(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械軸（Ｙ軸）に垂直となるＹ板水晶を電気軸（Ｘ軸）を回転軸として角度θx＝＋４０°〜＋６０°回転し、更に、前記Ｘ軸の回転後の新軸（Ｙ´軸）を回転軸として、角度θy＝４０°〜５０°回転してカットされた幅縦・長さ縦結合モードの圧電振動子であって、
幅縦モードの主振動を伴う一対の主振動辺及びこの一対の主振動辺と直交し、長さ縦モードの副振動を伴う一対の副振動辺を有し、４ＭＨｚ乃至３０ＭＨｚの発振周波数を生じ、且つ、容量比が２５０〜４００の四角形状の圧電振動板と、
前記一対の主振動辺に一端が接続されて主振動辺の外方向に延びる一対の支持アームと、
前記圧電振動板の外周に設けられ、前記一対の支持アームの他端が接続されるフレームとを備え、
前記各支持アームは、前記一対の主振動辺の略中間位置から主振動辺と直交する方向に延びる第１アーム部と、該第１アーム部から第１の屈曲部を介して主振動辺と平行に延びる第２アーム部と、該第２アーム部から第２の屈曲部を介して主振動辺と直交する方向に延びる第３アーム部と、該第３アーム部から第３の屈曲部を介して折り返し、主振動辺と平行に延びる第４アーム部と、該第４アーム部から第４の屈曲部を介して主振動辺と直交する外方向に延びる第５アーム部とを有し、
前記一対の支持アームの先端が前記フレームに連結されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記フレームは、導電接合部材を介して電気的に固定される基部と、この基部の両端から少なくとも二以上の屈曲部を有して蛇行して延びる一対の脚部を有している請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記支持アームは、前記圧電振動板に対して、０．２３以下の重量比に設定される請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記支持アームは、前記主振動辺の略中間位置から前記フレームに向けて略コ字状に屈曲して延びる請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項５】
前記フレームは、前記圧電振動板の外周に沿うように略コ字状に形成される請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項６】
前記圧電振動板は、主振動方向又は副振動方向に対して複数の振動面を有して形成される請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項７】
前記圧電振動板、支持アーム及びフレームは、水晶基板によって一体形成される請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項８】
前記主振動辺による幅縦モードの主振動は、前記副振動辺による長さ縦モードの副振動よりも共振周波数が高く、且つ、等価直列抵抗が小さい請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項９】
前記支持アーム又はフレームは、一部に幅方向及び厚み方向の少なくともいずれか一方の面積比が小さい部位を有して形成される請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項１０】
前記圧電振動板は、表面に凹部が設けられ、この凹部の内側面に沿って励振電極が形成される請求項１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、幅縦・長さ縦結合モードの圧電振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１７は、従来の幅縦振動を主振動とする幅縦・長さ縦結合モードの圧電振動子１をパッケージ５内に搭載したものである。圧電振動子１は、幅縦モードの主振動辺２ａ，２ｂ及び長さ縦モードの副振動辺２ｃ，２ｄを有し、表面に励振電極７が形成された圧電振動板２と、前記一対の主振動辺２ａ，２ｂの一端を支え、端子電極６から前記励振電極７に繋がる電極パターン（図示せず）が形成された一対の支持アーム３とを有して構成されている。前記支持アーム３は、バネ性と共に剛性を持たせるため、ループ状の張出部（単純梁）を有した構造となっている。このような構造による圧電振動子１は、前記支持アーム３によって長さ縦モードの副振動に制限を加え、その周波数を制御することでカップリング（結合）の度合いを調整して良好な温度特性を得ていた。
【０００３】
