(57)【要約】【課題】高次輪郭振動に起因するスプリアス振動を厚みすべり振動から遠ざけて、温度特性の安定化を実現する【解決手段】矩形状ＡＴカット水晶振動子の励振電極によって誘発される第一の振動である厚みすべり振動の共振周波数は、主に前記励振電極の質量を変化させることによって調整されると共に、第二の振動である輪郭振動の共振周波数は、主に前記振動子の四個の角部に形成された少なくとも一個の電極の質量変化を用いて調整することによって、スプリアス振動を厚みすべり振動から遠ざける。【選択図】図１
2009232447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状のＡＴカット水晶振動子であって、
前記ＡＴカット水晶振動子の中央部に、厚みすべり振動を励振するための励振電極が形成され、
前記ＡＴカット水晶振動子の外周部の少なくとも一部に、質量調整部が形成されていることを特徴とするＡＴカット水晶振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の質量調整部は、前記外周部の四個の角部のうちの少なくとも一個の角部に形成されていることを特徴とするＡＴカット水晶振動子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＡＴカット水晶振動子において、
前記質量調整部が前記励振電極と同一材料によって形成されている事を特徴とするＡＴカット水晶振動子
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶振動子において
前記質量調整部の厚みが前記励振電極よりも厚い事を特徴とするＡＴカット水晶振動子
【請求項５】
矩形状のＡＴカット水晶振動子の製造方法であって、
前記ＡＴカット水晶振動子の中央部に厚みすべり振動を励振するための励振電極を形成し、
前記ＡＴカット水晶振動子の外周部の少なくとも一部に質量調整部を形成し、
前記励振電極によって誘発される第一の振動である厚みすべり振動の共振周波数を、主に前記励振電極の質量を変化させて調整し、
第二の振動である輪郭振動の共振周波数を、主に前記質量調整部の質量を変化させて調整することを特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の質量調整部は、前記外周部の４個の角部のうちの少なくとも一個の角部に質量調整部を形成することを特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法。
【請求項７】
請求項５に記載のＡＴカット水晶振動子の製造方法において、
前記輪郭振動の共振周波数を前記質量調整部の質量を変化させて調整することにより、前記厚みすべり振動の近傍に存在する寄生振動を制御することを特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶振動子の製造方法であって、
前記質量調整部の質量を減少させる事によって前記輪郭振動の共振周波数を調整する事を特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法
【請求項９】
請求項５ないし７のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶振動子の製造方法であって、
前記質量調整部の質量を増加させる事によって前記輪郭振動の共振周波数を調整する事を特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法
【請求項１０】
請求項５または請求項７ないし９のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶振動子の製造方法において、
前記輪郭振動の共振周波数の調整時に、基本波の輪郭振動共振周波数を計測することを特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法。
【請求項１１】
請求項５または請求項７ないし９のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶振動子の製造方法において、
少なくとも前記厚みすべり振動及び前記輪郭振動の共振周波数の調整の開始から終了までの間、前記厚みすべり振動の共振特性を計測することを特徴とするＡＴカット水晶振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＴカット水晶振動子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ、時計等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、このような電子機器には、小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させるための代表的な電子部品がＡＴカット水晶振動子である（特許文献１参照）。
【０００３】
