JPS62109419A - 厚みすべり振動子 - 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】 （発明の利用分野） 本発明は、厚みすべり振動子の非調和スプリアスモード
による副共振の発生を防止し良好な共振特性を得ること
ができる厚みすべり振動子に関し、例えば、通過帯域外
における保証減衰量の低下を防止するフィルタ素子とし
て利用される。

（発明の背景） 単結晶からなる圧電振動子、例えば厚みすべり振動モー
ドの水晶振動子は、電気的特性の良否を決定するＱ値が
極めて高い乙とから、旧来より通信機器の発振素子やフ
ィルタ素子として重用されてきた。そして、近年では、
通信事情の悪化等により、例えば発振素子としては周波
数安定度が損なわれることなく、また、フィルタ素子と
しては、通過帯域外の保証減衰量を充分に満足する厚み
すべり振動子が望まれている。

（背景技術） 第５図は、この種の厚みすべり振動子を構成する水晶片
の図である。

即ち、この水晶片１は、結晶軸ＸＸｙ％　ｚのＸ−２面
を主面とし、ｙ軸を回転軸としてｙ軸からＺ軸に略３５
°１５″回転した通常ＡＴカットと呼ばれろ角度で切断
されろ。尚、図中では回転して新たにできた軸をｙゝ、
ｚ′としである。そして、この水晶片１には、両生面の
対向する中央部に厚みすべり振動を励起する励振型ｉ２
を形成し、この励振電極２から両端外周部に引き出し電
極３を延出している。なお、実際には、この水晶片の両
端外周部を図示しない保持装置により、電気的機械的に
接続して容器内に封入し、厚みすべり振動子を構成して
いる。

第６図は、横軸を周波数（ｆ）、縦軸をアドミッタンス
（１／Ω）とした厚みすべり振動子の電気的な共振特性
図である。即ち、この厚みすべり振動子の電気的な共振
特性は、図中の曲線に示したように、通常、主共振周波
数ｆＯに対し、この主共振周波数ｆＯより高い周波数に
て副共振ｆｓを呈する特性となる。この副共振は厚みす
べり振動モードの非調和スプリアスモードあるいは輪郭
系スプリアスモードが主たる要因となって発生する。こ
の中でも、特に電極によりエネルギー閉じ込めがなされ
ている非調和スプリアスモードによる副共振ｆｓ１、ｆ
ｓ２はそのインピーダンスレベルが低いため、例又は、
フィルタ素子、発振素子として用いた場合等での保証減
衰量の低下、周波数のジャンプ現象等を招来する原因と
なっていた。

ところで、厚みすべり振動の振動モードは、一般に、（
１，ｍ、ｎ）のモード記号で示されろことが知られてい
る。即ち、モード記号中、ｌは、厚み（ｙ’軸）方向の
波長の数即ちオーバトーン次数、ｍ％ｎは、各々励振電
極部におけるｘ、ｚ’軸方向の変位分布の半波長の数を
表す。例えば、基本波はｌ＝１で、オーバトーンは１＝
３．５．７の奇数次となる。ここで、基本波の主振動モ
ードについて考えろと、そのモード記号は（１，１，１
）で表記され、第７図（ａ）の振動変位分布曲線（イ）
（ロ）に示したように、Ｘ及びＺ′軸に対し、励振電極
中央部を最大として、励振電極上では余弦関数的に、励
振電極外では指数関数的に減少する。また、このとき圧
電作用により電極に誘起される電荷分布もほぼ変位分布
と同様な形となる。そして、非調和スプリアスモード例
えば（１，１，２）モードの振動変位分布曲線は、第７
図（ｂ）の曲線（ハ）（ニ）に示すようにＸ軸方向に対
しては、主振動と同様に励振電極内に余弦関数的（曲線
へ）に閉じ込められているのに対し、Ｚ′軸方向では電
極中央において変化量がＯとなり、２個の半波長が電極
上に載る２倍角正弦関数線（曲線二）の変位分布となる
。このとき、電荷分布は電極中央より極性が反対でしか
も対称となるために、励振電極に生じる電荷量は相殺さ
れろ。このため、この２′軸方向の非調和スプリアスモ
ードは電気的に励振されず、電気的な共振特性を生ずる
ことがない。以下、同様な理由で、ｍ、ｎが偶数のとき
には非調和スプリアスモードは電気的には励振されない
。次に、第７図（ｃ）に示した非調和スプリアスモード
（１，１１３）の振動変位分布曲線（ホ）（へ）は、Ｘ
軸方向に対しては主振動と同様に励振電極上に余弦関数
的（曲線ホ）に閉じ込められているのに対し、ｚ′軸方
向では励振電極中央部を極大値として、励振電極の両端
付近で極小値を有する３倍角余弦関数的の変位分布とな
る。このとき発生する電荷分布は、変位分布と同様な形
となるため、電極中央部と電極辺部では極性を逆とする
。従って、励振電極に集められる電荷は相殺されるので
、発生電荷Ｂ 量？なくなるが、この非調和スプリアスモードは電気的
に励振され電気的な副共振として発生する。以下、同様
に、非調和スプリアスモードのうちｍ及びｎが奇数のも
のは、副共振として、主共振周波数ｆｏに対し近接して
順次発生する。

