JP2000295065A

JP2000295065A - 圧電振動子とその周波数調整方法

Info

Publication number: JP2000295065A
Application number: JP10195399A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ishita; 明徳井下
Original assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Current assignee: Toyo Communication Equipment Co Ltd
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】ＡＴカット小型水晶振動子の主振動と副振動
との結合による周波数変動を小さくする手段を得る。【解決手段】圧電基板の両主面のほぼ中央に所定の大
きさのベース電極を形成し、該ベース電極の上にその中
央部を除いて周辺部にのみに周波数調整用電極を付着し
た圧電振動子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子に関し、
特に副振動が主振動と結合することによる周波数変動を
少なくした圧電振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子、特にＡＴカット水晶振動子
は小型であり高精度、高安定度の周波数が容易に得られ
るため、近年では携帯電話端末からパーソナルコンピュ
ータまで広範囲に、且つ多量に用いられている。小型Ａ
Ｔカット水晶振動子（厚みすべり振動）の開発の歴史を
みると、広範囲な温度に対して幅振動による主振動への
結合を如何に避けて、安定な周波数を得るかに多大の労
力を費やしてきた。例えば、「探針法に基づく水晶振動
子の振動姿態に関する研究」（福与、東京工大学報、195
5）では、ＡＴカット水晶基板の厚さとZ'軸方向の長さ
を一定とし、X軸方向の長さのみを少しずつ研削した場
合、あるいは厚さとX軸方向の長さを一定とし、Z'軸方
向の長さのみを少しずつ研削した場合に、主振動の周波
数をはじめ励振される種々の振動の周波数を精密に測定
して、縦軸を共振周波数、横軸をX軸方向の長さ（ある
いはZ'軸方向の長さ）として周波数チャートを作成し
た。この周波数チャートを基にして、共振周波数がX軸
方向の長さ（あるいはZ'軸方向の長さ）に影響されない
振動群と、大きく左右される振動群とに分け、これらの
振動姿態を探針法を用いて詳細に観察した。この観察手
法は主振動の高周波側に生じるインハーモニックオーバ
トン、主振動の近傍に生じる高次輪郭振動（屈曲振動、
縦振動、面すべり振動等）の観察に適しており、前記周
波数チャートと相まって如何に主振動と副振動との結合
を避けて、良好な小型ＡＴカット水晶振動子を設計する
かの指針を与えている。

【０００３】また、Spencerらは1963年に、ＡＴカット
基板に電極膜を付着した振動素子の振動姿態を透過X線
回折を利用したラング法を開発し、主振動及びその高周
波側に発生する副振動（インハーモニックオーバトン）
の振動姿態を詳細に観察した。この観察手法は前記探針
法では分解能が足りないため観察できなかったX軸方
向、Z'方向に複数の腹と節を持つ振動姿態についても観
察が容易となり、特定の振動モードを抑圧するための電
極設計が可能となった。また、関本らは「Two-dimension
al analysisi of thickness-shear and flexural vibra
tions in rectangular AT-cut quartz plates using a
one-dimensional finite element method」（44th FCS,p
358-p362,'90）にて、ＡＴカット基板の厚さとX軸方向
の長さをいずれも一定とし、Z'軸の長さのみを変化させ
た場合について、高次輪郭振動のみならず屈曲振動も考
慮に入れた周波数チャートを有限要素法を用いて求め、
これと実験値を比較している。この計算には高次の面す
べり振動、縦振動は考慮されていないが、計算による周
波数チャートと実験による周波数チャートとがよく合致
しており、小型ＡＴカット水晶振動子の設計に用いられ
ている。

【０００４】図４はこうした先達らの示唆に基づき設計
された従来のＡＴカット水晶振動子の構成の一例を示す
図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はB−Bにおける
断面図でる。水晶基板11の両主面のほぼ中央に電極12
a、12b（以下、ベース電極と称す）を付着した後、ベー
ス電極12a、12bそれぞれから延びるリード電極13a、13b
とホルダー（図示しない）の端子とを導電性接着剤等を
用いて固定する。周知のように、水晶振動子に求められ
る周波数の精度はppmのオーダーであるが、ベース電極
の厚みは製造誤差によりバラツキが生じるため、所望の
周波数を得ることは困難である。そこで、水晶振動素子
の一方の面（あるいは両面）から周波数微調用のマスク
を介して、金属を蒸着等の手段で微少量蒸着して、即ち
微調用電極14を付着して、周波数の微調整を行うのが一
般的である。この場合、水晶振動素子の周波数を計測器
を用いて監視しながら周波数を低下させて、所定の周波
数に調整する自動周波数調整機が一般に用いられてい
る。

