JPS6117171B2 - - Google Patents
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- JPS6117171B2 JPS6117171B2 JP52031422A JP3142277A JPS6117171B2 JP S6117171 B2 JPS6117171 B2 JP S6117171B2 JP 52031422 A JP52031422 A JP 52031422A JP 3142277 A JP3142277 A JP 3142277A JP S6117171 B2 JPS6117171 B2 JP S6117171B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tuning fork
- electrodes
- crystal resonator
- electrode
- type crystal
- Prior art date
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- Expired
Links
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/21—Crystal tuning forks
- H03H9/215—Crystal tuning forks consisting of quartz
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
Landscapes
- 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)
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は薄い音叉型水晶振動子の電極構成と切
り出し角度に関する。
り出し角度に関する。
本発明の目的は音叉型水晶振動子の先端振幅を
改善することにより長期信頼性のある高性能音叉
型水晶振動子を提供するものである。
改善することにより長期信頼性のある高性能音叉
型水晶振動子を提供するものである。
近年、時計用水晶振動子、殊に音叉型屈曲水晶
振動子の開発が急速に進められ、現在完全に実用
期を迎えている。これによつて腕時計の時間精度
は飛躍的に向上した。音叉型屈曲水晶振動子は低
い共振周波数を提供することができ、しかも小型
化できるという特徴を有するため腕時計用に用い
られている。音叉型水晶振動子を形成する方法は
現在では機械加工による方法とICの技術を導入
したエツチングの方法が採用されている。機械加
工による音叉型水晶振動子は音叉加工精度が悪い
ため周波数調整量が多く、しかも周波数調整は手
作業で音叉の先端を削りとるため作業工率が悪く
ロウコスト化のネツクとなつていた。更に機械加
工による音叉型水晶振動子は音叉腕を励振させる
ために電極を形成しなければならないが、電極形
成が難しい等の欠点を有していた。しかし、最近
ICの技術を導入したフオトエツチングによつて
電極形成と音叉型水晶振動子を一度に形成する方
法が採用され、ロウコスト化が可能になつた。し
かし、これらの音叉型水晶振動子はエツチングに
よつて音叉形状を作るため薄い水晶板を必要とす
る。通常、50μ〜100μの厚みのものが使用され
る。このタイプの音叉型水晶振動子は従来のもの
と比較して、非常に薄いため、殊に音叉腕の先端
幅の大きさが長期信頼性に大きく影響してくる。
本発明は音叉型水晶振動子の音叉腕の先端振幅を
制御することによつて長期信頼性のある音叉型水
晶振動子を提供するものである。
振動子の開発が急速に進められ、現在完全に実用
期を迎えている。これによつて腕時計の時間精度
は飛躍的に向上した。音叉型屈曲水晶振動子は低
い共振周波数を提供することができ、しかも小型
化できるという特徴を有するため腕時計用に用い
られている。音叉型水晶振動子を形成する方法は
現在では機械加工による方法とICの技術を導入
したエツチングの方法が採用されている。機械加
工による音叉型水晶振動子は音叉加工精度が悪い
ため周波数調整量が多く、しかも周波数調整は手
作業で音叉の先端を削りとるため作業工率が悪く
ロウコスト化のネツクとなつていた。更に機械加
工による音叉型水晶振動子は音叉腕を励振させる
ために電極を形成しなければならないが、電極形
成が難しい等の欠点を有していた。しかし、最近
