(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅・長さ縦結合振動モードで振動するＧＴカットの水晶振動子であって、
ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された水晶板と、
前記２つの縦振動モードが結合したときに前記水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、前記水晶板を支持する支持部と、
を有する水晶振動子。
【請求項２】
前記支持部は水晶からなり、前記水晶板と一体的に形成されている、請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記長軸の長さに対する前記短軸の長さが０．７５以上０．９０以下の範囲内にある、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記水晶板の各主面に形成された励振電極をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＴカットの水晶振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数や時間の基準源として用いられる水晶振動子は、水晶振動子を構成する振動板すなわち水晶板を水晶の単結晶から切り出すときの結晶学的な方位にしたがって、何種類かの“カット”に分類される。そのようなカットとしては、従来から、例えば、ＡＴカット、ＳＣカットなどが広く知られている。中でもＧＴカットの水晶板は、優れた周波数温度特性を有し、周囲温度が変化した場合における共振周波数の変化が非常に小さいので、高精度高安定の水晶発振器への適用などが期待されている。
【０００３】
水晶においては、周知なように、結晶学的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３本の結晶軸が定められている。Ｙ軸に直交する面（すなわち、Ｘ軸とＺ軸に平行な面）に沿って切り出される水晶板をＹ板と呼ぶが、Ｙ板をＸ軸の周りに＋５１．５°回転させ（すなわちφ＝＋５１．５°）、さらにその板の面内で板を＋４５°回転させる（すなわちθ＝＋４５°）ことによって形成される水晶板からなるカットがＧＴカットである。φ及びθは、水晶におけるカット方位を特定するために一般的に用いられるパラメータである。図１は、水晶の単結晶（原石１１）からＧＴカットの水晶板を切り出す際の切断方位１２を示している。参考のため、図１には、ＧＴカット以外の代表的なカットの切断方位も示されている。ＧＴカットの水晶板内での方位を指定するために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りで上記の＋５１．５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸とする。Ｘ軸周りの回転であるので、当然のことながらＸ’軸はＸ軸に一致する。そして、Ｘ’軸及びＺ’軸をＹ’軸の周りでＺ’軸からＸ’軸に向かう方向に４５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ”軸及びＺ”軸とする。
【０００４】
ここでＧＴカットの水晶板における振動モードを説明する。図２に示すように、ＧＴカットの水晶板２１における振動モードは、Ｘ”軸方向の縦振動（伸縮振動）モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合した振動モード（幅・長さ縦結合振動モードともいう）である。図において、伸縮振動の方向が矢印で示されており、振動によって変位した輪郭が破線によって示されている。ただし、説明のために、変位した輪郭は、水晶板２１における実際の変位量よりもはるかな大きな変位をしたものとして描かれている。２つの縦振動モードが結合した振動モードであるため、従来、ＧＴカットの水晶板は、１対の辺がＸ”軸に平行となりもう１対の辺がＺ”軸に平行になるような長方形あるいは角型の形状にして、水晶振動子における振動板すなわち水晶片として用いられていた。振動板としての水晶板を励振するための励振電極は、水晶板の両方の主面にそれぞれ設けられる。
【０００５】
水晶振動子を構成する振動板すなわち水晶片としてＧＴカットの水晶板を使用する場合には、水晶振動子の容器の壁面などと接触しないように水晶板を容器内に保持する必要がある。そこで、特許文献１や非特許文献２に示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、振動板の本体部分（振動部）とそれに対する支持部とを水晶の板状部材から一体的に形成してしまうことが提案されている。その場合、図３に示すように、振動板としての水晶板２１における長方形状の本体部分における対向する１対の辺の各々の中点の位置に対し、支持部２２が接続するようにする。また、有限要素法などの手法を用いることによって、振動部単独での共振周波数と、支持部２２までを含めた共振系全体としての共振周波数とがほぼ同じになるように、支持部２２の形状を設計する。
【０００６】
なお、水晶板の振動モードは、カットごとに異なっている。例えば、従来から広く用いられているＡＴカットの水晶板の場合、振動モードは厚み滑り振動モードであって、その厚さのみによって共振周波数が決定する。そのためＡＴカットの水晶板では、平面形状を任意に設定することができ、例えば特許文献２に示すように平面形状を円形あるいは楕円形とすることができたり、厚み滑り振動での不動点となる位置で水晶片を支持する構成とすることができる。しかしながらＧＴカットの水晶片の場合、振動モードが幅・長さ縦結合振動モードであって幅や長さなどの平面形状やサイズに応じて共振周波数が変化し、かつ、相互に結合する２つの振動モードの振動が両方とも確実に起きるようにしなければならないから、平面形状を任意に設定したり、任意の位置に支持部を配置したりすることはできない。特に、長方形状のＧＴカットの水晶板の外周部には、一般的には、振動変位における不動点は存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２４６８９８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５８４８６号公報
