(57)【要約】【課題】本発明は、不要振動を抑えた圧電振動片及び圧電デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】  圧電振動片（２４０）は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板（２４１）と、圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極（２４２）と、を備える。そして励振電極は、第１厚さで形成される主厚部（２４２ａ）及び主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から励振電極の最外周まで第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部（２４２ｂ）を有する。また、平坦部の幅である主厚部に接する部分から励振電極の最外周までの幅（ＸＢ）が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．６３倍以上１．８８倍以下の長さに形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、
前記圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を備え、
前記励振電極は、第１厚さで形成される主厚部、及び前記主厚部の周囲に形成され前記主厚部に接する部分から前記励振電極の最外周までの間に前記第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部を有し、
前記第２厚さの平坦部は、前記主厚部に接する部分から前記励振電極の最外周までであり、前記平坦部の幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．６３倍以上１．８８倍以下の長さに形成される圧電振動片。
【請求項２】
平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、
前記圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を備え、
前記励振電極は、第１厚さで形成される主厚部及び前記第１傾斜部に接する部分から前記第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部を有し、
前記第２厚さの平坦部の幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．３５倍以上１．７７倍以下の長さに形成される圧電振動片。
【請求項３】
前記主厚部に接する部分から前記平坦部までに前記主面に対して傾斜している第１傾斜部と、前記平坦部から前記励振電極の最外周までに前記主面に対して傾斜している第２傾斜部とを有する請求項２に記載の圧電振動片。
【請求項４】
前記主厚部の厚さが、１００ｎｍから２００ｎｍの間に形成される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電振動片。
【請求項５】
前記励振電極の外形が円形又は楕円形に形成される請求項１から請求項４いずれか一項に記載の圧電振動片。
【請求項６】
前記圧電基板は、基本波で振動する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧電振動片。
【請求項７】
平板状に形成され厚みすべり振動で５倍波のオーバートーンで振動する圧電基板と、
前記圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を備え、
前記励振電極は、第１厚さで形成される主厚部、該主厚部に接する部分から前記主面に対して傾斜している第１傾斜部、該第１傾斜部から前記第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部、及び該平坦部か前記励振電極の最外周まで前記主面に対して傾斜している第２傾斜部を有し、
前記平坦部の幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．５０倍以上２．２５倍以下の長さに形成される圧電振動片。
【請求項８】
前記第１傾斜部の前記主厚部に接する部分から前記平坦部までの幅、及び前記第２傾斜部の前記平坦部から前記励振電極の最外周まで幅の少なくとも一方は、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の１λ以下である請求項３又は請求項７に記載の圧電振動片。
【請求項９】
