特開 2024-91474 水晶発振器及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024091474

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】水晶発振器及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20240627BHJP

   H03H 3/04 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

H03H9/19 D

H03H3/04 B

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023203493

(22)【出願日】2023-11-30

(31)【優先権主張番号】202211657114.4

(32)【優先日】2022-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】523282903

【氏名又は名称】ダイオーズ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100137969

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 憲昭

(74)【代理人】

【識別番号】100104824

【弁理士】

【氏名又は名称】穐場 仁

(74)【代理人】

【識別番号】100121463

【弁理士】

【氏名又は名称】矢口 哲也

(72)【発明者】

【氏名】チョウ タ－ジェン

(72)【発明者】

【氏名】ス ポ－ヤン

(72)【発明者】

【氏名】チャン イー－シェン

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA04

5J108BB03

5J108CC04

5J108KK01

5J108MM11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】環境温度に対する耐性が優れた水晶発振器及び水晶発振器の製造方法を提供する。
【解決手段】水晶発振器は、石英インゴット１０から切断された水晶２０を備え、石英インゴットは、互いに垂直な光軸Ｚ、電気軸Ｘ及び機械軸Ｙを有し、水晶の主平面２０Ａ、光軸との間に、電気軸を軸心として約３５度～約３６度回転させた第１の角度θを有し、主平面は、電気軸との間に、光軸を軸心として回転させた第２の角度φを有し、水晶が、摂氏約３０度～摂氏約４５度において、振動周波数偏差の変曲点を有するようにしたものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

石英インゴット（ＦＩＧ．１，１０）から切断された水晶（２０）を備え、前記石英インゴットは、互いに垂直な光軸（Ｚ）、電気軸（Ｘ）及び機械軸（Ｙ）を有し、前記水晶の主平面（２０Ａ）は、前記光軸との間に、前記電気軸を軸心として約３５度～約３６度回転させた第１の角度（θ）を有し、前記主平面は、前記電気軸との間に、前記光軸を軸心として回転させた第２の角度（φ）を有し、前記水晶が、摂氏約３０度～摂氏約４５度において、振動周波数偏差の変曲点を有するようにした、
水晶発振器。

【請求項2】

前記第１の角度は、約３５度１５分である、
請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項3】

前記第２の角度は、約１０度～約１２度である、
請求項１に記載の水晶発振器。

【請求項4】

前記水晶は、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内である、
請求項３に記載の水晶発振器。

【請求項5】

前記第２の角度は、約１２度である、
請求項３に記載の水晶発振器。

【請求項6】

前記水晶は、摂氏約－１０度～摂氏約０度の範囲内において、前記振動周波数偏差値が正のピーク値を有する、
請求項５に記載の水晶発振器。

【請求項7】

前記正のピーク値は、約１４ｐｐｍ～約１８ｐｐｍである、
請求項６に記載の水晶発振器。

【請求項8】

前記水晶は、摂氏約８０度～摂氏約９０度の範囲内において、前記振動周波数偏差値が負のピーク値を有する、
請求項５に記載の水晶発振器。

【請求項9】

前記負のピーク値は、約－１５ｐｐｍ～約－２０ｐｐｍである、
請求項８に記載の水晶発振器。

【請求項10】

互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有する石英インゴットを受け取ることと、
前記電気軸を軸心として前記光軸の方向から前記機械軸の方向に向かって約３５度～約３６度である第１の角度だけ回転させ、さらに前記光軸を軸心として前記電気軸の方向から前記機械軸の方向に向かって約１０度～約１２度である第２の角度だけ回転させて、切断平面を取得することと、
前記切断平面に沿って前記石英インゴットを切断し、水晶を取得することとを含む、
水晶発振器の製造方法。

【請求項11】

前記第２の角度は、約１２度であり、かつ前記水晶は、摂氏約４０度～摂氏約４５度において、１振動周波数偏差の変曲点を有する、
請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記水晶は、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、１振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内である、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記第２の角度は、約１０度であり、かつ前記水晶は、摂氏約３０度～摂氏約３５度において、振動周波数偏差の変曲点を有する、
請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記水晶発振器の目標周波数に基づき、前記水晶の切断厚さを決定することをさらに含む、
請求項１０に記載の方法。

