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JPS6212684B2 - - Google Patents
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JPS6212684B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6212684B2
JPS6212684B2 JP11012676A JP11012676A JPS6212684B2 JP S6212684 B2 JPS6212684 B2 JP S6212684B2 JP 11012676 A JP11012676 A JP 11012676A JP 11012676 A JP11012676 A JP 11012676A JP S6212684 B2 JPS6212684 B2 JP S6212684B2
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JP
Japan
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vibration
tuning fork
harmonic
oscillation
crystal resonator
Prior art date
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Application number
JP11012676A
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Japanese (ja)
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JPS5335462A (en
Inventor
Hirofumi Kawashima
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は音叉型水晶振動子の動インピーダンス
(コンダクタンスの逆数)に関する。特に本発明
に第二高調波振動の動インピーダンスを改善する
ことにある。本発明の目的は音叉型水晶振動子の
動インピーダンスを適当に選ぶことにより安定し
た発振回路を提供するものであり、かつ長寿命水
晶時計を提供するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to dynamic impedance (reciprocal of conductance) of a tuning fork type crystal resonator. In particular, the present invention is directed to improving the dynamic impedance of second harmonic vibrations. An object of the present invention is to provide a stable oscillation circuit by appropriately selecting the dynamic impedance of a tuning fork type crystal resonator, and to provide a long-life crystal clock.

近年、水晶時計への電子化は目ざましく、これ
に伴い、水晶時計の時間標準である水晶振動子の
開発が活発に行なわれている。現在水晶時計の時
間標準としては音叉型水晶振動子が一般的に使用
されている。このタイプの水晶振動子は特性的に
安定している点で良く使用される。水晶時計の時
間精度は水晶発振回路の安定性によつて決まると
言つても過言ではない。最近、安価な水晶振動子
特にフオトマスキングの技術を使つた水晶振動子
の開発がなされている。このタイプの水晶振動子
は外形形状はフツ化水素等の液によつてエツチン
グによつて作られるため従来、一般に、使用され
ている励振方法とは異なつている。このためエツ
チングによつて形成される音叉型水晶振動子は電
界強度が従来の音叉型水晶振動子より弱いため、
動インピーダンスの増加と同時に自励発振による
発振領域が小さくなり、容量の小さい領域を使う
ため高調波振動を引き起こしやすくなる。本発明
はエツチングによつて形成された音叉型水晶振動
子に対して充分に安定した発振回路を提供するも
のである。
In recent years, electronic quartz clocks have become increasingly popular, and as a result, quartz crystal oscillators, which serve as time standards for quartz clocks, are being actively developed. Currently, a tuning fork crystal unit is commonly used as the time standard for quartz clocks. This type of crystal resonator is often used because of its stable characteristics. It is no exaggeration to say that the time accuracy of a crystal clock is determined by the stability of the crystal oscillation circuit. Recently, inexpensive crystal resonators, particularly crystal resonators using photomasking technology, have been developed. The external shape of this type of crystal resonator is produced by etching with a liquid such as hydrogen fluoride, which is different from the excitation method generally used in the past. For this reason, the electric field strength of tuning fork crystal resonators formed by etching is weaker than that of conventional tuning fork crystal resonators.
At the same time as the dynamic impedance increases, the oscillation region due to self-excited oscillation becomes smaller, and because a region with small capacity is used, harmonic oscillations are more likely to occur. The present invention provides a sufficiently stable oscillation circuit for a tuning fork crystal resonator formed by etching.

以下図面に沿つて説明すると、第1図は従来の
音叉型水晶振動子の概観図を示し、1は音叉型水
晶、2は一方の電極、3は他の一方の電極を示
し、第2図は前記音叉型水晶振動子の電極構成図
を示し、5,6は両端子電極である。第3図は本
発に係る音叉型水晶振動子の概観図を示し、6は
音叉型水晶、7,8は電極である。lは音叉腕の
長さ、leは励振用電極の長さである。
The explanation will be given below according to the drawings. FIG. 1 shows an overview of a conventional tuning fork type crystal resonator, 1 is a tuning fork type crystal, 2 is one electrode, 3 is the other electrode, and FIG. shows an electrode configuration diagram of the tuning fork type crystal resonator, and 5 and 6 are both terminal electrodes. FIG. 3 shows a general view of a tuning fork type crystal resonator according to the present invention, where 6 is a tuning fork type crystal, and 7 and 8 are electrodes. l is the length of the tuning fork arm, and le is the length of the excitation electrode.

