(57)【要約】【課題】晶系３２の回転Ｙ板である矩形の厚みすべり振動片を備えた圧電振動子について、輪郭すべり振動によるスプリアスを抑えることのできる圧電振動子を提供すること。【解決手段】電極を、振動片の表面にＺ´軸方向の中心線に対して対称に形成すると共に振動片に発生する輪郭すべり振動の３次以上の奇数次数であるｎ次の振動に基づく誘起電荷を打ち消す形状に作成する。Ｚ´軸方向に沿った長さが前記振動片のＺ´軸方向の長さの２ｍ（ｍは自然数）／ｎ[ただし２ｍ／ｎ＜１]である矩形領域を備えている構成としてもよいが、Ｚ´軸に沿った電荷分布がcosで表されることから、Ｘ軸方向に沿った外縁形状をcos形状とすることが好ましい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚ´軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺、Ｙ´軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片と、この振動片の表面に前記一辺の中心線に対して対称に形成された電極と、を備え、
前記電極は、前記振動片に発生する輪郭すべり振動の３次以上の奇数次数であるｎ次の振動に基づく誘起電荷を打ち消すために、前記一辺に沿った長さが前記振動片の一辺の２ｍ（ｍは自然数）／ｎ[ただし２ｍ／ｎ＜１]である矩形領域を備えていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記ｎ次の振動は５次以上の振動であり、
前記電極は、前記一辺に沿った長さが前記振動片の一辺の２ｍ／ｎを満たしかつ前記一辺に沿った長さが互いに異なる複数の矩形領域を備え、
これら矩形領域の前記他辺に沿った長さが、５次以外の奇数次数の振動に基づく誘起電荷を打ち消すように設定されていることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
【請求項３】
Ｚ´軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺、Ｙ´軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片と、この振動片の表面に前記一辺の中心線に対して対称に形成された電極と、を備え、
前記電極は、前記振動片に発生する輪郭すべり振動の５次以上の奇数次数の中から選択された特定の奇数次数の振動に基づく誘起電荷の全部あるいは大部分を打ち消すように、前記一辺に沿った長さが第１の値である矩形領域と前記一辺に沿った長さが当該第１の値よりも大きい第２の値を備えた矩形領域と、を備え、
これら矩形領域の前記他辺に沿った長さが、前記特定の奇数次数以外の奇数次数の振動に基づく誘起電荷の全部あるいは大部分を打ち消すように設定されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
Ｚ´軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺、Ｙ´軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片と、この振動片の表面に前記一辺の中心線に対して対称に形成された電極と、を備え、
前記電極は、Ｘ軸方向の中央部からＸ軸方向の両端部に向かって徐々にＺ´軸方向の寸法が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項５】
Ｚ´軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺、Ｙ´軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片と、この振動片の表面に前記一辺の中心線に対して対称に形成された電極と、を備え、
前記電極は、Ｘ軸方向の一端部からＸ軸方向の他端部に向かって徐々にＺ´軸方向の寸法が小さくなる形状に形成されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項６】
前記電極におけるＺ´軸方向に沿った外縁形状はcos形状であることを特徴とする請求項４または５記載の圧電振動子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片例えばＡＴカットなどの水晶片を備えた圧電振動子について、輪郭すべり振動によるスプリアスを抑えるための電極形状に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動片の中で晶系３２に属する（点群３２に属する）材料としては、水晶、ＧａＰＯ４  （リン酸ガリウム）、ランガサイト系（ＬＧＳ、ＬＧＮ、ＬＧＴ）、水晶などが知られており、この種の圧電振動片の回転Ｙ板例えば水晶の回転Ｙ板は厚みすべり振動及び輪郭すべり振動が共に振動される。厚みすべり振動を利用した圧電振動片としてはＡＴカット、ＢＴカットのものが、また輪郭すべり振動を利用した圧電振動片としてはＣＴカット、ＤＴカットのものが実用化されており、いずれも温度特性が優れている。厚みすべり振動と輪郭すべり振動とはお互いに結合して温度特性などを乱すが、振動片の端面を所定の角度に傾斜させることにより両振動の結合をなくすことができる。