ICの技術を導入したフオトエツチングによつて
電極形成と音叉型水晶振動子を一度に形成する方
法が採用され、ロウコスト化が可能になつた。し
かし、これらの音叉型水晶振動子はエツチングに
よつて音叉形状を作るため薄い水晶板を必要とす
る。通常、50μ〜100μの厚みのものが使用され
る。このタイプの音叉型水晶振動子は従来のもの
と比較して、非常に薄いため、殊に音叉腕の先端
幅の大きさが長期信頼性に大きく影響してくる。
本発明は音叉型水晶振動子の音叉腕の先端振幅を
制御することによつて長期信頼性のある音叉型水
晶振動子を提供するものである。
第1図は従来の音叉型水晶振動子の切り出し角
度とその電極形状を示す。1は水晶、2は一方の
励振用電極、3は他の一方の励振用電極である。
X、Y、Z軸は各々水晶の電気軸、機械軸、光軸
を示し、X軸を回転軸としてα度回転したときY
軸、Z軸の作る新軸をY′、Z′軸とする。通常αは
0゜〜10゜の範囲に選ばれる。第2図は第1図の
音叉型水晶振動子の電極構成図を示し、音叉腕の
電極は各々3分割されている。今、仮に端子4,
5に正負の電圧を印加したとすれば、電界は第2
図において電極2から電極3に働く。この場合、
音叉腕の中心を境として左側半分と右側半分では
電界方向が逆になるため、今、仮に左側半分が伸
びる歪を生じれば、右側半分は縮みの歪を生じる
ため屈曲を起こすことができる。端子4,5に交
番電圧を印加すれば容易に屈曲振動を持続するこ
とができる。第2図からわかるように、従来の音
叉型水晶振動子は音叉腕の全面に励振用電極を設
けるため音叉腕の歪量が大変大きい。このためC
−MOSICを使つた時計用発振回路(電源電圧
1.57V)で励振させると音叉腕の先端振幅が約20
μと大変に大きい。(実験によれば音叉型水晶振
動子の音叉腕の長さを約3.0mm、音叉腕幅約3.0
mm、厚み約0.05mm、α=0としたとき音叉腕の先
端振幅は電源電圧1.57VのC−MOS発振回路で駆
動したとき約15μ〜20μであつた)又このタイプ
の音叉型水晶振動子は非常に薄いため音叉腕の先
端振幅を大きくしすぎると、疲労現象、あるいは
非線形現象を生じるためエージング特性に悪い影
響を与える。第3図は従来の電極構成によるエー
ジング特性を示し、△/は周波数の変化量を
縦軸に、横軸には日数をとる。従来のものは最初
は大変安定したエージング特性を示すが、ある日
突然に周波数の変化を起こし、そのまま安定状態
を続けるものと、ある日突然周波数の遅れを示し
発振停止を起こすものがある。以上述べたように
本発明は前記の欠点を除去したものであり、殊に
音叉型水晶振動子の音叉腕の先端振幅を小さくす
ることによつて解決を与えるものである。
度とその電極形状を示す。1は水晶、2は一方の
励振用電極、3は他の一方の励振用電極である。
X、Y、Z軸は各々水晶の電気軸、機械軸、光軸
を示し、X軸を回転軸としてα度回転したときY
軸、Z軸の作る新軸をY′、Z′軸とする。通常αは
0゜〜10゜の範囲に選ばれる。第2図は第1図の
音叉型水晶振動子の電極構成図を示し、音叉腕の
電極は各々3分割されている。今、仮に端子4,
5に正負の電圧を印加したとすれば、電界は第2
図において電極2から電極3に働く。この場合、
音叉腕の中心を境として左側半分と右側半分では
電界方向が逆になるため、今、仮に左側半分が伸
びる歪を生じれば、右側半分は縮みの歪を生じる
ため屈曲を起こすことができる。端子4,5に交
番電圧を印加すれば容易に屈曲振動を持続するこ
とができる。第2図からわかるように、従来の音
叉型水晶振動子は音叉腕の全面に励振用電極を設
けるため音叉腕の歪量が大変大きい。このためC
−MOSICを使つた時計用発振回路(電源電圧
1.57V)で励振させると音叉腕の先端振幅が約20
μと大変に大きい。(実験によれば音叉型水晶振
動子の音叉腕の長さを約3.0mm、音叉腕幅約3.0
mm、厚み約0.05mm、α=0としたとき音叉腕の先
端振幅は電源電圧1.57VのC−MOS発振回路で駆
動したとき約15μ〜20μであつた)又このタイプ
の音叉型水晶振動子は非常に薄いため音叉腕の先
端振幅を大きくしすぎると、疲労現象、あるいは
非線形現象を生じるためエージング特性に悪い影
響を与える。第3図は従来の電極構成によるエー
ジング特性を示し、△/は周波数の変化量を
縦軸に、横軸には日数をとる。従来のものは最初
は大変安定したエージング特性を示すが、ある日
突然に周波数の変化を起こし、そのまま安定状態
