JP2007208771A - 圧電振動素子、圧電振動子及び圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】容量比を改善した小型水晶振動子と、周波数可変範囲の広い電圧制御型発振器を
提供する。
【解決手段】矩形平板状のＡＴカット水晶基板１の両面に蒸着法、スパッタリング等を用
い、マスクを介して励振電極２ａ、２ｂを形成すと共に、励振電極２ａ、２ｂそれぞれの
周縁部の一部に複数の切欠２ｃを設けた水晶振動素子であって、励振電極２ａの面の切欠
２ｃと、励振電極２ｂ面の切欠２ｄとが互いにほぼ対向しないように水晶振動素子を構成
する。
【選択図】図１

Description

本発明は、周辺部の一部を切り欠いた電極を備えた圧電振動素子と、これを用いた圧電
振動子及び圧電発振器に関するものである。

水晶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
に得られること等から、産業用機器、民生用機器の基準周波数源として広く用いられてい
る。近年、機器が小型化、軽量化されると共に水晶振動子の小型化への要求が強く、また
電子部品の組み立て自動化に適した表面実装型水晶振動の需要が大きい。
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、携帯電話等の通信機器
に広くに用いられている。周知のように、ＡＴカット水晶振動子は、水晶の結晶軸Ｙに垂
直な水晶基板（Ｙ板）を結晶軸Ｘの周りに約３５度１５分回転して得られる水晶基板（Ａ
Ｔカット水晶基板）の両主面に、真空蒸着法、あるいはスッパッタリング法で金属膜を形
成し、パッケージに気密封止して構成される。ＡＴカット水晶振動子の振動モードは厚み
すべり振動であり、その共振周波数ｆは厚さｔの逆数に比例し、比例常数ｋは水晶の密度
ρと切断角度に依存する弾性定数ｃ’とから決まり、約１．６５ＭＨｚ・ｍｍである。

近年のＡＴカット水晶振動子（以下、単に「水晶振動子」と称す）は、小型化、低コス
ト化への強い要求から、ＡＴカット水晶基板（以下、単に「水晶基板」と称す）は量産に
適した矩形状となり、その水晶基板の両主面に矩形状の電極を形成し、矩形状のセラミッ
クパッケージに収容した上で、セラミックパッケージの上部周縁部に形成したメタライズ
部に金属蓋を接合して構成される。
図８は従来のＡＴカット水晶振動素子（以下、単に「水晶振動素子」と称す）の構成を
示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図（ｃ）
はＱ−Ｑにおける断面図である。また、図８（ｄ）、（ｅ）は長手方向、短手方向から見
た厚みすべり振動の変位分布を示す図である。図８の左側に座標軸を示すように、矩形状
ＡＴカット水晶基板３１は長手方向（長さＬ）をＸ軸方向、短手方向（幅Ｗ）をＺ’軸方
向とするのが一般的である。このＡＴカット水晶基板３１の表裏面に、真空蒸着法、ある
いはスッパッタリング法でマスクを介して電極３２ａ、３２ｂを形成して、水晶振動素子
を構成する。そして、水晶振動素子を図示しないパッケージの内底部に収容し、パッケー
ジの端子電極（図示しない）と水晶振動素子のリード電極３２ｃ、３２ｄとを導電性接着
剤３３ａ、３３ｂを用いて導通固定して水晶振動子を構成する。

上記のように構成された水晶振動子の電気的等価回路は、一般的に図９に示すように、
インダクタンスＬ１、容量（モーショナル・キャパシタンス）Ｃ１、抵抗（直列共振抵抗
）Ｒ１の直列回路に、静電容量Ｃ０を並列接続した電気的等価回路で表される。ここで、
インダクタンスＬ１、容量Ｃ１、静電容量Ｃ０は水晶基板の厚さと電極の面積に依存し、
抵抗Ｒ１は振動エネルギーの損失を表している。水晶振動子が共振状態、即ち２端子から
みて位相が零となる周波数での抵抗を実効抵抗Ｒｅ（≒直列共振抵抗Ｒ１）という。また
、容量Ｃ１に対する静電容量Ｃ０の比を容量比と称し、共振周波数と反共振周波数との周
波数差を決める。即ち、容量比が小さい程、共振周波数−反共振周波数の差が広く、容量
比が大きいと狭くなる。容量比が小さい水晶振動子を電圧制御形発振器（ＶＣＸＯ）に用
いた場合、可変範囲を広くすることができる。
水晶振動子を基準周波数源として用いるには、水晶振動子と増幅回路とを接続して水晶
発振器を構成する必要がある。水晶発振器としては、例えば回路が簡単なコルピッツ型水
晶発振器があり、水晶振動子の二端子から回路側をみた際の回路側の増幅度（負性抵抗と
いう）は、水晶振動子の実効抵抗Ｒｅの数倍程度が必要とされる。

