(57)【要約】【課題】回転Ｙカット水晶板を用いたエッジモード水晶振動片において、支持側の端部への振動漏れを解消して振動エネルギの閉じ込め効果を高める。【解決手段】エッジモード水晶振動片２１の水晶素子片２２は、長手方向の一方の端部２３側に所定厚さの振動部２４と他方の端部２５側に該振動部より厚い支持部２６とを有する。支持部は、２段階又はそれ以上の多段階に厚く形成することができる。支持部は、厚さ一定の水晶基板４３に補強板４４を一体に貼り合わせることにより、形成することもできる。水晶素子片に発生する伝搬モードの波数が振動部と支持部とで異なるので、それらの間に画定される段差２７，２７によって支持部側への振動が減衰され、従って振動漏れが抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転Ｙカット水晶板から形成した長方形の水晶素子片と、エッジモードで励振するために前記水晶素子片の長手方向の一方の端部に形成した励振電極とを備え、
前記水晶素子片が、前記長手方向の一方の端部側に所定の厚さの振動部と、長手方向の他方の端部側に前記振動部よりも厚い支持部とを有し、前記振動部と前記支持部との間が段差をもって画定されていることを特徴とするエッジモード水晶振動片。
【請求項２】
前記水晶素子片が、単一の所定の水晶板から前記振動部と前記支持部とを画定するように形成されることを特徴とする請求項１に記載のエッジモード水晶振動片。
【請求項３】
前記水晶素子片が、単一の所定の水晶板からなる水晶基板と前記水晶基板より長さの短い補強板とを一体に貼り合わせ、前記水晶基板のみからなる部分が前記振動部を画定し、前記水晶基板と前記補強板とを貼り合わせた部分が前記支持部を画定するように形成されることを特徴とする請求項１に記載のエッジモード水晶振動片。
【請求項４】
前記支持部が、前記長手方向の他方の端部側に向けて厚さが段階的に大きくなる複数の支持部分からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のエッジモード水晶振動片。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば共振子やフィルタとしてとして使用する水晶振動片に関し、特にエッジモードで励振する水晶振動片に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、薄い圧電基板の端部に振動エネルギが集中するエッジモードを利用した圧電振動子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。エッジモードの圧電振動子は、形状が簡単で小型化でき、振動エネルギが集中しない圧電基板の他方の端部を固定しても、振動特性に影響しないことから、簡単に支持固定できる利点を有する。
【０００３】
エッジモード振動子の圧電基板に回転Ｙカット水晶板を用いることが知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。非特許文献１，２では、エッジモードに好ましいと考えられる回転Ｙカット水晶板の特性を変分法で解析し、その結果を報告している。この解析結果に基づいて、回転Ｙカット水晶板を用いたエッジモード振動子において、零温度係数を示す頂点温度を任意にかつ容易に選択し得る水晶基板の切断角度決定方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
図４（Ａ）（Ｂ）は、回転Ｙカット水晶板を用いた従来のエッジモードの水晶振動片の典型例を示している。同図において、水晶振動片１は、厚さ一定の細長い長方形の水晶素子片２を備える。水晶素子片２は、図５に示すように、ＩＲＥ表示の（ＹＺｗｔ）φ／θで表されるカット角で切り出した水晶板３から形成することができる。水晶の直交する３つの結晶軸、即ち電気軸、機械軸、光学軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で表したとき、Ｙ軸に垂直な面のＹカット水晶板４をＸ軸周りに時計方向を正として角度φ1 で回転させ、座標軸（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）に沿うＹ´カット水晶板３を得る。水晶板３を、更にＹ´軸周りに時計方向を正として角度θ1 で面内回転させた新たな座標軸（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ”）において、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法をとって切り出すと、水晶素子片２が得られる。
