JPS6125247B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

輪郭すべり振動子は一般的に中央部の振動の節
点で固定支持して利用されている。とくに振動の
安定性を重点とする水晶振動子等ではその振動の
節点に細線（ワイヤー）を半田溶着せしめ、これ
で電気的なリードと機械的な支持を兼ねさせる、
いわゆるワイヤーマウント方式をとり、保持器に
組込んだのち、密封して利用されているものが多
い。しかし、下記の如き性能上の問題点が発生し
ている。 (1) 細線を正しく振動子の節点につけることが困
難であるため、この細線の機械振動系や、これ
を保持する保持器の機械振動系が主振動体に比
較的大きく結合するために振動子としての性能
が悪化する。 (2) 細線で吊るという組込方式をとるために機械
的強度が弱い。 (3) 支持のために半田溶着を行う振動子の節点は
振動偏位の最小点ではあるが、この点の振動歪
は最大であり、このため半田溶着の際に発生す
る加工歪や吊綜支持の張力などによる悪影響が
こゝに存在する。 これらの欠点のために上記のような従来の輪郭
振動子の用途及び性能には一定の限界があつた。
また、輪郭すべり振動子は設計が簡単で製作の容
易なことから、正方形板状の形状のものが多い。
例えば水晶振動子でDTカツトと呼ばれるものが
それであり、これらは常温附近に周波数零温度係
数をもつものとして著名である。また第１図の如
く水晶結晶軸のＸ軸方向に長い矩形DTカツト
（別名SLカツト）振動子は正方形の場合よりもイ
ンピーダンスを低く設計できるために利用範囲が
広い。しかしこの振動子は第２図に示す如く長さ
と巾寸法で決まる高次屈曲モードや長さと厚み寸
法で決まる高次屈曲モードが、主輪郭すべりモー
ドに強く結合して性能に悪影響を及ぼす欠点があ
る。とくに長さと巾寸法で決まる高次屈曲モード
の結合は非常に強く、周波数定数対辺比（ｗ／
ｌ）を示す第３図にみられるように結合の少ない
巾と長さとの辺比（ｗ／ｌ）の点P₁，P₂.P₃を選
んで設計されているが、これら（探針法にもとづ
く電気偏極分布が最小である）理想的な設計値に
あつてもなお屈曲モードの結合による悪影響がみ
られる。文献１（昭和40年度電気通信学会全国大
会104号 岡野：SLカツト輪郭すべり振動子の諸
性質について） これの解決策として、文献２（IEEE
Transaction on sonics and Ultrasonics Vol.17
No.1JAN.1970；J.J Royer；Ａ New DT Quartz
Resonator）が新しに提案を行なつている。 この文献に示される振動子では矩形DT板の輪
郭すべり振動子の長手方向の両端A₁，A₂部分を
第４図に示す如く、ほゞ同寸法で対称に斜めに切
り取り先に述べた巾と長さとの寸法で決まる屈曲
モードは励振しにくく、輪郭すべりの主振動との
結合が弱めている。 また、同時に輪郭すべりモードのエネルギーを
中央部に閉じ込め両先端部では振動エネルギーが
最少となるように設計して、この両先端部を固定
して使用し、不要副振動の少ない振動子としたも
のである。しかし、これとても次の理由により振
動子を小型化するにはなお不満が残る。 (1) 振動エネルギーが閉じ込められる有効部分に
比して、振動エネルギーの減衰部分（斜めに切
り取られた両端部分A₁，A₂）の無効部分が大き
く、これが小型化の大きい障害となつている。 (2) A₁，A₂部分は片側のみを切り取る形状であ
るためにこの部分の先端部は長手方向の輪郭す
べり振動の中性点からはずれることになり、こ
の部分の残留エネルギーが大きくなりやすい。
そのために、この部分をマウントした場合には
主振動に性能上の悪影響（発振強度が悪くなつ
て励振しにくくなることや、周波数温度特性の
バラツキが大きくなることなど）を及ぼすこと
がしばしば発生する。 本発明は上記の欠点を極力少なくし、超小型化
して、しかも高性能を維持するよう工夫された新
しい輪郭すべり振動子を提供するものである。 すなわち、第５図に示す如く、長方形の輪郭す
べり振動子の片端部のみを直線（第５図Ａ）又は
ゆるい曲線（第５図Ｂ）で両側からほゞ同量に斜
めに（B₁，B₂部分）切り取つた形状とするもの
で、このようにすることによつて長さ方向の輪郭
すべり振動の振動エネルギーは（長さ方向の）輪
郭の平行部分にほゞ閉じ込められる。そして、長
手の片端部を両側から斜めにほゞ同量だけ切り取
つた部分は振動エネルギーの減衰部分となつて先
端部にゆくにつれて、漸次減衰するような振動姿
態となる。このような形状をとるときは、前にも
述べた如く第３図や、文献２にも記載されている
ような長さと巾の両寸法で決まる強力な高次屈曲
振動の励振が弱められて、その輪郭すべり主振動
に対する結合も極度に弱まる。また、斜めに切り
取られた先端部では前記したように振動エネルギ
ーが最小となつて、振動の偏位も振動応力も、そ
もに最小となるので、この先端部で振動子を片持
ち支持することによつて、前記したワイヤーマウ
ント方式の欠点を完全に解消できることになる。
しかも、斜め切り取り部分B₁，B₂は長方形状の
片端部分のみであり且つ、その形状は長手方向の
輪郭すべり振動の中性線に対してほぼ対称である
から、文献２に示されている非対称の切り取り形
状よりも先端部に於ける残留振動エネルギーを可
成り小さくすることができる。このため文献２で
