JP2007104431A - Piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、周波数温度特性や等価直列抵抗値の向上を図るための形状を有し、多元モードの振動特性の最適化を実現するための圧電振動子に関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator having a shape for improving frequency temperature characteristics and equivalent series resistance values, and realizing optimization of vibration characteristics of a multi-mode.
図２４に示すように、従来の一般的な圧電振動子１は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する圧電水晶体から所定のカット角で切り出された薄板状の振動部２と、この振動部２を取り囲むフレーム部４と、このフレーム部４の内周部の一端と前記振動部２の外周部の一端との間を結ぶ連結部３とを備えて形成されている。振動部２は、表面及び裏面に電圧を印加して所定の振動を取り出すための励振電極が形成されている。フレーム部４は、前記振動部２を支持してパッケージにマウントするためのもので、外部基板等との導通を図るための端子電極部５が設けられている。また、連結部３は、前記振動部２で発生する振動を妨げずにフレーム部４に繋げると共に、前記端子電極部５との導通を図るため、振動部２の外周部の一端からフレーム部４の内周部の一端に架け渡し形成されている。 As shown in FIG. 24, the conventional general piezoelectric vibrator 1 is a thin plate-like vibration cut out at a predetermined cut angle from a piezoelectric crystal having a three-dimensional crystal orientation composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis. Part 2, a frame part 4 surrounding the vibration part 2, and a connecting part 3 connecting between one end of the inner peripheral part of the frame part 4 and one end of the outer peripheral part of the vibration part 2. Yes. The vibrating part 2 is formed with excitation electrodes for applying a voltage to the front and back surfaces to extract predetermined vibrations. The frame part 4 is for supporting the vibration part 2 and mounting it on a package, and is provided with a terminal electrode part 5 for conducting with an external substrate or the like. Further, the connecting portion 3 is connected to the frame portion 4 without disturbing the vibration generated in the vibrating portion 2 and is connected to the terminal electrode portion 5 from the one end of the outer peripheral portion of the vibrating portion 2 to the frame portion 4. It is formed so as to extend over one end of the inner periphery of the.
また、前記振動部２においては、周波数温度特性の改善や等価直列抵抗値の低減化を図るために、異種の振動モードからなる多元の振動モードを備えたものが使用されるようになってきた。このような、異種の振動モードが結合された圧電振動子の一つとして、振動部の幅寸法によって振動周波数が決まる幅縦振動モードと、振動部の長さ寸法によって振動周波数が決まる長さ縦振動モードが結合されたＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子（ＮＳ−ＧＴカット水晶振動子）が知られている。このＮＳ−ＧＴカット水晶振動子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる結晶方位を有するＹ板をＸ軸廻りに５１．５°回転後、この回転による新たな軸Ｙ´の廻りに４５°回転させた角度でカットされた薄板状の振動部を備えて構成されている。 Further, in the vibration unit 2, in order to improve the frequency temperature characteristics and reduce the equivalent series resistance value, those having multiple vibration modes consisting of different vibration modes have been used. . As one of such piezoelectric vibrators combined with different vibration modes, the width longitudinal vibration mode in which the vibration frequency is determined by the width dimension of the vibration part and the length vertical length in which the vibration frequency is determined by the length dimension of the vibration part. An NS-GT cut width / length longitudinally coupled crystal resonator (NS-GT cut crystal resonator) to which vibration modes are coupled is known. In this NS-GT cut crystal resonator, a Y plate having a crystal orientation composed of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis is rotated by 51.5 ° around the X-axis and then rotated around a new axis Y ′ by this rotation. A thin plate-like vibration part cut at an angle rotated is provided.
一般的に、水晶で形成された圧電振動子（水晶振動子）の周波数温度係数α，β，γと周波数偏差Δｆ／ｆとの間には３次までのテイラー展開項をとり、以下のように表される。
Δｆ／ｆ＝α（ｔ−ｔ０）＋β（ｔ−ｔ０）２＋γ（ｔ−ｔ０）３
ただし、α：１次温度係数
β：２次温度係数
γ：３次温度係数
ｔ０：テイラー展開温度
水晶振動子は、ｔ０＝２０℃でα＝０となるように設定され、そのときのβ，γの値によって周波数温度特性が決定される。前記ＮＳ−ＧＴカット水晶振動子のβは、その絶対値がβ≦１×１０−８／℃２となるので、３次曲線で近似でき、他のＡＴカット厚みすべり水晶振動子等に比べて広い温度範囲に亘って周波数変動が小さくなることが知られている。現在、α＝０となる温度係数を有する水晶振動子の中で、前記ＮＳ−ＧＴカット水晶振動子は、水晶振動子単体で最も周波数温度特性に優れた振動子となっている。
In general, Taylor expansion terms up to the third order are taken between the frequency temperature coefficients α, β, γ and the frequency deviation Δf / f of a piezoelectric vibrator (quartz crystal vibrator) made of quartz, as follows: It is expressed in
Δf / f = α (t−t 0 ) + β (t−t 0 ) 2 + γ (t−t 0 ) 3
Where α: primary temperature coefficient
β: secondary temperature coefficient
γ: third-order temperature coefficient
t 0 : The Taylor expansion temperature crystal resonator is set so that α = 0 at t 0 = 20 ° C., and the frequency temperature characteristic is determined by the values of β and γ at that time. The absolute value of β of the NS-GT cut quartz crystal resonator is β ≦ 1 × 10 −8 / ° C. 2 , so that it can be approximated by a cubic curve, compared with other AT-cut thickness shear crystal resonators, etc. It is known that frequency fluctuations are reduced over a wide temperature range. Currently, among the crystal resonators having a temperature coefficient of α = 0, the NS-GT cut crystal resonator is the resonator having the best frequency temperature characteristics as a single crystal resonator.
前記ＮＳ−ＧＴカット水晶振動子は、振動部が幅Ｗ／長さＬ≒０．９５となるように設定され、振動時の動きを妨げないように、連結部を介してフレーム部に支持される。また、前記振動部の表面及び裏面には、一対の励振電極が形成され、振動部の共振現象を引き起こす。これにより、所定の振動周波数を取り出すようになっている。 The NS-GT cut crystal resonator is set such that the vibration part has a width W / length L≈0.95, and is supported by the frame part via a connecting part so as not to hinder movement during vibration. The In addition, a pair of excitation electrodes is formed on the front and back surfaces of the vibration part to cause a resonance phenomenon of the vibration part. Thereby, a predetermined vibration frequency is extracted.
このようなＮＳ−ＧＴカット水晶振動子は、振動部の面積が大きいほど等価直列抵抗値が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら、幅縦振動と長さ縦振動が結合した振動モードであるため、周波数温度特性が振動部の幅と長さの比によって決定される。したがって、小型化しようとすると、振動部の面積が小さくなり、等価直列抵抗値が大きくなってしまうといった問題があった。 In such an NS-GT cut crystal resonator, the larger the area of the vibration part, the smaller the equivalent series resistance value and the larger the quality factor Q value. However, since this is a vibration mode in which the width longitudinal vibration and the length longitudinal vibration are combined, the frequency-temperature characteristic is determined by the ratio of the width and the length of the vibration part. Therefore, when trying to reduce the size, there is a problem that the area of the vibration part is reduced and the equivalent series resistance value is increased.
