JPS644370B2

JPS644370B2 -

Info

Publication number: JPS644370B2
Application number: JP12567480A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kogure
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-09-10
Filing date: 1980-09-10
Publication date: 1989-01-25
Also published as: JPS5750117A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、結合音叉型水晶振動子に関する。

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。

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るとき、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、特開昭54
―116191号、特開昭55―75325号、特開昭55―
75326号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よい。こ
れは、基本振動よりも、高調波の方が振動のＱ値
が一般的には高いため、共振周波数の経時変化が
少ないからである。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
ずれるが、基本振動よりも高調波の方が、この量
が少ないからである。

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。

以下、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ついて述べる。

第１図は、従来の結合音叉型水晶振動子の外観
図である。１は結合音叉型水晶振動子、２は結合
音叉型水晶振動子１を支持し、電極と導通をとる
ためのリード、３は半田、４はプラグである。ま
た、本図に付されたＸ軸、Y′軸、Z′軸は、それぞ
れ水晶原石の電気軸、電気軸まわりに回転された
機械軸、電気軸まわりに回転された光軸を表わ
し、結合音叉型水晶振動子１が水晶原石から切断
されるときの方向を示している。

一般に、屈曲振動の第一高調波のＱ値は、基本
振動のＱ値よりも高いのであるが、結合音叉型水
晶振動子においては基部の変位が大きいため、第
１図の如き支持方法では、第一高調波本来の高い
Ｑ値を得ることが困難であつた。あるいは、ひど
い場合には、振動漏れが生じるという欠点があつ
た。また、この結合音叉型水晶振動子は、捩り振
動も用いている訳であるが、従来、このモードに
対する振動漏れの防止という点については考慮さ
れていなかつた。特に、捩り振動の振動漏れは、
共振周波数温度特性の調整時に、それのばらつき
を大きくする原因ともなり、極力、抑えることが
必要である。

他の欠点は、落下等の衝撃により、マウント部
分がゆるんで、共振周波数が大きくずれることで
ある。

そこで、本発明は、かかる欠点を除去したもの
で、結合音叉型水晶振動子において、屈曲振動、
捩り振動の振動漏れを抑え、かつ、それらのＱ値
を向上させ、落下等の衝撃による、屈曲振動、捩
り振動の周波数のずれを抑えることを目的とす
る。

先ず、第１図の如き支持方法で、Ｑ値の低下、
振動漏れの生ずる理由について考えよう。

第２図は、その為の説明図である。５は振動
子、６はリード、７はプラグ、８は音叉基部が振
動していることを示す矢印。９はプラグが振動し
ていることを示す矢印。第２図の如く、振動子の
マウント部分の振動振幅が大きいと、振動子が振
動源となつてプラグを振動させることになる。マ
ウント部分の振動振幅が大きいと、この部分での
振動エネルギーの損失が大きくなり、Ｑ値が低下
する。また、一般に、振動論に依れば、振動振幅
の零でないところ、即ち、等価質量の無限大でな
いところに、他の質量を付加すると、その振動系
の周波数は低下する。即ち、プラグ７に他の質量
を付加すると、振動子５の共振周波数は低下す
る。プラグ７に付加された質量が、多少、ふらふ
らと動けば、それに伴い、振動子５の共振周波数
もふらついてしまう。これが、振動漏れの生ずる
メカニズムである。

落下等の衝撃により、共振周波数のずれる理由
は、先に述べた。

これらの欠点を除去した本発明の一具体例の外
観を第３図に示す。１０は結合音叉型水晶振動
子、１１はリード、１２はリードと電極の導通を
とり、振動子とリードを接着する半田、１３はプ
ラグである。発振周波数は約200KHzである。

以下に、本発明の原理を説明する。

第３図の振動子１０の形状は、第１図の振動子
１の形状と異なつているが、この特殊な形状は、
衝撃によつて生じるマウントのゆるみに起因する
周波数のずれを抑えるためのものである。この形
状は、振動子のマウント部分を自由にしたときの
周波数を_FREE、完全固定したときの周波数を
_CLAMPとしたとき、その差が出来る限り小さくな
るように決められたものである。もちろん、屈曲
振動と捩り振動の周波数に対して、このような条
件を課して、決められたのである。これは、実際
のマウント状態が、マウント部分のゆるみの有無
に依らず、自由と完全固定の中間にあるため、
_FREEと_CLAMPの差が小さければ、マウント部分の
ゆるみによる周波数のずれが小さくなることによ
る。この特殊な形状が得られた考え方を示したの
が、第４図である。

