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発明の名称 水晶振動片、水晶振動子、及び水晶発振器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−13381(P2007−13381A)
公開日 平成19年1月18日(2007.1.18)
出願番号 特願2005−189511(P2005−189511)
出願日 平成17年6月29日(2005.6.29)
代理人 【識別番号】100095728
【弁理士】
【氏名又は名称】上柳 雅誉
発明者 田中 雅子 / 前田 進
要約 課題
厚み滑り振動を主振動とするダブルローテーションカットの水晶振動片において、DLDによる周波数変化量を小さくし、より大きな駆動電力を必要とする小型形状の水晶振動片、当該水晶振動片を用いた水晶振動子及び水晶発振器を提供する。

解決手段
水晶の直交する3つの結晶軸を、即ち電気軸をX軸、これに直交した機械軸をY軸、X軸とY軸に直交した光学軸をZ軸とする。本発明に係る水晶振動片20を得るための水晶板10は、先ず、水晶原石15のZ軸を中心にX軸を時計方向に6.5度以上17.5度以下の任意の角度φだけ回転させたX´軸を設定し、このX´軸に平行な辺を有する。さらに、水晶板10は、X´軸を中心に、Z軸を時計方向に34度以上35度10分以下の任意の角度θだけ回転させたZ´軸に平行な辺を有している。
特許請求の範囲
【請求項1】
少なくとも主面に印加される駆動電力によって所定の共振周波数で振動する水晶振動片であって、
前記主面は、水晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸として、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に7度以上17.3度以下の角度φで回転させて設定したX´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上35.25度以下の角度θで回転させたZ´軸に平行な辺とを含み形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項2】
請求項1に記載の水晶振動片において、
前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、
前記主面の面積が4.0mm2以上8.0mm2以下で形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項3】
請求項1に記載の水晶振動片において、
前記共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、
前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に8度以上16度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下で形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項4】
請求項1に記載の水晶振動片において、
前記共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、
前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に10度以上14度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が0.8mm2以上1.4mm2以下で形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項5】
請求項1に記載の水晶振動片において、
前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、
前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に8度以上16度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が2.0mm2以上4.0mm2以下で形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項6】
請求項1に記載の水晶振動片において、
前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、
前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向9度以上15.5度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下で形成されていることを特徴とする水晶振動片。
【請求項7】
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の水晶振動片において、
前記角度φが、11.5度以上、且つ12.5度以下であることを特徴とする水晶振動片。
【請求項8】
パッケージと、
