JPH0214608A - 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、２つのプレートと、そして前記プレートを互
いに接続する少なくとも２本の平行なバーとを含む圧電
共振子に関し、さらに前記共振子を第１カンタ−モード
で振動させる励振装置に関するものである。

従来技術 特許出願第ＥＰ−Ａ−００８６７３９号公開公報は、共
振子アームにより接続されたプレートを含む共振子を説
明しており、それはＺＴカット水晶ウェファで形成され
て、その面で振動するものであった。

このカットについては、例えばスイス特許明細書ＣＨ−
Ａ−６２３６９０において規定されているので、ここで
は説明しない。

この共振子は伸長方向モードで励振され、そしてそのカ
ットは、使用温度においては別の振動モードがこの伸長
方向モードに結合しないようにされたものである。

この共振子のアームの長さは、プレートによって駆動さ
れている時に、それらの共振周波数がプレートのそれと
等しいように前もって決められる。

この共振子のＺＴカットは極めて良好な温度特性を付与
することを可能とし、さらに化学的侵食（エツチング）
技術のような、大量生産技術での製造を可能とした。そ
の形状から、埋込み域を媒介させることによって、これ
は容易にケースに固定できるものである。しかし、以下
の説明から分かるように、この共振子の動作周波数およ
び／または寸法は、小さな寸法と低消費電力の両方を要
求されるところに使用することには、不適当であった。

実際、伸長方向に振動する長さｔの薄いバーに関しては
、その周波数ｆはその長さと、ｆ、ｔ　＝　Ｃ／　２の
関係を持っておシ、ここでＣはバー中での振動の伝達速
度を表わしている。

前述の共振子の場合においては、プレートの長さとバー
のそれとは近似的に同等であり、その共振子の長さＬは
、その周波数と、ｆ、Ｌ＝３Ｃ／２の関係を持っている
。

このことから、所定の共振周波数ｆにおいては、共振子
の全長りは極めて大きくなり、また、所定の全長りにお
いては、共１辰子の共振用波数ｆが極めて高くなってし
まうということが理解される。

圧電共振子を用いる多くの装置があるが、特に腕時計の
ような小さな電子時計においては、そこで用いられる共
振子は可能な限り小型化されねばならず、また共振子に
結合している電子回路が過大なエネルギーを消費するこ
とのないよう、あまり高すぎない共振周波数を持ってい
なくてはならない。

前述のような、その全長りとその共振周波数ｆとの間の
関係から、前述の共振子はそのような装置での使用には
最適とは言えない。

発明の目的 本発明の１つの目的は、前述の不都合を有しない圧電共
振子を提供することである。

本発明の別の目的は、良好な温度特性を持ち、カンタ−
（輪郭）モードによって振動し、その製造においては化
学的加工と埋め込みが容易であって、しかもその周波数
と全長とが従来技術の共振子のそれよりも低い、振動子
を提供することである。

発明の構成 これらの目的は、第１カンタ−モードにおけるその振動
の励振の装置が、共振子に含まれるバーにおいてこの振
動を励振するように配置され、また共振子のカットと寸
法とは、この第１モードと異なる、少なくとも第２カン
タ−モードが、第１モードに結合するように決められて
いるような、特許請求の範囲に記載の共振子によって達
成される。

本発明による共振子を特色づけ、有益とならせる別の目
的は、添付図面に非制約的な例として示されている、こ
の共振子のいくつかの実施例に関する以下の説明から、
達成されることが明らかとなるであろう。

実施例 第１図においては平面図として示され、第１図の軸Ａ　
−Ａに沿った断面図である第２図にも示されている実施
例において、本発明による共振子には参照番号１が付さ
れている。

この共振子１は、互いに平行に配置された６本の平行六
面体バー２，３および４、ならびにバー２，３および４
０１つの端に各々接続された２つの長方形プレート５お
よび６を有しておシ、それらプレート５および６の幅の
中央が、中央バー３の長さ方向軸に合致するよう構成さ
れている。