前記幅縦振動による主振動の共振周波数は、１〜３．５ＭＨｚ程度までは実用化がなされている。例えば、主振動の共振周波数が２．１ＭＨｚの場合、圧電振動板２の一辺の長さは、１．５ｍｍ程度となる。このような大型の圧電振動板２にあっては、励振電極７も比較的広く取れるので、圧電振動板２の振動エネルギーは十分に大きいものとなる。このため、良好な温度特性を得るには、図１７に示したような形状の支持アーム３によって副振動に制限を加え、その振動周波数を調整することで、主振動との結合状態を制御するのが比較的容易であった。
【０００４】
また、前記圧電振動子１は、主振動である幅縦モードの周波数と副振動である長さ縦モードの周波数との結合状態を変化させることによって、周波数温度特性を変化させることができるようになっている。
【０００５】
通常、主振動モードの周波数は、公称周波数であるため変えることはできず、ある設定された周波数で発振させる必要がある。また、温度特性を変化させるには、結合状態を変えることが必要となる。このためには、副振動モードの周波数を変化させる必要がある。この副振動モードの周波数を変化させる方法の一つは、ループ状の支持アームの太さと長さを変えることでそのバネ性を調節して、副振動モードの振動に制限(振動の勢いを殺ぐ)をかける方法であり、もう一つは、錘を付加あるいは除去して、副振動モードの周波数を減少あるいは上昇させることによって調節する方法である。
【０００６】
また、前記主振動の容量比γは、その振動状態の良し悪しや与えられた電磁エネルギーを振動エネルギーに変換する際の変換効率のバロメーターとなる。幅縦・長さ縦結合モードの場合、容量比γの値は圧電振動板の大きさ(周波数)には依存しない。報告されている２．１ＭＨｚにおける一般的な従来の圧電振動子の容量比は４００〜６００であり、支持アームを無視した圧電振動板のみでの容量比（２００〜４００）の値と比較すると大きく、支持アームが副振動を制御したことによる容量比悪化への影響は大きくなる。換言すると、副振動を大きく制限する従来形状の支持アームは、圧電振動板の振動エネルギーを大きくロスしながら、周波数温度特性を良好なものとし、実使用上、問題の無い電気的特性を得られる範囲で設計されていたと言える。
【０００７】
上記圧電振動子１において、主振動の共振周波数を上げるために圧電振動板２を小型化すると、振動エネルギーそのものが小さくなる。上述したように、従来形状の支持アーム３は、ループ状の張出部によって副振動を大きく制限する構造であるため、振動エネルギーが小さくなればなるほど、副振動を制御し難くなるといった欠点があった。したがって、圧電振動板２のサイズが比較的大きな１〜３．５ＭＨｚの共振周波数帯では実用上問題はないが、従来形状をそのまま小型化するだけでは、設計が非常に困難となる。
【０００８】
前記圧電振動板２の振動エネルギーが小さくなればなるほど、支持アーム３を小さく、薄く、細く、そして、軽くして副振動の制限量を抑えていかなければならない。前記支持アーム３は圧電振動板２をパッケージ５内で中空に保持する役割もあるため、破損等を招くような衝撃に対する耐性を考慮する必要もある。このため、前記支持アーム３を無制限に小さく、薄く、細く、そして、軽くすることはできない。このような状況の下では、設計の自由度が狭くなり、満足な振動特性、温度特性を得ることが困難となっていた。また、仮に実用可能な諸特性が得られたとしても、容量比が４００〜６００の値となってしまうといった問題があった。
【０００９】
特許文献１，２には、幅縦・長さ縦結合モードの振動を生じさせるための一般的な形状及び構造を有した圧電振動子が開示されている。このタイプの圧電振動子は、少なくとも一対以上の励振電極が形成された圧電振動板と、この圧電振動板に副振動となる長さ縦モードを制御する支持アームとからなっている。なお、強度を保つと共に、落下などによる衝撃等によって破損しないように、前記支持アームが圧電振動板の外周部から外方向に延びる支持本体部と、前記圧電振動板を包囲するようにして設けられ、前記それぞれの支持本体部の一端が繋がる支持枠（フレーム）とを備えて構成される場合もある。
【００１０】
また、圧電振動板の振動エネルギーが支持アームを介して漏れ出ることを防止するために、支持アームを細く構成する場合があるが、製造工程において組立をする際に、支持アームを破損し易いという欠点があり、前述したように、支持アームを圧電振動板から延びる支持本体部とこの支持本体部に繋がるフレームとで構成して強度をアップする必要があった。しかしながら、圧電振動板を支持本体部やフレームで完全に包囲してしまうと、支持強度は増すものの、振動子全体としての小型化ができない。また、必要以上にフレームによって支持強度を高めると、副振動となる長さ縦振動を阻害し、主振動となる幅縦振動と適切な結合状態を作り出すことが困難となる場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１−１２６００９号公報