前記パッケージに収納された請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の水晶振動片とを備えていることを特徴とする水晶振動子。
【請求項9】
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の水晶振動片と、
少なくとも前記水晶振動片を駆動する機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする水晶発振器。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、厚みすべり振動を主振動とし、水晶の結晶軸の2軸回りに傾斜した切断面を有するダブルローテーションカットの水晶振動片、当該水晶振動片を用いた水晶振動子及び水晶発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に通信機器、情報機器、民生機器等の電子機器に使用されている振動子、発振器などの圧電デバイスには、安定した周波数特性を得られることなどから圧電材料として水晶が採用されている。水晶振動片は、この水晶から所定の角度で切断された水晶板を用い形成される。特にATカット水晶板は、広範囲な温度領域において安定した周波数が得られるところから、古くから水晶振動片に用いられている。ATカット水晶板とは、図12に示すように、1辺が水晶の結晶軸のX軸に平行であって、XZ面をX軸回りに35度15分時計方向(X軸の−X方向から+X方向を見た場合を基準)に回転させたカット角で切断されたものである。このカット方式は、シングルローテーションカットと呼ばれている。このATカット水晶板を用いた水晶振動片は、温度の変動により周波数が変化する、いわゆる周波数温度特性において100℃付近の高温領域で周波数変化が大きくなることが知られていた(例えば、特許文献1)。この高温領域での周波数温度特性を改善するために、水晶の結晶軸の1軸を回転した後に、その新たな軸を中心に他の1軸を回転した面で切断した水晶板が提案されている(例えば、特許文献2)。このカット方式は、ダブルローテーション(2回回転)カットと呼ばれている。
【0003】
【特許文献1】特開平5−235678号公報
【特許文献2】特開2004−7420号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、水晶振動片の特性には、前述の周波数温度特性に加えて水晶振動片を振動させるための駆動電力(以下、「駆動電力」という。)を印加することにより共振周波数が変化するなどのドライブレベル依存性(Drive Level Dependency)がある。以下、ドライブレベル依存性による共振周波数の変化量を、「DLD」という。
【0005】
このDLDについて、図13を用いて詳細に説明する。図13は、駆動電力と周波数変化量との相関、即ちDLDを示す図である。図13には、共振周波数、及び振動片の主面の大きさ(チップサイズ)毎のDLDを示す近似線が示されている。それぞれの近似線の内訳を以下に記載する。
(a)共振周波数48MHz、チップサイズ2.0mm×1.2mm。
(b)共振周波数40MHz、チップサイズ2.0mm×1.1mm。
(c)共振周波数40MHz、チップサイズ4.0mm×2.2mm。
(d)共振周波数20MHz、チップサイズ5.4mm×1.6mm。
【0006】
図13に示すように、このDLDは、駆動電力にほぼ比例しており、駆動電力が大きくなればなるほど周波数の変化量が大きくなる。さらに、このDLDは、図13に示す(b)と(c)との比較からも解るように、共振周波数が同じであれば、主面の面積が小さくなることにより周波数の変化量が大きくなる。また、このDLDは、図13に示す(a)と(b)と(d)との比較からも解るように、共振周波数が高いほど周波数の変化量が大きくなる。従って、特許文献2に示す従来の水晶振動片では、高い共振周波数領域、或いは主面の面積が小さな水晶振動片を形成しようとすると、DLDが大きくなり、許容される周波数変化量を超えてしまうという問題を生じることがあった。
【0007】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、DLDを小さくすることによって、より大きな駆動電力を必要とする小型形状の水晶振動片、当該水晶振動片を用いた水晶振動子及び水晶発振器の提供を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
かかる問題を解決するために発明者らは、水晶のカット角について種々研究し、実験を行ったところ、より大きな駆動電力を必要とする小型形状の水晶振動片において小さなDLDを有するカット角を見出した。本発明は、この知見に基づき成されたものである。
【0009】
本発明の水晶振動片は、少なくとも主面に印加される駆動電力によって所定の共振周波数で振動する水晶振動片であって、前記主面は、水晶の電気軸をX軸、機械軸をY軸、光学軸をZ軸として、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に7度以上17.3度以下の角度φで回転させて設定したX´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上35.25度以下の角度θで回転させたZ´軸に平行な辺とを含み形成されていることを特徴とする。
