JPH0150133B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は３本の振動枝を有し、長さたて１次振
動モードで動作する圧電振動子（以下簡単のため
Ｅ型振動子と称する）の共振周波数温度特性の改
良に関する。

〔従来の技術〕

第１図は従来及び本発明に係るＥ型振動子の外
形を示す斜視図である。第１図において３本の振
動枝１，２，３の長さ寸法は、ほぼ等しく、幅寸
法については振動枝１，３が互にほぼ等しく、振
動枝２の幅寸法は任意に選べる。従来のＥ型振動
子は、利用しようとしている長さたて１次振動モ
ードの他の各種の振動モードが高次振動を含めて
無数に存在しており、これらの振動モードは利用
しようとしている振動モードに対しては不要なも
のと考え、長さたて１次振動モードが他の振動モ
ードと出来るだけ結合しないようにすることが行
われてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

そのため従来のＥ型振動子は共振周波数の温度
特性を良くするのには限界があつた。

本発明の目的は、共振周波数の温度特性が常温
付近で比較的フラツトになるＥ型振動子を提案す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために、本発明では、水晶
からなる圧電振動子のカツト方位はＺカツトの状
態からＸ軸のまわりで角度θだけ回転されてお
り、３本の振動枝の各側面は励振用の金属薄膜電
極が固着され、中央の振動枝と両側の振動枝は互
に逆位相で振動を行う圧電振動子において、長さ
たて１次振動モードと該圧電振動子に存在する面
外屈曲５次振動モードとが結合するように構成し
たことを特徴とする。

〔作用〕

以下本発明を詳細に説明する。第２図及び第３
図Ａ，Ｂは従来のＥ型振動子に存在する２つの振
動モードを示す。第２図は長さたて１次振動モー
ドを示す。第３図Ａ，Ｂは面外屈曲１次振動モー
ドを示す。第３図Ａは第１図XX断面からみた場
合を示し、第３図Ｂは第１図YY断面からみた場
合を示す。矢印４は振動変位のおおよその方向と
大きさを示し、点線５は振動変位零の時刻から
（1/4）周期後の時刻における振動変位を示す。面
外屈曲振動モードは簡単のため１次振動モードだ
けを示し、高次振動モードは省略した。上記２種
類の振動モードの共振周波数は、振動枝１の長さ
寸法をｌ、幅寸法をｈ、厚さ寸法をｔとして、第
４図のような片持はりで近似すると次のように表
わせる。

長さたて振動の場合 ここでf_L：長さたて振動の共振周波数 Ｅ：振動子材料のヤング率 ρ：振動子材料の密度 ｎ：振動の次数（ｎ＝１、２、３……） 面外屈曲振動の場合 ここでf_F：面外屈曲振動の共振周波数 ｉ：振動の次数（ｉ＝１、２、３……） m₁＝1.875 m₂＝4.694 m₃＝7.855 m₄＝11.00 m₅＝14.14 ……………… 上記(1)、(2)式で示される共振周波数の公式は、
それぞれの振動モードが単独に存在している場
合、即ち振動モードの結合がない場合のものであ
る。しかし２つの振動モードの結合がある場合に
は、f_Lとf_Fが非常に接近しているため、(1)、(2)式
から f_L＝f_F ……(3) として、たて振動モードと面外屈曲振動モードが
結合を起すための振動枝寸法比のおおよその関係
式が得られる。(1)、(2)、(3)式からこの関係式は次
のようになる。

(4)式から（ｔ／ｌ）の具体的数値を求めてみ
る。長さたて振動モードは１次振動（ｎ＝１）と
しておき面外屈曲振動モードは１次振動から５次
振動まで（ｉ＝１〜５）変えたときの（ｔ／ｌ）
の値は(4)式から次のように求められる。

ｎ＝１、ｉ＝１のとき （ｔ／ｌ）＝1.55 ｎ＝１、ｉ＝２のとき （ｔ／ｌ）＝0.247 ｎ＝１、ｉ＝３のとき （ｔ／ｌ）＝0.088 ｎ＝１、ｉ＝４のとき （ｔ／ｌ）＝0.045 ｎ＝１、ｉ＝５のとき （ｔ／ｌ）＝0.027 上記の結果から長さたて１次振動モードに結合
させる面外屈曲振動モードの次数が１次（ｉ＝
１）から３次（ｉ＝３）の場合は、振動枝の厚さ
寸法が長さ寸法にくらべてかなり大きな値にな
り、これらの場合は実現は無理である。面外屈曲
振動モードの次数は４次（ｉ＝４）以上であれ
ば、振動枝の形状に無理がなくなる。上記（ｔ／
ｌ）の値は、あくまでも目安にすぎず、実際には
上記で見積もられた（ｔ／ｌ）の値とは若干ずれ
た値を中心にして、ある幅をもつて２つの振動モ
ードは結合し、２つの振動モードの共振周波数は
接近して存在している。このとき長さたて１次振
動モードの共振周波数温度特性は改善される。

