JP3176642B2 - Ktカット水晶振動子 - Google Patents

Ktカット水晶振動子

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JP3176642B2
JP3176642B2 JP00785491A JP785491A JP3176642B2 JP 3176642 B2 JP3176642 B2 JP 3176642B2 JP 00785491 A JP00785491 A JP 00785491A JP 785491 A JP785491 A JP 785491A JP 3176642 B2 JP3176642 B2 JP 3176642B2
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宏文 川島
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セイコーインスツルメンツ株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は幅縦水晶振動子のカット
角に関する。特に、小型化、高精度化、耐衝撃性、低廉
化の要求の強いポケットベル、ICカードや移動無線等
の基準信号源として最適な新カットの幅縦水晶振動子に
関する。
【0002】
【従来の技術】周波数が4MHz以上の水晶振動子は、
板厚によって大略周波数が決定される厚みすべり水晶振
動子が用いられてきた。特に、周波数温度特性に優れた
ATカットが多用されてきた。又、これらの振動子は機
械加工にて振動子を形成する方法が採られていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら多用されているATカット水晶振動子は、機械加工に
より形成するために小型化した場合、振動子の支持方法
が難しく、振動漏れによる等価直列抵抗R1 の増加やス
プリアス振動の発生が多くなり、小型化には限界があっ
た。又、衝撃に弱く、更には、振動子を1個ずつ機械的
に加工するため低廉化には限界があるなど、超小型の携
帯機器用水晶振動子としては、極めて重要な課題が残さ
れていた。このことから、周波数が4MHz以上で、し
かも超小型で、零温度係数を有するエッチング加工が容
易な新カットの水晶振動子が望まれていた。
【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、幅縦振動モ
ードで振動する水晶振動子で、z軸(光軸)と垂直とな
るz板水晶をx軸(電気軸)を回転軸として、20゜か
ら35゜回転した水晶板から前記振動子を形成すること
により課題を解決している。
【0005】
【作用】このように、本発明は幅縦水晶振動子で、しか
もカット角φがz板をx軸の回りにφ=20゜〜35゜
回転し、この板より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幅縦水晶振動子が得
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は本発明の幅縦水晶振動子1とその座標系を
斜視図で示す。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、幅
0、 厚みz0、 長さy0 からなり、幅x0 方向に伸縮
の振動をする幅縦水晶振動子1はz軸と垂直となるz板
水晶に一致するように置く。次に、x軸を回転軸として
反時計方向に角度φ=20゜〜35゜回転した裁出方位
から切り出される。以後、このカットをKTカットと呼
ぶ。この様子は図1の破線で示され、座標回転後の幅縦
水晶振動子2で示される。この角度φによって、弾性ス
チフネス定数の温度係数と膨張係数が変化するため、任
意の周波数温度特性が得られる。次に、カット角の変化
による温度特性の挙動について述べる。
【0007】図2は本発明の幅縦水晶振動子の厚みz0
が幅x0より非常に小さく、かつ長さy0 が幅x0 より
非常に大きいときのカット角φと1次、2次温度係数
α、βとの関係の特性図である。カット角φが零度から
大きくなるにつれて、1次温度係数αは大きくなりカッ
ト角φ=24.6゜でα=0となり、常温付近で零温度
係数を持つ幅縦水晶振動子が得られる。更に角度を増や
すとαはさらに大きくなる。このように、φによって特
に、1次温度係数αが著しく変化するので、任意の温度
に頂点温度を設定することができる。一方、2次温度係
数βは、φ=20゜のときβ=−1.21×10-8/℃
2 で、φが大きくなるにつれて、βの絶対値は小さくな
り、φ=35゜で、β=−0.925×10-10 /℃2
となる。
【0008】図3は図2で示した本発明の幅縦水晶振動
子のカット角φをパラメータにしたときの周波数温度特
性の例を示す。φ=20゜のときには、α、βが負の値
を持つために、頂点温度TPは大きく負側に存在する。
しかし、φ=25゜で近似的にα=0となるためにTP
は常温にくる。更にφ=35゜と大きくすると、αはよ
り大きな正値を持つために頂点温度TPは高くなる。こ
のようにカット角φの選択により頂点温度TPを任意の
温度に設定できるので、使用条件により低温側で周波数
温度特性に優れた振動子を必要とする場合には、φをφ
=20゜付近に設定し、一方、高温側で要求する場合に
はφ=35゜付近と大きくすれば良い。勿論、常温付近
ではφ=25゜付近に設定すれば良いことは言うまでも
ない。又、2次温度係数βは図2で述べたように、φ=
20゜のとき、β=−1.21×10-8/℃2 で、φが
大きくなるとβの絶対値はより小さくなるので、高温側
で使用したときの方が低温側のそれより、より周波数温
度特性に優れた幅縦水晶振動子が得られる。
【0009】図4はカット角φ=25゜を有する本発明
の幅縦水晶振動子の辺比γ(=z0 /x0 :厚みz0
幅x0 の比)と1次温度係数αとの関係を示す。今まで
は辺比γ=z0 /x0 が非常に小さいときの周波数温度
特性について示したが、図4では辺比γ=z0 /x0
少しずつ大きくしたときに、1次温度係数αがどのよう
に変化するのかを示している。図4から明らかなように
辺比γ=z0 /x0 を大きくすると厚みz0 の影響が出
てきて、αの値がそれにより変化する。更に、その理由
を詳述すると、厚みz0 に依存する (1)厚みすべり振動 (2)厚み縦振動 (3)ポアソン比に依存する厚み方向の断面変形振動 の3つの振動が主に幅縦水晶振動子に影響を及ぼすため