【0010】
本発明の水晶振動片によれば、X軸及びZ軸を所定の角度で回転させたダブルローテーションカットを用いることにより、DLDを小さくすることが可能となる。即ち、大きな駆動電力(励振レベル)が必要な水晶振動片でもDLDを小さく抑えることが可能となり、高い周波数精度(高品質)の水晶振動片を提供することが可能となる。
【0011】
また、前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、前記主面の面積が4.0mm2以上8.0mm2以下で形成されていることが望ましい。
【0012】
このようにすれば、共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、主面の面積が4.0mm2以上8.0mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させてもDLDを5ppm以下とすることが可能となる。
【0013】
また、前記共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に8度以上16度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下で形成されていることが望ましい。
【0014】
このようにすれば、共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させてもDLDを5ppm以下とすることが可能となる。
【0015】
また、前記共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に10度以上14度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が0.8mm2以上1.4mm2以下で形成されていることが望ましい。
【0016】
このようにすれば、共振周波数が27MHz以上48MHz以下であって、主面の面積が0.8mm2以上1.4mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させてもDLDを5ppm以下とすることが可能となる。
【0017】
また、前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向に8度以上16度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が2.0mm2以上4.0mm2以下で形成されていることが望ましい。
【0018】
このようにすれば、共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、主面の面積が2.0mm2以上4.0mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させてもDLDを5ppm以下とすることが可能となる。
【0019】
また、前記共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、前記主面は、前記X軸を前記Z軸の回りに時計方向9度以上15.5度以下の角度φで回転させて設定した前記X´軸に平行な辺と、前記Z軸を前記X´軸の回りに時計方向に34.3度以上且つ35.25度以下の角度θで回転させた前記Z´軸に平行な辺とを含み、該主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下で形成されていることが望ましい。
【0020】
このようにすれば、共振周波数が48MHz以上100MHz以下であって、主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させてもDLDを5ppm以下とすることが可能となる。
【0021】
また、前記角度φが、11.5度以上、且つ12.5度以下であることが望ましい。
【0022】
このようにすれば、さらにDLDを小さく抑えることが可能となる。即ち、共振周波数が27MHz以上100MHz以下であって、主面の面積が0.8mm2以上4.0mm2以下の水晶振動片を、500μW程度の駆動電力で振動させても、DLDをほぼ2.5ppm以下の小さな変化に抑えることが可能な水晶振動片を提供することが可能となる。
【0023】
また、本発明の水晶振動子は、パッケージと、前記パッケージに収納された前述の水晶振動片とを備えていることを特徴とする。
【0024】
本発明の水晶振動子によれば、パッケージ内に前述のダブルローテーションカットの水晶振動片を収納して用いることにより、DLDを小さくすることが可能となる。即ち、大きな駆動電力(励振レベル)が必要な水晶振動子でもDLDによる周波数変化を小さくすることが可能となり、高い周波数精度(高品質)の水晶振動子を提供することが可能となる。
【0025】
また、本発明の水晶発振器は、前述の水晶振動片と、少なくとも前記水晶振動片を駆動する機能を有する回路部とを備えていることを特徴とする。
【0026】
