(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電振動片を電極で挟んだ圧電振動子において、周波数安定度が高く、容易に発振周波数の調整ができる圧電振動子を提供すること。【解決手段】前記圧電振動子は、パッケージと、このパッケージ内に支持された圧電振動片と、この圧電振動片の一面に形成された一方の励振用の電極と、前記圧電振動片の他面に空隙を介して対向するようにパッケージに設けられた他方の励振用の電極と、前記パッケージの外面に形成され、一方の励振用の電極及び他方の励振用の電極に夫々電気的に接続された外部電極と、を備えた構成にする。このような構成にすることで従来の圧電振動子に比べて、周波数安定度が高くなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージと、
このパッケージ内に支持された圧電振動片と、
この圧電振動片の一面に形成された一方の励振用の電極と、
前記圧電振動片の他面に空隙を介して対向するようにパッケージに設けられた他方の励振用の電極と、
前記パッケージの外面に形成され、一方の励振用の電極及び他方の励振用の電極に夫々電気的に接続された外部電極と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記圧電振動片の他面と他方側の励振用の電極との離間距離は、５０μｍ以内であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
【請求項３】
他方の励振用の電極は、パッケージの一部をなすものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電振動片は、凸レンズ形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動片を電極で挟んだ圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子である水晶振動子は、板状の水晶片の表裏両面に金、銀あるいはアルミニウム等の金属を例えば蒸着して電極を形成し、電極の重量を調整して固有振動数を調整しているが、この水晶振動子は振動部である水晶片に直接電極が形成されているため、電極の振動により生じる応力が水晶片に直接伝わり、電極の応力変化による周波数安定度の劣化が起こってしまう。  
一方、ユーザーからはより一層高い周波数安定度を持った水晶振動子が求められており、メーカー側はその対応に苦慮している。高い周波数安定度が得られる水晶振動子としてはＢＶＡ振動子と称する水晶振動子が知られている（非特許文献１）。この水晶振動子は、図９の概略図に示すように板状の水晶片１０の両面に夫々隙間１１，１１を介して電極１２，１２を設けて構成される。このような構成にすることで、電極１２，１２の振動により生じる応力が水晶片１０の振動面に直接伝わらないため、電極１２，１２の応力変化による周波数安定度の劣化が防止され、性能の面では極めて優れている。その用途としては原子共鳴を利用した極めて高い周波数安定度を有する原子発振器等と併用されるか、あるいは原子発振器に近い用途に単独で使用される。
【０００３】
このＢＶＡタイプの水晶振動子の発振周波数の調整は、振動部である水晶片１０の表面を直接削るかあるいは溶解させて水晶片１０の厚さを調整することにより行われる。しかしながら、この方法は長い処理時間と特殊技能を有するため、コストが極めて高い。
【０００４】
また特許文献１には、水晶片を電極で挟んだ水晶振動子において、水晶片の一面側に電極を形成すると共に水晶片の他面側の中央部に凹部を形成し、この凹部が形成されている水晶片の他面側を、一面側に電極が形成されている絶縁板で塞ぐことが記載されているが、この水晶振動子は周波数の高い安定度を目的としたものではない。
【０００５】
【非特許文献１】A COST-EFFECTIVE TIME AND FREQUENCY REFERENCE (Vincent Candelier, Gerard Marotel, Didier Thorax, and Claude Trialoup)
【特許文献１】特開２００３−３７４７０（段落００１１、段落００１２及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、周波数安定度が高く、容易に発振周波数の調整ができる圧電振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の圧電振動子は、パッケージと、このパッケージ内に支持された圧電振動片と、この圧電振動片の一面に形成された一方の励振用の電極と、前記圧電振動片の他面に空隙を介して対向するようにパッケージに設けられた他方の励振用の電極と、前記パッケージの外面に形成され、一方の励振用の電極及び他方の励振用の電極に夫々電気的に接続された外部電極と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記圧電振動子において、前記圧電振動片の他面と他方側の励振用の電極との離間距離は、５０μｍ以内であることが好ましい。また他方の励振用の電極は、パッケージの一部をなすものであってもよい。さらに前記圧電振動片は、凸レンズ形状に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧電振動片において励振用の電極の振動による応力を受けるのは、片面のみであることから、従来のように圧電振動片の両面が励振用の電極の振動による応力を受ける圧電振動子に比べて、周波数安定度が高くなる。
