JP2006203742A - 輪郭振動圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 振動部の輪郭寸法等の調整を要することなく、主振動である輪郭振動以外の不要振動を容易に抑えることができる圧電基板構造を備えた輪郭振動圧電デバイスを提供することである。
【解決手段】 薄板状の水晶板２２と、この水晶板２２の表面に形成される四角形状の励振電極２６ａ〜２６ｄとを備え、前記励振電極２６ａ〜２６ｄの角部近傍が振動の節部２２ａ〜２２ｄとなって、水晶板２２に輪郭モードの主振動を生じさせる水晶振動子２１において、前記主振動と共に発生する不要振動の周波数帯を主振動の周波数帯とは離れる方向にずらす凸部（質量付加部）２７を前記節部２２ａ〜２２ｄに設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、励振電極が形成された圧電基板を用いて輪郭振動を発生させる輪郭振動圧電デバイスに関するものである。

現在、数ＭＨｚ〜十数ＭＨｚ帯の周波数領域における圧電デバイス（水晶振動子）の振動モードの一つとして、輪郭振動モードがある。この輪郭振動モードを得るには、Ｘ軸を中心にＹ軸をＺ軸に向けて３６°〜４２°の範囲で傾斜させたＹ’軸からなるＸＹ’平面で切り出されたカット角の水晶基板が用いられる。

前記輪郭振動モードを有する水晶振動子１は、図１６に示すように、前記カット角の水晶基板を四角形状に加工した水晶板２と、この水晶板２を支持する脚部３と、電極端子４ａ，４ｂが設けられる支持部５とで構成されている。図１６（ａ）は電極端子４ａを基準にした面からみた平面図であり、図１６（ｂ）は電極端子４ｂを基準にした面からみた平面図で、前記（ａ）の裏面側に相当する。前記水晶板２は薄い正方形の板状片で、例えば１０ＭＨｚの振動周波数にする場合、１辺が約２４０μｍに形成される。この水晶板２の角部２箇所（２ｂ，２ｄ）が両方の脚部３に接続され、電極端子４ａ，４ｂが形成された支持部５に連結されている。前記水晶板２の表裏面には一対の励振電極６が形成され、前記支持部５に設けられたそれぞれの電極端子４ａ，４ｂと導通結合されている。この表裏の励振電極６には極性の異なった電界が印加され、輪郭振動は前記水晶板２の４つの節部２ａ〜２ｄを基準にして行われる。

また、前記輪郭振動モードの水晶振動子において、振動精度の向上及び等価抵抗値の低減を図るために、前記振動板に複数の励振電極を形成する場合がある。例えば、図１７に示すような長方形状の振動板１２に３つの励振電極１３ａ〜１３ｃを一列に配列させた３次の振動モードを有した水晶振動子１１がある（特許文献１参照）。

上記図１６及び図１７に示した水晶板２，１２の支持は、等価抵抗値の上昇やＱ値の低下が生じないように振動の節部２ａ〜２ｄ，１２ａ〜１２ｄで行っている。また、前記水晶振動子１１の場合は、各励振電極１３ａ〜１３ｃの四隅に節部を持った正方形状をなし、隣接する辺の長さの比が１であるときラーメ型の輪郭振動を伴う。
特開２００２−１１１４３４号公報

図１６，図１７に示したような水晶振動子１，１１は、所定の振動周波数を得るために、振動部の輪郭寸法（長さ，幅）が設定される。しかしながら、実際には前記振動周波数を得るための主振動の他に、振動板の形状に起因する別モードの振動形態が存在し、この振動が前記主振動を阻害する不要振動となる場合がある。従来、このような不要振動を防止するためには、励振電極の輪郭寸法を調整したり、支持形状を調整したりしていたが、主振動の方に影響がおよび、当初の振動周波数からずれてしまう場合や等価抵抗値が悪化する場合があった。このため、設定した振動周波数に変動を及ぼさずに、等価抵抗値を良好に保ったままで不要振動を大幅に抑えることのできる輪郭振動型の水晶振動子の実現が容易でなかった。

そこで、本発明の目的は、主振動である輪郭振動の周波数や等価抵抗値に影響をあたえず、それ以外の不要振動を容易に抑えることと、その不要振動の周波数を変更することで主振動への影響を低減させることのできる圧電基板構造を備えた輪郭振動圧電デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の輪郭振動圧電デバイスは、薄板状の圧電基板と、この圧電基板の表面に形成される四角形状の励振電極とを備え、前記励振電極の角部近傍が振動の節部となって、圧電基板に輪郭モードの主振動を生じさせる圧電デバイスにおいて、前記主振動と共に発生する不要振動の周波数帯を主振動の周波数帯とは離れる方向にずらす質量付加部もしくは質量減少部を前記節部に設けたことを特徴とする。

