JP2011205516A - 圧電振動素子、及び圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でＱ値が高く、インハーモニックオーバートン、高次輪郭振動等のスプリア
スの低減された圧電振動素子を得る。
【解決手段】厚み振動するエネルギー閉じ込め型圧電振動素子であって、振動領域を備え
た矩形の圧電振動基板５と、圧電振動基板の主面上の振動領域内に夫々形成された第１の
励振電極１１ａ、１１ｂと、を備える。圧電振動基板５は、少なくとも一方の主面の振動
領域内には、少なくとも外径側に位置する第１の平面部５ａと、その内径側に位置し、且
つ厚さ方向外側へ突出した突部と、を有している。突部は、第１の平面部よりも厚さ方向
外側へ突出した略楕円形状の第２の平面部５ｂと、その内径側に位置し、且つ厚さ方向外
側へ突出した略楕円形状の第３の平面部５ｃと、を有している。第２及び第３の平面部の
外形は、夫々楕円形状の輪郭線の少なくとも一部であると共に、夫々の焦点間を結ぶ線分
の中点が、夫々前記振動領域の中心に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動素子、及び圧電振動子に関し、特に圧電基板の主面に複数段の略楕
円状の突出部を設け、これらに励振電極を形成した圧電振動素子と、この圧電振動素子を
パッケージに収容した圧電振動子に関するものである。

圧電振動子は小型であること、経年変化が小さいこと、高精度な周波数が容易に得られ
ること等のため、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、表面実装型圧電振動子の更なる小型化、高性能化が要求されている。
特許文献１には、タンタル酸リチウムＸ板、ニオブ酸リチウムＺ板を用いて、振動部分
と支持部分とが一体化され、振動部分の断面形状がベベル形状やコンベックス形状である
圧電振動子が開示されている。振動子長手方向断面をコンベックス形状にすると、長手方
向端部における相対変位の大きさは、長手方向断面が矩形状の場合に比べて約１／１００
となる。
振動子断面形状がコンベックス形状をなす振動子は、振動子断面形状を階段形状にする
ことで近似的に置き換えることができる。階段の断面形状が斜面であれば、より近似度合
いは増す上、階段の段差部分での励振用電極の断線を防ぐことができると開示されている
。
特許文献２には、両主面の相対向する位置に凸部を設けた、所謂メサ型圧電基板を用い
た圧電振動子が開示されている。メサ型圧電基板に形成する励振電極は、凸部と、凸部を
取り巻く平面部の一部の領域まで広がっている。励振電極を拡大することにより、励振電
極を形成する際に多少電極ずれが生じても不具合とはならず、励振電極の凸部の段差部分
における強度が増した圧電振動子が得られると開示されている。

特許文献３には、メサ型水晶振動子が開示されている。図１３（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、同図（ｄ）、（ｅ）
はそれぞれ長手方向、短手方向からみた振動変位分布を示す図である。水晶基板８１の長
手方向（Ｘ軸方向）の外形輪郭は、その両端部が半楕円状に加工され、楕円の長径／短径
（長軸／短軸）の比を１．２６とする。水晶基板８１の両主面は、図１３（ａ）、（ｂ）
、（ｃ）に示すように、中央部８２が周縁部より厚さ方向に突出した所謂メサ型に加工さ
れ、且つ中央部８２の長手方向の両端部の形状が水晶基板８１の外周輪郭形状と同様に半
楕円状に加工されている。この楕円の長径／短径（長軸／短軸）の比も１．２６である。
また、中央部８２の両面に付着する電極８２ａ、８２ｂの形状は、中央部８２と相似形
に形成される。このように構成した水晶振動素子の振動変位分布は、長手方向では図１３
（ｄ）の実線８４、短手方向のそれは同図（ｅ）に示す実線８５に示すような分布となる
。水晶板８１の長手方向断面が、矩形状の水晶振動素子の長手方向、及び短手方向夫々の
振動変位分布９４、９５は、図１３（ｄ）、（ｅ）の破線のように分布する。これらを比
較してメサ型水晶振動素子の振動変位分布は、振動変位が中央部により集中することが分
かる。即ち、エネルギー閉じ込め度合いがより深くなり、振動エネルギーの一部が支持部
に漏洩したり、他の輪郭振動へ変換したりして損失される量が少なくなる。そのため、直
列共振抵抗Ｒ１が改善され（Ｑ値が改善され）、不要モードも抑圧された水晶振動子が得
られると開示されている。