【０００５】
水晶振動片１は、長手方向の一方の端部５に励振電極が設けられる。水晶振動片１の長手方向の他方の端部６は、支持部としてパッケージ等に固定される。励振電極は、端部５の表裏両面にその厚さ方向に電界を印加するように形成される（例えば、非特許文献１を参照）。前記励振電極に所定の電流を印加して励振すると、端部５は、図４（Ａ）に想像線で示すように、面内で水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称な扇状に開閉するように端縁が伸縮するエッジモードの振動を行う。前記励振電極は、誘起電荷分布に対応した形状にすると、エッジモードを効果的に励振でき、容量比を最小にできるとされている（例えば、非特許文献２，特許文献３を参照）。
【０００６】
図６（Ａ）（Ｂ）は、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でθ1 ＝０°又は９０°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合に好ましい励振電極の形状を示している。端部５の表面には、水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称な長楕円類似形状の１対の励振電極７，７が設けられ、それぞれ配線８，８により他方の端部６側に引き出される。端部５の裏面には、励振電極７，７に対応する形状で互いに接続された１対の浮遊電極９，９が設けられる。図７（Ａ）（Ｂ）は、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でθ1 ＝４５°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合に好ましい励振電極の形状を示している。端部５の表裏各面には、それぞれ水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称な半長円類似形状の励振電極１０，１１が設けられ、配線１２，１３により他方の端部６側に引き出される。また、励振電極を圧電セラミック板の長手方向端部にその幅方向に分極するように形成したエッジモード共振子も知られている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００７】
【非特許文献１】清水洋、外１名、「エッジモード水晶振動子」、信学技報、ＵＳ８１−２７、昭和５６年９月、ｐ．１５−２２
【非特許文献２】清水洋、外２名、「エッジモード水晶振動子の切断方位の検討」、信学技報、ＵＳ８２−２５、昭和５７年７月、ｐ．４９−５６
【特許文献１】特開昭５７−８７６１３号公報
【特許文献２】特開昭５９−１３２２１５号公報
【特許文献３】特開昭６０−１２３１２１号公報
【特許文献４】特開２００１−５３５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に水晶基板は、切り出すカット角によって振動モードが異なる性質がある。しかしながら、所望の水晶基板を特定のカット角で正確に切り出すには、高度な加工技術が要求される。本願発明者は、上述したようにエッジモードに好ましい面内回転Ｙカット水晶基板について、面内回転角の製造ばらつきがエッジモードの振動特性に与える影響を有限要素法（ＦＥＭ）で解析した。
【０００９】
図４の従来形状の水晶振動片１において、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でφ1 ＝−６４°、θ1 ＝９０°の理想的な回転Ｙカット水晶板に対して、面内回転角の製造誤差を２％と仮定して、φ1 ＝−６４°、θ1 ＝９５°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合を検討した。水晶素子片２の長さを２５００μｍ、幅を２５０μｍとし、厚さを１０μｍから１００μｍまで１０μｍずつ変化させた。その結果、水晶振動片１の厚さ方向即ちＹ´方向に変位し、他方の端部６側に伝搬する振動成分の存在が判明した。
【００１０】
Ｙ´方向の振動成分は水晶素子片２の厚さに依存し、幅方向即ちＸ´方向、及び長手方向即ちＺ”方向の振動成分に比べて小さい。しかしながら、Ｙ´方向に発生する伝搬モードの振動は、Ｘ´方向及びＺ”方向の振動成分と結合し、支持側の端部６へ振動が漏れるという問題を生じる。その結果、振動エネルギの損失により水晶振動片のＱ値が低下し、性能及び品質を劣化させる虞がある。