この発明によれば、前記圧電基板の輪郭振動の節部に輪郭モードの主振動とは異なる不要な振動による周波数を前記主振動の周波数からずらすための質量付加部もしくは質量減少部が設けられているので、主振動の周波数に変化はないが、不要振動の周波数は上昇または下降するため、不要振動の主振動への影響を低減させることができる。このような不要振動による周波数の影響を抑えることで、輪郭振動の精度の向上と、温度変化による等価直列抵抗値のバラツキを抑える効果が得られる。これによって、圧電デバイスの信頼性の向上が図られる。

前記質量付加部もしくは質量減少部が、前記圧電基板の側面に設けた凸部、または、凹部であるため、製造が容易で、主振動に必要な形状及び寸法の大幅な変更を要することがない。

本発明の輪郭振動圧電デバイスによれば、圧電基板の振動節部に設けた質量付加部もしくは質量減少部によって、主振動である輪郭振動以外の不要な振動による影響を励振電極の寸法等主振動自体に影響をあたえるような設計変更を伴わずに低減させることができる。また、前記質量付加部もしくは質量減少部は、圧電基板の節部に設けられる凸部または凹部によって実現できるため、圧電基板のサイズや形状等の大幅な変更を要することがなく、加工も容易である。

また、前記励振電極が縦横方向に複数配列形成した高次モードの輪郭振動圧電デバイスにあっては、各励振電極の節部の圧電基板を凸部または凹部形状とすることで、複数の不要振動の影響を抑えることができる。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る輪郭振動圧電デバイスの実施形態を詳細に説明する。図１は本発明における第１実施形態の輪郭振動圧電デバイスの平面図、図２は前記輪郭振動圧電デバイスの要部斜視図、図３は前記輪郭振動圧電デバイスの振動姿態を示す概念図である。なお、本実施形態では、輪郭振動圧電デバイスとして、圧電基板に水晶板を用いた水晶振動子を例にして説明する。

水晶振動子は、水晶原石のＸ軸（電気軸），Ｙ軸（機械軸），Ｚ軸（光軸）の各結晶軸から所定の角度で切断された水晶基板を様々な形状に打ち抜き、各種の振動モードを持たせて形成される。

本発明の輪郭振動型の水晶振動子は、Ｘ軸を中心にＹ軸をＺ軸に向けて３６°〜４２°の範囲で傾斜させたＹ’軸からなるＸＹ’平面で切り出された水晶基板を用い、この水晶基板をさらにＸＹ’平面内で４５°回転して切り出されたカット角によって形成されたもので、ＬＱ２カットラーメモードの輪郭振動特性を備えている。

図１及び図２に示す第１実施形態の水晶振動子２１は、四隅に振動の節部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを有する長方形状の水晶板２２と、前記それぞれの節部２２ａ〜２２ｄを支持する脚部２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと、前記脚部２３ａ〜２３ｄに対して一体的に打ち抜き形成された支持部２４とから構成され、支持部２４には一対の電極端子２５ａ，２５ｂが形成される。符号２９は打ち抜き加工された空隙部で、水晶板２２の各辺に沿って空けられている。

前記水晶板２２には、表面にそれぞれ励振電極２６ａ〜２６ｄが４面直列配列され、それぞれの励振電極の領域が一つの輪郭振動を発生させる小振動部を構成している。また、前記水晶板２２の四隅の脚部２３ａ〜２３ｄを除いた各励振電極の角部には、質量付加部（凸部）２７が外方向に向けて半円形状に設けられている。

本実施形態の水晶振動子２１は、水晶板２２を輪郭振動させて所望の周波数を得るために、前記水晶板２２の幅および長さや励振電極２６ａ〜２６ｄのサイズが設計される。しかしながら、実際に製造された水晶振動子２１には、前記輪郭振動である主振動以外にこの輪郭振動とは異なった形態の不要な振動が生じてしまう。この不要な振動は、振動子の外形形状により定まった周波数に発生するが、製造上または外部環境、使用条件によってその周波数から不規則なバラツキをもって発生する。このような不要な振動が一定の許容値を超えると主振動に影響を与え、必要とする周波数が得られなくなったり、周波数が変動したりするなどの問題が生じてしまうことになる。

前記凸部２７は、このような水晶振動子２１の主振動である輪郭振動を阻害するような不要な振動だけを、加工バラツキや環境変化によっても影響が出ない程度にまでずらすために設けられたものである。この凸部２７は、本来の主振動を発生させるための設計条件から外れた節点にあるため、発生した不要振動のみをこの凸部２７によって、前記主振動の周波数からずれた周波数帯に変化させることができる。これによって、不要振動が発生した場合でも見かけ上、不要振動の影響を及ぼさないようにすることができる。また、前記凸部２７が主振動の節部に設けられているため、当初設計通りの輪郭振動には影響が及ばない。前記凸部２７は、水晶板２２の打ち抜き加工と同時に形成される。本実装形態では、前記凸部２７を半円形状にして形成したが、このような半円形状に限らず、水晶板２２から突出させていればよく、三角形状あるいは多角形状であってもよい。

