JP3231055B2 - SC-cut crystal unit - Google Patents

SC-cut crystal unit

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JP3231055B2
JP3231055B2 JP24666291A JP24666291A JP3231055B2 JP 3231055 B2 JP3231055 B2 JP 3231055B2 JP 24666291 A JP24666291 A JP 24666291A JP 24666291 A JP24666291 A JP 24666291A JP 3231055 B2 JP3231055 B2 JP 3231055B2
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crystal
cut
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resonator
axis
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山 光 明 小
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日本電波工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、SCカットの水晶振動
子に係わり、特に周波数の跳躍するジャンプの阻止に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an SC-cut quartz resonator, and more particularly to the prevention of jumps in frequency.
【0002】[0002]
【従来の技術】一般に圧電結晶は、結晶軸に対して特定
の切断角度においてのみ圧電振動を励振することができ
る。たとえば水晶の圧電特性を利用した水晶振動子の場
合も、結晶軸に対して特定の切断角度においてのみ圧電
振動を励振することができ、これらの切断角度は複数の
組み合わせが存在し、かつそれぞれの切断角度において
固有の振動特性を呈する。たとえば数MHzないし十数
MHzの周波数で最も一般的に使用されるATカットの
水晶振動子は25℃付近に変曲点を有する3次曲線状の
温度特性を示す。ところで計測機器、無線機器等に用い
る基準発振器で周波数の安定度を厳密に要求される場
合、たとえば恒温槽型の発振器を用いている。この恒温
槽型の発振器では80℃程度の一定温度に加熱した恒温
槽に水晶振動子を収納することにより水晶振動子の温度
特性による周波数の変化を除去して安定化を図るもので
ある。そして、このような発振器に適する水晶振動子と
してSCカットの水晶振動子が知られている。このSC
カットの水晶振動子1はたとえば水晶の結晶のY軸に直
交する面をX軸を中心にして約33゜回転し、この回転
した位置からZZ’軸を中心にして約22゜回転した面
から、たとえば短冊状に切り出したものである。しかし
て、このSCカットの水晶振動子はATカットの水晶振
動子に比して熱衝撃特性が良好で、80℃前後の比較的
高温度においてゼロ温度係数を示し、高いQ値を得られ
る。このような特性は、たとえば80℃程度の一定温度
に加熱した恒温槽に収納して使用する安定度の高い水晶
発振器としては極めて望ましい特性である。したがっ
て、たとえば1980年5月に開催された34回FCS
(FREQ.CONTROL SYMPOSIUM)の予稿集の187頁ないし
193頁に基本波モードのSCカット共振器(FUNDAMEN
TAL MODE SC-CUT RESONATORS)として開示されているよ
うに種々の報告がなされている。
2. Description of the Related Art In general, a piezoelectric crystal can excite piezoelectric vibration only at a specific cutting angle with respect to a crystal axis. For example, even in the case of a crystal resonator utilizing the piezoelectric characteristics of quartz, piezoelectric vibration can be excited only at a specific cutting angle with respect to the crystal axis. It exhibits unique vibration characteristics at the cutting angle. For example, an AT-cut quartz resonator most commonly used at a frequency of several MHz to several tens of MHz has a cubic curve-like temperature characteristic having an inflection point near 25 ° C. By the way, when the frequency stability is strictly required in a reference oscillator used for a measuring device, a wireless device, or the like, for example, a thermostatic oven is used. In this thermostatic oven, the crystal oscillator is housed in a thermostat heated to a constant temperature of about 80 ° C., thereby removing a change in frequency due to the temperature characteristics of the crystal oscillator and stabilizing the crystal oscillator. An SC-cut crystal resonator is known as a crystal resonator suitable for such an oscillator. This SC
The cut quartz crystal resonator 1 rotates, for example, a plane orthogonal to the Y axis of the quartz crystal about 33 ° about the X axis, and from this rotated position about 22 ° about the ZZ ′ axis. , For example, cut into strips. Thus, the SC-cut quartz resonator has better thermal shock characteristics than the AT-cut quartz resonator, exhibits a zero temperature coefficient at a relatively high temperature of about 80 ° C., and can obtain a high Q value. Such characteristics are extremely desirable characteristics for a highly stable crystal oscillator which is used by being housed in a thermostat heated to a constant temperature of about 80 ° C., for example. Therefore, for example, the 34th FCS held in May 1980
(FREQ.CONTROL SYMPOSIUM) Proceedings, pages 187 to 193, describe the fundamental mode SC-cut resonator (FUNDAMEN).
