(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶の結晶軸である、電気軸としてのＸ軸と、機械軸としてのＹ軸と、光学軸としてのＺ軸と、からなる直交座標系の前記Ｘ軸を中心として、前記Ｚ軸を前記Ｙ軸の−Ｙ方向へ傾けた軸をＺ’軸とし、前記Ｙ軸を前記Ｚ軸の＋Ｚ方向へ傾けた軸をＹ’軸とし、前記Ｘ軸と前記Ｚ’軸に平行な面で構成され、前記Ｙ’軸に平行な方向を厚みとするＡＴカット水晶基板と、
前記ＡＴカット水晶基板の表裏の主面上に対向するように夫々設けられた励振電極と、
当該励振電極から延在されたリード電極と、
を備え、
前記ＡＴカット水晶基板は、前記励振電極が形成された厚肉部と、当該厚肉部の周辺に形成された薄肉部とを有し、
前記厚肉部の表面は矩形であり、
当該矩形を構成する第１の一対の辺は前記Ｘ軸に平行であり、第２の一対の辺は前記Ｚ’軸に平行であり、
前記厚肉部と前記薄肉部との境界に位置し、前記Ｚ’軸に平行な方向に直線的に伸びる２つの境界面を有し、
前記Ｘ軸に対する前記境界面の仰角は、前記Ｚ’軸の方向全体に亘って９０°よりも小さく、
前記厚肉部の前記Ｘ軸に平行な側面と、前記薄肉部との前記Ｘ軸に平行な側面とは同一平面内にあり、
前記ＡＴカット水晶基板の前記Ｚ’軸に平行な辺の寸法をＷ、前記Ｘ軸に平行な辺の寸法をＬ１とし、
前記厚肉部の前記Ｙ’軸に平行な方向の厚み寸法をＨとし、前記厚肉部の前記Ｘ軸に平行な辺の寸法をＬ２としたとき、
Ｗ／Ｈ＝５．５３  かつ  Ｌ２／Ｌ１＝０．７５
の関係を満足することを特徴とするＡＴカット水晶振動子。
【請求項２】
前記２つの境界面のうち少なくとも１つの境界面の仰角は、約３５°であることを特徴とする請求項１に記載のＡＴカット水晶振動子。
【請求項３】
前記２つの境界面のうち少なくとも１つの境界面の仰角は、約６３°であることを特徴とする請求項１に記載のＡＴカット水晶振動子。
【請求項４】
前記厚肉部の厚みと前記薄肉部の厚みとの差をｔとし、
前記厚肉部の厚みをＨとしたとき、
（Ｈ−ｔ）／Ｈ＝０．９
を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のＡＴカット水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電振動子に関し、特に厚み滑り振動に結合する厚み屈曲振動モードを抑圧した圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子、例えばＡＴカット水晶振動子は小型であること、高精度、高安定な周波数が容易に得られるため、通信機から電子機器まで広く使用されている。
図４は従来の表面実装形水晶振動子（SMD水晶振動子）の構成を示す斜視図であって、水晶結晶から短冊状に切り出されたＡＴカット水晶基板１１の両主面に対向する電極１２ａ、１２ｂを付着すると共に、該電極１２ａ、１２ｂからそれぞれ基板１１の端部に向けてリード電極１３ａ、１３ｂを延在して、水晶振動素子Ｓを形成する。次に、水晶振動素子Ｓをセラミックパッケージ（図示しない）に収容し、そのリード電極１３ａ、１３ｂをパッケージ内部の段差部に設けた端子電極に、導電性接着剤等を用いて導通固定する。さらに、該水晶振動子を真空装置に入れて、蒸着等の手段を用いて所望の周波数に微調整した後、金属蓋を抵抗溶接して水晶振動子を構成する。
【０００３】
図４に示すように、短冊状水晶振動子は長手方向をＸ軸に、幅方向をＺ’軸に、厚さ方向をＹ’軸に設定するのが一般的である。周知のように、圧電基板の各部の寸法が適切でないと、Ｘ−Ｙ’面に生ずる屈曲振動が厚み滑り振動と結合して、該振動の周波数及びクリスタルインピーダンス（ＣＩ）に変動を生じることになる。
