JP3542403B2 - 圧電振動子及び発振器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、例えば水晶振動子等の圧電振動子において、該圧電材料、振動姿態等で決まる周波数可変範囲の限界を越えて、広い範囲に渡って周波数範囲を可能とした圧電振動子及び発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信やマルチメディア市場の活況に伴い、携帯無線機器や情報機器の中に、小形で周波数安定度の優れた水晶振動子を始めとする圧電振動子を使用したものが出現している。更に最近では、この圧電振動子に要求される性能として、周波数安定度が優れていて、且つ周波数可変範囲が広いと言う互いに相反する性能が要求されてきている。
この様なニーズに対応するための従来技術の例を、図１３に示す。圧電基板４の表裏両面に一対の励振電極５，６を配し、これを保持器１７に立設した二つのスプリング１０ａ，１０ｂの先端のコイルバネ部分に付けた導電性接着材１１ａ，１１ｂにより電気的に接続し、保持器１７を気密貫通するリード線１，２を介して保持器１７の外部に導出する。これらを金属ケース１６にて覆うと共に保持器周縁のリング状領域（鍔部）１４に電着封止されている。保持器１７は、二つの外部金属リード線１，２が金属台座１８を貫通する貫通穴部分にガラス等の誘電性充填材１２ａ，１２ｂを充填させて気密封着するとともに、上記二つのスプリング１０ａ，１０ｂの基端部をハンダ１３ａ，１３ｂにて各リード線１、２の上端部に固定してある。
【０００３】
この振動子を外観から電気的に眺めると、二つの外部金属リード線１，２（第１外部端子１、第２外部端子２）と、台座１８底面に部分１５で電気的に接続された外部金属リード線３（第３外部端子）とから成っている。即ち、電気的には外部端子として３端子を持った電子部品である。第１外部端子１と第２外部端子２は、いずれも圧電振動子の表裏両面の電極に接続された端子である。第３の外部端子３は、表面積の大きい金属ケース１６に接続され、この金属ケース１６は圧電振動子の電極への外部応力等の影響を軽減する機能をも有する。
なお、従来の圧電振動子には、上記第３の外部端子３を有しないものもあるが、その場合は金属保持器を例えばアース（接地）する等の用い方を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術の圧電振動子では、振動子の圧電性を利用して機械振動を得るために圧電基板上に近接配置した電極間に並列容量が発生する。この並列容量のために並列共振現象が発生し、圧電振動子としては、少なくともこの並列共振周波数を越えては機能しないと言う事実がある。これは、圧電振動子の宿命として受け入れられ、容量比と言う概念で理解されている。
【０００５】
しかも、周波数を変化させ直列共振周波数から並列共振周波数に近づくに従って、並列容量の影響により実効抵抗が増加することから、実際には、この二つの周波数、即ち直列共振周波数と並列共振周波数との間の間隔の数分の一しか周波数可変範囲が得られないのが実状である。
無理をして周波数を変化させると、実効抵抗値の増加あるいはその他の理由のため発振停止と言う致命的な現象が発生してしまうと言う欠点があった。これを避けるために、コイルを用いて若干改善する方法もあるが、温度ヒステリシス特性の劣化現象等が起こり周波数安定度を維持できないことがしばしばあった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、水晶振動子等の圧電振動子において、該圧電材料、振動姿態等で決まる周波数可変範囲の限界を越えて、広い範囲に渡って周波数範囲を可能とした圧電振動子を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【発明の概要】
上述の目的を達成するため、本発明は、圧電振動駆動用の分割対向励振電極を配した３端子型圧電振動子において、圧電基板の両主面上に夫々圧電基板を挟んで二つの電極を対向配置すると共に、圧電基板を挟んで斜めに対向する二つの電極を、それぞれ第１の外部端子と第２の外部端子に電気的に接続し、これら二つの電極と圧電基板を挟んで夫々垂直方向に対向する他の二つの電極を互いに電気的に接続し更にこれら他の二つの電極を共に第３の外部端子に電気的に接続したものであって、前記他の二つの電極が、前記第１及び第２の外部電極に接続した二つの電極にそれぞれ近接し、かつ前記圧電基板上の前記電極以外の部分の周辺部分を取り囲んだ電極を配し、該取り囲んだ電極を第３の外部端子に結線したことを特徴とする。また、前記圧電基板の同一主面上に位置する2つの前記分割対向励振電極の間隔が、電気的に接触しない程度に、充分狭いことを特徴とする。
【０００８】
また、前記第３の外部端子に結線されており、前記圧電基板を挟んで斜めに対向して配置された前記他の二つの電極の一部が、互いに圧電基板を挟んで垂直に対向していることを特徴とする。
また、前記圧電振動子を、前記圧電振動子の第３の外部端子を接地電位として利用した発振回路形式を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施例】
以下、本発明を図示した実施例により詳細に説明する。
まず本発明の理解を助けるために、従来の圧電振動子の等価回路を図１４を用いて説明する。図１４の中で実線で示した部分が、圧電振動子本来の等価回路の部分である。Ｌ１ ，Ｃ１ ，Ｒ１ 直列回路がモーショナル・アームと呼ばれるもので、圧電板が機械的に振動し共振現象を起こし、これが圧電性を介して電気端子に現れた定数であって、この部分が圧電振動子の本質を表現している部分である。Ｃ０ は、誘電体である圧電基板に対向電極が配されている為に必然的に発生する容量であって、並列容量と呼ばれている。又、実際の圧電振動子では、図１４の中に点線で結線された容量Ｃ１２，Ｃ２３，Ｃ３１が、浮遊容量として発生する。
【００１０】
本発明は、圧電振動子の等価回路を図１４に示した従来のものから図１に示す構成に変更した点が特徴的である。以下、図１を用いて本発明の説明を行う。即ち、図１において、実際の圧電振動子では、点線で結線された容量Ｃ′１２，Ｃ′２３，Ｃ′３１が浮遊容量として発生することは従来の圧電振動子と同じであるが、特徴的な点は、圧電振動子本来の部分として、第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に、圧電板が機械的に振動することにより共振現象を起こした結果として、その圧電性により電気端子に現れた等価インダクタンスと等価キャパシタンスと等価抵抗の三つの素子が直列に接続されているのみで、並列容量Ｃ０ が接続されていないことである。この並列容量Ｃ０ は圧電振動を励振する為の電極により必ず発現するものであり、一般の圧電振動子の場合には図１４に示すように第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に発現するが、本発明では、第１の外部端子１と第３の外部端子３との間及び第２の外部端子２と第３の外部端子３との間にそれぞれ約半分に分割されて発現しているところが特徴である。
【００１１】
次に、本発明の図１の様な等価回路を持つ圧電振動子を実現する手段をＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合について、図２を用いてその構造を説明する。図２において圧電基板４の主面上に２組の等分割された２分割電極（分割対向励振電極）、即ち、電極５、電極６、電極７、電極８が配されている。電極５は第１の外部端子１に、電極６は第２の外部端子２に、電極７と電極８は両電極とも第３の外部端子３に結線されている。
