JPH01236808A - 捩水晶振動子 - Google Patents
捩水晶振動子Info
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- JPH01236808A JPH01236808A JP6419388A JP6419388A JPH01236808A JP H01236808 A JPH01236808 A JP H01236808A JP 6419388 A JP6419388 A JP 6419388A JP 6419388 A JP6419388 A JP 6419388A JP H01236808 A JPH01236808 A JP H01236808A
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Landscapes
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、音叉型形状を有して１尺振動モードを用いた
捩水晶振動子に関する。
捩水晶振動子に関する。
従来の捩水晶振動子の水晶共振片については第２図の如
くであり、詳細は特公昭６２−４８１７４号の様である
。
くであり、詳細は特公昭６２−４８１７４号の様である
。
しかし、前述の従来技術では捩水晶振動子がもつ水晶共
振型の振動エネルギーが捩水晶振動子の容器及び気密端
子の外部リードに漏れて、外部リード及び容器の固定条
件により捩水晶振動子の特性であるＱ値及び共振周波数
に著しい変化が生じて水晶振動子としての安定性の点で
極めて不充分な品質であった。
振型の振動エネルギーが捩水晶振動子の容器及び気密端
子の外部リードに漏れて、外部リード及び容器の固定条
件により捩水晶振動子の特性であるＱ値及び共振周波数
に著しい変化が生じて水晶振動子としての安定性の点で
極めて不充分な品質であった。
そこで本発明はこのような問題点を解決するもので、そ
の目的とするところは、前記振動エネルギーの漏れを改
善した安定性、信頼性の高い捩水晶振動子を提供し、温
度センサ、周波数標準等の用途に供することにある。
の目的とするところは、前記振動エネルギーの漏れを改
善した安定性、信頼性の高い捩水晶振動子を提供し、温
度センサ、周波数標準等の用途に供することにある。
本発明の捩水晶振動子は次の各項を特徴とする。
１）水晶結晶より特定方位のウェハを切出した後、化学
的腐食加工手段で外形加工してなる水晶共振片と、水晶
共振片を固着部材を介して内側の支持導体に固定する２
端子の気密端子と、前記水晶共振片を密閉するための容
器よりなる捩水晶振動子に於いて、前記特定方位のウェ
ハは、１辺が水晶の電気軸である±Ｘ軸にほぼ平行で、
他の１辺が前記電気軸回りに水晶の機械軸である＋Ｙ軸
をＯ〜１０度回転して得られるＹ′軸との２辺のはる板
厚５０〜２００μｍの平行平板であり、又前記水晶共振
片は１対の振動の主要部となる腕部が長さの比にして０
．３〜０．７の間でかつ相互に異なる巾をもつ１対の軸
対称な腕重り部と同−巾を有する平板状棒体の接合体で
あり、さらに腕部の全長を各々の共振周波数が同一とな
るように若干異ならしてめであり、又腕部外側の両側面
をなめらかに延長してなる基部と、基部に接続して基部
より巾広な支持部よりなる概ね音叉型であり、又前記気
密端子と前記水晶発振片の支持部端面までの距離が、１
００〜３００μｍとして固着部材で固定されている。
的腐食加工手段で外形加工してなる水晶共振片と、水晶
共振片を固着部材を介して内側の支持導体に固定する２
端子の気密端子と、前記水晶共振片を密閉するための容
器よりなる捩水晶振動子に於いて、前記特定方位のウェ
ハは、１辺が水晶の電気軸である±Ｘ軸にほぼ平行で、
他の１辺が前記電気軸回りに水晶の機械軸である＋Ｙ軸
をＯ〜１０度回転して得られるＹ′軸との２辺のはる板
厚５０〜２００μｍの平行平板であり、又前記水晶共振
片は１対の振動の主要部となる腕部が長さの比にして０
．３〜０．７の間でかつ相互に異なる巾をもつ１対の軸
対称な腕重り部と同−巾を有する平板状棒体の接合体で
あり、さらに腕部の全長を各々の共振周波数が同一とな
るように若干異ならしてめであり、又腕部外側の両側面
をなめらかに延長してなる基部と、基部に接続して基部
より巾広な支持部よりなる概ね音叉型であり、又前記気
密端子と前記水晶発振片の支持部端面までの距離が、１
００〜３００μｍとして固着部材で固定されている。
２）第１項記載の１対の腕部全長の差が、１０〜５０μ
ｍであること。
ｍであること。
３）第１項記載の水晶共振片の腕部先端が水晶結晶の−
Ｘ面となるように配置されたこと。
Ｘ面となるように配置されたこと。
４）第１項記載の１対の腕重り部の巾の差が１０±３μ
ｍであること。
ｍであること。
第１図は本発明の実施例に於る平面図である。
