(57)【要約】【課題】リフロー後の発振周波数の変動を抑制できると共に、電源投入後の周波数立ち上がり特性を向上できるＳＣカット水晶振動子を提供する。【解決手段】ＳＣカットの水晶基板１１と、水晶基板１１の表裏面に夫々形成される励振電極１２と、水晶基板１１の２点を支持する支持部材６と、水晶基板１１を気密封止する金属ケース３と、を備えたＳＣカット水晶振動子１であって、水晶基板１１の中心軸を通るＺ軸線上から８０°〜９０°回転させた線上にある水晶基板１１の２つの端部１１ａを支持部材６により支持するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＣカットの水晶基板と、該水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、前記水晶基板の２点を支持する支持部材と、前記水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、
前記水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から８０°〜９０°回転させた線上にある前記水晶基板の２つの端部を前記支持部材により支持することを特徴とするＳＣカット水晶振動子。
【請求項２】
ＳＣカットの水晶基板と、該水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、前記水晶基板の２点を支持する支持部材と、前記水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、
前記水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から１６５°〜１８０°回転させた線上にある前記水晶基板の２つの端部を前記支持部材により支持することを特徴とするＳＣカット水晶振動子。
【請求項３】
ＳＣカットの水晶基板と、該水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、前記水晶基板の２点を支持する支持部材と、前記水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、
前記水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から１４０°〜１５０°回転させた線上にある前記水晶基板の２つの端部を前記支持部材により支持することを特徴とするＳＣカット水晶振動子。
【請求項４】
ＳＣカットの水晶基板と、該水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、前記水晶基板の２点を支持する支持部材と、前記水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、
前記水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から０°〜５°回転させた線上にある前記水晶基板の２つの端部を前記支持部材により支持することを特徴とするＳＣカット水晶振動子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のＳＣカット水晶振動子を備えたことを特徴とする高安定水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＣカット水晶振動子に関わり、特に表面実装型の高安定水晶発振器等の水晶デバイスに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
移動体通信機器や伝送通信機器に用いる周波数制御デバイスである高安定水晶発振器として、水晶振動子または水晶振動子と発振回路とを温度の安定した恒温槽内に搭載することにより、非常に高い周波数安定度を実現した恒温槽制御水晶発振器（以下、「ＯＣＸＯ」という）が知られている。
従来、上記したようなＯＣＸＯにおいては、ＡＴカット水晶振動子が用いられていたが、近年では８０℃前後の比較的高い温度において周波数変動が極めて小さいＳＣカット（Stress Compensation-cut）水晶振動子が広く用いられている。
なお、特許文献１には、ＡモードとＢモードの共振を抑圧してＣモードの共振を確実に励振できるＳＣカットの水晶振動子として、水晶片の板面のＺ軸方向から３０°ないし５０°回転した板面の端部を支持するようにしたＳＣカットの水晶振動子が開示されている。
