JPWO2008044484A1 - 輪郭振動子並びにそれを用いた圧電発振器及び回路モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
そして特許文献1には、θを40度〜50度とし、φを−40度〜−60度(即ち、φを120度〜140度)またはφを40度〜60度とした輪郭系水晶振動子において、β≒−1.1×10−8/℃2の周波数温度特性データが図示されている。
また、水晶基板のカット角φを約130度にしただけでは一次温度係数αをほぼ0にすることができないという問題があるが、それを解決するための手段は明らかにされていなかった。
また、励振電極の形成には通常フォトリソグラフィ技術を用いるが、励振電極の材質をエッチング特性がよいAlまたはAl合金とすることにより、高精度の励振電極を形成することができる。このことから生産性を高めることに加え、Alは材料自体が安価であることから、低コストの輪郭振動子を提供することができる。
また、Auは他の元素と化合し難く、化学的な安定性が高いため、励振電極をAuまたはAu合金とすることにより、励振電極の酸化や腐蝕による輪郭振動子の電気的特性の劣化を防止することができる。
また、Agは電気抵抗率が他の金属よりも低いため、励振電極をAgまたはAg合金とすることにより、共振抵抗の小さい低損失な輪郭振動子を実現することができる。
また、振動部の表裏両面に複数の励振電極を整列配設し、隣り合う励振電極に逆極性の電位を負荷することにより、振動部の支持による輪郭振動の阻害の影響を低減でき、低損失な輪郭振動子を実現することができる。
また、振動部の表裏両面に複数の励振電極を整列配設し、隣り合う励振電極に逆極性の電位を負荷することにより、振動部の支持による輪郭振動の阻害の影響を低減でき、低損失な輪郭振動子を実現することができる。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b4×a4×(H/L)4+b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a4=4.3413×1010×(Le/L)6−1.3971×1011×(Le/L)5+1.7970×1011×(Le/L)4−1.1788×101 1×(Le/L)3+4.1386×1010×(Le/L)2−7.2863×109×(Le/L)+4.8993×108、
a3=−1.0064×109×(Le/L)6+3.3818×109×(Le/L)5−4.5506×109×(Le/L)4+3.1136×109×(Le/L)3−1.1277×109×(Le/L)2+2.0228×108×(Le/L)−1.3821×107、
a2=1.5622×107×(Le/L)6−5.8604×107×(Le/L)5+8.7986×107×(Le/L)4−6.6581×107×(Le/L)3+2.6142×107×(Le/L)2−4.9149×106×(Le/L)+3.4714×105、
a1=−44379×(Le/L)6+165890×(Le/L)5−256060×(Le/L)4+208920×(Le/L)3−91380×(Le/L)2+16336×(Le/L)−1167、
a0=5.2214×(Le/L)6−21.232×(Le/L)5+38.293×(Le/L)4−37.399×(Le/L)3+18.677×(Le/L)2−3.1173×(Le/L)+129.08、
b4=1.726007×108×b45×(t/L)5−7.760174×107×b44×(t/L)4+1.253743×107×b43×(t/L)3−869965.1×b42×(t/L)2+24096.07×b41×(t/L)−212.2220×b40、
b3=3.425298×107×b35×(t/L)5−1.532024×107×b34×(t/L)4+2461918×b33×(t/L)3−169933.2×b32×(t/L)2+4691.568×b31×(t/L)−41.24885×b30、
b2=4.803978×107×b25×(t/L)5−2.337479×107×b24×(t/L)4+4261933×b23×(t/L)3−359356.9×b22×(t/L)2+13809.27×b21×(t/L)−191.2106×b20、
b1=−2235580×b15×(t/L)5+1110489×b14×(t/L)4−210557.7×b13×(t/L)3+19172.27×b12×(t/L)2−863.9107×b11×(t/L)+17.53287×b10、
b0=−4439.819×b05×(t/L)5+2053.531×b04×(t/L)4−357.6270×b03×(t/L)3+29.05628×b02×(t/L)2−1.110058×b01×(t/L)+1.017115×b00、
b45=−3×(Le/L)+3、
b44=−2.9363×(Le/L)+2.9575、
b43=−2.8274×(Le/L)+2.8849、
b42=−2.6193×(Le/L)+2.7462、
b41=−2.1586×(Le/L)+2.439、
b40=−1.2006×(Le/L)+1.8004、
b35=−3×(Le/L)+3、
b34=−2.7003×(Le/L)+2.8002、
b33=−2.1873×(Le/L)+2.4582、
b32=−1.2013×(Le/L)+1.8008、
b31=0.9866×(Le/L)+0.3423、
b30=5.5395×(Le/L)−2.693、
b25=−3×(Le/L)+3、
b24=−3.131×(Le/L)+3.0873、
b23=−3.3097×(Le/L)+3.2064、
b22=−3.5542×(Le/L)+3.3695、
b21=−3.8725×(Le/L)+3.5817、
b20=−4.2017×(Le/L)+3.8011、
b15=−3×(Le/L)+3、
b14=−2.9491×(Le/L)+2.966、
b13=−2.8633×(Le/L)+2.9089、
b12=−2.7106×(Le/L)+2.8071、
b11=−2.4194×(Le/L)+2.6129、
b10=−1.8142×(Le/L)+2.2095、
