JP3620024B2 - 幅縦圧電結晶振動子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高い電気機械変換効率を有する幅縦圧電結晶振動子に関する。更に、本発明は幅縦圧電結晶振動子のカット角、電極構成、及び形状に関する。特に、圧電材料として、水晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）とニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用い、小型化、高精度、耐衝撃性、低廉化などの要求の強い携帯機器用、情報通信機器用、計測機器用、及び民生機器用の基準信号源として最適な新カット、新電極構成の幅縦圧電結晶振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術としては、圧電材料として水晶を用いた幅縦振動モードと長さ縦振動モードが結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子がよく知られている。図１７にはこの従来例の概観図を示す。図１７に於いて水晶振動子２００は振動部２０１、接続部２０３、２０６及び支持部２０４、２０７を具えて構成されている。支持部２０４と２０７はそれぞれマウント部２０５と２０８を包含している。更に、図１７と図１８に示されているように、振動部２０１の上下面には電極２０２と２１１が配置され、振動部の電極２０２は接続部２０３を介してマウント部２０５にまで延在している。これに対して、振動部の電極２１１も同様に接続部２０６を介してマウント部２０８にまで延在している。電極２０２と電極２１１は異極となるように構成され、２電極端子を構成している。そして、振動子はマウント部２０５と２０８でリード線や台座に接着剤などで固定される。今、両電極２０２と２１１間に交番電圧を印加すると、図１８の実線と点線で示されるように、電界Ｅ_ｔは厚みＴ方向に交互に働く。その結果、幅Ｗによって大略周波数が決まる幅縦振動モードと長さＬによって大略周波数が決定される長さ縦振動モードが同時に励振され、逆相で両振動モードが結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子が得られる。また、上記水晶振動子は化学的エッチング法によって一体に形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子では、振動部の面積が大きい程（低周波数）等価直列抵抗Ｒ_１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら２つの振動モードが結合した、ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子は、それらの周波数はそれぞれ幅Ｗと長さＬに反比例し、且つ、周波数温度特性が幅Ｗと長さＬの比、いわゆる辺比Ｗ／Ｌによって決定され、更に、周波数温度特性が良好となる辺比Ｗ／Ｌ≒０．９５となるので、小型化（高周波数化）しようとすると、振動部の面積が小さくなる。そのため、電気機械変換効率が小さくなり、その結果、等価直列抵抗Ｒ_１が大きくなり、品質係数Ｑ値が小さくなるなどの課題が残された。このようなことから、超小型で、等価直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値が高くなるような新カットで、電気機械変換効率が高くなる電極構成を具える幅縦圧電結晶振動子が所望されていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した幅縦圧電結晶振動子を提供することを目的とするものである。
【０００５】
即ち、本発明の幅縦圧電結晶振動子の第１の態様は、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される幅縦圧電結晶振動子で、前記振動部の長さ（Ｌ_０）は幅（Ｗ_０）より大きく、厚み（Ｔ_０）は幅（Ｗ_０）より小さい寸法を有し、前記圧電結晶振動子の振動部と接続部と支持部とは、粒子法によって一体に形成されていて、前記圧電結晶振動子は水晶からなる水晶振動子で、前記水晶振動子の振動部の長さと幅と厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸であるｚ軸（光軸）とｙ軸（機械軸）とｘ軸（電気軸）方向に一致させて得られるＸ板圧電水晶を、電気軸ｘ軸を回転軸として、角度θ_ｘ＝−２０°〜＋２０°回転し、更に、機械軸ｙ軸の回転後の新軸ｙ′軸を回転軸として、角度θ_ｙ＝−１０°〜＋１０°回転した圧電水晶板から前記水晶振動子は形成され、且つ、前記接続部は前記振動部のｚ″軸方向と交わる端部に接続されていて、さらに、ｘ軸の回転後の新軸であるｘ′軸に垂直な面となる振動部の上面と下面に対抗して電極が配置され、前記対抗電極は異極となる少なくとも一対の電極が配置されている幅縦圧電結晶振動子である。
【０００７】
本発明の幅縦圧電結晶振動子の第２の態様は、ｘ′軸に垂直な面となる振動部の上下面に、ｘ′軸方向の対抗電極が異極となるｎ対（ｎ＝１、３・・：奇数）、又はｍ対（ｍ：偶数）の電極が配置されていて、前記振動部の長さ（Ｌ_０）と幅（Ｗ_０）と厚み（Ｔ_０）と電極対数ｎ、又は電極対数ｍとの関係を有する、（ｎＴ_０／Ｗ_０）、又は（ｍＴ_０／Ｗ_０）が０．８５より小さく、且つ、Ｗ_０／（ｎＬ_０）、又はＷ_０／（ｍＬ_０）が０．７より小さい第１の態様に記載の幅縦圧電結晶振動子である。
【００１０】
本発明の幅縦圧電結晶振動子の第３の態様は、振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の上面と下面に対抗して少なくとも一対の電極が配置されていて、前記振動部の幅寸法に共振周波数が依存する、幅縦モードで振動する幅縦圧電結晶振動子で、前記圧電結晶振動子が水晶からなる水晶振動子のときには、前記水晶振動子を駆動する圧電定数ｅ_１２の絶対値が０．１２３〜０．１８Ｃ／ｍ^２の圧電定数を有する圧電水晶板から形成され、また、前記圧電結晶振動子がタンタル酸リチウムからなるタンタル酸リチウム振動子のときには、前記タンタル酸リチウム振動子を駆動する圧電定数ｅ_２３の絶対値が１．２２〜３．０４Ｃ／ｍ^２の圧電定数を有する圧電タンタル酸リチウム板から形成され、且つ、前記圧電結晶振動子の振動部と接続部と支持部とは粒子法によって一体に形成された形状を有する幅縦圧電結晶振動子である。
