(57)【要約】【課題】  超小型化した場合でも、不要モードの影響を極力排除した、良好な特性の厚み系水晶振動子を提供する。【解決手段】  水晶振動板は厚肉部１１と段差部１２を有する構成であり、厚肉部１１はＸ軸方向の中央部分であって、Ｚ軸方向全体に渡って形成されている。また段差部１２は厚肉部１１の外側にＺ軸方向全体に渡って形成されている。このような構成により、平面で見て矩形状の厚肉部１１と当該厚肉部のＸ軸方向外側であって、厚さ方向の中央部分に平面で見て矩形状の段差部が形成された構成となっている。厚肉部１１の表裏には励振電極２，３が形成されている。励振電極２，３は前記厚肉部のＸ軸方向（短辺方向）全体であって、Ｚ軸方向（長辺方向）の中央部分に矩形形状に形成されている。水晶振動板はそのＺ軸方向（長辺方向）の両端部が支持され、電気的機械的に接続が行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶の結晶軸Ｘ軸とＹ軸とＺ軸を有し、Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺を有するＡＴカット矩形水晶振動板の前記長辺の両端を支持した厚み系水晶振動子であって、
Ｚ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されていることを特徴とする厚み系水晶振動子。
【請求項２】
前記段差部は中央部の厚さの６％〜２０％であることを特徴とする請求項１記載の厚み系水晶振動子。
【請求項３】
前記段差部の構成は、ウェットエッチングにより形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の厚み系水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に用いられる厚み系水晶振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子において不要モードの抑制は所望の特性を確保するために重要である。この不要モードは主振動以外の他の振動モードあるいは高調波振動モード等からなるが、このような不要モードの抑制を目途として、メサ型構成が開示されている。このような構成例を特開２００８−２６３３８７号に示す。本構成では、圧電振動板の板面に周辺部よりも厚み寸法の大きい振動部を形成したメサ型の圧電振動板が開示され、当該圧電振動板はその一辺が保持された片保持構成が採用されている。
【０００３】
また圧電振動板の対向する辺の両端部でベースに保持する構成が特開２００６−３３４１３号に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２６３３８７号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００６−３３４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の水晶振動子の超小型に伴って上述の不要モードの抑制は、特に重要になっており、例えば上述のメサ型構成による対応以外に支持構成も重要になる。特許文献１においては、片保持構成であるため、全体として非対称構成の支持形態となっており、これに起因して不要モードの発生することがあった。
【０００７】
特許文献２は両保持構成であるので対称構成の支持形態であり、この点においては、不要モード抑制に関して有効であるが、水晶振動子が超小型化した場合は、平板構成であるため不要モードの生じる可能性があった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、超小型化した場合でも、不要モードの影響を極力排除した、良好な特性の厚み系水晶振動子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】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載したように、水晶の結晶軸Ｘ軸とＹ軸とＺ軸を有し、Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺を有するＡＴカット矩形水晶振動板の前記長辺の両端を支持した厚み系水晶振動子であって、Ｚ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
上記構成であれば、水晶振動板の前記長辺の両端を支持した構成で、Ｚ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されている構成であり、水晶振動板の支持を含めて対称性が確保されているので、従来例で生じていた非対称構成に基づく不要振動モードの発生を極力抑制することができる。
【００１１】