前記第１傾斜部の前記主厚部に接する部分から前記平坦部までの幅、及び前記第２傾斜部の前記平坦部から前記励振電極の最外周まで幅それぞれは、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の１λ以下である請求項３又は請求項７に記載の圧電振動片。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片を載置するパッケージと、を有する圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励振電極の周囲に傾斜部が形成された圧電振動片及び圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電基板に励振電極が形成されている圧電振動片は、圧電基板の周囲の厚さが薄いコンベックス形状に形成されることで振動エネルギーを閉じ込め、不要振動を抑圧することができる。しかし、圧電基板をコンベックス形状に形成するためには加工の手間とコストがかかるという問題がある。
【０００３】
これに対して、特許文献１では、圧電基板が平板状のまま励振電極の周囲を励振電極の厚さが漸減する傾斜面形状を形成することで、圧電基板の加工の手間及びコストを削減する旨が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２１７６７５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、特許文献１に記載されるような傾斜面形状を形成しても傾斜面形状の寸法によって不要振動を抑える効果が大きく異なることが分かってきた。すなわち、励振電極の周囲に傾斜面形状を形成するのみでは十分に不要振動を抑えることができていないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明では、平板状の圧電基板に形成される励振電極の周囲に寸法が適切に調整された平坦部が形成されることにより不要振動を抑えた圧電振動片及び圧電デバイス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】
【０００７】
第１観点の圧電振動片は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を備える。そして励振電極は、第１厚さで形成される主厚部及び主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から励振電極の最外周まで第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部を有する。また、平坦部の幅である主厚部に接する部分から励振電極の最外周までの幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．６３倍以上１．８８倍以下の長さに形成される。
【０００８】
第２観点の圧電振動片は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極とを備える。そして励振電極は、第１厚さで形成される主厚部及び主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から励振電極の最外周の間に第１厚さよりも薄い第２厚さの所定幅の平坦部を有する。そして、平坦部の所定幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．３５倍以上１．７３倍以下の長さに形成される。
【０００９】
第３観点の圧電振動片は、さらに主厚部に接する部分から平坦部までに主面に対して傾斜している第１傾斜部と、平坦部から励振電極の最外周までに主面に対して傾斜している第２傾斜部とを有する。そして、第１傾斜部の主厚部に接する部分から平坦部までの幅、及び第２傾斜部の平坦部から励振電極の最外周まで幅の少なくとも一方は、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の１λ以下である。又は、第１傾斜部の主厚部に接する部分から平坦部までの幅、及び第２傾斜部の平坦部から励振電極の最外周まで幅それぞれは、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の１λ以下である。
【００１０】
また別の観点として、主厚部の厚さは、１００ｎｍから２００ｎｍの間に形成されればよい。また、励振電極の外形は円形又は楕円形に形成されてもよい。
さらに第４観点として、上述した第１観点等の圧電振動片と、圧電振動片を載置するパッケージとを有する圧電デバイスを提供してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電振動片及び圧電デバイスによれば、不要振動の発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、圧電デバイス１００の斜視図である。  （ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス１００の斜視図である。
【図２】Ｍ−ＳＣカットの水晶材料の説明図である。
【図３】（ａ）は、励振電極の外周に平坦部及び傾斜部が形成された圧電振動片１４０、２４０の平面図である。  （ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】（ａ）は、励振電極の外周に平坦部のみが形成された圧電振動片２４０の平面図である。  （ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】（ａ）は、図３に描かれた圧電振動片２４０が基本波で振動する場合において、平坦部２４２ｂの幅ＸＢと振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。  （ｂ）は、図４に描かれた圧電振動片２４０が基本波で振動する場合において、平坦部２４２ｂの幅ＸＢと振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。
