JPH02260710A - 縦水晶振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周波数が１ＭＨｚ前後と中周波数を有する縦
水晶振動子に関する。特に、その振動子形状カット角、
励振電極と支持固定方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、振動モレが非常に少なく、Ｒ１の小さい、小
型縦水晶振動子を堤供することにある。

水晶は物理的、および化学的に大変に安定した物質であ
り、従って、これから形成されるいわゆる水晶振動子は
損失抵抗の小さい、高いＱ値を持った振動子を得ること
ができる。しかしながら、このように優れた特性が得ら
れるのは、振動モレの小さい振動子形状の設計がなされ
て初めて得られるのである０本発明では振動部と支持部
がエツチング法によって一体に形成された縦水晶振動子
の支持部の形状を工夫、改善すること幌より、振動部の
エネルギーを振動部内部に閉じ込めることができる。そ
の結果、損失抵抗Ｒ１の小さい、且つ、Ｑ値の高い縦水
晶振動子を得ることができる。更に、励振電極の配置方
法を工夫、改善することにより、さらにＲ１の低くなる
振動子になる。又、本発明は零温度係数を与えるカット
角と振動子の支持固定方法を提供することにある。

〔従来の技術〕

振動部と支持部をエツチング法によって一体に形成され
た従来の縦水晶振動子は支持部のフレームの幅が一様、
且つ、同一方向に形成され、その端部でマウントされる
ため、振動部のエネルギーがマウント部まで伝わり、振
動モレの原因となっていた。そのために、損失抵抗Ｒ１
の小さい縦水晶振動子を得ることができなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

このために、ＩＣの増幅度を高める等して対応してきた
が消費電流が多くなる等の欠点があり、ひどい時には、
機器に配置したときに振動モレが大きく、発振停止する
という大きな問題が生じていた。そこで、本発明はこの
振動モレの非常に小さい縦水晶振動子を提案するもので
ある。即ち、振動モレの非常に小さい形状を提供するも
のである。同時に、本発明の縦水晶振動子形状は従来の
ものと比較して複雑な形状をしているが、本形状の振動
子についても零温度係数を与えるカット角を提供するも
のである。更に、本発明では励振効率の高い電極配置を
提供するものである。且つ、製造方法の簡単な支持固定
方法をも提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の構成は振動部と支持部をエツチング法で一体に
形成し、振動部のエツチング面がほぼＸ軸と垂直になり
前記エツチング面に励振電極が配置されると同時にフレ
ーム上の電極に接続され、更に２本のリード線とマウン
ト部で支持固定と電気的接続を兼ね、また振動部の厚み
Ｔと長さしの比（’ｒ／ｌ、、　）が０．０２５〜０．
２１（７）振動子でｚ仮をＸ軸を回転軸として一２度〜
＋４度回転した板より形成され振動部はプリフジ部を介
して屈曲部に接続されると同時に、その両端部を介して
全体として穴部が形成された形状の接続部によりフレー
ムに接続されている縦水晶振動子である。

（作用〕 第２図は本発明の縦水晶振動子の原理を説明するための
簡略化した平面図である。第２図において、振動子１は
振動部２と支持部３から成り、支持部３は両端支持とい
う境界条件で固定されていると考えることができる。又
、振動部２は長さＬｌ、幅Ｗｌ、厚みＴで表し、支持部
３は長さＬ２、幅Ｗ２で表すと、今、振動子ｌの振動部
２は矢印Ａで示したように、伸びの変位をすると支持部
３の屈曲部は当然矢印Ｂで示すごとく内側に曲げのモー
ドを発生する。ここでは屈曲モードを起こす部分を屈曲
部５で示す、逆に、振動部２が縮めば支持部３の屈曲部
５は外側に曲げのモードを発生する。即ち、本発明では
振動部２の幅方向の変位を支持部３の屈曲モードに変換
することによって、その振動の自由度を抑圧しないよう
にしている。

