(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子であって、
略円盤形状に形成された厚みすべり水晶振動板があり、
前記水晶振動板の片面には、曲率半径の異なる２つ以上の曲率部を有するプラノコンベックス研磨加工部を形成してなり、
前記水晶振動板の中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部と、前記水晶振動板の端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部とを有し、
前記水晶振動板の中央から前記水晶振動板の端部に向かって、各プラノコンベック研磨加工部の曲率半径が順次小さく形成され、かつ各プラノコンベック研磨加工部の表面粗さが順次粗く形成されてなり、
前記水晶振動板の中央の曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５ｎｍ〜５００ｎｍに形成し、
前記水晶振動板の端部の曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法でした５μｍ〜５０μｍに形成したことを特徴とする水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶振動子に関するものであり、水晶振動板の構造を改善するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は共振特性に優れることから、周波数、時間の基準源として広く用いられており、水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄膜電極を外気から保護するため、パッケージ体により気密封止されている。
【０００３】
このうちＯＣＸＯと称される恒温槽型水晶発振器に用いられる水晶振動子では、金属性のパッケージ体が用いられているのが現状である。具体的には、特許文献１に示すように、金属ベースにはガラスなどの絶縁材を介して一対の金属リード端子が植設されており、当該金属リード端子のインナーリード部分には、一対の金属平板のサポート部材が対向して取り付けられている。水晶振動板は、例えば、ＳＣカットやＡＴカット水晶振動板であり、表裏面には励振電極と、各励振電極からの引出電極が形成されている。そして、前記金属サポートの上に水晶振動板が搭載され、導電接合材により電気的機械的に接続されるとともに、前記金属ベースに金属製の蓋を被せて気密封止する構成となっている。
【０００４】
なお、ＯＣＸＯは外部の温度変化に影響することなく、水晶振動子を恒温槽内で温度制御することにより周波数の高安定化を行ったものであり、周波数安定度として１×１０-7〜１×１０-10程度の水晶振動子で得られる最高水準の周波数安定度を得ることができるため、無線基地局や伝送ラインなどの基準周波数として利用されている。
【０００５】
特許文献１では、様々な形状の水晶振動板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−９６７０１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７７９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような高安定向けの水晶振動板としては、プラノコンベックス加工するのが主流となっている。水晶振動子の小型化に伴いコンベックス加工された水晶振動板に対しても小さく設計する必要があるが、水晶振動板を小さく設計するとＣＩ値（直列共振抵抗値）が大きくなるなどの問題がある。そこで水晶振動板の小型化に合わせてコンベックス加工の曲率も小さくするのが一般的な手法であるが、振動エネルギー閉じ込め効果が入りすぎてしまい、駆動レベルが低い状態（低ドライブ）で過電流となり、振動特性として非線形的な変動を起こすなどの問題点を有していた。特にこのようなコンベックス加工による問題は直径が８ｍｍ以下の小型水晶振動板に顕著な傾向が現れているのが現状であった。
【０００８】
そこで特許文献２に示すような水晶振動板が提案されているが、水晶振動板を曲率半径の異なる多段のプラノコンベックス形状に加工するのに時間がかかりコスト高となる。またより特性を向上させるため水晶振動板を曲率半径の異なる多段のプラノコンベックス形状に加工したとしても、主振動のエネルギートラップを完全に達成すること技術的に困難であり、主振動以外のスプリアス振動が発生してしまうことがあった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、安価で小型化にも対応させながらスプリアス振動の抑制も行えるより電気的特性の優れた高安定向けの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】
【００１０】
