JPH0563494A - オーバトーン水晶振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］抑制すべきオーバトーン共振周波数において効
率よくその周波数を抑圧し、所望するオーバトーン共振
周波数において確実に発振する高信頼性のオーバトーン
水晶振動子を提供することを目的とする。 ［構成］水晶板面上に隔設した主電極と副電極の間で抑
制すべきオーバトーン共振周波数において帯域通過型の
音響結合フィルタを形成し、かつ所望のオーバトーン共
振周波数において両共振周波数波は一致せず不整合とな
るように、各電極の設計パラメータを設定するよう構成
したことを特徴とするオーバトーン水晶振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の電極対を水晶板
の表裏面上に配設した水晶振動子に関し、特定のオーバ
トーン共振周波数を周波数選択的に抑圧して所望のオー
バトーン共振周波数を周波数選択的に発振するオーバト
ーン水晶振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】チップ型半導体素子を用いて所望のオー
バトーン共振周波数の小型水晶発振回路を構成するため
には、小型水晶振動子とチップ型半導体素子からなる発
振回路に、チップ型のインダクタとコンデンサからなる
同調タンク回路を発振回路内に挿入して周波数選択特性
をもたせるようにして、所望のオーバトーン共振周波数
で発振するよう構成しなければならない。これは、一般
に水晶振動子において、高次オーパトーン共振周波数は
低次オーバトーン共振周波数と比較して発振が困難であ
ることから、所望のオーバトーン共振周波数に同調した
同調タンク回路を挿入して周波数選択特性を持たせなけ
ればならないからである。しかしながら、この回路構成
によると同調タンク回路の占める容積は発振回路全体に
比較して無視できなくなるから、発振回路の小型化を阻
み、同調タンク回路の周波数調整を必要とするばかりで
なく、その温度変化に依って発振周波数に変動を与え、
結果的に周波数安定度を著しく損なうことがある。当然
の帰結として、この同調タンク回路は発振回路からぜひ
とも除却したい構成要素の一つであった。

【０００３】この課題を解決し高次オーバトーン専用の
水晶振動子を実現するものとして、既に公開された技術
的手段として次の２種類のものがある。第１の手段は、
特開昭６１−２３６２０８号、同６２−１６８４０９
号、同６２−１６９５０８号、同６２−１６９５０９
号、同６２−１６９５１０号等一連の公開公報に開示さ
れたもので、水晶など圧電振動板の厚み共振振動におい
て、基本波から高次オーバトーンの共振振動の振動変位
分布が励振電極とその周囲圧電板に閉じこ込められ、か
つ共振振動の次数の違いによって閉じ込めの度合が異な
るというエネルギー閉じ込め現象を利用してなされた発
明である。すなわち、エネルギ閉じ込め現象において、
よく知られているようにオーバトーン次数の高騰につれ
て振動変位が励振電極近傍に集中するので、例えば主電
極の近傍に副電極を隔設しておけば、より低次なオーバ
トーン振動ほどその振動エネルギー（略振動変位の自乗
に比例する）が機械−電気変換されて副電極上に抽出さ
れることになる。そして、この副電極を短絡させるなど
適当な方法により抽出された振動エネルギーを消費する
ようにすれば、低次オーバトーン振動とりわけ基本波振
動を選択的に減衰させ抑圧することが可能であり、これ
により高次オーバトーン水晶振動子を実現しようとする
ものである。

【０００４】第２の手段は、特願昭６２−２３０１０８
号に開示されたもので、第１の手段の特徴である主電極
の近傍に隔設した副電極を設けることなく、主電極を圧
電振動板面上に非対称に配設するだけで、圧電振動板を
機械的に保持した保持具に低次オーバトーン振動の振動
エネルギーを直接に機械音響的に伝達させ吸収して消散
させるよう意図したものである。第１の手段とほぼ同じ
原理に基づき、例えば基本波共振振動を抑圧した３次オ
ーバトーン水晶振動子を得ようとするものである。

