JP2003324332A - ２回回転ｙカット水晶振動子とこれを用いた発振器 - Google Patents
２回回転ｙカット水晶振動子とこれを用いた発振器Info
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- JP2003324332A JP2003324332A JP2002127303A JP2002127303A JP2003324332A JP 2003324332 A JP2003324332 A JP 2003324332A JP 2002127303 A JP2002127303 A JP 2002127303A JP 2002127303 A JP2002127303 A JP 2002127303A JP 2003324332 A JP2003324332 A JP 2003324332A
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】有限形状の小型水晶基板に於いても、常温より
高温側の領域がフラットとなる理想的な周波数温度特性
が得られるような２回回転Y-cut水晶振動子の提供を目
的とする。 【解決手段】直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶
結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度７
度から１４度４０分の範囲のある角度（φ１）で回転す
ると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に基準角度３
４度００分から３５度１０分の範囲（３５度１０分は除
く）のある角度（φ２）で回転して得られる面を主面と
して切り出した水晶基板を用いて水晶振動子を構成す
る。
高温側の領域がフラットとなる理想的な周波数温度特性
が得られるような２回回転Y-cut水晶振動子の提供を目
的とする。 【解決手段】直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶
結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度７
度から１４度４０分の範囲のある角度（φ１）で回転す
ると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に基準角度３
４度００分から３５度１０分の範囲（３５度１０分は除
く）のある角度（φ２）で回転して得られる面を主面と
して切り出した水晶基板を用いて水晶振動子を構成す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は，厚み滑り振動をす
る水晶振動子とこれを用いた発振器、特に温度変化に対
する周波数変化量を減少させた水晶振動子とこれを用い
た発振器に関する。
る水晶振動子とこれを用いた発振器、特に温度変化に対
する周波数変化量を減少させた水晶振動子とこれを用い
た発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図９（ａ）に示すように、水晶結
晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＸ軸の廻りにほぼ３５度１
５分回転した面が主面となるように切断した水晶基板
（ＡＴカット水晶基板）を用いたＡＴカット水晶振動子
にて水晶発振器を構成するのが一般的であった。
晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＸ軸の廻りにほぼ３５度１
５分回転した面が主面となるように切断した水晶基板
（ＡＴカット水晶基板）を用いたＡＴカット水晶振動子
にて水晶発振器を構成するのが一般的であった。
【０００３】ＡＴカット水晶振動子は厚み滑り振動モー
ドを主振動とするものであり、図９（ｂ）にその代表的
な周波数温度特性を示すように、２８゜C近傍を変曲点
とする３次関数曲線を呈することが知られている。ＡＴ
カット水晶振動子は比較的温度特性に優れた振動子とし
て広く用いられてきたが、上述したように３次温度係数
の影響が大きく現れるため、周波数特性の高精度な安定
度を要求されるシステムの周波数発生基準源としては不
十分であった。そのため、サーミスタを用いてその周波
数温度特性を補償する温度補償型水晶発振器として多く
の機器に使用されている。
ドを主振動とするものであり、図９（ｂ）にその代表的
な周波数温度特性を示すように、２８゜C近傍を変曲点
とする３次関数曲線を呈することが知られている。ＡＴ
カット水晶振動子は比較的温度特性に優れた振動子とし
て広く用いられてきたが、上述したように３次温度係数
の影響が大きく現れるため、周波数特性の高精度な安定
度を要求されるシステムの周波数発生基準源としては不
十分であった。そのため、サーミスタを用いてその周波
数温度特性を補償する温度補償型水晶発振器として多く
の機器に使用されている。
【０００４】ところが近年、移動無線電話用の基準発振
器には−２０°Ｃ〜８０°Ｃの温度範囲で，周波数許容
偏差が±３ｐｐｍ以内、更には±２ｐｐｍ以内であるこ
とを要求されることも少なくない。しかし、図９（ｂ）
から明らかなようにＡＴカット水晶の周波数温度特性は
常温（２５゜C近傍）を境として低温側では「上に
凸」、高温側では「下に凸」といった具合に全く対称的