【００１２】
即ち、この実施例は、圧電振動駆動用の分割対向励振電極５、６、７、８を配した３端子型圧電振動子において、圧電基板４の両主面上を斜めに対向して挟む二つの電極５、６の一組を、それぞれ第１の外部端子１と第２の外部端子２に電気的に接続し、これら二つの電極５、６と圧電基板４を挟んで対向する他の二つの電極７、８を互いに電気的に接続し更にこれを第３の外部端子に電気的に接続した構成が特徴的である。
【００１３】
図２に示すように夫々分割電極を備え、且つ、接続することにより、まず最初に、モーショナル・アームの等価定数が、従来の圧電振動子の場合のＬ１ ，Ｃ１ ，Ｒ１ に比べ、本発明の圧電振動子では、それぞれ４Ｌ１ ，Ｃ１ ／４，４Ｒ１ とインピーダンスが４倍になる。このことを、図３と図４を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）が本発明の場合の作用を、図４（ａ）（ｂ）が従来の場合の作用を説明する説明図である。図３の電極面積の合計、即ち電極５と電極８の面積の和は、図４の電極５′の面積と等しいとする。
【００１４】
圧電振動子は機械的共振現象を利用しているが、圧電反作用により若干の影響は受けるものの、ほとんど純電気的な電極構造とは独立に振動モードが存在する。図３（ａ）及び図４（ａ）の中の符号９が、最低次の対称振動モードを利用した場合について、その振動変位から引き起こされた発生電荷の形状を表したものである。図３中の同一面上の分割電極５−８、７−６間の間隙を小さくしておけば、図３と図４の中の符号９で示した最低次の対称振動モードの発生電荷形状は、ほとんど同じである。つまり、圧電基板４の同一主面上に位置する２つの前記分割対向励振電極５−８、７−６の各間隔が、電気的に接触しない程度に、充分狭くすることが有効である。そして、ある瞬間、電極５に、正の電荷が発生しているとすると、これに対向する電極７には負の電荷が発生する。電極８と電極５は同相だから、やはり正の電荷が発生する。同様に電極７と電極６は同相だから負の電荷が発生する。
【００１５】
ここで、本発明では図２に示す様に、電極７と電極８を両方とも第３の外部端子３に結線するから、第３の外部端子３に対して、第１の外部端子１は正の電荷発生となり、逆に第２の外部端子２は負の電荷発生となる。即ち、第１の外部端子１と第２の外部端子２は第３の外部端子３を基準とした場合に逆相となる。
【００１６】
図３では第１の外部端子１と第２の外部端子２から眺めると電極面積が半分になったものが２ケ直列に接続されている。即ち、電極５，７が一組の電極対となり、また電極７と電極８が接続されて、該電極８と電極６から成るもう一方の電極対を経て第２の外部端子２に至るから全体として、インピーダンス・レベルとしては４倍となることが理解できるであろう。
【００１７】
次に、並列容量の値に付いて説明する。本発明の場合は、この並列容量の値が従来の圧電振動子の場合に比べて、半分のＣ０ ／２になる。これは電極面積が半分になっているのだから当然である。そしてこの並列容量Ｃ０ ／２は、図１に示す通り、第１の外部端子１と第３の外部端子３の間、および第２の外部端子２と第３の外部端子３の間にそれぞれ現れる。
【００１８】
そして、更に本発明では、電極７と電極８が電気的に結線されているので、電極５と電極６は静電的に遮蔽されることになる。その結果、理想的には、電極５と電極６の間に、並列容量は発生しない。従って、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に並列容量は現れない。
【００１９】
次に、最低次の非対称振動モードを利用した実施例を図５を用いて説明する。図５の符号９′は最低次の非対称振動モードの発生電荷形状を表している。この場合同一主面上での電極上の発生電荷の位相が逆相となっているので、第３の外部端子３に対して、第１の外部端子１と第２の外部端子２の両方に正の電荷が発生している。即ち、第１の外部端子１と第２の外部端子２は同相である。この同相になる現象のみが、最低次対称モードの場合（図３）と違う点で、それ以外は同様であるので、説明を省略するが、等価回路としては、同様に、図１で表される。なお図５の各電極５〜８は図２と同じ様に結線されるものとする。
【００２０】
本発明の圧電振動子は、機械的共振を用いた振動子であるから振動モードとしては複数個存在する。以上の説明では、振動モードとして、最低次対称モード、又は最低次非対称モードの二つを説明したが、これのどちらを利用しても、あるいは、他の振動モードを利用してもよい。圧電振動子は、温度安定度の良いことが要求されるが、特にその要求が厳しい水晶振動子の場合等では、基板の最適切断角度が使用モード毎に違うので、それを微細に変え最適に調整することが必要である。実際ＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合、この両モードの間の最適切断角度の差は数分程度であり、現在の生産技術で充分管理できる範囲である。
【００２１】
以下、本発明の圧電振動子を適用した圧電デバイスの具体的実施例の構成および動作を説明する。図６は本発明を厚み滑り水晶振動子に適用した圧電デバイスの一実施例の構造図である。この図に示す例ではＡＴカットに切断された薄板状の水晶基板４の両主面上に二分割された励振用の電極５，８（表面）と，電極７，６（裏面）がそれぞれ配されている。電極５と電極７は、圧電基板４を挟んで対向し、これと近接して、電極８と電極６が同様に圧電基板４を挟んで対向している。
【００２２】
例えば直径４ｍｍφの水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚１００ｎｍのアルミニュームの薄膜を付け、フォトエッチング法により、対向している電極５と電極７の部分の寸法を１．５ｍｍ×０．６５ｍｍとし、同じく対向している電極６と電極８の寸法を１．５ｍｍ×０．６５ｍｍとし、これら２組の対向電極の間の間隙を０．２ｍｍのギャップを持たせて分離させる。電極５は第１の外部端子１に、電極６は第２の外部端子２に、そして、電極７と電極８は両電極とも第３の外部端子３にそれぞれ電極リード部分を介して電気的に接続されている。この構成によれば、既に図２を用いて説明した様に、電極５と電極６とが圧電基板４を挟んで直接対向していないので、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間の静電容量は、充分小さくなる。又図３に図示した様に、その発生電荷分布は、ほぼ９の様な形状であるので、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に直列共振特性が発現する。
【００２３】
第１の外部端子１と第３の外部端子３の間、及び第２の外部端子２と第３の外部端子３の間に、圧電基板上に対向する電極による静電容量が発生することは説明するまでもない。
従って、この実施例の等価回路は、図１の様になる。なお、説明は省略したが、浮遊容量Ｃ１２’，Ｃ２３’，Ｃ３１’が、それぞれ、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間、第２の外部端子２と第３の外部端子３の間、第３の外部端子３と第１の外部端子１の間に現れるが、モーショナル・アーム（直列共振アーム）と並列に現れる浮遊容量Ｃ１２’は並列容量Ｃ０ に比して著しく小さくすることが可能である。