【０００５】第１の手段は、副電極を主電極と同時に配
設できしかもその配置、厚み及び形状などパラメータを
自由に設定できることから、有望な手段と考えられてい
たが、電気−機械変換の効率を示す電気機械結合係数が
水晶においては高々１０％であり（ＡＴカットにあって
は８．２％）、しかもエネルギー変換効率はこの結合係
数の自乗に比例することから、機械音響的に電気エネル
ギーに変換される割合は比較的小さいこともさることな
がら、機械音響的に整合状態で抽出されておらず不整合
損失が大きく、しかも抽出された低次オーバトーン振動
の振動エネルギーは機械音響的に整合されて効率よく消
費されているとは言えず、抑圧効果が不充分で動作が安
定せず未だ広く実用化されるに到っていない。第２の手
段は、低次オーバトーン振動の振動エネルギーを直接機
械音響的に吸収し消散させようとするものであるから、
実用上かなり有効な手段であり前記第１の手段と比較す
れば利用され易く安定した効果を発揮すると考えられて
いた。しかしながら、各種オーバトーン圧電振動子をそ
の都度設計するためには、最適な圧電振動板の外形寸法
を求めて実験し確認しなければならず、これは多分に実
証的な設計要素であるから、量産性に優れた手段とはな
り得ていないのが実状である。すなわち設計の指導原理
は必ずしも明確になっておらず、合理的なオーバトーン
圧電振動子の設計は未だ確立しているとは言い難い。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】合理的な設計方法を確
立し、実用上有効な構成のオーバトーン水晶振動子とす
るためには次のような解決すべき課題がある。すなわ
ち、前記従来のいずれの手段においても、抑圧する低次
オーバトーン振動の振動エネルギーを抽出するのに、主
電極と副電極の間あるいは主電極と保持器の間並びに接
続負荷において、機械音響的あるいは等価電気回路的な
整合について全く考慮されていないことである。単に物
理的に隔設された２つの電極配置の間に不整合なままの
音響結合関係を持たせたものに過ぎず、従って振動エネ
ルギーの一部が抽出あるいは吸収されるだけであり、か
つまた不整合な状態でその抽出した振動エネルギーの一
部が消費あるいは消散さるだけである。結局のところ低
次オーバトーンが僅かに抑圧されるに過ぎない。つまり
従来例においては、抑圧すべきオーバトーン周波数にお
いて主電極と副電極間を機械音響的に整合して効率よく
振動エネルギーを抽出あるいは吸収してそれを最大に消
費あるいは消散させる目的の技術的手段は示されてはい
ない。本発明はこの課題に鑑みてなされたもので、機械
音響的結合を最適化するように主電極と副電極間の距離
等のフィルタパラメータを設定することにより、抑圧し
ようとするオーバトーン周波数においては、周波数選択
的に主電極の振動減衰の効果を最大にし、同時にまた所
望のオーバトーン周波数においては、周波数選択的に主
電極の振動減衰の影響を最小化にするように電極厚みち
形状寸法を異ならしめて両電極の共振周波数を一致させ
ず不整合状態にすべく構成したことを特徴とするオーバ
トーン水晶振動子を実現することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】水晶板の表裏板面上に配