近年、水晶振動子の更なる小型化を図るため、辺比（厚さに対する輪郭寸法の比）のより小さな短冊状の基板が採用されるようになった。そのため、主振動である厚み振動と、輪郭系振動、例えば面滑り振動や屈曲振動等との結合がわずかな加工誤差によっても生じるという問題をかかえている。
【０００４】
例えば、輪郭系振動との結合を避ける手段として、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す断面図ように、圧電基板の主面を加工した水晶振動子が考案され、使用されてきた。即ち、図５（ａ）は主面の端を斜めに切り落としたような形状で、一般に面取り振動子（ベベリング振動子）と称している。また、図５（ｂ）は主面をレンズ状に加工する、所謂コンベックス振動子（プラノコンベックス振動子）、図５（ｃ）は主面の一部を凸状に加工した振動子（メサ状振動子）である。いずれの場合も厚み滑り振動の振動エネルギーを基板中央部に集中させると共に、輪郭系振動との結合を弱めるように作用している。
【０００５】
図６（ａ）に示す平板の短冊状振動子と、（ｂ）に示すメサ状振動子との振動変位分布の違いを有限要素法を用いて、シミュレーションにより求めたものが図６（ｃ）である。即ち、基板の長手方向の寸法Ｘ0を4800μm、幅方向の寸法Ｚ0を780μm、厚さY0を128μmとし、金電極Ｄの寸法は3600μm、その膜厚を0.9μmとした水晶振動子の振動エネルギー分布Ｐを示している。また、電極Ｄによる周波数低下に相当する量をメサ構造の厚さに換算して、凸状部の厚みｔを12.98μmとした水晶振動子の振動エネルギー分布をＴで示す。このとき、薄い電極膜（導電性はあるが、質量負荷効果がないとした電極膜）を凸部と、該部と対向する基板の裏面に付着しているものとした。縦軸は振動変位の自乗、即ち振動エネルギーを基板中央の値で基準化し、横軸は基板中央からの距離を示している。
図６（ｃ）から明らかなように、いずれの場合も基板の端部で高次の厚み屈曲振動による変位が生じているが、メサ状振動子（Ｔ）の方が平板短冊振動子（Ｐ）より振動変位が小さいことが分かる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、メサ型構造の水晶振動子は従来の平板の短冊状水晶振動子より、ある程度厚み屈曲振動を抑圧できるものの、十分に抑圧しきれない場合もあり、これが厚み滑り振動と結合し、該振動の周波数温度特性になめらかな３次曲線からズレを生じさせたり、あるいはＣＩ−温度特性に変動（ＣＩディップ）を生じさせ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、厚み屈曲振動を抑圧した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】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明の第１の形態に係るＡＴカット水晶振動子は、水晶の結晶軸である、電気軸としてのＸ軸と、機械軸としてのＹ軸と、光学軸としてのＺ軸と、からなる直交座標系の前記Ｘ軸を中心として、前記Ｚ軸を前記Ｙ軸の−Ｙ方向へ傾けた軸をＺ’軸とし、前記Ｙ軸を前記Ｚ軸の＋Ｚ方向へ傾けた軸をＹ’軸とし、前記Ｘ軸と前記Ｚ’軸に平行な面で構成され、前記Ｙ’軸に平行な方向を厚みとするＡＴカット水晶基板と、前記ＡＴカット水晶基板の表裏の主面上に対向するように夫々設けられた励振電極