を続けるものと、ある日突然周波数の遅れを示し
発振停止を起こすものがある。以上述べたように
本発明は前記の欠点を除去したものであり、殊に
音叉型水晶振動子の音叉腕の先端振幅を小さくす
ることによつて解決を与えるものである。
第4図は本発明の音叉型水晶振動子の切り出し
方法と音叉型水晶振動子の電極構成図を示し、1
aは音叉型水晶で音叉腕には各々4つの電極が形
成されている。電極6と電極9は同極、電極7と
電極8は同極である。つまり電極7と電極8は同
極としながらも分割溝14によつて分離されてい
る。又電極10,13は電極7,8と同極で、電
極11,12は電極6,9と同極であり、電極1
1と12は相隣れて同極でありながら分割溝によ
つて分離されている。裏面電極も全く同様に形成
されている。(第5図参照) 第5図は第4図の電極構成図を示している。
今、仮に端子16,17に正負の電圧を印加すれ
ば前記した原理に従つて屈曲振動を生じさせるこ
とができる。即ち、今一方の音叉腕を考えると音
叉腕の電極7から電極6へと電界は働き、電極8
から電極9へと電界は働く。他の一方の音叉腕も
全く同様である。本発明では電極7と電極8の間
には分割溝を設け全く電界が働かないように設計
されているので音叉腕の中心部付近には全く歪が
生じない。本発明では音叉腕の外側付近にのみ歪
を生じさせ励振を行なうことにより音叉腕の先端
振幅を小さくすることができる。又音叉型水晶振
動子の動インピーダンスは音叉腕の外側付近の歪
によつて決定されるため、動インピーダンスを劣
化させることなく音叉腕の先端振幅を小さくする
ことができる。本発明では音叉腕の先端振幅は5
μ〜10μにしている。
方法と音叉型水晶振動子の電極構成図を示し、1
aは音叉型水晶で音叉腕には各々4つの電極が形
成されている。電極6と電極9は同極、電極7と
電極8は同極である。つまり電極7と電極8は同
極としながらも分割溝14によつて分離されてい
る。又電極10,13は電極7,8と同極で、電
極11,12は電極6,9と同極であり、電極1
1と12は相隣れて同極でありながら分割溝によ
つて分離されている。裏面電極も全く同様に形成
されている。(第5図参照) 第5図は第4図の電極構成図を示している。
今、仮に端子16,17に正負の電圧を印加すれ
ば前記した原理に従つて屈曲振動を生じさせるこ
とができる。即ち、今一方の音叉腕を考えると音
叉腕の電極7から電極6へと電界は働き、電極8
から電極9へと電界は働く。他の一方の音叉腕も
全く同様である。本発明では電極7と電極8の間
には分割溝を設け全く電界が働かないように設計
されているので音叉腕の中心部付近には全く歪が
生じない。本発明では音叉腕の外側付近にのみ歪
を生じさせ励振を行なうことにより音叉腕の先端
振幅を小さくすることができる。又音叉型水晶振
動子の動インピーダンスは音叉腕の外側付近の歪
によつて決定されるため、動インピーダンスを劣
化させることなく音叉腕の先端振幅を小さくする
ことができる。本発明では音叉腕の先端振幅は5
μ〜10μにしている。
第6図は本発明の音叉型水晶振動子をC−
MOSICを使つた発振回路に於けるエージング特
性を示す。(電源電圧1.57V)本発明による音叉
型水晶振動子は長期に渡つて周波数シフトの少な
い安定したエージング特性を示している。
MOSICを使つた発振回路に於けるエージング特
性を示す。(電源電圧1.57V)本発明による音叉
型水晶振動子は長期に渡つて周波数シフトの少な
い安定したエージング特性を示している。
第7図は本発明の音叉型水晶振動子の電極構成
の他の実施例を示し、(裏面も全く同じ)2端子
にしたときの電極構成図である。18は音叉型水
晶、19は一方の電極、20は他の一方の電極で
あり、励振原理は前記した方法と全く同じであ
る。
の他の実施例を示し、(裏面も全く同じ)2端子
にしたときの電極構成図である。18は音叉型水
晶、19は一方の電極、20は他の一方の電極で
あり、励振原理は前記した方法と全く同じであ
る。
第8図は更に他の実施例を示し、21は音叉型
水晶、22は一方の電極、23は他の一方の電極
である。第9図は本発明を説明するためのX板の
水晶6aに電極7aと電極8a(第10図参照)
を設けた水晶板の概観図を示している。第10図
は第9図の電極構成図を示し、lは水晶板のY軸
方向の長さ、tはX軸方向の厚みを示している。
今仮に電極7a,8aに正負の電圧Vを印加した
とすれば圧電気逆効果によつて水晶板6aはY軸