特開平１１−３５５０９４号公報 特開２００５−９４４１０公報 特開２００７−１５８４８６公報

しかしながら、特許文献１ではタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムについ記述され
ているが、水晶に関してコンベックス形状とその振動特性について述べられていない。ま
た、圧電基板の異方性を考慮した基板加工と、励振電極形状についても記述されていない
。
特許文献２に開示の水晶振動子は、メサ部より大きな励振電極を形成することが開示さ
れているが、メサ部が一段だけではエネルギー閉じ込めが不十分であり、要求を満たすよ
うな高いＱ値（低いＣＩ値）の水晶振動子が得られないという問題が起きる場合があった
。
また、特許文献３に開示の水晶振動子は、特許文献２に開示の水晶振動子よりもＱ値は
大きくなるものの、最近要求されるＱ値と、スプリアスとを満たすには、歩留まりがあま
りにも低い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、小型化を図ると共にＱ値を大きく
し、且つスプリアスを低減した圧電振動子を安価に提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本発明に係る圧電振動素子は、厚み振動をするエネルギー閉じ込め型圧電
振動素子であって、振動領域を備えた矩形の圧電振動基板と、前記圧電振動基板の表裏主
面上の振動領域内に夫々形成された第１の励振電極、及び第２の励振電極と、を備え、少
なくとも一方の主面の前記振動領域内には、少なくとも外径側に位置する第１の平面部と
、該第１の平面部の内径側に位置し且つ厚さ方向外側へ突出した突部と、を有し、前記突
部は、前記第１の平面部よりも厚さ方向外側へ突出した略楕円形状の第２の平面部と、前
記第２の平面部の内径側に位置し且つ厚さ方向外側へ突出した略楕円形状の第３の平面部
と、を有し、前記第２及び第３の平面部の外形は、夫々楕円形状の輪郭線の少なくとも一
部であると共に夫々の焦点間を結ぶ線分の中点が夫々前記振動領域の中心に位置している
ことを特徴とする圧電振動素子である。

圧電振動基板に第１乃至第３の平面部を設け、第２及び第３の平面部の輪郭形状を略楕
円形状とし、両略楕円形状の夫々の焦点間を結ぶ線分の中点を、圧電振動基板の振動領域
の中心とほぼ一致させるように構成する。このため、振動変位分布が振動領域の中央部に
集中し、圧電振動基板の周縁では振動変位は極めて小さくなる。この結果、圧電振動素子
のＱ値が高まると共に、圧電振動基板端部における高次輪郭振動への変換が、大幅に低減
されるという効果がある。

［適用例２］また圧電振動素子は、前記圧電振動基板は、長手方向がＸ軸方向であるＡ
Ｔカット水晶基板であり、夫々楕円形状の前記第２及び第３の平面部の長径対短径の比が
夫々１．２６対１．００の関係を満たすことを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子
である。

圧電振動基板に水晶基板を用いる場合は、水晶結晶の弾性定数の異方性を考慮する必要
がある。弾性定数は切断角度に依存して変化し、ＡＴカット水晶基板では、Ｘ方向とＺ’
方向との伝搬定数が異なり、振動変位分布の断面形状は楕円形状となる。そのため、振動
変位分布に基づいて、長径と短径を少しずつ小さくした楕円形状を、積層したように圧電
振動基板を形成することにより、大きなＱ値を有する圧電振動子を実現することができる
。ＡＴカット水晶基板の場合、この楕円形状の長径対短径の比が１．２６であり、この数
値を用いて圧電振動基板を構成すると圧電振動素子のＱ値が大きくなり、輪郭系のスプリ
アスを低減することができるという効果がある。

［適用例３］また圧電振動素子は、略楕円形状である前記第２の平面部の短径方向の対
向する２つの外形輪郭線は、夫々対応する位置にある前記圧電振動基板の長辺に沿って欠
落していることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。

圧電振動基板の主面上から平面視した形状は、楕円形状の長径と短径を少しずつ小さく
した楕円形状を積層し、且つ夫々の焦点間を結ぶ線分の中点と、振動領域の中心と、が一
致するように構成することが望ましい。しかし、圧電振動基板の平面形状が、例えば１．
０ｍｍ×０．６ｍｍと小さくなると、第２の平面部の輪郭形状を完全な楕円形状に形成す
ることは難しく、短径方向の対向する２つの外形輪郭線の一部が欠落することになる。こ
のように、外形輪郭線の一部が欠落した圧電振動基板を用いても、大きなＱ値の圧電振動
素子を実現することができるという効果がある。