【特許文献２】特開平１０−１１７１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、前述した従来の単純梁構造による幅縦・長さ縦結合モードの圧電振動子は、１．０〜３．５ＭＨｚ程度の比較的低い周波数で実用化されている例が多い。これは、共振周波数を４ＭＨｚ以上に設定すると、圧電振動板を非常に小さくする必要があるからである。例えば、共振周波数１２ＭＨｚで基本波の場合には、方形状の圧電振動板の幅は約２７０μｍ程度となる。従来例のような構造の支持アームのままで小型化かつ高周波化すると、圧電振動板の振動エネルギーそのものが小さいため、振動が阻害され、等価直列抵抗（Ｒ１）が大きくなる。また、Ｒ１以外にも容量比γやＱなど、満足な電気的特性を得られないという欠点があった。
【００１３】
また、幅縦振動と長さ縦振動の結合度合いを調整することで、一般的に最も良く使用され、かつ、周波数温度特性が最も良いとされるＡＴカット圧電振動子よりも良い周波数温度特性を得ることができる。しかし、幅縦・長さ縦結合モード水晶振動子は、長さ縦モードの周波数を調整する支持アームの重量が圧電振動板重量と比較して大きくなりすぎると良好な周波数温度特性を得る結合状態をつくり出すことができない。従って、共振周波数を上げて、圧電振動板を小さく、重量を軽くすると、それにつれて、支持アームも細く、小さく、薄くして重量を軽くする必要が生じてくる。その結果、満足な周波数温度特性が得られるような形状やサイズに支持アームを作製できたとしても、強度が弱くなりすぎて圧電振動板を保持できないという問題があった。
【００１４】
さらに、図１７に示したように、従来の圧電振動子１をパッケージ５内に搭載しようとした場合、フレームのない一対の支持アーム３のみでは、それぞれの支持アーム３の端部を導電性接着剤などによって、一対の端子電極６に直接両支持固定することが必須となる。しかしながら、水晶デバイス工業会などで規格化されているＡＴカット厚みすべり水晶振動子向け３．２ｍｍｘ２．５ｍｍなど、既存小型セラミックパッケージの多くは、パッケージ内部の片側のみで振動子を固定するような構造が多い。したがって、このような比較的入手しやすいセラミックパッケージに対して、従来のフレームの無いタイプの圧電振動子は搭載できなかった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、高発振周波数に対応して小型化する圧電振動板の主振動による振動エネルギーを効率よく得ることができると共に、前記圧電振動板を安定して支持することのできる支持構造を備えた幅縦・長さ縦結合モードの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】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の圧電振動子は、機械軸（Ｙ軸）に垂直となるＹ板水晶を電気軸（Ｘ軸）を回転軸として角度θx＝＋４０°〜＋６０°回転し、更に、前記Ｘ軸の回転後の新軸（Ｙ´軸）を回転軸として、角度θy＝４０°〜５０°回転してカットされた幅縦・長さ縦結合モードの圧電振動子であって、幅縦モードの主振動を伴う一対の主振動辺及びこの一対の主振動辺と直交し、長さ縦モードの副振動を伴う一対の副振動辺を有し、４ＭＨｚ乃至３０ＭＨｚの発振周波数を生じ、且つ、容量比が２５０〜４００の四角形状の圧電振動板と、前記一対の主振動辺に一端が接続されて主振動辺の外方向に延びる一対の支持アームと、前記圧電振動板の外周に設けられ、前記一対の支持アームの他端が接続されるフレームとを備え、前記各支持アームは、前記一対の主振動辺の略中間位置から主振動辺と直交する方向に延びる第１アーム部と、該第１アーム部から第１の屈曲部を介して主振動辺と平行に延びる第２アーム部と、該第２アーム部から第２の屈曲部を介して主振動辺と直交する方向に延びる第３アーム部と、該第３アーム部から第３の屈曲部を介して折り返し、主振動辺と平行に延びる第４アーム部と、該第４アーム部から第４の屈曲部を介して主振動辺と直交する外方向に延びる第５アーム部とを有し、前記一対の支持アームの先端が前記フレームに連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧電振動子によれば、支持アームが長さ縦モードの副振動方向と直交する主振動辺上に接続されているため、幅縦モードの主振動に影響を及ぼすことなく安定した状態で圧電振動板を支持することができる。また、前記支持アームが前記主振動辺と前記フレームとの間を一つの連続した経路によって結ばれ、その間に二以上の屈曲部を有して弾性的に圧電振動板を支持することができるため、主振動に対する副振動を効率的に低減させることができる。