な曲線を呈するため、温度補償回路の構成が複雑化し、
製造時の調整も煩雑になるため、従前のコストでは上記
の要求に応えることが難しくなっている。
器には−２０°Ｃ〜８０°Ｃの温度範囲で，周波数許容
偏差が±３ｐｐｍ以内、更には±２ｐｐｍ以内であるこ
とを要求されることも少なくない。しかし、図９（ｂ）
から明らかなようにＡＴカット水晶の周波数温度特性は
常温（２５゜C近傍）を境として低温側では「上に
凸」、高温側では「下に凸」といった具合に全く対称的
な曲線を呈するため、温度補償回路の構成が複雑化し、
製造時の調整も煩雑になるため、従前のコストでは上記
の要求に応えることが難しくなっている。
【０００５】こうした問題を解消するべく、所謂２回回
転水晶振動子の研究が進められている。前述のＡＴカッ
ト水晶振動子がＸ軸の廻りにのみ回転させて基板を切り
出しているのに対し、２つの結晶軸について回転を施し
て基板を切り出したものを２回回転水晶振動子と呼んで
いる。
転水晶振動子の研究が進められている。前述のＡＴカッ
ト水晶振動子がＸ軸の廻りにのみ回転させて基板を切り
出しているのに対し、２つの結晶軸について回転を施し
て基板を切り出したものを２回回転水晶振動子と呼んで
いる。
【０００６】例えば、本願出願人の１人による特許出願
（文献１：特開平１０−２８４９７８号）には、図１０
に示すように、直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水
晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度
１度３０分から１３度の範囲のある角度（φ１）で回転
すると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に基準角度
３５度１０分から３６度５０分の範囲のある角度（φ
２）で回転して得られる面を主面として切り出した水晶
基板を用いた水晶振動子（ＮＹカット水晶振動子）につ
いて記載されている。
（文献１：特開平１０−２８４９７８号）には、図１０
に示すように、直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水
晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度
１度３０分から１３度の範囲のある角度（φ１）で回転
すると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に基準角度
３５度１０分から３６度５０分の範囲のある角度（φ
２）で回転して得られる面を主面として切り出した水晶
基板を用いた水晶振動子（ＮＹカット水晶振動子）につ
いて記載されている。
【０００７】例えば、φ１＝７度とし、φ２を３５度１
８分から３６度４７分の範囲としたＮＹカット水晶振動
子を用いた水晶発振器では、図１１に示すような周波数
温度特性を呈することが開示されている。
８分から３６度４７分の範囲としたＮＹカット水晶振動
子を用いた水晶発振器では、図１１に示すような周波数
温度特性を呈することが開示されている。
【０００８】図１１に示すように、常温より低温側では
「上に凸」の周波数温度特性の曲線を呈しているもの
の、常温より高温側に関してはほぼフラットな周波数温
度特性となる。この高温領域については温度補償を必要
としないので、このＮＹカット水晶振動子を用いれば低
温部温度補償回路のみで−２０〜８０゜Cという広い温
度範囲にて周期数偏差の少ない温度補償型水晶発振器を
実現できる。
「上に凸」の周波数温度特性の曲線を呈しているもの
の、常温より高温側に関してはほぼフラットな周波数温
度特性となる。この高温領域については温度補償を必要
としないので、このＮＹカット水晶振動子を用いれば低
温部温度補償回路のみで−２０〜８０゜Cという広い温
度範囲にて周期数偏差の少ない温度補償型水晶発振器を
実現できる。
【０００９】そして、低温部温度補償回路のみであるた
め、ＡＴカット水晶振動子を用いた温度補償型水晶発振
器に比べて構成が簡単になるのは勿論のこと、補償回路
の設計も容易となり、製造時の調整も簡略化されるとい
う特徴を有する。
め、ＡＴカット水晶振動子を用いた温度補償型水晶発振
器に比べて構成が簡単になるのは勿論のこと、補償回路
の設計も容易となり、製造時の調整も簡略化されるとい
う特徴を有する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
知見に基づき、図１２に示す如き外形寸法の短冊形水晶
振動子についてシミュレーションを行ったところ、文献
１に示されていたカットアングルに於いては図１３に示
すように、常温より高温側の領域がフラットとはなら
ず、図１１の様な特性は得られないことが判明した。こ
れは、上記文献１に開示された値が、理想的な無限平面
基板を解析モデルとして研究した結果であり、有限形状
の水晶基板、特に図１２の如く長辺（または直径）が３
ミリ以下の小型水晶基板にはそのまま適用できないため
と推測される。本発明の課題は，有限形状の小型水晶基
板に於いても、常温より高温側の領域がフラットとなる
理想的な周波数温度特性が得られるような２回回転Y-cu
t水晶振動子の提供を目的とする。
知見に基づき、図１２に示す如き外形寸法の短冊形水晶
振動子についてシミュレーションを行ったところ、文献
１に示されていたカットアングルに於いては図１３に示
すように、常温より高温側の領域がフラットとはなら