【図６】（ａ）は、圧電振動片２４０に励振電極を形成する第１例である。  （ｂ）は、圧電振動片２４０に励振電極を形成する第２例である。  （ｃ）は、試作した圧電振動片２４０の励振電極の厚さを実測したグラフである。
【図７】試作した図３に描かれる圧電振動片２４０と本実施形態を適用しない比較用圧電振動片とが、温度変化によるＣＩ変動量がどうなるかを示したグラフである。
【図８】（ａ）は比較例（本実施形態を適用しない比較用圧電振動片）の９個の圧電デバイスのＣＩ温度特性全容を示した図である。  （ｂ）は図３に描かれる圧電振動片２４０の電極構造を再組立てした実施例の９個の圧電デバイスのＣＩ温度特性全容を示した図である。
【図９】（ａ）は、Ｍ−ＳＣカットの圧電振動片２４０が５倍波で振動する場合において、平坦部２４２ｂの幅ＸＢと振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。  （ｂ）は、ＩＴカットの圧電振動片２４０が基本波で振動する場合において、平坦部２４２ｂの幅ＸＢと振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１４】
＜ＡＴカット＞
図１（ａ）は、圧電デバイス１００の斜視図である。圧電デバイス１００は、主に、ベース１１０、リッド１２０、及び所定の振動数で振動する圧電振動片１４０（図１（ｂ）参照）により構成されている。圧電デバイス１００の外形は、例えば略直方体形状に形成される。圧電振動片１４０は、厚みすべり振動で振動するＡＴカットの水晶材料を基材として形成されている。ＡＴカットの水晶材料は、主面（ＸＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸から−Ｙ軸方向に３５度１５分回転されて形成される。以下の説明では、ＡＴカットの水晶材料の傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として示す。図１（ａ）に示される圧電デバイス１００は、長手方向がＸ軸方向、圧電デバイス１００の高さ方向がＹ’軸方向、Ｘ軸方向及びＹ’軸方向に垂直な方向がＺ’軸方向となるように形成されている。
【００１５】
ベース１１０の−Ｙ’軸側の面であり圧電デバイス１００が実装される面である実装面１１２ａには、実装端子１１１が形成されている。実装端子１１１は、圧電振動片１４０と接続される端子であるホット端子１１１ａと、接地用として使用可能な端子（以下、アース端子と仮称する）１１１ｂと、により構成されている。ベース１１０では、実装面１１２ａの＋Ｘ軸側の−Ｚ軸側の角及び−Ｘ軸側の＋Ｚ軸側の角にそれぞれホット端子１１１ａが形成され、実装面１１２ａの＋Ｘ軸側の＋Ｚ軸側の角及び−Ｘ軸側の−Ｚ軸側の角にそれぞれアース端子１１１ｂが形成されている。ベース１１０の＋Ｙ軸側の面には圧電振動片１４０が載置される空間であるキャビティ１１３が形成されており（図１（ｂ）参照）、キャビティ１１３は封止材１３０を介してリッド１２０により封止されている。
【００１６】
図１（ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス１００の斜視図である。ベース１１０の＋Ｙ’軸側の面に形成されるキャビティ１１３は、実装面１１２ａの反対側の面であり圧電振動片１４０が載置される載置面１１２ｂと、載置面１１２ｂの周囲に形成される側壁１１４と、により囲まれている。また、載置面１１２ｂには、ホット端子１１１ａと電気的に接続される一対の接続電極１１５が形成されている。
【００１７】
圧電振動片１４０は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板１４１と、圧電基板１４１の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の各主面にそれぞれ形成される励振電極１４２と、各励振電極１４２から圧電基板１４１の−Ｘ軸側の辺の両端に引き出される引出電極１４３と、を含んで構成されている。また、圧電基板１４１の＋Ｙ’軸側の面に形成される励振電極１４２及び−Ｙ’軸側の面に形成される励振電極１４２は同じ形状、同じ大きさに形成され、Ｙ’軸方向に全体が互いに重なるように形成されている。図1では図示を省略しており、また、詳細は後に図３を参照して説明するが、この励振電極１４２は主厚部と、平坦部と、場合により傾斜部とを具える。圧電振動片１４０は、引出電極１４２と接続電極１１５とが導電性接着剤（不図示）を介して電気的に接続されるように載置面１１２ｂに載置されている。
【００１８】
＜Ｍ−ＳＣカットの構成＞