b05=−3×(Le/L)+3、
b04=−3.0574×(Le/L)+3.0383、
b03=−3.0912×(Le/L)+3.0608、
b02=−3.1059×(Le/L)+3.0706、
b01=−3.067×(Le/L)+3.0447、
b00=−0.048×(Le/L)+1.032
また、励振電極の形成には通常フォトリソグラフィ技術を用いるが、励振電極の材質をエッチング特性がよいAlまたはAl合金とすることにより、高精度の励振電極を形成することができる。このことから生産性を高めることに加え、Alは材料自体が安価であることから、低コストの輪郭振動子を提供することができる。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=−7.9431×107×(Le/L)5+2.5306×108×(Le/L)4−3.0270×108×(Le/L)3+1.6598×108×(Le/L)2−3.9968×107×(Le/L)+3262500、
a2=4.1617×106×(Le/L)5−1.2924×107×(Le/L)4+1.4999×107×(Le/L)3−7925800×(Le/L)2+1825700×(Le/L)−142920、
a1=−13318×(Le/L)5+33849×(Le/L)4−29264×(Le/L)3+10552×(Le/L)2−2707.3×(Le/L)+196.64、
a0=−1.2960×(Le/L)5+7.02×(Le/L)4−12.24×(Le/L)3+8.085×(Le/L)2−0.979×(Le/L)+128.92、
b3=−2.304692×107×(T/L)5+1.168664×107×(T/L)4−2253685×(T/L)3+205470.9×(T/L)2−8814.447×(T/L)+143.2258、
b2=−3192240×(T/L)5+1637827×(T/L)4−321650.2×(T/L)3+30254.57×(T/L)2−1372.487×(T/L)+25.49296、
b1=−1266051×(T/L)5+653667.1×(T/L)4−129890.8×(T/L)3+12497.58×(T/L)2−600.1855×(T/L)+13.22736、
b0=−11.71456×(T/L)5−17.07546×(T/L)4+3.775518×(T/L)3−0.2493811×(T/L)2+0.003886162×(T/L)+1.000154
また、Auは他の元素と化合し難く、化学的な安定性が高いため、励振電極をAuまたはAu合金とすることにより、励振電極の酸化や腐食による輪郭振動子の電気的特性の劣化を防止することができる。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=1.0931×108×(Le/L)5−3.1028×108×(Le/L)4+3.2427×108×(Le/L)3−1.5293×108×(Le/L)2+3.2321×107×(Le/L)−2435600、
a2=−289980×(Le/L)5+47056×(Le/L)4+1012200×(Le/L)3−1103800×(Le/L)2+357760×(Le/L)−31259、
a1=−4624.1×(Le/L)5+8840.9×(Le/L)4−2189.5×(Le/L)3−2701.5×(Le/L)2−419.69×(Le/L)+36.060、
a0=−5.1840×(Le/L)5+18.360×(Le/L)4−24.480×(Le/L)3+14.070×(Le/L)2−2.2860×(Le/L)+129.02、
b3=4.879572×107×(T/L)5−2.507252×107×(T/L)4+4889811×(T/L)3−446007.4×(T/L)2+18486.47×(T/L)−258.0898、
b2=2.630196×107×(T/L)5−1.372565×107×(T/L)4+2731030×(T/L)3−255881.1×(T/L)2+11020.09×(T/L)−163.6825、
b1=−1791955×(T/L)5+937393×(T/L)4−188591×(T/L)3+18253.63×(T/L)2−861.4915×(T/L)+17.38411、
b0=−1119.679×(T/L)5+635.0522×(T/L)4−143.8455×(T/L)3+15.56815×(T/L)2−0.7750289×(T/L)+1.013358
また、Agは電気抵抗率が他の金属よりも低いため、励振電極をAgまたはAg合金とすることにより、共振抵抗の小さい低損失な輪郭振動子を実現することができる。
なお、従来構造において、Lx=Lz=600μm、t=60μmの水晶基板(振動体)の表裏全面にAu電極を厚さ0.1μmにて形成した場合、本実施形態における計算方法を用いて一次温度係数αが0となる条件で二次温度係数βを計算したところ、非特許文献2に記載されているβ=−1.7×10−8/℃2を得た。
図1は、本発明の実施形態1に係る輪郭振動子を示し、(a)は平面図、(b)は、(a)のA−A切断面を示す断面図である。図1(a)、(b)において、輪郭振動子10は、基部23から延在された支持部21,22と、支持部21,22の先端部において対向する隅部に連続して支持される振動体20と、から構成されている。
また、励振電極31,32は、振動体20の表面と裏面の中間に位置する平面に対して面対称となるよう形成されている。
図2は、IRE標準のYXltφ/θで表されるカット角を模式的に示す説明図である。図2において、水晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸で表す。YXltφ/θの“Y”の文字は、回転前の水晶基板(振動体20)の厚み方向をY軸に取ることを意味しており、YXltφ/θの“X”の文字は、回転前の水晶基板(振動体20)の長さ方向(水晶基板の平面形状が長方形の場合は長辺に沿う方向)をX軸に取ることを意味している。YXltφ/θの“l”は第1の回転軸が水晶基板(振動体20)の長さ方向であることを意味しており、YXltφ/θの“φ”は第1の回転軸に対する水晶基板(振動体20)の回転角度を表している。YXltφ/θの“t”は第2の回転軸が第1の回転後の水晶基板(振動体20)の厚み方向であることを意味しており、YXltφ/θの“θ”は第2の回転軸に対する水晶基板(振動体20)の回転角度を表している。なお回転方向は、回転軸のプラス方向に向かって時計回りをプラスの回転方向とする。
