JPS6326852B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直線状周波数温度特性を示す水晶振
動子に関するものである。

従来、水晶振動子の振動周波数が温度により変
化するのを利用して温度を正確に測定する試みが
なされている。しかし、従来知られているカツト
角の水晶振動子では、周波数温度特性が直線的に
なる温度が狭く、広い温度範囲に亘る測定をする
にはリニアライザーを併用する必要がある。この
ため測定器が非常に高価なものになつてしまつて
いた。

従来技術による水晶振動子において、周波数温
度特性に直線性を持たせる目的で製造された水晶
振動子はLCカツト水晶振動子である。

第１図は水晶片の切出し角を説明する為の図で
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。LCカツトは二重回転水晶振動
子であり、振動片は、Ｙ軸に直交する水晶片（Ｙ
板といわれている）を、Ｚ軸を回転軸として反時
計方向にφ＝11.17゜回転し、さらに新しくできた
X′軸を回転軸として反時計方向にθ＝9.39゜回転
して得られる。

LCカツトによる水晶振動子は、比較的広い温
度範囲にわたり直線状の周波数温度特性を呈する
が、リニアライザーを併用しても精度の良い測定
ができる温度範囲は−80〜＋250℃にとどまり低
温側での測定巾が狭い。

本発明は、前記従来技術の欠点に鑑みてなされ
たものであり、本発明の目的は、リニアライザー
なしで広い温度範囲の測定可能な水晶振動子を得
ることにある。

無限平面に関する厚み振動理論を薄い水晶平板
に適用すると、共振周波数は となる。ここでρ、yo、及びＣは夫々水晶片の
密度、厚み寸法及び固有値である。上記は温度
Ｔの関数であり、は基準温度Toの近傍でテー
ラー展開すると、 （Ｔ）（To）｛１＋α（Ｔ−To）＋β／２（Ｔ −To）²＋γ／６（Ｔ−To）³｝ (2) となる。α、β、γは、夫々第１次、第２次、第
３次周波数温度係数であり次式で定義される。

α＝１／∂／∂T）_Tp β＝１／∂²／∂T²）_Tp γ＝１／∂³／∂T³）_Tp (3) 水晶の密度や弾性定数、及びこれらの温度係数
の測定値を用い、式(1)、(2)、及び(3)より理論的に
α、β、γなどの値を求めることができる。

前記係数を用いて、周波数、温度特性が直線に
なる新カツトを発見した。

周波数−温度特性を直線にするには、２次及び
３次の周波数−温度係数であるβ、γを零にすれ
ば良い。

第２図は、本発明を説明する為の図であり、第
１図で説明した水晶片のカツト角、φ、θを用い
理論的に、前記周波数−温度係数、α、β、γが
零になる軌跡を示している。カツト角、φ、θは
反時計方向に回転するのを正としている。

第２図から、βとγが小さくなるのは、θ＝
5゜、φ＝5゜の近傍及びθ＝5゜、φ＝−5゜の近傍
（以下5゜−5゜カツトという）と、θ＝20゜、φ＝20゜
の近傍及びθ＝20゜、φ＝−20゜の近傍（以下20゜−
20゜カツトという）である。これらの４点ではβ
とγがほぼ零になるので、周波数温度係数はαだ
けと考えて良く、非常に良好な直線性を示すはず
である。

5゜−5゜カツトと、20゜−20゜カツトによる水晶片
を用いて水晶振動子を製造し、周波数温度特性を
測定したところ、リニアライザーなしでも−200
〜＋250℃の広い温度範囲において良好な直線性
周波数温度特性を示し、理論値と良く一致した。
さらに各々のカツト角に対し±5゜の領域で同様の
振動子を製造して周波数温度特性を測定してみた
が、実用に耐えるのは各々のカツト角に対して±
3゜の領域であつた。第２図中にLCカツト（◎印）
の位置を表示してあるが、LCカツトは二次温度
係数βは小さいが、三次温度係数γが零の軌跡か
ら離れていることが判る。

LCカツトが低温側で周波数温度特性が直線性
を示さないのは、三次温度係数γの影響によると
考えられる。

5゜−5゜カツト及び20゜−20゜カツトが広い温度範
囲で周波数温度特性が良好なことは判つたが、5゜
−5°カツトと20゜−20゜カツトでは、水晶の切出し
角が異なるので、特性には差がある。まず一次温
度係数αが零になる軌跡からの距離が異なる為
に、一次温度係数が異なる。本発明では、Ｃモー
ドの厚みすべり振動を利用しているが、5゜−5゜カ
ツトでは基本波、三次振動波ともあまり差はなく
約60PPm／℃である。20゜−20゜カツトでは、振動
レスポンスが三次振動波の方が良く、又副振動も
少ないので、三次振動波を使用したが、約
17PPm／℃であつた。これはLCカツトの基本波
の周波数−温度係数の約40PPm／℃の1/2であ
る。

第３図に5゜−5゜カツト、20゜−20゜カツト、LCカ
ツトの周波数温度特性を示す。

（LCカツトはリニアライザー使用） 以上、本発明20゜−20゜カツトの特徴をまとめる
と、 １ 周波数温度特性が広い範囲で直線性を示す。

２ 20゜−20゜カツトの三次振動は副振動が少なく
安定した振動をする。

３ カツト角に±3゜の巾があり、水晶片の加工が
容易である。

以上述べたように本発明によれば、直線状周波
数温度特性を有する水晶振動子が容易に製造でき
る。本発明で製造した振動片は12mm×14.727mmの
方形板で厚さは0.5mm、電極径は7.0mmであるが、
円形でもよく、さらに小型で性能を良くしたい場
合にはプラノコンベツクス、バイコンベツクスに
すると良く、耐衝撃性等を必要とする場合には音
叉形でも良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は水晶の切出し角を説明する為の図、第
２図は本発明を説明する為の図、第３図は本発明
に係る水晶振動子の周波数温度特性を示す図であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水晶のＹ軸に垂直な板をＺ軸を回転軸として
   反時計方向にφ＝20゜±3゜回転し、さらにX′軸
   （電気軸）を回転軸として反時計方向に０＝20゜±
   3゜回転して得られる水晶板を使用したことを特徴
   とする水晶振動子。