JPS5811126B2 - 音叉型振動子の釣合調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音叉型振動子において、２つの振動量の固有振
動数を必要な程度に一致させるための釣合加工法に関す
る。

本発明の一般的目的は、製造上のバラツキによる未加工
音叉の不釣合をなくし、緒特性が良好でかつ揃っている
ような音叉振動子を得る方法を提供することである。

特に目的とするところは、音叉の基部を剛支持した場合
にもＱ値、支持法誤差等特性の劣化のない、時計等の原
振器として好適な水晶等圧電結晶より成る音叉を量産的
に得る方法を提供することである。

現在腕時計用の水晶振動子はブランクとなる板材からワ
イヤーソー等で両側面とスリットとを加工したものが用
いられているが、主としてワイヤー間隔のバラツキによ
り、両脚の固有振動数に数千〜数万ｐｐｍの差が生じて
しまい、音叉の基部から振動が漏れる傾向が避けられな
い。

そのため従来は基部の振動が基台に伝わらないように、
金属のバネ性部材で音叉を弾性支持しなければならず、
振動子の大型化、構造の複雑化、耐衝撃性の不足、製造
コスト高を招いていた。

以下図面により本発明を説明する。

第１図は上述の諸欠点を一掃する剛支持型水晶音叉撮動
子の構造を示す斜視図である。

１は水晶音叉、２はセラミック製の基台、２ａはその表
面に設けたメタライズのパターンで、水晶音叉１はその
基部１ａの裏面に蒸着された金属薄膜と、図示しないハ
ンダ層により接着され、音叉１は基台２に対し剛支持さ
れると共に、パターン２ａに対し頭部をロウ付けされた
貫通端子ピン３に対して励振電極の一端を接続する。

励振電極の他端は音叉１の側面から導電接着剤４にて同
様に端子へ導びかれる。

５は気密容器の外壁である。本構造では振動子が小型・
簡素化されるのはもちろん、衝撃が印加されても音叉が
容器の内壁に当って折れることかない。

但し両脚の固有振動数の不釣合が除かれぬまま剛支持し
てしまうと特性の悪化はまぬかれない。

第２図は腕時計用サイズの容器における音叉の不釣合量
εと振動子の真空中でのＱ値Ｑ及び支持法誤差δ（容器
を自由にした状態と大きな質量塊に押付けた状態との発
振周波数の差）を示した。

εは一方の脚の先端を削ってゆき、完全にバランスがと
れた状態から生じた発振周波数の差によって表現した。

音叉の各脚の固有振動数を直接計測することは出来ない
が、音叉ははｒ両脚の固有振動数の平均値に近い周波数
で発振すると思われるので、前記εは両脚の固有振動数
の差のおよそ半分になっていると思われる。

Ｑ値低下の様子と、水晶時計の一般的精度を勘案すると
ε≦２０００〜７０００ｐｐｍ以内に不釣合を納めるこ
とが望ましい。

第３図は水晶音叉調整用治具の模型図である。

６は治具の基台、７はバネ部材３にて支持された音叉台
、９は絶縁性を有し音叉の一方の電極に接する圧子１０
を有するクランプ部材、１１は音叉１に適当な取付押圧
力（例えば数ｉｏｏ〜数１０００グラム）を与えるバネ
、１２は音叉台７に固着されると共に電極の一端がアー
スされ、他端から不釣合振動にはｇ比例する電圧を検出
する圧電素子で、音叉台７と圧子１０は図示しない発振
回路に接続される。

１３は前記音叉１０両脚を個別に切削加工する切削加工
装置であり、左側切削ヘッド１３ａ及び右側切削ヘッド
１３ｂを有する音叉１の励振電圧は時計内における発振
電圧の少（とも数倍とされる。

本治具によりピックアップされた不釣合電圧Ｖ、の波形
は第４図に示すように励振電圧Ｖ。

に対して位相関係を有する正弦波となる。

釣合がとれて（るとＶ、の振巾は小さくなるが、波形が
崩れて来て２次の高調波成分が残る傾向がある。

また前記位相差の方向は固有振動数の高い方の脚の治具
との関係位置がどちらであるかによって反転し、しかも
不釣合量εが数１０〜数１１００ｐｐより大きいときは
位相差の方向も量も変化しないから、一方の脚を削りつ
つ位相差の方向のみを監視し、反転したら加工を他の脚
に切り換えるという方法もあるが、不都合なことに水晶
音叉の場合Ｘ軸の方向が治具に対して変ると、例え固有
振動数の高い方の脚が治具に対して同じ側にあろうとも
、位相の方向は逆になってしまう。