まず、X軸を回転軸として角度φだけ矢印方向に回転する。すると水晶基板の座標系は、X、y’、z’となる(図示は省略)。この座標系においてさらにy’軸を回転軸として角度θだけ矢印方向に回転する。従って、この水晶基板の座標系はx’、y’、z”で表される。
図9は辺比Lx/Lzを変化させたときの二次温度係数βの計算結果を示すグラフである。励振電極材料にはAlを用いており、φ=130度、θ=45度、Lx=Lz=600μm(即ち、辺比=1を基準に)、t=60μm、励振電極の1辺の長さLex=400μm、Lez=400μm、電極膜厚H=0.1μmで計算している。横軸に辺比Lx/Lz、縦軸に二次温度係数βを表す。図9において、辺比Lx/Lzが0.980〜1.020の範囲では、二次温度係数βの変化は小さい。従って、以後の計算は辺比0.980〜1.020の範囲で成り立つものと考えられる。図9は励振電極材料にAlを用いた場合の計算結果であるが、それ以外の材料、例えばAgやAuなどの金属、あるいはAl、Ag、Auの何れか一つを主成分とする合金などでも、辺比0.980〜1.020の範囲であれば、各励振電極材料における計算結果が当てはまる。なお、励振電極材料として、Al、Ag、Auの何れか一つを主成分とする合金を用いる場合、添加する材料は重量比で5%以下にするのが望ましく、そうすることで添加材料による計算結果のずれを無視できる程度まで小さくできる。
以後の実施形態の説明においては振動体の寸法LをL=Lx=Lz、励振電極の寸法LeをLe=Lex=Lezとしているが、Lx≠Lzの場合はL=(Lx+Lz)/2、Lex≠Lezの場合はLe=(Lex+Lez)/2とすれば良い。
図10は、振動体20がカット角θ=45度、Lx=Lz=600μm(Lx,LzをLで代表する)、t=60μmの場合に励振電極31,32の電極面積を変化させ、励振電極31,32の電極膜厚Hと一次温度係数αが0となるカット角φの関係を計算により求めた結果を示すグラフである。
なお、以降、励振電極を正方形(Lez=Lex)とし、電極面積を1辺の長さLeに置き換えて表す。
図11は、励振電極31,32の電極面積と電極膜厚Hと二次温度係数βの関係を示すグラフである。図11において、励振電極31,32が図示された各電極面積において、電極膜厚Hが薄い(0に近い)ときから9μmの範囲、カット角φが108度以上130度未満の範囲で二次温度係数βが従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図12は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μm(即ち、Le/L=0.6667)のとき、振動体20の厚さtと電極膜厚Hを変化させて、一次温度係数αが0になるカット角φの関係を計算により求めた結果を示している。図12では、電極膜厚Hが0.5μm〜5μm(即ち、H/Lが0.000833〜0.00833)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、一次温度係数αが0になるカット角φが85度以上130度未満の範囲で存在していることを示している。
図13は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μmの振動体20の厚さtと電極膜厚Hを変化させて、一次温度係数αが0となるカット角φでの二次温度係数βを計算により求めた結果を示している。図13では、電極膜厚Hが0.5μm〜5μm(即ち、H/Lが0.000833〜0.00833)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、二次温度係数βが従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図14,15は、二次温度係数βに開して|β|≦1.5×10−8/℃2となる条件を説明するグラフであり、図14は体積比Rと一次温度係数α=0となるφを表し、図15は体積比Rと一次温度係数α=0となるφにおける二次温度係数βを表すグラフである。図14,15より、体積比R0.002〜0.15の範囲において、一次温度係数α=0となるφは102.5度〜129.5度の範囲であることが分かる。
図22は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μmの場合における、電極面積(1辺の長さLe)、電極膜厚Hと一次温度係数αが0となるカット角φの関係を示すグラフである。図22において、励振電極31,32が各電極面積(1辺の長さLeが100μm〜600μmの範囲、即ち、0.1667≦Le/L≦1)において、電極膜厚Hが薄い(0に近い)ときから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲において、カット角φが120度以上130度未満の範囲で、一次温度係数αが0となるカット角φの領域が存在することを示している。
図23は、励振電極31,32の電極面積(1辺の長さLe)と電極膜厚Hと二次温度係数βの関係を示すグラフである。図23において、励振電極31,32が図示された各電極面積において、電極膜厚Hが薄い(0に近い)ときから9μmの範囲で二次温度係数βが従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図24は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μm(即ち、Le/L=0.6667)のとき、振動体20の厚さtと電極膜厚Hを変化させて、一次温度係数αが0になるカット角φとの関係を計算により求めた結果を示している。図24では、電極膜厚Hが0に近い厚さから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、一次温度係数αが0になるカット角φが100度以上130度未満の範囲で存在していることを示している。
