JPS5850049B2 - Tuning fork type piezoelectric vibrator - Google Patents

Tuning fork type piezoelectric vibrator

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JPS5850049B2
JPS5850049B2 JP51026285A JP2628576A JPS5850049B2 JP S5850049 B2 JPS5850049 B2 JP S5850049B2 JP 51026285 A JP51026285 A JP 51026285A JP 2628576 A JP2628576 A JP 2628576A JP S5850049 B2 JPS5850049 B2 JP S5850049B2
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tuning fork
vibrator
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crystal resonator
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宏文 川島
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Seiko Instruments Inc
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/21Crystal tuning forks

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音叉型圧電振動子の電界付与およびそれに適し
た水晶板の切り出し角に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to application of an electric field to a tuning fork type piezoelectric vibrator and a cutting angle of a quartz plate suitable therefor.

本発明の目的は超小型、高性能音叉型圧電振動子の実用
化にある。
An object of the present invention is to put into practical use an ultra-compact, high-performance tuning fork type piezoelectric vibrator.

ここ数年、腕時計の電子化の動きはめざましく殊に水晶
時計の実用化は急速に進んでいる。
In recent years, there has been a remarkable movement toward electronic wristwatches, and the practical use of quartz watches in particular has progressed rapidly.

これらの水晶時計の時間標準には言うまでもなく水晶振
動子が用いられており、その振動姿態は両端自由型ある
いは音叉型の屈曲振動姿態が使用されている。
Needless to say, a quartz crystal resonator is used as the time standard for these quartz clocks, and its vibration mode is either a free-ended type or a tuning fork type.

そしてそのいずれも水晶原石からのカットは+5°Xカ
ツトあるいはNTカットが用いられ、振動子加工方法に
関しては従来ダイヤモンドホイールカッターまたは超音
波加工等による機械的加工方法が採られていたが最近N
Tカットを用いて振動子の形状およびその電極加工をフ
ォトエツチングによる化学的加工方法が開発された。
In all of these cases, +5°
A chemical processing method has been developed in which the shape of a vibrator and its electrodes are photoetched using T-cuts.

しかし従来の電極構造および切り出し角度による水晶振
動子の性能、寸法については一長一短があり最適方法は
見出されていなかった。
However, the performance and dimensions of the crystal resonator due to the conventional electrode structure and cutting angle have advantages and disadvantages, and an optimal method has not been found.

以下に従来の例を機械的加工方法による+5°X力ツト
音叉型屈曲水晶振動子および化学的加工方法によるNT
カット音叉型屈曲水晶振動子によって説明する。
Below are conventional examples of +5°X force-tuning fork type bent crystal resonators made by mechanical processing methods and NTs made by chemical processing methods.
This will be explained using a cut tuning fork type bent crystal resonator.

第1図は従来の機械的加工法による+5°Xカツト音叉
型水晶振動子の例、第2図はその電極配置図である。
FIG. 1 shows an example of a +5°X-cut tuning fork crystal resonator produced by a conventional mechanical processing method, and FIG. 2 shows its electrode arrangement.

第1図、第2図に於いて1は+5°Xカツト音叉型水晶
振動子、2,3は電極を示し、2は一方の電極、3は他
の一方の電極を示す。
In FIGS. 1 and 2, 1 is a +5°X-cut tuning fork crystal resonator, 2 and 3 are electrodes, 2 is one electrode, and 3 is the other electrode.

X軸、Y軸、Z軸は各々水晶の電気軸、機械軸、光軸で
ある。
The X, Y, and Z axes are the electrical, mechanical, and optical axes of the crystal, respectively.

水晶振動子はZ板をX軸を回転軸として角度αは00〜
10°、一般には5°に選ばれる。
The crystal oscillator has a Z plate with the X axis as the rotation axis and the angle α is 00 ~
10°, generally 5°.