第５図は音叉の両脚の周囲の電極のある瞬間の極性を示
す断面図であるが、この極性によって脚肉部に生じる矢
印の如き電界に対し、Ｘ軸の向きがＸｌであるなら音叉
は閉じようとし、Ｘ２の向きであるなら開こうとする力
が生じる。

即ち励振電圧と音叉の振動変位との位相関係はＸ軸の向
きによって反転する。

不釣合振動は、音叉基部が固有振動数の高い方の脚に引
きずられて動（現象とみなされるから、結局励振電圧と
不釣合振動の位相関係はＸ軸の方向と脚の固有振動数の
差の方向との２つの因子によらないと定まらない。

しかるに、原石の状態ならば判然としているＸ軸の方向
も、音叉が個々に分断され電極蒸着が完了した状態で判
定することはそう容易ではない。

（原石カットの段階で音叉形状に第６図のように非対称
の目印を残すとか、光学異方性によって分類することも
可能ではあるが）従って未加工音叉について最初に加工
すべき脚を前記位相差から判定することは極めて面倒に
なる。

又、前記不釣合電圧Ｖ６の絶対値は音叉１の各脚の不釣
合量のみによって決るものではな（、前記音叉１のクリ
スタル、イムピーダンスの違いにもとず（励振レベルの
差や、前記水晶音叉調整用治具に於る不釣合振動検出感
度の差によって影響されるという欠点があった。

故に本発明に於いては、一方の脚を、一定量だけ加工し
、この一定量の加工による励振電圧Ｖ。

の周波数の変化量と、不釣合電圧Ｖ、の変化量及び、励
振電圧Ｖ。

と不釣合電圧Ｖ、との位相関係にもとづいて、前記音叉
１に於る各脚の加工量を算出し、励振電圧ｖｏの周波数
を、モニターしながら、調整加工を行うことを特徴とし
ている。

次に第７図により、本発明の音叉１に於る各脚の加工量
の算出方法を説明する。

第１図は、音叉１０周波数及び不釣合調整の軌跡図であ
り、横軸は、不釣合電圧Ｖ、（Ｖ）、縦軸は励振電圧の
周波数ｆｃＨｚ）を示し、点Ｐ。

は、調整終了点であり、周波数ｆが、基準値ｆ。

（現在の時計用水晶に於いては、３２．７６８Ｈｚ）、
不釣合電圧Ｖ、が零となる点である。

今、未加工音叉１を、第３図に示す不釣合検出用治具に
セットし、所定の励振を行いながら、初期値Ｐ１（ｆｌ
・ｖ、）点に於る励振電圧Ｖ。

の周波数ｆ１及び不釣合電圧Ｖｌ（Ｖ）を測定する。

次に切削加工装置１３を作動させ、左側切削ヘッド１３
ａに対応した、音叉１′の左脚に、一定量Ｔ１の切削を
施こした後、Ｐ１点と同様にＰ２点の測定を行う。

次に上記Ｐ、及び１２２点の座表より、不釣合電圧Ｖ、
が零になる点Ｐ３に於る周波数ｆ３を第１式により算出
する。

そして次にＴ２の切削加工を行う。

すなわち励振電圧Ｖ。

をモニターしながら、その周波数がＡｆ３になる迄、前
記音叉１の左脚を切削する。

次に、前記周波数ｆ３と、基準値ｆ。

どの中間の周波数を有する２４点の周波数ｆ４を第２式
により算出する。

次にＴ３の切削加工を左脚に行う。

最後にＴ４の切削加工を右脚に行うことにより。

前記音叉１を基準周波数ｆｏに合せ込むと共に、両脚の
釣合を調整することが出来る。

尚前記第１式に於いて（ｆｌ−ｆ２／Ｖ、−Ｖ２＜Ｏ）
ならば、音叉１は、Ｐｌ−Ｐ２１−Ｐ３／−Ｐ、’−Ｐ
、の軌跡を通って調整される。

第８図は前記音叉１の調整工程を示す工程図であり、第
１工程より第７エ程は、第７図に於いて説明した通りで
あるが、実際の調整装置に於いては、第５工程の終了時
に、不釣合電圧Ｖ、が許容範囲に入っているか否かを判
定し、許容範囲外にある場合は、第４工程に帰還して、
再調整を行う必要がある。

