JPS625369B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は結合タイプの音叉型振動子を用いた時
間標準信号発生回路に関する。

第１図は、従来の音叉型水晶振動子の斜視図と
音叉腕の振動方向を示す。１はある時刻における
音叉腕の振動方向、２は1/2周期後の音叉腕の振
動方向を示す。この振動子の共振周波数温度特性
は室温に頂点を有する温度についての２次曲線と
なる。その２次係数、即ち、２次温度係数は−35
×10^-9／℃^２である。この振動子は低周波である
ため消費電力が少く、電子腕時計に使われること
が多いが温度変化による共振周波数の変化が大き
いため、時間精度をある程度以上向上させること
が難しい。そこで、誘電体を用いたコンデンサー
やサーミスタ等の感温素子を使つて振動子の共振
周波数温度特性を補償することが行われてきた
が、振動子の特性と感温素子の特性をうまく一致
させることが難しいため、量産した場合、補償す
る前よりも精度が悪下するものもでてしまうとい
う欠点があつた。また、室温で共振周波数温度特
性の変化が非常に少ないATカツトの水晶振動子
が使われたが、共振周波数が高いため消費電力が
増大してしまい、電池寿命が短かくなるという欠
点があつた。

そこで、低周波で共振周波数の温度による変化
の少ない水晶振動子が必要となつてきたが、これ
は音叉型振動子の中に存在する２つの異なつた振
動モードを結合させることにより可能となる。以
下、この振動子を結合音叉型振動子と呼ぶ。特に
圧電体として水晶を用いた場合には結合音叉型水
晶振動子と呼ぶ。

この結合音叉型振動子の概要を結合音叉型水晶
振動子の一具体例を基に説明する。

第２図は水晶原石からの切り出し方を示す。
Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は電気軸、機械軸、光軸を示す。Ｘ
軸まわりに角度θ回転した板から音叉腕がY′軸
方向を向くように切り出す。この振動子に第１図
の振動子と同じ電極を付けて励振すると、第１図
の例と同じく屈曲振動が生じる。一方、音叉腕の
長さ方向の中心を軸とする捩り振動が生じる。以
下、屈曲振動の基本振動をF₀、捩り振動の基本
振動をT₀と略す。また、F₀の共振周波数をF₀f、
T₀の共振周波数をT₀fと略す。F₀fをT₀f近づける
と結合現象が生じる。

第３図は、カツトアングルθがθ_０のときの結
合領域のモードチヤートである。横軸は振動子の
厚み、縦軸は共振周波数である。周波数が厚みに
依存せず一定の線は純粋のF₀のF₀f、周波数が厚
みに対しほぼ線型に変化している線は純粋のT₀
のT₀fを示す。丸でかこんだ領域が結合の生じた
領域である。第２図のカツトアングルθをある値
θ_０とし、結合音叉型水晶振動子の厚みを変化さ
せるとT₀と結合したF₀の共振周波数温度特性が
変化する。実際に用いる厚みはt′よりも薄い厚み
を使う。

第４図は、結合したときの厚みに対するF₀fの
一次温度係数α、二次温度係数β、三次温度係数
γを示す。カツトアングルはθ_０である。横軸は
厚み、縦軸は一次、二次、三次温度係数α、β、
γを示し、各々のスケールは10^-6／℃^１、10^-3／
℃^２、10^-10／℃^３のオーダである。ここで、一
次、二次、三次温度係数α、β、γは、温度Ｔの
関数として共振周波数をｆ（Ｔ）と書いたときｆ
（Ｔ）を温度Ｔでテーラー展開した係数に相当す
る。即ち、 α≡f′（20）／ｆ（20）、 β≡f″（20）／（2f（20））、 γ≡ｆ（20）／（6f（20）） とおいたとき、 ｆ（Ｔ）〓ｆ（20）＋ｆ（20）α（Ｔ−20）＋ｆ（20）β（Ｔ−20）²＋ｆ（20）γ（Ｔ−20）³ と書ける。第４図から、一次、二次温度係数α、
βが零となる厚みt₀が存在するわけである。