そこで、本発明の水晶振動子は、略円盤形状に形成された厚みすべり水晶振動板があり、前記水晶振動板の片面には、曲率半径の異なる２つ以上の曲率部を有するプラノコンベックス研磨加工部を形成してなり、前記水晶振動板の中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部と、前記水晶振動板の端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部とを有し、前記水晶振動板の中央から前記水晶振動板の端部に向かって、各プラノコンベック研磨加工部の曲率半径が順次小さく形成され、かつ各プラノコンベック研磨加工部の表面粗さが順次粗く形成されてなり、前記水晶振動板の中央の曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５ｎｍ〜５００ｎｍに形成し、前記水晶振動板の端部の曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法でした５μｍ〜５０μｍに形成したことを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、前記水晶振動板の片面には、曲率半径の異なる２つ以上の曲率部を有するプラノコンベックス研磨加工部を形成してなり、前記水晶振動板中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部と、前記水晶振動板端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部とを有していることで、水晶振動板の小型化に対応させながら、エネルギー閉じ込め効果の低下をなくし、主振動のＣＩ値（直列共振抵抗値）特性やＣＩ値（直列共振抵抗値）温度特性などを改善することができる。また水晶振動板の小型化にともなって、曲率の小さなプラノコンベックス研磨加工部のみを形成してエネルギー閉じ込め効果が高まりすぎることによる弊害を曲率の大きなプラノコンベックス研磨加工部によって改善することができる。特に水晶振動板の駆動レベルによる周波数変動量が小さくなり線形のより高安定な電気的特性が得られる。結果として主振動の共振レベルを向上させ安定させることができる。
【００１２】
またプラノコンベックス研磨加工部として水晶振動板の一主面（片面）のみに研磨加工領域を形成しているので、完成した水晶振動板の最厚肉部分（頂点部）の設計やその位置認識が容易となり、周波数設計や励振電極の形成位置の最適化が容易に行え、生産性の優れた水晶振動板が得られる。なお、基本波を主振動として使う水晶振動子よりも振動領域が小さいオーバートーンを主振動として使う水晶振動子のほうがこのようなメリットを生かせる点でより好ましい。
【００１３】
また前記水晶振動板中央から前記水晶振動板端部に向かって、各プラノコンベック研磨加工部の曲率半径が順次小さく形成され、かつ各プラノコンベック研磨加工部の表面粗さが順次粗く形成されてなるため、水晶振動板の中央の曲率部より水晶振動板の端部の曲率部の表面粗さが粗く形成することができる。特に曲率半径が小さく研磨加工に時間がかかる一方で主振動には悪影響が生じにくい水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部を粗研磨のみで加工できるため、加工時間が飛躍的短縮できる。加えてこの粗研磨により加工された表面粗さの粗い水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部により、水晶振動板の端部付近に存在するスプリアスを抑制することができる。また表面粗さの粗い水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部と保持部材を導電接合材で接合することで、その接合強度も同時に高めることができる。
【００１４】
本発明では、曲率半径の異なる３つ以上の曲率部を有するプラノコンベックス研磨加工部を構成してもよい。一般的に、水晶振動板を粗く研磨加工することで早く削れ、研磨加工時間を短縮することができるものの水晶振動板に対する残留加工応力が大きくなり、水晶振動板として加工歪が残ることがある。これに対して、曲率半径の異なる３つ以上の曲率部を有することで、前記水晶振動板中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部と、前記水晶振動板端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部の間にこれらの中間プラノコンベックス研磨加工部を順次形成される。このため段階的に粗く形成されて、水晶振動板の加工歪の影響を軽減することができる。特に水晶振動板端部で生じやすい加工歪が水晶振動板中央部に直接伝わらないため、主振動に対する悪影響も抑制することができ、スプリアス振動を抑えるのにさらに好ましい形態となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、安価で水晶振動板の小型化に対応させながら、ＣＩ値（直列共振抵抗値）を向上させることができ、水晶振動板の駆動レベルによる周波数変動量も小さくすることができる。線形の特性が得られる高安定向けの水晶振動子を提供することができる。またスプリアス振動による寄生発振も生じにくく、ＣＩ値（直列共振抵抗値）温度特性等も改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を示す水晶振動子の分解斜視図。