【００２４】
次に、圧電振動子としては電気機械結合係数が可能な限り大きいことが理想であるので、これを考慮した実施例を示す。電気機械結合係数は、機械振動によって引き起こされた発生電荷を、対向する電極で如何に限界まで多量に集めるかによって決まる。この値が大きいと、等価直列容量（Ｃ１ ／４）の値が大きくなる。
【００２５】
図７（ａ）は対向する２組の電極５、８間及び７、６間の間隙ｇが広い場合を図示している。符号９が振動変位によって引き起こされた発生電荷分布である。電極５と電極７との間、および、電極６と電極８との間でそれぞれ対向している領域で集められた電荷が圧電効果に寄与するが、対向していない間隙ｇの部分に対応する発生電荷（図７（ａ）の点線で挟まれた斜線部分）は、この圧電効果に寄与しない。
【００２６】
図７（ｂ）は、この間隙ｇを狭めることにより、圧電効果に寄与しない領域を可能な限り小さくした場合であり、電気機械結合係数は、図７（ａ）の場合より大きくなる。例えば、水晶基板上に蒸着されたアルミニューム電極をフォトエッチング法により除去することにより、この間隙ｇは、５０μｍ程度には容易に狭められる。
図７（ｃ）は、発生電荷分布が、図示したように奇関数の場合である。この場合も図７（ａ）の場合と同様に間隙ｇが小さい方が電気機械結合係数が大きくなる。
【００２７】
本発明は次のように変形することもできる。つまり、上記第３の外部端子３に結線されており、上記圧電基板４を挟んで斜めに対向して配置された二つの電極８、７の一部が、互いに圧電基板４を挟んで垂直（肉厚方向）に対向するように構成することが有効である。
【００２８】
即ち、既に述べたように本発明の主旨の一つは、第１の外部端子１と第２の外部端子２に接続された電極５と電極６の間に、電気的に両電位にされた電極７と電極８を配して静電的に遮蔽することである。本発明は、この遮蔽効果を更に増強するため以下の様なオーバーラップ電極構造を設けることもできる。即ち、図８に示すように電極７と電極８とが圧電基板４を挟んで、間隙部分方向に伸ばされた構造のもので、この伸ばす程度に応じて遮蔽効果が期待できる。図８には、その伸ばす程度として、電極７と電極８とが圧電基板４を挟んで、一部対向領域ｈが存在する例を示している。この様に対向領域ｈを配すると、電極５と電極６の間の静電結合に対する、電極７と電極８の遮蔽効果が増すことは容易に理解できよう。この効果は図７にて説明した電極間距離ｇを小さくする場合等においては特に有効であろう。
【００２９】
図９に本発明のその他の実施例として、遮蔽効果を増強するため周辺にシールド電極を配した場合を示す。
ＡＴカットに切断された水晶基板４の両主表面上にそれぞれ二つの励振用の主電極５，６を配し、これと対向すべき電極７，８をシールド電極として夫々基板の両主面全面に広げた実施例である。即ち、本実施例は、上記圧電基板４の両主面に垂直に（基板面と直交する方向に）対向して配された前記２つの電極であってそれぞれ上記第１および第２の外部端子１、２に接続された電極５、６に近接しており、かつ圧電基板上の電極５、６以外の部分の周辺部分を取り囲んだ電極７、８を配し、後者の電極７、８を第３の外部端子３に結線した構成が特徴的である。
【００３０】
この場合、２つの励振電極５，６およびその対向部分は、エネルギー閉じ込めの為に若干そのカットオフ周波数を下げることが、有効であることは、一般のエネルギー閉じ込め型振動子と同じである。
直径４ｍｍφの水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚５００ｎｍのクロム下地の金の薄膜を付け、フォトエッチング法により、励振電極５，６の対向部分である領域１．５ｍｍ×１．５ｍｍの部分のみを残す。その後、全体をエッチング液に浸し、水晶基板の励振電極部分以外の周辺部分を５０ｎｍ薄くする。
【００３１】
次に再度、水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚１００ｎｍアルミニュームの薄膜を付け、フォトエッチング法により、励振電極５，６と周辺電極７，８を図の様に０．２ｍｍのギャップＧを持たせて分離させる。励振電極５，６のリード引出し部の幅寸法は０．７ｍｍである。又、周辺電極７，８の両端部の一部は、励振電極５，６をパッケージに組み込む時の短絡防止の為、適宜取り除いておく。
この二つの周辺電極７，８は実際には短絡して第３の外部端子３に接続して使用されるが、これはパッケージ組み込み時に、導電性接着剤１７にて一括して行うことができる。
【００３２】
本発明によれば表面実装型のパッケージ（ＳＭＤ型パッケージ）のようにパッケージが小形になって構造的に浮遊容量が増える虞れがある場合でも、本発明の遮蔽電極の遮蔽効果により、並列容量が増加したり、その結果性能が劣化することはない。従来のパッケージでは、アース電極等の遮蔽電極を配し、浮遊容量を増加させることを極力避けてきたが、本発明では、逆に積極的に遮蔽電極を配する。図示を省略するが、ＳＭＤパッケージに適用する場合は大きな遮蔽電極の付いた圧電基板と金属蓋と積層セラミック台座も備え、積層セラミック台座は、シームリングと積層セラミック部からなる。金属蓋とシームリングとはシーム溶接法により溶接される。
【００３３】
次に、本発明の圧電振動子を利用した発振器について説明する。圧電振動子を用いた発振器は、圧電振動子と負抵抗を発生させる為の、半導体素子等のアクティブ素子を組み合わせて構成されている。このアクティブ素子には、例えば、バイポーラ・トランジスタやＣＭＯＳトランジスタの様な３端子形式のものと、負性ダイオードの様な２端子形式のものがある。
【００３４】
図１０に、他の実施例として、３端子形式のバイポーラ・トランジスタと組み合わせてコルピッツ発振回路形式とした発振回路を示す。
本発明の圧電振動子では、浮遊容量は接地電位との間に入るので、図１０に示す例では第１の外部端子１と第２の外部端子２は、接地電位に接続しない方法を提案するものである。
【００３５】
従来から一般的に良く用いられている発振回路は、コレクター接地型コルピッツ回路であるが、これでは、第１の外部端子１または第２の外部端子２のどちらかが接地電位に結線されるため、他の第２の外部端子２または第１の外部端子１のどちらかの間に浮遊容量が発生し、本発明の圧電振動子の性能が発揮できなくなる。
【００３６】
又、アクティブ回路側としては、プリント板のパターン設計に於いても、第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に、浮遊容量が増えないように、パータン間隔や層間隔を広げること、またはその間に遮蔽用のパターン導体を配する等の配慮が必要なことは言うまでもない。
即ち、本発明の圧電振動子を利用した発振器に於いては、該圧電振動子の第３の外部端子３を接地電位として利用する発振回路形式とする。このように構成した圧電話発振器によれば、周波数可変範囲を広くすることができる。
以下に、圧電振動子の周波数を大きく変えた場合に、そのインピーダンス特性が、どの様に変わるかを、並列容量Ｃ５ の影響を念頭に置きながら、定量的に検討する。等価回路として、ごく一般的な図１１を用いる。
【００３７】
直列アームのインピーダンスをＺＳ とすると、
【００３８】
【数１】
両辺をＲ１ で除して基準化すると、
【００３９】
【数２】
ここに
【００４０】
【数３】
【００４１】
【数４】
であり、ω０ は直列共振周波数、Ｑは共振先鋭度である。
【００４２】
