JPS6237565B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は無線工学、特にねじれ振動水晶共振
子に関するものである。

この発明は超小型水晶共振子の設計及び製造に
適用することができ、電子装置や民生用電子機器
に用い得る。

従来のねじれ振動水晶共振子は直方体状の水晶
棒から成り、水晶のＸ軸方向に長いものである。
水晶棒の側面には２組の励振用電極対が設けられ
ている。各電極対は水晶棒の対向する面に設けら
れた２個の電極から成つており、各対には同一極
性の電荷が与えられている。水晶棒は側面中心部
に取付られた４本の金属線支持架により支持され
ている（ソ連邦発明者証No.151389、C1.HO3H9／
20、並びに日本国特許昭43−22268を参照のこ
と）。

上記の共振子の欠点は寸法が大きいことと信頼
性が低いこととである。信頼性が低いのは外部の
機械的運動が生じた場合にパラメータの安定度が
悪いことによる。

また、上記共振子は例えばデイジタル腕時計な
どに使用可能なほどに超小型化することができな
い。これは共振子を小型化すると圧電片としての
電気的特性が大幅に変化するためである。信頼性
が低いことの一因は寸法が不適当であることや水
晶棒の結晶方向が不適当であることにもある。

この発明の第１の目的は、信頼性を改善し小型
で微小電子装置に適するねじれ振動水晶共振子を
得ることである。

上記目的を達成するためのねじれ振動水晶共振
子は、水晶棒が弾性的な金属製支持架により筐体
内に取付けられており水晶棒の方向は水晶のＸ軸
方向であり、水晶棒の側面には対向する面に設け
られた電極対から成る複数の励振電極対が設けら
れ各電極対には同一極性の電荷が与えられてお
り、この発明における特徴は、金属製支持架が水
晶棒の端面のねじれ振動を生じる軸上に取付けら
れており、各金属製支持架は励振用電極対の各々
に電気的に接続されていることである。

この発明による共振子の水晶棒の各端面には金
属コーテイングを施しても良い。その場合、金属
製支持架と励振用電極との間の接続は金属コーテ
イングによつて行なわれる。金属コーテイングさ
れた各端面は、一方の端面と励振用電極対のうち
の対向するものとが共通となる様に接続されてい
る。

水晶棒は直方体状であり、水晶棒の幅と長さと
の比は0.1〜0.3、厚さと幅との比は0.5〜1.0を基
本とする。

直方体状の水晶棒の対向面は水晶のＹ軸及びＺ
軸に対して±30゜〜60゜の角度でなくてはならな
い。

金属製支持架は、ねじれ振動波の金属製支持架
中での1/4波長の奇数倍の長さの、直線的なワイ
ヤ状のものである。

以下に図面を用いて本発明の実施例について詳
細に説明する。

第１図に示すのは長さＬの水晶棒１である。水
晶棒１は単結晶のもので、その断面形状は問わな
いが、例えば円形または矩形状などである。ただ
し、最も適切なのは、第２図に示す様に幅Ｗ・厚
さＴの直方体状ものである。

第１図には本来の座標系Ｘ，Ｙ，Ｚのほかに第
２の直交座標系を示してある。第２の座標系の
Z′軸は水晶棒の幅方向の軸、Y′軸は厚さ方向、
X′軸は長さ方向の軸であり、X′軸は水晶のＸ軸
と一致している。Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸は本来の水晶の
結晶方向を示している。

ねじれ振動を伝達する圧電素子としての従来の
水晶共振子では、圧電素子は通常は弾性的なワイ
ヤ状の支持架により筐体内に取付けられており、
支持架は水晶棒の４つの側面に各々設けられた金
属電極に固定されていて互いに非導通領域により
分離されている。その様な構造では圧電素子の周
囲に支持架を取付ける十分な空間が必要なことか
ら、大きな体積の筐体が必要となる。共振子の体
積を減少させるにはワイヤ状の金属製支持架を圧
電素子の端面に半田付けし、圧電素子の長さ方向
の軸と平行に筐体を延長すれば良い。

しかし、圧電素子の端面にワイヤ状支持架を半
田付けした場合、共振子の電気的特性に重大な影
響を与えることが実験的に知られている。特に重
要なのは温度−周波数特性の極値がずれてしまう
ことである（この点は周波数の温度係数が零とな
る点に関連しており、ねじれ振動共振子の温度−
周波数特性を示す放物線の頂点を意味してい
る）。この“ずれ”を補正するには水晶棒の側面
が水晶のＹ及びＺ軸に対してなす角度を変更し、
水晶棒が水晶の“電気的”Ｘ軸回りに回転する様
にすれば良い。あるいは水晶棒の厚さＴと幅Ｗと
の比を変更することにより補正を行なうことも可
能である。ただし、Ｔ／Ｗ比を変更すると水晶棒
の周波数係数Ｎ（水晶棒の発振周波数Ｆとその周
波数を得るための水晶棒の寸法との積）も変化す
る。この実施例では水晶棒の長さＬを用いてＮ＝
Ｆ・Ｌで表わすことになる。従つて水晶棒の厚さ
と長さとの比を変化させて温度−周波数特性の極
値のいずれを補正する場合、水晶棒の長さを変化
させねばならない。このことは超小型共振子を設
計する際には重要な問題である。