【請求項15】

互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有する石英インゴットを受け取ることと、
前記石英インゴットをＡＴカット角度まで回転させることと、
前記ＡＴカット角度に基づき、さらに前記光軸を軸心として前記電気軸の方向から前記機械軸の方向に向かって補正角度だけ回転させて、切断平面を取得することと、
前記切断平面に沿って前記石英インゴットを切断し、水晶を取得することとを含む、
水晶発振器の製造方法であって、前記角度補正により、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、切断された前記水晶の１振動周波数偏差値を±２０ｐｐｍ以内とした、
水晶発振器の製造方法。

【請求項16】

前記水晶は、前記摂氏約４０度～摂氏約４５度において、振動周波数偏差の変曲点を有する、
請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記補正角度は、約１０度～約１２度である、
請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

前記補正角度は、約１２度である、
請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記水晶は、摂氏約－１０度～摂氏約－５度の範囲内において、前記振動周波数偏差値が約１８ｐｐｍの正のピーク値を有する、
請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記水晶は、摂氏約８０度～摂氏約８５度の範囲内において、前記振動周波数偏差値が約－１５ｐｐｍの負のピーク値を有する、
請求項１８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001]本発明において開示される内容は、水晶発振器及びその製造方法に関し、特に、前記水晶発振器は、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間において、振動周波数偏差値を小さく維持することができ、環境温度に対する耐性が優れている。

【背景技術】

【0002】

[0002]集積回路技術の進歩に伴い、従来は大型コンピュータシステムでしか処理できなかった各種機器の制御が、現在では半導体集積回路（例えば、ＬＳＩ、ＩＣ等）でも制御可能になっている。ＩＣ、ＬＳＩの動作には周波数が不可欠であるが、水晶発振器は簡易、低コスト、高精度な周波数源であり、広い周波数範囲に適用可能であって、例えば衛星通信、移動体通信機器等の多くの応用形態に適した選択であり、自動車、テレビ、コンピュータや一部の家電機器等でも用いられている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

[0003]本発明の例示的な態様が提案する水晶発振器は、石英インゴットから切断された水晶を備え、前記石英インゴットは、互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有し、前記水晶の主平面は、前記光軸との間に、前記電気軸を軸心として約３５度～約３６度回転させた第１の角度を有し、前記主平面は、前記電気軸との間に、前記光軸を軸心として回転させた第２の角度を有し、これによって、前記水晶が、摂氏約３０度～摂氏約４５度において、振動周波数偏差の変曲点を有するようにしたものである。

【0004】

[0004]本発明の別の例示的な態様が提案する水晶発振器の製造方法は、互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有する石英インゴットを受け取ることと、前記電気軸を軸心として前記光軸の方向から前記機械軸の方向に向かって約３５度～約３６度である第１の角度だけ回転させ、さらに前記光軸を軸心として前記電気軸の方向から前記機械軸の方向に向かって約１０度～約１２度である第２の角度だけ回転させて、切断平面を取得することと、前記切断平面に沿って前記石英インゴットを切断し、水晶を取得することとを含む。

【0005】

[0005]本発明のさらに別の例示的な態様が提案する水晶発振器の製造方法は、互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有する石英インゴットを受け取ることと、前記石英インゴットをＡＴカット角度まで回転させることと、前記ＡＴカット角度に基づき、さらに前記光軸を軸心として前記電気軸の方向から前記機械軸の方向に向かって補正角度だけ回転させて、切断平面を取得することと、前記切断平面に沿って前記石英インゴットを切断し、水晶を取得することとを含み、前記角度補正により、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、切断された前記水晶の振動周波数偏差値を±２０ｐｐｍ以内としたものである。

【0006】

[0006]以下の実施形態及び添付の図面から、本発明の各態様を最もよく理解することができる。なお、本技術分野における標準的な作業習慣に従い、図中の各特徴は、縮尺通りに描かれていない。実際には、説明を明瞭にするために、いくつか特徴の寸法を意図的に拡大又は縮小する場合がある。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明のいくつかの実施例にかかる石英インゴットの切断方式を示した斜視模式図である。

【図2】本発明のいくつかの実施例にかかる温度と振動周波数偏差値を示した関係図（総合）である。

【図3】本発明のいくつかの実施例にかかる温度と振動周波数偏差値を示した関係図（第２の角度φは、１０度又は１２度）である。

【図4】いくつかの比較例にかかる温度と振動周波数偏差値を示した関係図（第２の角度φは、６度、８度、１４度又は１６度）である。

【図5】本発明のいくつかの実施例にかかる水晶発振器の製造方法のステップを示したフローチャートである。

【図6】本発明のいくつかの実施例といくつかの比較例を比較した、温度と振動周波数偏差値を示した関係図（ＡＴカットとＳＣカットを比較）である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

