压电振动片、压电振子和压电装置 【技术领域】
本发明涉及利用压电效应的振动片，具体地说，涉及使用所谓新切削水晶板的压电振动片、压电振子和压电装置。背景技术
近几年随着各种装置的电子化、通信系统的发展，以压电振荡器为首的压电装置多被采用。特别是，水晶作为压电材料，由于可得到高频率的同时，具有稳定的频率特性，因此被广泛应用于压电装置。AT切削水晶板(以下简称为AT切削板)，因为在大范围的温度区域内可得到具有稳定的频率特性的压电振子，所以，从以前就开始使用于压电装置。该AT切削板的一片与X轴平行，是以XZ面围绕X轴顺时针方向(从X轴的-X方向往+X方向看时为基准)旋转35.25度的切角θ切割形成。
由该AT切削板形成的压电振子(水晶振子)的频率温度特性用图11表示。图11中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴表示以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差(单位：ppm)。
[专利文献1]
专利第3218537号公报
[非专利文献1]
P.C.Y.Lee、Y.K.Yong著，“Frequency-temperature behavior ofthickness vibrations of doubly rotated quartz plates affected by platedimensions and orientations”，Vol.60，No.7，(美国)，Journal of AppliedPhysics，1986年10月1日，p.2340
从以前一直广泛使用的AT切削板，如图11所示，表示频率温度特性的对应于25℃时的频率地频率偏差在100℃附近急剧变大。因此，例如采用从-25℃到+120℃的温度范围，则不存在频率偏差的变化幅度为30ppm以内的切角。因此，如汽车零件这样在大温度范围内使用的装置上安装由AT切削板形成的水晶振子时，很难高精度地控制。从而，人们寻求在大的温度范围，特别是从-25℃到+120℃的温度范围内可发出频率偏差为±15ppm以内的稳定的振荡频率的水晶振子。
以前，如上所述，由于在从-25℃到+120℃的范围内频率偏差的变化幅度比30ppm大，因此，作为汽车零件等使用时，通过设置温度补偿电路得到使频率较稳定的振荡器。但是，如果设置温度补偿电路，随着零件数和工时数的增加，成本将增大。
本发明是为了克服所述的传统技术的缺点而形成，以在大的温度范围内可得到稳定的频率为目的。发明内容
发明人在对水晶的切角进行了各种研究、实验后，发现了可在大的温度范围内得到比较稳定的频率的切角。由于本发明是根据该想法而形成，因此，本发明的压电振动片，其特征在于由水晶板构成，该水晶板将水晶的电轴作为X轴、机械轴作为Y轴、光学轴作为Z轴，其具有：与X’轴平行的边，所述X’轴是围绕所述Z轴将所述X轴顺时针旋转一个大于等于-5.0度且小于-1.0度、或大于+1.0度(不包括φ＝1.0度)且小于等于15.9度的角度而设定的；与Z’轴平行的边，所述Z’轴是围绕所述X’轴将所述Z轴顺时针旋转一个大于等于34.6度且小于等于35.1度的角度而设定的。
由此形成的本发明，在-25℃～+120℃的温度范围内可使频率温度特性的频率偏差的变化幅度限定在30ppm以内，在大的温度范围内可得到稳定的频率。
另外，本发明中的“围绕轴的顺时针方向”是指从该轴的负轴侧向正轴侧看时为基准。从而，例如“围绕Z轴的顺时针方向”是指“从-Z方向往+Z方向看时的顺时针方向”。
压电振动片的频率温度特性也根据坯料的形状，例如坯料的X边比(坯料的X’轴方向的长度除以坯料的厚度所得到的值)变化。因此，发明人对在大的温度范围内可得到稳定的频率的坯料的X边比与切角的关系进行了调查。在所述的压电振动片中，其特征在于，所述X’轴方向的长度相对于厚度的倍数为大于等于15且小于22，假设围绕Z轴的旋转角度的数值为φ、围绕X’轴的旋转角度的数值为θ时，
φ°＝(-1.0222350×102×θ3+1.0670709×104×θ2
