JPS6251006B2 - - Google Patents
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- JPS6251006B2 JPS6251006B2 JP54018857A JP1885779A JPS6251006B2 JP S6251006 B2 JPS6251006 B2 JP S6251006B2 JP 54018857 A JP54018857 A JP 54018857A JP 1885779 A JP1885779 A JP 1885779A JP S6251006 B2 JPS6251006 B2 JP S6251006B2
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- JP
- Japan
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- electrode
- tuning fork
- excitation
- vibration
- harmonic
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Links
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- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 32
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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
-
- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
- G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
- G04F5/04—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using oscillators with electromechanical resonators producing electric oscillations or timing pulses
- G04F5/06—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using oscillators with electromechanical resonators producing electric oscillations or timing pulses using piezoelectric resonators
- G04F5/063—Constructional details
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は音叉型水晶振動子、特に結合音叉型水
晶振動子の電極構造に関する。
晶振動子の電極構造に関する。
結合音叉型水晶振動子とは、音叉型水晶振動子
に存在する2つの異なる振動モードを結合させる
ことにより、前記2つの振動モードのうち一方の
振動モードの共振周波数温度特性を改善、即ち、
温度変化による共振周波数変化を少なくしたもの
である。
に存在する2つの異なる振動モードを結合させる
ことにより、前記2つの振動モードのうち一方の
振動モードの共振周波数温度特性を改善、即ち、
温度変化による共振周波数変化を少なくしたもの
である。
結合させる2つの振動モードとしては、幾つか
あるが、本発明に係わる結合音叉型水晶振動子で
は、屈曲振動と捩り振動を用いる。この2つの振
動モードを結合させたとき、屈曲振動の共振周波
数温度特性が改善される。この振動子を電子時計
に用いることにより時間精度を大幅に向上させる
ことができる。屈曲振動と捩り振動の結合を用い
た結合音叉型水晶振動子については、特願昭53―
23903、特願昭53―149500に詳しく述べてある。
あるが、本発明に係わる結合音叉型水晶振動子で
は、屈曲振動と捩り振動を用いる。この2つの振
動モードを結合させたとき、屈曲振動の共振周波
数温度特性が改善される。この振動子を電子時計
に用いることにより時間精度を大幅に向上させる
ことができる。屈曲振動と捩り振動の結合を用い
た結合音叉型水晶振動子については、特願昭53―
23903、特願昭53―149500に詳しく述べてある。
屈曲振動として基本振動を用いる場合と、高調