［適用例４］また圧電振動素子は、略楕円形状である前記第３の平面部の短径方向の対
向する外形輪郭線は、夫々対応する位置にある前記圧電振動基板の長辺に沿って欠落して
いることを特徴とする適用例１乃至３の何れかに記載の圧電振動素子である。

圧電振動基板の平面形状が更に小さくなると、第３の平面部の短径方向の対向する外形
輪郭線の一部が欠落することがある。このような圧電振動基板を用いて圧電振動素子を構
成すると、長手方向の断面形状が矩形状の圧電振動基板を用いて構成した圧電振動素子の
Ｑ値に比べ、より大きなＱ値を得ることができるという効果がある。

［適用例５］また圧電振動素子は、前記第３の平面部の外形輪郭線の少なくとも一部は
楕円形状の一部であり、その２つの焦点間を結ぶ線分の中点は前記圧電振動基板の長手方
向の中心より偏心していることを特徴とする適用例１乃至４の何れかに記載の圧電振動素
子である。

圧電振動基板の長手方向と直交する幅方向の中心線と、振動領域の長手方向と直交する
幅方向の中心線、つまり第３の平面部の外形輪郭線である略楕円形状の２つの焦点間を結
ぶ線分の中点を通る幅方向の中心線とは、偏心するように圧電振動基板を形成する。この
ように圧電振動基板を形成すると、支持部の影響を受けることなく、振動変位の分布は振
動領域の中心に対し対称となり、圧電振動素子のＱ値を大きくするこができると共に、高
次輪郭モードを低減することが可能となるという効果がある。

［適用例６］また圧電振動素子は、前記圧電振動基板は長手方向の少なくとも一端に支
持部が形成されており、前記支持部の厚さは前記第３の平面の厚さ以上であることを特徴
とする適用例１乃至５の何れかに記載の圧電振動素子である。

圧電振動基板の長手方向の少なくとも一端に支持部を形成した圧電振動基板を用いて、
圧電振動素子を構成した場合、この圧電振動素子の支持部をパッケージの内底部に固定す
れば、圧電振動基板の振動領域に支持の影響が及ばないため、Ｑ値の劣化を防ぐことがで
きるという効果がある。

［適用例７］また圧電振動素子は、前記支持部の長手方向の奥行は前記第３の平面の厚
さに対して大きいことを特徴とする適用例１乃至６の何れかに記載の圧電振動素子である
。

長手方向の奥行き寸法を第３の平面の厚さ寸法に対して大きくすることにより、エネル
ギー閉じ込めが完全となり、Ｑ値の大きい圧電振動素子を得ることができるという効果が
ある。

［適用例８］また圧電振動素子は、前記第２の平面部と前記第３の平面部に跨って励振
電極を形成し、前記主面上から平面視したとき前記励振電極が矩形であることを特徴とす
る適用例１又は６又は７に記載の圧電振動素子である。

容量比を考慮すると振動変位分布に沿った電極形状が望ましいが、圧電振動素子のＣＩ
値をより小さくする場合には、できるだけ大きな矩形状の電極を用いることより、小さな
ＣＩ値を得ることができるという効果がある。

［適用例９］本発明の圧電振動子は、適用例１乃至８の何れかに記載の圧電振動素子の
前記第１乃至第３の平面が基板の周縁に側壁を有するパッケージの内部底面に対面した状
態で収容されていることを特徴とする圧電振動子である。

適用例１乃至８の何れかに記載の圧電振動素子と、パッケージとを備えた圧電振動子を
構成すると、大きなＱ値を有すると共に高次輪郭モードが低減された圧電振動子を得るこ
とができるという効果がある。

