JP2014146944A - 水晶振動子、振動子パッケージ及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】支持部に支持されて厚み滑り振動で振動する水晶振動子において、水晶振動子を発振させた時に、発振される高周波に生じるActivity dipsを、簡便な方法で抑制すること。
【解決手段】水晶片１０の励振電極２１、２２より外側の領域であって、周縁に亘った領域を振動領域となるα水晶部１１とは、結晶のＸ軸の方向が反転されたβ水晶部１２とした双晶としている。水晶振動子１の周縁部の部位は、厚みすべり振動の主振動に対して、副振動として発生する輪郭すべり振動の自由端となる。水晶振動子１の周縁部をβ水晶部１２にすることにより、輪郭すべり振動の自由端が固定されるため、副振動が抑制される。そのため水晶振動子１を発振させた時に、発振される高周波にActivity dipsが発生しにくくなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発振周波数を出力するための水晶振動子、振動子パッケージ及び発振器に関する。

水晶振動子は、電子機器、計測機器や通信機器等、種々の分野で利用されており、特にＡＴカットの厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子は周波数特性が良好なことから多用されているが、不要な副振動の発生が問題となる。不要な副振動が発生すると、主振動と結合して周波数ジャンプが起こる懸念がある。
厚みすべり振動を主振動とする場合に、副振動として、輪郭すべり振動など他の振動種別による副振動も挙げることができる。これらは、Activity dipsやFrequency dipsの発生要因となる。

副振動の抑制方法として、主に数値シミュレーション、または、既存のシミュレーションソフトを活用して副振動の出にくい水晶片の設計仕様を見出す方法が挙げられる。しかしながら水晶振動子の加工のばらつきが大きく、すべての水晶振動子で副振動を十分に抑制することが難しい。そのため十分に副振動の発生を抑制した水晶振動子を安定供給するためには、綿密な設計や試験が必要となり、長い時間を要する問題があった。更に水晶振動子の小型化に伴い、より綿密な設計が必要とされている。

特許文献１には、水晶振動子の支持部と接続される部位を双晶とすることにより、接着剤の質量等の影響が振動領域に及ばないようにする技術が記載されている、しかしながら本発明の課題を解決するものではない。

特開２０００−３６７２４号公報（段落００４７）

本発明は、このような事情の下になされたものであり、支持部に支持されて厚み滑り振動を行う水晶振動子を発振させた時に、発振される高周波に生じるActivity dipsを簡便な方法で抑制する技術を提供することにある。

本発明の水晶振動子は、支持部に支持され厚み滑り振動で振動する水晶振動子において、
板状の水晶片と、
水晶片の第１の水晶領域の両面に設けられた励振電極と、
前記水晶片の平板面から見て、全周の７５％以上の領域に沿って形成された、第１の水晶領域とは結晶のＸ軸の正負の向きが異なる第２の水晶領域と、を備えることを特徴とする。

また本発明の水晶振動子は、支持部に支持され厚み滑り振動で振動する水晶振動子において、
矩形状の水晶片と、
水晶片の第１の水晶領域の両面に設けられた励振電極と、
前記水晶片の平板面から見て、一辺を除いた残りの辺に沿った領域に形成された、第１の水晶領域とは結晶のＸ軸の正負の向きが異なる第２の水晶領域と、を備えることを特徴としてもよい。

本発明の振動子パッケージは、上述の水晶振動子と、
前記支持部を備えた容器と、
前記容器に設けられ、前記励振電極と外部部品とを通電させるための電極部と、を備えることを特徴とする。

本発明の発振器は、上述の振動子パッケージと、前記電極部と接続されて水晶振動子を発振させるための発振回路と、を備えることを特徴とする。

支持部に支持されて、厚み滑り振動で振動する板状の水晶振動子において、水晶振動子の励振電極よりも外側の位置であって、水晶片の周縁に亘る領域に軸反転領域を形成した双晶としている。水晶振動子の周縁部の部位は、厚みすべり振動の主振動に対して、副振動として発生する輪郭すべり振動の自由端である。そのため水晶振動子の周縁部を異質化することにより、輪郭すべり振動である副振動が抑制される。従って水晶振動子を発振させた時に、発振される高周波にActivity dipsが発生しにくくなる。