【０００３】
しかしながら圧電的には依然として輪郭すべり振動が励振されるため、振動片に電極を形成するとこの振動により誘起される電荷を補足してその振動に対応するノイズを拾う。この副振動は例えば主振動が１０ＭＨｚとすると５００ｋＨｚ程度と小さいが、輪郭すべり振動にもｎ次モードの振動が含まれるため、その振動に誘起される電荷分布を電極が拾うことにより、結局すべり振動に基づく高調波が発生して主振動の近傍のスプリアスになってしまい、周波数ジャンプが起こってしまう。現状では、輪郭すべり振動の影響を回避するために水晶片の形状、寸法などに大きな制限があり、設計の自由度が小さいという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、矩形の厚みすべり振動片を備えた圧電振動子について、輪郭すべり振動によるスプリアスを抑えることのできる圧電振動子を提供することを目的とする。また本発明の他の目的はこのような圧電振動子を備えた発振回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、Ｚ´軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺、Ｙ´軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚みすべり振動片と、この振動片の表面に前記一辺の中心線に対して対称に形成された電極と、を備えた圧電振動子を対象とし、以下の特徴を有している。前記電極は、前記振動片に発生する輪郭すべり振動の３次以上の奇数次数であるｎ次の振動に基づく誘起電荷を打ち消すために、前記一辺に沿った長さが前記振動片の一辺の２ｍ（ｍは自然数）／ｎ[ただし２ｍ／ｎ＜１]である矩形領域を備えている。この場合、例えば前記ｎ次の振動は５次以上の振動であり、前記電極は、前記一辺に沿った長さが前記振動片の一辺の２ｍ／ｎを満たしかつ前記一辺に沿った長さが互いに異なる複数の矩形領域を備え、これら矩形領域の前記他辺に沿った長さが、５次以外の奇数次数の振動に基づく誘起電荷を打ち消すように設定されている構成としてもよい。
【０００６】
また前記電極は、前記振動片に発生する輪郭すべり振動の５次以上の奇数次数の中から選択された特定の奇数次数の振動に基づく誘起電荷の全部あるいは大部分を打ち消すように、前記一辺に沿った長さが第１の値である矩形領域と前記一辺に沿った長さが当該第１の値よりも大きい第２の値を備えた矩形領域と、を備え、これら矩形領域の前記他辺に沿った長さが、前記特定の奇数次数以外の奇数次数の振動に基づく誘起電荷の全部あるいは大部分を打ち消すように設定されている構成としてもよい。
【０００７】
また前記電極は、Ｘ軸方向の中央部からＸ軸方向の両端部に向かって徐々にＺ´軸方向の寸法が小さくなる形状に形成されている構成としてもよいし、あるいはＸ軸方向の一端部からＸ軸方向の他端部に向かって徐々にＺ´軸方向の寸法が小さくなる形状に形成されている構成としてもよい。この場合、前記電極におけるＺ´軸方向に沿った外縁形状はcos形状であることが好ましい。  
また本発明の発振回路は、上記の圧電振動子を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、輪郭すべり振動のｎ次モードの振動に基づいて振動片に誘起される正電荷と負電荷とが相殺されるように電極の形状が設定されているので、輪郭すべり振動に基づくスプリアスを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
[第１の実施の形態]
図１は本発明の実施の形態に使用される厚みすべり振動片である、回転Ｙ板の水晶片１を示す図であり、この水晶片１例えばＡＴカットの水晶片は、Ｘ軸が長辺（特許請求の範囲の他辺に相当）、Ｙ´軸が厚み方向、Ｚ´軸が短辺（特許請求の範囲の一辺に相当）である矩形状に構成されている。なおＸ軸とは水晶の結晶軸のＸ軸であり、Ｙ´軸及びＺ´軸は、水晶片を切り出すときの板の切り出し方向に相当する。例えばＡＴカットの水晶片であれば、Ｙ´軸及びＺ´軸は結晶軸のＹ軸及びＺ軸から夫々３５度傾いた軸に相当する。
【００１０】
この実施の形態の説明においては、長辺方向の長さを奥行き、短辺方向の長さを横幅と呼ぶことにする。前記水晶片１は、厚みすべり振動に対しては誘起電荷が上下両面においてほぼ一様であるが、輪郭すべり振動に対しては誘起電荷が横幅の中央をピークとして左右対称に正弦波形状の分布として広がっている。図２はこの様子を示す図であり、図２（ａ）は輪郭すべり振動の１倍波に対応する誘起電荷の分布を示している。また図２（ｂ）、（ｃ）は輪郭すべり振動の３倍波及び５倍波に夫々対応する誘起電荷の分布を示している。
【００１１】
図３（ａ）〜（ｃ）は夫々図２（ａ）〜（ｃ）の電荷分布を二次元的に記載すると共に電荷の符号を水晶片１の横幅の位置と対応付けて示したものである。輪郭すべり振動のｎ倍波に起因して誘起された電荷量（以下ｎ次の電荷量という）であって、水晶片１の横幅方向における電荷量をｆ（ｚ）とすると、ｆ（ｚ）は（１）式で表される。