図中各部位の名称は、１００は水晶共振片、１０１は気
密端子、１０２，１０３は気密端子のリード端子、１０
４，１０５は水晶共振片を、支持導体に固定するための
固着部材、１０６は密閉するための容器である。気密端
子１０１と容器１０６で密閉される水晶振動片のおさま
る空間は真空であってもよいし、ヘリウム又はＮ２等の
不活性ガスが充填されていてもよい。次に本発明の捩水
晶振動子各部位の詳細につき説明を加える。まず最初、
水晶共振片１００につき説明していく。前記水晶共振片
は、第３図の水晶ウェハー３０６よりフッ化アンモニウ
ム、ＨＦ等の薬済により腐食加工されて外形が形成され
る。第３図各部位の名称は、３０６は水晶ウェハー、３
００は水晶結晶の電気軸である＋Ｘ軸、３０１のＸ′軸
は＋Ｘ軸をθ度回転後の軸、３０２は＋Ｘ軸に直交する
機械軸である＋Ｙ軸、３０３は＋Ｘ軸回りに回転してで
きる＋Ｙ軸の回転後の軸、３０４は水晶結晶の光軸であ
るＺ軸であり、３０５の＋Ｚ′軸はθ度回転後の＋２軸
である。本発明で使用する水晶ウェハの特定方位は、前
記水晶の軸Ｘ及びＹ軸のはる平面３０７を回転して得ら
れる辺Ｘ’ 、Ｙ’ もち、＋ＸとＸ′軸の交角θ＝０
〜±１０度かっ＋ＹとＹ′軸の交角θ＝０〜±１０度で
ある。さらに望ましくは、水晶の前記ＨＦ等による化学
的腐食作用が前記水晶の＋Ｘ軸回りに１８ｏ°回転対称
であり水晶共振片の外形精度が優れている点で、＋Ｘ軸
にほぼ平行でありかつ＋Ｘ軸回りの回転角θ＝０〜±１
０度である方が、化学的腐食加工の外形精度が得られ易
い。次に第４図（ａ）、［有］）に於いて本発明の水晶
共振片の詳細につき説明する。
密端子、１０２，１０３は気密端子のリード端子、１０
４，１０５は水晶共振片を、支持導体に固定するための
固着部材、１０６は密閉するための容器である。気密端
子１０１と容器１０６で密閉される水晶振動片のおさま
る空間は真空であってもよいし、ヘリウム又はＮ２等の
不活性ガスが充填されていてもよい。次に本発明の捩水
晶振動子各部位の詳細につき説明を加える。まず最初、
水晶共振片１００につき説明していく。前記水晶共振片
は、第３図の水晶ウェハー３０６よりフッ化アンモニウ
ム、ＨＦ等の薬済により腐食加工されて外形が形成され
る。第３図各部位の名称は、３０６は水晶ウェハー、３
００は水晶結晶の電気軸である＋Ｘ軸、３０１のＸ′軸
は＋Ｘ軸をθ度回転後の軸、３０２は＋Ｘ軸に直交する
機械軸である＋Ｙ軸、３０３は＋Ｘ軸回りに回転してで
きる＋Ｙ軸の回転後の軸、３０４は水晶結晶の光軸であ
るＺ軸であり、３０５の＋Ｚ′軸はθ度回転後の＋２軸
である。本発明で使用する水晶ウェハの特定方位は、前
記水晶の軸Ｘ及びＹ軸のはる平面３０７を回転して得ら
れる辺Ｘ’ 、Ｙ’ もち、＋ＸとＸ′軸の交角θ＝０
〜±１０度かっ＋ＹとＹ′軸の交角θ＝０〜±１０度で
ある。さらに望ましくは、水晶の前記ＨＦ等による化学
的腐食作用が前記水晶の＋Ｘ軸回りに１８ｏ°回転対称
であり水晶共振片の外形精度が優れている点で、＋Ｘ軸
にほぼ平行でありかつ＋Ｘ軸回りの回転角θ＝０〜±１
０度である方が、化学的腐食加工の外形精度が得られ易
い。次に第４図（ａ）、［有］）に於いて本発明の水晶
共振片の詳細につき説明する。
図中各部位の名称は、３０１は水晶共振片の支持部、３
０２，３０３は腕重り部、３０４は基部、点線内の３０
５は腕部である。基部３０４の長さをＢ、巾をＷｂ、腕
全長の長さをＬｌとする。又各部位の機能を説明すると
、まず３０５の腕部の長手方向は各々前記水晶ウェハの
±Ｘ′軸に平行であり又１１１方向は±Ｙ′軸に平行で
ある。しかも前記腕部は巾の異なる２種類の綱長い四辺
形断面をもつ棒体の接合体からなり腕部先端部分は腕組
り部として基部側の棒体より中広である。腕部詳細につ
いては第６図に於て説明する。前記１対の腕部は水晶ウ
ェハの±Ｘ′軸回りに相互に逆方向に回転変位する捩振
動モードを有する。３０４の基部は捩振動する１対の腕
部の変位が機械的に結合する部分であって、腕部の外側
の側面をなめらかに延長して決まる外形をとる。もちろ
ん腕部側面を直線的に延長してなる外形をもってもかま
わない。３０１の支持部は基部中より広くして気密端子
の内側のリード部に固定し易くしである。捩振動の変位
は支持部に於いて、振動エネルギーのもれが発生しない
程度に充分減少させられているものとする。本発明の水
晶共振片は概ね音叉型の形状を有する他、その板厚は化
学的腐食加工が可能な５０〜２００μｍの間である。第
４図（ａ）及び（ト））は水晶ウェハのＺ′軸回りに１
８０度回転した方位関係にあるが、水晶の弾性的見地か
らは同一特性をもつことを有限要素法を用いた振動計算
の結果から実証されている。ただし化学的腐食加工に於
ける外形精度の点で第４図（ｂ）の方位がより優れてい
る。その理由を第５図（ａ）、ら）に示した。図中５０