【００１１】
【作用】
このように、本発明は幅縦圧電結晶振動子で、しかも、高い電気機械変換効率を有する新カットの圧電結晶板から振動子を形成し、且つ、電極を配置することにより、電気的諸特性と周波数温度特性に優れた超小型の幅縦圧電結晶振動子が得られる。
【００１２】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。
図１は本発明の幅縦圧電結晶振動子の形成に用いる圧電結晶板、特に、圧電水晶板１のカット角とその座標系との関係である。座標系は原点Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなりＯ−ｘｙｚを構成している。まず、ｘ軸に垂直な圧電水晶板、いわゆる、Ｘ板圧電水晶を考える。このとき、Ｘ板圧電水晶の各寸法である幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０はそれぞれｙ軸、ｚ軸、及びｘ軸方向に一致している。
【００１３】
次に、このＸ板圧電水晶をｘ軸の廻りに角度θ_ｘ＝−２０°〜＋２０°回転し、更に、ｙ軸の新軸ｙ´軸の廻りに角度θ_ｙ＝−１０°〜＋１０°回転される。このとき、ｘ軸の新軸はｘ´軸に、ｚ軸は２軸の廻りに回転されるので、新軸ｚ″と成る。そして、本発明の幅縦圧電水晶振動子は前記した回転圧電水晶板から形成される。
【００１４】
（第１実施例）
図２は本発明の第１実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。幅縦圧電水晶振動子２は振動部３、接続部６と９及び、マウント部８と１１をそれぞれ含む支持部７と１０を具えて構成されている。更に、支持部７と支持部１０にはそれぞれ穴７ａと穴１０ａが設けられている。また、振動部３の上面と下面には電極４と電極５が対抗して配置され、それらの電極は異極となるように構成されている。即ち、一対の電極が配置されている。更に、電極４は一方の接続部９を介してマウント部１１にまで延在して配置されている。また、電極５は他方の接続部６を介してマウント部８にまで延在して配置されている。本実施例では、振動部３に配置された電極４と電極５は互いに異なる方向に延在してマウント部まで配置されているが、同方向に延在するように配置しても振動子として同じ特性が得られる。本実施例の振動子はマウント部８と１１が台座等に接着剤や半田によって固定される。
【００１５】
更に、振動部３は幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０の寸法を有し、幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０はそれぞれｙ´軸、ｚ″軸、及びｘ´軸方向と一致している。すなわち、ｘ´軸に垂直な面となる振動部３の上面と下面に電極４と電極５が配置されている。又、電極４に対抗する電極５は異極となるように構成されている。更に、振動部３の長さＬ_０は幅Ｗ_０より大きく、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。即ち、幅縦振動モードと長さ縦振動モードとの結合を無視できるほどに小さく、且つ、振動部の電極面積を大きくして、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦圧電水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０の比Ｗ_０／Ｌ_０は０．７より小さく、且つ、電界Ｅｘを大きくして、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦圧電水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との比Ｔ_０／Ｗ_０は０．８５より小さくすることが必要である。実際のこれらの寸法の決定は幅縦圧電水晶振動子に要求される特性によって決まる。
【００１６】
更に詳述するならば、幅縦圧電水晶振動子の共振周波数は幅寸法Ｗ_０に反比例し、他の寸法（長さ、厚み、接続部と支持部）には殆ど依存しない。それ故、幅Ｗ_０を小さくすることにより、小型で、高周波数化が図れる。また、前記した寸法の関係から単一振動モードで振動する幅縦圧電水晶振動子が得られる。
【００１７】
次に、本実施例の幅縦圧電水晶振動子を駆動するのに必要な圧電定数ｅ_１２の値について説明する。この圧電定数ｅ_１２の値が大きいほど、電気機械変換効率は高くなることを示している。角度θ_ｘ＝−２０°〜＋２０°、θ_ｙ＝−１０°〜＋１０°のとき圧電定数ｅ_１２の絶対値は０．１２３〜０．１８Ｃ／ｍ^２を有する。この値は従来のＮＳ−ＧＴカット水晶振動子を駆動する圧電定数ｅ_２１の絶対値０．１Ｃ／ｍ^２より著しく大きくなる。
【００１８】
すなわち、本実施例の幅縦圧電水晶振動子は高い電気機械変換効率を有するので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも、超小型の幅縦圧電水晶振動子を得ることができる。
【００１９】
今、図２の電極４と電極５の間に交番電圧を印加すると、電界Ｅ_ｘは図２の実線と点線の矢印で示したように厚み方向に交互に働く。その結果、振動部３は幅方向に伸縮する振動をすることになる。
【００２０】
（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例の幅縦圧電水晶振動子１２の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦圧電水晶振動子１２は振動部１３、接続部１４と２１、マウント部１６とそれに接続される支持フレーム１７，１８と１９を含む支持部１５、及びマウント部２３とそれに接続されるマウント部２０を含む支持部２２を具えて構成されている。更に、支持フレーム１７の両端部は支持フレーム１８，１９の一端部に接続され、支持フレーム１８と１９の他端部はマウント部２３に接続されている。支持部１５には穴１５ａが、支持部２２には穴２２ａが設けられている。
