JPH0265518A - 圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、輪郭モードで振動し、三次型の、温度の関数
としての周波数変化の特性曲線ヲ持ち、そして水晶基板
の化学的エツチングによって製造できる、圧電共振子に
関するものである。

〔従来技術〕

輪郭（外形）モード共振子は、その平面において変位す
る薄いグレートの形状？有している。

その厚さは、平面の外側の移動によって生ずる慣性力が
変形エネルギーに対して及ぼす作用が無視できる程度に
、十分に小さなものとされる必要がある。最も工〈用い
られている形状は、４つの幾何学的パラメーターの存在
全停う長方形であって、それらパラメーターは、 −プレートの法線の方向を規定するための、カットの２
つの角度、 −プレートの平面における長方形の側辺の方向全規定す
るための、カットの１つの角度、そして 一長方形の辺の間の寸法比である。

実際上の興味金持之れでいる共振子においては、平均使
用温度における第６次熱係数全Ｏに接近させる必要があ
る。

市場では、種々のカットの水晶が知られており、ＧＴカ
ットは、最も良好な熱特性を示すものの１つである。こ
れは０．８６の寸法比の、結晶の電気軸Ｘに関して回転
させた後、法線に関して＋４５°の回転音させることに
よって得られる長方形プレートである。ＧＴカプト共振
子は外周モードで、そして特に小さなプレート寸法にお
いては伸長モードで、振動する。第１仄および第２次の
熱係数は皆無であり、第６次の熱係数は極めて小さい。

このカットの不都合は、共振子の熱特性がグレートの寸
法比に極めて臨界的に依存しているといり事実から生じ
る。

例えば、ＧＴカット水晶においては第６次熱係数αは±
０．１　×１０−’　／　℃、第２次係数βは±１　ｘ
ｌ　０−’　／℃”であって、そして第６次熱数ｒは３
０　ｘｌ　０−１２７℃３よりも小さい。

しかし、寸法比ｗ　／　ｌにおいて１％の相対変化があ
つ几とすれば、第１次熱係数の変動は２．５−１０−’
　／　℃に等しい。このことは、ＧＴ水晶の熱係数は、
共振子の組立の後の調整を不可避的に欠かすことができ
ないこと全意味している。

別の公知のカットはＤＴカットであり、これは電気軸Ｘ
に関する回転によって得られる、−般的に正方形のプレ
ートであって、表面剪断（すべ！ＩＩ）モードで振動す
る。ＤＴカット共振子は寸法比における変動に鈍感であ
る点でＧＴカット共振子よりも有利である。しかし、そ
の熱係数はそれほど良好ではない。例えば、そのＷＪ１
次熱係数αは皆無であり、第１次熱係数βは−（１５〜
２０　）　×１０−’／℃２、そして第６次熱係数は、
はとんど４５　ｘｌ　０−１２／’Ｃ３である。

ＡＴカット水晶もまた知られており、これは結晶の電気
軸Ｘに関して回転することによって得られるプレートの
形状をしている。この水晶に関するデーターは、特に、
１９５０年にロンドンの用度局（５ｔａｔｉｏｎｅｒｙ
　０ｆｆｉｃｅ　）で発行しｔ１ビニールピコ９−レウ
クス著「水晶振動とその応用」の中に与えられている。

４　ＭＨｚの周波数で発振する、２つの型のＡＴカット
水晶が現在、市販されている。その１つは日本電波製の
ＡＴ水晶であって、その２５°Ｃにおける熱特性は以下
の通りである。

−第１次熱係数：α＝±０．１　×１０−’／℃−第２
次熱係数：β−（４±１）×１０−’／’Ｃ２−第６次
熱係数：γ−９５　Ｘ　１０−”／℃’であり、そして
、スイス時計裂造販売組合（ＥＩＳ工Ｈ）によるＡＴ水
晶の２５°Ｃにおける熱特性は次の通りである。

一第１次熱係数：α−士ｏ、ｉ　×ｉ　ｏ−’　／℃−
第２次熱係数：β−（−１１±１　）　×１０−’　１
０Ｃ２−第６次熱係数：γ−９０Ｘ１０〜１２／′ｃ３
ＧＴカット水晶よりも劣るその熱特性に加え、ＡＴカッ
ト水晶は、比較できる大きさにおいては４倍も高い周波
数金有している。他方、第１次熱係数はカット角の値の
変動に、より大きく影響される。例えば、角度ψにおけ
る変動Δψが１°であれば、第１次熱係数における相応
する変動Δαは４．７　×１０−６／　’Ｃに等しい。

