JP5989491B2 - 水晶振動子 - Google Patents

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Description

本発明は、ITカットの水晶片を用いた水晶振動子に係り、特にエージング特性を向上させ、対環境特性のバラツキを低減することができる水晶振動子に関する。
[先行技術の説明]
ITカットの水晶片を用いた水晶振動子は、恒温槽型の水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Crystal Oscillator)等に用いられている。
ITカットの水晶振動子は、結晶のY軸に直交する面をX軸を中心にして反時計回りに約34°回転し、更にこの回転した位置からZ軸を中心にして約19°回転した面から切り出した2回回転の水晶片に、電極を形成したものである。
[面内回転角度]
結晶軸のZ軸、X軸からそれぞれ反時計回りに回転させる2回回転で生じたZ軸をZ″軸とする。
丸型の水晶片を用いた水晶振動子では、通常、水晶片を外周上の2点で支持するが、当該2点を結ぶ直線(直径)と、Z″軸との角度を面内回転角度とする。支持点となる2点は、電極が形成された位置である。
また、2回回転カットの水晶振動子においては、Z″軸からの面内回転角度Ψの大きさが、振動特性に影響を与えることがある。
[従来のITカットの水晶振動子におけるエージング特性:図8]
従来のITカットの水晶振動子におけるエージング特性について図8を用いて説明する。図8は、従来のITカットの水晶振動子のエージング特性の例を示す説明図である。
図8に示すように、横軸は電源投入からの日数、縦軸は周波数変化の割合(Δf/f)を示しており、従来のITカットの水晶振動子では、電源投入後から約10日の間に大きな周波数変化があることが認められる。
これは、水晶振動子の製造時にかけられた応力が、振動開始後、徐々に開放されることによるものと考えられる。
尚、図8では、Z″軸からの面内回転角度Ψが0°の場合を示している。
[水晶片の回転ずれ]
また、従来の水晶振動子では、水晶片を支持固定する際に水晶片が回転して、水晶片の角度がずれてしまい、ヒートサイクルや衝撃といった環境に対する耐性(耐環境特性)にバラツキを生じることがあった。
[環境試験の例:図9、図10]
ここで、2回回転の水晶振動子であるSCカットの水晶振動子における面内回転角度と周波数変化量との関係について図9、図10を用いて説明する。図9は、ヒートサイクル試験の結果を示す説明図であり、図10は、落下試験の結果を示す説明図である。
[ヒートサイクル試験:図9]
ヒートサイクル試験では、面内回転角度を0°〜90°の範囲で変えて、−55℃〜+125℃の各温度において30分保持を100サイクル実施した場合の周波数変化量を測定した。図9にその結果を示しており、試験した6サンプルについて、周波数変化量の最大、最低、平均を示している。
図9に示すように、面内回転角度Ψによって周波数変化量は異なり、45°の場合に+方向の周波数変化量が最も大きくなっている。
[落下試験:図10]
落下試験では、面内回転角度を0°〜90°の範囲で変えて、硬質木板上を100cmの高さから自由落下させた場合の周波数変化量を測定した。自然落下は各サンプルについて3回行った。
図10にその結果を示しており、試験した6サンプルについて、周波数変化量の最大、最低、平均を示している。
図10に示すように、面内回転角度Ψが45°の場合に周波数変化量が最も大きくなっている。
[関連技術]
尚、水晶振動子に関する技術としては、特開2004−096568号公報「ITカットの水晶振動子」(日本電波工業株式会社、特許文献1)、特開2008−099230号公報「SCカット水晶振動子及び高安定水晶発振器」(エプソントヨコム株式会社、特許文献2)がある。
特許文献1には、ITカットの水晶振動子において、水晶片の板面の変位が少ない部分として、Z軸からの回転角度が18°±18°と198°±18°の部分、及び108°±18°と288°±18°の部分の互いに対向する少なくとも1組の辺縁部分を保持する構成が記載されている。
また、特許文献2には、SCカットの水晶振動子において、Z軸、X軸からそれぞれ半時計周りに回転させることで生じたZZ′軸からの回転角度が80°〜90°、165°〜180°、140°〜150°、0°〜5°のうち、2点を支持した構成が記載されている。