設された電極の共振周波数は、水晶板の共振周波数より
低下し、しかもその周波数低下量は電極厚みだけでなく
形状寸法によっても変化し、同じ電極材の同じ厚みの電
極を配設したとしても、電極形状が小さくなるにつれて
周波数低下量が小さくなることが知られている。これは
図５に示すとおり、電極材の厚みのみによる真の周波数
バック量Ｒｔに対して、電極の形状寸法も考慮に入れた
の見かけ上の周波数バック量Ｒｑの間に成立する非直線
な周波数バック量関係として周知されている。そしてこ
の周波数バック量関係は、オーバトーン次数により変化
し、次数が高騰するにつれてリニアに近い関係なること
が知られている。本発明はこの関係を利用している。す
なわち、図１及び図２において、２つの電極の電極幅と
電極厚みは、主電極１（Ｗ１，Ｈ１），副電極２（Ｗ
２，Ｈ２）であるから、それぞれ、Ｗ１＞Ｗ２，Ｈ１＜
Ｈ２が成立している。これを主電極１の基本波共振周波
数ｆ１ｍに調整して両電極の共振周波数を一致させたと
すると、主電極１のオーバトーン共振周波数ｆ３ｍに対
して、基本波振動よりもオーバトーン振動は電極周辺に
より閉じ込められているために周波数バック量関係は直
線関係に近くなるから、その結果副電極２のオーバトー
ン共振周波数ｆ３ｓはｆ３ｍよりも低い（ｆ３ｍ＞ｆ３
ｓ）周波数位置に現われ、その間に周波数差がある（図
３）。また、水晶等の圧電材よりなる振動板にあって
は、各オーバトーン共振周波数の間に整数倍（奇数倍）
の関係にないことは、圧電振動基本式より導出されてい
る通りであり、経験上からも既に熟知されている。この
ことを図５に示すと、厚み２ｈのセラミックス厚み縦振
動の場合において、圧電振動子の共振周波数を支配する
関数式は、正接関数を含む超越方程式として電気機械結
合係数項（Ｋ２６）を含む形で表現されることから容易
に理解されよう。すなわち、基本波を含むオーバトーン
周波数（ηｎ）ｈ（ｎ＝１，３，５．．．，ηｎ＝ωｎ
／ｃ，ωｎ：ｎ次のオーバトーン角周波数，ｃ：媒体内
の音速）の間には、単純な整数（奇数次）関係が成立し
ない。従って、モノリシックフィルタとして広く利用さ
れている２電極対構造と類似の構造を有する水晶板にあ
って、両電極が特定の共振周波数においてのみ帯域通過
型のフィルタを形成すると同時に他の特定な共振周波数
において両電極の共振周波数が一致しないように、両電
極間の距離を設定しかつそれぞれの電極の厚みと形状寸
法を異なるように設定することができ、これにより特定
の共振周波数においてのみ共振振動を周波数選択的に抑
圧しあるいは発振する水晶振動子を実現できることにな
る。本発明は、これらの原理を利用して構成したもの
で、つまり水晶板表裏面上に主電極と副電極を隔設して
なる水晶振動子において、抑圧すべき共振周波数におい
てのみ帯域通過型のフィルタを形成し、所望の共振周波
数においては互いの共振周波数を一致させず不整合とな
るよう、両電極間の距離並びにそれぞれの電極の厚みと
形状寸法を異ならしめるように設定することにより、特
定の共振周波数を効率よく抑圧し所望の共振周波数で良
好な発振のオーバトーン水晶振動子を提供するものであ
る。