【００２１】
また、振動部１３の上面と下面には異極で対抗する電極２４と電極２６が配置されている。更に、電極２４は一方の接続部２１を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に一方の電極端子となる電極２５が形成される。又、電極２６は他方の接続部１４と支持フレーム１７と１９を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に他方の電極端子となる電極２７が形成される。すなわち、２電極端子を形成する。本実施例では、振動部の電極のみが対抗するように配置されている。しかし、他の部分での電極が対抗して配置されてもよく、等価直列抵抗Ｒ_１に及ぼす影響は無視できる程に小さい。
【００２２】
更に、振動部１３は幅Ｗ_０、長さＬ_０と、厚みＴ_０（図示されていない）の寸法を有し、幅Ｗ_０、長さＬ_０及び、厚みＴ_０はそれぞれｙ´軸、ｚ″軸、及びｘ´軸方向と一致している。すなわち、ｘ´軸に垂直な面となる振動部１３の上面と下面には電極２４と電極２６が配置されている。又、電極２４と電極２６は異極となるように構成されている。更に振動部１３の長さＬ_０は幅Ｗ_０より大きく、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。具体的な関係については第１実施例で述べた通りである。
【００２３】
このように幅縦圧電水晶振動子を形成することにより、振動子の強度をより強くすることができる。その結果、振動部の一端部を接着剤や半田により台座、あるいはリード線に固定できるので、量産での作業性に優れ、工数を削減することができる。すなわち、安価な幅縦圧電水晶振動子を得ることができる。同時に、衝撃に対して強い幅縦圧電水晶振動子が実現できる。更に、支持部に穴が設けられているので、幅縦モードを圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、Ｑ値の高い超小型の幅縦圧電水晶振動子が得られる。
【００２４】
尚、本実施例では、互いに異極となる電極がマウント部２０の上面に電極２５を下面に電極２７を配置しているが、マウント部２０の同一平面に異極となる電極を配置してもよく、同様に安価な振動子が得られる。この方法として、一方の電極を支持フレームの側面、あるいはマウント部の側面を介して同一平面の同極となる電極に接続される。更に、本実施例では振動部に平行に支持フレームが２本設けられているが、１本でも十分な機械的強度を有するので、一本でもよく、十分な特性が得られる。
【００２５】
（第３実施例）
図４は本発明の第３実施例の幅縦圧電水晶振動子２８の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦圧電水晶振動子２８は、振動部２９、接続部３０と３５、及び支持フレーム３１，３２と３３を含む支持部４１と支持フレーム３６とマウント部３４を含む支持部４２を具えて構成されている。更に、振動部２９は一方の接続部３０を介して支持フレーム３１に接続され、支持フレームの両端部は支持フレーム３２と３３に接続されている。更に、振動部２９は他方の接続部３５を介して支持フレーム３６に接続され、その両端部は支持フレーム３２と３３に接続されている。又、マウント部３４には穴４３が設けられている。この穴４３を設けることにより、幅縦振動を抑圧することなく容易に引き起こすことができる。
【００２６】
更に、振動部２９の上面と下面には異極で対抗する電極３７と電極３９が配置されている。そして、電極３７は一方の接続部３５を介してマウント部３４にまで延在して配置され、マウント部３４に一方の電極端子となる電極３８が形成されている。又、電極３９は他方の接続部３０と支持フレーム３１と３３を介してマウント部３４にまで延在して配置され、マウント部３４に他方の電極端子となる電極４０が形成されている。すなわち、２電極端子を形成する。本実施例以外の電極配置法としては第２実施例で述べた方法を本実施例でも含むものである。同時に、支持フレームについても同様に含むものである。
【００２７】
更に、振動部２９は幅Ｗ_０、長さＬ_０と厚みＴ_０（図示されていない）の寸法を有し、これらの寸法としてｘ´軸、ｙ´軸とｚ″軸との関係は第１実施例で述べた通りである。また振動部２９の長さＬ_０は幅Ｗ_０より大きく、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。具体的な関係については第１実施例で述べたのと同じである。更に、上記実施例の幅縦圧電水晶振動子の振動部、接続部、及び支持部は一体に形成されている。
【００２８】
このように幅縦圧電水晶振動子を形成することにより、すでに第２実施例で述べたように、量産性に優れた安価な幅縦圧電水晶振動子が得られる。同時に、衝撃に対して強い幅縦圧電水晶振動子が実現できる。更に、マウント部に穴が設けられているので、幅縦モードの振動を抑圧することなく、圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、Ｑ値の高い、しかも超小型の幅縦圧電水晶振動子が得られる。
【００２９】
図５は上記第１実施例から第３実施例の幅縦圧電水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。前記した角度θ_ｘと角度θ_ｙの選択により任意の温度で一次温度係数αが零になり、２次曲線で表すことができる。例えば、曲線４４で示されるように、頂点温度Ｔ_ｐを室温付近に設定することができる。又、曲線４５は頂点温度Ｔ_Ｐを０℃付近に設定した場合である。更に、頂点温度Ｔ_ｐは任意に設定でき、曲線４６は頂点温度Ｔ_ｐを負側に設定した場合である。上記実施例の角度θ_ｘと角度θ_ｙを有する幅縦圧電水晶振動子では、頂点温度Ｔ_ｐを約−２００℃から約＋６０℃と極めて広い温度範囲に設定することができる。頂点温度Ｔ_ｐは用いられる機器等によって決定される。