さらに、日本電波裂のＡＴ水晶は複雑な形状、すなわち
バーの両端において斜めとなり、ま几側面は傾斜してい
る、金持っている。これは加工の後に、別個の金属化を
必要とする結果となっている。

ＳＳ工ＨのＡＴ水晶は極めて長い、すなわち１１謡の長
さを持っている。

持つ、公知の共振子は、フランス特許 第２　４３５　８５５号明細書に説明されているＺＴカ
ット水晶である。その基本形状が長方形であるような、
その共振子は、いくつかの基本的長方形を組み合わせる
ことによって得られるさらに複雑な構造を有しており、
伸縮波（弾性波〕の伝播という観点からは、これらの長
方形は擬似自由長方形として見ることもできる。

そのような組み合わせの例は、前述特許中に、そしてＺ
Ｔカットの埋込み可能な共振子構造全説明している別の
フランス特許第２５２１７８２号明細書において見るこ
とができる。

ＺＴカット共振子は、２カツト基板（すなわちその法線
として水晶結晶の光学軸ｚ１！：有するプレート）全結
晶の機械軸Ｙに関して第１回転させ、次に共振子の平面
の法線に関して第２回転させて得られるものである。２
つの回転金製することは、いくらかの不都合のもとであ
る。

特に、基板の平面における第２の回転は基板のエツジに
関すり共振子の方向傾斜？生じ易く、この結果、それ自
体が最善の使用でなくなってしまり。さらに、共振子が
基板の化学的エツチングによってカットされる時、振動
波の方向に垂直な側面が、基板の平面に垂直となるより
は斜めとなってしまう。この側面の傾斜は、補償が難し
い不都合な影響を生じさせる。特に、望ましい外周モー
ドと平面の外側の奇生振動モードとの間に良好な結合を
もたらす。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、公知共振子の前述不都合を直し、そし
て２カツト基板の結晶の電気軸Ｘに関する１度の回転だ
けを要するＪ’Ｌこおいて説明した型の共振子を提供す
ることである。

本発明の別の目的は、その側面が振動波の方向に垂直な
、そして共振子が化学的エツチングの処理によって作ら
れる時に基板の平面に垂直な、共振子を提供することで
ある。

さらに本発明の別の目的は、埋め込みによってケースに
固定できるように配置された、複数の基本的長方形から
なる共振子を提供することである。

〔発明の構成〕

本発明の１つの構成要件によれば、共振子は薄い長方形
の水晶プレートから作らｎｌそのプレートの幅は結晶の
電気軸Ｘに沿って配置され、長さは軸Ｙ′に沿って配置
され、厚さは軸２′に沿つて配置さルている。軸Ｙ′お
よび２′は結晶の機械軸Ｙおよび光学軸２と共にそれぞ
れ、約２４゜２４′の角度ψを形成し、長さに対する幅
の比ｗ／ｌは実質的に０．６４に等しい。そのような共
振子がそのようなプレートから化学的エツチングで得ら
れる時、軸Ｙ′に平行な側面はエツチングの主面（軸２
の方向）であり、この理由によって共振子の広い表面に
対して正確に垂直となることは、容易に理解できる。こ
うして、前述のように、共振子の特性を最善のものとす
るには、実際に得られる形状を可能な限り理想的な形状
に近づけることが重要である。しかも、共振子の幅が軸
Ｘに沿って配置されているので、一連の共振子をそのエ
ツジに沿って軸Ｘおよびｙ／　ｅ持つ長方形基板から切
り離すことは、この基板の理想的な利用方法であること
は、容易に理解できる。基板の平面における回転がなけ
れば、前述特許で説明されているＺＴカット共振子のコ
ストに比し、本発明による共振子の装造コストを減じる
ことができる。

本発明の他の目的、特徴点および利点は、以下の特定の
適用例ヲ読むことから明らかとなるが、それらの説明は
非制約的な例として添付図面を参照しながら行なわれる
ものである。

