JPH0150135B2 - - Google Patents

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JPH0150135B2
JPH0150135B2 JP21268381A JP21268381A JPH0150135B2 JP H0150135 B2 JPH0150135 B2 JP H0150135B2 JP 21268381 A JP21268381 A JP 21268381A JP 21268381 A JP21268381 A JP 21268381A JP H0150135 B2 JPH0150135 B2 JP H0150135B2
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JP
Japan
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vibrating
axis
branch
type vibrator
present
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JP21268381A
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JPS58111515A (ja
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Hiromi Ueda
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Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/21Crystal tuning forks
    • H03H9/215Crystal tuning forks consisting of quartz

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野」〕 本発明は3本の振動枝を有し、面外屈曲振動モ
ードで動作する水晶振動子(以下E型振動子と略
称する)の共振周波数温度特性の改良に関する。 〔従来の技術〕 第1図は従来及び本発明に係るE型振動子の外
形を示す斜視図である。一様な板厚の水晶板に振
動枝11,12,13が、ベース部14と共に一
体に形成され、3本の振動枝11,12,13の
長さ寸法は、ほぼ等しく、枝巾寸法については、
振動枝11,13が互にほぼ等しく、振動枝12
は任意に選べる。第2図A,Bは従来及び本発明
で利用するE型振動子の振動モードの概略を示す
図である。第2図Aは第1図YY断面から見た振
動モードの断面図である。第2図Bは、第1図
XX断面から見た振動モードの断面図である。振
動枝11,12,13は、矢印5で示す方向に変
位し、振動変位零の時刻から(1/4)周期後の時
刻には、それぞれ点線11a,12a,13aで
示される位置にくる。 〔発明が解決しようとする課題〕 従来のE型振動子の欠点は、一般に屈曲水晶振
動子が常温付近で良好な共振周波数温度特性を示
すカツト方位を採用しても、その共振周波数1次
温度係数は、大きな負の値になり、零又は正の値
にすることが困難であつた。 第4図は従来のE型振動子のカツト方位の説明
図である。第4図でE型振動子41は振動枝42
の枝長方向及び枝巾方向が、それぞれ水晶のY軸
(機械軸)及びZ軸(光軸)に一致した状態(X
カツトの状態)から出発して、X軸のまわりに角
度θ(θの符号は反時計方向を正とする)だけ回
転されている。従来のE型振動子のカツト角度θ
は、通常0゜から10゜の範囲の角度から選択されて
いた。 第5図は従来のE型振動子の1次温度係数αと
カツト角度θの実験的に得られた関係を示すグラ
フである。 第5図から明らかなように、従来のE型振動子
は、カツト角度θをどのように選んでも、1次温
度係数が零又は正にならなかつた。 本発明の目的は、従来のE型振動子の欠点を除
去し、共振周波数温度特性が良好となるカツト方
位を提供することにある。 〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため本発明における水晶振
動子は下記記載の構成とする。 一様な板厚の水晶板の3本の振動枝をE型に形