ず、図１１の様な特性は得られないことが判明した。こ
れは、上記文献１に開示された値が、理想的な無限平面
基板を解析モデルとして研究した結果であり、有限形状
の水晶基板、特に図１２の如く長辺（または直径）が３
ミリ以下の小型水晶基板にはそのまま適用できないため
と推測される。本発明の課題は，有限形状の小型水晶基
板に於いても、常温より高温側の領域がフラットとなる
理想的な周波数温度特性が得られるような２回回転Y-cu
t水晶振動子の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め請求項１に係る発明は、直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶
軸とする水晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回り
に基準角度７度から１４度４０分の範囲のある角度（φ
１）で回転すると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側
に基準角度３４度００分から３５度１０分の範囲（３５
度１０分は除く）のある角度（φ２）で回転して得られ
る面を主面として切り出した水晶基板を用いて構成した
ものであり、
め請求項１に係る発明は、直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶
軸とする水晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回り
に基準角度７度から１４度４０分の範囲のある角度（φ
１）で回転すると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側
に基準角度３４度００分から３５度１０分の範囲（３５
度１０分は除く）のある角度（φ２）で回転して得られ
る面を主面として切り出した水晶基板を用いて構成した
ものであり、
【００１２】請求項２に係る発明は、直交座標軸Ｘ，
Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面
をＺ軸の回りに基準角度基準角度９度から１４度４０分
の範囲のある角度（φ１）で回転すると共に、新座標Ｘ
´軸の回りにＡＴ板側に φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ なる式により決まる基準角度φ２で回転して得られる面
を主面として切り出した水晶基板を用いて構成したもの
であり、
Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面
をＺ軸の回りに基準角度基準角度９度から１４度４０分
の範囲のある角度（φ１）で回転すると共に、新座標Ｘ
´軸の回りにＡＴ板側に φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ なる式により決まる基準角度φ２で回転して得られる面
を主面として切り出した水晶基板を用いて構成したもの
であり、
【００１３】更に、請求項３に係る発明は、前記水晶基
板の長辺もしくは直径が３ミリ以下であることを特徴と
するものであり、
板の長辺もしくは直径が３ミリ以下であることを特徴と
するものであり、
【００１４】請求項４に係る発明は、常温より低温側の
温度周波数特性を補償する為の低温部補償回路と、請求
項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子とを備えてい
ることを特徴とするものである。
温度周波数特性を補償する為の低温部補償回路と、請求
項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子とを備えてい
ることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明に至るまでの経緯を
解説しつつ、本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。まず、本願発明者らは、φ１を７度とし、φ２を３
４度４９分として切り出した水晶基板を用いて図１２に
示す如き外形寸法を有する水晶振動子を試作した。尚、
このカットアングルは、文献１に基づき回転角φ１とし
て７度を選択し、もう一方の回転角φ２については、２
回回転水晶振動子に関する文献２（"DoublyRotated Thi
ckness Mode Plate Vibrators" ARTHUR BALLATO: Physi
cal Acoustics, vol. XIII; 1977 Academic Press, In
c.）に記載された式 φ２＝｛３５．２５−（１１／１８０）×φ１｝ に基づきφ１＝７度としたときのクリティカルアングル
を推定し、φ２＝３４度４９分という値を選択した。
解説しつつ、本発明を実施例に基づいて詳細に説明す
る。まず、本願発明者らは、φ１を７度とし、φ２を３
４度４９分として切り出した水晶基板を用いて図１２に
示す如き外形寸法を有する水晶振動子を試作した。尚、
このカットアングルは、文献１に基づき回転角φ１とし
て７度を選択し、もう一方の回転角φ２については、２
回回転水晶振動子に関する文献２（"DoublyRotated Thi
ckness Mode Plate Vibrators" ARTHUR BALLATO: Physi