方向にδl伸び、X軸方向にδt縮む。即ち、δ
l、δtは次式によつて表現される。
水晶、22は一方の電極、23は他の一方の電極
である。第9図は本発明を説明するためのX板の
水晶6aに電極7aと電極8a(第10図参照)
を設けた水晶板の概観図を示している。第10図
は第9図の電極構成図を示し、lは水晶板のY軸
方向の長さ、tはX軸方向の厚みを示している。
今仮に電極7a,8aに正負の電圧Vを印加した
とすれば圧電気逆効果によつて水晶板6aはY軸
方向にδl伸び、X軸方向にδt縮む。即ち、δ
l、δtは次式によつて表現される。
δl=2.15×10-12Vl/t〔m〕 ……(1)
οt=26.15×10-12〔m〕 ……(2)
第11図は本発明を説明するための水晶板の概
観図を示し、Z板をX軸を回転軸としてβ度回転
している。この場合の電極構成図は第10図に示
したのと全く同じで、9aは水晶板、10aは電
極である。
観図を示し、Z板をX軸を回転軸としてβ度回転
している。この場合の電極構成図は第10図に示
したのと全く同じで、9aは水晶板、10aは電
極である。
第12図は第11図の電極構成図を示し、9a
は水晶板、10a,11aは電極である。
は水晶板、10a,11aは電極である。
今、仮に電極10a,11aに電圧Vを印加す
ると(1)、(2)式により、Y′軸方向の伸びはδl′、X
軸方向の縮みはδt′によつて表現すると、 δl′=2.15×10-12Vl/tCosβ〔m〕 ……(3) δt′=−2.15×10-12V〔m〕 ……(4) になる。即ち、(3)式によつて、水晶板の長手方向
はcosβに比例するからこのβの値を適当に選べ
ば一定の歪量に抑えることができる。即ち、音叉
型水晶振動子のX軸方向の電界によつてY′軸方
向の歪は(3)式によつて表現されるから、音叉腕の
X軸方向の電界を音叉腕の中心を境にして逆にす
れば伸び縮みを生じさせることができ屈曲を起こ
すことができる。本発明では前記した音叉寸法に
おいてβを10゜〜45゜にすることによつて音叉型
水晶振動子の音叉腕の先端振幅を10μ以下にする
ことができた。又、本発明の切り出し角度によつ
て0.3mm以下の水晶振動子でも安定したエージン
グ特性を得ることが可能になつた。
ると(1)、(2)式により、Y′軸方向の伸びはδl′、X
軸方向の縮みはδt′によつて表現すると、 δl′=2.15×10-12Vl/tCosβ〔m〕 ……(3) δt′=−2.15×10-12V〔m〕 ……(4) になる。即ち、(3)式によつて、水晶板の長手方向
はcosβに比例するからこのβの値を適当に選べ
ば一定の歪量に抑えることができる。即ち、音叉
型水晶振動子のX軸方向の電界によつてY′軸方
向の歪は(3)式によつて表現されるから、音叉腕の
X軸方向の電界を音叉腕の中心を境にして逆にす
れば伸び縮みを生じさせることができ屈曲を起こ
すことができる。本発明では前記した音叉寸法に
おいてβを10゜〜45゜にすることによつて音叉型
水晶振動子の音叉腕の先端振幅を10μ以下にする
ことができた。又、本発明の切り出し角度によつ
て0.3mm以下の水晶振動子でも安定したエージン
グ特性を得ることが可能になつた。
以上述べたように本発明の音叉型水晶振動子の
音叉腕の中央部には全く電界が印加されないよう
に電極を構成し、更に音叉型水晶振動子の切り出
し角度を従来のものより大きくすることによつて
Y′軸方向の歪量を小さくできるので、音叉腕の
先端振幅の小さい、長期安定した音叉型水晶振動
子を提供することができ、且つ、ICの技術を導
入した化学的エツチング加工によつて電極形成と
音叉加工を一度に行なうため、小型化が可能に成
り、更に、一度に多くの音叉型水晶振動子を形成
することができるので安価な音叉型水晶振動子を
提供することができるという効果を有する。
音叉腕の中央部には全く電界が印加されないよう
に電極を構成し、更に音叉型水晶振動子の切り出
し角度を従来のものより大きくすることによつて
Y′軸方向の歪量を小さくできるので、音叉腕の
先端振幅の小さい、長期安定した音叉型水晶振動
子を提供することができ、且つ、ICの技術を導
入した化学的エツチング加工によつて電極形成と
音叉加工を一度に行なうため、小型化が可能に成
り、更に、一度に多くの音叉型水晶振動子を形成
することができるので安価な音叉型水晶振動子を
提供することができるという効果を有する。
第1図は従来の音叉型水晶振動子の概観図を示