本発明の水晶発振器によれば、前述のダブルローテーションカットの水晶振動片を用いることにより、DLDを小さくすることが可能となる。即ち、大きな駆動電力(励振レベル)が必要でもDLDを小さく抑えることが可能となる。また、水晶振動片と回路部とを備えているため双方の接続が短縮でき、より小型の水晶発振器とすることができる。これらにより、高い周波数精度(高品質)を有する小型の水晶発振器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0027】
本発明に係る水晶振動片、水晶振動子、及び水晶発振器の最良の形態について、図面に添って詳細に説明する。
(第一実施形態)
【0028】
本発明に係る水晶振動片を図1及び図2を用いて説明する。図1は、第一実施形態のダブルローテーションカットの水晶板の概略を示す。図2は、図1に示す水晶板から切り出された水晶振動片を示す斜視図である。
【0029】
図1に示すように、水晶の直交する3つの結晶軸を、即ち電気軸をX軸、これに直交した機械軸をY軸、X軸とY軸に直交した光学軸をZ軸とする。本発明に係る水晶振動片を得るための水晶板(水晶基板ともいう)10は、先ず、水晶原石15のZ軸を中心にX軸を時計方向(Z軸の−Z方向から+Z方向を見た場合を基準)に6.5度以上17.5度以下の任意の角度φだけ回転させたX´軸を設定し、このX´軸に平行な辺を有する。さらに、水晶板10は、X´軸を中心に、Z軸を時計方向(X´軸の−X´方向から+X´方向を見た場合を基準)に34.3度以上35.25度以下の任意の角度θだけ回転させたZ´軸に平行な辺を有している。そして、これらの辺を含む面を主面として切り出すことにより、いわゆるダブルローテーションカットの水晶板10が形成される。さらに、水晶板10は、その両面を所望の厚さ及び表面状態に研磨加工され、その後、切断機などで小割して、図2に示すような、所望の寸法、形状を有する水晶振動片20を切り出す。なお、同時にY軸も2回回転しているが図1では図示していない。図2では、切り出された水晶振動片の厚さ方向の軸を、Y軸を2回回転したY´´軸と表示している。
【0030】
水晶振動片20の詳細について説明する。図2に示す水晶振動片20は、寸法Lの長さのX´軸に平行な長辺21と、寸法Wの長さのZ´軸に平行な短辺22とを有する矩形形状の主面23,24を有している。主面23,24は、Y´´軸に平行な厚さTを有して表裏に形成されている。なお、この厚さTは、水晶振動片20の共振周波数と反比例の関係を有しており、水晶振動片20の厚さTが薄くなれば共振周波数が高くなる。それぞれの主面23,24の表面の中央部には、励振電極25が形成されている。表面の主面23上に形成された励振電極25は、引出し電極26を介し外部接続電極27aに接続されている。なお、他方の外部接続電極27bは、水晶振動片20の側面を通り図示しない裏面の外部接続電極、引出し電極、及び励振電極に接続されている。水晶振動片20は、この表裏の励振電極23,24に図示しない発振回路から駆動電力を印加することによって所定の周波数で発振する。なお、この駆動電力の大小を表し、励振レベル、或いはドライブレベルと呼称することがある。
【0031】
前述の背景技術でも述べたが、水晶振動片20は、駆動電力の大きさによって共振周波数が変化する。本願の発明者らは、Z軸を中心にしたX軸の回転角度φを段階的に変えて水晶板10を切り出し、本発明によるダブルローテーションカットの厚みすべりモードの水晶振動片20を試作した。なお、この試作においては、比較的大きな駆動電力を必要とする小型(主面の面積が小さい水晶振動片)、及び高周波数帯域の水晶振動片20に着目した。
【0032】
さらに、試作したそれぞれの水晶振動片20について、常温で駆動電力(励振レベル)を段階的に変化させながら共振周波数を測定した。その結果、共振周波数、角度φ、角度θ、及び主面の面積を定めることにより、実用上何ら問題の無いDLDを持つ水晶振動片20を形成することが可能であることを見出した。特に、角度φが11.5度以上12.5度以下の範囲で切り出された水晶振動片20は、DLDを著しく小さくできることを見出した。ここで、一般的に求められている実用上問題とならない周波数変化量とは、水晶振動片20に駆動電力を500μW程度まで印加したときのDLDが5ppm以下である。
【0033】
本実施形態の水晶振動片20によれば、DLDを小さくすることが可能となる。詳細には、駆動電力を500μW程度まで印加したときの周波数変化量、即ち、DLDを5ppm以下とした水晶振動片20を提供することが可能となる。このように、大きな駆動電力が必要な水晶振動片でもDLDの小さな、高い周波数精度(高品質)の水晶振動片20を提供することが可能となる。
【0034】
また、角度φが11.5度以上12.5度以下の範囲で切り出された水晶振動片20では、駆動電力を500μW程度まで印加したときのDLDをさらに小さくすることが可能である。具体的には、DLDを2.5ppm以下にすることが可能となる。
【0035】
なお、前述の第一実施形態では、水晶振動片を矩形形状で説明したが、水晶振動片の形状はこれに限らない。例えば、円形、方形などの形状の水晶振動片であっても同等な効果を有している。
(実施例1)
【0036】