図８（ｄ）、（ｅ）に水晶振動素子の振動変位分布を示すように、水晶基板３１が小さ
く、即ち、辺比（水晶基板の長さＬあるいは幅Ｗと厚さｔとの比、Ｌ／ｔあるいはＷ／ｔ
）が小さくなると、電極３２ａ、３２ｂと水晶基板３１の端部との間隔が狭まり、エネル
ギー閉じ込め理論を用いて設計しても、振動エネルギーは電極下に閉じ込めきれずに支持
部に漏洩して、直列共振抵抗Ｒ１が大きくなる。また、辺比を最適値に選んでも主振動で
ある厚みすべり振動の振動エネルギーの一部が水晶基板３１の端部に達し、他のモード、
例えば輪郭モードに変換して、水晶振動子の直列共振抵抗Ｒ１を劣化させると共に、不要
な副振動を引き起こす。

この問題を解決する水晶振動子として、特許文献１には、図１０に示すような水晶振動
素子が開示されている。なお、図８と同一部位には同一符号を付して説明を省略する。図
１０（ａ）は平面図、同図（ｂ）、（ｃ）はそれぞれＰ−Ｐ、Ｑ−Ｑにおける断面図であ
る。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように水晶基板５１の四辺の各々に対応する縁
部の表裏を曲率Ｒで変化させ、水晶基板５１の四辺に対応する縁部に、その厚さが水晶基
板の端面部に向かって徐々に薄くなるように漸減した漸減部５２を形成する。このように
加工した水晶基板５１の両主面に電極３２ａ、３２ｂを付着して、水晶振動子を構成する
と、厚みすべり振動の振動エネルギーは水晶基板５１の中央部に閉じ込められ、直列共振
抵抗Ｒ１が改良される。

また、特許文献２には、低い周波数でＣＩ（実効抵抗Ｒｅ）値を改善した、図１１に示
すような水晶振動素子が開示されている。図１１（ａ）は水晶振動子の平面図、同図（ｂ
）は断面図であって、振動片（水晶基板）６１の両面に励振電極６２ａ、６２ｂをスパッ
タリングで付着する。一般的に、セラミックパッケージ３．２ｍｍ×２．５ｍｍに搭載す
る振動片の大きさとしては、長さ（Ｘ軸方向）が２．０ｍｍ程度、幅（Ｚ’軸方向）が１
．０ｍｍ〜１．３ｍｍ程度が適当であるとされる。特許文献２の特徴は、振動片６１の四
隅にコーナーＲを設け、それぞれのＲの大きさを０．３ｍｍから０．６ｍｍとし、さらに
、振動片６１の先端と基部の表面と裏面にＣ面取りを施し、そのＣ面の大きさは振動片の
厚みの０．３から０．５とすることにより、周波数２６．０ＭＨｚという低周波のＡＴカ
ット振動をコンベックス形状でなく、主面が平坦の形状で製造できる。
特開２００３−１７４３５３公報 特開２００３−３１８６９７公報

最近の小型化、低背化へ要求は強く、パッケージ本体の外形寸法が３．２ｍｍ×２．５
ｍｍ×０．７ｍｍから２．５ｍｍ×２．０ｍｍ×０．５ｍｍへ、更に２．０ｍｍ×１．６
ｍｍ×０．５ｍｍへと小型化が図られている。しかしながら、上記で説明したように、小
型水晶振動子の電極形状は大半が矩形である。小型パッケージに収容する水晶基板や、水
晶基板に形成する電極も小さくなり、パッケージのストレイ容量の影響を受け易く、水晶
振動子の容量比が悪化、即ち大きくなるという問題があった。
本発明は、容量比を改良した小型水晶振動子を提供し、また水晶発振器に用いれば周波
数可変範囲の広い電圧制御型水晶発振器を提供することにある。

