JPS5829653B2 - 圧電共振子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、縦軸線を中心としてねじり振動する少くと
も１個の直角平行大面体形石英棒から成る圧電共振子に
関するものである。

この種の共振子は、特に電子腕時計の分野で利用可能で
あるが、時計装置以外の分野でも、例えば小型発振回路
または石英フィルターの分野でも使用可能である。

この型の共振子はすでに公知であり、特に１１高周波技
術ならびに電気音響学“′誌、５６巻、１９４０年、第
３号、Ｐ６５〜８７において、” Ｕｅｂｅｒ Ｄｒｉ
ｌｌｕｎｇｓ ｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｅｎ ｖｏｎＱ
ｕａｒｚｓｔｍｂｅｎ ｕｎｄ １ｈｒｅ Ｂｅｎｉｉ
ｔｚｕｎｇ ｆｉｉｒＦ ｒｅｑｕｅｎｚｎｏｒｍａｌ
ｅ ”の標題で公表されたＥ。

ＧＩＥＢＥとＥ、ＢＬＥＣＨ８ＣＨＭＩＤＴの研究によ
って公知である。

この論文に記述されている共振子は石英棒から成り、そ
の長さは電気軸線Ｘに沿って配置され、他の２寸法はそ
れぞれ機械軸線Ｙと光学軸線Ｚに沿って配置される。

従ってこれは、結晶学的軸線に対する回転を伴わない共
振子である。

その熱特性の最適化、すなわち、周波数の一次熱系数の
禁止は、断面の割合を正当に選ぶことによって得られ、
厚さ／幅寸法比は１に近く取られる。

従って、この種の共振子は、その熱特性が非常に厳密に
厚さ／幅寸法比に依存するという欠点を持っている。

この故に、その量産に問題がある。

また、この種の共振子の二次熱係数は比較的高くなる。

最後に、この種の共振子の共鳴周波数はその体積に対し
て比較的高く、このことは二、三の用途において、特に
時計装置において、望ましくない。

この発明は、これらの望ましくない欠点を修正し、また
単一の応力が支配的となる前記の型の共振子において、
その体積の低下にもかかわらず共鳴周波数が比較的低く
、またその周波数の一次熱係数が禁止され、またその二
次熱係数も可能な限り低くされた共振子を提供しようと
するものである。

このため、この発明による共振子は、石英棒がＤＴ切断
とＣＴ切断のうちから選ばれた切断を有すること、およ
び結晶の電気軸線Ｘの方向の石英棒の長さＬと、軸線Ｚ
′に沿ったその幅ｂ＜Ｌと、軸線Ｙ′に沿ったその厚さ
ｈとが、下記の式によって結合されることを特色として
いる。

１〈互＜１０ 切断ＤＴとＣＴは、一般に表面剪断型作動共振子につい
て使用され、周波数の一次熱係数がゼロとなる如き、石
英電気軸線Ｘを中心とする石英棒軸線Ｙ′とＺ′の、そ
れぞれ機械軸線Ｙと光学軸線Ｚに対する、回転角度に対
応している。

出願人の見解によれば、この条件が満される回転角度は
僅少な偏差値を示し、従ってＤＴ切断とＣＴ切断は、そ
れぞれ、約−５２°と約３８°に非常に近い角度範囲に
対応している。

