JPS644371B2

JPS644371B2 -

Info

Publication number: JPS644371B2
Application number: JP13797780A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kogure
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1989-01-25
Also published as: JPS5762612A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、音叉型水晶振動子の諸特性、即ち、
Ｑ値、CI値、振動漏れ、周波数エージングの向
上した音叉型水晶振動子に関する。

従来、電子腕時計の周波数標準としては、音叉
型水晶振動子が多く用いられている。これは、主
に小型で低周波であるため、電子腕時計の如き、
小型で低消費エネルギーであることを要求される
機器に最適であるからである。

近年、電子腕時計の薄型化に伴い、これに使用
される音叉型水晶振動子も年々、小型化が進んで
いる。ところが、音叉型水晶振動子の小型化には
Ｑ値、CI値、振動漏れ、周波数エージングの劣
化という問題がつきまとう。要するに、小型化し
ただけで、上記の特性が劣化してしまい、多少、
大型のものと同等の特性を得ることが難しいので
ある。一例を上げれば現在、腕時計には、直径２
mm、全長６mmの円筒型ケースに収められた音叉型
水晶振動子が多く使用されているが、これを直径
1.5mm、全長５mmの同筒型ケースに収めるべく音
叉型水晶振動子を小型化すると、Ｑ値は40％低下
し、IC値は２〜３倍大きくなり、小型化の割り
に、特性の劣化が著しい。Ｑ値の低下は周波数エ
ージングの劣化となり、時間精度に大きな悪影響
を及ぼす。また、CI値の劣化は、消費エネルギ
ーの増大をもたらし、電池寿命が短くなるという
欠点となる。CI値の劣化に対しては電極形状を
細部に渡り良く検討して、励振電界が有効に使わ
れるように、電極形状を修正して改善する方法も
あるが、この方法では水晶振動子の等価回路定数
の直列容量が増加する。これは、以下の理由によ
る。振動子のＱ値をＱ、CI値をR₁、直列容量を
C₁、直列共振角周波数をω₀とすると、Ｑ＝１／ω₀C₁R₁ となる。電極を修正してもＱは、ほとんど変化し
ない。ω₀は一定である。従つてR₁が低下すれば、
C₁が増大するのである。C₁が増大すると、外部
回路、特に、浮遊容量の影響を受け易くなり、発
振周波数が不安定となり易い。従つて、電極を修
正する方法は根本的な解決策とはなり得ない。
CI値の低下はＱ値の向上を伴うことが望ましい
のである。

そこで、本発明はかかる欠点を除去したもので
Ｑ値の向上、CI値の低下、振動漏れの減少、周
波数エージングの向上を目的とする。

さて、音叉型水晶振動子を小型化した際、上記
の特性が劣化する原因を考えてみよう。

その原因は、一言で言えば、二つの音叉腕のア
ンバランスである。現在、音叉型水晶振動子の加
工方法は二つある。一つは、バンドソーに代表さ
れる機械加工法である。他は、リングラフイー製
法なる化学加工法である。化学加工法で振動子を
加工した場合、振動子寸法の設計値に対し、仕上
つたものは1μ程度の誤差、即ち、ばらつきを持
つ。機械加工法では、化学加工法よりも多少大き
い。この寸法のばらつきが、どのような悪影響を
及ぼすか以下に考えてみよう。

第１図は、加工上の寸法ばらつきが無い理想的
な音叉型水晶振動子を示している。１，２は音叉
腕幅ｗ、音叉腕長ｌの等しい音叉腕、３はある時
刻での音叉腕の振動方向、４は半周期後の音叉腕
の振動方向、５は音叉基部の中心線、６はマウン
ト部分である。また、Ｘ軸，Y′軸，Z′軸は水晶原
石から振動子を切り出した時の方位を表し、それ
ぞれ、電気軸、電気軸周りに回転した機械軸、電
気軸周りに回転した光軸である。さて、音叉腕は
３，４で示した如くＸ軸方向に屈曲振動する。２
つの音叉腕の幅、長さが等しいと、直線５で示し
た部分のＸ方向変位は完全に打ち消し合つて零と
なる。そのため、マウント部分６における変位は
極めて小さい。ところが、実際には音叉腕に加工
上の寸法のばらつきが必ず存在する。