【００１１】
かかる振動漏れを防止するためには、水晶振動片を他方の端部でパッケージ等にマウントする際に、その支持部に主振動が及ばないように工夫しなければならない。しかしながら、実際上、そのような支持方法を実現することは困難である。たとえ実現できても、支持強度が低下し、外部からの衝撃等により水晶振動片が容易に脱落する虞があり、信頼性が低下する。
【００１２】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転Ｙカット水晶板からなる水晶素子片を備え、その面内回転角度の製造ばらつきに拘わらず、支持側の端部への振動漏れを解消し又は軽減し、振動エネルギの閉じ込め効果を高めることができるエッジモードの水晶振動片を提供することにある。
また、本発明の目的は、支持側の端部でパッケージ等にマウントする際に、その支持強度を増して強固に固定し得るエッジモードの水晶振動片を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明者は、上述したように従来形状の水晶振動片について振動特性をＦＥＭで解析した際に、発生する伝搬モードの波数が水晶振動片の厚さによって変わることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。
【００１４】
本発明によれば、上記目的を達成するために、回転Ｙカット水晶板から形成した長方形の水晶素子片と、エッジモードで励振するために水晶素子片の長手方向の一方の端部に形成した励振電極とを備え、水晶素子片が、その長手方向の一方の端部側に所定の厚さの振動部と、長手方向の他方の端部側に振動部よりも厚い支持部とを有し、それら振動部と支持部との間が段差をもって明確に画定されるエッジモード水晶振動片が提供される。
【００１５】
上述したように、水晶素子片を伝搬する振動の周波数は、厚さの異なる振動部と支持部とで異なるので、それらの間に画定される段差によって振動が減衰し、振動部から支持部側への振動漏れが有効に抑制される。従って、振動エネルギの閉じ込め効果を高めて、水晶振動片の振動特性を向上させることができる。また、支持部の強度・剛性が高まるので、より強固に固定することができ、支持強度を高めて信頼性を向上させることができる。
【００１６】
或る実施例では、前記水晶素子片が、単一の所定の水晶板から、これを例えばウエットエッチングすることにより、振動部と支持部とを画定するように一体に形成することができる。
【００１７】
別の実施例では、前記水晶素子片が、単一の所定の水晶板からなる水晶基板と該水晶基板より長さの短い補強板とを一体に貼り合わせることにより形成され、水晶基板のみからなる部分により振動部を画定し、水晶基板と補強板とを貼り合わせた部分により支持部を画定することができる。
【００１８】
更に別の実施例では、前記支持部を、長手方向の他方の端部側に向けて厚さが段階的に大きくなる複数の支持部分により形成することができる。これにより、振動部と支持部との段差、及び各支持部分間の段差を小さくしても、最終的に長手方向の他方の端部において振動を十分に減衰させ、十分な振動漏れの抑制効果が得られる。そのため、振動部の励振電極から支持部側に引き出される配線を、各段差において断線させることなく十分な膜厚に形成することが容易にできる。従って、水晶振動片の電気的信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明によるエッジモード水晶振動片の実施例を示している。本実施例のエッジモード水晶振動片２１は、全体として細長い長方形の水晶素子片２２を備える。水晶素子片２２は、上述したようにエッジモードに好適な面内回転角θ＝０°、４５°又は９０°で切り出した回転Ｙカット水晶板から、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法、Ｙ´方向に厚さ寸法をとるように形成される。
【００２０】
水晶素子片２２は、長手方向の一方の端部２３側に所定厚さの振動部２４と、他方の端部２５側に該振動部より厚い支持部２６とを有する。振動部２４及び支持部２６はそれぞれ厚さが一定で、それらの間には、表裏両面において明確な段差２７，２７が画定されている。段差２７，２７によって、振動部２４と支持部２６とでは、伝搬する振動の周波数が異なる。このような段差形状は、例えば前記回転Ｙカット水晶板をウエットエッチングして水晶素子片２２の外形を加工する際に、それと同時に容易に一体に形成することができる。