ＡＴカット水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子としての品質の指標である共振先鋭度すなわちＱ値が極めて大きく、さらにその共振周波数の温度安定度すなわち周波数温度特性も非常に良好である。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広くＡＴカット水晶振動子が利用されている理由である。しかし、このＡＴカット水晶振動子は、近年の強い小型化の要求に関しては、十分に満足させることができないことも明らかになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−１９８２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図３は、矩形状ＡＴカット水晶振動子の角度方位と形状概要を説明する概念図である。図３記載の三本の座標軸、すなわちＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は水晶単結晶の基本対称軸である。ＡＴカット水晶振動子３０１は、Ｘ軸を回転軸として反時計回りにカット角θだけ回転させた回転座標系、すなわちＸＹ’Ｚ’座標系において定義された水晶薄板である。ＡＴカット水晶振動子３０１の厚み方向はＹ’軸方向、長辺方向はＸ軸方向、短片方向はＺ’軸方向である。このＡＴカット水晶振動子３０１の表裏面の中心部には一対の励振電極３０２が配置されている。これら一対の励振電極３０２により、厚み方向に励振電界が印加される構成となっている。通常、図３記載のカット角θは、３５度から３６度の範囲に設定されている。このθの範囲内では、誘発する厚みすべり振動の共振周波数の周波数温度特性が、非常に良好であることが知られている。
【０００６】
図４は、図３記載のＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の厚みすべり共振モード変位を説明する概念図であって、図３記載のＡＴカット水晶振動子３０１のＸＹ’側面図である。図中のａ軸、ｂ軸は、ＡＴカット水晶振動子３０１の重心点４０１を座標原点とした座標軸である。このａ軸、ｂ軸はそれぞれ、図３記載のＹ’軸、Ｘ軸と平行な座標軸である。本発明に係る厚みすべり振動の共振変位モードが図４記載の共振変位モード４０２である。この共振変位モード４０２は、Ｙ’軸方向で正弦波的な変位分布をもっており、ＡＴカット水晶振動子３０１の表面で最大変位を持つ。ＡＴカット水晶振動子３０１の表面での変位量が図４記載の表面変位量４０３である。さらにこの表面変位量４０３は、重心点４０１からの位置座標ｘの関数であって、図３記載のＡＴカット水晶振動子３０１の両端部４０４に近づくにしたがって減衰していく性質を持っている。ちなみに、図４には記載されていないが、この共振変位モード４０２はＺ’軸方向では変位量の変化はない。
【０００７】
図５は、この表面変位量４０３の距離依存性を説明するための概念図であって、縦軸は図４記載の表面変位量４０３の大きさＵ（ｘ）、横軸は重心点４０１からの座標位置ｘである。また図５の横軸の二点５０２及び５０３はそれぞれ図４記載の両端部４０４に対応する座標位置である。また横軸上の範囲５０４は、図４記載のＡＴカット水晶振動子３０１の一対の励振電極３０２が存在する範囲に対応している。さらに図５記載の特性曲線５０１が、Ｕ（ｘ）の座標位置ｘ依存性を示す特性曲線である。表面変位量４０３は範囲５０４に局在しており、両端部４０４の近傍ではゼロとみなしてよい。すなわち、ＡＴカット水晶振動子３０１の一対の励振電極３０２の近傍のみに振動が集中している。この現象は、ＡＴカット水晶振動子において、励振電極の質量付加によるエネルギ閉じ込め効果として知られる特徴的な現象である。
【０００８】
図６は、ＡＴカット水晶振動子の従来構造を示すための投影斜視図である。ＡＴカット水晶振動子６０１において、その厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図３記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図３記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図３記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。この時、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の共振周波数は、ほぼ厚み寸法ｔのみで決定される。すなわち、その共振周波数をＦｔｓとすると、基本波の場合、
【０００９】
【数１】
2009232447.tif 000003
【００１０】
となる。ここで、ρは水晶単結晶の密度、Ｃ６６、Ｃ５５はそれぞれ、図３の方位におけるＸＹ’方向せん断弾性係数、ＸＺ’方向せん断弾性係数、Ｃ５６は両者の相互作用係数である。また、このＡＴカット水晶振動子６０１は、主に機械加工によって形成されている。
【００１１】
ＡＴカット水晶振動子６０１の表面には表面励振電極６０２、裏面には裏面励振電極６０３が形成されている。表面励振電極６０２及び裏面励振電極６０３には、ＡＴカット水晶振動子６０１の励振時は互いに異なる極性となるように電界が印加される。またＡＴカット水晶振動子６０１の四個の角部のうち、長辺寸法方向で片側に位置する二つの角部に、極性の異なる支持電極６０４と支持電極６０５が形成されている。この支持電極６０４と支持電極６０５とは、ＡＴカット水晶振動子６０１の支持のためと表面励振電極６０２及び裏面励振電極６０３に電界を印加させるために形成されている。それゆえ、表面励振電極６０２と支持電極６０４はリード電極６０６を介在して、裏面励振電極６０３と支持電極６０５はリード電極６０７を介在して一体形成されている。図５にて説明したように、表面励振電極６０２と裏面励振電極６０３とをＡＴカット水晶振動子６０１の中心部に形成することにより、ＡＴカット水晶振動子６０１の長辺方向の端部で振動変位はゼロになる。それゆえ、この端部を支持することにより、振動に影響を与えることなく支持ができる。これが、支持電極６０４及び支持電極６０５が図６記載の如く形成されている理由である。
