(57)【要約】【課題】副振動の発生を抑制した水晶振動子を提供すること。【解決手段】水晶振動子１について、厚みすべり振動を主振動とする水晶片１０の片面に、メサ構造を有し平面形状が例えば正三角形である駆動部１１を設ける。当該駆動部１１上に一方の励振電極２１を、水晶片１０の駆動部１１とは反対面に励振電極２１と対応する励振電極２２を夫々設ける。当該水晶振動子１は、副振動が輪郭すべり振動であり、輪郭すべり振動は三角形に対しては起こりにくいことから、駆動部１１の形状により輪郭すべり振動による水晶振動子１への主振動への影響を抑えることができる。よって周波数特性の安定した水晶振動子１を得ることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主振動が厚みすべり振動であるメサ型の水晶振動子において、
板状の水晶からなる支持部と、この支持部の一面側に一体的にメサ領域として形成され、平面形状が三角形状の水晶からなる駆動部と、
前記駆動部の表面に設けられた第１の励振電極と、
前記支持部の他面側に前記第１の励振電極と対向するように設けられた第２の励振電極と、を備えたことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記水晶はＡＴカットであることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記駆動部の平面形状は正三角形であることを特徴とする請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記励振電極は前記駆動部の角部以外の領域に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の水晶振動子。
【請求項５】
蓋体内に前記請求項１ないし４のいずれか一項に記載の水晶振動子を備えたことを特徴とする振動子パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副振動の発生を抑制する水晶振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は、電子機器、計測機器及び通信機器等、数々の分野において利用されているが、最近は、ユーザから小型化及び低価格化の要求が著しく、特に小型化の面において競争が激化している。  
一方、水晶振動子については、測定上様々な弊害をもたらす副振動の影響についての改善が要求されている。特にＡＴカットの厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子は周波数特性が良好なことから多用されているが、不要な副振動の発生が問題となっている。副振動の発生原因の一つとして、例えば厚みすべり振動を主振動とする場合には、輪郭すべり振動や屈曲振動などによる副振動を挙げることができる。これらは、水晶振動子に対して連続した温度変化を加えたときに発生する直列抵抗の急激な変化、いわゆるActivity Dipsや、直列抵抗値（Ｒ１値）の増大の発生要因となる。
【０００３】
副振動を起こす部位は、設計仕様によって決まってくる。従来、水晶振動子が大きい場合には、副振動を起こす部位への接着剤の付着などが行われてきた。しかし、水晶振動子が小型化すると、接着剤の重量により直列抵抗が変化する問題が明らかとなった。その上小型化した水晶振動子に対して接着剤を付着させる工程は困難である。  
水晶振動子は加速度センサなどの物理センサ、及びバイオセンサなどのＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）等に応用されている。これらにおいても副振動の影響は軽視できず、感度の低下、ノイズの増加等の問題を引き起こす。
【０００４】
水晶振動子の小型化及び大量生産への対応を迫られている現在、コストを掛けずに小型化と副振動抑制の両立を可能にする技術が求められている。特許文献１には、水晶片の両面に互いに異なる形状からなる駆動部を設け、双方の駆動部上に対応関係にあって同形状の励振電極を設けた水晶振動子が開示されている。特許文献２には、圧電シート上に二等辺三角形の振動領域を設け、振動領域の上下に電極を配した薄膜圧電共振器が開示されている。しかしこれらの技術は本発明と構造及び原理が異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２―２４９０９９号公報
【特許文献２】特開２００６―２４５９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、水晶振動子において副振動の発生を抑制することのできる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水晶振動子は、
主振動が厚みすべり振動であるメサ型の水晶振動子において、
板状の水晶からなる支持部と、この支持部の一面側に一体的にメサ領域として形成され、平面形状が三角形状の水晶からなる駆動部と、
前記駆動部の表面に設けられた第１の励振電極と、
