JP2010081317A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】基本波振動からオーバトーン振動を遠ざけて、基本波振動のみでの発振を可能とした水晶振動子を提供する。
【解決手段】水晶片１Ａの両主面に対向した励振電極２ａを有する水晶振動子において、前記励振電極２ａの中央領域に穴３を設けて質量を減じ、基本波振動に対するオーバトーン振動の振動周波数を遠ざけた構成とする。または、前記穴３は、単一又は小穴の集合体からなる構成とし、さらには、前記水晶片１ＡはＡＴカットとする。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子を技術分野とし、特に３次のオーバトーン振動を基本波振動から遠ざけた水晶振動子に関する。

（発明の背景）
水晶振動子は発振子やフィルタ素子等の周波数制御素子として周知され、セラミック等の圧電材に比較し、Ｑ値が格段に高くて周波数安定度に優れる。このようなものの代表的な一つに、厚みすべり振動としたＡＴカットがあり、例えば発振子として発振回路に組み込まれる。

（従来技術の一例）
第３図及び第４図は一従来例を説明する水晶振動子図で、第３図はＡＴカットとした水晶片の切断方位図、第４図（ａ）は水晶片の断面図、同図（ｂ）は平面図である。

水晶振動子のＡＴカットとした水晶片１Ａは、結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に直交した水晶片（Ｙカット）１Ｙの主面を、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５°１５′左回転してなる。そして、新たにできた軸を（ＸＹ′Ｚ′）とし、Ｙ′軸を厚みとして円板状や矩形状に形成される。例えばＸ軸を長さ、Ｚ軸を幅方向として、両主面に対向する励振電極２ａを形成し、両端部に引出電極２ｂを延出する。

励振電極２ａ及び引出電極２ｂはは例えば下地電極をＣr（クロム）としてＡu（金）を積層する。これらは例えばマスクを用いた蒸着やスパッタあるいはエッチング等によって形成される。そして、引出電極２ｂの延出した水晶片１Ａの両端部を保持し、図示しない振動子用容器に密閉封入して形成される。なお、第４図（ａ）に示す断面図での引出電極２ｂは省略してある。

このようなものでは、水晶片１Ａの両主面に印加される交番電圧に共振し、圧電現象としての厚みすべり振動が励起される。厚みすべり振動は両主面が互いに反対方向となるＸ軸方向に変位する振動モードで、振動周波数（共振周波数）は水晶片１Ａの厚みに反比例する。すなわち、厚みが小さいほど振動周波数は高くなる。そして、基本波振動に対して奇数時のオーバトーン振動を生ずる。これらの場合、基本波振動は励振電極２ａ内に閉じ込められて裾野の広い変位分布となり「第４図（ａ）の曲線イ」、オーバトーン振動はさらに中央領域に閉じ込められて幅の狭い変位分布となる（同図の曲線ロ）。

第５図は水晶振動子の共振特性を示す周波数に対するアドミッタンス（Ｙ）特性である。図中の符号Ｆ1は基本波振動、Ｆ3は３次のオーバトーン振動、Ｆ5は５次のオーバトーン振動で、ｆ1、ｆ3、ｆ5は各次数での共振周波数（共振点）、ｆ1′、ｆ3′、ｆ5′は各次数の反共振周波数（反共振点）である。

なお、各次数での共振点ｆ1、ｆ3、ｆ5から反共振点ｆ1′、ｆ3′、ｆ5′までの間がインダクタ領域（ｆ1〜ｆ1′、ｆ3〜ｆ3′、ｆ5〜ｆ5′）となる。そして、通常では、基本波振動Ｆ1での共振点ｆ1から反共振点ｆ1′までの間のインダクタ領域（成分）を使用し、図示しない分圧コンデンサと共振回路を形成して、発振用増幅器とともにコルピッツ型の発振回路を形成する。この場合、インダクタ領域が基本的に発振可能領域となる。
特開平９−１３９６５１号公報 特開平３−１７２０１３号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の水晶振動子では、基本波振動Ｆ1のみならず、前述のように例えば３次のオーバトーン振動Ｆ3でも、共振点ｆ3と反共振点ｆ3′との間がインダクタ領域ｆ3〜ｆ3′となって、発振可能領域となる。したがって、例えば発振用増幅器の高周波特性等によっては、基本波振動Ｆ1の振動領域（ｆ1〜ｆ1′）みならず、例えば３次オーバトーン振動Ｆ3での振動領域ｆ3〜ｆ3′までをも、発振条件の一つである負性抵抗領域とする。

したがって、この場合は、他の要因等も絡み合って、基本波振動Ｆ1での発振が抑圧されて、３次オーバトーンでの発振を生ずる問題があった。例えば30MHzとした基本波振動での発振が求められているにも拘わらず、この約３倍となる90ＭＨｚとした３次オーバトーン振動での発振を引き起こす問題があった。

このことから、例えば基本波振動Ｆ1に対する３次オーバトーン振動Ｆ3の発生位置を離間させる。これにより、基本波振動（振動領域ｆ1〜ｆ1′）では、発振回路の負性抵抗領域内とする。そして、３次オーバトーン振動Ｆ3（振動領域ｆ3〜ｆ3′）では負性抵抗領域外として、基本波振動Ｆ1のみでの発振とすることが求められる。

