JPH0658621U - 感温性の水晶発振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可能な限り大きい温度係数を有するが、それ
にもかかわらず、名目上同一の大量生産された結晶中で
可能な限り小さい温度係数のばらつきを示す水晶発振
子、特に、いわゆる厚みすべり発振子を提供することを
目的とする。 【構成】 通常のｙ−カット結晶で一般的である、電気
軸（ｘ）が切断の角度と交差する角度φの許容範囲が＋
１度と−１度の間にあるということと同時に、光軸
（ｚ）が切断の平面と交差する角度θの範囲は、２つの
狭い範囲、すなわち３度から６度までにわたる第１の範
囲、及び６８度から７２度までにわたる第２の範囲の一
方の範囲内にあるようにした水晶発振子が提供される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の分野】

本考案は、水晶発振子の結晶の周波数の温度係数に対して狭い許容範囲を有し た、量産され得る温度測定用の感温性の水晶発振子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

発振周波数の高い温度係数を有するための既知のいわゆるｙ−カットの感温性 の水晶発振子の結晶は、米国特許第3,486,023号 明細書から知られている。「ｙ −カット」とはここでは、発振子の結晶の主表面を限定するための、結晶が切断 される平行表面が、ｘ及びｚ軸の存在するいわゆるｙ−平面内に走るということ を意味する。石英の結晶もしくは水晶はｘ軸として知られている電気軸、ｙ軸と して知られている機械軸、及びｚ軸として知られている光軸によって定められる ｘ−ｙ−ｚ座標系を有している。水晶発振子の結晶板が今述べたｙ平面で切断さ れるとき、電気ｘ軸と、かように切断された各表面との間に含まれる角度は０度 である。換言すれば、電気ｘ軸は切断された表面の平面と０度で交差する、すな わち電気ｘ軸は該表面と平行であるもしくは該表面内にあるということができる 。同じことは、光軸ｚと切断の表面との間に含まれる角度に対しても真実である 。０度の角度での交差は、結晶平面の製造に際し切断角度が実際問題として公称 もしくは所望の切断角度を中心にした許容範囲内になければならないということ を理解するとき有用な概念であり、そして所望の切断角度がｘ軸と平行であると きには、切断平面とｘ軸との交差角度に対する許容範囲の中央で、交差角度の値 は０度であろう。

【０００３】 厳密なｙ−カット結晶の場合には、切断平面のｘ軸との交差角度φとｚ軸との 交差角度θとの双方はゼロである。

【０００４】 φ＝０の回りの領域においては、切断角度の変動に対する発振子周波数の温度 係数の変化率は比較的大きいので、できる限り精密な切断角度を提供することが 必要であり、このことは、商業的に生産された発振子の結晶に対し発振子周波数 と温度との充分に限定された関係を得るよう、非常に狭い角度の許容範囲内で正 確さが必要とされるということを意味する。そうでなければ、使用前に個々の水 晶発振子の結晶ごとに周波数の温度への依存性を測定し、各発振子の結晶ごとに 異なった測定スケールを作ることが必要であろう。

【０００５】

【考案の概要】

本考案の目的は、可能な限り大きい温度係数を有するが、それにもかかわらず 、名目上同一の大量生産された結晶中で可能な限り小さい温度係数のばらつきを 示す水晶発振子、特に、いわゆる厚みすべり発振子を提供することである。

【０００６】 要約すれば、通常のｙ−カット結晶で一般的である、電気軸(ｘ)が切断の角度 と交差する角度φの許容範囲が＋１度と−１度の間にあるということと同時に、 光軸(ｚ)が切断の平面と交差する角度θの範囲は、２つの狭い範囲、すなわち３ 度から６度までにわたる第１の範囲、及び68度から72度までにわたる第２の範囲 の一方の範囲内にある。

【０００７】 好適な実施例においては、今述べたように配向される今述べた切断平面に対応 する平行な結晶平面は、これら平行な表面と直角の共通軸に中心付けられる環状 の外形となっており、限定される円形の結晶面の外周には全周の回りに延びる外 方に向かう突出部がある。

【０００８】 別の実施例においては、平行な主表面は、円の中心から等距離の平行な割線に よって両側に位置する周辺の欠円が切り取られた円の細長い輪郭を有し、該輪郭 形状のために、所望の高いＱ値を得るよう周辺に突出部を設けることは重要でな い。

【０００９】 本考案は、感温性の水晶発振子の結晶が、製品の実際上一定の温度係数を有し た満足な機械的許容範囲内で大量生産され得るという長所を有している。かかる 発振子の結晶をもって、大量生産される温度センサは、単一点の較正すなわちゼ ロ点較正の後、前もって特定された評価設備と効果的に結合され得る。このこと は温度センサの簡単な相互交換性を達成するというさらなる長所をもたらす。