水晶振動子パッケージを示す斜視図である。 水晶振動子パッケージを示す縦断側面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の（ａ）上面側及び（ｂ）下面側を示す平面図及び（ｃ）断面図である。 水晶振動子の輪郭すべり振動を示す説明図である。 実施の形態に係る水晶振動子の作用を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態に係る水晶振動子を示す平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る水晶振動子を示す平面図である。 実施例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。 実施例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。 比較例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子を備えた振動子パッケージについて説明する。振動子パッケージは、図１、図２に示すように容器６と、水晶振動子１と、水晶振動子１を支持する台座部６３と、を備えている。
容器６は、例えばアルミナからなる矩形のベース体６１及び蓋体６２からなる。ベース体６１には、長さ方向一端よりに、水晶振動子１０を支持する支持部をなす台座部６３が幅方向に伸びるように形成されている。台座部６３の上面には、台座部６３の伸びる方向に接続電極２９、３０が並べて形成されている。接続電極２９、３０は、各々台座部６３の斜面、ベース体６１の内側底面、及びベース体６１の底壁を貫通するスルーホール２９，３０を介して、ベース体６１の外側底面に配線された導電路４１に接続されている。

水晶振動子１について、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）は、夫々水晶振動子１０の上面側と下面側を示し、図３（ｃ）は、水晶振動子１の側断面図を示す。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、例えば短辺２．５ｍｍ、長辺が５．０ｍｍの矩形の水晶片１０が用いられる。水晶片１０は、ＡＴカットの水晶片の周縁部が全周に亘って、１．５ｍｍ幅のβ水晶部からなる帯状領域として形成されている。β水晶部は、ＡＴカットの水晶領域に対して、結晶の軸が反転された領域である。即ち水晶片１０は、周縁部がβ水晶部であり、周縁部を除いた中央領域がＡＴカットの水晶領域であるα水晶部として形成されている。より詳しく述べると、水晶片１０の中心側の第１の水晶領域(以下「α水晶部」とする)１１は、その表面及び裏面が水晶片１０の長さ方向に伸びる結晶軸であるＺ軸に対して、水晶片１０の幅方向に伸びるＸ軸の＋方向から見て反時計回りに約３５°傾いたＺ´軸と当該Ｘ軸とで形成される面と平行に形成されている。つまりα水晶部１１は、ＡＴカットされた領域である。一方周縁部の第２の水晶領域(以下「β水晶部」とする)１２は、その表面及び裏面が前記Ｚ´軸と前記Ｘ軸とで形成される面と平行に形成されており、このＸ軸の正負の向きはα水晶部１１のＸ軸の正負の向きと逆になるように構成されている。即ちこの水晶片１は電気的双晶として構成されている。そして、β水晶部１２は概ねＤＴカットされた領域として構成されている。以下明細書中で水晶片１０の部位の説明は、平板面から見た長方形に基づいて示している。
また上述の水晶振動子を備えた振動子パッケージは、プリント基板上に発振回路及び周辺素子と共に実装されて発振器として用いることができる。

水晶振動子１の製造方法について述べると、例えばＡＴカットの矩形の水晶片１０により製造される。水晶片１０は、角形のリング状のセラミックヒータの上に、その周縁部の全周に沿った領域が接するように載置されて例えば６００℃に加熱される。また水晶片の中心側の領域には、当該領域が熱伝導により加熱されるのを防ぐために放熱板となるシリコンプレートがあてられる。水晶は５７３℃を超えると相転移が起こり、再び５７３℃以下に冷却されたときに、その結晶軸が反転する性質を持っている。そのため前記水晶片１０は、その周縁部の全周に沿った領域が相転移を起こし、例えばＤＴカットの水晶の領域となる。即ち水晶片１０は、中心寄りの位置にＡＴカットのα水晶部１１を有し、周縁部にＤＴカットの第２の水晶領域であるβ水晶部１２を有する双晶となる。

水晶片１０は、その両面に、α水晶部１１を振動させるための励振電極２１，２２を備えている。励振電極２１，２２は、当該水晶片１０におけるα水晶部１１の部位に互いに対向するように形成されている。従ってβ水晶領域は、励振電極の外側にて、当該励振電極２１、２２を囲むように設けられていることになる。これら励振電極２１，２２は例えば矩形に形成されている。さらに、前記一面側の励振電極２１の一部には、例えば水晶片１０の一方の短辺の内に向かって引き出されるように引き出し電極２３の一端が接続される。また他面側の励振電極２２の一部にも同じ短辺に向かう引き出し電極２４の一端が接続される。

下面側の引き出し電極２４は、水晶片１０の下面側の一方の短辺の周縁まで引き回されており、上面側の引き出し電極２３は、水晶片１０の一方の短辺の側面を引き回された後、水晶片１０の下面側、一方の短辺の周縁まで引き回されている。各引き出し電極２３、２４は、水晶片１０の下面の一方の短辺に沿って、夫々両端へと引き回されて端子部２５，２６が形成されている。前記一面側の励振電極２１及び引き出し電極２３、他面側の励振電極２２及び引き出し電極２４は夫々一体的に形成されており、これら励振電極２１，２２は例えばクロム（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）の積層膜により形成されている。