図２は、Ｍ−ＳＣ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ−ＳＣ）カットの水晶材料の説明図である。図２では、水晶の結晶軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として表されている。Ｍ−ＳＣカットの水晶材料は２回回転カットの水晶材料の１種であり、水晶のＸＺ板を水晶のＺ軸を回転中心にしてφ度回転させ、この回転で生じたＸ’Ｚ板を、Ｘ’軸を中心にしてθ度さらに回転して得られるＸ’Ｚ”板に相当するものである。Ｍ−ＳＣカットの場合は、φは約２４度、θは約３４度である。図２では、上記２回回転で生じる水晶片の新たな軸を、Ｘ’軸、Ｙ”軸、Ｚ”軸という表現で示してある。このように切り出した、２回回転カットの圧電基板２４１は、厚み方向に伝搬するすべり変位を持ついわゆるＣモードやＢモードを主振動とする水晶材料である。２回回転カットの水晶片は、ＳＣカット以外にφが約１９度でありθが約３４度であるＩＴカット等の水晶片もある。これらＣモードやＢモードの振動は、ＡＴカット同様厚みすべり振動に分類される。図１と同じように、励振電極及び引出電極を形成すれば、圧電振動片２４０として本実施形態を適用できる。
【００１９】
＜励振電極の構成＞
図３は、圧電振動片１４０又は２４０の特に励振電極の構造を説明するための図である。特に、図３（ａ）は圧電振動片１４０又は２４０の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中のＡ−Ａ線に沿った部分的な断面図である。両図では、座標記号を、ＡＴカットの場合とＭ−ＳＣカットの場合（カッコを付して示したもの）それぞれについて示してある。
【００２０】
いずれの圧電振動片１４０，２４０でも同様な説明になるので、以下の説明では、Ｍ−ＳＣカットの圧電振動片２４０を使って説明する。圧電基板２４１は、長辺がＸ’軸方向に伸び、短辺がＺ”軸方向に伸びる長方形状の平面を有する平板状の基板である。圧電基板２４１の＋Ｙ”軸側及び−Ｙ’軸側の主面に形成される励振電極２４２は、円形状に形成されている。また、各励振電極２４２は、一定の厚さに形成される主厚部２４２ａ及び主厚部２４２ａの周囲に一定の幅で形成され主厚部２４２ａよりも薄い一定の厚さの平坦部２４２ｂを有する。さらに各励振電極２４２は、主厚部２４２ａに接する部分から平坦部２４２ｂまで主面に対して傾斜している第１傾斜部２４２ｃと、平坦部２４２ｂから励振電極２４２の最外周まで主面に対して傾斜している第２傾斜部２４２ｄとを有している。
【００２１】
この実施形態では、励振電極２４２の主厚部２４２ａの厚さはＹＡに形成されている。具体的には、本実施形態では１４０ｎｍ（１４００Å）で形成している。また、平坦部２４２ｂの高さはＹＢに形成されている。具体的には、本実施形態では７０ｎｍ（７００Å）で形成している。これら主厚部及び平坦部は、典型的には、電極形成用の金属マスクを用いたスパッタ又は真空蒸着法によって形成される。このような形成方法を用いた場合、スパッタ又は蒸着により生じた金属粒子は、マスクと圧電基板２４１との隙間に回り込むため、第１傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄが形成される。主厚部２４２ａの端から励振電極２４２の最外周までの幅がＸＬに形成され、第１傾斜部２４２ｃの幅がＸＡに、平坦部２４２ｂの幅がＸＢに、第２傾斜部２４２ｄの幅がＸＣに形成されている。成膜装置によって、傾斜が付きにくい場合がある。発明者が利用している装置では、上記ＸＡ、ＸＣの合計した幅（ＸＡ＋ＸＣ）は約７０μｍであることが分かった。すなわち、後述する不要振動である屈曲振動の波長が１４０μｍである場合であれば、この場合のＸＡ＋ＸＣ＝７０μｍは、ＸＡ＋ＸＣ＜１λであることが分かった。
【００２２】
また、場合によっては、図４（ａ）、（ｂ）に示したように、図３に示した第１傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄがほとんど無いような構造の圧電デバイスも存在する。励振電極を、例えば蒸着法を用いて形成する場合であって、マスクと圧電基板との密着性が良い状態でかつ金属粒子が直線性良く圧電基板に至るような場合等は、第２傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄがほとんど形成されない。
【００２３】
上述した種々の厚み滑り振動で振動する圧電デバイスにおいて、傾斜部の幅ＸＡやＸＣが、圧電デバイスで起きる不要振動である屈曲振動の波長に比べ大きい場合は、すなわち、上記の例で言えばスパッタで励振電極を形成して傾斜部の幅が比較的大きくできる場合は、屈曲振動の抑制効果が得られ易いので、圧電デバイスの特性の悪化は抑制できるが、そうでない場合は問題が起きる。これに対し、この出願の発明者の研究によれば、図３を用いて説明した主厚部２４２ａ、第１傾斜部２４２ｃ、平坦部２４２ｂ及び第２傾斜部２４２ｄから成る励振電極２４２を持つ圧電デバイスであっても、また、図４を用いて説明した主厚部２４２ａおよび平坦部２４２ｂから成る励振電極を持つ圧電デバイスであっても、平坦部の幅を以下に説明するように適正化することで、使用している圧電基板２４１がベベル加工又はコンベックス加工などの加工がされていない平板状の基板であるにも拘わらず、振動エネルギーの損失が生じることが防がれることが、明らかになった。