そして、実際には振動を抑圧しない寸法がある。

この形状寸法は振動部２のひずみエネルギーによって決
まる。すなわち、振動部２のひずみエネルギーをＵｌ、
屈曲部のひずみエネルギーをＵ２とすると、Ｕ、、Ｕｌ
は次式で表される。

但し、応力Ｔｔ、ひずみｓ３、ヤング率Ｅ１断面２次モ
ーメントＩ、変位ひ、体積Ｖ、、Ｖ、、座標Ｘを示す、
又、縦水晶振動子の振動を抑圧しない関係は式（１）、
　（２１より、次の関係が成り立つ。

Ｌｌ、　＞Ｕ、　　　　　　　　　　　　　−・−・−
（３）これより、屈曲部５の寸法ｔ、Ｘ、Ｗよが決定さ
れる０例えば、本発明の周波数ＩＭＨｚのときの振動部
の寸法は長さＬ＋　＝２．６　ｔｍ、Ｗ＋　＝８０μｍ
、Ｔ−１６０μｍのとき、支持部の屈曲部の寸法比Ｗ　
宜／Ｌｘは０．１６以下であれば良い、このように寸法
を決めることにより、損失抵抗の小さい、且つ、高いＱ
値を持つ縦水晶振動子を得ることができる０次に、振動
モレについて述べる。第２図の簡略化した図から分かる
ように、振動部２の振動エネルギーは支持部３ヘブリッ
ジ部４を介して伝達する。従って、支持部３でのエネル
ギー損失を小さくすればよい訳で、支持部３のモードは
屈曲モードに変換されるから、両端支持部の質量が実質
的に無限に大きければ、支持部３の屈曲部５のエネルギ
ーはマウント部８までモレないこ゛とになる。換言する
ならば、本発明は振動部２から伝わる支持部３の屈曲モ
ードに変換する形状、即ち、幅Ｗ、と長さし、の比Ｗ　
！　／　Ｌ　ｚを選択することにより、振動部の振動を
自由にし、且つ、屈曲モードする部分と接続する両端支
持の境界条件を持つ支持部の質量を無限に大きくするこ
とによって、本発明の目的を達成するものである０次に
、周波数温度特性について述べる。第２図で長さし、が
厚みＴと輻Ｗ１に対して非常に大きいときには従来の細
棒の縦水晶振動子と同じになり、そのときの共振周波数
ｆ１に次式で表される。

イアンス定数、ｍは振動の次数である。しかしながら、
本発明のようにＬｌとＴはＷｌより非常に大きく、且つ
、Ｌ、とＴがあまり差 （Ｔ／Ｌ、−０，０２５〜０．２１）がないときには、
長さ方向の振動と厚みＴ方向の振動が結合する。それ故
、結合したときの周波数をｆとすると次式で但し、ｆ８
は厚みＴによって決まる周波数である。又、ｋｍは結合
係数である。従って、式（５）を使って、寸法とカント
角に対する周波数温度係数との関係が算出される。これ
より零温度係数を与えるカフ）角が得られる。実験と計
算では、第２図のｘ、　ｙ、　　ｚ座標に対して、振動
子がＺ軸に垂直に位置しくＺ板）、Ｘ軸まわりの回転角
（反時計方向を正）をθとすルト、’ｒ／Ｌ、　〜０．
０２５〜０゜２１のとき、カット角θはθ−−２度〜４
度の範囲で、周波数と温度との関係における頂点温度’
ｒｐは常温付近（１５℃〜３０℃）を示す０次に、損失
抵抗Ｒ１が小さくなる励振電極について述べる。第１図
の縦水晶振動子は座標系から分かるようにＹ軸方向に変
位する。従って、Ｙ軸方向にひずみが多く発生する電界
印加方式を考えればよい。即ち、水晶の圧電性からＸ軸
、Ｙ軸、Ｘ軸方向の電気偏極をＰｘ、Ｐｙ、Ｐｚとする
と Ｐ　Ｘ　＝　ｔ　ＩＩ　ｅ、、＋　ｇ　＋ｚｅｙｙ＋　
ｔ　１４”ｖｌｌＰｙ”ｇｚＳｅｚｗ＋εｔｈ　ｅ　Ｉ
Ｉｙ　　　　　　　−−（６１Ｐｚ＝０ 但し、ε１１＋　　”＋！＋　　εｌｔ＋　　ε！Ｓ＋
　　”Ｒｈは圧電定数、ｅＸＸ＋　　ｅＹｒ＋　　ｅＦ
ｇ＋　　ｅｍｌｌｆ　　ｅＸＦはひずみを表す０式（６
）から明らかなように、Ｙ軸方向に変位を起こさせるに
は式（６）の第１式を満足するように電界を印加すれば
よい。