今この振動子の電極2,3にそれぞれ仮に正負の電圧を
印加したとすれば、水晶内部には第2図の曲線で示した
矢印のように電界が付与され、この電界の横方向の成分
、即ちX軸方向の成分が歪を引き起す。
If we apply positive and negative voltages to electrodes 2 and 3 of this vibrator, an electric field will be applied inside the crystal as shown by the curved arrow in Figure 2, and the lateral component of this electric field will be , that is, the component in the X-axis direction causes distortion.

金片側の音叉について考えてみると腕の中心を境にして
左側半分と右側半分とでは電界の方向が反対となるため
一方が伸びれば片方は縮みとなり屈曲を生じる。
If we consider a tuning fork with one gold side, the direction of the electric field will be opposite on the left and right halves of the center of the arm, so if one stretches, the other will contract and bend.

片側の音叉の腕について述べたが全く同様に他の一方の
腕についても同じことが言える。
Although we have described one arm of the tuning fork, the same is true for the other arm.

即ち音叉の片方の腕が内側に屈曲するとき他方の腕も内
側に屈曲を生じるように電界を印加してやれば良い。
That is, an electric field may be applied so that when one arm of the tuning fork bends inward, the other arm also bends inward.

電極に交流電圧を加えれば水晶振動子1には対称屈曲振
動が励起される。
When an alternating current voltage is applied to the electrodes, symmetrical bending vibration is excited in the crystal resonator 1.

この種の水晶振動子は損失抵抗が小さいため回路との結
合がよく、比較的温度−周波数特性の変曲点温度を容易
に常温に選択することが可能であるため腕時計に使用し
たとき時間精度が良い長所を有する。
This type of crystal oscillator has low loss resistance, so it is well coupled with the circuit, and the inflection point temperature of the temperature-frequency characteristic can be relatively easily selected at room temperature, so it is possible to improve time accuracy when used in a wristwatch. has good advantages.

しかしその反面この種の振動子は図から明らかなように
側面に電極を必要とするため製造工程中に電極分割工程
が必要である。
However, on the other hand, as is clear from the figure, this type of vibrator requires electrodes on the side surfaces, so an electrode dividing step is required during the manufacturing process.

又超薄型水晶振動子ができないという欠点をも有し、厚
みが大きいためフォトエツチングによって音叉型水晶振
動子を得るのは不可能に近い。
It also has the disadvantage that it is not possible to produce an ultra-thin crystal resonator, and because of its large thickness, it is almost impossible to obtain a tuning fork type crystal resonator by photoetching.

第3図は従来の化学的加工方法によるNTカット音叉型
屈曲水晶振動子の例、第4図はその電極配置図である。
FIG. 3 shows an example of an NT-cut tuning fork type bent crystal resonator produced by a conventional chemical processing method, and FIG. 4 shows its electrode arrangement.

4は音叉型水晶振動子、5は表面内側電極および裏面外
側電極、6は表面外側電極および裏面内側電極で表面電
極と裏面電極との接続は水晶振動子の外部で行なわれる
(第3図では裏面電極は図示してない)。
4 is a tuning fork crystal resonator, 5 is an inner electrode on the front surface and an outer electrode on the back surface, and 6 is an outer electrode on the front surface and an inner electrode on the back surface. The connection between the front electrode and the back electrode is made outside the crystal oscillator (in FIG. 3, (The back electrode is not shown).

X、Y、Zは各々水晶の電気軸、機械軸、光軸を示す。X, Y, and Z indicate the electrical axis, mechanical axis, and optical axis of the crystal, respectively.

第3図の振動子は振動子は音叉腕がY軸と平行になって
いるX板をX軸を回転軸としてα0回転し、さらにY′
軸を回転軸として10回転した板により切り出される。
The oscillator in Figure 3 rotates an X plate whose tuning fork arm is parallel to the Y axis by α0 with the
It is cut out by a plate that rotates 10 times around the shaft.

そしてαは0°〜100にβは60°〜75°に選ばれ
る。
Then, α is selected to be 0° to 100, and β is selected to be 60° to 75°.

