JP2006186462A

JP2006186462A - 水晶振動子

Info

Publication number: JP2006186462A
Application number: JP2004375386A
Authority: JP
Inventors: Tadataka Kamiyama; 忠孝上山
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13

Abstract

【課題】ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化の要求を満足するための振動部の支持方法を改善することを目的とする。
【解決手段】課題を解決するために本発明は、矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子において、前記矩形状の圧電素板の長手方向と短手方向の長さ寸法を同じにしたとき、前記圧電素板の主面の中心位置で保持するもので、具体的には前記矩形状の圧電素板の一辺をＬとしたとき、もう一辺がＬの倍数の寸法関係であって、前記圧電素板の一辺ともう一辺の長さがＬの単位で前記振動部の主面の中心位置である無振動部を保持することにより課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化の要求を満足する振動部の支持方法に関するものである。

図９は従来よく知られているラーメモード水晶振動子１００の、水晶の結晶構造の座標系ｏ−ｘｙｚにおけるカットの向きを示し、ｘ′，ｙ′，ｚ′，ｚ″は座標系回転後の座標軸（カット後の結晶軸）である。この向きは、Ｙ板水晶板をまずｘ軸廻りにφｙ度回転させ、次に、ｙ軸の新軸ｙ′軸の廻りにθｙ度回転させたものである。

図１０は零温度係数を与えるラーメモード水晶振動子のカット角φｙとカット角θｙとの関係を示す。曲線１０２で示すように、θｙ＝３０°〜６０°でラーメモード水晶振動子が存在する。曲線１０３で示すように、カット角θｙ＝４５°のとき２次温度係数βはβ＝−５．４×１０−８／℃２と水晶振動子の２次温度係数としてはその絶対値は大変に大きい。又、曲線１０３から、θｙ＝４５°から離れるにつれて２次温度係数βの絶対値は小さくなり、θｙ＝３０°と６０°でβ＝−４．５×１０−８／℃２となる。

また、実際の振動子の形態にあっては、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子はＱ値の高い振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出し、接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定されている。
特開２００３−１０１３７８号公報川島，平間，斎藤，小山，「水晶振動子とその応用デバイス」，社団法人電子情報通信学会論文誌，ＶＯＬ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ，Ｎｏ．１２，１９９９年１２月号，ｐ．６６７−６８２

上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。

しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるために、ラーメモード水晶振動子を容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の節から発生するモーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生してしまう。

従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがある。

加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的な小型化が難しくなっている現状にある。その一方で小型化を推進上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、Ｑ値を高く維持することはできるものの、支持部を細くすることなどによって耐衝撃性や耐落下強度などと言った衝撃に弱くなることも心配される。

そこで本発明は、矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子において、前記矩形状の圧電素板の長手方向と短手方向の長さ寸法を同じにしたとき、前記圧電素板の主面の中心位置で保持するもので、該圧電素板を基板にし、基板の振動部の一方の辺の寸法を１とし、もう一方の辺の寸法との辺比が整数倍（１〜ｎ）を満たす前記矩形状の圧電素板を用い、前記矩形状の圧電素板の一辺をＬとしたとき、もう一辺がＬの倍数の寸法関係であって、前記圧電素板の一辺ともう一辺の長さがＬの単位で前記振動部の主面の中心位置で保持することを特徴とするラーメモード水晶振動子である。

要するに、ラーメモード水晶振動子を構成する振動部を支持部や接続部により振動の阻害や制約を受けないで保持するために、ラーメモード水晶振動子（素板）の主面から支持部分を取り出す、あるいは素板を保持する場所として振動変位が無い、無振動部分を発明者はシミュレーションと実験とを繰り返すことで得たものである。

上述の経過から振動部を支持する部分を四隅では無く、正方形の中央とし、その中央部に板厚より厚くした圧電素板と一体の凸部を設けた構造とすることにより支持部と接続部を一体化した構造を持つ振動子を得ることができ、その正方形の中央部の無振動部分及びそこに設けた凸部の先端を容器に固定することにより振動エネルギーの損失と漏れを抑えることができる。