１は水晶振動片の基部と腕部の接合部分であり、５０２
及び５０３は音叉型形状の叉部に発生したひれ（ｇ食残
部）である。叉部の化学的腐食加工により形成される形
状は腕部先端方向を水晶ウェハの＋Ｘ′軸又は−Ｘ′軸
方向にむけるかで異なり、第５回し）の方が、５０３の
ひれ量が少い。特にこの現象は化学的腐食加工を行う際
の腐食液への水晶ウェハの浸漬時間が短い場合に著しい
。次に第６図に水晶共振片の腕組り部の詳細な一実施例
を示した。図中６０１，６０２は各々の腕部ＩＩＪの中
心線、又３０２，３０３は前記腕組り部であって、前記
基部に接続する腕部６０５，６０６の巾Ｗ０より各々２
Ｗ＋ 、２Ｗ２だけ巾広となっている。各々の腕部は中
心線６０１，６０２に対して線対称であることが、回転
にともなう重心移動を生じさせないためＺ′方向変位Ｕ
２が小さく、振動エネルギのもれの低減のために必要条
件である。図中の寸法Ｗ＋ 、Ｗｚは適正世界なり、又
腕組りの長さり、、ＬＺも１対の腕部の固有共振周波数
が等しくなるように設定されている。前記り、、Ｌ、の
長さは第４図腕部全長り、との比り、／Ｌ、、Ｌｚ ／
Ｌ、が０．３〜０．７となるようにする。この理由を第
７図に示した。同図横軸は前記Ｌ＋ ／Ｌ、、Ｌ２／Ｌ
、の比、縦軸は捩振動の固有共振周波数ｆｔである。曲
線７０は「。
０２，３０３は腕重り部、３０４は基部、点線内の３０
５は腕部である。基部３０４の長さをＢ、巾をＷｂ、腕
全長の長さをＬｌとする。又各部位の機能を説明すると
、まず３０５の腕部の長手方向は各々前記水晶ウェハの
±Ｘ′軸に平行であり又１１１方向は±Ｙ′軸に平行で
ある。しかも前記腕部は巾の異なる２種類の綱長い四辺
形断面をもつ棒体の接合体からなり腕部先端部分は腕組
り部として基部側の棒体より中広である。腕部詳細につ
いては第６図に於て説明する。前記１対の腕部は水晶ウ
ェハの±Ｘ′軸回りに相互に逆方向に回転変位する捩振
動モードを有する。３０４の基部は捩振動する１対の腕
部の変位が機械的に結合する部分であって、腕部の外側
の側面をなめらかに延長して決まる外形をとる。もちろ
ん腕部側面を直線的に延長してなる外形をもってもかま
わない。３０１の支持部は基部中より広くして気密端子
の内側のリード部に固定し易くしである。捩振動の変位
は支持部に於いて、振動エネルギーのもれが発生しない
程度に充分減少させられているものとする。本発明の水
晶共振片は概ね音叉型の形状を有する他、その板厚は化
学的腐食加工が可能な５０〜２００μｍの間である。第
４図（ａ）及び（ト））は水晶ウェハのＺ′軸回りに１
８０度回転した方位関係にあるが、水晶の弾性的見地か
らは同一特性をもつことを有限要素法を用いた振動計算
の結果から実証されている。ただし化学的腐食加工に於
ける外形精度の点で第４図（ｂ）の方位がより優れてい
る。その理由を第５図（ａ）、ら）に示した。図中５０
１は水晶振動片の基部と腕部の接合部分であり、５０２
及び５０３は音叉型形状の叉部に発生したひれ（ｇ食残
部）である。叉部の化学的腐食加工により形成される形
状は腕部先端方向を水晶ウェハの＋Ｘ′軸又は−Ｘ′軸
方向にむけるかで異なり、第５回し）の方が、５０３の
ひれ量が少い。特にこの現象は化学的腐食加工を行う際
の腐食液への水晶ウェハの浸漬時間が短い場合に著しい
。次に第６図に水晶共振片の腕組り部の詳細な一実施例
を示した。図中６０１，６０２は各々の腕部ＩＩＪの中
心線、又３０２，３０３は前記腕組り部であって、前記
基部に接続する腕部６０５，６０６の巾Ｗ０より各々２
Ｗ＋ 、２Ｗ２だけ巾広となっている。各々の腕部は中
心線６０１，６０２に対して線対称であることが、回転
にともなう重心移動を生じさせないためＺ′方向変位Ｕ
２が小さく、振動エネルギのもれの低減のために必要条
件である。図中の寸法Ｗ＋ 、Ｗｚは適正世界なり、又
腕組りの長さり、、ＬＺも１対の腕部の固有共振周波数
が等しくなるように設定されている。前記り、、Ｌ、の
長さは第４図腕部全長り、との比り、／Ｌ、、Ｌｚ ／
Ｌ、が０．３〜０．７となるようにする。この理由を第
７図に示した。同図横軸は前記Ｌ＋ ／Ｌ、、Ｌ２／Ｌ
、の比、縦軸は捩振動の固有共振周波数ｆｔである。曲
線７０は「。
対し、／Ｌ、 、特性で点７１はり、／Ｌ、＝０゜５、
点７２はり、／Ｌ、＝０．３の値を示した。
点７２はり、／Ｌ、＝０．３の値を示した。
Ｌ、／Ｌ、＝０．３〜０．７の範囲に於て、ｆｔの変化
は小さく化学的腐食加工で発生する１０μｍ程度のＬ＋
、Ｌｚの長さの誤差に起因する捩振動子の共振周波数
のバラツギを小さくすることができる。特にり、／Ｌ、
＝０．５に於いて極小となることを付は加える。次に前
記腕組り部の巾広寸法の合計であるＷ？ ＝２ （Ｗ、
＋Ｗｔ）の設定方法について述べる。第８図は水晶共振