この種の振動子は側面に電極がないので非常に薄い振動
子を形成することができるため、フォトエツチングによ
る音叉型水晶振動子を形成することができ、超小型、超
薄型水晶振動子の製造が可能という長所を有しているが
次に述べるような欠点を有している。
Since this type of resonator has no electrodes on the side, it is possible to form a very thin resonator, so it is possible to form a tuning fork type crystal resonator by photo-etching, and it is possible to create an ultra-small and ultra-thin crystal resonator. Although it has the advantage of being easy to manufacture, it has the following drawbacks.

第4図に於いて今仮に電極6゜5に正負の電界が加わっ
たとき電界方向は第4図に示した方向に動く、しかし実
際に音叉型水晶振動子を励振させるために必要な電界成
分はX成分であるからβの角度が大きくなればそれだけ
X成分は小さくなり歪を起こしにくくなる。
In Figure 4, if a positive and negative electric field is applied to the electrode 6°5, the direction of the electric field will move in the direction shown in Figure 4, but the electric field component required to actually excite the tuning fork crystal resonator Since is the X component, the larger the angle β, the smaller the X component and the less likely to cause distortion.

電界のX成分はCO8βで与えられる。The X component of the electric field is given by CO8β.

即ち時計用振動子で使用できるβは前述したように60
’〜75°と大きくX方向の電界成分が小さいため水晶
振動子の等価回路の損失抵抗が大きく、IC等のマツチ
ングが難しく消費電流が大きいという欠点を有している
In other words, the β that can be used in a watch vibrator is 60 as mentioned above.
Since the electric field component in the X direction is large at ~75[deg.], the loss resistance of the equivalent circuit of the crystal resonator is large, and it is difficult to match ICs, etc., and the current consumption is large.

以上詳記したように従来の+5°Xカツトは損失抵抗は
小さいが加工方法が難しく、NTカットは加工方法は容
易であるが、損失抵抗が大きいというそれぞれ一長一短
があり腕時計振動子として十分に満足し得なかった。
As detailed above, the conventional +5° I couldn't do it.

本発明は新しい電界付与方法を採ることにより、この両
者を組合せ両者の長所を生かしたものである。
The present invention combines the two methods and takes advantage of the advantages of both methods by adopting a new electric field application method.

第5図は本発明の圧電振動子のカット角を示し、第6図
は本発明の圧電振動子の電極配置例を示している。
FIG. 5 shows the cut angle of the piezoelectric vibrator of the present invention, and FIG. 6 shows an example of electrode arrangement of the piezoelectric vibrator of the present invention.

第5図、第6図に於いて、10aは本発明の水晶振動子
である。
In FIGS. 5 and 6, 10a is a crystal resonator of the present invention.

XYZはそれぞれ水晶の電気軸、機械軸および光軸であ
る。
XYZ are the electrical, mechanical and optical axes of the crystal, respectively.

水晶振動子は音叉腕がX軸と平行になっているY板をX
軸を回転軸として角度α′を00〜90°回転させ、さ
らにY′軸を回転軸として角度γを0°〜800回転さ
せた板より切り出されている。
The crystal oscillator is a Y plate whose tuning fork arm is parallel to the X axis.
It is cut out from a plate which is rotated by an angle α' of 00 to 90 degrees with the axis as the rotation axis, and further rotated by an angle γ of 0 to 800 degrees with the Y' axis as the rotation axis.

この切り出し角度の選択は温度−共振周波数特性の変曲
点温度を何度にするかによって決定される。
The selection of this cutting angle is determined by the temperature at which the inflection point of the temperature-resonant frequency characteristic is to be set.

それと同時に音叉型水晶振動子の寸度、形状等にもよっ
て決定される。
At the same time, it is determined by the dimensions, shape, etc. of the tuning fork type crystal resonator.

11.12は本発明による電極である。表面電極と裏面
電極は通常側面によって接続されている(裏面電極は図
示してない)が音叉型水晶振動子の基部付近にスルーホ
ール等を設けて接続しても良い。
11.12 is an electrode according to the invention. The front electrode and the back electrode are usually connected by the side surface (the back electrode is not shown), but they may be connected by providing a through hole or the like near the base of the tuning fork crystal resonator.