【００１２】
図７は、ＡＴカット水晶振動子の周波数と等価抵抗値の温度変化の特性図の一例である。図７の左縦軸は温度２０℃を基準とした時の周波数変化率ΔＦで、その単位はｐｐｍである。また右縦軸は等価抵抗値Ｒであって、その単位はΩである。さらに横軸は温度Ｔ（℃）である。図７中の黒塗り四角で示した特性曲線が周波数温特曲線７０１であり、また黒塗り三角で示した特性曲線が等価抵抗温特曲線７０２である。ここで、等価抵抗Ｒとは、水晶振動子支持による振動エネルギ損失の度合いを示す値であり、このＲの値が小さいことはＱ値が大きいことを示している。ちなみに、ＡＴカット水晶振動子で等価抵抗Ｒが１０Ωの場合、そのＱ値は１００００以上となり、極めて大きなＱ値を持つことになる。
【００１３】
図７中の周波数温特曲線７０１は−４０℃から＋８０℃の温度範囲で、ほぼ±１０ｐｐｍという極めて小さな周波数変化を示している。しかも、非常に連続的な三次曲線となっている。さらに同じ温度範囲で等価抵抗温特曲線７０２はほぼ１０Ωで安定しており、Ｑ値の温度変化も極めて安定している。このような極めて良好な温度安定度を実現するためには、図４及び図５にて説明したエネルギ閉じ込め現象を用いた、支持による振動エネルギ損失極小化のための表面励振電極６０２及び裏面励振電極６０３の形状、厚み、材質等に関する最適化だけでなく、図６記載の従来の矩形状ＡＴカット水晶振動子においては、スプリアス振動（詳細後述）の抑制も必要不可欠である。このスプリアス振動を抑制する従来の方策は、ＡＴカット水晶振動子６０１の厚み寸法ｔに対する長辺寸法Ｌ及び短辺寸法Ｗの比、すなわちＷ／ｔ、Ｌ／ｔを極めて厳密に特定範囲に設定する必要がある。
【００１４】
図８はＡＴカット水晶振動子のスプリアス振動による温度安定性劣化を示すための特性図であって、図７と同様に、本図の左縦軸は温度２０℃を基準とした時の周波数変化率ΔＦで、その単位はｐｐｍである。また右縦軸は等価抵抗値Ｒであって、その単位はΩである。さらに横軸は温度Ｔ（℃）である。図８中の黒塗り四角で示した特性曲線が周波数温特曲線８０１、また黒塗り三角で示した特性曲線が等価抵抗温特曲線８０２である。図８においては、ある特定の温度近傍で、周波数温特曲線８０１及び等価抵抗温特曲線８０２がジャンプしている。この領域が図８記載の領域８０３である。このジャンプ現象は、図４及び図５で説明した本発明に係る厚みすべり振動とスプリアス振動が特定温度において結合することで説明できる。このジャンプ現象が存在すると本来は図７にて示す如く極めて温度に対して安定な三次曲線的特性を持つ厚みすべり振動の温度安定性が不連続な曲線となり大きく劣化してしまう。この現象を防止、すなわちスプリアス振動を厚みすべり振動からできるだけ遠ざけるために、前述の如くＷ／ｔ、Ｌ／ｔを極めて厳密に特定範囲に限定する必要がある。
【００１５】
それに対して、近年強く要求されている小型化のためには、ＡＴカット水晶振動子の長辺寸法Ｌ及び短辺寸法Ｗを小さくする必要がある。しかし、長辺寸法及び短辺寸法を小さくすることは、先に述べた辺比Ｗ／ｔ、Ｌ／ｔのバラツキを大きくすることになってしまう。なぜならば、先に述べた有効な辺比範囲に辺比を限定するための機械加工精度の限界を超えてしまうからである。その結果、図８で説明したように、厚みすべり振動とスプリアス振動が結合する確率が高まり、結果として、生産効率が大きく低下してしまうという大きな問題があった。
【００１６】
すなわち、本発明の解決すべき課題は、ＡＴカット水晶振動子の生産効率低下の原因である厚みすべり振動とスプリアス振動の結合を制御できるＡＴカット水晶振動子の構造とその方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
図３及び図４記載のＡＴカット水晶振動子３０１の厚み方向に電界が印加されると、水晶単結晶の持つ圧電異方性から、二つの振動が誘発する。第一の振動が本発明に係る厚みすべり振動であり、第二の振動が輪郭振動である。図８にて説明したスプリアス振動は、この輪郭振動に起因した振動である。
【００１８】
図９は、ＡＴカット水晶振動子９０１に発生する輪郭振動の共振モード変位を説明するための概念図である。図９記載の長辺寸法Ｌ、短辺寸法ＷのＡＴカット水晶振動子９０１は、図３、図４記載と同じＡＴカット水晶振動子９０１を厚み方向からみた平面図である。図６と同様に、長辺寸法Ｌは図３記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図３記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。本発明に係る輪郭振動の共振モード変位が、輪郭すべり共振モード変位９０２である。この輪郭振動は、図３、図４記載の一対の励振電極３０２にて誘発される。
【００１９】