さらに共振子１は、中央バー３の両側に実質的にそれに
沿って半周するように配置された２つの固定アーム７お
よび８をも有している。

これまでに説明した部分２から８は総て、薄い水晶ウェ
ファ内に、それ自体で知られている写真技術によって、
カットされた１体の小片に形成される。

このウェファは、その面が水晶の圧電軸χに平行に、そ
して水晶の光学軸２に関して２°の角度を形成する軸Ｚ
′に垂直にカットされる。

そのようなウェファは一般にｘｘ２°カットと呼ばれて
いる。

共振子１はこのウェファ内に、その幅Ｗが水晶の軸Ｘに
平行に、その長さＬが、この軸Ｘおよび前述軸２′に垂
直な軸Ｙ′に関して平行となるようカットされる。

この説明の中では、第１図中で見える方の共振子１また
はその部分の面を、便宜上、第１面と呼び、見えない方
の面を第２面と呼ぶことにする。

二′、Ｄことは、後に説明される別の共振子についても
固守である。

共振子１は、その第１面上に、６つの部分９゜１０およ
び１１からなる第１電極を持っており、それらはそれぞ
れ６つのバー２，３および４の左側エツジ上に配置され
ている。

この電極の部分１０は、固定アーム７上に配置された接
続端子１２に電気的に接続されている。

これにはまた、それぞれプレート５および６上に配置さ
れた導体ストリップ１３および１４によって、部分９お
よび１１にも接続されている。

その第２面上において、共振子１は３つの部分１５．１
６および１７からなる第２電極を持っており、それらは
それぞれ前記６つのバー２゜３および４の右側エツジ上
に配置されている。

この電極の部分１６は、固定バー８上に配置された接続
端子１８に電気的に接続されている。

部分１５および１７もまた、それぞれプレート５および
６上に配置された導体ストリップ１９および２０によっ
て、端子１８に接続されている。

電極９から１１および１５から１７、接続端子１２およ
び１８ならびに導体ストリップ１３゜１４．１９および
２０は、共振子の製造中に公知方法によって作られる金
属層からなっている。

接続端子１２および１８のそれぞれは、それが配置され
ている固定アーム７または８の全表面を占めていること
に注目すべきである。

同様に、それら接続端子１２および１８を、同じ固定ア
ームの第１面および第２面上にそれぞれ配置することも
できる。共振子１のそのような実施例は示されていなか
った。

固定アーム７および８は、示されていないケースの支持
構造部に接続されるものであり、またバー３に沿って半
周だけ設けられている。

それらは動きに関するダンピングゾーン、および共振子
の変形部を構成する。

前述の電極のレイアウトは、適切な発振器の助けを得た
場合、軸Ｘに平行でしかも共振子の面内における電界の
要素のバイアスによってバーの伸長方向モードで共振子
を励振させることができる。

バー２から４はプレート５および６によってチャージさ
れるので、共振子１の周波数ｆの発生およびその長さＬ
は、前述の従来技術の共振子に関するものよシさらに低
くなる。これは関係式ｆ　、Ｌ＝に、Ｃ／２によって表
わされる。

係数Ｋをできるだけ小さく選択することが都合良いと理
解できるが、それはＫを小さくすれば、所定の共振周波
数ｆに関する共振子１の全長りが小さくなり、あるいは
所定の全長りに関する共振子の共振周波数ｆが小さくな
るからである。

例えば、約５００　ＫＨｚの周波数で振動する共振子１
のような共振子においては、係数にとして０．７程度の
小さな値を選択することが可能である。

この値に相当する共振子１の全長は４韮程度であり、こ
れは大半の用途において受入れられるものである。

こうして、同じ長さであれば、共振子１の共振周波数は
、前述の公知共振子のそれの４分の１以下であることが
知られるであろう。

公知共振子に比較した、共振子１の、この重要な利点は
、空間利用域が極めて限定されているところで、そして
何よりも電気的エネルギー消費を可成な限り低下させね
ばならないところで、この共振子を公知共振子よシも使
い易いものとさせる。

共振子１の異なる素子（プレートおよびバー）の形状は
、第１図で示された長方形々状と異なることもあるとい
うことに注目すべきである。

水晶共振子の温度特性は以下の６次多項式によって適切
に表現されることは知られている。

ｆ＝ｆＯ〔１＋α（ｔ−ｔｏ）＋β（ｔ−ｔ、ｏ）２−
＋−ｒ（ｔ−ｔ、ｏ）３）ここで、ｔはセ氏における温
度を表わし、ｆＯは温度ｔｏにおける共振子の周波数を
、そしてα。

