(57)【要約】【課題】  更なる共振抵抗ＣＩの低下を実現し得る輪郭すべり振動子を提供する。【解決手段】  輪郭すべり振動子１０は、板状の水晶片２０と、水晶片２０の両面に設けられた電極３０ａ，３０ｂとを備えている。水晶片２０は、Ｚ軸に垂直な面をＸ軸を中心に一定角度回転させた板面２１と、板面２１内においてＸ軸の方向の中心線からなる長辺２２と、板面２１内において長辺２２に垂直な方向の中心線からなる短辺２３とを有する。板面２１は、長辺２２にも短辺２３にも線対称である。長辺２２に垂直な方向の長さは、短辺２３の位置で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなる。【選択図】  図１
2015142150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の水晶片と、この水晶片の両面に設けられた電極と、を備えた輪郭すべり振動子において、
前記水晶片は、Ｚ軸に垂直な面をＸ軸を中心に一定角度回転させた板面と、この板面内において前記Ｘ軸の方向の中心線からなる長辺と、前記板面内において前記長辺に垂直な方向の中心線からなる短辺とを有し、
前記長辺に垂直な方向の長さは、前記短辺の位置で最も長く、前記長辺の両端に近づくにつれて短くなる、
ことを特徴とする輪郭すべり振動子。
【請求項２】
前記板面は、前記長辺にも前記短辺にも線対称である、
請求項１記載の輪郭すべり振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輪郭寸法で振動周波数が決定される輪郭すべり振動子に関する。なお、本明細書では、元素名を元素記号で示すことにする。
【背景技術】
【０００２】
伸縮の変位を持ち板面の長辺短辺方向の結合モードとして知られているＧＴカット振動子は、周波数温度特性が温度の三次関数となり比較的良好である。しかし、このＧＴカット振動子は、板面全体で振動を起こすため、素子支持部による振動阻害を起こし、共振抵抗ＣＩ（Crystal Impedance）が悪化する問題があった（特許文献２）。
【０００３】
また、ラーメモード振動子、ＧＴカット振動子等において、振動阻害を少なくするために支持部を細くする技術が知られている（特許文献３、４）。しかし、この技術は、共振抵抗ＣＩが良化する一方で、落下衝撃等に対する信頼性が悪化するという、トレードオフの関係があるため、実用化が困難であった。
【０００４】
更に、最も利用されているＡＴカット振動子は、落下衝撃等に対する信頼性については実績があり良好であるものの、−５０℃から２００℃までと広い温度範囲の周波数温度特性となると、三次の温度曲線の変極点が２５℃付近にあるため、高温側が良好とは言えない。特に低周波数帯におけるＡＴカット振動子は、エネルギ閉じ込め及び振動姿態の観点から水晶板の厚みに対する縦横寸法を大きく確保する必要があるため、共振抵抗ＣＩを実用化レベルまで低く抑えつつ小型化するには限界があった（特許文献５）。
【０００５】
このような関連技術の課題を解決する技術として、輪郭すべり振動子が着目されている。輪郭すべり振動とは、板面と平行なすべり歪みの振動変位を主変位として持ち、その主振動の振動周波数が板の輪郭の寸法によって定まる振動のことをいう。輪郭すべり振動子は、低周波帯領域での小型振動子として知られており、ＣＴカット、ＤＴカットなどが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２１１４２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１１７１２０号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３２９４３号公報
【特許文献４】特開平０４−２１３９１０号公報
【特許文献５】特開２００７−０３６７５８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】富川義朗著、「超音波エレクトロニクス振動論−基礎と応用−」、初版、株式会社朝倉書店、１９９８年２月、ｐ．５４−７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、輪郭すべり振動子に対しても、近年の性能向上の期待により、更なる共振抵抗ＣＩの低下が要求されている。
【０００９】