〔実施例〕

第５図は水晶からなる本発明実施例のカツト方
位を説明する図である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸はそ
れぞれ水晶の電気軸、機械軸及び光軸を示す。振
動子１１はＺカツトの状態からＸ軸のまわりで、
角度θ（θの正の方向は反時計方向とする）だけ
回転されている。第６図は本発明実施例及び従来
例における共振周波数温度特性を示すグラフであ
る。曲線Ａは長さたて１次振動モード（ｎ＝１）
と面外屈曲５次振動モード（ｉ＝５）が結合して
おり、共振周波数は約500KHz、（ｔ／ｌ）＝
0.032、θ＝−2゜である。曲線Ｂは従来のＥ型振
動子の場合で、長さたて１次振動モードは面外屈
曲振動モードとほとんど結合していない。この場
合の共振周波数は約510KHzで（ｔ／ｌ）＝0.04、
θ＝1゜である。第６図からわかるように、温度０
℃〜40℃間における周波数偏差（Δf／ｆ）は本
発明実施例の方が従来のＥ型振動子よりも若干小
さくなつている。第７図Ａは本発明実施例の電極
配置を示す斜視図である。水晶からなる振動枝
１，２，３の表面には、金属薄膜電極６，７が蒸
着等によつて固着されている。振動枝１，２，３
の先端には、周波数調整用の付加質量として、金
属膜８が固着されている。第７図Ｂは振動枝１，
２，３のYY断面（第１図参照）から見た電極の
接続を示す。矢印は電界の方向を示す。電極端子
９，１０に振動枝１１（第７図Ａ参照）の長さた
て１次振動の共振周波数に等しい周波数の電圧を
印加すれば、振動子１１は長さたて１次振動モー
ド（ｎ＝１）と面外屈曲５次振動モード（ｉ＝
５）が混りあつた形の振動モードで振動する。第
８図は本発明実施例の振動子１１の振動モードを
第１図XX断面から見た場合で示す。第９図は本
発明実施例の支持構造を示す斜視図である。振動
子１１の電極端子９，１０は円筒形の気密端子１
２のステム１３，１４に導電接着剤１５で固着さ
れている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、中周波で比較的
周波数温度特性がよく、振動子のベース部（支持
部）の振動変位も小さいので、支持が極めて容易
であること、ホトリソグラフイー技術によつて製
造できるため量産性があることなどから、本発明
は高精度電子時計の時間基準振動子として大きな
メリツトを有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来及び本発明に係るＥ型振動子の形
状を示す斜視図、第２図は従来のＥ型振動子に存
在する長さたて１次振動モードの説明図、第３図
Ａ，Ｂは従来のＥ型振動子に存在する面外屈曲１
次振動モードの説明図で、第３図Ａは第１図XX
断面から見た場合を示し、第３図Ｂは第１図YY
断面から見た場合を示し、第４図は一般的な片持
はりの斜視図、第５図は本発明のカツト方位の説
明図、第６図は本発明実施例及び従来例の共振周
波数温度特性を示すグラフ、第７図Ａは本発明実
施例の金属薄膜電極の配置を示す斜視図、第７図
Ｂは金属薄膜電極の接続状態の説明図、第８図は
本発明実施例の振動モードの説明図、第９図は本
発明実施例の支持構造を示す斜視図である。 １，２，３……振動枝、４……振動変位の方向
と大きさ、５……振動モード、６，７……金属薄
膜電極、９，１０……電極端子、１１……本発明
実施例の振動子、１２……気密端子、１３，１４
……ステム、１５……導電接着剤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ カツト方位がＺカツトの状態からＸ軸のまわ
   りに角度θ（θの正の方向は反時計方向とする）
   だけ回転した３本の振動枝を有する水晶からなる
   圧電振動子にあつて、３本の該振動枝の各側面は
   励振用の金属薄膜電極が固着され、中央の振動枝
   と両側の振動枝とは互に逆位相で振動を行う圧電
   振動子において、長さたて１次振動モード（ｎ＝
   １）と該圧電振動子に存在する面外屈曲５次振動
   モード（ｉ＝５）とが結合するように構成するこ
   とを特徴とする圧電振動子。