Various reports have been made as disclosed as TAL MODE SC-CUT RESONATORS).
【0003】ところで、このようなSCカットの水晶振
動子は、たとえば図4に示すように主振動であるCモー
ドの共振(図示C)の近傍で、かつその高域側の周波数
にBモード(図示B)およびAモード(図示A)の副振
動を生じる。ここでAモードの振動のクリスタルインピ
ーダンス(以下CIと略称する)の値はCモードのそれ
に比して大きいために格別問題とはならない。これに対
してBモードのCIはCモードのそれに等しいか場合に
よっては小さい。このために実際に発振器を製作すると
往々にして副振動のBモードで発振してしまう問題があ
る。したがってSCカットの水晶振動子を用いる場合
は、Cモードの主振動を確実に励振するために、Bモー
ドの振動を抑圧してそのCIをCモードのそれよりも大
きくする必要がある。このために、水晶片の外形形状、
保持位置等について種々の工夫を行なうことによってB
モードの副振動を抑圧するようにしている。しかしなが
らこのようにしても温度変化によって、たとえば主振動
と副振動とが結合して、突然、周波数が大幅に変動す
る、いわゆるジャンプ現象を生じる問題があった。
[0003] By the way, such an SC-cut quartz-crystal vibrator is, for example, as shown in FIG. A sub-vibration occurs in the illustrated B) and the A mode (the illustrated A). Here, since the value of the crystal impedance (hereinafter abbreviated as CI) of the A mode vibration is larger than that of the C mode, it does not pose a particular problem. In contrast, the CI of the B mode is equal to or smaller than that of the C mode. For this reason, when an oscillator is actually manufactured, there is a problem that the oscillator often oscillates in a sub-mode B mode. Therefore, when an SC-cut crystal resonator is used, it is necessary to suppress the B-mode vibration and make its CI larger than that of the C-mode in order to surely excite the C-mode main vibration. For this purpose, the external shape of the crystal blank,
By making various improvements to the holding position, etc., B
The mode's sub-vibration is suppressed. However, even in this case, there is a problem that a so-called jump phenomenon occurs in which, for example, main vibration and sub-vibration are coupled due to a temperature change, and the frequency suddenly fluctuates greatly.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に鑑みてなされたもので、Cモードの主振動を確実に励
振することができ、周波数のジャンプを生じないSCカ
ットの水晶振動子を提供することを目的とするものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an SC-cut crystal resonator that can reliably excite the C-mode main vibration and does not cause a frequency jump. The purpose is to provide.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は、水晶の結晶の
Y軸に直交する面をX軸を中心にして約33゜回転し、
更にこの回転した位置からZ軸を中心にして約22゜回
転した面から切り出したSCカットの2回回転水晶振動
子において、水晶片の厚みをtとし表裏板面の一方のみ
にコンベックス加工を施し該コンベックス加工の曲率半
径をRとしたときに、90.9<R/t<727.3と
したことを特徴とするものである。
According to the present invention, a plane orthogonal to the Y axis of a crystal of quartz is rotated about 33 ° about the X axis,
In addition, in the SC-cut double-rotation crystal oscillator cut out from a plane rotated about 22 ° about the Z-axis from the rotated position, the thickness of the crystal blank is t, and only one of the front and back plate surfaces is subjected to convex processing. When the radius of curvature of the convex processing is R, 90.9 <R / t <727.3.