従つて、このとき共振周波数温度特性は、温度
について三次関数となる。

第５図は、結合音叉型水晶振動子と従来の音叉
型水晶振動子の共振周波数温度特性を示す。横軸
は温度、縦軸はΔｆ／ｆ（≡（ｆ（Ｔ）−ｆ
（20）／ｆ（20））を示す。３は結合音叉型水晶振
動子の共振周波数温度特性、４は従来の音叉型水
晶振動子の共振周波数温度特性を示す。０℃〜40
℃の温度範囲での共振周波数変化は従来の音叉型
水晶振動子の1/10程度である。また、音叉型であ
ることから共振周波数は低周波で100KHz前後で
ある。

従つて、結合音叉型水晶振動子を電子腕時計に
用いれば、長寿命、高精度な腕時計を実現でき
る。

結合音叉型水晶振動子の共振周波数温度特性は
厚みに大きく依存するため、量産する時の加工精
度の限界からくるばらつきによつて共振周波数温
度特性もばらついてしまい、従来の音叉型水晶振
動子の共振周波数温度特性よりも悪化してしま
う。

本発明の目的は、加工精度からくる共振周波数
温度特性のばらつきが修正された結合音叉型水晶
振動子を提供することにある。

第６図は本発明になる結合音叉型水晶振動子の
一具体例の斜視図である。５は結合音叉型水晶振
動子本体、６は電極、７はプラグ、８は蒸着され
た銀である。蒸着された銀８の効果により結合音
叉型水晶振動子の共振周波数温度特性は第５図の
曲線３の如くなる。従来の音叉型水晶振動子で
は、音叉腕先端に銀を蒸着することが行われてき
たが、これは共振周波数調整のために行われたも
のである。

加工精度の限界によつて生ずるばらつきとして
は、カツトアングルθ、振動子の外形寸法のばら
つきがある。カツトアングルθが共振周波数温度
特性に与える影響は、カツトアングルのばらつき
を±３分以内に抑えれば実用上問題は少なく、こ
の程度のカツトアングル精度を出すことは可能で
ある。そこで、外形寸法のばらつきの影響である
が、結合音叉型水晶振動子の幅、長さ、音叉腕
長、音叉腕幅、厚みのばらつきのうち、厚みの影
響が最も大きい。

以下の議論では、幅、長さ、音叉腕長、音叉腕
幅のばらつきの影響は少ないので無視する。

次に、厚みのばらつきを修正する方法を述べ
る。

第４図から厚みt₀で最良の共振周波数温度特性
が得られる訳だが、加工後の厚みがt₀よりも厚
く、厚みt₀＋Δｔ（Δｔ≧０）になつて場合を考
える。このとき、第４図より、一次、二次温度係
数α、βは正となつてしまう。これを零とするこ
とが必要となる訳である。

第７図は、結合音叉型水晶振動子の基部の底辺
を０、音叉腕先端を１としたときのF₀のＸ軸方
向変位UxとT₀の捩れ角τを示す。横軸は、振動
子の長さ方向の位置で、0.2は支持棒の先端位
置、0.4は叉部の位置を示す。第７図よりF₀の変
位Uxは叉部付近に節を持つが、T₀の捩れ角τは
位置0.2〜１の範囲に１つも節をもたないことが
わかる。従つて叉部付近に錘りを付加すると、
F₀fはほとんど変化しないがT₀fは低下する。これ
は叉部でF₀の変位Uxは零だが、T₀の捩れ角τは
零でないからである。