【００３０】
このように本発明の幅縦圧電水晶振動子は頂点温度を極めて広い温度範囲で任意に設定でき、且つ、周波数温度特性が２次曲線で近似できるので、広い温度範囲に亘って周波数変化の小さい、優れた周波数温度特性を有する振動子であることが理解される。
【００３１】
（第４実施例）
図６は本発明の幅縦圧電結晶振動子の形成に用いる圧電結晶板、特に、圧電タンタル酸リチウム板と圧電ニオブ酸リチウム板４７のカット角とその座標系との関係である。座標系は原点Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなりＯ−ｘｙｚを構成している。まず、ｙ軸に垂直な圧電結晶板、いわゆる、Ｙ板圧電タンタル酸リチウムとＹ板圧電ニオブ酸リチウムを考える。このとき、前記Ｙ板の各寸法である幅Ｗ_０、長さＬ_０と厚さＴ_０はそれぞれｚ軸、ｘ軸、及びｙ軸方向に一致している。
【００３２】
次に、このＹ板圧電タンタル酸リチウムとＹ板圧電ニオブ酸リチウムはｘ軸の廻りに角度φ_ｘ＝１１０°〜１５０°回転される。このとき、ｙ軸とｚ軸の新軸はそれぞれｙ´軸とｚ´軸となる。そして、本発明の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子は前記した回転圧電結晶板から形成される。
【００３３】
さらに、本発明の第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子の形状、及び電極構成などは第１実施例から第３実施例で示された図２、図３、図４と同じである。すなわち、水晶をタンタル酸リチウム、あるいはニオブ酸リチウムに置き換え、更に座標系が異なるので、水晶のｘ´軸をｙ´軸に、水晶のｙ´軸をｚ´軸に、水晶のｚ″軸をｘ軸に置き換え、更に、電界Ｅ_ｘを電界Ｅ_ｙに置き換えることによって、本発明の第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子が得られる。
【００３４】
図７は上記第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。前記した角度φ_ｘの選択により、頂点温度Ｔ_ｐを変えることができる。例えば、曲線４８で示されるように、頂点温度Ｔ_ｐは約４０℃に設定することができる。又、曲線４９ではより高い頂点温度Ｔ_ｐを設定することができ、数百度の設定も可能である。
【００３５】
このように本発明の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子は周波数温度特性が２次曲線で近似できるので、広い温度範囲に亘って周波数変化の小さい、優れた周波数温度特性を有する振動子が得られる。
【００３６】
次に、本実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子を駆動するのに必要な圧電定数ｅ_２３の値について説明する。角度φ_ｘがφ_ｘ＝１１０°〜１５０°のとき、タンタル酸リチウム振動子の圧電定数ｅ_２３の絶対値は１．３０〜２．２８Ｃ／ｍ^２とその絶対値は水晶振動子の圧電定数ｅ_１２と比べて著しく大きい。又、ニオブ酸リチウム振動子の場合、前記角度φ_ｘのとき圧電定数ｅ_２３の絶対値は１．２２〜３．０４Ｃ／ｍ^２とその絶対値はタンタル酸リチウム振動子の値と同じように大きくなる。
【００３７】
すなわち、本発明の幅縦タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子は高い電気機械変換効率を有するので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも超小型の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子が得られる。
【００３８】
（第５実施例）
図８は本発明の第５実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦圧電水晶振動子５０は、振動部５１、接続部５２と５５、及びマウント部５４と５７をそれぞれ含む支持部５３と５６を具えて構成されている。更に、支持部５３と支持部５６にはそれぞれ穴５３ａと穴５６ａが設けられている。そして、振動部５１の上面と下面にはそれぞれ複数個の電極が配置されている。又、上面、及び下面の幅方向に隣接する電極は異極となるように構成されている。且つ、上面と下面に配置された対抗電極は異極となるように構成されている。本実施例では電極５８，５９，６０と電極６１，６２，６３が配置されている。本実施例の電極配置では３次オーバートーンの幅縦圧電水晶振動子が得られる。
【００３９】
更に詳述するならば、電極５８とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極５８とそれに対抗する電極６３は異極となるように構成されている。電極５８とそれとは異極となる電極６３で一対の電極を構成している。全く同様に、電極５９とそれに隣接する電極５８と６０は異極に、更に、電極５９とそれに対抗する電極６２は異極となるように構成されている。電極５９とそれとは異極となる電極６２で一対の電極を構成している。更に電極６０とそれに隣接する電極５９は異極に、更に、電極６０とそれに対抗する電極６１は異極となるように構成されている。電極６０とそれとは異極となる電極６１で一対の電極を構成している。又、上面の電極５８と電極６０は接続電極５８ａを介して接続されている。更に、下面の電極６１と電極６３は接続電極６１ａを介して接続されている。
【００４０】
更に、上面の同極となる電極５８と６０は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、電極５９は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。更に、下面の電極６２は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、下面の同極となる電極６１と６３は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。図８から明らかなように、一方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置され、他方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置されている。