示された振動子形状の場合よりも、長さ寸法を1/
２〜2/3にしても同等の性能を得ることが可能とな
る。 また、次にこの振動子の支持は第６図に例示す
る通り、前記の斜めに切り取つた先端部分に金属
蒸着薄膜や印刷厚膜の技術によつて、下地金属膜
を附着し、その上に半田や他の合金又は導電性の
接着剤で保持器や引出線に固定する構造とする。
これによつて機械的な強度はワイヤーマウント方
式より遥かに強力なものとなる。 次に、振動子としての性能を確保するには、振
動体の形状、輪郭寸法の関係は重要である。すな
わち、この振動子の先端部に於ける振動エネルギ
ーの大きさは、その振動の共振周波数及び斜めに
切り取られた部分B₁，B₂の長さ寸法（第５図に
示した寸法l′）やその先端部に於ける切り取り量
（第５図に示した寸法ｗ―w′）等によつて決ま
る。実験によれば実用上、使用可能な振動子では
l′寸法は輪郭すべり振動共振周波数の振動体上の
1/2波長（基本波の場合は巾寸法ｗ、倍調波の場
合はw/n．ｎ：倍調波次数）の３倍以上を必要と
する。 また、有効な閉じ込めエネルギーを充分活用す
るためには長さ方向の輪郭の平行部分ｌ―l′を全
体の長さ寸法の25％以下とすることは得策でな
い。従つて、全体の長さ寸法は上記振動体上の1/
２波長の４倍以上とするような制限が上記に加わ
ることになる。 また、巾方向の切取り量ｗ―w′は（その切り
取られる形状によつて一義的に決められないが）
上記振動体上の1/2波長のほゞ半分以下とするこ
とが必要である。 また、本発明の振動子は長手の片端のみを加工
してこの先端部を固定支持することを特徴として
いるが、もう片方の自由端についてはエツヂモー
ドの振動などの抑圧のために多少の面取りを施す
ことなどは性能を向上させる手段として有効であ
る。 この輪郭すべり振動子では倍調波振動も容易に
励振できる。そのときの振動体の形状、寸法は巾
寸法を「倍調波次数分の１」として計算したもの
で充分である。倍調波振動の場合は、支持によつ
て発生する（主振動への）悪影響が同一形状の基
本波振動モードの場合よりも極めて少なくなるた
めに非常に有効である。この振動子を励振するた
めの電極の配置は第７図にその一例を示す。図中
イは全面電極、ロは部分電極、ハは３次倍調波振
動を励振させるための部分電極の一例であり、イ
の全面電極よりも、有効部分にのみ電極のあるロ
の方が優れた特性が得られる。ハは３次倍調波振
動の場合の例示であつて、巾方向に３分割した部
分電極で、相隣る電極には交互に＋，−の電界が
加えられるように工夫されている。そして、この
場合は厚みすべり倍調波振動子の場合のように容
量比を大きく悪化させることがなく、これは大き
な長所となる。 また、倍調波次数は３次よりも更に高次とする
ことが可能であり、輪郭仕上、面仕上の平面度の
高度化の工夫によつてVHF帯までも励振可能と
なる。なお、偶数次の倍調波についても電極配置
を偶数分割することによつて励振可能である。次
に水晶のDTカツトでつくられた本発明の振動周
波数温度特性は元来、３次曲線形状の特性である
が、（文献２にもみられるように）振動のエネル
ギーが閉じ込められる有効部分ｌ―l′の寸法が前
記した振動体上の1/2波長（基本波では巾寸法）
の５倍程度の低い周波数帯のものでは周波数温度
特性の変曲点温度が高いために常温附近では２次
曲線形状巾がみられるが、前記した寸法ｌ―l′が
振動体の1/2波長の20倍程度以上になると漸次変
曲点温度が下り、常温附近でも３次曲線の形状を
示すようになり、これまた大きな特長となる。水
晶の場合の一実施例を下表に示すが、これは超小
型化の可能性を示唆するものである。

【表】 本発明はIC化時代に適合した振動子として中
波帯から短波帯の周波数領域をカバーできるもの
として大いに期待でき、輪郭仕上精度によつては
VHF帯にも及ぶ可能性をもつている工業上有効
な発明と云うべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は矩形DTカツトの切断方位を示す図。
第２図は矩形板状に発生しやすい高次屈曲モード
の振動態様の図。第３図はDTカツトの辺比
（ｗ／ｌ）に対する周波数定数が巾屈曲振動の強
力な結合のために不連続となつていることを示す
図。第４図は（文献２に示された）従来の振動子
の形状。第５図は本発明の振動子の形状の図。第
６図は本発明の振動組込支持方法の一例。第７図
は本発明の電極配置の一例でイは全面電極、ロは
部分電極、ハは３次倍調波を励振させるための３
分割部分電極の表、裏を示したもの。 １……圧電振動体、２……半田又は合金で固定
した支持部分、３……振動体を支えるベース、４
……電気的に励振するための電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 振動の主偏位方位にｌなる長手方向寸法を有
   すると共に幅寸法がｗなる輪郭すべり圧電素子の
   一端部から他端部に向け長さl′に亘つてその幅員
   を幅方向両側についてほゞ等しく直線的或は緩や
   かな曲線状に漸増せしめ、最も幅員が小となる幅
   寸法w′の前記圧電素子の一端部にて片持支持す
   る片持型輪郭すべり圧電素子に於いて、前記寸法
   l′を前記圧電素子の共振半波長の３倍以上且つ前
   記幅員の寸法変化量ｗ―w′を前記半波長の４倍
   以上としたことを特徴とする片持型輪郭すべり圧
   電振動子。