【００１８】
また、前記主振動辺を略二分する中間位置は、主振動の起点となる節部となっているため、この中間位置に支持アームを接続することによって、主振動への影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図２】上記圧電振動子をパッケージに搭載したときの状態を示す平面図である。
【図３】圧電振動板の縦横の辺比と容量比との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図５】上記第２実施形態の圧電振動子の第１変形例を示す平面図である。
【図６】上記第２実施形態の圧電振動子の第２変形例を示す平面図である。
【図７】上記図６の圧電振動子と従来の圧電振動子の寸法形状を示す平面図である。
【図８】支持アーム形状の違いにおける主振動と副振動の周波数差を示すグラフである。
【図９】支持アーム形状の違いにおける１次温度係数を示すグラフである。
【図１０】上記第２実形態の圧電振動子の第３変形例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１５】本発明の第７実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１６】本発明の第８実施形態における圧電振動子の平面図である。
【図１７】従来の圧電振動子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２は、基本形状となる第１実施形態の圧電振動子１１の平面形状及びパッケージ１５への実装形態例を示す。この圧電振動子１１は、輪郭振動を伴う基本形状からなり、幅縦・長さ縦結合モードの振動を発生させるための四角形状の圧電振動板１２と、この圧電振動板１２の一側面から外方向に延びる支持アーム１３と、この支持アーム１３を支持するフレーム１４とを備えて一体形成されている。
【００２１】
幅縦・長さ縦結合モードは、通常、長さ縦モードの振動を調整して、幅縦モードを結合させることにより、温度特性などの良好な振動子特性を得る。前記支持アーム１３は、長さ縦モードの振動に対する錘として機能すると共に、バネ性を有しているため、振動を抑制することで周波数を調整する役割を備えている。
【００２２】
この圧電振動子１１は、機械軸（Ｙ軸）に垂直となるＹ板水晶を電気軸（Ｘ軸）を回転軸として角度θx＝＋４０°〜＋６０°回転し、更に、前記Ｘ軸の回転後の新軸（Ｙ´軸）を回転軸として、角度θy＝４０°〜５０°回転した上下面及び四方向の側面を有する薄板状の水晶基板１９を所定の形状に加工して形成されている。また、前記Ｙ軸の回転後の新軸であるＹ´軸に垂直な面となる圧電振動板１２の表面及び裏面には極性の異なる少なくとも一対の励振電極１７，１８（１７の裏面側）が対向して配置されている。なお、前記圧電振動板１２、支持アーム１３及びフレーム１４は、前記水晶基板１９を所定形状に打ち抜くことによって形成される。
【００２３】
前記圧電振動板１２は、幅縦の主振動を生じさせるように対向する一対の主振動辺１２ａ，１２ｂと、長さ縦の副振動を生じさせるように前記主振動辺１２ａ，１２ｂと直交する方向に対向する一対の副振動辺１２ｃ，１２ｄとによって四角形状に形成されている。前記主振動辺１２ａ，１２ｂと副振動辺１２ｃ，１２ｄとの辺比は、発振させる周波数によって異なる。また、圧電振動板１２の表面に第１励振電極１７、裏面に第２励振電極１８が形成され、それぞれの励振電極に対して逆位相の電圧をパッケージ１５に設けられている一対の端子電極１６からフレーム１４及び支持アーム１３を介して印加することで、前記主振動辺１２ａ，１２ｂ及び副振動辺１２ｃ，１２ｄが撓み変形して幅縦・長さ縦結合モードの振動が生じる。
【００２４】
前記支持アーム１３は、前記一方の主振動辺１２ｂとフレーム１４との間が連続した一つの経路によって弾性を有して結ばれた形状（片持ち梁）になっている。このような片持ち梁形状を有した支持アーム１３では、幅縦モードの主振動への影響を極力及ぼさないようにするため、圧電振動板１２との接続点Ｃは少なく且つ狭いほどよい。このため、本実施形態の圧電振動子１１は、支持アーム１３の接続点Ｃが圧電振動板１２の片方の主振動辺１２ｂ上に設けられる。前記接続点Ｃは、副振動の節となる主振動辺１２ｂの略中間位置に設定すると共に、不要振動を吸収するために、前記支持アーム１３は副振動方向に屈曲した部分を有するのが好ましい。
【００２５】