上記従来のＮＳ−ＧＴカット水晶振動子における問題を改善するため、特許文献１に示すような幅縦圧電振動子が開示されている。この幅縦圧電振動子は、幅寸法に対して共振周波数が反比例する幅縦による単一の振動モードを有することで、等価抵抗値の低減効果と共に、小型化を図っている。
しかしながら、前記幅縦圧電振動子を形成するための振動部の形状や大きさ、または、水晶のカット角が略同じであっても、幅縦による単一の振動モード以外にも幅すべり振動モードなどの異種の振動モードが存在することが確認されている。 However, even if the shape and size of the vibration part for forming the width-longitudinal piezoelectric vibrator or the cut angle of the crystal is substantially the same, the width-slip vibration mode is not limited to the single vibration mode by the width-length. It has been confirmed that there are different types of vibration modes.
また、上記特許文献１に示されているような、純粋な幅縦振動モードは、有限要素法解析（ＦＥＭ解析）と理論振動解析によれば、Ｘ軸回転方向に対して±２１°近辺に存在するだけであることが判明されている。このような角度近辺では、一次温度係数α＝−２．３×１０−５〜−３．２×１０−５（／℃）となるため、周波数温度特性が大幅に低下するといった問題点も判明されている。 Further, according to the finite element method analysis (FEM analysis) and the theoretical vibration analysis, the pure width longitudinal vibration mode as shown in the above-mentioned Patent Document 1 is around ± 21 ° with respect to the X-axis rotation direction. It has been found that it only exists. In the vicinity of such an angle, the primary temperature coefficient α = −2.3 × 10 −5 to −3.2 × 10 −5 (/ ° C.), so that the problem that the frequency temperature characteristic is significantly lowered is also found. Has been.
このように、上記種々の振動モードを備えて振動部を形成したとしても、実際にパッケージにマウントして製品化する場合には、図２４に示したように、振動部２を支持すると共に、電圧を印加させるためのフレーム部４や連結部３等の構成要素が不可欠となり、理想的な周波数温度特性や等価直列抵抗値を得ることが困難となっている。 Thus, even if the vibration part is formed with the above-described various vibration modes, when the product is actually mounted on a package and commercialized, the vibration part 2 is supported as shown in FIG. Components such as the frame part 4 and the connection part 3 for applying a voltage are indispensable, and it is difficult to obtain an ideal frequency temperature characteristic and an equivalent series resistance value.
そこで、本発明の目的は、幅縦振動、幅すべり振動、さらに、高次Ｙ変位振動、高次Ｚ変位振動のモードを備えた振動部をその支持するための形状面から周波数温度特性や等価直列抵抗値の改善を図ることのできる圧電振動子を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide frequency temperature characteristics and equivalents from the shape surface for supporting a vibration part having modes of width longitudinal vibration, width slip vibration, higher order Y displacement vibration, and higher order Z displacement vibration. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric vibrator capable of improving the series resistance value.
上記課題を解決するために、本発明の圧電振動子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する圧電水晶体から所定のカット角で切り出され、所定の幅、長さ及び厚みに形成された薄板状の振動部と、この振動部を取り囲むフレーム部と、このフレーム部と前記振動部をつなぐ連結部とを備えた圧電振動子において、前記連結部は、少なくとも振動部側の基端が他の部分より細く形成され、この細く形成された細首部によって前記振動部と連結されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a piezoelectric vibrator of the present invention is cut out from a piezoelectric crystalline lens having a three-dimensional crystal orientation composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis at a predetermined cut angle, and has a predetermined width and length. And a piezoelectric vibrator comprising a thin plate-like vibrating portion formed in a thickness, a frame portion surrounding the vibrating portion, and a connecting portion connecting the frame portion and the vibrating portion, wherein the connecting portion includes at least the vibrating portion. The base end on the side is formed narrower than the other part, and is connected to the vibration part by the thinly formed narrow neck part.
また、前記細首部が、前記振動部側の基端及びフレーム部側の基端の両方にそれぞれ設けられると共に、前記フレーム部の外周部には、前記連結部の略延長線上にフレーム部の外周の一部を凹設したフレーム凹部が形成される。 The narrow neck portion is provided at both the base end on the vibration portion side and the base end on the frame portion side, and the outer peripheral portion of the frame portion has an outer periphery of the frame portion on a substantially extension line of the connecting portion. A frame recess having a part thereof recessed is formed.
本発明の圧電振動子によれば、各種の振動を発生させる振動部をフレーム部につなげるための連結部が振動部側の基端を他の部分よりも細くした細首部によって形成されているため、振動部を支持する箇所を最小限に抑えることができる。これによって、振動部に及ぼす不要な振動が低減され、理論設計に基づいた理想的な振動のみを引き出すことができる。 According to the piezoelectric vibrator of the present invention, the connecting part for connecting the vibration part for generating various vibrations to the frame part is formed by the narrow neck part whose base end on the vibration part side is thinner than the other part. And the location which supports a vibration part can be suppressed to the minimum. Thereby, unnecessary vibrations exerted on the vibration part are reduced, and only ideal vibrations based on the theoretical design can be extracted.
また、前記細首部が、振動部側の基端及びフレーム部側の基端の両方にそれぞれ設けられると共に、前記フレーム部の外周部には、前記連結部の略延長線上にフレーム部の外周の一部を凹設したフレーム凹部が形成されることで、さらなる周波数温度特性の向上や等価直列抵抗値の低減化を図ることができる。 The narrow neck portion is provided at both the base end on the vibration portion side and the base end on the frame portion side, and the outer peripheral portion of the frame portion is provided on the outer periphery of the frame portion on a substantially extension line of the connecting portion. By forming a frame recess partly recessed, it is possible to further improve the frequency temperature characteristics and reduce the equivalent series resistance value.
以下、本発明の圧電振動子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、ここでは圧電振動子の共振周波数を７．５ＭＨｚとした場合の設計例を示す。 Hereinafter, embodiments of a piezoelectric vibrator of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Here, a design example when the resonance frequency of the piezoelectric vibrator is 7.5 MHz is shown.
図１に示すように、本発明の圧電振動子１１は、薄板長方形状の振動部１２と、この振動部１２を連結する一対の連結部１３と、この連結部１３をつなげるフレーム部１４とで構成されている。前記振動部１２は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる結晶方位を有する圧電水晶体から所定のカットでスライスされた水晶の薄板部材であり、所定の幅（Ｗ）、長さ（Ｌ）及び厚み（Ｔ）の長方形に形成される。 As shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator 11 of the present invention includes a thin plate rectangular vibrating portion 12, a pair of connecting portions 13 that connect the vibrating portions 12, and a frame portion 14 that connects the connecting portions 13. It is configured. The vibrating part 12 is a quartz thin plate member sliced by a predetermined cut from a piezoelectric crystal having a crystal orientation composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis, and has a predetermined width (W), length (L), and It is formed in a rectangle of thickness (T).