[0013]以下の開示内容では、本発明の異なる特徴を実施するための多くの異なる実施例及び例を提供する。以下、本発明を簡略化するために、部品及び配置に関する特定の例を説明する。これらは単なる例であって、限定を意図しないことは言うまでもない。例えば、以下の説明において、第１の部材が第２の部材の上方に形成されるか、又は第１の部材が第２の部材に形成されることは、前記第１の部材と前記第２の部材とが直接接触する実施例のみならず、前記第１の部材と前記第２の部材とが直接接触しないように追加の部材が前記第１の部材と前記第２の部材との間に形成される実施例を含んでもよい。また、本開示は、各例において部品の符号及び／又は文字を繰り返す場合がある。この繰り返しは、簡略化及び明瞭化を目的とし、説明される各実施例及び／又は構成間の関係を表すものではない。

【0009】

[0014]また、本明細書では、説明の便宜上、「・・・の下面」、「・・・の下方」、「・・・の下」、「・・・の上方」、「・・・の上」といった空間相対用語を用いて、図示したような、１つの部品又は部材と別の（いくつかの）部品又は部材との関係を説明する場合がある。空間相対用語は、図に示す向きに加えて、使用中又は動作中の装置の異なる向きを包含することを意図する。前記装置には、他の向きがあってもよく（９０度又は他の向きに回転させてもよい）、これも同様に、本明細書で使用される空間的相対性を示す用語を説明するのに適宜用いることができる。

【0010】

[0015]本明細書で用いる「第１の」、「第２の」及び「第３の」といった用語は、様々な部品、部材、領域、層及び／又は区域を説明するものであって、これらの部品、部材、領域、層及び／又は区域は、これらによって限定されない。これらの用語は、１つの部品、部材、領域、層又は区域を別のものと区別するためだけに用いられる可能性がある。本明細において「第１の」、「第２の」及び「第３の」等の用語を用いる場合、文脈によって明確に示されない限り、順序又は重要性を示すものではない。

【0011】

[0016]水晶発振器は、水晶（ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ）の圧電効果を利用して高精度の発振周波数を発生させる電子部品である。詳しくは、水晶それ自体、共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と呼ばれる受動部品として製造することができ、水晶と、発振回路が設計された集積回路とを組み合わせれば、パッケージ化を経て、水晶発振器（ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＸＯ）と呼ばれる能動電子部品とすることができる。具体的な製品としては、用途及び仕様によって、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償型水晶発振器／電圧制御温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ／ＶＣＴＣＸＯ）、恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）等が挙げられる。電子回路の多くは、動作を同期したり周波数基準を提供したりするのに発振器を必要とする。例えば、マイクロコントローラのクロック信号は、メモリとの間のデータの移動、命令の実行及び外部通信の速度を制御するのに用いられる。また、無線システムにおいて、発振器は、送信機と受信機との間の通信のために固定周波数を提供することができる。

【0012】

[0017]水晶は、二酸化ケイ素の単結晶であり、産業上必要な水晶（水晶チップとも呼ばれる）は、石英インゴット（ｑｕａｒｔｚ ｂａｒ）から切り出すことができる。一般によく使用される石英インゴットは、人工的に結晶を成長させて製造される完全な単結晶であるα－石英（α－ｑｕａｒｔｚ）だが、水晶には異方性があるため、異なる方位に沿って切断すると異なる幾何学的スライスが得られ、幾何学的なスライスによって振動モードが異なる。水晶には、温度変化時に発振周波数に影響する弾性係数及び寸法の変化が軽微なため周波数特性が相対的に安定するという利点がある。高い精度及び安定性が求められる制約のある場面では、水晶の温度をモニタリングして誤差を随時修正するが、誤差をさらに下げる必要がある場合、いくつかの例では、水晶又は水晶を含む部品を恒温器及び吸振容器に置いて、外部温度及び振動の干渉を防止する。