前記支持部の他面側に前記第１の励振電極と対向するように設けられた第２の励振電極と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は厚みすべり振動を主振動とするメサ型の水晶振動子において、水晶からなる支持部の一面側にメサ領域をなす三角形状の駆動部を形成している。副振動である輪郭すべり振動は後述するように対称性のある平行に対向する辺が存在する形状、特に矩形において発生しやすいが、平行に対向する辺が存在しない三角形においては発生しにくいため、駆動部を三角形状とすることにより、輪郭すべり振動を抑制することができる。また、三角形状の水晶片を直接水晶振動子として用いた場合、三角形の角部が導電性接着剤により支持される支持点になるため振動エネルギーが角部から漏れやすくなる。このため水晶片に対して電極面積を大きくすると、振動エネルギーの漏れ量が多くなることから、電極面積を小さくしなければならないが、そうするとＲ１値が大きくなってしまう。本発明では駆動部をメサ領域とすることにより、駆動部である三角形部分の角部が支持点ではなくなることから振動エネルギーの漏れが少なくなり、電極面積を大きくできることからＲ１値を小さくすることができ、水晶振動子の消費電力が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態にかかる水晶振動子の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる水晶振動子の一例を示す平面図及び断面図である。
【図３】水晶片における輪郭すべり振動を示した説明図である。
【図４】水晶振動子において副振動の発生する領域を示した説明図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる水晶振動子を備えた振動子パッケージの要部を示す縦断面図である。
【図６】水晶振動子における周波数とアドミッタンスとの関係を示したグラフである。
【図７】水晶振動子における主振動と副振動について周波数と温度との相関を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の水晶振動子をなす水晶振動子の一実施の形態について図１及び図２を用いて説明する。  
この水晶振動子１は、図１に示すように、矩形状例えば正方形からなる支持部である水晶片１０の片面に、三角形状のメサ領域である駆動部、例えば正三角形のメサ領域からなる駆動部１１を備える。駆動部１１は例えば水晶片１０をエッチングすることにより形成されている。前記水晶片１０は、例えばＡＴカットの基本波モードのものが用いられ、主振動である厚みすべり振動が２６ＭＨｚで発振するよう構成されている。本実施形態の一例としては、水晶片１０の平面形状が一片３ｍｍの正方形、駆動部１１の平面形状が一片２．５ｍｍの正三角形、駆動部１１を有しない部分の水晶片１０の厚みが０．０５ｍｍ、駆動部１１の厚みが０．０６２ｍｍに、夫々設定されている。図２において（ａ）は上面側の平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は下面側の平面図である。
【００１１】
当該水晶振動子１は、図２に示すように、当該水晶片１０の中央部の前記駆動部１１表面及び水晶片１０の駆動部１１とは反対面に、互いに対向するように、水晶片１０を励振させるための励振電極２１及び２２を夫々備える。これら励振電極２１、２２は例えば長方形であり、寸法は例えば１．０ｍｍ×１．０ｍｍと、用途に合わせ適宜設定される。更に、励振電極２１には、励振電極２１の一端部から水晶片１０の周縁まで引き出された引き出し電極２３が接続されている。水晶片１０の他面側の励振電極２２には、引き出し電極２３と同方向の周縁に向かって引き出された引き出し電極２４が接続されている。これらの引き出し電極２３、２４が引き出される方向は、図２に示すように水晶片１０のＸ軸方向に沿っている。励振電極２１と引き出し電極２３、及び励振電極２２と引き出し電極２４は夫々一体に形成され、これらの電極は例えばクロム（Ｃｒ）や金（Ａｕ）などの積層膜により形成されている。なお図１において引き出し電極２３の図示を省略している。また図１及び図２において、電極部を判別しやすくするため、励振電極２１、２２及び引き出し電極２３、２４にハッチングを付している。さらに図２（ｂ）において、励振電極２１、２２及び引き出し電極２３、２４を実際より厚く図示している。
【００１２】
本実施形態の作用について説明する。水晶振動子１に対して励振電極２１、２２間に電圧を印加すると、駆動部１１は弾性的に境界層があるため、主としてメサ領域である駆動部１１が主振動である厚みすべり振動により例えば２６ＭＨｚにより発振する。このとき駆動部１１には副振動として輪郭すべり振動が発生する。この輪郭すべり振動の発生の様子について、図３を用いて直方体状の水晶片を例にとって説明する。
【００１３】
図３において、直方体状の水晶片に輪郭すべり振動が発生すると、面Ｓ１、Ｓ２及びＳ３において、各面の周縁部は矢印で示したように動こうとする。各縁を介して隣接する面同士において、振動する向きは互いに逆向きであり、図３においては全ての面が左回りに回転しようとする。この輪郭すべり振動は、平行に対向する辺が存在する形状、特に矩形において発生しやすいが、平行に対向する辺が存在しない三角形においては発生しにくい。