特開2004−096568号公報 特開2008−099230号公報
しかしながら、従来のITカットの水晶振動子では、電源投入後の周波数変化が大きく、エージング特性がばらついてしまうという問題点があった。
また、従来のITカットの水晶振動子では、水晶片の回転ずれによって耐環境特性がばらついてしまうという問題点があった。
本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、電源投入後の周波数変化を抑え、エージング特性を向上させ、耐環境特性のバラツキを低減することができるITカットの水晶振動子を提供することを目的とする。
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、ITカットの丸型水晶片を備えた水晶振動子であって、水晶片は、外周部の2点で支持されており、2つの点を結ぶ直線と2回回転のZ″軸とがなす面内回転角度、周波数変化量がゼロとなる角度を含む、−12°〜+4°の範囲、又は+60°〜+80°の範囲のいずれかであることを特徴としている。
また、本発明は、上記水晶振動子において、水晶片は、支持される2点の位置に切り欠き部を備え、水晶片を支持するサポータが、切り欠き部に係合するスリットを備え、切り欠き部は、支持される点から中心に向かって形成された水平部と、水平部の中心寄りの端部から垂直下向きに形成された垂直部とを備え、切り欠き部の水平部がサポータのスリットに係合して、水晶片が支持されていることを特徴としている。
また、本発明は、ITカットの丸型水晶片を備えた水晶振動子であって、水晶片は、外周部の2点で支持されており、2つの点を結ぶ直線と2回回転のZ″軸とがなす面内回転角度を、周波数変化量がゼロとなる角度を含む特定の範囲内とし、水晶片は、支持される2点の位置に切り欠き部を備え、水晶片を支持するサポータが、切り欠き部に係合するスリットを備え、切り欠き部は、支持される点から中心に向かって形成された水平部と、水平部の中心寄りの端部から垂直下向きに形成された垂直部とを備え、切り欠き部の水平部がサポータのスリットに係合して、水晶片が支持されていることを特徴としている。
また、本発明は、上記水晶振動子において、サポータが、サポータ本体から水晶片の中心方向とは反対方向に突出する第1の突出部と、第1の突出部から更に上側に突出する第2の突出部と、サポータ本体から第1の突出部及び第2の突出部に亘って連続して形成されたスリットとを備え、水晶片の切り欠き部の水平部が、サポータ本体に形成されたスリットの端部に係合すると共に、水晶片の切り欠き部より上側の外周部が、第2の突出部に形成されたスリットに収納されて、水晶片が支持されていることを特徴としている。
本発明によれば、ITカットの丸型水晶片を備えた水晶振動子であって、水晶片は、外周部の2点で支持されており、当該2つの点を結ぶ直線と2回回転のZ″軸とがなす面内回転角度を、周波数変化量がゼロとなる角度、周波数変化量がゼロとなる角度を含む、−12°〜+4°の範囲、又は+60°〜+80°の範囲のいずれかである水晶振動子としているので、周波数経時変化量を極小にして電源投入後の周波数変化を抑え、エージング特性を向上させることができる効果がある。
また、本発明によれば、水晶片は、支持される2点の位置に切り欠き部を備え、水晶片を支持するサポータが、切り欠き部に係合するスリットを備え、切り欠き部は、支持される点から中心に向かって形成された水平部と、水平部の中心寄りの端部から垂直下向きに形成された垂直部とを備え、切り欠き部の水平部がサポータのスリットに係合して、水晶片が支持されている上記水晶振動子としているので、水晶片が回転して最適な面内回転角度からずれてしまうのを防ぐことができ、水晶片を最適な位置で支持した状態を保持して、良好なエージング特性を維持すると共に、耐環境特性のバラツキを低減することができる効果がある。
