(57)【要約】【課題】  厚みすべ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子において、小型化・高周波化しても、比較的高い励振レベルでかつ高い周波数安定性をもって駆動できるようにする。【解決手段】  水晶１の結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ軸をＺ軸の回りに反時計方向に９度未満、好ましくは４度〜９度、より好ましくは８度〜９度の角度θで回転させてＸ´軸とし、かつＺ軸をＸ´軸の回りにＡＴ板側に３４度〜３５度１０分の角度φで回転させてＺ´軸とし、これらＸ´軸及びＺ´軸を含む平面を主面として切り出した水晶板２を振動片に用いて水晶振動子を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶の結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸として、Ｘ軸をＺ軸の回りに反時計方向に９度未満の角度θで回転させてＸ´軸とし、かつＺ軸をＸ´軸の回りにＡＴ板側に３４度〜３５度１０分の角度φで回転させてＺ´軸とし、Ｘ´軸及びＺ´軸を含む平面を主面として切り出した水晶基板を用いて振動片を形成したことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記角度θを４度〜９度とすることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記角度θを８度〜９度とすることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の水晶振動子と、前記水晶振動子を駆動するための発振回路とを備えることを特徴とする水晶デバイス。
【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する水晶振動子などの水晶デバイスに関し、特に水晶の結晶軸の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板を振動片に用いた水晶振動子、及びこれを備える水晶発振器その他の水晶デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に通信機器、情報機器、民生機器や各種電子制御装置などの電子機器に使用されている振動子、発振器、フィルタまたはセンサなどの圧電デバイスには、圧電材料として水晶が、高い周波数が得られかつ安定した周波数特性を有することから、広く採用されている。水晶振動子は、水晶板の結晶格子面に関する切断面の角度によって周波数温度特性などの性質が大きく変化することが知られており、実際に様々な切断面の水晶板を小割りした水晶チップが使用されている。
【０００３】
現在、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子に使用されている水晶板の多くは、例えばＡＴカット板、ＢＴカット板のように、結晶軸の１軸のみを回転した面で切断した、所謂シングルローテーションカットのものである。特にＡＴカット板は、常温付近での温度変化に対する周波数変化が少ないことから、最も広く使用されている（例えば、特許文献１を参照。）。図２に示すように、ＡＴカット板３は、水晶結晶のＸ軸とＺ軸とを含む平面をＸ軸の回りにＺ軸から反時計方向に約３５度１５分の角度で回転させた面が主面となるように切り出される。
【０００４】
最近は、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軸を更に回転した面で切断した、所謂ダブルローテーション（２回回転）カットの水晶板が開発されている。回転させる２つの結晶軸及びそれらの回転角度を適当に選択することによって、例えばＮＹカット、ＳＣカット、ＧＴカットなどのダブルローテーションカットが知られている。
【０００５】
ＮＹカットの水晶振動子は、直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを結晶軸とする水晶結晶のＸ軸とＺ軸とを含む平面をＺ軸の回りに７度〜１４度４０分の範囲の角度で回転し、かつ新しい座標Ｘ´軸の回りにＡＴ板側に３４度〜３５度１０分の範囲の角度で回転して得られる面を主面として切り出した水晶基板を用いることにより、常温より高温側でフラットな周波数温度特性を得られることが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。また、ＧＴカットの水晶振動子は、ＡＴカットの水晶振動子と比較して、数百キロヘルツ〜数メガヘルツの中間周波数領域で高精度化、低消費電力化に適するとされている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００６】
また、水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸の回りに約３３度回転しかつ新しいＺ´軸の回りに約２２゜回転した面から切り出したＳＣカットの水晶振動子は、ＡＴカットの水晶振動子と比較して熱歪特性が優れ、高いＱ値を得られることが知られている（例えば、特許文献４〜６を参照。）。更にＳＣカットの水晶振動子において、水晶振動片のＺＺ´軸方向の端面をＸＸ´軸とＺ軸とにより形成される平面と平行に斜めに切断すると低消費電力での動作に適した低い等価直列抵抗即ちＣＩ値が得られること（例えば、特許文献４を参照。）、また水晶振動片の長手（長辺）方向をＸＸ´軸から或る角度範囲に設定すると良好な応力感度特性が得られることが知られている（例えば、特許文献７、８を参照。）。