好ましい実施態様においては、使用される石英棒はＤＴ
切断であり、これにより周波数の二次熱係数を特に小さ
くすることが可能である。

前述の事柄に関連して特記すべきは、剪断に使用される
石英切断ＤＴまたはＣＴは、二次効果の故に、厳密には
、最良のねじり熱行動を与える切断ではない事である。

以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明す
る。

第１Ａ図と第１Ｂ図は、縦軸線Ｘ方向に長さＬを有し、
幅ｂ、厚さｈの、直角平行六面体形状の、ＤＴ切断の、
石英棒１から成る共振子を示す。

第１Ａ図は、表面積の大部分においてメタリンジング処
理された前記石英棒の上面を示している。

この面は、メタライジング処理された横断帯３を持つ区
域によって２区域２と２′に分割された電極を備えてい
る。

前記の横断帯３は、石英棒１の小縦面を被覆した電極４
と５を接続している。

第１Ｂ図に図示された石英棒１の下面は電極６を有し、
この電極６は側面帯７ 、７’ 、 ７”、７７によっ
て上面電極の各域２，２′に接続されている。

２本の接続線８と９は好ましくは、石英棒１の大面に対
して直角に、それぞれ横断帯３と電極６の少くとも近似
的中心の点に溶接されている。

第１Ｃ図は、石英を切断した軸線に対する石英棒の主方
向の配置を示す。

Ｘ、Ｙ、Ｚをそれぞれ結晶の電気軸線、機械軸線および
光学軸線とする。

石英棒のそれぞれ長さＬ、厚さｈ１幅すに対して平行な
石英棒主方向Ｘ、Ｙ’、Ｚ’は、軸線Ｘを中心として軸
線Ｘ、Ｙ、Ｚを切断角ψづつ回転させることによって得
られる。

ＤＴ切断の場合、切断角φは一５１°〜−５７°の範囲
の値を有する。

ＣＴ切断の場合、切断角ψの値は３３°〜３９°の範囲
内である。

第２図は石英棒１と類似の石英棒２１から成る、第１Ａ
図と第１Ｂ図による共振子の変形を示す。

その上下の大面はそれぞれ電極２２と２３を担持し、ま
たこれらの電極は、メタライジング処理された側面帯２
４と２４′によって相互連接されている。

石英棒２１の両側縦方向小面もメタライジング処理され
て、それぞれ電極２５と２６を威し、これらの電極は、
相互に、メタライジング処理された横断帯２７によって
接続されている。

この帯２７は、電極２２を備えた石英棒の大面の一方の
先端に横方向に配置されている。

電極２３を有する大面の一方の末端に、前記横断帯２Ｔ
と類似の横断帯２１′を配置することができる。

この配置は、石英棒の上下の大面上の電極の対称性の故
に、特に興味あるものである。

この場合には、一枚の、同一のマスクで石英棒の各面の
メタライジング処理を実施することができる。

接続線２８と２９が、それぞれ電極２２と横断帯２７に
対して切線方向に固着（溶接）されている。

この故に、この共振子がその縦軸線を中心としてねじり
振動する時、これら接続線固定点は実際上全く応力を受
けることはない。

これに対し、これらの接続線は回転応力を受ける。

第１Ａ図と第１Ｂ図に述べられた例においては逆の効果
が生じる。

すなわち、溶接点は比較的大きな応力を受けるが、接続
性そのものは全く回転運動を受けない。

一例として、下記の寸法を有するこの型の共振子をとろ
う：長さＬ＝５．６０ｍｍ、幅ｂ＝１．００ｍｍ、厚さ
ｈ ＝ ０．２４ｍｍ０この発振子は１３１，０７２ｋ
Ｈｚまたは２１７Ｈ２の共鳴周波数で振動し、時計装置
において容易に使用可能である。

石英棒状のねじり共振子は曲げ共振子との確実な類似性
を示す。

事実、いずれの場合においても、粒子運動は横方向であ
り、すなわち波の伝播方向に対して直角であり、また大
きな回転作用の結果、周波数は比較的低い。

また、ねじりの場合にも曲げの場合にも、２本の石英棒
を並列して音叉状の共振子を得ることができるので、前
記の類似性は更に拡大する。

１１ねしり１１音叉を成すこの実施態様は、剛性支承体
上にはめ込むことによって固定することができ、実際上
、振動を伴わないという利点を示す。

これによって、細い懸垂線の使用を避けることができ、
従って製造工程を簡略化し、また機械的衝撃に対する抵
抗を増大することができる。

この様な音叉の種々の実施例を下記に詳細に説明する。

第３Ａ図と第３Ｂ図について述べれば、石英素子３１は
２本の石英棒３２．３３を有し、これらの石英棒は縦方
向に平行に並置され、またそれぞれの一方の末端によっ
て共通ベース部材３４に接続されている。

