(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶結晶の一方向を長さ方向、この長さ方向に直交する寸法を幅とするＡＴカット水晶板からなる水晶片と、
この水晶片の表裏主面に設けられた励振電極と、
前記水晶片に設けられ前記励振電極に繋がる引き出し電極及びパッド電極と、
を備え、前記パッド電極を介してパッケージに搭載されるＡＴカット水晶振動素子において、
前記幅は、前記長さ方向の両端の少なくとも一方において最も広く、前記長さ方向の中央に近づくにつれて狭くなり、
前記幅の最も広くなった側に前記パッド電極が形成された、
ことを特徴とするＡＴカット水晶振動素子。
【請求項２】
前記長さ方向の両端の前記幅は、両方とも前記長さ方向の中央の前記幅よりも広い、
請求項１記載のＡＴカット水晶振動素子。
【請求項３】
前記長さ方向の両端の一方の前記幅は前記長さ方向の中央の前記幅よりも広く、
前記長さ方向の両端の他方の前記幅は前記長さ方向の中央の前記幅よりも狭い、
請求項１記載のＡＴカット水晶振動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＴカット水晶板からなる水晶片と、この水晶片に設けられた励振電極と、を備えたＡＴカット水晶振動素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚みすべり振動を主振動とする水晶振動素子には、常温付近での周波数温度特性に優れているＡＴカット水晶板が最も広く使用されている。ＡＴカット水晶板は、水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む平面をＸ軸を中心に反時計方向に約３５°回転させた面が主面になるように切り出される。ＡＴカット水晶板からなる厚みすべり振動モードの水晶片は、一般に矩形状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２７５９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＡＴカット水晶振動素子では、前述したように矩形状の水晶片を用いている。この場合、主振動の厚みすべり振動モードに他の副振動の振動モードが結びついて、アクティビティディップと呼ばれる周波数変化を起こすことが問題になっている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、アクティビティディップを抑制し得るＡＴカット水晶振動素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るＡＴカット水晶振動素子は、
水晶結晶の一方向を長さ方向、この長さ方向に直交する寸法を幅とするＡＴカット水晶板からなる水晶片と、
この水晶片の表裏主面に設けられた励振電極と、
前記水晶片に設けられ前記励振電極に繋がる引き出し電極及びパッド電極と、
を備え、前記パッド電極を介してパッケージに搭載されるＡＴカット水晶振動素子において、
前記幅は、前記長さ方向の両端の少なくとも一方において最も広く、前記長さ方向の中央に近づくにつれて狭くなり、
前記幅の最も広くなった側に前記パッド電極が形成された、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、長さ方向の両端の少なくとも一方の幅を、長さ方向の中央の幅よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さ方向の両端の少なくとも一方へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１のＡＴカット水晶振動素子を示し、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】比較例１のＡＴカット水晶振動素子を示し、図２［１］は平面図、図２［２］は図２［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図２［３］は図２［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】実施形態１のＡＴカット水晶振動素子における水晶片の幅と発振周波数との関係を示すグラフである。
【図４】比較例１のＡＴカット水晶振動素子における水晶片の幅と発振周波数との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態２のＡＴカット水晶振動素子を示す平面図であり、図５［１］は第一例、図５［２］は第二例、図５［３］は第三例である。