電極11.12に仮にそれぞれ正負の電圧を印加したと
すれば水晶内部での電界は音叉の片腕を考えると音叉の
腕の中心の左側半分と右側半分とでは電界の方向が逆に
なり仮に片方が伸びの歪を生じれば他の一方は縮みの歪
みを生じる。
If positive and negative voltages are applied to electrodes 11 and 12, respectively, the electric field inside the crystal will be in the opposite direction on the left half and the right half of the center of the tuning fork's arm, considering one arm of the tuning fork. If one causes an elongation distortion, the other one causes a contraction distortion.

交流電圧を印加してやれば振動子10aには対称屈曲振
動が励起される。
When an alternating current voltage is applied, symmetrical bending vibration is excited in the vibrator 10a.

(第6図では音叉腕の外側の電界のみを図示し内側の電
界については図示していない)第5図、第6図に示した
ように音叉型水晶振動子を励振させるにはX軸方向の電
界成分が有効であるから本発明では電界方向はX軸方向
に加わるようになっているため水晶振動子の損失抵抗を
小さくすることができる。
(In Figure 6, only the electric field on the outside of the tuning fork arm is shown, and the electric field on the inside is not shown.) As shown in Figures 5 and 6, in order to excite the tuning fork type crystal resonator, the direction of the X-axis direction is In the present invention, since the electric field component is effective, the electric field direction is applied in the X-axis direction, so that the loss resistance of the crystal resonator can be reduced.

本発明では励振用電極を側面に使用してないから音叉形
状を形成する際および電極を形成する際にフォトエツチ
ングによる化学的加工方法をとることができ振動子のよ
り小型化が可能である。
In the present invention, since excitation electrodes are not used on the side surfaces, a chemical processing method using photoetching can be used when forming the tuning fork shape and when forming the electrodes, making it possible to further downsize the vibrator.

本発明の他の長所は音叉型水晶振動子の周波数を高くし
た場合さらに有効性を増す。
Another advantage of the present invention is that it becomes even more effective when the frequency of the tuning fork type crystal resonator is increased.

音叉型水晶振動子の周波数fは音叉の腕幅W音叉の腕の
長さをLとするとfooW/L2によって与えられる。
The frequency f of the tuning fork type crystal resonator is given by fooW/L2, where W is the arm width of the tuning fork and L is the arm length of the tuning fork.

一般に振動子の周波数を上げるにはLを小さくすれば良
いから第5図、第6図かられかるように電界密度が高く
なり歪みがさらに大きく、水晶振動子の等価回路定数の
損失抵抗が小さくさらに優秀な水晶振動子を提供するこ
とができる。
Generally, in order to increase the frequency of the oscillator, it is sufficient to reduce L, so as shown in Figures 5 and 6, the electric field density increases, the distortion becomes even larger, and the loss resistance of the equivalent circuit constant of the crystal oscillator becomes smaller. We can provide even better crystal oscillators.

この場合音叉型水晶振動の周波数安定性等から考慮して
使用される周波数は30KHz〜800KHzが限界で
ある。
In this case, the frequency that can be used is limited to 30 KHz to 800 KHz, taking into consideration the frequency stability of the tuning fork type crystal vibration.

第7図は本発明の他の電極配置の具体例を示す。FIG. 7 shows a specific example of another electrode arrangement of the present invention.

第7図においで13aは水晶振動子、13.14は電極
を示し、第6図では音叉腕の両側で駆動をするが第7図
では音叉腕の片側でのみ1駆動をする。
In FIG. 7, 13a indicates a crystal resonator, and 13.14 indicates electrodes. In FIG. 6, both sides of the tuning fork arm are driven, but in FIG. 7, one drive is performed only on one side of the tuning fork arm.

駆動、励振原理は第6図で述べたものと同じである。The driving and excitation principles are the same as those described in FIG.

