JP2545692B2 - 厚みすべり水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は厚みすべり振動を行なう
水晶振動子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】従来、厚みすべり振動を行
なう水晶振動子として、円板状のＡＴカット水晶振動子
があった。このＡＴカット水晶振動子は、周波数温度特
性が優れているため広く普及されているが、小型化が困
難であるという欠点を持っていた。

【０００３】また、矩形形状のＡＴカット水晶振動子も
提案されている。しかしこれにおいても、水晶振動子を
小型化して、水晶片の幅と厚みの比、すなわち辺比を小
さくすると、主振動レベルが低下するとともに不要振動
の数およびレベルが増大し、主振動特性が低下して実用
には不適であった。

【０００４】さらに、水晶片の側面を約５度傾斜させた
矩形状ＡＴカット水晶振動子が提案されている。これ
は、輪郭系振動との結合を小さくすることによって主振
動特性の低下を防止しようとしたものであるが、この水
晶振動子においても、小型化していくと主振動レベルが
低下してしまうという欠点は解消されなかった。

【０００５】このように従来は、いずれの方法において
も主振動特性を低下させずに小型化可能な水晶振動子を
製造することは困難であった。

【０００６】

【発明の目的】本発明の目的は、主振動レベルを低下さ
せることなく極めて小型化することが可能な厚みすべり
水晶振動子、および輪郭系の不要振動群を主振動領域か
ら遠ざけることができ、主振動にて安定的に発振できる
厚みすべり水晶振動子を、簡単かつ生産効率よく製造す
る方法を提供することにある。

【０００７】

【目的を達成するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、水晶のＸ軸を中心として、Ｙ軸をＺ軸方
向に、Ｚ軸を同方向にそれぞれ約３５度だけ回転して
Ｙ’軸とＺ’軸とを設定し、このＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸
に各辺が沿うように形成された矩形状のＡＴカット水晶
原板を用い、水晶原板が、Ｚ’軸方向に沿って均一な厚
さになるとともにＸ軸方向に沿って中央部から両端部に
行くに従って薄くなるように加工し、この水晶原板にお
いて、Ｙ’軸を中心としてＸ軸およびＺ軸を所定角度φ
だけそれぞれ回転してＸ”軸およびＺ”軸を設定し、
Ｘ”軸方向に平行でかつＸ”−Ｙ’軸平面に対しＺ”軸
方向に角度ζだけ傾斜するように設定した切断面に沿っ
て、水晶原板を複数個に分割することを特徴とするもの
である。

【０００８】なお、角度φは３度ないし３０度の範囲内
で設定されており、角度ζは角度φに対応して定められ
るものである。

【０００９】

【作用】本発明により製造した棒状の厚みすべり水晶振
動子は、従来よりも小型化しても、輪郭系の振動との結
合が疎にできるとともに、主振動の共振レベルが高くな
るため、安定した発振が行なえる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。ま
ず、本発明の方法により製造した厚みすべり水晶振動子
について説明する。図１に示すＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は、そ
れぞれ水晶の電気軸、機械軸、光軸である。ここで、本
発明において用いているＡＴカット水晶原板の座標軸
は、Ｘ軸を中心として、Ｙ軸をＺ軸方向に角度θだけ回
転して設定したＹ´軸と、Ｚ軸を同方向に角度θだけ回
転して設定したＺ´軸となっている。この角度θは約３
５度である。

【００１１】このようなＡＴカット水晶原板の座標軸
（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）から、本発明ではさらに回転した座
標軸を設定している。すなわち、Ｙ´軸を中心として、
Ｘ軸をＺ´軸方向に角度φだけ回転してＸ″軸が設定さ
れ、Ｚ´軸を同方向に角度φだけ回転してＺ″軸が設定
される。角度φは３度〜３０度の範囲に設定される。

【００１２】図１〜５に、本発明に係る製造方法により
製造した水晶片１を示している。なお、以下の実施例に
おいては、長さＬが約６ｍｍ、幅ｗが約１ｍｍ、厚さｔ
が約０．４ｍｍ、辺比（幅ｗ／厚さｔ）が２．５の水晶
片を製造した例を示している。