また、周波数温度特性の良いとされるＤＴカットの輪郭すべり振動子でも、一次温度係数αがほぼ零であるものの、二次温度係数βは−１．８×１０-8／℃2と大きい（特許文献１）。そのため、振動子に要求される−４０℃から１５０℃までの範囲で、輪郭すべり振動子の周波数変動量は約１６０ｐｐｍ程度と大きかった。このように、輪郭すべり振動子は周波数温度特性に問題があった。
【００１０】
そこで、本発明の主な目的は、更なる共振抵抗ＣＩの低下を実現し得る輪郭すべり振動子を提供することにある。本発明の他の目的は、上述した課題である周波数温度特性を向上し得る輪郭すべり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】
【００１１】
本発明に係る輪郭すべり振動子は、
板状の水晶片と、この水晶片の両面に設けられた電極と、を備え、
前記水晶片は、Ｚ軸に垂直な面をＸ軸を中心に一定角度回転させた板面と、この板面内において前記Ｘ軸の方向の中心線からなる長辺と、前記板面内において前記長辺に垂直な方向の中心線からなる短辺とを有し、
前記長辺に垂直な方向の長さは、前記短辺の位置で最も長く、前記長辺の両端に近づくにつれて短くなる、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｘ軸の方向の中心線からなる長辺と、長辺に垂直な方向の中心線からなる短辺とを有する水晶片を用い、かつ、長辺に垂直な方向の長さを、短辺の位置で最も長く、長辺の両端に近づくにつれて短くなるようにしたことにより、振動エネルギを効率的に板面に閉じ込めることができるので、更なる共振抵抗ＣＩの低下を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１の輪郭すべり振動子を示し、図１［１］は平面図、図１［２］は図１［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図１［３］は図１［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】実施形態１における水晶片を示し、図２［１］は結晶軸とカット角との関係を示す説明図、図２［２］は面内回転角を示す説明図である。
【図３】実施形態１の輪郭すべり振動子における外形例を示す平面図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例、図３［３］は第三例である。
【図４】実施形態１の輪郭すべり振動子における支持部も含めた具体例を示す斜視図であり、図４［１］は第一例、図４［２］は第二例である。
【図５】実施形態１の輪郭すべり振動子をパッケージに搭載した具体例を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるＶａ−Ｖａ線及びＶｂ−Ｖｂ線断面図である。
【図６】実施形態１の輪郭すべり振動子における分散曲線を示し、図６［１］は分散曲線を計算するための説明図、図６［２］は分散曲線のグラフである。
【図７】実施形態１の輪郭すべり振動子における振動変位分布を示すシミュレーション結果である。
【図８】実施形態２の輪郭すべり振動子における周波数温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は実施形態１の輪郭すべり振動子を示し、図１［１］は平面図、図１［２］は図１［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図１［３］は図１［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。図２は実施形態１における水晶片を示し、図２［１］の結晶軸とカット角との関係を示す説明図、図２［２］は面内回転角を示す説明図である。図３は、実施形態１の輪郭すべり振動子における外形例を示す平面図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例、図３［３］は第三例である。以下、図１、図２及び図３に基づき説明する。
【００１６】
本実施形態１の輪郭すべり振動子１０は、板状の水晶片２０と、水晶片２０の両面に設けられた電極３０ａ，３０ｂとを備えている。水晶片２０は、Ｚ軸に垂直な面をＸ軸を中心に一定角度回転させた板面２１と、板面２１内においてＸ軸の方向の中心線からなる長辺２２と、板面２１内において長辺２２に垂直な方向の中心線からなる短辺２３とを有する。長辺２２に垂直な方向の長さは、短辺２３の位置で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなる。板面２１は、長辺２２にも短辺２３にも線対称である。つまり、長辺２２を対称軸とし、長辺２２を境に板面２１を二つの部分に分け、一方を折り返すともう一方に重なる。かつ、短辺２３を対称軸とし、短辺２３を境に板面２１を二つの部分に分け、一方を折り返すともう一方に重なる。
