JPS63280507A - 結合水晶振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高″Ｍ度の周波＠基準源を必要とする、例えば
腕時計に使用される圧電振動子に関する。

特に、音叉型水晶振動子の形状に関する。

〔発明の概要〕

本発明は広い温度範囲に亘って、周波数変化の小さい音
叉屈曲捩り結合水晶振動子を提供することにある。即ち
、良好な周波数濃度特性を得るには屈曲モードと捩りモ
ードの保合の強さを示す、いわゆる結合係数を大きくす
る必要がある。しかしながら、このときに、屈曲モード
と捩りモードの共娠周波数が変化し、基準周波数を何ら
かの方法で調整する必要がある。本発明は振動子の境界
条件から導出される固有方程式の解、即ち、係数を変化
させることにより、必要とする基準周波数に合わせ込む
ものである。

〔従来の技術〕

腕時計用水晶振動子として、音叉型屈曲水晶振動子が多
用されて来た。しかしながら、この振動子は２次温度係
数が大きいために、広い温度範囲に亘って零温度係数を
得ることができなかった。

最近は、屈曲モードに捩りモードを結合させて、主振動
となる屈曲モードの周波数温度特性を改善しているが、
従来から通信様器等で多用されているＡＴカット水晶振
動子と同等かそれより劣っていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このために、腕時計等の機器に於いては、精度に限界が
あった。そこで、本発明は、広い温度範囲に亘って周波
数変化の小さい音叉型屈曲捩り結合水晶振動子を提案す
るものである。即ち、３次温度係数が小さく、且つ、必
要とする基準周波数に調整できる振動子形状を提供する
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図に本発明の音叉型屈曲捩り結合水晶振動子とその
座標等を示す。Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ水晶の電気軸、機
械軸、光軸を示し、幅Ｗ、厚みＴ１長さしの振動子で、
屈曲モード及び捩りモードにて生じる曲げモーメントＢ
Ｍ、捩りモーメントＴ１１７１が音叉両腕に働く。即ち
、音叉型振動子は片持ち梁が２本あるとして取り扱うこ
とができる。

従って、振動解析はこの片持ち梁として進める。

結合した屈曲捩り水晶振動子の共振周波数ｆは次式で表
わされる。

但、し、ｆｌ、Ｔ２は各々屈曲モードと捩りモードの共
振周波数で、Ｋｍは両モード間の結合の強さを示す結合
係数である。本発明では、この結合係数が振動子寸法に
よって変わることを見い出した。さらに詳述すると、結
合係数Ｋｍは次式で与えられる。

ここで、Ｋは振動子の振動次数、カット角によって決定
される定数である。式（２）から明らかなように、Ｋｍ
は辺比Ｔ／Ｗの関数となり、辺比によってＫｍは変わる
。次に、温度係数とＫｍとの関係について述べる。今、
温度２０’Ｃで式（１）をＴａｙｌｏｒＪ７ｇ開すると
次式が得られる。但し、温度ｔとする。

チ（１）−子（２０）　（１＋α（ｔ−２０）＋β（ｔ
−２０）　２＋７（ｔ−２０）　３＋・　）□（３） α、β、γは１次、２次温度係数で次式にて定義される
。

従って、式（１）と式（４）より、α、β、γは容易に
計算される。即ち、温度係数と辺比Ｔ／Ｗとの関係が得
られる。次に、境界条件から導出される固有方程式の解
、即ち、係数について述べる。

独立した屈曲モードと捩りモードの共振周波数ｆ１．チ
２は次式にて表われる。

但し、記号は密度ｆ、断面二次モーメントＩｙ、ヤング
率Ｅ　２２　％断面積Ａ１捩り剛性ｃｔ１断面の極慣性
モーメントＩｏ、固有方程式の解λ、ν、信号モードに
よる定数ａ１　、ａ２．ａ３、捩り振動の補正項η、弾
性コンプライアンス定数ｓ′３３゜Ｓ′５５．Ｓ′３４
結合によって生じる補正項ηである。

従って、式（５）の第１項より、チ１は固有方程式の解
λの２乗に比例することが分かる。一方、Ｔ２は同様に
νに比例する。このように、チ１゜Ｔ２はそれぞれλ、
νの関数となる。次に、λ、νを変化させる方法につい
て述べる。屈曲モードが第２次ａｉｉｌｌ波振動で、捩
りモードが基本波振動のときには、屈曲モードは音叉の
腹部で振幅が最大となるから、この腹部に質１ｍを付加
すると境界条件が変わり、固有方程式の形が変わる。即
ち次のような関数形で表わされる。