【００２１】
振動部２４の端部２３には、その表裏各面に従来技術に関連して上述した形状の励振電極（図示せず）が形成される。例えば、水晶素子片２２を面内回転角θ＝０°又は９０°の回転Ｙカット水晶板で形成した場合、図６（Ａ）（Ｂ）に示す形状の励振電極を形成する。水晶素子片２２を面内回転角θ＝４５°の回転Ｙカット水晶板で形成した場合には、図７（Ａ）（Ｂ）に示す形状の励振電極を形成することができる。当然ながら、励振電極には、これら以外の様々な形状を採用することができる。
【００２２】
前記励振電極に所定の電流を印加して励振すると、端部２５は、従来技術の図４（Ａ）に想像線で示すように、面内で水晶振動片２１の長手方向中心線に関して対称な扇状に開閉するように端縁が伸縮するエッジモードの振動を行う。このとき、水晶素子片２２の面内回転角が理想的な０°、４５°又は９０°からずれていると、該水晶素子片の長さ及び幅方向に変位する伝搬モードが、厚さ方向に変位する伝搬モードと共に発生する。本発明によれば、この伝搬モードによる振動が、振動部２４と支持部２６との段差２７，２７によって減衰され、支持部２６側への伝搬を減少させるので、振動漏れが有効に防止又は抑制される。従って、振動エネルギの閉じ込め効果を高め、水晶振動片２１の振動特性を向上させることができる。
【００２３】
水晶振動片２１について、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でφ1 ＝−６４°、θ1 ＝９０°の理想的な回転Ｙカット水晶板に対して、面内回転角の製造ばらつきがエッジモードの振動特性に与える影響をＦＥＭで解析した。本実施例では、面内回転角の製造誤差を２％と仮定し、φ1 ＝−６４°、θ1 ＝９５°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合を検討した。先ず、水晶素子片２２の全長Ｌ0 を２５００μｍ、幅を２５０μｍとし、振動部２４の長さＬ1 を１２５０μｍ、厚さｔ1 を１０μｍとし、支持部２６の長さＬ2 を１２５０μｍ、厚さｔ2 を５０μｍとして、水晶振動片２１の振動変位を解析した。次に、水晶素子片２２の全長Ｌ0 を変えずに、振動部２４の長さＬ1 を１２５０μｍから２５０μｍまで２５０μｍずつ短くし、逆に支持部２６の長さＬ2 を１２５０μｍから２５０μｍまで２２５０μｍずつ長くして、同様に水晶振動片２１の振動変位を解析した。その結果、いずれの場合にも、Ｙ´方向成分の振動変位により支持部２６側へ伝搬する振動が段差２７，２７により有効に減衰され、支持部２６への振動漏れが抑制されることを確認した。
【００２４】
支持部２６の端部２５は、パッケージの実装面等に固定され、水晶振動片２１を片持ちに支持する。本発明の水晶振動片２１は、振動エネルギが振動部２４に閉じ込められるので、支持部２６をより強固に固定することができる。従って、水晶振動片２１がマウント後に外部からの衝撃等によって簡単に脱落する虞が解消され、信頼性が向上する。
【００２５】
図２は、図１に示すエッジモード水晶振動片の変形例を示している。本実施例のエッジモード水晶振動片３１は、上述したように所望の面内回転角で切り出した回転Ｙカット水晶板から形成した、全体として細長い長方形の水晶素子片３２を備える。水晶素子片３２は、長手方向の一方の端部３３側に所定厚さの振動部３４と、他方の端部３５側に該振動部より厚い支持部３６とを有する。本実施例の支持部３６は、振動部３４側にそれより厚い第１支持部分３６ａと端部３５側に該第１支持部分より厚い第２支持部分３６ｂとを有する。
【００２６】
これにより、水晶素子片３２の最大厚さ即ち第２支持部分３６ｂの厚さが図１の実施例における最大厚さ即ち支持部２６の厚さと同じでも、振動部３４と第１支持部分３６ａとの段差３７，３７及び第１支持部分３６ａと第２支持部分３６ｂとの段差３８，３８を、それぞれ図１の実施例における段差２７，２７よりも小さくできる。従って、振動部３４の励振電極から支持部３６へ引き出す配線を、前記段差においても断線させることなく十分な膜厚に形成することが容易になる。このとき、本実施例の各段差における振動漏れの抑制効果は、図１の実施例の場合よりも高さが小さくなるので、それだけ低下する。しかし、振動の伝搬が段差毎に段階的に抑制され、最終的に図１の実施例と同様の振動漏れ抑制効果が得られる。
【００２７】
