水晶振動子
【課題】等価直列容量Ｃ１が大きく、等価直列抵抗ＥＳＲが小さいＧＴカットの水晶振動子を得る。
【解決手段】ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板２１ａ，２１ｂと、各水晶板ごとに、その水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、その水晶板を枠体に支持する支持部２２と、一方の水晶板２１ａの外周と他方の水晶板２１ｂの外周とを接続してこれらを機械的に結合する接続部材２８とを形成する。一方の水晶板２１ａが第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板２１ｂが第１の方向に直交する方向で伸長するように、各水晶板に設けられる励振電極を相互に接続する。
【解決手段】ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板２１ａ，２１ｂと、各水晶板ごとに、その水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、その水晶板を枠体に支持する支持部２２と、一方の水晶板２１ａの外周と他方の水晶板２１ｂの外周とを接続してこれらを機械的に結合する接続部材２８とを形成する。一方の水晶板２１ａが第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板２１ｂが第１の方向に直交する方向で伸長するように、各水晶板に設けられる励振電極を相互に接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＴカットの水晶振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数や時間の基準源として用いられる水晶振動子は、水晶振動子を構成する振動板すなわち水晶板を水晶の単結晶から切り出すときの結晶学的な方位にしたがって、何種類かの“カット”に分類される。水晶振動子を構成する水晶板は水晶片とも呼ばれる。カットが異なれば、水晶板の振動モードも異なってくる。そのようなカットとしては、従来から、例えば、ＡＴカット、ＳＣカットなどが広く知られている。中でもＧＴカットの水晶板を用いた水晶振動子すなわちＧＴカットの水晶振動子は、優れた周波数温度特性を有し、周囲温度が変化した場合における共振周波数の変化が非常に小さいので、高精度高安定の水晶発振器への適用などが期待されている。またＧＴカットの水晶振動子は、その共振周波数が低い場合であっても小型に構成できる、という利点も有する。
【０００３】
水晶においては、周知なように、結晶学的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３本の結晶軸が定められている。Ｙ軸に直交する面（すなわち、Ｘ軸とＺ軸に平行な面）に沿って切り出される水晶板をＹ板と呼ぶが、Ｙ板をＸ軸の周りに＋５１．５°回転させ（すなわちφ＝＋５１．５°）、さらにその板の面内で板を＋４５°回転させる（すなわちθ＝＋４５°）ことによって形成される水晶板からなるカットがＧＴカットである。φ及びθは、水晶におけるカット方位を特定するために一般的に用いられるパラメータである。図１は、水晶の単結晶（原石１１）からＧＴカットの水晶板を切り出す際の切断方位１２を示している。参考のため、図１には、ＧＴカット以外の代表的なカットの切断方位も示されている。ＧＴカットの水晶板内での方位を指定するために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りで上記の＋５１．５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸とする。Ｘ軸周りの回転であるので、当然のことながらＸ’軸はＸ軸に一致する。そして、Ｘ’軸及びＺ’軸をＹ’軸の周りでＺ’軸からＸ’軸に向かう方向に４５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ”軸及びＺ”軸とする。
【０００４】
ここでＧＴカットの水晶板における振動モードを説明する。ＧＴカットの水晶板における振動モードは、Ｘ”軸方向の縦振動（伸縮振動）モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合した振動モード（幅・長さ縦結合振動モードともいう）である。２つの縦振動モードが結合した振動モードであるため、従来、ＧＴカットの水晶板は、１対の辺がＸ”軸に平行となりもう１対の辺がＺ”軸に平行になるような長方形あるいは角型の形状にして、水晶振動子における振動板すなわち水晶板として用いられていた。振動板としての水晶板を励振するための励振電極は、水晶板の両方の主面にそれぞれ設けられる。
【０００５】
水晶振動子を構成する振動板としてＧＴカットの水晶板を使用する場合には、水晶振動子の容器の壁面などと接触しないように水晶板を容器内に保持する必要がある。そこで、特許文献１に示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、振動板の本体部分（振動部）とそれに対する支持部とを水晶の板状部材から一体的に形成してしまうことが提案されている。
【０００６】
ＧＴカットの水晶板の場合、その振動モードが幅・長さ縦結合振動モードであって幅や長さなどの平面形状やサイズに応じて共振周波数が変化し、かつ、相互に結合する２つの振動モードの振動が両方とも確実に起きるようにしなければならないから、平面形状を任意に設定したり、任意の位置に支持部を配置したりすることはできない。この点で、ＧＴカットの水晶板は、振動モードが厚み滑り振動モードであってその厚さのみによって共振周波数が決定するＡＴカットの水晶板とは異なっている。ＡＴカットの水晶板では、平面形状を任意に設定することができ、平面形状を円形あるいは楕円形とすることができたり、厚み滑り振動での不動点となる位置で水晶板を支持する構成とすることができる。これに対し、長方形状のＧＴカットの水晶板の場合、その外周部には、一般には、振動変位における不動点は存在しない。振動変位における不動点以外の位置に支持部を設けて水晶板を支持した場合、支持部を設けることによって水晶板の振動が妨げられるおそれがあり、また、支持部の寸法ばらつきが水晶板の振動特性に大きな影響を及ぼす、という課題がある。
【０００７】
そこで本発明者らは、特願２０１１−０３７０８６において、ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された水晶板と、それら２つの縦振動モードが結合したときに水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続して水晶板を支持する支持部と、を有するＧＴカットの水晶振動子を提案した。
【０００８】
図２は、楕円形のＧＴカットの水晶板を説明する図である。楕円形の水晶板３１は、その板面がＧＴカットにおけるＹ’軸に直交しており、楕円としての長軸がＧＴカットにおけるＸ”軸に一致し、短軸がＺ”軸に一致する。その結果、水晶板３１は、その振動モードとして、Ｘ”軸方向の縦振動モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合し、Ｘ”軸方向とＺ”軸方向とに交互に伸縮する幅・長さ縦結合振動モードを有することになる。図２においては、伸縮振動の方向が矢印で示されており、振動によって変位した輪郭が破線によって示されている。ただし、説明のために、変位した輪郭は、水晶板３１における実際の変位量よりもはるかな大きな変位をしたものとして描かれている。