この輪郭すべり共振モード変位９０２は、ＡＴカット水晶振動子９０１の二本の対角線すなわち、対角線９０３及び対角線９０４に沿って変位する振動モードであって、図６で説明した厚みすべり振動の変位分布とは逆に、ＡＴカット水晶振動子９０１の四個の角部、すなわち角部９０５、角部９０６、角部９０７及び角部９０８において、最大変位９０９及び最大変位９１０を持っている。それに対して、ＡＴカット水晶振動子９０１の中央部の変位は小さい。これが輪郭振動の大きな特徴である。
【００２０】
この輪郭振動の共振周波数は、ほぼ短辺寸法Ｗと長辺寸法Ｌによって決定され、厚み寸法ｔには依存しないという特徴をもっている。ここで、輪郭振動の共振周波数をＦｆｓとすると、Ｆｆｓは、短辺寸法Ｗと長辺寸法Ｌを用いて、次式で近似的に決定できる。
【００２１】
【数２】
2009232447.tif 000004
【００２２】
ここで、数１と同じく、ρは水晶単結晶の密度、Ｃ６６、Ｃ５５はそれぞれ、図３の方位におけるＸＹ’方向せん断弾性係数、ＸＺ’方向せん断弾性係数、Ｃ５６は両者の相互作用係数である。さらに、ｐ及びｎは１より大きい整数であって、それぞれ、短辺方向高調波次数、長辺方向高調波次数である。図９記載の輪郭すべり共振モード９０２は、数２記載の式において、ｐ＝１及びｎ＝１の時の共振モードであって、輪郭すべり共振の基本波の変位を図示したものであるが、高次の共振モードであっても、基本波モードと同じく、角部９０５、角部９０６、角部９０７及び角部９０８の四個の角部において、変位量が最大で、ＡＴカット水晶振動子９０１の中央部の変位は小さい。
【００２３】
近似式数２で説明した高次輪郭振動共振周波数が、数１で説明した厚みすべり振動共振周波数の近傍に存在すると、図８記載の温度特性不良を引き起こすことで説明できる。すなわち、図８で説明したスプリアス振動とは、この高次輪郭振動共振周波数にほかならない。また言い換えれば、高次輪郭振動共振周波数を厚みすべり振動共振周波数の近傍から移動させるために、先に説明した辺比Ｗ／ｔ、Ｌ／ｔを特定範囲内に限定しなければならないのである。
【００２４】
本発明に係るＡＴカット水晶振動子は、機械加工的に、辺比Ｗ／ｔ、Ｌ／ｔを特定範囲内に限定し、その結果、問題となる高次輪郭振動共振周波数を移動させるのではなく、この高次輪郭振動に質量付加効果を用いて高次輪郭振動共振周波数を移動させ、スプリアス振動を厚みすべり振動から遠ざけたことを特徴としている。
【００２５】
図１０は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の高次輪郭振動と厚みすべり振動共振周波数の挙動を説明する特性図であって、図９記載のＡＴカット水晶振動子９０１の四個の角部、すなわち角部９０５、角部９０６、角部９０７及び角部９０８近傍に質量を付加した時の高次輪郭振動共振周波数、基本波輪郭振動共振周波数及び厚みすべり振動共振周波数の変化を図示した特性図である。縦軸は周波数Ｆ、横軸は付加質量ｍ１である。図１０において、厚みすべり振動共振周波数の付加質量ｍ１依存性を示す曲線が特性曲線１００１、高次輪郭振動共振周波数の付加質量ｍ１依存性を示す曲線が特性曲線１００２、基本波輪郭振動共振周波数の付加質量ｍ１依存性を示す曲線が特性曲線１００３である。特性曲線１００１は、付加質量ｍ１に対してほとんど変化しない。これは、図５で説明したように、ＡＴカット水晶振動子９０１の４個の角部を含む両端部における厚みすべり振動の表面変位量４０３がほぼゼロであるので、付加質量ｍ１に対して何の影響を受けないことで説明できる。それに対して、特性曲線１００２及び特性曲線１００３は、付加質量ｍ１の増加に対して、周波数が大きく減少する特徴をもっている。これは、図９で説明したように、ＡＴカット水晶振動子９０１の４個の角部においては基本波輪郭振動及び高次輪郭振動の変位が最大となっているので、付加質量ｍ１に対して、大きく影響を受けることで説明できる。
【００２６】
この特性曲線１００１と特性曲線１００２が交差する点、すなわち高次輪郭振動共振周波数と厚みすべり振動共振周波数が一致する点が交差点１００４であり、この交差点１００４の座標に対応する周波数がＦｐｎ０、付加質量がｍ１Ｓである。この交差点１００４の近傍の領域で、図８で説明した温度安定性の劣化が発生する。この領域が本図における領域１００５である。それに対して、厚みすべり振動共振周波数と高次輪郭振動共振周波数が十分に離れている領域では、図７で説明したように、良好な温度安定性が実現できる。すなわち、この領域が、安定領域１００６と安定領域１００７である。安定領域１００６においては、高次輪郭振動は厚みすべり振動に比較して高周波側、安定領域１００７においては、高次輪郭振動は厚みすべり振動に比較して低周波側に選定されている。この時、安定領域１００６を代表する付加質量がｍ１１、安定領域１００７を代表する付加質量がｍ１２である。この付加質量ｍ１１、ｍ１２に対応する高次輪郭振動共振周波数がそれぞれ、Ｆｐｎ１、Ｆｐｎ２である。さらに基本波輪郭振動において、付加質量がｍ１１、ｍ１Ｓ、ｍ１２に対応する共振周波数は、Ｆ１１１、Ｆ１１０、Ｆ１１２となっている。
【００２７】
ＡＴカット水晶振動子９０１の四個の角部近傍の付加質量だけの増減によって、スプリアス振動（高次輪郭振動）を厚みすべり振動近傍から移動可能であることが判明する。すなわち、角部付加質量をｍ１Ｓからｍ１１に減少させることでスプリアス振動と結合しているＡＴカット水晶振動子を安定領域１００６に、また角部付加質量をｍ１Ｓからｍ１２に増加させることで安定領域１００７に設定することが可能となるのである。このことは辺比Ｗ／ｔ、Ｌ／ｔを変化させずに、スプリアス振動を制御できることを意味している。