【００４１】
それ故、一方の電極５８，６０と６２は同極に、他方の電極５９，６１と６３は同極となるように配置され、それらは互いに異極となる２電極端子構造を形成している。本実施例では三対の電極を構成している。本発明の電極構成は前記実施例に限定されるものでなく、対称モードを使用する場合にはｎ対（ｎ＝５，７，９・・・）と奇数対の電極構成をも包含するものである。又、非対称モードを使用する場合にはｍ対（ｍ＝２，４，６・・・）と偶数対の電極構成をも包含するものである。
【００４２】
次に、振動部の幅Ｗ_０、長さＬ_０、厚みＴ_０と電極との関係について述べる。本実施例では、三対の電極を構成している。それ故、図５で説明した良好な周波数温度特性、及び電界Ｅ_ｘを大きくし、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦圧電水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係は３Ｔ_０／Ｗ_０が０．８５より小さくする必要がある。又、幅縦振動モードと長さ縦振動モードとの結合を無視できるほどに小さく、且つ、電極面積を大きくし、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦圧電水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／３Ｌ_０が０．７より小さくする事が必要である。
【００４３】
本実施例では三対の電極構成の場合について説明したが、ｎ対（ｎ＝５，７，９、・・・）と奇数対の電極構成ではｎ次オ−バートーンの幅縦圧電水晶振動子が得られる。この場合、前記した優れた特性を有する水晶振動子を得るには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はｎＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／ｎＬ_０が０．７より小さくする必要がある。又、ｍ対（ｍ＝２，４，６、・・・）と偶数対の電極では、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はｍＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／ｍＬ_０が０．７より小さくすることが必要である。
【００４４】
このように、本発明の幅縦圧電水晶振動子は、特に、振動部の電極の配置の仕方を工夫することにより、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、周波数温度特性に優れた超小型の高次オーバートーンの幅縦圧電水晶振動子を実現することができる。又、幅縦圧電結晶振動子の周波数はオーバートーン次数に比例するので、高周波数化が可能になる。
【００４５】
なお、本実施例で詳細に述べた電極構成は図３と図４の振動子形状にも適用できるものである。又、圧電材料として、水晶で説明をしたが、水晶をタンタル酸リチウムとニオブ酸リチウムに置き換えても電気的特性に優れた圧電結晶振動子が得られる。
【００４６】
（第６実施例）
図９は本発明の第６実施例の幅縦圧電結晶振動子の 上面図である。幅縦圧電結晶振動子６４は振動部６５、接続部６６、６７、６８、７１、７２と７３及び、マウント部７０と７５をそれぞれ含む支持部６９と７４を具えて構成されている。支持部６９には穴６９ａを、支持部７４には穴７４ａを具えている。本実施例では、振動部６５の長さ方向の両側にそれぞれ複数個の接続部６６、６７、６８と接続部７１、７２、７３が設けられている。更に、一方の接続部６６、６７と６８は支持部６９に接続され、他方の接続部７１、７２と７３は支持部７４に接続されている。前記振動子の振動部、接続部及び支持部は一体に形成されている。
【００４７】
又、幅縦圧電結晶振動子 の振動部は幅Ｗ_０ 、長さＬ_０ 、厚みＴ_０ （図示されていない）を有し、前記振動子に配置される電極は図示されていないが、第１実施例から第５実施例で述べられた電極の配置、及び構成が本振動子にも適用される。本実施例では、振動部の両側にそれぞれ３個の接続部を設けているが、さらに多くの接続部を設けてもよく、実際には、オーバートーン次数の数と同じだけ設けることができるが、実際にはより少ない接続部を設けることが好ましい。
【００４８】
このように、本発明の幅縦圧電結晶振動子は接続部を振動部の両側にそれぞれ複数個設けているので、高い周波数の厚みの薄い振動子でも耐衝撃性に強い、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い幅縦圧電結晶振動子が得られる。
【００４９】
（第７実施例）
図１０は本発明の第７実施例の幅縦圧電結晶振動子の 形状を示す上図面である。一方の幅縦圧電結晶振動子７６は、振動部９２、接続部７８と８１、及びマウント部８０と８３を含む支持部７９と支持部８２を具えて構成されている。又、他方の幅縦圧電結晶振動子７７は、振動部９３、接続部８４と８７、及びマウント部８６と８９を含む支持部８５と支持部８８を具えて構成されている。更に、この実施例の幅縦圧電結晶振動子は、２つの幅縦圧電結晶振動子７６と幅縦圧電結晶振動子７７の互いの一方のマウント部８０とマウント部８６とがフレーム９０を介して接続され、さらに、互いの他方のマウント部８３とマウント部８９とがフレーム９１を介して接続され、角度θにて、一体に形成したものである。又、角度θは通常θ ＝０°〜３０°から仕様に応じて決められるものである。以下の実施例についても同様である。
【００５０】
（第８実施例）