石英棒３２の２Ａ面はそれぞれ電極３５と３６を備え、
これらの電極はメタライジング帯３７によって相互に接
続され、このメタライジング帯は素子３１の縦方向小面
の一方の末端に配置される。

同様にして、石英棒３３の両側大面は電極３９と４０を
備え、これらの電極は相互にメタライジング帯４１によ
って接続され、このメタライジング帯４１は素子３１の
縦方向小面４２の一方の末端に配置されている。

また石英素子３１の縦方向小面３８と４２はそれぞれの
面積の大部分においてメタライジング処理され、電極を
形成している。

側面３８の電極は、石英棒３３の電極３９の延長部を威
す縦方向帯４３に接続され、これに対して、側面４２の
電極は、石英棒３２の電極３５の延長を成す縦方向帯４
４に接続されている。

一方の電極対３５．３６と他方の電極対３９゜４０は、
第３Ａ図に図示された外側結線によって、それぞれ縦方
向小面の電極４２と３８に接続されていて、この双極共
振体の２極を成している。

第４図は本発明共振子の他の実施態様を示し、この共振
子は、第３Ａ図と第３Ｂ図の石英素子と同一の形状およ
び同一の切断の石英素子５１を有する。

この素子５１は２本の石英棒５２と５３を有し、これら
の石英棒は縦方向に平行に並列され、共通ベース部５４
に連結している。

石英棒５２の相互に平行な両大面は同一形状の電極５５
と５５７を担持し、これらの電極は石英棒５２の中面に
対して対称的であり、また大面に対して平行であり、ま
た相互に、２本のメタライジング帯５６と５６′によっ
て接続されている。

これらのメタライジング帯は、それぞれ電極５５と５５
′から、縦方向に、ベース部５４の自由端部まで延び、
このベース部５４の自由横断面上で相互に接続している
。

同様にして、石英棒５３の平行大面はそれぞれ電極５７
と５７′を担持し、これらの電極は相互にメタライジン
グ帯５８と５８′によって接続され、またこれらのメタ
ライジング帯はそれぞれ電極５７と５７′から、ベース
部５４の自由端まで延び、このベース部の自由横方向面
において相互に接続している。

他方において、石英素子５１の縦方向小面はその全面に
わたってメタライジング処理され、それぞれ電極５９と
６０を形成し、また石英棒５２と５３の、相互に平行で
素子５１の前記縦方向小面に平行な、縦方向小面は、そ
の全面を被覆する電極６１と６２を備えている。

電極５９と６１は、石英棒５２の横方向面を被覆するメ
タリゼーション６３によって相互に接続されている。

同様にして、電極６０と６２は、石英棒５３の横方向面
を被覆するメクリゼーション６４によって相互に接続さ
れている。

そのほか、電極６０は、縦方向帯５６．５６’と外部結
線とを介して、電極５５．５５’に接続されている。

同様に、電極５９は、縦方向帯５８゜５８′と外部結線
とを介して、電極５７ 、５７’に接続されている。

石英素子の大面上の対称メタリゼーションと、関係側面
の全面のメタリゼーションとを有する第４図による実施
態様は、大量生産に際してメタリゼーションの実施のた
めに大きな利点を成している。

第５図は、その電気的特性の観点から特に興味のある音
叉形共振子の実施態様を示す。

第３Ａ図、第３Ｂ図および第４図の素子と類似の素子７
１は、それぞれ７２，７３．７４で示された２本の石英
棒と共通ベース部とを有する。

この素子７１と石英棒７２．７３の各小面のメタリゼー
ションは、第４図の例における同一面のメタリゼーショ
ンと同様である。

石英棒７２と７３の大面は、素子の２対称面に対して対
称的な電極、すなわち電極７５ 、７５’および７６．
７６’をそれぞれ担持している。

これらの電極は、ベース部７４の各大面上のメタリゼー
ション処理された部分、すなわち７７と７７′、によっ
て全部相互に接続されている。

素子の両人面上の電極は外部結線７８によってアースに
接続されているのに対し、２本の石英棒の各小面上に形
成された電極はそれぞれの接続線７９と８０を備え、こ
れらの接続線は、三極素子を或すこの共振子の他の２接
続を構成している。