【０００５】図４（ｂ）の下段に示す図は水晶振動子の
振動変位分布であり、ベース電極蒸着後の変位分布は実
線の曲線αで示すような分布であるが、振動素子を所定
の周波数に調整するために、周波数微調用電極14を付着
すると、エネルギー閉じ込め効果がベース蒸着の状態よ
り大きくなり、破線の曲線βで示すような分布になる
（曲線α、βとも変位分布の最大値で規準化してい
る）。これは、微調用電極14がベース電極12aの領域か
らはみ出さないようにベース電極の直径より小さい直径
の電極パターンを用いるため、電極の中央の質量効果が
増大することに起因する。曲線βのようにエネルギー閉
じ込め効果が大きくなると、保持部から漏洩する振動エ
ネルギーが小さくなるので、振動子の等価抵抗R1は小さ
く、即ち振動子のQ値は大きくなる。

【０００６】水晶振動子に直列に負荷容量C_Lを接続し
て、該容量を変化させた場合、図５（ａ）に示すよう
に、ある容量値で主振動（周波数f₁）と副振動（f₂）と
が結合することがあり、副振動の周波数f₂の近傍で主振
動の周波数が僅かに変動するか、あるいは結合の程度に
より周波数がジャンプする現象が生ずる。周知のよう
に、この周波数の変動量は、図５（ｂ）に示した等価抵
抗（ＣＩ）の変動率ΔRに比例することからＣＩディッ
プによる周波数変動と呼ばれている。ここで、等価抵抗
の変動率ΔRは副振動が主振動に結合したときに、主振
動のエネルギーが副振動に漏洩し、その結果主振動の等
価抵抗が見かけ上、大きくなる率を示している。ここで
等価抵抗の変動率ΔRは次式のように表される。 ΔR=QQ_nk² （１）ここで、Qは主振動のQ値、Q_nは副振動のQ値、kは主振動
と副振動の結合度を表している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の周波数微調法においては、水晶振動子の周波数を
所定の周波数に調整すべく金属を蒸着するとエネルギー
閉じ込め効果が大きくなるので、前述した先達からの示
唆したものとズレを生ずることとなり、主振動のQ値が
大きくなる。主振動のQ値が大きくなると前記の式
（１）により主振動の等価抵抗の変動率ΔRが大きくな
る結果、副振動が結合した際に周波数変動量が大きくな
るという問題があった。本発明は上記問題を解決するた
めになされたものであって、周波数変動量の少ない水晶
振動子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電振動子の請求項１記載の発明は、圧
電基板の両主面のほぼ中央に所定の大きさの第一の電極
を備え、該電極の上に周波数微調用の第二の電極を付着
して所定の周波数に調整する圧電振動子において、前記
第二の電極を前記第一の電極の中央部を除いて周辺部に
付着したことを特徴とする圧電振動子である。請求項２
記載の発明は、圧電基板の両主面のほぼ中央に所定の大
きさの第一の電極を備え、該電極から質量を除去して所
定の周波数に調整する圧電振動子において、前記第一の
電極の質量除去を該電極の周辺部を除いて中央部から除
去したことを特徴とする圧電振動子である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る水
晶振動子の構成を示す図で、同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）はＡ−Ａにおける断面図である。水晶基板1の両
主面のほぼ中央に電極2a、2bを付着した後、ホルダー
（図示しない）に保持し、ベース電極2a、2bのリード電
極3a、3bとホルダーの端子とを導電性接着剤等を用いて
固定する。水晶振動素子の一方の面（あるいは両面）か
ら周波数微調用のマスクを介して、金属を蒸着等の手段
で微少量蒸着4し、周波数を所定の周波数に調整する。