片の腕全長り、（横軸）に対する水晶共振片がもつ固有
振動モードの共振周波数ｆの特性図である。第８図は通
称モードチャートと呼ばれるものである。図中の曲線８
１．８２．８３の１／ （Ｌ、）”に比例してｆの変化
する１群は屈曲振動モード系の不要振動モードである。
は小さく化学的腐食加工で発生する１０μｍ程度のＬ＋
、Ｌｚの長さの誤差に起因する捩振動子の共振周波数
のバラツギを小さくすることができる。特にり、／Ｌ、
＝０．５に於いて極小となることを付は加える。次に前
記腕組り部の巾広寸法の合計であるＷ？ ＝２ （Ｗ、
＋Ｗｔ）の設定方法について述べる。第８図は水晶共振
片の腕全長り、（横軸）に対する水晶共振片がもつ固有
振動モードの共振周波数ｆの特性図である。第８図は通
称モードチャートと呼ばれるものである。図中の曲線８
１．８２．８３の１／ （Ｌ、）”に比例してｆの変化
する１群は屈曲振動モード系の不要振動モードである。
−力曲線８０は設計の対象となっている捩振動モードで
あり１／Ｌ、に比例してｒが変化する。合成振動子の共
振周波数がｒｌと決定されており、又腕全長り、も捩振
動子の容器（第１図１０６）寸法の制約より第８図Ｌ０
゜付近しかとり得ない場合に於て、不要な振動モード８
１．８２．８３と結合せず光分離れた共振周波数間隔を
もつ捩水晶振動子を設計することを考える。Ｗ、＝Ｗ、
＝Ｏの単純な棒状では、捩振動の共振周波数は２２点の
ｆゆで与えられる。しかし２２点では不要振動モードで
ある２３点に近接しているため良好なＱ値、周波数温度
特性をもつ捩水晶振動子が得られない。そこで２２点を
Ｐ、点のｆＩに降下させる方法が必要となる。腕重り部
の寸法Ｗｔ ＝ ２ （Ｗ＋ ＋ Ｗｚ ）はこのため
のもので、合計寸法ＷＴに比例して共振周波数が降下す
ることは実証ずみである。即ち、 ｒ ｒ ＝ ｒ Ｏ２７７（ｗ＋ ＋Ｗｚ ） Ｑ
）但し、ηは比例定数である。次にＷ、、Ｗ、の設定方
法につき述べる。Ｗ、＝Ｗ、の対称形状に於て、水晶共
振片の基部及び支持部変位を計算してみると第９図のよ
うになる。基部３０４と支持部３０１の静止状態の外形
線９０の変位は点線９１のように±Ｘ′軸回りにεだけ
回転している。支持部３０１の回転変位は第１図気密端
子１０１を介して捩水晶振動子全体の回転につながるか
ら前述の振動エネルギーのもれにつながり捩水晶振動子
の安定性が極めてそこなわれる。ε＝０とするために次
の考え方をする。１対の腕部の±Ｘ′軸回りの角運動量
としてＭ、＝ ｒ＋Ｗ＋、Ｍｔ＝ ＩｚＷｔ又基部と支
持部を合わせた角運動量としてＭ、＝１、Ｗ、とすると
、角運動量の保存則よりｒ＋ｗ＋＋ｒｚｗｚ＋ｒ：＋ｗ
：＋＝ｏ （２）但しＩ、、Ｉ２，１３は慣性
質量又Ｗ、、Ｗ、。
あり１／Ｌ、に比例してｒが変化する。合成振動子の共
振周波数がｒｌと決定されており、又腕全長り、も捩振
動子の容器（第１図１０６）寸法の制約より第８図Ｌ０
゜付近しかとり得ない場合に於て、不要な振動モード８
１．８２．８３と結合せず光分離れた共振周波数間隔を
もつ捩水晶振動子を設計することを考える。Ｗ、＝Ｗ、
＝Ｏの単純な棒状では、捩振動の共振周波数は２２点の
ｆゆで与えられる。しかし２２点では不要振動モードで
ある２３点に近接しているため良好なＱ値、周波数温度
特性をもつ捩水晶振動子が得られない。そこで２２点を
Ｐ、点のｆＩに降下させる方法が必要となる。腕重り部
の寸法Ｗｔ ＝ ２ （Ｗ＋ ＋ Ｗｚ ）はこのため
のもので、合計寸法ＷＴに比例して共振周波数が降下す
ることは実証ずみである。即ち、 ｒ ｒ ＝ ｒ Ｏ２７７（ｗ＋ ＋Ｗｚ ） Ｑ
）但し、ηは比例定数である。次にＷ、、Ｗ、の設定方
法につき述べる。Ｗ、＝Ｗ、の対称形状に於て、水晶共
振片の基部及び支持部変位を計算してみると第９図のよ
うになる。基部３０４と支持部３０１の静止状態の外形
線９０の変位は点線９１のように±Ｘ′軸回りにεだけ
回転している。支持部３０１の回転変位は第１図気密端
子１０１を介して捩水晶振動子全体の回転につながるか
ら前述の振動エネルギーのもれにつながり捩水晶振動子
の安定性が極めてそこなわれる。ε＝０とするために次
の考え方をする。１対の腕部の±Ｘ′軸回りの角運動量
としてＭ、＝ ｒ＋Ｗ＋、Ｍｔ＝ ＩｚＷｔ又基部と支
持部を合わせた角運動量としてＭ、＝１、Ｗ、とすると
、角運動量の保存則よりｒ＋ｗ＋＋ｒｚｗｚ＋ｒ：＋ｗ
：＋＝ｏ （２）但しＩ、、Ｉ２，１３は慣性
質量又Ｗ、、Ｗ、。
Ｗ、は各々角速度である。基部と支持部の変位ε＝０と
なった場合にはＷ、＝０となるからｒ ＩＷＩ ＋ Ｉ
ｚｗｔ ＝ ｏ （３）が成立つことが必
要である。従って慣性質［１゜とＩ２の差の調整により
（３）式を成立たせることが可能と考えられる。逆に（
３）式が成立てば■３≠０よりＷ、＝０即ちε＝０が得
られる。そこで２Ｗ。
なった場合にはＷ、＝０となるからｒ ＩＷＩ ＋ Ｉ