第５図に図示された電極の配置は、接地された電極が石
英棒の大面上に存在することによる遮蔽効果のため、こ
の共振子の動的容量を最小限度に低下させることができ
る。

このようにして、共振子の動的容量と静的容量間の最適
比率、すなわち圧電接続極大値を得ることができる。

事実、これら容量の比率は、第３Ａ図、第３Ｂ図および
第４図によって図示された音叉の場合、近似的に１０−
３と１０−４の範囲内にあり、また第５図によって図示
された型の音叉の場合、１０−２１０−３の範囲内にあ
る。

時計装置分野で通常使用されている曲げ振動型石英素子
に対比して、本発明による音叉型石英素子によって得ら
れる利点を一例で説明しよう。

すなわち、０．５ｍｍＸ ０．１２ｍｍの横断面、２．
６ ｍｍの長さを有し、０．２ｍｍの間隔で、長さ２〜
２．５ ｍｍのベースに連結した２本の石英棒から成る
素子は、１３１．０７２ｋＨｚ、すなわち２１７Ｈｚの
共鳴周波数を示し、これは時計装置分野において特に有
効な周波数である。

曲げ石英共振子に対比して、本発明によるＤＴ切断のね
じり共振子の利点は、係数２〜３の二次熱係数の改良で
ある。

従来の表面剪断型作動ＤＴ切断石英共振子に対比して、
熱行動は類似である。

しかし、本発明の共振子によれば、下記観点のいずれか
による利得が得られる：同一体積で、３分の１の周波数
が得られる；同一表面積で、６〜８分の１の周波数が得
られる；また同一周波数で、最大寸法は３分の１、表面
積は４０〜６０分の１となる。

電極の配置に関して言えば、圧電接続の観点から理想的
な方法は石英棒の四面上のメタリゼーションである。

製造工程を簡単化するため、石英棒の小面の１つのメタ
リゼーションを放棄することができ、特に音叉の場合に
は、相互に対向する石英棒の小面をメタリゼーション処
理しないでおくことができる（第３Ａ図と第３Ｂ図）。