cal Acoustics, vol. XIII; 1977 Academic Press, In
c.）に記載された式 φ２＝｛３５．２５−（１１／１８０）×φ１｝ に基づきφ１＝７度としたときのクリティカルアングル
を推定し、φ２＝３４度４９分という値を選択した。
【００１６】図２（ａ）は試作した水晶振動子の周波数
温度特性を示すグラフ（常温２５゜Cにおける周波数に
て正規化したもの）であり、常温近傍を変曲点とする３
次曲線となった。−２０〜８０゜Cの範囲において最大
で±８０(ppm)もの大きな周波数偏差を呈し、期待して
いたような特性が得られなかった。
温度特性を示すグラフ（常温２５゜Cにおける周波数に
て正規化したもの）であり、常温近傍を変曲点とする３
次曲線となった。−２０〜８０゜Cの範囲において最大
で±８０(ppm)もの大きな周波数偏差を呈し、期待して
いたような特性が得られなかった。
【００１７】次に、同じカットアングルの水晶基板を用
いた２回回転水晶振動子について有限要素法によるシミ
ュレーション解析を行った。図１に示す如き外形寸法を
有する水晶振動子を解析モデルとして同図中に示した条
件にてシミュレーションを実施した。図２（ｂ）はその
結果得られた周波数温度特性を示すグラフ（常温２５゜
Cにおける周波数にて正規化したもの）である。そし
て、このシミュレーションにて得られた結果と試作によ
り実測した結果（図２（ａ））との差からシミュレーシ
ョンと実測との差違を補正する為の補正値を算出した。
いた２回回転水晶振動子について有限要素法によるシミ
ュレーション解析を行った。図１に示す如き外形寸法を
有する水晶振動子を解析モデルとして同図中に示した条
件にてシミュレーションを実施した。図２（ｂ）はその
結果得られた周波数温度特性を示すグラフ（常温２５゜
Cにおける周波数にて正規化したもの）である。そし
て、このシミュレーションにて得られた結果と試作によ
り実測した結果（図２（ａ））との差からシミュレーシ
ョンと実測との差違を補正する為の補正値を算出した。
【００１８】次に、文献１に記載されたカットアングル
の範囲についてシミュレーションを実施した。図３
（ｂ）に示す条件にて得られたシミュレーション結果
に、上述の補正値による補正を施して得られた周波数温
度特性が図４である。同図から明らかなように常温より
高温側の領域がフラットとはならず、シミュレーション
と実測との間の誤差を考慮しても、有限形状の水晶基板
に於いては図１１の様な理想的な特性曲線が得られない
ことが明らかとなった。そこで、有限形状の水晶基板に
ついて種々の条件にてシミュレーションを実施したとこ
ろ、有限形状であっても図１１に示す様な特性を呈する
ものが得られるカットアングルが存在することを見出し
た。
の範囲についてシミュレーションを実施した。図３
（ｂ）に示す条件にて得られたシミュレーション結果
に、上述の補正値による補正を施して得られた周波数温
度特性が図４である。同図から明らかなように常温より
高温側の領域がフラットとはならず、シミュレーション
と実測との間の誤差を考慮しても、有限形状の水晶基板
に於いては図１１の様な理想的な特性曲線が得られない
ことが明らかとなった。そこで、有限形状の水晶基板に
ついて種々の条件にてシミュレーションを実施したとこ
ろ、有限形状であっても図１１に示す様な特性を呈する
ものが得られるカットアングルが存在することを見出し
た。
【００１９】例えば、図３の（ｃ）〜（ｇ）に示す条件
にてシミュレーション（補正を含む）した結果を図５
（ア）に示す。同図は、比較しやすいように各条件にお
ける周波数温度特性グラフを１つの座標に重ね書きした
ものであり、各グラフに付した記号は図３の各条件に付
した符号と対応している。同図から明らかなように、何
れの曲線も目標とする図１１と同等の曲線を呈してお
り、特に、図５（ア）の曲線（ｅ），（ｆ）は常温（２
５゜Ｃ）近傍から高温（８０゜Ｃ）に於いて、温度変化
による周波数変動が±２ｐｐｍ以内と極めて少なくな
る。このとき曲線（ｆ）はφ１＝１４度に対しφ２を３
４度３９分としたものであり、文献２に示された上記の
式から得られる値（３４度２７分）と比較すると大幅に
ずれた値となることが判る。これは無限平面基板を前提
とした文献２と、有限形状の水晶基板、特に一辺が３ミ
リ以下の小型水晶基板との違いが顕著に現れたものと推
測される。
にてシミュレーション（補正を含む）した結果を図５
（ア）に示す。同図は、比較しやすいように各条件にお
ける周波数温度特性グラフを１つの座標に重ね書きした
ものであり、各グラフに付した記号は図３の各条件に付
した符号と対応している。同図から明らかなように、何
れの曲線も目標とする図１１と同等の曲線を呈してお
り、特に、図５（ア）の曲線（ｅ），（ｆ）は常温（２
５゜Ｃ）近傍から高温（８０゜Ｃ）に於いて、温度変化
による周波数変動が±２ｐｐｍ以内と極めて少なくな
る。このとき曲線（ｆ）はφ１＝１４度に対しφ２を３
４度３９分としたものであり、文献２に示された上記の
式から得られる値（３４度２７分）と比較すると大幅に
ずれた値となることが判る。これは無限平面基板を前提
とした文献２と、有限形状の水晶基板、特に一辺が３ミ
リ以下の小型水晶基板との違いが顕著に現れたものと推
測される。
【００２０】実際には−２０°Ｃ〜８０°Ｃの温度範囲
で安定した周波数出力を得るため、発振器を構成する場
合は、常温（２５゜Ｃ）以下について温度補償を行う必
要がある。