【０００９】
水晶板３１の外周部に注目すると、外周の各点において振動変位の大きさが一定しているわけではない。図においてＰ1〜Ｐ4に示す各点において振動変位の大きさが極小となっている。楕円形の水晶板３１が、長軸であるＸ”軸方向と短軸であるＺ”軸方向とに交互に伸縮するので、振動変位の大きさが極小となる点が水晶板３１の外周すなわち楕円上に必ず４つ生じる。水晶板３１の大きさに比べて各縦振動モードによる振動の振幅が十分に小さいとすると、点Ｐ1〜Ｐ4は、幅・長さ縦結合振動モードの振動変位に関して事実上の不動点となる。楕円に形成されている水晶板３１の外周のどの位置が不動点になるかは、水晶板３１における長軸の長さａと短軸の長さｂとの比、すなわち、縦横比（ｂ／ａ）によって異なる。例えば、縦横比が０．８５５である場合には、各不動点は、水晶板３１の中心すなわち楕円の中心から見て、長軸から短軸方向に向けて５７．５°の角度をなす方向に位置する。
【００１０】
このような水晶振動子では、水晶板３１における不動点Ｐ1〜Ｐ4の１つまたは複数に対して支持部を接続することにより、水晶板３１の振動特性に影響を及ぼすことなく、水晶板３１を支持することができる。言い換えれば、良好な振動特性が維持された水晶振動子が得られる。支持部としては、例えば、水晶板３１の外周に接続する単純な棒状部材あるいは梁部材を用いることができる。
【００１１】
図３及び図４は、上述したＧＴカットの水晶板３１を用いて構成された水晶振動子の具体的な一例を示している。この水晶振動子は、略長方形に形成されたフレーム（枠体）３３を備え、フレーム３３の開口部内に、上述の図２に示した楕円形のＧＴカットの水晶板３１が保持されたものである。水晶板３１は、フレーム３３の内壁から延びる棒状の２本の支持部３２によって支持されている。２本の支持部３２は、楕円形の水晶板３１の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、水晶板３１に機械的に接続している。ここでは、水晶板３１の中心（楕円の中心）を挟む一対の不動点Ｐ2，Ｐ4（図２参照）に対して支持部３２が接続している。フレーム３３の厚さは、水晶板３１の厚さよりも十分に厚くなっている。これにより、例えばフレーム３３の上面と下面とに蓋部材をそれぞれ配してフレーム３３と蓋部材とによって囲まれた空間内に水晶板３１が格納されるようにした場合に、水晶板３１の蓋部材への接触が防止される。
【００１２】
水晶板３１の一方の主面のほぼ全面には励振電極３４が形成され、この励振電極３４に対する電気的接続を実現するための引出電極３６が、一方の支持部３２の表面に形成されて、フレーム３３の上面に形成されている電極パット３７にまで延びている。同様に、水晶板３２の他方の主面のほぼ全面にも励振電極３５が形成され、この励振電極３５は、フレーム３３の下面に形成されている電極パッド（不図示）に対し、他方の支持部の表面に形成された引出電極（不図示）を介して電気的に接続している。電極パッド３７は、この水晶振動子を外部回路の接続するために用いられるものである。
【００１３】
図３及び図４に示したものでは、水晶板３１を２点で支持しているが、上述した不動点Ｐ1〜Ｐ4において支持するものである限り、何か所で支持するか、どの不動点で支持するかは、任意に定めることができる。
【００１４】
図５は、楕円形のＧＴカットの水晶板３１における各軸の方位を示したものである。
【００１５】
ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、Ｘ”軸方向の寸法とＺ”軸方向の寸法とを入れ替えても同じ振動特性を示す。すなわち、ＧＴカットの楕円形の水晶板において、長軸をＺ”軸方向とし短軸をＸ”軸方向としても、上述と同様に水晶板の外周の４か所に不動点が現れ、この不動点で水晶板を支持することによって良好な振動特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平９−２４６８９８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５８４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ＧＴカットの水晶振動子は、共振周波数が低い場合であっても小型化できるという利点を有する。しかしながら、ＧＴカットの水晶振動子は、水晶板の板面に対して励振電極をできるだけ広く形成したとしても、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、等価直列抵抗ＥＳＲが例えば１ｋΩ程度と大きくなる、という課題を有する。これは、ＧＴカットの水晶振動子の場合、共振周波数は水晶板の外形で決まるため、等価直列抵抗を小さくするために水晶板の平面サイズを大きくするという手法を採用できないからである。ＡＴカットの水晶振動子と比べた場合、ＧＴカットの水晶振動子では、例えば、Ｃ１が約３分の１になり、ＥＳＲが約３倍となる。その結果、ＧＴカットの水晶振動子が接続された発振回路を設計する場合に、安定した発振を達成するための回路構成が複雑になる。特に、水晶振動子の等価直列抵抗が大きいと、発振回路の発振余裕度が低下する。
【００１８】
本発明の目的は、等価直列容量を大きくし等価直列抵抗を小さくしたＧＴカットの水晶振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のＧＴカットの水晶振動子は、枠体と、ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板と、各水晶板の両方の主面にそれぞれ形成された一対の励振電極と、各水晶板ごとに、２つの縦振動モードが結合したときにその水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、その水晶板を枠体に支持する支持部と、を有し、複数の水晶板は２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置し、隣接する２つの水晶板のうちの一方の水晶板の外周と他方の水晶板の外周とが機械的に結合し、一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板が第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、励振電極間の電気的配線が形成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＧＴカットの水晶振動子では、共振周波数が同じである複数のＧＴカットの水晶板を配置し、隣接する２つの水晶板間において、それら２つの水晶板の外周間を機械的に結合させるとともに、一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板が第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、各水晶板間で励振電極の電気的配線が形成されている。その結果、複数のＧＴカットの水晶板は、電気的には並列に接続されていることになるので、全体として見たとき、単一の水晶板を用いる場合に比べて等価直列容量が増大し等価直列抵抗が減少し、例えば、ＡＴカットの水晶振動子と同等の等価直列抵抗を示すようになる。その際、水晶板間を機械的に結合するとともに、上記のように励振電極間を電気的に接続することにより、複数の水晶板をまたがって全体として１つの振動モードに結合することとなる。その結果、不要な副振動が生じたりすることがなく、水晶振動子として極めて高い安定度を示すようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＧＴカットの水晶板の切断方位を説明する図である。