図１１は本発明の第８実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上図面である。この実施例では、２つの幅縦圧電結晶振動子９４と幅縦圧電結晶振動子９５の振動部９６と１０１とは、一方の支持部９９のフレーム１０４に接続部９７と１０２を介して接続され、さらに、他方の支持部１００のフレーム１０５に接続部９８と１０３を介して接続され、角度θにて、一体に形成したものである。又、支持部９９にはマウント部１０６と穴９９ａが設けられ、支持部１００にはマウント部１０７と穴１００ａが設けられている。
【００５１】
（第９実施例）
図１２には本発明の第９実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を 示す上図面である。この実施例では、２つの幅縦圧電結晶振動子１０８と幅縦圧電結晶振動子１０９とが角度θにて形成されたものである。圧電振動子１０８は振動部１１０、接続部１１２と１１５、及び、マウント部１１４とマウント部１１７を含む支持部１１３と支持部１１６を具えて構成されている。支持部１１３と１１６には穴１１３ａと１１６ａが設けられている。又、幅縦圧電結晶振動子１０９も圧電振動子１０８と同様に、振動部１１１、接続部１１８と１２１、及びマウント部１２０とマウント部１２３を含む支持部１１９と支持部１２２を具えて構成されている。
【００５２】
更に、圧電振動子１０８と圧電振動子１０９の一方のマウント部１１４と１２０とは支持フレーム１２４を介して接続され、そのフレームの両端は圧電振動子１０８と１０９を囲むように支持フレーム１２５と支持フレーム１２６に接続されている。更に、それら支持フレーム１２５と１２６の両端部はマウント部１２７に接続されている。又、他方のマウント部１１７と１２３とはマウント部１２７に接続されている。
【００５３】
（第１０実施例）
図１３は本発明の第１０実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上面図である。この実施例では、幅縦圧電結晶振動子１２８の振動部１４２は接続部１３０と１３１を介してそれぞれ支持フレーム１３８とフレーム１３２の接続されている。又、幅縦圧電結晶振動子１２９の振動部１４３は接続部１３４と１３５を介してそれぞれ支持フレーム１３８とフレーム１３６に接続 されている。即ち、両振動子の一方は支持フレーム１３８を介して接続されている。更に、支持フレーム１３８の両端部は両圧電振動子１２８と１２９を囲むように支持フレーム１３９と支持フレーム１４０に接続されている。更に、それら支持フレーム１３９と１４０の両端部はマウント部１４１に接続されている。マウント部１４１にはフレーム１３２とフレーム１３６を形成するための穴１３３と穴１３７が設けられている。そして、両振動子は角度θを有し、本実施例の形状を有する圧電結晶振動子は一体に形成されたものである。
【００５４】
第７実施例から第１０実施例の幅縦圧電結晶振動子では、２つの振動部は同じ寸法（図示されていない）を有する場合である。しかし、本発明では、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、２つの幅縦圧電結晶振動子の振動部の寸法が異なると、角度θ＝０でも両振動子は異なる温度特性を持つことになる。それ故、本発明では、振動部の寸法が異なる幅縦圧電結晶振動子を包含するものである。
【００５５】
また、第７実施例（図１０）から第１０実施例（図１３）では、電極の配置については述べられていないが、これらの実施例にも同じ様に第１実施例から第５実施例で述べられた電極の配置が適用されるものである。又、第７実施例から第１０実施例では各振動子の接続部が振動部の長さ方向の両端部にそれぞれ １個設けられているが、本発明ではそれに限定されるものではなく、各振動子の接続部が振動部の長さ方向の両端部にそれぞれ複数個設けられているものを包含するものである。
【００５６】
更に、図１０から図１３で述べられた、２つの幅縦圧電結晶振動子に角度θを持たせると、各圧電結晶振動子には異なる周波数温度特性を持たせることができる。更に、これらの圧電振動子を電気的に並列に接続することにより、幅縦圧電結晶振動子の周波数温度特性を改善することができる。同時に、等価直列抵抗Ｒ_１も 改善できる。例えば、２個の場合で同じ等価直列抵抗Ｒ_１を有する時、合成されたＲ_１は約半分になる。また図１４に、両幅縦圧電結晶振動子１４４，１４５の電気的な接続図を示す。
【００５７】
図１５に図１０から図１３で示された実施例の幅縦圧電結晶振動子、特に、水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す。一方の圧電水晶振動子が温度特性１４６を、他方の圧電水晶振動子が温度特性１４７を有する場合、電気的に並列に接続されると両圧電水晶振動子の周波数温度特性は曲線１４８のようになる。即ち、本実施例の幅縦圧電水晶振動子は、曲線１４８に示すような周波数温度特性を有することとなり、これにより、温度変化に対して周波数変化の少ない安定した特性の圧電水晶振動子とすることができる。この結果、本実施例の幅縦圧電水晶振動子は、超小型で、しかも、周波数温度特性に優れた圧電水晶振動子が実現できる。
【００５８】
図１６に図１０から図１３で示された実施例の幅縦圧電結晶振動子、特に、タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性の一例を示す。一方の振動子が温度特性１４９を、他方の振動子が温度特性１５０を有する場合、電気的に並列に接続されると両タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性は曲線１５１を有することになる。圧電水晶振動子のときと同じ様に、本実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子は、超小型で、しかも、周波数温度特性に優れたタンタル酸リチウム振動子が実現できる。
【００５９】