本発明に係る圧電振動子は、圧電振動子の容量比を改善するため、圧電基板と、この圧
電基板の両面にそれぞれ形成されて周縁部の少なくとも一部に凹部を有した電極と、を備
え、電極の一方面の凹部と他方面の凹部とが対向しないように構成した。
また本発明は、圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ周縁部の少なくとも一部に
凹部を有した電極と、を備え、電極の一方面の凹部と他方面の凹部とが対向するように構
成した。
上記いずれの構成においても容量比を改善することができ、且つ電極による周波数低下
量を抑えることができるので、高周波用圧電振動子に適したものとなる。

また本発明は電極の凹部を電極の中心線に対して対称となるように圧電振動素子を構成
した。また本発明は圧電基板の長辺方向の電極端部を半楕円状になるように圧電振動素子
を構成した。いずれの構成においても容量比を改善することができる。

また本発明は、圧電基板がメサ型圧電基板、或いは圧電基板が逆メサ型圧電基板により
構成した。このように構成した場合も容量比を改善することができる。

また本発明は、圧電基板をＡＴカット水晶基板により構成した。このようにすると容量
比を改善すると共に、周波数温度特性、周波数エージング特性の優れた圧電振動素子が得
られるようになる。

また本発明は、圧電振動素子と、表面実装用のパッケージと、このパッケージの開口を
封止する蓋と、を備え、圧電振動素子をパッケージ内に収容し、蓋によりパッケージを気
密封止して圧電振動子を構成するようにした。これにより、容量比を改善した圧電振動子
が得られるようになる。

また本発明は、圧電振動子と、発振回路と、を備えた圧電発振器を構成するようにした
。これにより、周波数可変範囲の広い電圧制御型圧電発振器が得られるようになる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る小型ＡＴカット水晶振動素子（水晶振動素子）の実施形態を示す概
略図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図（ｃ）は
底面図、同図（ｄ）はＱ−Ｑにおける断面図である。水晶の結晶軸Ｙに垂直な水晶基板を
結晶軸Ｘの周りに約３５度１５分回転して切り出した矩形水晶基板の長手方向をＸ軸方向
、短手方向をＺ’軸方向とする。図１（ａ）に示すように、水晶基板１の両主面に真空蒸
着法、あるいはスパッタリング法を用い、マスクを介して電極２ａ、２ｂを形成して水晶
振動素子を得る。そして、この水晶振動素子を図示しないパッケージの内底部に載置し、
パッケージの内部電極端子と水晶振動素子のリード電極２ｅ、２ｆとを導電性接着剤で導
通固定した後、パッケージ本体（図示しない）の上部周縁部に形成したメタライズ部と金
属蓋（図示しない）とを接合して気密封止し、水晶振動子を構成する。

本発明の水晶振動素子の特徴は水晶基板１の両主面に形成した電極２ａ、２ｂの形状に
ある。即ち、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、周縁部の少なくとも一部に凹状の切欠（
凹部）２ｃ、２ｄを有する電極２ａ、２ｂを水晶基板１の両面に形成し、図１（ａ）に示
す上面側の電極２ａの切欠２ｃと、図１（ｃ）に示す下面側の電極２ｂの切欠（凹部）２
ｄとが互いに対向しないように水晶振動素子を構成した点にある。
主振動の変位分布は、水晶基板１の厚みｈと、電極２ａ、２ｂのそれぞれ長手方向の寸
法ｌｅと、短手方向の寸法ｗと、電極２ａ、２ｂの周波数低下量Δとによって決まり、水
晶基板１の主面垂直方向からみて楕円状に分布する。また、水晶基板１の主面に沿った方
向からみると、電極２ａ、２ｂの中心部の変位が一番大きく、電極２ａ、２ｂの周縁部へ
は正弦波的に減少し、無電極部では指数関数的に減衰する。つまり、電極２ａ、２ｂの周
縁部の振動変位は、中心部のそれに比べて小さく、電極２ａ、２ｂの周縁部の面積変化は
電気的等価回路の容量Ｃ１への影響は少ない。