【特許文献３】特開平２−２０７６１５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】川島宏文、平間宏一、齋藤直哉、小山光明、「水晶振動子とその応用デバイス」、電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ、第J82-C-I巻、第12号、第667〜682頁、1999年12月
【非特許文献２】川島宏文、落合修、工藤明仁、中島淳順、「小型ＧＴカット水晶振動子について」、日本時計学会誌、第104号、第36〜48頁、1983年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したようにＧＴカットの水晶板は、優れた周波数温度特性を有し、高安定高精度の水晶発振器を構成することに適したものである。しかしながら、従来のＧＴカットの水晶片は平面形状が長方形であって、その対向する１対の辺の各々の中点の位置に支持部が接続している。ＧＴカットの水晶板の振動モードは幅・長さ縦結合振動モードであるから、このような支持部の接続位置は水晶板が振動変位をしている位置であり、支持部を設けることによって水晶板の振動が妨げられるおそれがある。水晶板の振動に対して悪影響を与えないような形状となるように有限要素法を用いて支持部を設計することも試みられているが、そのような支持部は複雑な形状を有するので、製造が難しい。また支持部自体の大きさが振動板の本体部分に比べて無視できないので、支持部における寸法ばらつきが水晶板の振動特性に大きな影響を及ぼすとともに、水晶振動子の小型化を阻害する。
【００１０】
本発明の目的は、振動特性に悪影響を及ぼすことなく、小型で簡単な構造の支持部を設けることができるＧＴカットの水晶振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水晶振動子は、ＧＴカットの水晶振動子であって、ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された水晶板と、２つの縦振動モードが結合したときに水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、水晶板を支持する支持部と、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
従来は長方形状のものとされてきたＧＴカットの水晶板を本発明では楕円形とする。楕円形とすることにより、後述するように、水晶板の外周部の４か所に振動変位が極小となる点が生じるので、そのような点に対して水晶板を支持するための支持部を接続する。その結果、本発明によれば、振動変位に関して実質的に不動点となる位置で水晶板を支持することが可能となって、振動特性に影響を及ぼすことなく、小型で簡単な構造の支持部を使用することができるようになり、温度特性が良好であって高安定な水晶振動子が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＧＴカットの水晶板の切断方位を説明する図である。
【図２】ＧＴカットの水晶板の振動モードを説明する平面図である。
【図３】支持部が設けられている従来の角型のＧＴカット水晶振動子を説明する平面図である。
【図４】本発明の実施の一形態の水晶振動子の原理的構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の一形態の水晶振動子の具体的構成の一例を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ’線での断面図である。
【図７】水晶板における軸方向を説明する図である。
【図８】楕円型のＧＴカット水晶振動子における縦横比と周波数温度特性での一次の温度係数αとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図４は、本発明の実施の一形態の水晶振動子の原理的構成を示す図である。本実施形態の水晶振動子は、ＧＴカットの水晶板３１を使用する点では上述した従来のものと一致するが、水晶板３１の平面形状が楕円であることで、従来のものと相違する。
【００１５】
楕円形の水晶板３１は、その板面がＧＴカットにおけるＹ’軸に直交しており、楕円としての長軸がＧＴカットにおけるＸ”軸に一致し、短軸がＺ”軸に一致する。その結果、水晶板３１は、その振動モードとして、図２に示した水晶板２１と同様に、Ｘ”軸方向の縦振動モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合し、Ｘ”軸方向とＺ”軸方向とに交互に伸縮する幅・長さ縦結合振動モードを有することになる。図４においては、振動によって変位した水晶板３１の輪郭が破線によって強調して描かれているが、水晶板３１の外周部に注目すると、外周の各点において振動変位の大きさが一定しているわけではない。図においてＰ1〜Ｐ4に示す各点において振動変位の大きさが極小となっている。楕円形の水晶板３１が、長軸であるＸ”軸方向と短軸であるＺ”軸方向とに交互に伸縮するので、振動変位の大きさが極小となる点が水晶板３１の外周すなわち楕円上に必ず４つ生じる。水晶板３１の大きさに比べて各縦振動モードによる振動の振幅が十分に小さいとすると、点Ｐ1〜Ｐ4は、幅・長さ縦結合振動モードの振動変位に関して事実上の不動点となる。楕円に形成されている水晶板３１の外周のどの位置が不動点になるかは、水晶板３１における長軸の長さａと短軸の長さｂとの比、すなわち、縦横比（ｂ／ａ）によって異なる。例えば、縦横比が０．８５５である場合には、各不動点は、水晶板３１の中心すなわち楕円の中心から見て、長軸から短軸方向に向けて５７．５°の角度をなす方向に位置する。
【００１６】