第4図は本発明に係る音叉型水晶振動子の電極
構成図を示し、9,10は、電端子電極で、エツ
チングによつて音叉形状は成形されている。
FIG. 4 shows an electrode configuration diagram of a tuning fork type crystal resonator according to the present invention, and 9 and 10 are electrical terminal electrodes, which are formed into a tuning fork shape by etching.

従来の音叉型水晶振動子は側面に電極を有する
ので電気的特性は良いが、機械的加工と側面に電
極を有するので作業能率が悪くコストダウンでき
なかつた。本発明に係るエツチングによつて成形
された音叉型水晶振動子は電極形成が容易である
と共に音叉形状をエツチングで形成するため作業
能率が良く、コストダウンできるという長所を有
する。第8図は通常時計用に使用されている発振
回路を示し、11はインバーター、12は水晶振
動子、Rf,Rd………抵抗、Cg,Cdは可変コンデ
ンサー、VDDは電源電圧を示す。第9図は前記発
振回路に於いてCg,Cdを変えたときの水晶振動
子の発振領域を示し、13は従来の音叉型水晶振
動子の場合、14は本発明に係る音叉型水晶振動
子の場合であり、本発明に係る発振領域(Cg,
Cd=0〜50PF)は従来の発振領域よりも非常に
小さいことがわかる。即ち本発明に係る水晶振動
子を使用する場合、容量の小さいところで使う必
要がある。しかし容量を小さくした場合には第二
高調波振動をするという不具合を生じる。本発明
は前記の欠点を除去したものである。次に、本発
明の原理、手段について説明する。
Conventional tuning fork type crystal resonators have electrodes on the sides, so they have good electrical characteristics, but because they are mechanically processed and have electrodes on the sides, they have poor work efficiency, making it impossible to reduce costs. The tuning fork crystal resonator formed by etching according to the present invention has the advantage that electrodes can be easily formed, and since the tuning fork shape is formed by etching, work efficiency is high and costs can be reduced. FIG. 8 shows an oscillation circuit commonly used for watches, where 11 is an inverter, 12 is a crystal oscillator, Rf, Rd...resistors, Cg, Cd are variable capacitors, and VDD is a power supply voltage. FIG. 9 shows the oscillation range of the crystal resonator when Cg and Cd are changed in the oscillation circuit, where 13 is a conventional tuning fork type crystal resonator and 14 is a tuning fork type crystal resonator according to the present invention. In this case, the oscillation region (Cg,
It can be seen that Cd=0 to 50PF) is much smaller than the conventional oscillation region. That is, when using the crystal resonator according to the present invention, it is necessary to use it in a place where the capacitance is small. However, if the capacitance is made small, a problem arises in that second harmonic vibration occurs. The present invention obviates the above-mentioned drawbacks. Next, the principle and means of the present invention will be explained.