図25は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μm(即ち、Le/L=0.6667)の振動体20の厚さtを変化させ、電極膜厚Hと一次温度係数αが0となるカット角φでの二次温度係数βの関係を計算により求めた結果を示している。図25では、電極膜厚が0に近い厚さから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、二次温度係数βが、従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図26は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μmの場合における、電極面積(1辺の長さLe)、電極膜厚Hと一次温度係数αが0となるカット角φの関係を示すグラフである。図26において、励振電極31,32が各電極面積(1辺の長さLeが100μm〜600μmの範囲、即ち、0.1667≦Le/L≦1)において、電極膜厚Hが薄い(0に近い)ときから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲において、カット角φが115度以上130度未満の範囲で一次温度係数αが0となる領域が存在することを示している。
図27は、励振電極31,32の電極面積と電極膜厚Hと二次温度係数βの関係を示すグラフである。図27において、励振電極31,32が各電極面積において、電極膜厚Hが薄い(0に近い)ときから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲、振動体20の厚さtが100μm〜600μm(即ち、0.1667≦Le/L≦1)の各厚さにおいて、二次温度係数βが従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図28は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μm(即ち、Le/L=0.6667)のとき、振動体20の厚さtを変化させて、電極膜厚Hと一次温度係数αが0になるカット角φとの関係を計算により求めた結果を示している。図28において、電極膜厚Hが0に近い厚さから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、一次温度係数αが0になるカット角φが102度以上130度未満の範囲で存在していることを示している。
図29は、カット角θ=45度、Lx=Lz=600μm、電極面積が400μm×400μm(即ち、Le/L=0.6667)の振動体20の厚さtを変化させ、電極膜厚Hと一次温度係数αが0となるカット角φにおける二次温度係数βの関係を計算により求めた結果を示している。図29では、電極膜厚が0に近い厚さから9μm(即ち、0<H/L≦0.015)の範囲、振動体20の厚さtが20μm〜100μmの厚さ(即ち、t/Lが0.03333〜0.1667)において、二次温度係数βが従来技術で示された|β|=1.51×10−8/℃2よりも小さい領域を得る条件が存在することを示している。
図30は、上記例示した条件における周波数温度特性を示すグラフである。図30に示すように、この条件において、温度変化に伴う周波数変動量は三次の温度変化をしていることが分かる。
また、電極材質がAgの場合、図29において一次温度係数α=0となるφにおける二次温度係数βが、+1.5×10−8/℃2となる電極膜厚Hから計算した膜厚比H/Lを上限値、−1.5×10−8/℃2となる電極膜厚Hから計算した膜厚比H/Lを下限値としている。
図31(a)は、規格化板厚t/Lを変化させたときに、α=0且つ|β|≦1.5×10−8/℃2となるために必要な励振電極の膜厚比H/Lの範囲を表すグラフである。なお、励振電極の各材質の下限値は略重なって表される。
続いて、本発明の実施形態2について図面を参照して説明する。実施形態2は、輪郭振動子が励振電極を振動体の表裏面それぞれに一定の間隔を有して複数個設けられ、1×n次またはm×n次の振動モードを有して構成されていることに特徴を有している。
図39は実施形態2に係る実施例1、図40は実施形態2に係る実施例2を示している。なお、カット角θ、φ、体積比R、振動体の厚さt(規格化板厚t/L)、励振電極の面積(1辺の長さLe、規格化電極寸法Le/L)及び電極膜厚H(膜厚比H/L)は、前述した実施形態1の各条件に準じているため説明を省略する。
図39は、実施形態2の実施例1に係る輪郭振動子を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のB−B切断面を示す断面図である。図39(a)、(b)において、輪郭振動子110は、基部123から延在された支持部121,122と、支持部121,122の4箇所において、対向する隅部それぞれに連続して支持される振動体120と、から構成されている。
続いて、実施形態2の具体例としての実施例2に係る輪郭振動子について図面を参照して説明する。実施例2は、振動体220の表裏両面のx’方向及びz”方向それぞれに複数の励振電極を設けていることに特徴を有している。
このように構成される輪郭振動子210は、実施形態1の輪郭振動子10に対してさらに高次の振動モードを有し、その配列からm×n次モードの振動子と呼ばれる。m(mは整数)は、z”方向の振動モード数、n(nは整数)はx’方向の振動モード数を表している。
続いて、本発明の実施形態3に係る輪郭振動子について図面を参照して説明する。実施形態3は、振動体と励振電極との間に中間層を設けたところに特徴を有している。
図41は、実施形態3に係る輪郭振動子の一部を示す斜視図である。図41において、水晶基板のカット角がIRE標準のYXltφ/θで表される四角形状の平板からなる振動体20の表裏両面それぞれに中間層33と、中間層33の表面に励振電極31が設けられている。
