JPH10327038A - 圧電振動子 - Google Patents

圧電振動子

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JPH10327038A
JPH10327038A JP13624197A JP13624197A JPH10327038A JP H10327038 A JPH10327038 A JP H10327038A JP 13624197 A JP13624197 A JP 13624197A JP 13624197 A JP13624197 A JP 13624197A JP H10327038 A JPH10327038 A JP H10327038A
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JP
Japan
Prior art keywords
crystal
cut angle
langasite
vibrator
piezoelectric
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Pending
Application number
JP13624197A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Komine
賢二 小峰
Hidetaka Abe
英孝 阿部
Yukio Kagawa
幸雄 加川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Publication date
Application filed by Meidensha Corp, Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd filed Critical Meidensha Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数温度特性が良好でかつ容量比を小さく
できる。 【解決手段】 X軸方向(幅方向)の長さがl1、Z軸
方向(長さ方向)の長さがl3、厚みtの薄い方形板状
の圧電結晶ランガサイト21は、その図示両面全域に励
振用の電極22が形成されている。圧電結晶ランガサイ
ト21は水晶と同じ三方晶系で点群32に属するため、
その結晶の結晶切断角(カット角)を適切に設定する
と、四隅が振動の節点となるラーメモード振動子として
実現することができるようになる。このときの結晶切断
角θは45゜、カット角φは10゜または110゜に形
成すると、一次の温度係数αはα=0となり、周波数、
温度特性は良好になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、圧電結晶ランガ
サイト(La3Ga5SiO14)を使用したラーメモード
における圧電振動子およびその振動子の製造方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】圧電振動子の1つに水晶振動子がある。
この水晶振動子は、優れた周波数・温度特性と高いQ値
により電子機器の基準発振子として広く使用されてい
る。図8はシリンダ形水晶振動子の構成説明図で、図8
において、1は基台で、この基台には2本のリード端子
2a,2bが設けられている。このリード端子2a,2
bには、水晶片3が水晶片支持部材4を介して電気的接
触を保持して取付支持されている。水晶片3の全体は金
属カバー5により覆われている。なお、6は水晶片3の
両面に形成された電極である。
【0003】上記のように、水晶片3は支持部材4によ
り固定されるために振動部が拘束され、水晶振動子の等
価抵抗値R1の上昇やQ値の低下が生じてしまう。これ
を防止するために、水晶振動子の振動の節点で保持する
手段が実用化されている。しかし、常に振動の節点を正
確に固定することは極めて困難であり、水晶振動子の製
造的なばらつきを考慮すると問題点が多い。
【0004】水晶振動子は種々の振動モードを利用して
構成されているが、この中でもラーメモードは水晶振動
子の四隅が振動の節点となるため、特性の劣化を招くこ
となく保持が可能である。図9にそのラーメモードにお
ける圧電振動子の構成を示す。図9に示す圧電振動子1
1はエッチング加工により保持体12も一体的に構成し
たもので、従来より水晶振動子においても、結晶切断角
(以下カット角と称す)を適切にすることにより、ラー
メモード水晶振動子の構成が可能であることが知られて
いる。また、特定のカット角において、零温度係数を持
つために、外部の温度変化に対しても周波数温度特性が
安定な振動子を得ることが可能である。 [文献として:川島宏文、松山勝、2軸回転ラーメモー
ド振動子のエネルギー法による解析、信学論、vol.J79-
A,No.6,pp1157-1164,1996(6)]
