JPS5837150Y2 - 圧電型水晶共振子 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案はＩ ＭＨｚまたはそれ以上の周波数で動作する
高周波共振子に使用する、新規かつ改良した水晶共振子
に関する。

通信機器、フィルタ、コンピュータ等のような各種の電
子機器において一定周波数を維持するために、水晶は多
年にわたって広く使用されてきた。

周波数基準としての水晶の他の用途は、極く最近の腕時
計を含む時計がある。

現在では水晶を使用する時計は比較的低い周波数で動作
しており、そのように低い周波数すなわち８１９２〜３
２７６８ Ｈｚの周波数は、従来の機械的または初期の
電子時計で可能であったものよりも非常に優れた確度を
有するが、より高い周波数を使用することによりその精
度を高くすることが知られている。

たとえば、１ＭＨｚ以上の周波数では、従来よりも少く
とも４倍の精度を得ることが可能であることが期待でき
る。

しかしこのように高い周波数を使用するためにはいくつ
かの問題を解決せｈばならない。

そのような問題の１つに要求された周波数確度の水晶共
振子を安価に容易に製造することがある。

腕時計についていえば、全ての部品をできるだけ小型に
せねは゛ならないことは明らかである。

１ＭＨｚ以上の周波数を発振する従来の水晶共振子は円
形のレンズ形が多い。

このような形状の水晶共振子は容積の問題、製作や装着
が困難である等の問題がある。

結合効果や境界条件を考慮した時、固体の振動の全体的
な解析によっても解くことができない問題がある。

したがって、円形水晶共振子に対しては、支持部材を取
り付けるべき節点を前もって決定することは現在は可能
ではない。

種々の結合効果にかんがみて、多くの水晶片では製作が
十分に進行しなければ検出できない寄生振動がある。

それ放任上げをよって、その水晶片を廃棄しなければな
らないことがある。

そのようなレンズ形水晶片は比較的大きな質量のために
耐衝撃性に欠ける点がある。

本考案は水晶振動片に関する最近の進歩した理論を利用
して、従来の高周波共振子の欠点を解消するものである
。

周知のように、水晶振動片は天然水晶結晶からある軸に
従って切り取られる。

水晶から平行平面を有する平らな板または棒が得られる
場合に、カットという用語は大きな表面に対して垂直な
方向を示すために用いられる。

したがって、Ｘカットは水晶結晶のＸ軸に平行な主面に
垂直方向にカットする。

同様にＹカットとＺカットはＹ軸およびＺ軸にそれぞれ
平行な主面に対して垂直な面を有する。

替に、Ｘ軸を中心にして水晶を所定角度だけ回転させる
ことにより、ある種の利点が得られることも知られてい
る。

このようにすることにより周知のＡＴカットおよびＢＴ
カットが得られる。

本考案による共振子は回転したＹカット水晶片により構
成される。

従って、そのような回転カットに対してＸ軸以外の軸に
一ついて言及する場合には、Ｙ′。

Ｚ′という記号を用いて回転軸（ｒｏｔａｔｅｄ ａｘ
ｅｓ）を示すことにする。

本考案はショックレイ（Ｓｈｏｃｋｌｅｙ）によりエネ
ルギ・トラッピング（ｅｎｅｒｇｙ−ｔｒａｐｐｉｎｇ
）として初めて述べられた現象を考慮するもので、この
現象では水晶片の厚みせん断振動は電極の下に集中し、
そこから縁にかけて指数的に減少する。

たとえばＷ、ショックレイ（Ｗ、 ５ｈｏｃｋｌｅｙ）
他による論文水晶フィルタ結晶における捕えられたエネ
ルギモード（Ｔｒａｐｐｅｄ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｏｄｅ
ｓｉｎ Ｑｕａｒｔｚ ＦｉｌｔｅｒＣｒｙｓｔａｌｓ
） 、米国音響学会誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ
Ａｃｃｏｕｓｔｉｃａｌ ５ｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍ
ｅｒｉｃａ） 、第４１号、 １９６７年発行、を参照
されたい。

レンズ形物体の振動について理論的に知りたい場合には
、１９５４年発行のジャーナル・オブ・アプライド・フ
ィシツクＸ （Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ）第２５巻第１号所載のＲ，Ｄ、マイ
ンドリン（Ｒ，Ｄ。

Ｍｉｎｄｌｉｎ）他による一定形状の水晶片の厚みせん
断およびたわみ振動（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ５ｈｅａｒ
ａｎｄＦｌｅｘｕｒａｌ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ
ｏｆ Ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ ＣｒｙｓｔａｌＰｌａ
ｔｅｓ、または１９６０年発行のフォーターリ−・オブ
・アプライド・メカニックス（Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ
ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ）第１８号所
載のＲｏＰ、ジエラルド（Ｒ，Ｐ、Ｊｅｒｒａｒｄ）
ニよる水晶片ノ振動（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｑ
ｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｌａｔｅｓ）を参照さ
れたい。