第5図は長さlの片持ち梁を示し、第6図は前
記梁の振動姿態を示す。15は屈曲振動における
基本振動の振動姿態、16は第二高調波の振動姿
態である。第7図は励振用電極の長さle/lと各
振動姿態に於けるコンダクタンスG(動インピー
ダンスの逆数)との関係を示し、17は基本振動
姿態、18は第二高調波の振動姿態に於ける励振
用電極le/lとコンダクタンスGとの関係であ
る。従来、一般に使用されている音叉型水晶振動
子の励振用電極le/lは約0.8位であつた。れは
基本振動姿態に於けるコンダクタンスGをできる
限り大きくするためであつた。しかし第7図に示
したようにle/lが0.8付近では第二高調波に於
けるコンダクタンスは基本振動に於けるコンダク
タンスよりも大きく、発振回路の条件によつては
充分に発振する特性を持つている。以下発振条件
について述べる。第8図は発振回路を示し、点線
19は帰還回路を示す。今インバーター11の増
巾率をA、帰還回路の帰還率をBとすれば振幅発
振条件はA・B≧1である。さらに発振条件とし
ては帰還回路での位相が180゜ずれている必要が
ある。第10図は第8図の点線部である帰還回路
を示し、Vdは入力電圧、Vgは出力電圧である。
第11図は水晶振動子を実数成分と虚数成分に分
けた図で水晶振動子のインピーダンスZはZ=
Re+jXeで与えられる。Reは実数成分、Xeは虚
数成分で、それぞれ動インダクタンスLo、動キ
ヤパシタンスCo、損失抵抗Ro、並列容量C1と角
周波数ωの関数で現わされ、次のようになる。
FIG. 5 shows a cantilever beam having a length l, and FIG. 6 shows the vibration state of the beam. 15 is the vibration mode of the fundamental vibration in bending vibration, and 16 is the vibration mode of the second harmonic. Figure 7 shows the relationship between the length le/l of the excitation electrode and the conductance G (reciprocal of dynamic impedance) in each vibration state, 17 is the fundamental vibration state, and 18 is the second harmonic vibration state. This is the relationship between the excitation electrode le/l and the conductance G. Conventionally, the excitation electrode le/l of a commonly used tuning fork type crystal resonator was about 0.8. This was to make the conductance G in the basic vibration state as large as possible. However, as shown in Figure 7, when le/l is around 0.8, the conductance in the second harmonic is larger than the conductance in the fundamental vibration, and depending on the conditions of the oscillation circuit, it has the characteristic of sufficient oscillation. ing. The oscillation conditions will be described below. FIG. 8 shows the oscillation circuit, and the dotted line 19 shows the feedback circuit. Now, if the amplification factor of the inverter 11 is A and the feedback factor of the feedback circuit is B, the amplitude oscillation condition is A.B≧1. Furthermore, as an oscillation condition, the phase in the feedback circuit must be shifted by 180°. FIG. 10 shows the feedback circuit shown by the dotted line in FIG. 8, where Vd is the input voltage and Vg is the output voltage.
Figure 11 is a diagram that divides the crystal oscillator into real and imaginary components, and the impedance Z of the crystal oscillator is Z=
It is given by Re + jXe. Re is a real component and Xe is an imaginary component, which are expressed as functions of dynamic inductance Lo, dynamic capacitance Co, loss resistance Ro, parallel capacitance C1 , and angular frequency ω, as shown below.

i1,i2、は各ループに流れる電流である。キル
ヒホツクの法則により次の式が成り立つ。
i 1 and i 2 are currents flowing in each loop. According to Kirchhock's law, the following formula holds true.

Rdi1+1/jwCd(i1−i2)=Vd −(1) (i2−i1)1/jwCd+JXei2+Rei2+1/j
wCgi2=0 −(2) 1/jwCgi2=Vg −(3) (1)(2)(3)より Vd/Vg=1−wCgXe−w2RdCdCgRe+jwCgRe +jwRdCg−jw2RdCdCgXe+jwRdCd −(4) 位相が180゜反転するには虚部が零となるから
(4)式を整理して Xe=1/W{1/Cg+1/Cd(1+Re/R
d)}−(5) W=2πf f=周波数 (5)式が他方の発振条件である。
Rdi 1 +1/jwCd(i 1 −i 2 )=Vd −(1) (i 2 −i 1 )1/jwCd+JXei 2 +Rei 2 +1/j
wCgi 2 =0 −(2) 1/jwCgi 2 =Vg −(3) From (1)(2)(3), Vd/Vg=1−wCgXe−w 2 RdCdCgRe+jwCgRe +jwRdCg−jw 2 RdCdCgXe+jwRdCd −(4) The phase is To invert 180°, the imaginary part becomes zero.
Rearranging equation (4), Xe=1/W{1/Cg+1/Cd(1+Re/R
d)}-(5) W=2πf f=frequency Equation (5) is the other oscillation condition.