【図６】関連技術１の輪郭振動素子を示し、図６［１］は平面図、図６［２］は図６［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図６［３］は図６［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明の実施形態を説明する前に、関連技術１（特許文献１参照）について説明する。図６は関連技術１の輪郭振動素子を示し、図６［１］は平面図、図６［２］は図６［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図６［３］は図６［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００１１】
本関連技術１の輪郭振動素子３０は、長さＬ３及び幅Ｗ３１，Ｗ３２の楕円状の水晶板からなる水晶片３１と、水晶片３１の表裏主面に設けられた励振電極３２ａ，３２ｂと、を備えている。そして、長さＬ３方向の両端の幅Ｗ３２は、長さＬ３方向の中央の幅Ｗ３１よりも狭くなっている。
【００１２】
輪郭振動素子３０は、励振電極３２ａ，３２ｂによって、水晶片３１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広くし端部（すなわち長さＬ３方向の両端）に行くに従い短手方向幅を狭くした構造となっている。
【００１３】
ここで、水平Ａ−Ａ方向中心部のＢ−Ｂ方向幅Ｗ３１は、共振波長λの半分と見ることができる。これは、輪郭振動の振動周波数がＢ−Ｂ方向幅Ｗ３１に強く依存しているモードを、使用しているためである。本関連技術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高く（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。
【００１４】
これにより、水晶片３１の端部での不要な輪郭振動の変位が無くなるので、端部に設けた支持部（図示せず）による振動阻害を抑えることができ、その結果、ＣＩ（Crystal Impedance）値を低減できる。
【００１５】
次に、実施形態１のＡＴカット水晶振動素子（以下、単に「振動素子」という。）について説明する。図１は、実施形態１の振動素子を示し、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。
【００１６】
本実施形態１の振動素子１０は、水晶結晶の一方向を長さＬ１方向、長さＬ１方向に直交する寸法を幅とするＡＴカット水晶板からなる水晶片１１と、水晶片１１の表裏主面に設けられた励振電極１２ａ，１２ｂと、を備えている。そして、前述の幅は、長さＬ１方向の両端の少なくとも一方において最も広く、長さＬ１方向の中央に近づくにつれて狭くなる。つまり、長さＬ１方向の両端の少なくとも一方の幅Ｗ１２は、長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１よりも広くなっている。
【００１７】
本実施形態１では、長さＬ１方向の両端の幅Ｗ１２が、両方とも長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１よりも広くなっている。また、水晶片１１の形状は、Ａ−Ａ線を中心に線対称であり、かつＢ−Ｂ線を中心に線対称である。そして、水晶片１１の幅は、長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１が最も狭く、長さＬ１方向の両端に進むにつれて徐々に広くなり、両端で最も広い幅Ｗ１２となる。幅Ｗ１１，Ｗ１２を決める二辺（上辺１１ａ及び下辺１１ｂ）は、曲線状（例えば円弧状、楕円弧状、双曲線状、二次関数状など）である。また、本実施形態１では、長さＬ１方向はＸ軸方向であり、幅Ｗ１１方向はＹ’軸方向であり、厚みｔ方向はＺ’軸方向である。
【００１８】
次に、振動素子１０の製造方法について説明する。まず、ＡＴカットの水晶ウェハを用意する。そして、耐食膜及びフォトレジストによるパターンを形成し、フッ酸によるウェットエッチングを経て、水晶ウェハに多数の水晶片１１を形成する。続いて、スパッタリングや蒸着によって水晶ウェハに金属膜を形成し、フォトレジストによるパターンを形成し、エッチングを経て、各水晶片１１に励振電極１２ａ，１２ｂを形成する。なお、水晶片１１には励振電極１２ａ，１２ｂに繋がる引き出し電極及びパッド電極（ともに図示せず）も形成され、そのパッド電極を介して振動素子１０がパッケージに搭載される。
【００１９】
次に、図２に示す比較例１も加えて、図１及び図２に基づき振動素子１０の作用及び効果について説明する。
【００２０】
図２は、比較例１の振動素子を示し、図２［１］は平面図、図２［２］は図２［１］におけるＡ−Ａ線断面図、図２［３］は図２［１］におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【００２１】
