JP4712430B2 - ラーメモード水晶振動子 - Google Patents

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、低ＣＩ値化の要求を満足する振動部の耐衝撃性を向上する支持方法に関するものである。

ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。

ラーメモード振動子は数十μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、振動の節を保持することが一般的である。図１０に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続しパッケージに組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。

上述のように、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すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には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しているのが現状である。
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 なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

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、全体的に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、主面の形状が長方形で、圧電素板の主面における長辺の長さと短辺の長さとの比率が、短辺の長さを１とした場合に、長辺の長さが２以上の整数となっている圧電素板と、前記圧電素板の外側に、前記圧電素板と同一平面上に前記圧電素板から所定の間隔を空けて設けられている接続部と、前記圧電素板の角部及び側面から外側に延びて前記接続部と繋がる支持部とが、一体で構成されており、前記圧電素板には、一辺の長さを前記圧電素板の短辺の長さとする正方形の振動部が、前記圧電素板の長辺方向に複数並んで備わっており、前記圧電素板に電荷を加えた場合に、それぞれの前記振動部の角部を節部としたラーメモードの振動が生じるラーメモード水晶振動子において、前記支持部は、前記圧電素板の角部及び側面の前記節部に対応する箇所のすべてに設けられており、前記支持部と前記圧電素板との境界部分、又は前記支持部と前記接続部との境界部分のどちらか一方、又は両方の前記支持部の幅が、前記支持部の前記境界部分以外の幅よりも細い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は、ラーメモード振動子は数１０μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、振動の節を保持することが一般的であるが、支持部に対する強度が不足していることから、特に複数次のラーメモード振動子においては、従来２点または４点のアームで振動子を支持していたことに対し、更に振動の節となる中心部付近の各最低次数で振動するラーメモード振動子の頂点となる部分を支持することにより、支持点数を増やし耐衝撃性を向上した剛性を持った支持形態のラーメモード振動子を得ることに加えて、ラーメモード振動子の支持部の少なくとも一部を細くする箇所としては、ラーメモード振動子の振動部と接続部との境界部分、および／または振動子の振動部との境界部分と接続部との境界部分にすることで最も効率良い支持を得ることができる。

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高次モードの振動子の場合において、圧電素板の無振動部である節部、および／または節部側面あるいは角部での支持の少なくとも一部を細くする箇所を増やすることにより、低周波の振動モードでありながら、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る。なお本発明により、従来の支持方法と比較して耐衝撃性と落下強度を向上し、ラーメモード振動子の接続部との境界部分、および／または振動子の振動部との境界部分と接続部との境界部分だけを細くすることにより、前述する強度を確保しながらラーメモード振動子の振動部から接続部への振動の漏れを低減することで、電気的特性を改善することができた。

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。

ここでは、水晶材料を用いたラーメモード振動子はＬＱ２Ｔカット板で切り出された水晶材料を用い、ラーメモード振動子は振動部４とそれを支持する支持部および端子電極と接続する接続部とが一体で形成され、支持部はラーメモード振動の節となる部分に設けることでＱ値の低下を減少させ等価直列抵抗値を低減させている。また、支持部の形状は幅が狭いほど、特に振動部４との境界部分の断面積が小さいほど電気的特性が改善されるものである。

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。そして図２にはその振動モードの模式図を示している。

一方、図３の（ａ）〜（ｂ）には高次の振動モードを実現するための模式図を描画したものである。図３（ａ）は辺比が１：２、図３（ｂ）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。そしてその振動モードの模式図をそれぞれ図４と図５に示している。

本発明では、上述の高次の振動モードを支持するときに、従来では振動子の角部だけを支持していたものを振動子の無振動部全てを保持することに特徴をもたせたものである。その支持形態の一例としては、図６に示すように、振動子の無振動部である節部（各最低次数で振動するラーメモード振動子の頂点となる部分）は圧電素板１を基板にし、基板の振動部４の側面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）を満たす矩形状の圧電素板１であって、前記矩形状の圧電素板１の一辺をＬとしたとき、もう一辺がＬの倍数の寸法関係にあることを特徴とする。