(5)式に於いて従来の発振回路ではCg、Cdは約
25PF〜60PFと大きい容量を使用しているため基本
振動に於ける実効L(インダフタンス)成分は第
二高調波に於ける実効L成分より大きいため基本
振動で発振をする。しかしCg,Cdの容量を小さ
くした(5PF〜10PF)、第二高調波振動の動イン
ピーダンスが基本振動に於ける動インピダンスよ
りも小さい発振回路に於いて、第二高調波振動の
実効L成分は基本振動による実効L成分より大き
くなるため、第二高調波振動をするという不具合
を生じる。更に詳細に述べると、例として基本波
振動と第二高調波振動を考えると、水晶振動子の
等価回路は、第12図のように書くことができ
る。但し、LM1,CM1,RM1はそれぞれ基本波振
動での動インダクタンス、動キヤパシタンス、動
インピーダンスで、LM2,CM2,RM2は第二高調
波振動での動インダクタンス、動キヤパシタン
ス、動インピーダンスを示し、Csは電極間容量
である。又、基本振動、第二高調波振動での実数
成分、虚数成分を各々Re1,Re2,Xe1,Xe2とす
ると、次のように現わされる。
In equation (5), in the conventional oscillation circuit, Cg and Cd are approximately
Since a large capacity of 25 PF to 60 PF is used, the effective L (inductance) component in the fundamental vibration is larger than the effective L component in the second harmonic, so oscillation occurs at the fundamental vibration. However, in an oscillation circuit in which the capacitance of Cg and Cd is reduced (5 PF to 10 PF ) and the dynamic impedance of the second harmonic vibration is smaller than the dynamic impedance of the fundamental vibration, the effective L of the second harmonic vibration Since the component becomes larger than the effective L component due to fundamental vibration, a problem arises in that second harmonic vibration occurs. More specifically, considering fundamental wave vibration and second harmonic vibration as an example, the equivalent circuit of the crystal resonator can be written as shown in FIG. However, LM 1 , CM 1 , and RM 1 are the dynamic inductance, dynamic capacitance, and dynamic impedance at the fundamental vibration, respectively, and LM 2 , CM 2 , and RM 2 are the dynamic inductance, dynamic capacitance, and dynamic at the second harmonic vibration. Indicates impedance, and Cs is the interelectrode capacitance. Further, if the real component and imaginary component in the fundamental vibration and second harmonic vibration are respectively Re 1 , Re 2 , Xe 1 , and Xe 2 , then they are expressed as follows.

但し、ω、ωはそれぞれ基本振動、第二高
調波振動の角周波数を現わす。
However, ω 1 and ω 2 represent the angular frequencies of fundamental vibration and second harmonic vibration, respectively.

更に、(5)式より、Xe1、Xe2は Xe1=1/ω{1/Cg+1/Cd(1+Re
/Rd)} Xe2=1/ω{1/Cg+1/Cd(1+Re
/Rd)}………(6) 従つて、(0−1)式と(6)式によつて角周波数
ω、ωは決定される。
Furthermore, from equation (5), Xe 1 and Xe 2 are Xe 1 = 1/ω 1 {1/Cg+1/Cd(1+Re
1
/Rd)} Xe 2 =1/ω 2 {1/Cg+1/Cd(1+Re
2
/Rd)}......(6) Therefore, the angular frequencies ω 1 and ω 2 are determined by equations (0-1) and (6).

基本振動、第二高調波振動の帰環回路の帰還率
をβ、βとすると、(4)式より次のようにな
る。
If the feedback rates of the return circuit for the fundamental vibration and the second harmonic vibration are β 1 and β 2 , the following equation is obtained from equation (4).

