JP3135307B2 - 捩り水晶振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、捩り水晶振動子のカッ
ト角と辺比Ｒ_zx（厚み／幅）に関する。特に、小型化、
高精度化、耐衝撃性、低廉化の要求の強い腕時計、ポケ
ットベル、ＩＣカードや移動体無線等の基準信号源とし
て最適な新カットの捩り水晶振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】周波数が２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの
水晶振動子は、音叉形状した屈曲水晶振動子と縦水晶振
動子が用いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら使用されている音叉型屈曲水晶振動子は高調波モード
を使用するため、電極形成が複雑で、リード線等の支持
による振動エネルギー損失が多く、その結果、等価直列
抵抗Ｒ₁ が上昇するなどの課題が残されていた。一方、
縦水晶振動子は、周波数が振動腕の長さに反比例するた
め、６００ｋＨｚ以下の振動子を実現しようとすると、
おのずからサイズが大きくなり、小型化できないという
課題が残されていた。このようなことから、周波数が２
００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚで、しかも、超小型で零温度
係数を有し、化学的エッチング加工が容易な新カットの
水晶振動子が所望されていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の方法で従
来の課題を解決するものである。すなわち、捩り振動モ
ードで振動する水晶振動子で、該振動子の長さｙ_0, 幅
ｘ₀ と厚みｚ₀ 方向を各々ｙ軸（機械軸）、ｘ軸（電気
軸）とｚ軸（光軸）に一致させ、ｘ軸を回転軸として、
角度φ＝−９０゜〜＋９０゜回転し、更に、ｚ軸の新軸
ｚ’軸の回りに角度θ＝−１０゜〜−８０゜回転して形
成し、更に、振動子の厚みｚ₀ と幅ｘ₀ の比Ｒ_zx（ｚ₀
／ｘ₀ ）を０．１から１．５にすることにより課題を解
決している。

【０００５】

【作用】このように、本発明は捩り水晶振動子で、しか
もカット角（φ、θ）をｘ軸の回りにφ＝−９０゜〜＋
９０゜回転し、更に、ｚ’軸の回りにθ＝−１０゜〜−
８０゜回転し、更に辺比Ｒ_zx（厚み／幅）が０．１〜
１．５を有する振動子をエッチング法により形成するこ
とにより、零温度係数を持った捩り水晶振動子が得られ
る。

【０００６】

【実施例】次に、本発明を実施例に基づいて具体的に述
べる。図１は本発明の捩り水晶振動子１とその座標系を
示す。座標系は原点０、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚか
ら成り、０−ｘｙｚを構成している。まず、厚みｚ₀ 、
幅ｘ₀ と長さｙ₀ から成り、各々、ｚ軸（光軸）、ｘ軸
（電気軸）とｙ軸（機械軸）に一致している捩り水晶振
動子１は、ｙ軸回りに捩りモーメントを有する。次に、
ｘ軸とｚ’軸を回転軸として反時計方向の回転を正とす
ると、角度φ＝−９０゜〜＋９０゜、θ＝−１０゜〜−
８０゜回転される。以後、このカットをＴＴカットと呼
ぶ。次に、１次温度係数αを零にするカット角（φ、
θ）と辺比Ｒ_zx（厚みｚ₀ ／幅ｘ₀ ）との関係を示す。

【０００７】図２は、本発明の捩り水晶振動子の１次温
度係数αが零になるときのカット角（φ、θ）と辺比Ｒ
_zxとの関係（ａ）とその時の２次温度係数βの値（ｂ）
である。θ＝０゜〜−３０゜の範囲では、φ＝−５０゜
〜＋６０゜で辺比Ｒ_zxの組み合わせにより、無数に、α
＝０となることがよく分かる。また、カット角θ＝−１
０゜のとき、φ＝３０゜付近でβの絶対値は最小値を示
す。例えば、φ＝２８゜、θ＝−１０゜で、α＝０とな
り、その時のβは、−１．１６×１０^-8／℃² とその絶
対値は音叉型屈曲水晶振動子の約１／３倍と相当に小さ
い値が得られた。更に、φ＝−４２゜、θ＝−３０゜で
もα＝０となり、その時のβは、−１．０６×１０^-8／
℃² とこの場合もβの絶対値が相当に小さくなることが
分かる。φ＝−５０゜〜＋６０゜で、θに依存するがβ
は近似的にβ＝−１．０×１０^-8／℃² 〜−３．７×１
０^-8／℃² とカット角（φ、θ）と辺比Ｒ_zxの組み合わ
せにより、α＝０となり、しかも、βの絶対値が小さい
ので、優れた周波数温度特性を有する音叉型捩り水晶振
動子が得られる。