【特許文献１】実用新案登録第２５３１３０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、上記したようなＯＣＸＯにおいても、機器側のプリント基板に表面実装が可能な表面実装タイプのものが求められ、その開発が行われているが、機器側のプリント基板にＯＣＸＯをリフローにより実装した場合、発振周波数が大きく変化するという問題点があった。また電源投入後からＯＣＸＯの発振周波数が所定周波数に収束して安定するまでのいわゆる立ち上がり特性が悪いという問題点があった。
そこで、本発明者らが上記したような問題点を解決すべく鋭意検討を行った結果、ＯＣＸＯ等の水晶デバイスに使用しているＳＣカット水晶振動子の特性変化によって上記したような不具合が発生していることが判明した。
本発明は、上記したような点を鑑みてなされたものであり、リフロー後の発振周波数の変動を抑制できるＳＣカット水晶振動子を提供することを目的とする。また電源投入後の周波数立ち上がり特性に優れたＳＣカット水晶振動子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明は、ＳＣカットの水晶基板と、水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、水晶基板の２点を支持する支持部材と、水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から８０°〜９０°回転させた線上にある水晶基板の２つの端部を支持部材により支持するようにした。このような本発明によれば、リフロー後に発生する周波数変化を抑制できると共に、電源投入後の周波数の立ち上がり特性の向上を図ることができる。
【０００５】
また本発明は、ＳＣカットの水晶基板と、水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、水晶基板の２点を支持する支持部材と、水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から１６５°〜１８０°回転させた線上にある水晶基板の２つの端部を支持部材により支持するようにした。このような本発明によれば、リフロー後に発生する周波数変化を抑制できると共に、電源投入後の周波数の立ち上がり特性の向上を図ることができる。
【０００６】
また本発明は、ＳＣカットの水晶基板と、水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、水晶基板の２点を支持する支持部材と、水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備
えたＳＣカット水晶振動子であって、水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から１４０°〜１５０°回転させた線上にある水晶基板の２つの端部を支持部材により支持するようにした。このような本発明によれば、リフロー後に発生する周波数変化を抑制できる。
【０００７】
また本発明は、ＳＣカットの水晶基板と、水晶基板の表裏面に夫々形成される励振電極と、水晶基板の２点を支持する支持部材と、水晶基板を気密封止する金属ケースと、を備えたＳＣカット水晶振動子であって、水晶基板の中心軸を通るＺ軸線上から０°〜５°回転させた線上にある水晶基板の２つの端部を支持部材により支持するようにした。このような本発明によれば、電源投入後の周波数の立ち上がり特性の向上を図ることができる。
【０００８】
また本発明の高安定水晶発振器は、本発明のＳＣカット水晶振動子を備えたことを特徴とする。このような本発明の高安定水晶発振器によれば、本発明のＳＣカット水晶振動子を備えたことで、リフローによる発振周波数の変化が小さく、しかも電源投入後から発振周波数が所定周波数に収束して安定するまで立ち上がり特性に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態であるＳＣカット水晶振動子の概略構成を示した図であり、（ａ）は全体構成を示す斜視図、（ｂ）は正面縦断面図、（ｃ）は側部縦断面図である。また図２は本実施形態の水晶振動子における水晶基板の支持機構を示した図である。
この図１に示すＳＣカット水晶振動子１は、金属ケース３内に水晶振動素子１０を気密封止した水晶振動子本体２と、金属ケース３の底部４から突出した２本のリード端子５とを備えている。水晶振動素子１０は、中央部に振動部を備えたＳＣカットの水晶基板（水晶片）１１と、この水晶基板１１の表裏面に夫々形成される励振電極１２と、水晶基板１１の両端縁を支持する支持部材６とを備えている。支持部材６は、各励振電極１２から水晶基板１１の対向する端縁に向けて引き出されたリードパターン１３に接続されている。また支持部材６の他端側は底部４に設けられた２本のリード端子５に接続されている。