【０００８】

【実施例】図１に請求項１に対応した本発明の一実施例
を示す。基本波共振周波数ｆ１ｍを抑圧し３次オーバト
ーン共振周波数ｆ３ｍを選択的に発振させる目的の水晶
振動子の水晶板の構造を示したものである。ＡＴカット
水晶板４の表面上に主電極１と副電極２が隔設され、裏
面上に共通電極３が表面上の主電極１と副電極２に対向
して配設されている。図１及び図２に示す通り両電極は
略同一形状であるが、副電極２の厚みＨ２は主電極１の
厚みＨ１よりも厚くしてある。これにより主電極１の基
本波周波数ｆ１ｍは副電極２の対称振動の共振周波数と
一致させることにより通過帯域を形成することができる
が、斜対称振動の共振周波数ｆ１ａにおいて必ずしも良
好な通過帯域を形成せず、図３に示すような歪んだ伝送
特性を示す。しかしこの水晶振動子を、例えば図５に示
す発振回路に接続すると、発振増幅部５にある基本波周
波数ｆ１ｍの周波数成分は副電極２の負荷６（Ｚｌ）に
効率よく伝達され消費されてしまうから、発振は効果的
に抑制されてしまう。これは、両電極に整合インピーダ
ンスＺｏ，Ｚｌをそれぞれ接続すると、帯域通過型フィ
ルタの入出力端においてあたかもインピーダンス整合さ
せたときのように、抑圧すべき基本波周波数成分を損失
少なく負荷に伝達し消費させることができるからであ
る。そして副電極２の電極厚みＨ２が、主電極１の厚み
Ｈ１と異なると、所望の主電極３次オーバトーン周波数
ｆ３ｍと、副電極２の３次オーバトーン周波数ｆ３ｓは
周波数差を生じ一致しないからブロックされ、従って副
電極２に伝達し消費されることがなく、３次オーバトー
ン周波数３ｆｍにおいて良好に発振する。この実施例で
は、電極形状のうち長さ方向の寸法Ｌを等しくしてある
が、幅方向はＷ１，Ｗ２と僅かに異なるようにしてあ
る。周波数調整により基本波周波数ｆ１ｍに両電極の共
振周波数を等しくすることができるから、両電極はモノ
リシックフィルタ類似の帯域通過型の音響結合フィルタ
を形成する。ここで幅寸法を同じにして長さ寸法Ｌを異
なるようにしてもよく、この場合斜対称振動を抑制する
効果がある。両電極間の距離Ｇは、抑圧する基本波共振
周波数ｆ１ｍの減衰度合と所望の３次オーバトーン共振
周波数ｆ３ｍの影響を勘案して設定されるが、距離Ｇが
大きくなるにつれて通過帯域は狭帯域化し、また抑圧す
る効果も弱くなるので（フィルタの通過損失量に相当す
るから）、基本波周波数ｆ１ｍの抑圧効果と所望する共
振周波数ｆ３ｍの発振に対する影響を考慮して決定され
る。しかしいずれにせよ、モノリシックフィルタを設計
する手法がそのまま転用できるので、大変都合がよい。
斜対称振動の共振周波数ｆ１ａにおける損失が大きくな
り歪んだ伝送特性を示すことに付いての影響は、本発明
の場合全く問題はなくむしろ好ましい特性であると言え
る。その理由は、所望のオーバトーン共振周波数におい
て斜対称振動のオーバトーン共振周波数が出現すると発
振を抑圧してしまう恐れがあるからで、できる限り斜対
称共振振動等の不要振動を抑圧しなければならない。

【０００９】図７に本発明の請求項２に対応する実施例
の水晶板の表裏展開図を示す。図１の前記実施例におい
て、主電極１と副電極２がモノリシックフィルタと等価
な構成をとっているから、斜対称振動の共振周波数ｆ１
ａが出現することがる。これを抑制する目的から主電極
９の両側端に２つの副電極７を隔設して共通接続する
と、この構成により斜対称振動は電荷相殺され効果的に
抑制される。従って所望のオーバトーン共振周波数近傍
においても、斜対称振動のオーバトーン共振周波数を発
生する恐れがなく好都合である。当然のことながら、抑
制すべきオーバトーン共振周波数に対する抑制効果は、
図１の前記実施例より顕著である。その他の動作及び特
徴は図１の実施例の場合とほぼ同様である。

【００１０】図８に本発明の請求項３に対応する実施例
の水晶板の表裏展開図を示す。各副電極１１，１２，１
３，１４は、主電極１６とそれぞれ独立に抑制すべきオ
ーバトーン共振周波数において帯域通過型の音響結合フ
ィルタを形成しかつ所望のオーバトーン共振周波数にお
いて整合しないように、各副電極の形状寸法及び厚みが
設定される。主電極１６と各副電極１１，１２，１３，
１４の間の間隔は、抑制すべきオーバトーン共振周波数
の抑制度合と所望のオーバトーン共振周波数への影響度
合を考慮して設定されることは、前記実施例の場合と同
様である。図８の実施例の構成によれば、例えば７次オ
ーバトーン水晶振動子を得ようとする場合、基本波と３
次と５次と９次のオーバトーン共振周波数を抑圧するよ
うに各副電極を設計すればよい。しかしこの設計を行な
うには、Ｘ軸方向の伝播（厚みすべり振動モード）とＺ
方向の伝播（厚み捻れ振動モード）について、各々２回
づつのモノリシックフイルタと等価な計算を行なう必要
があるから多少煩雑な設計手順となる。