ここで、基準化周波数δを次式５で定義し、共周波数ωの代わりに使用する。
【００４３】
【数５】
（５）式を（２）式に代入すると、
【００４４】
【数６】
基準化周波数δが小さいとして（６）式の右辺の（ ）の中を第一項のみで近似すると、
【００４５】
【数７】
この（７）式の意味する所は、直列アームのインピーダンスを直列抵抗Ｒ１ で基準化し、周波数の尺度として、基準化周波数δの代わりに２Ｑδとまとめた量で測ると、この直列アームのインピーダンスの振る舞いは、直列抵抗Ｒ１ や共振先鋭度Ｑによらずに、一義的に決まると言うことである。
【００４６】
更に、この（７）式のガウス平面上の軌跡は、点（１，０）を通り縦軸に平行な直線であり、２θδの値に対応してリアクタンス分が線形に変化する。この線形に変化する性質は、周波数を広範囲に変化させる場合を解析する時には、直感性に訴えられ便利な性質である。この性質は、一般的に広く用いられているアドミッタンスで表現すると失われる。
【００４７】
次に図１１の並列容量Ｃ０ のインピーダンスをＺＰ とすると、
【００４８】
【数８】
両辺を直列抵抗Ｒ１ で除して基準化すると、
【００４９】
【数９】
ここにγは容量比で、次式で定義される。
【００５０】
【数１０】
（９）式に（５）式を代入すると、
【００５１】
【数１１】
基準化周波数δが小さいとして（１１）式の右辺の（ ）の中を第一項のみで近似すると、
【００５２】
【数１２】
この（１２）式の意味する所は、並列容量ＣＰ のインピーダンスを直列抵抗Ｒ１ で基準化すると、この値はＱ／７で規定される定数となると言うことである。このＱ／γは、有名なフィギュアー・オブ・メリットと呼ばれる量である。
【００５３】
さて、図の全体のインピーダンスＺ／Ｒ１ は、
【００５４】
【数１３】
であるので、（７）式のＺ６ と（１２）のＺＰ を代入し、実数部Ｒと虚数部Ｘに分けて整理すると、
【００５５】
【数１４】
の形になる。ここに、（２Ｑδ）の部分を付記したのは、実数部Ｒも虚数部Ｘも、共に２Ｑδで測られた周波数の関数であることを強調するためである。
この実数部Ｒと虚数部Ｘとから、２Ｑδを消去するとインピーダンス円線図と呼ばれる次式が得られる。
【００５６】
【数１５】
これは、中心を、
【００５７】
【数１６】
とし、縦軸に接する円であり、その直径は（Ｑ／γ）２ である。
この（１５）式の意味する所は、フィギュアー・オブ・メリットＱ／γの値が小さいと、インピーダンス円線図の直径が小さくなり、（７）式の軌跡では、直線状であった性質が、ここでは失われてしまうと言うことである。即ち、特性が劣化してしまうことになる。
【００５８】
この特性劣化を定量的に把握するために、数値計算を行う。（１３）式、（７）式、（１２）式を用いてインピーダンス円線図を求めた結果を図１４に示す。周波数２Ｑδとしては、０から２０まで１刻みで２１点計算してある。フィギュアー・オブ・メリットＱ／γとしては、∞、３２、８の３通りである。
図１４より、フィギュアー・オブ・メリットＱ／γの値が小さくなると、即ち、並列容量Ｃ０ が大きくなると、（７）式の直列アームのインピーダンス単独の場合の振る舞いに比べて、以下の特性劣化があることが判る。
【００５９】
即ち、周波数を直列共振点から上昇させてゆくと、
１．実数部Ｒ（実効抵抗）が増加してしまう。この為広い周波数可変範囲を得ようとすると、発振停止現象が起こりうる。
２．虚数部Ｘ（実効リアクタンス）が増加してしまう。その為外部リアクタンスを変化させた時の周波数可変への感度が悪循環的に低下する。
３．虚数部の増分の周波数依存性が非線形になってしまう。この為広い周波数可変範囲を必要とする場合に、外部パラメータ変化に対するリニアリテが得にくくなる。
４．圧電振動子の並列共振周波数の近接化・周波数可変範囲の限界等の現象が起こる。
【００６０】
以上、並列容量Ｃ０ が大きくなると、特性が劣化してしまうことを示した。
又、実際の圧電振動子では、各部の浮遊容量の値が直接並列容量に加算される為に、この並列容量の値が更に大きくなると言う問題点がある為、“周波数可変範囲の減少”の現象が顕著になっていた。
これらの問題点は、圧電振動子が高い周波数になればなるほど小さな励振電極が必要となる為、圧伝振動子本来の対向する励振用電極部分による容量値に比べて、パッケージに入れること等により不必要な浮遊容量値が更に多大に発生し、この浮遊容量の割合が大きくなるため、特性劣化が激しくなっていた。
【００６１】
また、小形化を指向したり、表面実装型のような薄型を指向したパッケージでは、各部分の寸法が小さくなり、その結果浮遊容量の値が大きくなってしまう結果として、並列容量に加算される浮遊容量値が大きくなる為、並列容量が大きくなるため、この点でも特性劣化が激しくなっていた。
これらの特性劣化は、本発明の圧電振動子では取り除かれている。即ち、本発明の図２の様な構造を取ることにより、実施例に示した様に、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に入っている並列容量Ｃ０ を、大幅に減少できるから、上記数式数値解析に示す通り、直列アームのインピーダンス単独の特性に近ずき、特性改善が計られている。
以上説明した本発明の効果は、各種特性の劣化防止と、周波数可変範囲の限界打破という点にあるから、広い周波数可変範囲を必要とする圧電振動子に於いては、著しい効果を奏するものである。
また、分割電極は例に示したように均等に２分割する場合に限らず、１：２，或はそれ以外の割合に分割してもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上、本発明の実施例として、エネルギー閉じ込み型ＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合について説明したが、本発明は、エネルギ−閉じ込め型のみに限るものではない。即ち、図４（ａ） の様な従来の対向電極構造の圧電振動子に、副電極を配することによって、図５の様な作用により並列容量の値が浮遊容量で増加するのを防ぐことができるから、全ての対向電極構造を持った圧電振動子及び輪郭振動モード等のあらゆる振動モードの圧電振動子または、あらゆる素材の圧電振動子に適応可能である。
また、これらの振動子を利用する回路や装置としてはＶＣＸＯのみならずｆｉｌｔｅｒ等で広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動子の一実施例の等価回路図。
【図２】本発明の圧電振動子の基本構造概念図。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の場合の作用説明図（最低次対称モードの場合）。
【図４】（ａ）（ｂ）は従来例の場合の作用説明図（最低次対称モードの場合）。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の作用説明図（最低次非対称モードの場合）。
【図６】本発明の圧電振動子の他の実施例の構造図。
【図７】（ａ）（ｂ）および（ｃ）は本発明の圧電振動子のその他の実施例の構造概念説明図。
【図８】本発明の圧電振動子の他の実施例の構造概念説明図。
【図９】本発明の他の実施例の圧電振動子を適用したデバイスの構成図。
【図１０】本発明の応用実施例の概念図。
【図１１】圧電振動子の等価回路図。
【図１２】インピーダンス特性の数値計算例図概念図。
【図１３】従来の圧電振動子の構造図例。
【図１４】従来の圧電振動子の等価回路。
【符号の説明】