ｚｗｔ ＝ ｏ （３）が成立つことが必
要である。従って慣性質［１゜とＩ２の差の調整により
（３）式を成立たせることが可能と考えられる。逆に（
３）式が成立てば■３≠０よりＷ、＝０即ちε＝０が得
られる。そこで２Ｗ。
と２Ｗｚの差ΔＷ＝２ （Ｗ、−Ｗ、）に対するεの特
性を求めたのが第１０図（１０１）の結果である。特定
のΔＷに於いてεが零となるのがわかる。ことにＷｏ＋
＝２１０ ｐｍ、 Ｌｍ −２０００〜３０００ｕｍ、
Ｌ＋ ／Ｌ−＝０．４の外形寸法比の場合にはΔＷ＝１
０．２μｍとなる。寸法許容程度を考えるとΔＷ＝１０
．２±３μｍであれば良好な捩水晶振動子特性が得るた
めの必要条件となる。但しこの状態ではまだ良好な捩水
晶振動子は得られない。その理由は腕重り部の巾が異な
る結果、１対の腕部の共振周波数が異なり２つの独立し
た捩振動を引きおこす。第１１図の共振特性にその様子
を示した。図中横軸は周波数ｆ、縦軸は共振電流■であ
る。又、１１１のｆ、と１１２のＩ２は各々の腕部の共
振周波数を示す。そこで両腕の共振周波数を一致させる
ためにどちらが一方の腕全長を若干修正することを考え
る。第６図のΔＬはこの修正量を示す。修正量ΔＬは次
式で求まる。腕ｌの共振周波数をｒＩｌ、腕２のそれを
「１□とすれば、（１）式より ｆｌｌ＝ｆｏ ４ηＷ Ｉ （４）
ｆ＋ｚ＝ｆｏ −４７７’ｌＬ （５
）Δｆ ＝ｆ ＋ ＋ ｆ ｌ□＝４η（Ｗ！ −Ｗ
＋ ） （６）一方、捩振動周波数ｆ７は腕長Ｌ１に
より、ｆア −に／Ｌ、
（力で与えられるからｒアの微少変化Δｆｔは
Δｆア＝−（Ｋ／Ｌ、 ）ΔＬ、 （８）但しＫ
は周波数定数である。（６）の増加分を（８）式で補償
することを考えると、Δｒ十Δｒ、＝ｏがらが得られる
。
性を求めたのが第１０図（１０１）の結果である。特定
のΔＷに於いてεが零となるのがわかる。ことにＷｏ＋
＝２１０ ｐｍ、 Ｌｍ −２０００〜３０００ｕｍ、
Ｌ＋ ／Ｌ−＝０．４の外形寸法比の場合にはΔＷ＝１
０．２μｍとなる。寸法許容程度を考えるとΔＷ＝１０
．２±３μｍであれば良好な捩水晶振動子特性が得るた
めの必要条件となる。但しこの状態ではまだ良好な捩水
晶振動子は得られない。その理由は腕重り部の巾が異な
る結果、１対の腕部の共振周波数が異なり２つの独立し
た捩振動を引きおこす。第１１図の共振特性にその様子
を示した。図中横軸は周波数ｆ、縦軸は共振電流■であ
る。又、１１１のｆ、と１１２のＩ２は各々の腕部の共
振周波数を示す。そこで両腕の共振周波数を一致させる
ためにどちらが一方の腕全長を若干修正することを考え
る。第６図のΔＬはこの修正量を示す。修正量ΔＬは次
式で求まる。腕ｌの共振周波数をｒＩｌ、腕２のそれを
「１□とすれば、（１）式より ｆｌｌ＝ｆｏ ４ηＷ Ｉ （４）
ｆ＋ｚ＝ｆｏ −４７７’ｌＬ （５
）Δｆ ＝ｆ ＋ ＋ ｆ ｌ□＝４η（Ｗ！ −Ｗ
＋ ） （６）一方、捩振動周波数ｆ７は腕長Ｌ１に
より、ｆア −に／Ｌ、
（力で与えられるからｒアの微少変化Δｆｔは
Δｆア＝−（Ｋ／Ｌ、 ）ΔＬ、 （８）但しＫ
は周波数定数である。（６）の増加分を（８）式で補償
することを考えると、Δｒ十Δｒ、＝ｏがらが得られる
。
腕重り部に関する以上の手続を終了した後、今度は基部
（第４図３０４）の長さＢの最適値を求めた。第１２図
は基部の巾対長さ比Ｂ ／Ｗ、に対する第９図εの変化
を求めたものである（第１２図１２１）、腕部Ｗｏ ＝
２１０ μｍ、又部１３０μｍに対して君の最小点とし
てはＢ＝１２５０μｍが得られた。従って基部形状の変
数である基部１１Ｗ、と長さとの比Ｂ／Ｗ、＝２．２７
となる。
（第４図３０４）の長さＢの最適値を求めた。第１２図
は基部の巾対長さ比Ｂ ／Ｗ、に対する第９図εの変化
を求めたものである（第１２図１２１）、腕部Ｗｏ ＝
２１０ μｍ、又部１３０μｍに対して君の最小点とし
てはＢ＝１２５０μｍが得られた。従って基部形状の変
数である基部１１Ｗ、と長さとの比Ｂ／Ｗ、＝２．２７
となる。
寸法許容差を考えるとＢ／Ｗ！、＝２〜３程度あれば良
いこととなる。次に第１図水晶共振片の励振方法と電極
につき第１３図を用いて説明する。図中、１３０，１３
１は１対の腕部Ｗ０をもつ腕部断面、１３２，１３３は
励振電極で異符号の交番的励振電圧が印加される。又曲
線１３４等は電気力線で電界方向を示している。励振電
極１３２゜１３３等は腕部側面１３６，１３５で斜め露
光などの露光手段により分割されているのが特徴である
。該励振電極は捩振動を励振するＹ′方向成分が大きく
ＣＩ値を小さくすることができる。
いこととなる。次に第１図水晶共振片の励振方法と電極
につき第１３図を用いて説明する。図中、１３０，１３
１は１対の腕部Ｗ０をもつ腕部断面、１３２，１３３は
励振電極で異符号の交番的励振電圧が印加される。又曲