第４図ａは、基部に凸部を有する結合音叉型水
晶振動子。基部とは、２つの音叉腕を除いた部分
である。ｂは、屈曲振動、捩り振動の｜（_FREE―
_CLAMP）／_CLAMP｜（以下λと略す）凸部の幅に対
する変化を示している。１４は結合音叉型水晶振
動子、１５はマウント部分、多数の点を施した部
分１６は幅Ｂの凸部である。また、基部長、基部
幅をLB，WBとする。１７は屈曲振動のλのＢ
に対する依存性、１８は捩り振動のλのＢに対す
る依存性を示す曲線である。第４図ｂより、屈曲
振動に対しては、ある適当な幅B₀で、λが最小
となるが、捩り振動に対しては、Ｂ＝０のとき、
最小となる。屈曲振動、捩り振動に対し、｜（_FREE−_CLAMP）／_CLAMP｜＜1ppm が必要であるが、第４図ａの形状では、それは難
しい。

これを解決した形状が、第５図ａに示されてい
る。第４図ａの形状の基部下方において、１９で
示される切りかきを入れたものである。その高さ
をLC、幅をWCとする。第５図ｂは、LCをある
値とし、（もちろんLC＜LB）WCを変えたときの
屈曲振動のλ、捩り振動のλの変化を示してい
る。前者が２０、後者が２１の曲線である。本図
より、WCがWC₀より大きくなると、両モードに
対し、式が満たされる。こうして、第３図の振
動子１０の如き形状が決定されたのである。各部
の寸法は、厚み200μ以下の結合音叉型水晶振動
子に対し、 LB＝800〜2000μ WB＝500〜1500μ Ｂ＝ 30〜 150μ LC＝100〜1000μ WC＝ 30〜 350μ である。また、第５図ａの如き形状の振動子は、
フオトリソグラフイー製法により容易に作れる。
ここでわかるように凸部１６の基部下方両側に設
けた切欠き１９の幅は凸部１６の幅Ｂと同じかそ
れより大きい、即ち幅Ｂ以上の寸法である。そし
て、この切欠きによつて凸部の基部下方に設けら
れた細い部分が支持部５０となる。

次に、屈曲振動と捩り振動の振動漏れを抑える
方法を述べる。これを達成するためのポイント
は、第３図の振動子１０の形状とリード１１の寸
法である。

第６図に、振動漏れ抑制の原理を示す。ａは正
面図と側面図である。２２は振動子、２３はリー
ド、２４はプラグ、２５はリードとプラグの接点
にある一点、２６はプラグ底面の端にある一点で
ある。Ｓはリードの直線部分の長さである。ｂ
は、ａのリードの直線部以外の部分の形状、寸法
を一定とし、Ｓを変えたときの屈曲振動、捩り振
動の周波数変化を示している。２７は屈曲振動、
２８は捩り振動のそれである。あるＳに対する周
波数を基準にして縦軸が描かれている。ｃは、Ｓ
に対する点２５の変位量を示す。縦軸は、音叉腕
先端の最大変位を１としたときの相対的な値であ
る。２９は屈曲振動、３０は捩り振動のそれに対
応する。ｄは、Ｓに対する点２６の変位量を示
す。縦軸はｃと同じである。３１は屈曲振動、３
２は捩り振動に対応する。ａ，ｂ，ｃの横軸は総
て同じスケールである。さて、ａで、領域Ｓ１，
Ｓ２においては、Ｓを変えても曲線２７，２８の
変化は小さい。領域Ｓ１，Ｓ２以外の領域では、
周波数変化は極めて大きく、周波数が飛んでい
る。振動子のマウント部分が完全に静止していれ
ば、周波数はＳに依らず一定であるが、実際には
振動している為、リードと振動子が結合を起こし
ているからである。即ち、周波数の飛んでいる領
域では、特に結合が強くなつているのである。ま
た、領域Ｓ１，Ｓ２では、リードと振動子の結合
は極めて弱くなつている為、周波数変化が小さい
のである。リードとプラグの接点２５の変位量
は、ｃに示されている如く、領域Ｓ１，Ｓ２で小
さく、それ以外の部分では、急激に大きくなつて
いる。これは言い換えれば、振動子とリードの結
合の弱い領域では、点２５はほぼ節に近い状態に
なつており、結合の強い領域では腹に近い状態に
なるということである。従つて、ｄに示す如く、
プラグの一点２６の変位も、点２５が節に近くな
つている領域で小さく、腹に近くなつている領域
で急激に大きくなるのである。これは、プラグが
リードにより振動させられるということと、点２
５がリードとプラグの接点にあるということを考
えれば、もつともなことである。ｂとｄを対応づ
けると、こうなる。即ち、プラグの振動振幅の小
さい領域では、リードと振動子とは結合が弱く、
Ｓを変えても周波数変化は小さい。プラグの振動
振幅の大きい領域では、結合が強く、Ｓを変える
と周波数が急激に変化する。Ｓが領域Ｓ１、もし
くはＳ２にあれば、プラグの振幅は小さい。即
ち、振動子とリードとプラグを含めた全振動系に
おいて、プラグの等価質量は極めて大きくなつて
いる。従つて、プラグに他の質量を付加しても、
全振動系の周波数は変化しない。つまり、振動子
の周波数は変化しないのである。これは、振動漏
れが無いということである。逆に、Ｓが領域Ｓ
１，Ｓ２以外のところにあると、プラグの振幅は
大きくなり、プラグの等価質量は減少する。従つ
て、プラグに他の質量を付加すると、全振動系の
周波数が低下する。つまり、振動子の周波数が低
下する。これは振動漏れである。ｄに示す如く、
領域Ｓ１，Ｓ２では、屈曲振動、捩り振動に対
し、プラグの変位は小さいので、両モードに対
し、極めて良好に振動漏れを防止できる。もし
も、第１図の如き形状の振動子をａの如き方法で
支持すると、捩り振動に対する振動漏れの影響は
ほとんど無いが、屈曲振動に対しては多少影響が
出る。これは屈曲振動に対して、Ｂ＝０のとき、
マウント部分のY′方向変位が大きく、リードの
結合が強くなり、プラグの変位が大きくなるから
である。また、第４図ａの如き形状の振動子をａ
の如き方法で支持すると、今度は、捩り振動の方
に振動漏れの影響が多少出る。これは、Ｂ≠０の
とき、マウント部分のZ′方向変位が、捩り振動に
対して大きくなる為である。このように、両モー
ドの振動漏れを抑えるには、第５図ａの如き形状
の振動子を、領域Ｓ１，Ｓ２にあるＳを有するリ
ードで支持することにより完壁に達成されるので
ある。また、第５図ａの如き形状では、マウント
部分の変位が小さい為、マウント部分での振動エ
ネルギーの損失が少なく、Ｑ値も向上する。屈曲
振動、捩り振動ともに、30万以上となる。