なお、本実施形態のＳＣカットの水晶基板１１は、水晶の結晶を光軸（Ｚ軸）から約３４°、例えば３４°０４′３０″±３０″、電気軸（Ｘ軸）から約２２°、例えば２２°２０′±１０′回転した平面から切り出したものである。
【００１０】
そして、本実施形態においては、図２（ａ）に示すように、例えば水晶基板１１の中心軸を通るＺＺ’軸線上（水晶基板１１の中心軸を通る光軸線上）から８０°〜９０°回転させた線上にある水晶基板１１の２つの端部１１ａを支持部材６により支持するようにした。即ち、水晶基板１１の中心軸を通るＺＺ’軸と２つの支持部材６が支持する端部とを結ぶ線とがなす角度であり、支持部材６が水晶基板１１を支持する支持角度ψを約８０°〜９０°とした。
また本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、例えば水晶基板１１の中心軸を通るＺＺ’軸線上から１６５°〜１８０°回転させた線上にある水晶基板１１の２つの端部１１ａを支持部材６により支持するようにした。即ち、水晶基板１１の中心軸を通るＺＺ’軸と、２つの支持部材６が支持する端部とを結ぶ線上とがなす支持角度ψを約１６５°〜１８０°とした。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、支持部材６により水晶基板１１を支持する支持角度ψを８０°〜９０°、或いは１６５°〜１８０°に設定すると、後述する本願発明者が行った実験結果からＳＣカット水晶振動子１のリフロー後の周波数変化を抑制できることがわかった。また電源投入時の周波数の立ち上がり特性が良好であることがわかった。
また図２（ｃ）に示すように、支持部材６により水晶基板１１を支持する支持角度ψを１４０°〜１５０°に設定した場合はリフロー後の周波数変化を抑制できることがわかった。さらに後述するように、支持部材６により水晶基板１１を支持する支持角度ψを０°〜５°に設定すると、電源投入時の周波数の立ち上がり特性が良好であることがわかった。
【００１１】
以下、本願発明者が行ったＳＣカット水晶振動子の特性実験について説明する。
図３はＳＣカット水晶振動子における水晶基板の支持角度とリフロー後の周波数変化の関係を示した図である。なお、この図３に示す周波数変化ｄｆ／ｆは、ＳＣカット水晶振動子１単体にて測定した周波数ｆ（周囲温度Ｔａ＝＋８０°、伝送法）と、リフロー（ピーク温度、約２２０℃）通過から１時間後の周波数ｄｆとにより求めたものである。なお、周波数変化ｄｆ／ｆは小さいことが望ましいため、ここでは周波数変化ｄｆ／ｆが±２５ｐｐｂ以内を良好であるとした。
図３に示す試験結果から支持角度ψが１０°〜６０°の範囲及び１２０°近辺において周波数変化が大きいものの、それ以外の範囲では良好であることがわかった。特に、支持角度ψを８０°〜９０°、１４０°〜１５０°、１６５°〜１８０°に設定するとリフロー後の周波数変化を抑制できることがわかった。
【００１２】
次に、図４はＳＣカット水晶振動子における水晶基板の支持角度と電源投入時の立ち上がり特性との関係を示した図である。なお、図４に示す立ち上がり特性は、図１に示したＳＣカット水晶振動子１を用いて構成したＯＣＸＯを被測定物とした。このとき、被測定物のオーブン設定温度をほぼ同一とし、周囲温度Ｔａ＝２５±１℃において電源投入から５分後の周波数ｄｆと基準周波数ｆとを比較することにより求めたものである。このときの基準周波数ｆは電源投入から２時間経過後の周波数とした。なお、周波数変化ｄｆ／ｆは小さいことが望ましいため、ここでも周波数変化ｄｆ／ｆが±２５ｐｐｂ以内を良好（安定）であるとした。
図４に示す試験結果から水晶基板１１の支持角度ψを８０°〜９０°、或いは１６５°〜１８０°に設定した場合は、電源投入してから短時間（５分経過後）の周波数が安定することがわかった。
従って、図３及び図４に示す試験結果から水晶基板１１の支持角度ψを８０°〜９０°或いは１６５°〜１８０°に設定すると、リフロー後の周波変化を抑制できると共に、電源投入後の周波数の立ち上がり特性の向上を図ることができることがわかった。
【００１３】
さらに本願発明者はＳＣカット水晶振動子の各支持角度における立ち上がり特性に関して詳細に検討を行った。
図５及び図６はＳＣカット水晶振動子の各支持角度における立ち上がり特性を示した図である。なお、図５及び図６に示す立ち上がり特性は、図１に示したＳＣカット水晶振動子１を用いて構成したＯＣＸＯを被測定物とした。このとき、被測定物のオーブン設定温度をほぼ同一とし、周囲温度Ｔａ＝２５±１℃、電源投入９０分後の周波数を基準周波数ｆとして立ち上がりからの経過時間における周波数ｄｆとの比較結果を示したものである。図５（ａ）（ｂ）は水晶基板の支持角度ψが−２５°（＝１５５°）、０°のときの立ち上がり特性比較をそれぞれ示した図である。また、図６（ａ）（ｂ）は水晶基板の支持角度ψが５°、９０°のときの立ち上がり特性比較をそれぞれ示した図である。