線１３４等は電気力線で電界方向を示している。励振電
極１３２゜１３３等は腕部側面１３６，１３５で斜め露
光などの露光手段により分割されているのが特徴である
。該励振電極は捩振動を励振するＹ′方向成分が大きく
ＣＩ値を小さくすることができる。
以上で本発明の実施例である水晶共振片の説明を終えて
次に気密端子への固定方法について述べる。第１４図は
水晶共振片１００の気密端子ｌＯ】の支持状態を示す側
面図である。水晶共振片１００は導電性を有する固着部
材１０４，１０５を介して気密端子の内側のリード端子
１０２，１０３に固定される。気密端子の内壁と水晶共
振片の支持部端面までの距離をΔｌ、又前記リード端子
と水晶共振片の固着部の長さをＡＭとする。第１５図は
前述の振動エネルギーのもれにともなう捩水晶振動子の
共振周波の安定度を表わず量λと前記Δｌの関係を表わ
した特性図である。λは捩水晶振動子の容器（第１図１
０６）外側表面全体を固定した場合と自由状態とした場
合の共振周波数の変化率である。即ち、 λを小さくするための６℃は１００μｍ以上必要である
。−力筒１６図には前記Δｌに対する捩水晶振動子のも
つ振動モードの共振周波数ｆの変化を示した特性図であ
る。図中１６０は捩振動モード、１６１．−１６４は不
要振ｖＳモードである。Δｆ＝４００μｍ付近で不要モ
ード１６２が捩振動モード１６０に交差する現象が生ず
る。交差するΔβ付近では、目的の捩水晶振動子のＣＩ
値又はＱ値は著しくそこなわれる。第１６図の特性図よ
り望ましいΔ！の範囲は３００ｕｍ以下である。
次に気密端子への固定方法について述べる。第１４図は
水晶共振片１００の気密端子ｌＯ】の支持状態を示す側
面図である。水晶共振片１００は導電性を有する固着部
材１０４，１０５を介して気密端子の内側のリード端子
１０２，１０３に固定される。気密端子の内壁と水晶共
振片の支持部端面までの距離をΔｌ、又前記リード端子
と水晶共振片の固着部の長さをＡＭとする。第１５図は
前述の振動エネルギーのもれにともなう捩水晶振動子の
共振周波の安定度を表わず量λと前記Δｌの関係を表わ
した特性図である。λは捩水晶振動子の容器（第１図１
０６）外側表面全体を固定した場合と自由状態とした場
合の共振周波数の変化率である。即ち、 λを小さくするための６℃は１００μｍ以上必要である
。−力筒１６図には前記Δｌに対する捩水晶振動子のも
つ振動モードの共振周波数ｆの変化を示した特性図であ
る。図中１６０は捩振動モード、１６１．−１６４は不
要振ｖＳモードである。Δｆ＝４００μｍ付近で不要モ
ード１６２が捩振動モード１６０に交差する現象が生ず
る。交差するΔβ付近では、目的の捩水晶振動子のＣＩ
値又はＱ値は著しくそこなわれる。第１６図の特性図よ
り望ましいΔ！の範囲は３００ｕｍ以下である。
従って前述の第１５図の結果とあわせると望ましいΔ２
の範囲は１００〜３００μｍである。ここで用いた気密
端子のリード端子は線径が２００μｍのコバール材を用
いている。以上で後られる前記入はλ＝０．３ｐｐｍと
極めて小さい。
の範囲は１００〜３００μｍである。ここで用いた気密
端子のリード端子は線径が２００μｍのコバール材を用
いている。以上で後られる前記入はλ＝０．３ｐｐｍと
極めて小さい。
以上述べたように本発明によれば、水晶共振片の基部の
捩振動にともなう回転変位を腕重り部の１１を異ならし
めて零としたうえで、さらに腕部を中心線に対して対称
とし又さらに基部を腕部側面を延長して構成することに
よりＺ変位成分Ｕ２を小さくしかつ化学的腐食加工で外
形精度が得られる水晶ウェハの方位を選択した。さらに
又水晶共振片を気密端子のリード端子に適切に支持する
ことにより極めて小さな振動エネルギーのもれとするこ
とができた結果安定性及び信頼性の高い捩水晶振動子が
実現でき、捩振動モードを使用した水晶振動子温度セン
サを安価に市場に提供できる。
捩振動にともなう回転変位を腕重り部の１１を異ならし
めて零としたうえで、さらに腕部を中心線に対して対称
とし又さらに基部を腕部側面を延長して構成することに
よりＺ変位成分Ｕ２を小さくしかつ化学的腐食加工で外
形精度が得られる水晶ウェハの方位を選択した。さらに
又水晶共振片を気密端子のリード端子に適切に支持する
ことにより極めて小さな振動エネルギーのもれとするこ
とができた結果安定性及び信頼性の高い捩水晶振動子が
実現でき、捩振動モードを使用した水晶振動子温度セン
サを安価に市場に提供できる。
第１図は本発明の捩水晶振動子の一実施例を示す平面図
。第２図は従来の捩水晶振動子の一実施例の平面図、第
３図は水晶ウェハの方位を示す図。 第４図（ａ）及び（ｂ）は水晶共振片の外形と方位を示
す図。第５図（ａ）及び（ｂ）は音叉の叉部の化学的腐
食状態を示す図。第６図は腕重り部の平面図。第７図は