【0013】

[0018]水晶発振器の性能指針としては、精度、安定性、消費電力等が挙げられ、そのうち、前者の２つは、通信プロトコル及び時間記録に極めて重要であることに加えて、水晶発振器に含まれる水晶の性質と密接に関連する。前述のように、水晶の振動は圧電効果に由来し、すなわち、水晶に圧力が加わると、水晶内部に電圧が発生し（正圧電効果）、電圧が加わると、水晶内が変形する（逆圧電効果）。また、水晶を組み合わせてフィードバックすることにより、精度及び安定性の高い共振器とすることができ、その自然周波数は、結晶の大きさ及び切り出し方式に依存する。

【0014】

[0019]一般に常用される水晶発振器では、通常、ＡＴカット（ＡＴ－ｃｕｔ）により石英インゴットをスライスに切断し、これを水晶発振器に必要な水晶とする。図１に示すように、石英の結晶形では、互いに垂直な３つの軸によって水晶の各方向を表すことができ、縦軸は、光軸（Ｌｉｇｈｔ ａｘｉｓ、つまりＺ軸）であり、石英インゴットの稜線を通る、光軸に垂直な軸は、電気軸（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｘｉｓ、すなわちＸ軸）であり、光軸、電気軸のどちらとも垂直な軸は、機械軸（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｘｉｓ、すなわちＹ軸）である。一般に、電気軸方向の力により電荷を発生させる圧電効果は、縦圧電効果と呼ばれ、機械軸方向の力により電荷を発生させる圧電効果は、横圧電効果と呼ばれる。一方、光軸方向に力を受けたときは、圧電効果が発生しない。

【0015】

[0020]図１に示すように、上記ＡＴカットでは、光軸の方向から機械軸の方向に向かって約３５度の角度で切断してＡＴカット水晶９０を取得する（角度の定義によれば、反時計回り方向に回転してできる角度が正の角であり、時計回り方向に回転してできる角度が負の角である）。いくつかの具体例において、ＡＴカットでは、光軸の方向から機械軸の方向に向かって３５度１５分又は３５度２５分の角度で切断する。ＡＴカットの他にも、実際の必要に応じて発生した他のいくつかの切断方式がある。例えば、ＢＴカット（ＢＴ－ｃｕｔ）では、光軸の方向から機械軸の方向に向かって約－５０度の角度で切断し、いくつかの具体例において、前記角度は、－４９度又は－５１度７分である。ＳＣカット（ＳＣ－ｃｕｔ）では、２重回転により、まず、光軸の方向から機械軸の方向に向かって約３５度の角度で角度を選択した後、電気軸の方向から前記機械軸の方向に向かって約２１度回転させて切断し、いくつかの具体例において、これらの角度は、順に３４度１１分と２１度９３分との組み合わせ、又は３５度１５分と２１度５４分との組み合わせである。その他、ＧＴカット（ＧＴ－ｃｕｔ）、ＩＴカット（ＩＴ－ｃｕｔ）等の様々な変形があり、その具体的な切断角度は、特性が異なるために微調整される可能性があるが、各製造例における差の変化幅は相当小さい（例えば、ＡＴカットの角度差は３５度１５分と３５度２５分である）。これら異なる角度に沿って切断された水晶は、力電変換の種類、変換効率、圧電係数、弾性係数、誘電率、温度特性及び共振周波数の各面において違いがあり、水晶発振器に必要とされるパラメータに合わせて異なる切断方法を選択し使用することができる。

【0016】

[0021]本発明のいくつかの実施例では、水晶の特定の動作温度範囲内における振動周波数偏差値を考慮して、広い動作温度範囲内において、特に、高温、低温いずれの極端な動作環境でも相当安定した振動周波数偏差値を維持できる水晶が得られ、さらには高品質で環境耐性に優れた水晶発振器を製造するのに用いることのできる、新規な石英インゴットの切断方式を提案する。前記振動周波数偏差値とは、温度変化によって水晶に実際に発生する共振周波数が水晶の元の目標周波数からずれた値を指し、そのずれの程度は、通常、パーツパーミリオン（ｐｐｍ）を単位とし、例えば、０ｐｐｍであれば、偏差がない。本発明では、精密部品に許容される水晶振動周波数の偏差範囲を±２０ｐｐｍとする。

