はプラグである。これらの他の具体例
で、振動漏れを防止できる原理は、第４図におい
て説明した通りである。

本発明の先行例の具体例、第３，５，６，７図
で用いられているリード１１，２５，２８，３１
は、総て第８図に示した如き形状を有する。それ
らは、リードの中で一ケ所、180゜の折り返し３３
を有する。これを「折り返し吊り線」と呼ぶこと
にする。折り返し吊り線の高さをｈ、内幅をW₁、
外幅をW₂、厚みをｔとすると、ｈ＝400〜2600μ W₁，W₂＝100〜200μ ｔ＝100〜400μ である。

第３図、第５図では、２本の折り返し吊り線が
振動子の一方の主面にのみ接着されているが、第
６図、第７図では、２本の折り返し吊り線が振動
子の２つの主面の各々の面に１本づつ接着されて
いる。それぞれ、振動漏れの防止という点からは
効果は同じである。主面とは、２本の音叉腕の見
える振動子の面のことで、２つある。また、折り
返しは、180゜でなくても、また数ケ所あつても、
同様である。

第９図は、本発明の先行例の他の具体例であ
る。３４は結合音叉型水晶振動子、３５はリー
ド、３６はプラグ、３７は半田である。今まで述
べてきた具体例とは異なり、折り返しのない２本
のリードで支持しているが、屈曲振動、捩り振動
に対し、振動漏れを防止できる理由は、折り返し
吊り線の場合と同じである。第４図におけるＳ
が、本図のｌに相当する。

第１０図は、本発明の先行例の他の具体例であ
る。３７′は結合音叉型水晶振動子、３８はリー
ド、３９はプラグ、４０は半田である。この具体
例では、２つの主面のそれぞれをリード１本づつ
で支持している。振動漏れの防止という点では、
第９図の具体例と変わらない。

リードの厚みをｔ、幅をＷ、振動子の底とプラ
グとの距離をリードの長さｌとすると、Ｗ＝0.05〜0.3mm ｔ＝0.05〜0.3mm ｌ＝0.2〜1.0mm である。

さて、以上述べて来た本発明の先行例の具体例
で、屈曲振動、捩り振動の振動漏れは、実用上、
問題無い程度に抑えられるが、製造上のばらつき
等も考慮して、更に、振動漏れを抑制し、Ｑ値向
上を計ることが必要である。そのためには、振動
子のマウント部分の変位量を減少させることが必
要である。

本発明はかかる問題点を解決するものであり、
第１１，１２図をもとにして、述べる。

第１１図ａは、基部（２つの音叉腕を除いた部
分）に凸部４３を設けた結合音叉型水晶振動子４
１を示す。基部長さをLB、基部幅をWB、凸部
幅をＢとする。４２はマウント部分である。ｂ
は、Ｂに対するλ′を示す。マウント部分４２を完
全自由にしたときの周波数を FREE、完全固
定したときの周波数を CLAMPとすると、 λ′＝｜ FREE− CLAMP／ CLAMP｜ … である。４４は屈曲振動に対するλ′のＢ依存性を
示す曲線、４５は捩り振動のそれである。ｂの図
から、屈曲振動に対しては、適当なB₀のとき、
λ′は最小となるが、捩り振動に対しては、Ｂが大
きくなるにつれ、λ′が大きくなる。２つのモード
に対して、 λ′≦１ppm … とすることが必要であるが、第１１図ａの如き形
状では難しい。

そこで、第１２図ａの如き形状とする。基部の
上方に幅Ｂの凸部を設け、基部下方に幅WC、高
さLCの凹部４６を設けた形状とするのである。
基部長をLB、基部幅をWBとする。LB，WB，
Ｂを、第１１図ｂで曲線４４が最小となつたとき
の値とし、LCを適当な値に選んで、WCを変え
たときのλ′を示したのが、第１２図ｂである。４
７，４８は、それぞれλ′のWC依存性を示す曲線
である。ｂの図よりWCがWC₀より大きいと、２
つのモードに対して式が満たされる。このよう
に、マウント部分を完全自由にしたときの周波数
と完全固定にしたときの周波数との差が小さいと
いうことは、マウント部分の変位が小さいという
ことを示している。これは、第４図ｃ，ｄにおい
て、λの小さい領域では、プラグの変位が小さい
という、対応付けが出来るのと同じことである。