【００１７】
短辺２３の長さは輪郭すべり振動子１０の共振波長λの半分である。電極３０ａ，３０ｂはＭｏ又はＡｌからなる。ここで、本発明における「Ｍｏからなる」のＭｏには、純粋なＭｏの他に、Ｍｏを主成分としＭｏと実質的に同等の効果を奏する合金も含まれるものとする。同様に、「Ａｌからなる」のＡｌには、純粋なＡｌの他に、Ａｌを主成分としＡｌと実質的に同等の効果を奏する合金も含まれるものとする。
【００１８】
水晶は、シリコンと酸素で構成される三方晶系の単結晶からなり、成長軸（光軸）をＺ軸とし、これと垂直に稜線を結ぶ軸をＸ軸(電気軸)とし、これと直交する軸をＹ軸(機械軸)として表現される。図２［１］に示すように、水晶片２０は、水晶インゴットから所定の角度で切り出された水晶ウェハ２０’を、更に所定の形状に形成したものである。水晶ウェハ２０’は、水晶のＺ軸に垂直な面を、Ｘ軸を中心に例えば１５°以上かつ３０°以下回転させた板面２１を含む。このとき、板面２１内においてＸ軸に垂直な方向をＹ’軸とする。図２［２］に示すように、長辺２２は、水晶片２０の長手方向の最大の長さと、板面２１内においてＸ軸から０°回転させた方向（すなわちＸ軸と同じ方向）とを有する。短辺２３は、水晶片２０の短手方向の最大の長さと、長辺２２に垂直な方向とを有する。なお、水晶の単結晶の構造は、Ｚ軸に２回対称であり、Ｘ軸に３回対称である。そのため、本発明で用いる水晶の面には、前述の面に対称又は等価な面も含まれる。
【００１９】
図１［１］に示すように、長辺２２に垂直な方向の長さは、長辺２２の中央すなわち短辺２３で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなる。換言すると、水晶片２０の形状は、図１［１］において上辺と下辺が曲線状であり、全体として楕円状になっている。しかし、長辺２２に垂直な方向の長さが、長辺２２の中央で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなれば、どのような形状でもよい。例えば、図３［１］の輪郭すべり振動子１１では、上辺及び下辺の中央部が直線状になっている。図３［２］の輪郭すべり振動子１２では、上辺及び下辺の中央部及び端部が直線状になっている。図３［３］の輪郭すべり振動子１３では、両端から中央にかけて直線状になっており、全体として菱形状になっている。
【００２０】
次に、輪郭すべり振動子１０の製造方法について説明する。電極３０ａ，３０ｂは、蒸着、スパッタリング、メッキ等を用いて水晶の水晶ウェハ２０’の表裏に成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングする。その後、ウエットエッチングによって、電極３０ａ，３０ｂ及び水晶ウェハ２０’のエッチングを行い、電極３０ａ，３０ｂ及び水晶片２０の形状を形成する。
【００２１】
図４は実施形態１の輪郭すべり振動子における支持部も含めた具体例を示す斜視図であり、図４［１］は第一例、図４［２］は第二例である。図５は実施形態１の輪郭すべり振動子をパッケージに搭載した具体例を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるＶａ−Ｖａ線及びＶｂ−Ｖｂ線断面図である。以下、図４及び図５に基づき、実施形態１の輪郭すべり振動子について更に詳しく説明する。
【００２２】
図４［１］に示すように、実際の製造工程では、電極３０ａ，３０ｂ及び水晶片２０の形状を形成する際に、水晶片２０の端部に支持部４０も形成することが一般的である。図４［１］では水晶片２０の一端に支持部４０を形成しているが、図４［２］に示すように水晶片２０の両端にそれぞれ支持部４１，４２を形成してもよい。
【００２３】
パッケージ５０は、セラミックスや合成樹脂などの絶縁体を主体とし、基板部５１、枠部５２、図示しない蓋部などからなり、輪郭すべり振動子１０を収容する。輪郭すべり振動子１０の支持部４０は、基板部５１に設けられた台座５３に、導電性樹脂５４を介して固定されるとともに電気的に接続される。なお、図５［２］は、図５［１］において導電性樹脂５４を通らないＶａ−Ｖａ線断面図と、導電性樹脂５４を通るＶｂ−Ｖｂ線断面図とを合成したものである。
【００２４】