【００１４】
駆動部１１を設けずに矩形状の水晶片１０に励振電極２１、２２を設けた場合について図４（ａ）に示す。図４（ａ）を用いて水晶振動子１の副振動について説明すると、矩形である水晶片１０上の励振電極に対して電圧を印加することにより水晶片１０は符号１０ａにより示すように変形し、副振動が発生する。図４（ａ）において１００は輪郭すべり振動により副振動が起こる領域である。  
そこで本実施形態においては、図４（ｂ）のように水晶片１０上に三角形状を有するメサ領域である駆動部１１を設けている。駆動部１１は三角形状を有することにより、上述のように輪郭すべり振動が発生しにくい。
【００１５】
上記実施形態によれば矩形の水晶片１０からなる支持部の一面側に、メサ領域をなす三角形状の駆動部１１を形成している。この駆動部１１表面に励振電極の一方、即ち励振電極２１を形成することにより、輪郭すべり振動である副振動の影響を受けにくくしている。よって副振動による悪影響の発生、例えばActivity DipsやＲ１値の増大を抑えることができる。一方厚みすべり振動については従来の水晶振動子と同様に主振動として用いることができる。
【００１６】
また、三角形状の水晶片を直接水晶振動子として用いた場合、三角形の角部が導電性接着剤により支持される支持点になるため振動エネルギーが周囲の支持点から漏れやすくなる。このため水晶片に対して電極面積を大きくすると、振動エネルギーの漏れ量が多くなることから、電極面積を小さくしなければならないが、そうすると水晶片１０を矩形とした場合に比してＲ１値が上昇するので、この点において本実施形態の水晶振動子１は有利である。また、駆動部１１の形状をメサ構造とすることにより、水晶片１０の構造を水晶振動子として支持しやすい構造（例えば矩形）とすることが可能であるので、水晶片１０の寸法を小さくでき、よって水晶振動子１全体の寸法を小さくできるという利点がある。
なお、上述した実施形態においては、水晶片１０を矩形としてきたが、円形の水晶片１０を用いて水晶振動子１を形成してもよい。  
また、既述のようにメサ領域である三角形状の駆動部１１は、振動エネルギーがメサ領域内に閉じ込められるので、励振電極２１、２２を駆動部１１全面に形成してもよい。
【００１７】
続いて、上述の実施形態の水晶振動子１の適用例として、発振器として用いられる振動子パッケージ３に適用する場合について図５を用いて簡単に説明する。この振動子パッケージ３は、配線基板３３上に配置されたベース体３１及び蓋体３２から形成される空間内部に水晶振動子１を導電性接着剤６によって片持ちで支持することにより構成されている。振動子パッケージ３はベース体３１内の導電路５及び配線基板３３内の導電路３４により発振回路３５に接続される。
【００１８】
ここで水晶振動子における主振動と副振動の関係について図６及び図７を用いて考察する。  
水晶振動子における振動は、主振動（厚みすべり振動）のみを考えると、発振周波数とアドミッタンスとの関係は図６（ａ）に示すような曲線によって表される。しかし実際には、上述したように振動子上に副振動を起こす部位が存在するため、例えば主振動の他に副振動として例えば輪郭すべり振動を考慮すると、発振周波数とアドミッタンスとの関係は図６（ｂ）において示すように変化し、周波数ｆ１においてアドミッタンスの値が突出している。水晶振動子においてこの周波数ｆ１の振動は副振動のひとつである。周波数ｆ１の値は、図７に示す周波数と時間経過との関係のグラフにおいて、主振動の周波数と温度との関係により描かれる曲線と、副振動の周波数と温度との関係により描かれる直線との交点の、周波数ｆ１の値から求めることができる。
【００１９】
ここで水晶振動子の基本波の周波数は図６（ａ）の一番左側のピークの周波数であるとし、この周波数の値をｆ０とする。副振動の性質が変化すると図６における副振動を表す直線が移動し、従って主振動を表す曲線との交点が移動することからｆ１の値が変化する。そして図６（ｂ）においてｆ１がｆ０と等しくなると、主振動と副振動が結合し、いわゆる周波数ジャンプと呼ばれる現象が生じ、水晶振動子全体として異常な挙動を示す。
【００２０】
本発明における、メサ構造を有し水晶振動子１の中心に対して非対称である駆動部１１の形成は、副振動によるゲインの発生や副振動そのものの抑制作用を示し、例えば上述の実施形態においては水晶振動子においてActivity DipsやＲ１値上昇を抑制する効果を示す。さらには上述した、周波数ジャンプを抑制する方法としても有効である。よって、当該駆動部１１は、水晶振動子における副振動による悪影響を抑制する手段として有用な効果を示すといえる。
【符号の説明】
【００２１】
１          水晶振動子
１０        水晶片
１１        駆動部
２１、２２  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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