【００１０】 以下、添付図面を参照して本考案を実施例について一層詳細に説明する。

【００１１】

【実施例】

図１は、石英の結晶構造の電気軸、機械軸及び光軸にそれぞれ対応するｘ，ｙ 及びｚ軸を有した座標系を示し、石英の板が、本発明に従ってその座標系内に配 向されて示されている。示された結晶板は、ｘ軸と一致する縁を有し、該縁は、 座標系の原点と一致する板の一方の角で終結する。図は、石英板１の表面２の配 向を示している。上述したように、ｘ軸は表面２の平面内にあるので、ｘ軸及び 表面２間の角度φは、０度である。その角度をかかる図面上に印すことは困難で あるので、印してはいない。このゼロ角度状態は、かかる角度が＋１度と−１度 との間の許容範囲内にあるべきであるという本考案の要件を象徴している。換言 すれば、角度はゼロの両側でわずかに変化し得る。

【００１２】 ｚ軸と表面２の平面との間で囲まれる角度θは図に印されており、すでに述べ たように、本考案に従って、この角度は、３度から６度までの範囲もしくは68度 から72度までの範囲のいずれかにある。図１は実際、これらのうちの最初の範囲 のものを示し、他方、第２の範囲のものは、結晶の３つの軸線を図１と同じ方法 で示した図４に示されている。

【００１３】 好ましくは、第１の切断角として言及される角度φは、＋15′と−15′との間 の範囲にあり、そして第２の切断角として言及される角度θは、４度８′±３′ の範囲もしくは70度±３′の範囲にある。４度に近い今示した範囲においては、 温度係数は最大値を有し、それ故、角度が４度よりわずかに上もしくは下である 場合には第１及び第２の切断角に対する温度係数の変化は単に非常に小さい。４ 度に接近した、より狭い好ましい範囲内では、温度係数の非常に小さい変化のみ が観察され得る。さらにθが略々70°である領域においては、温度係数は、良好 に限定される最小値を有し、それ故、この領域においてもまた温度係数の非常に 小さい変化のみを有する第１及び第２の切断角の許容範囲を呈する。これにより 、前述のように、実際上一定の温度係数を有した感温性の水晶発振子の結晶を大 量生産し得る。これらの２つの角度範囲間で温度係数の関数はゼロを通る。この ことは、θが約30度であるとき起こる。この点においては、温度変化は石英の結 晶もしくは水晶の振動行為に影響せず、このことは、かようにして切断された石 英の結晶もしくは水晶が全く鈍感で温度センサとしては役に立たないことを意味 する。

【００１４】 図１は、本考案による感温性の発振子として切断された結晶の主表面を提供す る平行面の配向のみを示しているが、これに対し図２の（ａ）及び（ｂ）は完全 な形での一実施例を示し、そして図３の（ａ）及び（ｂ）は、本考案による完全 な形での水晶発振子の結晶体のもう１つの実施例を示しており、各々は、充分に 高いＱ値を有している。

【００１５】 図２の（ａ）は、図１もしくは図４に示される平面のように配向された、示さ れた結晶体の２つの表面の一方である円形平面２を示した斜視図である。結晶体 は、その反対側にもう１つの同様の平面を有しているけれども、図２の（ａ）に はその平面の縁12の部分のみが見えている。これらの２つの平面は双方とも、そ れら平面に対して垂直の軸線上に中心付けられている。図２の（ａ）に示される ように、今述べた２つの表面間には、それらの縁の回りで、表面２の全周の回り に広がる面取りされた外周面３があり、該外周面３は、発振子の結晶体に対して 高いＱを得るために設けられている。その面取りは、全周に渡る台形断面の突出 部を提供し、それ故、図２の（ｂ）に示されるように石英体の中央断面は、横方 向に細長い八角形の形状になっている。図２の（ａ）及び（ｂ）に示された石英 体は、約4.5mmの直径及び約0.1mmの厚さを有しており、その周波数もしくは振動 数は、25℃の温度において16.75mHz−50kHz の範囲にあり、そして少なくとも 5.000 のＱの値が、かかる結晶のために得られる。