更に、上記実施例の幅縦圧電結晶振動子は、振動部、接続部及び支持部を具えて構成されているように複雑な形状をしている。又、本発明の幅縦圧電結晶振動子を化学的エッチング法によって加工した場合、その加工速度が極めて遅いのが実状である。それ故、本発明の幅縦圧電結晶振動子の加工は、物理的、あるいは機械的な方法を用いて行われ、前記振動子は一体に形成される。即ち、質量を有する粒子を、振動子の形状に対応させてレジストで覆った圧電結晶板に物理的、あるいは機械的方法で衝突させ、それにより圧電結晶板の原子、分子を飛散させて振動子の形状を加工するものである。ここではこの方法を粒子法と呼ぶことにする。この方法は化学的エッチング法による加工法とは異なる方法であると同時に、加工速度が極めて早いのが特長である。この粒子法によれば、外形形状の加工時間が非常に短縮されるので安価な振動子を提供することができる。この粒子法では、圧電結晶板を覆って振動子の形状を削り残すレジストに弾性を有するものを用いて、粒子によるレジストの摩耗を防止しており、弾性を有するレジストとしては、例えばブラスト加工用の樹脂系レジストが知られている。また、この粒子法では、加工用粒子として、例えばラッピング用のＧＣ＃１０００〜＃６０００の粒子を用いることが好ましい。
【００６０】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものではなく、例えば、上記第７実施例から第１０実施例における幅縦圧電結晶振動子では、互いに特性が異なる二種類の圧電振動子を一体に結合して形成しているが、一体接合する幅縦圧電結晶振動子の種類は三種類以上であっても良い。また、幅縦圧電結晶振動子には横効果型と縦効果型の二種類の振動子が存在する。本発明の幅縦圧電結晶振動子は横効果型の振動子である。即ち、電界方向（厚み方向）に対して垂直方向（幅方向）に振動する振動子で、その共振周波数が振動子を駆動する圧電定数に依存しない振動子である。これに対して、縦効果型の幅縦圧電結晶振動子は、その共振周波数が振動子を駆動する圧電定数に依存する振動子で、例えば、ＫＴカット幅縦圧電水晶振動子がこれに属する。本発明の幅縦圧電結晶振動子は前記振動子とは異なる振動子である。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の振動子形状と電極及びカット角とを有する幅縦圧電結晶振動子を提供することにより、次の如き著しい効果が得られる。
（１） 幅縦圧電結晶振動子を駆動する圧電定数が非常に大きいので、電気機械変換効率が良くなる。その結果、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも超小型の幅縦圧電結晶振動子を得ることができる。
（２） 振動部の対抗面に互いに異極となる電極が配置されることにより、電界が電極に対して垂直に働く。その結果、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦圧電結晶振動子が得られる。同時に、品質係数Ｑ値が高くなる。
（３） 振動部に複数対の電極が配置されているので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、高周波数の幅縦圧電結晶振動子が実現できる。
（４） ２個の幅縦圧電結晶振動子を粒子法によって一体に形成でき、小型で周波数温度特性に優れた水晶振動子とタンタル酸リチウム振動子が実現できる。
（５） カット角の選択により頂点温度Ｔ_ｐを変えることができる。
（６） 幅縦圧電結晶振動子を粒子法によって形成できるので、量産性に優れ、１枚のウエハ上に多数個の振動子を一度にバッチ処理にて形成できるので、安価な圧電結晶振動子が実現できる。
（７） 本発明の幅縦圧電結晶振動子は振動部、接続部及び支持部を具えて構成されるので、台座等への支持による振動エネルギー損失が小さくなり、耐衝撃性に優れた圧電結晶振動子が得られる。
（８） 複数個の幅縦圧電結晶振動子を一体に形成し、更に、電気的に並列に接続されるので、等価直列抵抗Ｒ_１が小さくなる。例えば、２個の場合で同じ等価直列抵抗Ｒ_１を有する時、本発明の振動子では約半分の等価直列抵抗Ｒ_１になる。それ故、一体結合する振動子の個数を増やすことができ、これにより、更に等価直列抵抗Ｒ_１を小さくすることができる。
（９） 複数個の幅縦圧電結晶振動子を一体に形成し、更に、電気的に並列に接続されるので、何らかの理由でそれら振動子のうちの１個が破損しても、振動子としての機能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の幅縦圧電結晶振動子の形成に用いる圧電結晶板、特に、圧電水晶板のカット角とその座標系との関係である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図及び側面図並びに第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子の上面図及び側面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図及び下面図並びに第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子の上面図及び下面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図及び下面図並びに第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子と幅縦圧電ニオブ酸リチウム振動子の上面図及び下面図である。
【図５】上記第１実施例から第３実施例の幅縦圧電水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。
【図６】本発明の幅縦圧電結晶振動子の形成に用いる圧電結晶板、特に、タンタル酸リチウム板とニオブ酸リチウム板のカット角とその座標系との関係である。
【図７】上記第４実施例の幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５実施例の幅縦圧電水晶振動子の上面図及び下面図である。
【図９】本発明の第６実施例の幅縦圧電結晶振動子の上面図である。
【図１０】本発明の第７実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上面図である。