【００１３】この水晶片１は、その長手方向がＸ″軸方
向に一致し、主面１ｂは、Ｘ″軸−Ｚ″平面に平行に形
成されており、もう一つの主面１ａはＸ″軸−Ｚ″平面
に平行な面からＹ´軸方向に凸状の曲面に形成されてい
る。すなわち、水晶片１の一方の主面１ａが、Ｚ´軸に
平行な円柱の側面の一部をなすように研磨加工されて形
成されている。これによって、主面１ａは、Ｚ´軸方向
に沿って均一な厚みとなるとともに、Ｘ″軸方向に沿っ
て、中央部が厚く両端部に行くに従って薄くなるシリン
ドリカル形状になっている。そして、長手方向の側面１
ｃ，１ｄは、Ｘ″軸−Ｙ´軸平面に対し、角度ζだけ
Ｚ″方向へ傾斜している。本発明においては、角度ζは
１度〜６度の範囲において、角度φに基づき図６の関係
より決定される。水晶片１の端面１ｅ，１ｆは、Ｙ´軸
−Ｚ″軸平面に平行になるように加工されている。図
３，５に示すように、円柱面加工がＺ´軸方向に行なわ
れるため、端面１ｅ，１ｆにおいては、厚さの変化が生
じている。

【００１４】図７〜９には、上記のような水晶片の製造
工程を示している。まず、水晶から切断角度約３５度に
て切出した通常のＡＴカット水晶原板２２を用意する。
そしてこのＡＴカット水晶原板２２の一方の面に、Ｚ´
軸方向に沿って円柱面加工を行なった後、角度φ，ζを
もって斜めに切断する。このようにして切断した水晶片
２１は、長手方向が、Ｘ軸をＺ´軸方向に角度φだけ回
転させたＸ″軸に一致しており、一方の主面２１ａは上
記の円柱面加工によって、Ｚ´軸に沿って厚みが均一
で、Ｘ軸に沿って中央部から両端部に行くに従って厚み
が薄くなるように形成されている。また水晶片２１の長
手方向の側面（この面が切断面となる。）２１ｃ，２１
ｄは、Ｘ″軸−Ｙ´軸平面に対しＺ″軸方向に角度ζだ
け傾斜している。そして端面２１ｅ，２１ｆは、Ｙ´軸
−Ｚ´軸平面と平行になっている。なお、この実施例に
おいては、角度φ＝約１５度としており、図２の関係に
基づいて角度ζは約５度に設定している。このようにし
て水晶片２１を製造する場合、通常市販されているＡＴ
カット水晶原板から多数の水晶片２１を容易に得ること
ができ、生産効率がよい。

【００１５】また、このようにして得た水晶片２１の端
面２１ｅ，２１ｆを研磨加工などしてＺ″軸と平行にす
ることもできる。こうすると、前述の実施例の水晶片１
と同形状の水晶片となり、長手方向の側面と幅方向の側
面とが直交するため保持構造などが簡単になる。

【００１６】なお、上記実施例の水晶片２１において、
両主面にそれぞれ円柱面加工を施すこともできる。そう
すると、両端部の厚さをさらに薄くすることができる。
この場合は円柱面加工の際の曲率半径を大きくする必要
がある。

【００１７】図１０〜１３に本発明に係る水晶片の第３
の例を示している。この水晶片３１は、上記の例よりも
辺比ｗ／ｔを大きくし、角度φ＝約１０度、角度ζ＝約
５．１度に設定した。そして、水晶素片の両側部を傾斜
面に加工するベベル加工をＺ´軸に沿って施して形成さ
れたものである。これによって、水晶片３１は、Ｚ´軸
に沿って厚さが均一になり、両端部はＸ軸に沿って端縁
方向へ行くに従って厚さが薄くなっている。そして、水
晶片３１は、長手方向がＸ″軸方向と一致しており、主
面３１ａ，３１ｂは両端部がベベル加工されている。長
手方向の側面３１ｃ，３１ｄは、Ｘ″軸−Ｙ´軸平面に
対し、Ｚ″軸方向に角度ζだけ傾斜している。端面３１
ｅ，３１ｆはＹ´軸−Ｚ″軸平面と平行になるように加
工されている。なお、ベベル加工は一方の主面にのみ行
なってもよい。また、端面は、Ｙ´軸−Ｚ´軸平面と平
行なままにしてもよい。