【図２】ＧＴカットの水晶板の振動モードを説明する平面図である。
【図３】楕円型の水晶板を有するＧＴカット水晶振動子の構成の一例を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’線での断面図である。
【図５】水晶板における軸方向を説明する図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の水晶振動子を示す図であって、（ａ）が平面図、（ｂ）は励振電極間の配線を説明する図、（ｃ）は振動状態を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の水晶振動子を示す平面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の水晶振動子を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態におけるＧＴカットの水晶振動子を示している。この水晶振動子は、図２を用いて説明したものと同様の楕円形状のＧＴカットの水晶板を２個備え、フレーム（枠体）２３の開口部内にこれらの水晶板２１ａ，２１ｂが保持された構造を有する。各水晶板２１ａ，２１ｂの短軸及び長軸の方向は、ＧＴカットの水晶結晶における直交する２つの縦振動モードの振動方向にそれぞれ一致している。水晶板２１ａ，２１ｂの外形形状は同一とされ、これにより、両方の水晶板２１ａ，２１ｂはＧＴカットの振動モードでの同一の共振周波数を有している。水晶板２１ａ，２１ｂの各々は、いずれも、フレーム２３の内壁からの延びる棒状の２本の支持部２２によって支持されている。水晶板ごとの２本の支持部２２は、楕円形の水晶板の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、その水晶板に機械的に接続している。フレーム２３の厚さは、水晶板２１ａ，２１ｂの厚さよりも十分に厚くなっている。
【００２４】
水晶板２１ａ，２１ｂは、それらの短軸が一直線上に沿うように配置しており、棒状の接続部材２８によって相互に機械的に結合している。具体的には、接続部材２８は、水晶板２１ａの外周上の１点と水晶板２１ｂの外周上の１点とに接続している。図示したものでは、楕円形の水晶板２１ａ，２１ｂの各々の短軸の一端が、接続部材２８によって相互に機械的に接続している。ここでは水晶片２１ａ，２１ｂの短軸の端部同士を接続したが、長軸が一直線上に沿うように水晶片２１ａ，２１ｂを配置した上で、水晶片２１ａ，２１ｂの長軸の端部同士を接続する構成とすることもできる。接続部材２８を接続する位置は、必ずしも水晶板における長軸や短軸の端部とする必要はないが、水晶板の外周にある上述の不動点とすると、接続部材を設けた意義が失われ、両方の水晶板２１ａ，２１ｂが機械的に結合しなくなる。
【００２５】
水晶板２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び接続部材２８は、水晶によって一体的に形成されている。例えば、ＧＴカットの水晶ウェハを用意し、その水晶ウェハに対してフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング処理を行うことによって、水晶板２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び接続部材２８を同時に一体的に形成することができる。その結果、２つの水晶板２１ａ，２１ｂは、ＧＴカット水晶における上述した２つの縦振動モードの振動方向によって張られる平面内に配置し、支持部２２及び接続部材２８もこの平面内に配置することになる。
【００２６】
以下、説明のため、水晶板の２つの主面に関し、水晶振動子の平面図において紙面に示される方の主面を水晶板の表面と呼び、平面時において紙背側に位置することになる方の主面を水晶板の裏面と呼ぶことにする。
【００２７】
図６（ｂ）に示すように、各水晶板２１ａ，２１ｂの両方の主面のほぼ全面には励振電極２５が形成されている。ここで、水晶板２１ａの表面に形成された励振電極２５と水晶板２１ｂの裏面に形成された励振電極とが、支持部２２の表面及びフレーム２３に設けられた導電路２５ａを介して電気的に接続し、この導電路２５ａには、この水晶振動子を外部回路に接続するために用いられる電極パッド２７ａも設けられている。同様に、水晶板２１ａの裏面に形成された励振電極と水晶板２１ｂの表面に形成された励振電極とが、支持部２２及びフレーム２３に設けられた導電路２５ｂを介して電気的に接続し、この導電路２５ｂには、外部回路との接続のための電極パッド２７ｂも設けられている。電極パッド２７ａ，２７ｂは、フレーム２３の表面に形成されている。表面側の励振電極と裏面側の励振電極とを電気的に接続する必要から、導電路２５ａ，２５ｂには、フレーム２３を貫通するスルーホールが設けられている。
【００２８】
このように水晶板２１ａ，２１ｂ間で励振電極を電気的に接続することにより、水晶板２１ａ，２１ｂでは励振の際の電気的極性が相互に逆極性となる。その結果、図６（ｃ）に示すように、水晶板２１ａが短軸方向に延びて長軸方向に縮むとき（図示実線で示す場合）には、水晶板２１ｂは長軸方向に延びて短軸方向に縮み、逆に、水晶板２１ａが短軸方向に縮んで長軸方向に延びるとき（図示破線で示す場合）には、水晶板２１ｂは長軸方向に縮んで短軸方向に延びることになる。このように２つの水晶板２１ａ，２１ｂが振動したとすると、接続部材２８の位置での両方の水晶板２１ａ，２１ｂの間隔はほとんど変化せず、したがって、接続部材２８は両方の水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合させるものの、それらの水晶板での振動を阻害することはない。本実施形態では、接続部材２８を設けていることにより、水晶板２１ａ，２１ｂのそれぞれ単独での共振周波数が相互に多少ずれている場合であっても、両方の水晶板２１ａ，２１ｂが一体となって同一の周波数で共振するようになり、水晶振動子として高いＱ値を得ることができるようになる。これに対し、接続部材２８を設けていないとすると、共振周波数がわずかにずれている２つの水晶振動子を並列に接続したことと電気的に等価になり、全体として見たときのＱ値が低下することになる。
【００２９】
第１の実施形態の水晶振動子では、各水晶板２１ａ，２１ｂは、その外周における振動変位が極小となる点において支持部２２により支持されるので、支持部２２が水晶板２１ａ，２１ｂの振動特性に影響を及ぼすことはない。また、接続部材２８は２つの水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合するものの、それらの水晶板２１ａ，２１ｂの振動を阻害しない。水晶板２１ａ，２１ｂは同一の共振周波数を有するので、これらの水晶板２１ａ，２１ｂはこの共通の共振周波数で振動するとともに、水晶振動子全体として見ても、水晶板２１ａ，２１ｂをまたがって結合した１つの振動モードで安定して振動することになる。その結果、この水晶振動子は、副振動を生じたりすることなく、極めて安定して振動することになる。また、図２に示した水晶振動子と比べ、この水晶振動子では、共振周波数は同じでありながら励振電極の面積は２倍になっているので、等価直列容量も２倍になり、等価直列抵抗は２分の１になることになる。本実施形態のＧＴカットの水晶振動子を発振回路に適用した場合には、等価直列抵抗が小さいので、簡単な回路構成で大きな発振余裕度を達成でき、高安定な発振回得を構成することができる。