また、本発明によれば、サポータが、サポータ本体から水晶片の中心方向とは反対方向に突出する第1の突出部と、第1の突出部から更に上側に突出する第2の突出部と、サポータ本体から第1の突出部及び第2の突出部に亘って連続して形成されたスリットとを備え、水晶片の切り欠き部の水平部が、サポータ本体に形成されたスリットの端部に係合すると共に、水晶片の切り欠き部より上側の外周部が、第2の突出部に形成されたスリットに収納されて、水晶片が支持されている上記水晶振動子としているので、水晶片の切り欠き部の水平部と、切り欠き部の上側の外周部の2点でサポータに固定することができ、水晶片を確実に保持してエージング特性を更に安定させ、耐環境特性のバラツキを低減することができる効果がある。
本発明の第1の実施の形態に係る水晶振動子の構成を示す模式説明図である。 ITカット水晶振動子における面内回転角度Ψを示す説明図である。 ITカットの水晶振動子における水晶片の面内回転角度Ψと周波数経時変化との関係を示すグラフである。 第1の水晶振動子における水晶片の支持位置を示す模式説明図である。 第2の水晶振動子における水晶片の形状を示す模式説明図である。 第2の水晶振動子の構成を示す模式説明図であり、(a)は正面説明図、(b)は側面説明図、(c)はサポータの先端部分の拡大説明図である。 第2の水晶振動子の変形例の構成を示す説明図であり、(a)は正面説明図、(b)は側面説明図、(c)はサポータの先端部分の拡大説明図である。 従来のITカットの水晶振動子のエージング特性の例を示す説明図である。 ヒートサイクル試験の結果を示す説明図である。 落下試験の結果を示す説明図である。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る水晶振動子は、ITカットの丸型水晶片を用い、水晶片が、外周部の2点で支持され、当該2点を結ぶ直線の2回回転のZ″軸からの面内回転角度Ψを、−12°〜+4°、+60°〜+80°とする構成としており、電源投入後の周波数変化を抑えることができ、エージング特性を向上させることができるものである。
また、本発明の実施の形態に係る水晶振動子は、上記水晶振動子において、水晶片が、サポータによって支持される2箇所の辺縁部の下側に、L字型の切り欠きを備えると共に、サポータが、水晶片の当該切り欠き部に係合するスリットを備えた形状であり、水晶片の角度をずれないように保持することができ、良好なエージング特性を維持することができるものである。
[第1の実施の形態に係る水晶振動子の構成:図1]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る水晶振動子の構成を示す模式説明図である。
図1に示すように、第1の実施の形態に係る水晶振動子(第1の水晶振動子)は、水晶片1と、電極2と、サポータ3と、導電性接着剤4と、金属ベース5と、導通端子6とを備えている。
水晶片1は、2回回転カットのITカットの丸型水晶ブランクである。水晶片1は、直径の両端付近の外周部の2点で2本のサポータ3によって金属ベース5上に支持されている。
電極2は、水晶片1の表面及び裏面に設けられており、水晶片1の中心部に設けられた励振電極と、励振電極から外側に引き出された引出電極とを備えている。引出電極は、水晶片1の表面及び裏面において、互いに対向する位置(中心に対して略対称となる位置)に引き出されている。
サポータ3は、水晶片1を金属ベース5上に支持すると共に、電極2と電気的に接続する。サポータ3は、水晶片1の引出電極が形成されている直径の両端となる辺縁部を支持するよう、当該辺縁部付近で内側に「く」の字型に折れ曲がり、曲がった部分に当該辺縁部を挟む(収納する)スリットを備えている。
導電性接着剤4は、水晶片1をサポータ3に固定すると共に、電極2とサポータ3とを電気的に接続する。
導通端子6は、金属ベース5の主面に垂直に設けられ、サポータ3と電気的に接続する共に、金属ベース5の裏面側で外部に導通する。
[面内回転角度:図2]
図2は、ITカット水晶振動子における面内回転角度Ψを示す説明図である。
図2に示すように、結晶軸のX″−Z″平面内において、Y軸を中心とする水晶片1がサポータ3によって支持されている2点を結ぶ直径と、Z″軸とがなす角度Ψを面内回転角度と称する。
そして、第1の水晶振動子の特徴として、水晶片の面内回転角度Ψを、周波数経時変化が小さくなる特定の角度とするようにサポータ3で支持している。
[面内回転角度と周波数経時変化の関係:図3]
次に、ITカットの水晶振動子における水晶片の面内回転角度Ψと周波数経時変化との関係について図3を用いて説明する。図3は、ITカットの水晶振動子における水晶片の面内回転角度Ψと周波数経時変化との関係を示すグラフである。