X軸の回転角度φを段階的に変化させて水晶板を切り出し、本発明による厚み滑りモードの共振周波数が48MHz及び100MHzの水晶振動片を試作した。それぞれの共振周波数の水晶振動片は、チップサイズ3mm×1.5mm(図2に示すL×Wの寸法で表す)、即ち、主面の面積を4.5mm2とした。また、実施例1では、角度θを35度に固定した。なお、比較例として共振周波数、チップサイズが同じであり、角度φが0度、即ち、従来のシングルローテーションカットの水晶振動片も試作した。そして、実施例1の水晶振動片について、励振レベルを700μW程度まで変化させながら周波数変化量(周波数偏差 ΔF(ppm))を測定した。
【0037】
その結果を、図3に示す。図3は、実施例1の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフであり、縦軸に周波数偏差、横軸に励振レベル(μW)を示している。なお、横軸は対数目盛としてある。図3における曲線は、次に示す水晶振動片のDLDを示している。
(1a)実施例1における共振周波数100MHz、角度φ7度、及び17.3度。
(2a)実施例1における共振周波数48MHz、角度φ7度、及び17.3度。
(3a)実施例1における共振周波数48MHz、及び100MHz、角度φ12度。
(1b)共振周波数100MHz、角度φ0度(比較例)。
(2b)共振周波数48MHz、角度φ0度(比較例)。
【0038】
図3に示すように、一般的に水晶振動片のDLDは、10μWを超えるあたりから徐々に増加し、100μWを超えると変動が大きくなる。実施例1の水晶振動片の曲線(1a)、(2a)、(3a)は、各共振周波数において、比較例としての曲線(1b)、(2b)に示すシングルローテーションカットの水晶振動片と比べ格段に小さくなっている。
一般的に、このDLDは、励振レベルが500μW以下のとき、5ppm以下であることが求められている。図中の2点鎖線は、励振レベルが500μW以下でDLDが5ppm以下の範囲を示している。図3に示すように、曲線(1a)、(2a)、(3a)で示す実施例1の水晶振動片は、励振レベルが500μWであっても、DLDを5ppm以下に抑えることができた。
【0039】
共振周波数100MHzの水晶振動片を一例としてさらに詳細を説明する。曲線(1a)は、角度φ7度、及び17.3度のときのDLDを示している。このときのDLDが、励振レベル500μWにおいて、ほぼ5ppmとなっている。角度φが、7度より大きくなることによりこの曲線は、徐々に傾斜及び曲線の立ち上がりが緩やかなる。そして、角度φが12度である曲線(3a)を概ね下限とし、それ以上の角度になると、再び徐々に傾斜及び2次曲線の立ち上がりが急になり、角度φが17.3度でほぼ角度φが7度の曲線(1a)と重なる。つまり、角度φを、7度から17.3度の間の値を用いて切り出した水晶振動片は、曲線(1a)と曲線(3a)との間の領域にDLDを示す曲線が存在する。これにより、角度φが7度から17.3度の間で切り出された水晶振動片は、DLDが5ppm以下の範囲にあることになる。さらに、図示しないが、主面の面積を段階的に変化させ、同様な試作を行った。その結果、主面の面積が、4.0mm2以上8mm2以下の範囲で同等な効果が確認できた。
【0040】
また、前述と同様に、48MHzの水晶振動片においても、曲線(2a)と曲線(3a)の間の領域に曲線が存在し、DLDを5ppm以下とすることができる。なお、曲線(3a)は、48MHzの水晶振動片の角度φが12度のときの曲線も表している。
【0041】
これらから、48MHz以上100MHz以下の共振周波数帯域において、角度φが7度以上17.3度以下の範囲で切り出された主面の面積が4.0mm2以上8mm2以下のダブルローテーションカットの水晶振動片は、励振レベルが500μWのときのDLDを5ppm以下とすることができる。
【0042】
また、曲線(3a)では、励振レベルを700μWとしても殆どDLDが見られず、1ppm以下となっている。このように角度φを、12度付近(例えば、11.5度から12.5度)とすることでDLDを極めて小さくした水晶振動片を提供することも可能である。
(実施例2)
【0043】
さらに、共振周波数、及びチップサイズを変え、実施例1と同様に試作を行った。
実施例2では、本発明による厚み滑りモードの共振周波数が27MHz及び48MHzの水晶振動片を試作した。それぞれの共振周波数の水晶振動片は、チップサイズ1.4mm×1.0mm(図2に示すL×Wの寸法で表す)、即ち、主面の面積を1.4mm2とした。また、実施例2でも、角度θを35度に固定した。そして、実施例2の水晶振動片について、励振レベルを700μW程度まで変化させながら周波数変化量(周波数偏差 ΔF(ppm))を測定した。
【0044】
その結果を、図4に示す。図4は、実施例2の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフであり、縦軸に周波数偏差、横軸に励振レベル(μW)を示している。なお、横軸は対数目盛としてある。図4における曲線は、次に示す水晶振動片のDLDを示している。
(4a)実施例2における共振周波数48MHz、角度φ8度、及び16度。
(5a)実施例2における共振周波数27MHz、角度φ8度、及び16度。
(6a)実施例2における共振周波数48MHz、角度φ12度。