１ 第１の外部端子、２ 第２の外部端子、第３の外部端子、４ 圧電基板、５、６ 励振電極、１０ａ，１０ｂ スプリング、
【産業上の利用分野】
この発明は、例えば水晶振動子等の圧電振動子において、該圧電材料、振動姿態等で決まる周波数可変範囲の限界を越えて、広い範囲に渡って周波数範囲を可能とした圧電振動子及び発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信やマルチメディア市場の活況に伴い、携帯無線機器や情報機器の中に、小形で周波数安定度の優れた水晶振動子を始めとする圧電振動子を使用したものが出現している。更に最近では、この圧電振動子に要求される性能として、周波数安定度が優れていて、且つ周波数可変範囲が広いと言う互いに相反する性能が要求されてきている。
この様なニーズに対応するための従来技術の例を、図１３に示す。圧電基板４の表裏両面に一対の励振電極５，６を配し、これを保持器１７に立設した二つのスプリング１０ａ，１０ｂの先端のコイルバネ部分に付けた導電性接着材１１ａ，１１ｂにより電気的に接続し、保持器１７を気密貫通するリード線１，２を介して保持器１７の外部に導出する。これらを金属ケース１６にて覆うと共に保持器周縁のリング状領域（鍔部）１４に電着封止されている。保持器１７は、二つの外部金属リード線１，２が金属台座１８を貫通する貫通穴部分にガラス等の誘電性充填材１２ａ，１２ｂを充填させて気密封着するとともに、上記二つのスプリング１０ａ，１０ｂの基端部をハンダ１３ａ，１３ｂにて各リード線１、２の上端部に固定してある。
【０００３】
この振動子を外観から電気的に眺めると、二つの外部金属リード線１，２（第１外部端子１、第２外部端子２）と、台座１８底面に部分１５で電気的に接続された外部金属リード線３（第３外部端子）とから成っている。即ち、電気的には外部端子として３端子を持った電子部品である。第１外部端子１と第２外部端子２は、いずれも圧電振動子の表裏両面の電極に接続された端子である。第３の外部端子３は、表面積の大きい金属ケース１６に接続され、この金属ケース１６は圧電振動子の電極への外部応力等の影響を軽減する機能をも有する。
なお、従来の圧電振動子には、上記第３の外部端子３を有しないものもあるが、その場合は金属保持器を例えばアース（接地）する等の用い方を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術の圧電振動子では、振動子の圧電性を利用して機械振動を得るために圧電基板上に近接配置した電極間に並列容量が発生する。この並列容量のために並列共振現象が発生し、圧電振動子としては、少なくともこの並列共振周波数を越えては機能しないと言う事実がある。これは、圧電振動子の宿命として受け入れられ、容量比と言う概念で理解されている。
【０００５】
しかも、周波数を変化させ直列共振周波数から並列共振周波数に近づくに従って、並列容量の影響により実効抵抗が増加することから、実際には、この二つの周波数、即ち直列共振周波数と並列共振周波数との間の間隔の数分の一しか周波数可変範囲が得られないのが実状である。
無理をして周波数を変化させると、実効抵抗値の増加あるいはその他の理由のため発振停止と言う致命的な現象が発生してしまうと言う欠点があった。これを避けるために、コイルを用いて若干改善する方法もあるが、温度ヒステリシス特性の劣化現象等が起こり周波数安定度を維持できないことがしばしばあった。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、水晶振動子等の圧電振動子において、該圧電材料、振動姿態等で決まる周波数可変範囲の限界を越えて、広い範囲に渡って周波数範囲を可能とした圧電振動子を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【発明の概要】
上述の目的を達成するため、本発明は、圧電振動駆動用の分割対向励振電極を配した３端子型圧電振動子において、圧電基板の両主面上に夫々圧電基板を挟んで二つの電極を対向配置すると共に、圧電基板を挟んで斜めに対向する二つの電極を、それぞれ第１の外部端子と第２の外部端子に電気的に接続し、これら二つの電極と圧電基板を挟んで夫々垂直方向に対向する他の二つの電極を互いに電気的に接続し更にこれら他の二つの電極を共に第３の外部端子に電気的に接続したものであって、前記他の二つの電極が、前記第１及び第２の外部電極に接続した二つの電極にそれぞれ近接し、かつ前記圧電基板上の前記電極以外の部分の周辺部分を取り囲んだ電極を配し、該取り囲んだ電極を第３の外部端子に結線したことを特徴とする。また、前記圧電基板の同一主面上に位置する2つの前記分割対向励振電極の間隔が、電気的に接触しない程度に、充分狭いことを特徴とする。
【０００８】
また、前記第３の外部端子に結線されており、前記圧電基板を挟んで斜めに対向して配置された前記他の二つの電極の一部が、互いに圧電基板を挟んで垂直に対向していることを特徴とする。
また、前記圧電振動子を、前記圧電振動子の第３の外部端子を接地電位として利用した発振回路形式を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施例】
以下、本発明を図示した実施例により詳細に説明する。
まず本発明の理解を助けるために、従来の圧電振動子の等価回路を図１４を用いて説明する。図１４の中で実線で示した部分が、圧電振動子本来の等価回路の部分である。Ｌ１ ，Ｃ１ ，Ｒ１ 直列回路がモーショナル・アームと呼ばれるもので、圧電板が機械的に振動し共振現象を起こし、これが圧電性を介して電気端子に現れた定数であって、この部分が圧電振動子の本質を表現している部分である。Ｃ０ は、誘電体である圧電基板に対向電極が配されている為に必然的に発生する容量であって、並列容量と呼ばれている。又、実際の圧電振動子では、図１４の中に点線で結線された容量Ｃ１２，Ｃ２３，Ｃ３１が、浮遊容量として発生する。
【００１０】
本発明は、圧電振動子の等価回路を図１４に示した従来のものから図１に示す構成に変更した点が特徴的である。以下、図１を用いて本発明の説明を行う。即ち、図１において、実際の圧電振動子では、点線で結線された容量Ｃ′１２，Ｃ′２３，Ｃ′３１が浮遊容量として発生することは従来の圧電振動子と同じであるが、特徴的な点は、圧電振動子本来の部分として、第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に、圧電板が機械的に振動することにより共振現象を起こした結果として、その圧電性により電気端子に現れた等価インダクタンスと等価キャパシタンスと等価抵抗の三つの素子が直列に接続されているのみで、並列容量Ｃ０ が接続されていないことである。この並列容量Ｃ０ は圧電振動を励振する為の電極により必ず発現するものであり、一般の圧電振動子の場合には図１４に示すように第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に発現するが、本発明では、第１の外部端子１と第３の外部端子３との間及び第２の外部端子２と第３の外部端子３との間にそれぞれ約半分に分割されて発現しているところが特徴である。
【００１１】
次に、本発明の図１の様な等価回路を持つ圧電振動子を実現する手段をＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合について、図２を用いてその構造を説明する。図２において圧電基板４の主面上に２組の等分割された２分割電極（分割対向励振電極）、即ち、電極５、電極６、電極７、電極８が配されている。電極５は第１の外部端子１に、電極６は第２の外部端子２に、電極７と電極８は両電極とも第３の外部端子３に結線されている。