図3では、面内回転角度Ψが−90°〜+90°となる範囲で、水晶片1の支持位置を変えて、電源投入後10日後における周波数経時変化を測定した例を示している。
図3に示すように、水晶片の面内回転角度Ψによって周波数経時変化の量は異なっており、周波数変化量がほとんどない場合もある。
図3の例では、面内回転角度Ψが−4°付近、+70°付近において周波数変化量が極小となっている。
第1の水晶振動子は、このことを利用して、周波数経時変化をできるだけ小さくするよう、特定の面内回転角度で水晶片を支持するようにしたものである。
[第1の水晶振動子における水晶片の支持位置:図4]
次に、第1の水晶振動子における水晶片の支持位置について図4を用いて説明する。図4は、第1の水晶振動子における水晶片の支持位置を示す模式説明図である。
図4に示すように、第1の水晶振動子では、ITカットの丸型水晶片を支持する2点の位置を、A,Bの2パターンとしている。
図4に示すように、第1の水晶振動子では、Z″軸からの回転角度が−12°〜+4°(−4°±8°)の領域(A領域)及びそれに対向する+168°〜+184°(176°±8°)の領域(A′領域)で支持するAパターンと、+60°〜+80°(70°±10°)の領域(B領域)及びそれに対向する+240°〜+260°(+250°±10°)の領域(B′領域)で支持するBパターンの2種類の支持位置で水晶片を支持している。
すなわち、第1の水晶振動子では、これらの2パターンに対応する領域に、引出電極を形成している。
これらの2つのパターンは、図3に示したように、各領域内に、いずれも電源投入後10日間での周波数経時変化量がゼロとなる面内回転角度を含んでいる。
つまり、第1の水晶振動子では、周波数経時変化がほとんど発生しない面内回転角度Ψとなるよう、最適な支持位置で水晶振動子を支持するものである。
これにより、第1の水晶振動子では、電源投入後10日間における周波数経時変化を最小として、エージング特性のバラツキを抑えることができ、良好な振動特性を得ることができるものである。
尚、Aパターンの領域の角度範囲がBパターンに比べて狭いのは、図3のグラフの傾きが大きく、周波数経時変化量が0付近となる角度マージンが小さいためである。
Aパターン、Bパターンについて、更に精度を向上させるために、周波数経時変化が0となる点を中心に±5°程度の狭い範囲にしてもよい。また、いずれのパターンでも、中心からの幅は要求されるスペックに応じて適宜設定可能である。
[第1の実施の形態の効果]
本発明の第1の実施の形態に係る水晶振動子によれば、ITカットの丸型水晶片が外周上の対向する2点で支持された水晶振動子で、2点を結ぶ直線の、結晶軸のZ″軸に対する面内回転角度が、−12°〜+4°の範囲と、60°〜80°の範囲のいずれかの範囲に含まれる角度となるよう水晶片1が支持されているので、電源投入からの10日間における周波数経時変化をほとんど無くすことができ、エージング特性のバラツキを低減し、周波数安定度を向上させることができる効果がある。
[第2の実施の形態に係る別の水晶振動子]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る水晶振動子について説明する。
本発明の第2の実施の形態に係る別の水晶振動子(第2の水晶振動子)は、上述した第1の水晶振動子について、水晶片が回転して最適な支持位置(最適な面内回転角度)からずれてしまうのを防ぐため、水晶片の形状及びサポータの形状を改良したものであり、周波数安定度を更に向上させるものである。
[第2の水晶振動子における水晶片の形状:図5]
まず、第2の水晶振動子における水晶片の形状について図5を用いて説明する。図5は、第2の水晶振動子における水晶片の形状を示す模式説明図である。
図5に示すように、第2の水晶振動子の水晶片11は、ITカットの丸型水晶片であり、両面に電極2を備えている。そして、引出電極の両端がサポータで支持される部分となっている。ここで、引出電極の両端の位置は、両端を結ぶ直線とZ″軸とが為す角度が、上述した最適な面内回転角度Ψとなる領域内であり、周波数経時変化がほとんど発生しない支持位置である。