【００３０】
上記の例では、水晶板２１ａの短軸の一端と水晶板２１ｂの短軸の一端とを機械的に結合させたが、ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、一方の水晶板の長軸の一端と他方の水晶板の長軸の一端とを機械的に結合した場合であっても、上述と同様の効果が得られる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態の水晶振動子を説明する。
【００３２】
第１の実施形態では、２つの水晶板２１ａ，２１ｂから水晶振動子を構成したが、本発明では、３個以上のＧＴカットの水晶板を用い、隣接する２個の水晶板を相互に機械的に結合することを繰り返して、全ての水晶板を１つの振動モードに結合させることも可能である。図７は第２の実施形態の水晶振動子を示している。
【００３３】
図７に示す第２の実施形態の水晶振動子は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すものと同様のものであるが、３個の水晶板２１ａ〜２１ｃを備えている点で、図６（ａ）〜（ｃ）に示すものと異なっている。水晶板２１ａ〜２１ｃの各々は、水晶板ごとに棒状の２本の支持部２２によってフレーム２３に接続されている。支持部２２は、水晶板の外周において振動変位が極小となる位置において、水晶板に接続している。また、水晶板２１ａの短軸の一端と水晶板２１ｂの短軸の一端とが棒状の接続部材２８ａによって接続され、水晶板２１ｂの短軸の他端と水晶板２ｃの短軸の一端とが棒状の接続部材２８ｂによって接続されており、これによって、水晶板２１ａ，２１ｂが相互に機械的に結合し、水晶板２１ｂ，２１ｃも相互に機械的に結合している。
【００３４】
各水晶板２１ａ〜２１ｃの両方の主面には励振電極２４が形成されている。ここでは、水晶板２１ａ，２１ｃの各々の表面と水晶板２１ｂの裏面に形成された励振電極が導電路２５ａを介して電気的に接続し、導電路２５ａには電極パット２７ａも設けられている。また、水晶板２１ａ，２１ｃの各々の裏面と水晶板２１ｂの表面に形成された励振電極が導電路２５ｂを介して電気的に接続し、導電路２５ｂには電極パット２７ｂも設けられている。その結果、水晶板２１ａ，２１ｂでは励振の際の電気的極性が相互に逆極性となり、水晶板２１ｂ，２１ｃでも逆極性となる。水晶板２１ａ，２１ｃでは相互に同極性である。第１の実施形態の場合と同様に、接続部材２８ａ，２８ｂは水晶板２１ａ〜２１ｃを機械的に結合するが、それらの振動を阻害しない。この水晶振動子では、各水晶板２１ａ〜２１ｃは共通の共振周波数で振動するとともに、水晶振動子全体として見ても、水晶板２１ａ〜２１ｃをまたがって結合した１つの振動モードで安定して振動することになる。また、図２に示した水晶振動子と比べ、この水晶振動子では、共振周波数は同じでありながら励振電極の面積は３倍になっているので、等価直列容量も３倍になり、等価直列抵抗は３分の１になることになる。本実施形態の水晶振動子を用いることにより、簡単な回路構成で大きな発振余裕度を達成でき、高安定な発振回得を構成することができる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態の水晶振動子を説明する。
【００３６】
第１の実施形態では、隣接する水晶板２１ａ，２１ｂ間に接続部材２８を設けてこれらの水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合させていたが、水晶板間の機械的結合の態様はこれに限定されるものではない。図８に示す第３の実施形態の水晶振動子では、第１の実施形態の水晶振動子と同様のものであるが、接続部材を設けることなく水晶片２１ａの短軸の一端と水晶片２１ｂの短軸の一端とを直に接合することによって、水晶片２１ａ，２１ｂ間の機械的結合を実現している。上述したように、水晶板２１ａ，２１ｂは電気的には逆極性で励振されるので、水晶片２１ａ，２１ｂ同士を直に接合した場合、この接合位置において応力などが発生することはない。したがって、この水晶振動子も第１の実施形態の水晶振動子と同様の効果を有する。
【００３７】
次に、楕円形状の水晶板２１ａ〜２１ｃにおける縦横比（ｂ／ａ）（図５参照）について説明する。
【００３８】
楕円形状のＧＴカットの水晶板に関し、その縦横比と水晶板における共振周波数の温度依存性との関係、特に、縦横比と共振周波数の一次温度係数αとの関係を調べたところ、縦横比が０．７５〜０．９０の範囲にあれば、良好な温度特性（一次温度係数が概ね±１０ｐｐｍ／℃の範囲内）が得られることが分かった。したがって、上述の各実施形態の水晶振動子でも、水晶板２１ａ〜２１ｃの縦横比を０．７５〜０．９０の範囲内とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 原石；１２ ＧＴカットの切断方位；２１ａ〜２１ｃ，３１ ＧＴカットの水晶板；２２，３２ 支持部；２３，３３ フレーム（枠体）；２４，３４，３５ 励振電極；２５ａ，２５ｂ 導電路；２６ スルーホール；２７ａ，２７ｂ，３７ 電極パッド；２８，２８ａ，２８ｂ 接続部材；３６ 引出電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧＴカットの水晶振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数や時間の基準源として用いられる水晶振動子は、水晶振動子を構成する振動板すなわち水晶板を水晶の単結晶から切り出すときの結晶学的な方位にしたがって、何種類かの“カット”に分類される。水晶振動子を構成する水晶板は水晶片とも呼ばれる。カットが異なれば、水晶板の振動モードも異なってくる。そのようなカットとしては、従来から、例えば、ＡＴカット、ＳＣカットなどが広く知られている。中でもＧＴカットの水晶板を用いた水晶振動子すなわちＧＴカットの水晶振動子は、優れた周波数温度特性を有し、周囲温度が変化した場合における共振周波数の変化が非常に小さいので、高精度高安定の水晶発振器への適用などが期待されている。またＧＴカットの水晶振動子は、その共振周波数が低い場合であっても小型に構成できる、という利点も有する。
【０００３】