【００２４】
＜第１例：圧電振動片２４０の平坦部の幅と振動エネルギーの損失について＞
＜基本波シミュレーション＞
以下に、Ｍ−ＳＣカットの水晶材料により形成される圧電振動片２４０の振動エネルギーの損失に関するシミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションは、基本波２０ＭＨｚのモデルである。
【００２５】
図５（ａ）及び（ｂ）は、圧電振動片２４０の平坦部２４２ｂの幅ＸＢと主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。図５（ａ）のグラフが、図３（ｂ）で示された、平坦部２４２ｂ、第１傾斜部２４２ｃ、及び第２傾斜部２４２ｄを有する励振電極のグラフであり、図５（ｂ）のグラフが、図４（ｂ）で示された、平坦部２４２ｂを有し傾斜部がほぼ無い励振電極のグラフである。
【００２６】
図５（ａ）及び（ｂ）では、解析モデルとして、励振電極の全てが金（Ａｕ）で形成され、主厚部２４２ａの膜厚ＹＡが１４０ｎｍ（１４００Å）であり、主振動の周波数が基本波２０ＭＨｚのモデルの場合のシミュレーションによる計算結果について示されている。また、平坦部２４２ｂの膜厚ＹＢは７０ｎｍ（７００Å）と３５ｎｍ（３５０Å）との例を示してある。図５（ａ）及び（ｂ）のグラフ中に、１０５０＋３５０Åと記載されているのは、平坦部２４２ｂの膜厚ＹＢが１０５０Åで、その平坦部の表面から主厚部２４２ａの表面までの厚さが３５０Åであることを示している。また７００＋７００Åと記載されているのは、平坦部２４２ｂの膜厚ＹＢが７００Åで、その平坦部の表面から主厚部２４２ａの表面までの厚さが７００Åであることを示している。また、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０が点線と丸印とで示されている。また、７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０が実線と四角印とで示されている。
【００２７】
圧電振動片では、主振動（例えばＣモード）と共に主振動とは異なり設計上意図されない振動である不要振動が生じる。ＳＣカット等の水晶材料により形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板により形成される圧電振動片では、不要振動として特に屈曲振動によるものの影響が大きい。図５（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸では、この屈曲振動の波長である屈曲波長λ（＝約１４０μｍ）で規格化された平坦部の幅ＸＢが示されている。このため図５（ａ）及び（ｂ）のグラフにおいて「１」で示される平坦部の幅の実際の寸法は１×λであり、圧電振動片２４０では平坦部の幅が１．００で示されているところでは、１×λ＝約１４０μｍとなる。図５（ａ）及び（ｂ）のグラフの縦軸では、主振動の振動エネルギーの損失を示すＱ値の逆数が示されている。また図５（ａ）の解析モデルでは、第１傾斜部２４２ｃの幅ＸＡ及び第２傾斜部２４２ｄの幅ＸＣ（図３（ｂ）参照）として、ＸＡ、ＸＣ各々を３５μｍ、従って（ＸＡ＋ＸＣ）＝７０μｍとした。
【００２８】
図５（ａ）に示される傾斜部を有する圧電振動片において、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０及び７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０とも、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが約「０．３」から「２」となる範囲で振動エネルギーの損失１／Ｑが２．５×１０−６以下と低くなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長λの０．３倍以上２倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。詳述すると、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが「０．３３」から「１．７７」の範囲において１／Ｑの大きさが低く、さらにその変動も少なくなっている。７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが「０．３５」から「１．７３」の範囲において１／Ｑの大きさが低く、さらにその変動も少なくなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長の０．３５倍から１．７３倍の長さである場合には、安定して振動エネルギーの損失が低くなることが分かる。
【００２９】
屈曲振動は、主に励振電極の端部で振動エネルギーが屈曲振動に変換されることにより、それが主振動に重畳し、屈曲振動は圧電振動片全体で振動するため、圧電振動片が保持される導電性接着剤に振動エネルギーが吸収される。このような屈曲振動によるエネルギーの損失は振動エネルギーの損失につながる。傾斜部を有する圧電振動片２４０では、平坦部２４２ｂの幅ＸＢを屈曲波長λの０．３５倍以上１．７３倍以下の長さに形成することにより、屈曲振動の発生を抑えることができ、これによって振動エネルギーの損失を抑えることができていると考えられる。
