JPH0514442B2

JPH0514442B2 -

Info

Publication number: JPH0514442B2
Application number: JP58022221A
Authority: JP
Inventors: Heruman Jan; Burujowa Kuroodo
Original assignee: SANTORU EREKUTORONIKU ORUROJE SA
Current assignee: SANTORU EREKUTORONIKU ORUROJE SA
Priority date: 1982-02-16
Filing date: 1983-02-15
Publication date: 1993-02-25
Also published as: DE3360445D1; CA1190313A; US4450378A; FR2521782B1; JPS58161410A; FR2521782A1; EP0086739B1; EP0086739A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の関連する技術分野本発明はZTカツトの水晶サブストレートの中
に形成されたクランプ固定された振動子に関す
る。

従来の技術本発明の関連するZTカツト圧電振動子は、米
国特許第4313071号明細書に記載されている。こ
の振動子は、その長さ、幅、厚さが各々X′軸、
Y′軸、Z′軸に沿つて配向された矩形の水晶板から
形成される。Z′軸は、水晶の電気軸Ｘおよび光軸
Ｚを含む面の中にあり、Ｚ軸と角度φ（16°＜φ＜
36°）をなしており、Y′軸は水晶の機械軸Ｙと角
度θ（10°＜θ＜30°）をなしている。この形式の
振動子は１つの輪郭振動モードにおいて振動子、
優れた温度特性を有する。殊に、１次温度係数は
零であり、水晶板の辺比ｗ／１に大して影響され
ない。またより高い次数の温度係数は非常に小さ
い。従来この形式の振動子は中性点に固定された
懸吊線を用いてケースに装着しなければならなか
つた。このような構造は繊細で、耐衝撃性が限定
され、且つ製造コストが高くなる。

その他のカツトの水晶も市販されており、その
中ではGTカツトの水晶が最も優れた温度特性を
有している。GTカツト振動子は薄い矩形の板か
ら成り、一定の輪郭振動モードで振動する。この
形式の組立てが簡単になるように構成された振動
子が、第34回“Annual Freqency Control
Symposiumu，USA ERADcOM，Ft.
Monmouth，NJ07703”（1980年５月において、）
“New frequency temperature characteristics
of miniaturized GT−cut quarz resonators（小
型化されたGTカツト水晶振動子の新たな周波数
−温度特性）”という主題で発表されている。こ
の振動子は、１枚の薄い矩形の板から成り、この
板の両側に支持部が予め構成されている。この支
持部は複雑であり、GTカツト水晶の温度特性
に、悪影響を与えている。要するに、温度特性が
板の辺比ならびに支持部の寸法に大きく依存す
る。これらの寸法は非常に小さいので（典型例と
して、支持部の幅が80μm）、必然的に製造許容偏
差も厳密になり、個々の振動子の温度特性を各々
に調整しなければならず、これにより製造コスト
が高くなる。

発明の目的本発明の目的は、広い温度範囲に亙つて優れた
温度特性を有し、且つ耐衝撃性が高い振動子を提
供することにある。

さらに本発明の目的は大量生産でき且つ温度特
性を調整する必要のない振動子を提供することに
ある。

本発明の別の目的は、ホトリトグラフ法で容易
に製造できる振動子を提供することにある。

さらに別の本発明の目的は、ケースに容易にパ
ツキングできる振動子を提供することにある。

発明の構成上記目的ないし課題の解決のため本発明によれ
ば少なくとも１つの支持領域に連結された少なく
とも１つの共振アームによつて相互に連結された
同相で伸張モード振動する２つの薄い矩形の共振
器板を備えており、前記の少なくとも１つの共振
アームは前記の両共振器板とは逆相で振動するよ
うに構成されているである。

発明の作用及び効果上記の構成要件によつても明らかなように少な
くとも１つの共振器アームと両共振器の振動相互
間の振動方向（位相）が逆であることにより、共振器板（水晶板）の理想的運動ができるだ
け妨げられないようになり、また、上記共振器板を支持連結しているアームの中
央領域では著しく減衰し、当該支持領域では振
動を無視できるという効果（意識）が達成され
る。