波を用いる場合があるが、電子時計の時間精度向
上という点からは、高調波を用いる方が良い。
波を用いる場合があるが、電子時計の時間精度向
上という点からは、高調波を用いる方が良い。
これは、基本振動よりも高調波の方が振動のQ
値が高いため、共振周波数の経時変化が少いから
である。また、重力方向に対する音叉型水晶振動
子の向きにより、共振周波数が僅かにずれる(こ
れを以下、姿勢差と呼ぶ)が、基本振動よりも高
調波の方が、この量が少いからである。
値が高いため、共振周波数の経時変化が少いから
である。また、重力方向に対する音叉型水晶振動
子の向きにより、共振周波数が僅かにずれる(こ
れを以下、姿勢差と呼ぶ)が、基本振動よりも高
調波の方が、この量が少いからである。
高調波は、このような2つの利点を有するが、
共振周波数が高くなるため、高調波の中でも最低
次の高調波(以下、第一高調波と呼ぶ)を用いる
ことが多い。これは電子時計に結合音叉型水晶振
動子を用いるとき、消費エネルギーの大幅な増大
を避けるためである。
共振周波数が高くなるため、高調波の中でも最低
次の高調波(以下、第一高調波と呼ぶ)を用いる
ことが多い。これは電子時計に結合音叉型水晶振
動子を用いるとき、消費エネルギーの大幅な増大
を避けるためである。
第1図は、捩り振動と結合した屈曲振動の第一
高調波を励振するための電極構造の一具体例を示
す。斜線部1が電極である。この電極構造は屈曲
振動の基本振動を励振するのに用いられるものだ
が、第一高調波の励振も可能である。しかし、こ
の電極構造で第一高調波を励振すると、等価共振
抵抗が大きく、また容量比(静電容量に対する等
価直列容量の比)が小さくなつてしまうという欠
点がある。等価共振抵抗が大きいと、発振エネル
ギーが増大してしまう。また、容量比が小さい
と、発振周波数の調整幅が小さくなつてしまう。
これは電子時計に結合音叉型水晶振動子を用いる
とき大きな欠点である。
高調波を励振するための電極構造の一具体例を示
す。斜線部1が電極である。この電極構造は屈曲
振動の基本振動を励振するのに用いられるものだ
が、第一高調波の励振も可能である。しかし、こ
の電極構造で第一高調波を励振すると、等価共振
抵抗が大きく、また容量比(静電容量に対する等
価直列容量の比)が小さくなつてしまうという欠
点がある。等価共振抵抗が大きいと、発振エネル
ギーが増大してしまう。また、容量比が小さい
と、発振周波数の調整幅が小さくなつてしまう。
これは電子時計に結合音叉型水晶振動子を用いる
とき大きな欠点である。
本発明の目的はかかる欠点を除去することであ
る。
る。
この欠点が生ずる理由を述べる。そのために
は、結合音叉型水晶振動子のカツトアングル、音
叉腕内部の励振電界分布、音叉腕の変位分布、歪
み分布を知らねばならない。
は、結合音叉型水晶振動子のカツトアングル、音
叉腕内部の励振電界分布、音叉腕の変位分布、歪
み分布を知らねばならない。
第2図は、水晶原石からの切り出し角と切り出
す時の音叉腕の方向を示す。X軸、Y軸、Z軸
は、水晶原石の電気軸、機械軸、光軸である。X
軸まわりに角度ψとして、0゜〜−15゜回転した
板から音叉腕がY′方向を向くように振動子を切
り出す。
す時の音叉腕の方向を示す。X軸、Y軸、Z軸
は、水晶原石の電気軸、機械軸、光軸である。X
軸まわりに角度ψとして、0゜〜−15゜回転した
板から音叉腕がY′方向を向くように振動子を切
り出す。
第3図は、音叉腕の断面における励振電界を示
す。音叉腕断面の矢印2が電界である。
す。音叉腕断面の矢印2が電界である。
第4図は、音叉腕の屈曲振動の変位UXの分布
を示す。横軸は音叉腕の位置を示す。Oは支持プ
ラグの先端位置、Aは音叉腕先端、Bは叉部を表
わす。縦軸は変位を表わす。3は第一高調波、4
は基本振動の変位分布である。ここでは、捩り振
動成分は小さいので、屈曲振動成分のみを考え
る。
を示す。横軸は音叉腕の位置を示す。Oは支持プ
ラグの先端位置、Aは音叉腕先端、Bは叉部を表
わす。縦軸は変位を表わす。3は第一高調波、4
は基本振動の変位分布である。ここでは、捩り振
動成分は小さいので、屈曲振動成分のみを考え
る。
第5図は、音叉腕の屈曲振動の歪みSの分布を
示す。この歪みはY′方向の伸縮歪みでd2UX/dY
′2と中 立面からの距離との積に等しい。横軸は第4図の
場合と同じ。縦軸は歪みSである。5は第一高調
波の歪み分布、6は基本振動の歪み分布を表わ
す。
示す。この歪みはY′方向の伸縮歪みでd2UX/dY
′2と中 立面からの距離との積に等しい。横軸は第4図の
場合と同じ。縦軸は歪みSである。5は第一高調
波の歪み分布、6は基本振動の歪み分布を表わ