前記振動部１２は、図２（ａ）に示すような幅縦モード（特許文献１参照）や、幅すべりモード（図２（ｂ））に加えて、図２（ｃ）に示すような幅方向に対して複数のＹ変位成分を含む高次Ｙ変位振動モード（以下、高次Ｙ変位モードという）と、図２（ｄ）に示すような長さ方向に対して複数のＺ変位成分を含む高次Ｚ変位振動モード（以下、高次Ｚ変位モードという）とが結合された４元結合モードの特性を有して形成されている。前記高次Ｙ変位モードは、図２（ｃ）に示したように、長さ方向に沿って振動の節部を有し、この節部を基点として幅方向が波のように交互に歪を生じる。この振動はラーメ振動モードに似ているが、長さ方向には歪を生じさせない。また、前記高次Ｚ変位モードは、図２（ｄ）に示したように、長さ方向に沿って振動の節部を有し、この節部を基点として長さ方向に交互に歪を生じさせるが、幅方向に対しては歪が生じない。なお、図２（ａ）〜（ｂ）に示されている矢印は、歪の方向を示したもので、正（＋）と負（−）で表している。 The vibration unit 12 has a width as shown in FIG. 2C in addition to a width-longitudinal mode (see Patent Document 1) as shown in FIG. 2A and a width-slip mode (FIG. 2B). A high-order Y-displacement vibration mode (hereinafter referred to as a high-order Y-displacement mode) including a plurality of Y-displacement components with respect to the direction and a plurality of Z-displacement components with respect to the length direction as shown in FIG. It has a characteristic of a quaternary coupled mode in which a higher-order Z-displacement vibration mode (hereinafter referred to as a higher-order Z-displacement mode) is coupled. As shown in FIG. 2 (c), the high-order Y displacement mode has vibration nodes along the length direction, and the width direction alternately causes distortion like a wave with this node as a base point. . This vibration is similar to the lame vibration mode, but does not cause distortion in the length direction. Further, as shown in FIG. 2 (d), the higher-order Z displacement mode has vibration nodes along the length direction, and causes distortion alternately in the length direction with the node as a base point. However, no distortion occurs in the width direction. Note that the arrows shown in FIGS. 2A to 2B indicate the direction of distortion, and are represented by positive (+) and negative (−).
以上の４種の振動モードが結合された４元結合の圧電振動子の振動形態を図３に、ＦＥＭ解析した結果を図４に示す。この図３及び図４に示されるように、振動部は幅方向及び長さ方向に対して波のような歪が発生し、さらに、表面がすべるように歪んでいる様子がわかる。このときの歪の強度は、中心部から外周部に向かうにしたがって弱くなっている。 FIG. 3 shows the vibration form of the quaternary coupled piezoelectric vibrator in which the above four vibration modes are combined, and FIG. 4 shows the result of FEM analysis. As shown in FIGS. 3 and 4, it can be seen that the vibrating portion is distorted like a wave in the width direction and the length direction, and is further distorted so that the surface slips. The intensity of strain at this time becomes weaker from the center to the outer periphery.
上記振動特性が備わる振動部１２は、Ｘ軸に垂直な面（Ｘ面）において回転可能なＸ板である。このＸ板は、Ｘ軸回転を基準とした２軸回転によって形成される。このＸ板の回転操作を以下に示す。最初に、前記Ｘ板における結晶軸ｉ（ｉ＝ＸｏｒＹｏｒＺ）廻りの回転角度をφｉとし、このφｉ回転後の新たな座標軸を（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ´）とする。また、前記新たな座標軸による結晶軸ｉ´（ｉ´＝Ｘ´ｏｒＹ´ｏｒＺ´）廻りの回転角度をφｉ´とする。そして、前記結晶軸ｉ廻りにφｉ回転後、さらに、前記結晶軸ｉ´廻りにφｉ´回転する変換をＲ（φｉ´，φｉ）とする。本実施形態の振動部１２は、前記一連の回転する変換Ｒ（φｉ´，φｉ）で規定された回転角による結晶方位を備えて形成される。なお、前記φｉ及びφｉ´回転には必ずＸ軸廻りの回転が含まれる。ここで、本発明の幅縦モード、幅すべりモード、高次Ｙ変位モード及び高次Ｚ変位モードからなる４元結合型の振動特性が得られるカット角の範囲は、φｘ＝−１０°〜−２５°または＋１０°〜＋２５°、φｙ＝−１０°〜＋１０°、φｚ＝−１０°〜＋１０°であると共に、φｘ´＝−１０°〜−２５°または＋１０°〜＋２５°、φｙ´＝−１０°〜＋１０°、φｚ´＝−１０°〜＋１０°であり、その中でも＋１６±２°又は−１６±２°近辺で良好な周波数温度特性が得られる。 The vibration part 12 having the vibration characteristics is an X plate that can rotate on a plane (X plane) perpendicular to the X axis. This X plate is formed by biaxial rotation with reference to X axis rotation. The rotation operation of this X plate is shown below. First, a rotation angle around the crystal axis i (i = XorYorZ) in the X plate is φi, and a new coordinate axis after this φi rotation is (X ′, Y ′, Z ′). A rotation angle around the crystal axis i ′ (i ′ = X′orY′orZ ′) based on the new coordinate axis is φi ′. Then, R (φi ′, φi) is a transformation that rotates φi around the crystal axis i ′ and then rotates φi ′ around the crystal axis i ′. The vibration unit 12 of the present embodiment is formed with a crystal orientation with a rotation angle defined by the series of rotating transformations R (φi ′, φi). The φi and φi ′ rotations always include rotation around the X axis. Here, the range of the cut angle at which the quaternary coupled vibration characteristic comprising the width-longitudinal mode, width-slip mode, higher-order Y displacement mode and higher-order Z displacement mode of the present invention is obtained is φx = −10 ° to − 25 ° or + 10 ° to + 25 °, φy = −10 ° to + 10 °, φz = −10 ° to + 10 °, and φx ′ = − 10 ° to −25 ° or + 10 ° to + 25 °, φy ′ = −10 ° to + 10 °, φz ′ = − 10 ° to + 10 °, and good frequency temperature characteristics are obtained in the vicinity of + 16 ± 2 ° or −16 ± 2 °.
また、前記Ｘ板は、最初にＸ軸回転を基準とした２軸回転変換Ｒ（φｉ´，φｘ）（ｉ´＝Ｙ´ｏｒＺ´）によって形成したが、Ｙ軸またはＺ軸回転を基準とした２軸回転変換Ｒ（φｘ´，φｉ）（ｉ＝ＹｏｒＺ）によって形成することもできる。このようなＹ軸またはＺ軸を最初に回転することによって、最後のＸ軸の回転操作がしやすくなるといった利点がある。 The X plate is first formed by biaxial rotation conversion R (φi ′, φx) (i ′ = Y′orZ ′) based on the X axis rotation, but based on the Y axis or Z axis rotation. It can also be formed by the biaxial rotation conversion R (φx ′, φi) (i = YorZ). By rotating the Y axis or the Z axis first, there is an advantage that the final X axis can be easily rotated.
前記振動部１２は、図１に示したように、幅Ｗと長さＬの比率に応じて振動特性が決まるが、長さ（Ｌ）が幅（Ｗ）の３〜１０倍で、厚み（Ｔ）が幅（Ｗ）の１／３〜１／３０倍となるように形成することで、幅縦モード、幅すべりモード、高次Ｙ変位モード及び高次Ｚ変位モードの振動特性を有効に引き出すことができる。 As shown in FIG. 1, the vibration part 12 has vibration characteristics determined according to the ratio of the width W to the length L, but the length (L) is 3 to 10 times the width (W) and the thickness ( By forming T) to be 1/3 to 1/30 times the width (W), the vibration characteristics of the width-longitudinal mode, width-slip mode, higher-order Y displacement mode, and higher-order Z displacement mode are made effective. It can be pulled out.