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のように水晶片を
使用したラーメモード水晶振動子は優れた特徴を有する
が、電気機械結合係数が小さいため、容量比の小さな振
動子の実現が困難であった。このため、容量比の小さな
振動子を構成するためには、電気機械結合係数の大きな
基板が望まれている。このような電気機械結合係数の大
きな基板を持つものに、タンタル酸リチウムがあるけれ
ども、このタンタル酸リチウムは、零温度係数を持たな
いため周波数・温度特性の良好な振動子として実現がで
きない問題がある。
【0006】このような問題を解消できるものとして、
近年圧電結晶ランガサイト(La3Ga5SiO14)が注
目されるようになって来た。この圧電結晶ランガサイト
は、水晶振動子とタンタル酸リチウムの間の周波数・温
度特性、電気機械結合係数を持つ基板材料としてデバイ
ス応用が期待されている。しかし、この圧電結晶ランガ
サイトは、ラーメモード振動子に適用できるものとして
検討された例がなく適切なカット角は未だ見いだされて
いない。
【0007】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、圧電結晶ランガサイトを使用してカット角を適切
に設定することにより、周波数温度特性が良好でかつ容
量比を小さくできる圧電振動子およびその振動子の製造
方法を提供することを課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を達成するために、第1発明は、圧電結晶ランガサイト
の結晶切断角θが、θ=45゜±5゜の範囲で、かつカ
ット角φが、φ=0〜360゜でラーメモード振動が可
能となるように形成したことを特徴とするものである。
【0009】第2発明は、前記カット角φがφ=10±
10゜またはφ=110±10゜の範囲に形成されたも
のである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の第1形態
を示す圧電結晶ランガサイトにおける2軸回転の振動形
状と座標系を示す構成説明図で、図1において、21は
X軸方向(幅方向)の長さがl1、Z軸方向(長さ方
向)の長さがl3、厚みtの薄い方形板状の圧電結晶ラ
ンガサイトで、このランガサイト21の図示両面全域に
励振用の電極22が形成されている。圧電結晶ランガサ
イト21は水晶と同じ三方晶系で点群32に属するた
め、その結晶の結晶切断角(カット角)を適切に設定す
ると、四隅が振動の節点となるラーメモード振動子とし
て実現することができる。このときの結晶切断角θは4
5゜、カット角φは10゜または110゜に形成する
と、一次の温度係数αはα=0となり、周波数温度特性
は良好になる。
【0011】以下その理由を水晶振動子と特性を比較し
ながら述べる。一般にラーメモードを励振するために
は、図1に示すランガサイト21の幅方向(X方向)
と、長さ方向(Z方向)の弾性コンプライアンス定数s
11 E=s33 Eが等しく、幅方向と長さ方向の横効果圧電定
数d21とd23の符号が逆であることが求められる。図3
に圧電結晶ランガサイトのθ=45゜(θは結晶切断
角)における弾性コンプライアンス定数s11 E=s33 E
カット角φ依存性を示す特性曲線図で、図中太い実線は
水晶振動子の弾性コンプライアンス定数を示し、破線は
圧電結晶ランガサイトの弾性コンプライアンス定数を示
すもので、いづれもθ=45゜である。この図3からφ
=0〜180゜のすべての範囲で弾性コンプライアンス
定数s11 E=s33 Eが得られ、ラーメモード励振が可能と
なる。
【0012】次にX方向伸縮ひずみに関係する横効果圧
電定数d21とZ方向伸縮ひずみに関係する横効果圧電定
数d23のθ=45゜におけるカット角φ依存性の特性曲
線図を図4に示す。この特性曲線図からφ=0〜180
゜のすべてのカット角においてd21=−d23となり、d
21とd23は大きさが等しく符号が逆になる。
【0013】以上の関係から上記形態においては、横効
果圧電定数d21,d23が零となる点を除いてφ=0〜1
80゜の範囲においてラーメモード振動子が構成可能に
なる(結晶の対称性を考慮するとφ=0〜360゜の範
囲でラーメモードが励振可能である)。
【0014】上記形態をデバイスとして応用する場合、
温度変化に対して周波数特性が安定であることが必要で
ある。デバイスの温度tに対する周波数偏差Δf/fは
テイラ展開の3次の項まで考慮に入れると以下のように
表される。
【0015】Δf/f=α(t−t0)+β(t−t0
2+γ(t−t03 次に、辺比l1/l3=1の正方形板ラーメモードランガ
サイト振動子のθ=45゜におけるカット角φと一次の
温度係数α、二次の温度係数βの関係の特性曲線図を図
5に示す。この図5において、カット角φ=10゜と1
10゜において、一次の温度係数αが零となる。特にカ
ット角φ=110゜では、二次の温度係数βが約−2.