続いて、本発明の実施形態4に係る輪郭振動子について図面を参照して説明する。実施形態4は、励振電極の形状が前述した実施形態1〜3と異なることに特徴を有している。相違部分を中心に説明し、共通部位には実施形態1と同じ符号を附して説明する。
図42は、本実施形態に係る輪郭振動子を示し、(a)は平面図、(b)は(a)のD−D切断面を示す断面図である。図42(a)、(b)において、輪郭振動子310は、実施形態1(図1、参照)と同じ外形形状を有している。
本発明の実施形態5について説明する。実施形態5は、水晶基板のカット角φとθを設定しただけでは必ずしも一次温度係数αが小さくならないという課題を解決すべく、カットφと、規格化板厚t/L、規格化電極寸法Le/L、膜厚比H/L、との関係を特定したものである。
有限要素法(FEM)による図10〜図13,図22〜29の計算結果を基に、一次温度係数αが0となるカット角φと、t/L、Le/L、H/L、との関係を表す近似式の検討を行った。以後、一次温度係数αが0となるカット角φをφoとし、φとφoの単位を[度]とする。
φo=b4×a4×(H/L)4+b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a4=4.3413×1010×(Le/L)6−1.3971×1011×(Le/L)5+1.7970×1011×(Le/L)4−1.1788×101 1×(Le/L)3+4.1386×1010×(Le/L)2−7.2863×109×(Le/L)+4.8993×108、
a3=−1.0064×109×(Le/L)6+3.3818×109×(Le/L)5−4.5506×109×(Le/L)4+3.1136×109×(Le/L)3−1.1277×109×(Le/L)2+2.0228×108×(Le/L)−1.3821×107、
a2=1.5622×107×(Le/L)6−5.8604×107×(L/L)5+8.7986×107×(Le/L)4−6.6581×107×Le/L)3+2.6142×107×(Le/L)2−4.9149×106×(Le/L)+3.4714×105、
a1=−44379×(Le/L)6+165890×(Le/L)5−256060×(Le/L)4+208920×(Le/L)3−91380×(Le/L)2+16336×(Le/L)−1167、
a0=5.2214×(Le/L)6−21.232×(Le/L)5+38.293×(Le/L)4−37.399×(Le/L)3+18.677×(Le/L)2−3.1173×(Le/L)+129.08、
b4=1.726007×108×b45×(t/L)5−7.760174×107×b44×(t/L)4+1.253743×107×b43×(t/L)3−869965.1×b42×(t/L)2+24096.07×b41×(t/L)−212.2220×b40、
b3=3.425298×107×b35×(t/L)5−1.532024×107×b34×(t/L)4+2461918×b33×(t/L)3−169933.2×b32×(t/L)2+4691.568×b31×(t/L)−41.24885×b30、
b2=4.803978×107×b25×(t/L)5−2.337479×107×b24×(t/L)4+4261933×b23×(t/L)3−359356.9×b22×(t/L)2+13809.27×b21×(t/L)−191.2106×b20、
b1=−2235580×b15×(t/L)5+1110489×b14×(t/L)4−210557.7×b13×(t/L)3+19172.27×b12×(t/L)2−863.9107×b11×(t/L)+17.53287×b10、
b0=−4439.819×b05×(t/L)5+2053.531×b04×(t/L)4−357.6270×b03×(t/L)3+29.05628×b02×(t/L)2−1.110058×b01×(t/L)+1.017115×b00、
b45=−3×(Le/L)+3、
b44=−2.9363×(Le/L)+2.9575、
b43=−2.8274×(Le/L)+2.8849、
b42=−2.6193×(Le/L)+2.7462、
b41=−2.1586×(Le/L)+2.439、
b40=−1.2006×(Le/L)+1.8004、
b35=−3×(Le/L)+3、
b34=−2.7003×(Le/L)+2.8002、
b33=−2.1873×(Le/L)+2.4582、
b32=−1.2013×(Le/L)+1.8008、
b31=0.9866×(Le/L)+0.3423、
b30=5.5395×(Le/L)−2.693、
b25=−3×(Le/L)+3、
b24=−3.131×(Le/L)+3.0873、
b23=−3.3097×(Le/L)+3.2064、
b22=−3.5542×(Le/L)+3.3695、
b21=−3.8725×(Le/L)+3.5817、
b20=−4.2017×(Le/L)+3.8011、
b15=−3×(Le/L)+3、
b14=−2.9491×(Le/L)+2.966、
b13=−2.8633×(Le/L)+2.9089、
b12=−2.7106×(Le/L)+2.8071、
b11=−2.4194×(Le/L)+2.6129、
b10=−1.8142×(Le/L)+2.2095、
b05=−3×(Le/L)+3、
b04=−3.0574×(Le/L)+3.0383、
b03=−3.0912×(Le/L)+3.0608、
b02=−3.1059×(Le/L)+3.0706、
b01=−3.067×(Le/L)+3.0447、
b00=−0.048×(Le/L)+1.032
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=−7.9431×107×(Le/L)5+2.5306×108×(Le/L)4−3.0270×108×(Le/L)3+1.6598×108×(Le/L)2−3.9968×107×(Le/L)+3262500、
a2=4.1617×106×(Le/L)5−1.2924×107×(Le/L)4+1.4999×107×(Le/L)3−7925800×(Le/L)2+1825700×(Le/L)−142920、