【００３０】
図５（ｂ）に示される傾斜部の無い圧電振動片において、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０及び７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０とも、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが約「０．３」から「２」となる範囲で振動エネルギーの損失１／Ｑが２．５×１０−６以下と低くなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長λの０．３倍以上２倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。詳述すると、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが「０．６３」から「１．８８」の範囲において１／Ｑの大きさが低く、さらにその変動も少なくなっている。７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが「０．３８」から「１．８８」の範囲において１／Ｑの大きさが低く、さらにその変動も少なくなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長の０．６３倍から１．８８倍の長さである場合には、安定して振動エネルギーの損失が低くなることが分かる。
【００３１】
傾斜部の無い圧電振動片２４０では、平坦部２４２ｂの幅ＸＢを屈曲波長λの０．６３倍以上１．８８倍以下の長さに形成することにより、屈曲振動の発生を抑えることができ、これによって振動エネルギーの損失を抑えることができていると考えられる。
【００３２】
屈曲波長λで規格化された平坦部の幅を考慮する場合には、圧電基板に用いられる圧電材料の違いに関係なく１／Ｑの傾向及び大きさが安定していると考えられる。そのため、上記第１例ではＡＴカットの水晶材料とＭ−ＳＣカットの水晶材料との例が示されたが、これらの水晶材料に限らず、他の厚みすべり振動で振動する水晶材料例えばＳＣカット、ＩＴカットが用いられた場合又は厚みすべり振動で振動する他の圧電材料例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ４、ＧａＰＯ４又は圧電セラミックの材料でも、圧電振動片２４０と同様の傾斜幅の範囲で１／Ｑが低くなると考えられる。
【００３３】
＜圧電振動片２４０の試作＞
図５において、１０５０＋３５０Åの励振電極の圧電振動片２４０と７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０との振動エネルギーの損失に関するシミュレーション結果が示された。このシミュレーションに基づいて、発明者は、主振動の周波数が２０ＭＨｚの圧電振動片２４０を試作した。以下に、図３で説明した圧電基板２４１であって、蒸着法によりに励振電極２４２を形成する工程を説明する。
【００３４】
図６（ａ）は、第１手法によって製造された圧電振動片２４０（２４０ａ）の部分断面図である。図６（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む部分断面図である。圧電振動片２４０ａの励振電極２４２は、第１開口（例えばφ２．１ｍｍ）を有する第１マスク（不図示）を使い、蒸着粒子を圧電基板２４１に付着させ第１層２４５ａを形成する。次に第２開口（例えばφ２．４ｍｍ）を有する第２マスク（不図示）を使い第１層２４５ａを覆うように、蒸着粒子を第１層２４５ａ及び圧電基板２４１に付着させ第２層２４５ｂを形成する。この形成工程において、第１傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄを形成することができる。第１傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄの幅は、図６（ｃ）を用いて詳細は後述するが、各々が３５μｍ程度であり、そして、両傾斜部の幅の和は７０μｍ程度であった。すなわち、各傾斜部の幅は、これらを上述の屈曲振動の波長λ（この場合λ＝１４０μｍ）で正規化すると、１λ以下、より詳細には０．５λ未満であり、両傾斜部の幅の和も１λ以下である。なお、図６（ａ）では２層のみ示してあるが、圧電基板２４１と励振電極用の金（Ａｕ）との密着性を確保するために通常設けられる下地層例えばクロム膜等の図示は省略してある。
【００３５】