第９図は、本発明に於ろ水晶音叉調整装置のブロック線
図である。

１４は水晶音叉調整用治具であり、音叉１を発振回路１
５にて励振し、励振電圧Ｖ。

及び不釣合電圧Ｖ６を出力している。

１６及び１１はそれぞれ励振電圧Ｖ。

及び不釣合電圧Ｖ６を増巾する増巾回路、１８は励振電
圧■。

の周波数を測定する周波数測定回路、１９は、増巾回路
１Ｔの出力を整流する整流回路、２０は、整流回路１９
の直流出力を、デジタル値に変換するＡＤ変換回路、２
１は、前記増巾回路１６及び１７の出力信号の位相を比
較する位相比較回路、２２は、前記不釣合電圧Ｖ５、励
振電圧Ｖ。

に関する各測定値を記憶するメモリ回路であり、第１メ
モＪ２２ａ〜第６メモリ２２ｆの６個のメモリを有する
。

２３は、メモリ回路２２への入力信号の切換えを行うゲ
ート回路、２４は、前記メモリ回路２２に記憶されたデ
ータにもとづいて、音叉１の各脚の切削量に対応した周
波数を算出する演算装置、２５は、前記演算装置２４に
よって算出された周波数を記憶するレジスタ回路であり
、第ルジスタ２５ａ〜第３レジスタ２５ｃの３個のレジ
スタを有する。

２６は、レジスタ回路２５に記憶された各周波数と、前
記周波数測定回路１８に於る測定周波数とを比較するコ
ンパレータ、２７は、制御回路、２８はスタートスイッ
チ、２９は、スタートスイッチ２８の操作信号をパルス
化する波形成形回路である。

次に上記構成に於ろ水晶音叉調整装置の動作を説明する
。

第３図に示すごとく水晶音叉調整用治具１４に、音叉１
をセットし、発振回路１５にて励振を行わせると、増巾
回路１６によって検出された励振電圧Ｖｏは、周波数測
定回路１８によって、周波数データとなり、又増巾回路
１７によって検出された不釣合電圧ｖ６は、整流回路１
９にて直流化されたのち、ＡＤ変換回路２０により、デ
ジタル化された電圧データとなり、又増巾回路１６，１
７の出力の位相関係が、位相比較回路２１により進み又
は遅れが論理″１”又は０”のレベルで出力されている
。

この状態に於いてスタートスイッチ２８を操作すると、
この操作信号は、波形成形回路２９によってパルス化さ
れ、制御回路２７に入力されると制御回路２７よりゲー
ト回路２３に制御信号を送り周波数測定回路１８のデー
タを、ｆｌとして第２メモＪ！２ａに、又ＡＤ変換回路
２０のデータをＶｌとして第４メモリ２２ｄに、さらに
、位相比較回路１８のデータをＯとして第６メモリ２２
ｆにそれぞれ書き込まれる。

そして上記一連の書き込みが終了すると、メモリ回路２
２より書き込み終了信号が、制御回路２７に送られ、制
御回路２１は、ゲート回路２３を閉じると共に、切削加
工装置１３に、Ｔ１加工命令を送る。

切削加工装置１３は、左側加工ヘッド１３ａを一定時間
動作させ、音叉１の左脚に、Ｔ１の予備切削を行う。

次に制御回路２７が、再度ゲート回路を開いて、周波数
測定回路１８のデータをＴ２として第３メモリ２２ｃに
、ＡＤ変換回路２０のデータをＶ２として、第５メモリ
２２ｅにそれぞれ書き込む。

上記一連の書き込みが終了すると、制御回路２７０指令
により、演算装置２４が、前記メモリ回路２２に書き込
まれた各データにより、前記第１式及び第２式のごとく
音叉１の各脚の切削目標周波数ｆ３及びＴ４を算出し、
レジスタ回路２５の第ルジスタ２５ａ及び第２レジスタ
２５ｂに書き込む。