本発明の１つの実施例によれば、振動子を１つ
のZTカツトサブストレートから形成し、少なく
とも１つの共振アームで連結された２つの矩形の
板を設け、共振アーム自体を１つの支持領域に連
結する。

実施例の説明第１図は、冒頭に述べた米国特許から公知の
ZTカツト振動子を示す。ZTカツト水晶板はＺカ
ツトサブストレート即ち水晶の光軸Ｚをその法線
として有するサブストレートから得られる。最初
に機械軸Ｙの周囲を角度φだけ回転させると、光
軸ＺがZ′に移り電気軸ＸがＸ１に移る、次にZ′軸
の周りを角度θだけ回転させると、軸Ｘ１が
X′に移動し、軸ＹがY′に移動する。方向X′，Y′，
Z′は各々ZTカツト水晶板の長さｌ、幅ｗ、厚さ
ｔの方向に一致する。IRE規格によれば、この形
式のカツトは（ZTwt）φ，θと表わされる。角
度φおよびθは、φが16°〜36°の間にあり、θが
10°〜30°の間にある。また辺比ｗ／ｌは0.5〜0.8
の間にある。ただし最もよい結果は、φ，θ，
ｗ／ｌの値を各々26°，20°，2/3にした振動子を
用いたとき得られた。

第２図は本発明により構成した振動子の第１の
実施例を示す。この振動子は２つの共振アーム
３，４により連結された水晶板１および２から成
る。２つのアームは、アームと水晶板との連結部
における拘束力が無視できる程度に振動するの
で、共振振動をすると云うことができる。連結バ
ー５が、領域６および７を支持するために共振ア
ームに連結されている。振動子の寸法は以下のパ
ラメータに該当する。各水晶板の幅ｗが周波数を
決定し、周波数定数は約2823KHzmmである。幅ｗ
の長さｌに対する辺比、即ちｗ／ｌは周波数パラ
メータの２次温度係数を制御する。ｗ／ｌは0.5
〜0.9の間になければならず、最適な状態はｗ／
ｌがほぼ0.7に等しいときである。共振アーム３
および４の長さｂは、アーム３，４と水晶板１，
２との境界線においていかなる拘束力も生じない
ように選ばなければならない。したがつて共振ア
ームの長さｂと水晶板ｗの比ｂ／ｗが１〜1.1の
間になるように、共振アームの長さｂを水晶板の
幅ｗより長くしなければならない。しかし、前記
の境界線において小さな拘束力ならば許容できる
場合には、前記の比ｂ／ｗを0.7〜1.4の間にして
よい。両共振アーム３，４の間の距離ｄは、共振
アームの長さｂによる、周波数パラメータの１次
温度係数のいかなる変動も生じない範囲に選ばな
ければならない。この距離ｄの、各水晶板の長さ
に対する比、即ちｄ／ｌは0.3〜0.7の間にしなけ
ればならず、最適なのはほぼ0.5のときである。
連結バー５の幅はそれほど問題にならない。しか
し、振動子の優れた耐衝撃性を確保するために余
り狭過ぎてはならず、またアーム３，４の共振周
波数への影響が大きくなり過ぎないように余り広
過ぎてもいけない。実際には、連結バー５の幅は
その長さより小さくする。振動子の厚さｔは原理
上は総べての輪郭モード振動子同様、自由なパラ
メータである。とはいえ、厚さｔは、水晶板の外
部のいかなる振動モードとも結合しないような範
囲にすべきであり、25〜250μmの間にするとよ
い。殊に厚さを150μmにすると有利である。

第２図に示す第１の実施例では、上部電極（図
示の電極）がハツチングされた部分で示されてお
り、下部電極（図示せず）は、振動子の中心に関
して上部電極と対称に配置されている。

第２図の構成を有する本発明の圧電共振子によ
つて奏される作用効果は、以下で第３ｃ図、第３
ｄ図を用いて詳細に説明する。

次に、第３ａ図および第３ｂ図は本発明の電極
の別の実施例を示す。図示のように、上部電極１
０および下部電極１１は振動子の中心に関して相
互に対称に配置されている。このような電極の実
施例は、Y′方向における基本伸張モード振動の
結合を抑圧する。