本比較例１の振動素子２０は、長さＬ２及び幅Ｗ２の矩形状の水晶板からなる水晶片２１と、水晶片２１の表裏主面に設けられた励振電極２２ａ，２２ｂと、を備えている。そして、矩形状であることから、長さＬ２方向の両端の幅も、長さＬ２方向の中央の幅Ｗ２と等しい。
【００２２】
振動素子２０は、矩形状の水晶片２１のほぼ中心に励振電極２２ａ，２２ｂを配置することにより、厚みすべり振動のエネルギを励振電極２２ａ，２２ｂの下に閉じ込めて、ＣＩ値を低減する構造となっている。このとき、水晶片２１における厚みすべり振動は、水晶結晶のＸ軸に平行に振動し、励振電極２２ａ，２２ｂのほぼ中心に最大変位を持ち、その外側へ徐々に減衰する振動形態となっている。
【００２３】
その際、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の振動モードが結びつくと、前述のアクティビティディップが発生することに加え、モード間でのエネルギのやり取りによってＣＩ値が増大する。
【００２４】
本発明者は、矩形状の水晶片２１を用いた振動素子２０に特有のアクティビティディップについて実験及び考察を重ねた結果、アクティビティディップの原因となる副振動が輪郭振動モードであるならば、関連技術１と逆の構造にすることにより、水晶片の端部に輪郭振動モードの振動エネルギを閉じ込めればよいことに思い至った。本発明はこの知見に基づきなされたものである。
【００２５】
すなわち、本実施形態１では、関連技術１とは逆に、長さＬ１方向の中央から両端に行くに従い幅を広くすることにより、中央から両端に行くに従い輪郭振動の振動周波数を小さく（すなわち振動波長を大きく）することができるので、両端に輪郭振動のエネルギが閉じ込められる構造となっている。そのため、水晶片１１の中央では厚みすべり振動モードが大きくなる一方で輪郭振動モードが小さくなり、逆に水晶片１１の両端では厚みすべり振動モードが小さくなる一方で輪郭振動モードが大きくなる。なお、比較例１では、水晶片２１の中央では厚みすべり振動モードが大きくなり、水晶片２１の両端では厚みすべり振動モードが小さくなるものの、輪郭振動モードは水晶片２１の中央でも両端でも同程度である。そのため、本実施形態１では、比較例１に比べて、主振動の厚みすべり振動モードと副振動の輪郭振動モードとの結合を低減できる。
【００２６】
したがって、本実施形態１によれば、長さＬ１方向の両端の少なくとも一方の幅Ｗ１２を、長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さＬ１方向の両端の少なくとも一方へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップを抑制できる。これに加え、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結合することによるモード間でのエネルギのやり取りが減少するので、ＣＩ値を低減できる。
【００２７】
また、本実施形態２によれば、長さＬ１方向の両端の幅Ｗ１２を、長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さＬ１方向の両端へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップをより抑制できる。
【００２８】
次に、振動素子１０の効果について、図３及び図４を加えて、更に具体的に説明する。図３は、本実施形態１の振動素子１０における水晶片１１の幅Ｗ１１と発振周波数ｆ１との関係を示すグラフである。図４は、比較例１の振動素子２０における水晶片２１の幅Ｗ２と発振周波数ｆ２との関係を示すグラフである。
【００２９】
図３は、図１に示す水晶片１１の長さＬ１を０．８ｍｍで一定とし、幅Ｗ１１を変化させたときの発振周波数ｆ１の変化を、ＦＥＭ（Finite Element Method）によるシミュレーションで求めたものである。同様に、図４は、図２に示す水晶片２１の長さＬ２を０．８ｍｍで一定とし、幅Ｗ２を変化させたときの発振周波数ｆ２の変化を、ＦＥＭによるシミュレーションで求めたものである。図３及び図４の横軸は、幅Ｗ１１，Ｗ２がそれぞれ０．６ｍｍの場合を「１」となるように規格化している。水晶片１１，２１は、オイラー角が（０°，１２５°，０°）であり、オイラー角が（０°，３５°，０°）のＡＴカット板と表裏が逆になっている点を除き等価である。発振周波数ｆ１，ｆ２が３５ＭＨｚ及びその近傍になるように、振動素子１０，２０のシミュレーションモデルが設計されている。
【００３０】
図４の比較例１では、幅Ｗ２が０．９１付近及び１．０１付近で発振周波数ｆ２が不連続に変化する。これに対し、図３の本実施形態１では、幅Ｗ１１が０．８５〜１．１５の範囲で発振周波数ｆ２がほぼ連続的に変化する。この結果からも明らかなように、本実施形態１ではアクティビティディップの改善が認められる。したがって、本実施形態１によれば、振動素子の設計自由度の向上、及び、工程バラつきに対する余裕度の確保が可能である。