1/β=1−ω1CgXe1−ω RdCdRe1 1/β=1−ω2CgXe2−ω RdCdRe2………(7) (7)式に(6)式を代入すると、(7)式は 1/β=ω1 2RdCgCdRe1+Cg/Cd(1+Re
/Rd) 1/β=ω2 2RdCgCdRe2+Cg/Cd(1+Re
/Rd)……… (8) 次に、基本振動と第二高調波振動の発振条件に
ついて考えると、今、仮に、基本振動、第二高調
波振動での増幅率を各々A1、A2とすると、それ
ぞれの発振条件は次のようになる。
1/β 1 =1−ω 1 CgXe 1 −ω 2 1 RdCdRe 1 1/β 2 =1−ω 2 CgXe 2 −ω 2 2 RdCdRe 2 ………(7) Substitute equation (6) into equation (7). Substituting the equation (7), 1/β 1 = ω 1 2 RdCgCdRe 1 +Cg/Cd(1+Re 1
/Rd) 1/β 22 2 RdCgCdRe 2 +Cg/Cd(1+Re 2
/Rd)...... (8) Next, considering the oscillation conditions for fundamental vibration and second harmonic vibration, suppose that the amplification factors for fundamental vibration and second harmonic vibration are A 1 and A 2 respectively. Then, the oscillation conditions for each are as follows.

A1β>A2βのとき基本振動で発振する。When A 1 β 1 > A 2 β 2 , it oscillates at the fundamental vibration.

A1β>A2βのとき第二高調波振動で発振す
る。 ………(9) これらのことを更に具体的に説明すると、同時
に、説明を簡単に解りやすくするために、(8)式に
於いて次のように仮定することができる。
When A 1 β 1 > A 2 β 2 , it oscillates with second harmonic vibration. ......(9) To explain these things more specifically, at the same time, in order to make the explanation easier to understand, the following assumption can be made in equation (8).

Cg=Cd=C Re/Rd Re/Rd≪1………(10) 従つて(8)式は 1/β=1+ω RdC2Re1 1/β=1+ω RdC2Re2 ………(11) これはそれぞれ角周波数ω、ω、出力抵抗
Rd、負荷容量C、それから水晶振動子の等価回
路での実数成分Re1、Re2が大きくなればなるほ
ど、帰還率β、βは小さくなることを意味し
ている。
Cg=Cd=C Re 1 /Rd Re 2 /Rd≪1……(10) Therefore, equation (8) is 1/β 1 =1+ω 2 1 RdC 2 Re 1 1/β 2 =1+ω 2 2 RdC 2 Re 2 ......(11) These are the angular frequencies ω 1 , ω 2 and output resistance, respectively.
This means that the larger Rd, load capacitance C, and real number components Re 1 and Re 2 in the equivalent circuit of the crystal resonator become, the smaller the feedback factors β 1 and β 2 become.

更に、具体的に例を上げて説明すると、 音叉型屈曲水晶振動子の場合、周波数ωとω
の間にはω=6ωの関係があるから、これ
を(11)式に代入して、さらに、今、RdとCを一定
とすると、(11)式は次のようになる。
Furthermore, to explain with a specific example, in the case of a tuning fork type bent crystal resonator, the frequencies ω 1 and ω
Since there is a relationship between ω 2 =1 , if we substitute this into equation (11) and further assume that Rd and C are constant, equation (11) becomes as follows.

1/β=1+ω1 2RdC2Re1 1/β=1+36ω RdC2Re2 ………(12) (12)式に於いて、基本振動と第二高調波振動が同
じ帰還率を持つためには、 Re2=Re/36 ………(13) の関係を有する。
1/β 1 = 1+ω 1 2 RdC 2 Re 1 1/β 2 = 1+36ω 2 1 RdC 2 Re 2 ......(12) In equation (12), the fundamental vibration and the second harmonic vibration have the same feedback rate. In order to have the following relationship, Re 2 =Re 1 /36 (13).