βおよびｒはそれぞれ、第１、第２そして第３次の温度
係数を表わしている。

係数α、βおよびｒの値は水晶のカットおよび共振子の
異なる素子の寸法に依存するものである。

Ｘ＋２°カツトの水晶ウェファ中に形成され、そして伸
張モードで振動する共振子１では、前述の係数αは極め
てゼロに近い。

しかも、本発明によれば、共振子１の種々の素子の寸法
は、バー２から４の伸張モードが、それらの伸張モード
の周波数に近い共振周波数を持つ、バーおよびプレート
５および６のたわみモーＰと弾性的に結合するように選
択される。

この結合によって、第２次の係数βに関して極めて小さ
な値を得ることが可能となる。

外側バー２および４の軸の間の距離であるｄ、またはプ
レート５および６の幅Ｗは、伸張およびたわみモード間
の結合を変化させるためのパラメーターとして使用でき
、その結果として、共振子１の温度特性を改善させるこ
とができる。

１例として、前に説明した共振子は次の特性を有してい
る。

カット：　　　　　　　　　　：（−１−２゜周波数：
２１９三Ｚ 全長Ｌ　：　　　　　　　　　　３．７０朋全幅Ｗ：　
　　　　　　　　　２−７５ｍｍ厚さ　：　　　　　　
　　　　　０．１〜０．２　ｍｒｔｒアームｔ：　　　
　　　　　　１，２０＊ｍ外側アーム幅ｂｘ　：　　　
　　０．３０羽中央アーム幅ｂ２：０．５７羽 外側アーム間距離ｄ：　　　Ｌ４５ｘｍ第５図において
平面図で示され、そして第４図および第５図では断面図
、すなわちそれぞれ第６図の軸Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃに沿
った断面図、で表わされている共振子５１は、第１図お
よび第２図の共振子の形状に類似の、全体的な形状を持
っている。

第１図および第２図の共振子と同様、こればＸ＋２°カ
ツトの水晶ウェファ中に作られ、そして６つの平行なバ
ー５２．５３および５４ならびにバー５２．５３および
５４の終端に接続されている２つの長方形プレート５５
および５６を有している。

こうして、共振子５１は前述の公知共振子に関して、共
振子１と同様の利点、すなわち同じ寸法であるならば公
知共振子よりもさらに低い共振周波数となり、あるいは
同じ共振周波数においては公知共振子よシも小さな全長
となる、という利点を有している。

第６図から第５図は、共振子５１が５７として表わされ
る、１つの固定アームのみを含んでいることを示してお
り、このアームはバー５３に沿って半周だけバー５３Ｇ
で接続されており、また示されていないがケースの構成
部分である支持部に固定されるように設計されている。

共振子１における固定アーム８に代って、共振子５１は
単純な長方形ウェファ５Ｂを有しており、これは固定ア
ーム５７と異なシ支持部に固定されるようには設計され
ていない。

もちろん、固定アーム５７とウェファ５８とは、バー５
３と、そのため共振子５１の他部分とも、一体に構成さ
れている。

共振子５１が、単独の固定アーム５７とプレート５８の
存在とによって非対称的に固定されるという事実は、例
えば、化学侵食製法によって生じ得る不均整の補償を許
すものとなる。

また、化学侵食の結果を補償するために、そして特に共
振子の品質を改善させるために、プレート５５および５
６の中実軸に関してバー５２．５３および５４の位置を
わずかにずらすことも可能である。

このずらしは第３図に明示されており、そこではＭｌは
プレート５５および５６の中実軸の位置を表わし、また
Ｍ２はバー５２から５４の中実軸の位置を表わしている
。

これ壕で説明した段階は常に一緒に行なわれるのではな
く、その場合によって１つまたは別のものが単独に実行
されるものであることは明らかである。

共振子５１はその第１面上に、それぞれバー５２．５３
および５４の左側エツジ上に配置された３つの部分５９
．６０および６１からなる第１１啄を、そしてその第２
面上に、それらのバーの右エソゾ上に配置された３つの
部分６２゜６３および６４からなる第２電唖を有してい
る。