【００３１】
次に、実施形態２の振動素子について説明する。図５は実施形態２の振動素子を示す平面図であり、図５［１］は第一例、図５［２］は第二例、図５［３］は第三例である。
【００３２】
本実施形態２の振動素子は、水晶片の形状が異なる点を除き、実施形態１の振動素子と同じ構成である。本実施形態２の作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００３３】
図５［１］に示す第一例の水晶片４１では、長さＬ１方向の両端の幅Ｗ１２は、実施形態１と同じように、両方とも長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１１よりも広くなっている。ただし、幅Ｗ１１，Ｗ１２を決める二辺（上辺４１ａ及び下辺４１ｂ）は、実施形態１と異なり直線状（折れ線状）である。第一例の水晶片４１でも、実施形態１の水晶片と同様に、両端の幅Ｗ１２側に輪郭振動のエネルギが閉じ込められる。
【００３４】
図５［２］に示す第二例の水晶片５１では、実施形態１と異なり、長さＬ１方向の両端の一方の幅Ｗ１５は長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１４よりも広く、長さＬ１方向の両端の他方の幅Ｗ１３は長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１４よりも狭い。幅Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５を決める二辺（上辺５１ａ及び下辺５１ｂ）は、曲線状である。両端のうち長い方の幅Ｗ１５側に、輪郭振動のエネルギが閉じ込められる。なお、パッド電極を形成する位置は、輪郭振動のエネルギをパッケージ側に逃がすため、幅Ｗ１５側が望ましい。
【００３５】
図５［３］に示す第三例の水晶片６１では、第二例と同じように、長さＬ１方向の両端の一方の幅Ｗ１５は長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１４よりも広く、長さＬ１方向の両端の他方の幅Ｗ１３は長さＬ１方向の中央の幅Ｗ１４よりも狭い。ただし、幅Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５を決める二辺（上辺６１ａ及び下辺６１ｂ）は、第二例と異なり直線状である。なお、第二例と同様に、両端のうち長い方の幅Ｗ１５側に輪郭振動のエネルギが閉じ込められ、パッド電極を形成する位置は幅Ｗ１５側が望ましい。
【００３６】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各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、上記各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。
【００３７】
例えば、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。
【００３８】
また、厚みすべり振動モードの水晶片（すなわちＡＴカット水晶板）は、その厚さを中央部から端部に向けて徐々に薄く形成すると、端部での振動変位の減衰量が大きくなるので、中央部に振動エネルギが閉じ込められ、ＣＩ値やＱ値等の周波数特性が向上する。そのような振動エネルギ閉じ込め構造として、平坦な厚肉中央部と端縁との間を斜面にしたベベル形状、平坦な厚肉中央部の周縁部分を薄肉化したメサ型等がある。本発明における水晶片として、そのようなベベル形状やメサ型の水晶片を用いてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
＜実施形態１＞
１０  振動素子
１１  水晶片
１２ａ，１２ｂ  励振電極
Ｌ１  長さ
Ｗ１１，Ｗ１２  幅
ｔ  厚み
１１ａ  上辺
１１ｂ  下辺
＜比較例１＞
２０  振動素子
２１  水晶片
２２ａ，２２ｂ  励振電極
Ｌ２  長さ
Ｗ２  幅
＜実施形態２＞
４１，５１，６１  水晶片
Ｗ１３，Ｗ１４，Ｗ１５  幅
４１ａ，５１ａ，６１ａ  上辺
４１ｂ，５１ｂ，６１ｂ  下辺
＜関連技術１＞
３０  輪郭振動素子
３１  水晶片
３２ａ，３２ｂ  励振電極
Ｌ３  長さ
Ｗ３１，Ｗ３２  幅
【図１】
0006442130.tif 000002
【図２】
0006442130.tif 000003
【図３】
0006442130.tif 000004
【図４】
0006442130.tif 000005
【図５】
0006442130.tif 000006
【図６】
0006442130.tif 000007