また特許文献１に記載された構成ではメサ型圧電振動片の例として、ＡＴカット水晶片が用いられている。このような水晶片は、水晶の結晶軸Ｘ軸とＹ軸とＺ軸を有し、Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺、Ｙ軸方向に厚みを有する構成であり、これをエッチングにより中央部分に厚肉を形成したメサ型構成の場合、水晶の結晶異方性により図６に示すように、厚肉部のＺ軸方向の一端面にエッジ部７１が形成される。このようなエッジ部７１の形成は前述の非対称性を形成することになり、不要モード発生の原因となることがあるが、上述のようにＸ軸方向全体に渡って端部の長さが中央部の厚さより薄肉に形成されている構成により、このような非対称性に起因する不要モードを抑制することができる。
【００１２】
また請求項２に示すように、前記段差部は中央部の厚さの６％〜２０％であることを特徴とする構成としてもよい。このような構成により、不要モードを効率よく抑制することができ、特性の良好な厚み系水晶振動子を得ることができる。
【００１３】
さらに請求項３に示すように、前記端部における前記段差部の構成は、ウェットエッチングにより形成されたことを特徴とする構成としてもよい。エッチングにより厚肉部のＺ軸端面にエッジ部が形成され、このようなエッジ部の形成は前述の非対称性を形成することになり、不要モードが生じることがあるが、上述のようにＸ軸方向全体に渡って端部の長さが中央部の厚さより薄肉に形成されている構成により、このような非対称性に起因する不要モードを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超小型化した場合でも、不要モードの影響を極力排除した、良好な特性の厚み系水晶振動子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による第１の実施形態を示す水晶振動子の斜視図
【図２】本発明による第１の実施形態を示す水晶振動板の平面図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】本発明による第２の実施形態を示す水晶振動板の平面図
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図
【図６】従来例を示す図
【図７】シミュレーションによる検証を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明による好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明による第１の実施の形態をＡＴカット水晶振動板を用いた水晶振動子を例にとり、図１乃至図３とともに説明する。
【００１７】
水晶振動子は水晶振動板１がベースＢに導電性接合材Ｓにより電気的機械的接合された構成である。
【００１８】
水晶振動板１はＡＴカット水晶振動板からなり、水晶の結晶軸Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺、Ｙ軸方向に厚さを有する構成で全体として矩形の水晶振動板である。また水晶振動板は厚肉部１１と段差部１２を有する構成であり、厚肉部１１はＸ軸方向の中央部分であって、Ｚ軸方向全体に渡って形成されている。また段差部１２は厚肉部１１の外側、すなわちＸ軸方向の両端部であって、Ｚ軸方向全体に渡って形成されている。従って厚肉部および各段差部がそれぞれ帯状にＺ軸方向全体に渡って形成された構成となっている。当該段差部１２はＹ軸方向の表裏両方から薄肉化された構成である。このような構成により、平面で見て矩形状の厚肉部１１と当該厚肉部のＸ軸方向外側であって、厚さ方向の中央部分に平面で見て矩形状の段差部が形成された構成となっている。（図２，図３参照）
【００１９】
上記水晶振動板の外形寸法の具体例としては、長辺（Ｚ軸）寸法が２.０５ｍｍ、短辺（Ｘ軸）寸法が１.７８ｍｍ、段差部のＸ軸方向寸法は各々０.２４ｍｍをあげることができる。また、厚肉部の厚さ寸法は水晶振動子の周波数によって決定されるが、例えば周波数が２４ＭＨｚの場合、厚肉部の厚さは約０.０６６ｍｍに設定している。また段差部の厚さは約０.００９ｍｍに設定している。この場合、段差部の厚さは厚肉部の厚さの約１３％になっているが、当該厚肉部に対する段差部の比率は、６％〜２０％の場合に不要モードの励振を抑制することができ、さらに１０％〜１６％の比率にすることにより、不要モードの抑制効果を高めることができて好ましい。なお、この段差部は表裏両側から形成された段差の合計であり、例えば段差部の段差量が１３％の場合、表面側から６.５％、裏面側から６.５％の均等構成であってもよいし、表面側７％、裏面側６％と表裏の段差量を異ならせてもよい。
【００２０】
厚肉部１１の表裏には励振電極２，３が形成されている。励振電極２，３は前記厚肉部のＸ軸方向（短辺方向）全体であって、Ｚ軸方向（長辺方向）の中央部分に矩形形状に形成されている。励振電極の具体寸法例として、Ｘ軸方向寸法が１.３ｍｍ、Ｚ軸方向寸法が１.４ｍｍをあげることができる。
【００２１】
このようなＺ軸方向の両端部に励振電極を有しない構成により、Ｚ軸方向の中央部分に振動エネルギーが集中し、Ｚ軸方向の両端部においては振動エネルギーを減衰させることができる。各励振電極２，３からは励振電極より細幅の引出電極２１、３１が形成され、各引出電極２１、３１は水晶振動板のＺ軸方向の両端部に形成された接続電極２２，３２各々に電気的に接続されている。各接続電極２２，３２は水晶振動板の側面を介して反対面の主面（各表裏面）に形成されている。（図１、図２参照）