第１図に示す水晶棒１は本発明では角βが45゜
程度でありＸ軸回りに回転する。従つてＹ及びＺ
軸とY′及びZ′軸とは各々45゜をなす。水晶棒１の
Ｘ軸回りの回転の相対角は45゜でなくても良
い。実際には共振子に要求される電気的特性に応
じて±30゜〜±60゜の間に決めれば良い。

前述のように水晶棒１は直方体状である。水晶
棒の各辺の寸法の目安は次の通りである。

Ｗ／Ｌ比は0.1〜0.3 Ｔ／Ｗ比は0.5〜1.0 電気的特性についての前述の各要素は特に超小
型共振子の場合のものである。Ｗ／Ｌ比を0.1〜
0.3としたのは次の理由による。Ｗ／Ｌ比を0.1未
満にすれば共振子の寸法が大きくなり過ぎる。
Ｗ／Ｌ比を0.3以上にすれば、その電気的特性が
共振子の設計・製造上の要素によつて大きく左右
されてしまう。

Ｗ／Ｌ比を大きくした場合、水晶棒の結晶方向
を変える必要がある。それは水晶棒の寸法によつ
て温度−周波数特性の極値の位置が変化するため
である。本発明を適用した共振子では、水晶棒の
側面は水晶の軸に対して45゜の角をなしていると
は限らない。前述のようにこの角度は±30゜〜±
60゜の間である。しかし、この角度により周波数
の最小温度係数は厚さＴ／幅Ｗ比のある値に達せ
られる。Ｔ／Ｗ比を0.5〜1.0に選択したのは適当
な電気的特性（例えば周波数の温度係数やダイナ
ミツクインピーダンス）を考慮したためである。

第２図に示す水晶棒１には４つの側面に各々電
極２，３，４，５を設けてある。電極２，３，
４，５により水晶棒１には圧電効果による変形を
生じる。水晶棒１の各端面は金属コーテイング
６，７（電極としても用いる）が施されている。
電極６，７は水晶棒１の側面に設けられた電極
２，３，４，５を相互に接続すると共に共振子と
外部回路との接続部にもなつている。

電極２〜７はPVD（physical vapor
deposition）または他の方法により作られる。

対向する電極２と電極４とが電極６によつて接
続され、同様に電極３と電極５とが電極７によつ
て接続される。電極２，４，６は共通となり、同
３，５，７も共通になる。従つて、電極２，４，
６には同一極性の電荷（第２図では正）が、電極
３，５，７には逆の電荷（第２図では負）が印加
される。

この電荷による電界のため、水晶棒１には長さ
方向の“０”軸（第１図参照）回りのねじれ応力
を生じる。結晶断面はyx1／β_０で示される（た
だしβ_０は±30゜〜±60゜）。

ねじれ応力は水晶棒の中央断面に一致した節平
面の存在により明らかになる。水晶棒が振動して
いる場合、中央断面は静止しており、他の断面は
軸（ねじれ軸）に対して微小な角度（ねじれ角）
だけ周期的に振動している。一般に、ねじれ軸は
水晶棒の長さ方向の軸と平行であり水晶棒断面の
回転慣性モーメントの中心を通る。対称断面（例
えば、円、楕円、長方形など）を持つ水晶棒では
慣性モーメントの中心は断面の図形中心と一致す
る。第１図には水晶棒の本来の形状並びに応力下
の形状と、節平面Ｓ及びねじれ角とを示す。

印加する電荷の極性が水晶棒の固有振動数と同
じ周波数で逆転したとすると、水晶棒は水晶のＸ
軸と同じ軸の回りにねじれ振動共振を起こす。

水晶棒のねじれ振動の固有（共振）周波数は次
式で与えられる。

Ｆ＝Ｎ／Ｌ ただし、Ｌは水晶棒の長さ〔mm〕；Ｎは周波数
係数〔KHz・mm〕である。

周波数係数Ｎは断面形状及びＷ／Ｌ比による
が、1400〜1900〔KHz・mm〕である。この実施
例では厚さＴは常に最小とし、長さＬを常に最大
とし、幅Ｗはその中間の寸法としている。

