JPH0463567B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は厚みすべり振動を行なう水晶振動子に
関するものである。

［従来の技術とその解決すべき課題］ 従来、厚みすべり振動を行なう水晶振動子とし
て、円板状のATカツト水晶振動子があつた。こ
のATカツト水晶振動子は、周波数温度特性が優
れているため広く普及されているが、小型化が困
難であるという欠点を持つていた。

また、矩形形状のATカツト水晶振動子も提案
されている。しかしこれにおいても、水晶振動子
を小型化して、水晶片の幅と厚みの比、すなわち
辺比を小さくすると、主振動レベルが低下すると
ともに不要振動の数およびレベルが増大し、主振
動特性が低下して実用には不適であつた。

さらに、水晶片の側面を約５度傾斜させた矩形
状ATカツト水晶振動子が提案されている。これ
は、輪郭系振動との結合を小さくすることによつ
て主振動特性の低下を防止しようとしたものであ
るが、この水晶振動子においても、小型化してい
くと主振動レベルが低下してしまうという欠点は
解消されなかつた。

このように、従来のいずれの水晶振動子におい
ても、主振動特性を低下させずに小型化するとい
うことは困難であつた。

［発明の目的］ 本発明の目的は、主振動レベルを低下させるこ
となく、極めて小型化することが可能な厚みすべ
り水晶振動子を提供することにある。

また本発明のもう１つの目的は、輪郭系の不要
振動群を主振動領域から遠ざけることができ、主
振動にて安定的に発振できる厚みすべり水晶振動
子を提供することにある。

［目的を達成するための手段］ 本発明に係る厚みすべり水晶振動子の特徴は、
水晶のＸ軸を中心としてＹ軸をＺ軸方向に、また
Ｚ軸を同方向にそれぞれ約35度だけ回転して
Y′軸およびZ′軸を設定し、つぎにY′軸を中心と
してＸ軸およびZ′軸をそれぞれ角度φだけ回転し
てX″軸およびZ″軸を設定し、水晶片は長手方向
が上記X″軸方向と一致しており、上記角度φは
３度ないし30度に設定してあり、上記水晶片の長
手方向の側面は、X″軸−Y′軸平面に対しZ″軸方
向に所定角度だけ傾斜しているところにある。

［作用］ 棒状の厚みすべり水晶振動子を上記構成とする
ことによつて、水晶振動子を従来よりも小型化し
ても、輪郭系の振動との結合が疎にできるととも
に、主振動の共振レベルが高くなるため、安定し
た発振が行なえる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例について説明する。

第１図に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、それぞれ水
晶の電気軸、機械軸、光軸である。そして、Ｘ軸
を中心として、Ｙ軸をＺ軸方向に角度θだけ回転
してY′軸が設定され、Ｚ軸を同方向に角度θだ
け回転して、Z′軸が設定される。この角度θは、
通常のATカツト水晶板の切出角度と同じ約35度
である。

次に、Y′軸を中心としてＸ軸をZ′軸方向に角度
φだけ回転してX″軸が設定され、Z′軸を同方向
に角度φだけ回転してZ″軸が設定される。本発
明においては、角度φは３度〜30度の範囲に設定
される。

第１〜４図に示す水晶素片１は略矩形状をして
おり、その長手方向がX″軸方向に一致している。
水晶素片１の主面１ａ，１ｂは、X″軸−Z″平面
に平行に形成されている。そして、長手方向の側
面１ｃ，１ｄは、X″軸−Y′軸平面に対し、角度
ζだけZ″方向へ傾斜している。本発明において
は、角度ζは１度〜６度の範囲に設定される。な
お、最適な角度ζは、角度φに基づき第２図の関
係より決定される。水晶素片１の端面１ｅ，１ｆ
は、Y′軸−Z″軸平面に平行である。

以下に述べる実施例においては、水晶素片１を
加工して形成した、長さｌが約６mm、幅ｗが約１
mm、厚さｔが約0.4mm、辺比（幅ｗ／厚さｔ）が
2.5の水晶片の例を示している。