【００１６】 温度センサの発振子における結晶体の使用のために、銀の電極５が表面２上に 蒸気溶着によって溶着される。電極５は、円板の内部部分で互いに環状に重複し 、そして温度センサのケースに位置された板バネと接触する横方向オフセットを 提供するよう各自の横方向に横方向伸長部６を有している。ケースも接触バネも 図には示していない。水晶発振子及びそのための結晶ホルダの構造は既知であり 、図示する必要はないけれども、温度センサにとって望ましいいくつかの特徴は 説明する価値がある。石英体は、高温に耐える導電性粘着物によって、接触バネ と接触して保持される。これらの素子は、内部にアルゴンの保護ガスの空気があ る密閉したステンレス・スチールのホルダ・ケースに封入されている。ステンレ ス・スチール・ケースの外部はなめらかであり、それにより工業用の温度測定に 良く適している。結晶ホルダのケースの底には、接続ピンのための２つの特別の 耐熱ガラスの送り通しがある。この目的のために、接続管がケースの底にレーザ 溶接される。石英体を適正位置に保持するケースの内側の接触バネは、点溶接に よって接続ピンに接続される。

【００１７】 図２の（ｂ）に関して言っておかなければならないことは、該図２の（ｂ）に おいて、電極５の位置をより容易に見えるようにするために、それら電極５を不 釣合いに拡大して示したということである。図２の（ａ）及び（ｂ）の石英体と 一緒に用いるための今説明した温度センサ装置の動作範囲は、−40℃及び＋300 ℃ 間の温度を超えて広がる。

【００１８】 図３の（ａ）は、本考案による温度センサの発振子のための石英の結晶体の別 の形状の実施例を示す斜視図である。この場合において、再度図１もしくは図４ のいずれかに従って配向される表面２は、図３の（ｂ）に示されるように欠円の 、すなわち円を割った形状を有しており、該図３の（ｂ）は、同じ円の２つの弧 によって境界付けられる端を有して中央の欠円表面を限定するよう、平行な表面 の双方において、対向している２つの平行な割線２′によって仮想の完全円板を 切断する対向する外部線分を示す平面図である。この欠円の結果として、これら の図に示された石英体は、図２の（ａ）及び（ｂ）の石英体に対して説明したも のと同様の高いＱ値を有し、それ故、この場合においては外周表面４を面取りす ることは必要でなく、免除され得る。電極を適用し、この結晶体のための温度セ ンサのケース内で結晶体を保持しかつその電極を接触させることは、図２の（ａ ）並びに（ｂ）に示した石英体と関連して説明したものに対応する。

【００１９】 本考案を２つの特定の実施例について図示しかつ説明してきたけれども、本考 案の概念内でさらなる変化並びに変更が可能であるのは理解されよう。例えば、 特定的に述べたものに加え、石英体を形成し、接触させ、そして収容する他の方 法もまた有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による結晶板もしくはウエファの主表面
の切断面、並びにこれら主表面の、結晶軸によって与え
られる座標系との関係を示す斜視図である。

【図２】（ａ）は、円形の輪郭を有する本考案による結
晶ウエファを示す斜視図であり、（ｂ）は、図１の結晶
体の断面を示す図であり、厚さにおいて不釣り合いに拡
大された、（ａ）には示されていない電極が示されてい
る。

【図３】（ａ）は、欠円形状の輪郭を有する、本考案に
よる結晶板を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の結
晶体の輪郭の幾何学的構成を示す平面図である。

【図４】図１と同様の斜視図であり、ｚ軸の切断面との
交差角φの変化に対して、温度係数の最大値近辺を用い
た図１の考案の実施例と、温度係数の最小値近辺を用い
た図４の実施例との、切断面の配向方位における差を示
している。

