(57)【要約】【課題】高周波圧電振動子の周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を改善する手段を得る。【解決手段】圧電基板の両主面に対向電極を配置して構成した圧電振動子であって、該圧電振動子の共振周波数をＦ（ＭＨｚ）、前記電極によるプレートバック量をΔ（％）としたときΔ＝（２・Ｆ）１／２−３で表される関係より大きなプレートバック量を用いて構成する。【選択図】      図１
2004207913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＴカット水晶基板の両主面に対向電極を配置して構成した水晶振動子において、該水晶振動子の基本波共振周波数をＦ（ＭＨｚ）、前記電極部分におけるプレートバック量をΔ（％）としたとき、
Δ＞（２・Ｆ）１／２−３
で表される関係を満足していることを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
ＡＴカット水晶基板の両主面に対向電極を配置して構成した水晶振動子において、該水晶振動子の基本波共振周波数をＦ（ＭＨｚ）、前記電極部分におけるプレートバック量をΔ（％）としたとき、
（２・Ｆ）１／２−３＜Δ＜（１３・Ｆ）１／２−３
で表される関係を満足していることを特徴とする水晶振動子。
【請求項３】
基本波周波数が２００ＭＨｚ以上の水晶振動子に適用したことを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶振動子に関し、特に周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を改善した高周波水晶振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子は小型であること、経年変化が小さいこと、高精度、高安定な周波数が容易に得られること等のため、通信機器から電子機器まで広く用いられている。中でも周波数−温度特性が３次曲線を呈するＡＴカット水晶振動子は、広範囲の温度補償回路と組み合わせて携帯電話用のＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）として、恒温槽に収容して基地局用のＯＣＸＯ（高安定水晶発振器）として広く用いられている。また、ＡＴカット水晶板は携帯電話のＩＦ用ＭＣＦ（モノリシック・クリスタル・フィルタ）の圧電基板としても用いられている。
【０００３】
ＡＴカット水晶振動子の周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性（ＣＩはクリスタルインピーダンスで水晶振動子の実効抵抗Ｒｒ）、Ｑ値の改善等に古くから多くの研究者、技術者が関わってきた。一方、フィルタに用いられるＡＴカット水晶共振子では主振動の高域近傍に生じる複数の不要振動、所謂インハーモニック・モードを如何に抑圧するかが最大の課題であった。
良好な周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を実現する手段として、１０ＭＨｚ以下の低周波帯水晶振動子では、主振動の振動領域を基板中心部に集中させるように水晶板の輪郭形状を加工する手法が考案された。また、１０ＭＨｚ以上の水晶振動子では電極の寸法を周波数に反比例して小さくして、良好な周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性、あるいは主振動の共振近傍のインハーモニック・モードを抑圧した水晶振動子を実現する手法が実験的に見いだされた。しかし、周波数が変わるたびに実験をやり直す必要があり、これには多くの時間を要した。
【０００４】
このように、水晶振動子の周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性の改良、共振周波数近傍のスプリアス抑圧等の改善は、主として実験的手法を重ねて得られてきたが、エネルギー閉じ込め理論の発表以来、水晶振動子（あるいは水晶共振子）の最適設計は簡単な計算により求められるようになった。エネルギー閉じ込め理論は周知のように、主振動の波数ｋ０（伝搬定数とも云う）を虚数に、高次のインハーモニック・モードの波数ｋｉ（ｉ＝１，２，・・）を実数になるように、閉じ込め係数Ｐ（Ｐ＝μ(a/h)√Δ、μは異方性定数、ａは電極の大きさ、ｈは圧電基板の厚さ、Δは励振電極部分における周波数低下量（プレートバック量）でありΔ＝（ｆs−ｆ0）／ｆ0で定義される。ここでｆsは圧電基板のカットオフ周波数、ｆ0は電極部のカットオフ周波数）を設定し、閉じ込め係数Ｐに基づいて電極の大きさａ、プレートバック量Δを決定する手法である。このように、それぞれの波数ｋ０、ｋｉを設定すると主振動の振動エネルギーは電極近傍に閉じ込められ、高次のインハーモニック・モードの振動エネルギーは水晶板の周縁部まで伝搬し、水晶振動子の支持部へ振動エネルギーが漏洩して劣化するので、主振動のみを強勢に励振できるという理論である。