で安定した周波数出力を得るため、発振器を構成する場
合は、常温（２５゜Ｃ）以下について温度補償を行う必
要がある。
【００２１】ここで、図５（イ）の点線で示す曲線は、
水晶振動子の容量比（並列容量Ｃ0と等価直列容量Ｃ1と
の比Ｃ0／Ｃ1）を図３（ｃ）〜（ｇ）に示す各振動子に
ついて、実験した結果をプロットしたものであり、実線
は文献２に基づく理論値をプロットしたものである。周
知のように、容量比が４００を越えると補償回路による
補償効果があまり期待できないこと、及び図５（ア）の
曲線（ｇ）は常温より低温に於いて左下がりに急峻な変
化を呈することから実用上φ１の上限は１４度あたりに
あると考えられる。
水晶振動子の容量比（並列容量Ｃ0と等価直列容量Ｃ1と
の比Ｃ0／Ｃ1）を図３（ｃ）〜（ｇ）に示す各振動子に
ついて、実験した結果をプロットしたものであり、実線
は文献２に基づく理論値をプロットしたものである。周
知のように、容量比が４００を越えると補償回路による
補償効果があまり期待できないこと、及び図５（ア）の
曲線（ｇ）は常温より低温に於いて左下がりに急峻な変
化を呈することから実用上φ１の上限は１４度あたりに
あると考えられる。
【００２２】また、種々の外形寸法の解析モデルを設定
し、カットアングルをパラメータとして様々な条件につ
いてシミュレーションを実施したところ、２５゜から８
０゜Ｃにおける周波数の最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍ
ｉｎ）との差（周波数偏差幅）が極小となるφ１の値が
あることが判った。例えば、図６（ａ）、（ｂ）は、φ
１と周波数偏差幅との関係を、他の寸法は同一としてＺ
軸方向の寸法をそれぞれ1.350ミリメートル、1.300ミリ
メートルとした場合のグラフである。前者はφ１が１４
度４０分近傍で、後者はφ１が１３度２０分近傍でそれ
ぞれ周波数偏差幅が最も小さくなる極小値を呈してい
る。尚、水晶基板の外形を比較的小さな寸法とした場合
には、周波数偏差幅が極小値となるときのφ１が１４度
４０分を越えることが無かった。このことから図５の結
果を勘案すると実用上φ１の上限は１４度４０分と考え
られる。更に、以上のシミュレーション結果を纏める
と、φ１を７度≦φ１≦１４度４０分としたときには、
φ２を３４度００分≦φ２＜３５度１０分で適当に選択
すれば、目標とする周波数温度特性に近い高温度側でフ
ラットな特性曲線が得られることが判った。特に、φ１
を９度≦φ１≦１４度４０分としたとき、φ２を φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ と選択することにより、より高安定な周波数温度特性が
必要とされる分野に於いても利用可能な水晶振動子を得
ることができる。
し、カットアングルをパラメータとして様々な条件につ
いてシミュレーションを実施したところ、２５゜から８
０゜Ｃにおける周波数の最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍ
ｉｎ）との差（周波数偏差幅）が極小となるφ１の値が
あることが判った。例えば、図６（ａ）、（ｂ）は、φ
１と周波数偏差幅との関係を、他の寸法は同一としてＺ
軸方向の寸法をそれぞれ1.350ミリメートル、1.300ミリ
メートルとした場合のグラフである。前者はφ１が１４
度４０分近傍で、後者はφ１が１３度２０分近傍でそれ
ぞれ周波数偏差幅が最も小さくなる極小値を呈してい
る。尚、水晶基板の外形を比較的小さな寸法とした場合
には、周波数偏差幅が極小値となるときのφ１が１４度
４０分を越えることが無かった。このことから図５の結
果を勘案すると実用上φ１の上限は１４度４０分と考え
られる。更に、以上のシミュレーション結果を纏める
と、φ１を７度≦φ１≦１４度４０分としたときには、
φ２を３４度００分≦φ２＜３５度１０分で適当に選択
すれば、目標とする周波数温度特性に近い高温度側でフ
ラットな特性曲線が得られることが判った。特に、φ１
を９度≦φ１≦１４度４０分としたとき、φ２を φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ と選択することにより、より高安定な周波数温度特性が
必要とされる分野に於いても利用可能な水晶振動子を得
ることができる。
【００２３】次に、このシミュレーション結果を確認す
るために、上記のカットアングルにて実際に切り出した
水晶基板を用いて水晶振動子を試作した。図７は、φ１
を７度、φ２を３５度０３分としたときのシミュレーシ
ョン結果（計算値）と、そのカットアングルにて試作し
た水晶振動子による実験値とを重ね書きした周波数温度
特性グラフである。この図から明らかなように、シミュ
レーションと実測とは良い一致を示しており上記のカッ
トアングルが実用的な値であることを確認できた。勿
論、この振動子の周波数温度特性は常温近傍より高温に
於いてはほぼフラットな特性を示すものの、低温側に於
いて「上に凸」の曲線を描くので、高精度な分野で使用
する場合はこの低温側を補償する為の低温部温度補償回
路を用いて温度補償型水晶発振器を構成することにな
る。
るために、上記のカットアングルにて実際に切り出した
水晶基板を用いて水晶振動子を試作した。図７は、φ１
を７度、φ２を３５度０３分としたときのシミュレーシ
ョン結果（計算値）と、そのカットアングルにて試作し
た水晶振動子による実験値とを重ね書きした周波数温度