【符号の説明】

１ 石英体 ２ 表面 ３ 外周面 ５ 電極 ６ 横方向伸長部 ２′ 割線 ｘ 電気軸 ｙ 機械軸 ｚ 光軸

Claims (12)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 実質的に等しい大きさの一対の平行な表
   面を有する石英の結晶を備え、前記一対の平行な表面の
   各々は、互いに実質的に対向して該表面の各々上に位置
   する一対の電極の１つを担持し、該電極の各々は、前記
   平行な表面の一方の中央領域を覆う主部分と、前記主部
   分から前記一方の前記平行な表面の縁に向かって延び該
   縁近辺で境界部分を有する横方向伸長部とを有し、前記
   平行な表面の各々は、＋１° と−１° との間の許容範
   囲内で前記結晶の電気軸（ｘ）と角度φで交差する温度
   の精密速度のための感温性の水晶発振子であって、 前記許容範囲内での発振周波数の温度係数の変動の範囲
   を減ずるために、光軸（ｚ）が前記一対の表面と交差す
   る角度θが、３°から６°の範囲内にあるようにし、こ
   れにより、高い精度の水晶温度センサに対して製造公差
   が減少され、前記結晶は、前記結晶を保持する手段によ
   り、前記電極の前記横方向伸長部の境界部分において前
   記それぞれの電極に取り付けることにより接触ホルダ内
   に保持されると共に、発振生成回路内で接続され、これ
   により、前記結晶を、厚みすべりモードで振動させるよ
   うにした感温性の水晶発振子。
2. 【請求項２】 実質的に等しい大きさの一対の平行な表
   面を有する石英の結晶を備え、前記一対の平行な表面の
   各々は、互いに実質的に対向して該表面の各々上に位置
   する一対の電極の１つを担持し、該電極の各々は、前記
   平行な表面の一方の中央領域を覆う主部分と、前記主部
   分から前記一方の前記平行な表面の縁に向かって延び該
   縁近辺で境界部分を有する横方向伸長部とを有し、前記
   平行な表面の各々は、＋１°と−１°との間の許容範囲
   内で前記結晶の電気軸（ｘ）と角度φで交差する温度の
   精密測定のための感温性の水晶発振子であって、 前記許容範囲内での発振周波数の温度係数の変動の範囲
   を減ずるために、光軸（ｚ）が前記一対の表面と交差す
   る角度θが、６８°から７２°の範囲内にあるように
   し、これにより、高い精度の水晶温度センサに対して製
   造公差が減少され、前記結晶は、前記結晶を保持する手
   段により、前記電極の前記横方向伸長部の境界部分にお
   いて前記それぞれの電極に取り付けることにより接触ホ
   ルダ内に保持されると共に、発振生成回路内で接続さ
   れ、これにより、前記結晶を、厚みすべりモードで振動
   させるようにした感温性の水晶発振子。
3. 【請求項３】 前記結晶の前記電気軸(ｘ)が公差する前
   記角度の前記許容範囲は＋１５′ と−１５′ 間であ
   り、前記結晶の前記光軸（ｚ）が交差する前記角度の前
   記範囲は、４°５′から４°１１′である請求項１の感
   温性の水晶発振子。
4. 【請求項４】 前記結晶の前記電気軸(ｘ)が交差する前
   記角度の前記許容範囲は、＋１５′ 及び−１５′ 間で
   あり、前記結晶の前記光軸（ｚ）が交差する前記角度の
   前記範囲は、６９°５７′から７０°３′である請求項
   ２の感温性の水晶発振子。
5. 【請求項５】 前記結晶の前記一対の平行な表面(２)
   は、環状の外形を有して、該一対の平行な表面と垂直な
   共通軸で中心付けられている請求項１の感温性の水晶発
   振子。
6. 【請求項６】 前記結晶の前記一対の平行な表面(２)
   は、環状の外形を有して、該一対の平行な表面と垂直な
   共通軸で中心付けられている請求項２の感温性の水晶発
   振子。
7. 【請求項７】 前記結晶の中央部分は、前記平行な表面
   間に、前記結晶の全周の回りに広がって外方に伸長する
   突出部(３′) の形状にある外周表面(３)を有した請求
   項５の感温性の水晶発振子。
8. 【請求項８】 前記結晶の中央部分は、前記平行な表面
   間に、前記結晶の全周の回りに広がって外方に伸長する
   突出部(３′) の形状にある外周表面(３)を有した請求
   項６の感温性の水晶発振子。
9. 【請求項９】 前記結晶の前記外周表面の前記突出部の
   輪郭は台形である請求項７の感温性の水晶発振子。
10. 【請求項１０】 前記結晶の前記外周表面の前記突出部
    の輪郭は台形である請求項８の感温性の水晶発振子。
11. 【請求項１１】 前記結晶の前記平行な表面は、欠円の
    残りの部分から外周の欠円を切断する、円の中心から等
    距離の平行な割線の存在によって定められる欠円の外形
    を有し、それぞれの平行な表面の前記割線は、それら割
    線が前記平行な欠円表面と直角な平面内にあるという意
    味において互いに一致しており、前記平行な欠円表面の
    各々は、該平行な欠円表面の各々の縁を限定する割線を
    含む請求項１の感温性の水晶発振子。
12. 【請求項１２】 前記結晶の前記平行な表面は、欠円の
    残りの部分から外周の欠円を切断する、円の中心から等
    距離の平行な割線の存在によって定められる欠円の外形
    を有し、それぞれの平行な表面の前記割線は、それら割
    線が前記平行な欠円表面と直角な平面内にあるという意
    味において互いに一致しており、前記平行な欠円表面の
    各々は、該平行な欠円表面の各々の縁を限定する割線を
    含む請求項２の感温性の水晶発振子。