【０００５】
図５は従来のＡＴカット水晶振動子の構成を示す図であって、同図（ａ）は平面図、（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。ＡＴカット水晶基板１１の主表面のほぼ中央部に対向電極１２、１３を配置すると共に、該電極１２、１３からそれぞれ基板１１の端部に向けてリード電極１４、１５を延在して、水晶振動素子を形成する。
上述したように、水晶振動子の電極部分におけるプレートバック量Δは、電極１２、１３を付着した領域のカットオフ周波数ｆ0、電極の形成されていない水晶基板が露出している領域のカットオフ周波数ｆsより、Δ＝（ｆs−ｆ0）／ｆ0で求めることができる。
図５に示すような構造の基本波共振周波数が比較的低い水晶振動子にあっては、０．数％から約２％を上限とする範囲でプレートバック量Δを設定するのが一般的とされていた。
【０００６】
図６は、従来のＡＴカット水晶振動子の他の構成例を示す断面図で、対向電極の一方を全面電極１３’としたものである。全面電極１３’はプレートバック量Δ、等価インダクタンスＬ１等にも関与せず、電極１２’の大きさとその負荷質量のみが関係することになる。従って、図５のものと同等の閉じ込め係数Ｐを実現するためには、電極１２と電極１２’の大きさが同一であるとすれば、電極１２’の厚さｈ”を、電極１２の膜厚ｈ’の２倍とすればよい。
【０００７】
ところが近年では無線機器のキャリア周波数の高周波化や、伝送装置の搬送波の高周波に伴い、水晶振動子の更なる高周波化の要求が強くなった。周知のように、ＡＴカット水晶振動子では、その共振周波数は圧電基板の厚さに反比例するため、基本波共振周波数が５０ＭＨｚ超の高周波水晶振動子を得るには水晶板をミクロンオーダーまで薄く加工する必要がある。水晶板がミクロンオーダーまで薄くなるとその加工は一段と難しくなり、その保持や取り扱いも容易ではない。
そこで、薄板のＡＴカット板を実現する手段の１つとして、ＡＴカット水晶板の一方の主面の一部をエッチング等の手段により凹陥せしめ、薄板状の薄肉部（振動部）と、該薄肉部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に形成して、薄肉部の機械的強度を保持しつつ、基本波共振周波数が５０ＭＨｚ超の高周波化を実現した高周波水晶振動子が実用化されている。
【０００８】
図７（ａ）は上述の高周波水晶振動子の構成を示す平面図、同図（ｂ）は裏面図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。一方の主面は平坦面のままとし、他方の主面をエッチング等の手段により凹陥部２２を形成したＡＴカット水晶板２１の平坦面側に電極２３を配置すると共に、該電極２３からリード電極２４延在し、水晶板２１の端に設けたパッド電極２５と接続する。さらに、凹陥面側２２には電極２３と対向して電極２６を配置し、該電極２６からリード電極２７を延在し、水晶板２１の端に設けたパッド電極２８と接続して、高周波水晶振動子を構成する。
【０００９】
水晶振動子の基本波共振周波数を６０ＭＨｚとし、図７に示すような構造の高周波水晶振動子を試作した。水晶板２１の寸法を2.3mm×2.3mm、凹陥部２２の寸法を1.0mm×1.0mm、円形電極を用いその径を0.8mmφとして５個のサンプルを試作した。
上述したように基本波共振周波数が高くすると水晶基板がミクロンオーダーにまで薄くなる。するとこれに応じて電極膜も薄いものとなるが、電極膜が薄いと電極膜のオーミックロスにより実効抵抗が劣化することになる。そこで、プレートバック量Δを上限値である２％とすると共に、膜厚を厚くするべく電極材料には軽い金属、ここではアルミニウムを用いている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、試作したサンプルの周波数−温度特性を示す図８（ａ）およびＣＩ−温度特性を示す図８（ｂ）から明らかなように、周波数−温度特性は滑らかな３次曲線から大幅にずれ、ＣＩ−温度特性は周囲温度を変化させると実効抵抗Ｒｒの平坦性が大幅に損なわれるという問題があった。本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を改善した高周波振動子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る水晶振動子の請求項１記載の発明は、ＡＴカット水晶基板の両主面に対向電極を配置して構成した水晶振動子において、該水晶振動子の基本波共振周波数をＦ（ＭＨｚ）、前記電極部分におけるプレートバック量をΔ（％）としたとき、
Δ＞（２・Ｆ）１／２−３
で表される関係を満足していることを特徴とする水晶振動子である。
請求項２記載の発明は、ＡＴカット水晶基板の両主面に対向電極を配置して構成した水晶振動子において、該水晶振動子の基本波共振周波数をＦ（ＭＨｚ）、前記電極部分におけるプレートバック量をΔ（％）としたとき、
