JPS6144408B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は輪郭振動モード圧電振動子の支持手
段、振動子のカツト角、寸法に関するものであ
る。 本発明の目的は輪郭振動モード圧電振動子にお
ける支持手段の改善により、製造の容易さ、量産
性を向上させるとともに、支持によるエネルギー
損失の低減を図ることにある。 近年、時計の電子化が進められておりその代表
的な例として音叉型屈曲水晶振動子及び厚みすべ
りATカツト水晶振動子を周波数標準として用い
た水晶腕時計が実用化されている。これらは比較
的入手しやすく特性の安定した水晶を用いてお
り、前者は支持の容易さ、加工の容易さといつた
点で、後者は周波数―温度特性の優秀さといつた
点で大きな特色を有しており、それぞれの適した
分野で数多く使用されている。音叉型屈曲振動子
を除いた輪郭振動については、周波数―温度特性
が優れているものもあるにかかわらず支持の困難
なことによつてあまり使用されておらず、その研
究、開発は十分行なわれていなかつた。例えば
GTカツト水晶振動子を例にとつて説明するなら
ば、周波数―温度特性は先に述べたATカツト水
晶振動子とくらべても何ら遜色はないが支持手段
が第１図に示すごとく複雑で塾練がいる内容のも
のであつた。即ち第１図において、従来より用い
られている標準用の周波数100KHzの水晶ブラン
クの長辺、短辺、厚みは各々38.4×32.9×３（単
位（：mm）とかなり大きく、更にGTカツト方式
は水晶原石からのカツト角が特殊（２回回転）な
ため大きな原石を必要とし高価なものであつた。
このような水晶ブランク１の面に垂直にヘツデツ
ドワイヤ等の保持線２の一端を固着し、他端を支
持柱３に連結することにより支持していた。つま
り水晶ブランク１の保持位置に銀点を焼成により
固着し、これにハンダ錐５ａを設け保持線２を銀
点に垂直に固着している。保持線２の他端は基板
６に固定され、外部回路と導通のとれている支持
柱２にハンダ５ｂで固定されている。この保持線
２は振動子のハンダ錐の頂点がその振動周波数に
おいて振動の節となるように調整する必要があ
る。したがつて第１図の状態でハンダボール４の
位置を調整してハンダ錐の頂点が保持線の振動の
節となるようにしていた。この作業は保持線２全
てについて行なわねばならず、非常に微妙で困難
な作業である。また図より明らかなように形状が
大きくなつてしまい、更にハンダボールの位置調
整の際にハンダ錐をとかしてしまう危険があるた
めに厚み方向の寸法を小さくするには限界があ
り、このために余分なスペースを取りすぎる問題
もある。ハンダボール位置調整の手間を省くため
に例えば周波数410KHzで長辺、短辺、厚みを
各々9.37×8.03×0.65（単位：mm）の小型のGTカ
ツト振動子を用い支持線の数を減らしたものがあ
る。つまり支持線を振動子の中央の節点に１本
（表，裏あわせて２本）にして支持しようとする
ものでなる。しかしながらこのようにしても大型
になつてしまい、またハンダボール調整作業も残
つているためにさほどの効果はない。以上の問題
点を解消しようとするために、第２図に示すよう
に振動部と支持部とを一体に成形することが考案
されている。つまり振動部の節線付近に支持部を
設けることにより、支持部を容易にし、かつ小型
にしようとするものである。第２図においてGT
板１０よりエツチングにより振動部１１と支持部
１２とが一体に形成されている。振動部１１はそ
の長辺、短辺、厚み4.9×4.2×0.04（単位：mm）
であり周波数が780KHz程度である。振動部１１
の節線１５付近で支持部１２と接続しており、支
持部の斜線部分１２ａで支持台に固定される。こ
の方式では第１図の支持線方と較べて作業が簡単
となり量産に向いているという利点があるが、小
型化という点では支持部が大きすぎて改善の余地
がまだある。更に振動部のエネルギーが支持部の