【００１８】図１４〜１７に本発明の第４の実施例を示
している。この水晶片４１の製造にあたっては、Ｙ軸を
中心にして、Ｘ軸をＺ´軸の反対方向に角度φだけ回転
してＸ″軸が設定され、Ｚ軸を同方向に角度φだけ回転
してＺ″軸が設定されている。この実施例においては、
角度φが約５度で角度ζが５度強に設定している。そし
て、このＺ″軸に沿って、水晶片４１の両主面４１ａ，
４１ｂにバイシリンドリカル加工を施している。これに
よって、水晶片４１はＺ″軸に沿って厚さが均一にな
り、Ｘ″軸に沿って中央部から両端部に行くに従って薄
く形成されている。長手方向の側面４１ｃ，４１ｄは
Ｘ″軸−Ｙ´軸平面に対しＺ″軸方向に角度ζだけ傾斜
している。端面４１ｅ，４１ｆは、Ｙ´軸−Ｚ″軸平面
に平行になるように加工されている。

【００１９】水晶は三方晶系に属するため、Ｘ″軸，
Ｚ″軸を設定する際に、Ｙ軸を中心にして３〜３０度の
範囲で、Ｘ軸およびＺ´軸をどちら側へ回転しても同様
な効果を呈することができる。

【００２０】本発明に係る水晶片は上記のように形成さ
れる。次にこの駆動方法について図１８，１９を参照し
て説明する。

【００２１】水晶片１１の両主面１１ａ，１１ｂの中央
部には、駆動電極１２，１３がそれぞれ蒸着などにより
形成されており、駆動電極１２，１３からは引出電極１
２ａ，１３ａが、水晶片１１の端部まで延出されてい
る。駆動電極に電界を印加すると、水晶片１１は発振す
る。この駆動方法については、上記第１〜４の実施例に
おける水晶片すべてに関して同様である。

【００２２】本出願人は様々な条件で実験を行なってい
る。まず、そのうちの２つの例について、図２０，図２
１を参照して説明する。これらの実験においては、第１
の実施例において示した水晶片１１と同様に、長さＬ＝
約６ｍｍ，厚さｔ＝約０．４ｍｍの水晶片の一方の主面
にシリンドリカル加工を施して形成したものを用いた。

【００２３】第１の実験として、角度φ＝約１５度、角
度ζ＝約５度の条件に基づいて形成した上記の水晶片の
共振周波数を測定した。この水晶片の幅ｗと共振周波数
との関係を図２０に示している。なお、このグラフ中
で、×は主振動を示し、この×と重なる〇の大きさは共
振レベルの高さを示している。他の〇は副振動を示し、
共振レベルが低い振動は点で示している。この結果を見
ると、幅ｗが１ｍｍ付近および１．３５ｍｍ付近におい
て、主振動の共振レベルが非常に高く、主振動に近接し
た副振動は少なく、最も良好な振動特性を示すことがわ
かる。しかし、それ以外の範囲においても、幅ｗが１．
５５ｍｍよりも小さいものは概ね良好な振動特性を示し
ている。

【００２４】第２の実験においては、角度φ＝約３０
度、角度ζ＝約４．５度の条件に基づいて形成した上記
の水晶片の共振周波数を測定した。この水晶片の幅ｗと
共振周波数との関係を図２１に示しており、グラフ中の
記号は図２０に示したものと同様である。これによると
幅ｗが０．９５ｍｍ〜１．３５ｍｍ程度の範囲におい
て、主振動の共振レベルが高く、主振動に近接する副振
動は少なく振動特性が優れている。特に１．２５ｍｍ以
下において顕著である。