〔実施例〕

第１図を参照すると、ｚＹカット基板から得られること
が望ましいプレートが示さｎており、以下においてこれ
’１ＺＴＸカットと称するが、これはすなわちその法線
が水晶結晶の光学軸２であり、機械軸Ｙがプレートの長
さ方向を示すようなプレートである。電気軸Ｘに関して
角度ψだけ回転させることにより、軸ＹはＹ′に、そし
て軸２は２′に変わる。主方向Ｘ、τおよび２′はそれ
ぞれＺＴＸカットプレートの幅ｗ１長さ１１および厚さ
ｔに相当する。１９４９年１２月に発行され几工、Ｒ，
Ｅｉ会報第６７巻第１２号の「ピエゾ電気結晶における
基準、１９４９」の工ＲＦｉ基準によれば、このよりな
カットは（ｚｙｗ）ψと呼ばれている。本発明による共
振子は、角度９および共振子の幅Ｗの長さｌに対する寸
法比の値が特定された時に規定されることが望ましい。

最善の結果は、角度ψが近似的に２４°２４′で寸法比
ｖｔ／ｌが約０．６４の時に得られる。温度に対する周
波数変化の特性曲線は、その変曲点（第２次熱係数）が
寸法比を適切に選択することによって調節されるような
６次曲線であることは注目される。変曲点における！特
性曲線の剰きを表わす第２次熱係数αの値はカットの角
度ψに依存する。これは共振子が良好な温度特性を示さ
なくてはならない温度範囲の大きさに工って、ゼロにす
ることや、まｆｃはゼロに近い値に調整することができ
る。選択された動作条件（標準動作温度と温度範囲）に
適合させるために必要な、カットの角ψおよび寸法比ｗ
／ｌの調節に加えて、予想外の不都合な影響全補償する
ことも必要である。特に、金属化（電屡の電気的、弾性
的および質量的影響）の、共振子の支持物（支持線ま九
は支持アームの半田付け、および埋め込み領域ンの、共
振子の厚さがゼロの値でないことの、製造許容値（化学
的エツチングの処理による、ある表面の傾ｆ？４）の、
その他の影響を配慮しておくのは、良いことである。

こうして、カットの角度および寸法比に関して前に示さ
れ比値が、標準的な値であって、選択され九用途に従っ
て共振子？最善のものとするためにはψに関しては１°
〜３°、ｗ／ｌに関しては１〜５％、前述の値から離れ
ることが可能であることを理解できるでらろり。幅Ｗお
よび長さｌは動作周波数によって選択される。周波数対
ユニット幅は、実質的Ｔ／ｃ２７１８　ＫＨｚ−鵬であ
る。外周モード共振子と同様、厚さｔは比ることかでき
る。

第２図は、電極を備えた共振子の例？示している。電極
１１および１２は共握子１０の大きな面の部分的金属化
によって得られ、共振子の中心に関して互いに対称とな
っている。金属化の椙は必要なダイナミック容量によっ
て決められる。電極の成極は、矢印１３で示される方向
における伸張モードでの励起を伴ワ、対角の電界全発生
する。

第６図は、３つの基本的共振子の組み合わせと考えるこ
とができる、プレート２０を含む、本発明の第１の変形
金示しており、基本共振子の＠Ｗと長さｌは、比ｗ／ｌ
が実質的ＶＣ０，６４に等しいものである。電極２１．
２２．２３および２４の構造もまた図に示されている。

第６図の変形は、いくつかの基本的な構造全接続しｔ１
可能な構成の１例にすぎず、１股的にはＮ個の基本的構
造が、振動運動の方向が保持される限り、結合される。

第１図から第６図に示した変形は、共振子の大きな面の
中央に半田付けすることによって支持ワイヤーの仲介全
通して、ケースに固定されているのに反し、第４図およ
び第５図の変形は共握子と１体化し之支持アーム？介し
てケースに固定され、そして埋め込み頌域全有している
ものである。