成し、中央の振動枝と両側の振動枝とは互に逆位
相で振動する水晶振動子において、振動枝の幅方
向及び長さ方向がそれぞれ水晶のX軸(電気軸)
及びY軸(機械軸)に一致した状態(Zカツトの
状態)をX軸のまわりに角度φ(φの符号は反時
計方向を正とする)だけ回転するとき、φを−
25゜から35゜の範囲の角度に設定し、さらに3本の
振動枝のそれぞれの側面に金属薄膜電極を設け、
この金属薄膜電極は振動枝の側面長手方向の中心
線で2分割し、かつ2分割した金属薄膜電極はお
のおの異なる電気的極性を備える。 〔作用〕 以下本発明を詳細に説明する。 一般に水晶振動子の共振周波数温度特性は、次
式のように表わすことができる。 Δf/f0=α(T−T0)+β(T−T02+γ(T−T0
3 ……(1) Δf=f−f0 ここでf:共振周波数 T:温度 f0:基準温度における共振周波数 T0:基準温度 α:1次温度係数 β:2次温度係数 γ:3次温度係数 α、β、γは一般に振動子のカツト方位と寸法
によつて定まる。 第3図は従来及び本発明に係るE型振動子の寸
法パラメーターの説明図で第3図Aは平面図、第
3図Bは側面図である。lは振動枝11,12,
13の長さ寸法を示す。hは振動枝11,13の
巾寸法を、h0は振動枝12の巾寸法を示す。l0
ベースの長さ寸法を示す。gはスリツトの巾寸法
を示す。tは振動子の板厚寸法を示す。 第6図は本発明のE型振動子のカツト方位の説
明図である。第6図でE型振動子61は振動枝6
2の枝巾方向及び枝長方向が、それぞれ水晶のX
軸(電気軸)及びY軸(機械軸)に一致した状態
(Zカツトの状態)から出発して、X軸のまわり
に角度φ(φの符号は反時計方向を正とする)だ
け回転されている。第7図から第11図は、本発
明のE型振動子の温度係数の3次元有限要素法に
よる計算値を示すグラフである。計算の際一定に
するカツト角度又は寸法パラメーターを第1表3
行目から8行目に示す。尚第1表2行目は従来の
E型振動子の寸法パラメーターの1例である。横
線はその部分のパラメーターが可変であることを
示す。計算の際(1)式の基準温度T0はT0=25.0℃
とした。 計算値は水晶振動子の金属薄膜電極、支持部
材、水晶の圧電性等を無視したものである。
〔実施例〕
以下本発明の実施例について説明する。 第12図は本発明のE型振動子の共振周波数温
度特性を示すグラフである。カツト角度φの値は
第11図Aから1次温度係数α=0となる点とし
てφ=−14.2゜となる。φ=−14.2゜のときの2次
温度係数β及び3次温度係数γの値は、それぞれ
第11図B及び第11図Cから読みとるとβ=
1.2×10-9-2、γ=2.2×10-11-3となる。第1
2図は上記α、β、γの値を使つて(1)式から計算
された温度特性を示すグラフである。第12図か
ら本発明のE型振動子の共振周波数温度特性
(Δf/f0)は、温度0℃〜40℃間で0.5ppm以内に
入り、極めて良好であることがわかる。 本発明のE型振動子が、従来のE型振動子にく
らべて、共振周波数温度特性が良くなる理由は、
定性的に次のように考えられる。E型振動子が、
第2図A,Bに示すような振動モードで振動する
とき、振動枝部では、主として、伸びひずみ成分
が存在し、ベース部では、せん断ひずみ成分が存
在するようになる。従つて共振周波数に関与して
いる弾性定数は上記2種類のひずみ成分に対応し
て2種類となる。本発明はこれらの弾性定数の温
度係数が互にキヤンセル又は正の方向にあり、従
来のものはそうなつていないことによる。第13
図Aは本発明実施例の電極構造を示す斜視図であ
る。水晶からなる振動枝131,132,133
の側面には、金属薄膜電極135,136が蒸
着、スパツターなどの手段によつて固着されてい
る。振動枝131,132,133の先端部に
は、周波数調整用の付加質量として、金属膜13
4が固着されている。第13図Bは第13図Aで
振動枝131,132,133のYY断面から見
たときの金属薄膜電極の接続を示す断面図であ
る。電極端子137,138に振動子130の面
外屈曲1次振動の共振周波数に等しい周波数の電
圧を付加すれば、振動枝131,132,133
の内部には矢印で示すような交番電界成分が発生
し、振動子130は水晶の圧電効果によつて、第
2図A,Bに示すような振動モードで振動する。