寸法を最適にしてもかなり支持部を通して支持台
等に漏れてしまうため、CICクリスタルインピー
ダンス）の増大、耐圧力性の悪化、周波数―温度
特性のバラツキ等の欠点が生じてしまい実用化す
るには無理があつた。 本発明は、上記従来法による輪郭振動子の大き
な欠点を除去せんとするもので、支持手段の改善
により、製造容易で支持損失の小さい特性の優れ
た振動子を提供するものである。 なお、従来の説明では輪郭振動モード圧電子と
してGTカツト水晶振動子を用いたが、以下で述
べる本発明の説明でもGTカツト水晶振動子を用
いる。 しかしながら、何らこれに限定するものでな
く、また、圧電材料も水晶に限られずＸカツトや
MTカツト水晶振動子も含み、他の圧電材を用い
てもかまわない。 本発明を図面にそつてその詳細を説明してい
く。 第３図は本発明の振動子単体を示す図であり、
第４図はその寸法の説明のための図で第５図はカ
ツト角を示している。第３図において、振動子２
１は水晶薄板よりフオトリソグラフイー技術によ
り振動部２６と支持部２５がブリツヂ３１を介し
て一体に成形されており、支持部２５はブリツヂ
３１を介して振動部２６と連結連動する弾性部部
３０、さらに接続部２９を介して一体に形成され
た減衰部２８、減衰部の一部に設けられており支
持材等に固着される固着部２７からなつていて、
弾性部３０、接続部２９および減衰部２８によつ
て平面的に矩形トラツク状の如き形状に形成され
ている。ここで第４図により各寸法を次のように
定める。振動部の長辺をＬ、短辺をＷとし、ブリ
ツヂ部３１の幅寸法はW₀、弾性部３０、減衰部
２８及びそれらの間のスリツトの幅をそれぞれ
W₁，W₂，W₃、支持部の幅をL₁とする。また振動
子が水晶の場合にそのカツト角は第５図でＹ板を
Ｘ軸（電気軸）まわりにψ゜回転しその主面内で
±θ゜回転したものとなつている。 水晶振動子の場合２次元の振動理論解析による
と、ψ＝45゜〜65゜でθ＝±（40゜〜50゜）のと
きに振動部の辺比ｒ（＝Ｗ／Ｌ）との適当な組合
わせにより良好な周波数―温度特性のものが得ら
れることが確信でき、更に水晶のエツチング異方
性、有効電界成分を考慮しても最適なカツト角で
あるということができる。ところで上記カツト角
と組合わされるべき辺比ｒは0.8〜0.96の範囲に
ある。理論解析結果について簡単に説明すると、
上記カツト角を有し、板厚の小さい振動板の場合
には、１次温度係数が零で２次温度係数もほぼ零
となる辺比ｒとの組合せが多数存在し、仕様によ
りかなり広範囲にわたつて振動子の設計が行なえ
るという大きな利点を有している。また振動モー
ドは短辺振動が中心である。（長辺振動との弾性
結合が生じている。） さて第３図の振動子２１において、有限要素法
（Finite Element Method）によりシユミレーシ
ヨンを行なつた結果、第６図に示すように非常に
効果の大きいことが確認された。第６図におい
て、振動子の対称性を考慮して第３図の1/4のみ
を示してある。第６図ａは振動していないときの
状態でわかりやすくするために拡大して書いてあ
り、同図ｂ，ｃはそれぞれ長辺振動、短辺振動の
モードの計算結果をわかりやすくするために拡大
して示してある。（２点鎖線が変形後、実線が変
形前の状態）図より明らかに、振動部２６でのモ
ードが乱されておらず、また固着部２７での変位
がほとんど零であることがわかる。このことより
本発明の支持部を有する水晶振動子が優れている
ということが言える。すなわちさほどのスペース
を必要としないで振動を乱さずに支持部（固着部
２７）を強固に固定できるという従来にない特徴
が表われている。 有限要素法により第４図の各寸法の最適値を求
めて、第３図の固着部２７を支持台に半田で固定
して共振特性、周波数―温度特性を測定した結果
次のようになつた。第１表に第４図で示した各寸
法を、第２表に共振特性の測定値、第７図に周波
数―温度特性の結果を示す。

【表】