棒状の共振子のメタリゼーション工程を簡単化するため
、大面のみをメタリゼーション処理し、小面電極として
共鳴箱の側壁を利用することができる。

しかし電気上の理由から、これらの側壁は石英棒の表面
にできるだけ近い距離になけれはならない。

従って、このような条件は、量産上問題がある。

これに対し、この方法は、石英片全部をメタリゼーショ
ン処理し、次にこれを切断することが可能である。

すなわち、電極の設置後に切断することができる。

このようにして得られた石英棒はそのまま使用すること
ができ、もはやメタリゼーション処理のため例らの処理
を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図と第１Ｂ図はＸ軸を中心としてねじり振動する
本発明による棒状共振子のそれぞれ上面図と下面図、第
１Ｃ図は石英棒の切断パラメータを示す図、第２図は電
極を対称的に配置した第１Ａ図と第１Ｂ図の石英共振子
と類似の石英共振子を示す図、第３Ａ図と第３Ｂ図は、
第１図の共振子において使用された石英棒のごとき２本
の石英棒を有するねじり音叉形共振子のそれぞれ上面図
と下面図、第４図は第３Ａ図と第３Ｂ図のものと類似の
ねじり音叉であるが、電極を対称的に配置したねじり音
叉の斜視図、また第５図は第３Ａ図、第３Ｂ図および第
４図のものと類似のねじり音叉であるがその電極が三極
を威すようにしたねじり音叉の斜視図である。 １・・・・・・石英棒、２．２’、４，５，６，７，７
’・・・・・・メタリゼーション帯（電極）、３１・・
・・・・素子、３２．３３・・・・・・石英棒、３４・
・・・・・共通ベース部、３５．３６，３７，３８，３
９，４０，４１゜４２・・・・・・メタリゼーション帯
、５１・・・・・・素子、５２．５３・・・・・・石英
棒、５４・・・・・・ベース、５５゜５６．５５’、５
６’、５７，５８，５７’、５８’。 ５９．６０，６１，６２，６３，６４・・・・・・メタ
リゼーション帯、７１・・・・・・素子、７２．７３・
・・・・・石英棒、７４・・・・・・ベース部、７５，
７５’、７６゜７６’、７７．７７’・・・・・・メタ
リゼーション帯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 縦軸線を中心としてねじり振動する直角平行六面体
   形の少くとも１個の石英棒を持つ時計装置用圧電共振子
   において、前記石英棒はＤＴ切断とＣＴ切断のうちから
   選ばれた切断であること、また結晶の電気軸線Ｘの方向
   に沿った石英棒の長さＬと、軸線Ｚ′に沿ったその幅ｂ
   ＜Ｌと、軸線Ｙ′に沿ったその厚さｈとが、下記式によ
   って結合されていることを特徴とする圧電共振子。 １＜−＜１０ ２ 石英棒はＤＴ切断であり、その切断角φは一５１°
   と一５７°との範囲内に含まれ、この角度は、一方では
   軸線Ｙ、Ｙ’によって定められ、他方では軸線Ｚ Ｉ
   Ｚ’によって定められ、ここにＹとＺはそれぞれ石英結
   晶の機械軸線と光学軸線、Ｙ′とＺ′はこの石英棒のそ
   れぞれ厚さと幅に平行な石英棒の主方向であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項による共振子。 ３ 石英棒の断面の各寸法は下記の式によって結合され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   による共振子。 ４ 石英素子は、縦方向に平行に並置された２個の棒状
   要素と、音叉を形成するごとく前記２個の棒状要素に共
   通のベース部とを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項または第３項のいずれかによる共
   振子。 ５ 各石英棒はその大面の一方を少くとも大部分被覆す
   る第１電極を有し、この電極は、石英素子の隣接縦方向
   小面上に配置されたメタリゼーション帯によって、前記
   大面に平行な大面を少くとも大部分被覆する第２電極に
   接続されていること、前記の２個の棒状要素の前記第１
   電極は、これらの電極から縦方向に前記共通ベース部の
   末端まで延びたメタリゼーション帯を有すること、およ
   び石英素子の各縦方向小面は１個の電極を備え、この電
   極は、これと隣接していない大面電極から延長された縦
   方向メタリゼーション帯に接続されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第４項による共振子。 ６ 前記の各石英棒は、その各大面上に、その面積の少
   くとも大部分を被覆する電極を備え、各石英棒の平行２
   電極は、これらの電極から石英素子ベース部の末端まで
   延びた縦方向メタリゼーション帯によって、相互に接続
   されていること、石英素子の各縦方向小面は１個の電極
   を備え、この電極は、前記小面に隣接する石英棒の平行
   小面を被覆する電極に対して、この石英棒の横方向小面
   を被覆するメクリゼーション帯によって、接続されてい
   ること、また石英素子の一方の縦方向小面を被覆する電
   極は、この電極に隣接しない石英棒の両人面を被覆する
   電極に接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項による共振子。 ７ 各石英棒は各大面上に、その面積の少くとも大部分
   を被覆する電極を有し、これらの電極全部が、これらの
   電極から石英素子のベース部の末端まで延長された１本
   の縦方向メタリゼーション帯によって相互に接続され、
   またアースに接続されていること、また石英素子の各縦
   方向小面は１個の電極を備え、この電極は、その小面に
   隣接する石英棒の平行小面を被覆する１個の電極に対し
   て、前記石英素子の横方向小面を被覆するメタリゼーシ
   ョン帯によって接続されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項による共振子。