特性グラフである。この図から明らかなように、シミュ
レーションと実測とは良い一致を示しており上記のカッ
トアングルが実用的な値であることを確認できた。勿
論、この振動子の周波数温度特性は常温近傍より高温に
於いてはほぼフラットな特性を示すものの、低温側に於
いて「上に凸」の曲線を描くので、高精度な分野で使用
する場合はこの低温側を補償する為の低温部温度補償回
路を用いて温度補償型水晶発振器を構成することにな
る。
【００２４】図８（ａ）は、本発明に係る温度補償型水
晶発振器の一形態例を示すブロック図であり、発振ルー
プ中に水晶振動子１と直列に温度補償回路２を挿入した
構成となっている。この温度補償回路２としては、例え
ば図８（ｂ）に示すように感温素子である負特性サーミ
スタ３とコンデンサ４とを並列接続した回路等の周知の
温度補償手段を用いればよい。先にも述べた通り、ＡＴ
カット水晶発振器に於いても温度補償が行われていた
が、ＡＴカット水晶の場合は低温部が「上に凸」となる
ばかりでなく、高温部が「下に凸」の曲線を呈するの
で、低温部だけでなく高温部用の温度補償回路も必要と
なって、回路規模が大きくなり調整も煩雑であった。こ
れに対し、本発明の場合は低温部温度補償回路のみを用
意し、フラットな高温側は無補償のままで良いので回路
規模が小さくなり調整も大幅に簡略化されることとなっ
た。勿論、高温部が完全にフラットとなるわけではない
ので、必要に応じて高温部をより平坦にする為の温度補
償回路を適用しても良いことは言うまでもない。
晶発振器の一形態例を示すブロック図であり、発振ルー
プ中に水晶振動子１と直列に温度補償回路２を挿入した
構成となっている。この温度補償回路２としては、例え
ば図８（ｂ）に示すように感温素子である負特性サーミ
スタ３とコンデンサ４とを並列接続した回路等の周知の
温度補償手段を用いればよい。先にも述べた通り、ＡＴ
カット水晶発振器に於いても温度補償が行われていた
が、ＡＴカット水晶の場合は低温部が「上に凸」となる
ばかりでなく、高温部が「下に凸」の曲線を呈するの
で、低温部だけでなく高温部用の温度補償回路も必要と
なって、回路規模が大きくなり調整も煩雑であった。こ
れに対し、本発明の場合は低温部温度補償回路のみを用
意し、フラットな高温側は無補償のままで良いので回路
規模が小さくなり調整も大幅に簡略化されることとなっ
た。勿論、高温部が完全にフラットとなるわけではない
ので、必要に応じて高温部をより平坦にする為の温度補
償回路を適用しても良いことは言うまでもない。
【００２５】更に、一般に恒温槽型発振器に用いられる
２回回転水晶振動子としてＩＴカット水晶振動子（例え
ば特開昭54-33712参照）、熱歪特性などが優れた２回回
転水晶振動子としてＳＣカット水晶振動子（電気学会主
催・ＥＭシンポジウム1979.3.13参照）等が知られてい
るが、何れもＺ軸周りの回転角φ１が大きいため、前述
した通り容量比が大きくなる、更に主振動であるＣモー
ドのみならず不要振動であるＢモードも励振され易く、
発振回路にＣモードのみを選択するための回路が必要と
なるのに対し、本発明の場合はＢモードのレベルが、例
えばＳＣカット水晶振動子のそれに比べて約１／３と小
さいため、選択回路なしに発振器を構成できるという優
位点がある。
２回回転水晶振動子としてＩＴカット水晶振動子（例え
ば特開昭54-33712参照）、熱歪特性などが優れた２回回
転水晶振動子としてＳＣカット水晶振動子（電気学会主
催・ＥＭシンポジウム1979.3.13参照）等が知られてい
るが、何れもＺ軸周りの回転角φ１が大きいため、前述
した通り容量比が大きくなる、更に主振動であるＣモー
ドのみならず不要振動であるＢモードも励振され易く、
発振回路にＣモードのみを選択するための回路が必要と
なるのに対し、本発明の場合はＢモードのレベルが、例
えばＳＣカット水晶振動子のそれに比べて約１／３と小
さいため、選択回路なしに発振器を構成できるという優
位点がある。
【００２６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように２回回転
水晶振動子に於いて、回転角φ１を７度から１４度４０
分とし、もう一方の回転角φ２を３４度００分から３５
度１０分（３５度１０分を除く）に選択する、望ましく
はφ１を９度から１４度４０分とし、φ２を φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ と選択することにより、常温近傍より高温側でほぼフラ
ットな周波数温度特性が得られるという著効を奏する。
また、この振動子をより高精度な周波数温度特性が必要
とされる分野にて利用するべく温度補償型水晶発振器を
構成する場合でも、低温部温度補償回路のみを用意すれ
ば良いので、回路規模が小さくなり調整工程も大幅に簡
略化することができる。
水晶振動子に於いて、回転角φ１を７度から１４度４０
分とし、もう一方の回転角φ２を３４度００分から３５
度１０分（３５度１０分を除く）に選択する、望ましく
はφ１を９度から１４度４０分とし、φ２を φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ と選択することにより、常温近傍より高温側でほぼフラ
ットな周波数温度特性が得られるという著効を奏する。
また、この振動子をより高精度な周波数温度特性が必要
とされる分野にて利用するべく温度補償型水晶発振器を