本発明の他の支持形態については図７（ａ）、図７（ｂ）に示すような支持形態が考えられ、各々の支持部２については、図６を基本として考えられたもので、図７（ａ）については図面の縦方向である高次に配列する方向の一部の接続部３を欠いたものであり、図７（ｂ）については、図面の横方向の接続部３の一部を欠いたものである。なお、図７に図示する範囲での接続部３の組み合わせ構成であって同様の効果を奏するのは言うまでも無い。

図８と図９に示す図は本発明の特徴で支持部の形状である。図８はラーメモード振動子の角部で支持する場合であり図６に示す丸部Ａを拡大したもので、図９はラーメモード振動子の節部で支持する場合を示した図６の丸部Ｂを拡大したものである。矩形状の圧電素板の無振動部である節部、および／または節部側面あるいは前記圧電素板の角部で支持し、その支持部の少なくとも一部を細くしたことを描画した一例である。支持部の幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）はラーメモード振動子の発振周波数により決定される設計値であるが、本発明では従来の寸法に対して支持部の少なくとも一部を細くしたものである。

図８（ａ）はラーメモード振動子の角部で支持する場合の例で、振動部４との境界部分のみの幅を狭くした支持構造を示し、図８（ｂ）は振動部４との境界部分と接続部との境界部分との幅を狭くした支持構造を示したものである。

同様にラーメモードの節で支持する場合の一例として図９（ａ）〜図（ｄ）に描画するものである。図８と同じように、振動部４との境界部分のみの幅を狭くした支持構造と、振動部４との境界部分と接続部との境界部分との幅を狭くした支持構造の２つのパターンがあるが、その具体的な形態を図９に示している。勿論上記に示す支持部形状を組合た形態であったも構わない。
なお、振動部４との境界部分の幅を狭くする形状としては、図示する一例として鋭角に切り込みを入れる形状だけでなく、各種形状であっても同様の効果を奏することは言うまでもない。また、上述する記載の中で境界部分とは、振動部と支持部あるいは、支持部と接続部を意味する。

なお、図１０に示す従来の支持形態の一例では、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振動の節となっている正方形の四隅に支持部２を設けており、その関係で、振動部４と支持部２及び接続部３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てしまう。

それにより支持部２の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部２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２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ことを付記する。

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モードである。 ラーメモード水晶振動子の高次モードを説明する平面図である。 図３に示す高次のモードで２次モードを示す模式図である。 図３に示す高次のモードで３次モードを示す模式図である。 本発明の支持形態の一例を示す平面図である。 本発明の他の支持形態を示す平面図である。 本発明の支持部要部で、ラーメモードの角部を支持する場合の一例を示す平面図である。 本発明の支持部要部で、ラーメモードの節部を支持する場合の一例を示す平面図である。 従来例としたラーメモード水晶振動子の支持形態の概念図を示す平面図である。

符号の説明

１ 圧電素板
２ 支持部
３ 接続部
４ 振動部

Claims (1)

1. 主面の形状が長方形で、圧電素板の主面における長辺の長さと短辺の長さとの比率が、短辺の長さを１とした場合に、長辺の長さが２以上の整数となっている圧電素板と、
   前記圧電素板の外側に、前記圧電素板と同一平面上に前記圧電素板から所定の間隔を空けて設けられている接続部と、
   前記圧電素板の角部及び側面から外側に延びて前記接続部と繋がる支持部とが、
   一体で構成されており、
   前記圧電素板には、一辺の長さを前記圧電素板の短辺の長さとする正方形の振動部が、前記圧電素板の長辺方向に複数並んで備わっており、
   前記圧電素板に電荷を加えた場合に、それぞれの前記振動部の角部を節部としたラーメモードの振動が生じるラーメモード水晶振動子において、
   前記支持部は、前記圧電素板の角部及び側面の前記節部に対応する箇所のすべてに設けられており、
   前記支持部と前記圧電素板との境界部分、又は前記支持部と前記接続部との境界部分のどちらか一方、又は両方の前記支持部の幅が、前記支持部の前記境界部分以外の幅よりも細いことを特徴とするラーメモード水晶振動子。

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