【００２５】本出願人は、上記第１，第２の実験以外に
も様々な条件において実験を行なった。次に、図２２〜
２８に示す実験について説明する。これらのグラフにお
いて、縦軸は共振レベルの大きさを示し、横軸は周波数
を示している。

【００２６】図２２は、従来の水晶振動子すなわち角度
φが０度のものについて、幅ｗを約１．００ｍｍとした
場合の共振レベルの測定結果である。これによると、主
振動Ａの共振レベルは十分高いものの、主振動と近接す
る周波数の副振動Ｂの共振レベルが大きく実用に不適で
あることがわかる。

【００２７】図２３〜２７は角度φが５度，１０度，１
５度，３０度，４５度の水晶振動子について、幅ｗを約
１．００ｍｍとした場合のそれぞれの測定結果を示した
ものである。これらは全て主振動Ａの共振レベルが十分
大きく、この主振動に近接する周波数の副振動は殆どな
く実用に適していることがわかる。図２８に示すφ＝約
３０度の場合にやや大きめの副振動Ｂが見られるが、こ
れも主振動Ａから離れているため、実用に支障はないと
みなされる。

【００２８】そして、図２８には角度φが６０度で幅が
約１．００ｍｍの水晶振動子についての測定結果を示し
ている。主振動Ａの共振レベルは高いけれどもこれと近
接する副振動Ｂの共振レベルが大きいため、実用には不
適である。

【００２９】次に図２９に示すグラフについて説明す
る。このグラフは、長さＬが約５．９０ｍｍ，幅ｗが約
１．００ｍｍで、角度φが０度，５度，１０度，１５
度，３０度，４５度の水晶振動子について、それぞれク
リスタルインピーダンス（以下「ＣＩ値」という。）を
測定した結果を示している。なお、測定値にばらつきが
あったのでその中央付近を〇で示し、ばらつきの範囲を
実線で示している。また、比較例として従来実用に供さ
れている水晶振動子、すなわち、幅ｗが１．６７ｍｍ前
後で角度φが０度の水晶振動子のＣＩ値およびそのばら
つきの範囲を△および破線で示している。なお、ＣＩ値
は主振動レベルが高い程小さくなるものであり、この値
が小さい程実用に適するものである。

【００３０】このグラフより明らかなように、角度φが
０度である従来の水晶振動子においては、幅ｗが１．６
７ｍｍ前後の大きさのものはＣＩ値が十分低く実用に適
していたが、幅ｗが約１．００ｍｍと小さい場合にはＣ
Ｉ値が高過ぎて使用不能であるため、水晶振動子の小型
化はできなかった。これに対して、角度φが５度，１０
度，１５度，３０度のものは、幅ｗが１．００ｍｍ前後
であってもＣＩ値が小さく十分実用に適している。ただ
し、角度φが４５度のものは、ＣＩ値が高く、実用には
適さないことがわかった。

【００３１】このように、図２２〜２８に示す測定結果
と図２９に示す測定結果とを総合し、実験誤差やばらつ
きを考慮に入れると、水晶振動子の角度φが３〜３０度
程度の範囲にあるときに、幅ｗを約１．００ｍｍまで小
さくできると判断できる。

【００３２】主振動の共振レベルや副振動の数およびレ
ベルの点から、実用に最適な角度φと角度ζとの組み合
わせを実験的に求め、グラフにプロットしたものが図６
である。このグラフより、上記のように角度φが３度〜
３０度の範囲内にあるときの角度ζは１度〜６度の範囲
にあることがわかる。なお、角度ζの範囲が５度前後で
あることは、従来品とほぼ同じである。

【００３３】以上のように、角度φ＝３〜３０度の範囲
の水晶振動子は、主振動の共振レベルが高くかつ主振動
に近接する副振動は少なく、またＣＩ値が低く、実用的
に十分な性能を有することが明らかになった。