【０００７】
他方、圧電デバイスは、これを搭載する電子機器に対応した小型化、高周波化が要求されている。水晶振動子を高周波化するためには、水晶振動片の板厚を薄くすればよいが、その励振レベル即ちそれを発振させるための電力又は電流を適正な範囲に制限しないと特性の劣化を招くことが知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。励振レベルが高い場合には、強励振による周波数の上昇や異常振動、振動片の破壊が生じる虞があり、一般に１００μＷ以下が望ましいとされている。逆に、励振レベルが低い場合には、水晶振動子のＣＩ値が大きくなって発振しなかったり発振を不安定にさせる虞がある。
【０００８】
【非特許文献１】日本水晶デバイス工業会技術委員会編、「水晶デバイスの解説と応用」第３版、日本水晶デバイス工業会、１９９６年１０月、ｐ．５６−５７
【特許文献１】特開平５−２３５６７８号公報
【特許文献２】特開２００３−３２４３３２号公報
【特許文献３】特開平１０−１１７１２０号公報
【特許文献４】特開平５−２４３８９０号公報
【特許文献５】特開平５−３３５８７６号公報
【特許文献６】特開平６−３３８７４９号公報
【特許文献７】特開平１１−１７７３７６号公報
【特許文献８】特開平１１−２２５０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
水晶振動子を駆動する発振回路は、適当な励振レベルを確保するように設計されるが、水晶振動子の小型化・高周波化を図るためには、それに対応した低励振レベルの発振回路が必要になる。その場合、水晶振動子を使用する電子機器の駆動用ＩＣを変更又は改良したり、新たに発振回路を設計・製造しなければならず、電子機器又は水晶振動子の設計者・製造者に大きな負担となるばかりでなく、コストを増大させるという問題が生じる。従って、現在使用しているＩＣや発振回路をそのまま使用しても、その小型化・高周波化に十分に対応し得る高い励振レベルを発揮する水晶振動子が望ましい。
【００１０】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子において、小型化・高周波化しても、比較的高い励振レベルでかつ高い周波数安定性をもって駆動することができるダブルローテーションカットの水晶振動子を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、かかる高い励振レベルかつ周波数安定性をもって駆動可能なダブルローテーションカットの水晶振動子を用いることにより、その発振回路の設計・構成又は製造を容易にした水晶デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者らは、ダブルローテーションカットの水晶板について様々な試験及び試作を繰り返し行い、その励振レベルに関する周波数特性を研究・検討した結果、従来望ましいとされている１００μＷ以下の励振レベルを超えた高い励振レベルを印加しても、安定した周波数で動作する水晶カット面を新たに見出したものである。また、本願発明者らが知る限り、このような励振レベルと周波数との関係をダブルローテーションカットの水晶板から考察した報告は見当たらない。
【００１３】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、上記目的を達成するために、水晶の結晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸としたとき、Ｘ軸をＺ軸の回りに反時計方向に９度未満の角度θで回転させてＸ´軸とし、かつＺ軸をＸ´軸の回りにＡＴ板側に３４度〜３５度１０分の角度φで回転させてＺ´軸とし、これらＸ´軸及びＺ´軸を含む平面を主面として切り出した水晶基板を用いて振動片を形成した水晶振動子が提供される。
【００１４】
本願発明者らによれば、このようなダブルローテーションカットの水晶振動子は、小型化、高周波化しても、従来より大幅に高い励振レベルにおいて周波数の変化が少なく、安定した特性を得られることが分かった。しかも、通常の使用温度範囲で実用レベルの温度特性及びＡＴカット水晶振動子と同等のＣＩ値を確保することができ、高品質な水晶振動子を実現できる。
【００１５】
或る実施例では、前記角度θを４度〜９度とすることにより、２００μＷ程度の高い励振レベルでも、安定した周波数特性を得ることができる。
【００１６】
別の実施例では、更に前記角度θを８度〜９度とすることにより、３００μＷ程度の非常に高い励振レベルでも、安定した周波数特性を得ることができる。
【００１７】