【図１１】本発明の第８実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上面図である。
【図１２】本発明の第９実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上面図である。
【図１３】本発明の第１０実施例の幅縦圧電結晶振動子の形状を示す上面図である。
【図１４】図１０から図１３の幅縦圧電結晶振動子の電気的な接続図である。
【図１５】図１０から図１３で示された実施例の幅縦圧電結晶振動子、特に、水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す。
【図１６】図１０から図１３で示された実施例の幅縦圧電結晶振動子、特に、タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性の一例を示す。
【図１７】ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子の上面図である。
【図１８】ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子の側面図である。
【符号の説明】
Ｏ 原点
ｘ 電気軸
ｙ 機械軸
ｚ 光軸
ｘ′ ｘ軸の新軸
ｙ′ ｙ軸の新軸
ｚ′，ｚ″ ｚ軸の新軸
１ 圧電水晶板
Ｗ，Ｗ_０ 振動部の幅
Ｌ，Ｌ_０ 振動部の長さ
Ｔ，Ｔ_０ 振動部の厚み
θ_ｘ， θ_ｙ，φ_ｘ， θ 角度
２，１２，２８，５０ 幅縦圧電水晶振動子
６４，７６，７７，９４，９５，１０８，１０９，１２８，１２９，１４４，１４５ 幅縦圧電結晶振動子
３，１３，２９，５１，６５，９２，９３，９６，１０１，１１０，１１１，１４２，１４３，２０１ 振動部
６，９，１４，２１，３０，３５，５２，５５，６６，６７，６８，７１，７２，７３，７８，８１，８４，８７，９７，９８，１０２，１０３，１１２，１１５，１１８，１２１，１３０，１３１，１３４，１３５，２０３，２０６ 接続部
８，１１，１６，２０，２３，３４，５４，５７，７０，７５，８０，８３，８６，８９，１０６，１０７，１１４，１１７，１２０，１２３，１２７，１４１，２０５，２０８ マウント部
７，１０，１５，２２，４１，４２，５３，５６，６９，７４，７９，８２，８５，８８，９９，１００，１１３，１１６，１１９，１２２，２０４，２０７ 支持部
４，５，２４，２５，２６，２７，３７，３８，３９，４０，５８，５９，６０，６１，６２，６３，２０２，２１１ 電極
５８ａ，６１ａ 接続電極
ｅ_１２，ｅ_２１，ｅ_２３ 圧電定数
Ｒ_１ 等価直列抵抗
Ｑ 品質係数
Ｅ_ｘ，Ｅ_ｙ 電界
１７，１８，１９，３１，３２，３３，３６，１２４，１２５，１２６，１３８，１３９，１４０
支持フレーム
９０，９１，１０４，１０５，１３２，１３６ フレーム
７ａ，１０ａ，１５ａ，２２ａ，４３，５３ａ，５６ａ，６９ａ，７４ａ，９９ａ，１００ａ，１１３ａ，１１６ａ，１１９ａ，１２２ａ，１３３，１３７，２０９，２１０ 穴
４４，４５，４６，４８，４９ 曲線
Ｔ_ｐ 頂点温度
４７ 圧電タンタル酸リチウムあるいは圧電ニオブ酸リチウム
１４６，１４７ 幅縦圧電水晶振動子の周波数温度特性
１４８，１５１ 補正された周波数温度特性
１４９，１５０ 幅縦圧電タンタル酸リチウム振動子の周波数温度特性
２００ 水晶振動子

Claims (3)

1. 振動部と接続部と支持部とを具えて構成される幅縦圧電結晶振動子で、前記振動部の長さ（Ｌ _０ ）は幅（Ｗ _０ ）より大きく、厚み（Ｔ _０ ）は幅（Ｗ _０ ）より小さい寸法を有し、前記圧電結晶振動子の振動部と接続部と支持部とは、粒子法によって一体に形成されていて、前記圧電結晶振動子は水晶からなる水晶振動子で、前記水晶振動子の振動部の長さと幅と厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸であるｚ軸（光軸）とｙ軸（機械軸）とｘ軸（電気軸）方向に一致させて得られるＸ板圧電水晶を、電気軸ｘ軸を回転軸として、角度θ _ｘ ＝−２０°〜＋２０°回転し、更に、機械軸ｙ軸の回転後の新軸ｙ′軸を回転軸として、角度θ _ｖ ＝−１０°〜＋１０°回転した圧電水晶板から前記水晶振動子は形成され、且つ、前記接続部は前記振動部のｚ″軸方向と交わる端部に接続されていて、さらに、ｘ軸の回転後の新軸であるｘ′軸に垂直な面となる振動部の上面と下面に対抗して電極が配置され、前記対抗電極は異極となる少なくとも一対の電極が配置されていることを特徴とする幅縦圧電結晶振動子。
2. ｘ′軸に垂直な面となる振動部の上下面に、ｘ′軸方向の対抗電極が異極となるｎ対（ｎ＝１、３・・：奇数）、又はｍ対（ｍ：偶数）の電極が配置されていて、前記振動部の長さ（Ｌ _０ ）と幅（Ｗ _０ ）と厚み（Ｔ _０ ）と電極対数ｎ、又は電極対数ｍとの関係を有する、（ｎＴ _０ ／Ｗ _０ ）、又は（ｍＴ _０ ／Ｗ _０ ）が０．８５より小さく、且つ、Ｗ _０ ／（ｎＬ _０ ）、又はＷ _０ ／（ｍＬ _０ ）が０．７より小さいことを特徴とする請求項１に記載の幅縦圧電結晶振動子。
3. 振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の上面と下面に対抗して少なくとも一対の電極が配置されていて、前記振動部の幅寸法に共振周波数が依存する、幅縦モードで振動する幅縦圧電結晶振動子で、前記圧電結晶振動子が水晶からなる水晶振動子のときには、前記水晶振動子を駆動する圧電定数ｅ _１２ の絶対値が０．１２３〜０．１８Ｃ／ｍ^２の圧電定数を有する圧電水晶板から形成され、また、前記圧電結晶振動子がタンタル酸リチウムからなるタンタル酸リチウム振動子のときには、前記タンタル酸リチウム振動子を駆動する圧電定数ｅ _２３ の絶対値が１．２２〜３．０４Ｃ／ｍ^２の圧電定数を有する圧電タンタル酸リチウム板から形成され、且つ、前記圧電結晶振動子の振動部と接続部と支持部とは粒子法によって一体に形成された形状を有することを特徴とする幅縦圧電結晶振動子。

Images