JP2003309446A - 圧電振動子 - Google Patents

圧電振動子

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JP2003309446A
JP2003309446A JP2002112443A JP2002112443A JP2003309446A JP 2003309446 A JP2003309446 A JP 2003309446A JP 2002112443 A JP2002112443 A JP 2002112443A JP 2002112443 A JP2002112443 A JP 2002112443A JP 2003309446 A JP2003309446 A JP 2003309446A
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JP
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excitation electrode
piezoelectric vibrator
piezoelectric
piezoelectric substrate
substrate
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Kenji Komine
賢二 小峰
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Toyo Communication Equipment Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 不要振動モードと主振動モードとの結合
によって生じるスプリアスを抑圧することを目的とす
る。 【解決手段】 圧電基板主面上に形成する励振電極にお
いて、該圧電基板の主面上の長辺を二等分する中心軸と
短辺を二等分する中心軸とを基準として、前記圧電基板
の少なくとも一方の主面上に形成する励振電極の形状を
非対称とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子に関し、
主振動の共振周波数近傍に生じるスプリアスの原因とな
る主振動モードと結合した不要振動モードを抑圧し、且
つ、良好な共振特性を得るに好適な電極構造及び圧電基
板の形状を備えた圧電振動子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、各種電子機器や伝送通信機器の小
型化や薄型化の促進に伴って、電子部品の小型化や薄型
化への要求が著しくなっている。更に、携帯電話器等の
通信機器に用いる基準周波数信号源として機能する圧電
振動子に対しては、小型化や薄型化と共に、高い周波数
安定度を有することが求められている。
【0003】図9は、一般的なATカット水晶基板1に
励振用電極2を形成してなるATカット水晶振動子3で
ある。ATカット水晶振動子は、厚み滑り振動モード
(Thickness Shear Mode)を主振動として広く用いられ
ている。しかし、前記厚み滑り振動モードの共振周波数
近傍には、他に厚み屈曲振動(Thickness Flexural Mod
e)、縦振動(Longitudinal Mode)、輪郭滑り振動(Fa
ce Shear Mode)等の不要な振動モードが存在すること
が知られている。これらの不要な振動モードは水晶基板
の輪郭寸法に依存し、厚み滑り振動により得られる所望
共振周波数に悪影響を及ぼし、それによって生ずる不要
スプリアス、また温度変化に対する周波数及びCI値
(クリスタル・インピーダンス=水晶振動子の等価抵
抗)の非連続的な変動、所謂、特異現象(Anomalous Ac
tivity Dip)等が問題となっていた。
【0004】前述の通りに主振動モードの周波数近傍に
は、今井勉他,“表面電荷を考慮したAT振動子のスプ
リアス解析”,第30回EMシンポジウム予稿集、pp.4
1-46(2001)で紹介されているスプリアス振動の表
面電荷分布の如く高次の不要な振動モードが存在してお
り、不要振動モードの圧電基板上の変位パターンは、圧
電基板の中心軸を基準として対称性を示しているのが分
かる。したがって、水晶振動子を設計するにあたって
は、主振動に対してこれらの不要な振動モードが結合し
ないよう設計することが要求される。
【0005】図10は、ATカット水晶振動子の温度特
性を示した図であって、図10(a)は周波数温度特性
を示し、図10(b)はCIの温度特性を示したもので
ある。図11は、ATカット水晶振動子の共振特性を示
した図である。ここで、ATカット水晶基板の寸法は、
x軸方向(長辺方向)が3.8mm,z軸方向(短辺方向)
が1.7mm,板厚が約64umである。励振電極の厚みは1000
Åである。ATカット水晶基板の両主面ともに同寸法の
短冊型励振電極を形成して構成した26MHzのATカ
ット水晶振動子とした。
【0006】尚、厚み滑り振動をするATカット水晶振
動子の共振周波数fは、振動部の厚みtに反比例し、そ
の関係式は、周知の通り、次式で表すことができる。 f=k/t 共振周波数fの単位はMHz、厚みtの単位はμmであ
り、定数kは、ATカット水晶基板の場合、1670M
Hz・μmである。
【0007】主振動モードと不要振動モードが結合する
と、ある特定の温度点t0で共振周波数の不連続が発生
し、且つCIが著しく増加するという特異現象が発生す
る。その結果、このATカット水晶振動子を使用して発
振回路を構成した場合、図10(a)の共振点4を拡大
した図10(b)に示す如くその共振周波数の極近傍に
不要振動モードによるスプリアス(Nearby Frequency;
ニアバイFとも呼ぶ)5が存在するため、発振回路が前
記スプリアスと共振してしまうことによって生じる発振
周波数のドリフトや抵抗増加によって不発振が生じるな