上述のように本発明のラーメモード水晶振動子の支持部を振動部の中心から接続部と連結することにより、振動子全体を小型化にしても接続部の強度を確保することができ、かつ、接続部を振動部の中心（重心）位置に近くすることにより接続部の大きさに関係なく確実な振動部を支持することができ品質と信頼性を向上できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板１を基板にし、その基板の辺比の一方の寸法を１としたとき、もう一方の寸法が整数比（１〜ｎ）を満たす板に無数に存在する振動モードをラーメモード振動子と呼んでいる。図１に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う２辺Ａが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の外方向に変位し、また向かい合う２辺Ａが正方形の外方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の中心方向に変位する振動形態である。従って、図１（ａ）と図１（ｂ）の動作を繰り返す形態で振動する。この図１は正方形板の最低次の振動モードと呼ぶ。また図１（ｃ）には振動板の寸法概念を示す。

図１の状態をコンピュータ解析したときの模式図を図２に示す。２種類の動作を交互に繰り返す形態で振動する様子が分かる。
上述の動作を基本として２次と３次の模式図を示したものが図３と図４であり、その解析図が図５と図６に示したものである。上述の動作について詳細を説明すると、図２は辺比１：１、図５は辺比が１：２、図６は辺比が１：３のラーメモード振動子の解析例である。このようにラーメモード振動は矩形状の板の辺比が整数の板に無数に存在する振動モードである。

このことから、従来は振動子を作製する際にはＱ値の低下を避けるために図２、図３、図４に示すように振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けていた。しかし、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じる。

それにより支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値Ｒ１が大きくなってしまう。更に等価抵抗値Ｒ１を小さくすること及びＱ値の低下を軽減する目的で四隅からの支持部の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。

また、支持部及び接続部が必要なため振動子の小型化が阻害される。更に今回の発明は四隅以外に振動変位の小さい部分である正方形の中央部分（正方形の一辺をＬとした場合Ｌ／２の位置を中心とする部分。例えば共振周波数４０００ｋＨｚの場合Ｌ＝０．６ｍｍとなる正方形の中心位置から直径１００μｍの円内）を支持及び接合することを特徴とする。更にその中央部分に振動部の厚み（Ｔ１）より厚くした厚み（Ｔ２）の凸部２を設け、支持及び接合することによりＱ値の低下が軽減され、等価抵抗値Ｒ１が小さくなる構造としたことを特徴とする。

このように全ての振動状態において、振動部の中心部分に振動変位の小さい無振動部が存在することが伺え、本願発明者はこの無振動部を支持部として接続部との連結箇所にすることで、最も効率よく振動板を保持することを実験上から発見したものである。

以上のことから、図７に示す斜視図を例に説明すると、振動部の各正方形の中央部分に全体の厚みより厚い凸部２を圧電素板と一体に形成し、実際の凸部２は、例えば共振周波数４０００ｋＨｚの場合、中心からの直径が１００μｍ以下で厚みの差が２０μｍ以上であれば特性に影響を与えないため、どのような形状でもよい。凸部２は上下面の両面に設けることも可能であり、特に１次ラーメモード水晶振動子は上下面に凸部２を設けそれぞれに異符号の電極（逆電圧）が印可されるように励振電極を配置する。なお、本発明の振動子の製造方法の一例としては、上下面でプロテクト膜のパターンを変えてウェット及びドライエッチングによって作製する。なお、凸部２は振動素板１の少なくとも１主面に形成するものであるが、両面に凸部２を形成しても構わない。

ラーメモード水晶振動子の１次の形態を示す平面図である。図１に示す振動形態を解析する解析図である。ラーメモード水晶振動子の２次の形態を示す平面図である。ラーメモード水晶振動子の３次の形態を示す平面図である。図３に示す振動形態を解析する解析図である。図４に示す振動形態を解析する解析図である。本発明の支持凸部の概念を示した解析図である。ラーメモード水晶振動子の概念図を示す平面図である。一般的に知られるラーメモード水晶振動子の水晶の結晶構造の座標系を示す座標図である。零温度係数を与えるラーメモード水晶振動子のカット角φｙとカット角θｙとの関係を示す特性図である。

符号の説明

１圧電素板
２凸部

Claims

矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子において、
前記矩形状の圧電素板の長手方向と短手方向の長さ寸法を同じにしたとき、前記圧電素板の主面の中心位置で保持することを特徴とするラーメモード水晶振動子。
請求項１に記載する主面の中心位置とは、該圧電素板を基板にし、基板の振動部の一方の辺の寸法を１とし、もう一方の辺の寸法との辺比が整数倍（１〜ｎ）を満たす前記矩形状の圧電素板であって、前記矩形状の圧電素板の一辺をＬとしたとき、もう一辺がＬの倍数の寸法関係で、前記圧電素板の一辺ともう一辺の長さがＬの単位で前記振動部の主面の中心位置で保持することを特徴とするラーメモード水晶振動子。