電極５９から６４のこの配置は、共振子１の電極９から
１１および１５から１７のそれと同様である。

しかし、第６図から第５図において、それら１僅の幅に
着目してみると、電極５９から６４の幅は、それらの各
々がそれの配置されている／ぐ−の幅の半分を占めるよ
うに増加されていることが分かる。

しかも、電極９から１１および１５から１７に比べると
、電極５９から６４の長さもまた、それらがプレート５
５および５６の１部をおおって広がるように増加させら
れている。

互いに独立的に実行できるこれら２つの段階は、２つの
共振子において振動モード、寸法および温度特性までも
が同等であったとしても、それぞれは共振子５１の圧電
結合率を増加させるという効果を、共振子１よりも持つ
ことができる。

第６図から第５図は、さらに圧電結合率（結合係数）の
値を増加させるために、単独でまたは前述の他の段階と
結合させて実行できる第３の段階を図示している。

この段階は共振子５１に横電極５９ａから６４ａを設け
るものであって、それら１翫はそれぞれバー５２から５
４のうちの１つの側面のうちの１方に配置され、そして
それぞれ、それに隣接する１下５９から６４に接続され
てい乙。

これまでの実施例はＸ＋２°カツトの枠内で説明されて
きたが、他のカットもまた利用できる。

しかし、水晶のカットを選択する際には、バーの伸張モ
ードを励振するのに十分な圧電結合、温度係数の値、ま
たは化学的カッティングの容易さ等の特徴を配慮するの
は、良いことである。

可能な配置の中でも、制約されない例として第１図の共
振子１のために用いられたのと類似のカットである、Ｚ
ＴまたはＧＴカットと名付けられたカットについて言及
することができるが、それはウェファの表面が水晶の軸
Ｘに平行であって、またはこの表面への法線が水晶の軸
Ｚに関して約−１０°および＋１０°の間の角度を形成
するものである。

第６図および第７図に示された実施例においては、７１
として表わされている、本発明による共振子はＺＴカッ
ト水晶ウェファからカットされるものである。

このＺＴカットについては、特に特許第ＣＨ−Ａ＝６２
３６９０によって知られているので、ここでは説明しな
い。

第１図および第２図の共振子と同様に、共振子７１は２
つの長方形プレート７５および７６に接続された６つの
平行なノぐ−７２，７３および７４を有している。

しかも共振子７１は、実質的に中央バー７３に沿って半
分に配置された２つの固定アーム７７および７８を含ん
でいる。

第１電極の６つの部分７９．８０および８１は、それぞ
れバー７２．７３および７４の第１面の全面を占めてい
る。

接続端子８２は固定アーム７７の第１面に配置され、ま
た第１電極の異なる部分はプレート７５および７６の第
１面上に配置された導体ストリップ８３および８４によ
って互いに接続されている。

第２電極の６つの部分８５．８６および８７はそれぞれ
、バー７２．７３および７４の第２面の全面を占めてい
る。

接続端子８８は固定アーム７８の第２面に設けられ、そ
して第２電極の種々の部分は、プレート７５および７６
の第２面上に配置された２つの導体ストリップ８９およ
び９０によって互いに接続されている。

接続端子８２および８８が適当な発振回路に接続される
時、バー７２および７４は電極７９から８２および８５
から８７によってそれらに加えられる交流電界に応じて
伸張モードで振動する。

共振子１と同様、バー７２および７４の共振層、皮数は
それに接続されているプレート７５および７６つ母性に
よって決められる。

こうして、共振子７１は前述の公知共振子に対しては、
共振子１と同様の長所を有している。

共振子７１に、そして説明されたカット以外の水晶ウェ
ファから作られる同じ型式の別の共振子に適用されるこ
とが明らかな共振子１の特長によって、共振子１０寸法
の決定が前述の共振子にも応用されると考えることがで
きる。

同じことは第３図から第５図に関連して説明された変形
についても言うことができ、そしてそれは本発明による
共振子の品質を向上させる効果を持っている。

当然のことであるが、第６図から第５図に関連して説明
された共振子に関しても、その適用は共振子のバー上の
電極の配置に依存するのであるから、水晶の軸Ｘ、Ｙお
よびＺに関して共振子の方向を変化させた配置を持つ、
別の変形も考慮することができる。