どの発振不良を引き起こすこととなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】このような不良発振を
引起すことを防止するため、すなわち不要振動モードを
避けるために、水晶基板の寸法や電極寸法の最適化が必
要となるが、共振周波数が高くなればなるほど様々な不
要な振動モードが細かな周期で発生するため、ある一つ
の不要振動モードを避けたとしても、隣接するさらにま
た別の不要振動モードと結合してしまうというのが現状
であった。
【0009】そこで、従前より図12に示す如く圧電基
板6の主面上の励振電極7が形成されていない領域に接
着剤等を塗布して重み付け8を行うことによって、圧電
基板に生じる不要振動モードの変位パターンの対称性を
崩す、即ち非対称性とすることによって、その振動レベ
ルを低減せしめ、それによって主振動モードとの結合を
抑圧することが提案されている。
【0010】しかしながら、斯かる手法では、従来の圧
電振動子の製造工程において、接着剤を塗布する工程が
増えることによって量産効率の低下を招くばかりか、今
日の圧電振動子の小型化に伴って圧電基板もより小型化
されているので、例えば、図13に示すように圧電基板
上の励振電極が形成されていない領域(隙間)S1,S
2は極僅かとなって、接着剤を塗布できないという問題
があった。
【0011】尚、励振電極上に接着剤を塗布するという
方法も考えられるが、周知の如く励振電極上に異物を載
せるということは、質量負荷効果による共振周波数の低
下やDLD特性(Drive Level Dependency;ドライブレ
ベル依存性)により圧電振動子の共振周波数と異物の固
有振動数との共鳴によって生ずる異常発振を招く恐れが
高い為、この手法は避けるべきである。
【0012】よって、本発明は、上述した従来の圧電振
動子に関する諸問題を解決するためになされたものであ
って、不要振動モードと主振動モードとの結合によって
生じるスプリアスを抑圧するための電極構造及び圧電基
板の形状を備えた圧電振動子を提供することを目的とす
る。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る圧電振動子の請求項1記載の発明は、圧
電基板主面上に形成する励振電極において、該圧電基板
の主面上の長辺を二等分する中心軸と短辺を二等分する
中心軸とを基準として、前記圧電基板の少なくとも一方
の主面上に形成する励振電極の形状を非対称としたこと
を特徴としている。
【0014】請求項2記載の発明は、圧電基板におい
て、該圧電基板主面上に形成した短冊型励振電極の長辺
を二等分する中心軸と短辺を二等分する中心軸とを基準
として、前記圧電基板の輪郭形状を非対称としたことを
特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図示した実施の形態例に基
づいて本発明を詳細に説明する。短冊型ATカット水晶
基板に発生する振動モードは、パターンに対称性のある
変位分布を示し、このATカット水晶基板主面上に従来
の如く対称電極を形成した場合、不要振動のレベルを強
める境界条件を満足し、主振動(厚み滑り)モードと強
い結合を示し共振周波数近傍にスプリアスを発生する危
険性があることは前述した通りである。
【0016】高次厚み屈曲モードや高次輪郭モード等の
対称性パターンの電荷分布を非対称性パターンとするこ
とで主振動モードとの結合強度を弱めて振動レベルを抑
圧する手段として、本発明者は、従来、励振電極はAT
カット水晶基板の両主面ともに対称性パターンを形成す
るのが常識であったが、これを非対称性励振電極パター
ンとすることによって、前述の如き不要な高次モードの
電荷分布を非対称性パターンとすることができるという
発想に思い至った。
【0017】即ち、ATカット水晶基板の主面上の長辺
を二等分する中心軸と短辺を二等分する中心軸とを基準
として、前記ATカット水晶基板の少なくとも一方の主
面上に配置する励振電極の形状を非対称性励振電極とす
ることによって、ATカット水晶基板に発生する対称性
不要振動は、励振電極パターンの非対称部位において境
界条件を満足することができなくなるため、その振動レ
ベルは低下する。更に、斯かる非対称励振電極によって
励起される電荷についても、不要振動モードで発生する
電荷を打消す領域が生じるので、不要振動モードによる
電気的な影響が低減される。従って、不要振動モード
は、急激に減衰されることとなる。
【0018】図1は、本発明に係る第1の実施例を示す
片側の励振電極のみを非対称性パターンとした構造を有
するATカット水晶振動子11である。図9の如き従来
のATカット水晶振動子3において、一方の励振電極9
の短辺10(z軸方向)を短くして、図中上辺を傾斜さ
せたものである。ATカット水晶基板の寸法は、x軸方
向(長辺方向)を3.8mm,z軸方向(短辺方向)を1.7m
m,板厚が約64umとし、励振電極の厚みを1000Åとして
構成した26MHzのATカット水晶振動子11とし
た。斯かる手法を適用したATカット水晶振動子11の
温度特性を図8に示す。このように、不要振動モードと
の結合温度点t0において、共振周波数及びCIのディッ
プが極めて抑圧されていることが分かる。
【0019】尚、励振電極パターンを非対称とするため
のAeの適正値については、スプリアスモードチャートや
シミュレーションの計算結果に基いて設計したATカッ
ト水晶振動子の実測データから適正値を求め、それを励
振電極形成用マスク等の電極形成手段に反映して製造を
行えば、同等の水晶振動子を効率よく生産できる。
【0020】本発明は、図1に示した第1の実施例にと
どまらず、図2のATカット水晶基板の両主面上の励振
電極ともに非対称パターンとしたもの、図3の片側を非
対称励振電極12とすると共に、もう一方の主面上の励
振電極を前記非対称励振電極12を覆うように大型の励