本発明では第３図の金属製支持架８，９は、水
晶棒１の端面のうちねじれ振動の軸と見なされる
点に取付けられている。金属製支持架８，９は導
線としても用いられ、各々電極６，７と接続して
いる。金属製支持架８，９と水晶棒１とは半田付
けまたは熱圧着、あるいは他の方法により接続さ
れている。

金属製支持架８，９の他端は基台１２の端子１
０，１１に各々固定されている。端子１０，１１
により水晶棒１が基台１２に機械的に取付けられ
ている。端子１０，１１は電極２〜７と外部回路
とを接続する役目も果している。すなわち共振子
の外部端子ともなつている。

金属製支持架８，９は直線的なワイヤ状のもの
で、その長さはねじれ振動がワイヤを伝わる波長
の1/4の奇数倍である。

基台１２にはカバー１３を取付けて水晶棒１を
保護し共振子全体を機械的損傷から護ると共に外
部雰囲気の影響を受けない様にしている。端子１
０及び１１の間に直流電圧が印加されると電極
２，４には電極３，５に対して逆極性の電荷が与
えられる。これが水晶棒１のねじれ振動を引き起
こす（第１図）。

発振周波数262〔KHz〕を得るには本発明の方
法では従来のDTカツトの場合と比較して水晶子
の体積が1/3〜1/4で済む。本発明により水晶棒を
筐体内に収める方法を考慮すると、水晶棒自体の
体積と水晶棒の配置法とにより従来のDTカツト
のものと比較して1/10〜1/30の体積で済むことに
なる。本発明による共振子の電気的特性は従来の
ものと同等である。また、本発明による共振子は
従来のものと比較して丈夫で信頼性が高い。

寸法が小型であること、構造が丈夫であるこ
と、並びに電気的特性が優れていることから、本
発明による超小型のねじれ振動共振子はデイジタ
ル式腕時計など高精度の電気的時間基準として製
造するのに特に適している。

本発明による共振子をデイジタル式腕時計に用
いた場合、少なくとも２倍の精度が得られる。こ
の点は本発明による共振子が通常の曲げ振動共振
子に比較して特に優れている点である。

本発明による共振子が従来の曲げ振動共振子と
比較して設計容易である点も大きな特徴である。
このため、電子装置の製造に際しては安価であり
歩留まりが良いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる水晶棒のねじれ振動を
説明する斜視図、第２図は本発明による水晶棒の
電極を説明する斜視図、第３図は本発明によるね
じれ振動水晶共振子の断面図である。 １……水晶棒、２，３，４，５……励振用の電
極、６，７……電極（金属コーテイング）、８，
９……金属製支持架、１０，１１……端子、１２
……基台、１３……カバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ねじれ振動水晶共振子において、水晶棒１が
   弾性的な金属製支持架８，９により筐体１３内に
   固定されていると共に水晶のＸ軸方向に長く切出
   されており、前記水晶棒１の側面に励振用の電極
   ２，３，４，５が取付けられて対向する前記電極
   同志２，４及び３，５が対をなし同一極性の電荷
   が印加される場合に、前記金属製支持架８，９が
   前記水晶棒１に取付けられている位置が前記水晶
   棒１の端面であつてねじれ振動の軸上の点であ
   り、前記金属製支持架が前記電極２，３，４，５
   の各対に電気的に接続されていることを特徴とす
   るねじれ振動水晶共振子。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のねじれ振動水晶
   共振子において、前記水晶棒１の両端面に金属コ
   ーテイング６，７が施してあり、前記金属製支持
   架８，９と励振用の電極２，３，４，５との電気
   的接続が前記金属コーテイング６，７を介して行
   なわれており、前記金属コーテイング６，７は各
   端面において前記電極２，３，４，５の前記各対
   を形成すべく前記電極２，３，４，５に接続され
   ていることを特徴とするねじれ振動水晶共振子。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載のね
   じれ振動水晶共振子において、前記水晶棒１が直
   方体状であり、幅Ｗと長さＬとの比が0.1〜0.3、
   厚さＴと幅Ｗとの比が0.5〜1.0のねじれ振動水晶
   振動子。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項、または第３
   項記載のねじれ振動水晶共振子において、前記水
   晶棒１が直方体状であり、その側面が水晶のＹ軸
   及びＺ軸に対して±30゜〜±60゜の角を成すこと
   を特徴とするねじれ振動水晶共振子。 ５ 特許請求の範囲第１〜第４項記載のねじれ振
   動水晶共振子において、前記金属製支持架８，９
   が直線的なワイヤ状であり、その長さはねじれ振
   動が前記金属製支持架を伝搬する際の波長の４分
   の１の奇数倍であることを特徴とするねじれ振動
   水晶共振子。