Ｆ（λＬ、μ、λＬ　１）　−０−（６）但し、μｍｍ
／ｊＪＡＬＳＬ＋は音叉基部から錘りまでの良さである
。式（６）でμｍ０のときには、即ち、音叉腹部に質量
がないときには、一端固定他端自由の境界条件での固有
方程式が得られる。

式で表わすと以下のようになる。

１＋ｃＯ８ηλ１−ＣＯ３λＬ＝Ｏ−（７）このように
、音叉腹部に質１ｍを付加すると係数λの値を変えるこ
とができる。一方、νについては、質ｆｆ１ｍは音叉腕
の長さ方向の約半分付近に在るので屈曲モードに比較し
て、νの変化は小さい。

しかし、音叉腕の中立面上に質（ｌｒｎを配置したとき
はνはほとんど変化しない。

〔作用〕

このように、本発明は、屈曲モードと捩りモードの間の
結合係数を詳細に検討することによって、この結合係数
が辺比Ｔ／Ｗの関数となることを見い出した。即ち、両
モード間の結合は振動子形状に依存するので、これより
湿度係数を変化させることができる。更に、屈曲モード
と捩りモードの共振周波数ｆ１．ｆ２は固有方程式の形
を変えることによって変えることができる。

〔実施例〕

次に、本発明にて得られた結果を具体的に述べる。

第２図は本発明の音叉型屈曲捩り水晶振ｖＪ了の一例で
、辺比Ｔ／Ｗと３次温度係数γとの関係を示す。図から
明らかなように、Ｔ／Ｗが大きくなるとγは零へと近づ
く。このように、Ｔ／Ｗはγを小さくする働きがある。

本発明ではＴ／Ｗが０゜３５〜０．８５にすればよい。

この理由は、従来のγの半分になるＴ／Ｗは０．３５と
なり、従来のものより著しく温度特性が改善される辺比
である。

又、Ｔ／Ｗ＝０．８５は、Ｔ／Ｗを大きくして行くと、
圧電効率より捩り撮動が強く励振される。それ故、主振
動となる屈曲モードで励振させるには辺比Ｔ／Ｗ＝０．
８５以内であれば充分である。第３図は本発明の周波数
温度特性の一実施例を示す。

Ａは従来の辺比Ｔ／Ｗ＝０．１５の場合で、Ｂは本発明
の辺比Ｔ　／　Ｗ　＝　０．８の場合である。本発明で
は周波数温度特性に於いて著しく改善されていることが
分かる。第４図は本発明の一実施例で、振動子１の音叉
腹部に錘り２が設けられている。第５図は他の実施例で
振動子１の音叉腹部の両側に錘り３が設けられている場
合である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は結合係数がＫｍが辺比Ｔ／
Ｗによって変化することを見い出した。

その結果、Ｔ／Ｗの選、択により、３次温度係数γを従
来のものの半分以下と著しく小さくすることができた。

従って、広い温度範囲に亘って、周波数変化が小さくな
るという効果を有する。更に、本発明の水晶振動子を腕
時計等に使用するものと、狂いの小さい、即ち、高精度
の腕時計が実現できる効果を有する。又、音叉型振動子
であるので、小型化、！！Ｔ化が可能となる効果を有し
、同時に、低周波数であるので、消費電力が小さくなる
効果をも有する。更に、呂叉腕腹部に配置された金属錘
りをレーザーによって除去できるので、周波数調整が容
易、且つ、製造工数の大幅削減が出来る効果を有する。

【図面の簡単な説明】

図はいずれも本発明の実施例を示し、 第１図は音叉型屈曲捩り水晶振動子とその座標を示す説
明図、 第２図は辺比Ｔ／Ｗと３次温度係数γとの関係を示す説
明図、 第３図は音叉型結合水晶振動子の周波数温度特性の一実
施例を示す説明図 第４図は音叉型結合水晶振動子形状の一実施例を示す平
面図、 第５図は音叉型結合水晶振動子形状の他の実施例を示す
平面図である。 １・・・振動子 ２．３・　・錘り

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈曲モードが第２次高調波振動で捩りモードが基
   本振動で結合する音叉型結合水晶振動子で、前記音叉腕
   の中央部付近の幅端部に錘りとなる突出部を設けたこと
   を特徴とする結合水晶振動子。
2. （２）振動子の幅をＷ、厚みをＴとしたとき、辺比Ｔ／
   Ｗを０．３５〜０．８５から選んだ特許請求の範囲第１
   項記載の結合水晶振動子。