前記諸条件を満たすため、本実施形態の支持アーム１３は、主振動辺１２ｂと直交する方向に延びる第１アーム部２０ａと、該第１アーム部２０ａから第１の屈曲部１３ａを介して一方の主振動辺１２ｂと平行に延びる第２アーム部２０ｂと、該第２アーム部２０ｂから第２の屈曲部１３ｂを介して前記フレーム１４に向かって延びる第３アーム部２０ｃとによって形成される。前記第1アーム部２０ａ，第２アーム部２０ｂ，第３アーム部２０ｃは、略Ｌ字状に屈曲する一つの経路を構成している。
【００２６】
前記２つの屈曲部１３ａ，１３ｂの屈曲角度を略９０度にすることによって、圧電振動板１２とフレーム１４を繋ぐ支持アーム１３の全体の長さを短く設定したが、前記屈曲部１３ａ，１３ｂの屈曲角度を９０度より大きく設定することで、支持アーム１３の長さを調整することができる。
【００２７】
図２に示したように、前記フレーム１４は、圧電振動子１１をパッケージ１５に固定すると共に、前記支持アーム１３を介して圧電振動板１２の第１励振電極１７及び第２励振電極１８に電圧を印加するために設けられる。このフレーム１４も前記支持アーム１３の一部を構成するため、支持強度を保持しつつ、できるだけ軽量であることが望ましい。このため、本実施形態では、前記圧電振動板１２の上側の主振動辺１２ａを除いた三方向の振動辺１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを囲うようにコ字状に形成した。このフレーム１４は、前記支持アーム１３が接続されている部分から離れた縦辺１４ａをパッケージ１５内の端子電極１６に半田接続することによって、一方の縦辺１４ｃに接続されている支持アーム１３及び圧電振動板１２を浮かせた状態で支持することができる。
【００２８】
次に、図１及び図３に基づいて前記圧電振動子１１の強度と等価直列抵抗（Ｒ１）の低減化及び良好な周波数温度特性を得るための最良の実施形態を示す。図３は所定のカット角θxにおける容量比γの変化を圧電振動板１２の縦横の辺比に基づいてＦＥＭシミュレーションしたものである。ここでは、図１に示したように、圧電振動板１２における縦（主振動辺ＶＷ）と横（副振動辺ＶＬ）の辺比（ＶＷ／ＶＬ）、圧電振動板１２の重量（ＷＶ）と支持アーム１３の重量（ＷＥ）の重量比（ＷＥ／ＷＶ）、長さ縦モードを制御する支持アーム１３の幅及び長さ（Ｅｗ１、Ｅｌ１）の値を適切に選ぶ必要がある。特に、発振周波数が４ＭＨｚ以上の場合、ＶＷが小さくなり、強度を保とうとしてＥｗ１やＥｌ１を大きくすると、ＷＥ／ＷＶが大きくなり満足な特性が得られない。そこで、（ＷＥ／ＷＶ）＜＝０．２３となり、且つ、振動漏れが少なくなるようなＥｗ１やＥｌ１を設定して、支持アーム１３が屈曲するバネ性を持たせる。さらに、フレーム１４が圧電振動板１２を所定の間隙を隔して包囲しない(コの字)形状とし、Ｆｗ１とＦｌ１を適切な寸法として圧電振動子１１全体の強度を保持する。このように、フレーム１４自体にもバネ性を付与して長さ縦モードの周波数を制御することで、強度、等価直列抵抗及び周波数温度特性の諸条件を最も良好な状態とすることができる。
【００２９】
このシミュレーション結果によれば、上記形状による支持アーム１３を採用したことによって、（ＶＷ／ＶＬ）＝１．００〜０．９２の範囲で、容量比γ＝２５０〜４００となることが確認できた。特に、主振動の共振周波数が４ＭＨｚ以上になり、圧電振動板１２の小型化によって振動エネルギーが小さくなるような場合であっても、必要な耐衝撃性を確保しつつ、前記容量比を得ることが可能となった。
【００３０】
表１に従来の支持部形状による圧電振動子（従来形状１，２）と上記の本発明の実施形状（本実施形状）による圧電振動子の電気的特性を比較したものを示す。ここで、従来形状１の周波数Ｆ＝２．１ＭＨｚにおけるデータは公知の文献資料に基づく一般的な数値であり、従来形状２のデータは、従来形状１と同一形状の圧電振動子を試作し、Ｆ＝１２ＭＨｚで実験したときの値である。この結果から、従来形状２のように周波数を１２ＭＨｚに上げると、特に等価直列抵抗Ｒ１が極めて高い値となる。これに対して、本実施形状は、図１に示した圧電振動板１２において、（ＷＥ／ＷＶ）＜＝０．２３として試作し、Ｆ＝１２ＭＨｚで実験したときの値である。この実験データから本実施形状は、圧電振動子の特性に最も影響を及ぼす容量比γと等価直列抵抗Ｒ１の値が従来形状１の２．１ＭＨｚ及び従来形状２の１２ＭＨｚでの値よりも低くなり、良好な電気的特性が得られることが分かる。
【００３１】
【表１】
0005779354.tif 000002
【００３２】
上記シミュレーション及び電気的特性データの結果として、支持アーム１３の形状を図１のような形状とすれば、十分な強度を保つことのできる支持アーム１３の幅、太さで圧電振動板１２とフレーム１４を接続しつつ、副振動となる長さ縦モードの振動周波数を容易に変化させることにより、幅縦モードと長さ縦モードの結合度合いを制御することができる。そして、圧電振動板１２を最適な結合状態で振動させることができた時、すなわち、最も、振動効率が良い状態のとき、容量比は最小となり、良好な電気的特性を得ることが可能となる。