【表】 非常に小型の振動子にもかかわらず非常に良好
な特性が出ており、本発明の効果は大きいことが
わかる。 さて、他の圧電材でも輪郭振動モード（特に縦
振動モード）の場合、本発明の支持部形状を適用
できることを確認してあることを付け加えてお
く。 次に以上のような振動子の本発明による支持手
段を説明する。 第８図はその一例を示し、３層のセラミツクプ
レート４１，４２，４３により振動子容器４０を
構成し、中間層のプレート４２及び上段のプレー
ト４１は容器内空間部を作るため適当な大きさの
穴があけられ、前記プレート４２と４１によつて
前記振動子の支持段部が作られる。従つて前記段
部に振動子２１の固着部２７が直接固定される。
そして、支持段部の振動子固着面には蒸着や印刷
等によりAu等の電極リード膜が設けられ、かつ
その膜はプレート４２，４３の外側の側面を介し
てプレート４３の一部下面まで引き出されてい
る。本実施例では容器４０を３層のプレートで構
成したが、これに限らず一体に成形しても良く、
またセラミツク等の絶縁物によらず無酸素銅等で
形成しても良いことは勿論である。前記振動子２
１は、固着部２７ａ，２７ｂがそれぞれプレート
４２上のAu膜４６ａ，４６ｂに接触するように
セツトされ半田等の導電性接合材料４７ａ，４７
ｂによつて固定されている。振動子２１の表，裏
励振用電極膜３３，３４は振動子の振動部２６上
の他に支持部２５上にも設けられており、振動部
２６と支持部２５上の電極膜３３，３４は表面で
はブリツヂ部３１ａ、裏面ではブリツヂ部３１ｂ
でそれぞれ接続されており、Au膜４６ａ，４６
ｂにそれぞれ異極の交番電圧を印加することによ
り振動部２６には板厚方向に電界がかかり振動す
ることになる。またセラミツクプレート４１には
ガラス４４が半田４５により接合されていて振動
子２１を気密封止するようになつている。以上の
説明で明らかな様に、支持が簡単でしかも強固に
固定できるので、作業が容易となり量産化しやす
いという利点があり、更に支持損失が小さいため
特性の良い振動子ユニツトとなる。また両端で支
持しているために衝撃等によるたわみ量が小さく
なるので、振動子２１とガラス４４及びセラミツ
クプレート４３とのすき間が小さくてすむという
効果も生じている。 他の実施例として第９図に示したように固着部
２７にガイド部材５０を設けたものがある。ガイ
ド部材以外は全て第８図と同様であり説明は省略
するが、ガイド部材５０は固着部２７に一体に設
けられ、セラミツクプレート４１の穴内径に案内
されるように形成されており、振動子をセツトす
る時にガイド部材５０により前記固着部が自動的
に位置決めが行なえるようにしてある。なお固着
部は本発明の支持部の場合には、ほとんど変位し
ていないのでガイド部材を設けたことによる特性
への悪影響はほとんどない。もし必要であれば、
半田４７ａ，４７ｂで固定した後、固着部２７の
くびれ部分５１を切欠し、ガイド部材５０を固着
部から取り去つてもよい。ガイド部の効果により
振動子のセツトが第８図と比較して楽になるので
工程を自動化しやすくなる。 第１０図ａ，ｂは支持材として振動子と同じ圧
電材を用いた実施例である。第１０図ａは平面図
でそのＡ―A′断面を第１０図ｂに示してある。
振動部２６と支持部２５はブリツヂ部３１を介し
て一体成形されていて、所定のカツト角及び寸法
を有している。更に支持部２５の固着部２７に
は、所定の幅寸法をもつた振動子２１を囲む枠部
２１ａが設けられておりその表，裏面にはAu膜
６０が約２μｍほどの厚みで付着している。ベー
ス６２は振動子２１と同じ圧電材よりなり、その
表面に設けたAu膜（図示せず）と枠部２１ａの
裏面に設けたAu膜（図示せず）とを半田等を介
して接々させて、固定及びシールの役目をしてい
る。更にキヤツプ６１も同じ圧電材よりなりその
表面にもAu膜（図示せず）が付着されており枠
部２１ａの対応したAu膜６０とを半田等を介し