水晶においては、周知なように、結晶学的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３本の結晶軸が定められている。Ｙ軸に直交する面（すなわち、Ｘ軸とＺ軸に平行な面）に沿って切り出される水晶板をＹ板と呼ぶが、Ｙ板をＸ軸の周りに＋５１．５°回転させ（すなわちφ＝＋５１．５°）、さらにその板の面内で板を＋４５°回転させる（すなわちθ＝＋４５°）ことによって形成される水晶板からなるカットがＧＴカットである。φ及びθは、水晶におけるカット方位を特定するために一般的に用いられるパラメータである。図１は、水晶の単結晶（原石１１）からＧＴカットの水晶板を切り出す際の切断方位１２を示している。参考のため、図１には、ＧＴカット以外の代表的なカットの切断方位も示されている。ＧＴカットの水晶板内での方位を指定するために、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りで上記の＋５１．５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ’軸、Ｙ’軸及びＺ’軸とする。Ｘ軸周りの回転であるので、当然のことながらＸ’軸はＸ軸に一致する。そして、Ｘ’軸及びＺ’軸をＹ’軸の周りでＺ’軸からＸ’軸に向かう方向に４５°回転させて得られる軸をそれぞれＸ”軸及びＺ”軸とする。
【０００４】
ここでＧＴカットの水晶板における振動モードを説明する。ＧＴカットの水晶板における振動モードは、Ｘ”軸方向の縦振動（伸縮振動）モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合した振動モード（幅・長さ縦結合振動モードともいう）である。２つの縦振動モードが結合した振動モードであるため、従来、ＧＴカットの水晶板は、１対の辺がＸ”軸に平行となりもう１対の辺がＺ”軸に平行になるような長方形あるいは角型の形状にして、水晶振動子における振動板すなわち水晶板として用いられていた。振動板としての水晶板を励振するための励振電極は、水晶板の両方の主面にそれぞれ設けられる。
【０００５】
水晶振動子を構成する振動板としてＧＴカットの水晶板を使用する場合には、水晶振動子の容器の壁面などと接触しないように水晶板を容器内に保持する必要がある。そこで、特許文献１に示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、振動板の本体部分（振動部）とそれに対する支持部とを水晶の板状部材から一体的に形成してしまうことが提案されている。
【０００６】
ＧＴカットの水晶板の場合、その振動モードが幅・長さ縦結合振動モードであって幅や長さなどの平面形状やサイズに応じて共振周波数が変化し、かつ、相互に結合する２つの振動モードの振動が両方とも確実に起きるようにしなければならないから、平面形状を任意に設定したり、任意の位置に支持部を配置したりすることはできない。この点で、ＧＴカットの水晶板は、振動モードが厚み滑り振動モードであってその厚さのみによって共振周波数が決定するＡＴカットの水晶板とは異なっている。ＡＴカットの水晶板では、平面形状を任意に設定することができ、平面形状を円形あるいは楕円形とすることができたり、厚み滑り振動での不動点となる位置で水晶板を支持する構成とすることができる。これに対し、長方形状のＧＴカットの水晶板の場合、その外周部には、一般には、振動変位における不動点は存在しない。振動変位における不動点以外の位置に支持部を設けて水晶板を支持した場合、支持部を設けることによって水晶板の振動が妨げられるおそれがあり、また、支持部の寸法ばらつきが水晶板の振動特性に大きな影響を及ぼす、という課題がある。
【０００７】
そこで本発明者らは、特願２０１１−０３７０８６において、ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成された水晶板と、それら２つの縦振動モードが結合したときに水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続して水晶板を支持する支持部と、を有するＧＴカットの水晶振動子を提案した。
【０００８】
図２は、楕円形のＧＴカットの水晶板を説明する図である。楕円形の水晶板３１は、その板面がＧＴカットにおけるＹ’軸に直交しており、楕円としての長軸がＧＴカットにおけるＸ”軸に一致し、短軸がＺ”軸に一致する。その結果、水晶板３１は、その振動モードとして、Ｘ”軸方向の縦振動モードとＺ”軸方向の縦振動モードとが結合し、Ｘ”軸方向とＺ”軸方向とに交互に伸縮する幅・長さ縦結合振動モードを有することになる。図２においては、伸縮振動の方向が矢印で示されており、振動によって変位した輪郭が破線によって示されている。ただし、説明のために、変位した輪郭は、水晶板３１における実際の変位量よりもはるかな大きな変位をしたものとして描かれている。
【０００９】
水晶板３１の外周部に注目すると、外周の各点において振動変位の大きさが一定しているわけではない。図においてＰ1〜Ｐ4に示す各点において振動変位の大きさが極小となっている。楕円形の水晶板３１が、長軸であるＸ”軸方向と短軸であるＺ”軸方向とに交互に伸縮するので、振動変位の大きさが極小となる点が水晶板３１の外周すなわち楕円上に必ず４つ生じる。水晶板３１の大きさに比べて各縦振動モードによる振動の振幅が十分に小さいとすると、点Ｐ1〜Ｐ4は、幅・長さ縦結合振動モードの振動変位に関して事実上の不動点となる。楕円に形成されている水晶板３１の外周のどの位置が不動点になるかは、水晶板３１における長軸の長さａと短軸の長さｂとの比、すなわち、縦横比（ｂ／ａ）によって異なる。例えば、縦横比が０．８５５である場合には、各不動点は、水晶板３１の中心すなわち楕円の中心から見て、長軸から短軸方向に向けて５７．５°の角度をなす方向に位置する。
【００１０】
このような水晶振動子では、水晶板３１における不動点Ｐ1〜Ｐ4の１つまたは複数に対して支持部を接続することにより、水晶板３１の振動特性に影響を及ぼすことなく、水晶板３１を支持することができる。言い換えれば、良好な振動特性が維持された水晶振動子が得られる。支持部としては、例えば、水晶板３１の外周に接続する単純な棒状部材あるいは梁部材を用いることができる。
【００１１】
図３及び図４は、上述したＧＴカットの水晶板３１を用いて構成された水晶振動子の具体的な一例を示している。この水晶振動子は、略長方形に形成されたフレーム（枠体）３３を備え、フレーム３３の開口部内に、上述の図２に示した楕円形のＧＴカットの水晶板３１が保持されたものである。水晶板３１は、フレーム３３の内壁から延びる棒状の２本の支持部３２によって支持されている。２本の支持部３２は、楕円形の水晶板３１の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、水晶板３１に機械的に接続している。ここでは、水晶板３１の中心（楕円の中心）を挟む一対の不動点Ｐ2，Ｐ4（図２参照）に対して支持部３２が接続している。フレーム３３の厚さは、水晶板３１の厚さよりも十分に厚くなっている。これにより、例えばフレーム３３の上面と下面とに蓋部材をそれぞれ配してフレーム３３と蓋部材とによって囲まれた空間内に水晶板３１が格納されるようにした場合に、水晶板３１の蓋部材への接触が防止される。
【００１２】
水晶板３１の一方の主面のほぼ全面には励振電極３４が形成され、この励振電極３４に対する電気的接続を実現するための引出電極３６が、一方の支持部３２の表面に形成されて、フレーム３３の上面に形成されている電極パット３７にまで延びている。同様に、水晶板３２の他方の主面のほぼ全面にも励振電極３５が形成され、この励振電極３５は、フレーム３３の下面に形成されている電極パッド（不図示）に対し、他方の支持部の表面に形成された引出電極（不図示）を介して電気的に接続している。電極パッド３７は、この水晶振動子を外部回路の接続するために用いられるものである。
【００１３】
図３及び図４に示したものでは、水晶板３１を２点で支持しているが、上述した不動点Ｐ1〜Ｐ4において支持するものである限り、何か所で支持するか、どの不動点で支持するかは、任意に定めることができる。