エネルギー・トラッピングの原理は一定外形の水晶片に
も等しく適用されるように思われる。

Ｙ軸に平行な電界が存在すると、電極の下の部分のＸＹ
面内に他の場所よりも高い密度のせん断ひずみが生ずる
ことが見出されている。

これは平面板と考えることができる。

そのために円形の水晶片を作る本質的な理由がなく、か
つ多くの見地から最も最適な形状は幅方向の全体にわた
って金属層を付着し、長さ方向においては一部分にだけ
金属層を付着させた細長い棒状の形である。

したがって、本考案はＹ軸からある角度回転した方向に
沿って水晶結晶から切り取られ、厚みせん断モードで振
動するように構成される圧電型共振子において、この圧
電型共振子はＸ軸またはＺ軸に沿う細長い棒状であって
ＸＺ′面とＹ’Ｚ’面またはＸＺ′面とＸＹ’面にそれ
ぞれ平行な平面内に長方形の横断面を有する棒状であり
、この棒のＸＺ′面と同じ方向に走る表面の中心部に電
極となる金属層が付着される水晶共振子を提供するもの
である。

以下、図面に示す実施例を参照して本考案を詳細に説明
する。

第１図は水晶片のＹ軸に沿って電界Ｅが加えられた時に
、水晶片中にひずみが生ずる有様を示すもので、そのう
ちの主要な効果はＸＹ面内でのせん断振動である。

このような水晶はある温度係数で示されるような、温度
による周波数の変化を示す。

そのような温度係数は小さくすることができ、水晶片を
切り取る時にＸ軸を中心に＋３５°または一４９°回転
させた方向に沿って水晶片を切り出すことにより、ある
温度範囲では温度係数を零にすることもできる。

第２図を参照されたい。このようにして切り取られた水
晶片はそれぞれＡＴカッ）、ＢＴカットと呼ばれている
。

本考案の一実施例はＡＴカット水晶片を用いるもので゛
、このＡＴカット水晶片では基本モードでの通常の周波
数範囲は約１〜２０ ＭＨｚである。

このＡＴカット水晶片では周波数定数には約１６７０
ＫＨｚ／ｍｍである。

したがって、ＡＴカットに対する第１図に示す水晶片の
厚みｅは、この定数を実際に希望する周波数で割ること
により得られる。

高い周波数に対しては周波数定数が約２５５０ Ｋ）ｆ
ｚ／ｍｍであるＢＴカットを用いることかで゛きる。

この種の共振子の第１のものは四角形水晶片であって、
第３図に示すように電極により四隅を支持され、これら
の電極を介して励振される。

第３図で１はカットされた水晶片、２は上部電極、３は
下部電極である。

このような構成では実際には不安定で゛あることがわか
ったので゛、円形の水晶片を用いるようになった。

第４図に示す円形水晶片では４は水晶片、５は電極で、
この電極は水晶片の両面に直接蒸着させることができる
。

電極５は一対の支持部材６，７によりはさまれる。

これらの支持部材は水晶片を電子回路に結合させるため
にも用いられる。

低周波に対してはこの共振子は対直径厚み比が小さくな
ければ使用に耐えないことが知られている。

また、円形水晶片の円周部を薄くすることによりこの欠
点を小さくすることも知られているから、第４図に示す
ものと比較して直径の小さな水晶片を用いることができ
る。

その結果として、低周波に対してはレンズ形になる。

所定の直径に対しては、１〜３ＭＨｚの周波数では第５
図ａに示すように両面凸の形を使用でき、３〜１０ＭＨ
ｚの周波数に対しては第５図すのように一方が平面で一
方が凸面の形を使用でき、１０ ＭＨｚ以上の周波数に
対しては第５図Ｃに示すように両面が平行な面を使用で
きる。

この全ての場合に水晶片は円形であって、第５図ｄに示
すように中心部に電極が取付けられる。

第６図はエネルギ・トラッピングの原理を示すもので、
水晶片４の中心部に電極が付着され、この電極の下に振
動が集中し、水晶片の縁部にいくに従って第６図すに示
すように指数関数的に振動が減少する。

第７図は凸レンズ状の水晶片にこの原理を用いた例を示
すもので、第７図ａは電極を付着させた場合と、付着さ
せない場合の水晶片の２種類の形を示し、第７図すは第
７図ａに示す水晶片においてその中心部から縁部にかけ
て振動がどのように変化するかを示す。

第８図はこの原理を本考案に応用した例を示すもので、
この例ではせん断ひずみが電極の下に生じ、しかもその
せん断が棒状水晶片の端部よりも電極のすぐ下の方へ行
くにつれてはるかに大きい。

したがって、第９図ａ、ｌ）および第１０図に示す本考
案の実施例における水晶片４はＹ軸から回転させた軸に
沿ってカットした棒状水晶片で、電極５はその最も広い
面、すなわちＸＺ′面またはＺ′Ｘ面に平行な面の全幅
にわたって付着される。