構成する場合でも、低温部温度補償回路のみを用意すれ
ば良いので、回路規模が小さくなり調整工程も大幅に簡
略化することができる。
【００２７】
【図１】水晶振動子の解析モデルを示す図。
【図２】図１の解析モデルを用いたシミュレーションに
より得られた温度周波数特性を示す図。
より得られた温度周波数特性を示す図。
【図３】シミュレーションの条件を示す図。
【図４】図３（ｂ）に示す条件にて試作及びシミュレー
ションした結果得られた温度周波数特性を示す図。
ションした結果得られた温度周波数特性を示す図。
【図５】（ア）は図３（ｃ）〜（ｇ）に示す条件にてシ
ミュレーションした結果得られた温度周波数特性を、
（イ）は容量比をプロットした示す図。
ミュレーションした結果得られた温度周波数特性を、
（イ）は容量比をプロットした示す図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、φ１と周波数偏差幅との関
係を示すグラフ。
係を示すグラフ。
【図７】本発明に基づき試作した水晶振動子とシミュレ
ーションによる温度周波数特性を重ね書きした図。
ーションによる温度周波数特性を重ね書きした図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は本発明に係る温度補償型水晶
発振器の一形態例を示すブロック図。
発振器の一形態例を示すブロック図。
【図９】（ａ）はＡＴカット水晶の回転角を説明する
図、（ｂ）はその温度周波数特性を示す図。
図、（ｂ）はその温度周波数特性を示す図。
【図１０】ＮＹカット水晶の回転角を説明する図
【図１１】ＮＹカット水晶の温度周波数特性を示す図。
【図１２】短冊形水晶振動子の構造を示す図。
【図１３】図１１に示す短冊形水晶振動子の温度周波数
特性を示す図。
特性を示す図。
１・・・水晶振動子、２・・・温度補償回路、３・・・
負特性サーミスタ、４・・・コンデンサ
負特性サーミスタ、４・・・コンデンサ
フロントページの続き
(72)発明者 高沢 幸次
神奈川県高座郡寒川町小谷二丁目１番１号
東洋通信機株式会社内
(72)発明者 柳沢 勇二
神奈川県川崎市高津区千年新町18番７号
Ｆターム(参考） 5J079 AA04 BA02 CB02 DB00 FA24
JA03
5J108 AA04 BB02 BB03 DD02
Claims (4)
- 【請求項１】直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶
結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度７
度から１４度４０分の範囲のある角度（φ１）で回転す
ると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に基準角度３
４度００分から３５度１０分の範囲（３５度１０分は除
く）のある角度（φ２）で回転して得られる面を主面と
して切り出した水晶基板を用いて構成した２回回転Yカ
ット水晶振動子。 - 【請求項２】直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶
結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＺ軸の回りに基準角度基
準角度９度から１４度４０分の範囲のある角度（φ１）
で回転すると共に、新座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に φ２＝｛−２．１０×１０−３×φ１２−９．８６×１
０−３×φ１＋３５．２１｝±０．２ なる式により決まる基準角度φ２で回転して得られる面
を主面として切り出した水晶基板を用いて構成した２回
回転Yカット水晶振動子。 - 【請求項３】前記水晶基板の長辺もしくは直径が３ミリ
以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２
回回転Yカット水晶発振器。 - 【請求項４】常温より低温側の温度周波数特性を補償す
る為の低温部補償回路と、請求項１乃至３のいずれかに
記載の水晶振動子とを備えていることを特徴とする水晶
発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002127303A JP2003324332A (ja) | 2002-02-28 | 2002-04-26 | ２回回転ｙカット水晶振動子とこれを用いた発振器 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002054909 | 2002-02-28 | ||
| JP2002-54909 | 2002-02-28 | ||
| JP2002127303A JP2003324332A (ja) | 2002-02-28 | 2002-04-26 | ２回回転ｙカット水晶振動子とこれを用いた発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003324332A true JP2003324332A (ja) | 2003-11-14 |
| JP2003324332A5 JP2003324332A5 (ja) | 2005-09-02 |
Family