【0017】

[0022]図１に示すように、本発明のいくつかの実施例では、水晶発振器に含まれる水晶２０は、１つの石英インゴット１０から切断され、前記石英インゴットは、互いに垂直な光軸（Ｚ）、電気軸（Ｘ）及び機械軸（Ｙ）を有し、水晶の１つの主平面２０Ａは、光軸との間に、電気軸を軸心として約３５度～約３６度回転させた第１の角度θを有するとともに、電気軸との間にも、光軸を軸心として回転させた第２の角度φを同時に有する。いくつかの実施例において、この水晶の特性は、摂氏約３０度～摂氏約４５度において、１振動周波数偏差（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）の変曲点（ｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）を有することを含む。

【0018】

[0023]変曲点とは、曲線が凸から凹へ又は凹から凸へ切り替わる点を言い、曲線を通る接線が前記箇所で曲線を横切ることによって判断することができるが、これは、水晶は前記温度で振動態様が最も安定するという技術的意味を反映している。図２の温度と振動周波数偏差値との関係図に示すように、本発明の上記実施例が規定する水晶は、その温度と振動周波数偏差値との関係が三次曲線（ｃｕｂｉｃ ｃｕｒｖｅｓ）の特徴を示してもよく、第２の角度φが１０度又は１２度である例において、その変曲点は、摂氏約３０度～摂氏約４５度の範囲内に収まる。

【0019】

[0024]上記温度範囲区間は、水晶の切断角度の選択可能な範囲に関係する。いくつかの実施例において、第１の角度θは、約３５度～約３６度の間であり、いくつかの実施例において、第１の角度θは、約３５度１５分であり、いくつかの実施例において、第１の角度θは、約３５度２５分であり、いくつかの実施例において、第１の角度θは、ＡＴカットで通常選択される切断角度と同じである（図１に示すＡＴカット水晶９０を参照）。言い換えると、本発明のいくつかの実施例では、ＡＴカットの角度を選択した上で第１の角度θを設定し、さらに第２の角度φだけ回転させた後に、石英インゴットを切断する。

【0020】

[0025]第２の角度φの範囲については、いくつかの実施例において、第２の角度φは、約１０度～約１２度の間であり、いくつかの実施例において、第２の角度φは、約１０度であり、いくつかの実施例において、第２の角度φは、約１２度であり、いくつかの実施例において、第２の角度φは、切断された水晶が広い動作温度区間内（例えば、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度）において振動周波数偏差値を許容範囲（例えば、±２０ｐｐｍ以内）に維持できるように選択される。

【0021】

[0026]詳しくは、本発明の水晶発振器は、温度変化に対し優れた耐性を有する水晶を用いることにより、寒冷又は炎天のいずれの動作環境でも相当レベルの精度を示すようにしている。車両用電子部品を例に挙げれば、車載電子部品評議会（Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｕｎｃｉｌ：ＡＥＣ）が定める車両の規定検証標準を参照すると、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度がＡＥＣ－Ｑ１０１規格で設定されたディスクリート（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）半導体の動作温度範囲となっており、これは、産業上、相対的に広い動作温度区間が設けられた一例である。固有の石英インゴット切断方式によって得られる水晶が広い動作温度区間内において好ましい振動周波数偏差値を維持する特性を備えていないことを考慮すると、本発明の水晶発振器は、上記動作温度区間において振動周波数偏差値の幅が小さく、これは応用上大きな利点である。

【0022】

[0027]水晶の前記動作温度範囲内における動作について言えば、例を挙げると、図２の温度と振動周波数偏差値との関係図（総合）に示すように、ＡＴカットによって得られる水晶は室温（摂氏約２５度）で振動周波数偏差の変曲点を有し、前記温度下のＡＴカット水晶には振動周波数偏差値がないという特性があり、これがＡＴカット水晶が広く用いられる理由である。しかし、動作温度が変化すると、例えば、温度が摂氏約５０度まで上昇するか又は摂氏約０度まで下降すると、著しい変化のために、ＡＴカット水晶の振動周波数偏差値は、±２０ｐｐｍの範囲をそれぞれ超える。具体的には、ＡＴカット水晶の温度と振動周波数偏差値との関係は、三次曲線の特徴を示し、摂氏約７０度のときに、振動周波数偏差値が約－２６．２ｐｐｍの負のピーク値を有し、その後、温度が上昇するにつれて、摂氏約９０度～摂氏約１１０度の範囲内で、その振動周波数偏差値を２０ｐｐｍと－２０ｐｐｍとの間に一旦維持することができるが、摂氏約１１０度を超えると、その振動周波数偏差値は、持続的かつ急激に上昇し、摂氏約１２５度のときに、５０ｐｐｍに近いスペクトルに達することもあり得、もはや許容可能な偏差程度ではない。一方、動作温度が低い場合については、ＡＴカット水晶は、摂氏約－４０度～摂氏約０度のマイナス動作温度区間内において、いずれも２０ｐｐｍを超える振動周波数偏差値を有し、これはＡＴカット水晶の低温下でのパフォーマンスが好ましくないことを意味する。