この電極配置により生じる基本伸長モードの結
合の抑圧は、以下の理由により得られる。

振動子のアームの振動における基本伸長モード
は、望ましい振動モードではない。このモード
は、所望のZTモードに関してみれば寄生的モー
ドとみなされる。したがつてこの寄生的モードを
抑圧するためには式［Ｑ・Ｃ／ω］_paras.npde≪［Ｑ・Ｃ／ω］_ZT _npde を満たす必要がある。この場合、考慮される各モ
ードに対しては、Ｑは共振の鋭さを表わす係数で
あり、Ｃはダイナミツクキヤパシタンスであり、
ωは周波数である。寄生的モードの周波数はZT
モードの周波数よりも低いので、寄生的モードに
対しては共振係数またはダイナミツクキヤパシタ
ンスを（あるいはそれらの両方を）、ZTモードの
場合よりも十分小さくしなくてはならない。この
ためこれを達成する手段によつて、基本伸長モー
ドの結合に係る強制伸長の値をできるかぎりゼロ
に近づけるようにする。ここにおいてｄ１２とｄ
１３を圧電定数とし、Ｅ１とＥ３をそれぞれ
X′軸およびZ′軸による電界の成分（第３ａ図およ
び第３ｂ図参照）とすれば、基本伸長モードの結
合に係る強制伸長の値Ｔ２はd12・E1＋d13・E3
と等しい。ｄ１２およびｄ１３は正の定数である
ので、Ｅ１およびＥ３の成分を逆極性にする必要
があり、したがつてこのことを満たすように電極
の配置を選定する。そしてこれは、第３ａ図に示
されている電極の配置により達成されるのであ
る。

さらに第３ａ図の振動子は第２図の振動子と次
の点で異なつている。即ち、第３ａ図に示すよう
に、共振アーム４だけが支持領域６および７に、
連結バー５によつて連結されており、共振アーム
３はギヤツプ５０によつて支持領域から自由にさ
れている。また第２図および第３ａ図の振動子の
いずれにおいても、唯一つの支持領域６または７
のみ備えるようにしてもよい。

上述の振動子は次のように動作する。使用振動
モードはY′方向の伸張モードである。各水晶板
１または２は前記公知の特許明細書に記載の矩形
ZTカツト振動子と同様に振動し、その際２つの
水晶板の運動は同相である。アーム３および４も
共振するが、水晶板１および２とは逆相で振動す
る（Y′方向の伸張）。アームの長さは水晶板の理
想的運動をできるだけ妨げないように選ばれてお
り、それ故上述の水晶板は準自由振動子とみなし
てよい。連結バー５は強制振動の中心であり、強
制振動の振幅はアームとの結合領域から遠ざかる
につれ急速に減衰し、支持領域６および７では振
動は無視できる程度になる。

第３ｃ図は、第２図および第３図に示された構
成を有する。本発明による圧電振動子により奏さ
れる作用効果を一層明瞭にするため、少なくとも
１つの共振アームによつて連結された同相で伸張
モード振動する２つの薄い矩形の共振器板及び該
両共振器板とは逆相で振動する上記共振アームの
振動の様子を概念的に示すものである。

上記第３ｃ図において、例えば伸長モードの周
期中、破線で示す共振器板（水晶板）１，２の振
動の方向は、同様に破線で示す共振アーム３，４
の振動方向とは逆位相（逆方向）であることが明
示されている。このように共振器板１，２の振動
の位相方向が、共振アーム３，４の振動の位相方
向に対し、Y′方向で逆であるように配置構成さ
れたことにより、上記共振アーム３，４の中央領
域では当該振動が著しく減衰せしめられ、支持領
域６，７では振動を無視できるようになり、ひい
ては共振器板（水晶板）１，２の理想的運動がで
きるだけ妨げられないようになるという顕著な作
用効果が奏される。

次に第３ｄ図を用いて、水晶板１，２の振動の
位相と共振アームの振動の位相が互いに逆になる
理由を説明する。既に説明したように例えば伸長
モードの周期中、水晶板１，２において破線で示
された伸長モード振動，が発生し、他方、共
振アーム３，４においては、上記の水晶板１，２
における振動方向とは逆方向の、破線で示された
振動が発生する。つまりこの逆方向の振動は圧
縮方向での振動である。