【００１２】
即ち、この実施例は、圧電振動駆動用の分割対向励振電極５、６、７、８を配した３端子型圧電振動子において、圧電基板４の両主面上を斜めに対向して挟む二つの電極５、６の一組を、それぞれ第１の外部端子１と第２の外部端子２に電気的に接続し、これら二つの電極５、６と圧電基板４を挟んで対向する他の二つの電極７、８を互いに電気的に接続し更にこれを第３の外部端子に電気的に接続した構成が特徴的である。
【００１３】
図２に示すように夫々分割電極を備え、且つ、接続することにより、まず最初に、モーショナル・アームの等価定数が、従来の圧電振動子の場合のＬ１ ，Ｃ１ ，Ｒ１ に比べ、本発明の圧電振動子では、それぞれ４Ｌ１ ，Ｃ１ ／４，４Ｒ１ とインピーダンスが４倍になる。このことを、図３と図４を用いて説明する。図３（ａ）（ｂ）が本発明の場合の作用を、図４（ａ）（ｂ）が従来の場合の作用を説明する説明図である。図３の電極面積の合計、即ち電極５と電極８の面積の和は、図４の電極５′の面積と等しいとする。
【００１４】
圧電振動子は機械的共振現象を利用しているが、圧電反作用により若干の影響は受けるものの、ほとんど純電気的な電極構造とは独立に振動モードが存在する。図３（ａ）及び図４（ａ）の中の符号９が、最低次の対称振動モードを利用した場合について、その振動変位から引き起こされた発生電荷の形状を表したものである。図３中の同一面上の分割電極５−８、７−６間の間隙を小さくしておけば、図３と図４の中の符号９で示した最低次の対称振動モードの発生電荷形状は、ほとんど同じである。つまり、圧電基板４の同一主面上に位置する２つの前記分割対向励振電極５−８、７−６の各間隔が、電気的に接触しない程度に、充分狭くすることが有効である。そして、ある瞬間、電極５に、正の電荷が発生しているとすると、これに対向する電極７には負の電荷が発生する。電極８と電極５は同相だから、やはり正の電荷が発生する。同様に電極７と電極６は同相だから負の電荷が発生する。
【００１５】
ここで、本発明では図２に示す様に、電極７と電極８を両方とも第３の外部端子３に結線するから、第３の外部端子３に対して、第１の外部端子１は正の電荷発生となり、逆に第２の外部端子２は負の電荷発生となる。即ち、第１の外部端子１と第２の外部端子２は第３の外部端子３を基準とした場合に逆相となる。
【００１６】
図３では第１の外部端子１と第２の外部端子２から眺めると電極面積が半分になったものが２ケ直列に接続されている。即ち、電極５，７が一組の電極対となり、また電極７と電極８が接続されて、該電極８と電極６から成るもう一方の電極対を経て第２の外部端子２に至るから全体として、インピーダンス・レベルとしては４倍となることが理解できるであろう。
【００１７】
次に、並列容量の値に付いて説明する。本発明の場合は、この並列容量の値が従来の圧電振動子の場合に比べて、半分のＣ０ ／２になる。これは電極面積が半分になっているのだから当然である。そしてこの並列容量Ｃ０ ／２は、図１に示す通り、第１の外部端子１と第３の外部端子３の間、および第２の外部端子２と第３の外部端子３の間にそれぞれ現れる。
【００１８】
そして、更に本発明では、電極７と電極８が電気的に結線されているので、電極５と電極６は静電的に遮蔽されることになる。その結果、理想的には、電極５と電極６の間に、並列容量は発生しない。従って、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に並列容量は現れない。
【００１９】
次に、最低次の非対称振動モードを利用した実施例を図５を用いて説明する。図５の符号９′は最低次の非対称振動モードの発生電荷形状を表している。この場合同一主面上での電極上の発生電荷の位相が逆相となっているので、第３の外部端子３に対して、第１の外部端子１と第２の外部端子２の両方に正の電荷が発生している。即ち、第１の外部端子１と第２の外部端子２は同相である。この同相になる現象のみが、最低次対称モードの場合（図３）と違う点で、それ以外は同様であるので、説明を省略するが、等価回路としては、同様に、図１で表される。なお図５の各電極５〜８は図２と同じ様に結線されるものとする。
【００２０】
本発明の圧電振動子は、機械的共振を用いた振動子であるから振動モードとしては複数個存在する。以上の説明では、振動モードとして、最低次対称モード、又は最低次非対称モードの二つを説明したが、これのどちらを利用しても、あるいは、他の振動モードを利用してもよい。圧電振動子は、温度安定度の良いことが要求されるが、特にその要求が厳しい水晶振動子の場合等では、基板の最適切断角度が使用モード毎に違うので、それを微細に変え最適に調整することが必要である。実際ＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合、この両モードの間の最適切断角度の差は数分程度であり、現在の生産技術で充分管理できる範囲である。
【００２１】
以下、本発明の圧電振動子を適用した圧電デバイスの具体的実施例の構成および動作を説明する。図６は本発明を厚み滑り水晶振動子に適用した圧電デバイスの一実施例の構造図である。この図に示す例ではＡＴカットに切断された薄板状の水晶基板４の両主面上に二分割された励振用の電極５，８（表面）と，電極７，６（裏面）がそれぞれ配されている。電極５と電極７は、圧電基板４を挟んで対向し、これと近接して、電極８と電極６が同様に圧電基板４を挟んで対向している。
【００２２】
例えば直径４ｍｍφの水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚１００ｎｍのアルミニュームの薄膜を付け、フォトエッチング法により、対向している電極５と電極７の部分の寸法を１．５ｍｍ×０．６５ｍｍとし、同じく対向している電極６と電極８の寸法を１．５ｍｍ×０．６５ｍｍとし、これら２組の対向電極の間の間隙を０．２ｍｍのギャップを持たせて分離させる。電極５は第１の外部端子１に、電極６は第２の外部端子２に、そして、電極７と電極８は両電極とも第３の外部端子３にそれぞれ電極リード部分を介して電気的に接続されている。この構成によれば、既に図２を用いて説明した様に、電極５と電極６とが圧電基板４を挟んで直接対向していないので、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間の静電容量は、充分小さくなる。又図３に図示した様に、その発生電荷分布は、ほぼ９の様な形状であるので、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に直列共振特性が発現する。
【００２３】
第１の外部端子１と第３の外部端子３の間、及び第２の外部端子２と第３の外部端子３の間に、圧電基板上に対向する電極による静電容量が発生することは説明するまでもない。
従って、この実施例の等価回路は、図１の様になる。なお、説明は省略したが、浮遊容量Ｃ１２’，Ｃ２３’，Ｃ３１’が、それぞれ、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間、第２の外部端子２と第３の外部端子３の間、第３の外部端子３と第１の外部端子１の間に現れるが、モーショナル・アーム（直列共振アーム）と並列に現れる浮遊容量Ｃ１２’は並列容量Ｃ０ に比して著しく小さくすることが可能である。
【００２４】