特性図。第８図はモードチャート図。第９図は変位図。 第１０図は特性図。第１１図は共振特性図。第１２図は
特性図。第１３図は腕部断面形状と励振電極配置を示す
断面図。第１４図は水晶共振片の支板状態を示す側面図
。第１５図は特性図。 第１６図は特性図である。 １００・・・・・・水晶共振片 １０１・・・・・・気密端子 １０２、 １０３・・・・・・リード端子１０５・・・
・・・固着部材 １０６・・・・・・気密容器 ３０６・・・・・・水晶ウェハ ３０２．３０３・・・・・・腕重り部 以上
。第２図は従来の捩水晶振動子の一実施例の平面図、第
３図は水晶ウェハの方位を示す図。 第４図（ａ）及び（ｂ）は水晶共振片の外形と方位を示
す図。第５図（ａ）及び（ｂ）は音叉の叉部の化学的腐
食状態を示す図。第６図は腕重り部の平面図。第７図は
特性図。第８図はモードチャート図。第９図は変位図。 第１０図は特性図。第１１図は共振特性図。第１２図は
特性図。第１３図は腕部断面形状と励振電極配置を示す
断面図。第１４図は水晶共振片の支板状態を示す側面図
。第１５図は特性図。 第１６図は特性図である。 １００・・・・・・水晶共振片 １０１・・・・・・気密端子 １０２、 １０３・・・・・・リード端子１０５・・・
・・・固着部材 １０６・・・・・・気密容器 ３０６・・・・・・水晶ウェハ ３０２．３０３・・・・・・腕重り部 以上
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １）水晶結晶より特定方位のウェハを切出した後、化学
的腐食加工手段で外形加工してなる水晶共振片と、水晶
共振片を固着部材を介して内側の支持導体に固定する２
端子の気密端子と、前記水晶共振片を密閉するための容
器よりなる捩水晶振動子に於いて、前記特定方位のウェ
ハは、１辺が水晶の電気軸である±Ｘ軸にほぼ平行で、
他の１辺が前記電気軸回りに水晶の機械軸である＋Ｙ軸
を０〜±１０度回転して得られるＹ’軸との２辺のはる
板厚５０〜２００μｍの平行平板であり、又前記水晶共
振片は１対の振動の主要部となる腕部が、長さの比にし
て０．３〜０．７の間でかつ相互に異なる巾をもつ１対
の軸対称な腕重り部と同一巾を有する平板状棒体の接合
体であり、さらに腕部の全長を各々の共振周波数が同一
となるように若干異ならしめてあり、又腕部外側の両側
面をなめらかに延長してなる基部と、基部に接続して基
部より巾広な支持部よりなる概ね音叉型であり、又前記
気密端子と前記水晶発振片の支持部端面までの距離が、
１００〜３００μｍとして固着部材で固定されたことを
特徴とする捩水晶振動子。 ２）第１項記載の１対の腕部全長の差が、１０〜５０μ
ｍであることを特徴とする捩水晶振動子。 ３）第１項記載の水晶共振片の腕部先端が水晶結晶の−
Ｘ面となるように配置されたことを特徴とする捩水晶振
動子。 ４）第１項記載の１対の腕重り部の巾の差が１０±３μ
ｍであることを特徴とする捩水晶振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6419388A JPH01236808A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 捩水晶振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6419388A JPH01236808A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 捩水晶振動子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01236808A true JPH01236808A (ja) | 1989-09-21 |
Family
ID=13250985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6419388A Pending JPH01236808A (ja) | 1988-03-17 | 1988-03-17 | 捩水晶振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01236808A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5708320A (en) * | 1994-10-28 | 1998-01-13 | Alps Electric Co., Ltd | Vibratory gyroscope |
| JP2010050960A (ja) * | 2008-07-22 | 2010-03-04 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 圧電振動片および圧電デバイス |