以上述べた如く、第３図の本発明の一具体例
は、屈曲振動、捩り振動に対し、衝撃による周波
数のずれの抑止、振動漏れの抑止、高Ｑ化という
点ですぐれた特性を有する。しかし、第３図の如
き支持方法を採ることで、新たに一つ問題が生じ
る。それは、落下による衝撃が大きいとき、振動
子全体がケースの中で大きく振動してしまい、振
動子先端がケース内壁に強く衝突して、音叉腕が
折れることがある。第７図は、落下の方向を示
す。ａをＸ方向落下、ｂをＺ方向落下としよう。
本発明の場合、Ｚ方向落下はほとんど問題なく、
Ｘ方向落下で音叉腕の折れが生じる。

第８図は、この対策法を示している。ａはリー
ドで、ｔと書いた部分を厚みとする。直線部の長
さをＳとする。ｂは、１ｍから落下させたときの
音叉腕先端変位U_Xの厚み依存性を示す。このと
きのＳは一定である。音叉腕先端とケース内壁と
の距離から、厚みｔの最小値を決めることが出来
る。ｃは、同じく音叉腕先端変位U_Xのリード長
Ｓ依存性を示している。第６図ｂ，ｃ，ｄで述べ
た如く、Ｓは勝手な値をとることは許されない
が、領域Ｓ１，Ｓ２の如く、ある範囲内の値をと
ることを許されている。そこで、音叉腕先端とケ
ース内壁との距離から、Ｓの最大値を決めること
が出来る。実際には、リードの加工上の限界か
ら、厚みｔのみで、折れ対策を講ずることはでき
ない。つまり、厚みが厚すぎると、ａの如きリー
ドの加工が難しくなるからである。従つて、厚み
ｔとリード長Ｓを調整して、最適なリード寸法を
決定できる。

次に、リード寸法について述べる。第９図ａ，
ｂの如き形状のリードの寸法について述べる。全
長を、幅をw₁，w₂、厚みをｔとする。ガラス
の膨張率と等しい金属コバールが、ほとんどの場
合に使われる。ただし、コバールよりヤング率の
高い炭素鋼等も使える。このときは、ｃの如き構
造となる。即ち、３５は炭素鋼のリード、３６は
コバールのリード、３７は炭素鋼とコバールを接
着する半田、３９はプラグである。ガラスの膨張
率と異なる材料をリードに使うときは、総てｃの
如きタイプとなる。さて、寸法であるが、振動子
寸法、ケース寸法により、かなり自由度があり、
コバール、炭素鋼を問わず、＝400〜2600μ w₁＝100〜 200μ w₂＝100〜 200μ ｔ＝100〜 400μ である。尚、特許請求範囲中では、第９図ａ，ｂ
の如くに、180゜の折り返しが１ケ所存在するリー
ドを「折り返し吊り線」と呼んでいる。