-3.7128983×105×θ+4.3063628×106±3)°
(式中，34.6≤θ≤35.1)
式4借此，在-25℃～+120℃的大温度范围内，可使X边比为大于等于15且小于22的压电振动片的频率稳定。
另外，在所述的压电振动片中，其特征在于，水晶板的所述X’轴方向的长度相对于厚度的倍数为小于15，假设围绕Z轴的旋转角度的数值为φ、围绕X’轴的旋转角度的数值为θ时，
φ°＝(-1.7916667×102×θ3+1.8731250×104×θ2
-6.5277908×105×θ+7.5832595×106±3)°
(式中，34.6≤θ≤35.1)
式5借此，在-25℃～+120℃的大温度范围内，可使X边比为比15小的小型压电振动片的频率稳定。
另外，本发明的压电振动片，其特征在于由水晶板构成，该水晶板将水晶的电轴作为X轴、机械轴作为Y轴、光学轴作为Z轴，其具有：与X’轴平行的边，所述X’轴是围绕所述Z轴将所述X轴顺时针旋转一个大于等于-15.9度且小于等于-5.0度的角度而设定的；与Z’轴平行的边，所述Z’轴是围绕所述X’轴将所述Z轴顺时针旋转一个大于等于34.2度且小于等于35.3度的角度而设定的。
由此形成的本发明，在-25℃～+120℃的温度范围内可使频率温度特性的频率偏差的变化幅度集中在30ppm以内，在大的温度范围内可得到稳定的频率。
在其它的实施例中，其特征在于，水晶板的所述X’轴方向的长度相对于厚度的倍数为小于80，假设围绕所述Z轴的旋转角度的数值为φ、围绕所述X’轴的旋转角度的数值为θ时，
θ＝-2.91652×10-3×φ2+1.39515×10-4×φ
+35.1541±0.2
(式中，-15.9≤φ≤-5)
式6借此，在-25℃～+120℃的大温度范围内，可使X边比为大于等于10的压电振动片的频率稳定。
本发明的压电振子，其特征在于是由如上任一所述的压电振动片形成。由此，在-25℃～+120℃的大温度范围内，可得到频率稳定的压电振子。
另外，本发明的压电装置，其特征在于具备所述的压电振子。由此，即使是使用于如汽车零件等在温度范围大的情况下，不需要设置温度补偿电路，可使频率稳定且避免零件数和工时数的增加，可降低成本。附图说明
图1是本发明的实施例的切角的说明图。
图2是说明X边比为10的压电振子的频率温度特性于与切角φ的相关性的图。
图3是表示由X边比的不同而产生的最适合切角的差异的图。
图4是表示由电极膜厚(极板反向量：プレ一トバック量)的不同而产生的频率温度特性差异的图。
图5是表示X边比为大于等于15且小于22的压电振子可得到良好的频率温度特性的切角的范围的图。
图6是表示X边比小于15的压电振子可得到良好的频率温度特性的切角的范围的图。
图7是说明X边比为10的压电振子的θ＝34.5°时的频率温度特性与φ的相关性的图。
图8是说明X边比为25.0的压电振子的θ＝-10°时的频率温度特性与φ的相关性的图。
图9是表示X边比小于10～80的压电振子可得到良好的频率温度特性的切角的范围的图。
图10是实施例的压电振子的说明图，(1)是沿(2)的B-B线的截面图，(2)是沿(1)的A-A线的截面图。
图11是表示使用AT切削水晶板的压电振子的频率温度特性的图。
符号说明
10 水晶结晶、12 水晶板、20 压电振子、22 外壳、24 压电振动片、30 电极、36 激励电极具体实施方式
根据附图详细说明本发明的压电振动片和压电振子以及压电装置的最佳实施例。
理论上证明若在水晶的结晶轴(电轴、机械轴、光学轴)中使用根据对应两轴旋转的切角切割出的水晶板(基板)，则频率偏差的拐点向高温侧偏移(例如，参照专利文献1)。在-25℃～+120℃的温度范围内，频率稳定的切角也存在。
但是，根据坯料的形状，频率温度特性曲线也容易产生变化。因此，仅仅通过确定切角，不能够特别指定频率稳定的切角区域。例如，图11中表示频率温度特性的由AT切削板形成的水晶振子，即使是在切角相同的情况下，随着坯料的X边比(坯料的X’轴方向的长度除以坯料的厚度所得的值)变大，如同一图面的箭头A、B所示，以温度的三次函数表示的频率温度特性曲线在温度的线性系数变大的方向上变化。我们已知，其即使是对于具有以围绕两轴旋转的坐标轴的水晶板，也显示同样的趋势(例如，参照非专利文献1)。因此，有必要设定考虑了坯料的X边比的切角。