また、本発明の別の側面によれば、上述した本発明の水晶振動子と、該水晶振動子を駆動するための発振回路とを備える水晶デバイスが提供される。これにより、従来使用している発振回路や電子機器の駆動用ＩＣを大きく設計変更したり、新たな発振回路を設計・製造する必要が無いので、有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明によるダブルローテーションカットの水晶板を示している。同図において、水晶の直交する３つの結晶軸、即ち電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸として、人工水晶原石１のＺ軸を中心にＸ軸を反時計回りに所定の角度θ回転させてＸ´軸とし、かつこのＸ´軸を中心にＺ軸を反時計回りに即ちＡＴ板側に所定の角度φ回転させてＺ´軸とする。尚、本実施例において結晶軸を中心とする時計回りとは、その結晶軸の正方向（＋側）から見た場合を基準とする。
【００１９】
本発明によれば、Ｘ軸の回転角度θを９度未満とし、かつＺ軸の回転角度φを３４度〜３５度１０分の範囲で適当に設定する。そして、これらＸ´軸及びＺ´軸を含む面を主面として切り出すことにより、本発明によるダブルローテーションカットの水晶板２が得られる。
【００２０】
水晶板２は、その両面を所望の厚さ及び表面状態にラッピング加工した後、切断機などで小割して、所望の寸法・形状を有する水晶チップを切り出す。この水晶チップの表面に電極膜を形成しかつパターニングし、パッケージ内に気密封止することによって、本発明の水晶振動子が完成する。更に、この水晶振動子を駆動するための発振回路を同じパッケージに封止することによって、水晶発振器などの水晶デバイスが得られる。
【００２１】
本願発明者らは、Ｘ軸の回転角度θを段階的に変えて水晶板２を切り出し、本発明による厚み滑りモードの共振周波数４０ＭＨｚ水晶振動子を試作した。それらについて、常温で励振レベルを変化させながら周波数の変動を測定したところ、実用上何ら問題無い程度の周波数安定性が確認された。比較例として、従来の厚み滑りモードの共振周波数４０ＭＨｚＡＴカット水晶振動子を作成し、同様に常温で励振レベルを変化させながら周波数を測定したところ、励振レベルが大きくなるに連れて周波数の変動が大きくなった。
【００２２】
また、本願発明者らは、上述した本発明の水晶振動子について、励振レベルを段階的に変化させながら周波数温度特性を測定したところ、励振レベルが５００μＷ程度までは周波数が実用上何ら問題無い程度に安定し、良好な温度特性を発揮することが確認された。比較例のＡＴカット水晶振動子について、同様に励振レベルを段階的に変化させながら周波数温度特性を測定したところ、励振レベルが１００μＷを超えると周波数の変動が大きくなった。
【００２３】
更に、本願発明者らは、本発明の水晶振動子及び比較例のＡＴカット水晶振動子について、それぞれ励振レベルを段階的に変化させながらＣＩ値を測定した。本発明の水晶振動子では、励振レベルが１ｍＷ程度まで、ＣＩ値が実用上何ら問題無い程度の低い値に抑制された。比較例のＡＴカット水晶振動子について、同様に励振レベルを段階的に変化させながらＣＩ値を測定したところ、励振レベルが５００μＷ程度までは、ＣＩ値が概ね安定して低い値に抑制されていた。
【実施例】
【００２４】
（実施例）
Ｘ軸の回転角度θを４〜９度に設定して、上述した本実施例による厚み滑りモードの共振周波数４０ＭＨｚの水晶振動子を作成した。本実施例の水晶振動子について、励振レベルに関する周波数偏差ΔＦ（ｐｐｍ）の測定したところ、図３に示す結果が得られた。同図から、本実施例では、励振レベルが１００μＷを超えても、３００μＷ程度までは周波数が比較的安定していることが分かる。
【００２５】
更に、励振レベルに関するＣＩ値の変動（ΔＣＩ：オーム）を測定したところ、図４に示す結果が得られた。この測定結果から、１ｍＷ程度までの励振レベルにおいて、ＣＩ値が実用上何ら問題無い程度に十分低い値に抑制されることが分かる。
【００２６】
（比較例）
比較例として、厚み滑りモードの共振周波数４０ＭＨｚ、ＡＴカット水晶振動子を作成した。同様に励振レベルに関する周波数偏差ΔＦ（ｐｐｍ）の測定したところ、図５に示す結果が得られた。同図から、比較例では、励振レベルが１００μＷを超えると周波数偏差が大きく増加することが分かる。
【００２７】
更に、励振レベルに関するＣＩ値の変動（ΔＣＩ：オーム）を測定したところ、図６に示す結果が得られた。この測定結果から分かるように、比較例では、１ｍＷ程度までの励振レベルにおいて、ＣＩ値が概ね十分低い値に抑制されている。
【００２８】
これらの試験結果からも分かるように、本発明の水晶振動子によれば、小型化、高周波化しても、従来より大幅に高い励振レベルにおいて周波数の変化が少なく、安定した特性が得られる。しかも、通常の使用温度範囲で実用レベルの温度特性及びＡＴカット水晶振動子と同等のＣＩ値を確保でき、高品質な水晶振動子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明によるダブルローテーションカットの水晶板を示す説明図。
【図２】ＡＴカットの水晶板をを示す説明図。
【図３】本実施例による水晶振動子の励振レベルに関する周波数偏差を示す線図。
【図４】本実施例による水晶振動子の励振レベルに関するＣＩ値の変化を示す線図。
【図５】比較例のＡＴカット水晶振動子における励振レベルに関する周波数偏差を示す線図。
【図６】比較例のＡＴカット水晶振動子における励振レベルに関するＣＩ値の変化を示す線図。
【符号の説明】
【００３０】
１…人工水晶原石、２，３…水晶板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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