（２・Ｆ）１／２−３＜Δ＜（１３・Ｆ）１／２−３
で表される関係を満足していることを特徴とする水晶振動子である。
請求項３記載の発明は、基本波周波数が２００ＭＨｚ以上の水晶振動子に適用したことを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係る高周波水晶振動子の構成を示す平面図、同図（ｂ）は裏面図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。水晶板１の一方の主面は平坦面のままとし、他方の主面をエッチング等の手段により凹陥部２を形成したＡＴカット水晶板１の平坦面側に電極３を配置すると共に、該電極３からリード電極４延在し、水晶板１の端に設けたパッド電極５と接続する。そして、凹陥部側２には電極３と対向して電極６を配置し、該電極６からリード電極７を延在し、水晶板１の端に設けたパッド電極８と接続して、高周波水晶振動子を構成する。
【００１３】
本発明に係る第１の実施例として６０ＭＨｚの基本波水晶振動子の電気的特性を図２に示す。水晶板１の寸法を2.3mm×2.3mm、凹陥部２（振動部）の寸法を1.0mm×1.0mm、円形電極３、６の直径を0.8mmφ、電極部分におけるプレートバック量Δを従来の実績と大幅に変えて８％として、１０個のサンプルを試作し、その周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を測定した。図２（ａ）は周波数−温度特性であり、同図（ｂ）はＣＩ−温度特性と示す図である。
同図から明らかなように、本発明に係る高周波水晶振動子の周波数−温度特性は滑らかな３次曲線を呈し、実効抵抗Ｒｒ（ＣＩ）は周囲温度を変化させてもほぼ一定値であり、その値も１３Ωと良好な数値を示していることが分かる。従来の理論と実績とに基づき電極部分におけるプレートバック量Δを２％に設定した水晶振動子の図８と比較しても大幅に改善されていることが確認できる。
当初本願発明者は、電極膜のオーミックロスにより実効抵抗が劣化することを回避するべく、プレートバック量Δを従来は一般的な数値の上限値とされていた２％と大きな値に設定したため、電極へのエネルギー閉じ込めが強くなりすぎて不要モードである高次輪郭系振動と推定される振動と主振動とが結合したことが従来技術の不具合の原因と考えた。
しかし、実際には基本波共振周波数が高いＡＴカット水晶振動子においては、むしろプレートバック量Δを従前の常識的な数値を大幅に上回る値（８％）まで増大することによって特性が改善されるという意外な事実を見い出すに至ったのである。
なお、主振動とインハーモニック・モードとの共振スペクトルは図示していないが、インハーモニック・モードの中の一番大きな実効抵抗値は主振動のそれの３倍以上となっていた。従って、本発明に係る水晶振動子を発振回路に用いても、インハーモニック・モードで発振する、所謂周波数ジャンプ現象が発生するおそれは無いことが確認できた。
【００１４】
第２の実施例として３１０ＭＨｚの基本波水晶振動子の電気的特性を図３に示す。水晶板１の寸法を1.0mm×1.5mm、凹陥部２（振動部）の寸法を0.5mm×0.5mm、電極３、６の直径を0.2mmφ、電極部分におけるプレートバック量Δを２３％として、サンプルを試作し、その周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を測定した。図３（ａ）は周波数−温度特性であり、同図（ｂ）はＣＩ−温度特性と示す図である。この図から明なように、周波数−温度特性は滑らかな３次曲線を呈し、実効抵抗Ｒｒ（ＣＩ）は温度を変化させてもほぼ一定値２６Ωを示していることが分かる。この高周波水晶振動子を電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）に用いて各種の環境試験を行ったが、周波数のジャンプ現象は起こらなかった。
【００１５】
以上、２例を説明したが、本発明の特徴は従来のエネルギー閉じ込め理論や従来の設計実績にとらわれることなく、電極部分におけるプレートバック量Δを大幅に大きくしたところにある。
大きなプレートバック量Δに設定することが可能となったので、電極材料として質量が重い金属が使えるようになり、軽いアルミニウムに代えて金を用いて電極を構成することができるようになった。周知のように金は極めて化学的に安定した金属であり電極材料として最適な材質であり、水晶振動子の製作工程中における加熱処理等の温度も高温に設定できるようになり、水晶振動子の周波数エージング等が改善されるという副次的な効果も得られる。
【００１６】