(13)式は、動インピーダンスRM1,RM2によ
つて書き換えると、 の関係を有する。又、周波数400KHz位まで増幅
率A1、A2は同じとすることができるから、更に
(14)式の右辺の項をほとんど1とすることがで
きるから、これらを考慮して、第二高調波振動の
動インピーダンスRM2は、基本振動の動インピー
ダンスRM1の1/36倍より小さい値を持つとき、第
二高調波振動で発振することになる。
Equation (13) can be rewritten using dynamic impedances RM 1 and RM 2 as follows: have the following relationship. Also, since the amplification factors A 1 and A 2 can be the same up to a frequency of about 400 KHz, and the term on the right side of equation (14) can be almost 1, taking these into consideration, the second harmonic When the dynamic impedance RM 2 of wave vibration has a value smaller than 1/36 times the dynamic impedance RM 1 of fundamental vibration, oscillation occurs as a second harmonic vibration.

しかし、これは電力条件のみを説明したが、実
際には、これに位相条件が加味されて始めて発振
が決定される。
However, although only the power conditions have been explained here, in reality, oscillation is determined only after the phase conditions are taken into consideration.

次に、位相条件について述べる。 Next, the phase conditions will be described.

負荷容量Cg、Cdは電力条件では基本振動、第
二高調波振動には直接関係なかつたが、これらは
位相条件に大きく寄与するものである。今、帰還
部の位相が180゜よりずれる微小位相を基本振
動、第二高調波振動でΔβ、Δβとすると、
(4)式より、 Δβ=tan-1ω(CgRe+RdCg+RdCd−ωRdCdCgXe)/1−ω
CgXe−ω RdCgCdRe Δβ=tan-1ω(CgRe+RdCg+RdCd−ωRdCdCgXe)/1−ω
CgXe−ω RdCgCdRe………(15) となり、25PF〜50PFと負荷容量が大きいときは、
第二高調波、振動の位相角Δβは基本振動の位
相角Δβと同じ位か、より大きくなり、それ
故、前記した電力条件、即ちRM2をRM1より相当
小さくしない限り、第二高調波振動で発振するこ
とはない。しかし、本発明で考えているように負
荷容量Cg、Cdが25PFより小さくなると、電力条
件では第二高調波振動は基本波振動よりも劣つて
いても、位相角Δβ、Δβより小さくなり、
第二高調波振動で発振しやすくなる。それ故、本
発明では、上記した電力条件と位相条件を考慮し
て基本波振動と第二高調波振動の発振条件を求め
ると、基本振動における動インピーダンスRM1
第二高調波振動における動インピーダンスRM2
り小さいときには、たとえ負荷容量Cg、Cdが小
さくても基本波振動をすることになる。
Although the load capacitances Cg and Cd are not directly related to the fundamental vibration and second harmonic vibration under power conditions, they greatly contribute to the phase conditions. Now, if the minute phases in which the phase of the feedback section deviates from 180° are fundamental vibration and second harmonic vibration, Δβ 1 and Δβ 2 are given.
From formula (4), Δβ 1 = tan -1 ω 1 (CgRe 1 +RdCg+RdCd-ω 1 RdCdCgXe 1 )/1-ω 1 2
CgXe 1 −ω 1 2 RdCgCdRe 1 Δβ 2 =tan −1 ω 2 (CgRe 2 +RdCg+RdCd−ω 2 RdCdCgXe 2 )/1−ω 2 2
CgXe 2 −ω 2 2 RdCgCdRe 2 ......(15) When the load capacity is large between 25 PF and 50 PF ,
The second harmonic, the phase angle Δβ 2 of the vibration, is of the same order of magnitude or larger than the phase angle Δβ 1 of the fundamental vibration, and therefore, unless the power conditions mentioned above, i.e. RM 2 are made considerably smaller than RM 1 , the second harmonic It does not oscillate due to harmonic vibration. However, when the load capacitances Cg and Cd become smaller than 25PF as considered in the present invention, even if the second harmonic vibration is inferior to the fundamental wave vibration under power conditions, the phase angle Δβ 2 and Δβ 1 becomes smaller. Become,
It becomes easier to oscillate due to second harmonic vibration. Therefore, in the present invention, when the oscillation conditions of the fundamental vibration and the second harmonic vibration are determined by considering the power conditions and phase conditions described above, the dynamic impedance RM 1 in the fundamental vibration becomes the dynamic impedance in the second harmonic vibration. When RM is smaller than 2 , fundamental wave vibration will occur even if the load capacitances Cg and Cd are small.