水晶板１，２が上述の伸長モードで振動する周
期期間においては、目下励振中の水晶板１（図面
左側）から矢印Ａで示す方向へ向かう振動により
生じる押圧力が、この水晶板１と連結された共振
アーム３，４へ作用を及ぼす。これと同時に、水
晶板１と同相で振動する水晶板２（図面右側）か
ら矢印Ｂで示す方向へ向かう振動により生じる押
圧力が、やはりこの水晶板２と連結された共振ア
ーム３，４へ作用を及ぼす。このようにして共振
アーム３，４はそれぞれ、左側から加えられる
（矢印Ａの方向での）振動により生じる押圧力と、
右側から加えられる（矢印Ｂの方向での）振動に
より生じる押圧力とを受ける。つまり共振アーム
３，４は、左側の水晶板１と右側の水晶板２の振
動により生じる押圧力を同時に受ける。したがつ
て共振アーム３，４において、水晶板１，２の伸
長モード振動とは逆位相の圧縮振動が生じる。
これとは逆に、水晶板１，２が圧縮モードで振動
すれば、共振アーム３，４は伸長モードで振動す
ることになる。

次に、上記のようにして共振アーム３，４の振
動位相が水晶板１，２の位相とは逆になると、ア
ームの中央領域で振動が著しく減少する理由を説
明する。

水晶板１，２が伸長モードで振動していれば、
共振アーム３，４の中央領域は、水晶板１から矢
印Ａで示された方向へ向かう押圧作用を受け、か
つ当該共振アーム３，４の中央領域は、水晶板２
から矢印Ｂで示された方向へ向かう押圧作用も受
ける。この場合、共振アーム３，４の中央領域
は、両方の水晶板１，２から等距離の位置に配置
されており、その結果、当該の左と右の両水晶板
から相互に逆向きの等しい力（押圧力ないし引張
り力）を受け、それら両方の力は相殺、抑圧し合
うように重畳し合い、よつて著しく減衰（減少）
した力しか加わらず、共振アーム３，４の中央領
域では著しく僅かな振動しか生じない。したがつ
て支持領域６および７における振動は、無視でき
る程度になる。

第４図および第５図は、支持領域が振動子の外
側に設けられた、本発明の振動子の実施例を示
す。２つの図において、同じ部分は同じ記号で示
した。第４図の振動子は、支持領域６′および
７′の位置と、連結バーの位置とを除けば第２図
の振動子と同一である。連結バーは３つの部分５
ａ，５ｂ，５ｃから成り、これらは各々支持領域
６′を共振アーム３に連結し、共振アーム４を支
持領域７′に連結し、２つのアーム３，４を相互
に連結している。支持領域は、実際の振動子を取
囲み、この振動子を後述のようにケースにパツキ
ングすることができるようにするフレーム９（破
線で示す）の一部としてもよい。連結バーの部分
５ｃは必要不可欠でなく、省いてもよい、第５図
の振動子は３つの共振アームを有し、そのうち外
側の２つ３′，４′の幅は中央のアーム８の幅の約
２分の１である。支持領域６′および７′はやはり
フレーム９の一部であつてよい。連結バーは４つ
の部分５ａ，５ｂ，５ｅ，５ｆから成り、中央の
２つの部分５ｅ，５ｆは省いてもよい。

第６図は外側に支持領域を有する振動子のパツ
キング方法の一例を示す。振動子１００は第４図
または第５図の振動子に相当し、２つの板２００
および３００の間に組み込まれる。これらの板
は、振動子の稼動部分に対応する領域に各々凹入
部２０１または３０１を有している。２つの板２
００，３００は例えば接着剤で振動子のフレーム
に固定されており、これによりケースを形成して
いる。これらの板はZTカツト水晶から、または
その膨張率が水晶の膨張率の範囲内にある金属か
ら、また形成するとよい。金属板にした場合、振
動子と関連の振動回路との間に電気接続が生ず
る。他方絶縁性の板にした場合、この板を適切な
方法で金属化し、板と振動子との間は導電性接着
剤を用いて接続するとよい。