【０００８】図３は、図２の振動子と同じ関係で、カッ
ト角θをθ＝−４０゜、−６０゜、−８０゜と更にその
絶対値を大きくしたときの関係である。すなわち、
（ａ）がα＝０となるときのカット角（φ、θ）と辺比
Ｒ_zxとの関係で、（ｂ）はそのときの２次温度係数βの
値である。θ＝−４０゜〜−８０゜の範囲では、φ＝３
５゜付近でα＝０となる辺比Ｒ_zxは存在しないが、その
近辺を除けばφ＝−９０゜〜＋９０゜の範囲でα＝０と
なり、そのときのβは約−１．０×１０^-8／℃² 〜−
３．８×１０^-8／℃² とθ＝０゜〜−３０゜のときと同
様に、優れた周波数温度特性を持った音叉型捩り水晶振
動子が得られる。このように、カット角φ＝−９０゜〜
＋９０゜、θ＝０゜〜−８０゜と辺比Ｒ_zx＝０．１〜
１．５の組み合わせにより、α＝０となる関係が得られ
る。この代表的様子は以下の図４と図５で示される。

【０００９】図４は、本発明のカット角φ＝２８゜、θ
＝−１０゜のときの周波数温度特性の一例を実線で示
す。一方、破線は屈曲モードでの周波数温度特性であ
る。すでに図２で述べたように、本発明の音叉型捩り水
晶振動子の方が周波数温度特性に大変に優れていること
が良く分かる。図５は、本発明のカット角φ＝−４２
゜、θ＝−３０゜のときの周波数温度特性の他の例を示
す。図４の場合と同様に屈曲モード水晶振動子より優れ
た音叉型捩り水晶振動子が得られることが分かる。

【００１０】次に、本発明の音叉型捩り水晶振動子を励
振する電極構成について述べる。図６は、本発明のカッ
ト角（φ、θ）を有する水晶板から形成される音叉型捩
り水晶振動子１'(ａ）とその電極構成の断面図（ｂ）を
示す。端子Ａ，Ｂは電極端子を示し、端子Ａは電極２、
５、７、８に接続され、一方、端子Ｂは電極３、４、
６、９に接続されている。この電極構成のとき本発明の
捩り水晶振動子１’を励振する圧電定数はｅ₁₆であり、
以下ｅ₁₆とカット角（φ、θ）との関係を示す。

【００１１】図７は、カット角θをパラメータにしたと
きの圧電定数ｅ₁₆とカット角φとの関係を示す。θ＝０
゜のとき、あらゆるカット角φでｅ₁₆は零となり、本捩
り水晶振動子を励振することができないことが分かる。
しかし、カット角θを徐々に大きくすると、ｅ₁₆の絶対
値も徐々に大きくなり、θ＝−３０゜で最大を示す。図
示していないが、θの絶対値をさらに大きくすると、ｅ
₁₆の絶対値は徐々に小さくなり、θ＝−６０゜で最小と
なり、更に大きくするとｅ₁₆の絶対値は再び大きくな
る。このことから、本発明で示した電極構成ではθ＝０
゜の捩り水晶振動子は励振できないことになる。又、｜
θ｜＜１０゜ではｅ₁₆の絶対値が非常に小さいので、等
価直列抵抗Ｒ₁ が大きく実用的でない。それ故、本発明
では小さいＲ₁ を得るために｜θ｜を１０゜以上に設け
る。次に、振動子を小型化にできる理由について述べ
る。

【００１２】図８は、辺比Ｒ_zx＝０．８を有する本発明
の音叉型捩り水晶振動子のカット角φと周波数定数（ｆ
・ｙ₀ ）との関係を示す。カット角（φ、θ）によって
異なるが、周波数定数は８０〜９７ｋＨｚ・ｃｍと辺比
（幅／長さ）０．１を持つ音叉型屈曲水晶振動子の７．
９ｋＨｚ・ｃｍより大きく、縦水晶振動子の２７０ｋＨ
ｚ・ｃｍより小さく、屈曲振動と縦振動の間にあり、本
発明の音叉型捩り水晶振動子は周波数が２００ｋＨｚ〜
６００ｋＨｚ位の範囲で特に効力を発揮することにな
る。