即ち、Ｘ軸方向に電界が印加されればよい。換言するな
らば、Ｘ軸にほとんど垂直な面（垂直電界）に電極を配
置すればよい０本発明の縦水晶振動子は複雑な形状をし
ているので、化学的エツチングによって形成される。そ
れ故、励振電極はエツチング面に形成される０次に、振
動子のマウント方法について述べる。第１図の振動部２
に配置された励振電極９．１０はフレーム６の電極１１
．１２に接続され、さらにマウント部８まで同一平面上
に伸びて配置されている。従って、振動子１はマウント
部８で２本のリード！１３．１４で半田あるいは接着剤
等によってマウントされ、同時に電気的導通をも兼ねて
いる。このように、同一平面に異極となる電極を配置し
、同時に２本のリード線で支持固定、且つ、電気的接続
を兼ねるので作業性に優れ、安価な振動子が可能となる
。

このように、本発明の振動子は振動部と支持部から構成
され、エツチング法によって形成し、特に、支持部の゛
形状寸法を改善することにより、損失抵抗Ｒ１の小さい
、且つ、高いＱ値を有する縦水晶振動子を得ることがで
きる。同時に、支持部の振動モードを解析することによ
り、振動モレの小さい縦水晶振動子が得られる。更に、
Ｘ軸にほぼ垂直な面に励振電極を設けているので、電界
効率が良く、損失抵抗Ｒ１の小さい振動子となる。

また、励振電極はマウント部の同一平面上に設け、リー
ド線で同一平面上で支持固定と電気的接続を兼ねている
ので作業性が極めてより振動子である。

さらに、板厚と振動部の長さとの比とカット角の組み合
わせにより、零温度係数を与えるので、本発明の縦水晶
振動子は周波数温度特性にも優れている振動子である。

〔実施例〕

次に、本発明にて得られた結果を具体的に述べる。第１
図は本発明の縦水晶振動子の一実施例で振動子１は振動
部２と支持部３からブリッジ部４を介して構成され、エ
ツチング法によって一体に形成されている。尚、支持部
３は屈曲部５、穴７、フレーム６とマウント部８から成
り、フレーム６の上には電極１１．１２が配置されてい
る。振動部２には励振電極９，１０がＸ軸とほぼ垂直に
なるようにエツチング面に設けられている。この励振電
極９と１０はフレーム上の電極１２と１１に各々接続さ
れ、マウント部８で同一平面上に異極となるように配置
されている。そして、各電極はステム１５のガラス１６
を貫通するリード線１３と１４に半田あるいは接着剤等
によって、支持固定と電気的接続を兼ねている。従って
、リード線１３と１４に交番電圧を印加することによっ
て、振動部２は長手方向に伸縮運動をするが、それと同
時にその垂直方向、即ち、ブリッジ部４の方向にも同様
の振動をする。このときに、まず、振動部２の長手方向
の振動を自由に励振するには、ブリッジ部４の方向の振
動を十分に自由にすることが大切で、そのために、本発
明では支持部３の屈曲部５が十分に自由に振動できるよ
うに、穴７が設けられている。又、屈曲部５の長さしと
幅Ｗ（図示されてない）の比によって、例えば、周波数
が約ＩＭＨｚの場合、辺比Ｗ／Ｌが０゜１６以下°であ
れば長手方向の振動の抑圧を十分に小さくすることがで
き、実用できるＲ１値を持つ縦水晶振動子が得られる０
次に、振動モレについて述べると、振動子１は振動部２
からブリッジ部４を介して屈曲部５へと一体にエツチン
グ法によって形成され、屈曲部５の振動を十分に自由に
させるために穴７が設けられている。