尚メモリ回路２２の第１メモＪ２２ａ及びレジスタ回路
２５の第３レジスタ２５Ｃに書き込まれているｆ。

は、前述のごとく、音叉１０基準周波数値であり、固定
データである。

上記のごと（切削目標周波数の設定が終了すると、制御
回路２７より切削加工装置１３に、Ｔ２加工命令が送ら
れ、切削加工装置１３は、左側加工ヘッド１３ａを動作
させ、音叉１の左脚の切削を開始する。

そして上記Ｔ２加工作業は、音叉１の切削に従って変化
する周波数測定回路１８の周波数値が、前記レジスタ回
路２５の第ルジスタ２５ａに記憶されたＴ３と一致し、
コンパレータ２６より一致信号が生ずる進行われる。

そしてこの一致信号が入力されると、制御回路２７は切
削加工装置１３に、Ｔ３加工命令を送り、前記音叉１の
左脚の切削を、前記周波数測定回路１８の周波数値が、
レジスタ回路２５の第２レジスタに記憶されたＴ４と一
致し、コンパレータ２６より一致信号が生ずる進行われ
る。

制御回路２Ｔは、２回目の一致信号が入力されると、切
削加工装置１３に、Ｔ４加工命令を送り、切削加工装置
１３は、右側加工ヘッド１３ｂを動作させて、音叉１の
切削を開始し、周波数測定回路１８の周波数値が、レジ
スタ回路２５の第３レジスタ２５ｃに記憶された基準値
ｆ。

に一致したときコンパレータ２６より一致信号を発生し
制御回路２７を介して切削加工装置１３を停止させ音叉
１の調整を完了する。

以上が音叉１に対する一連の調整工程であり、この完了
時点に於いて、音叉１は、第７図に於げるＰ５の点にあ
り、周波数が、基準値ｆｏにかつ両脚の釣合が、必要な
範囲に調整されている。

上記のごと（本発明に於いては、予備加工々程にもとづ
いて、音叉の各脚の切削量を算出し、この算出値に従っ
て、励振周波数を、モニターしながら、連続的に切削加
工を行うことが出来るため、水晶音叉のクリスタルイン
ピーダンスの違い、不釣合振動に於る検出感度の変動、
増巾回路に於る増巾率の変動等の影響を受けることな（
調整を行うことが可能となり、かつ前記調整を、高速化
することが出来るため、音叉型水晶振動子の量産化に犬
なる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は剛支持水晶音叉振動子の構造例の見取図、第２
図は音叉の不釣合の影響の説明図、第３図は釣合加工に
用いるジグの説明図、第４図は発振電圧と不釣合振動電
圧との関係を示す図、第５図は水晶音叉の結晶軸の向き
による挙動の違いを説明するための図、第６図は音叉内
で結晶軸方位を一定化する方法の説明図、第７図は音叉
の周波数及び不釣合電圧調整の軌跡図、第８図は音叉の
調整工程図、第９図は本発明に於る調整装置のブロック
線図である。 １・・・・・・水晶音叉、１２・・・・・・圧電素子、
１３・・・・・・切削加工装置、１４・・・・・・音叉
調整用治具、１８・・・・・・周波数測定回路、２２・
・・・・・メモリ回路、２４・・・・・・演算装置、２
５・・・・・・レジスタ回路、２７・・・・・・制御回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 音叉型振動子の基部を固定する基台と、前記音叉型
   振動子を駆動する発振回路と、前記基台の振動子固定部
   より前記音叉振動子の不釣合振動を検出する不釣合振動
   検出手段と、前記音叉型振動子の各脚を、各々個別に加
   工する加工手段を有する調整装置を使用し、前記音叉型
   振動子の振動数及び不釣合振動量の初期値（ｆｌ・ｖｌ
   ）を測定する工程と、前記音叉型振動子の一方の脚に、
   単位量の加工を行う予備加工々程と、前記予備加工後の
   振動数及び不釣合振動量（ｆ２・ｖ２）を測定する工程
   と、前記２回の測定値（ｆｌ・Ｖｌ）（ｆ２・ｖ２）に
   もとづいて音叉型振動子の各脚に対するそれぞれの加工
   量を算出する演算工程と、前記演算によって得られた各
   脚に対する加工量の情報に従って音叉型振動子の各脚を
   順次加工する加工々程とを有することを特徴とする音叉
   型振動子の釣合調整方法。