JP4069773B2 - 圧電振動片、圧電振動子および圧電デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電効果を利用した振動片に係り、特に、いわゆる新しいカット水晶板を用いた圧電振動片、圧電振動子および圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の各種機器における電子化、通信システムの発達に伴って圧電発振器をはじめとする圧電デバイスが多用されている。特に、圧電材料としての水晶は、高い周波数が得られるとともに、安定した周波数特性を有するところから圧電デバイスに広く採用されている。そして、ＡＴカット水晶板（以下、単にＡＴカット板と称する）は、広範囲な温度領域において安定した周波数特性を有する圧電振動子が得られるところから、古くから圧電デバイスに用いられている。このＡＴカット板は、一片がＸ軸に平行であって、ＸＺ面をＸ軸回りに３５．２５度時計方向（Ｘ軸の−Ｘ方向から＋Ｘ方向を見た場合を基準）に回転させたカット角で切り出したものである。
【０００３】
しかし、近年、発振器などの実装の高集積化に伴い動作温度が高くなり、振動子の動作温度も高く設定する必要が出てきた。そのため、従来のＡＴカット振動子に代わりカット角を２軸の回りに回転するダブルローテーションの振動子が考案された。
【０００４】
水晶の結晶軸（電気軸、機械軸、光学軸）のうち、２軸に対して回転させたカット角によって切り出した水晶板（ダブルローテーション基板）を用いると、周波数温度特性の中心温度が高温側にシフトすることは理論的に証明されている。そして、−２５℃〜＋１００℃の温度範囲において周波数が安定したカット角も存在することになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このようにダブルローテーション基板は、安定な周波数温度特性を得ることができるが、それと同時に主振動に対するスプリアス振動の発生が多く、スプリアスと主振動の機械的振動結合による周波数ジャンプ、或いは、抵抗値の上昇が多く発生する。スプリアス振動の多くは、ブランクの長辺又は、短辺のそれぞれに依存する輪郭振動又は、その複合モードである。従って、ブランクを設計する時にはスプリアス振動が主振動周波数の近くに存在しないよう、その形状の決定を慎重にしなければならない。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３２１８５３７号公報
【特許文献２】
特開２００３−０３７４６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ダブルローテーションの振動子の温度特性は、例えばＺ軸の回りに１０度回転した後、Ｘ軸の回りに３４．９度回転した振動子の−２５℃から＋１００℃までの周波数温度特性を取ると図３に示すようになる。図中、点線で示したのが従来のＡＴカット振動子の周波数温度特性であるが、ダブルローテーション振動子はＡＴカット振動子と比較して高温領域で安定な周波数温度特性を示すことがわかる。このダブルローテーション振動子は周波数温度特性がＡＴカットでは約２５℃付近に接線の傾き０の点があるのに対して、（以後、この点における温度を中心温度と称する。）その中心温度が回転角φに依存して２５℃から１００℃以上まで変化する性質がある。
【０００８】
以上で示したダブルローテーション振動子の特性は有用であるが、一方、従来のＡＴカット振動子に対して他の振動モードを持つスプリアス振動（不要振動）の発生が多い。例えば、ブランクの長辺、短辺に依存する輪郭振動などはブランク形状のずれにより周波数が変化するため、それが主振動に近づきすぎた時には双方の振動が機械的に結合して、主振動の周波数ジャンプや抵抗上昇を引き起こす。同様に動作温度とされる−２５℃から１００℃までの温度領域においても特定温度でスプリアスが主振動の近くに発生し、主振動の周波数がずれたり抵抗値が増したりする現象が起きる。ＡＴカット振動子でも同様の現象が観測されるが、特にダブルローテーションの場合は発生頻度が多い。
発明者らは、その原因について有限要素法という解析方法を用いて原因を調べた。
【０００９】