例えば、第６図および第７図の共振子７１の場合、圧電
結合を増加させるために実際的に行うことのできるただ
１つの段階は、電極７９から８１および８５から８７を
、それらがプレート７５および７６の部分をおおって広
がるように張り伸ばすことである。

この場合、導体ストリップ８３，８４．８９および９０
を、電極部分７９および８１、そしてそれぞれ８５およ
び８７の２つの終端を直接的に接続するようにして広げ
ることが有利である。

それら導体ス）　ＩＪツブは次に、共振子の圧電結合の
ために分配される。

本発明の基礎となっている原理はまた、これまでに説明
された共振子とは異なる構造の共振子を製造するのにも
適用できる。

例えば、第８図は単に２つの７４−１０２および１０３
を含む共振子１０１を平面図を用いて示している。

この共振子１０１は、水晶の軸Ｘ、Ｙおよび２に関して
、伸張モードで振動する共振子の製造に適するような配
置のいずれか１つを持つ水晶ウェファ内にカットされて
いる。

共振子１０１もまた、バー１０２および１０３０両端に
接続された２つの長方形プレート１０４および１０５を
有している。

これらバー１０２および１０３はさらに、実質的に長さ
方向の半分のところに設けられた横断、ぐ−１０６によ
って結合されている。

この横断バー１０６は、ケースの支持構造部に固定でき
るよう、共振子１の固定アーム７および８と類似の設計
がされた２つの固定ｚクー１０７および１０８を有して
いる。

電極はバー１０２および１０３の上に、それらが適切な
発振回路に接続された時に、前に説明した共振子の場合
のように、伸張モードにおいてそれらバーが振動するよ
うな方法で配置される。

バー１０２および１０３上のそれらの配置は、その中に
共振子１０１がカットされるウェファの水晶の軸Ｘ、Ｙ
およびＺに関する方向に依存しているため、これらの電
極は示されていない。

これもまた示されていない導体ストリップは、それら電
極を、固定アーム１０７および１０８上に配置された接
続端子（これもまた示されてはいない）に接続する。

バー１０２および１０３の伸張モードでの励振がなされ
ると、共振子１０１もまた、前述の公知共振子の長さに
よって生じる周波数よりも低い周波数を発生させる。

その力、ットおよび寸法は、その伸張モードに結合した
たわみモード、その共振周波数はこの伸張モードのそれ
に近い周波数、を持つように決められる。

温度に関するその共振周波数の変動を極めて小さくする
ために、係数αおよびβをゼロに近い値とし、係数ｒを
可能な限り低くするという１漂も達せられた。

これまでに説明した総ての実施例においては、共振子の
振動を励振する電極は、共振子上に、それが伸張モード
で振動するように配置されていた。

この共振子のカットと寸法とは、温度による共１ｉｉａ
の変動を減少させるために、たわみモードがこの伸張モ
ードに結合するような方法で決められるということが、
さらに理解された。

本発明による共振子の別の実施例も可能であることは、
明らかである。

それら別の実施例の提出は前に示した説明の観点におい
て、どのような特別の問題をも引き起こさないためにそ
の詳細を説明しなかったのであるが、それら本発明によ
る共振子は、前に説明した共振子の１つに類似した全体
的な形状を持つことになる。

しかしながら、その振動を励振する電極は、それが別の
カンタ−モード、例えばたわみまたは表面剪断モード、
で振動するように配置することもできる。

その場合には、共振子の寸法を、異なるカンタ−モード
、例えば伸張モード、がその主振動モードに結合して、
温度に関するその共振周波数の変動を減少させるように
働くよう、決めることも可能である。