a1=−13318×(Le/L)5+33849×(Le/L)4−29264×(Le/L)3+10552×(Le/L)2−2707.3×(Le/L)+196.64、
a0=−1.2960×(Le/L)5+7.02×(Le/L)4−12.24×(Le/L)3+8.085×(Le/L)2−0.979×(Le/L)+128.92、
b3=−2.304692×107×(T/L)5+1.168664×107×(T/L)4−2253685×(T/L)3+205470.9×(T/L)2−8814.447×(T/L)+143.2258、
b2=−3192240×(T/L)5+1637827×(T/L)4−321650.2×(T/L)3+30254.57×(T/L)2−1372.487×(T/L)+25.49296、
b1=−1266051×(T/L)5+653667.1×(T/L)4−129890.8×(T/L)3+12497.58×(T/L)2−600.1855×(T/L)+13.22736、
b0=−11.71456×(T/L)5−17.07546×(T/L)4+3.775518×(T/L)3−0.2493811×(T/L)2+0.003886162×(T/L)+1.000154
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=1.0931×108×(Le/L)5−3.1028×108×(Le/L)4+3.2427×108×(Le/L)3−1.5293×108×(Le/L)2+3.2321×107×(Le/L)−2435600、
a2=−289980×(Le/L)5+47056×(Le/L)4+1012200×(Le/L)3−1103800×(Le/L)2+357760×(Le/L)−31259、
a1=−4624.1×(Le/L)5+8840.9×(Le/L)4−2189.5×(Le/L)3−2701.5×(Le/L)2−419.69×(Le/L)+36.060、
a0=−5.1840×(Le/L)5+18.360×(Le/L)4−24.480×(Le/L)3+14.070×(Le/L)2−2.2860×(Le/L)+129.02、
b3=4.879572×107×(T/L)5−2.507252×107×(T/L)4+4889811×(T/L)3−446007.4×(T/L)2+18486.47×(T/L)−258.0898、
b2=2.630196×107×(T/L)5−1.372565×107×(T/L)4+2731030×(T/L)3−255881.1×(T/L)2+11020.09×(T/L)−163.6825、
b1=−1791955×(T/L)5+937393×(T/L)4−188591×(T/L)3+18253.63×(T/L)2−861.4915×(T/L)+17.38411、
b0=−1119.679×(T/L)5+635.0522×(T/L)4−143.8455×(T/L)3+15.56815×(T/L)2−0.7750289×(T/L)+1.013358
図43から明らかなように、0.01≦R≦0.067を満たす範囲においては、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.5×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも優れた温度特性を有する輪郭振動子を実現することができる。
さらに0.026≦R≦0.057を満たすことで、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.0×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも大幅に温度特性が改善された輪郭振動子を実現することができる。
図44から明らかなように、0.022≦R≦0.35を満たす範囲においては、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.5×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも優れた温度特性を有する輪郭振動子を実現することができる。
さらに0.069≦R≦0.3を満たすことで、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.0×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも大幅に温度特性が改善された輪郭振動子を実現することができる。
図45から明らかなように、0.011≦R≦0.116を満たす範囲においては、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.5×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも優れた温度特性を有する輪郭振動子を実現することができる。
さらに0.034≦R≦0.1を満たすことで、二次温度係数βの大きさを|β|≦1.0×10−8/℃2とすることができ、特許文献2において開示されたβ=−1.51×10−8/℃2よりも大幅に温度特性が改善された輪郭振動子を実現することができる。
従来の二次温度係数β=−1.51×10−8/℃2の輪郭振動子の場合、−50〜100℃の動作温度範囲内において最大84.4ppmの周波数変動が生じるが、図46から明らかな通り、カット角φをφo−0.14≦φ≦φo+0.4[度]の範囲内とすれば周波数変動は83.4ppm以下となり、従来の輪郭振動子よりも周波数変動の少ない、温度特性の良好な輪郭振動子を実現することができる。
一次温度係数αは、φ=φo−0.14[度]の場合で3.58ppm/℃、φ=φo+0.4[度]の場合で−6.87ppm/℃であり、本実施形態により、|α|≦6.87ppm/℃の良好な温度特性を有する輪郭振動子を実現できることが確認された。
図46の傾向は励振電極材料がAl以外でも成り立つので、カット角φは励振電極材料によらずφo−0.14≦φ≦φo+0.4[度]の範囲内にすれば良い。