(第7図では裏電極は図示していない)、尚、これまで
の説明はすべて音叉型水晶振動子によってなされたが、
本発明は両端自由型振動子あるいはその他の屈曲圧電振
動子に適用できることは言うまでもない。
(The back electrode is not shown in Fig. 7).Although all the explanations so far have been made using a tuning fork type crystal resonator,
It goes without saying that the present invention can be applied to both-end free type vibrators or other bending piezoelectric vibrators.

以上のように本発明は従来の+5°XカツトとNTカッ
ト両者の長所を併せもつものである。
As described above, the present invention combines the advantages of both the conventional +5°X cut and the NT cut.

更に本発明では振動子側面に励振用電極を必要としない
ため振動子製法にフォトエツチング技術を採り入れるこ
とができ大量生産向きであり振動子形状を小型、薄型に
できるため腕時計用水晶振動子としての使用が大いに期
待できる。
Furthermore, since the present invention does not require an excitation electrode on the side of the vibrator, photo-etching technology can be incorporated into the vibrator manufacturing method, making it suitable for mass production.The vibrator shape can be made smaller and thinner, making it suitable for use as a crystal vibrator for wristwatches. It is highly expected to be used.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来の+5°Xカツト音叉型水晶振動子の概略
図であり、第2図は第1図の振動子の電極配置図である
。 第3図は従来のNTカット音叉型水晶振動子の概略図で
あり、第4図は第3図の振動子の電極配置図である。 第5図は本発明の水晶振動子のカット角の例を示す。 α′、γは水晶板の切り出し角を示す。 第6図は第5図の振動子の一重極配置図である。 第7図は本発明の水晶振動子の他の具体例である。 図の13.14は電極を示す。 1.4.10a、13a・・・・・・水晶振動子、11
゜12.13.14・・・・・・電極、α′、γ・・・
・・・水晶振動子の切り出し角度。
FIG. 1 is a schematic diagram of a conventional +5°X-cut tuning fork type crystal resonator, and FIG. 2 is an electrode layout diagram of the resonator of FIG. FIG. 3 is a schematic diagram of a conventional NT-cut tuning fork type crystal resonator, and FIG. 4 is an electrode arrangement diagram of the resonator of FIG. FIG. 5 shows an example of the cut angle of the crystal resonator of the present invention. α′ and γ indicate the cutting angle of the crystal plate. FIG. 6 is a single pole arrangement diagram of the vibrator shown in FIG. FIG. 7 shows another specific example of the crystal resonator of the present invention. 13.14 in the figure shows the electrodes. 1.4.10a, 13a...Crystal resonator, 11
゜12.13.14... Electrode, α', γ...
...The cutting angle of the crystal oscillator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 音叉型圧電振動子において、前記振動子はY板をX
軸を回転軸として00〜900回転させ、さらにY′軸
を回転軸として00〜800回転した角度で切断され、
前記振動子の音叉腕の長手方向はX′軸に平行に配置さ
れ、前記振動子の音叉腕の内側および外側の少なくとも
一方には、音叉腕長子方向に電界が印加されるような一
対の電極が音叉腕のそれぞれに配置され、かつ、圧電振
動子に屈曲振動を生じさせるように、前記二対の内側の
電極同士もしくは前記二対の外側の電極同士がほぼ同方
向の電界を与えることを特徴とする音叉型圧電振動子。
1 In a tuning fork type piezoelectric vibrator, the vibrator has a Y plate
It is cut at an angle of 00 to 900 rotations using the axis as the rotation axis, and further 00 to 800 rotations using the Y' axis as the rotation axis,
The longitudinal direction of the tuning fork arm of the vibrator is arranged parallel to the X' axis, and a pair of electrodes are provided on at least one of the inner and outer sides of the tuning fork arm of the vibrator so that an electric field is applied in the longitudinal direction of the tuning fork arm. are arranged on each of the tuning fork arms, and the two pairs of inner electrodes or the two pairs of outer electrodes apply an electric field in substantially the same direction so as to cause bending vibration in the piezoelectric vibrator. Features a tuning fork type piezoelectric vibrator.
JP51026285A 1976-03-11 1976-03-11 Tuning fork type piezoelectric vibrator Expired JPS5850049B2 (en)

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