(57)【要約】  【課題】第１振動部１１ａ、第２振動部１１及び第３振動部１１ｃを縦配置で具えるＧＴカット振動子であって、小型化に有利な振動子を提供する。  【解決手段】第１、第２及び第３振動部の、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う輪郭線を縦輪郭線１５ａ、１５ｂ、１５ｃと定義したとき、これら縦輪郭線を、曲率を持つ輪郭線としてある。然も、前記３つの振動部のうちの、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部の、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線１７も、曲率を持つ輪郭線としてある。【選択図】図１
2019192960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅縦モードおよび長さ縦モードの結合により振動し、第１振動部と、該第１振動部の幅縦モードの振動方向ｆｗに沿う両端の一方に接続している第２振動部と、前記両端の他方に接続している第３振動部の少なくとも３つの振動部を具え、かつ、前記第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う両端に接続された支持部と、を具える圧電振動子において、
第１、第２及び第３振動部の、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う輪郭線を縦輪郭線と定義したとき、該縦輪郭線を、曲率を持つ輪郭線としてあることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記少なくとも３つの振動部のうちの、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部の、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線を幅輪郭線と定義したとき、該幅輪郭線も曲率を持つ輪郭線としてあることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記第１振動部の縦輪郭線各々は、第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う内側に向かって凸の曲率を持ち、
前記第２振動部及び第３振動部の縦輪郭線各々は、各振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う外側に向かって凸の曲率を持つことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記少なくとも３つの振動部のうちの、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部の、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線を幅輪郭線と定義したとき、
前記幅輪郭線各々は、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う外側に向かって凸の曲率を持つことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動子。
【請求項５】
前記第１振動部の縦輪郭線各々は、第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う外側に向かって凸の曲率を持ち、
第２振動部及び第３振動部の縦輪郭線各々は、各振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う内側に向かって凸の曲率を持つことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項６】
前記少なくとも３つの振動部のうちの、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部の、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線を幅輪郭線と定義したとき、
前記幅輪郭線各々は、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う内側に向かって凸の曲率を持つことを特徴とする請求項５に記載の圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの縦モードの結合により振動する圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの縦モードの結合により振動する圧電振動子、例えばＧＴカット水晶振動子は、ＡＴカット水晶振動子と同等以上の温度特性を示す可能性がある。その一例が、特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示されたＧＴカット水晶振動子は、平面形状が各々矩形の第１振動部、第２振動部及び第３振動部を具えている。具体的には、第１振動部の対向する２辺の一方側に第２振動部が接続され、他方側に第３振動部が接続された、連結構造のものである（特許文献１の第２図等）。