連結部１３は、図１に示したように、振動部１２をフレーム部１４につなぐために、振動部１２の外周辺からフレーム部１４の内周辺に架け渡される一対の細い板状片によって形成されている。図５乃至図８は、周波数温度特性や等価直列抵抗値を向上させるための各種の形状例を示したものである。この中では、図５に示した形状の連結部１３ａが最も周波数温度特性の向上や等価直列抵抗値の低減化に貢献している。この連結部１３ａには、振動部１２側とフレーム部１４側の両基端を他の部分より細くした細首部１８，１９が形成されている。この細首部１８，１９は、前記連結部１３の振動部１２側の両側部に一対の第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ、フレーム部１４側の両側部に一対の第２の連結凹部１７ａ，１７ｂを設けることによって形成される。第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ及び第２の連結凹部１７ａ，１７ｂは、それぞれ大きさが同じで半円形の曲線形状の内周面を有するように凹設されている。また、前記連結部１３の両基端部に設けられている第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ及び第２の連結凹部１７ａ，１７ｂは、振動部１２の一部及びフレーム部１４の一部をそれぞれ含むようにして形成されている。 As shown in FIG. 1, the connecting portion 13 is formed by a pair of thin plate-like pieces that span from the outer periphery of the vibrating portion 12 to the inner periphery of the frame portion 14 in order to connect the vibrating portion 12 to the frame portion 14. Has been. 5 to 8 show various shape examples for improving the frequency temperature characteristic and the equivalent series resistance value. Among these, the connecting portion 13a having the shape shown in FIG. 5 contributes most to the improvement of the frequency temperature characteristic and the reduction of the equivalent series resistance value. The connecting portion 13a is formed with narrow neck portions 18 and 19 in which both base ends on the vibrating portion 12 side and the frame portion 14 side are narrower than other portions. The narrow neck portions 18 and 19 have a pair of first connecting recesses 16a and 16b on both sides of the connecting portion 13 on the vibrating portion 12 side, and a pair of second connecting recesses 17a and 17b on both sides on the frame portion 14 side. It is formed by providing. The first connecting recesses 16a and 16b and the second connecting recesses 17a and 17b are recessed so as to have a semicircular curved inner peripheral surface having the same size. Further, the first connecting recesses 16a and 16b and the second connecting recesses 17a and 17b provided at both base ends of the connecting portion 13 respectively include a part of the vibrating part 12 and a part of the frame part 14. It is formed to include.
図６は振動部１２における周波数温度特性や等価直列抵抗値を向上させるために必要な基本形状を示したものである。この連結部１３ｂは、振動部１２側に前記第１の連結凹部１６ａ，１６ｂのみを形成することで、細首部１８を設けたものであり、振動部１２を支持する幅を狭くしたことによってその効果が得られる。また、図７に示す連結部１３ｃのように、前記第１の連結凹部１６ａ，１６ｂを振動部１２にかかるようにずらせたり、広げたりして形成することによって、周波数温度特性や等価直列抵抗値をさらに向上させることができる。図８に示す連結部１３ｄは、第１の連結凹部１６ａ，１６ｂを連結部１３の振動部１２側の基端に設け、第２の連結凹部１７ａ，１７ｂをフレーム部１４側の基端に設けた構成例である。 FIG. 6 shows a basic shape necessary for improving the frequency temperature characteristic and the equivalent series resistance value in the vibration part 12. This connecting portion 13b is provided with the narrow neck portion 18 by forming only the first connecting recesses 16a and 16b on the vibrating portion 12 side, and the width for supporting the vibrating portion 12 is reduced. An effect is obtained. Further, as in the connecting portion 13c shown in FIG. 7, the first connecting concave portions 16a and 16b are formed so as to be shifted or expanded so as to be applied to the vibrating portion 12, so that the frequency temperature characteristics and the equivalent series resistance value are increased. Can be further improved. The connecting portion 13d shown in FIG. 8 is provided with first connecting recesses 16a and 16b at the base end on the vibrating portion 12 side of the connecting portion 13 and second connecting recesses 17a and 17b at the base end on the frame portion 14 side. This is a configuration example.
次に、図９及び図１０に上記４元のモード結合型の振動部１２を備えた圧電振動子において、連結部１３の形状が異なる三種類のサンプルを用いた場合の実験結果を示す。ここで、図９（ａ）は、第１の連結凹部や第２の連結凹部がほとんど形成されていない圧電振動子、（ｂ）は連結部１３を長くした圧電振動子、（ｃ）は図５に示した第１の連結凹部及び第２の連結凹部を有して形成された圧電振動子である。前記三種類のサンプルで測定した周波数温度特性を図１０に示す。この測定結果から、（ａ），（ｂ）の圧電振動子では、−４０〜８０℃の温度範囲内での周波数変化が大きく、（ｃ）の圧電振動子では同じ温度範囲内での周波数変化が小さくなる。これは、第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ及び第２の連結凹部１７ａ，１７ｂを連結部１３の四隅の基端から振動部１２及びフレーム部１４にかけて形成することで、振動部１２やフレーム部１４の支持部分の最小化及び軽量化が図られるからである。また、前記振動部１２が図２に示したように、幅縦モード、幅すべりモード、高次Ｙ変位モード、高次Ｚ変位モードが結合された４元結合モードの特性を有する場合、特に高次Ｚ変位モードを最も効率よく連結部１３で受けることができるために周波数温度特性が向上すると考えられる。 Next, FIG. 9 and FIG. 10 show the experimental results in the case where three types of samples having different shapes of the connecting portion 13 are used in the piezoelectric vibrator including the quaternary mode coupling type vibrating portion 12. Here, FIG. 9A is a piezoelectric vibrator in which the first connecting concave portion and the second connecting concave portion are hardly formed, FIG. 9B is a piezoelectric vibrator in which the connecting portion 13 is elongated, and FIG. 5 is a piezoelectric vibrator having the first connecting recess and the second connecting recess shown in FIG. FIG. 10 shows frequency temperature characteristics measured with the three types of samples. From this measurement result, the piezoelectric vibrators (a) and (b) have a large frequency change within a temperature range of −40 to 80 ° C., and the piezoelectric vibrator (c) has a frequency change within the same temperature range. Becomes smaller. This is because the first connecting recesses 16 a and 16 b and the second connecting recesses 17 a and 17 b are formed from the base ends of the four corners of the connecting portion 13 to the vibrating portion 12 and the frame portion 14, so that the vibrating portion 12 and the frame portion 14 are formed. This is because minimization and weight reduction of the support portion is achieved. In addition, as shown in FIG. 2, when the vibration unit 12 has the characteristics of a quaternary coupling mode in which a width-longitudinal mode, a width-slip mode, a high-order Y displacement mode, and a high-order Z displacement mode are coupled, It is considered that the frequency temperature characteristic is improved because the next Z displacement mode can be most efficiently received by the connecting portion 13.
図１１は、振動部１２及びフレーム部１４側に繋がる連結部４３の基端４３ａ，４３ｂを円弧状にして形成された圧電振動子の設計例であるが、このような形状の連結部４３では、両基端４３ａ，４３ｂの幅が中心部の幅よりも広くなるため、図１２の周波数温度特性に見られるように、−４０〜８０℃の温度変化に対して周波数変化が大きくなり、安定した振動特性が得られない。 FIG. 11 is a design example of a piezoelectric vibrator formed with arcuate base ends 43a and 43b of the connecting portion 43 connected to the vibrating portion 12 and the frame portion 14 side. In the connecting portion 43 having such a shape, FIG. Since the widths of both base ends 43a and 43b are wider than the width of the central portion, as seen in the frequency temperature characteristics of FIG. Vibration characteristics cannot be obtained.