【００１４】
図５は、楕円形のＧＴカットの水晶板３１における各軸の方位を示したものである。
【００１５】
ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、Ｘ”軸方向の寸法とＺ”軸方向の寸法とを入れ替えても同じ振動特性を示す。すなわち、ＧＴカットの楕円形の水晶板において、長軸をＺ”軸方向とし短軸をＸ”軸方向としても、上述と同様に水晶板の外周の４か所に不動点が現れ、この不動点で水晶板を支持することによって良好な振動特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平９−２４６８９８号公報
【特許文献２】特開２００７−１５８４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ＧＴカットの水晶振動子は、共振周波数が低い場合であっても小型化できるという利点を有する。しかしながら、ＧＴカットの水晶振動子は、水晶板の板面に対して励振電極をできるだけ広く形成したとしても、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、等価直列抵抗ＥＳＲが例えば１ｋΩ程度と大きくなる、という課題を有する。これは、ＧＴカットの水晶振動子の場合、共振周波数は水晶板の外形で決まるため、等価直列抵抗を小さくするために水晶板の平面サイズを大きくするという手法を採用できないからである。ＡＴカットの水晶振動子と比べた場合、ＧＴカットの水晶振動子では、例えば、Ｃ１が約３分の１になり、ＥＳＲが約３倍となる。その結果、ＧＴカットの水晶振動子が接続された発振回路を設計する場合に、安定した発振を達成するための回路構成が複雑になる。特に、水晶振動子の等価直列抵抗が大きいと、発振回路の発振余裕度が低下する。
【００１８】
本発明の目的は、等価直列容量を大きくし等価直列抵抗を小さくしたＧＴカットの水晶振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のＧＴカットの水晶振動子は、枠体と、ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板と、各水晶板の両方の主面にそれぞれ形成された一対の励振電極と、各水晶板ごとに、２つの縦振動モードが結合したときにその水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、その水晶板を枠体に支持する支持部と、を有し、複数の水晶板は２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置し、隣接する２つの水晶板のうちの一方の水晶板の外周と他方の水晶板の外周とが機械的に結合し、一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板が第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、励振電極間の電気的配線が形成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＧＴカットの水晶振動子では、共振周波数が同じである複数のＧＴカットの水晶板を配置し、隣接する２つの水晶板間において、それら２つの水晶板の外周間を機械的に結合させるとともに、一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに他方の水晶板が第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、各水晶板間で励振電極の電気的配線が形成されている。その結果、複数のＧＴカットの水晶板は、電気的には並列に接続されていることになるので、全体として見たとき、単一の水晶板を用いる場合に比べて等価直列容量が増大し等価直列抵抗が減少し、例えば、ＡＴカットの水晶振動子と同等の等価直列抵抗を示すようになる。その際、水晶板間を機械的に結合するとともに、上記のように励振電極間を電気的に接続することにより、複数の水晶板をまたがって全体として１つの振動モードに結合することとなる。その結果、不要な副振動が生じたりすることがなく、水晶振動子として極めて高い安定度を示すようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＧＴカットの水晶板の切断方位を説明する図である。
【図２】ＧＴカットの水晶板の振動モードを説明する平面図である。
【図３】楕円型の水晶板を有するＧＴカット水晶振動子の構成の一例を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ’線での断面図である。
【図５】水晶板における軸方向を説明する図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の水晶振動子を示す図であって、（ａ）が平面図、（ｂ）は励振電極間の配線を説明する図、（ｃ）は振動状態を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の水晶振動子を示す平面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の水晶振動子を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態におけるＧＴカットの水晶振動子を示している。この水晶振動子は、図２を用いて説明したものと同様の楕円形状のＧＴカットの水晶板を２個備え、フレーム（枠体）２３の開口部内にこれらの水晶板２１ａ，２１ｂが保持された構造を有する。各水晶板２１ａ，２１ｂの短軸及び長軸の方向は、ＧＴカットの水晶結晶における直交する２つの縦振動モードの振動方向にそれぞれ一致している。水晶板２１ａ，２１ｂの外形形状は同一とされ、これにより、両方の水晶板２１ａ，２１ｂはＧＴカットの振動モードでの同一の共振周波数を有している。水晶板２１ａ，２１ｂの各々は、いずれも、フレーム２３の内壁からの延びる棒状の２本の支持部２２によって支持されている。水晶板ごとの２本の支持部２２は、楕円形の水晶板の外周にある上述した４つの不動点Ｐ1〜Ｐ4のうちの２つにおいて、それぞれ、その水晶板に機械的に接続している。フレーム２３の厚さは、水晶板２１ａ，２１ｂの厚さよりも十分に厚くなっている。
【００２４】
水晶板２１ａ，２１ｂは、それらの短軸が一直線上に沿うように配置しており、棒状の接続部材２８によって相互に機械的に結合している。具体的には、接続部材２８は、水晶板２１ａの外周上の１点と水晶板２１ｂの外周上の１点とに接続している。図示したものでは、楕円形の水晶板２１ａ，２１ｂの各々の短軸の一端が、接続部材２８によって相互に機械的に接続している。ここでは水晶片２１ａ，２１ｂの短軸の端部同士を接続したが、長軸が一直線上に沿うように水晶片２１ａ，２１ｂを配置した上で、水晶片２１ａ，２１ｂの長軸の端部同士を接続する構成とすることもできる。接続部材２８を接続する位置は、必ずしも水晶板における長軸や短軸の端部とする必要はないが、水晶板の外周にある上述の不動点とすると、接続部材を設けた意義が失われ、両方の水晶板２１ａ，２１ｂが機械的に結合しなくなる。
【００２５】