第７図および第８ａ図、第８ｂ図は、本発明に
よる２つの非対称形の振動子の実施例を示す。第
７図の振動子は唯一つの支持領域７″に、２つの
部分５′ｂ，５′ｃを有する連結バーによつて連結
された２つの共振アーム３″および４″を備えてい
る。連結バーの部分５′ｃは省いてもよい。第８
ａ図の振動子は支持領域６に連結バー５によつて
連結された１つの共振アーム１２のみ備えてい
る。部分２０は上部電極を示し、第８ａ図の
BB′線での横断面図を示し、第８ｂ図から下部電
極２１のアーム１２上の領域への配置がわかる。

本発明の振動子は化学研摩法で製造することが
できる。事実上、ZTカツト水晶サブストレート
に対する規格によれば、サブストレートは水晶の
光軸Ｚと27°より小さい角度をなす。光軸Ｚは水
晶中の衝撃に強い方向である。従つて同じサブス
トレートから数個の振動子を同時に大量生産方式
でせん断することができる。更に本発明による振
動子は、温度係数の調整が不要であり且つケース
へのパツキングが容易な点からも、製造コストが
安くなる。

以上、本発明の実施例を図示し説明したが、本
発明の原理および範囲内で多くの実施例が可能で
あることは言うまでもない。つまり本発明は上述
の説明に限定されるものではなく、特許請求の範
囲によつて限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はZTカツト振動子の切り出し方位を示
す斜視図、第２図は本発明の第１の実施例の平面
図、第３ａ図は本発明の別の電極構造の実施例の
平面図、第３ｂ図は第３ａ図のAA′線での断面
図、本発明による少なくとも１つの共振アームに
よつて連結された同相で伸張モード振動する２つ
の薄い矩形の共振器板及び該両共振器板とは逆相
で振動する上記共振アームの振動の様子を示す概
念的説明図、第３ｃ図および第３ｄ図は、本発明
による圧電振動子により奏される作用効果を示す
概念的説明図、第４図および第５図は本発明の別
の実施例の平面図、第６図はケースにパツキング
された振動子の１つの実施例の断面図、第７図お
よび第８ａ図は本発明のさらに別の２つの実施例
の平面図、第８ｂ図は第８ａ図の共振アームの
BB′線での断面図である。１，２……矩形板、３，４，３′，４′，３″，
４″，８，１２……共振アーム、６，７，６′，
７′，７″……支持領域。

Claims

【特許請求の範囲】１少なくとも１つの支持領域に連結された少な
くとも１つの共振アームによつて相互に連結され
た同相で伸張モード振動する２つの薄い矩形の共
振器板を備えており、前記の少なくとも１つの共
振アームは前記の両共振器板とは逆相で振動する
ように構成されていることを特徴とする、ZTカ
ツト水晶サブストレート中に形成されたクランプ
固定された圧電振動子。２２つの矩形板が２つの共振アームによつて相
互に連結されており、前記共振アームは１つの連
結バーによつて２つの支持領域に連結されている
特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。３２つの矩形板が２つの共振アームによつて相
互に連結されており、この共振アームのうちの１
つが１つの支持領域に連結されている特許請求の
範囲第１項記載の圧電振動子。４前記支持領域が前記共振アームの間に設けら
れている特許請求の範囲第２項または第３項のい
ずれかに記載の圧電振動子。５前記支持領域が共振アームの外側に設けられ
ている特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。６２つの矩形板が３つの共振アームによつて相
互に連結されており、外側の２つの共振アームが
各々１つの支持領域に連結バーによつて連結され
ている特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。７前記支持領域が、前記振動子を取囲むフレー
ムの一部を形成している特許請求の範囲第５項ま
たは第６項のいずれかに記載の圧電振動子。８前記矩形板の幅に対する共振アームの長さの
比ｂ／ｗが0.7〜1.4の範囲内にある特許請求の範
囲第１項記載の圧電振動子。９前記矩形板の幅に対する共振アームの長さの
比ｂ／ｗが１〜1.1の範囲内にある特許請求の範
囲第１項記載の圧電振動子。