前記図５〜図８に示した連結部１３ａ〜１３ｄは、振動部１２の支持強度等を考慮して、幅が振動部の幅の１０〜２５％で、長さが前記設定された幅に対して５０〜２００％の範囲で設定されるのが望ましい。また、第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ及び第２の連結凹部１７ａ，１７ｂは半径が前記連結部の幅の１０〜４０％に設定されるのが望ましい。なお、前記それぞれの連結凹部の内周面は一定の半径による正確な曲線形状でなく、凹部の面積が前記範囲内であれば、多少変形していても大きな影響は生じない。 The connecting portions 13a to 13d shown in FIGS. 5 to 8 are 10 to 25% of the width of the vibrating portion in consideration of the support strength of the vibrating portion 12, and the length is set to the set width. On the other hand, it is desirable to set in the range of 50 to 200%. Further, it is desirable that the first connecting recesses 16a and 16b and the second connecting recesses 17a and 17b have a radius set to 10 to 40% of the width of the connecting portion. Note that the inner peripheral surface of each of the connecting recesses is not an accurate curved shape with a fixed radius, and if the recess area is within the above range, even if it is slightly deformed, there is no significant effect.
図１３は、前記第１の連結凹部１６ａ，１６ｂ及び第２の連結凹部１７ａ，１７ｂを有する連結部１３を備えた圧電振動子２１をベースにして、さらに、フレーム部１４にフレーム凹部２６を設けた場合の圧電振動子２１の構成例を示したものである。フレーム凹部２６は、曲線形状や多角形状の内周面を有して凹設され、前記連結部１３の延長線上に位置するフレーム部１４の外周部に設けられる。このフレーム凹部２６を設けることで、等価直列抵抗値を図２４に示した従来形状の圧電振動子１に比べて約半分程度まで低減させることが可能となる。 FIG. 13 is based on the piezoelectric vibrator 21 provided with the connecting portion 13 having the first connecting recesses 16a and 16b and the second connecting recesses 17a and 17b, and further provided with a frame recess 26 in the frame portion 14. The example of a structure of the piezoelectric vibrator 21 in the case of a case is shown. The frame recessed portion 26 is recessed with a curved or polygonal inner peripheral surface, and is provided on the outer peripheral portion of the frame portion 14 located on the extension line of the connecting portion 13. By providing the frame recess 26, it is possible to reduce the equivalent series resistance value to about half that of the conventional piezoelectric vibrator 1 shown in FIG.
前記フレーム部１４は、パッケージや基板への支持強度等を考慮して、幅が振動部１２の幅の２０〜５０％に設定され、フレーム凹部２６の凹設半径がフレーム部１４の幅の７０％以下で設定するのが望ましい。なお、前記フレーム凹部２６の形状についても一定半径の正確な曲線形状でなく、凹部の面積が前記範囲内であれば、多少変形していても大きな影響は生じない。 The frame portion 14 is set to have a width of 20 to 50% of the width of the vibrating portion 12 in consideration of the support strength to the package and the substrate, and the recessed radius of the frame recessed portion 26 is 70 of the width of the frame portion 14. It is desirable to set it in% or less. It should be noted that the shape of the frame recess 26 is not an accurate curved shape with a constant radius. If the area of the recess is within the above range, even if it is slightly deformed, there is no significant effect.
また、図１及び図１３に示したように、前記フレーム部１４には、パッケージや基板にマウントするための端子電極部１５が設けられる。この端子電極部１５は、前記振動部１２の表面と裏面とに極性の異なる電圧を印加させるために、独立した位置に２箇所設けられる。この端子電極部１５は、パッケージ等に備わる接続電極部の安定性や導通性を高めるために、フレーム部１４の幅より広くして形成するのが望ましい。 As shown in FIGS. 1 and 13, the frame portion 14 is provided with a terminal electrode portion 15 for mounting on a package or a substrate. The terminal electrode portion 15 is provided at two independent positions in order to apply voltages having different polarities to the front surface and the back surface of the vibrating portion 12. The terminal electrode portion 15 is preferably formed wider than the width of the frame portion 14 in order to improve the stability and conductivity of the connection electrode portion provided in the package or the like.
図１４に示すように、前記振動部１２には水晶板を挟んだ表面と裏面にそれぞれ独立した励振電極が形成され、それぞれの励振電極から延びる電極パターンが一方は連結部２３ａ、他方は連結部２３ｂを介し、さらにフレーム部１４の表面や裏面を介してそれぞれの端子電極部３５ａ，３５ｂに導通されている。例えば、前記振動部１２の表面側の励振電極は、連結部２３ａ、フレーム部１４、端子電極部３５ａのそれぞれの表面に形成された電極パターンで導通が図られ、振動部１２の裏面側の励振電極は、連結部２３ｂ、フレーム１４、端子電極部３５ｂのそれぞれの裏面に形成された電極パターンによって導通が図られている。このため、パッケージや基板に設けられているマウント用の電極部３７ａ，３７ｂと導通を図る場合に、前記端子電極部３５ｂはそのまま前記電極部３７ｂに導電性接着剤等で表面実装できるが、端子電極部３５ａはその側面や裏面側に電極パターンを延ばして形成しないと電極部３７ａとの導通接続が難しくなる。 As shown in FIG. 14, the vibrating portion 12 is formed with independent excitation electrodes on the front and back surfaces sandwiching the quartz plate, one of the electrode patterns extending from each excitation electrode is a connecting portion 23a, and the other is a connecting portion. The terminal electrode portions 35a and 35b are electrically connected to each other through the front and back surfaces of the frame portion 14 through 23b. For example, the excitation electrode on the surface side of the vibration part 12 is electrically connected by the electrode pattern formed on each surface of the connecting part 23a, the frame part 14, and the terminal electrode part 35a, and the excitation on the back side of the vibration part 12 is performed. The electrodes are electrically connected by electrode patterns formed on the back surfaces of the connecting portion 23b, the frame 14, and the terminal electrode portion 35b. Therefore, when electrical connection is made with the mounting electrode portions 37a and 37b provided on the package or the substrate, the terminal electrode portion 35b can be directly surface mounted on the electrode portion 37b with a conductive adhesive or the like. If the electrode portion 35a is not formed by extending an electrode pattern on the side surface or the back surface thereof, it is difficult to conduct a conductive connection with the electrode portion 37a.
そこで、図１４に示したような圧電振動子３１であれば、少なくとも端子電極部３５ａにその下の電極部３７ａの一部を露出するために電極凹部３６を設けることで、導電接着剤や半田部材を介した導電接続が容易になる。 Accordingly, in the case of the piezoelectric vibrator 31 as shown in FIG. 14, at least the terminal electrode portion 35 a is provided with the electrode recess 36 in order to expose a part of the electrode portion 37 a thereunder, so that a conductive adhesive or solder can be provided. Conductive connection through the member is facilitated.