そして、第2の水晶振動子の特徴として、水晶片11の、引出電極が形成されると共にサポータによって支持される2箇所の支持部分に、L字型の切り欠き部7が形成されている。
切り欠き部7は、L字型の2辺を備え、水晶片1の支持位置から中心に向かう水平部71と、水平部71の中心寄りの端部から金属ベース5に垂直に下向きに形成された垂直部72とを備えている。
2つの切り欠き部7の水平部71は、第1の水晶振動子で説明したA,B,Cのいずれかのパターンに相当する最適な支持位置(領域内)に形成されている。
[第2の水晶振動子の構成:図6]
第2の水晶振動子の構成について図6を用いて説明する。図6は、第2の水晶振動子の構成を示す模式説明図であり、(a)は正面説明図、(b)は側面説明図、(c)はサポータの先端部分の拡大説明図である。
図6(a)(b)に示すように、第2の水晶振動子の基本的な構成は、図1に示した第1の水晶振動子と同様であり、水晶片11と、電極2と、サポータ31と、導電性接着剤4と、金属ベース5と、導通端子6とを備えており、金属ベース5上に2本のサポータ31によって水晶片11が搭載されている。
水晶片11の形状は、図5に示したように、切り欠き部7を備えた形状である。
また、後述するように、サポータ31の形状が第1の水晶振動子とは異なっている。
他の構成部分については、第1の水晶振動子と同様であるため説明は省略する。
図6(c)に示すように、第2の水晶振動子のサポータ31は、金属ベース5に垂直に搭載されるサポータ本体31aと、サポータ本体31aから外側(水晶片11の中心方向とは反対側)に突出した第1の突出部32と、第1の突出部32から更に金属ベース5とは反対側に略垂直に突出した第2の突出部33とを備えている。
更に、サポータ本体31aから第1の突出部32、第2の突出部33に亘って連続して形成されたスリット34が設けられている。
そして、第2の水晶振動子では、サポータ31に水晶片11を搭載した場合には、スリット34のサポータ本体31a側の端部に、水晶片11の切り欠き部7の水平部71が係合して(引っ掛かって)、サポータ31に支持される。
更に、水晶片11の切り欠き部7より上側の外周の一部が、スリット34の第2の突出部側に収まって、一部が外側に突出するようになっている。
そして、サポータ31のスリット34と水晶片11とが接する部分が、導電性接着剤4で接着されている。
2本のサポータ31は、切り欠き部7を備えた水晶片11が、上述したようにスリット34に係合し収納されて搭載されるよう、適切な間隔で金属ベース5上に配置されている。
このように、第2の水晶振動子では、水晶片11の最適な支持位置に形成された2箇所の切り欠き部7が、スリット34のサポータ本体31a側の端部に係合し、更に水晶片11の切り欠き部7の上部の外周部が第2の突出部33に形成されたスリット34に収納されることにより、搭載後に水晶片11が回転してしまうのを防ぎ、最適な位置(最適な面内回転角度)で水晶片11を支持した状態を維持して、良好なエージング特性を保持することができるものである。
それと共に、第2の水晶振動子では、面内回転角度を所定の値に保つことができるので、水晶振動子間の個体差を低減し、ヒートサイクルや衝撃に対する耐性のバラツキを低減することができるものである。
[第2の水晶振動子の変形例:図7]
次に、第2の水晶振動子の変形例について図7を用いて説明する。図7は、第2の水晶振動子の変形例の構成を示す説明図であり、(a)は正面説明図、(b)は側面説明図、(c)はサポータの先端部分の拡大説明図である。
第2の水晶振動子の変形例(変形例)では、図5に示した切り欠き部7を備えた水晶片11を用いる点は第2の水晶振動子と同様であるが、サポータの形状をより簡易な形状としている。
他の構成部分については、第2の水晶振動子と同様である。
図7(a)(b)に示すように、変形例では、2本のサポータ36によって、切り欠き部7を備えた水晶片11を金属ベース上に垂直に保持している。
そして、図7(c)に示すように、変形例のサポータ36は、先端部分にスリット37が設けられている。
変形例では、水晶片11が搭載された場合に、切り欠き部7の水平部71がサポータ36のスリット37に係合して、支持されるものである。