（発明の目的）
本発明は基本波振動からオーバトーン振動を遠ざけて、基本波振動のみでの発振を可能とした水晶振動子を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶片の両主面に対向した励振電極を有する水晶振動子において、前記励振電極の中央領域に穴を設けて質量を減じ、基本波振動に対するオーバトーン振動の振動周波数を遠ざけた構成とする。

このような構成であれば、水晶片の中央領域（中心部）での質量は減じられ、基本波振動及びオーバトーン振動の振動周波数も高くなる。そして、励振電極の中央領域では基本波振動よりもオーバトーン振動の変位分布に与える影響が大きくなる。したがって、基本波振動での振動周波数の上昇する際の変化量よりも、オーバトーン振動での変化量が大きくなる。これにより、基本波振動に対するオーバトーン振動を遠ざけて発振領域外とし、基本波振動のみでも発振を可能にできる。

本発明の請求項２では、請求項１において、前記穴は、単一又は小穴の集合体からなる。これにより、いずれの場合でも、基本波振動よりもオーバトーン振動の変位分布に対する影響を大きくし、オーバトーン振動を基本波振動から遠ざけられる。

同請求項３では、請求項１において、前記水晶片はＡＴカットとして厚みすべり振動姿態とする。これにより、基本波振動に対するオーバトーン振動の変位分布が励振電極の中央領域となるので、請求項１による構成での効果が明確になる。但し、ＡＴカット以外でも同様の厚みすべり振動姿態となる例えばＢＴカットでも同一の効果を奏する。

第１図は本実施例の一実施形態を説明水晶振動子の平面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

水晶振動子は前述したようにＹ′軸を厚みとしたＡＴカット（厚みすべり振動姿態）の水晶片１Ａを有し、両主面の対向する励振電極２ａから両端部に引出電極２ｂを延出する。励振電極２ａ及び引出電極２ｂは下地電極をＣrとしてＡuが積層される。そして、引出電極２ｂの延出した両端部を保持して図示しない振動子容器に密閉封入してなる。

そして、この例では、例えばレーザやガスイオンを励振電極２ａの中央領域（中心部）に照射する。そして、中央領域に段差となる穴３を設け、中央領域での厚み即ち質量を減じる。その後、例えば同様のレーザやガスイオンを励振電極２ａの全体に照射して一様に厚みを減じて振動周波数を微調整する。

このような構成であれば、励振電極２ａの中央領域での質量を減じることによって、基本波振動及びオーバトーン振動の振動周波数（共振周波数）はいずれも高くなる。そして、励振電極２ａの中央領域の厚みを減じるので、基本波振動よりも変位分布が狭くて中央領域に集中したオーバトーン振動に対する影響が大きくなる「前第４図（ａ）参照」。したがって、基本波振動よりも３次を含むオーバトーン振動の変化量が大きくなる。なお、オーバトーンの次数が高くなるほど、オーバトーン振動の変位分布をさらに狭くなって、質量を減じた影響が大きくなる。

ちなみに、水晶片１Ａの外形を3.20×1.75ｍｍ、励振電極２ａの大きさを2.20×1.40ｍｍとし、基本波振動での振動周波数を26.890MHzとすると、従来例では、３次オーバトーンでの振動周波数は概ね３倍となる80.714MHzになる。これに対し、本実施形態で示すように、例えば中央領域に直径0.5ｍｍの穴３を設けて質量を減じた場合には、基本波振動は26.890MHzから26.944MHzとなって、53.8KHzの増加となる。そして、３次オーバトーンの振動周波数は80.714MHzから80.813MHzとなって、99.0KHzの増加となる。

これから明らかなように、励振電極２ａの中央領域に穴３を設けて質量を減じた場合には、基本波振動での振動周波数の増加量（53.8KHz）よりも、３次オーバトーン振動での増加量（99.0KHz）が大きく約２倍になる。したがって、基本波振動に対して３次オーバトーンの振動周波数を遠ざけることができる。これにより、３次オーバトーン振動の振動周波数を発振回路の例えば負性抵抗の領域外即ち発振領域外とすることによって、基本波振動のみでの発振を可能にする。

（他の事項）
上記実施形態では、励振電極２ａの中央領域に設けた穴は単一としたが、例えば第２図に示したように、複数の小穴３ａからなる集合体としてもよい。また、穴３はレーザやガスイオンの照射としたが、例えばマスクを用いた蒸着やスパッタによって励振電極２ａを形成する際に予め形成してもよい。また、水晶片１Ａ及び励振電極２ａは矩形状としたが、これらを円形としても同様である。

本発明の一実施形態を説明する水晶片１Ａの平面図である。 本発明の他の実施形態を説明する水晶片１Ａの平面図である。 従来例を説明するＡＴカットの切断方位図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は水晶片１Ａの断面図及び変位分布図、同図（ｂ）は同平面図である。 従来例を説明する水晶振動子の周波数に対するアドッミタンス特性図である。

符号の説明

１ 水晶片、２ 励振及び引出電極、３ 穴。

Claims (3)

1. 水晶片の両主面に対向した励振電極を有する水晶振動子において、前記励振電極の中央領域に穴を設けて質量を減じ、基本波振動に対するオーバトーン振動の振動周波数を遠ざけたことを特徴とする水晶振動子。
2. 請求項１において、前記穴は、単一又は小穴の集合体からなる水晶振動子。
3. 請求項１において、前記水晶片はＡＴカットである水晶振動子。

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