【００２８】
図１１は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の高次輪郭振動と厚みすべり振動共振周波数の挙動を説明する第二の特性図であって、図９記載のＡＴカット水晶振動子９０１の中心部に形成されている一対の励振電極３０２の厚みを変化させた時の高次輪郭振動共振周波数、基本波輪郭振動共振周波数及び厚みすべり振動共振周波数の変化を図示した特性図である。縦軸は周波数Ｆ、横軸は励振電極厚みｄである。本図において、厚みすべり振動共振周波数の励振電極厚みｄ依存性を示す曲線が特性曲線１１０１、高次輪郭振動共振周波数の励振電極厚みｄ依存性を示す曲線が特性曲線１１０２、基本波輪郭振動共振周波数の励振電極厚みｄ依存性を示す曲線が特性曲線１１０３である。特性曲線１１０１は、励振電極厚みｄに大きく依存しており、ｄの増加に対して厚みすべり振動共振周波数は大きく減少、逆にｄの減少に対して大きく増加するという特徴がある。これは、図５で説明したように、一対の励振電極３０２の近傍で厚みすべり振動共振周波数の変位量が最大となっていることで、励振電極厚みｄに対して、その共振周波数が、電極の質量効果で大きく変動することで説明できる。この励振電極の質量効果による厚みすべり振動共振周波数の変化特性を利用して、ＡＴカット水晶振動子の周波数調整がおこなわれている。すなわち、一対の励振電極３０２をイオンミーリング等の加工方法によって、励振電極厚みｄを減少させ厚みすべり振動共振周波数を所定の周波数範囲に追い込む周波数調整方法、または真空蒸着などの加工方法によって、励振電極厚みｄを増加させ厚みすべり振動共振周波数を所定の周波数範囲に追い込む周波数調整方法等である。
【００２９】
一方、特性曲線１００２及び特性曲線１００３は、励振電極厚みｄに対して大きく変化しない。これは、図９で説明したように、ＡＴカット水晶振動子９０１の４個の角部においては基本波輪郭振動及び高次輪郭振動の変位が最大、中心部では変位量が非常に小さいので、励振電極厚みｄに対して、その共振周波数が大きく影響を受けないことで説明できる。
【００３０】
すなわち、本発明はスプリアス振動を制御する手段として、矩形状のＡＴカット水晶振動子であって、該振動子の中央部に、厚みすべり振動を励振するための励振電極が形成され、該振動子の四個の角部のうちの少なくとも一個の角部に、質量調整部が形成されたＡＴカット水晶振動子を提供し、また、矩形状のＡＴカット水晶振動子の製造方法であって、前記振動子の中央部に厚みすべり振動を励振するための励振電極を形成し、前記振動子の四個の角部のうちの少なくとも一個の角部に質量調整部を形成し、前記励振電極によって誘発される第一の振動である厚みすべり振動の共振周波数を、主に前記励振電極の質量を変化させて調整し、第二の振動である輪郭振動の共振周波数を、主に前記質量調整部の質量を変化させて調整するＡＴカット水晶振動子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明から、ＡＴカット水晶振動子の励振電極と共に振動子の角部に質量調整部を形成し、この質量調整部の質量を変化させることで高次輪郭振動共振周波数を変化させ、図７の如く良好な温度安定性をもったＡＴカット水晶振動子が実現できるのである。この質量調整部の質量変化を用いるスプリアス振動（高次輪郭振動）の制御方法は、従来の機械加工精度では実現できない、超小型矩形状ＡＴカット水晶振動子の製造において非常有用な手段となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例を示すための投影斜視図である。
【図２】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の他の実施例を示すための投影斜視図である。
【図３】矩形状ＡＴカット水晶振動子の角度方位と形状概要を説明する概念図である。
【図４】ＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の厚みすべり共振モード変位を説明するための概念図である。
【図５】表面変位量の距離依存性を説明するための概念図である。
【図６】ＡＴカット水晶振動子の従来構造を示すための投影斜視図である。
【図７】ＡＴカット水晶振動子の周波数と等価抵抗値の温度変化の特性図の一例である。
【図８】ＡＴカット水晶振動子のスプリアス振動による温度安定性劣化を示すための特性図である。
【図９】ＡＴカット水晶振動子に発生する輪郭振動の共振モード変位を説明するための概念図である。
【図１０】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の高次輪郭振動と厚みすべり振動共振周波数の挙動を説明する特性図である。
【図１１】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の高次輪郭振動と厚みすべり振動共振周波数の挙動を説明する第二の特性図である。
【図１２】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の周波数調整及び高次輪郭振動に起因したスプリアス振動の制御方法を説明するための模式図である。