【００３３】
図４は、第２実施形態の圧電振動子２１の平面形状を示したものである。この圧電振動子２１は、幅縦・長さ縦結合モードの振動を発生させるための四角形状の圧電振動板２２と、この圧電振動板２２の一方の主振動辺２２ａから外方向に２つの屈曲部（２５ａ，２５ｂ）を有して一つの経路を構成する支持アーム２５と、前記圧電振動板２２の他方の主振動辺２２ｂから外方向に２つの屈曲部（２３ａ，２３ｂ）を有して一つの経路を構成する支持アーム２３と、これら一対の支持アーム２３，２５を保持するフレーム２４とを備えて一体形成されている。第１実施形態の圧電振動子１１との違いは、圧電振動板２２を挟んでミラー対称形となるように設けられる２本の支持アーム２３，２５によって圧電振動板２２を支持していることである。このように、２本の支持アーム２３，２５によって支持されるため、圧電振動板２２を安定した状態で振動させることができる。また、前記支持アーム２３，２５それぞれが圧電振動板２２の主振動辺２２ａ，２２ｂを二分する中間位置に接続されることで、主振動に影響を及ぼすことなく、副振動を有効に抑えることができる。
【００３４】
図５，図６，図１０は、上記第２実施形態の圧電振動子２１の第１乃至第３の変形例を示したものである。図５に示した第１変形例の圧電振動子３１における支持アーム３３，３５は、圧電振動板３２の一対の主振動辺３２ａ，３２ｂからそれぞれＶ字状に屈曲した一つの経路を経てフレーム３４に接続されている。この支持アーム３３，３５は、それぞれ３つの屈曲部（３３ａ〜３３ｃ）、（３５ａ〜３５ｃ）を有して形成されている。
【００３５】
図６に示した第２変形例の圧電振動子４１における支持アーム４３，４５は、圧電振動板４２の一対の主振動辺４２ａ，４２ｂからそれぞれコ字状に延びる一つの経路を経てフレーム４４に接続されている。前記それぞれの経路上には、４つの屈曲部（４３ａ〜４３ｄ）、（４５ａ〜４５ｄ）を有している。
【００３６】
図７は、従来の支持アーム形状（単純梁モデル）による圧電振動子と図６に示した本発明の支持アーム形状（片持ち梁モデル）による圧電振動子４１の形状寸法を示したものである。次に、単純梁モデルと片持ち梁モデルの電気的特性の違いを図８，図９に基づいて説明する。
【００３７】
図８は、カット角θによる主振動と副振動の周波数差δの変化を示したものであり、図９は、カット角θによる１次温度係数αの変化を示したものである。このグラフによるＦＥＭ解析は、片持ち梁モデル及び単純梁モデル共に、水晶の厚みが５μｍ、Ａｕによる電極厚みが５００Åの条件で行った。
【００３８】
図９に示されるように、従来の単純梁モデルは、どのカット角においてもα≒０とすることはできない。しかしながら、本発明の片持ち梁モデルとすれば、α＞となるカット角が存在し、α≒０にすることが可能となる。このとき、図８に示した主振動と副振動の周波数差を見ると、片持ち梁モデルの方が主振動と副振動の周波数差が小さいことがわかる。このように、支持アーム形状の違いによって主振動と副振動の周波数差が異なるため、結果として温度特性に違いを生じることとなる。
【００３９】
本解析条件に限定すれば、少なくとも、δ＝８．８％程度にしなければならないが、従来の単純梁モデルでは不可能である。図７（ａ）に示した単純梁モデルを前提に寸法設計を行なうとすれば、支持アームを軽くするために、非常に細くしなければならない。一般的に、幅縦・長さ縦結合振動子は水晶厚みに対する電極膜厚の比率(Ａｕ/X'tal)が大きくなると、αの値はマイナスになる。通常、周波数調整範囲を広げるため、Ａｕ膜厚は１０００Å程度とする場合が多いが、比率(Ａｕ/X'tal)が大きくなるので、さらにδを小さくする必要が生じ、支持アームもさらに細く加工する必要がある。
【００４０】
図７（ａ）に示した従来の単純梁モデルにおける最大たわみδ１は、一般的に次式によって表わされる。
δ１＝Ｐ１*Ｌ１＾３／（４８*Ｅ１*Ｉ１）
ここで、
Ｐ１：応力
Ｌ１：梁の長さ
Ｅ１：ヤング率
Ｉ１：断面２次モーメント
【００４１】
これに対して、図７（ｂ）に示した本発明の片持ち梁モデルにおける最大たわみδ２は次式によって表わされる。
δ２＝Ｐ２*Ｌ２＾３／（３*Ｅ２*Ｉ２）
ここで、
Ｐ２：応力
Ｌ２：梁の長さ
Ｅ２：ヤング率
Ｉ２：断面２次モーメント
【００４２】
ある周波数の副振動モードを抑制して最適な温度特性を得ようとしたときに、支持アームの梁部分を考慮すると、以下のことが言える。
【００４３】