である。この3つの振動の内、(3)は厚みz0 の大小
にかかわらず、その影響の大きさは別として、常にαに
影響を及ぼしている。図4から辺比γ=z0 /x0 が大
きくなると(x0 を一定とすると厚みz0 が大きくな
る)、厚みに依存する厚みすべり振動が主振動が幅縦水
晶振動子に結合するために、αは更に正値を持つ。この
ときには厚み縦振動はほとんど主振動とは結合しない。
しかしながら、更に辺比γ=z0 /x 0 を大きくする
と、今度は厚みすべり振動との結合は弱くなり、(2)
の厚み縦振動との結合が強くなるために、αは負値へと
変化して行く。この様子は図4の実験値からもよく理解
できる。
【0010】図5は本発明の幅縦水晶振動子の周波数温
度特性の他の例を示す。振動子の条件はカット角φ=2
4゜、辺比γ=z0 /x0 =0.5、周波数f=13.
5MHzの場合である。このとき、1次温度係数α=−
1.36×10-8/℃、2次温度係数β=−1.28×
10-8/℃2 とαが近似的に零で、又、βが従来よく知
られているDTカット(β=−1.8×10-8/℃2
より小さくなり、優れた周波数温度特性を得ることがで
きた。
【0011】次に、本発明の幅縦水晶振動子の幅寸法と
周波数fとの関係を示す。
【0012】図6は本発明の幅縦水晶振動子の幅x0
周波数fとの関係を示す。本発明のKTカット水晶振動
子の周波数定数(f・x0 )はカット角φによって、若
干変化するが基本波のとき大略270KHz・cmであ
るので、周波数f=4.0MHz以上の振動子を実現す
るには、幅x0は大略x0 =675μmより小さくすれ
ばよいことになる。勿論、高調波を使用すれば基本波の
3.57倍等奇数倍の周波数が得られる。又、長さy0
に依存する長辺振動との結合を避けるために、長さy0
は幅x0 より極めて大きくとり、更に、等価直列抵抗R
1 を小さくするために、通常はx0 /y0 <0.1に設
計される。但し、周波数が7MHz以下と低くなると、
幅x0 は大きくなるので、小型化した振動子を得るため
に、x0 /y0 <0.2に設計されるが、この場合でも
長辺振動による影響は全く存在しない。
【0013】今までは周波数温度特性と周波数について
述べてきたが、次に、本発明の幅縦水晶振動子を励振す
る電極の配置について述べる。
【0014】図7(a)、(b)、(c)は本発明のKTカ
ット幅縦水晶振動子の励振電極配置例の断面図を示す。
図7(a)は幅縦水晶振動子2のz’軸に垂直な面に励
振電極3、4、5、6が設けられ、対向電極3、4と対
向電極5、6が同極となるように形成され、各々電極端
子A,Bを形成している。又、図7(b)は幅縦水晶振
動子2のx軸に垂直でエッチングされた面にそれぞれ励
振電極7、8が設けられている場合の例で、(a)と同
様電極端子A,Bを形成している。更に、図7(c)は
幅縦水晶振動子2のz’軸とx軸に垂直でエッチングさ
れた面に励振電極9、10を設けた場合の例である、同
様に電極端子A,Bを形成している。従って、電極端子
A,B間に交番電圧を印加することによって、x軸方向
に電界が発生する、これにより、幅x0 方向に大きく振
動する幅縦水晶振動子を容易に励振することができる。
その結果、等価直列抵抗R1 の小さい幅縦水晶振動子を
得ることができる。又、図7(a)、(b)、(c)に設け
られた励振電極3−10の大きさは、スプリアス振動や
電界効率等を考慮して決められる。特に、y’軸方向の
電極の長さは、長さy0 に全面に配置したときが最もR
1 を低下させることができる。
【0015】
【発明の効果】以上述べたように、本発明のKTカット
幅縦水晶振動子は、次の著しい効果を有する。 (1)カット角φ=20゜〜35゜の幅縦水晶振動子は
頂点温度TPを任意の温度に設定できるので、要求に応
じて低温側でも高温側でも優れた周波数温度特性を得る
ことができる。
【0016】(2)カット角φ=20゜〜35゜のKT
カットは、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。 (3)周波数が幅x0 によって大略決まるので、4MH
z以上の周波数は、特に超小型化が可能である。 (4)1枚のウエー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。
【0017】(5)振動子の上下面あるいは側面、又は
上下面と側面に励振電極を配置することにより、等価直
列抵抗R1 の小さい幅縦水晶振動子が得られる。 (6)本振動子は任意の形状をエッチング法にて形成で
きるので、耐衝撃性に優れた振動子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の幅縦水晶振動子とその座標系を示す斜
視図である。
【図2】本発明の幅縦水晶振動子のカット角φと1次、
2次温度係数α、βとの関係を示す特性図である。
【図3】本発明の幅縦水晶振動子のカット角φをパラメ
ータにしたときの周波数温度特性の一例を示す特性図で
ある。
【図4】本発明の幅縦水晶振動子の辺比γ=z0 /x0
と1次温度係数αとの関係の特性図である。
【図5】本発明の幅縦水晶振動子の周波数温度特性の他
の例を示す特性図である。
【図6】本発明の幅縦水晶振動子の幅x0 と周波数fと
の関係の特性図である。
【図7】(a)、(b)、(c)は本発明のKTカット幅縦
水晶振動子の励振電極配置の3様の断面図である。
【符号の説明】
1 幅縦水晶振動子 2 座標回転後の幅縦水晶振動子 3−10 励振電極 A,B 電極端子 x0 振動子の幅 y0 振動子の長さ z0 振動子の厚み x 電気軸 y 機械軸 z 光軸 φ カット角
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−30736(JP,A) 特開 昭54−138394(JP,A) 実開 昭57−57631(JP,U) 1992 IEEE FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM P.525−531 1993 IEEE INTERNATI ONAL FREQUENCY CON TROL SYMPOSIUM P. 527−534 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03H 9/00 - 9/215 H03H 9/54 - 9/60