(7a)実施例2における共振周波数27MHz、角度φ12度。
(4b)共振周波数48MHz、角度φ0度(比較例)。
(5b)共振周波数27MHz、角度φ0度(比較例)。
【0045】
実施例1と同様に、実施例2の水晶振動片の曲線(4a)、(5a)、(6a)、(7a)は、各共振周波数において、比較例としての曲線(4b)、(5b)に示すシングルローテーションカットの水晶振動片と比べ格段に小さくなっている。そして、図4に示すように、曲線(4a)、(5a)、(6a)、(7a)で示す実施例2の水晶振動片は、励振レベルが500μWであっても、DLDを5ppm以下に抑えることができた。さらに、図示しないが、主面の面積を段階的に変化させ、同様な試作を行った。その結果、主面の面積が、1.4mm2以上2.0mm2以下の範囲で同等な効果が確認できた。なお、実施例1と同様な事象については説明を省略する。
【0046】
従って、27MHz以上48MHz以下の共振周波数帯域において、角度φが8度以上16度以下の範囲で切り出された主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下のダブルローテーションカットの水晶振動片は、励振レベルが500μWのときのDLDを5ppm以下とすることができる。
(実施例3)
【0047】
さらに、共振周波数、及びチップサイズを変え、実施例1と同様に試作を行った。
実施例3では、本発明による厚み滑りモードの共振周波数が27MHz及び48MHzの水晶振動片を試作した。それぞれの共振周波数の水晶振動片は、チップサイズ1.0mm×0.8mm(図2に示すL×Wの寸法で表す)、即ち、主面の面積を0.8mm2とした。また、実施例3でも、角度θを35度に固定した。そして、実施例3の水晶振動片について、励振レベルを700μW程度まで変化させながら周波数変化量(周波数偏差 ΔF(ppm))を測定した。
【0048】
その結果を、図5に示す。図5は、実施例3の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフであり、縦軸に周波数偏差、横軸に励振レベル(μW)を示している。なお、横軸は対数目盛としてある。図5における曲線は、次に示す水晶振動片のDLDを示している。
(8a)実施例3における共振周波数48MHz、角度φ10度、及び14度。
(9a)実施例3における共振周波数27MHz、角度φ10度、及び14度。
(10a)実施例3における共振周波数48MHz、角度φ12度。
(11a)実施例3における共振周波数27MHz、角度φ12度。
(8b)共振周波数48MHz、角度φ0度(比較例)。
(9b)共振周波数27MHz、角度φ0度(比較例)。
【0049】
実施例1と同様に、実施例3の水晶振動片の曲線(8a)、(9a)、(10a)、(11a)は、各共振周波数において、比較例としての曲線(8b)、(9b)に示すシングルローテーションカットの水晶振動片と比べ格段に小さくなっている。そして、図5に示すように、曲線(8a)、(9a)、(10a)、(11a)で示す実施例3の水晶振動片は、励振レベルが500μWであっても、DLDを5ppm以下に抑えることができた。さらに、図示しないが、主面の面積を段階的に変化させ、同様な試作を行った。その結果、主面の面積が、0.8mm2以上1.4mm2以下の範囲で同等な効果が確認できた。なお、実施例1と同様な事象については説明を省略する。
【0050】
従って、27MHz以上48MHz以下の共振周波数帯域において、角度φが10度以上14度以下の範囲で切り出された主面の面積が0.8mm2以上1.4mm2以下のダブルローテーションカットの水晶振動片は、励振レベルが500μWのときのDLDを5ppm以下とすることができる。
(実施例4)
【0051】
さらに、共振周波数、及びチップサイズを変え、実施例1と同様に試作を行った。
実施例4では、本発明による厚み滑りモードの共振周波数が48MHz及び100MHzの水晶振動片を試作した。それぞれの共振周波数の水晶振動片は、チップサイズ2.0mm×1.0mm(図2に示すL×Wの寸法で表す)、即ち、主面の面積を2.0mm2とした。また、実施例4でも、角度θを35度に固定した。そして、実施例4の水晶振動片について、励振レベルを700μW程度まで変化させながら周波数変化量(周波数偏差 ΔF(ppm))を測定した。
【0052】
その結果を、図6に示す。図6は、実施例4の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフであり、縦軸に周波数偏差、横軸に励振レベル(μW)を示している。なお、横軸は対数目盛としてある。図6における曲線は、次に示す水晶振動片のDLDを示している。
(12a)実施例4における共振周波数100MHz、角度φ8度、及び16度。
(13a)実施例4における共振周波数48MHz、角度φ8度、及び16度。
(14a)実施例4における共振周波数100MHz、角度φ12度。
(15a)実施例4における共振周波数48MHz、角度φ12度。
(12b)共振周波数100MHz、角度φ0度(比較例)。
(13b)共振周波数48MHz、角度φ0度(比較例)。
【0053】