第８図は叉部に錘りを付加する前と後に於ける
F₀f、T₀fのモードチヤート上での位置を示す。横
軸は厚みｔ、縦軸は共振周波数である。厚みがt₀
＋ΔｔのときF₀f、T₀fはそれぞれ点Ｃ、点Ｄにあ
るが、叉部に錘りを付加することによりT₀fを点
Ｂまで変化させるとF₀fは点Ａまで変化する。又
部に錘りを付加することにより、F₀f、T₀fを厚み
がほぼt₀の場合に一致し、F₀fの一次、二次温度
係数α、βはほぼ零とすることができる。従つ
て、厚みばらつきを修正するには、叉部に付加す
る錘りの質量を若干調整することにより可能であ
る。叉部に錘りを付加して、F₀fの共振周波数温
度特性を修正するには、第８図より最適厚みより
僅かに厚く作つておくことが必要である。

次に加工後の厚みがt₀よりも薄く、厚みt₀−Δ
t′（Δt′＞０）になつた場合を考える。第４図よ
り、F₀fの一次、二次温度係数α、βは負である
が、これを零とすることが必要となる。この場合
は、F₀fは変化させず、T₀fを上げることができれ
ば良いのだが、これは難しい。

そこで、音叉腕先端に錘りを付加したときの
F₀f、T₀fの低下量がF₀の方が大きいことを利用
する。第７図から音叉腕先端のF₀の変位Ux、T₀
の捩れ角τが零でないため、音叉腕先端に付加さ
れた錘りによりF₀f、T₀fが低下するのである。

音叉腕先端に錘りを付加していくと、ある質量
を付加したところで、F₀fの一次、二次温度係数
α、βがほぼ零となるところが存在し、厚みの修
正が可能である。

第９図は、音叉腕先端に錘りを付加する前と後
に於けるF₀f、T₀fのモードチヤート上での位置を
示す。横軸は厚み、縦軸は共振周波数である。９
はカツトアングルがθ_０のときのF₀f、T₀fを示
し、１０はカツトアングルがθ_０＋Δθのときの
F₀f、T₀fを示す。点Ｇ、点Ｈは錘りを付加する前
のF₀f、T₀fの位置、点Ｅ、点Ｆは錘りを付加した
後のF₀f、T₀fの位置を示す。音叉腕先端に錘りを
付加することにより点Ｈの周波数を点Ｆの周波数
に一致させると、点Ｇの周波数は点Ｅの周波数に
一致する。このときの点Ｅ、点Ｆはカツトアング
ルがθ_０＋Δθ、厚みがt₀′のときに相当し、ほ
ぼF₀fの一次、二次温度係数α、βは零となる。
即ち、一次、二次温度係数α、βが零になるの
は、カツトアングルθ_０、厚みt₀のときだけでな
く、カツトアングルθ_０＋Δθ、厚みt₀′のとき
もあることを利用するわけである。尚、第９図に
於ける。２つの曲線群９，１０の隔りが大きいの
は、わかりやすく強調したためである。厚み、ば
らつきを修正するには音叉腕先端に付加する質量
を若干調整することにより可能である。音叉腕先
端に錘りを付加して、F₀fの共振周波数温度特性
を修正するには、第９図より最適厚みt₀より僅か
に薄く作つておくことが必要である。

音叉腕先端に錘りを付加することと同じこと
が、音叉腕先端と節部以外の振動部分に錘りを付
加することでも可能であり、また数ケ所でもよ
い。このときは、カツトアングルθ_０＋Δθ′、
厚みt₀″に相当するところで、一次、二次温度係
数α、βが零となるわけである。

本発明の一具体例（第６図）はF₀とT₀の結合
を用いているが、F₀のかわりに、屈曲振動の第
一高調波を用いることもできる。屈曲振動の第一
高調波を以下F₁と略し、その共振周波数をF₁fと
略すことにする。F₀の代りにF₁を用いると発振
周波数が200KHz前後になるため、F₀を用いた場
合よりも消費電流が２倍ほど増加するが、次のよ
うな利点をもつためF₁が使われることもある。
１つはＱが高くなるためF₁fの経年変化が小さく
なること。２つ目は、発振周波数が高くなること
により、振動子に加わる重力方向によつて発振周
波数の変化する量が少なくなることである。