次に、圧電振動子としては電気機械結合係数が可能な限り大きいことが理想であるので、これを考慮した実施例を示す。電気機械結合係数は、機械振動によって引き起こされた発生電荷を、対向する電極で如何に限界まで多量に集めるかによって決まる。この値が大きいと、等価直列容量（Ｃ１ ／４）の値が大きくなる。
【００２５】
図７（ａ）は対向する２組の電極５、８間及び７、６間の間隙ｇが広い場合を図示している。符号９が振動変位によって引き起こされた発生電荷分布である。電極５と電極７との間、および、電極６と電極８との間でそれぞれ対向している領域で集められた電荷が圧電効果に寄与するが、対向していない間隙ｇの部分に対応する発生電荷（図７（ａ）の点線で挟まれた斜線部分）は、この圧電効果に寄与しない。
【００２６】
図７（ｂ）は、この間隙ｇを狭めることにより、圧電効果に寄与しない領域を可能な限り小さくした場合であり、電気機械結合係数は、図７（ａ）の場合より大きくなる。例えば、水晶基板上に蒸着されたアルミニューム電極をフォトエッチング法により除去することにより、この間隙ｇは、５０μｍ程度には容易に狭められる。
図７（ｃ）は、発生電荷分布が、図示したように奇関数の場合である。この場合も図７（ａ）の場合と同様に間隙ｇが小さい方が電気機械結合係数が大きくなる。
【００２７】
本発明は次のように変形することもできる。つまり、上記第３の外部端子３に結線されており、上記圧電基板４を挟んで斜めに対向して配置された二つの電極８、７の一部が、互いに圧電基板４を挟んで垂直（肉厚方向）に対向するように構成することが有効である。
【００２８】
即ち、既に述べたように本発明の主旨の一つは、第１の外部端子１と第２の外部端子２に接続された電極５と電極６の間に、電気的に両電位にされた電極７と電極８を配して静電的に遮蔽することである。本発明は、この遮蔽効果を更に増強するため以下の様なオーバーラップ電極構造を設けることもできる。即ち、図８に示すように電極７と電極８とが圧電基板４を挟んで、間隙部分方向に伸ばされた構造のもので、この伸ばす程度に応じて遮蔽効果が期待できる。図８には、その伸ばす程度として、電極７と電極８とが圧電基板４を挟んで、一部対向領域ｈが存在する例を示している。この様に対向領域ｈを配すると、電極５と電極６の間の静電結合に対する、電極７と電極８の遮蔽効果が増すことは容易に理解できよう。この効果は図７にて説明した電極間距離ｇを小さくする場合等においては特に有効であろう。
【００２９】
図９に本発明のその他の実施例として、遮蔽効果を増強するため周辺にシールド電極を配した場合を示す。
ＡＴカットに切断された水晶基板４の両主表面上にそれぞれ二つの励振用の主電極５，６を配し、これと対向すべき電極７，８をシールド電極として夫々基板の両主面全面に広げた実施例である。即ち、本実施例は、上記圧電基板４の両主面に垂直に（基板面と直交する方向に）対向して配された前記２つの電極であってそれぞれ上記第１および第２の外部端子１、２に接続された電極５、６に近接しており、かつ圧電基板上の電極５、６以外の部分の周辺部分を取り囲んだ電極７、８を配し、後者の電極７、８を第３の外部端子３に結線した構成が特徴的である。
【００３０】
この場合、２つの励振電極５，６およびその対向部分は、エネルギー閉じ込めの為に若干そのカットオフ周波数を下げることが、有効であることは、一般のエネルギー閉じ込め型振動子と同じである。
直径４ｍｍφの水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚５００ｎｍのクロム下地の金の薄膜を付け、フォトエッチング法により、励振電極５，６の対向部分である領域１．５ｍｍ×１．５ｍｍの部分のみを残す。その後、全体をエッチング液に浸し、水晶基板の励振電極部分以外の周辺部分を５０ｎｍ薄くする。
【００３１】
次に再度、水晶基板４の両面にスパッタ法により膜厚１００ｎｍアルミニュームの薄膜を付け、フォトエッチング法により、励振電極５，６と周辺電極７，８を図の様に０．２ｍｍのギャップＧを持たせて分離させる。励振電極５，６のリード引出し部の幅寸法は０．７ｍｍである。又、周辺電極７，８の両端部の一部は、励振電極５，６をパッケージに組み込む時の短絡防止の為、適宜取り除いておく。
この二つの周辺電極７，８は実際には短絡して第３の外部端子３に接続して使用されるが、これはパッケージ組み込み時に、導電性接着剤１７にて一括して行うことができる。
【００３２】
本発明によれば表面実装型のパッケージ（ＳＭＤ型パッケージ）のようにパッケージが小形になって構造的に浮遊容量が増える虞れがある場合でも、本発明の遮蔽電極の遮蔽効果により、並列容量が増加したり、その結果性能が劣化することはない。従来のパッケージでは、アース電極等の遮蔽電極を配し、浮遊容量を増加させることを極力避けてきたが、本発明では、逆に積極的に遮蔽電極を配する。図示を省略するが、ＳＭＤパッケージに適用する場合は大きな遮蔽電極の付いた圧電基板と金属蓋と積層セラミック台座も備え、積層セラミック台座は、シームリングと積層セラミック部からなる。金属蓋とシームリングとはシーム溶接法により溶接される。
【００３３】
次に、本発明の圧電振動子を利用した発振器について説明する。圧電振動子を用いた発振器は、圧電振動子と負抵抗を発生させる為の、半導体素子等のアクティブ素子を組み合わせて構成されている。このアクティブ素子には、例えば、バイポーラ・トランジスタやＣＭＯＳトランジスタの様な３端子形式のものと、負性ダイオードの様な２端子形式のものがある。
【００３４】
図１０に、他の実施例として、３端子形式のバイポーラ・トランジスタと組み合わせてコルピッツ発振回路形式とした発振回路を示す。
本発明の圧電振動子では、浮遊容量は接地電位との間に入るので、図１０に示す例では第１の外部端子１と第２の外部端子２は、接地電位に接続しない方法を提案するものである。
【００３５】
従来から一般的に良く用いられている発振回路は、コレクター接地型コルピッツ回路であるが、これでは、第１の外部端子１または第２の外部端子２のどちらかが接地電位に結線されるため、他の第２の外部端子２または第１の外部端子１のどちらかの間に浮遊容量が発生し、本発明の圧電振動子の性能が発揮できなくなる。
【００３６】
又、アクティブ回路側としては、プリント板のパターン設計に於いても、第１の外部端子１と第２の外部端子２との間に、浮遊容量が増えないように、パータン間隔や層間隔を広げること、またはその間に遮蔽用のパターン導体を配する等の配慮が必要なことは言うまでもない。
即ち、本発明の圧電振動子を利用した発振器に於いては、該圧電振動子の第３の外部端子３を接地電位として利用する発振回路形式とする。このように構成した圧電話発振器によれば、周波数可変範囲を広くすることができる。
以下に、圧電振動子の周波数を大きく変えた場合に、そのインピーダンス特性が、どの様に変わるかを、並列容量Ｃ５ の影響を念頭に置きながら、定量的に検討する。等価回路として、ごく一般的な図１１を用いる。
【００３７】
直列アームのインピーダンスをＺＳ とすると、
【００３８】
【数１】
【００３９】
【数２】
【００４０】
【数３】
【数４】
【００４２】
ここで、基準化周波数δを次式５で定義し、共周波数ωの代わりに使用する。
【００４３】
【数５】
【００４４】
【数６】
【００４５】
【数７】
【００４６】
更に、この（７）式のガウス平面上の軌跡は、点（１，０）を通り縦軸に平行な直線であり、２θδの値に対応してリアクタンス分が線形に変化する。この線形に変化する性質は、周波数を広範囲に変化させる場合を解析する時には、直感性に訴えられ便利な性質である。この性質は、一般的に広く用いられているアドミッタンスで表現すると失われる。