水晶振動子１の端子部２５、２６は夫々台座部６３に設けられた接続電極２７、２８と、導電性接着剤３を用いて接続される。導電性接着剤３は、端子部２５、２６と接続電極２７、２８とを互いに導通させると共に水晶振動子１を台座部６３上面に固定する。これにより水晶振動子１は水平な姿勢で片持ち状に支持される。水晶振動子１をベース体６１に固定した後、ベース体６１の上面は蓋部６２により閉じられた後、例えば内部を真空にされて水晶振動子パッケージとなる。

本発明の実施の形態の水晶振動子１の作用について説明する。上述の水晶振動子パッケージを例えばコルピッツ回路などの発振回路に接続して、発振させた場合には、主振動として厚みすべり振動による高周波が発振される。さらに主振動以外の振動として、例えば輪郭すべり振動が副振動として発生する。
輪郭すべり振動は、図４（ａ）中に破線で示すように、平面的に見て、例えば一方の対角線方向に膨張し、他方の対角線方向に収縮する。その後図４（ｂ）中に破線で示すように一方の対角線方向に収縮し、他方の対角線方向に膨張し、この収縮膨張の動作を繰り返す。なお図４、図５は正方形の水晶振動子１の対角線方向に伸縮を繰り返す例を示している。輪郭すべり振動を行う場合には、ノードＮ（振動の節）は、水晶振動子１の中心と、水晶片１０の周縁部で四辺の夫々を２等分する位置に形成されている。また水晶片１０の各頂点の位置は、振動の変位の最も大きい自由端となる。

本発明の実施の形態の水晶振動子１では、水晶片１０の全周に沿ってβ水晶部１２を形成している。そのため水晶振動子１はβ水晶部１２により周縁部を固定された状態となるため、対角線方向に変形しにくくなる。従って周縁部にβ水晶部１２を形成した水晶振動子１に電流を印加して厚みすべり振動で発振させた場合に、副振動により、図５に示す矢印の方向に伸縮する力がかかるが、水晶振動子１を囲むように設けられたβ水晶部１２により対角線方向の変形が抑制される。そのため、副振動として表れる輪郭すべり振動が抑制される。

上述の実施の形態によれば、支持部に片持ちあるいは両持ちで支持されて、厚み滑り振動で振動する平板状の水晶振動子１において、水晶振動子１の励振電極２１、２２よりも外側の位置であって、水晶片１０の周縁に亘る領域に軸反転領域を形成した双晶としている。水晶振動子１の周縁部の部位は、厚みすべり振動の主振動に対して、副振動として発生する輪郭すべり振動の自由端（自由振動部）であるため、周縁部の振動を抑えることにより、輪郭すべり振動が抑制される。従って水晶振動子１を主振動で発振した際の発振周波数への副振動によるActivity dipsの発生が抑制される。

また本発明の水晶振動子は円板状の水晶片５０であってもよい。図６に示すように円板状の水晶振動子５の周縁部に沿って軸反転領域であるβ水晶部１２を形成する。水晶振動子は例えば２本の支持腕５１、５２により支持部に固定され厚みすべり振動で発振を行う。
このような円板状の水晶振動子５の場合、水晶振動子５の中心部と水晶振動子５の周縁部で各支持腕５１，５２の伸び出す位置に振動の節が形成され、副振動である輪郭すべり振動が発生する。しかしながら水晶振動子５の周縁部を囲うようにβ水晶部１２を設けて固定することで、水晶振動子５の水平方向の変形が抑制されるため、輪郭すべり振動を行う副振動は抑制される。

また水晶振動子は、その辺比（水晶片１０の長辺の長さ／水晶片１０の厚さ）が１００以下になると、輪郭すべり振動の副振動が表れ始め、特に辺比が５０以下の水晶振動子１では、輪郭すべり振動による副振動が大きくなる。そのため本発明は、辺比が１００以下の水晶振動子１に用いた場合により効果が大きいといえる。
さらに後述の実施の形態から、β水晶部は励振電極よりも外側の領域であって、水晶片の全周における７５％以上の領域を占めるように設けられていれば効果があることは確実である。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子として、図７に示すように、矩形の水晶片１０の１辺を除いた辺に沿って、β水晶部１２を形成してもよい。輪郭すべり振動は、対角線方向の振動である。そのためβ水晶部１２とはなっていない角がある場合には、当該角の部位が振動をしてしまい副振動が発生してしまう。またすべての角がβ水晶部１２となっている場合でも、例えば対向する２辺が共にβ水晶部１２となっていない場合には、対角線方向ではなく、β水晶部１２となっていない２辺の方向に前後に輪郭すべり振動を行ってしまい、副振動を発生する場合がある。