第４図は、２つの共振アーム３３およヒ３４によって接
続された２つの長方形プレート３１および３２全持つ共
振子３０を示している。共振アームは支持アーム３５に
よって２つの埋め込み領域３６および３γに接続されて
いる。電極３８および３９の友めの金属化は、１つの面
に関してはハツチ領域にニジ、そして他の面に関しては
破線の外枠によって示されている。第４図の形状は前述
のフランス特許第２５２１７８２共振子への適用にへさ
九℃らる。プレート３１および３２ならびに共振アーム
３３および３４も！九、第１図に関連して説明し定よう
な基本共振千金構成する。前述特許の場合と同様、埋め
込み領域が共振アームの１方のみに接続さ几ることもあ
るのは、完全に明らかであろう。

第５図は、２つのプレート４１および４２を接続する、
そして支持アーム４４によって埋め込み領域４５に接続
さＡ、？単に１つの共振アーム４３？有している埋め込
み可能ｒＬ共振子４０の別の形状を示している。第４図
におけると同様、プレート４１および４２ならびに共振
アーム４３とは、基本共振子を構成している。電極４６
および４７の構造もまた、第４因のそれと同じ方法で示
さ几ている。

本発明は特定の実施例に関して説明さｎてきたが、本発
明がこれらの実施例に制限されるものではないことや、
その範囲内で変更および変形が可能であることは、明ら
かであろン。特に、例えば高い振動周波数における動作
の友めに、または共振子の埋め込みを許す少なくとも１
つの消散領域を持つ構造を作るために、いくつかの基本
構造を組み合わせるという可能性は、説明し之以外の多
くの変形を含むものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば良好な温度係数を持ち、安価に構造でき
る水晶共振子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１丙は、水晶の結晶軸Ｘ、Ｙおよび２に関して、本発
明による共振子の基本構造の方向を示す図であり、 第２図は、電極の場所を示すための、第１図の共振子の
透視図であり、 第５図は、６つの韮列な基本構造を組み合わせて得られ
る共振子を示す図であり、 第４図および第５図は、形状的にさらに複雑であり、そ
して埋め込みによってケースに固定することが可能な、
共振子の例を示す図である。 １０・・・共振子　１１，１２・・・電極　１３・・・
矢印　２０・・・プレート　２１〜２４・・・電極　３
０・・・共振子　３１．３２・・・プレー）　　３３．
３４・・・共振アーム　３５・・・支持アーム　３６．
３７・・埋め込み領域　３８．３９・・・電極　４０・
・・共振子　４１．４２・・プレート　４３・・・共振
アーム　４４・・・支持アーム　４５・・・埋め込み領
域４６．４７・・電極 Ｈ６，３

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．当該幅Ｗが結晶の電気軸ｘに沿つて配置され、その
   長さｌが軸Ｙ′に沿つて配置され、そしてその厚さｔが
   軸Ｚ′に沿つて配置されている長方形平行六面体の形状
   を持つ、薄い水晶プレートから作られている圧電共振子
   において、 前記軸Ｙ′およびＺ′はそれぞれ水晶の機械軸Ｙおよび
   光学軸Ｚに対して夫々２４゜２４′±３゜に等しい角度
   ψを成し、そして幅の長さに対する比ｗ／ｌがＮ（０．
   ６４±０．０　３）、ここでＮは整数、に等しいことを
   特徴とする共振子。
2. ２．Ｎが１であるような、特許請求の範囲第１項記載の
   共振子。
3. ３．Ｎが３であるような、特許請求の範囲第１項記載の
   共振子。
4. ４．輪郭振動モードを励振する作法で配置されそして成
   極された電極（１１，１２；２１，２２，２３，２４；
   ３８，３９および４６，４７）を有するような、特許請
   求の範囲第１項から第６項までのいずれか１つに記載の
   共振子。
5. ５．前記輪郭振動モードは幅Ｗの方向における伸長モー
   ドであるような、特許請求の範囲第４項記載の共振子。
6. ６．少なくとも１つの共振アーム（３３，３４または４
   ３）によつて互いに接続されている２つの長方形平行六
   面体プレート（３１， ３２および４６，４７）を含み、そして前記共振アーム
   は少なくとも１つの埋め込み領域（３６，３７および４
   ５）に接続されているような、特許請求の範囲第１項記
   載の共振子。
7. ７．前記長方形平行六面体プレートは２つの共振アーム
   （３３，３４）によつて互いに接続され、そして前記ア
   ームは支持アーム（３５）によつて少なくとも１つの埋
   め込み領域 （３６，３７）に接続されているような、特許請求の範
   囲第６項記載の共振子。