Claims (12)
- カット角がIRE標準のYXltφ/θで表される水晶基板からなる、平面形状が四角形の振動体と、
前記振動体の表裏両面に形成され、AlまたはAlを主成分とした合金からなる、外郭形状が四角形の励振電極とを備え、
前記カット角θが40度以上50度以下の範囲であり、
前記振動体の平面形状をなす前記四角形の1辺の長さをL、前記振動体の厚さをt、前記励振電極の膜厚をH、前記励振電極の外郭形状をなす前記四角形の1辺の長さをLeとしたとき、以下の式を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b4×a4×(H/L)4+b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a4=4.3413×1010×(Le/L)6−1.3971×1011×(Le/L)5+1.7970×1011×(Le/L)4−1.1788×101 1×(Le/L)3+4.1386×1010×(Le/L)2−7.2863×109×(Le/L)+4.8993×108、
a3=−1.0064×109×(Le/L)6+3.3818×109×(Le/L)5−4.5506×109×(Le/L)4+3.1136×109×(Le/L)3−1.1277×109×(Le/L)2+2.0228×108×(Le/L)−1.3821×107、
a2=1.5622×107×(Le/L)6−5.8604×107×(Le/L)5+8.7986×107×(Le/L)4−6.6581×107×(Le/L)3+2.6142×107×(Le/L)2−4.9149×106×(Le/L)+3.4714×105、
a1=−44379×(Le/L)6+165890×(Le/L)5−256060×(Le/L)4+208920×(Le/L)3−91380×(Le/L)2+16336×(Le/L)−1167、
a0=5.2214×(Le/L)6−21.232×(Le/L)5+38.293×(Le/L)4−37.399×(Le/L)3+18.677×(Le/L)2−3.1173×(Le/L)+129.08、
b4=1.726007×108×b45×(t/L)5−7.760174×107×b44×(t/L)4+1.253743×107×b43×(t/L)3−869965.1×b42×(t/L)2+24096.07×b41×(t/L)−212.2220×b40、
b3=3.425298×107×b35×(t/L)5−1.532024×107×b34×(t/L)4+2461918×b33×(t/L)3−169933.2×b32×(t/L)2+4691.568×b31×(t/L)−41.24885×b30、
b2=4.803978×107×b25×(t/L)5−2.337479×107×b24×(t/L)4+4261933×b23×(t/L)3−359356.9×b22×(t/L)2+13809.27×b21×(t/L)−191.2106×b20、
b1=−2235580×b15×(t/L)5+1110489×b14×(t/L)4−210557.7×b13×(t/L)3+19172.27×b12×(t/L)2−863.9107×b11×(t/L)+17.53287×b10、
b0=−4439.819×b05×(t/L)5+2053.531×b04×(t/L)4−357.6270×b03×(t/L)3+29.05628×b02×(t/L)2−1.110058×b01×(t/L)+1.017115×b00、
b45=−3×(Le/L)+3、
b44=−2.9363×(Le/L)+2.9575、
b43=−2.8274×(Le/L)+2.8849、
b42=−2.6193×(Le/L)+2.7462、
b41=−2.1586×(Le/L)+2.439、
b40=−1.2006×(Le/L)+1.8004、
b35=−3×(Le/L)+3、
b34=−2.7003×(Le/L)+2.8002、
b33=−2.1873×(Le/L)+2.4582、
b32=−1.2013×(Le/L)+1.8008、
b31=0.9866×(Le/L)+0.3423、
b30=5.5395×(Le/L)−2.693、
b25=−3×(Le/L)+3、
b24=−3.131×(Le/L)+3.0873、
b23=−3.3097×(Le/L)+3.2064、
b22=−3.5542×(Le/L)+3.3695、
b21=−3.8725×(Le/L)+3.5817、
b20=−4.2017×(Le/L)+3.8011、
b15=−3×(Le/L)+3、
b14=−2.9491×(Le/L)+2.966、
b13=−2.8633×(Le/L)+2.9089、
b12=−2.7106×(Le/L)+2.8071、
b11=−2.4194×(Le/L)+2.6129、
b10=−1.8142×(Le/L)+2.2095、
b05=−3×(Le/L)+3、
b04=−3.0574×(Le/L)+3.0383、
b03=−3.0912×(Le/L)+3.0608、
b02=−3.1059×(Le/L)+3.0706、
b01=−3.067×(Le/L)+3.0447、
b00=−0.048×(Le/L)+1.032 - 請求項1に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.01≦R≦0.067を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- 請求項1に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.026≦R≦0.057を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- カット角がIRE標準のYXltφ/θで表される水晶基板からなる、平面形状が四角形の振動体と、
前記振動体の表裏両面に形成され、AuまたはAuを主成分とした合金からなる、外郭形状が四角形の励振電極とを備え、
前記カット角θが40度以上50度以下の範囲であり、