このＧＴカット水晶振動子の場合、振動部の辺比や厚み及び励振電極の厚み等を所定範囲にすることで、周波数温度特性が良好で、かつ、外部衝撃等の影響の低減が可能な振動子が得られるという（特許文献１の段落４０等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−４３４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のＧＴカット水晶振動子では、各振動部の平面形状は矩形である。振動部の平面形状を矩形とせずに他の形状とすることで、振動子の小型化等に対する設計自由度の向上等が可能と考えられる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的は、２つの縦モードの結合により振動し、少なくも第１〜第３振動部を具えた圧電振動子であって、小型化等の設計自由度の向上の可能性を持つ新規な圧電振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的の達成を図るため、この発明によれば、幅縦モードおよび長さ縦モードの結合により振動し、第１振動部と、該第１振動部の幅縦モードの振動方向ｆｗに沿う両端の一方に接続している第２振動部と、前記両端の他方に接続している第３振動部の少なくとも３つの振動部を具え、かつ、前記第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う両端に接続された支持部と、を具える圧電振動子において、
第１、第２及び第３振動部の、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う輪郭線を縦輪郭線と定義したとき、該縦輪郭線を曲率を持つ輪郭線としてあることを特徴とする。
【０００７】
この発明を実施するに当たり、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部の、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線を幅輪郭線と定義したとき、該幅輪郭線も曲率を持つ輪郭線とするのが良い。
【０００８】
さらに、この発明を実施するに当たり、第１振動部の縦輪郭線各々は、第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う内側に向かって凸の曲率を持ち、
第２振動部及び第３振動部の縦輪郭線各々は、各振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う外側に向かって凸の曲率を持ち、
前記幅輪郭線各々は、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う外側に向かって凸の曲率を持つ構成とするのが良い。以下、これを第１の実施形態という(図１（Ａ）参照)。
【０００９】
また、この発明を実施するに当たり、第１振動部の縦輪郭線各々は、第１振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う外側に向かって凸の曲率を持ち、
第２振動部及び第３振動部の縦輪郭線各々は、各振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う内側に向かって凸の曲率を持ち、
幅輪郭線各々は、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う内側に向かって凸の曲率を持つ構成とするのが良い。すなわち、上記の第１の実施形態に対し凸の向きが逆の場合でも良い。以下、これを第２の実施形態という（図１（Ｂ）参照）。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の圧電振動子によれば、振動部の少なくとも縦輪郭線に曲率を持たせている。このため、例えば平面形状が矩形の振動部においてこの振動部の縦方向の寸法がＡｍｍ、幅方向の寸法がＢｍｍの場合に所望の周波数が得られる場合に対し、本発明では曲率した輪郭線で上記Ａｍｍを、好適例ではＡｍｍ及びＢｍｍを実現すれば良いから、矩形の振動部を用いる場合に比べて、少なくともＡ方向の絶対寸法を、好適例ではＡ方向およびＢ方向の絶対寸法を小さくできる。従って、圧電振動子の小型化が図れる。
また、特に縦輪郭線は、第１、第２及び第３振動部の３つの振動部に存在するので、縦輪郭線を曲率を持つものとした場合、圧電振動子の縦輪郭線方向の小型化への寄与率が高く、好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（Ａ）は第１実施形態の圧電振動子の特に振動片を説明する図、（Ｂ）は第２実施形態の圧電振動子の特に振動片を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の圧電振動子の特に振動片及び励振用電極を説明する図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、曲率を持たせる輪郭線の位置や凹凸方向と、当該圧電振動子の特性との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照してこの発明の圧電振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１３】
１． 第１の実施形態
図１（Ａ）は、第１の実施形態の圧電振動子に具わる圧電振動片１０の平面図である。この圧電振動片１０は、幅縦モードおよび長さ縦モードの結合により振動する振動片であって、いわゆるＧＴカット水晶振動子に区分けされる水晶片である。詳細には、水晶のＹ板を、Ｘ軸を回転軸として４５〜６５度の範囲の任意の角度で回転させ、さらにその水晶片を、この回転で新たに生じたＹ′軸を回転軸として４０〜４５度の範囲の任意の角度で面内回転させて得られた面を主面とする水晶片である。ここで、回転角度は圧電振動子に要求される仕様により選択される。この圧電振動片１０は、以下の特徴を有している。