第２図は、加工に伴う寸法ばらつきの存在する
音叉型水晶振動子を示す。左の音叉腕の幅、長さ
をｗ，ｌとし、右の音叉腕の幅、長さをｗ＋△
ｗ，ｌ＋△ｌとする。ここで、 △ｗ≠０，△ｌ≠０である。このため、左右の音叉腕のＸ方向の振動
変位は、第１図の５に相当する部分で打ち消し合
わず、Ｘ方向の変位が零となる部分は曲線７の如
くになる。その結果、マウント部分８の変位は、
第１図のマウント部分６の変位よりも２〜３桁も
大きい値となる。このように、振動変位の大きい
部分をマウントすると、Ｑ値は低下し、振動漏れ
が生じる。Ｑ値は、Ｑ＝Ｅ／△Ｅと表わされる。Ｅは振動系の総エネルギー、△Ｅ
は１サイクルで失われるエネルギーである。マウ
ント部分の変位が大きいと、マウント部分での振
動エネルギーの損失が大きくなり、Ｑ値が低下す
ることになる。振動漏れは、次のようなメカニズ
ムで生じる。

第３図は、第２図の寸法のばらつきのある振動
子をプラグ体にマウントしたものを示している。
９は振動子、１０は振動子をマウントし、電極と
電気的導通をとるためのリード、１１はプラグ
体、１２はマウント部分の振動を示す矢印、１３
はプラグ体の振動を示す矢印である。本図の如
く、マウント部分の振動変位が大きいと、振動子
９が振動源となつて、プラグ体１１を矢印１３の
如く振動させることになる。振動論に依れば、振
動している部分、即ち等価質量が無限大でない部
分に他の質量を付加すると振動系の周波数が低下
する。即ち、プラグ体１３に他の質量を付加する
と、振動子９の共振周波数は低下するのである。
プラグ体１３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９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。以上、述べた如く、２つの音叉腕
に寸法のばらつきがあると特性に極めて悪影響の
あることが判るであろう。

さて、振動子の寸法ばらつきを、他の観点から
考えてみよう。第２図の左及び右の音叉腕の共振
周波数を、それぞれ_L，_Rとする。近似的に音叉
腕は第２図の破線部を完全固定した片持ち梁と考
えることができ、_L，_Rは、Ｋを定数として _L＝Ｋｗ／l² _R＝Ｋｗ＋△ｗ／（ｌ＋△ｌ）²Ｋｗ／l² ｛１＋（△ｗ／ｗ−２△ｌ／ｌ）｝となる。従つて、_Lと_Rの差を△とすると、 △＝_R−_L＝Ｋｗ／l²（△ｗ／ｗ−２△ｌ／ｌ）
となる。即ち、左右の音叉腕の共振周波数が式
で表される分だけ異なるのである。式において
加工法が同じならば、振動子寸法の大小に依らず
△ｗ，△ｌは同程度の大きさである。従つて、振
動子寸法が大きい方が△ｗ／ｗ，△ｌ／ｌが小さ
くなり、△も小さくなる。即ち、寸法ばらつき
の影響度が小さくなる。振動子寸法を小さくする
と、逆である。振動子を小型化すると、寸法ばら
つきの影響度が大きくなる。振動子を小型化する
と、特性が劣化するのはこのためである。

式で、 △ｗ＝０，△ｌ＝０とすると、△＝０となり、第１図の如き、左右
の音叉腕のアンバランスが無くなる。式は、 _R＝_L と言い直してもよい。即ち、左の音叉腕の共振周
波数と右の音叉腕の共振周波数を等しくすれば、
音叉腕のアンバランスは無くなるのである。これ
が、本発明の発想の原点である。本発明の具体例
を述べる前に、一つだけ従来例をあげよう。

第４図は現在、電子腕時計に最も多く用いられ
ている＋5゜Xカツトの32KHz音叉型水晶振動子で
ある。１４，１５は電極で、それぞれ逆極性の電
界がかかる。１６，１７は振動子を支持し、電極
と導通をとるためのリード、１８は振動子をリー
ドに接着するための半田、１９はプラグ体、２
０，２１は位置Ａ−A′での音叉腕の断面を示す。
さて、リード１６に正、リード１７に負の電界を
かけると位置Ａ−A′の断面では左図の如く電界
が生じる。この電界により屈曲振動が生じる。

以下に、本発明の具体例をあげる。マウント用
電極は、２端子素子であるから、本図に示す如く
当然２つである。表と裏で結んであるので４つで
はない。

第５図は、本発明の一具体例である。第５図ａ
は、本発明になる音叉型水晶振動子の表裏を示
す。２２，２３は、それぞれ左及び右の音叉腕、
２４，２５，２６は励振電極、２７は励振電極２
４，２６を分割したスリツト、２８はマウント部
分電極、２９は周波数調整用電極である。従来例
の第４図の電極形状と本発明になる第５図ａの電
極形状の違いは、マウント部分電極の一方が２つ
に分割されていることである。このように分割す
る理由を以下に述べる。尚、第５図ａにおいて、
〓，〓，〓の施された電極は、それぞれ互いに電
気的に導通がとられている。