【００１０】本発明に係る水晶振動子の特徴は、ベース
電極2aの中央を除いて周辺部に金属等を付着し、その質
量効果により周波数を低下させて所定の周波数に調整す
る手段を用いる。このため振動変位分布は従来の分布と
異なることになる。即ち、ベース電極２ａ、２ｂを付着
した後の変位分布は実線で示す曲線αのようになるが、
本発明になる周波数微調用の電極４を付着すると、振動
変位分布は曲線αよりすそ野が広がり、エネルギー閉じ
込め効果は少し小さくなる。従って、従来のものより水
晶振動子の等価抵抗値R1は少し大きく、即ち主振動のQ
値は少し小さくなる。この結果、水晶振動子に直列に負
荷容量C_Lを接続し該容量を変化させて場合、あるいは水
晶振動子の周囲温度を変えて場合等に、高次輪郭振動が
主振動に結合したとしても、式（１）の主振動のQ値が
小さくなるので、等価抵抗の変動率ΔRは小さくなり、
従って周波数変動も小さくなる。

【００１１】図２は本発明の変形実施例で、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａにおける断面図であっ
て、表面実装型水晶振動子に本発明を適用した例であ
る。水晶基板1を短冊状に加工し、矩形のベース電極2
a、2bを蒸着等の手法で付着して、セラミックパッケー
ジ（図示しない）に収容し、リード電極３ａ、3bとパッ
ケージの周辺段差部に設けた端子電極と導電性接着剤を
用いて固定する。セラミックパッケージの開放した面よ
り微調用のマスクを介して金属を微少量蒸着する。この
際、マスクによりベース電極2aの中央部分を除いて周辺
部に周波数調整用の電極４が形成されるように蒸着す
る。

【００１２】図３は本発明の他の変形実施例で、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａにおける断面図で
あって、表面実装型水晶振動子に本発明を適用した例で
ある。図２に比べて、周波数調整用の電極５が電極ベー
ス電極2aの外周より内側に形成されているため、電極５
を付着する際にベース電極２ａの領域より外側にはみ出
すことが防止できる。

【００１３】以上の周波数調整はベース電極2aの上に周
波数微調用の電極4を蒸着等の手法を用いて付着して、
質量効果により周波数を調整する方法を説明したが、ベ
ース電極2aの中央部のみを電子ビーム等で僅かに削り、
周波数を調整する方法でも本発明の目的は達成できる。

【００１４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ので、水晶振動子の主振動と副振動とが負荷容量によ
り、あるいは温度変動等により結合した場合でも、それ
による周波数変動を少なくすることができるので、本発
明になる水晶振動子を無線通信機器等に用いれば使用環
境の温度変化に対し、周波数変動の少ない優れた特性を
示すとういう効果を奏す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る水晶振動子の構成を示す図で、
（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図と変位分布を示す図で
ある。

【図２】本発明の変形実施例で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は断面図を示す図である。

【図３】本発明の他の変形実施例で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は断面図を示す図である。

【図４】従来の振動子の構成を示す図で、（ａ）は平面
図、（ｂ）は断面図と変位分布を示す図である。

【図５】（ａ）は副振動の結合により主振動の周波数が
変動する様子を説明する図、（ｂ）は等価抵抗値の変動
率ΔRを説明する図である。

【符号の説明】

１・・圧電基板２ａ、２ｂ・・ベース電極３ａ、３ｂ・・リード電極４、５・・周波数調整用の電極 α、β・・振動の変位分布

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電基板の両主面にそれぞれ所定の面積
を有する励振用電極を圧電基板を介して対向配置し、前
記励振用電極の少なくとも一方の中央部の電極膜厚を周
辺部のそれより薄くしたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】圧電基板の両主面にそれぞれ所定の面積
を有する励振用電極を圧電基板を介して対向するように
形成し、該励振用電極の少なくとも一方の中央部分を除
去して所定の周波数に調整することを特徴とする圧電振
動子。
【請求項３】圧電基板の両主面にそれぞれ所定の面積
を有する励振用電極を圧電基板を介して対向するように
形成し、該励振用電極の少なくとも一方の周辺部分に調
整用電極を付着して所定の周波数に調整することを特徴
とする圧電振動子の調整方法。