水晶板２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び接続部材２８は、水晶によって一体的に形成されている。例えば、ＧＴカットの水晶ウェハを用意し、その水晶ウェハに対してフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング処理を行うことによって、水晶板２１ａ，２１ｂ、支持部２２、フレーム２３及び接続部材２８を同時に一体的に形成することができる。その結果、２つの水晶板２１ａ，２１ｂは、ＧＴカット水晶における上述した２つの縦振動モードの振動方向によって張られる平面内に配置し、支持部２２及び接続部材２８もこの平面内に配置することになる。
【００２６】
以下、説明のため、水晶板の２つの主面に関し、水晶振動子の平面図において紙面に示される方の主面を水晶板の表面と呼び、平面時において紙背側に位置することになる方の主面を水晶板の裏面と呼ぶことにする。
【００２７】
図６（ｂ）に示すように、各水晶板２１ａ，２１ｂの両方の主面のほぼ全面には励振電極２５が形成されている。ここで、水晶板２１ａの表面に形成された励振電極２５と水晶板２１ｂの裏面に形成された励振電極とが、支持部２２の表面及びフレーム２３に設けられた導電路２５ａを介して電気的に接続し、この導電路２５ａには、この水晶振動子を外部回路に接続するために用いられる電極パッド２７ａも設けられている。同様に、水晶板２１ａの裏面に形成された励振電極と水晶板２１ｂの表面に形成された励振電極とが、支持部２２及びフレーム２３に設けられた導電路２５ｂを介して電気的に接続し、この導電路２５ｂには、外部回路との接続のための電極パッド２７ｂも設けられている。電極パッド２７ａ，２７ｂは、フレーム２３の表面に形成されている。表面側の励振電極と裏面側の励振電極とを電気的に接続する必要から、導電路２５ａ，２５ｂには、フレーム２３を貫通するスルーホールが設けられている。
【００２８】
このように水晶板２１ａ，２１ｂ間で励振電極を電気的に接続することにより、水晶板２１ａ，２１ｂでは励振の際の電気的極性が相互に逆極性となる。その結果、図６（ｃ）に示すように、水晶板２１ａが短軸方向に延びて長軸方向に縮むとき（図示実線で示す場合）には、水晶板２１ｂは長軸方向に延びて短軸方向に縮み、逆に、水晶板２１ａが短軸方向に縮んで長軸方向に延びるとき（図示破線で示す場合）には、水晶板２１ｂは長軸方向に縮んで短軸方向に延びることになる。このように２つの水晶板２１ａ，２１ｂが振動したとすると、接続部材２８の位置での両方の水晶板２１ａ，２１ｂの間隔はほとんど変化せず、したがって、接続部材２８は両方の水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合させるものの、それらの水晶板での振動を阻害することはない。本実施形態では、接続部材２８を設けていることにより、水晶板２１ａ，２１ｂのそれぞれ単独での共振周波数が相互に多少ずれている場合であっても、両方の水晶板２１ａ，２１ｂが一体となって同一の周波数で共振するようになり、水晶振動子として高いＱ値を得ることができるようになる。これに対し、接続部材２８を設けていないとすると、共振周波数がわずかにずれている２つの水晶振動子を並列に接続したことと電気的に等価になり、全体として見たときのＱ値が低下することになる。
【００２９】
第１の実施形態の水晶振動子では、各水晶板２１ａ，２１ｂは、その外周における振動変位が極小となる点において支持部２２により支持されるので、支持部２２が水晶板２１ａ，２１ｂの振動特性に影響を及ぼすことはない。また、接続部材２８は２つの水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合するものの、それらの水晶板２１ａ，２１ｂの振動を阻害しない。水晶板２１ａ，２１ｂは同一の共振周波数を有するので、これらの水晶板２１ａ，２１ｂはこの共通の共振周波数で振動するとともに、水晶振動子全体として見ても、水晶板２１ａ，２１ｂをまたがって結合した１つの振動モードで安定して振動することになる。その結果、この水晶振動子は、副振動を生じたりすることなく、極めて安定して振動することになる。また、図２に示した水晶振動子と比べ、この水晶振動子では、共振周波数は同じでありながら励振電極の面積は２倍になっているので、等価直列容量も２倍になり、等価直列抵抗は２分の１になることになる。本実施形態のＧＴカットの水晶振動子を発振回路に適用した場合には、等価直列抵抗が小さいので、簡単な回路構成で大きな発振余裕度を達成でき、高安定な発振回得を構成することができる。
【００３０】
上記の例では、水晶板２１ａの短軸の一端と水晶板２１ｂの短軸の一端とを機械的に結合させたが、ＧＴカットの水晶板の場合、Ｘ”軸方向の弾性係数Ｃ'11とＺ”軸方向の弾性係数Ｃ'33とが等しいので、一方の水晶板の長軸の一端と他方の水晶板の長軸の一端とを機械的に結合した場合であっても、上述と同様の効果が得られる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態の水晶振動子を説明する。
【００３２】
第１の実施形態では、２つの水晶板２１ａ，２１ｂから水晶振動子を構成したが、本発明では、３個以上のＧＴカットの水晶板を用い、隣接する２個の水晶板を相互に機械的に結合することを繰り返して、全ての水晶板を１つの振動モードに結合させることも可能である。図７は第２の実施形態の水晶振動子を示している。
【００３３】
図７に示す第２の実施形態の水晶振動子は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すものと同様のものであるが、３個の水晶板２１ａ〜２１ｃを備えている点で、図６（ａ）〜（ｃ）に示すものと異なっている。水晶板２１ａ〜２１ｃの各々は、水晶板ごとに棒状の２本の支持部２２によってフレーム２３に接続されている。支持部２２は、水晶板の外周において振動変位が極小となる位置において、水晶板に接続している。また、水晶板２１ａの短軸の一端と水晶板２１ｂの短軸の一端とが棒状の接続部材２８ａによって接続され、水晶板２１ｂの短軸の他端と水晶板２ｃの短軸の一端とが棒状の接続部材２８ｂによって接続されており、これによって、水晶板２１ａ，２１ｂが相互に機械的に結合し、水晶板２１ｂ，２１ｃも相互に機械的に結合している。
【００３４】
各水晶板２１ａ〜２１ｃの両方の主面には励振電極２４が形成されている。ここでは、水晶板２１ａ，２１ｃの各々の表面と水晶板２１ｂの裏面に形成された励振電極が導電路２５ａを介して電気的に接続し、導電路２５ａには電極パット２７ａも設けられている。また、水晶板２１ａ，２１ｃの各々の裏面と水晶板２１ｂの表面に形成された励振電極が導電路２５ｂを介して電気的に接続し、導電路２５ｂには電極パット２７ｂも設けられている。その結果、水晶板２１ａ，２１ｂでは励振の際の電気的極性が相互に逆極性となり、水晶板２１ｂ，２１ｃでも逆極性となる。水晶板２１ａ，２１ｃでは相互に同極性である。第１の実施形態の場合と同様に、接続部材２８ａ，２８ｂは水晶板２１ａ〜２１ｃを機械的に結合するが、それらの振動を阻害しない。この水晶振動子では、各水晶板２１ａ〜２１ｃは共通の共振周波数で振動するとともに、水晶振動子全体として見ても、水晶板２１ａ〜２１ｃをまたがって結合した１つの振動モードで安定して振動することになる。また、図２に示した水晶振動子と比べ、この水晶振動子では、共振周波数は同じでありながら励振電極の面積は３倍になっているので、等価直列容量も３倍になり、等価直列抵抗は３分の１になることになる。本実施形態の水晶振動子を用いることにより、簡単な回路構成で大きな発振余裕度を達成でき、高安定な発振回得を構成することができる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態の水晶振動子を説明する。