前記端子電極部３５ａ，３５ｂの適正なサイズは、幅がフレーム部１４の幅の等倍から３倍位までで、長さがフレーム部１４の長さの２０〜５０％位までの範囲に設定するのが望ましい。なお、前記電極凹部３６は、端子電極部３５ａ，３５ｂの幅に対して３０〜５０％の回転半径によって曲線形状の内周面を有した凹部形状とするのが望ましい。なお、前記電極凹部３６の形状は図１４に示したような半円形状に限定されず任意の形状にすることができる。 Appropriate sizes of the terminal electrode portions 35a and 35b are set such that the width ranges from the same size to three times the width of the frame portion 14 and the length ranges from 20 to 50% of the length of the frame portion 14. It is desirable to do. The electrode recess 36 is preferably a recess having a curved inner peripheral surface with a rotation radius of 30 to 50% with respect to the width of the terminal electrode portions 35a and 35b. The shape of the electrode recess 36 is not limited to the semicircular shape as shown in FIG. 14, and can be any shape.
なお、前記フレーム部１４は、図１５に示すように、振動部１２をそれぞれの端子電極部３５ａ，３５ｂから延びる一本の支持腕部３４ａ，３４ｂで構成することも可能であるが、図１６に示すように、温度変化に対する周波数の変化が大きいため、安定性が課題となる。これは、振動部１２の支持が不安定であるために温度特性の低下や抵抗値の上昇を招くからである。したがって、安定性を要する圧電振動子のフレーム部１４の形状としては、図１，図１３，図１４に示したような上下左右が対称形で振動部１２の周囲を囲うような形状が最適である。ただし、周波数特性が温度の上昇と略反比例することから、温度センサに応用することは可能である。 As shown in FIG. 15, in the frame portion 14, the vibrating portion 12 can be constituted by a single support arm portion 34a, 34b extending from the respective terminal electrode portions 35a, 35b. As shown in FIG. 4, stability is a problem because the frequency change with respect to temperature change is large. This is because the support of the vibration unit 12 is unstable, leading to a decrease in temperature characteristics and an increase in resistance value. Therefore, as the shape of the frame portion 14 of the piezoelectric vibrator that requires stability, the shape that is symmetrical in the vertical and horizontal directions and surrounds the vibration portion 12 as shown in FIGS. is there. However, since the frequency characteristic is substantially inversely proportional to the temperature rise, it can be applied to a temperature sensor.
次に、上記振動部１２における４元結合モードの振動特性の詳細について説明する。図１７は、幅縦モード，幅すべりモード，高次Ｚ変位モード，高次Ｙ変位モードの結合による弾性スチフネス定数の関係を示したものである。ここで、前記４種の振動モードの弾性スチフネス定数を以下に定義する。
ＣＬ：幅縦モード
ＣＳ：幅すべりモード
ＣＹ：高次Ｙ変位モード
ＣＺ：高次Ｚ変位モード
この４種の弾性スチフネス定数を組み合わせることによって、幅縦モードと幅すべりモードの結合（ＣＬＳ）、幅縦モードと高次Ｙ変位モードの結合（ＣＬＹ）、幅すべりモードと高次Ｚ変位モードとの結合（ＣＳＺ）、高次Ｙ変位モードと高次Ｚ変位モードの結合（ＣＹＺ）、幅すべりモードと高次Ｙ変位モードとの結合（ＣＳＹ）、幅縦モードと高次Ｚ変位モード（ＣＬＺ）とからなる１０種類のモード結合が得られる。
Next, details of the vibration characteristics of the quaternary coupling mode in the vibration unit 12 will be described. FIG. 17 shows the relationship of the elastic stiffness constants due to the combination of the width-longitudinal mode, width-slip mode, higher-order Z displacement mode, and higher-order Y displacement mode. Here, the elastic stiffness constants of the four vibration modes are defined as follows.
C L : Width-longitudinal mode C S : Width-slip mode C Y : High-order Y displacement mode C Z : High-order Z-displacement mode By combining these four kinds of elastic stiffness constants, the combination of width-longitudinal mode and width-slip mode ( C LS ), combination of width-longitudinal mode and higher-order Y displacement mode (C LY ), combination of width-slip mode and higher-order Z displacement mode (C SZ ), combination of higher-order Y displacement mode and higher-order Z displacement mode Ten types of mode coupling consisting of (C YZ ), coupling between width-slip mode and higher-order Y displacement mode (C SY ), width longitudinal mode and higher-order Z displacement mode (C LZ ) can be obtained.
次に、上記４元結合振動モードを備えた圧電振動子１１の周波数方程式を以下に示す。この周波数方程式は、上記示した幅縦モード、幅すべりモード、高次Ｙ変位モード、高次Ｚ変位モードの各弾性スチフネス定数ＣＬ，ＣＳ，ＣＹ，ＣＺ，ＣＬＳ，ＣＬＹ，ＣＳＺ，ＣＹＺ，ＣＬＺ，ＣＳＹをパラメータとして計算した理論式である。 Next, the frequency equation of the piezoelectric vibrator 11 having the quaternary coupled vibration mode is shown below. This frequency equation is expressed by the elastic stiffness constants C L , C S , C Y , C Z , C LS , C LY , and the width stiffness mode, the width slip mode, the higher-order Y displacement mode, and the higher-order Z displacement mode shown above. This is a theoretical formula calculated using C SZ , C YZ , C LZ , and C SY as parameters.
Ｙ：幅縦モードに対する高次Ｙ変位モードの振幅比
Ｚ：幅縦モードに対する高次Ｚ変位モードの振幅比
２ｙ０：振動部の幅
ρ：密度
Γｎ：モード次数に関係する関数
以上説明した４種からなる振動モードは、前記振動部の幅（Ｗ）や長さ（Ｌ）の比率を変えたり、振動部の表面に形成される励振電極の形状や面積比を変えたりすることによって実現可能である。
次に、本実施形態の圧電振動子によって実現可能な４種の振動モード特性について説明する。ここで、図１８は２元結合の振動形態であり、（ａ）は幅縦＋幅すべり結合（Ｌ＋Ｓ）、（ｂ）は高次Ｙ変位＋高次Ｚ変位結合（Ｙ−Ｚ）を示したものである。また、図１９は幅縦＋幅すべり＋高次Ｙ変位＋高次Ｚ変位による４元結合の振動形態であり、（ａ）は（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）、（ｂ）は（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）を示したものである。これら各種結合による振動パターンを以下に規定する。高次Ｙ変位モードと高次Ｚ変位モードに関しては、＋または−の異極同士で結合させる（（Ｙ−Ｚ）と表す）。次に、前記（Ｙ−Ｚ）に幅縦（Ｌ）を＋または−で結合させる（Ｌ＋（Ｙ−Ｚ），Ｌ−（Ｙ−Ｚ）と表す）。また、前記Ｙ，Ｚ，Ｌの他に幅すべりモード（Ｓ）が加わるが、このＳの正負は振幅比で変わるため、ＬとＳとの結合を（Ｌ＋Ｓ）と表す。以上のことから、４元結合の振動パターンは、図１９（ａ），（ｂ）に示したように、（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）と（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）の２通りに表される。 Next, four types of vibration mode characteristics that can be realized by the piezoelectric vibrator of the present embodiment will be described. Here, FIG. 18 shows a vibration mode of binary coupling, where (a) shows width-longitudinal + width-slip coupling (L + S), and (b) shows higher-order Y displacement + higher-order Z displacement coupling (Y-Z). It is a thing. FIG. 19 shows a vibration form of quaternary coupling by width length + width slip + higher-order Y displacement + higher-order Z displacement, (a) is (L + S)-(Y-Z), and (b) is (L + S). ) + (Y-Z). The vibration patterns resulting from these various combinations are defined below. The higher-order Y displacement mode and the higher-order Z displacement mode are coupled at + or-different polarities (represented as (Y-Z)). Next, the width (L) is combined with (Y−Z) with + or − (represented as L + (Y−Z) and L− (Y−Z)). In addition to Y, Z, and L, a width slip mode (S) is added. Since the sign of S varies with the amplitude ratio, the coupling between L and S is represented as (L + S). From the above, as shown in FIGS. 19A and 19B, there are two vibration patterns of quaternary coupling: (L + S) − (Y−Z) and (L + S) + (Y−Z). It is expressed in
