JP2006340023A - メサ型水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】メサ型水晶振動子の場合は振動部と周辺部との境界が段差により明確に区切れられているため、この境界の位置によってはスプリアスが増大するという不具合を生じる。
【解決手段】周辺部に囲まれ該周辺部よりも厚み寸法が大きい振動部を有する外形形状が矩形の水晶基板と、振動部の表面に配置され振動部よりも面積が小さい矩形の励振電極と、励振電極から水晶基板の端部まで延びるリード電極とを備えたメサ型水晶振動子であって、 水晶基板の長辺寸法をXとし、振動部の厚み寸法をtとし、振動部の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をMxとし、励振電極の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をExとするとき、これらの値が所定の条件を満足するよう構成することによってスプリアスの少ないメサ型水晶振動子を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子、特に中央部を周辺部に比べて厚くしてこの厚肉部分を振動部とするメサ型水晶振動子の構造に関するものである。

従来、厚み滑り振動子の振動エネルギーを閉じ込める方法として、べべル、コンベックス、或いは、メサ等のように圧電基板を所定の形状に加工する方法が知られており、これらの方法は、振動エネルギーを励振用電極下により多く集中させることが出来るため、機械的振動により発生した電荷をより多く励振用電極下に集中させることができ、共振インピーダンスを小さくすることが可能である。べべリング加工、或いはコンベックス加工は、加工する際に手間の掛かる作業が必要であり、コスト面からはメサ構造の圧電振動子が有利である。

図８は、従来のメサ型水晶振動子の外観構造例であり、図８（ａ）は上面図を示し、図８（ｂ）はＡ方向からの側面図を示す。メサ構造を有する水晶振動子１は、ＡＴカット水晶基板２の両主面のほぼ中央部に周辺部３よりも厚い振動部４を形成した後、振動部４の表裏に励振電極５と、該励振電極５から水晶基板端縁まで延びるリード電極６を形成したものである。このようなメサ構造を有する水晶振動子を量産する際には、エッチングの手段により振動部４を形成するのが実用的であると言える。

特開昭５０−１５９９８９号公報 実開平 ６− ５２２３０号公報

メサ型水晶振動子は、べべル型やコンベックス型はテーパー構造や曲面ではなく、単純な段差構造を採っているため、量産に適したエッチングによる加工が可能である。
しかしながら、メサ型水晶振動子の場合は振動部と周辺部との境界が段差により明確に区切れられているため、この境界の位置によってはスプリアスが増大するという不具合を生じる。

上述の課題を解決するため請求項１に係る発明は、周辺部に囲まれ該周辺部よりも厚み寸法が大きい振動部を有する外形形状が矩形の水晶基板と、振動部の表面に配置され振動部よりも面積が小さい矩形の励振電極と、励振電極から水晶基板の端部まで延びるリード電極とを備えたメサ型水晶振動子であって、
水晶基板の長辺寸法をXとし、振動部の厚み寸法をtとし、振動部の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をMxとし、励振電極の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をExとするとき、以下の４つの式
λ／2＝（1.332／f）−0.0024 （但し、f＝1.67t） ・・・・・(1)
（Mx−Ex）／2 ＝ λ／2 ・・・・・(2)
Mx／2 ＝（n／2＋1／4）λ （但しnは1,2,3,・・・のいずれか）・・・・・(3)
X ≧ 20t ・・・・・(4)
を全て満足することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、振動部の厚みと周辺部の厚みとの差が、振動部の厚みの１０％であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、振動部の中心と周辺部の中心が略一致していることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、水晶基板の長辺が、水晶結晶軸のＸ軸に平行であることを特徴とする。

本発明は、不要振動である屈曲振動を抑圧してスプリアスを低減したメサ型水晶振動子を提供する上で著効を奏する。

本願発明者らは、矩形のＡＴカット水晶基板を用いたメサ型水晶振動子に於けるスプリアスの原因として、水晶基板の長手方向に生じる屈曲振動が大きく寄与しているものとの推測に基づき種々の実験とシミュレーションを実施し、これを確認した。