振電極13としたもの、図4の片側の励振電極を五角形
の励振電極14としたもの、図5の台形型励振電極15
としたもの、図6の円形の励振電極において、一部をカ
ット(部位16)した励振電極17としたもの、以上の
ような励振電極を備えたATカット水晶振動子において
も同様の効果が得られる。
【0021】更にまた、本発明では上述の如く励振電極
パターンを非対称としたATカット水晶振動子について
論じたが、図7に示す如く励振電極は対称性を有する長
方形とし、その中心軸を基準としてATカット水晶基板
の形状を非対称としても同様の効果が期待できる。
【0022】以上、ATカット水晶基板を用いた圧電振
動子を本発明の実施例として説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、他のカットアングルを用い
た水晶基板や他の圧電材料、例えばランガサイト(La
GaSiO14)や四ホウ酸リチウム(Li
)などの圧電材料についても本発明を適用すること
ができるのは言うまでもない。
【0023】
【発明の効果】本発明に係る圧電振動子は、以上説明し
た如く構成したので下記の如く優れた効果を奏する。請
求項1の発明は、励振電極パターンを非対称性パターン
としたので,主振動モードと結合する高次不要振動モー
ドを抑圧することができるため、共振周波数及びCIの
ディップ(異常変動)を極めて小さくした圧電振動子を
提供することができるという優れた効果を発揮する。
【0024】更に、圧電振動子の製造工程において、従
来の如き圧電基板上に接着剤等による重み付けを行う工
程を加えること無しに、励振電極の形成工程で、不要振
動モードを抑圧するための処理が一括して行えるため
に、好適な圧電振動子を効率良く量産できるという優れ
た効果を奏する。
【0025】請求項2の発明は、圧電基板の形状を非対
称パターンとしたので、高次不要振動モードを抑圧した
優れた共振周波数及びCI特性を備えた圧電振動子を提
供できるという優れた効果を奏する。
【0026】更に、圧電振動子の製造工程において、不
要モードを抑圧した圧電基板を用いるので、従来の如き
圧電基板上に接着剤等による重み付けを行う工程を加え
ること無く、好適な圧電振動子を効率良く量産できると
いう優れた効果を奏する。
【0027】従って、請求項1及び2に係る発明は、不
要振動モードを抑圧した好適な共振周波数及びCI特性
を備えた圧電振動子を低価格で提供することができると
いう優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施形態を説明するための圧電振
動子の図である。
【図2】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図3】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図4】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図5】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図6】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図7】本発明に係る他の実施形態を説明するための圧
電振動子の図である。
【図8】本発明に係る圧電振動子の温度特性を説明する
ための図である。
【図9】従来の圧電振動子を説明するための図である。
【図10】従来の圧電振動子の温度特性を説明するため
の図である。
【図11】従来の圧電振動子の共振特性を説明するため
の図である。
【図12】従来の圧電振動子を説明するための図であ
る。
【図13】従来の圧電振動子を説明するための図であ
る。
【符号の説明】
1 圧電基板 2 励振電極 3 圧電振動子 4 共振点 5 スプリアス 6 圧電基板 7 励振電極 8 重み付け 9 励振電極 10 短辺 11 圧電振動子 12 励振電極 13 励振電極 14 励振電極 15 励振電極 16 カット部位 17 励振電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電基板の両主面上に励振電極を配置し
    た圧電振動子において、該圧電基板の主面上の長辺を二
    等分する中心軸と短辺を二等分する中心軸とを基準とし
    て、前記圧電基板の少なくとも一方の主面上に形成する
    励振電極の形状を非対称としたことを特徴とする圧電振
    動子。
  2. 【請求項2】 圧電基板の両主面上に励振電極を配置し
    た圧電振動子において、該圧電基板主面上に形成した励
    振電極の長辺を二等分する中心軸と短辺を二等分する中
    心軸とを基準として、前記圧電基板の輪郭形状を非対称
    としたことを特徴とする圧電振動子。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5104867B2 (ja) * 2007-08-03 2012-12-19 株式会社大真空 圧電振動子
JP2013207536A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Seiko Epson Corp 振動素子、振動子、電子デバイス、および電子機器
JP2016040992A (ja) * 2014-08-13 2016-03-24 セイコーエプソン株式会社 圧電駆動装置、ロボット、及び、それらの駆動方法
US10673406B2 (en) 2016-10-28 2020-06-02 Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. Piezoelectric device

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