しかしこの電極はその表面の長さ方向に対しては、中心
部の比較的狭い範囲に限られる。

このようにして構成されたこの水晶共振子では、振動エ
ネルギは中心部に集中し、両端部は事実上振動せず、節
点と考えられることができる。

これは上述したカットをするとたわみ振動は棒状水晶片
の幅方向に発生して長さ方向には生じないからである。

このような構造の水晶発振器は高周波共振器として全く
適当である。

低周波に対しては水晶片の中心部の厚みを厚くすること
ができる。

これまでエネルギ・トラッピングとして説明してきたも
のは、実際には簡単な現象から生ずるすなわち、水晶片
の中心部と縁部との間のエネルギ配分の不一致によりこ
れら２つの部分の固有振動数か異なる。

したがって、第９図ａのＸＹ’面に沿う例と、第９図す
のＺ’Ｙ’面に沿う例はほとんど重要ではないように考
えられ、第１１図ａ−ｇに示す変形例は全て同様に可能
である。

第１１図ａに示す例は機械加工が容易であり、第１１図
Ｃに示す例はエツチング加工により作られる。

これらの例は電極金属層（この金属層の厚みは厚くすべ
きでないことは明白である）が、水晶片の中心部と縁部
では所望の差を生じさせるほど厚くない場合に使用でき
る。

第１１図ｇに示す例は特に有用なもので、その端部は円
筒形を呈し、電極が付着される中心部は平らである。

この例では帯域幅測定の結果から得られた性能係数Ｑ８
は、等価回路から計算により得られた値と等しいことが
知られている。

そのために設計が簡単となるが、これは第１１図ａ、ｌ
）、ｄ、ｅではできないことである。

これらの水晶片を装着する場合には、長さと厚みの比は
、寄生振動なかんずくたわみ振動モードが生じないよう
に選択すべきことをもちろん理解されたい。

水晶片の長さと電極の長さの関係についても同様な考慮
を払うべきである。

そうすると、棒状の水晶片の端部は動かず、第１２．１
３図に示すように使用できる。

第１２．１３図で４は水晶片、５は電極、６，７は取付
ネジを示す。

なお、本考案の主な実施の態様を以下に列挙する。

（１）実用新案登録請求の範囲に記載の圧電型共振子に
おいて、棒の両端は支持点として機能してなる圧電型共
振子。

（２）実用新案登録請求の範囲に記載の圧電型共振子に
おいて、水晶はその長さに沿って一様な横断面を有して
なる圧電型共振子。

（３）実用新案登録請求の範囲に記載の圧電型共振子に
おいて、水晶片の横断面はその長さに沿って変化してな
る圧電型共振子。

（４）実用新案登録請求の範囲および第３項に記載の圧
電型共振子においてＸＹ’面またはＺ’Ｙ’面に平行な
平面内の水晶の形は、中心部の厚みが端縁部の厚みより
も厚いものである圧電型共振子。

（５）第４項に記載の圧電型共振子において、金属層が
付着されている少くとも一方の表面の中心部は平らで、
その端部は丸凸状である圧電型共振子。

（６）本文に詳記し図面に記載の圧電型共振子。

【図面の簡単な説明】

第１図は電界の作用の下に水晶片が厚みせん断ひずみを
行う様子を示す斜視図、第２図はＡＴカットおよび゛Ｂ
Ｔカットを行うための水晶の軸の回転を示す線図、第３
図は初期の水晶共振子を示す分解斜視図、第４図は現在
用いられている水晶共振子の一例の構成を示す斜視図、
第５図は種々の周波数範囲で用いられる水晶片を示す図
、第６図はエネルギ・トラッピングの原理を示す図、第
７図は電極と外形の影響を示し、第８図は本考案の原理
を示す線図、第９図ａ、ｌ）は本考案による金属層を付
着された水晶片の２つの例を示す斜視図、第１０図は高
周波水晶片を得る構成を示す図、第１１図ａ−ｇは本考
案の種々の変形例を示し、第１２゜１３図は本考案の水
晶片の装着方法を示す略図で、図中１，４は水晶片、２
，３．５は電極、６，７は取付ばねを示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 約Ｉ ＭＨｚ以上の周波数で振動する時計用の圧電型共
   振子において、厚みせん断モードで振動しかつ水晶結晶
   体をＡＴカットして作られた長四辺形棒状水晶片からな
   り、この水晶片は水晶結晶体のＺ′軸に沿って延在しか
   つｘｚ’およびｘｙ’（ｚ’、ｙ’はいずれも回転軸）
   平面に対してほぼ平行な平面に四辺形の横断面を有し、
   さらに前記水晶片の長手方向端部はこの水晶片の支持点
   として用いられ、さらに前記水晶片はＸＺ′面と同じ方
   向に走る各表面の中央部に完全に制限された電極として
   作用する金属層を有し、この金属層は各表面の中央部に
   おいて長さ方向に関してかなり小さくかつ幅方向には全
   幅にわたって延在しており、これにより前述した水晶片
   のかなり小さい中央部でほぼ制限されたエネルギ・トラ
   ッピングモードの振動を行なうことを特徴とする圧電型
   水晶共振子。