【００１０】
また圧電振動子の発振周波数の調整は、圧電振動片の一方の面に励振用の電極を形成する際に、当該電極の厚さを調整することで行われるため、発振周波数の調整作業も容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る圧電振動子の実施の形態について説明する。図１は本発明の圧電振動子を示す概略断面図である。図１中の２０は例えば等価厚みが１μｍ〜３００μｍ、好ましくは１８５μｍの円形状の圧電振動片である水晶片であり、この水晶片２０の一面側（図１において下面側）には励振用の電極２１が貼着されており、この電極２１は前記水晶片２０よりも小径の円形状に形成されている。この電極２１は例えば水晶片２０の一面側にスパッタリングにより金属層を積層し、次いで金属層が形成されている水晶片２０の面に所定のパターンでマスクを形成し、エッチングを行うことで所望の厚さの電極２１が形成される。
【００１２】
そして水晶振動子の発振周波数の調整は、板状の水晶片２０の一方の面に励振用の電極２１を形成する際に、当該電極２１の厚さを調整することで行われる。また前記水晶片２０の他面側（図１において上面側）には、空隙２２を介して前記水晶片２０と対向するように例えば鉄（Ｆｅ）及び銅（Ｃｕ）の合金からなる厚さが例えば０．３ｍｍの励振用の電極板２３が設けられている。また図１に示すように前記水晶片２０と電極板２３との離間距離ｄは例えば５０μｍ以下が好ましい。
【００１３】
次に上述の実施の形態をより具体化した例について説明する。この例の圧電振動子は図１に示す水晶片を上面が開口している偏平な角型のパッケージ本体内に載置し、当該パッケージ本体の開口部を、電極板で閉じて構成され、当該電極板はパッケージの一部を兼用している。以下の説明において、図１に相当する部分については便宜上同じ符号を付してある。図２中の２は上面が開口している扁平な角型の例えばセラミックスからなるパッケージ本体である。このパッケージ本体２は、その中を水晶片２０の収納領域３２として区画形成されている。前記収納領域３２の底面３３の周縁部には、水晶片２０の一面側（図２において下面側）の周縁部を支持するための絶縁材からなる支持部３４が設けられており、支持部３４の先端部と水晶片２０の周縁部とは例えば接着剤によって固着されている。この支持部３４によって水晶片２０が支持されることで、水晶片２０の一面側に形成された励振用の電極２１とパッケージ本体２の底面３３との間に僅かな隙間３５が形成される。
【００１４】
また図２（ａ）に示すようにパッケージ本体２の上面開口部は電極板２３を兼用する天板によって閉じられており、前記パッケージ本体２内は気密状態にある。この例では前記パッケージ本体２の枠部と前記電極板２３の周縁部とは例えば接着剤によって固着されてパッケージが構成される。また前記電極板２３によってパッケージ本体２の開口部を閉じることで、水晶片２０の他面側（図２において上面側）に隙間３６を介して前記水晶片２０に対向する電極板２３が設けられることになる。この場合、水晶片２０と電極板２３との離間距離ｄが例えば２０μｍに設定される。なお、図１及び後述する図３、図４において隙間３５，３６は便宜上実際よりも大きく記載してある。
【００１５】
また図２（ｂ）に示すようにパッケージ本体２の下面の一端側には電極パット３７，３８が夫々設けられていると共にパッケージ本体２の下面の他端側にはダミー用の電極パット３９，４０が夫々設けられている。前記電極パット３７には配線５０が接続されており、この配線５０は図２（ａ）に示すようにパッケージ本体２の底面３３を貫通し、パッケージ本体２の枠部に沿うようにして形成され、前記電極板２３に接続されている。また前記電極パット３８にも同様に配線５１が接続されており、この配線５１は図２（ａ）に示すようにパッケージ本体２の底面３３を貫通し、支持部３４に沿うようにして形成され、前記電極２１に接続されている。この例では前記配線５０，５１は外部電極に相当し、電極２１及び電極板２３に夫々電気的に接続されている。
【００１６】
上述の実施の形態によれば、電極パット３７，３８を介して電極２１と電極板２３との間に直流電圧が印加されると、水晶片２０と電極板２３との間の隙間３６は電界を水晶片２０に印加するために十分小さいので、水晶片２０が発振する。そして水晶片２０において励振用の電極の振動による応力を受けるのは片面のみであることから、水晶片の両面に励振用の電極を設ける場合に比べて、水晶片２０に対して電極の振動による応力が及ぼす影響が小さいことから高い周波数安定度が得られる。
【００１７】
また圧電振動子の発振周波数の調整は、板状の水晶片２０の一方の面に励振用の電極２１を形成する際に、当該電極２１の厚さを調整することで行われるため、水晶片の表面を研磨あるいは溶解等のように長い処理時間や特殊技能といったことを必要としないので、発振周波数の調整作業も容易である。
【００１８】