【００１１】

【発明の効果】本発明の構成により、機械−電気変換効
率の劣る水晶板の特定な振動エネルギーを音響的整合の
考えに基づいて高効率に抽出し抑圧できるようになった
から、抑圧すべきオーバトーン共振周波数を合理的かつ
的確に設計できるようになった。抑制量もモノリシック
フィルタと同様の効果的なインピーダンス整合手段をと
ることにより、従来と比較して確実で顕著な効果が得ら
れる。本発明の課題である斜対称振動の発生は、主電極
と副電極の非対称構成によりかなり抑制できるが、副電
極を主電極の両側端に隔設することにより電荷相殺する
ことにより効果的に抑制できるようになった。さらに最
大４つのオーバトーン共振周波数を独立に抑制すること
ができるようになり、３次以上の高次オーバトーン共振
周波数の発振を目的とした信頼性の高いオーバトーン水
晶振動子の実現が可能になった。特に従来より困難であ
った５次以上の特定高次オーバートン共振周波数用水晶
振動子を提供できるようになった意義は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例を示すオーバトーン水晶
振動子の水晶板表裏の展開斜視図である。

【図２】図２は図１の本発明の実施例の水晶板の断面図
である。

【図３】図３は図１の本発明の実施例のオーバトーン水
晶振動子が、図４の回路において示す伝送特性である。

【図４】図４は本発明のオーバトーン水晶振動子の発振
回路接続図である。

【図５】図５は図１の水晶板４の主電極の電極幅寸法Ｗ
１をパラメータにしたときの真の周波数バック量Ｒｔと
見かけ上の周波数バック量Ｒｑとの関係を示すグラフで
ある。

【図６】図６は圧電セラミックの基本波を含むオーバト
ーン共振周波数の関係を示すグラフである。

【図７】図７は本発明の他の実施例を示す水晶板の表裏
展開図である。

【図８】図８は本発明の他の実施例を示す水晶板の表裏
展開図である。

【符号の説明】

１，９，１６ 主電極 ２，７，１１，１２，１３，１４ 副電極 ３，８，１５ 共通電極 ４ 水晶板 ５ 発振増幅器 ６ 負荷インピーダンス １０ 引出し電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶板の表面上に主電極と副電極を隔設
   しかつ裏面上に共通電極を配設し各電極より電気導出し
   てなるオーバトーン水晶振動子において、 該主電極の基本波を含むオーバトーン共振周波数のうち
   抑圧すべきオーバトーン共振周波数において該主電極と
   該副電極は帯域通過型の音響結合フィルタを形成し、か
   つ所望のオーバトーン共振周波数において該主電極と該
   副電極の共振周波数は一致しないように、両電極間の距
   離並びに各電極の厚みと形状寸法を設定したことを特徴
   とするオーバトーン水晶振動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載のオーバトーン水晶振動子
   において、 該副電極は該主電極の両側端より隔設した２つの副電極
   とし電気的に共通接続されていることを特徴とするオー
   バトーン水晶振動子。
3. 【請求項３】 請求項１記載のオーバトーン水晶振動子
   において、 該副電極は該主電極の各側端より隔設した４つの副電極
   とし、各副電極は該主電極との間で独立に抑圧すべき各
   オーバートーン共振周波数において帯域通過型の音響結
   合フィルタを形成し、かつ所望のオーバトーン共振周波
   数において該主電極と各副電極の共振周波数は一致しな
   いように、該主電極と各副電極間の距離並びに各副電極
   の厚みと形状寸法を設定したことを特徴とするオーバト
   ーン水晶振動子。