図１はメサ型水晶振動子の構造を示すモデル図であって、矩形のＡＴカット水晶基板を用いたメサ型水晶振動子を長手方向で切断した時の断面図である。
ここで、水晶基板の長辺寸法をXとする。振動部の厚み寸法をtとし、振動部の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をMxとする。また、励振電極の長辺も水晶基板の長辺と平行でありその寸法をExとする。そして、周辺部の厚み寸法をt´とする。尚、水晶基板の長辺は水晶結晶軸のＸ軸と平行であるものとする。

先ず、この図１のモデルを用いて２次元有限要素法による解析を行った。振動部の厚み寸法tと周辺部の厚み寸法t´との差は、振動部の厚み寸法tの１０％として解析を行った。また、励振電極の厚み寸法は、振動部と周辺部との段差の高さと同じとした。
解析結果により、主振動である厚み滑り振動に強く結合する屈曲振動が励起され、この屈曲振動は振動子の中心位置を基準として反対称に出現していることが判明した。
図２に示す解析結果から明らかなように、この屈曲振動の波長λは振動部の板厚tにより決まる。周知の様に振動部の板厚tと振動部の周波数fとの関係はf＝1.67tである。また、電極による周波数低下量を考慮すると次式が成り立つ。
λ／2＝（1.332／f）−0.0024 ・・・・・(1)

図３は、厚み滑り振動と共に励起される屈曲振動の振動変位分布を解析により求めたものを示す図である。横軸は水晶振動子の長辺方向の位置を屈曲振動の波長λで規格化した値であり、縦軸は厚み方向の振動変位を厚み滑り振動の振動変位により規格化した値である。
同図に於いては、屈曲変位成分の大きいものを太実線、屈曲変位成分が殆ど無いものを細実線にて示している。また、破線と一点鎖線は屈曲変位成分が殆ど無い場合の振動部の端縁と励振電極の端縁部分をそれぞれ示している。
同図から、振動部の端縁と励振電極の端縁部分が共に屈曲変位の腹の位置にあるときに屈曲成分が小さくなっていることがわかる。即ち、振動部の端縁と励振電極の端縁部分の位置を屈曲変位の腹の位置と一致するように設定することによって、不要波である屈曲振動を抑圧することができるのである。

図４は、振動部の長辺寸法Mxと励振電極の長辺寸法Exとの関係を解析により求めたものを示す図である。横軸は振動部の長辺寸法Mxと励振電極の長辺寸法Exと差を２分の１にした値（Mx−Ex）／2をλで規格化した値であり、縦軸は屈曲振動のエネルギー（相対値）である。
この図から屈曲振動のエネルギーが小さくなる振動部の長辺寸法Mxと励振電極の長辺寸法Exとの関係が明らかとなり、実際的な寸法を考慮すると次式を満足する場合に屈曲振動の抑圧が期待できる。
（Mx−Ex）／2＝ λ／2 ・・・・・(2)
但し、この解析では振動部の中心位置と励振電極の中心位置が略一致していることが前提となっている。

図５は、式(2)の条件を満足しつつ振動部の長辺寸法Mxを変化させた場合の屈曲振動のエネルギーを示したものである。横軸はMxをλで規格化した値であり、縦軸は屈曲振動のエネルギー（相対値）である。
この図から、屈曲振動のエネルギーが小さくなるMxの値は、周期λ毎に現れることが判る。これは、振動部の端縁と励振電極の端縁部分が共に屈曲変位の腹の位置となる状態はλ毎に現れることを意味し、振動部の中心を基準として下式から得られる位置に振動部の端縁を設ければよいのである。
（n／2＋1／4）λ （但しn＝1,2,3,・・・）
つまり、
Mx／2 ＝（n／2＋1／4）λ （但しnは1,2,3,・・・のいずれか）・・・・・(3)
とすればよいのである。
尚、以上の解析では水晶基板が長辺方向の寸法Xに充分に大きいこと、即ち下式を満足することを前提としている。
X ≧ 20t ・・・・・(4)