なお、以下に示す第１の実施例および第２の実
施例においては、角度φ≒15度、角度ζ≒５度に
設定した。

第５〜８図に本発明に係る水晶片の第１の例を
示している。この水晶片１１は、水晶素片１の一
方の主面１ａが、Z′軸に平行な円柱の側面の一部
をなすように研磨加工されて形成されている。こ
れによつて、主面１１ａは、Z′軸方向に沿つて均
一な厚みとなるとともに、X″軸方向に沿つて、
中央部が厚く両端部に行くに従つて薄くなるシリ
ンドリカル形状になつている。なお、他方の主面
１１ｂ、側面１１ｃ，１１ｄおよび端面１１ｅ，
１１ｆは水晶素片１の各面が加工されずにそのま
ま現れている。そして、第６図および第８図に示
されているように、円柱面加工がZ′軸方向に行な
われるため、端面１１ｅ，１１ｆにおいては、厚
さの変化が生じている。

第９〜１１図に本発明に係る水晶片の第２の例
を示している。この水晶片２１は、水晶から切断
角度約35度ににて切出した通常のATカツト水晶
板２２より切出したものである。すなわち、AT
カツト水晶板２２の一方の面に、Z′軸方向に沿つ
て円柱面加工を行なつた後、角度φ，ζをもつて
斜めに切断する。このようにして切断した水晶片
２１は、長手方向が、Ｘ軸をZ′軸方向に角度φだ
け回転させたX″軸に一致しており、一方の主面
２１ａは上記の円柱面加工によつて、Z′軸に沿つ
て厚みが均一で、Ｘ軸に沿つて中央部から両端部
に行くに従つて厚みが薄くなるように形成されて
いる。また水晶片２１の長手方向の側面２１ｃ，
２１ｄは、X″軸−Y′軸平面に対しZ″軸方向に角
度ζだけ傾斜している。そして端面２１ｅ，２１
ｆは、Y′軸−Z′軸平面と平行になつている。

なお、上記第１の実施例の水晶片１１および第
２の実施例の水晶片２１において、両主面にそれ
ぞれ円柱面加工を施すこともできる。そうする
と、両端部の厚さをさらに薄くすることができ
る。この場合は円柱面加工の際の曲率半径を大き
くする必要がある。

第１２〜１５図に本発明に係る水晶片の第３の
例を示している。この水晶片３１は、上記の水晶
素片１よりも辺比ｗ／ｔが大きい水晶素片を用
い、角度φ≒10度、角度ζ≒5.1度に設定した。
そして、水晶素片の両端部を傾斜面に加工するベ
ベル加工をZ′軸に沿つて施して形成されたもので
ある。これによつて、水晶片３１は、Z′軸に沿つ
て厚さが均一になり、両端部はＸ軸に沿つて端縁
方向へ行くに従つて厚さが薄くなつている。そし
て、水晶片３１は、長手方向がX″軸方向と一致
しており、主面３１ａ，３１ｂは両端部がベベル
加工されている。長手方向の側面３１ｃ，３１ｄ
は、X″軸−Y′軸平面に対し、Z″軸方向に角度ζ
だけ傾斜している。端面３１ｅ，３１ｆはY′軸
−Z″軸平面と平行に形成されている。

なお、ベベル加工は一方の主面にのみ行なつて
もよい。また、端面は、Y′軸−Z′軸平面と平行に
形成してもよい。

第１６〜１９図に本発明の第４の実施例を示し
ている。この水晶片４１の製造にあたつては、Ｙ
軸を中心にして、Ｘ軸をZ′軸の反対方向に角度φ
だけ回転してX″軸が設定され、Ｚ軸を同方向に
角度φだけ回転してZ″軸が設定されている。こ
の実施例においては、角度φが約５度で角度ζが
５度強に設定している。そして、このZ″軸に沿
つて、水晶片４１の両主面４１ａ，４１ｂにバイ
シリンドリカル加工を施している。これによつ
て、水晶片４１はZ″軸に沿つて厚さが均一にな
り、X″軸に沿つて中央部から両端部に行くに従
つて薄く形成されている。長手方向の側面４１
ｃ，４１ｄはX″軸−Y′軸平面に対しZ″軸方向に
角度ζだけ傾斜している。端面４１ｅ，４１ｆ
は、Y′軸−Z″軸平面に平行に形成されている。

水晶は三方晶系に属するため、X″軸，Z″軸を
設定する際に、Ｙ軸を中心にして３〜30度の範囲
で、Ｘ軸およびZ′軸をどちら側へ回転しても同様
な効果を呈することができる。