更に、穴フの両端部はフレーム６に接続され、マウント
部８まで延びている。それ故、振動部２のブリッジ部４
の方向の振動は屈曲モードに変換され、且つ、穴７の両
端部を介してフレーム６に接続、マウント部８まで延び
ているので、振動部のエネルギーはフレーム６まで伝わ
らず、マウント部８で支持固定しても全（振動モレのな
い縦水晶振動子が得られる。更に、本発明の振動子は零
温度係数を得るために辺比Ｔ／Ｌ、　＝０．０２５〜０
゜２１で、カット角θは一２度〜＋４度の板から形成さ
れている。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は振動部と支持部をエツチン
グ法によって一体に形成する縦水晶振動子に於いて、新
形状の縦水晶振動子を堤案することにより、次の著しい
効果を有する。

■支持部の形状寸法を工夫・改善することにより、振動
部の振動を抑圧せず、自由にさせることができるので、
損失抵抗Ｒ１が小さ（なる。

■屈曲部とフレームの間に穴を設けているので、振動部
の振動を自由にさせることができると同時に、屈曲部の
エネルギーはフレームに伝わらないので、振動モレがな
くなり、マウント部で固定しても、損失抵抗Ｒ１の小さ
い振動子が得られる。

■励振電極はＸ軸とほぼ垂直な面に設けられているので
、電界効率が良（、小さいＲ１を得ることができる。

■振動部の厚みと長さの比とカット角を組み合わせるこ
とにより、零温度係数が得られるので、周波数温度特性
に優れた振動子である。

０片側でマウントするので、製造が容易、且つ、小型化
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の縦水晶振動子の形状、励振電極と支持
固定方法の一実施例を示す平面図である。 第２図は本発明の縦水晶振動子の原理を説明するための
簡略化した平面図である。 ・振動子 ・振動部 ・支持部 ・ブリッジ部 ・屈曲部 ６・・・フレーム ７・・・穴 ８・・・マウント部 ９．１０・・・励振電極 １１、１２・・・電極 １３、　１４・　・　・リード線 Ｉ５・・・・・ステム １６・・・・・ガラス Ｌ、　　Ｌｌ　　・・・屈曲部の長さ Ｗ、　Ｗ、　・・・屈曲部の幅 Ｌｌ　・・・・・振動部の長さ Ｗｌ　・・・・・振動部の幅 Ｔ・・・・・・厚み ｘ、ｙ、ｚ・・・電気軸、４！！械軸 光軸 出願人　セイコー電子部品株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動部と支持部をエッチング法で一体に形成し、振動
   部のエッチング面がほぼＸ軸と垂直になり前記エッチン
   グ面に励振電極が配置されると同時にフレーム上の電極
   に接続され、更に２本のリード線とマウント部で支持固
   定と電気的接続を兼ね、また振動部の厚みＴと長さＬ＿
   １の比（Ｔ／Ｌ＿１）が０．０２５〜０．２１の振動子
   でＺ板をＸ軸を回転軸として−２度〜＋４度回転した板
   より形成され振動部はブリッジ部を介して屈曲部に接続
   されると同時に、その両端部を介して全体として穴部が
   形成された形状の接続部によりフレームに接続されてい
   ることを特徴とする縦水晶振動子。