第５図ｂは、電極２４に正、電極２５に負の電
界を加えたときの、位置Ｂ−B′における、音叉
腕断面の電界を示している。即ち、この場合は、
右の音叉腕２３のみに電界が加わる。

第５図ｃは、電極２５に負、電極２６に正の電
界を加えた場合で、この時は、左の音叉腕２２の
みに電界が加わる。従つて、電極２４，２６に
正、電極２５に負の電界を加えると、第５図ｄに
示す如く、両方の音叉腕に逆位相で電界が加わ
り、電界が交流であれば、屈曲振動が生じる。

さて、本発明の目的は左右の音叉腕の共振周波
数を等しくして、音叉腕のアンバランスを無くす
ことである。そこで、第５図ａの如きスリツト２
７を有する電極を用いて、音叉腕のバランス調整
をするのである。次に、バランス調整法について
述べる。

第５図ａ〜ｃをもとに説明する。先ず、左の音
叉腕２２を固定し、電極２４，２５に交流電界を
かけて、周波数をスイープし、右の音叉腕２３の
共振周波数_Rを測定する。次に、右の音叉腕２３
を固定し、電極２５，２６に交流電界をかけて、
周波数をスイープし、左の音叉腕の共振周波数_L
を測定する。

そして、周波数の低い方の音叉腕の周波数調整
用電極２９をレーザビームで除去して、両方の音
叉腕の共振周波数を等しくする。蒸着で調整する
のならば、共振周波数の高い方の音叉腕に対し、
調整を行えばよい。こうして、△＝０となり、
音叉腕のアンバランスが無くなる。

こうして、バランス調整し、その後、マウント
する。もしくは、マウント前に_Lと_Rを共に、望
まれる所定の値に合せ込んでから、マウントして
もよい。即ち、バランス調整と周波数調整を同時
に行つてもよい。こうして調整されて、マウント
された振動子の斜視図が、第５図ｅである。３０
はリード、３１，３２は半田であるが、３２は電
極２４，２６を導通させる役目も兼ねている。３
３はバランス調整、周波数調整によつて除去され
た電極部の穴である。

本発明になる振動子は、小型化に伴うＱ値の低
下、CI値の増大、振動漏れの増大、周波数エー
ジングの劣化という問題は全く無く、多少、大型
の振動子の特性と全く同等の特性が得られる。

本発明になる音叉型水晶振動子は、フオトリソ
グラフイー製法で加工するのが最も量産性が良
い。それは、ペレツト状態でバランス調整、周波
数調整が可能だからである。第６図は、フオトソ
ソグラフイー製法で加工された振動子が、一枚の
ペレツト上に並んでいるところである。ペレツト
状態で第５図ａの如き電極を付けることが可能で
あるから、ペレツト上で調整することができるの
である。

第１実施例においては、第５図ａ中、電極２４
を第１励振電極、電極２６を第２励振電極とし、
これらを併せて第１の電極とする。又電極２５を
第２の電極とする。第２電極の第１と第２の励振
電極は第１の電極と同じであり、図示を省略する
（以下同じ）。

本発明の他の具体例を第７図に示す。第７図ａ
は表裏の電極、ｂはマウントされた振動子を示
す。３９，４０，４１は電極で、第５図ａの電極
２４，２６，２５に対応する。バランス調整、周
波数調整後、マウントしたのが第７図ｂである。
４２，４３は半田である。半田４２は分割された
２つの電極を導通させる役目を果しているが、半
田４３は電極４１にのみ接着している。

第２実施例においては、第７図ａ中、電極３９
を第１励振電極、電極４０を第２励振電極とし、
これらを併せて第１の電極とする。又電極４１を
第２の電極とする。

第８図は、本発明の他の具体例である。第８図
は、屈曲振動の第一高調波と捩り振動の基本振動
の結合を使い、屈曲振動の周波数温度特性を３次
曲線とすることのできる結合音叉型水晶振動子に
本発明を適用した例である。４４は結合音叉型水
晶振動子、４５はマウント部分である。マウント
部分の表裏の電極形状は第５図ａのマウント部分
電極と同じである。５０，５１，５２は電極であ
る。従来、結合音叉型水晶振動子は振動漏れが激
しく、λ／４（λは波長）支持が多く用いられて
いたが、音叉腕のバランスを良くすることによ
り、第８図の如き支持方法でも振動漏れを抑える
ことができるようになつた。これは、現在、主流
の32KHz音叉に用いられている支持方法と同一で
ある。非常に量産向きである。