本発明に係る水晶片は上記のように形成され
る。次にこの駆動方法について第２０，２１図を
参照して説明する。

水晶片１１の両主面１１ａ，１１ｂの中央部に
は、駆動電極１２，１３がそれぞれ蒸着などによ
り形成されており、駆動電極１２，１３からは引
出電極１２ａ，１３ａが、水晶片１１の端部まで
延出されている。駆動電極に電界を印加すると、
水晶片１１は発振する。この駆動方法について
は、上記第１〜４の実施例における水晶片すべて
に関して同様である。

本出願人は様々な条件で実験を行なつている。
まず、そのうちの２つの例について、第２２図、
第２３図を参照して説明する。これらの実験にお
いては、第１の実施例において示した水晶片１１
と同様に、長さｌ≒６mm、厚さｔ≒0.4mmの水晶
片の一方の主面にシリンドリカル加工を施して形
成したものを用いた。

第１の実験として、角度φ≒15度、角度ζ≒５
度の条件に基づいて形成した上記の水晶片の共振
周波数を測定した。この水晶片の幅ｗと共振周波
数との関係を第２２図に示している。なお、この
グラフ中で、は主振動を示し、○の大きさは共
振レベルの高さを示している。他の○は副振動を
示し、共振レベルが低い振動は点で示している。
この結果を見ると、幅ｗが１mm付近および1.35mm
付近において、主振動の共振レベルが非常に高
く、主振動に近接した副振動は少なく、最も良好
な振動特性を示すことがわかる。しかし、それ以
外の範囲においても、幅ｗが1.55mmよりも小さい
ものは概ね良好な振動特性を示している。

第２の実験においては、角度φ≒30度、角度ζ
≒4.5度の条件に基づいて形成した上記の水晶片
の共振周波数を測定した。この水晶片の幅ｗと共
振周波数との関係を第２３図に示しており、グラ
フ中の記号は第２２図に示したものと同様であ
る。これによると幅ｗが0.95mm〜1.35mm程度の範
囲において、主振動の共振レベルが高く、主振動
に近接する副振動は少なく振動特性が優れてい
る。特に1.25mm以下において顕著である。

本出願人は、上記第１、第２の実験以外にも
様々な条件において実験を行なつた。次に、第２
４〜３０図に示す実験について説明する。これら
のグラフにおいて、縦軸は共振レベルの大きさを
示し、横軸は周波数を示している。

第２４図は、従来の水晶振動子すなわち角度φ
が０度のものについて、幅ｗを約1.00mmとした場
合の共振レベルの測定結果である。これによる
と、主振動Ａの共振レベルは十分高いものの、主
振動と近接する周波数の副振動Ｂの共振レベルが
大きく実用に不適であることがわかる。

第２５〜２９図は角度φが５度、10度、15度、
30度、45度の水晶振動子について 、幅ｗを約
1.00mmとした場合のそれぞれの測定結果を示した
ものである。これらは全て主振動Ａの共振レベル
が十分大きく、この主振動に近接する周波数の副
振動は殆どなく実用に適していることがわかる。
第２８図に示すφ≒30度の場合にやや大きめの副
振動Ｂが見られるが、これも主振動Ａから離れて
いるため、実用に支障はないとみなされる。

そして、第３０図には角度φが60度で幅が約
1.00mmの水晶振動子についての測定結果を示して
いる。主振動Ａの共振レベルは高いけれどもこれ
と近接する副振動Ｂの共振レベルが大きいため、
実用には不適である。

次に第３１図に示すグラフについて説明する。
このグラフは、長さｌが約5.90mm、幅ｗが約1.00
mmで、角度φが０度、５度、10度、15度、30度、
45度の水晶振動子について、それぞれクリスタル
インピーダンス（以下「CI値」という。）を測定
した結果を示している。なお、測定値にばらつき
があつたのでその中央付近を○で示し、ばらつき
の範囲を実線で示している。また、比較例として
従来実用に供されている水晶振動子、すなわち、
幅ｗが1.67mm前後で角度φが０度の水晶振動子の
CI値およびそのばらつきの範囲を△および破線
で示している。なおCI値は主振動レベルが高い
程小さくなるものであり、この値が小さい程実用
に適するものである。

このグラフより明らかなように、角度φが０度
である従来の水晶振動子においては、幅ｗが1.67
mm前後の大きさのものはCI値が十分低く実用に
適していたが、幅ｗが約1.00mmと小さい場合には
CI値が高過ぎて使用可能であるため、水晶振動
子の小型化はできなかつた。これに対して、角度
φが５度、10度、15度、30度のものは、幅ｗが
1.00mm前後であつてもCI値が小さく十分実用に適
している。ただし、角度φが45度のものは、CI
値が高く、実用には適さないことがわかつた。