さらに高周波の基本波水晶振動子についても種々の実験を実施したところ、主振動に高次輪郭振動が結合することも無く、周波数−温度特性は滑らかな３次曲線を呈し、また、ＣＩ−温度特性もほぼ平坦な直線となることが判明した。インハーモニック・モードの共振レベルも主振動のそれと比べて小さく抑圧されており、発振器用には十分に使用可能であることが判明した。例えば、６００ＭＨｚ帯の基本波水晶振動子を試作し、該振動子をＶＣＸＯ基板に実装して周波数−温度特性、温度変化による周波数ジャンプ現象の測定を行ったが良好な結果を得ている。この６００ＭＨｚ帯の水晶振動子の電極部分におけるプレートバック量は３０％を越していた。これらの実験より水晶振動子の共振周波数Ｆ（ＭＨｚ）とプレートバック量Δ（％）との関係を近似式で表すと、次式のようになる。
Δ１＝（２・Ｆ）１／２−３                              （１）
【００１７】
一方、電極膜が厚くなると電極膜歪みによる水晶板の歪み、電極膜の振動損失等が生じてくるので、電極膜を厚くし過ぎることはできない。
この事実に基づき本願発明者は、まだ実験による確認はしていないが、水晶振動子の基本波共振周波数Ｆ（ＭＨｚ）と電極膜の厚さ、即ちプレートバック量Δ（％）との関係は次式で表される値より小さくすべきであると推測する。
Δ２＝（１３・Ｆ）１／２−３                              （２）
図４は水晶振動子の共振周波数Ｆ（ＭＨｚ）とプレートバック量Δ（％）との関係を示した図であって、式１で表すΔ１はプレートバック量Δの下限を、式２で表すΔ２はプレートバック量Δの上限を示し、この範囲内のΔ−Ｆを用いて水晶振動子を構成すれば、周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性とも良好な振動子が得られる。
なお、図中のα、βは第１及び第２の実施例の実験値をプロットしたものである。
【００１８】
基本波水晶振動子の高周波化を進めていくと水晶板のエッチング加工にも難しい問題が生じてくる。特に凹陥部（振動部）の厚さが７μm程度になると、エッチングしない平坦側の面と凹陥側のエッチング面との平行度、平面度等が振動子の電気特性に影響を及ぼすようになる。そして、電極膜が薄いと基板の影響が大きく現れる傾向がある。そこで、本発明に係るプレートバック量を通常の設計より大幅に大きくするのは、良好な周波数−温度特性及びＣＩ−温度特性を実現するのに有効な手段と考えられる。このような理由で２００ＭＨｚ（基板の厚さとして約７μmに相当）以上の高周波な基本波水晶振動子を製作するに当たり、本発明が特に有効な手段であると考える。
また、周知のように周波数−温度特性は電極膜の質量効果により、あたかも水晶板の切断角度を回転させたかのように理想的な３次曲線からずれた曲線を呈することとなる。つまり所望の３次曲線を呈する周波数−温度特性を得るためには、従前の場合と同様にプレートバック量Δに応じて水晶基板の切断角度を予め補正して設計することになる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、請求項１に記載の発明は良好な基本波水晶振動子を得る際の、周波数Ｆに対する下限のプレートバック量を与えるという優れた効果を表す。請求項２に記載の発明は周波数Ｆに対する上限のプレートバック量を与えるという優れた効果を表す。請求項３に記載の発明は実用上特に重要な２００ＭＨｚ以上の水晶振動子を製作するに当たり、重要な設計指針を与えるという優れた効果を表す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高周波水晶振動子の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は断面図である。
【図２】６０ＭＨｚ基本波水晶振動子の電気特性を示す図で、（ａ）は周波数−温度特性、（ｂ）はＣＩ−温度特性である。
【図３】３１０ＭＨｚ基本波水晶振動子の電気特性を示す図で、（ａ）は周波数−温度特性、（ｂ）はＣＩ−温度特性である。
【図４】本発明に係る周波数Ｆとプレートバック量Δとの関係図で、Δ１で示す下限の曲線とΔ２で示す上限の曲線との範囲内が望ましいプレートバック量Δである。
【図５】従来のＡＴカット水晶振動子の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】従来の高周波ＡＴカット水晶振動子の構成を示す断面図である。
【図７】従来の基本波水晶振動子の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は断面図である。
【図８】従来の６０ＭＨｚ基本波水晶振動子の電気特性を示す図で、（ａ）は周波数−温度特性、（ｂ）はＣＩ−温度特性である。
【符号の説明】
１・・圧電基板
２・・凹陥部
３、６・・電極
４、７・・リード電極
５、８・・パッド電極
【図１】
2004207913.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】
2004207913.tif 000008
【図７】
2004207913.tif 000009
【図８】
2004207913.tif 000010