【００４７】
次に図１１の並列容量Ｃ０ のインピーダンスをＺＰ とすると、
【００４８】
【数８】
【００４９】
【数９】
【００５０】
【数１０】
【００５１】
【数１１】
【００５２】
【数１２】
【００５３】
さて、図の全体のインピーダンスＺ／Ｒ１ は、
【００５４】
【数１３】
【００５５】
【数１４】
この実数部Ｒと虚数部Ｘとから、２Ｑδを消去するとインピーダンス円線図と呼ばれる次式が得られる。
【００５６】
【数１５】
【００５７】
【数１６】
この（１５）式の意味する所は、フィギュアー・オブ・メリットＱ／γの値が小さいと、インピーダンス円線図の直径が小さくなり、（７）式の軌跡では、直線状であった性質が、ここでは失われてしまうと言うことである。即ち、特性が劣化してしまうことになる。
【００５８】
この特性劣化を定量的に把握するために、数値計算を行う。（１３）式、（７）式、（１２）式を用いてインピーダンス円線図を求めた結果を図１４に示す。周波数２Ｑδとしては、０から２０まで１刻みで２１点計算してある。フィギュアー・オブ・メリットＱ／γとしては、∞、３２、８の３通りである。
図１４より、フィギュアー・オブ・メリットＱ／γの値が小さくなると、即ち、並列容量Ｃ０ が大きくなると、（７）式の直列アームのインピーダンス単独の場合の振る舞いに比べて、以下の特性劣化があることが判る。
【００５９】
即ち、周波数を直列共振点から上昇させてゆくと、
１．実数部Ｒ（実効抵抗）が増加してしまう。この為広い周波数可変範囲を得ようとすると、発振停止現象が起こりうる。
２．虚数部Ｘ（実効リアクタンス）が増加してしまう。その為外部リアクタンスを変化させた時の周波数可変への感度が悪循環的に低下する。
３．虚数部の増分の周波数依存性が非線形になってしまう。この為広い周波数可変範囲を必要とする場合に、外部パラメータ変化に対するリニアリテが得にくくなる。
４．圧電振動子の並列共振周波数の近接化・周波数可変範囲の限界等の現象が起こる。
【００６０】
以上、並列容量Ｃ０ が大きくなると、特性が劣化してしまうことを示した。
又、実際の圧電振動子では、各部の浮遊容量の値が直接並列容量に加算される為に、この並列容量の値が更に大きくなると言う問題点がある為、“周波数可変範囲の減少”の現象が顕著になっていた。
これらの問題点は、圧電振動子が高い周波数になればなるほど小さな励振電極が必要となる為、圧伝振動子本来の対向する励振用電極部分による容量値に比べて、パッケージに入れること等により不必要な浮遊容量値が更に多大に発生し、この浮遊容量の割合が大きくなるため、特性劣化が激しくなっていた。
【００６１】
また、小形化を指向したり、表面実装型のような薄型を指向したパッケージでは、各部分の寸法が小さくなり、その結果浮遊容量の値が大きくなってしまう結果として、並列容量に加算される浮遊容量値が大きくなる為、並列容量が大きくなるため、この点でも特性劣化が激しくなっていた。
これらの特性劣化は、本発明の圧電振動子では取り除かれている。即ち、本発明の図２の様な構造を取ることにより、実施例に示した様に、第１の外部端子１と第２の外部端子２の間に入っている並列容量Ｃ０ を、大幅に減少できるから、上記数式数値解析に示す通り、直列アームのインピーダンス単独の特性に近ずき、特性改善が計られている。
以上説明した本発明の効果は、各種特性の劣化防止と、周波数可変範囲の限界打破という点にあるから、広い周波数可変範囲を必要とする圧電振動子に於いては、著しい効果を奏するものである。
また、分割電極は例に示したように均等に２分割する場合に限らず、１：２，或はそれ以外の割合に分割してもよい。
【００６２】
【発明の効果】
以上、本発明の実施例として、エネルギー閉じ込み型ＡＴカット厚みすべり水晶振動子の場合について説明したが、本発明は、エネルギ−閉じ込め型のみに限るものではない。即ち、図４（ａ） の様な従来の対向電極構造の圧電振動子に、副電極を配することによって、図５の様な作用により並列容量の値が浮遊容量で増加するのを防ぐことができるから、全ての対向電極構造を持った圧電振動子及び輪郭振動モード等のあらゆる振動モードの圧電振動子または、あらゆる素材の圧電振動子に適応可能である。
また、これらの振動子を利用する回路や装置としてはＶＣＸＯのみならずｆｉｌｔｅｒ等で広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動子の一実施例の等価回路図。
【図２】本発明の圧電振動子の基本構造概念図。
【図３】（ａ）（ｂ）は本発明の場合の作用説明図（最低次対称モードの場合）。
【図４】（ａ）（ｂ）は従来例の場合の作用説明図（最低次対称モードの場合）。
【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の作用説明図（最低次非対称モードの場合）。
【図６】本発明の圧電振動子の他の実施例の構造図。
【図７】（ａ）（ｂ）および（ｃ）は本発明の圧電振動子のその他の実施例の構造概念説明図。
【図８】本発明の圧電振動子の他の実施例の構造概念説明図。
【図９】本発明の他の実施例の圧電振動子を適用したデバイスの構成図。
【図１０】本発明の応用実施例の概念図。
【図１１】圧電振動子の等価回路図。
【図１２】インピーダンス特性の数値計算例図概念図。
【図１３】従来の圧電振動子の構造図例。
【図１４】従来の圧電振動子の等価回路。
【符号の説明】
１ 第１の外部端子、２ 第２の外部端子、第３の外部端子、４ 圧電基板、５、６ 励振電極、１０ａ，１０ｂ スプリング、
Claims (4)
- 圧電振動駆動用の分割対向励振電極を配した３端子型圧電振動子において、圧電基板の両主面上に夫々圧電基板を挟んで二つの電極を対向配置すると共に、圧電基板を挟んで斜めに対向する二つの電極を、それぞれ第１の外部端子と第２の外部端子に電気的に接続し、これら二つの電極と圧電基板を挟んで夫々垂直方向に対向する他の二つの電極を互いに電気的に接続し更にこれら他の二つの電極を共に第３の外部端子に電気的に接続したものであって、前記他の二つの電極が、前記第１及び第２の外部電極に接続した二つの電極にそれぞれ近接し、かつ前記圧電基板上の前記電極以外の部分の周辺部分を取り囲んだ電極を配し、該取り囲んだ電極を第３の外部端子に結線したことを特徴とする圧電振動子。
- 前記圧電基板の同一主面上に位置する二つの前記分割電極の間隔が、電気的に接触しない程度に、充分狭いことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
- 前記第３の外部端子に結線されており、前記圧電基板を挟んで斜めに対向して配置された前記他の二つの電極の一部が、互いに圧電基板を挟んで垂直に対向していることを特徴とする請求項１、または請求項２記載の圧電振動子。
- 請求項１、請求項２、または請求項３記載の圧電振動子を、上記圧電振動子の第３の外部端子を接地電位として利用した発振回路形式を有することを特徴とする圧電発振器。
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- 1995-04-19 JP JP11796795A patent/JP3542403B2/ja not_active Expired - Lifetime
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