て接合させている。なお第１０図Ａには真空封止
用のキヤツプ６１を省略してある。キヤツプ６１
及びベース６２にはそれぞれ微量のハーフエツチ
ングが施されていて振動子２１を封止する空間を
作つている。詳しく述べるために第１１図ａ，
ｂ，ｃに示した作業工程によつて説明する。３層
の圧電板はそれぞれ第１１図ａ，ｂ，ｃに示され
ており、全てフオトリンクラフイツク技術により
パツチ処理される。まず第１１図ｂは、ベースと
なる圧電板６２であり、圧電板ウエハー７３より
通常のフオト工程、エツチング工程を経てフレー
ム７４に接続部７５を介して連なつたベース６２
が一度に多数個作られる。この後に６３ａ部を数
μ〜数十μの深さでハーフエツチし、６３ａ部の
まわりにAu膜６０ｂを蒸着により付着させる。
次に同図ａに示すような振動部２６と支持部２５
と枠部２１ａを一体にして圧電板ウエハー７０よ
り上記技術を経てフレーム７１に接続部７５を介
して連なつたものを作る。この後に励振用及び引
出し電極膜３３ａ，３３ｂとAu膜６０ａをスパ
ツターや蒸着により付着させる。最後に第１１図
ｃに示すような圧電板ウエハー７６より上記工程
を経て、フレーム７７に接続部７８を介して接続
されたキヤツプ６１を作り、その片面にハーフエ
ツチングにより設ける深さ数μ〜数十μの６３ｂ
部とAu膜６０ｃが付加される。以上３枚の圧電
板は重ねると第１０図のようになり、それぞれに
設けられたAu膜６０ａ，６０ｂ，６０ｃが重な
りその部分に半田を介して熱及び圧縮力を加える
ことにより同時に封止でき、最終工程で接続部７
２，７５，７８を軽い力によつて破損させ１個１
個分離させる。このように第１０図及び第１１図
で説明した実施例では振動子の組立て工程が省略
されるだけでなく容易と振動子が同工程で同時に
多数個作られるために量産化、コストダウンに対
して非常に有効である。更に振動子を両端で支え
ているために衝撃によるたわみ量が小さいため容
器にほとんど空間がいらないこと、及び振動子を
台にセツトする必要もないので幅方向の空間（振
動子と容器の内壁の間隔）もほとんどいらないた
めに、かなり小型にできるという効果も生じてい
る。 次に弾性を有する板バネのような支持材にマウ
ントする実施例を第１２図に示す。振動子はフオ
トリングラフイツク技術により成形されるので厚
みを薄くする必要があるが、弾性材にマウワトし
た時に衝撃により振動子の両端での弾性材のたわ
み量が違うと振動子に曲げの力が働き振動子が破
損したり、周波数が大きく変化してしまう心配が
ある。本図に示す実施例はこの点を解消するため
のもので、振動子の両端での支持材のたわみ量を
常にほぼ等しくなるようにしたものである。図１
２において、簡単のために励振用電極は除いてあ
る。 コバー材よりなる円筒ベース８１には封止用コ
バーガラス８２が満されていて、その中をコバー
材よりなる板状のリード端子８３ａ，８３ｂが貫
通しており、洋白より作られた円筒キヤツプ８０
に圧入することにより振動子２１を封入してい
る。振動子２１は支持部２５ａ，２５ｂに設けら
れている固着部２７ａ，２７ｂでリード端子８３
ａ，８３ｂと半田等の導電性接合材８４ａ，８４
ｂにより固定されている。振動子２１の励振用電
極及び外部回路と導通のとれているリード端子８
３ａ，８３ｂと上記励振用電極の接続は第８図〜
第１０図で説明した実施例と同じ原理なので説明
は省いた。固着部２７ａを固定している点におけ
るリード端子８３ａのたわみ量及び固着部２７ｂ
を固定している点におけるリード端子８３ｂのた
わみ量はほぼ等しくなるように各リード端子を設
計してある。リード端子８３ａの先端に設けた８
５の部分はたわみ量を調整するために設けてあ
る。ここでリード端子のたわみ量に関して検討し
てみる。リード端子を先端に質量を有する片持ち
ばりとしてみた見合、そのはりの先端のたわみ量
y₁は第１３図の記号を用いると、 y₁＝Ｐ／３ＥＩl³ ＝Ｐｌ^３／３Ｅ・１２／ｂｔ^３ ＝（４Ｐ／Ｅ）・｛１／ｂ（ｌ／ｔ）^３｝ …(1) となる。ここでＥはヤング率、Ｐは集中荷重を示