支持アームの梁部分の幅、断面形状（Ｅ１＝Ｅ２，Ｉ１＝Ｉ２）が同じとき、同じ撓み量を得ようとするには、Ｐ１＝Ｐ２であるため、Ｌ１＾３＝１６*Ｌ２＾３となる。すなわち、単純梁モデルにおける梁の長さＬ１は、片持ち梁モデルにおける梁の長さＬ２の約２．５１９８(１６の三乗根)倍必要となる。換言すれば、同じ撓み量を得るには、片持ち梁モデルは単純梁モデルより約２．５倍軽くなることになる。前述の通り、副振動周波数を減少させる要因には、錘の効果がある。また、錘の効果は振動板と錘(支持アーム)の重量比で決まる。
【００４４】
次に、振動エネルギーの観点から幅縦モードの周波数が高い場合について考察する。周波数が高くなると振動板が小さく、軽くなる。これによって、振動エネルギーは小さくなり、振幅も小さくなる。このように、振動板が小さく、周波数が高くなることによって振動エネルギーが小さい長さ縦モードは、振動板が大きく、周波数が低くなることによって振動エネルギーが大きい場合と比較して、幅縦モードとの結合が厳しくなる。したがって、十分な結合状態を得るためには、幅縦モードの周波数に長さ縦モードの周波数を近づける必要がある。すなわち、幅縦モードの周波数が上がると、結合させる長さ縦モードの周波数は幅縦モードの周波数に近づける必要がある。
【００４５】
従来の単純梁モデルのように、軽い振動板(周波数の高い振動板)に対して、重い(太くて、長い)梁からなる支持アームを構成してしまうと、錘の効果で副振動長さ縦モードの周波数が下がり過ぎて、主振動幅縦モードの周波数に近づけることができずに、主振動の周波数温度特性が最適となるように調節することができない。また、小型化の点でも同様なことがいえ、単純梁モデルは、片持ち梁モデルと比較して梁の長さが約２．５倍長くなり、小型化の点でも不利である。
【００４６】
以上の点から、本実施形態の片持ち梁モデルは、周波数の高い振動板の支持アームを構成する上で、重量、小型化の点で単純梁モデルよりも有利となる。
【００４７】
図１０に示した圧電振動子５１における支持アーム５３，５５は、圧電振動板５２の一対の主振動辺５２ａ，５２ｂからそれぞれ６つの屈曲部（５３ａ〜５３ｆ）、（５５ａ〜５５ｆ）を有しながら一つのＳ字状に延びる経路を経てフレーム５４に接続されている。
【００４８】
上記図４乃至図６、図１０に示した圧電振動子２１，３１，４１，５１は、圧電振動板の形状やサイズが共通であれば、支持アームの屈曲部が多くなるにしたがってバネ性が高くなるので、長さ縦モードによる副振動を拡散させる効果が大きくなる。
【００４９】
図１１は高次の幅縦・長さ縦モードの圧電振動板７２を備えた圧電振動子７１を示したものである。前記圧電振動板７２は、複数の小励振電極面７７ａ，７７ｂによる小振動部がマトリクス状に配列されたものであり、極性の異なる小励振電極面７７ａ，７７ｂが縦横方向に隣接するように配置されている。図１１に示した圧電振動板７２は、５×５面の小振動部によって構成されている。このような高次の幅縦・長さ縦モードを備えた圧電振動板７２にあっても、一対の主振動辺７２ａ，７２ｂの中間に位置する接続点からコ字状に屈曲する一つの経路を有して延びる一対の支持アーム７３，７５を介してフレーム７４に連結することで、高次の長さ縦による副振動を抑えることができる。
【００５０】
図１２及び図１３は３つ以上の支持アームによって圧電振動板を支持する構造を示したものである。図１２は幅縦方向に２面の励振電極８７ａ，８７ｂを有する圧電振動板８２と、前記励振電極８７ａが形成されている振動領域の両主振動辺を支持する一対の支持アーム７３，７５及び励振電極８７ｂが形成されている振動領域の片方の主振動辺を支持する支持アーム７６と、この３つの支持アーム７３，７５，７６が連結されるフレーム７４とを有して構成されている。また、図１３は幅縦モードの振動方向に３面の励振電極９７ａ，９７ｂ，９７ｃを有する圧電振動板９２と、前記励振電極９７ａが形成されている振動領域の両主振動辺を一つの経路を有して支持する一対の支持アーム９３，９５と、前記励振電極９７ｃが形成されている振動領域の両主振動辺を一つの経路を有して支持する一対の支持アーム９６，９９と、これらの４つの支持アーム９３，９５，９６，９９が連結されるフレーム９４とを有して構成されている。このように、複数の励振電極による振動部が複数形成される圧電振動板９２にあっては、それぞれ一つの経路を有した３つ以上の支持アームを介して弾性的に支持することで、長さ縦モードによる副振動を抑えると共に、幅縦モードの主振動を安定させることができる。
【００５１】
なお、図１１乃至図１４に示した支持アームは、４つの屈曲部を有したコ字状となっているが、２つの屈曲部を有するＬ字状、３つの屈曲部を有するＶ字状、６つの屈曲部を有するＳ字状とすることもできる。
【００５２】