【００１３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のＴＴカット
捩り水晶振動子を提案することにより、次の著しい効果
を有する。 （１）カット角φ＝−９０゜〜＋９０゜、θ＝−１０゜
〜−８０゜と辺比Ｒ_zx＝０．１〜１．５の組み合わせに
より、１次温度係数αが零となるので、優れた周波数温
度特性を示す。 （２）特に、２次温度係数βが音叉型屈曲水晶振動子の
約１／３倍になるカット角（φ、θ）と辺比Ｒ_zxが存在
するので温度に対する周波数変化が屈曲振動や縦振動よ
り小さくなる。 （３）本発明のカット角（φ、θ）の内、φ＝−５５゜
〜＋３０゜、θ＝−１０゜〜−８０゜のカット角ではエ
ッチング法によって容易に形成できるので、小型化、薄
型化ができる。同時に、１枚のウエハ上に多数個の振動
子を一度にバッチ処理できるので、低廉化が可能であ
る。 （４）周波数定数が基本波の音叉型屈曲水晶振動子と縦
水晶振動子の間にあるので、周波数が２００ｋＨｚ〜６
００ｋＨｚで特に、効力を発揮する。 （５）同時に、超小型化が可能である。 （６）振動子の上下面に励振電極を配置することによ
り、等価直列抵抗Ｒ₁の小さい、Ｑ値の高い捩り水晶振
動子が得られる。 （７）本振動子は音叉形状に加工されるので、リード線
等の支持による振動エネルギー損失が小さくなり、耐衝
撃性に優れた捩り水晶振動子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の捩り水晶振動子とその座標系を説明す
る説明図である。

【図２】本発明の捩り水晶振動子の１次温度係数αが零
になるときのカット角（φ、θ）と辺比Ｒ_zxとの関係
（ａ）とその時の２次温度係数βの値（ｂ）である。

【図３】本発明の捩り水晶振動子の１次温度係数αが零
になるときのカット角（φ、θ）と辺比Ｒ_zxとの関係
（ａ）とその時の２次温度係数βの値（ｂ）である。

【図４】本発明の音叉型捩り水晶振動子の周波数温度特
性の一例である。

【図５】本発明の音叉型捩り水晶振動子の周波数温度特
性の他の例である。

【図６】本発明のカット角（φ、θ）を有する水晶板か
ら形成される音叉型捩り水晶振動子（ａ）とその電極構
成の断面図（ｂ）を示す。

【図７】本発明のカット角θをパラメータにしたときの
圧電定数ｅ₁₆とカット角φとの関係である。

【図８】本発明の音叉型捩り水晶振動子のカット角θを
パラメータにしたときのカット角φと周波数定数（ｆ・
ｙ₀ ）との関係を示す。

【符号の説明】

１ 捩り水晶振動子 １’ 音叉型捩り水晶振動子 ２〜９ 励振電極 Ａ，Ｂ 電極端子 ｘ₀ 振動部の幅 ｙ₀ 振動部の長さ ｚ₀ 振動部の厚み φ、θ カット角 ｘ 電気軸 ｙ 機械軸 ｚ 光軸

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−236808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−58108（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−131434（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−218025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−138394（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−100688（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−91691（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−91688（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−46093（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭62−46092（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭61−60611（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/00 - 9/215

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 捩り振動モードで振動する水晶振動子に
   おいて、前記振動子の長さｙ₀、幅ｘ₀と厚みｚ₀方向を
   各々ｙ軸（機械軸）、ｘ軸（電気軸）とｚ軸（光軸）に
   一致させ、ｘ軸を回転軸として、角度φ＝−９０°〜＋
   ９０°回転し、さらにｚ軸の新軸ｚ‘軸の回りに角度θ
   ＝−１０°〜−８０°回転したカット角で切り出された
   水晶板から成ることを特徴とする捩り水晶振動子。
2. 【請求項２】 前記振動子の厚みｚ₀と幅ｘ₀の比Ｒ
   _zx（ｚ₀／ｘ₀）を０．１から１．５にしたことを特徴と
   する請求項１記載の捩り水晶振動子。
3. 【請求項３】 前記振動子が音叉型捩り水晶振動子であ
   り、座標回転後のｚ‘軸に垂直な面でｙ“軸に平行に形
   成された一方の音叉の振動部の上面に、互いに離間して
   設けられた励振電極２と励振電極３と、 他方の音叉の振動部の上面に、互いに離間して設けられ
   た励振電極６と励振電極７と、 前記一方の音叉の振動部の下面の前記励振電極２と前記
   励振電極３ぞれぞれに対向する位置に互いに離間して設
   けられた励振電極４と励振電極５と、 前記他方の振動部の下面の前記励振電極６と前記励振電
   極７それぞれに対向する位置に互いに離間して設けられ
   た励振電極８と励振電極９とを有し、 前記励振電極２と前記励振電極５と前記励振電極７と前
   記励振電極８とが電気的に接続され、 前記励振電極３と前記励振電極４と前記励振電極６と前
   記励振電極９とが電気的に接続されていることを特徴と
   する請求項１記載の捩り水晶振動子。
4. 【請求項４】 前記音叉型水晶振動子が前記励振電極を
   有するときに、前記ｚ軸の新軸ｚ‘軸の回りに回転した
   カット角が角度｜θ｜が１０°以上となるように切り出
   された水晶板から形成されることを特徴とする請求項４
   記載の捩り水晶振動子。
5. 【請求項５】 前記振動子の周波数が２００ｋＨｚ〜６
   ００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１記載の水晶
   振動子。