図２０は、Bechmannの弾性スチフネステンソル定数に基づく振動解析によって求めたものであり、幅縦のみによる単一振動モード（Ｌ）、２元結合振動モードの（Ｌ＋Ｓ）及び４元結合振動モードの（（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ））における一次温度係数α及び二次温度係数βのカット角による変化を比較したグラフである。ここで、サンプルとして用いた振動部は、振動周波数が７．６ＭＨｚとなるように、所定の幅Ｗ及び長さＬを有して形成された長方形状の水晶板である。また、前記高次Ｙ変位及び高次Ｚ変位のモード次数（ｎ）は５に設定されている。この図２０から言えることは、α値が（Ｌ）ではカット角度から大幅にずれているのに対して、（Ｌ＋Ｓ）でのα値は実験値（丸印でプロット）と略一致している。また、β値に関しては、カット角度が小さくなるにしたがって上昇しているが、この傾向は（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）のβ値とも一致している。なお、実験値のα値は（Ｌ＋Ｓ）のα値よりも負の方向へシフトしているが、これは、振動部に形成されている励振電極や（Ｙ−Ｚ）の振動モードの影響によるものと考えられる。 FIG. 20 is obtained by vibration analysis based on Bechmann's elastic stiffness tensor constant. The single vibration mode (L), the binary coupled vibration mode (L + S), and the quaternary coupled vibration mode (L + S) and (4 It is the graph which compared the change by the cut angle of the primary temperature coefficient (alpha) and the secondary temperature coefficient (beta) in (L + S)-(YZ)). Here, the vibration part used as a sample is a rectangular crystal plate formed with a predetermined width W and length L so that the vibration frequency is 7.6 MHz. The mode order (n) of the higher-order Y displacement and higher-order Z displacement is set to 5. What can be said from FIG. 20 is that the α value is significantly deviated from the cut angle at (L), whereas the α value at (L + S) is substantially coincident with the experimental value (plotted by a circle). . Further, the β value increases as the cut angle becomes smaller, but this tendency is consistent with the β value of (L + S) − (Y−Z). Note that the α value of the experimental value is shifted in the negative direction from the α value of (L + S), which is due to the influence of the excitation electrode formed in the vibrating portion and the vibration mode of (Y−Z). It is considered a thing.
図２１は、２種類の２元結合モード（Ｌ＋Ｓ）及び（Ｙ−Ｚ）と、２種類の４元結合モード（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）及び（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）のそれぞれのカット角度に対するα値との関係をBechmannの弾性スチフネステンソル定数に基づいて算出したものである。ここでの特徴を以下に示す。なお、以下に示す例は、カット角をマイナス（−）側にしたものであるが、プラス（＋）側であっても同様である。
（１）（Ｌ＋Ｓ）と（Ｙ−Ｚ）が最も強く結合するのは、カット角度が−１９°近辺である。このカット角度近辺では、（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）と（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）のα値が（Ｌ＋Ｓ），（Ｙ−Ｚ）のα値から最も大きくシフトする。
（２）カット角度が−１９°〜０°側あるいは−３０°側へ移行するにしたがって結合は弱くなり、（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）及び（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）のα値は（Ｌ＋Ｓ）及び（Ｙ−Ｚ）のα値の近くになる。
以上の特徴を具体的に示すと、
（ａ）カット角度が−１９°〜０°側へ移行するにしたがって、
（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）のα値は、Ｌ＋Ｓのα値に近づく。
（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）のα値は、Ｙ−Ｚのα値に近づく。
（ｂ）カット角度が−１９°〜−３０°側へ移行するにしたがって、
（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）のα値は、Ｙ−Ｚのα値に近づく。
（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）のα値は、Ｌ＋Ｓのα値に近づく。
したがって、α値の最も良好なカット角度は、実験値、Ｌ＋Ｓによる解析値から±１６°となる。このカット角度における（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）の周波数温度係数は、実験値、Ｌ＋Ｓモードによる解析値より絶対値が大きくなる。
FIG. 21 shows two types of binary coupling modes (L + S) and (Y−Z) and two types of quaternary coupling modes (L + S) − (Y−Z) and (L + S) + (Y−Z). The relationship between the cut angle and the α value was calculated based on Bechmann's elastic stiffness tensor constant. The features here are as follows. In the example shown below, the cut angle is set to the minus (−) side, but the same applies to the plus (+) side.
(1) (L + S) and (Y−Z) are most strongly coupled when the cut angle is around −19 °. In the vicinity of the cut angle, the α values of (L + S) − (Y−Z) and (L + S) + (Y−Z) shift the largest from the α values of (L + S) and (Y−Z).
(2) The bond becomes weaker as the cut angle shifts from -19 ° to 0 ° or -30 °, and α values of (L + S) − (Y−Z) and (L + S) + (Y−Z) Becomes close to the α values of (L + S) and (Y−Z).
Specifically, the above features are
(A) As the cut angle shifts from -19 ° to 0 °,
The α value of (L + S) − (Y−Z) approaches the α value of L + S.
The α value of (L + S) + (Y−Z) approaches the α value of Y−Z.
(B) As the cut angle shifts from -19 ° to -30 °,
The α value of (L + S) − (Y−Z) approaches the α value of Y−Z.
The α value of (L + S) + (Y−Z) approaches the α value of L + S.
Therefore, the best cut angle of the α value is ± 16 ° from the experimental value, the analysis value by L + S. The absolute value of the frequency temperature coefficient of (L + S) − (Y−Z) at this cut angle is larger than the experimental value and the analysis value in the L + S mode.
前記α値は、ＹとＺが（Ｙ−Ｚ）モードとして（Ｌ＋Ｓ）モードに結合した結果、低下しているものと考えられる。α値を最も良好に維持させるには、前述したようなカット角度で振動部を形成し、ＹモードとＺモードの振動を抑制しないような連結部によってフレーム部に支持することが必要となる。本発明の圧電振動子では、前述したような細首部を連結部に形成することによって、α値の低下を抑えることが可能となった。 The α value is considered to decrease as a result of Y and Z being combined in the (L + S) mode as the (Y−Z) mode. In order to maintain the α value best, it is necessary to form the vibrating portion at the cut angle as described above and to support the frame portion by a connecting portion that does not suppress the vibration in the Y mode and the Z mode. In the piezoelectric vibrator of the present invention, it is possible to suppress the decrease in the α value by forming the narrow neck as described above at the connecting portion.