前記水晶板２２の表面に設けられた各励振電極２６ａ〜２６ｄには、それぞれ極性の異なった電極端子２５ａ，２５ｂから支持部２４を介して電圧が印加される。電圧の印加は、同一平面上で隣接する励振電極が互いに逆極性となるように設定される。このように、各励振電極の各辺を境に、隣接する励振電極の電界が常に逆極性になるように配列形成されているため、水晶板２２の四隅の節部２２ａ〜２２ｄ及び凸部２７を有する節部２７ａ〜２７ｆを基点として、図３に示すように、各励振電極の輪郭部に歪みが生じることになる。これにより、所望の振動周波数を得る。

脚部２３ａ〜２３ｄは、前記水晶板２２の４個所の節部２２ａ〜２２ｄを支持すると同時に、電極端子２５ａ，２５ｂから印加される電圧を各励振電極２６ａ〜２６ｄに導通させるための導電路となるもので、幅の狭い板状片で形成される。

前記脚部２３ａ〜２３ｄを介して水晶板２２が支持部２４と一体形成されている。この脚部２３ａ〜２３ｄは、水晶板２２の節部となる四隅の角部で行うことで、振動が妨げられずに良好な発振特性を得ることができる。

上記水晶振動子２１の輪郭振動は、電極部２５ａ，２５ｂから脚部２３ａ〜２３ｄを介して各励振電極２６ａ〜２６ｄに電圧を加えることによって生じる。そして、図３に示したように、前記励振電極の輪郭部が凸部２７を有する節部を基準にして、伸縮変形を連続的に繰り返すことで一定の周期を持った振動周波数が得られる。正確で安定した振動周波数を得るためには、各節部の振動幅がゼロになるように設計するのが望ましい。

図４は第２実施形態における輪郭振動モード型の水晶振動子３１の要部を示したものである。この水晶振動子３１は、発生した不要振動をずらすために、質量減少部となる凹部３７を水晶板３２の節部近傍に設けた構造になっている。前記凹部３７は、必要な主振動の設計から外れた形状となっているので、設定された輪郭振動と異なる他の不要振動が発生した場合に、この不要振動による周波数のみを前記本来の輪郭振動の周波数からずらすことができる。これによって、前記不要振動が発生した場合でも、設計通りの輪郭振動による周波数を得ることができる。

図５乃至図７は、励振電極を縦横方向に複数配列形成した輪郭振動モード型の水晶振動子における水晶板構造を例示したものであり、一例として縦方向に４列、横方向に２列の８面の振動部を有して構成されている。図５は、前記各振動電極の節部を凸部２７として形成した第３実施形態の水晶振動子の水晶板４２、図６は前記各振動電極の節部を凹部３７として形成した第４実施形態の水晶振動子の水晶板５２である。水晶板の内部にある節部を質量減少部として形成する場合は、図６に示されるように、隣接する励振電極の共通の節部を丸孔４０あるいは角孔に開設する。このような複数の励振電極によって構成される高次の輪郭振動型の水晶振動子にあっては、高周波に対応した振動特性が得られると共に、等価直列抵抗値の減少を図ることができる一方、不要振動も増加するといった問題を有していたが、前記節部が凸部（質量付加部）２７または凹部（質量減少部）３７を構成することによって、輪郭振動以外の不要振動を大幅に抑えることが可能となる。なお、不要振動の低減効果は凸部と凹部で略同様であるため、図７に示す水晶板６２のように、凸部２７と凹部３７とを混在させて形成してもよい。さらに、すべての節部に対して前記凸部２７または凹部３７を均等に設けずに、特定の節部に部分的に設けてもよい。このように、凸部２７または凹部３７の組み合わせや配置によって、主振動と不要振動との周波数差を十分に広げるような最適な設計が可能となる。

次に、従来構造の水晶振動子と、本発明による凸部（質量付加部）及び凹部（質量減少部）を設けた水晶振動子の振動形態及び周波数特性を図８乃至図１５に示す。ここで、図８乃至図１１は、実験を行った４種類の振動形態を示したものである。図８は従来の平坦な節部による水晶振動子１１、図９は節部を１２μｍの大きさの凸部形状にした水晶振動子２１ａ、図１０は節部を２４μｍの大きさの凸部形状にした水晶振動子２１ｂ、図１１は節部を１２μｍの大きさの凹部形状にした水晶振動子３１を示す。また、図１２乃至図１５は、前記それぞれの振動形態における周波数特性を示したグラフである。