図６（ｂ）は、第２手法によって製造された圧電振動片２４０（２４０ｂ）の部分断面図である。図６（ｂ）も図３（ｂ）のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む部分断面図である。すなわち、上記の第１手法との相違点は、下層の面積を大きくし、上層の面積が下層より小さくなるように、これら層を成膜する手法である。具体的には、圧電振動片２４０ａの励振電極２４２は、第２開口（例えばφ２．４ｍｍ）を有する第２マスク（不図示）を使いターゲット原子を圧電基板２４１に付着させ第１層２４６ａを形成する。この例の場合も真空蒸着法を用いた。この場合も、第１傾斜部２４２ｃ及び第２傾斜部２４２ｄの幅おのおのは、上記λで正規化すると、それぞれ１λ以下でよい。詳細には０．４７λ程度であり、そして、両傾斜部の幅の和も１λ以下であることが好ましい。また第１傾斜部２４２ｃ又は第２傾斜部２４２ｄのいずれか一方のみが形成されてもよい。なお、密着性を確保するために使用されるクロム膜等の図示は省略してある。
【００３６】
図６（ｃ）は、上記のように形成された励振電極の厚さ及び形状をＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光器）による分析法で実測したグラフである。このグラフは、図３（ｂ）のＡ−Ａ断面の表面高さを示しており、左側の上側の線が主厚部２４２ａの領域を示し、その線は右に進む途中から第１傾斜部２４２ｃを示す領域になる。さらに第１傾斜部２４２ｃから平坦部２４２ｂを示す領域に至り、さらに右に進むと第２傾斜部２４２ｄを示す領域になる。
【００３７】
＜再組立て実験による本実施形態の効果の確認＞
この実施形態の効果を確認するため、発明者は以下の実験を行った。先ず、開口の直径が２．４ｍｍのマスクを用い、真空蒸着法により、主厚部や平坦部を持たない単純一層の厚さが１４０ｎｍの励振電極を有した比較例の圧電デバイスを９個作製し、次に、これら９個の圧電デバイスの−４０℃〜１２０℃の範囲でのクリスタルインピダンス（ＣＩ）の温度特性をそれぞれ測定した。次に、これら９個の比較例の圧電デバイスを一度解体して圧電基板を再生し、この再生した圧電基板に図３を用いて説明した主厚部、平坦部、傾斜部を有した実施例の圧電デバイスを作製した。そして、これら９個の実施例の圧電デバイスの−４０℃〜１２０℃の範囲でのクリスタルインピダンス（ＣＩ）の温度特性をそれぞれ測定した。なお、比較例から実施例への再組立及びＣＩ温度特性の調査においては、９個の圧電基板を１対１の対応付けをして再組立てし、ＣＩ温度特性の変化具合を追跡した。
【００３８】
図７は、横軸に上記９個の圧電デバイスの製品番号、すなわち、番号管理した圧電基板の番号を示し、縦軸は、各圧電デバイスの−４０℃〜１２０℃の範囲での最大ＣＩ値と最少ＣＩ値との差ΔＣＩ（Ω）を示し、両者の関係をプロットしたものである。図において、四角印が、実施例（再組立品）すなわち圧電振動片２４０のＣＩ変動量を示し、丸印が比較例（再組立て前）の圧電デバイスのＣＩ変動量である。
【００３９】
本実施形態の電極構造にて再組立てした９個の圧電振動片２４０のＣＩ変動量は、すべて２Ω以下であり安定している。一方、９個の比較用圧電振動片のＣＩ変動量は、２Ωから１３Ωまでバラツキがあるとともに９個のＣＩ変動量の平均も６Ωと高い。つまり、温度変化に対して比較用圧電振動片は不要振動が発生しＣＩ値が大きく変動するが、圧電振動片２４０はＣＩ値が安定しており安定して２０ＭＨｚを発振できる。
また、図８（ａ）は、比較例の９個の圧電デバイスのＣＩ温度特性全容を示した図、図８（ｂ）は本実施形態の電極構造にて再組立てした実施例の９個の圧電デバイスのＣＩ温度特性全容を示した図である。いずれの図も縦軸は、９５℃の温度でのＣＩ値を基準にして各温度でのＣＩ値を規格化した値であるＣＩ／ＣＩ（９５℃）を示している。この図８から本実施形態の構造は、圧電デバイスの特性に安定化に寄与できることが分かる。
【００４０】
＜第２例：  圧電振動片２４０の平坦部の幅と振動エネルギーの損失について＞
＜５倍波シミュレーション＞
以下にＭ−ＳＣカット及びＩＴカットの水晶材料により形成される圧電振動片２４０の振動エネルギーの損失に関するシミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションは、５倍波２１．６４ＭＨｚのモデルである。
【００４１】
図９（ａ）及び（ｂ）は、圧電振動片２４０の平坦部２４２ｂの幅ＸＢと主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。図９（ａ）及び（ｂ）ともに、図３（ａ）で示された、平坦部２４２ｂ、第１傾斜部２４２ｃ、及び第２傾斜部２４２ｄを有する励振電極を有する圧電振動片である。また図９（ａ）及び（ｂ）の解析モデルでは、第１傾斜部２４２ｃの幅ＸＡ及び第２傾斜部２４２ｄの幅ＸＣ（図３（ｂ）参照）として、ＸＡ、ＸＣ各々を３５μｍ、従って（ＸＡ＋ＸＣ）＝７０μｍとした。
【００４２】
また図９（ａ）及び（ｂ）では、解析モデルとして、励振電極の全てが金（Ａｕ）で形成され、主厚部２４２ａの膜厚ＹＡが１４０ｎｍ（１４００Å）であり、平坦部２４２ｂの膜厚ＹＢが７０ｎｍ（７００Å）である。そして図９（ａ）のグラフが、Ｍ−ＳＣカットのグラフであり、図９（ｂ）のグラフが、ＩＴカットのグラフである。
【００４３】