第14図は1本の振動枝の中の電界分布の様子を
示す図である。端子141がプラス電極で、端子
142がマイナス電極のとき、振動枝143の中
には、電気力線144,145が発生し、板厚の
上半分と下半分に互に逆向きの平行電界成分が発
生する。第15図は本発明実施例の支持構造を示
す斜視図である。振動子151の電極端子15
2,153は、円筒形の気密端子154のステム
155,156に導電接着剤157で固着されて
いる。 〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明は小型低周波で
共振周波数温度特性が極めて良好となる、2つ
の振動モードの結合を利用して、共振周波数温度
特性を改良したものではないので、共振周波数温
度特性は、振動子の寸法誤差、周波数調整工程な
どの影響をほとんど受けない、振動子のベース
部(支持部)の振動変位が広範囲にわたつて、非
常に小さくなるので、振動子の支持が極めて容易
となる、ホトリソグラフイー技術によつて製造
できるため、均一特性及び量産性の確保が容易な
ことなど、高精度、低消費電力の発振子として大
きなメリツトを有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来及び本発明に係るE型振動子の形
状を示す斜視図、第2図A,Bは従来及び本発明
で利用するE型振動子の振動モードの説明図であ
り、第2図Aは第1図YY断面から見た振動モー
ドの断面図、第2図Bは第1図XX断面から見た
振動モードの断面図、第3図は従来及び本発明に
係るE型振動子の寸法パラメーターの説明図で第
3図Aは平面図、第3図Bは側面図、第4図は従
来のE型振動子のカツト方位の説明図、第5図は
従来のE型振動子の1次温度係数αとカツト角度
θの関係を示すグラフ、第6図は本発明のE型振
動子のカツト方位の説明図、第7図は本発明のE
型振動子の1次温度係数αとカツト角度φの関係
を示すグラフ、第8図は本発明のE型振動子の1
次温度係数αと真中の振動枝の巾寸法比(h0
t)の関係を示すグラフ、第9図は本発明のE型
振動子の1次温度係数αとスリツト巾寸法比
(g/t)の関係を示すグラフ。第10図は本発
明のE型振動子の1次温度係数αと振動枝の長さ
寸法比(l/t)の関係を示すグラフ、第11図
A,B,Cは本発明のE型振動子の1次温度係数
α、2次温度係数β、3次温度係数γとカツト角
度φの関係を示すグラフ、第12図は本発明のE
型振動子の共振周波数温度特性例を示すグラフ、
第13図Aは本発明実施例の電極構造を示す斜視
図、第13図Bは第13図AのYY断面から見た
金属薄膜電極の接続を示す断面図、第14図は振
動枝の中の電界分布を説明するための断面図、第
15図は本発明実施例の支持構造を示す斜視図で
ある。 5……振動変位の方向、11,12,13,1
31,132,133……振動枝、41……従来
のE型振動子、61……本発明のE型振動子、1
35,136……金属薄膜電極、137,138
……電極端子、130,151……本発明実施例
のE型振動子、154……気密端子、155,1
56……ステム、157……導電接着剤。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 一様な板厚の水晶板に3本の振動枝をE型に
    形成し、中央の振動枝と両側の振動枝とは互に逆
    位相で振動する水晶振動子において、 前記振動枝の幅方向及び長さ方向がそれぞれ水
    晶のX軸(電気軸)及びY軸(機械軸)に一致し
    た状態(Zカツトの状態)をX軸のまわりに角度
    φ(φの符号は反時計方向を正とする)だけ回転
    するときφを−25゜から35゜の範囲の角度に設定
    し、さらに3本の前記振動枝のそれぞれの側面に
    金属薄膜電極を設け、該金属薄膜電極は前記振動
    枝の側面長手方向の中心線で2分割し、かつ2分
    割した前記金属薄膜電極はおのおの異なる電気的
    極性を備えていることを特徴とする水晶振動子。
JP21268381A 1981-12-25 1981-12-25 水晶振動子 Granted JPS58111515A (ja)

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