す。
この歪みSは、外部から加えた電界のX方向成
分をEXとすると、圧電気歪常数を用いて、 S〓−d11EX ………(1) と表わせる。ここで、−d11は正である。この式か
ら第3図の右音叉腕の右半分ではS<0(縮
み)、左半分ではS>0(伸び)、左音叉腕の右半
分ではS>0(伸び)、左半分ではS<0(縮
み)となり、屈曲振動が生ずる。
分をEXとすると、圧電気歪常数を用いて、 S〓−d11EX ………(1) と表わせる。ここで、−d11は正である。この式か
ら第3図の右音叉腕の右半分ではS<0(縮
み)、左半分ではS>0(伸び)、左音叉腕の右半
分ではS>0(伸び)、左半分ではS<0(縮
み)となり、屈曲振動が生ずる。
第5図で基本振動の変位分布は振動部分のほと
んど全ての場所で同符号となるため、第1図の如
き電極で基本振動を励振できるわけである。なぜ
なら、例えば、第1図の右音叉腕の右半分に加わ
る電界のx方向成分は音叉腕先端から叉部まで同
方向だから、歪みの符号も同符号となるからであ
る。
んど全ての場所で同符号となるため、第1図の如
き電極で基本振動を励振できるわけである。なぜ
なら、例えば、第1図の右音叉腕の右半分に加わ
る電界のx方向成分は音叉腕先端から叉部まで同
方向だから、歪みの符号も同符号となるからであ
る。
ところが、第1図の電極では第一高調波を若干
励振しにくい。これは、第5図の第一高調波の歪
み分布が、音叉腕の途中で、その符号を変えてし
まうからである。従つて、第1図の如き歪みの符
号が先端から叉部まで同符号になる電極では、や
や、励振しにくく、その結果、外部から加えた電
界が有効に励振に使われないため、等価共振抵抗
が大きくなつてしまうのである。
励振しにくい。これは、第5図の第一高調波の歪
み分布が、音叉腕の途中で、その符号を変えてし
まうからである。従つて、第1図の如き歪みの符
号が先端から叉部まで同符号になる電極では、や
や、励振しにくく、その結果、外部から加えた電
界が有効に励振に使われないため、等価共振抵抗
が大きくなつてしまうのである。
次に第1図の如き電極に生ずる電荷を考える。
音叉腕の側面に生ずるX方向の分極は、 Px〓d11S ………(2) で与えられる。音叉腕の側面に生ずる電荷は、分
極ベクトルと面法線ベクトルの内積で表されるか
ら、例えば第3図の場合、右音叉腕の右半分では
負電荷、左半分では負電荷、左音叉腕の右半分で
は正電荷、左半分では正電荷が生じる。基本振動
の歪み分布6は、振動部分のほとんど全ての部分
で同符号だから、第1図の如き電極ならば、電極
に電荷が有効に生じる。電極に生じる電荷量が多
い程、容量比は大きくなるので、基本振動の励振
電極は、第1図の如きものでよい。
音叉腕の側面に生ずるX方向の分極は、 Px〓d11S ………(2) で与えられる。音叉腕の側面に生ずる電荷は、分
極ベクトルと面法線ベクトルの内積で表されるか
ら、例えば第3図の場合、右音叉腕の右半分では
負電荷、左半分では負電荷、左音叉腕の右半分で
は正電荷、左半分では正電荷が生じる。基本振動
の歪み分布6は、振動部分のほとんど全ての部分
で同符号だから、第1図の如き電極ならば、電極
に電荷が有効に生じる。電極に生じる電荷量が多
い程、容量比は大きくなるので、基本振動の励振
電極は、第1図の如きものでよい。
ところが、第一高調波の歪み分布は、音叉腕の
途中で符号を変えてしまう。従つて、その符号を
変える部分を境として、生じる電荷の符号が逆に
なり、第1図の如き電極では生じる電荷が打ち消
し合つてしまう。その結果、電極に生じる電荷量
が減少し、容量比が減少する。
途中で符号を変えてしまう。従つて、その符号を
変える部分を境として、生じる電荷の符号が逆に
なり、第1図の如き電極では生じる電荷が打ち消
し合つてしまう。その結果、電極に生じる電荷量
が減少し、容量比が減少する。
本発明の目的は、屈曲振動の第一高調波と捩り
振動を用いた結合音叉型水晶振動子に於いて、小
さな等価共振抵抗と大きな容量比が得られる電極
構造を形成することである。
振動を用いた結合音叉型水晶振動子に於いて、小
さな等価共振抵抗と大きな容量比が得られる電極
構造を形成することである。
第6図は、本発明になる電極構造の1具体例で
ある。第6図aが表面の電極配置図であり、第6
図bが裏面の電極配置図である。励振電極は中央
電極7a,7b,7c,7d,8a,8b,8
c,8dと、叉の両端周辺部に配置される周辺電
極7e,7f,7g,7h,8e,8f,8g,
8hと、周辺電極に連続接続される側面電極9
a,9b,9C,9dとからなる。各電極は中央
電極7aが8aと、7bが8bと、7cが8c