另外，温度特性也受到形成在坯料上的电极的厚度的影响，即电极的厚度变厚与坯料的X边比变短同样地使线性系数变小。在此，与切角同样地，必须考虑电极膜厚。
图1是说明为了得到本发明的压电振动片即水晶振动片的水晶切角的图。图1中，与水晶结晶10垂直的三轴，即电轴作为X轴、与其垂直的机械轴作为Y轴、与X轴和Y轴垂直的光学轴作为Z轴。为了得到本发明的水晶振动片的水晶板(水晶基板)12的切角，首先，设定围绕Z轴把X轴顺时针方向旋转φ的X’轴，并具有与该X’轴平行的边。并且，水晶板12具有与围绕X’轴把Z轴顺时针方向旋转φ的Z’轴平行的边。
发明人通过对分别围绕水晶结晶10的X轴和Z轴旋转的所谓双旋转切角进行各种讨论的结果，发现了在-25℃～+120℃的温度范围内可得到比较稳定频率的切角。
图2中，在X边比(由图1所示的水晶板12得到的坯料的X’方向的长度除以板厚度所得到的值(以下同))为10.0、Z边比(由图1所示的水晶板12得到的坯料的Z’方向的长度除以板厚度所得到的值(以下同))为6.2的矩形平板形状中，测定了使用主振荡频率为10MHz的水晶振子的切角的频率温度特性，并研究了把Z轴围绕X’轴顺时针方向旋转34.7度(θ＝34.7°)设定时与φ的相关性。电极的极板反向量为2.5％。
图2中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴为以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差(单位：ppm)。如图2中所示，φ＝8.3°时，可得到以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差的变化幅度在-25℃～+120℃的温度范围内，其频率偏差的变化幅度为30ppm以内的振子。因此，可得到与如汽车零件等在大温度范围内使用的装置上不设置温度补偿电路相对应的压电装置。
但是，当φ＝16°以上时，由于中心温度(如图11中的C点所示的频率温度特性曲线中低温侧的拐点与高温侧的拐点中间的点)变成60℃以上，因此，在低温区域频率明显下降，频率偏差的变化幅度不能限制在30ppm以内。同样地，φ大于等于为-1度小于等于+1度时，中心温度与AT切削同样处在25℃，因此，在高温区域频率明显上升。因此，最好使φ的适用范围为大于等于-5.0度、小于-1度、或比+1度大(不包含+1)、小于等于+15.9度。即，最好切角φ为
-5≤φ＜-1 式7
或
1＜φ≤15.9 式8
另外，根据发明人的研究可知，通过把φ值设定成从8.3度的偏移不大于3度的值，可准确得到在-25℃～+120℃的温度范围内频率偏差的变化幅度为30ppm以内的振子。
如上所述，水晶振子的频率温度特性根据坯料的形状、特别是根据X边比变化。由此，发明人对所述的X边比为10.0、Z边比为6.2、主振荡频率为10MHz的水晶振子和X边比为20、Z边比为13、主振荡频率为16MHz的水晶振子，进行温度范围在-25℃～+120℃的频率温度特性的最佳切角的比较。其结果如图3所示。
图3中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴为以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差(单位：ppm)。如图3中用实线表示的，在X边比为10.0的小型振子的情况下，表示最合适的频率温度特性的切角为φ＝8.3°、θ＝34.7°。与此相对的，在同一附图中用虚线表示的X边比为20的大的振子的情况下，切角为φ＝6.1°、θ＝34.7°时，可得到最合适的频率温度特性。
很显然，根据X边比的差异，可得到最合适的频率温度特性的切角也不同，在-25℃～+120℃的温度范围内，频率偏差的变化幅度在30ppm以内的切角范围可根据X边比产生很大的不同。
