JPS6048928B2 - 音叉型水晶振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音叉型水晶振動子の電気機械結合係数を適当に
選ぶことによつて時計用振動子として最適の条件て使用
できる音叉型水晶振動子に関する。

最近、腕時計の時間標準として圧電材料、特に水晶振動
子が使われている。

これは、圧電材料の電気機械変換を利用して振動を持続
させ時間標準とするものてあるが、この電気機械変換が
大きいものほど効率が良い。そして、最大効率を得るべ
き振動子の開発が精力的に成されて来た。しかし、この
考えは、時計用振動子として使用する場合種々様々な不
具合が生じる。次に、この不具合について述べる。第１
図は時計に使用されている水晶発振回路で、Ｃ−ＭＯＳ
ＩＣ、フィードバック抵抗Ｒｆ）負荷容量Ｃｇ、、Ｃｄ
と音叉型水晶振動子から構成されている。

そして、第１図の水晶振動子の両接続端子から発振回路
側を見たとき、発振回路側は等価直列静電容量と等価直
列抵抗、すなわち負荷容量Ｃと負性抵抗値−Ｒで表され
る。従つて、第１図で得られる発振周波数は第２図の回
路構成から得られる共振周波数と一致する。そして、負
荷容量Ｃと負荷容量Ｃｇ、、Ｃｄとの間には次の関係が
ある。ｃ＝１２ ・・・・・・（１）Ｃｇ＋ Ｃｄ 又、第１図の負荷容量Ｃｇは容量可変なトリマーコンデ
ンサーが一般的に使用される。

式（１）より明らかなように、Ｃｇを変えることは負荷
容量Ｃを変えることと等価であるから、以後は第２図に
使つて説明する。今、第２図の負荷容量Ｃと周波数変化
Δｆ／ｆ、（Ｃ■工を基準にして）との関係を第３図に
示す。負荷容量Ｃが小さくなるにつれて、少ない容量変
化でも周波数変化が大きくなる一つの双曲線を示す。水
晶振動子を時計用として使用する場合、この傾きが非常
に重要である。即ち、負荷容量ＩＰＦ当たりの周波数の
変化が問題となる。時計用として水晶振動子を使用する
場合、周波数の最終合わせ込みは、たとえば前述したト
リマーコンデンサーを使用している。この場合ＩＰＦ当
たりの周波数の変化が大きすぎると負荷容Ｊ量に対する
周波数変化が大きく、コンデンサーの経時変化が問題に
なる。即ち、少しの容量変化でも大きな周波数変化をま
ねき、時計の狂いを生じさせる。一方、ＩＰＦ当りの周
波数変化が小さすぎるとコンデンサーの可変容量範囲を
大きくする丁か、水晶振動子自体の規準周波数の合わせ
込み精度を上げなければならない。このように、可変容
量範囲を大きくすることは現実的には不可能に近く、ま
た、負荷容量を大きくすることは消費電流（負荷容量Ｃ
に比例する）が多くなり好ましくない。同様に、水晶振
動子自体の規準周波数の合わせ込み精度を製造の際に上
げることは水晶振動子 クが高くなりこれも好ましくな
い。本発明は音叉型水晶振動子の圧電効率、即ち、電気
機械結合係数ｋの最適化によつて水晶振動子自体の作り
込みを容易にし、かつ歩留の向上を図り、同時に、長期
にわたつて高精度水晶時計を得る音叉型水晶振動子を提
供することにある。

特に、発振回路を構成をしたとき、負荷容量Ｃｇ）Ｃｄ
をできるだけ小さい値を使用して消費電流を小さくし、
かつ、長期にわたつて高安定発振周波数を得るもので、
ｋを０．０２５〜０．０３５に限定するものである。こ
のｋは水晶振動子の切り出し角度や電極配置等によつて
決定される。次に、ｋによつて負荷容量Ｃと周波数変化
Δｆ ／Ｆ，の関係が変わることを数式を使つて具体的
に述べる。第２図の回路のインピーグンスを計算し、直
列共振周波数ｆにおいて零の条件を代人すると次式を得
る。

Ｃ， ｆ＝Ｆ，（１＋−）”／゜ Ｃ０＋Ｃ ｌｌＣＯ ：ｆｌ （１＋−・ − ・ −） ・・・・・・（２
）２ｒＣ０＋Ｃここで、Ｆ，はＣ＝ωのときの共振周波
数でＦ，＝１Ｃ０−で与えられ、又はｒは容量比でｒ
＝ー２πＶＬ．Ｃ，Ｃ、 で与えられる。

更に、容量比ｒは電気機械結合係Ｊ数ｋて表すことがて
き、ｒとｋの関係は次式て表される。π１ ｒ：ＮＫ・・・・・・（３） 式（３）を式（２）に代人して、更に、Ｃ＝ωのときの
３周波数を基準にすると式（３）は次のようになる。

△Ｆｆ−Ｆｌｖ／２Ｃ０−ーーニーｋ− ・・・・・・
（４） ＦｌｆｌπＣＯ＋Ｃ 従つて、式（４はり周波数変化Δｆ ／Ｆ，と負荷容量
Ｃとの関係は電気機械結合係数ｋによつて変わ４ｒる。