その結果、主振動である厚みすべり振動の変位方向に原因があることが判明した。従来のＡＴカット振動子は変位方向がＸ方向のみの厚みすべり振動であるのに対し、ダブルローテーション振動子の変位方向はＸ、Ｙ、Ｚすべての成分を持っている。スプリアス振動により周波数がずれたり、抵抗値が増したりする現象は、主振動とスプリアスが同じ変位成分を持っていて振動の結合(共振)を起こす事による。即ち、ＡＴカット振動子の主振動はＸ方向の変位成分を持つものだけと結合をするが、ダブルローテーション振動子は３方向の変位成分を持つために大多数のスプリアス振動と結合を起こす可能性が出てくる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、ダブルローテーションカットにおける水晶ブランクの表面、即ちＸ’軸とＺ’軸とによって構成される平面における変位ベクトルを計算し、その変位ベクトル方向にＸ”軸が沿うようにＹ’軸の回りに時計方向に面内回転をかけた。新しい矩形ブランクの両辺は、このようにできた新しいＸ”軸とＺ”軸にそれぞれ平行であるように切断された。
【００１１】
本発明は、水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の回りに時計方向に前記Ｘ軸を３度以上３０度以下回転させて設定したＸ’軸に平行な辺を有し、前記Ｘ’軸の回りに時計方向に前記Ｚ軸を３３度以上３６度以下回転させたＺ’軸に平行な辺を有する水晶板を、その厚み方向であるＹ”軸の回りに時計方向に―３５度以上−２度以下回転させたＸ”軸とＺ”軸のそれぞれに平行な辺を有する水晶板からなることを特徴とすることを特徴とする。
【００１２】
本発明による圧電振動片は、主振動周波数が様々な形状に対して安定で、スプリアス振動が主振動に近づいてもあまり変化する事が少なく周波数ジャンプや抵抗上昇の起こる確率が低かった。
【００１３】
なお、この発明において「軸の回りに時計方向」とは、その軸のマイナス側からプラス側を見たときを基準にしている。従って、例えば「Ｚ軸の回りに時計方向に」とは、「−Ｚ方向から＋Ｚ方向に見て時計方向に」ということである。
【００１４】
そして、本発明に係る圧電振動子は、上記のいずれかの圧電振動片からなることを特徴としている。これにより、ブランクの長辺、短辺の加工ずれに対する周波数の安定度を図る事ができる上、−２５℃〜＋１００℃の広い温度範囲においても周波数の安定した圧電振動子が得られる。
【００１５】
また、本発明に係る圧電デバイスは、上記の圧電振動子を備えていることを特徴とする。これにより量産工程における加工誤差に対する許容度がまし、安定した周波数が得られる。結果として自動車用部品などのように使用される温度範囲が広い場合であっても、温度補償回路を必要とすることなく周波数を安定させることができ、部品点数や工数の増加を避けることによりコストの低減が図れる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電振動片および圧電振動子並びに圧電デバイスの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１７】
図１と図２は、本発明に係る圧電振動片である水晶振動片を得るための水晶のカット角を説明する図である。図１において、水晶結晶１０の直交する３軸、すなわち電気軸をＸ軸、これに直交した機械軸をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸とに直交した光学軸をＺ軸とする。本発明にて定義したダブルローテーションカット角水晶板（水晶基板）１１のカット角は、まず、Ｚ軸の回りにＸ軸を時計方向にφだけ回転させたＸ’軸を設定し、このＸ’軸に平行な辺を有する。さらに、水晶板１１は、Ｘ’軸の回りに、Ｚ軸を時計方向にθだけ回転させたＺ’軸に平行な辺を有している。
【００１８】
本発明にかかる水晶片１２は前記水晶版１１を図２に示すようにＹ’軸の回りに角度Ωだけ回転させてできたＸ”、Ｚ”軸にそれぞれ平行な辺を有する水晶片である。本図においてＹ’軸の＋方向は紙面裏から表に向かう方向である。
【００１９】
発明者らは、水晶結晶１０のＸ軸、Ｚ軸、Ｙ’軸とのそれぞれの回りに回転させたカット角について種々検討した結果、本カット角振動子は従来のダブルローテーション振動子と比較して様々な形状においてスプリアス振動による周波数ジャンプや抵抗上昇が少なく、温度特性も安定していることを見出した。
【００２０】
図４に示すようにダブルローテーションカット水晶片１１上における主振動の変位方向を計算から導き出すと、主振動の変位方向は図中矢印のようにＸ”軸の長辺方向と平行ではなくずれ角γを持つ。図５はＺ軸回りの回転角φを変えたときのダブルローテーションカット水晶片１１上における主振動の変位方向を計算から導き出したものである。横軸がＺ軸回りの回転角φ、縦軸が変位方向のずれγを＋Ｙ’軸に対して時計方向を＋と定義して表したものである。図から明らかなように、回転角φが大きくなるほど、Ｘ’軸と変位方向とのずれγが−方向に大きくなることがわかった。