【００２２】
励振電極２，３と引出電極２１，３１と接続電極２２，３２は金属膜からなり、具体的には、水晶振動板と接する下地層としてＣｒ層が形成され、当該Ｃｒ層の上に形成されるＡｕ層とからなる。このような金属膜の積層構成は、真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成手段を用いて行われる。なお、金属膜構成は上記例に限定されるものではなく、例えば下地層としてＭｏやＮｉを用いてもよいし、下地層の上に形成される金属膜にＡｇまたはＡｇ合金、あるいはＡｕ合金を用いてもよい。
【００２３】
以上の構成の水晶振動板はそのＺ軸方向（長辺方向）の両端部が支持され、電気的機械的に接続が行われる。具体的には図１に示すように、シリコーン系樹脂に導電フィラーを添加した導電接合材Ｓを用いてベースＢ上に設けられた電極パッドＰと電気的機械的接合される。本実施の形態においては、当該導電接合材Ｓは主として水晶振動板の下面および側面に及ぶ状態で水晶振動板１と電極パッドＰとを接合している。このような接合は電極パッドＰ上にペースト状の導電接合材を供給し、導電接合材上に水晶振動板を搭載することにより行っており、上面に導電接合材が及ばない接合構成（下面主体接合）である。これにより導電接合材の塗布領域を最小限に抑制することができ、水晶振動子の電気的特性に悪影響を与えにくくし、良好な特性の確保に寄与している。
【００２４】
なお、ベースＢは詳細には図示していないが、電極パッドＰを有する構成であり、当該電極パッドＰは外部接続端子や他の電子部品に電気的につながっている。ベースの具体的構成は例えば上部が開口した水晶振動板収納部を有する箱形パッケージ構成であってもよいし、平板構成であってもよい。いずれも水晶振動板を気密封止するために、蓋体と気密接合される領域を有している。
【００２５】
次に本厚み系水晶振動子の製造方法について、具体例の概要を以下に説明する。まず所定周波数に厚さが整えられ、その主面（表裏主面）が鏡面に研磨された水晶ウェハを用意する。当該水晶ウェハは多数個の水晶振動板が得られるようなサイズのものを適用する。
【００２６】
当該水晶ウェハに対して、まず厚肉部と段差部を有する水晶振動板を多数個形成する。具体的には、例えばＣｒ層，Ａｕ層の順で所定膜厚の金属膜を真空蒸着法またはスパッタリング法により形成する。その後、当該金属膜の上面にレジスト膜を塗布し、当該レジスト膜に対してフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングをする。このレジスト膜のパターンを用いて前記金属膜の一部をエッチングし、ここで残された金属膜を用いて、一部がウェハにつながった個々の水晶振動板を得る。その後当該個々の水晶振動板に対して金属膜の形成、レジスト膜の形成を行い、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、最終的に厚肉部と段差部を有し、一部がウェハにつながった個々の水晶振動板を得る。
【００２７】
次に再度、水晶振動板に対して金属膜の形成、レジスト膜の形成を行い、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、最終的に励振電極と引出電極と接続電極を有する水晶振動板を得る。その後、ウェハから水晶振動板を切り離し、電極形成された個々の水晶振動板を得る。
【００２８】
その後、配線パターンの形成されたセラミック等で構成されたベースＢの電極パッドに導電性接合材を塗布し、当該導電性接合材上に水晶振動板の接続電極が対応するように搭載し、加熱硬化により水晶振動板をベースに電気的機械的接続する。
【００２９】
次に水晶振動板の厚肉部と段差部の最適な寸法比を決定するための、多項式近似に基づくシミュレーションによる検証結果を以下に説明する。検証に用いたＡＴカット水晶振動板のモデル（以下、水晶板モデル  という）は図１に示すような構成であり、水晶振動板のＺ軸方向に延びる長辺寸法は２.０５ｍｍ、Ｘ軸方向に延びる短辺寸法は１.７８ｍｍ、厚さが０.０６６ｍｍであり、Ｘ辺比を２６.９に設定している。なお、Ｘ辺比は水晶振動板の厚みをｔ、水晶振動板のＸ軸寸法（短辺寸法）をＸとしたときの、Ｘ／ｔの値をいう。また、水晶振動板に形成された励振電極の寸法はＺ軸方向１.４ｍｍ、Ｘ軸方向１.３ｍｍである。また、段差部のＸ軸方向の寸法は各々０.２４ｍｍである。
【００３０】
上記水晶板モデルに対して、段差部を形成しない場合および段差部を形成した場合の段差量（段差の深さ）を変化させた場合の周波数変動量（ｐｐｍ）を確認した。前記段差量は厚肉部（水晶振動板の薄肉化しない領域）の厚さをａ、薄肉化した領域（段差部）の厚さをｂとした場合、（１―ｂ／ａ）＊１００で算出された値である。
【００３１】
図７はシミュレーションによる段差部の段差量に対する周波数変動量をプロットするとともに当該プロットに基づく近似曲線を示すグラフである。周波数変動は厚み系屈曲振動等の不要モードの励振に関連し、周波数変動量が大きい場合、不要モードの影響を受けていることを意味している。  
【００３２】