圧電振動片では、主振動（例えばＣモード）と共に主振動とは異なり設計上意図されない振動である不要振動が生じる。ＳＣカット、ＩＴカット等の水晶材料により形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板により形成される圧電振動片では、不要振動として特に屈曲振動によるものの影響が大きい。図９（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸では、この屈曲振動の波長である屈曲波長λ（＝約１５０μｍ）で規格化された平坦部の幅ＸＢが示されている。このため図９（ａ）及び（ｂ）のグラフにおいて「１」で示される平坦部の幅の実際の寸法は１×λであり、圧電振動片２４０では平坦部の幅が１．００で示されているところでは、１×λ＝約１５０μｍとなる。図９（ａ）及び（ｂ）のグラフの縦軸では、主振動の振動エネルギーの損失を示すＱ値の逆数が示されている。
【００４４】
図９（ａ）に示されるＭ−ＳＣカットの圧電振動片において、７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが約「０．５」から「２．２５」となる範囲で振動エネルギーの損失１／Ｑが３．０×１０−６以下と低くなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長λの０．５倍以上２．２５倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。
【００４５】
図９（ｂ）に示されるＩＴカットの圧電振動片において、７００＋７００Åの励振電極の圧電振動片２４０は、屈曲波長λで規格化された平坦部２４２ｂの幅ＸＢが約「０．５」から「２．５」となる範囲で振動エネルギーの損失１／Ｑが３．０×１０−６以下と低くなっている。すなわち、平坦部２４２ｂの幅ＸＢが屈曲波長λの０．５倍以上２．５倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。Ｍ−ＳＣカットの圧電振動片の範囲とＩＴカットの圧電振動片の範囲とに多少の違いがあるが、ほぼ同様な範囲である。
【００４６】
５倍波の２回回転カットの圧電振動片２４０は、平坦部２４２ｂの幅ＸＢを屈曲波長λの０．５倍以上２．２５倍以下の長さに形成することにより、屈曲振動の発生を抑えることができ、これによって振動エネルギーの損失を抑えることができていると考えられる。
【００４７】
屈曲波長λで規格化された平坦部の幅を考慮する場合には、圧電基板に用いられる圧電材料の違いに関係なく１／Ｑの傾向及び大きさが安定していると考えられる。そのため、第２例ではＭ−ＳＣカットの水晶材料とＩＴカットの水晶材料との５倍波の例が示されたが、これらの水晶材料に限らず、他の厚みすべり振動で振動する水晶材料例えばＳＣカット、ＡＴカットが用いられた場合又は厚みすべり振動で振動する他の圧電材料例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ４、ＧａＰＯ４又は圧電セラミックの材料でも、５倍波の圧電振動片２４０と同様の傾斜幅の範囲で１／Ｑが低くなると考えられる。
【００４８】
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。
【００４９】
例えば、励振電極の主厚部の膜厚ＹＡが１４０ｎｍ（１４００Å）で説明したが、１００ｎｍから２００ｎｍであっても適用できることは確認できた。また本実施形態では、励振電極の外形形状が円形であったが、円形に限られる必要はなく楕円形であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１００  …  圧電デバイス
１１０  …  ベース、
１１１  …  実装端子、  １１１ａ  …  ホット端子、  １１１ｂ  …  アース端子
１１２ａ  …  実装面、    １１２ｂ  …  載置面
１１３  …  キャビティ、    １１４  …  側壁
１１５  …  接続電極、    １２０  …  リッド
１３０  …  封止材
１４０、２４０（２４０ａ、２４０ｂ）  …  圧電振動片
１４１、２４１  …  圧電基板
２４２  …  励振電極
２４２ａ  …  主厚部、  ２４２ｂ  …  平坦部
２４２ｃ  …  第１傾斜部、  ２４２ｄ  …  第２傾斜部
２４３  …  引出電極
２４５ａ  …  第１層、  ２４５ｂ  …  第２層
２４６ａ  …  第１層、  ２４６ｂ  …  第２層
ＸＬ  …  主厚部側から励振電極の最外周までの幅
ＸＡ  …  第１傾斜部の幅
ＸＢ  …  平坦部の幅
ＸＣ  …  第２傾斜部の幅
ＹＡ  …  励振電極の主厚部の厚さ（主厚部の膜厚）
ＹＢ  …  平坦部の高さ
【図１】
2019092148.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月26日(2018.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、
前記圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を備え、
前記励振電極は、第１厚さで形成される主厚部及び前記主厚部の第１厚さよりも薄い第２厚さの平坦部を有し、
前記第２厚さの平坦部の幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の０．３５倍以上１．７３倍以下の長さに形成される圧電振動片。