而且，在图4中表示了对具有相同的切角(θ＝35°、φ＝4.5°)、相同的形状的坯料，在使电极膜厚(极板反向量)从1％变化到4％而形成时的频率温度特性的比较。该图4中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴为以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差(单位：ppm)，用实线表示的曲线为电极膜厚1％时的情况，用虚线表示的曲线为电极膜厚4％时的情况。从图中清楚地看到，即使在改变电极膜厚的条件下，最适合区域也会偏移。
在此，对所述的两个水晶振子，进行了频率偏差的变化幅度在30ppm以内的可得到良好频率温度特性的切角范围的调查。
图5中，对X边比为20、Z边比为13、极板反向量为2.5％、主振荡频率为16MHz的振子，可得到良好频率温度特性的切角用●表示。可知，这些实验数据存在于用实线表示的函数曲线上。横轴为围绕X’轴顺时针方向旋转的角度θ(单位：度)，纵轴为围绕Z轴顺时针方向旋转的角度φ(单位：度)。但是，就像前面所说明的，X边比改变或者电极膜厚改变，则最适合区域也改变，因此，重新将X边比变化到15～22、极板反向量也变化到1～6％而探索最适合区域。其结果，通过改变条件发现了在用Δ表示的点上存在最适合值。即，在夹着实线的虚线区域内存在最适合值。
因此，X边比为大于等于15且小于22时，相对于可得到良好频率温度特性的θ数值的φ为如下。
φ＝-1.0222350×102×θ3+1.0670709×104×θ2
-3.7128983×105×θ+4.3063628×106±3
式9
可知在该区域中，对应角度偏离的可得到良好频率温度特性的区域的范围，特别是对于θ＝35.1°以下的区域，即使θ稍微有偏离，只要φ值一定，就可得到具有良好频率温度特性的水晶振子。因此，考虑批量生产时，最好θ≤35.1°。但是，如上所述，表示振子的温度特性受X边比和电极膜厚的影响很大。在除所述实施例以外的X边比为大于等于22、或电极膜厚薄时即极板反向量为小于等于1％时、或者满足该两者条件时，也存在脱离图5或后述的图6中所示的区域的情况。因此，为了对大范围的制造条件得到稳定的频率温度特性，φ必须大于等于-0.5度且小于-1.0度，或比+1.0度大(不包括1.0度。)且小于等于15.9度，θ必须大于等于34.6度且小于等于35.1度。但φ在小于等于±1度的条件下，因为只表示与AT切削振子大致同样的频率温度特性，所以除去。
图6求出了X边比为10.0、Z边比为6.2、极板反向量为2.5％、主振荡频率为10MHz的水晶振子在-25℃～+120℃的温度范围内、频率偏差的变化幅度在30ppm以内的切角。用●表示。可知，这些实验数据存在于用实线表示的函数曲线上。与上一段所述同样地将X边比在5～15的范围变化、极板反向量也变化到0.5～4％范围而探索最适合值，结果发现了在图6中用Δ表示的点上存在最适合值。即，在夹着实线的虚线区域内存在最适合值。
因此，在X边比小于15的水晶振子时，具有良好频率温度特性的θ与φ之间的关系为如下。
φ＝-1.7916667×102×θ3+1.8731250×104×θ2
-6.5277908×105×θ+7.5832595×106±3
式10式中，θ值最好为与上述相同，小于等于35.1度。该所期望的切角的范围可适用于X边比比15小的水晶振子。
图7是表示X边比为10的水晶振子的θ＝34.5°时的频率温度特性的图。图7中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴为温度为25℃时的频率的频率偏差(单位：ppm)。图中实线为φ＝12°时的频率温度特性，虚线为φ＝13°时的频率温度特性。
如图中所示，在X边比为10的条件下θ＝34.5°时，对所有的φ，在-25℃～+120℃的温度范围内均不能得到良好的频率温度特性。这是因为拐点过高的原因。因此，θ的区域以34.5度为下限。但不包括θ＝34.5°。即θ的范围最好为
34.6≤θ≤35.1° 式11