図１２乃至図１５において、主振動となるラーメモードの振動周波数の特性をアステリスク（＊）でプロットされた線によって示す。このラーメモードの振動周波数は、図１２乃至図１５の各条件において共通で、約４．０４５ＭＨｚに設定されている。また、前記主振動以外の不要振動は、四角（□，■，◇）や三角（△，▲）でプロットされた線によって示す。なお、この測定は、水晶板及び励振電極のサイズや振動モードなど、同一仕様による複数個の水晶振動子のサンプルを用いて、同一の環境条件の下で行った。

図１２に示されるように、従来の不要振動対策を行っていない水晶振動子１１にあっては、主振動の振動周波数に不要振動の振動周波数が重なったり、近接したりする傾向が表れる。これに対して、質量付加部及び質量減少部を設けた水晶振動子２１ａ，２１ｂ，３１においては、不要振動のバラツキが大きくなり、主振動の振動周波数に重なる部分が少なくなっていることが確認できる。また、質量付加部である凸部に関しては、図１３の１２μｍと図１４の２４μｍでは、大きき方の２４μｍが主振動に影響が少ない。このことから、凸部や凹部の大きさに比例して、主振動への影響が少なくなる傾向にある。

上記実施例で示したような輪郭振動型の水晶振動子は、水晶原石から所定のカット角でスライスされた水晶板を打ち抜き加工して、前記凸部（質量付加部）または凹部（質量減少部）を一体形成する。この形成は、水晶基板の厚みや加工精度に応じて化学的なウェットエッチング、プラズマ等の物理現象を利用したドライエッチング、または、パウダービームによる切削加工のいずれかを用いることで精度のよい形状加工が可能となる。

なお、上記実施形態では、ＬＱ２カットラーメモードの振動子を例にして説明したが、ＬＱ１カットにも同様に使用できる他、輪郭滑りモードや縦振動モードにも応用できることは言うまでもない。

本発明に係る第１実施形態の水晶振動子の平面図である。 上記第１実施形態の水晶振動子の要部斜視図である。 上記第１実施形態の水晶振動子の振動姿態を示す概念図である。 本発明に係る第２実施形態の水晶振動子の要部斜視図である。 本発明に係る第３実施形態の水晶振動子の平面図である。 本発明に係る第４実施形態の水晶振動子の平面図である。 本発明に係る第５実施形態の水晶振動子の平面図である。 従来の節部構造の水晶振動子の振動姿態を示す図である。 節部を凸部（１２μｍ）に形成した水晶振動子の振動姿態を示す図である。 節部を凸部（２４μｍ）に形成した水晶振動子の振動姿態を示す図である。 節部を凹部（１２μｍ）に形成した水晶振動子の振動姿態を示す図である。 上記図８の振動姿態による水晶振動子の周波数特性を示す図である。 上記図９の振動姿態による水晶振動子の周波数特性を示す図である。 上記図１０の振動姿態による水晶振動子の周波数特性を示す図である。 上記図１１の振動姿態による水晶振動子の周波数特性を示す図である。 従来の輪郭振動型水晶振動子の基本形状を示す平面図である。 従来の輪郭振動型水晶振動子の他の形状を示す平面図である。

符号の説明

２１ 水晶振動子（圧電デバイス）
２２ 水晶板（圧電基板）
２２ａ〜２２ｄ 節部
２３ａ〜２３ｄ 脚部
２４ 支持部
２５ａ，２５ｂ 電極端子
２６ａ〜２６ｄ 励振電極
２７ 凸部（質量付加部）
３７ 凹部（質量減少部）

Claims (6)

1. 薄板状の圧電基板と、この圧電基板の表面に形成される四角形状の励振電極とを備え、前記励振電極の角部近傍が振動の節部となって、圧電基板に輪郭モードの主振動を生じさせる圧電デバイスにおいて、
   前記主振動と共に発生する不要振動の周波数帯を主振動の周波数帯とは離れる方向にずらす質量付加部もしくは質量減少部を前記節部に設けたことを特徴とする輪郭振動圧電デバイス。
2. 前記圧電基板には、前記励振電極が複数配設され、各励振電極の節部に前記質量付加部もしくは質量減少部が設けられている請求項１記載の輪郭振動圧電デバイス。
3. 前記質量付加部が、前記圧電基板の側面に設けた凸部である請求項１または２記載の輪郭振動圧電デバイス。
4. 前記質量減少部が、前記圧電基板の側面に設けた凹部である請求項１または２記載の輪郭振動圧電デバイス。
5. 前記凸部または凹部が、半円形状あるいは多角形状に形成される請求項３または４記載の輪郭振動圧電デバイス。
6. 前記圧電基板が、ラーメ型の振動モードを備えた請求項１記載の輪郭振動圧電デバイス。