水晶振動子における、１辺を除いた残りの辺をβ水晶部１２とすること、即ち矩形の水晶振動子１では、３辺をβ水晶部１２とすることで、すべての角はβ水晶部１２となるため、輪郭すべり振動を行う角はなくなる。また３辺がβ水晶部であるため、対向する２辺の方向への輪郭すべり振動が発生する虞もない。そのため水晶片の全周に亘ってβ水晶部１２を形成した場合に限らず、３辺にβ水晶部１２を形成した場合にも、副振動を抑制することができる。さらにβ水晶部１２の形成されない辺を支持部に固定する部位とし、β水晶部１２の形成されない辺の両端に導電性接着剤を付して、支持部に固定することにより、β水晶部１２の形成されない辺の両端を固定端とすることができる。このようにすることでβ水晶部１２の形成されていない辺も変形しにくくなるため、より副振動の発生を抑制できる。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子１の効果を検証するため以下の試験を行った。水晶片１１は長さ５．０ｍｍ、幅２．５ｍｍの矩形状に形成されており、公称周波数は２６ＭＨｚである。励振電極は、ＣｒとＡｕにより２．０ｍｍ×２．０ｍｍ大きさで厚さ１００ｎｍで設けた。水晶振動子１は、２つの端子部に導電性接着剤が塗布され、支持部に固定される。水晶振動子１を内装する容器６の内部は真空にした。
実施例として、水晶片の四辺に沿って０．１５ｍｍの幅に双晶を形成した。即ち、水晶片の４．７ｍｍ×２．２ｍｍの領域が厚み滑り振動をする。また比較例として、支持部に固定される辺と対向する一辺を０．１５ｍｍの幅で双晶にした。

実施例及び比較例の夫々について、π回路法を適用して直列共振周波数の温度特性を調べた。また実施例についてはπ回路法を適用して直列抵抗の温度特性を調べた。なお水晶振動子の駆動電流は２ｍＡ±１０％である。直列共振周波数は、−４０℃から１２５℃まで２．５℃間隔で検出を行い、検出値より近似される４次の回帰式を求めた。直列抵抗も同様の温度で検出を行った。図８、図１０は、夫々実施例と比較例との直列共振周波数と温度との関係を示す特性図であり、近似式から算出される夫々の温度における直列共振周波数と実測値との差を、ｐｐｍで示し、温度ごとにプロットしている。また図９は、実施例の直列抵抗と温度との関係を示す特性図であり、検出値の平均値と実測値との差を、ｐｐｍで示し、温度ごとにプロットしている。
この結果によれば、比較例では、−３０℃付近の周波数に Frequency dipsが認められるが、実施例では、周波数ジャンプは発生していない。本発明の実施例の水晶振動子を用いた場合は、Activity dipsやFrequency dipsを抑制することができるといえる。

１ 水晶振動子
１０ 水晶片
１１ 第１の水晶領域
１２ 第２の水晶領域
２１、２２ 励振電極
３ 導電性接着剤
６ 容器
６３ 台座部

Claims (4)

1. 支持部に支持され厚み滑り振動で振動する板状の水晶片と、
   前記水晶片の第１の水晶領域の両面に設けられた励振電極と、
   前記励振電極よりも外側位置であって、水晶片の全周における７５％以上の領域を占めるように前記水晶片の周縁部に形成され、前記第１の水晶領域とは結晶のＸ軸の正負の向きが異なる第２の水晶領域と、を備えることを特徴とする水晶振動子。
2. 支持部に支持され厚み滑り振動で振動する矩形状の水晶片と、
   前記水晶片の第１の水晶領域の両面に設けられた励振電極と、
   前記励振電極よりも外側位置であって、少なくとも前記水晶片における一辺を除いた残りの辺に沿った領域に形成され、前記第１の水晶領域とは結晶のＸ軸の正負の向きが異なる第２の水晶領域と、を備えることを特徴とする水晶振動子。
3. 容器内に設けられた請求項１または２に記載された水晶振動子と、
   前記容器に設けられ、前記励振電極と外部の導電路とを電気的に接続するための電極部と、を備えることを特徴とする振動子パッケージ。
4. 請求項３に記載された振動子パッケージと、前記電極部と接続されて水晶振動子を発振させるための発振回路と、を備えることを特徴とする発振器。

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