【００３４】なお、従来のＡＴカット水晶原板と同様
に、本発明における角度θは３４度〜３６度の範囲であ
り、角度ζは１〜６度の範囲である。

【００３５】以上のように、本発明によると辺比が小さ
く主振動特性の優れた水晶振動子が得られる。従って、
水晶振動子の幅を小さくしても、主振動特性が低下する
ことがないため、従来よりも小型化することが可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によると、極めて小
型で、主振動領域から不要振動をほとんど除去して、主
振動特性を安定化することができる厚みすべり水晶振動
子を、容易かつ生産効率よく製造することができる。そ
してこの厚みすべり水晶振動子は、製造上の公差を大き
くしても、安定した発振を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る方法により製造した水晶片を示す
斜視図

【図２】図１に示す水晶片の正面図

【図３】図１に示す水晶片の側面図

【図４】図１に示す水晶片の底面図

【図５】図２のＳ−Ｓ線矢視図

【図６】角度φと角度ζの関係を示すグラフ

【図７】本発明に係る水晶片の製造方法を示す説明図

【図８】図７に示す方法により製造した水晶片の側面図

【図９】図７のＴ−Ｔ線矢視図

【図１０】水晶片の他の実施例の正面図

【図１１】図１０に示す水晶片の側面図

【図１２】図１０に示す水晶片の底面図

【図１３】図１０のＵ−Ｕ線矢視図

【図１４】水晶片のさらに他の実施例の正面図

【図１５】図１４に示す水晶片の側面図

【図１６】図１４に示す水晶片の底面図

【図１７】図１４のＶ−Ｖ線矢視図

【図１８】水晶片に駆動電極を形成した水晶振動子の正
面図

【図１９】図１８に示す水晶振動子の背面図

【図２０】角度φ＝約１５度の水晶振動子の幅と共振周
波数との関係図

【図２１】角度φ＝約３０度の他の水晶振動子の幅と共
振周波数の関係図

【図２２】角度φ＝０度の水晶振動子の共振レベルと周
波数との関係図

【図２３】角度φ＝５度の水晶振動子の共振レベルと周
波数との関係図

【図２４】角度φ＝１０度の水晶振動子の共振レベルと
周波数との関係図

【図２５】角度φ＝１５度の水晶振動子の共振レベルと
周波数との関係図

【図２６】角度φ＝３０度の水晶振動子の共振レベルと
周波数との関係図

【図２７】角度φ＝４５度の水晶振動子の共振レベルと
周波数との関係図

【図２８】角度φ＝６０度の水晶振動子の共振レベルと
周波数との関係図

【図２９】水晶振動子の角度φとＣＩ値との関係図

【符号の説明】

１，１１，２１，３１，４１…水晶片 １１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂ，４
１ａ，４１ｂ…主面 １１ｃ，１１ｄ，２１ｃ，２１ｄ，３１ｃ，３１ｄ，４
１ｃ，４１ｄ…側面（切断面） ２２…ＡＴカット水晶原板 θ，φ，ζ…角度 ｔ…厚さ ｗ…幅

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶のＸ軸を中心として、Ｙ軸をＺ軸方
   向に、Ｚ軸を同方向にそれぞれ約３５度だけ回転して
   Ｙ’軸とＺ’軸とを設定し、このＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸
   に各辺が沿うように形成された矩形状のＡＴカット水晶
   原板を用い、 上記水晶原板が、上記Ｚ’軸方向に沿って均一な厚さに
   なるとともに、上記Ｘ軸方向に沿って中央部から両端部
   に行くに従って薄くなるように加工し、 上記水晶原板において、上記Ｙ’軸を中心として上記Ｘ
   軸および上記Ｚ軸を所定角度φだけそれぞれ回転して
   Ｘ”軸およびＺ”軸を設定し、 上記Ｘ”軸方向に平行でかつＸ”−Ｙ’軸平面に対し
   Ｚ”軸方向に角度ζだけ傾斜するように設定した切断面
   に沿って、上記水晶原板を複数個に分割し、 上記角度φは３度ないし３０度の範囲内で設定されてお
   り、上記角度ζは上記角度φに基づいて定められる こと
   を特徴とする厚みすべり水晶振動子の製造方法。