す。第2図は第1図の電極構成図である。第3図
は従来の音叉型水晶振動子のエージング特性であ
る。第4図は本発明の音叉型水晶振動子の概観図
を示し、第5図は第4図の電極構成図である。第
6図は本発明の音叉型水晶振動子のエージング特
性を示す。第7図、第8図は本発明の音叉型水晶
振動子の電極構成図の他の実施例である。第9図
は本発明を説明するためのZ板水晶振動子の概観
図を示し、第10図は第9図の電極構成図であ
る。第11図は本発明を説明するためのZ板をX
軸を回転軸としてβ度回転した板を示す。第12
図は第11図の電極構成図である。 1,1a,18,6a,9a……水晶、2,
3,6,7,8,9,10,11,12,13,
19,20,7a,8a,10a,11a……電
極、14,15……分極溝、4,5,16,17
……端子、X,Y,Z……結晶軸。
す。第2図は第1図の電極構成図である。第3図
は従来の音叉型水晶振動子のエージング特性であ
る。第4図は本発明の音叉型水晶振動子の概観図
を示し、第5図は第4図の電極構成図である。第
6図は本発明の音叉型水晶振動子のエージング特
性を示す。第7図、第8図は本発明の音叉型水晶
振動子の電極構成図の他の実施例である。第9図
は本発明を説明するためのZ板水晶振動子の概観
図を示し、第10図は第9図の電極構成図であ
る。第11図は本発明を説明するためのZ板をX
軸を回転軸としてβ度回転した板を示す。第12
図は第11図の電極構成図である。 1,1a,18,6a,9a……水晶、2,
3,6,7,8,9,10,11,12,13,
19,20,7a,8a,10a,11a……電
極、14,15……分極溝、4,5,16,17
……端子、X,Y,Z……結晶軸。
Claims (1)
- 1 音叉型水晶振動子の表裏面にのみ電極を有す
る薄い音叉型水晶振動子において、前記音叉型水
晶振動子の音叉腕の表裏面には各々4個の電極を
有し、一方の音叉腕の2電極と他方音叉腕の2電
極を短絡し、更に一方の音叉腕の残りの2電極と
他方音叉腕の残りの2電極を短絡し、両音叉腕励
振部の中心部付近には全く電界が印加されないよ
うに電極を構成し、且つ、音叉腕表裏面の各々4
個の電極は、Z′軸と垂直な同一平面上に形成され
ると同時に、前記音叉型水晶振動子はZ板をX軸
を回転軸として10゜〜45゜回転した角度で切り出
されていることを特徴とする音叉型水晶振動子。
Priority Applications (7)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP51126878A JPS5851687B2 (ja) | 1976-10-22 | 1976-10-22 | 音叉型水晶振動子 |
JP3142277A JPS53116797A (en) | 1976-10-22 | 1977-03-22 | Tuning fork crystal vibrator |
DE19772746154 DE2746154A1 (de) | 1976-10-22 | 1977-10-14 | Quarzschwinger |
FR7731501A FR2368801A1 (fr) | 1976-10-22 | 1977-10-19 | Vibrateur a cristal de quartz |
GB43718/77A GB1570834A (en) | 1976-10-22 | 1977-10-20 | Quartz crystal tuning fork vibrator |
CH1287977A CH628203B (fr) | 1976-10-22 | 1977-10-21 | Vibreur a diapason a cristal de quartz. |
US05/856,756 US4178527A (en) | 1976-10-22 | 1977-12-01 | Quartz crystal tuning fork vibrator with unexcited tine centers for reduced flexural amplitudes |
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP51126878A JPS5851687B2 (ja) | 1976-10-22 | 1976-10-22 | 音叉型水晶振動子 |
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