次に、この関係を、実効L(インダクタンス)
成分で説明すると、水晶振動子の等価回路は第1
2図のように書ける。しかし、この回路は、等価
的に第13図のように書くことができる。ここ
で、実際に発振に大きく寄与するのはインダクタ
ンス成分であるから、第13図の実効LM2、実効
LM1を夫々第二高調波振動、基本波振動の実効L
成分と呼んでいる。ところで、実効LM1、実効
LM2は、第12図の回路定数で現わすことがで
き、次のようになる。
Next, this relationship is expressed as the effective L (inductance)
To explain in terms of components, the equivalent circuit of a crystal resonator is the first
It can be written as shown in Figure 2. However, this circuit can be equivalently written as shown in FIG. Here, since it is the inductance component that actually contributes greatly to oscillation, the effective LM 2 in Fig. 13, the effective
LM 1 is the effective L of second harmonic vibration and fundamental vibration, respectively.
It's called an ingredient. By the way, effective LM 1 , effective
LM 2 can be expressed using the circuit constants shown in Figure 12, and is as follows.

又、発振条件は、上記した電力条件と位相条件
によつて決められるが、(16)式において、も
し、基本波で振動子が発振する場合、その等価回
路定数と第二高調波振動の等価回路定数を代入し
て計算すると、実効LM1>実効LM2となり、実効
L成分が大きいほど発振しやすいことがわかる。
又、逆に、実効LM2>実効LM1のときは、第二高
調波振動をするという不具合を生じる。さらに容
量が大きいため消費電流が大きいという欠点をも
有する。(消費電流は容量に比例する)本発明は
上記の欠点を除去したものである。即ち本発明で
は水晶振動子の動インピーダンスを選択すること
にあり、さらに詳しく言えば、第二高調波振動の
動インピーダンスを基本振動の場合の動インピー
ダンスより大きくすることによつて、発振回路の
Cg、Cdを小さくした場合でも基本振動に於ける
発振回路での実効L成分を大きくするものであ
り、基本振動の安定発振を行なうものである。換
言すれば、実効L成分が大きいということは、発
振回路での振動子Q値を上昇させるものであり、
それ故、発振回路素子依存性が非常に小さくな
り、その結果、回路素子の劣化にもかかわらず安
定発振を持続することができる。それ故、Cg、
Cdの容量が小さいため消費電流が小さいという
長所を有する。(消費電流は容量に比例する)本
発明で第二高調波振動の動インピーダンスを基本
振動の動インピーダンスより大きくするには第7
図に示したようにle/lを0.65以下にすれば容易
に達成される。以上述べたように本発明は発振回
路の容量を小さくした場合にも基本振動で安定発
振させるものであり、長寿命水晶時計が可能にな
つた。
In addition, the oscillation conditions are determined by the power conditions and phase conditions described above, but in equation (16), if the resonator oscillates with the fundamental wave, the equivalent circuit constant and the equivalent of the second harmonic vibration When calculating by substituting circuit constants, it can be seen that effective LM 1 >effective LM 2 , and the larger the effective L component is, the easier it is to oscillate.
Conversely, when effective LM 2 >effective LM 1 , the problem of second harmonic vibration occurs. Furthermore, since the capacitance is large, the current consumption is also large. (The current consumption is proportional to the capacity.) The present invention eliminates the above drawbacks. That is, the present invention is to select the dynamic impedance of the crystal resonator, and more specifically, by making the dynamic impedance of the second harmonic vibration larger than the dynamic impedance of the fundamental vibration, the oscillation circuit is improved.
Even when Cg and Cd are reduced, the effective L component in the oscillation circuit in the fundamental vibration is increased, and stable oscillation of the fundamental vibration is achieved. In other words, a large effective L component increases the Q value of the resonator in the oscillation circuit.
Therefore, dependence on the oscillation circuit elements becomes extremely small, and as a result, stable oscillation can be maintained despite deterioration of the circuit elements. Therefore, Cg,