【0023】

[0028]上記ＡＴカットで得られる水晶の特性がいくつかの動作温度区間内の振動周波数偏差値の要件に適合しない点に鑑み、本発明のいくつかの実施例では、第２の角度φを補正角度（言い換えると、ＡＴカットでは、第２の角度φが０度であるとみなすことができる）として用い、石英インゴットを切断する角度を再度回転させることにより、得られる水晶の特性を調整し、広い動作温度区間内において振動周波数偏差値の要件に適合できるようにする。

【0024】

[0029]前述のように、本発明のいくつかの実施例では、第２の角度φは、約１０度～約１２度の間である。ここで、第２の角度φを１０度とした場合を例にすると、本発明では電気軸を軸心として回転させて、水晶の主平面２０Ａと光軸（Ｚ）との間に前述で開示した第１の角度θを持たせた後、光軸を軸心として第２の角度φだけ回転させて、主平面２０Ａと電気軸（Ｘ）との間の第２の角度φを１０度にした後に切断する。得られる水晶の温度と振動周波数偏差値との関係は図３に示す通りであり、三次曲線の特徴を示すことに加えて、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内である。詳しくは、前記水晶は、摂氏約－１０度～摂氏約－５度の範囲内において、振動周波数偏差値が約１４ｐｐｍの正のピーク値を有し、約摂氏８０度～約摂氏８５度の範囲内において、振動周波数偏差値が約－２０ｐｐｍの負のピーク値を有する。また、前記水晶は、摂氏約３０度～摂氏約３５度において、振動周波数偏差の変曲点を有する。

【0025】

[0030]図３に示すように、第２の角度φを１２度に適宜調整すると、得られる水晶の温度と振動周波数偏差値との関係が三次曲線の特徴を示すことに加えて、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内である。詳しくは、前記水晶は、摂氏約－１０度～摂氏約－５度の範囲内において、振動周波数偏差値が約１８ｐｐｍの正のピーク値を有し、約摂氏８０度～約摂氏８５度の範囲内において、振動周波数偏差値が約－１５ｐｐｍの負のピーク値を有する。また、前記水晶は、摂氏約４０度～摂氏約４５度において、振動周波数偏差の変曲点を有する。

【0026】

[0031]本発明は、上記実施例において、２度の差を例示的な節点として説明したが、第２の角度φは、約１０度又は約１２度に限定されない。言い換えると、第２の角度φが約１０度～約１２度の範囲内において、切断された水晶は、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内という特性に適合することができるとともに、前記水晶の振動周波数偏差の変曲点は、摂氏約３０度～摂氏約３５度の範囲及び摂氏約４０度～摂氏約４５度の範囲内を移動し、これは、第２の角度φの微調整に伴って、振動周波数偏差の変曲点がこれら温度区間内で変動する可能性のあることを意味する。

【0027】

[0032]いくつかの比較実施例において、図４に示すように、第１の角度θを変えない状況において、第２の角度φを約６度、約８度等の相対的に小さい角度に調整するか、又は第２の角度φを約１４度、約１６度等の相対的に大きい角度に調整した場合、これらの比較性角度の節点から得られる水晶の温度と振動周波数偏差値との関係は、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍの区間を超える特性を示すため、上記動作温度区間によって設定される部品の動作品質基準に適合しない。

【0028】

[0033]例えば、まず、図４に示すように、第２の角度φを約６度に調整した場合、得られる水晶は、摂氏約－４０度～摂氏約－１５度の低温区間、及び摂氏約１１５度～摂氏約１２５度の高温区間のいずれでも、振動周波数偏差値が著しく大きく、基準に適合しない。

【0029】

[0034]そして、図４に示すように、第２の角度を約８度に調整した場合、これは本発明が網羅する、第２の角度φが約１０度である実施例の態様に近いが、得られる水晶は、摂氏約１２０度～摂氏約１２５度の高温区間において、振動周波数偏差値が依然として著しく大きく、基準に適合しない。