実施例1と同様に、実施例4の水晶振動片の曲線(12a)、(13a)、(14a)、(15a)は、各共振周波数において、比較例としての曲線(12b)、(13b)に示すシングルローテーションカットの水晶振動片と比べ格段に小さくなっている。そして、図6に示すように、曲線(12a)、(13a)、(14a)、(15a)で示す実施例4の水晶振動片は、励振レベルが500μWであっても、DLDを5ppm以下に抑えることができた。さらに、図示しないが、主面の面積を段階的に変化させ、同様な試作を行った。その結果、主面の面積が、2.0mm2以上4.0mm2以下の範囲で同等な効果が確認できた。なお、実施例1と同様な事象については説明を省略する。
【0054】
従って、48MHz以上100MHz以下の共振周波数帯域において、角度φが8度以上16度以下の範囲で切り出された主面の面積が2.0mm2以上4.0mm2以下のダブルローテーションカットの水晶振動片は、励振レベルが500μWのときのDLDを5ppm以下とすることができる。
(実施例5)
【0055】
さらに、共振周波数、及びチップサイズを変え、実施例1と同様に試作を行った。実施例5では、本発明による厚み滑りモードの共振周波数が48MHz及び100MHzの水晶振動片を試作した。それぞれの共振周波数の水晶振動片は、チップサイズ1.4mm×1.0mm(図2に示すL×Wの寸法で表す)、即ち、主面の面積を1.4mm2とした。また、実施例5でも、角度θを35度に固定した。そして、実施例5の水晶振動片について、励振レベルを700μW程度まで変化させながら周波数変化量(周波数偏差 ΔF(ppm))を測定した。
【0056】
その結果を、図7に示す。図7は、実施例5の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフであり、縦軸に周波数偏差、横軸に励振レベル(μW)を示している。なお、横軸は対数目盛としてある。図7における曲線は、次に示す水晶振動片のDLDを示している。
(16a)実施例2における共振周波数100MHz、角度φ9度、及び15.5度。
(17a)実施例2における共振周波数48MHz、角度φ9度、及び15.5度。
(18a)実施例2における共振周波数100MHz、及び48MHz、角度φ12度。
(16b)共振周波数100MHz、角度φ0度(比較例)。
(17b)共振周波数48MHz、角度φ0度(比較例)。
【0057】
実施例1と同様に、実施例5の水晶振動片の曲線(16a)、(17a)、(18a)は、各共振周波数において、比較例としての曲線(16b)、(17b)に示すシングルローテーションカットの水晶振動片と比べ格段に小さくなっている。そして、図7に示すように、曲線(16a)、(17a)、(18a)で示す実施例5の水晶振動片は、励振レベルが500μWであっても、DLDを5ppm以下に抑えることができた。さらに、図示しないが、主面の面積を段階的に変化させ、同様な試作を行った。その結果、主面の面積が、1.4mm2以上2.0mm2以下の範囲で同等な効果が確認できた。なお、実施例1と同様な事象については説明を省略する。
【0058】
従って、48MHz以上100MHz以下の共振周波数帯域において、角度φが9度以上15.5度以下の範囲で切り出された主面の面積が1.4mm2以上2.0mm2以下のダブルローテーションカットの水晶振動片は、励振レベルが500μWのときのDLDを5ppm以下とすることができる。
(第二実施形態)
【0059】
本発明に係る水晶振動子の一例を第二実施形態として図面を用いて説明する。図8は、第二実施形態としての水晶振動子の概略を示し、蓋体の一部を省略した平面図である。図9は、第二実施形態の水晶振動子の概略を示す正断面図である。
【0060】
図8及び図9に示すように、水晶振動子300は、パッケージの一例としての、例えばセラミック製の絶縁性ベース30、絶縁性ベース30の開口部37を封止する蓋体(リッド)31、絶縁性ベース30と蓋体31とを接合する接合材38、水晶振動片35、及び水晶振動片35を絶縁性ベース30に接続する導電性接着剤36から構成される。
【0061】
絶縁性ベース30の概ね中央部に設けられた開口部37の底部40には、枕部39が形成されている。枕部39の上面には、励振電極35aなどが形成された、水晶振動片35が導電性接着剤36などの接続材によって接続され実装されている。この水晶振動片35は、前述の第一実施形態で説明したダブルローテーションカットの水晶振動片35を用いている。導電性接着剤36は、銀片或いは銀粒などをフィラーとして樹脂の基材中に混在させたもので、加熱処理、或いは紫外線照射などによって硬化させて電気的接続も確保する。
【0062】
絶縁性ベース30の開口部37は、絶縁性ベース30の上面32に形成された接合材38を介して接合された蓋体31によって気密に封止されている。なお、絶縁性ベース30の外表面には、開口部37から導出された図示しない導通配線部が形成されており、実装基板などと接合される。
【0063】
上述の第二実施形態の水晶振動子300によれば、第一実施形態で説明したダブルローテーションカットの水晶振動片35を用いている。このため、駆動電力を500μW程度まで印加したときの周波数変化量、即ち、DLDを5ppm以下とした水晶振動子300を提供することが可能となる。
【0064】