（従来技術） このため、従来技術にあっては、例えば励振電極の径を
小さくしたり、励振電極のプレートバック量即ち励振電
極による周波数の低下量を少なくして、主振動以外の非
調和スプリアスモードを励振電極下部に閉じ込めないよ
うにし、副共振レベルを低下させていた。また、第８図
に示したように、水晶片主面に接着剤等の付加物４を施
して非調和スプリアスモードのみを機械的に抑圧し、主
振動モードに対してはその影響が少なくなるようにして
いた。しかし、励振電極の径を小さくした場合には、主
振動モードのクリスタルインピーダンスが増大するのみ
ならず、インダンタンスが増加するために、フィルタ素
子として使用するような場合には設計の自由度が損なわ
れる等の欠点があった。そして、励振電極のプレートバ
ック量を少なくした場合には製造技術上の制約により電
極膜を薄くすることには限界があり、付加物を施す場合
にはＱの低下のみならずエージング特性が劣化する等の
問題があった。

（発明の目的） 本発明は、非調和スプリアスモードによる副共振の発生
を防止した厚みすべり振動子を提供することを目的とす
る。

（発明の着目点並びに特徴） 本発明は、非調和スプリアスモードによる振動変位分布
曲線が付加膜によって変化すること並びに励振電極内に
おける非調和スプリアスモードによろ＋側と一側との振
動変位量が等しければ励振電極内に発生する電化量は略
等しく互いに相殺されるので、即ち、振動変位による電
荷分布曲線の励振電極内における積分値が零になるので
、電気的な共振特性を生ずることなく、この非調和スプ
リアスモードによる副共振の発生を防止できるとの点に
着目し、非調和スプリアスモードの励振電極内における
振動変位による電荷分布曲線の積分値が零になるように
励振電極上に付加膜を施したことを特徴とする。

（発明の趣旨及び作用） 以下、本発明の趣旨及び作用を図により説明ずろ。尚、
説明の便宜上、ＡＴカット水晶片の一次元方向の非調和
スプリアスモードによる副共振発生の防止を例にとって
説明する。

今、例えば、水晶振動子に発生した副共振を一次元方向
のＺ′軸方向とし、モード記号（＋、　ｍ、３）で表記
される非調和スプリアスモードによるものとする。即ち
、この非調和スプリアスモードの振動変位分布曲線は、
第１図（ａ）に示したように、励振電ｌｌ１２の中央部
を極大値として、両端付近では極小値となる前述同様の
３倍角余弦関数的となるので、振動変位による電荷分布
曲線の励振電極上における積分値は零とならず、＋側と
一側との変位量の差に応じた電荷が励振電極上に発生し
励振される。

第１図（ｂ）は、ＡＴカット水晶片の励振電極２の周縁
に付加膜５を施した場合の変位分布を示したものである
。即ち、付加膜５の存在により、振動変位分布曲線の励
振電極端部での一側の極値の位置が電極中央より更に遠
ざかっていることが理解される。従って、この付加膜５
を所定の条件に設定すれば、非調和スプリアスモードの
振動変位による電荷分布曲線の励振電極内における積分
値を零とすることができるので、非調和スプリアスモー
ドによる副共振の発生を防止できる。そして、付加膜５
が、主振動モードでは最小、非調和スプリアスモードで
は最大となる？Ｈ場周縁部に施されているために、主振
動モードより非調和スプリアスモードによる振動変位が
強く影響を受け、非調和スプリアスモードによる副共振
の発生防止に寄与する。

また、このとき同時に高調波次数が５．７　の非調和ス
プリアスモードもその幾何学的な変位分布の配置から前
述の高調波次数が３のときと同様にその積分値を零に近
ずけることができる。そして、付加膜５を電極に対し対
称に施せば、高調波次数が２．４．６・・・−・の対称
モードは電荷分布の対称性を失うことがなく、付加膜を
施さないときと同様に電気的に励振されない。従って、
厚みすヘリ振動モードの非調和スプリアスモードによる
振動を抑圧して主振動モードによる振動を強勢すること
ができるとのことである。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例を実験データを参照して説明する
。尚、本実施例にあっては、三次オーバトーン即ちモー
ド記号（１，ｍ、ｎ）の１を３とした厚みすべり振動子
を対象として詳述する。