| US7975364B2 (en) | 2006-10-06 | 2011-07-12 | Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. | Method for producing a tuning-fork type crystal vibrating piece |
| JP2011199331A (ja) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Seiko Epson Corp | 振動片、振動子、発振器 |
| JP2012010128A (ja) * | 2010-06-25 | 2012-01-12 | Seiko Epson Corp | 圧電振動片及び圧電デバイス |
| US8692632B2 (en) | 2010-03-17 | 2014-04-08 | Seiko Epson Corporation | Resonator element, resonator, oscillator, and electronic device |
| US9331602B2 (en) | 2013-10-15 | 2016-05-03 | Seiko Epson Corporation | Vibrator, oscillator, electronic device, and moving object |
| US9344058B2 (en) | 2013-03-14 | 2016-05-17 | Seiko Epson Corporation | Resonator element having a pair of vibrating arms with wide portions and arm portions |
-
1988
- 1988-03-17 JP JP6419388A patent/JPH01236808A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5708320A (en) * | 1994-10-28 | 1998-01-13 | Alps Electric Co., Ltd | Vibratory gyroscope |
| US7975364B2 (en) | 2006-10-06 | 2011-07-12 | Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. | Method for producing a tuning-fork type crystal vibrating piece |
| JP2010050960A (ja) * | 2008-07-22 | 2010-03-04 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | 圧電振動片および圧電デバイス |
| JP2011199331A (ja) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Seiko Epson Corp | 振動片、振動子、発振器 |
| US8692632B2 (en) | 2010-03-17 | 2014-04-08 | Seiko Epson Corporation | Resonator element, resonator, oscillator, and electronic device |
| JP2012010128A (ja) * | 2010-06-25 | 2012-01-12 | Seiko Epson Corp | 圧電振動片及び圧電デバイス |
| US9344058B2 (en) | 2013-03-14 | 2016-05-17 | Seiko Epson Corporation | Resonator element having a pair of vibrating arms with wide portions and arm portions |
| US9654083B2 (en) | 2013-03-14 | 2017-05-16 | Seiko Epson Corporation | Resonator element having a pair of vibrating arms with wide portions and arm portions |
| US9331602B2 (en) | 2013-10-15 | 2016-05-03 | Seiko Epson Corporation | Vibrator, oscillator, electronic device, and moving object |
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