また図２を用いて説明した圧電振動子において、図３に示すように一方の面が曲面に形成された水晶片２０を用いて、この水晶片２０の平坦部に励振用の電極２１を形成すると共に水晶片２０の曲面部分に隙間３６を介して前記水晶片２０と対向するように電極板２３を設けるように構成してもよいし、図４に示すように両面が曲面に形成された水晶片２０を用いて、この水晶片２０の一方の曲面部分に励振用の電極２１を形成すると共に水晶片２０の他方の曲面部分に隙間３６を介して前記水晶片２０と対向するように電極板２３を設けるように構成してもよい。この場合、水晶片２０の他方の曲面部分の中央部と電極板２３との離間距離ｄが例えば１０μｍに設定される。なお、図３及び図４において、図２に相当する部分については便宜上同じ符号を付してある。
【００１９】
なお、上述の例では、パッケージ本体２の上面開口部を電極板２３で閉じているが、パッケージ本体２と同じ材質にある天板の一面側に励振用の電極を形成し、パッケージ本体２の上面開口部を、一面側に電極が形成されている天板で閉じるようにしてもよい。この場合、パッケージ本体２内に載置されている水晶片２０と天板に形成されている電極との離間距離ｄが例えば１０μｍに設定される。
【実施例】
【００２０】
次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
（実施例）
図２に示す基本周波数が１２．８ＭＨｚの水晶振動子を５個用い、これらの水晶振動子を発振器に各々取り付けて、各水晶振動子の温度８５℃における周波数エージング特性を測定した。また図２において水晶片２０の一面側に形成される励振用の電極２１はＣｒ層とＡｕ層とがこの順に積層されたものであり、水晶片２０と電極板２３との隙間３６は１５μｍである。これを実施例１〜実施例５とする。
（比較例）
一般的な設計となる水晶振動子、即ち、水晶片の両面に励振用の電極を形成した水晶振動子を５個用いた他は、実施例と同様にして周波数エージング特性を測定した。これを比較例１〜比較例５とする。
（結果及び考察）
図５は実施例１〜実施例５の周波数エージング特性の測定結果であり、図６は比較例１〜比較例５の周波数エージング特性の測定結果である。図５及び図６において、横軸が経過時間（日）を示し、縦軸が周波数偏差（ｐｐｍ）を示す。図５に示すように初回測定日を基準にして１０６日経過した時の実施例１〜実施例５の水晶振動子の周波数変化は約−０．８ｐｐｍであるのに対して、図６に示すように初回測定日を基準にして１０６日経過した時の比較例１〜比較例５の水晶振動子の周波数変化は約−２ｐｐｍである。この結果から本発明の水晶振動子の方が、従来のように水晶片の両面に励振用の電極を形成した水晶振動子に比べて、周波数安定度が高くなることが理解できる。
【００２１】
また温度変化によって周波数エージング特性に影響を与えているように見えるため、図５及び図６に示す周波数エージング特性の測定結果から温度変化による影響を消去したグラフを図７及び図８に示す。図７に示すように比較例１〜比較例５の水晶振動子では−０．０１ｐｐｍ／日の傾きを持ち、周波数エージング特性がほぼ直線でマイナス傾向であることが確認できた。一方、図８に示すように実施例１〜実施例４の水晶振動子では、傾きは殆どなく、比較例１〜比較例５の水晶振動子に比べて周波数エージング特性が良好であることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態に係る水晶振動子を示す概略断面図である。
【図２】上記水晶振動子をより具体化した水晶振動子を示す概略断面図及び概略平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子をより具体化した水晶振動子を示す概略断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子をより具体化した水晶振動子を示す概略断面図である。
【図５】本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。
【図６】本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。
【図７】本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。
【図８】本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。
【図９】ＢＶＡタイプの水晶振動子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
２０  水晶片
２１  電極
２２  空隙
２３  電極板
２    パッケージ
３１  枠部
３２  収納領域
３３  底面
３４  支持部
３７，３８  電極パット
５０，５１  配線
【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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【図８】
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【図９】
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