結合音叉型水晶振動子に対し、第７図の如き支
持方法でも、バランス調整さえすれば、振動漏れ
は抑えられる。

この第３実施例においては、第８図中、電極５
０を第１励振電極、電極５１を第２励振電極と
し、これらを併せて第１の電極とする。又電極５
２を第２の電極とする。

第９図は、本発明の他の具体例である。４６は
振動子、４７，４８，４９は、それぞれリードで
ある。振動子４６の表裏の電極は第５図ａの電極
と同一である。この具体例は、マウント後、バラ
ンス調整、周波数調整をし、発振回路へ組み込む
とき振動子ケースの外で、リード４８とリード４
９を接続する方式のマウント法の例である。結合
音叉型水晶振動子にも、このマウント法は適用で
きる。

以上述べた如く、音叉型水晶振動子のマウント
部分の２つの電極のうち、表電極の１つ、裏電極
の１つを、各々２分割することにより、音叉腕を
片側ずつ励振し、バランス調整が可能となつた。
この方法を小型の音叉型水晶振動子に適用するこ
とにより、特性の劣化を抑え、高Ｑ、低CI、振
動漏れの減少が実現できる。更に、本発明を結合
音叉型水晶振動子に適用すれば、λ／４支持は不
要となり、32KHz音叉と同様の支持方法を採用で
きる。これは量産性の向上につながる。

本発明になる音叉型水晶振動子を電子腕時計に
用いることにより、小型、長寿命、高精度を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アンバランスの無い音叉を示す図。
第２図は、アンバランスのある音叉を示す図。第
３図は、アンバランスのある音叉が振動漏れを起
こす理由を説明するための図。第４図は、従来例
を示す図。第５図ａは、本発明の一具体例を示す
図。第５図ｂは、右の音叉腕を励振したときの電
界方向を示す図。第５図ｅは、左の音叉腕を励振
したときの電界方向を示す図。第５図ｄは、両方
の音叉腕を励振したときの電界方向を示す図。第
５図ｅは、本発明になる音叉型水晶振動子をマウ
ントしたときの外観図。第６図は、フオトリソグ
ラフイー製法により加工されたペレツト上の音叉
を示す図。第７図ａは、本発明の他の具体例を示
す図。第７図ｂは、ａをマウントしたときの外観
図。第８図は、結合音叉型水晶振動子に本発明を
適用した例を示す図。第９図は、３本のリードで
本発明になる振動子を支持した例を示す図。１…右の音叉腕、２…左の音叉腕、３…ある時
刻の音叉腕の振動方向、４…半周期後の音叉腕の
振動方向、５…基部の中心線、６…マウント部
分、７…Ｘ方向変位が零の線、８…マウント部
分、９…音叉、１０…リード、１１…プラグ、１
２…音叉基部が振動していることを示す矢印、１
３…プラグ体が振動していることを示す矢印、１
４，１５…電極、１７，１６…リード、１８…半
田、１９…プラグ、２０…左の音叉腕、２１…右
の音叉腕、２２…左の音叉腕、２３…右の音叉
腕、２４，２５，２６…電極、２７…スリツト、
２８…マウント部分、２９…バランス調整、周波
数調整領域、３０…リード、３１，３２…半田、
３３…バランス調整、周波数調整の跡、３９，４
０，４１…電極、４２，４３…半田、４４…結合
音叉型水晶振動子、４５…マウント部分、４６…
音叉、４７，４８，４９…リード。

Claims

【特許請求の範囲】１２つの励振用電極を有する音叉型水晶振動子
において、第１の電極は音叉型水晶振動子基部に配置され
るマウント部分と、１方の叉において少なくとも
一部が叉の中心部に配置される第１励振電極と、
他方の叉において少なくとも一部が叉の側面に配
置される第２励振電極とを備えてなり、第２の電極は音叉型水晶振動子基部に配置され
るマウント部分と、前記１方の叉において少なく
とも一部が叉の側面に配置される第２励振電極
と、前記他方の叉において少なくとも一部が叉の
中心部に配置される第１励振電極とを備えてお
り、且つ前記第１の電極はマウント部分に、第１励
振電極と第２励振電極とを切離分割するスリツト
を備えるとともに、前記切離分割された第１励振
電極と前記第２の電極により１方の叉のみが振動
し、前記第２励振電極と前記第２の電極により他
方の叉のみが振動するよう電極配置し、且つ前記
スリツト部がリード端子を接続することによつて
電気的に接続されてなることを特徴とする音叉型
水晶振動子。