次に、実施形態１の輪郭すべり振動子の動作を説明する。図６は実施形態１の輪郭すべり振動子における分散曲線を示し、図６［１］は分散曲線を計算するための説明図、図６［２］は分散曲線のグラフである。図７は、実施形態１の輪郭すべり振動子における振動変位分布を示すシミュレーション結果である。
【００２５】
図６に示す分散曲線の計算結果について説明する。分散曲線については、例えば非特許文献１に詳しい。図６［１］に示すように、分散曲線を計算するにあたり、輪郭すべり振動子１０の短辺２３に平行な線で、輪郭すべり振動子１０を１２個の領域に分割する。輪郭すべり振動子１０は短辺２３に対して対称であるから、短辺２３を境に片側となる領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆについてのみ分散曲線を計算する。その結果は図６［２］に示すとおりである。
【００２６】
図６［２］において縦軸は周波数ω［Ｈｚ］、横軸は波数ｋである。共振周波数ωｒにおける各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの波数ｋａ，ｋｂ，ｋｃ，ｋｄ，ｋｅ，ｋｆを、各領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆの分散曲線から求めると、波数ｋａ，ｋｂ，ｋｃは実数になり、波数ｋｄ，ｋｅ，ｋｆは虚数になる。このことは、領域Ｄ，Ｅ，Ｆでは振動が減衰し存在できない周波数領域であることを示している。その結果、所望の周波数は領域Ａ，Ｂ，Ｃにエネルギを閉じ込められることとなる。このように、長辺２２に垂直な方向の長さを、短辺２３の位置で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くする（すなわち両端側の周波数ωを上げる）ことにより、振動エネルギの閉じ込めを起こすことが可能となる。
【００２７】
図７に示す振動変位分布のシミュレーション結果について説明する。図１における長辺２２の一端及び他端を図７における位置ａ１，ａ２とし、図１における短辺２３の一端及び他端を図７における位置ｂ１，ｂ２とする。このとき、図７からわかるように、位置ｂ１における振動変位の位相が−π／２［ｒａｄ］のとき、位置ｂ２における振動変位の位相が＋π／２［ｒａｄ］となり、位置ｂ１における振動変位の位相が＋π／２［ｒａｄ］のとき、位置ｂ２における振動変位の位相が−π／２［ｒａｄ］となる。これは、長辺２２の方向がＸ軸の方向に一致しているため、振動位相がπ［ｒａｄ］（１８０度）となっている。これにより、輪郭すべり振動子１０の共振時には、短辺２３の長さが共振波長λの半分となる定常波が発生する。また、位置ａ１，ａ２は定常波の節になってことから、前述した振動エネルギの閉じ込めにより長辺２２の両端での振動が抑えられている。
【００２８】
次に、輪郭すべり振動子１０の作用及び効果について説明する。
【００２９】
輪郭すべり振動子１０は、導電性金属膜からなる電極３０ａ，３０ｂによって、水晶片２０を厚み方向両面から挟み込んだ構造となっている。そして、水平Ａ−Ａ方向を長手方向とし、垂直Ｂ−Ｂ方向を短手方向とした場合、Ａ−Ａ方向中心部の短手方向幅を大きくし端部（すなわち長辺２２の両端）に行くに従い短手方向幅を狭くした構造となっている。
【００３０】
ここで、水平Ａ−Ａ方向中心部のＢ−Ｂ方向幅は、共振波長λの半分と見ることができる。これは、輪郭すべり振動の振動周波数がＢ−Ｂ方向幅に強く依存しているモードを、使用しているためである。本実施形態１では、中心部から端部に行くに従い短手方向幅が狭くなることにより、中心部から端部に行くに従い振動周波数を大きく（すなわち振動波長を小さく）することができるので、中心部にエネルギが閉じ込められる構造となっている。
【００３１】
これにより、端部での不要な輪郭すべり変位が無くなるので、端部に設けた支持部４０による振動阻害を抑えることができ、その結果、共振抵抗ＣＩの劣化を防ぐことが可能となる。また、ＡＴカット振動子と異なり、共振抵抗ＣＩを小さくするために水晶厚みに対する縦横寸法を大きくする制限がないことから、小型化が可能となる。
【００３２】
以上のとおり、本実施形態１の輪郭すべり振動子１０によれば、Ｘ軸の方向の中心線からなる長辺２２と長辺２２に垂直な方向の中心線からなる短辺２３とを有する水晶片２０を用い、かつ、長辺２２に垂直な方向の長さを、短辺２３の位置で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなるようにしたことにより、振動エネルギを効率的に板面２１に閉じ込めることができるので、更なる共振抵抗ＣＩの低下を実現できる。