第２図は、本発明の趣旨に沿うＡＴカット型水晶片の図
である。この水晶片６はポリッシュ研摩された直径ａが
５ｍｎｔの略円板形状で、その両生面にはｘ、ｚ’軸方
向の長さす、ｃがそれぞれ１．６５ｍｍ、１．０９ｍｍ
５厚みが２０００Ａの例えば銀からなろ励振電極７、並
びに両端外周の２′軸方向に幅ｄを０．３ｍｍとして延
出した引きだし電極８をか形成されている。そして、本
実施例にあっては、乙の励振電極のＸ軸方向の両縁部に
幅を０．０８ｍｍ、厚みを約２００ＯＡとした例えば銀
からなる付加膜９を施している。

第３図（ａ）、（ｂ）は横軸を周波数、縦軸をアドミッ
タンスとした共振特性図で、π型回路に厚みすべり振動
子を挿入しネットワークアナライザで計測したものであ
る。第３図（ａ）の曲線イは水晶片の励振電極上に付加
膜９を施す前の共振特性で、５８．０９２５ＭＨｚに主
振動モード（３，１，１）によるクリスタルインピーダ
ンス値を７５ΩをＯｄＢとした主共振ｆＯ１この主共振
ｆＯから＋１３５ＫＨｚに主共振ＥＯとのレベル差が−
１４，５ｄＢの非調和スプリアスモード（３，３，１）
、及び＋２４２．５ＫＨｚにレベル差が一１３ｄＢの非
調和スプリアスモード（３，１，３）、更に、＋　３７
７　Ｋ　Ｈｚ　、　＋　３９３　ＫＨにそのレベル差が
略−１６ｄＢの非調和スプリアスモード（３，３，３）
、（３，５，１）による副共振ｆｓ（ｆｓｌ、ｆｓ２、
ｆｓ３、ｆｓ４）が発生している。即ち、これらの副共
振ｆｓは、前述したように、各非調和スプリアスモード
の励振電極内における振動変位による電荷分布曲線の＋
側と一側との分布量が異なり、その積分値が大きいため
に発生している。第３図（ｂ）の曲線（ロ）は、励振電
極上に付加膜９を施した水晶片の共振特性図で、主共振
ｆＯのクリスタルインピーダンス値は付加膜９を施さな
いときと同様で略７５Ωである。これに対し、非調和ス
プリアス（３，３，１）モードによる副共振ｆｓｌの主
共振ｆＯとのレベル差は−１６，７ｄＢで、付加膜９を
施さないときに比し２ｄＢ程その差が増加している。そ
して、同図から明らがなように、スプリアス自体の大き
さ即ち共振ａ点から反共振す点のレベルモ、非調和スプ
リアスモード（３，３，１）による副共振ｆｓｌにあっ
ては略３ｄＢがら略０．８ｄＢに減少し、非調和スプリ
アスモード（３，３，１）、（３，５，１）によるその
レベルが１ｄＢ程度の副共振ｆｓ３、ｆｓ４は消失して
いる。即ち、付加膜９により振動変位分布曲線の極値が
それぞれ電極内部に移行して＋側と一側との変位量が略
一致し、励振電極内における振動変位による電荷分布曲
線の積分値が零に近ずいたためである。尚、この実施例
では、スプリアスモード（３，１，３）が付加膜を施さ
ないときと略同様のレベルで副共振が発生しているが、
この理由は、方形状電極のＸ軸方向の両端にのみ付加膜
を施し、Ｚ″軸方向には施さなか−）ため、Ｚ′軸方向
の振動変位分布曲線の極値が極端に移行しないからであ
る。

従って、この実施例にあっては、付加膜９の存在により
主共振ｆｓのクリスタルインピーダンス値７５Ωを略一
定にして、非調和スプリアスモード（３，３，１）及び
（３，３，３）、（３，５，１）の主共振に対する共振
レベル差をを低減し、かつ共振レベル自体をも小さくで
きたことを示している。このため、付加膜９は例えば蒸
着等により簡単に励振電極上に形成できるので、前述し
たまうに、ｖＪＪＪ振ｍ極の径やプレートバック址を小
さくしたり、接着材等の付加物を施したりする必要がな
く、Ｑの低下、エージング特性の劣化を来すことがなく
、設計の自由度や製造上の制約をも極端に受けることが
ない。そして、例えば、フィルタ素子として使用する場
合には通過帯域外の補償減衰量を十分に満足し、また発
振子としてはジャンプ現象等による周波数安定度が損な
われろことがない。

