JPS5850046B2 - 水晶ユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水晶腕時計等に用いられる水晶ユニットに関す
る。

特に超小型、高性能水晶ユニットを提供することにより
、超小型、高精度水晶腕時計の実用化を図る。

近年、水晶振動子の小型化が進み、これらの振動子を水
晶時計の時間標準として使われるようになった。

これらの振動子に要求される条件は高精度、小型でしか
も安価であることである。

しかしこれらの条件を充すには色々な点で問題が有り実
用化が難しかった。

第１図は従来の＋５°Ｘカツト音叉型水晶振動子の概観
図を示し、第２図はその電極配置を示す。

１は音叉型水晶、２は一方の電極、３は他の一方の電極
、ダイヤモンドホイールカッターや超音波加工等の機械
的加工方法によって音叉型水晶振動子は成形されている
。

この種の水晶振動子は側面に電極を有するので、水晶振
動子の動インピーダンスを低くすることができるが、水
晶振動子を形成する際、電極分割工程を要するため作業
時間が多くかかりコストダウンできないのが現状である
。

しかし最近ＩＣの技術を利用したフォトマスクを利用し
てエツチングによって音叉型水晶振動子を加工する方法
が見い出された。

第３図はエツチングによって成形されたＮＴカット音叉
型水晶振動子の概観図とその切り出し角を示し、第４図
はその電極配置を示す。

４は音叉型水晶、５は一方の電極、６は他の一方の電極
で振動子はＸ板をＺ軸を回転軸としてα０回転させ、さ
らにＹ′軸を回転軸として１０回転させた板より成形さ
れる。

通常αは０８〜１５°、βは６００〜７５°に選ばれる
。

Ｘ、ＹおよびＺ軸は各々水晶の電気軸、機械軸および光
軸である。

今仮に電極５，６に正負の電圧が印加されたとすると電
界は第４図に示したように電極５から電極６の方向に働
く。

しかし実際に音叉型水晶振動子を励振させるのはＸ軸方
向の成分であるからβが大きくなるとＸ軸方向の成分は
小さくなり水晶振動子の動インピーダンスは大きくなる
ので発振回路との結合が難しくなる。

β＝９００のときはＸ軸方向の電界成分が零となるため
共振しない。

即ちβを小さくすれば動インピーダンスを小さくするこ
とが可能であるが、βを小さくすると周波数一温度特性
の変曲点が負の方向に移動するため時計用振動子として
は使用できなくなる。

通常周波数一温度特性の変曲点は１５℃〜３０℃位に選
ばれる。

以上述べたようにＮＴカットをエツチングによって音叉
型水晶振動子を成形することは容易に可能でありコスト
ダウンを図ることができるが従来のＮＴカットの励振方
法では特性が悪く時計用振動子としては不適当であった
。

第５図は電極形状を変えることによって上記ＮＴカット
の欠点をなくした本発明に係る薄い音叉型水晶振動子の
概観図である。

第６図はその電極配置を示す。７は音叉型水晶、８は一
方の電極、９は他の一方の電極である。

第５図はＺ板をＺ軸を回転軸としてα０回転させた板よ
り切り出されている。

通常は００〜１５°に選ばれる。

Ｘ、ＹおよびＺ軸は水晶の結晶軸である。

今仮に電極８，９に正負の電圧が印加されたとすると電
界の方向は第６図に示した矢印方向に働く。

このとき音叉腕の中心を境にして右側半分と左側半分で
は電界方向が逆であるから一方が伸びの歪を生じれば他
方は縮みの歪を生じるため音叉腕は屈曲を引き起す。

交流電圧を加えれば対称屈曲振動を起す。

この電極構造ではＸ軸方向の゛電界成分が従来のＮＴカ
ットに比し非常に大きいため水晶振動子の動インピーダ
ンスを小さくすることができる。

しかもこの音叉型水晶振動子の切り出し角度は従来のＮ
Ｔカットのβ−９００に相当するため周波数一温度特性
の彎曲点を前記した１５°Ｃ〜３０℃に選ぶことができ
、特性の良い振動子を作ることができる。

同時にエツチングによって成形できるためコストダウン
が可能である。

第７図は水晶振動子の電気機械結合係数ｋによる周波数
変化（△ｆ／ｆ）と容量（Ｃ）との関係である。

電気機械結合係数によって周波数−容量特性の傾きは異
なってくる。

水晶腕時計として要求される特性の一つとして消費電流
特性がある。

即ち水晶腕時計の寿命を長く維持するにはできるだけ消
費電流を低く押えるのは当然であるが、これは発振回路
での容量Ｃと非常に密接な関係を持ち消費電流ｉはｉα
Ｃの関係を有する。

消費電流を小さくするには使用する容量を小さくすれば
良い。

しかし第７図で容量を小さくするとｋが大きい場合傾き
が急であるため容量当りの周波数変化が大きく歩度不安
定の原因となり好ましくない。

本発明では電気機械結合係数を適当に選ぶことによって
小さい容量範囲で安定な発振を維持するものである。

従来の水晶振動子ではに中０．０４というのが一般的で
あった。

これは前述のように容量に対する周波数変化が大きくな
り、また周波数変化が小さい領域では容量が自動的に大
きくなってしまい消費電流が増大する。

本発明では、小さい容量でも周波数依存度が小さくなる
ような水晶振動子の電極形状の変更、並びに音叉の寸法
、水晶の切出し角度の選択によりｋを小さくする。

すなわち、本発明では第５図に示す通り音叉型水晶振動
子の電極構造を改善することにより前記の目的を達する
ものであり、ｋの上限としてに＝０．０３５以下であれ
ば、水晶発振回路でのコンデンサー依存度による安定性
を十分に維持し、同様に消費電流を小さくすることが可
能となる。