このように、第２４〜３０図に示す測定結果と
第３１図に示す測定結果とを総合し、実験誤差や
ばらつきを考慮に入れると、水晶振動子の角度φ
が３〜30度程度の範囲にあるときに幅ｗを約1.00
mmまで小さくできると判断できる。

主振動の共振レベルや副振動の数およびレベル
の点から、実用に最適な角度φと角度ζとの組み
合わせを実験的に求め、グラフにプロツトしたも
のが第２図である。このグラフより、上記のよう
に角度φが３度〜30度の範囲内であるときの角度
ζは１度〜６度の範囲にあることがわかる。な
お、角度ζの範囲が５度前後であることは、従来
品とほぼ同じである。

以上のように、角度φ＝３〜30度の範囲の水晶
振動子は、主振動の共振レベルが高くかつ主振動
に近接する副振動は少なく、またCI値が低く、
実用的に十分な性能を有することが明らかになつ
た。

なお、従来のATカツト水晶板と同様に、本発
明における角度θは34度〜36度の範囲であり、角
度ζは１〜６度の範囲である。

以上のように、本発明によると辺比が小さく主
振動特性の優れた水晶振動子が得られる。従つ
て、水晶振動子の幅を小さくしても、主振動特性
が低下することがないため、従来より小型化する
ことが可能である。

［効果］ 以上のように本発明によると、厚みすべり水晶
振動子と極めて小型化することができる。また、
主振動領域から不要振動をほとんど除去すること
ができるため、主振動特性を安定化することがで
きる。このため、製造上の公差を大きくしても、
安定した発振を行なえる厚みすべり水晶振動子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水晶素片の一実施例を示す斜
視図、第２図は角度φと角度ζの関係を示すグラ
フ、第３図は水晶素片の正面図、第４図は水晶素
片の側面図、第５図は水晶素片を加工した水晶片
の第１の実施例の正面図、第６図はその側面図、
第７図はその底面図、第８図は第５図−線矢
視図、第９図は水晶片の第２の実施例の正面図、
第１０図はその側面図、第１１図は第９図−
線矢視図、第１２図は水晶片の第３の実施例
の正面図、第１３図はその側面図、第１４図はそ
の底面図、第１５図は第１２図−線矢視
図、第１６図は水晶片の第４の実施例の正面図、
第１７図はその側面図、第１８図はその底面図、
第１９図は第１６図IX−線矢視図、第２
０図は水晶片に駆動電極を形成した水晶振動子の
正面図、第２１図はその背面図、第２２図は水晶
振動子の幅と共振周波数との関係図、第２３図は
他の水晶振動子の幅と共振周波数の関係図、第２
４〜３０図は異なつた角度φの水晶振動子の共振
レベルと周波数との関係図、第３１図は水晶振動
子の角度φとCI値との関係図である。 １……水晶素片、１１，２１，３１，４１……
水晶片、１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１
ａ，３１ｂ，４１ａ，４１ｂ……主面、１１ｃ，
１１ｄ，２１ｃ，２１ｄ，３１ｃ，３１ｄ，４１
ｃ，４１ｄ……側面、θ，φ，ζ……角度、ｔ…
…厚さ、ｗ……幅。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水晶のＸ軸を中心としてＹ軸をＺ軸方向に、
   またＺ軸を同方向にそれぞれ約35度だけ回転して
   Y′軸およびZ′軸を設定し、つぎにY′軸を中心と
   してＸ軸およびZ′軸をそれぞれ角度φだけ回転し
   てX″軸およびZ″軸を設定し、 水晶片は長手方向が上記X″軸方向と一致して
   おり、上記角度φは３度ないし30度に設定してあ
   り、 上記水晶片の長手方向の側面は、X″軸−Y′軸
   平面に対しZ″軸方向に所定角度だけ傾斜してい
   る。 ことを特徴とする厚みすべり水晶振動子。 ２ 上記水晶片は、Z′軸方向に沿つて均一な厚さ
   になるとともに、Ｘ軸方向に沿つて中央部から両
   端部に行くに従つて薄くなるように形成してある
   ことを特徴とする請求項１に記載の厚さすべり振
   動子。