図１４及び図１５は、３面の励振電極１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃによる振動部が幅縦モードの振動方向に形成されている圧電振動板１０２を支持するフレームの構成例を示したものである。なお、支持アーム１０３，１０５は共通で、それぞれ一つの経路上に４つの屈曲部を有したコ字状に形成されている。図１４に示したフレーム１０４は、一対の支持アーム１０３，１０５から圧電振動板１０２の主振動辺１０２ａ，１０２ｂに沿って直線状に延びる一対の脚部１０４ａ，１０４ｂと、この一対の脚部１０４ａ，１０４ｂが連結される基部１０４ｃとで構成されている。前記脚部１０４ａ，１０４ｂは、支持アーム１０３，１０５や基部１０４ｃに比べて幅を狭くして形成される。
【００５３】
図１５に示したフレーム１１４は、一対の支持アーム１０３，１０５からそれぞれ延びる一対の脚部１１４ａ，１１４ｂを有し、この脚部１１４ａ，１１４ｂが３つの屈曲部を有してＶ字状に蛇行して形成されている。前記フレーム１１４は、パッケージ１１５内に配置されている一対の端子電極１１７上に基部１１４ｃの両端を載せて、導電性接着剤やハンダバンプなどの導電接合部材１１６によって電気的に接合することで、各励振電極に所定の電圧を供給することができると共に、圧電振動板１０２を浮かせた状態で保持することができる。
【００５４】
前記図１４に示した脚部１０４ａ，１０４ｂ及び図１５に示した脚部１１４ａ，１１４ｂは、幅狭あるいはＵ字状に蛇行させているため、十分なバネ性を備える。このバネ性によって、圧電振動板１０２に発生する長さ縦モードの副振動を有効に吸収することができる。したがって、フレームにおいても前記支持アームと同様に幅寸法や形状を変えることで副振動を抑制する効果が得られる。
【００５５】
上記各実施形態の圧電振動子は、セラミック等のパッケージ内の端子電極にフレームの一端を電気的に接続することによって片持ち支持され、電子ビーム封止や真空シーム溶接、ガラス封止、ＡｕＳｎ封止などで蓋をして、真空度が１．０×１０Ｐａ以下で密閉封止される。
【００５６】
図１６に示す圧電振動子１２１は、図１４に示した圧電振動子１０１を基本として、各構成部分の一部の幅又は厚みを調整して形成したものである。この圧電振動子１２１は、支持アーム１２３，１２５の一部（１２３ａ，１２５ａ）の厚み方向の面積比を減少すると共に、フレーム１２４の脚部１２４ａ，１２４ｂの幅方向及び厚み方向の面積比を減少させて形成したものである。このように、幅方向及び厚み方向のいずれか一方あるいは両方を減じることによって、周波数温度特性をさらに改善させることが可能となる。また、圧電振動板１２２については、縁部を厚めに形成し、励振電極１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃが形成される表面を凹設することによって、３面の振動部を除く圧電振動板１２２の縁部自体が錘の役割を果たす。これによって、長さ縦モードによる副振動を抑えることもできる。さらに、前記圧電振動板１２２を凹設した内壁面や底面に沿って励振電極１２７ａ，１２７ｂ，１２７ｃを形成することができるので、励振電極の有効面積が増え、振動特性の改善も図られるといった効果が得られる。
【符号の説明】
【００５７】
Ｃ  接続点
１１  圧電振動子
１２  圧電振動板
１２ａ，１２ｂ  主振動辺
１２ｃ，１２ｄ  副振動辺
１３  支持アーム
１３ａ，１３ｂ  屈曲部
１４  フレーム
１５  パッケージ
１６  端子電極
１７  第１励振電極
１８  第２励振電極
１９  水晶基板
２０ａ  第１アーム部
２０ｂ  第２アーム部
２０ｃ  第３アーム部
【図１】
0005779354.tif 000003
【図２】
0005779354.tif 000004
【図３】
0005779354.tif 000005
【図４】
0005779354.tif 000006
【図５】
0005779354.tif 000007
【図６】
0005779354.tif 000008
【図７】
0005779354.tif 000009
【図８】
0005779354.tif 000010
【図９】
0005779354.tif 000011
【図１０】
0005779354.tif 000012
【図１１】
0005779354.tif 000013
【図１２】
0005779354.tif 000014
【図１３】
0005779354.tif 000015
【図１４】
0005779354.tif 000016
【図１５】
0005779354.tif 000017
【図１６】
0005779354.tif 000018
【図１７】
0005779354.tif 000019