【図１３】本発明に係るＡＴカット水晶振動子の周波数調整及び高次輪郭振動に起因したスプリアス振動の制御方法を説明するための第二の模式図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例を示すための投影斜視図である。矩形状のＡＴカット水晶振動子１０１において、その厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図３記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図３記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図３記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。
【００３４】
ＡＴカット水晶振動子１０１の表面には表面励振電極１０２、裏面には裏面励振電極１０３が形成されている。表面励振電極１０２及び裏面励振電極１０３には、振動子の励振時は互いに異なる極性となるように電界が印加される。またＡＴカット水晶振動子１０１の四個の角部のうち、長辺寸法方向で片側に位置する二個の角部に、極性の異なる支持電極１０４と支持電極１０５が形成されている。この支持電極１０４と支持電極１０５とは、ＡＴカット水晶振動子１０１の支持のためと表面励振電極１０２及び裏面励振電極１０３に電界を印加させるために形成されている。それゆえ、表面励振電極１０２と支持電極１０４はリード電極１０６を介在して、裏面励振電極１０３と支持電極１０５はリード電極１０７を介在して一体形成されている。
【００３５】
図５にて説明したように、表面励振電極１０２と裏面励振電極１０３とをＡＴカット水晶振動子１０１の中心部に形成することにより、ＡＴカット水晶振動子１０１の長辺方向の端部で振動変位はゼロになる。それゆえ、この端部を支持することにより、振動に影響を与えることなく支持ができる。このＡＴカット水晶振動子１０１の表裏面の四個の角部には、輪郭振動モードの共振周波数調整のための質量調整部１０８、質量調整部１０９、質量調整部１１０及び質量調整部１１１が形成されている。これらの４個の質量調整部の材質は表面励振電極１０２と裏面励振電極１０３の材質と同じ材質より構成されている。また図１においてはＡＴカット水晶振動子１０１の表裏に質量調整部１０８〜１１１が形成されているが、片面だけであっても問題ない。
【００３６】
図２は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の他の実施例を示すための投影斜視図である。ＡＴカット水晶振動子２０１において、その厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図３記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図３記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図３記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。
【００３７】
ＡＴカット水晶振動子２０１の表面には表面励振電極２０２、裏面には裏面励振電極２０３が形成されている。表面励振電極２０２及び裏面励振電極２０３には、振動子の励振時は互いに異なる極性となるように電界が印加される。またＡＴカット水晶振動子２０１の四個の角部のうち、長辺寸法方向で片側に位置する二個の角部に、極性の異なる支持電極２０４と支持電極２０５が形成されている。この支持電極２０４と支持電極２０５とは、ＡＴカット水晶振動子２０１の支持のためと表面励振電極２０２及び裏面励振電極２０３に電界を印加させるために形成されている。それゆえ、表面励振電極２０２と支持電極２０４はリード電極２０６を介在して、裏面励振電極２０３と支持電極２０５はリード電極２０７を介在して一体形成されている。
【００３８】
図５にて説明したように、表面励振電極２０２と裏面励振電極２０３とをＡＴカット水晶振動子２０１の中心部に形成することにより、ＡＴカット水晶振動子２０１の長辺方向の端部で振動変位はゼロになる。それゆえ、この端部を支持することにより、振動に影響を与えることなく支持ができる。このＡＴカット水晶振動子２０１の表裏の四個の角部のうち、支持電極２０４と支持電極２０５が形成された二個の角部とは異なる他の二個の角部には、輪郭振動モードの共振周波数調整のための質量調整部２０８、質量調整部２０９が形成されている。これらの２個の質量調整部２０８，２０９の材質は表面励振電極２０２と裏面励振電極２０３の材質と同じ材質より構成されている。また図２においてはＡＴカット水晶振動子２０１の表裏に質量調整部２０８，２０９が形成されているが、片面だけであっても問題ない。さらに、図での説明は省くが、本発明に係る質量調整部２０８，２０９は、ＡＴカット水晶振動子２０１の四個の角部のうち少なくとも一個において、質量変化させることでもスプリアスを制御できる。
【００３９】