なお、第二実施形態では、パッケージとしてセラミック製の絶縁性ベースを用い、水晶振動片を絶縁性ベース内に収納する形態の水晶振動子を一例として示し説明したが、パッケージはこれに限らない。例えば、円筒形状の金属リング内に充填された絶縁材(例えば、ガラス)を貫通したリード線の一端に水晶振動片を接続し、円筒キャップを金属リングに圧入して封止を行う形態でも良い。
(第三実施形態)
【0065】
本発明に係る水晶発振器の一例を第三実施形態として図面を用いて説明する。図10は、第三実施形態としての水晶発振器の概略を示し、蓋体の一部を除去した平面図である。図11は、第三実施形態の水晶発振器の概略を示す正断面図である。
【0066】
図10及び図11に示すように、水晶発振器500は、例えばセラミック製の絶縁性ベース50、絶縁性ベース50の開口部57を封止する蓋体(リッド)51、絶縁性ベース50と蓋体51とを接合する接合材58、水晶振動片55、水晶振動片55を絶縁性ベース50に接続する導電性接着剤56、及び、少なくとも水晶振動片55を発振させる機能を有する回路部としての回路素子61から構成される。
【0067】
絶縁性ベース50の概ね中央部に設けられた開口部57の底部62には、枕部59が形成されている。枕部59の上面には、励振電極55aなどが形成された、水晶薄板からなる水晶振動片55が導電性接着剤56などの接続材によって接続され実装されている。この水晶振動片55は、前述の第一実施形態で説明したダブルローテーションカットの水晶振動片55を用いており、接続部分を除き空中に位置する。導電性接着剤56は、銀片或いは銀粒などをフィラーとして樹脂の基材中に混在させたもので、加熱処理、或いは紫外線照射などによって硬化させて電気的接続も確保する。絶縁性ベース50の概ね中央部に設けられた開口部57の底部62の水晶振動片55の下部にあたる部分には、水晶振動片55と図示しない配線などによって接続し、少なくとも水晶振動片55を発振させる機能を有する回路素子61が図示しない導電性接着剤などにより接合されている。即ち、回路素子61も開口部57内に実装されている。
【0068】
絶縁性ベース50の開口部57は、絶縁性ベース50の上面52に形成された接合材58を介して接合された蓋体51によって気密に封止されている。なお、絶縁性ベース50の外表面には、開口部57から導出された図示しない導通配線部が形成されており、実装基板などと接合される。
【0069】
上述の第三実施形態の水晶発振器500によれば、第一実施形態で説明したダブルローテーションカットの水晶振動片55を用いている。このため、駆動電力を500μW程度まで印加したときのDLDを5ppm以下とした水晶発振器500を提供することが可能となる。また、絶縁性ベース50の開口部57に水晶振動片55と回路素子61とを収納しているため、双方の接続が短縮でき、より小型の水晶発振器とすることができる。これらにより、高い周波数精度を有する小型の水晶発振器を提供することが可能となる。
【0070】
なお、第三実施形態では、絶縁性ベース50をセラミックを一例として説明したがこれに限らない。例えば、エポキシ基板などの樹脂基板、金属板上に絶縁材及び回路配線を施した基板などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】第一実施形態のダブルローテーションカットの水晶板の概略図。
【図2】図1に示す水晶板から切り出された水晶振動片を示す斜視図。
【図3】実施例1の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフ。
【図4】実施例2の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフ。
【図5】実施例3の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフ。
【図6】実施例4の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフ。
【図7】実施例5の水晶振動片の励振レベルと周波数偏差との相関を示すグラフ。
【図8】第二実施形態の水晶振動子の概略を示し、蓋体の一部を破断した平面図。
【図9】水晶振動子の概略を示す正断面図。
【図10】第三実施形態の水晶発振器の概略を示し、蓋体の一部を破断した平面図。
【図11】水晶発振器の概略を示す正断面図。
【図12】従来のシングルローテーションカットの水晶板の概略図。
【図13】DLDを説明するグラフ。
【符号の説明】
【0072】
10…水晶板、15…水晶原石、20…水晶振動片、21…長辺、22…短辺、23,24…主面、25…励振電極、26…引き出し電極、27a,27b…外部接続電極、30…パッケージとしての絶縁性ベース、31…蓋体、32…上面、35…水晶振動片、36…導電性接着剤、37…開口部、38…接合材、39…枕部、40…底部、50…絶縁性ベース、51…蓋体、52…上面、55…水晶振動片、56…導電性接着剤、57…開口部、58…接合材、59…枕部、61…回路素子、62…底部、300…水晶振動子、500…水晶発振器。




 

 


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