【００１４】
図５（ａ）に示す水晶基板１１の支持角度ψが−２５°（＝１５５°）のときは、電源を投入してから５分経過後の周波数変化（ｄｆ／ｆ）は−１０〜−３０ｐｐｂとずれが大きく、周波数も安定しておらず周波数は変動状態にあることがわかった。
また図５（ｂ）に示す水晶基板１１の支持角度ψが０°のときは、電源を投入してから５分経過後の周波数変化（ｄｆ／ｆ）は＋５〜−１０ｐｐｂとずれが小さく、周波数も安定していることがわかった。
また図６（ａ）に示す水晶基板１１の支持角度ψが＋５°のときは、電源を投入してから５分経過後の周波数変化（ｄｆ／ｆ）は＋５〜−１０ｐｐｂとずれが小さく周波数も安定していることがわかった。
また図６（ｂ）に示す水晶基板１１の支持角度ψが９０°のときは、電源を投入してから５分経過後の周波数変化（ｄｆ／ｆ）は−１５〜−２５ｐｐｂとずれが大きく、周波数も安定しておらず変動状態にあることがわかった。つまり、電源投入から９０分までは周波数が安定しないことを意味している。しかしながら、図４の結果が示すように電源投入から２時間経過すると周波数は極めて安定しているため、要求性能が厳しくない場合には問題ないことが分かった。
【００１５】
この図５及び図６に示した立ち上がり特性比較結果は、図４に示した立ち上がり特性比較結果とほぼ同様の傾向を示していることから、図４に示した立ち上がり特性比較結果が正しいことが確認された。
また図５及び図６に示した立ち上がり特性比較結果から、水晶基板１１の支持角度ψを０°若しくは５°に設定した場合も、電源を投入してから５分経過後の周波数変化（ｄｆ／ｆ）がほぼ±１０ｐｐｂ以内と小さく、しかも周波数が安定していることから、水晶基板１１の支持角度ψを０°〜５°に設定した場合も電源投入後の周波数の立ち上がり特性が極めて良好であることがわかった。つまり、電源投入から９０分までの立ち上がり特性の要求性能が特に厳しい仕様の場合には、支持角度ψを０°〜５°とするのが最適であることが分かった。
【００１６】
また、本願発明者は、上記したＳＣカット水晶振動子における支持角度とリフロー後の周波数変化特性との関係、及び支持角度と立ち上がり特性との関係の他にも各種特性の実験を行った。その実験結果を図７〜図１１に示す。
図７は、水晶基板の支持角度と低温放置後の周波数再現性との関係を示した図である。なお、図７に示す特性実験における周波数再現性は、通電して２４時間以上経過した状態の周波数を基準周波数にして求めたものであり、前記基準周波数の測定後に２４時間放置（電源断）し、再び通電して２４時間経過した状態の周波数を測定し、これを基準周波数と比較することにより求めたものである。
この図７に示すように周波数再現性は、水晶基板１１の支持角度ψを８０°〜９０°または１６５°〜１８０°付近に設定したときに良好であることがわかった。
【００１７】
図８は水晶基板の支持角度とＧ−ｓｅｎｓとの関係を示した図であり、この図９からＧ−ｓｅｎｓ特性は水晶基板１１の支持角度ψを４０°付近または１３０°付近に設定した時に良好であることがわかった。
また図９は、ＦＥＭ解析による最適支持角度の検討した検討結果を示した図であり、この検討結果から最適支持角度ψは４０°付近または１６５°付近であることがわかった。
【００１８】
以上説明した実験結果から、従来は図９に示したＦＥＭの解析結果により得られた最適支持角度ψ、例えば４０°付近または１６５°付近がストレスに対して最も強く、水晶基板１１を保持するのに最適であると考えられていたが、今回の実験結果において必要とされる特性によって最適保持角度が異なることがわかった。そしてＳＣカット水晶振動子では、全体の特性を考慮した場合、最適支持角度ψを８０°〜９０°（好適には８５°付近）、１６５°〜１８０°、或いは０°〜５°に設定すれば、リフロー後に発生する周波数変化を抑制できると共に、電源投入後の周波数の立ち上がり特性が良好であることがわかった。
【００１９】
ところで、上記した本実施形態のＳＣカット水晶振動子においては、水晶基板１１の表裏面に夫々形成された励振電極１２から水晶基板１１の両端縁にかけて形成されているリードパターン１３は、支持部材６との接続をより確実なものとするために、図１（ｂ）に示したように水晶基板１１の両端縁側のパターン幅が励振電極１２側のパターン幅より広く形成するようにしていた。このため、水晶基板１１のリードパターン１３に支持部材６を接続するときに、支持部材６が水晶基板１１を支持する支持角度ψにバラツキが発生するおそれがあった。