一方、静電容量Ｃ０は水晶基板１の厚みｈと、電極２ａ、２ｂの面積のみで決まる。つ
まり、電極２ａ、２ｂの面積変化の静電容量Ｃ０への影響は、電極２ａ、２ｂ上の位置に
関係しない。容量比はＣ０／Ｃ１で表されるので、電極２ａ、２ｂの周縁部に切欠２ｃ、
２ｄを設けた場合の影響は、静電容量Ｃ０に対しては相対的に大きく、容量Ｃ１（モーシ
ョナル・キャパシタンス）に対しては相対的に小さく寄与することになり、電極２ａ、２
ｂに切欠２ｃ、２ｄを設けることにより、容量比Ｃ０／Ｃ１は小さい方向へ変化すること
になる。
また、切欠の効果は容量比だけでなく、電極２ａ、２ｂの周縁部の厚みを薄くしたこと
に相当する。つまり、電極２ａ、２ｂの中央部で厚く、周縁部で薄くなる電極となり、主
振動のエネルギー閉じ込めに効果があり、周波数の高い水晶振動子に適している。

図２は本発明に係る水晶振動素子の第２の実施形態であって、同図（ａ）は平面図、同
図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図（ｃ）は底面図、同図（ｄ）はＱ−Ｑにおける断
面図である。図１に示した水晶振動素子と異なる点は、水晶基板１の長手方向（Ｘ軸方向
）の電極３ａ、３ｂの両端部を半楕円としたことである。電極３ａ、３ｂの両端部を半楕
円状にすることにより、主振動の振動変位分布に沿った電極形状となり、容量比Ｃ０／Ｃ
１をより小さくすることができる。

図３は本発明に係る水晶振動素子の第３の実施形態であって、同図（ａ）は平面図、同
図（ｂ）は底面図である。長手方向、短手方向それぞれの断面図は、図１（ｂ）、（ｄ）
と同様であるので省略する。
第３の実施形態の水晶振動素子は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、上面側の電極４
ａの周縁部と下面側の電極４ｂの周縁部の少なくとも一部に形成した凹状の切欠（凹部）
４ｃ、４ｄを、互いに対向するように構成した点にある。このように電極４ａ、４ｂを構
成することにより、水晶振動素子の容量比を小さくすることができる。
以上、水晶基板が矩形平面板の例について説明したが、図４に示すメサ型水晶基板５、
図５に示す逆メサ型水晶基板７に、図１から３で説明した電極形状の水晶振動素子を構成
しても容量比を改善することができる。

図４（ａ）はメサ型水晶振動素子の平面図、同図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図
（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。メサ型水晶基板５は、例えば矩形の平面水晶基板
５の周縁部をフォトリソ技術とエッチング手法を用いて薄く加工した水晶基板で、厚みす
べり振動エネルギーを中央部６（メサ部）に閉じ込めることができる。
また、図５（ａ）は逆メサ型水晶振動素子の平面図、同図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面
図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。逆メサ型水晶基板７は、例えば矩形の平
面水晶基板７の中央部をフォトリソ技術とエッチング手法を用いて薄く加工した水晶基板
で、高周波に適した水晶基板である。
メサ型水晶基板５、逆メサ型水晶基板７に本発明に係る切欠を有する電極を形成した水
晶振動素子は、平板状の水晶基板と同様に容量比を改善するという効果を有する。
以上、水晶基板の形状が矩形の場合について説明したが、円形、楕円形、矩形の四隅を
丸く加工した水晶基板等に適用しても、同様な効果がある。

図６は本発明に係る水晶振動子の断面図である。図６に示す水晶振動子は、図１から図
５で説明した水晶振動素子Ｘ１のリード電極をセラミックパッケージ本体１０の内底部の
電極端子１０ａに載置し、導電性接着剤１１を用いて両者を導通固定する。さらに、セラ
ミックパッケージ本体１０の上部周縁部に形成したメタライズ部１０ｂと金属蓋１２とを
接合し、気密封止して小型水晶振動子Ｙ１を構成したものである。このような構成の水晶
振動子は、小型であると共に、容量比の小さい水晶振動子となる。