【００１４】
この圧電振動片１０は、第１振動部１１ａと、第２振動部１１ｂと、第３振動部１１ｃと、支持部１３ａ、１３ｂとを具える。第２の振動部１１ｂは、第１振動部１１ａの幅縦モードの振動方向ｆｗに沿う両端の一方に接続してある。第３の振動部１１ｃは、第１振動部１１ａの幅縦モードの振動方向ｆｗに沿う両端の他方に接続してある。また、支持部１３ａ、１３ｂは、第１振動部１１ａの長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿う両端に接続してある。そして、これら３つの振動部１１ａ、１１ｂ、１１ｃの、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う輪郭線を縦輪郭線と定義した場合、これら縦輪郭線１５ａ、１５ｂ、１５ｃ各々を、曲率を持つ輪郭線としてある。
【００１５】
なお、この発明では、縦輪郭線１５ａ、１５ｂ、１５ｃ各々を、曲率を持つ輪郭線とすることを必須要件とするが、この第１の実施形態では、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿う両端の振動部１１ｂ、１１ｃの、該振動方向ｆＷの最外に当たる輪郭線を幅輪郭線と定義した場合、これら幅輪郭線１７も、曲率を持つ輪郭線としてある。
【００１６】
次に、第１〜第３の振動部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ各々の曲率を持つ輪郭線の構成について説明する。
第１振動部１１ａの縦輪郭線１５ａ各々は、第１振動部１１ａの長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿って内側に向かって凸の曲率を持たせてある。また、第２振動部１１ｂ及び第３振動部１１ｃの縦輪郭線１５ｂ、１５ｃ各々は、各振動部の長さ縦モードの振動方向ｆＬに沿って外側に向かって凸の曲率を持たせてある。また、幅輪郭線１７各々は、幅縦モードの振動方向ｆＷに沿って外側に向かって凸の曲率を持たせてある。
ここで、輪郭線の曲率Ｒについては、各輪郭線１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１７各々で同じであっても一部が異なっても、全部が異なっても良い。設計の容易さからいえば、各輪郭線の曲率は同じとし、凸の方向を上記の様に違えて置くのが良い。輪郭線の曲率と圧電振動片の特性との関係については後述する。
【００１７】
また、この圧電振動片１０は、所定の動作を実現するため、以下に図２を参照して説明するように、励振用電極１９ａ、１９ｂを具えている。図２はその説明図であり、特に（Ａ）図は平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＳ−Ｓ線に沿った断面図である。
励振用電極の一方の電極１９ａは、第１〜第３振動部１１ａ〜１１ｃの一方の主面に設けてあり、励振用電極の他方の電極１９ｂは、第１〜第３の振動部１１ａ〜１１ｃの他方の主面に設けてある。ただし、第１振動部１１ａの表裏の励振用電極の極性に対し、第２振動部１１ｂ及び第３振動部１１ｃの表裏の励振用電極の極性が逆になるように、これら励振用電極１９ａ、１９ｂは第１〜第３振動部１１ａ〜１１ｃの表裏に配置してある。そして、これら励振用電極１９ａ、１９ｂは、図示を省略しているが、支持部１３ａ，１３ｂ上を配線された後、外部回路と接続される。なお、励振用電極１９ａ、１９ｂを設けた圧電振動片１０は、実際はセラミック容器（図示せず）等の容器に実装されて、封止されて、完成品となる。ただし、ここでは容器等の説明は省略する。
上述のような特殊形状の圧電振動片１０及び励振用電極１９ａ、１９ｂは、上記所定の切断角度を持つ水晶ウエハ（図示せず）を用い、この水晶ウエハに対し周知の成膜技術およびフォトリソグラフィ技術を適用することで形成できる。
【００１８】
２． 第２の実施形態
次に、第２の実施形態の圧電振動子について説明する。図１（Ｂ）は、第２の実施形態の圧電振動子に具わる圧電振動片２０の平面図である。
この第２の実施形態の圧電振動片２０は、第１振動部２１ａ、第２振動部２１ｂ、第３振動部２１ｃ及び支持部２３ａ、２３ｂを具える。
この第２の実施形態の圧電振動片２０の第１の実施形態の圧電振動片１０との違いは、第１振動部２１ａ、第２振動部２１ｂ、第３振動部２１ｃにおける、縦輪郭線２５ａ、２５ｂ、２５ｃと幅輪郭線２７の凸の方向が、第１の実施形態の圧電振動片１０における、縦輪郭線１５ａ、１５ｂ、１５ｃと幅輪郭線１７の凸の方向と逆向きになっている点である。それ以外は、第１の実施形態と同様な構造としてある。
【００１９】
３． 輪郭線の曲率と圧電振動子の特性との関係
次に、輪郭線の曲率と圧電振動子の特性との関係について、試作結果及び有限要素法によるシミュレーション結果に基づいて説明する。
【００２０】
第１、第２及び第３振動部のｆＷ方向（水晶のＸ′′軸方向）の寸法を約４１４μｍとし、ｆＬ方向（水晶のＺ′′軸方向）の寸法を約４３０μｍとし、所定の励振用電極を設けた、第１の実施形態のＧＴカット水晶片および第２の実施形態のＧＴカット水晶片をそれぞれ試作した。ただし、この試作に当たり、各振動部の縦輪郭線の曲率および幅輪郭線の曲率を、両者は同じであるが、複数通りに変えて、複数種類のＧＴカット水晶片を用意した。
【００２１】
次に、これら複数種類のＧＴカット水晶片を、計測プローバを有した真空チャンバ内に置き、チャンバの温度を２３．５℃（室温程度）及び８０℃の２点に変化させて、各水晶片の周波数の温度依存性を調べた。
【００２２】