【0006】[0006]
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1に示す水晶片
の厚みを誇張した側面図を参照して詳細に説明する。図
中11はSCカットの水晶片である。この水晶片11は
水晶の結晶のY軸に直交する面をX軸を中心にして約3
3゜、たとえば33゜30’左回転し、更にZZ’軸を
中心にして約22゜、たとえば22゜30’左回転した
平面から切り出した2回回転のSCカットの水晶片であ
る。そしてSCカットの水晶振動子の共振周波数f(K
Hz)は、水晶片の厚みをt(mm)、オーバトーンの
次数をnとすれば次の式によって決定される。 f=1797・n/f ・・・ この式によれば、たとえば共振周波数が3次オーバト
ーンで5MHzのSCカットの水晶振動子の厚みは約
1.1mmである。そしてこの水晶振動子の水晶片11
の表裏板面の一方の板面は平面とし、他方の板面を凸レ
ンズ状の曲面に成形するコンベックス加工を行なって副
振動を抑圧するようにしている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to a side view in which the thickness of a crystal blank shown in FIG. 1 is exaggerated. In the figure, reference numeral 11 denotes an SC-cut crystal blank. The crystal blank 11 has a plane orthogonal to the Y axis of the crystal of the crystal, about 3
It is a SC-cut crystal piece that is cut twice from a plane that is turned 3 °, for example, 33 ° 30 ′ to the left, and further rotated about 22 °, for example, 22 ° 30 ′ to the left about the ZZ ′ axis. Then, the resonance frequency f (K
Hz) is determined by the following equation, where t (mm) is the thickness of the crystal blank and n is the order of the overtone. f = 1797 · n / f According to this equation, for example, the thickness of the SC-cut crystal resonator having the resonance frequency of the third overtone and 5 MHz is about 1.1 mm. And the crystal piece 11 of this crystal oscillator
One of the front and back plate surfaces is flat, and the other plate surface is formed into a convex lens-like curved surface by convex processing to suppress sub-vibration.
【0007】さらに水晶片11の厚みをtとすると、コ
ンベックス加工を行う際の曲面の曲率半径Rは次の式
を満たすように設定している。 90.9<R/t<727.3 ・・・ コンベックス加工の曲率半径Rと水晶片11の厚みtの
比を式のように設定した理由は次の通りである。すな
わち、上記3次オーバトーンで5MHzのSCカットの
水晶振動子について曲率半径50、75、100、20
0、280、400、700、900(mm)のコンベ
ックス加工を施してスプリアスの現れる周波数を調べて
図2に示すスプリアスチャートを作成した。図2におい
て横軸はコンベックス加工の曲率半径(mm)、縦軸は
主振動の周波数で正規化した正規化周波数であり黒点は
スプリアスの発生を示している。この結果、主振動が副
振動と結合しないコンベックス加工の曲率半径は100
〜800(mm)であり(図2にDで図示する領域)、
この条件を満たす曲率半径Rと水晶片の厚みtとの比R
/tは上記式で与えられる。さらにこのような水晶振
動子では一般に相似の理が成り立つので、SCカットで
共振周波数が3次のオーバトーンで8.129MHz、
10MHzの水晶振動子も製作し、その一方の板面のみ
に種々の曲率のコンベックス加工を施してスプリアスの
現れる周波数を調べた。この結果、コンベックス加工の
曲率半径Rと水晶片の厚みtとの比R/tを上記式を
満たすように加工したSCカットの水晶振動子では、そ
の共振周波数が8.128MHz、10MHzの場合も
主振動と副振動との結合も発生せず、それによって温度
変化による周波数のジャンプを生じることがなくスプリ
アスのない共振を得られた。図3は上記、共振周波数が
8.192MHzの共振子の温度変化に対する周波数偏
差(図示曲線F)、CI(図示曲線P)の変化を示すグ
ラフである。このグラフからも明らかなように上記実施
例のSCカットの水晶振動子によれば温度の変化に対し
て共振周波数は連続かつ単調に変化し、ジャンプ等を生
じることもなく、しかもCIも略一定値を保つことがで
き良好な共振特性を得られる。このようにすれば、水晶
片の厚みに応じてコンベックス加工の曲率半径を調節す
ることによって周波数のジャンプ、スプリアスを生じる
ことがなく良好な共振特性のSCカットの水晶振動子を
得ることができる。
Further, assuming that the thickness of the crystal blank 11 is t, the curvature radius R of the curved surface at the time of performing the convex working is set so as to satisfy the following equation. 90.9 <R / t <727.3 ... The reason why the ratio of the curvature radius R of the convex processing to the thickness t of the crystal blank 11 is set as in the equation is as follows. That is, the radii of curvature are 50, 75, 100, and 20 for the SC oscillator of 5 MHz and SC cut at the third overtone.