ｆ（ｚ）＝cos｛ｎ・（π／２）・ｚ｝    ‥‥（１）
ただし水晶片１の横幅の中点の座標位置を０とし、左端及び右端の座標位置を夫々−１及び１として横幅の寸法を規格化している。従ってｚは横幅方向つまりｚ軸方向におけるｚ座標位置ということになる。なおこのｚは、水晶片１の奥行き方向、厚さ方向及び横幅方向に夫々伸びる軸をｘ軸、ｙ軸及びｚ軸としたときのｘｙｚ座標系における座標位置である。
【００１２】
ここで水晶片１のＺ´軸方向つまりｚ方向の両端の座標位置を−ｃ及びｃとすれば、ｚ／ｃをｚｎとしたときに、ｚ座標位置がｚｎ  に相当するときの電荷量ｆ（ｚｎ）は、ｆ（ｚｎ）＝cos｛ｎ・（π／２）・ｚｎ｝として表されることになる。本発明では電極の寸法を規定するにあたって、水晶片１の寸法に対する比が問題になることから、水晶片１の短辺の左端及び右端の座標位置を夫々−１及び１として取り扱っても、得られる結果には何ら影響を及ぼさないことから、このように取り扱って説明を進める。そしてこの場合、電極の左端及び右端の座標位置を夫々−ｚｎ  及びｚｎ  で表すこととする。
【００１３】
水晶片１の両面に電極を形成する場合、この電極により誘起された電荷が捕捉されて出力波形に乗ることから、本発明では電極により捕捉された正電荷と負電荷とが打ち消されるように、電極の形状を決定することとしている。水晶片１におけるｚ位置の電荷量は（１）式で表されることから、電極が補足する電荷量は、（２）式で表されることになる。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
従って電極が捕捉する電荷量がゼロになるｚｎの値は、（２）式の右辺がゼロになる値であるから２ｍ／ｎとなる。ただしｍは自然数であり、２ｍ／ｎは１以下の値である。２ｍ／ｎが１より大きいということは、電極の横幅が水晶片１の横幅よりも大きくなってしまうからである。またｎが１のときには前記電荷量を消去できないので、ｎが３以上の奇数のときに、ｚｎ  を２ｍ／ｎに設定することにより、電極が捕捉する電荷量がゼロになる。
【００１６】
図４はｎが３のときつまり３次のときの電荷量がゼロになる電極２の構成を示している。この場合、ｍは２であり、ｚｎ  は２／３となる。また図５（ａ）、（ｂ）は、ｎが５のときつまり５次のときの電荷量がゼロになる電極２の構成を示している。この場合、ｍは２または４であり、ｚｎ  は２／５または４／５となる。図では示していないが、７次以上の電荷量においても同様である。
このような実施の形態によれば、水晶片１に輪郭すべり振動が発生しても、電極２の寸法に対応するｎ倍波の高調波を消去あるいは抑制することができ、この高調波に基づくスプリアスを抑制することができる。
【００１７】
[第２の実施の形態]
この実施の形態は、互いに異なる二つの次数の振動に基づく誘起電荷を消去しようとするものであり、図６では３次と５次との各々の振動に基づく誘起電荷を消去する例を示している。５次の振動に基づく誘起電荷を消去するためには、既述のように電極２のＺ´軸方向の座標位置であるｚｎの値を２／５と４／５との２通り存在するが、ここではこの２通りの寸法の電極２を形成する。ｚｎの値が２／５である矩形領域をＳ１とし、ｚｎの値が４／５である矩形領域をＳ２とする。この場合、矩形領域Ｓ２のＸ軸方向両側に矩形領域Ｓ１が存在し、矩形領域Ｓ１及びＳ２の横幅は、夫々特許請求の範囲でいう第１の値及び第２の値に相当する。
【００１８】
これら矩形領域Ｓ１及びＳ２の一方だけでは、５次以外の振動に基づく誘起電荷は消去できないが、矩形領域Ｓ１及びＳ２の両方を形成しかつこれらのＸ軸方向の長さを調整することにより、即ち矩形領域Ｓ１のＸ軸方向の長さである奥行きａと矩形領域Ｓ２のＸ軸方向の長さである奥行きｂとの比率を調整することにより、５次以外の次数の振動に基づく誘起電荷を消去することができる。
先ず（ｎ＋２）次の誘起電荷を消去するために２通りの電極の矩形領域を形成したとすると、それらの矩形領域のｚｎの値は、２ｍ／（ｎ＋２）と、２（ｍ＋１）／（ｎ＋２）であり、ｎが３であれば既述のように２／５と４／５となる。
【００１９】
図６では５次の場合の数値を記載してあるが、これら矩形領域Ｓ１、Ｓ２において、夫々ｚｎの値が一般値として２ｍ／（ｎ＋２）及び２（ｍ＋１）／（ｎ＋２）であるとすると、矩形領域Ｓ１及びＳ２における電荷量は、夫々（３）式及び（４）式により表され、それらの電荷量の合計は（５）式で表される。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
ただし２ｍ／（ｎ＋２）をＡと置き換え、２（ｍ＋１）／（ｎ＋２）をＢと置き換えている。そしてｎ次誘起電荷を消去するためには、これら矩形領域Ｓ１及びＳ２における電荷量の合計がゼロになるときであるから（５）式の右辺がゼロになるａとｂとの比率を求め、その比率となるように電極２の形状を設定すればよいことになる。３次と５次との各々の振動に基づく誘起電荷を消去する場合には、ｎ＝３であり、ｍ＝１のときのみであるから、ａ：ｂ＝０．５８８：１．９０となる。
【００２２】