図７において、横軸で示す段差量が０（％）の場合は、段差部を形成しないことを示しており、意図した周波数に対して周波数変動が大きく、主振動である厚みすべり振動モードが不要モードの影響を受けていることを示している。また段差量を漸次大きくするにつれて周波数変動が小さくなっており、不要モードが漸次抑制され、段差量が１０〜１６（％）になると周波数変動がほぼ抑制されていることが理解できる。その後さらに段差を大きくすると不要モードの影響がでて、周波数変動が大きくなる。
【００３３】
上記シミュレーションによる検証結果から、ＡＴカット矩形水晶振動板のＺ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されている構成であれば、周波数変動抑制効果が得られることが理解できる。そして、厚肉部に対する段差部の段差量が６％〜２０％の構成において、周波数変動量が抑制され、比較的不要モードの影響を受けていない構成であり、かつ、外形寸法の変化に伴う周波数変動も生じにくくなっていることが知見された。さらに前記段差量が１０〜１６％の構成であれば周波数変動量がより抑制され、不要モードの影響を抑制することができる。なお、このような不要モード抑制効果は、他のＡＴカット矩形水晶振動板のＺ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されている構成においても、周波数変動抑制効果が得られる。
【００３４】
本発明は、水晶の結晶軸Ｘ軸とＹ軸とＺ軸を有し、Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺を有するＡＴカット矩形水晶振動板の前記長辺の両端を支持した厚み系水晶振動子であって、Ｚ軸方向全体に渡って端部の厚さを中央部の厚さより薄くする段差部が形成されている構成であるので、上述の不要モードの影響の抑制と、前記ＡＴカット矩形水晶振動板を長辺の両端を支持した構成により対称性が確保され、不要モードの影響を受けにくい厚み系水晶振動子を得ることができる。
【００３５】
本発明による他の実施の形態を図４と図５とともに説明する。
【００３６】
水晶振動子は水晶振動板４がベースＢに導電性接合材Ｓにより電気的機械的接合された構成である。
【００３７】
水晶振動板４はＡＴカット水晶振動板からなり、水晶の結晶軸Ｚ軸方向に長辺、Ｘ軸方向に短辺を有する構成で全体として矩形の水晶振動板である。また水晶振動板４は厚肉部４１と段差部４２を有する構成であり、厚肉部４１はＸ軸方向の中央部分であって、Ｚ軸方向全体に渡って形成されている。また段差部４２は厚肉部４１の外側、すなわちＸ軸方向の両端部であって、Ｚ軸方向全体に渡って形成されている。段差部４１は２段構成であり、第１段差部４２１と第２段差部４２２とからなる。第１段差部４１２は厚肉部４１より薄く第２段差部４２２より厚い構成であり、第２段差部４２２は厚肉部４１や第１の段差部４２１より薄い構成である。
【００３８】
当該段差部４２はＹ軸方向の表裏両方から薄肉化された構成である。このような構成により、平面で見て矩形状の厚肉部４１と当該厚肉部のＸ軸方向外側であって、厚さ方向の中央部分に平面で見て矩形状の第１段差部４２１と第２段差部４２２が形成された構成となっている。なお、段差部４２は２段構成を例示したが、それ以上の段数を有する階段状構成であってもよい。これにより振動エネルギーの減衰を効率的に行うことができる。
【００３９】
厚肉部４１の表裏には励振電極５，６が形成されている。励振電極５，６は前記厚肉部のＸ軸方向（短辺方向）全体であって、Ｚ軸方向（長辺方向）の中央部分に矩形形状に形成されている。各励振電極５，６からは励振電極より細幅の引出電極５１、６１が形成され、当該引出電極５１、６１は水晶振動板のＺ軸方向の両端部に形成された各接続電極５２，６２に電気的に接続されている。各接続電極５２，６２は水晶振動板の側面を介して反対面の主面（各表裏面）に形成されている。（図４、図５参照）
【００４０】
励振電極５，６と引出電極５１，６１と接続電極５２，６２は金属膜からなり、具体的には、水晶振動板と接するＣｒ層とＣｒ層の上に形成されるＡｕ層とからなる。このような金属膜の積層構成は、真空蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成手段を用いて行われる。
【００４１】
図示していないが、以上の構成の水晶振動板はそのＺ軸方向（長辺方向）の両端部が支持され、電気的機械的に接続が行われる。
【００４２】
なお、上記実施の形態において、段差部はＹ軸方向（厚さ方向）の表裏両方から薄肉化された構成を例示したが、表面側のみからあるいは裏面側のみから薄肉化した構成であってもよい。
【００４３】
なお、本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
水晶振動子の量産に適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１、４  水晶振動板
１１，４１  厚肉部
１２，４２  段差部
２、３，５，６  励振電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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