【図２】本発明の実施例１を示す水晶振動板の平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図４】本発明の実施例２を示す水晶振動板の平面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明による実施の形態を、水晶振動子を例にとり、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態を示す水晶振動子の分解斜視図であり、図２は本発明の実施例１を示す水晶振動板の平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４は本発明の実施例２を示す水晶振動板の平面図であり、図５は図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。なお、各形態において同様の部分については同番号を付すとともに特に必要がなければ説明の一部を割愛している。
【００１８】
ベース１は全体として低背の長円柱形状であり、金属製のシェルを主とするベース本体１０に金属リード端子１１，１２が貫通して植設された構成であり、絶縁ガラスＧがベース本体の一部に充填されることにより、これら金属リード端子１１，１２は電気的に独立して一体形成されている。
【００１９】
金属リード端子１１，１２は細長い円柱形状であり、このインナーリードの先端部には、後述する金属サポート１３，１４が溶接の手法（レーザー溶接、スポット溶接等）により対向して取り付けられている。このため、前記金属サポートを金属リード端子に搭載する場合に傾くことなく水平に安定し搭載でき、溶接面積も拡大するので、接合強度が向上し、金属サポートを金属リード端子溶接する際の信頼性が飛躍的に向上する。
【００２０】
金属サポート１３，１４は、例えばニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で、水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近いもの、あるいは水晶の熱膨張係数に近似している金属材料を用いている、具体的に三菱マテリアル株式会社製のものであれば、ＭＡ―ＩＮＶ３６<Fe-36Ni>（インバー/アンバー）、ＭＡ−Ｓ−ＩＮＶＥＲ<Fe-32Ni-5Co>（スーパーインバー）、ＭＡ９０２<Fe-42Ni-Ｃｒ-Ti>（ＮＩ−ＳＰＡＮ−Ｃ）等があげられる。
【００２１】
このような金属サポート１３，１４は、図示しないが、例えば厚みが０．１ｍｍのインバーなどの金属母材に対してその表裏主面に対して３〜１０μｍの銅メッキからなる当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜が形成されている。また前記金属リード端子と接合されるリード接続部と、断面略コ字形状で後述する水晶振動板を挟み込んだ状態で保持する水晶振動板保持部とを有している。
【００２２】
上記金属サポート１３，１４と後述する水晶振動板２とを接合する金属ろう材としては、例えばＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、Ａｕなどの金系合金ろう材ペレットを用い、前記金属サポートの金属ろう材溜まり部などに対して予め溶接などで取り付けるとよい。なお、上述の実施形態の構成に限らず、前記リード端子のインナーリード先端部が、釘頭形状のもののみを例にしているが、通常のインナーリード形状のものにでも適用できる。また接合構成として金属ろう材によるものに限らず、導電性樹脂接着剤を用いてもよく、金属ろう材と導電性樹脂接着剤を組み合わせたものであってもよい。
【実施例１】
【００２３】
水晶振動板２は、例えばＡＴカットやＳＣカットの略円盤形状の厚みすべり水晶振動板からなり、周波数が３次オーバートーンで５ＭＨｚのものを用いている。また水晶振動板の一方の主面（片面）には、曲率半径の異なる２つ以上の曲率部を有するプラノコンベックス研磨加工部を形成している。実施例１では、水晶振動板２の中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部２１と、水晶振動板２の端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部２２の２つのプラノコンベックス研磨加工部を有している。さらに水晶振動板２の中央のプラノコンベックス研磨加工部２１から水晶振動板２の端部のプラノコンベックス研磨加工部２２に向かって、プラノコンベック研磨加工部の曲率半径が順次小さく形成されている。
【００２４】
具体的にはプラノコンベックス研磨加工部２１は曲率半径４００ｍｍ（Ｒ４００）で構成され、プラノコンベックス研磨加工部２２は曲率半径１５０ｍｍ（Ｒ１５０）で構成されている。なお水晶振動板２のうちの特定の軸に沿った両端部には、必要に応じてオリエンテーションフラット２４を形成してもよい。また水晶振動板２の両主面の端部には、図示していないが必要に応じてベベル研磨加工部（例えば曲率半径４５ｍｍのもの（Ｒ４５））を構成してもよい。
【００２５】
また水晶振動板２の中央のプラノコンベックス研磨加工部２１から水晶振動板２の端部のプラノコンベックス研磨加工部２２に向かって、各プラノコンベック研磨加工部の表面粗さが順次粗く形成されている。実施例１では、具体的にプラノコンベックス研磨加工部２１の曲率部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５ｎｍ〜５００ｎｍ程度に形成し、プラノコンベックス研磨加工部２２の曲率部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５μｍ〜５０μｍ程度に形成している。