従つて、振動子を第１２図ａの如き形状とする
と、マウント部分の変位が、２つのモードに対し
て小さくなり、振動子とリードの結合は、第３，
５，６，７，９，１０図の場合よりも弱くなる。
すると、第４図ａにおいては、曲線１６，１７が
更に滑らかとなり、第４図ｂ，ｃにおいては、曲
線１８，１９，２０，２１の最小値が更に小さく
なり、第４図ｄにおいては、λの小さいＢの領域
が広くなり、２つのモードに対して、振動漏れ
が、更に完壁に近く防止できるのである。また、
第４図ｄにおいて、λの小さいＢの領域が広くな
るということは、製造上のばらつきが多少生じて
も、振動漏れが生ずることが無くなるということ
であり、量産という点からも有効である。

これらのことを示したのが、第１３図である。
第１３図は、第１２図ａの如き形状の振動子を、
第３図の如き支持方法で支持したときの点１４，
１５の変位量、振動子の周波数変化を示してい
る。第１３図ａ，ｂ，ｃ，ｄは、第４図ａ，ｂ，
ｃ，ｄに、それぞれ対応する。また、１６′，１
７′，１８′，１９′，２０′，２１′，２２′，２
３′は、それぞれ１６，１７，１８，１９，２０，
２１，２２，２３に対応する。Ｓ１′，Ｓ２′はＳ
１，Ｓ２に対応する。第１３図より、Ｓ１′，Ｓ
２は第４図のＳ１，Ｓ２より広くなり、１８′，
１９′，２０′，２１′の最小値も１８，１９，２
０，２１の最小値よりも小さくなつている。これ
らのことは、第５，６，７，９，１０図の如き支
持方法で支持した場合においても同様である。領
域Ｓ１′，Ｓ２′で、λは、ほぼ零であり、振動漏
れは、２つのモードに対し、ほぼ完壁に防止でき
る。Ｓ１′，Ｓ２′＝400〜500μで、リードを製造
する際のばらつきを充分に吸収できる大きさであ
る。実験的に、屈曲振動に対しλ≦0.5ppm、捩り
振動に対しλ≦５ppmで、実用上、全く問題無い。

さて、振動子各部の寸法であるが、厚み200μ
以下の振動子に対し、 LB＝500〜2000μ WB＝400〜1500μ Ｂ＝30〜150μ LC＝100〜1000μ WC＝30〜350μ である。また、第１２図ａの如き形状の振動子
は、フオトリソグラフイー製法を用いて、容易に
製造できる。

第１２図ａの如き形状の振動子を、以上に述べ
てきた第３図、第５図、第６図、第７図、第９
図、第１０図の支持構造で支持すると、屈曲振
動、捩り振動のＱ値は30万以上となる。これは、
マウント部分の変位が小さくなつた為である。ま
た、屈曲振動のCI値は2KΩ以下となる。尚第１
２図ａ図の振動子と、第３図、第５図、第６図、
第７図、第９図、第１０図の支持構造との組み合
わせは、それらの図面より自明であり省略する。

振動漏れが少なく、Ｑ値が30万以上と高く、ま
た発振周波数が200KHzと高いことから、周波数
のエージングが極めて良好となる。これは、本発
明になる振動子を電子腕時計に用いた際、周波数
温度特性が極めて良好であることもあいまつて、
時間精度の飛躍的向上をもたらす。時刻のずれ
は、年間、数秒である。一方、屈曲振動のCI値
が2KΩと低いことは、同じく電子腕時計に用い
た際、消費エネルギーの大幅な増大を抑えること
になり、電池の長寿命化という点からも有利であ
る。発振周波数が200KHzのとき、発振電流と分
周電流の総和は、0.5〜0.8μAである。

尚、本発明になる結合音叉型水晶振動子の支持
方法、振動子形状は、屈曲振動として、第一高調
波以外の次数の振動モードを用いた結合音叉型水
晶振動子に対しても有効であることは、もちろん
のこと、屈曲振動、捩り振動以外のモードを用い
た振動子にも応用できる。