前記振動体の平面形状をなす前記四角形の1辺の長さをL、前記振動体の厚さをt、前記励振電極の膜厚をH、前記励振電極の外郭形状をなす前記四角形の1辺の長さをLeとしたとき、以下の式を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=−7.9431×107×(Le/L)5+2.5306×108×(Le/L)4−3.0270×108×(Le/L)3+1.6598×108×(Le/L)2−3.9968×107×(Le/L)+3262500、
a2=4.1617×106×(Le/L)5−1.2924×107×(Le/L)4+1.4999×107×(Le/L)3−7925800×(Le/L)2+1825700×(Le/L)−142920、
a1=−13318×(Le/L)5+33849×(Le/L)4−29264×(Le/L)3+10552×(Le/L)2−2707.3×(Le/L)+196.64、
a0=−1.2960×(Le/L)5+7.02×(Le/L)4−12.24×(Le/L)3+8.085×(Le/L)2−0.979×(Le/L)+128.92、
b3=−2.304692×107×(T/L)5+1.168664×107×(T/L)4−2253685×(T/L)3+205470.9×(T/L)2−8814.447×(T/L)+143.2258、
b2=−3192240×(T/L)5+1637827×(T/L)4−321650.2×(T/L)3+30254.57×(T/L)2−1372.487×(T/L)+25.49296、
b1=−1266051×(T/L)5+653667.1×(T/L)4−129890.8×(T/L)3+12497.58×(T/L)2−600.1855×(T/L)+13.22736、
b0=−11.71456×(T/L)5−17.07546×(T/L)4+3.775518×(T/L)3−0.2493811×(T/L)2+0.003886162×(T/L)+1.000154 - 請求項4に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.022≦R≦0.35を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- 請求項4に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.069≦R≦0.3を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- カット角がIRE標準のYXltφ/θで表される水晶基板からなる、平面形状が四角形の振動体と、
前記振動体の表裏両面に形成され、AgまたはAgを主成分とした合金からなる、外郭形状が四角形の励振電極とを備え、
前記カット角θが40度以上50度以下の範囲であり、
前記振動体の平面形状をなす前記四角形の1辺の長さをL、前記振動体の厚さをt、前記励振電極の膜厚をH、前記励振電極の外郭形状をなす前記四角形の1辺の長さをLeとしたとき、以下の式を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
φo−0.14≦φ≦φo+0.4 (ただし、φとφoの単位は[度])、
φo=b3×a3×(H/L)3+b2×a2×(H/L)2+b1×a1×(H/L)+b0×a0、
a3=1.0931×108×(Le/L)5−3.1028×108×(Le/L)4+3.2427×108×(Le/L)3−1.5293×108×(Le/L)2+3.2321×107×(Le/L)−2435600、
a2=−289980×(Le/L)5+47056×(Le/L)4+1012200×(Le/L)3−1103800×(Le/L)2+357760×(Le/L)−31259、
a1=−4624.1×(Le/L)5+8840.9×(Le/L)4−2189.5×(Le/L)3−2701.5×(Le/L)2−419.69×(Le/L)+36.060、
a0=−5.1840×(Le/L)5+18.360×(Le/L)4−24.480×(Le/L)3+14.070×(Le/L)2−2.2860×(Le/L)+129.02、
b3=4.879572×107×(T/L)5−2.507252×107×(T/L)4+4889811×(T/L)3−446007.4×(T/L)2+18486.47×(T/L)−258.0898、
b2=2.630196×107×(T/L)5−1.372565×107×(T/L)4+2731030×(T/L)3−255881.1×(T/L)2+11020.09×(T/L)−163.6825、
b1=−1791955×(T/L)5+937393×(T/L)4−188591×(T/L)3+18253.63×(T/L)2−861.4915×(T/L)+17.38411、
b0=−1119.679×(T/L)5+635.0522×(T/L)4−143.8455×(T/L)3+15.56815×(T/L)2−0.7750289×(T/L)+1.013358 - 請求項7に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.011≦R≦0.116を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- 請求項7に記載の輪郭振動子において、前記励振電極の総体積をVe、前記振動部の体積をV、体積比RをVe/Vとしたとき、0.034≦R≦0.1を満たすことを特徴とする輪郭振動子。
- 請求項1ないし請求項9のいずれか一項に記載の輪郭振動子において、前記励振電極が、前記振動体の表裏両面それぞれに一定の間隔を有して複数対設けられ、隣り合う前記励振電極それぞれが逆極性の電位となるよう整列配設されていることを特徴とする輪郭振動子。
- 請求項1ないし請求項9の何れか一項に記載の輪郭振動子を用いたことを特徴とする圧電発振器。
- 請求項1ないし請求項9の何れか一項に記載の輪郭振動子を用いたことを特徴とする回路モジュール。
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