【００２６】
水晶振動板２の表裏面には、真空蒸着法やスパッタリング法等の手法により図示しない励振電極と引出電極、金属ろう材との接続電極などを形成している。電極が形成された水晶振動板２を図示しない金属ろう材などにより金属サポート１３，１４に電気的機械的な接合がなされる。またこのような状態で水晶振動板が搭載されたベース１に図示しない蓋を被覆し真空雰囲気中で気密封止することで最終的な水晶振動子が完了する。
【実施例２】
【００２７】
水晶振動板２は、例えばＡＴカットやＳＣカットの略円盤形状の厚みすべり水晶振動板からなり、周波数が基本波で１０ＭＨｚのものを用いている。上記実施例１では２つのプラノコンベックス研磨加工部を有した水晶振動板２を例にして説明したが、図４に示すように、実施例２では、水晶振動板２の中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部２１と、水晶振動板２の端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部２２と、これらの間に曲率半径も中間的なプラノコンベックス研磨加工部２３の３つのプラノコンベックス研磨加工部を有している。さらに上記実施例１と同様に水晶振動板２の中央のプラノコンベックス研磨加工部２１からプラノコンベックス研磨加工部２３、およびプラノコンベックス研磨加工部２３から水晶振動板２の端部のプラノコンベックス研磨加工部２２に向かって、プラノコンベック研磨加工部の曲率半径が順次小さく形成されている。
【００２８】
具体的にはプラノコンベックス研磨加工部２１は曲率半径４００ｍｍ（Ｒ４００）で構成され、プラノコンベックス研磨加工部２３は曲率半径２００ｍｍ（Ｒ２００）で構成され、プラノコンベックス研磨加工部２２は曲率半径１００ｍｍ（Ｒ１００）で構成されている。なお水晶振動板２のうちの特定の軸に沿った両端部には、必要に応じてオリエンテーションフラット２４を形成してもよい。また水晶振動板２の両主面の端部には、図示していないが必要に応じてベベル研磨加工部（例えば曲率半径４５ｍｍのもの（Ｒ４５））を構成してもよい。
【００２９】
また水晶振動板２の中央のプラノコンベックス研磨加工部２１からプラノコンベックス研磨加工部２３、およびプラノコンベックス研磨加工部２３から水晶振動板２の端部のプラノコンベックス研磨加工部２２に向かって、各プラノコンベック研磨加工部の表面粗さが順次粗く形成されている。実施例２では、具体的にプラノコンベックス研磨加工部２１である水晶振動板２の曲率部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５ｎｍ〜５００ｎｍ程度に形成し、プラノコンベックス研磨加工部２３の曲率部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５００ｎｍ〜５μｍ程度に形成し、プラノコンベックス研磨加工部２２の曲率部の表面粗さを平均粗さ（Ｒａ）計測法で５μｍ〜５０μｍ程度に形成している。
【００３０】
上記実施例１、実施例２により、水晶振動板２の小型化に対応させながら、エネルギー閉じ込め効果の低下をなくし、主振動のＣＩ値（直列共振抵抗値）特性やＣＩ値（直列共振抵抗値）温度特性などを改善することができる。また水晶振動板２の小型化にともなって、曲率の小さなプラノコンベックス研磨加工部のみを形成してエネルギー閉じ込め効果が高まりすぎることによる弊害を曲率の大きなプラノコンベックス研磨加工部によって改善することができる。特に水晶振動板の駆動レベルによる周波数変動量が小さくなり線形のより高安定な電気的特性が得られる。結果として主振動の共振レベルを向上させ安定させることができる。
【００３１】
またプラノコンベックス研磨加工部２１，２２，２３として水晶振動板の一主面（片面）のみに研磨加工領域を形成しているので、完成した水晶振動板２の最厚肉部分（頂点部）の設計やその位置認識が容易となり、周波数設計や励振電極の形成位置の最適化が容易に行え、生産性の優れた水晶振動板２が得られる。なお、実施例２のような基本波を主振動として使う水晶振動子２よりも実施例１のような振動領域が小さい３次オーバートーンを主振動として使う水晶振動子のほうがこのようなメリットを生かしやすい。
【００３２】
また水晶振動板２の中央のプラノコンベックス研磨加工部（曲率部）２１より水晶振動板の端部のプラノコンベックス研磨加工部（曲率部）２２の表面粗さが粗く形成することができる。特に曲率半径が小さく研磨加工に時間がかかる一方で主振動には悪影響が生じにくい水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部２２を粗研磨のみで加工できるため、加工時間が飛躍的短縮できる。加えてこの粗研磨により加工された表面粗さの粗い（平均粗さ（Ｒａ）計測法で５μｍ〜５０μｍ）水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部２２により、水晶振動板２の端部付近に存在するスプリアスを抑制することができる。また表面粗さの粗い水晶振動板端部のプラノコンベックス研磨加工部２２と保持部材（金属サポート１３，１４）を導電接合材（金属ろう材など）で接合することで、その接合強度も同時に高めることができる。