そこで、図１０に示す他の実施形態のＳＣカット水晶振動子においては、水晶基板１１の励振電極１２から水晶基板１１の両端縁にかけて形成されるリードパターン１３の端縁側のパターン幅を、図１に示した水晶基板１１のパターン幅より細くした。即ち、リードパターン１３の励振電極１２側のパターン幅と、水晶基板１１の両端縁側のパターン幅をほぼ同じにした。このように構成すれば、水晶基板１１のリードパターン１３に支持部材６を接続するときに発生する支持角度ψのバラツキを防止することが可能になり、支持角度ψの精度を高めることができる。従って、このように構成すれば、取り付け時の支持角度ψの精度が高い分だけ、より確実にリフロー後に発生する周波数変化を抑制できると共に、電源投入後の周波数の立ち上がり特性の向上を図ることができる。
【００２０】
なお、本実施形態では水晶振動子１を構成する水晶基板１１の形状を円盤状として説明したが、あくまでも一例であり、水晶基板１１の形状は短冊状であっても良い。
また本実施形態では、リード端子を有する構造の水晶振動子を例に挙げて説明したが、リード端子を有さない表面実装タイプの水晶振動子に対しても適用可能であることは言うまでもない。
【００２１】
図１１は本発明に係るＳＣカットの水晶振動子を備えた高安定水晶発振器の構成例を示す図である。
この高安定水晶発振器３０は、ＳＣカット水晶振動子１と、このＳＣカット水晶振動子１の水晶振動子本体２（金属ケース３）を片面に支持すると共に、リード端子５を配線パターンに接続するプリント基板３１と、プリント基板３１上に搭載されて水晶振動子本体２の片面と密着配置される発振回路部品、温度補償回路部品等の回路部品３２と、ヒータ抵抗（パワートランジスタ等）３３、ピン３６を介してプリント基板３１を支持すると共に底部に表面実装用の実装端子３５ａを備えたマザープリント基板３５と、プリント基板３１及びプリント基板に搭載された各構成要素を含む空間を包囲する金属製発振器ケース３７と、を備えている。なお、水晶振動子１、プリント基板３１、ヒータ３３、回路部品３２は、水晶発振器用ヒータユニット（圧電発振器用ヒータユニット）を構成している。
【００２２】
水晶振動子１は、リード端子５の端部からプリント基板３１面に向けて延びた導電性接続部材７の端部をプリント基板面の配線パターンと半田接続されることによって搭載されている。
このように構成される高安定水晶発振器３０に対して本実施形態のＳＣカット水晶振動子１を搭載すれば、リフローによる発振周波数の変化が小さく、しかも電源投入後から発振周波数が所定周波数に収束して安定するまで周波数立ち上がり特性に優れたものとなる。
なお、本実施形態では本発明のＳＣカット水晶振動子を搭載した水晶デバイスの一例として高安定水晶発振器を例に挙げたが、高安定水晶発振器以外の水諸デバイスにも適用可能で有るが、特に本発明のＳＣカット水晶振動子は表面実装型の水晶デバイスに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態であるＳＣカット水晶振動子の概略構成を示した図であり、（ａ）は全体構成を示す斜視図、（ｂ）は正面縦断面図、（ｃ）は側部縦断面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｃ）は本実施形態の水晶振動子１における水晶基板１１の支持機構を示した図である。
【図３】ＳＣカット水晶振動子のリフロー後の周波数変化特性を示した図である。
【図４】ＳＣカット水晶振動子の立ち上がり特性を示した図である。
【図５】（ａ）（ｂ）はＳＣカット水晶振動子の立ち上がり特性を示した図である。
【図６】（ａ）（ｂ）はＳＣカット水晶振動子の立ち上がり特性を示した図である。
【図７】ＳＣカット水晶振動子の低温放置後の周波数再現性を示した図である。
【図８】ＳＣカット水晶振動子のＧ−ｓｅｎｓ結果を示した図である。
【図９】ＳＣカット水晶振動子のＦＥＭの解析結果を示した図である。
【図１０】本実施形態の水晶振動子の他の電極構造を示した図である。
【図１１】本発明に係るＳＣカットの水晶振動子を備えた高安定水晶発振器の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…水晶振動子、２…水晶振動子本体、３…金属ケース、４…底部、５…リード端子、６…支持部材、７…導電性接続部材、１０…水晶振動素子、１１…水晶基板、１２…励振電極、１３…リードパターン、３０…高安定水晶発振器、３１…プリント基板、３２…回路部品、３３…ヒータ、３４…約、３５…マザープリント基板、３５ａ…実装端子、３６…ピン、３７…金属製発振器ケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図４】
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