本発明に係る水晶振動子Ｙ１と増幅回路とを接続して水晶発振器を構成することができ
る。図７は、水晶振動子Ｙ１を用いてコルピッツ型水晶発振器を構成した実施例示す回路
図である。周知のように、コルピッツ型発振回路はトランジスタＴｒのコレクタ−ベース
間に誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子
を接続して構成する発振回路である。トランジスタＴｒのコレクタ−ベース間の誘導性素
子として、ベース−接地間に水晶振動子Ｙ１を用いる。エミッタ−接地間に抵抗Ｒ１を接
続し、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続回路を接続すると共に、容量Ｃ１、
Ｃ２の接続中点とエミッタとを接続して、コルピッツ型発振回路を構成する。電源Ｖｃ−
接地間はバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコ
レクタ−ベース間に誘導性素子として利用する水晶振動子Ｙ１が挿入されたことになる。
また、容量Ｃ１とＣ２との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタＴｒのベ
ース−エミッタ間には容量Ｃ１が、コレクタ−エミッタ間には容量Ｃ２が挿入されること
になり、いずれも容量性として作用することになる。抵抗Ｒ２、Ｒ３はブリーダ抵抗でベ
ースバイアス電圧を設定する。
本発明に係る水晶振動子Ｙ１を発振回路の用いることにより、例えば図７の負荷容量Ｃ
Ｌを可変容量ダイオードに置換し、該可変容量ダイオードに電圧を印加して、電圧制御型
水晶発振器を構成すれば、周波数可変範囲の広い水晶発振器を得ることができる。

以上ではＡＴカット水晶基板を用いて本発明を説明したが、ランガサイト、セラミック
、タンタル酸リチウム等の圧電基板に本発明の電極形状を適用することもできる。

本発明に係る水晶振動素子の構成を示す図である。 第２発明の水晶振動素子の構成を示す図である。 第３発明の水晶振動素子の構成を示す図である。 本発明をメサ型水晶基板に適用する場合を示す図である。 本発明を逆メサ型水晶基板に適用する場合を示す図である。 本発明に係る水晶振動子の断面図である。 本発明に係る水晶発振器の回路図である。 従来の水晶振動素子の構成を示す図である。 水晶振動素子の電気的等価回路図である。 従来の水晶振動素子の構成を示す図である。 従来の水晶振動素子の構成を示す図である。

符号の説明

１、５、７ 水晶基板、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 電極、２ｃ、２ｄ、３
ｃ、３ｄ、４ｃ、４ｄ 切欠、２ｅ、２ｆ、３ｅ、３ｆ、４ｅ、４ｆ リード電極、６
メサ部、８ 逆メサ部、ｌｅ 電極の長手方向の寸法、ｗ 電極の短手方向の寸法、１０
セラミックパッケージ本体、１０ａ 電極端子、１０ｂ メタライズ部、１１ 導電性
接着剤、１２ 金属蓋、Ｘ１ 水晶振動素子、Ｙ１ 水晶振動子、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ
４ 抵抗、Ｃ₀、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、ＣＬ 容量、Ｔｒ トランジスタ、Ｖｃ 電源、Ｖ_O
出力

Claims (9)

1. 圧電基板と、該圧電基板の両面にそれぞれ形成されて周縁部の少なくとも一部に凹部を
   有した電極と、を備え、前記電極の一方面の凹部と他方面の凹部とが対向しないように構
   成したことを特徴とする圧電振動素子。
2. 圧電基板と、該圧電基板の両面にそれぞれ形成されて周縁部の少なくとも一部に凹部を
   有した電極と、を備え、前記電極の一方面の凹部と他方面の凹部とが対向するように構成
   したことを特徴とする圧電振動素子。
3. 前記各電極の周縁部に形成された凹部が該電極の中心線に対して対称となるように構成
   したことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動素子。
4. 前記圧電基板の長辺方向の電極端部を半楕円状に構成したことを特徴とする請求項１乃
   至３の何れか１項に記載の圧電振動素子。
5. 前記圧電基板がメサ型圧電基板であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に
   記載の圧電振動素子。
6. 前記圧電基板が逆メサ型圧電基板であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項
   に記載の圧電振動素子。
7. 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１
   項に記載の圧電振動素子。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の圧電振動素子と、表面実装用のパッケージと、該
   パッケージの開口を封止する蓋と、を備え、前記圧電振動素子を前記パッケージ内に収容
   し、前記蓋により前記パッケージを気密封止して構成したことを特徴とする圧電振動子。
9. 請求項８に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。

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