変形例のサポータ37は、第2の水晶振動子のサポータ31に比べると、水晶片11の切り欠き部7の上側の外周部を収納するスリットがないため、水晶片11を保持する安定性は若干劣るものの、水晶片11の回転を防いで最適な面内角度を保持する効果を備え、更にサポータの製造工程を大幅に簡易にでき、量産性に優れているものである。
[第2の実施の形態の効果]
本発明の第2の実施の形態に係る水晶振動子によれば、ITカットの丸型水晶片11を備えた水晶振動子であり、Z″軸からの面内回転角度が最適な角度となる直径上の両端に水平部71を有すると共に水平部71の下側が垂直に削られたL字型の切り欠き部7を備え、当該切り欠き部7の水平部71が、サポータ31(又は37)に設けられたスリットに係合することにより、水晶片11の回転を防ぐことができ、水晶片を最適な面内回転角度で支持した状態を維持して、エージング特性を良好に保ち、ヒートサイクルや衝撃に対する環境耐性のバラツキを低減することができる効果がある。
また、本発明の第2の水晶振動子によれば、サポータ31の先端部分が2段に折り曲げられて、第1の突出部32と第2の突出部33とを備え、サポータ本体31aから第1の突出部、第2の突出部33に亘って連続して形成されたスリット34が設けられているので、切り欠き部7を備えた水晶片11が搭載された場合に、切り欠き部7の水平部71がスリット34のサポータ本体31a側の端部に係合すると共に、切り欠き部7の上側の外周部がスリット34の第2の突出部33側の部分に収納されるため、水晶片11を一層安定して保持することができ、更に良好な特性としてバラツキを低減できる効果がある。
本発明は、エージング特性を向上させ、対環境特性のバラツキを低減することができるITカットの水晶振動子に適している。
1,11...水晶片、 2...電極、 3,31,36...サポータ、 4...導電性接着剤、 5...金属ベース、 6...導通端子、 7...切り欠き部、 71...水平部、 72...垂直部、 31a...サポータ本体、 32...第1の突出部、 33...第2の突出部、 34,37...スリット

Claims (4)

  1. ITカットの丸型水晶片を備えた水晶振動子であって、
    前記水晶片は、外周部の2点で支持されており、
    前記2つの点を結ぶ直線と2回回転のZ″軸とがなす面内回転角度、周波数変化量がゼロとなる角度を含む、−12°〜+4°の範囲、又は+60°〜+80°の範囲のいずれかであることを特徴とする水晶振動子。
  2. 水晶片は、支持される2点の位置に切り欠き部を備え、
    前記水晶片を支持するサポータが、前記切り欠き部に係合するスリットを備え、
    前記切り欠き部は、前記支持される点から中心に向かって形成された水平部と、前記水平部の中心寄りの端部から垂直下向きに形成された垂直部とを備え、
    前記切り欠き部の水平部が前記サポータのスリットに係合して、前記水晶片が支持されていることを特徴とする請求項1記載の水晶振動子。
  3. ITカットの丸型水晶片を備えた水晶振動子であって、
    前記水晶片は、外周部の2点で支持されており、
    前記2つの点を結ぶ直線と2回回転のZ″軸とがなす面内回転角度を、周波数変化量がゼロとなる角度を含む特定の範囲内とし、
    前記水晶片は、支持される2点の位置に切り欠き部を備え、
    前記水晶片を支持するサポータが、前記切り欠き部に係合するスリットを備え、
    前記切り欠き部は、前記支持される点から中心に向かって形成された水平部と、前記水平部の中心寄りの端部から垂直下向きに形成された垂直部とを備え、
    前記切り欠き部の水平部が前記サポータのスリットに係合して、前記水晶片が支持されていることを特徴とする水晶振動子。
  4. サポータが、前記サポータ本体から水晶片の中心方向とは反対方向に突出する第1の突出部と、前記第1の突出部から更に上側に突出する第2の突出部と、前記サポータ本体から前記第1の突出部及び前記第2の突出部に亘って連続して形成されたスリットとを備え、
    前記水晶片の切り欠き部の水平部が、前記サポータ本体に形成されたスリットの端部に係合すると共に、前記水晶片の前記切り欠き部より上側の外周部が、前記第2の突出部に形成されたスリットに収納されて、前記水晶片が支持されていることを特徴とする請求項2又は3記載の水晶振動子。
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