以上述べた如く、本発明になる結合音叉型水晶
振動子を電子腕時計に用いることにより、高精
度・長寿命を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の結合音叉型水晶振動子の外観
図である。第２図は、振動漏れのメカニズムの説
明図。第３図は、本発明の先行例の一具体例の外
観図。第４図ａ〜ｄは、本発明の先行例の原理の
説明図。第５図ａ，ｂ、第６図ａ，ｂ、第７図
ａ，ｂは、本発明の先行例の他の具体例の正面図
と側面図。第８図は、折り返し吊り線の各部寸法
を定義するための図。第９，１０図は、本発明の
先行例の他の具体例の外観図。第１１図ａは、基
部に凸部を有する結合音叉型水晶振動子の形状を
示す本発明の説明図。第１１図ｂは、凸部幅Ｂに
対する屈曲振動、捩り振動のλ′依存性を示す。第
１２図ａは、基部上方に凸部、基部下方に凹部を
有する本発明の結合音叉型水晶振動子の形状を示
す。第１２図ｂは、基部下方の凹部幅WCに対す
る屈曲振動、捩り振動のλ′依存性を示す。第１３
図ａ〜ｄは、第１２図ａの如き形状の振動子を、
第３図の如き支持構造で支持したときの点１４，
１５の変位量、振動子の周波数変化を示す。１……結合音叉型水晶振動子、２……リード、
３……半田、４……プラグ、５……音叉型振動
子、６……リード、７……プラグ、８……音叉基
部が振動していることを示す矢印、９……プラグ
が振動していることを示す矢印、１０……結合音
叉型水晶振動子、１１……リード、１２……半
田、１３……プラグ、１４……リードとプラグの
接点にある１つの点、１５……プラグの底の端に
ある１つの点、１６……Ｓに対する屈曲振動の周
波数変化、１７……Ｓに対する捩り振動の周波数
変化、１８……Ｓに対する点１４の変位（屈曲振
動）、１９……Ｓに対する点１４の変位（捩り振
動）、２０……Ｓに対する点１５の変位（屈曲振
動）、２１……Ｓに対する点１５の変位（捩り振
動）、２２……Ｓに対するλの変化（屈曲振動）、
２３……Ｓに対するλの変化（捩り振動）、２４，
２７，３０……結合音叉型水晶振動子、２５，２
８，３１……リード、２６，２９，３２……プラ
グ、３３……180゜の折り返し部分、３４，３７′
……結合音叉型水晶振動子、３５，３８……リー
ド、３６，３９……プラグ、３７，４０……半
田、４１……結合音叉型水晶振動子、４２……マ
ウント部分、４３……基部に設けられた凸部、４
４……Ｂに対するλo変化（屈曲振動）、４５……
Ｂに対するλの変化（捩り振動）、４６……基部
下方に設けられた凹部、４７……WCに対する
ι′の変化（屈曲振動）、４８……WCに対するλ′の
変化（捩り振動）、１６′……Ｓに対する周波数変
化（屈曲振動）、１７′……Ｓに対する周波数変化
（捩り振動）、１８′……Ｓに対する点１４の変位
（屈曲振動）、１９′……Ｓに対する点１４の変位
（捩り振動）、２０′……Ｓに対する点１５の変位
（屈曲振動）、２１′……Ｓに対する点１５の変位
（捩り振動）、２２′……Ｓに対するλの変化（屈
曲振動）、２３′……Ｓに対するλの変化（捩り振
動）。

Claims

【特許請求の範囲】

１屈曲振動に捩り振動を弾性的に結合させた結
合音叉型水晶振動子において、前記結合音叉型水
晶振動子の基部を２本の弾性リードで直接支持し
てなるとともに、前記弾性リードは前記結合音叉
型水晶振動子の基部に結合する固着部と、プラグ
を貫通する固定部と、前記固着部と固定部との間
にある弾性振動部とからなり、前記結合音叉型水
晶振動子は、基部両側の側部に設けた凸部と、前
記凸部の基部下方両側を前記凸部の幅以上に切欠
いて形成された支持部とを有しており、前記弾性
リードが前記支持部に固着されるとともに、前記
プラグは前記弾性振動部の前記屈曲振動と前記捩
り振動の両方に対して同時に節に近い状態となる
部分を保持してなることを特徴とする結合音叉型
水晶振動子。