と、当該励振電極から延在されたリード電極と、を備え、前記ＡＴカット水晶基板は、前記励振電極が形成された厚肉部と、当該厚肉部の周辺に形成された薄肉部とを有し、前記厚肉部の表面は矩形であり、当該矩形を構成する第１の一対の辺は前記Ｘ軸に平行であり、第２の一対の辺は前記Ｚ’軸に平行であり、前記厚肉部と前記薄肉部との境界に位置し、前記Ｚ’軸に平行な方向に直線的に伸びる２つの境界面を有し、前記Ｘ軸に対する前記境界面の仰角は、前記Ｚ’軸の方向全体に亘って９０°よりも小さく、前記厚肉部の前記Ｘ軸に平行な側面と、前記薄肉部との前記Ｘ軸に平行な側面とは同一平面内にあり、前記ＡＴカット水晶基板の前記Ｚ’軸に平行な辺の寸法をＷ、前記Ｘ軸に平行な辺の寸法をＬ１とし、前記厚肉部の前記Ｙ’軸に平行な方向の厚み寸法をＨとし、前記厚肉部の前記Ｘ軸に平行な辺の寸法をＬ２としたとき、Ｗ／Ｈ＝５．５３  かつ  Ｌ２／Ｌ１＝０．７５の関係を満足することを特徴とする。
本発明の第２の形態に係るＡＴカット水晶振動子は、前記２つの境界面のうち少なくとも１つの境界面の仰角は、約３５°であることを特徴とする。
本発明の第３の形態に係るＡＴカット水晶振動子は、前記２つの境界面のうち少なくとも１つの境界面の仰角は、約６３°であることを特徴とする。
本発明の第４の形態に係るＡＴカット水晶振動子は、前記厚肉部の厚みと前記薄肉部の厚みとの差をｔとし、前記厚肉部の厚みをＨとしたとき、（Ｈ−ｔ）／Ｈ＝０．９を満足することを特徴とする。
［適用例１］適用例１に係る圧電振動子は、長手方向をＸ軸、幅方向をＺ’軸、厚さ方向をＹ’軸とした短冊状ＡＴカット水晶基板上にＸＹ’断面の形状が台形状である凸部を前記水晶基板と一体的に形成し、該凸部上面と対向する基板裏面とに対向電極を設けたことを特徴とする圧電振動子である。
［適用例２］適用例２に係る圧電振動子は、前記凸部の斜面と基板面との仰角をθ１、θ２とするとき、該仰角θ１、θ２がいずれも９０°より小さいことを特徴とする圧電振動子である。
［適用例３］適用例３に係る圧電振動子は、前記仰角θ１、θ２をそれぞれほぼ３５°、６３゜としたことを特徴とする圧電振動子である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に係る圧電振動子の、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係る圧電基板を形成するプロセスを示す断面図である。
【図３】（ａ）はシミュレーションに用いた台形状の凸部を有する圧電基板の断面図、（ｂ）は仰角αをパラメータとした変位のエネルギー分布を示す図である。
【図４】従来の短冊状水晶振動子の斜視図である。
【図５】（ａ）は面取りをした基板、（ｂ）コンベックス加工した基板、（ｃ）はメサ状加工した基板の断面図である。
【図６】（ａ）は短冊状振動子の断面図、（ｂ）はメサ状振動子の断面図、（ｃ）は圧電基板の形状による振動変位エネルギー分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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）は本発明に係る圧電振動子の構成を示す斜視図であって、長さＬの長手方向をＸ軸、長さＷの幅方向をＺ’軸、厚みＨの厚さ方向をＹ’軸とした圧電基板１のほぼ中央部にＸ軸方向の頂辺の長さをＬ２、該頂辺Ｌ２を望む仰角をそれぞれθ1とθ2、Ｚ’軸方向の頂辺の長さをＷ、厚さをｔとしたＸＹ’断面が台形状の凸部を形成すると共に、該台形状の凸部上面と、該凸部と対向する圧電基板１の裏面に対向する電極２ａ、２ｂを付着し、電極２ａ、２ｂからそれぞれ圧電基板１の端部に向けてリード電極３ａ、３ｂを延在して圧電振動素子を構成したものである。