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 幅縦振動モードで振動する水晶振動子
    おいて、z軸(光軸)と垂直となるZ板水晶をx軸(電
    気軸)を回転軸として反時計方向に20°から35°
    標が回転した水晶板から前記振動子を形成し、且つ、x
    軸方向に電界を発生する複数の励振電極を有することを
    特徴とするKTカット水晶振動子。
  2. 【請求項2】 前記複数の励振電極は、前記振動子の座
    標回転後のz‘軸に垂直で、且つy’軸に平行な上面
    に、互いに離間して設けられた励振電極3と励振電極5
    と、 下面の前記励振電極3と前記励振電極5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6とからなり、 前記励振電極3と前記励振電極4とが電気的に接続さ
    れ、前記励振電極5と前記励振電極6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KTカット
    水晶振動子。
  3. 【請求項3】 前記複数の励振電極は、前記振動子の座
    標回転後のx軸に垂直で、且つy‘軸に平行な面のうち
    一方に設けられた励振電極7と、 他方に設けられた励振電極8からなることを特徴とする
    請求項1記載のKTカット水晶振動子。
  4. 【請求項4】 前記複数の励振電極は、ぞれぞれ前記振
    動子の座標回転後のz‘軸に垂直で、且つy’軸に平行
    な上面および下面と、座標回転後のx軸に垂直で、且つ
    y‘軸に平行な面とにわたり一体に設けられ、且つ、互
    いに離間した励振電極9と励振電極10であることを特
    徴とする請求項1記載のKTカット水晶振動子。
  5. 【請求項5】 前記振動子の長さy 0 と幅x 0 の比がx 0
    /y 0 <0.1であることを特徴とする請求項1記載の
    KTカット水晶振動子。
JP00785491A 1991-01-25 1991-01-25 Ktカット水晶振動子 Expired - Lifetime JP3176642B2 (ja)

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US07/822,532 US5311096A (en) 1991-01-25 1992-01-17 KT cut width-extensional mode quartz crystal resonator
DE69225250T DE69225250T2 (de) 1991-01-25 1992-01-21 Quarzkristall-Resonator im Breitenausdehnungsmodus mit KT-Schnitt
EP92300508A EP0496583B1 (en) 1991-01-25 1992-01-21 KT cut width-extensional mode quartz crystal resonator

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1992 IEEE FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM P.525−531
1993 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM P.527−534

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