図１２は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の周波数調整及び高次輪郭振動に起因したスプリアス振動の制御方法を説明するための模式図である。横軸は周波数Ｆであり、縦方向にＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の共振特性を時系列的に並べたものである。図１２は、イオンミーリング、レーザー等を用いて質量調整部および励振電極の質量を減少させる周波数調整方法の模式図である。質量調整部の調整前の共振特性が共振特性１２０１、質量調整部の調整終了後の共振特性が共振特性１２０４、その途中の共振特性がそれぞれ共振特性１２０２、共振特性１２０３である。また質量調整部の調整前の厚みすべり振動共振点が共振点１２０５、質量調整部の調整終了後の厚みすべり振動共振点が共振点１２０８、その途中の厚みすべり振動共振がそれぞれ共振点１２０６、共振特性１２０７である。この質量調整部の調整は、前述のように厚みすべり振動にはほとんど影響しなので、本図記載の如く、この間の厚みすべり振動共振周波数はＦｘでほぼ一定である。
【００４０】
調整前の厚みすべり振動の共振点１２０５の近傍すなわちスプリアス領域１２０９にスプリアス振動が存在している。質量調整部の調整をおこなうことによって、このスプリアス振動は点線で示した直線１２１０にそってその共振点をより高周波側に移動していく。すなわち、中間段階の共振特性１２０２では、スプリアス領域１２１１、第二の中間段階の共振特性１２０３ではスプリアス領域１２１２、質量調整部の調整終了時には、スプリアス領域１２１３と移動する。
【００４１】
質量調整部の調整終了後、励振電極の質量調整を行って本発明に係るＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動共振周波数の周波数を最終調整する。最終調整前の共振周波数ＦｘからＦ０に最終調整される。この最終調整後の共振特性が共振特性１２１４でありその共振点が共振点１２１５である。この最終調整の間、スプリアス領域１２１３は、わずかに高周波側に移動する。この周波数変化量は、共振点１２０８から共振点１２１５の変化に比較して十分小さい。最終的にスプリアス領域１２０９はスプリアス領域１２１６に移動する。このスプリアス領域１２１６を代表する周波数がＦＳである。通常、Ｆ０とＦＳの差、すなわち最近接スプリアス距離を少なくとも数１００ｋＨｚ以上に設定することが望ましい。しかし、小型化が望まれているＡＴカット水晶振動子において、従来の機械加工精度ではこの最近接スプリアス距離を高精度に設定することが不可能であることは、先に説明したとおりである。ところが、図１２にて示すように高次輪郭振動共振周波数を測定し、その結果に基づいて質量調整部と励振電極の質量調整によって、精度よく最適な最近接スプリアス距離を設定できるのである。
【００４２】
図１２記載のスプリアス振動は厚みすべり振動共振周波数から離れるにしたがって、その勢力が小さくなることが知られている。特に、図１２記載の励振電極の質量調整の中間状態で、予想されるスプリアス領域１２１２及びスプリアス領域１２１３では、ほとんど観測不可能な場合もある。しかし、共振特性上観測不可能であっても、潜伏性振動としては存在しており、図８記載の温度特性の劣化を招くことがある。このような場合は、図１０、図１１記載の基本波輪郭振動を用いて調整をおこなうことができる。
【００４３】
問題となるスプリアス振動は、先に説明したように、高次輪郭振動であって、その勢力は厚みすべり振動の勢力に比較して非常に小さい。しかし、この高次輪郭振動の基となる基本波輪郭振動は非常に勢力が大きく十分観測可能であることが知られている。さらこの高次輪郭振動と基本波輪郭振動の共振周波数は数２、図１０及び図１１を見ればわかる通り、高度な相関関係にある。それゆえ、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の質量調整部及び励振電極の質量変化を用いた制御においては、高次輪郭振動を観測する代わりに基本波輪郭振動を制御することで十分にスプリアス振動の制御が可能である。
【００４４】
図１３は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の周波数調整及び高次輪郭振動に起因したスプリアス振動の制御方法を説明するための第二の模式図である。横軸は周波数Ｆであり、縦方向にＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の共振特性を時系列的に並べたものである。図１３は、真空蒸着等を用いて質量調整部および励振電極の質量を増加させる周波数調整方法の模式図である。質量調整部の調整前の共振特性が共振特性１３０１、質量調整部の調整終了後の共振特性が共振特性１３０４、その途中の共振特性がそれぞれ共振特性１３０２、共振特性１３０３である。また質量調整部の調整前の厚みすべり振動共振点が共振点１３０５、質量調整部の調整終了後の厚みすべり振動共振点が共振点１３０８、その途中の厚みすべり振動共振がそれぞれ共振点１３０６、共振特性１３０７である。この質量調整部の調整は、前述のように厚みすべり振動にはほとんど影響しなので、本図記載の如く、この間の厚みすべり振動共振周波数はＦｘでほぼ一定である。
【００４５】
調整前の厚みすべり振動の共振点１３０５の近傍すなわちスプリアス領域１３０９にスプリアス振動が存在している。質量調整部の調整をおこなうことによって、このスプリアス振動は点線で示した直線１３１０にそってその共振点をより低周波側に移動していく。すなわち、中間段階の共振特性１３０２では、スプリアス領域１３１１、第二の中間段階の共振特性１３０３ではスプリアス領域１３１２、質量調整部の調整終了時には、スプリアス領域１３１３と移動する。