【００１０】
本発明の特徴は、図６（ｃ）に示すような凸部の両端が直角となっているメサ状圧電基板ではなく、図２（ｂ）に断面図を示すように、台形状の頂辺を望む仰角をそれぞれθ1とθ2とした凸部を有する圧電基板を用いて圧電振動子を構成したことである。
本発明に係る圧電基板の形成法を図２に示した図面に従って説明する。始めに、所望の周波数を得るための厚みを有するＡＴカット基板１に蒸着等の手段を用いて金属膜４、例えば金（Au）の膜を付着すると共に、該膜４の上にフォトレジスト膜を塗布し、マスクを介して露光、現像して図２（ａ）に示すような圧電基板１上に周期的に並んだ帯状電極膜４を形成する。次に、これをエッチング液、例えばフッ化アンモニウム液中でエッチングすると、水晶結晶の異方性により図２（ｂ）に断面図を示すように、エッチングされた溝の両側の壁面が所定の角度を備えたエッチング面を呈することになる。金属膜４を剥離すると図２（ｃ）に示すように、エッチング溝が規則的に並んだ圧電基板１となり、台形状の凸部の頂辺を望む仰角は、＋Ｘ軸方向ではθ1＝約３５゜、−Ｘ軸方向ではθ2＝約６３゜の基板が得られ、該基板をＱ−Ｑで切断することにより、本発明に係る台形状の凸部を有する基板が得られる。なお、凸部の厚みｔはエッチングの時間により制御することができる。
【００１１】
図３（ａ）は台形状の凸部を有する圧電基板の断面を示す図で、頂辺を望む仰角をいずれもαと設定し、頂辺の長さをＬ２、凸部の厚みをｔ、Ｘ軸方向の寸法をＬ１、基板の厚みをＨ、Ｚ’方向の幅をＷ（図示しない）とした基板である。図３（ｂ）は、（ａ）に示した基板の長手方向の寸法Ｌ１を4800μm、幅方向の寸法Ｗを780μm、厚さＨを141μmとし、台形状の凸部の頂辺の長さＬ２を3600μm、その厚さｔを12.98μmとした水晶基板に、薄い電極膜（導電性はあるが、質量負荷効果がないとした電極膜）を付着した水晶振動子の振動エネルギー分布を有限要素法を用いて、シミュレーションにより求めた図である。仰角αをパラメータとし、３５゜、６３゜、９０゜と変化させて変位分布を比較した。図３（ｂ）から明らかなように、仰角αを従来のように直角とするより、小さくして行くと基板周縁部に生ずる厚み屈曲振動の変位が小さくなることが判明した。
厚み屈曲振動の変位が小さいということは、厚みすべり振動と厚み屈曲振動との結合が小さいことを意味し、周波数温度特性がなめらかな３次曲線を描くことになり、ＣＩ−温度特性がフラットに近づくことになる。
【００１２】
（発明の効果）
本発明は、以上説明したように構成したので、厚み振動と厚み屈曲振動との結合を抑圧でき、周波数温度特性がなめらかで、ＣＩディップの少ない圧電振動子を可能とした。本発明になる圧電振動子を携帯電話等に多く使用されている温度補償水晶発振器等に用いればその歩留まりが向上しるという優れた効果を表す。
【符号の説明】
【００１３】
１・・圧電基板  ２ａ、２ｂ・・電極  ３ａ、３ｂ・・リード電極  ４・・エッチング用金属膜  Ｌ１・・Ｘ軸方向の寸法  Ｗ・・Ｚ’方向の寸法  Ｈ・・基板の厚み  Ｌ２・・凸部のＸ軸方向寸法  ｔ・・凸部の厚み  θ1、θ2・・仰角  Ｑ・・切断面  α・・仰角。
【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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