す。従つて片持ちばりの先端でのたわみ量を調整
するには長さｌと幅及び厚さｔを変えれば良いこ
とになる。(1)式より最も簡単な方法はｌ／ｔの値
を変えることであると言える。更にはりの途中で
荷重を受ける場合のはりの先端のたわみ量y₂は第
１４図からａを支持点から荷重点までの距離とす
ると、 y₂＝Ｐａ^２／６ＥＩ（３−ａ） ＝Ｐ／６Ｅ・a²（3l−ａ）・１２／ｂｔ^３ ＝（２Ｐ／Ｅ）・｛１／ｂｔ^３・a²（3l−ａ）｝
(2) となる。このときは荷重点の位置とはりの各寸法
によりy₂は種々変化する。また第１２図のように
先端に付加質量（85）を加えて、(1)，(2)式のＰを
変える方法もある。以上のようにたわみ量を変え
る手段は多数存在するのでここではこれ以上言及
しないでおく。以上の検討よりリード端子への応
用としては、第１２図のような付加質量法、リー
ド端子の寸法変化、コバーガラスから固着部まで
のリード端子の長さ及び各寸法を等しくする方法
等がある。 以上、本発明を実施例とともに説明してきたが
その効果をまとめると次のようになる。 輪郭振動モード圧電振動子に対して振動エネ
ルギーの損失を極小にできる支持構造のため、
特性の良い安定したものが得られる。 支持方法が簡単で、しかもにより強固に固
定できる。 工程の自動化が容易で量産化が可能である。 外部回路との接続が容易である。 容器を小型化できる。 耐衝撃性が優れている。 周波数―温度特性の優れた水晶振動子が得ら
れ、しかも設計自由度が大きい。 これらのことより本発明の効果は非常に大きく
その工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のGTカツト水晶振動子の支持線
方式を示す概観図である。第２図は従来の支持部
と振動部とが一体に成形されたGTカツト水晶振
動子を示す平面図である。第３図は本発明の振動
子の実施例を示す平面図であり、第４図はその寸
法を説明する図である。第５図ａ，ｂは本発明の
水晶振動子のカツト角を示す図である。第６図
ａ，ｂ，ｃは本発明の圧電振動子の原理を説明す
る図である。第７図は本発明の水晶振動子の周波
数―温度特性を示す実験結果である。第８図ａ，
ｂは本発明の圧電振動子と支持方法と容器の一実
施例を示す平面図と断面図である。第９図は本発
明の圧電振動子と支持方法の一実施例を示す平面
図である。第１０図ａ，ｂは本発明の圧電振動子
と支持方法と容器の一実施例を示す平面図と断面
図である。第１１図ａ，ｂ，ｃは本発明の圧電振
動子と容器の製造方法を示す図である。第１２図
は本発明の圧電振動子と支持方法を示す断面図で
ある。第１３図及び第１４図は本発明の支持構造
の原理を説明する図である。 ２１……圧電振動子、２６……振動部、２５…
…支持部、３０……弾性部、２９……接続部、２
８……減衰部、２７……固着部、３１……ブリツ
ヂ部、３３……励振用電極、５０……ガイド部、
４１，４２，４３……セラミツクプレート、６
１，６２……圧電材、８３……リード端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ Ｙ板をＸ軸を中心に45゜〜65゜回転し、その
   主面内で±（40゜〜50゜）回転した薄板よりな
   り、短辺および長辺をもつ振動部をもつ振動部
   と、支持部と、前記振動部と支持部とを接続する
   ブリツジ部とからなり、一体に形成された輪郭振
   動モード小型水晶振動子であつて、前記支持部
   は、前記振動部の短辺のほぼ中央部にブリツジ部
   を介して接続される弾性部と、この弾性部に接続
   される減衰部と、振動子を支持する支持部材に固
   定される固着部とから構成されるとともに、前記
   振動部の短辺寸法と長辺寸法の比が0.8〜0.96で
   あることを特徴とする輪郭振動モード圧電振動
   子。