と、9aが9cと対向する関係にある。10は第
1の励振電極部を示し、11は第2の励振電極部
を示す。第1の励振電極と第2の励振電極の間に
は電気的絶縁を保つための間隙が設けられ、そこ
に第1の励振電極部の中央電極と第2の励振電極
部の周辺電極を接続する第1接続電極11b,1
1d,11e,11f,11g,11h、及び第
2の励振電極部の中央電極と第1の励振電極の周
辺電極を接続する第2接続電極11a,11cを
設けてある。第6図の如き電極を用いると、第1
励振電極部10と第2励振電極部11の部分に加
わる電界の方向が逆になるため、生ずる歪みの符
号も逆になる。従つて、この電極で第一高調波を
励振すると、外部電界が効率的に使われるため等
価共振抵抗が小さくなる。
ある。第6図aが表面の電極配置図であり、第6
図bが裏面の電極配置図である。励振電極は中央
電極7a,7b,7c,7d,8a,8b,8
c,8dと、叉の両端周辺部に配置される周辺電
極7e,7f,7g,7h,8e,8f,8g,
8hと、周辺電極に連続接続される側面電極9
a,9b,9C,9dとからなる。各電極は中央
電極7aが8aと、7bが8bと、7cが8c
と、9aが9cと対向する関係にある。10は第
1の励振電極部を示し、11は第2の励振電極部
を示す。第1の励振電極と第2の励振電極の間に
は電気的絶縁を保つための間隙が設けられ、そこ
に第1の励振電極部の中央電極と第2の励振電極
部の周辺電極を接続する第1接続電極11b,1
1d,11e,11f,11g,11h、及び第
2の励振電極部の中央電極と第1の励振電極の周
辺電極を接続する第2接続電極11a,11cを
設けてある。第6図の如き電極を用いると、第1
励振電極部10と第2励振電極部11の部分に加
わる電界の方向が逆になるため、生ずる歪みの符
号も逆になる。従つて、この電極で第一高調波を
励振すると、外部電界が効率的に使われるため等
価共振抵抗が小さくなる。
また、第1励振電極部10と第2励振電極部1
1に生ずる電荷の符号は逆になるが、10の部分
と11の部分の境界で、サイド電極が切れている
ため、生じた電荷が打ち消し合わない。
1に生ずる電荷の符号は逆になるが、10の部分
と11の部分の境界で、サイド電極が切れている
ため、生じた電荷が打ち消し合わない。
その結果容量比が大きくなる。
第6図の如き電極を屈曲振動第一高調波と捩り
振動の結合を用いた結合音叉型水晶振動子に適用
すると等価共振抵抗が低く、容量比が大きくな
る。第1図の如き電極で励振した場合と比較し、
等価共振抵抗は1/2程度に、容量比は5倍程度に
なり、大幅に改善できる。
振動の結合を用いた結合音叉型水晶振動子に適用
すると等価共振抵抗が低く、容量比が大きくな
る。第1図の如き電極で励振した場合と比較し、
等価共振抵抗は1/2程度に、容量比は5倍程度に
なり、大幅に改善できる。
また、屈曲振動の第二高調波以上の高次振動を
効率よく励振するための電極構造も、第一高調波
の場合と全く同じ考え方で形成できる。即ち、第
n次高調波は、音叉腕の途中でn回電極を分割す
ればよい。分割する位置は歪みの符号の変わると
ころである。この電極で第n次高調波を効率よく
励振できる。あるいは、n次高調波を励振すると
き、nより少ない電極分割でもよい。これは、効
率的に励振するための使われる電界成分の量が、
励振に使われない電界成分の量より大きければよ
いからである。例えば、第n次高調波を1回の電
極分割で効率的に励振することもできるのであ
る。
効率よく励振するための電極構造も、第一高調波
の場合と全く同じ考え方で形成できる。即ち、第
n次高調波は、音叉腕の途中でn回電極を分割す
ればよい。分割する位置は歪みの符号の変わると
ころである。この電極で第n次高調波を効率よく
励振できる。あるいは、n次高調波を励振すると
き、nより少ない電極分割でもよい。これは、効
率的に励振するための使われる電界成分の量が、
励振に使われない電界成分の量より大きければよ
いからである。例えば、第n次高調波を1回の電
極分割で効率的に励振することもできるのであ
る。
また、本発明になる電極はフオトリソグラフイ
ー技術を用いて容易に形成することができる。
ー技術を用いて容易に形成することができる。
一方、主振動(良好な共振周波数温度特性を有
し、発振する振動)として捩り振動の高調波を用
いる場合も、歪みの符号の変わるところで電極を
分割すれば、効率よく励振できる。
し、発振する振動)として捩り振動の高調波を用
いる場合も、歪みの符号の変わるところで電極を
分割すれば、効率よく励振できる。
以上、本発明になる電極を施した結合音叉型水