【0030】

[0035]次に、図４に示すように、第２の角度φを約１４度に調整した場合、得られる水晶は、摂氏約－１０度～摂氏約０度の低温区間、及び摂氏約１２０度～摂氏約１２５度の高温区間のいずれでも、振動周波数偏差値が著しく大きく、基準に適合しない。

【0031】

[0036]さらに、図４に示すように、第２の角度φを約１６度に調整した場合、得られる水晶は、摂氏約－３０度～摂氏約３０度、及び摂氏約９５度～摂氏約１２５度等の温度のいずれでも、振動周波数偏差値が著しく大きく、基準に適合しない。

【0032】

[0037]以上をまとめると、本発明のいくつかの実施例は、２重回転によって取得した切断角度によって石英インゴットから切断された水晶が大きい動作温度区間内において好ましい振動周波数偏差値を維持することを可能にし、前記水晶を応用した水晶発振器が厳格な工業規格に適合し、温度変化がより激しい動作環境への適用が可能である、石英インゴットを提供する。

【0033】

[0038]本発明のいくつかの実施例は、水晶発振器の製造方法をさらに提供するものであって、図５に示すように、前記方法は、互いに垂直な光軸、電気軸及び機械軸を有する石英インゴットを１つ受け取るステップ５０１と、石英インゴットをＡＴカット角度まで回転させるステップ５０２と、ＡＴカット角度に基づき、さらに光軸を軸心として電気軸の方向から機械軸の方向に向かって１補正角度だけ回転させて、１つの切断平面を取得するステップ５０３と、切断平面に沿って石英インゴットを切断し、水晶を１つ取得するステップ５０４とを含む。このように、角度を補正することにより、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の１動作温度区間内において、切断された水晶の振動周波数偏差値を±２０ｐｐｍ以内にすることができる。さらに、いくつかの実施例において、ＡＴカットの角度は、電気軸を軸心として光軸の方向から機械軸の方向に向かって約３５度～約３６度の１角度だけ回転させたものである。

【0034】

[0039]いくつかの実施例において、切断された水晶は、パッケージング工程を経て水晶発振器の構造に含まれてもよい。また、水晶の発振周波数は、水晶の厚さに関連するため、例えば、発振周波数が高くなるにつれてチップの厚さも薄くなる。したがって、いくつかの実施例において、水晶発振器の製造方法は、水晶発振器の１目標周波数に基づき、石英インゴットを切断するときの切断厚さを決定して、必要な切断厚さの水晶を取得するステップを含む。

【0035】

[0040]本発明いくつかの実施例とＡＴカット（第２の角度φは０度である）で得られる水晶を比べると、図６に示すように、本発明の実施例で切断された水晶は、広い動作温度区間内において振動周波数偏差値の要件に適合することができ、特に、摂氏約－４０度～摂氏約１２５度の動作温度区間内において、振動周波数偏差値が±２０ｐｐｍ以内であるという基準に少なくとも適合することができる。他の従来の水晶切断方法に比べると、例えば、前述のＳＣカットも２重回転によって切断角度を取得するものではあるが、ＳＣカットは、水晶の振動周波数偏差の変曲点をＡＴカットの摂氏約２５度から摂氏約９３度まで上昇させる切断方法であり、水晶の主な動作温度区間をＡＴカットのそれより高い区間まで上昇させる意義があるとはいえ、本発明で開示した水晶発振器が提供するような、広い動作温度区間における特定の振動周波数偏差値レベルを示すものではない。実際、図６に示すように、ＳＣカット水晶は、摂氏約３０度以下の温度において、－２０ｐｐｍを超える著しく大きい振動周波数偏差値を有し、したがって、室温より低い動作環境に適用できない。

【0036】

[0041]以上の説明は、本発明のいくつかの実施例の特徴を簡潔に示したものであり、当業者であれば、本発明の内容の各態様をより完全に理解することができる。当業者であれば、本発明の内容を基礎として他の製造工程及び構造を設計又は修正して、本明細書の実施形態と同じ目的を達成し、及び／又は同じ利点を達成することが容易であることが明らかであろう。これらの均等な実施形態が本発明の内容の精神と範囲に依然として属し、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更、代替、修正を加えることができることが、当業者には明らかである。

【符号の説明】

【0037】

１０ 石英インゴット
２０ 水晶
２０Ａ 水晶の主平面
９０ ＡＴカット水晶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】