【００３３】
次に、実施形態２の輪郭すべり振動子について、図１及び図２に基づき説明する。本実施形態２の輪郭すべり振動子は、実施形態１の輪郭すべり振動子において特定のカット角の水晶片２０と、Ｍｏ又はＡｌからなる電極３０ａ，３０ｂとを組み合わせることにより、周波数温度特性を向上させたものである。水晶片２０のカット角は、水晶のＺ軸に垂直な面を、Ｘ軸を中心に１５°以上かつ３０°以下回転させた範囲にあるとき、周波数温度特性が向上する。
【００３４】
図８は、本実施形態２の輪郭すべり振動子における周波数温度特性の一例である。この例では、Ａｌの電極３０ａ，３０ｂを用い、水晶のＺ軸に垂直な面をＸ軸を中心に２２．５°回転させた水晶片２０を用い、水晶片２０の長手方向をＸ軸方向としている。これに加え、電極３０ａ，３０ｂの厚みをＨｍ、水晶片２０の厚みをＨとしたとき、Ｈｍ／Ｈ＝０．０５５としている。
【００３５】
図８からわかるように、特許文献１に記載の周波数温度特性の良いＤＴカット輪郭すべり振動子と比較しても、本実施形態２の輪郭すべり振動子は±１０ｐｐｍ程度と格段に良好な周波数温度特性が得られている。本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００３６】
本発明は、次のように表現することもできる。
【００３７】
本発明は、輪郭寸法で振動周波数が決定される輪郭すべり振動子である。使用する水晶板は、水晶のＺ軸に垂直な面を、Ｘ軸を中心に１５°以上かつ３０°以下回転させたものである。その水晶板から形成される水晶片は、長手方向をＸ軸方向としたものである。そして、電極の導電性金属膜としてＭｏ又はＡｌを使用し、水晶の板厚みに対する電極厚みを調整することで、−５０℃〜２００℃と広い温度範囲において周波数温度特性を良好とすることが可能となる。
【００３８】
また、振動周波数を決定する短辺方向幅の寸法を中心部から端部にかけて小さい寸法とすることにより、短辺方向幅の大きい中心付近にエネルギを閉じ込めることが可能となる。そのため、端部に設けられた支持部による共振抵抗ＣＩの劣化を抑制できるので、共振抵抗ＣＩの小さい小型水晶振動子を提供することが可能となる。
【００３９】
なお、水晶の単結晶の構造は、光軸であるＺ軸に２回対称であり、電気軸であるＸ軸に３回対称である。そのため、本発明で用いる水晶の面に対称又は等価な面は、本発明と同様の特性を有することは言うまでもない。
【００４０】
本発明によれば、特定のカット角の水晶片とＭｏ又はＡｌからなる電極とを組み合わせることにより、−５０℃から２００℃といった広温度範囲における周波数温度特性に優れた振動子を提供することができ、かつ、水晶板面内での短辺方向幅を調整することによるエネルギ閉じ込め形状が可能となるため、従来の振動子では困難であった、小型で共振抵抗ＣＩの小さい振動子を得ることができる。
【００４１】
［付記４］前記一定角度は１５°以上かつ３０°以下である、
付記１、２又は３記載の輪郭すべり振動子。
［付記５］前記電極はＭｏからなり、前記電極の厚みをＨｍ、前記水晶片の厚みをＨとしたとき、一定値Ａ１ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦一定値Ａ２が成り立つ、
付記４記載の輪郭すべり振動子。
［付記６］前記電極はＡｌからなり、前記電極の厚みをＨｍ、前記水晶片の厚みをＨとしたとき、一定値Ｂ１ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦一定値Ｂ１が成り立つ、
付記４記載の輪郭すべり振動子。
【００４２】
以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１０，１１，１２，１３  輪郭すべり振動子
２０  水晶片
２０’  水晶ウェハ
２１  板面
２２  長辺
２３  短辺
３０ａ，３０ｂ  電極
４０，４１，４２  支持部
５０  パッケージ
５１  基板部
５２  枠部
５３  台座
５４  導電性樹脂
【図１】
2015142150.tif 000003
【図２】
2015142150.tif 000004
【図３】
2015142150.tif 000005
【図４】
2015142150.tif 000006
【図５】
2015142150.tif 000007
【図６】
2015142150.tif 000008
【図７】
2015142150.tif 000009
【図８】
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