【００４６】
質量調整部の調整終了後、励振電極の質量調整を行って本発明に係るＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動共振周波数の周波数を最終調整する。最終調整前の共振周波数ＦｘからＦ０に最終調整される。この最終調整後の共振特性が共振特性１３１４でありその共振点が共振点１３１５である。この最終調整の間、スプリアス領域１３１３は、わずかに低周波側に移動する。この周波数変化量は、共振点１３０８から共振点１３１５の変化に比較して十分小さい。最終的にスプリアス領域１３０９はスプリアス領域１３１６に移動する。このスプリアス領域１３１６を代表する周波数がＦＳである。
【００４７】
通常、真空蒸着等を用いて質量調整部および励振電極の質量を増加させる方式においてもＦ０とＦＳの差、すなわち最近接スプリアス距離を少なくとも数１００ｋＨｚ以上に設定することが望ましい。しかし、小型化が望まれているＡＴカット水晶振動子において、従来の機械加工精度ではこの最近接スプリアス距離を高精度に設定することが不可能であることは、先に説明したとおりである。ところが、図１２と同様、図１３にて示すように高次輪郭振動共振周波数を測定し、その結果に基づいて質量調整部と励振電極の質量調整によって、精度よく最適な最近接スプリアス距離を設定できるのである。
【００４８】
図１３記載のスプリアス振動は厚みすべり振動共振周波数から離れるにしたがって、その勢力が小さくなることが知られている。特に、図１３記載の励振電極の質量調整の中間状態で、予想されるスプリアス領域１３１２及びスプリアス領域１３１３では、ほとんど観測不可能な場合もある。しかし、共振特性上観測不可能であっても、潜伏性振動としては存在しており、図８記載の温度特性の劣化を招くことがある。このような場合は、図１２と同様に図１０、図１１記載の基本波輪郭振動を用いて調整をおこなうことができる。
【００４９】
図１３記載のスプリアス振動は、図１２と同様に、高次輪郭振動であって、その勢力は厚みすべり振動の勢力に比較して非常に小さい。しかし、この高次輪郭振動の基となる基本波輪郭振動は非常に勢力が大きく十分観測可能であることが知られている。さらこの高次輪郭振動と基本波輪郭振動の共振周波数は数２、図１０及び図１１を見ればわかる通り、高度な相関関係にある。それゆえ、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の質量調整部及び励振電極の質量変化を用いた制御においては、高次輪郭振動を観測する代わりに基本波輪郭振動を制御することで十分にスプリアス振動の制御が可能である。
【００５０】
図１２及び図１３で説明したスプリアス制御方法は、まず質量調整部の質量変化によってスプリアス振動を制御した後、励振電極の質量変化によって厚みすべり振動を制御する制御法である。しかし、逆に励振電極の質量変化によって厚みすべり振動を制御した後、質量調整部の質量変化によってスプリアス振動を制御することでも全く同等の効果が得られる。さらに励振電極の質量変化と励振電極の質量変化を交互におこなって制御することでも全く同等の効果が得られる。また、スプリアス振動の制御できる周波数範囲、すなわち周波数可変幅を大きく取りたい場合は、質量調整部の質量を増加させても良い。この場合、図１記載の質量調整部１０８、質量調整部１０９、質量調整部１１０及び質量調整部１１１においては、それらの厚みを表面励振電極１０２及び裏面励振電極１０３の厚みよりも大きく設定してもよい。また、図２記載の質量調整部２０８及び質量調整部２０９においては、それらの厚みを表面励振電極２０２及び裏面励振電極２０３の厚みよりも大きく設定してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１０１，２０１，３０１，６０１，９０１：ＡＴカット水晶振動子
１０２，２０２，６０２：表面励振電極
１０３，２０３，６０３：裏面励振電極
３０２：１対の励振電極
１０４，１０５，２０４，２０５，６０４，６０５：支持電極
１０６，１０７，２０６，２０７，６０６，６０７：リード電極
１０８〜１１１，２０８，２０９：質量調整部
４０１：重心点
４０２，９０２：共振変位モード
４０３：表面変位量
４０４：両端部
５０１，１００１〜１００３，１１０１〜１１０３：特性曲線
７０１，８０１：周波数温特曲線
７０２，８０２：等価抵抗温特曲線
９０３，９０３：対角線
９０５〜９０８：角部
９０９，９１０：最大変位
１００４：交差点
１００６，１００７：安定領域
１２０１〜１２０４，１２１４，１３０１〜１３０４，１３１４：共振特性
１２０５〜１２０８，１２１５，１３０５〜１３０８，１３１５：共振点
１２０９，１２１１〜１２１３，１２１６，１３０９，１３１１〜１３１３，１３１６：スプリアス領域
１２１４：共振特性
【図１】
2009232447.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2009232447.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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