第４図は負荷容量Ｃと周波数変化Δｆ ／Ｆ，との関係
を示した図で、水晶振動子のｋによつてΔｆ ／Ｆ，と
Ｃの特性、即ち、緩急特性が異なることを示している。
従来の発振回路で使用されている音叉型水晶振動子のｋ
は０．０４が一般的であつた。これは、前述したように
、負荷容量Ｃが小さい領域では負荷容量Ｃに対する周波
数変化Δｆ ／Ｆ，が；大きくなり、少しの容量変化で
大きな周波数変化をもたらす。又、周波数変化Δｆ ／
Ｆ，が小さい領域では負荷容量Ｃが自動的に大きくなつ
てしまい消費電流が増大する。そこで、本発明では小さ
い負荷容量を使用した場合でも、長期にわたつて安ク定
な発振周波数が得られる音叉型水晶振動子を提供するも
ので、実際には電気機械結合係数ｋを改善することによ
り本発明の目的を達成している。第４図では本発明の最
適なｋ）即ち、ｋ＝０．０２５と０．０３５のときのΔ
ｆ／Ｆ，とＣとの関係を示して７いる。ｋが小さくなる
につれて、同じ負荷容量範囲ではΔｆ ／ｆｌは小さく
なることが図から容易に理解できる。次に、ｋを実際に
変える方法と数値限定した理由によつて述べる。式（３
１ｃ１，り明らかなように、ｋは容量比ｒによつ・て変
わる。

即ち、水晶振動子の等価回路定数の等価容量Ｃ，と並列
容量Ｃ。によつて変わる。それ故、Ｃ、、ＣＯは水晶振
動子の電極配置及びカット角によつて決定されるから、
ｋは実際には電極配置及びカット角によつて変わり、か
つ決定される。第５図は本発明の音叉型水晶振動子を切
り出すときの座標軸と水晶の位置関係を示す。

即ち、ＸＮＹＮＺ軸は各々水晶の電気軸、機械軸、光軸
を示し、音叉型水晶振動子はまずＸ軸に垂直な位置にあ
ると考える。次に、この水晶振動子をＹ軸を回転軸とし
てθ度回転したときの図が第５図である。そして、Ｘ’
、Ｚ’軸はＸ）Ｚ軸の回転後の新軸てある。第６図は第
５図の水晶振動子の断面図を示すと同時に、振動子上に
配置される電極の様子を示す。電極構造は第６図に示す
ように２端子電極構造としてものである。この両端子を
第１図の回路のように接続することによつて発振を持続
することがてきる。第？図は音叉型水晶振動子の切出角
度θと電気機械結合係数ｋとの関係を示す。この図から
分かるように切り出し角度θが大きくなるにつれてｋが
小さくなり、θ＝９０゜ではＸ軸方向の電界成分が零で
あるから励振不可能となる。このように、カット角を変
化させることによつて、本発明のｋを得ることができる
。ここでｋの値は上限である０．０３５以下てあれば、
水晶発振回路で、たとえ小さな負荷容量Ｃ（あるいはＣ
ｇＮＣｄ）を持つコンデンサーを使用し、若干の容量の
経時変化があつても周波数安定性を十分に維持し、同時
に、負荷容量が小さいので消費電流を小さくすることが
できる。また、ｋが小さ過ぎると効率が悪くなるため、
水晶振動子の等価回路定数Ｒ，が大きくなり、このよう
な水晶振動子を発振回路に於いて安定発振を継続するこ
とは不可能でに近く、極端な場合には発振しない場合が
でて来る。これを無理に励振させようとすると、ＩＣの
増巾率を極めて大きくしなければならない。即ち、消費
電流が著しく大きくなり、特に時計用振動子としては使
用不可能となる。このような理由から、ｋの下限値とし
ては０．０２５が得られる。以上述ぺたように、ｋの最
適値化を図ることは次のような効果を有する。（ｉ）
負荷容量Ｃが小さくても、ＩＰＦ当たりの周波数変化Δ
ｆ ／Ｆ，が従来のものより小さくなり、コンデンサー
の経時変化が若干生じても小さな周波数変化で済むので
、周波数が安定な発振を維持することができる。

（Ｉｉ） 負荷容量Ｃ（あるいはＣｇ，．Ｃｄ）が小さ
いので消費電流を小さくすることができる。

以上のように、本発明はｋを制限（第４図の斜線部）す
ることにより、消費電流の減少、水晶発振回路の安定性
の両方を満足し、高精度水晶時計を得ることができる。
ネ図面の簡単な説明 第１図は時計用に使用されている水晶発振回路図、第２
図は水晶振動子に直列に負荷容量Ｃを接続したときの回
路図、第３図は負荷容量Ｃと周波数変化△ｆ ／Ｆ，と
の関係を示す図、第４図はｋを５パラメータとしたとき
の負荷容量Ｃと周波数変化Δｆ ／Ｆ，との関係を示す
図、第５図は水晶振動子の切り出し角を示す図、第６図
は水晶振動子の電極構成図、第７図は水晶振動子の切り
出し角度とｋとの関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 音叉型水晶振動子において、前記振動子の電気機械
   結合係数ｋが０．０２５≦ｋ０．０３５≦としたことを
   特徴とする音叉型水晶振動子。