（本発明の他の実施例） 第４図は本発明の趣旨に基づく他の実施例図である。

≠）、第４図（ａ）、（ｂ）は、前記実施例における方
形状電極のｘ、、ｚ’軸方向の外周部に付加膜を施し、
モード記号（１、ｍ、ｎ）のｍ１ｎを奇数としたｘＳｚ
’軸方向の二次元方向に発生するスプリアスモードの振
動変位による電荷分布曲線が、励振電極内にてその積分
値が零となるようにし、前述同様以上の効果を得るよう
にしたものである。

２）、第４図（Ｃ）、（ｄ）は、水晶片を方形状、励振
電極を円形状とし、励振電極のｘ、ｚ’軸方向の外周に
沿って分割（同図Ｃ）あるいは連続（同図ｄ）した付加
膜を施したもので、前項１と同様の効果を奏し、水晶片
及び励振電極の形状に拘らず本発明を達成できることを
示している。

３）第４図（ｅ）は、円や方形状の水晶片に方形状の励
振電極の外周部に付加膜を二列にして施したもので、前
項同様の効果が得られ、本発明が付加膜の並列配置等に
より損なわれないことを示している。

（他の事項） 尚、本発明の詳細な説明にあっては、厚みすべり振動子
の主共振周波数を、高調波字数が３の三次オーバトーン
として説明したが、その字数を１とした基本波であって
も同様の効果を奏する。

そして、本実施例にあっては、励振電極上に施しｔ二付
加膜により振動変位による電荷分布曲線が励振電極内に
おいてその積分値を零とするとして説明したが、本発明
にあってはこれに限定されろことなく、例又は励振電極
の一部を削除したり、又、引き出し電極上に付加膜を施
したり、更に、水晶片の外形形状を例えばベベル、コン
ベックス等の面加工したりし振動変位による電荷分布曲
線を変化させてもよく、要は、励振振動変位による電荷
分布曲線を励振電極内においてその積分値が零になるよ
うにすればよいことは言うまでもない。

又、本発明は、上記実施例の付加膜に限定されることな
く、例えば、付加膜の材質、膜厚、膜幅及び電極内での
位置を制御することで、励振電極内における振動変位に
よる電荷分布曲線の積分値を零にし、副共振の発生を防
止できることばいうまでもなく、その他、例えば「方形
電極エネルギー閉じ込め形共振子の一解析法」電気通信
学会論文集、ＡＸＪ　６３−Ａ、８、ｐｐ５３０−５３
２（昭５ｓ−ｏｓ）＞、ｚどの２次元解析を応用すれば
、有益な利用及び容易な実施ができ、本発明は、その趣
旨を逸脱しない範囲で適宜変更できるものである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、非調和スプリアスモー
ドの励振電極内における振動変位による電荷分布曲線の
積分値が零になるように励振電極上に付加膜を施したの
で、非調和スプリアスモードによる副共振の発生を防止
した厚みすべり振動子を提供できろ。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明を説明する振動変位分布
曲線図、第２図は本発明の一実施例を示す水晶片の平面
図、第３図（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例による
効果をを説明するアドミッタンス特性図、第４図は本発
明の他の実施例を示す水晶片の平面図、第５図は厚みす
べり振動子を説明する水晶片の図、第６図は厚みすべり
振動子のアドミッタンス特性図、第７図は厚みすべり振
動子の振動モードを説明する変移分布図、第８図は従来
の非調和スプリアスモードによる副共振を防止した水晶
片の平面図である。 ６　水晶片、７　励振電極、８　引き出し電極、５．９
・付加膜。 第１国（Ｑ）１ 第１国（ｂ）１ 第２図 第３１！１（（１） 一一÷ｆ 第３図（ｂ） −一÷ｆ 第４図 第５１！ｌ 第６閤

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）厚みすベり振動が励起される圧電板に厚みすベり
   振動の主振動モードを励起する励振電極を形成すると共
   に、厚みすベり振動の主振動モードに対して発生する非
   調和スプリアスモードの励振電極内における振動変位に
   よる電荷分布曲線を積分したとき、その積分値が零にな
   るようにしたことを特徴とする厚みすベり振動子。
2. （２）第１項記載の特許請求の範囲において、厚みすベ
   り振動の主振動モードに対して発生する非調和スプリア
   スモードの励振電極内における振動変位による電荷分布
   曲線を積分したとき、その積分値が零になるように前記
   励振電極上に付加膜を施したことを特徴とする圧電振動
   子。