水晶以外の圧電材料も本発明による共振子を製造するの
に利用できることは明らかである。

発明の効果 本発明によシ良好な温度特性を有し、その周波数と全長
とが従来技術の共振子のそれよりも低い共振子を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による共振子の１つの実施例の概略的な
平面図であり、第２図は第１図の軸Ａ−Ａに沿った、第
１図の共振子の概略的な断面図であシ、第６図は本発明
による共振子の別の実施例の概略的な平面図であシ、第
４図および第５図は第３図のそれぞれ軸Ｂ−ＢおよびＣ
−Ｃに沿った、第６図の共振子の概略的な断面図であり
、第６図は本発明による共振子の別の実施例の概略的な
平面図であシ、第７図は第６図の軸Ｄ−ＤＫＧつた、第
６図の共振子の概略的な断面図であり、そして第８図は
本発明による共振子の別の実施例の平面略図である。 １・・・共振子、２．３．４・・・バー　５，６・・・
プレート、７．８・・・アーム、９，１０．１１・・・
電極、１２・・・端子、１３．１４・・・ストリップ、
１５．１６．１７・・・電極、１８・・・端子、１９゜
２０・・・ストリップ、５１・・・共振子、５２，５３
゜５４・・・バー　５５．５６・・・プレート、５７・
・・アーム、５８・・・長方形ウェファ、５９〜６４・
・・電極、７１・・・共振子、γ２，７３．７４・・・
バー７５．７６・・・プレート、７７．７８・・・アー
ム、７９〜８１・・・電極、８２・・・端子、８３．８
４・・・ストリップ、８５〜８γ・・・電極、８８・・
・端子、８９．９０・・・ストリップ、１０１・・・共
振子、１０２．１０３・・・バー　１０４，１０５・・
・プレート、１０６・・・バー　１０７，１０８・・・
バーＦｉｇ、δ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．２つのプレートと、前記プレートを相互に結合して
   いる少なくとも２つの平行なバーと、そして第１カンタ
   ーモードでの共振子の振動を励振するための装置とを有
   する圧電共振子において、 前記装置は前記バーにおいて前記振動を励振するように
   配置されており、 さらに、前記共振子のカットおよび寸法が、前記第１振
   動モードと異なる、少なくとも第２カンター振動モード
   が前記第１振動モードに結合するように選定されている
   ことを特徴とする圧電共振子。
2. ２．前記第１振動モードは伸長モードであり、そして前
   記第２モードはたわみモードであるような、特許請求の
   範囲第１項記載の共振子。
3. ３．当該共振子は平坦な水晶ウエフア内にカットされ、
   該ウェハの面が前記水晶の圧電軸Ｘに平行で、前記面に
   垂直な線が前記水晶の光学軸Ｚに対して約−１０゜と＋
   １０゜の間の角度を形成し、そして前記バーの長さ方向
   が前記軸Ｘに垂直な方向を持つように構成され、 さらに前記励振装置は、前記軸Ｘに平行な成分を持つ電
   界を発生させるように前記軸Ｘに平行な前記バーの表面
   上に配置された電極を有するような、特許請求の範囲第
   １項または第２項記載の共振子。
4. ４．平坦なウエフア内に共振子がカットされ、上記の平
   坦な水晶ウエフアの面が前記水晶の圧電軸Ｘに平行で、
   前記面に垂直な線が前記水晶の光学軸Ｚに対して約０お
   よび±１０゜の間の角度を形成し、そして前記バーの長
   さ方向が前記軸Ｘに垂直な方向を持つように構成され、 さらに前記励振装置は、前記軸Ｘに平行な電界を発生さ
   せるように前記軸Ｘに垂直な前記バーの側面上に配置さ
   れた電極を有するような、特許請求の範囲第１項から第
   ３項までのいずれかに記載の共振子。
5. ５．当該共振子はＺＴカツトウエフア内に、前記バーの
   長さが前記ウエフアの軸Ｘ′に平行であるようにカット
   され、前記励振装置は、前記ウエフアの軸Ｘ′およびＹ
   ′に平行な前記バーの表面の１つの全面をおおうように
   、それぞれが配置された電極を有するような、特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の共振子。
6. ６．前記電極はさらに、前記プレートの部分をおおつて
   広がるような、特許請求の範囲第３項または第５項記載
   の共振子。
7. ７．３つの平行なバーを有するような、特許請求の範囲
   第１項から第６項までのいずれかに記載の共振子。
8. ８．２つの平行なバーを含むような、特許請求の範囲第
   １項から第６項までのいずれかに記載の共振子。