また（５）式を用いれば、５次及び７次の振動に基づく誘起電荷を消去することもでき、７次及び９次の各々の振動に基づく誘起電荷を消去することもできる。
このような実施の形態によれば、水晶片１に輪郭すべり振動が発生しても、電極２の寸法に対応するｎ倍波及び（ｎ＋２）倍波の高調波を消去あるいは抑制することができる。
【００２３】
[第３の実施の形態]
第１の実施の形態にて述べたように、ｚ座標位置がｚｎ  に相当するときの電荷量ｆ（ｚｎ）は、ｆ（ｚｎ）＝cos｛ｎ・（π／２）・ｚｎ｝として表されるので、三角関数の直交性から、ｎ＝１以外ではｆ（ｚｎ）にcos｛（π／２）・ｚｎ｝を掛けるとゼロになり、従って（６）式が成り立つ。
【００２４】
【数３】
2008294852.tif 000005
【００２５】
このことは、図７（ａ）に示すように電極２の長辺の中点を通る中心軸Ｌの両側にcos形状の外縁を形成するように電極２を形成することにより、全ての次数の電荷を消去できることを意味している。なお前記cos形状は、短辺における中点をゼロとしたときにこのゼロの位置においてピーク値をとり、また短辺の両端座標位置を−１及び１として規格化した位置においてゼロになるように形成される。
【００２６】
また電極２のｚ軸方向の外縁形状は、図７（ｂ）に示すようにcos形状のうち図中下半分あるいは上半分の形状であっても、即ち図７（ａ）に示す形状を図中上下に半分に割った形状であっても同様の効果が得られる。更にまた電極２のｚ軸方向の外縁形状は、cos形状でなくとも、ｚ軸方向の中点において膨らんでおり、ｚ軸方向の端部側に向かうにつれて奥行きの寸法（ｘ軸方向の寸法）が小さくなる形状例えば木の葉形状であっても、各次数の電荷の大部分を消去することができるのであれば採用することができる。
【００２７】
なお本発明では、輪郭すべり振動に基づくスプリアスの低減効果が得られるのであれば、電極の寸法については第１及び第２の実施の形態のような計算値どおりの値でなくても、輪郭すべり振動に基づく誘起電荷を概ね消去できる値であればよい。  
更に本発明は、上述の圧電振動子例えば水晶振動子を用いた発振回路についても権利範囲が及ぶものであり、その発振回路としては、例えば水晶振動子をパッケージ内に密封して水晶振動子部品とし、この部品を基板に搭載して構成したものなどを挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態で用いる厚みすべり振動片の概観を示す斜視図である。
【図２】厚みすべり振動片に発生する輪郭すべり振動に基づく基本波、３倍高調波、５倍高調波を振動片と対応させて立体的に示す説明図である。
【図３】前記輪郭すべり振動に基づく基本波、３倍高調波および５倍高調波を示す説明図である
【図４】前記輪郭すべり振動に基づく３倍高調波とこの高調波による電荷を消去するための電極形状とを対応させて示す説明図である。
【図５】前記輪郭すべり振動に基づく５倍高調波とこの高調波による電荷を消去するための２通りの電極形状とを対応させて示す説明図である。
【図６】前記輪郭すべり振動に基づく３倍高調波及び５倍高調波による電荷を消去するための電極形状を示す説明図である。
【図７】前記輪郭すべり振動に基づく全ての高調波による電荷を消去するための電極形状を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    水晶片
２    電極
【図１】
2008294852.tif 000006
【図２】
2008294852.tif 000007
【図３】
2008294852.tif 000008
【図４】
2008294852.tif 000009
【図５】
2008294852.tif 000010
【図６】
2008294852.tif 000011
【図７】
2008294852.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年6月4日(2007.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
【数１】
2008294852.tif 000013
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
【数２】
2008294852.tif 000014
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
【数３】
2008294852.tif 000015
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008294852.tif 000016
【図２】
2008294852.tif 000017
【図３】
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【図４】
2008294852.tif 000019
【図５】
2008294852.tif 000020
【図６】
2008294852.tif 000021
【図７】
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