図２２は、上記４元結合振動モードにおける振動部のカット角に対する容量比γの変化を解析値と実験値とで示したグラフである。前記容量比γは、振動部の振動周波数値を設定するためのパラメータの一つであるが、小さいほど良好な振動特性を得ることができる。ここで、実線１は（Ｌ＋Ｓ）＋（Ｙ−Ｚ）、実線２は（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）のときの特性であり、破線３は、ＦＥＭ解析値である。また、丸印プロットは、サンプルによって実測したときの値である。このグラフから、本実施形態の４元結合振動モードにおける振動部の容量比γは、楕円で囲った領域において実験値と４元結合の（Ｌ＋Ｓ）−（Ｙ−Ｚ）とで略一致している。このときのカット角は、上記図２０で示したα値の良好なカット角と同様な±１６°近辺となる。 FIG. 22 is a graph showing the change in the capacity ratio γ with respect to the cut angle of the vibration part in the quaternary coupled vibration mode, as an analytical value and an experimental value. The capacity ratio γ is one of the parameters for setting the vibration frequency value of the vibration part, but the smaller the value, the better vibration characteristics can be obtained. Here, the solid line 1 is the characteristic when (L + S) + (Y−Z), the solid line 2 is the characteristic when (L + S) − (Y−Z), and the broken line 3 is the FEM analysis value. The circle plot is a value when actually measured with a sample. From this graph, the capacitance ratio γ of the vibration part in the quaternary coupled vibration mode of the present embodiment is approximately the same between the experimental value and (L + S) − (Y−Z) of the quaternary coupling in the region surrounded by the ellipse. Yes. The cut angle at this time is in the vicinity of ± 16 °, which is the same as the cut angle having a good α value shown in FIG.
次に、前記周波数方程式を用いた振動解析の結果を図２３に示す。この図２３は、幅縦モードに対する幅すべりモードの振幅比を示したものである。なお、横軸はＸ軸廻りのカット角（０〜−３０°）で縦軸は振幅比を示す。この図２３から、幅すべりモードを含まない幅縦のみのモードは、カット角が−２１°近傍のみに存在していることがわかる。なお、カット角が＋２１°においても同様なことがいえる。このときのα値は、図２０に示したように、α＝−２．３×１０−５〜３．２×１０−５（／℃）となる。これに対して、幅すべりモードと幅縦モードの２元結合モードでは、カット角が±１６°近傍でα＝＋０．５４×１０−６（／℃）、４元結合モードでは、カット角が±１４°近傍でα＝−４．３×１０−６（／℃）となり、特性が向上しているのが確認できる。 Next, the result of the vibration analysis using the frequency equation is shown in FIG. FIG. 23 shows the amplitude ratio of the width slip mode to the width-longitudinal mode. The horizontal axis represents the cut angle (0 to -30 °) around the X axis, and the vertical axis represents the amplitude ratio. From FIG. 23, it can be seen that the mode of only the width and length that does not include the width slip mode exists only in the vicinity of -21 ° cut angle. The same can be said when the cut angle is + 21 °. The α value at this time is α = −2.3 × 10 −5 to 3.2 × 10 −5 (/ ° C.) as shown in FIG. On the other hand, in the binary coupling mode of the width slip mode and the width longitudinal mode, the cut angle is about ± 16 ° and α = + 0.54 × 10 −6 (/ ° C.). In the quaternary coupling mode, the cut angle is In the vicinity of ± 14 °, α = −4.3 × 10 −6 (/ ° C.), and it can be confirmed that the characteristics are improved.
上記圧電振動子は、水晶原石から所定のカット角の水晶基板を切り出す水晶基板からエッチング加工あるいは打ち抜き加工によって振動部、連結凹部を有する連結部及びフレーム凹部を有するフレーム部を形成した後、励振電極が形成される。この励振電極は、加熱蒸着法やスパッタ法等によって、所定のパターン形状にパターン形成される。なお、前記水晶板のエッチングは、化学的なウェットエッチングやプラズマなどの物理現象を利用したドライエッチング又はパウダービームを用いて行われる。さらには、水圧を利用したウォータージェット法によってくり貫き形成することもできる。 The piezoelectric vibrator includes an excitation electrode after forming a vibration part, a connection part having a connection concave part, and a frame part having a frame concave part by etching or punching from a crystal substrate that cuts out a crystal substrate having a predetermined cut angle from the quartz crystal. Is formed. The excitation electrode is patterned into a predetermined pattern shape by a heating vapor deposition method, a sputtering method, or the like. The crystal plate is etched using dry etching or powder beam utilizing physical phenomena such as chemical wet etching or plasma. Further, it can be formed by punching by a water jet method using water pressure.
１１ 圧電振動子
１２ 振動部
１３ 連結部
１４ フレーム部
１５ 端子電極部
１６ａ，１６ｂ 連結凹部
１７ａ，１７ｂ 連結凹部
１８，１９ 細首部
２６ フレーム凹部
３６ 電極凹部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Piezoelectric vibrator 12 Vibration part 13 Connection part 14 Frame part 15 Terminal electrode part 16a, 16b Connection recessed part 17a, 17b Connection recessed part 18, 19 Narrow neck part 26 Frame recessed part 36 Electrode recessed part
Claims (13)
前記連結部は、少なくとも振動部側の基端が他の部分より細く形成され、この細く形成された細首部によって前記振動部と連結されていることを特徴とする圧電振動子。 A thin plate-like vibrating part cut out from a piezoelectric crystalline lens having a three-dimensional crystal orientation composed of an X axis, a Y axis, and a Z axis at a predetermined cut angle and having a predetermined width, length, and thickness, and the vibrating part In a piezoelectric vibrator provided with a frame portion that surrounds the frame portion and a connecting portion that connects the frame portion and the vibration portion,
The piezoelectric vibrator is characterized in that at least a base end on the vibration part side is formed thinner than the other part of the connection part, and the connection part is connected to the vibration part by a thin neck part formed thinly.
前記φ１またはφ２におけるＸ軸回転角が−１０°〜−２５°または＋１０°〜＋２５°、Ｙ軸回転角が−１０°〜＋１０°、Ｚ軸回転角が−１０°〜＋１０°である請求項１記載の圧電振動子。 The vibrating portion is formed by an X plate having a coordinate system composed of (X1, Y1, Z1), and selects any one of the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the selected axis is the center. When the X plate is rotated at a rotation angle of φ1 and the selected axis is the X axis, a new coordinate system consisting of (X2, Y2, Z2) that can be generated by the rotation is either the Y axis or the Z axis. When rotating around the axis at a rotation angle of φ2,
The X-axis rotation angle in the φ1 or φ2 is −10 ° to −25 ° or + 10 ° to + 25 °, the Y-axis rotation angle is −10 ° to + 10 °, and the Z-axis rotation angle is −10 ° to + 10 °. Item 15. A piezoelectric vibrator according to Item 1.
前記φ１またはφ２におけるＸ軸回転角が−１０°〜−２５°または＋１０°〜＋２５°、Ｙ軸回転角が−１０°〜＋１０°、Ｚ軸回転角が−１０°〜＋１０°である請求項１記載の圧電振動子。 The vibrating portion is formed by an X plate having a coordinate system composed of (X1, Y1, Z1), and selects any one of the X axis, the Y axis, and the Z axis, and the selected axis is the center. When the X plate is rotated at a rotation angle of φ1 and the selected axis is either the Y axis or the Z axis, a new coordinate system consisting of (X2, Y2, Z2) generated by the rotation is expressed as X When it is rotated at a rotation angle of φ2 around the axis,
The X-axis rotation angle in the φ1 or φ2 is −10 ° to −25 ° or + 10 ° to + 25 °, the Y-axis rotation angle is −10 ° to + 10 °, and the Z-axis rotation angle is −10 ° to + 10 °. Item 15. A piezoelectric vibrator according to Item 1.
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