【００３６】
第１の実施形態では、隣接する水晶板２１ａ，２１ｂ間に接続部材２８を設けてこれらの水晶板２１ａ，２１ｂを機械的に結合させていたが、水晶板間の機械的結合の態様はこれに限定されるものではない。図８に示す第３の実施形態の水晶振動子では、第１の実施形態の水晶振動子と同様のものであるが、接続部材を設けることなく水晶片２１ａの短軸の一端と水晶片２１ｂの短軸の一端とを直に接合することによって、水晶片２１ａ，２１ｂ間の機械的結合を実現している。上述したように、水晶板２１ａ，２１ｂは電気的には逆極性で励振されるので、水晶片２１ａ，２１ｂ同士を直に接合した場合、この接合位置において応力などが発生することはない。したがって、この水晶振動子も第１の実施形態の水晶振動子と同様の効果を有する。
【００３７】
次に、楕円形状の水晶板２１ａ〜２１ｃにおける縦横比（ｂ／ａ）（図５参照）について説明する。
【００３８】
楕円形状のＧＴカットの水晶板に関し、その縦横比と水晶板における共振周波数の温度依存性との関係、特に、縦横比と共振周波数の一次温度係数αとの関係を調べたところ、縦横比が０．７５〜０．９０の範囲にあれば、良好な温度特性（一次温度係数が概ね±１０ｐｐｍ／℃の範囲内）が得られることが分かった。したがって、上述の各実施形態の水晶振動子でも、水晶板２１ａ〜２１ｃの縦横比を０．７５〜０．９０の範囲内とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００３９】
１１ 原石；１２ ＧＴカットの切断方位；２１ａ〜２１ｃ，３１ ＧＴカットの水晶板；２２，３２ 支持部；２３，３３ フレーム（枠体）；２４，３４，３５ 励振電極；２５ａ，２５ｂ 導電路；２６ スルーホール；２７ａ，２７ｂ，３７ 電極パッド；２８，２８ａ，２８ｂ 接続部材；３６ 引出電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧＴカットの水晶振動子であって、
枠体と、
ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板と、
前記各水晶板の両方の主面にそれぞれ形成された一対の励振電極と、
前記各水晶板ごとに、前記２つの縦振動モードが結合したときに当該水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、当該水晶板を前記枠体に支持する支持部と、を有し、
前記複数の水晶板は前記２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置し、隣接する２つの前記水晶板のうちの一方の水晶板の外周と他方の水晶板の外周とが機械的に結合し、前記一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに前記他方の水晶板が前記第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、前記励振電極間の電気的配線が形成されている、水晶振動子。
【請求項２】
前記一方の水晶板の外周と前記他方の水晶板の外周との機械的な結合は、前記一方の水晶板の長軸または短軸の一端と前記他方の水晶板の長軸または短軸の一端との間で形成される、請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記一方の水晶板の外周と前記他方の水晶板の外周とを接続する接続部材によって、前記一方の水晶板と前記他方の水晶板が機械的に結合する、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記枠体、前記支持部及び前記接続部材は水晶からなり、前記水晶板と一体的に形成されている、請求項３に記載の水晶振動子。
【請求項５】
前記一方の水晶板の外周の１点と前記他方の水晶板の外周の１点とが直に接合することによって、前記一方の水晶板と前記他方の水晶板が機械的に結合する、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項６】
前記枠体及び前記支持部は水晶からなり、前記水晶板と一体的に形成されている、請求項５に記載の水晶振動子。
【請求項７】
前記各水晶板において前記長軸の長さに対する前記短軸の長さが０．７５以上０．９０以下の範囲内にある、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【請求項１】
ＧＴカットの水晶振動子であって、
枠体と、
ＧＴカットにおける直交する２つの縦振動モードの振動方向をそれぞれ長軸と短軸とする楕円形に形成され、同一の共振周波数を有する複数の水晶板と、
前記各水晶板の両方の主面にそれぞれ形成された一対の励振電極と、
前記各水晶板ごとに、前記２つの縦振動モードが結合したときに当該水晶板の外周において振動変位が極小となる位置に対して接続し、当該水晶板を前記枠体に支持する支持部と、を有し、
前記複数の水晶板は前記２つの縦振動モードの振動方向を含む同一の平面内に配置し、隣接する２つの前記水晶板のうちの一方の水晶板の外周と他方の水晶板の外周とが機械的に結合し、前記一方の水晶板が第１の方向に伸長しているときに前記他方の水晶板が前記第１の方向に直交する第２の方向で伸長するように、前記励振電極間の電気的配線が形成されている、水晶振動子。
【請求項２】
前記一方の水晶板の外周と前記他方の水晶板の外周との機械的な結合は、前記一方の水晶板の長軸または短軸の一端と前記他方の水晶板の長軸または短軸の一端との間で形成される、請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記一方の水晶板の外周と前記他方の水晶板の外周とを接続する接続部材によって、前記一方の水晶板と前記他方の水晶板が機械的に結合する、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記枠体、前記支持部及び前記接続部材は水晶からなり、前記水晶板と一体的に形成されている、請求項３に記載の水晶振動子。
【請求項５】
前記一方の水晶板の外周の１点と前記他方の水晶板の外周の１点とが直に接合することによって、前記一方の水晶板と前記他方の水晶板が機械的に結合する、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項６】
前記枠体及び前記支持部は水晶からなり、前記水晶板と一体的に形成されている、請求項５に記載の水晶振動子。
【請求項７】
前記各水晶板において前記長軸の長さに対する前記短軸の長さが０．７５以上０．９０以下の範囲内にある、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０２３４６（Ｐ２０１３−１０２３４６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４６７２（Ｐ２０１１−２４４６７２）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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