以上の解析では、厚み滑り振動に結合する屈曲振動のエネルギーが最小となる条件を求めてきたが、屈曲振動のエネルギーと結合強度の相関を確認する解析を行った。
図６及び図７は、水晶基板の長辺寸法Xを変化させたときのモードチャートを示すものである。
図６は屈曲振動のエネルギーが大きい場合（図５においてMx／λ＝8.0）の、図７は屈曲振動のエネルギーが小さい場合（図５においてMx／λ＝8.5）の解析結果をそれぞれ示している。
図６及び図７から屈曲振動のエネルギーが大きいときの方が結合も強くなることが判明した。

つまり、要求スペックに基づき、水晶基板の長辺寸法Xと振動部の厚み寸法tを先ず決定し、上述の式(1)〜(4)の全てを満足するように振動部の長辺寸法Mxと励振電極の長辺寸法Exとを決定すれば、屈曲振動を抑圧したメサ型水晶振動子を容易に設計することができるのである。

ここで、具体的な設計例を示す。
２６ＭＨｚの振動子を設計する。
先ず、周波数の条件から振動部の厚みtは0.061mmとなる。
ここで、水晶基板の長辺寸法Xは24.6t≒1.5mmとした。
周波数が２６ＭＨｚであるから、式(1)よりλ／2≒0.05mmとなる。
式(3)より振動部の中心から端部までの距離Mx／2 ＝0.075,0.125,0.175,0.225,・・・となる。実際的な寸法と云う観点からMx／2 ＝0.375,0.425,0.475mmと云ったところが適当な値であるから、振動部の長辺寸法をMx＝0.75,0.85,0.95mmとして、式(2)より励振電極の長辺寸法をEx＝0.65,0.75,0.85mmとすればよい

以上の解析では振動部の厚み寸法tと周辺部の厚み寸法t´との差が、振動部の厚み寸法tの１０％としたときの結果を示したが、少なくとも３０％までの範囲ではこの値を変更してもこの解析結果は維持されることを確認している。

メサ型水晶振動子の構造を示すモデル図。 図１のモデルを用いた２次元有限要素法による解析結果を示す図。 厚み滑り振動と共に励起される屈曲振動の振動変位分布を示す図。 振動部の長辺寸法Mxと励振電極の長辺寸法Exとの関係を示す図。 式(2)の条件を満足しつつ振動部の長辺寸法Mxを変化させた場合の屈曲振動のエネルギーを示した図。 水晶基板の長辺寸法Xを変化させたときのモードチャートを示す図。 水晶基板の長辺寸法Xを変化させたときのモードチャートを示す図。 従来のメサ型水晶振動子の外観構造例であり、（ａ）は上面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。

符号の説明

１・・・水晶振動子
２・・・ＡＴカット水晶基板
３・・・周辺部
４・・・振動部
５・・・励振電極
６・・・リード電極

Claims (4)

1. 周辺部に囲まれ該周辺部よりも厚み寸法が大きい振動部を有する外形形状が矩形の水晶基板と、振動部の表面に配置され振動部よりも面積が小さい矩形の励振電極と、励振電極から水晶基板の端部まで延びるリード電極とを備えたメサ型水晶振動子であって、
   水晶基板の長辺寸法をXとし、振動部の厚み寸法をtとし、振動部の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をMxとし、励振電極の長辺が水晶基板の長辺と平行でありその寸法をExとするとき、以下の４つの式
   λ／2＝（1.332／f）−0.0024 （但し、f＝1.67t） ・・・・・(1)
   （Mx−Ex）／2 ＝ λ／2 ・・・・・(2)
   Mx／2 ＝（n／2＋1／4）λ （但しnは1,2,3,・・・のいずれか）・・・・・(3)
   X ≧ 20t ・・・・・(4)
   を全て満足することを特徴とするメサ型水晶振動子。
2. 振動部の厚みと周辺部の厚みとの差が、振動部の厚みの１０％であることを特徴とする請求項１に記載のメサ型水晶振動子。
3. 振動部の中心と周辺部の中心が略一致していることを特徴とする請求項１又は２に記載のメサ型水晶振動子。
4. 水晶基板の長辺が、水晶結晶軸のＸ軸に平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のメサ型水晶振動子。

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