晶振動子を電子時計に用いると、等価共振抵抗が
低下したことにより消費エネルギーが減少し、容
量比が大きいことにより、充分に周波数の調整が
できるようになる。この電極を施した結合音叉型
水晶振動子により高精度、長寿命の電子時計が実
現できる。又本発明の構成では第1励振電極部と
第2励振電極部の間の接続を、一方の励振電極部
の中央電極と他方の励振電極部の周辺電極を接続
する接続電極により行なつており、細い接続電極
が水晶振動子のエツヂを横切らないので、確実な
接続が維持でき、更にエツチング加工による製造
を可能にした。
晶振動子を電子時計に用いると、等価共振抵抗が
低下したことにより消費エネルギーが減少し、容
量比が大きいことにより、充分に周波数の調整が
できるようになる。この電極を施した結合音叉型
水晶振動子により高精度、長寿命の電子時計が実
現できる。又本発明の構成では第1励振電極部と
第2励振電極部の間の接続を、一方の励振電極部
の中央電極と他方の励振電極部の周辺電極を接続
する接続電極により行なつており、細い接続電極
が水晶振動子のエツヂを横切らないので、確実な
接続が維持でき、更にエツチング加工による製造
を可能にした。
また、本発明になる電極は、結合音叉型水晶振
動子のみならず、屈曲振動第n高調波のみを用い
た音叉型水晶振動子に対しても有効であることは
いうまでもない。
動子のみならず、屈曲振動第n高調波のみを用い
た音叉型水晶振動子に対しても有効であることは
いうまでもない。
第1図は、捩り振動と結合した屈曲振動の第一
高調波を励振するための電極構造の一具体例。第
2図は、水晶原石からの切り出し角と切り出す時
の音叉腕の方向を示す。第3図は、音叉腕の断面
における励振電界を示す。第4図は、音叉腕の屈
曲振動の変位分布を示す。第5図は、音叉腕の屈
曲振動の歪み分布を示す。第6図は、本発明にな
る電極構造の一具体例を示す。 1……電極、2……電界、3……第一高調波の
変位分布、4……基本振動の変位分布、5……第
一高調波の歪み分布、6……基本振動の歪み分
布、7……音叉面上の電極、8……他の音叉面上
の電界、9……サイド電極、10……音叉上半
分、11……音叉下半分。
高調波を励振するための電極構造の一具体例。第
2図は、水晶原石からの切り出し角と切り出す時
の音叉腕の方向を示す。第3図は、音叉腕の断面
における励振電界を示す。第4図は、音叉腕の屈
曲振動の変位分布を示す。第5図は、音叉腕の屈
曲振動の歪み分布を示す。第6図は、本発明にな
る電極構造の一具体例を示す。 1……電極、2……電界、3……第一高調波の
変位分布、4……基本振動の変位分布、5……第
一高調波の歪み分布、6……基本振動の歪み分
布、7……音叉面上の電極、8……他の音叉面上
の電界、9……サイド電極、10……音叉上半
分、11……音叉下半分。
Claims (1)
- 1 高次振動モードにて振動する音叉型水晶振動
子において、前記音叉型水晶振動子の叉の長手方
向に沿つて配置され互いにX方向成分を逆位相に
せしめる第1の励振電極部10と第2の励振電極
部11とを備え、前記第1と第2の励振電極部は
各々前記叉の主面に配置される中央電極と、叉の
側面に配置される側面電極と、前記側面電極に連
続接続して前記主面周辺に沿つて配置される周辺
電極とからなり、前記周辺電極及び側面電極と前
記中央電極との間に電圧を印加してなるととも
に、前記第1と前記第2の励振電極部の間に各々
を分離するための間隙部を配置し、その主面に設
けられた前記間隙部に一方の励振電極部の中央電
極と他方の励振電極部の周辺電極を接続する接続
電極を配置してな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 |
---|---|---|---|
JP1885779A JPS55112017A (en) | 1979-02-20 | 1979-02-20 | Electrode of tuning fork type crystal oscillator |
FR8002702A FR2449916A1 (fr) | 1979-02-20 | 1980-02-07 | Electrode pour resonateur a quartz du type diapason |
DE3006040A DE3006040C2 (de) | 1979-02-20 | 1980-02-18 | Elektrodenanordnung für Stimmgabelquarzkristallschwinger |
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