以上述べた如く、本発明になる結合音叉型水晶
振動子は、振動漏れがほとんど無く、Ｑ値も高
く、落下等の衝撃に対しても強いという利点を有
する。Ｑ値が高い為、周波数のエージングも少な
く、またCI値も低い。この振動子を電子腕時計
に用いた場合、周波数エージングが少ないこと
は、時間精度の向上に大きく貢献する。また、
CI値の低いことは、発振エネルギーの減少とな
り、消費エネルギーの減少につながるという利点
となる。

以上、述べてきた如く、結合音叉型水晶振動子
において、基部上方に凸部、基部下方に凹部を設
け、この振動子を折り返し吊り線で支持すること
により、振動漏れがほとんど無く、Ｑ値が高く、
CI値が低く、落下等の衝撃に対して強い結合音
叉型水晶振動子を実現できる。この振動子を、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、結合音叉型水晶振動子の従来例。第
２図は、振動漏れのメカニズムの説明図。第３図
は、本発明になる結合音叉型水晶振動子の一具体
例の外観図。第４図ａは、基部に凸部を有する結
合音叉型水晶振動子。第４図ｂは、凸部幅に対す
る｜（_FREE−_CLAMP）／_CLAMP｜の変化を示すグラ
フ。第５図ａは、基部上方に凸部を有し、下方に
凹部を有する結合音叉型水晶振動子。第５図ｂ
は、凹部幅に対する｜（_FREE−_CLAMP）／_CLAMP｜
の変化を示すグラフ。第６図ａは、本発明になる
結合音叉型水晶振動子の正面図と側面図である。
第６図ｂは、リード直線部Ｓを変えたときの周波
数変化を示す。第６図ｃは、Ｓを変えたときのリ
ード下部の変位量を示す。第６図ｄは、Ｓを変え
たときのプラグの変位量を示す。第７図ａは、Ｘ
方向落下の説明図。第７図ｂは、Ｚ方向落下の説
明図。第８図ａは、リードの厚みｔ、直線部の長
さＳを定義するための図。第８図ｂは、１ｍ落下
のときのｔに対する音叉腕先端変位を示す。第８
図ｃは、１ｍ落下のときのＳに対する音叉腕先端
変位を示す。第９図ａ，ｂは、多少、形状の異な
る２つの折り返し吊り線を示している。第９図ｃ
は、折り返し吊り線の材料としてコバール以外の
材料を用いたときのプラグとリードの構成を示
す。１…従来の結合音叉型水晶振動子、２…リー
ド、３…半田、４…プラグ、５…結合音叉型水晶
振動子、６…リード、７…プラグ、８…基部変位
を示す矢印、９…プラグの変位を示す矢印、１０
…本発明になる結合音叉型水晶振動子、１１…折
り返し吊り線、１２…半田、１３…プラグ、１４
…基部に凸部を有する結合音叉型水晶振動子、１
５…マウント部分、１６…凸部、１７…屈曲振動
の｜（_FREE−_CLAMP）／_CLAMP｜のＢ依存性を示す
曲線、１８…捩り振動の｜（_FREE−_CLAMP）／
_CLAMP｜のＢ依存性を示す曲線。１９…基部に設
けられた凹部、２０…凹部幅に対する屈曲振動の
｜（_FREE−_CLAMP）／_CLAMP｜の依存性を示す曲
線。２１…凹部幅に対する捩り振動の｜（_FREE−
_CLAMP）／_CLAMP｜の依存性を示す曲線。２２…
本発明になる結合音叉型水晶振動子。２３…折り
返し吊り線、２４…プラグ、２５…折り返し吊り
線とプラグとの接点、２６…プラグ下底の一点、
２７…Ｓに対する屈曲振動周波数の変化を示す曲
線、２８…Ｓに対する捩り振動周波数の変化を示
す曲線、２９…Ｓに対する点２５の変位量を示す
曲線（屈曲振動）、３０…Ｓに対する点２５の変
位量を示す曲線（捩り振動）、３１…Ｓに対する
点２６の変位量を示す曲線（屈曲振動）、３２…
Ｓに対する点２６の変位量を示す曲線（捩り振
動）、３３…本発明になる結合音叉型水晶振動子、
３４…ケース、３５…コバール以外の材料で作つ
た折り返し吊り線、３６…コバールのリード、３
７…コバールと折り返し吊り線を接着する半田、
３９…プラグ。

Claims

【特許請求の範囲】

１屈曲振動に捩り振動を弾性的に結合させた結
合音叉型水晶振動子において、前記結合音叉型水
晶振動子は、基部両側の側部に設けた凸部と、前
記凸部の基部下方両側を前記凸部の幅以上切欠い
て形成された支持部とを有しており、前記支持部
に支持部材が固着されてなることを特徴とする結
合音叉型水晶振動子。