Convex processing of 0, 280, 400, 700, and 900 (mm) was performed, and the frequency at which spurious appeared was examined to prepare a spurious chart shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents the radius of curvature (mm) of the convex processing, the vertical axis represents the normalized frequency normalized by the frequency of the main vibration, and the black dots represent the occurrence of spurious. As a result, the curvature radius of the convex working in which the main vibration is not coupled with the sub vibration is 100
800800 (mm) (the area indicated by D in FIG. 2),
The ratio R between the radius of curvature R and the thickness t of the quartz piece that satisfies this condition.
/ T is given by the above equation. In addition, since the similar principle is generally established in such a crystal resonator, the resonance frequency is 8.129 MHz in the SC cut and the third overtone is 8.129 MHz.
A 10-MHz crystal oscillator was also manufactured, and only one of the plate surfaces was subjected to convex processing with various curvatures, and the frequency at which spurious appeared was examined. As a result, in the SC-cut crystal resonator processed so that the ratio R / t of the radius of curvature R of the convex processing to the thickness t of the crystal piece satisfies the above expression, the resonance frequency is 8.128 MHz and 10 MHz. No coupling between the main vibration and the sub-vibration occurred, and a spurious-free resonance was obtained without causing a frequency jump due to a temperature change. FIG. 3 is a graph showing a change in frequency deviation (illustrated curve F) and a change in CI (illustrated curve P) with respect to a temperature change of the resonator having the resonance frequency of 8.192 MHz. As is clear from this graph, according to the SC-cut crystal resonator of the above embodiment, the resonance frequency changes continuously and monotonously with a change in temperature, no jump or the like occurs, and the CI is almost constant. Value can be maintained, and good resonance characteristics can be obtained. In this way, by adjusting the radius of curvature of the convex processing in accordance with the thickness of the crystal piece, it is possible to obtain an SC-cut crystal resonator having good resonance characteristics without causing a frequency jump or spurious.
【0008】[0008]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、温
度の変化によって周波数のジャンプを生じることがなく
スプリアスのない良好な振動特性のSCカットの水晶振
動子を提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an SC-cut quartz resonator having good vibration characteristics with no spurious and no frequency jump due to a change in temperature.
【0009】[0009]
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図1】本発明の水晶振動子の構造を説明する側面図で
ある。
FIG. 1 is a side view illustrating the structure of a crystal resonator according to the present invention.
【図2】本発明のコンベックス加工の径と正規化周波数
との関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the diameter of the convex processing and the normalized frequency of the present invention.
【図3】本発明のSCカットの水晶振動子の温度変化に
対する周波数およびCIの変化を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in frequency and CI with respect to a temperature change of an SC-cut quartz resonator according to the present invention.
【図4】SCカットの水晶振動子の共振特性を示す図で
ある。
FIG. 4 is a diagram showing resonance characteristics of an SC-cut quartz resonator.
【符号の説明】[Explanation of symbols]
11 水晶片 11 Crystal pieces

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】(57) [Claims]
  1. 【請求項1】水晶の結晶のY軸に直交する面をX軸を中
    心にして約33゜回転し、更にこの回転した位置からZ
    軸を中心にして約22゜回転した面から切り出したSC
    カットの水晶振動子において、 水晶片の厚みをtとし、表裏板面の一方のみにコンベッ
    クス加工を施し、該コンベックス加工の曲率半径をRと
    したときに、 90.9<R/t<727.3 としたことを特徴とするSCカットの水晶振動子。
    1. A plane orthogonal to the Y-axis of a crystal of quartz is rotated by about 33 ° about the X-axis, and Z is rotated from this rotated position.
    SC cut out from a plane rotated about 22 ° about the axis
    In the cut quartz resonator, when the thickness of the crystal piece is t, and only one of the front and back plate surfaces is subjected to convex processing, and the radius of curvature of the convex processing is R, 90.9 <R / t <727. 3. An SC-cut crystal unit, characterized in that:
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