It has the advantage of low current consumption due to the small capacitance of Cd. (The current consumption is proportional to the capacity.) In order to make the dynamic impedance of the second harmonic vibration larger than the dynamic impedance of the fundamental vibration in the present invention, the seventh step is to
As shown in the figure, this can be easily achieved by setting le/l to 0.65 or less. As described above, the present invention enables stable oscillation with fundamental vibration even when the capacity of the oscillation circuit is reduced, making it possible to provide a long-life quartz watch.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の音叉型水晶振動子の概観図を示
し、第2図は従来の音叉型水晶振動子の電極構成
図である。第3図は本発明に係る音叉型水晶振動
子を示し、第4図は本発明に係る音叉型水晶振動
子の電極構成図である。第5図は片持ち梁の振動
方向を示し、第6図は前記片持ち梁の振動姿態を
示す。第7図は基本振動、第二高調波振動に於け
る電極の長さとコンダクタンス(動インピーダン
スの逆数)との関係を示す。第8図は水晶発振回
路図、第9図は従来の音叉型水晶振動子と本発明
に係る音叉型水晶振動子の発振回路に於ける発振
領域を示す図。第10図、第11図は水晶発振回
路に於ける帰還回路図。第12図および第13図
は、夫々水晶振動子の等価回路図である。 1,6,……音叉型水晶、2,3,7,8……
電極、11……インバーター、12……水晶振動
子、15……基本振動姿態、16……第二高調波
振動姿態、4,5,9,10……電極端子、17
……基本振動、18……第二高調波振動、19…
…帰還回路。
FIG. 1 shows an overview of a conventional tuning fork type crystal resonator, and FIG. 2 is a diagram showing the electrode structure of the conventional tuning fork type crystal resonator. FIG. 3 shows a tuning fork type crystal resonator according to the present invention, and FIG. 4 is an electrode configuration diagram of the tuning fork type crystal resonator according to the present invention. FIG. 5 shows the vibration direction of the cantilever beam, and FIG. 6 shows the vibration state of the cantilever beam. FIG. 7 shows the relationship between the electrode length and conductance (reciprocal of dynamic impedance) in fundamental vibration and second harmonic vibration. FIG. 8 is a crystal oscillation circuit diagram, and FIG. 9 is a diagram showing oscillation regions in the oscillation circuit of a conventional tuning fork type crystal resonator and a tuning fork type crystal resonator according to the present invention. 10 and 11 are feedback circuit diagrams in a crystal oscillation circuit. FIG. 12 and FIG. 13 are equivalent circuit diagrams of the crystal resonator, respectively. 1, 6,... Tuning fork crystal, 2, 3, 7, 8...
Electrode, 11... Inverter, 12... Crystal resonator, 15... Fundamental vibration mode, 16... Second harmonic vibration mode, 4, 5, 9, 10... Electrode terminal, 17
...Fundamental vibration, 18...Second harmonic vibration, 19...
...Feedback circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 C−MOSIC、コンデンサー、抵抗及び音叉
型水晶振動子から成る水晶発振回路を使用した水
晶時計において、前記水晶発振回路のCg、Cdは
5−10PFから選択され、CgはCdより大きく、更
に前記音叉型水晶振動子の基本波振動の動インピ
ーダンスを第二高調波振動の動インピーダンスの
36倍よりも小さい音叉型水晶振動子を水晶時計の
時間標準としたことを特徴とする水晶時計。
1 In a crystal clock using a crystal oscillation circuit consisting of a C-MOSIC, a capacitor, a resistor, and a tuning fork crystal resonator, Cg and Cd of the crystal oscillation circuit are selected from 5-10PF, Cg is larger than Cd, and The dynamic impedance of the fundamental wave vibration of a tuning fork crystal resonator is expressed as the dynamic impedance of the second harmonic vibration.
A crystal clock characterized by using a tuning fork crystal resonator smaller than 36 times as the time standard for the crystal clock.
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