【００３３】
また実施例２のように、曲率半径の異なる３つ以上の曲率部（プラノコンベックス研磨加工部２１，２２，２３）を有することで、水晶振動板２の中央に曲率半径の最も大きなプラノコンベックス研磨加工部２１と、水晶振動板２の端部に曲率半径の最も小さなプラノコンベックス研磨加工部２２の間にこれらの中間的なプラノコンベックス研磨加工部２３を順次形成される。このため段階的に粗く形成されて、水晶振動板２の加工歪の影響を軽減することができる。特に水晶振動板２の端部で生じやすい加工歪が水晶振動板２の中央部に直接伝わらないため、主振動に対する悪影響も抑制することができ、スプリアス振動を抑えるのにさらに好ましい形態となる。
【００３４】
上記実施形態により、外部環境温度の変化により金属サポート１３，１４の熱膨張が生じることがほとんどなくなり、金属サポート１３，１４から水晶振動板２に対して外部環境温度の変化による応力を与えることがなくなる。経年変化に対する応力もより一層抑制できる。熱伝導率の高いＣｕメッキを金属サポートの外部表面に形成されていることで、外部環境温度の変化による水晶振動子のパッケージ体（蓋とベース１）外部の温度に対してＣｕメッキ（金属膜Ｍ）が遅れなく水晶振動板２に対して温度を伝え、温度差が生じることがほとんどなくなる。結果として低熱膨張でありながら、熱伝導率も同時に高めることができ、高安定向けの水晶振動子に望ましい保持構造が得られ、水晶振動子のエージング特性と熱追従性を同時かつより効果的に高めることができ、より安定した周波数温度特性を得ることができる。ＯＣＸＯとして水晶振動子を利用する場合の起動特性も向上することができる。つまり水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱して周波数が安定するまでの時間もより短時間で起動させることができる。
【００３５】
また、金属膜を金属サポート１３，１４の表裏主面に形成することで金属サポート全体としての熱変形に偏りが生じることがなくなり、水晶振動板２に対して余分な応力をかけることがない上で好ましい。特に金属膜としてＣｕメッキを用いることで、金属ろう材が溶融する際に濡れ性がよく、金属ろう材による接合力を向上させることができる。汎用されるメッキ浴を用いて比較的安価かつ容易にメッキ形成することができ、伝熱性に優れた金属膜を形成することができる。インバーやスーパーインバーなどニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなる厚さ０．１ｍｍの金属母材に対してＣｕメッキとして３〜１０μｍの厚みで形成することで、コストを抑えながら安定した伝熱性を維持し、サポート全体としての低熱膨張性能の維持や不要な熱応力の悪影響をなくすことができる。Ｃｕメッキとして３μｍより薄く形成すると伝熱性が低下する。Ｃｕメッキとして１０μｍより厚く形成すると金属サポートの曲げ加工等によりメッキの割れの危険性が増したり、サポート全体としての熱膨張性能にも悪影響が生じ水晶振動板に対して不要な熱的な応力を加わりやすくなる危険性が高まる。特にＣｕメッキの厚みにより適正に熱伝導率を調整することができ、上述のように３〜１０μｍの厚みでＣｕメッキを形成することで、水晶振動子の周波数のハンチング（オーバーシュート）を起すことなく、水晶振動板へ伝わる熱遅延することもない条件で保持部材を作成することができる。
【００３６】
また、前記金属ろう材がＡｕＧｅ、ＡｕＳｎ、Ａｕなどの金系合金ろう材からなり、かつ前記水晶振動板２の表裏主面に形成される図示しない励振電極と引出電極、金属ろう材との接続電極が金を主成分とするクロムやニッケルの下地電極層の上面に金電極層が形成されている。このため、励振電極や金属ろう材が酸化等の電気的特性の劣化が生じにくい安定した材料となるので、エージング特性もさらに高めることができる。
【００３７】
なお本発明の水晶振動子は、上記実施形態のようにリード端子を有する金属性のパッケージ体に限らず、例えばアルミナ等のセラミック絶縁材料とタングステンやモリブデン等の導電材料とを適宜積層したセラミック積層基板を用いた表面実装型のパッケージ体であってもよい。
【００３８】
本発明は、その精神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できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。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】
【００３９】
本発明は、水晶振動子等の圧電振動デバイスに適用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ベース
１０  ベース本体
１１，１２  リード端子
１３，１４  金属サポート
２  水晶振動板
【図１】
0005699747.tif 000002
【図２】
0005699747.tif 000003
【図３】
0005699747.tif 000004
【図４】
0005699747.tif 000005
【図５】
0005699747.tif 000006