本実施形態の水晶振動子では、水晶板３１における不動点Ｐ1〜Ｐ4の１つまたは複数に対して支持部を接続することにより、水晶板３１の振動特性に影響を及ぼすことなく、水晶板３１を支持することができる。支持部は、振動モードにおける不動点に対して接続するので、その共振周波数を水晶板３１の共振周波数に一致させる必要がなく、簡単な構成のものとすることができる。例えば、水晶板３１の外周に接続する単純な棒状部材あるいは梁部材によって支持部を構成することができる。また、ＧＴカットの水晶板３１を用いていることから、良好な周波数温度特性が得られ、この水晶振動子と発振回路とを組み合わせることによって、高精度高安定な水晶発振器を得ることができる。
【００１７】
図５及び図６は、このようにして構成された本実施形態の水晶振動子の具体的な構成の一例を示している。
【００１８】
この水晶振動子は、略長方形に形成されたフレーム（枠）３３を備え、フレーム３３の開口部内に楕円形のＧＴカットの水晶板３１が保持されたものである。図５及び図６に示すものにおいても、楕円形の水晶板３１は、その板面がＧＴカットにおけるＹ’軸に直交しており、楕円としての長軸がＧＴカットにおけるＸ”軸に一致し、短軸がＺ”軸に一致する。水晶板３１は、フレーム３３の内壁から延びる棒状の２本の支持部３２によって支持されている。２本の支持部３２は、楕円形の水晶板３１の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、水晶板３１に機械的に接続している。ここでは、水晶板３１の中心（楕円の中心）を挟む一対の不動点Ｐ2，Ｐ4（図４参照）に対して支持部３２が接続している。フレーム３３の厚さは、水晶板３１の厚さよりも十分に厚くなっている。これにより、例えばフレーム３３の上面と下面とに蓋部材をそれぞれ配してフレーム３３と蓋部材とによって囲まれた空間内に水晶板３１が格納されるようにした場合に、水晶板３１の蓋部材への接触が防止されるようになっている。
【００１９】
このような水晶振動子は、例えば、ＧＴカットに相当する水晶の板状部材を用い、水晶板３１、支持部３２及びフレーム３３となる部分が残存し他の部分は除去されるようにその板状部材に対してフォトリソグラフィ技術を適用することによって形成できる。水晶の板状部材に対してフォトリソグラフィ技術を用いて水晶振動子を形成した場合には、支持部３２及びフレーム３３も水晶からなり、水晶板３１と一体的に構成されていることになる。
【００２０】
さらに、水晶板３１の一方の主面のほぼ全面には励振電極３４が形成され、この励振電極３４に対する電気的接続を実現するための引出電極３６が、一方の支持部３２の表面に形成されて、フレーム３３の上面に形成されている接続パット３７にまで延びている。同様に、水晶板３２の他方の主面のほぼ全面にも励振電極３５が形成され、この励振電極３５は、フレーム３３の下面に形成されている接続パッド（不図示）に対し、他方の支持部の表面に形成された引出電極（不図示）を介して電気的に接続している。
【００２１】
図５及び図６に示したものでは、水晶板３１を２点で支持しているが、上述した不動点Ｐ1〜Ｐ4において支持するものである限り、何か所で支持するか、どの不動点で支持するかは、任意に定めることができる。
【００２２】
図７は、楕円形のＧＴカットの水晶板３１における各軸の方位を示したものである。
【００２３】
ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、Ｘ”軸方向の寸法とＺ”軸方向の寸法とを入れ替えても同じ振動特性を示す。すなわち、上記の説明では、楕円形の水晶板において、長軸をＸ”軸方向とし短軸をＺ”軸方向としたが、長軸をＺ”軸方向とし短軸をＸ”軸方向としても、上述と全く同様の効果を得ることができる。
【００２４】
次に、本実施形態の水晶振動子に関し、楕円形の水晶板３１における縦横比（ｂ／ａ）を変化させたときの周波数温度特性の変化について説明する。図８は縦横比と一次温度係数αとの関係を調べた結果を示すグラフである。縦横比が０．７５〜０．９０の範囲にあれば、良好な温度特性（一次温度係数が概ね±１０ｐｐｍ／℃の範囲内）が得られることがわかる。
【００２５】
以上、本発明の一形態の水晶振動子を説明したが、本発明の水晶振動子の別の態様のものとして、
水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸の周りに＋５１．５°回転させて得られる面に沿って前記水晶の結晶から切り出された水晶板と、
前記水晶板を支持する支持部とを有し、
前記水晶板は、前記水晶板の面内において前記Ｘ軸に対して±４５°傾いた方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円に形成され、
前記水晶板の外周の位置であって、前記長軸方向の縦振動モードと前記短軸方向の縦振動モードとが結合した結合振動モードにおける振動変位が極小となる位置において、前記支持部が前記水晶板に接続する、水晶振動子がある。このような水晶振動子においても、支持部を水晶から構成し、水晶板と支持部を一体的に形成することができる。また、長軸の長さに対する短軸の長さを０．７５以上０．９０以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、水晶板の各主面に励振電極を形成することもできる。
【符号の説明】
【００２６】
１１  原石；１２  ＧＴカットの切断方位；２１，３１  ＧＴカットの水晶板；２２，３２  支持部；３３  フレーム（枠）；３４，３５  励振電極；３６  引出電極；３７接続パッド。
【図１】
0005661506.tif 000002
【図２】
0005661506.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005661506.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005661506.tif 000007
【図７】
0005661506.tif 000008
【図８】
0005661506.tif 000009