次に、チャンバ温度が２３．５℃の時の周波数Ｆ２３．５と、同温度が８０℃のときの周波数Ｆ８０との差である、ΔＦ＝（Ｆ８０−Ｆ２３．５）を、輪郭線の曲率を違えた水晶片ごとに算出した。そして、輪郭線の曲率とΔＦとの関係を調べた。
その結果を、図３（Ａ）に示した。なお、図３（Ａ）において、横軸は各輪郭線の曲率（ｍｍ）であり、縦軸はΔＦ＝（Ｆ８０−Ｆ２３．５）である。また、図３（Ａ）において、白抜き菱形◇は、図１（Ａ）に示した第１の実施形態のＧＴカット水晶片１０についての特性であり、白抜き四角□は、図１（Ｂ）に示した第２の実施形態のＧＴカット水晶片２０についての特性である。
【００２３】
図３（Ａ）から、振動部の輪郭線の曲率を変化させることで、ΔＦが変化することが分かる。すなわち、振動部の輪郭線の曲率を変化させることで、ＧＴカット水晶片の周波数温度特性が変化することが分かる。然も、第１の実施形態のＧＴカット水晶片と、第２の実施形態のＧＴカット水晶片とで、曲率の変化に対するΔＦの挙動は逆傾向となることが分かる。すなわち、第１、第２及び第３振動部の輪郭線の凸の向きを振動部の内側に向けるか外側に向けるかで、輪郭線の曲率の変化に対するΔＦの挙動が逆傾向となることが分かる。具体的には、第１の実施形態のＧＴカット水晶片の場合は、輪郭線の曲率が大きくなるに従いΔＦはプラス側にシフトし、第２の実施形態のＧＴカット水晶片の場合は、輪郭線の曲率が大きくなるに従いΔＦはマイナス側にシフトすることが分かる。従って、ＧＴカット水晶片の振動部の輪郭線の曲率を変えることにより、また、輪郭線の凸の向きを変えることにより、周波数温度特性を制御できることが分かる。
【００２４】
次に、有限要素法によるシミュレーションを用いて、縦輪郭線の曲率を変化させた場合の幅縦モード（すなわち主振動）の周波数の変化具合および長さ縦モード（すなわち副振動）の周波数の変化具合を調べた。また、有限要素法によるシミュレーションを用いて、幅輪郭線の曲率を変化させた場合の幅縦モード（すなわち主振動）の周波数の変化具合および長さ縦モード（すなわち副振動）の周波数の変化具合を調べた。シミュレーションの際の水晶片の寸法や曲率の凸方向は、上記の第１、第２の実施形態の試作時の寸法及び凸方向である。
【００２５】
これらの調査結果を図３（Ｂ）に示した。なお、図３（Ｂ）において、横軸は各輪郭線の曲率（ｍｍ）であり、縦軸は主振動及び副振動の共振周波数（Ｈｚ）である。また、図３（Ｂ）において、白抜き菱形◇は、図１（Ａ）に示した第１の実施形態のＧＴカット水晶片１０での主振動の共振周波数であり、白抜き四角□は、図１（Ｂ）に示した第２の実施形態のＧＴカット水晶片２０での主振動の共振周波数である。さらに、図３（Ｂ）において、白抜き下向き三角▽は、図１（Ａ）に示した第１の実施形態のＧＴカット水晶片１０での副振動の共振周波数であり、黒塗り上向き三角▲は、図１（Ｂ）に示した第２の実施形態のＧＴカット水晶片２０での副振動の共振周波数である。
【００２６】
図３（Ｂ）から、主振動の共振周波数については、振動部の縦輪郭線の曲率を変化させた場合、第１〜第３振動部の縦輪郭線の凸の向きにより、共振周波数の変化具合が逆の傾向を示すことが分かる。すなわち、第１の実施形態の場合は、輪郭線の曲率を大きくしてゆくに従い、主振動の共振周波数はプラス側にシフトし、第２の実施形態の場合は、輪郭線の曲率を大きくしてゆくに従い、主振動の共振周波数はマイナス側にシフトするというように、逆の傾向を示すことが分かる。
一方、図３（Ｂ）から、副振動の共振周波数については、振動部の縦輪郭線を変化させた場合、振動部の幅輪郭線を変化させた場合いずれにおいても、第１〜第３振動部の縦輪郭線の凸の向きに関わらず、共振周波数の変化具合は同じ傾向を示す。すなわち、副振動の共振周波数は、第１〜第３振動部の縦輪郭線の凸の向きに関わらず、輪郭線の曲率を大きくしてゆくに従い、プラス側にシフトすることが分かる。
従って、図３（Ａ）を用いて説明した、ΔＦの変化具合が第１〜第３振動部の縦輪郭線の凸の向きにより逆の傾向を示す原因は、図３（Ｂ）を用いて説明した主振動の共振周波数の変化具合が逆であることに起因している。
【００２７】
上述した説明から分かるように、この発明の圧電振動子の場合、輪郭線の曲率を変化させることにより、周波数温度特性の制御が可能である。しかも、発明の効果の欄で説明したように、振動部の輪郭線に曲率を持たせたことで、振動部を矩形状にした場合に比べ、圧電振動子の小型化が図れる。
【００２８】
なお、上述においては、この発明の圧電振動子の実施形態を説明したが、この発明は上述の実施形態に限られない。例えば、上述の例では、３つの振動部を縦並びにした構成を示したが、４つ以上、好ましくは５つ以上の奇数個の振動部を有した場合でも良い。
【符号の説明】
【００２９】
１０:第１の実施形態の圧電振動片、         １１ａ：第１振動部、
１１ｂ：第２振動部、                      １１ｃ：第３振動部、
１３ａ、１３ｂ：支持部、                  １５ａ、１５ｂ、１５ｃ：縦輪郭線
１７：横輪郭線
ｆＷ：幅縦モードの振動方向、              ｆＬ：長さ縦モードの振動方向
２０:第１の実施形態の圧電振動片、         ２１ａ：第１振動部、
２１ｂ：第２振動部、                      ２１ｃ：第３振動部、
２３ａ、２３ｂ：支持部、                  ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ：縦輪郭線
２７：横輪郭線
【図１】
2019192960.tif 000003
【図２】
2019192960.tif 000004
【図３】
2019192960.tif 000005