【００２１】
そこで、ブランクの長辺方向と主振動の変位方向とを平行にするためγ分だけ、Ｘ’軸とＺ’軸で形成される平面内でＹ’軸の回りに回転させることにする。この回転角がΩである。例えば、変位方向が長辺方向に平行な場合と平行でない場合で、スプリアス振動による主振動周波数のずれがどの程度か、又、抵抗値の上昇はどの程度かを計算した。ここで、Ｘ”軸に平行な辺を長辺とし、Ｚ”軸に平行な辺を短辺とした。図６から図８に示したのが、その結果である。図の横軸はブランクの短辺の長さを水晶の厚みで除したＺ辺比、縦軸は周波数を示す。ここでは、φは２０度、ブランクの長辺は一定長さ２．０ｍｍとした。図中、白い点で表されたのが主振動の周波数位置、黒い点群で表されたのがスプリアス振動の周波数位置である。点の大きさは、それぞれの振動の強度に対応し、大きい点ほど振動強度が大きい。例えば、図６中に線で示したのはあるスプリアス振動に注目してその動きを示しているが、ブランクのＺ辺比が大きくなるにつれてスプリアス位置は低周波側にずれる。それに対して主振動はＺ辺比によらずほぼ一定であるが、スプリアス振動が近づくと振動結合により周波数が大きくずれることがわかる。同時に、スプリアス振動の点が大きくなることから振動強度が主振動に対して大きくなることが推測できる。この時、主振動の振動強度は振動エネルギーをスプリアス振動に奪われ小さくなる。即ち、主振動の抵抗値が上昇する。それでは、各図を比較してみる。図６は変位方向をブランクの長辺方向と平行にした場合でＹ’軸回りの回転角Ωは−８度、図７はΩが０、即ち、ダブルローテーションカット角で長辺方向が変位方向から８度ずれた場合、図８はΩが８度で長辺方向が変位方向から１６度ずれた場合である。３つの図を比較してわかったことは、変位方向と長辺方向が平行な図６では周波数のずれも小さくスプリアス振動の強度も、それほど大きくない。しかし、図７、図８で見るように変位方向と長辺方向が、平行からずれるに従って周波数の変動幅が増しスプリアス振動全体の振動強度が増している。
【００２２】
以上の事を計算上で確認した後、本発明に関わる水晶片を用いた振動子の試作を行った。試作条件は、φが２０度、θが３４．０度のダブルローテーションカット角水晶振動片をＹ’軸回りにそれぞれΩ−８度、０度、８度に回転させて作った。ブランクの長辺と短辺は面内回転後のＸ”軸、Ｚ”軸にそれぞれ平行とした。本試作では長辺は一定とし、短辺をＺ辺比にして１５．０から１７．０まで変化させ各振動片の主振動周波数を測定した。
【００２３】
図９、図１０、図１1は上記測定結果を周波数の度数分布で表したものである。主振動の変位方向が長辺方向と平行である図９は変位方向と長辺方向とのずれが８度ある図１０や、ずれが１６度ある図１１に比較して周波数のばらつきが小さく、ずれが大きくなるほどばらつき幅も大きくなっている。これは、平行から大きく離れるほど様々な形状でのスプリアス振動との振動結合が多く起こり主振動周波数がジャンプしたためと考えられる。以上の結果から、長辺方向と変位方向を平行にすることで振動片の形状によらず、安定した周波数が得られることがわかった。
【００２４】
ここで、本発明振動片の周波数温度特性を測定した。図１２にその結果を示す。図３で示されたダブルローテーション振動子の周波数温度特性と同様の広い温度領域で安定な主振動周波数を得ることができ、Ｙ’軸回りの回転による温度特性への影響はほぼないものと確認できた。
【００２５】
以上の結果から、ダブルローテーションカット角振動子においては主振動の変位が長辺方向とは平行でないために、近くに存在するスプリアス振動と結合し易く、その結果周波数ジャンプや抵抗値の増加が起こり易い。それを回避するにはダブルローテーションのカット角においてΩを−３５度から−２度の範囲内における面内回転することが望ましい。但し、φが３度以下（但し、３度は含まない。）では変位方向と長辺方向がほぼ平行であるため、Ｙ’軸回りの面内回転をする必要性はない。更に、φが３０度以上（但し、３０度は含まない。）の場合は、温度特性曲線の中心温度が高温になりすぎるため実用的ではない。従って、φの領域は３度以上３０度以下が望ましい。このφの領域で、温度特性曲線が中心温度付近で接線の傾きが０となるθの範囲は、３３度以上３６度以下となる。以上を数式で表すと
【００２６】
【数２】