如上所说明，在φ＝-5°～15.9°的区域中可得到温度特性良好的压电振子片。发明人同样地认为在把φ旋转到-5度以下区域时也存在温度特性良好的区域而进行了实验。图8中，测定了使用X边比为25.0、Z边比为16.5、主振荡频率为21MHz的水晶振子的切角的频率温度特性，研究将以Z轴为中心向负方向(从-Z方向往+Z方向看上去时为基准的逆时针方向)旋转10度形成的面围绕X’轴顺时针方向从34.0度旋转到35.5度(θ＝34.0°～35.5°)时的温度特性与θ的相关性。而且，电极的极板反向量为2.0％。
图8中，横轴为温度(单位：℃)，纵轴为以温度为25℃时的频率作为基准的频率偏差(单位：ppm)。如图8中所示的，φ＝-10°、θ＝34.9°时，可得到以温度25℃时的频率作为基准的频率偏差的变化幅度在-25℃～+120℃的温度范围内，其频率偏差的变化幅度为30ppm以内的振子。因此，可得到在汽车零件等在大温度范围内使用的装置上不设置温度补偿电路也可对应的压电装置。根据发明人的研究可知，图8中所示的水晶振子的频率温度特性，如果θ值从34.9度偏离0.3度以上，如图8中的点划线φ＝-10°、θ＝34.6°所示，温度的线性系数过大；或者如同一图中虚线φ＝-10°、θ＝35.2°所示，变得接近于二次曲线的特性，不能得到满意的特性。
图9中，对X边比为25.0、Z边比为16.5、极板反向量为2.0％、主振荡频率为20MHz的水晶振子，在-25℃～+120℃的温度范围内，频率偏差的变化幅度在30ppm以内的切角用●表示。可知，这些实验数据存在于用实线表示的函数曲线上。与上一段所示同样地将X边比变化到10～80，探索最适合值。结果，发现了在图9中用Δ表示的点上存在最适合值。也就是，在夹着实线的虚线区域内存在最适合值。
因此X边比为10～80的水晶振子，具有良好频率温度特性的θ与φ之间的关系条件最好为如下。
θ＝-2.91652×10-3×φ2+1.39515×10-4×φ
+35.1541±0.2
式12
在该区域中，对应角度的偏离的可得到良好频率温度特性的区域的范围，当φ＝-16°以下时，由于中心温度变成60℃以上，所以，在低温区域频率明显下降。因此，φ下限最好是-16°。但不包括φ＝-16°。因此，φ的范围最好为
-15.9≤φ≤-5 式13
另外，在θ的区域中θ＝35.4°时，对区域内的所有的φ均不能满足良好的温度特性。这是因为受注意的温度区域内表示了二次特性的原因。另一方面，在θ＝34.1°时，对区域内的所有的φ在-25℃～+120℃的温度范围内均不能得到良好的频率温度特性。这是因为线性系数过高的原因。因此，θ的区域最好为
34.2≤θ≤35.3° 式14
如上所述，根据所谓双旋转得到的切角切割出的水晶板12形成的压电振子(水晶振动片)通过封入外壳内，可作为压电振子使用。图10是压电振子的说明图。同图(1)是沿同图(2)的B-B线的平面截面图，同图(2)是沿A-A线的侧面截面图。
图10中，压电振子20的外壳22是由陶瓷等材料形成。外壳22形成有收纳压电振动片24的内腔26。另外，外壳22在内腔26的底面形成电极30和布线图案(图中未表示)，可与形成在外壳22里面的外部端子(图中未表示)导通。然后，压电振动片24以悬臂形式安装在内腔26内。具体的说，在电极30上涂导电胶32，在其上配置压电振动片24的接触电极34并固定。由此，从外壳22的底面的外部端子到压电振动片24的激振电极36可通电。另外，在外壳22的上部安装盖形构件38，使外壳22的内部保持氮气环境等。
另外，本实施例的压电振动片，通过与集成电路元件组合形成振荡电路，可作为压电振荡器使用。例如，通过使图10表示的压电振子20和图中未表示的集成电路元件安装在形成布线图案的模块基片上，可形成压电振荡器模块。另外，通过把集成电路元件连同压电振动片24一起封入图10所示的外壳22的内部，可形成封装压电振荡器。
另外，本发明的压电振动片，可以是平板状，也可以是凸式形状，或者，也可以是压电振动片的中央部为凹部的逆台面型。
如以上所述，通过采用所谓双旋转的切角，在大的温度范围内可使频率稳定。