ID=29552171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002127303A Withdrawn JP2003324332A (ja) | 2002-02-28 | 2002-04-26 | ２回回転ｙカット水晶振動子とこれを用いた発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003324332A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6849991B2 (en) | 2002-03-26 | 2005-02-01 | Seiko Epson Corporation | Quartz resonating piece, quartz resonator, and quartz device |
| JP2010251959A (ja) * | 2009-04-14 | 2010-11-04 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 水晶振動子 |
| JP2011182025A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Kyocera Kinseki Corp | 温度補償型圧電発振器 |
| CN109543320A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-29 | 西安电子科技大学 | 一种进行at切温补晶振的应力补偿膜设计方法 |
| WO2021157122A1 (ja) * | 2020-02-04 | 2021-08-12 | 株式会社村田製作所 | 発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子 |
| DE112020006422T5 (de) | 2020-03-19 | 2022-11-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Kristallschwingelement, kristallschwinger und kristalloszillator |
| WO2023181487A1 (ja) * | 2022-03-22 | 2023-09-28 | 株式会社村田製作所 | 水晶振動素子及びその製造方法 |
-
2002
- 2002-04-26 JP JP2002127303A patent/JP2003324332A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6849991B2 (en) | 2002-03-26 | 2005-02-01 | Seiko Epson Corporation | Quartz resonating piece, quartz resonator, and quartz device |
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| JP2011182025A (ja) * | 2010-02-26 | 2011-09-15 | Kyocera Kinseki Corp | 温度補償型圧電発振器 |
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| WO2021157122A1 (ja) * | 2020-02-04 | 2021-08-12 | 株式会社村田製作所 | 発振器、温度補償回路、及び水晶振動素子 |
| DE112020006422T5 (de) | 2020-03-19 | 2022-11-03 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Kristallschwingelement, kristallschwinger und kristalloszillator |
| WO2023181487A1 (ja) * | 2022-03-22 | 2023-09-28 | 株式会社村田製作所 | 水晶振動素子及びその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050304 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050304 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061218 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070130 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20070328 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
Effective date: 20070424 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 |
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| A072 | Dismissal of procedure |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A072 Effective date: 20070529 |