第３図に示した電極構造では前述したように電気機械変
換効率が小さい、即ちｋが小さすぎると水晶振動子の動
インピーダンスが大きくなり、このような水晶振動子を
発振回路において安定発振を維持することは不可能に近
く。

極端な場合には発振しない場合がでてくる。

これを無理に励振させようとすると、ＩＣの増巾率を極
めて大きくしなければならない。

すなわち消費電流が著しく大きくなり、特に時計用振動
子としては使用不可能となる。

本発明では第５図の電極構造によりｋを０．０２５より
も大きくすることにより前記欠点を除去することができ
る。

第８図は従来の音叉型水晶振動子と本発明に係る音叉型
水晶振動子の真空度と水晶振動子の動インピーダンスＲ
８との関係を示す。

従来の音叉型水晶振動子の真空度−Ｒｏ特性（以下これ
を単に真空度特性と呼ぶ）は第８図のＢに示したように
真空度曲線は比較的滑らかであるため、比較的低真空度
で水晶振動子を封止しても特性はあまり低下しなわった
。

しかし本発明の音叉型水晶振動子の真空度特性Ａは真空
度に対するＲ８の変化が大きく低い真空度で水晶振動子
を封止した場合Ｒ８の上昇をまねき不具合を生じる。

即ち本発明は音叉型水晶振動子の真空度特性を充分に把
握することによって動インピーダンスＲ８の劣化を起こ
さない真空度で封止することにあり、本発明に係る音叉
型水晶振動子では０．１ ｍπＨ，９より高真空で封止
する必要がある。

第９図は従来の音叉型水晶振動子の支持構造の概観図を
示し、１０は音叉型水晶振動子、１１，１２は吊線、１
３はプラグである。

従来の音叉型水晶振動子は側面に電極を有するため大き
な厚みとなるため質量が大きく第９図に示したような吊
線１１，１２で支持しないと外乱に対して弱い、すなわ
ち周波数変化が大きく問題である。

さらに小品振動子を真空中で封止する際、封止前後での
水晶振動子の周波数シフトを生じるという不具合があっ
た。

しかし外乱に対する周波数シフトは吊線の寸度、形状を
かえることによつて問題がなくなったが封止の際の周波
数シフトは今なお現在でも問題となっているのが現状で
ある。

本発明は水晶振動子の製造工程をかえることによって前
記欠点を除去した。

即ち従来の工程では周波数調整後封止されていたが、本
発明では封止後周波数調整を行なうため封正による周波
数シフトは問題がなくなり、要求した周波数に合せ込む
ことが可能となった。

第１０図は本発明の一実施例の概観図を示し、１４は音
叉型水晶振動子、１５は支持線、１６はプラグ、１７の
点線はガラスを示す。

本発明の実施例では水晶振動子１４はリード線１５に半
田、接着剤等によって固着されている、プラグ１６とガ
ラス１７は真空中で半田等によって封止される。

封止された水晶ユニットは最後にレーザー光線によって
所望の周波数に調整される。

以上述べたように本発明は音叉型水晶振動子の電極構造
の改善により、特性の向上した音叉型水晶振動子をエツ
チングによって成形することができるためコストダウン
が可能となった。

さらに前記水晶振動子の電気機械結合係数を適当に選ぶ
ことにより水晶発振回路での安定性を充分に維持できし
かも消費電流を小さくすることができるので長寿命水晶
時計を提供することができる。

しかも高真空で前記振動子は封止されるため特性が安定
している。

さらに封止後周波数調整が行なわれるので周波数合せ込
み精度が抜群に良く、水晶時計のアセンブル工程が容易
になり、それ故前記水晶ユニットを提供することにより
超小型、高性能水晶腕時計の実用化が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の音叉型水晶振動子の概観図、第２図は第
１図の音叉型水晶振動子の電極配置図、第３図は従来の
音叉型水晶振動子の概観図、第４図は第３図の音叉型水
晶振動子の電極配置図、第５図は本発明に係る音叉型水
晶振動子の概観図、第６図は第５図の音叉型水晶振動子
の電極配置図、第７図は容量と周波数変化との関係を示
す図、第８図は真空度と水晶振動子の動インピーダンス
を示す図、第９図は従来の音叉型水晶振動子の支持構造
を示す図、第１０図は本発明の一実施例を示す概観図で
ある。 １．４，７，１０，１４・・・・・・水晶、２，３，５
゜６．８，９・・・・・・電極、α、β・・・・・・切
り出し角度、１１．１２・・・・・・吊線、・１５・・
・・・・リード線、１７・・・・・・ガラス、Ａ・・・
・・・本発明の音叉型水晶振動子、Ｂ・・・・・・従来
の音叉型水晶振動子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 音叉型水晶振動子を有する水晶ユニットにおいて、
   前記音叉型水晶振動子はエツチングによって形成され、
   前記音叉型水晶振動子の電気機械結合係数ｒが０．０２
   ５から０．０３５の範囲にあるとともに、振動子基部と
   リード線とが電気的、機械的に直接接続され、かつ、前
   記音叉型水晶振動子は真空度が０．１ ｍｍＨｇより高
   い真空中で容器に封入されていることを特徴とする水晶
   ユニット。