F₀の代りにF₁を用いたときも、ある適当なカ
ツトアングθ_１と厚みt₁において、F₁fの共振周
波数温度特性を第５図の曲線３の如く温度につい
ての三次関数にできる。

この場合も、F₀を用いたときと同じく、加工
精度の限界からF₁fの共振周波数温度特性がばら
ついてしまう。

このばらつきを修正する考え方はF₀を用いた
場合の考え方と同じである。

加工精度の限界から生じるばらつきのうちで、
F₁fの温度特性に与える影響のうち最も大きいの
は、厚みであり、これはF₀を用いた結合音叉型
水晶振動子の場合と同じである。

第１０図は、結合音叉型水晶振動子の基部の底
辺を０、音叉腕先端を１としたときのE₁のＸ軸
方向変位UxとT₀の捩れ角τを示す。横軸は、振
動子の長さ方向の位置で、0.2は支持棒の先端位
置、0.4は叉部の位置を示す。第１０図よりF₁の
変位Uxは、叉部と位置0.9付近に節をもつ。T₀の
捩れ角τは位置0.2〜１の範囲に１つも節をもた
ない。

従つて、最適厚みt₁よりも厚く加工したときは
叉部もしくは位置0.9付近の変位Uxの節部に錘り
を付加すれば、F₁fの一次、二次温度係数α、β
をほぼ零にできる。まだ２ケ所の節に錘りを付加
してもよい。

また、最適厚みt₁よりも薄く加工したときは、
変位Uxの節部以外の部分に１ケ所もしくは２ケ
所以上錘りを付加すればよい。

F₁の代りに第二高調波以上の高調波を用いた
場合の考え方もF₁のときの考え方と同じであ
る。ただし、第二高調波以上では、節が３ケ所以
上になり、その節のうちの１ケ所に錘りを付加す
る。もしくは、第一高調波以上の高調波について
成り立つことであるが、２ケ所以上の節部に錘り
を付加することでもよい。あるいは、節部以外の
数ケ所でもよい。

これまで述べて来た方法によりF₀f、F₁fの温度
特性を修正すると、F₀f、F₁fが指定の値からずれ
てしまう。従来の音叉型水晶振動子は指定の周波
数に調整されているため、電子腕時計に用いた場
合、フリツプフロツプ回路により分周するだけで
良かつた。本発明の如く、F₀f、F₁fの温特調整が
された結合音叉型水晶振動子を電子腕時計に用い
る場合はフリツプフロツプ回路で分周することは
できない。

第１１図は、本発明になる結合音叉型水晶振動
子を電子腕時計に用いた場合の回路ブロツクダイ
アグラムである。１１は本発明になる結合音叉型
水晶振動子、１２はコンデンサ、１３は相補型
MOSインバータ、１４は不揮発性メモリーを用
いたカウンタ、１５は時刻表示装置を示す。T₀
の共振抵抗は、F₀、F₁に比べ非常に大きいた
め、F₀、F₁を発振させることは容易で、T₀が発
振することは決してない。第２高調波以上でも同
様である。不揮発性メモリを用いたカウンタ１４
に結合音叉型水晶振動子１１を用いた発振回路の
発振周波数を記憶させ、発振周波数に等しい数の
パルスが入力されたとき、時刻表示装置１４に１
つのパルスを出力することにより、電子腕時計に
用いることができる。

本発明になる結合音叉型水晶振動子を電子腕時
計に用いることにより、高精度、長寿命を実現で
きる。

本発明の一具体例では、錘りとして、銀を蒸着
したが、他の金属でもよいことはもちろん、蒸着
でなくスパツタリングでもよい。錘りとなるもの
ならば、金属以外でもよいのである。また、あら
かじめ付加した錘りをレーザ等により、取り除い
てもよい。