【００２７】
特に図５で示された
【００２８】
【数３】

の関数を満たすφとΩの関係が最適条件と考えられるが、ダブルローテーションカット振動子の周波数温度特性の良好な領域は、辺比、電極によるプレートバック量で多少異なる。それにより、Ωの最適領域もずれるため、実際には数式３より導き出したΩの値±３度の幅が最適領域となる。これを式に表すと、Ωは、−３５度以上、かつ、−２度以下であって、
【００２９】
【数４】

【００３０】
上記の条件で得たカット角によって切り出された水晶板１２からなる圧電振動片（水晶振動片）は、パッケージ内に封入することにより、圧電振動子として使用することができる。図１３は、圧電振動子の説明図である。そして、同図（１）は同図（２）のＢ−Ｂ線における平面断面図であり、同図（２）はＡ−Ａ線における側面断面図である。
【００３１】
図１３において、圧電振動子２０は、パッケージ２２がセラミック材料等の絶縁材により形成してある。そして、パッケージ２２は、圧電振動片２４を収納するキャビティ２６を形成している。また、パッケージ２２は、キャビティ２６の底面に電極３０および配線パターン（図示せず）を形成して、パッケージ２２の裏面に形成した外部端子（図示せず）との導通を可能とする。そして、圧電振動片２４を片持ち状態でキャビティ２６内に実装される。具体的には、電極３０の上に導電性接着剤３２を塗布し、その上に圧電振動片２４の接続電極３４を配置して固定する。これにより、パッケージ２２の底面の外部端子から、圧電振動片２４の励振電極３６に通電可能となる。なお、パッケージ２２の上部には蓋部材３８を装着して、パッケージ２２の内部を窒素雰囲気等に保持する。
【００３２】
また、本実施形態に係る圧電振動片は、集積回路素子と組み合わせて発振回路を形成することにより、圧電発振器として使用することができる。例えば、図１３に示す圧電振動子２０と図示しない集積回路素子とを、配線パターンを形成したモジュール基板上に実装することにより、圧電発振器モジュールを形成することができる。また、図１３に示すパッケージ２２の内部に、圧電振動片２４とともに集積回路素子を封入することにより、圧電発振器パッケージを形成することができる。
【００３３】
なお、本発明に係る圧電振動片は、平板状であってもよいし、コンベックス状、または圧電振動片の中央部が凹部となった逆メサ形であってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によるカット角を採用することにより、様々な水晶片の形状に関わらず主振動周波数を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の基となるダブルローテーションカット角の説明図である。
【図２】 本発明の実施形態に係るカット角の説明図である。
【図３】 ダブルローテーション振動子（φ=１０°、θ＝３４．９°）の周波数温度特性。
【図４】 ダブルローテーション振動子平面上の主振動の変位方向を表した図である。
【図５】 Ｚ軸回りの回転角φと変位の長辺方向からのずれγの関係を表した図である。
【図６】 変位方向が長辺方向と平行な場合のＺ辺比と周波数との関係を表す。
【図７】 変位方向が長辺方向と８度ずれた場合のＺ辺比と周波数との関係を表す。
【図８】 変位方向が長辺方向と１６度ずれた場合のＺ辺比と周波数との関係を表す。
【図９】 変位方向が長辺方向と平行にした場合の各形状における主振動周波数のばらつきを度数分布で表したものである。
【図１０】 変位方向が長辺方向と８度ずれた場合の各形状における主振動周波数のばらつきを度数分布で表したものである。
【図１１】 変位方向が長辺方向と１６度ずれた場合の各形状における主振動周波数のばらつきを度数分布で表したものである。
【図１２】 本発明の水晶振動紙片のφ＝１０°、Ω＝−８．０°、θ＝３４．８５°の時の周波数温度特性を表す図である。
【図１３】 実施の形態に係る圧電振動子の説明図であって、（１）は（２）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（２）は（１）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【符号の説明】
１０ 水晶結晶
１１ ダブルローテーションカット角水晶板
１２ 本発明による水晶板
２０ 圧電振動子
２２ パッケージ
２４ 圧電振動片
３０ 電極
３６ 励振電極

Claims (4)

1. 水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の回りに時計方向に前記Ｘ軸を３度以上３０度以下回転させて設定したＸ’軸に平行な辺を有し、前記Ｘ’軸の回りに時計方向に前記Ｚ軸を３３度以上３６度以下回転させたＺ’軸に平行な辺を有する水晶板を、その厚み方向であるＹ”軸の回りに時計方向に―３５度以上−２度以下回転させたＸ”軸とＺ”軸のそれぞれに平行な辺を有する水晶板からなることを特徴とする圧電振動片。
2. 請求項１に記載の圧電振動片において、前記Ｚ軸の回りに回転する角度をφ度、前記Ｘ’軸の回りに回転する角度をθ度、前記Ｙ”軸の回りに回転する角度をΩ度と定義した時に、
   前記Ωは、−３５度以上、かつ、−２度以下であり、
   

   

   であることを特徴とする圧電振動片。
3. 請求項１または、請求項２に記載の圧電振動片からなることを特徴とする圧電振動子。
4. 請求項３に記載の圧電振動子を備えていることを特徴とする圧電デバイス。

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