0×10-8/℃と小さく温度特性の良好な素子が実現で
きる。
【0016】図6は、水晶振動子と圧電結晶ランガサイ
トのそれぞれの基板を使用した正方形板ラーメモード振
動子のθ=45゜におけるカット角φと周波数定数の関
係の特性曲線図で、この図6において、素子板の寸法は
1,l3=1.2mm、t=55μmのものを使用し
た。なお、水晶板ではカット角φ=0〜180゜に対し
て、周波数定数は240〜370kHz・cmの範囲で
変化している。一方、圧電ランガサイト板は、変化量が
170〜250kHz・cmの範囲で変化している。特
に、ランガサイト板は、水晶板に比較して周波数定数が
小さく同周波数の素子を構成する場合には小型化が可能
である。
【0017】振動子を電気的素子として利用する上で
は、容量比γは大変重要なパラメータである。この容量
比γとランガサイトラーメモード振動子(θ=45゜)
のカット角φの関係を特性曲線で示したものが図7であ
る。
【0018】なお、l1,l3=1.2mm,t=55μ
mの素子を使用した。この図7から明らかのように、容
量比γがカット角φに依存して大きく変化していること
が判る。一次の温度係数αが零となるカット角φ=10
゜、110゜の時、容量比γはそれぞれ300、720
で実用的な値が得られた。
【0019】なお、上記この発明の実施の第1形態にお
いては、l1=l3の素子について述べてきたが、l1
3の比が整数比を持つ振動子であれば、ラーメモード
振動子として使用することが可能である。
【0020】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
結晶切断角θ=45゜±5゜の時、カット角φ=0〜3
60゜において、ラーメモード励振が可能であり、特に
φ=10゜または110゜の時に、一次の温度係数α=
0となるため、周波数、温度特性の優れた振動子が得ら
れる。また、ラーメモードを振動姿態として使用してい
るために、特性の劣化を招くこと無く保持ができる。さ
らに、水晶振動しと比較して電気機械結合係数が大きい
ため、容量比の小さな振動子を形成することができると
ともに、周波数定数が小さいため同周波数の素子であれ
ば小型化が可能となるなどの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の第1形態を示す圧電結晶ラン
ガサイトにおける2軸回転の振動形状と座標系を示す構
成説明図。
【図2】弾性コンプライアンス定数s11 E=s33 Eのカッ
ト角φ依存性を示す特性曲線図。
【図3】横効果圧電定数のθ=45゜におけるカット角
φ依存性の特性曲線図。
【図4】カット角φと一次の温度係数α、二次の温度係
数βの関係を示す特性曲線図。
【図5】正方形板ラーメモード振動子のθ=45゜にお
けるカット角φと周波数定数の関係を示す特性曲線図。
【図6】容量比γとランガサイトラーメモード振動子
(θ=45゜)のカット角φの関係を示す特性曲線図。
【図7】シリンダ形水晶振動子の構成説明図。
【図8】ラーメモードにおける圧電振動子の構成説明
図。
【符号の説明】
21…圧電結晶ランガサイト 22…電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電結晶ランガサイトの結晶切断角θ
    が、θ=45゜±5゜の範囲で、かつカット角φが、φ
    =0〜360゜でラーメモード振動が可能となるように
    形成したことを特徴とする圧電振動子。
  2. 【請求項2】 前記カット角φがφ=10±10゜また
    はφ=110±10゜の範囲に形成された請求項1記載
    の圧電振動子。
JP13624197A 1997-05-27 1997-05-27 圧電振動子 Pending JPH10327038A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6285112B1 (en) * 1997-03-14 2001-09-04 Ngk Insulators Ltd. Surface acoustic wave device comprising langasite single crystal substrate
US6545394B2 (en) 2000-11-17 2003-04-08 Piedek Technical Laboratory & Quark Crystal Technical Laboratory Inc. Lame mode quartz crystal resonator
JP2005094727A (ja) * 2002-11-11 2005-04-07 Piedekku Gijutsu Kenkyusho:Kk 水晶振動子、水晶ユニット、水晶発振器とそれらの製造方法
JP2007518312A (ja) * 2004-01-15 2007-07-05 ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー 結晶振動子
JP2014093626A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Kyocera Crystal Device Corp 圧電振動子

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005094727A (ja) * 2002-11-11 2005-04-07 Piedekku Gijutsu Kenkyusho:Kk 水晶振動子、水晶ユニット、水晶発振器とそれらの製造方法
JP2007518312A (ja) * 2004-01-15 2007-07-05 ザ・ユニバーシティ・オブ・シドニー 結晶振動子
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