逆に、段差３７，３７の高さと段差３８，３８の高さとの合計を図１の実施例における段差２７，２７の高さよりも大きくすることにより、振動部３４の厚さが図１の実施例と同じで、第２支持部分３６ｂの厚さを図１の実施例の支持部２６よりも大きくすることができる。これにより、支持部３６は剛性が高くなるので、より強固に固定支持でき、水晶振動片３１をより確実にマウントすることができる。
【００２８】
図３は、図１に示すエッジモード水晶振動片の別の変形例を示している。本実施例のエッジモード水晶振動片４１は、全体として細長い長方形の水晶素子片４２を備える。水晶素子片４２は、所定の長さ及び幅を有しかつ厚さ一定の水晶基板４３と、該水晶基板よりも短くかつ同じ幅で厚さ一定の補強板４４とを有する。水晶基板４３は、上記各実施例の水晶素子片と同様に、エッジモードに好適な面内回転角θ＝０°、４５°又は９０°で切り出した回転Ｙカット水晶板から、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法、Ｙ´方向に厚さ寸法をとるように形成される。補強板４４は、水晶基板４３と同じカット角の回転Ｙカット水晶板でも、それ以外の水晶板でもよく、例えばシリコン材料やガラス材料のような水晶以外の材料で形成することもできる。
【００２９】
水晶基板４３の長手方向の一方の端部４５に、励振電極が形成される。補強板４４は、その長手方向の端部を水晶基板４３の他方の端部４６に合わせて、該水晶基板の表面に一体に貼り合わせる。これにより、図１の実施例と同様に、水晶基板４３の端部４５側に水晶素子片４２の振動部が画定され、端部４６側に補強板４４と水晶基板４３とからなる支持部が画定される。前記支持部は、補強板４４と水晶基板４３とを良好に一体化することによって、前記水晶基板のみの振動部とは、発生する伝搬モードの波数を異ならしめることができる。従って、前記振動部と支持部との段差４７において、図１の実施例と同様に振動漏れを抑制する効果が得られる。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、水晶以外の圧電材料で形成したエッジモード圧電振動片についても、同様に適用することができる。また、図１の実施例では、水晶素子片の片面にのみ段差を有するように支持部を形成することができる。図２の実施例では、振動部を２段階で厚く形成したが、より多段階で厚くするように形成することもできる。図３の実施例では、水晶基板の両面に補強板を貼り合わせたり、片面に複数の補強板を貼り合わせることもできる。更に別の実施例では、水晶素子片の長手方向両端を薄板化してそれぞれ振動部を形成し、それぞれエッジモードで励振させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）図は本発明によるエッジモード水晶振動子の実施例の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図２】（Ａ）図は図１のエッジモード水晶振動子の変形例の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図３】（Ａ）図は図１のエッジモード水晶振動子の別の変形例の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図４】（Ａ）図は従来技術のエッジモード水晶振動子の平面図、（Ｂ）図はその側面図。
【図５】エッジモード水晶振動子に使用する水晶基板のカット角を模式的に示す図。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）図はエッジモード水晶振動子の表面及び裏面の励振電極をそれぞれ示す部分平面図。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）図はエッジモード水晶振動子の表面及び裏面の別の励振電極をそれぞれ示す部分平面図。
【符号の説明】
【００３２】
１，２１，３１，４１…水晶振動片、２，２２，３２，４２…水晶素子片、３，４…水晶板、５，６，２３，２５，３３，３５，４５，４６…端部、７，１０，１１…励振電極、８，１２，１３…配線、９…浮遊電極、２４，３４…振動部、２６，３６…支持部、３６ａ…第１支持部分、３６ｂ…第２支持部分、２７，３７，３８，４７…段差、４３…水晶基板、４４…補強板。
【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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