また、本発明の一具体例では圧電体として水晶
を用いたが、他の圧電体を用いた音叉型振動子、
あるいは、金属を用いた音叉型振動子に対しても
有効である。

本発明の考え方は、他の振動モードを用いた結
合音叉型振動子に対しても適用できることはもち
ろんである。

以上述べた如く、屈曲振動と捩り振動基本振動
の結合を利用した音叉型振動子において、該音叉
型振動子に錘りを増減することにより、屈曲振動
の共振周波数温度特性が修正される。この音叉型
振動子を電子腕時計に用いることにより、高精
度、長寿命を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の音叉型水晶振動子の斜視図と
音叉腕の振動方向を示す。第２図は、本発明の一
具体例の水晶原石からの切り出し方を示す。第３
図は、屈曲振動基本振動と捩り振動基本振動が結
合したときのモードチヤートを示す。第４図は、
捩り振動基本振動と結合した屈曲振動基本振動の
一次、二次、三次温度係数の厚み依存性を示す。
第５図は、結合を用いた音叉型水晶振動子と従来
の音叉型水晶振動子の共振周波数温度特性を示
す。第６図は屈曲振動基本振動と捩り振動基本振
動の結合を用いた音叉型水晶振動子に共振周波数
温度特性のばらつきを修正するための錘りが付加
された音叉型水晶振動子。第７図は屈曲振動基本
振動のＸ軸方向変位Uxと捩り振動基本振動の捩
れ角τの音叉の長さ方向の分布を示す。第８図
は、屈曲振動基本振動と捩り振動基本振動の結合
を用いた音叉型水晶振動子において、屈曲振動の
節部に錘りを付加したときのモードチヤート上で
の共振周波数の変化を示す。第９図は、屈曲振動
基本振動と捩り振動基本振動の結合を用いた音叉
型水晶振動子において、音叉腕先端に錘りを付加
したときのモードチヤート上での共振周波数の変
化を示す。第１０図は、屈曲振動第一高調波のＸ
軸方向変位Uxと捩り振動基本振動の捩れ角τの
音叉の長さ方向の分布を示す。第１１図は、本発
明になる音叉型水晶振動子を電子腕時計に用いた
ときの回路のブロツクダイアグラムを示す。 １……ある時刻における音叉腕の振動方向、２
……1/2周期後における音叉腕の振動方向、３…
…結合を用いた音叉型水晶振動子の共振周波数温
度特性、４……従来の音叉型水晶振動子の共振周
波数温度特性、５……本発明になる音叉型振動子
本体、６……電極、７……プラグ、８……蒸着さ
れた銀、９……カツトアングルがθ_０のときのモ
ードチヤート、１０……カツトアングルがθ_０＋
Δθのときのモードチヤート、１１……本発明に
なる音叉型水晶振動子、１２……コンデンサ、１
３……相補型MOSインバータ、１４……不揮発
性メモリーを用いたカウンタ、１５……時刻表示
装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 屈曲振動と捩り振動を同時に発生させるとと
   もに、屈曲振動と捩り振動を弾性的に結合させ周
   波数温度特性を調整してなる音叉振動子と、前記
   音叉振動子の両端に兀型に接続されるコンデンサ
   と前記音叉振動子に直列に接続されるインバータ
   からなる発振回路と、前記発振回路の出力信号を
   カウントするカウンタと、前記カウンタからの信
   号により駆動される時間表示部を有する時計用信
   号発生回路において、前記音叉振動子は前記屈曲
   振動の節部に付着される金属膜錘りによつて捩り
   振動周波数を変化させ前記屈曲振動周波数と前記
   捩り振動周波数の差を設定して成るとともに、前
   記カウンタは論理的にカウント周期を設定するカ
   ウンタによつて構成され、前記カウンタによつて
   設定された出力周期で前記表示部に出力信号を出
   力することを特徴とする時計用標準信号発生回
   路。