本発明に係る圧電振動素子の構成を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 第２の実施例の圧電振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 圧電振動基板の断面図とその要部の寸法。 長手方向（Ｘ軸方向）の変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位を示した図で、厚さ比Ｈ／ｈを、（ａ）は０．８５、（ｂ）は１．０、支持部厚さは０．２ｍｍに固定したシミュレーション結果。 長手方向（Ｘ軸方向）の変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位を示した図で、厚さ比Ｈ／ｈを、（ａ）は１．１６、（ｂ）は１．４７、支持部厚さは０．２ｍｍに固定したシミュレーション結果。 厚さ比Ｈ／ｈに対しＹ’軸方向の変位成分和を示した図。 長手方向（Ｘ軸方向）の変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位を示した図で、厚さ対幅比ｗ／ｈを、（ａ）は０．７７、（ｂ）は１．５５、（ｃ）は１．９３、厚さ比Ｈ／ｈは１．１に固定したシミュレーション結果。 長手方向（Ｘ軸方向）の変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位を示した図で、厚さ対幅比ｗ／ｈを３．８６、厚さ比Ｈ／ｈは１．１に固定したシミュレーション結果。 厚さ対幅比ｗ／ｈに対しＹ’軸方向の単位当たりの変位成分を示した図。 第３の実施例の圧電振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 第４の実施例の圧電振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。 本発明の圧電振動子の構成を示した断面図。 従来の水晶振動素子の構成を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は断面図、（ｄ）、（ｅ）は変位分布を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施
形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）
はＱ−Ｑにおける断面図である。圧電振動素子１は、厚み振動をするエネルギー閉じ込め
型圧電振動素子であって、振動領域を備えた矩形の圧電振動基板（以下、圧電基板と称す
）５と、圧電基板５の表裏両主面上の振動領域内に夫々形成された第１の励振電極１１ａ
、及び第２の励振電極１１ｂと、を備えている。
圧電基板５の少なくとも一方の主面には、少なくとも圧電基板５の長手方向の両端部寄
りに位置する第１の平面部５ａと、第１の平面部５ａよりも圧電基板５の内側（振動領域
の中央）に位置し、且つ振動領域の中央に向かうに従い厚さが増すように外側へ突出した
階段状の突部５Ａと、を有している。
突部５Ａは、第１の平面部５ａよりも圧電基板５の内側（振動領域の中央寄り）に位置
し、且つ第１の平面部５ａよりも厚さ方向に突出し、且つ圧電基板５の長手方向に長軸が
延びた略楕円形状の第２の平面部５ｂと、第２の平面部５ｂよりもの圧電基板５の内側（
振動領域の中央）に位置し、且つ第２の平面部５ｂよりも厚さ方向に突出し、且つ圧電基
板５の長手方向に長軸が延びた略楕円形状の第３の平面部５ｃと、を有している。つまり
、突部５Aは、その一体化された構造を仮に分解した状態にして説明すれば第２の平面部
５ｂを有する略楕円形状（略楕円柱形状）の第１の突部５Ａ−１の上面中央に、略楕円形
状（略楕円柱形状）である第３の平面部５ｃを上面とする第２の突部５Ａ−２が積層され
たような階段状を成している。なお、略楕円柱形状とは、圧電基板５の形成する際に生じ
る加工精度に伴う誤差や、圧電基板５の材料の特性として例えばエッチング量の異方特性
などの影響によって理想の楕円形状に対して側面に崩れが生じた形状のものも含む。

第２平面部５ｂ、及び第３の平面部５ｃの外形は、夫々楕円形状の輪郭線の少なくとも
一部を有すると共に、夫々の焦点間を結ぶ線分の中点が、夫々振動領域の中心に位置して
いる。図１に示した圧電振動素子１の例では、圧電基板５の表裏両主面に、第１の平面部
５ａならびに突部５Ａを形成した形状を示しており、圧電基板５は長手方向の中心線を境
に表裏面が実質的に対称に形成されている。なお、実質的に対象とは、圧電基板５の形成
する際に生じる加工精度に伴う誤差や、圧電基板５の材料の特性として例えばエッチング
量の異方特性などの影響によって生じた非対称形状を無視すれば対象であることを意味す
る。
圧電基板５は、第２の平面部５ｂの略楕円形状の外形の中点（２つの焦点間を結ぶ線分
の中心）と、第３の平面部５ｃの略楕円形状の外形の中点とが一致するように形成されて
いる。ここで、略楕円形状の外形とは、楕円形状、或いは楕円形状の少なくとも一部が欠
落した形状を含むものとする。

図１に示した例では、第３の平面部５ｃの外形の輪郭は、楕円形状を成しているが、第
２の平面部５ｂの外形の輪郭は、楕円形状の短径方向において輪郭の一部が欠落している
。すなわち、第２の平面部５ｂの外形は圧電基板５の長辺より楕円形状（楕円柱形状）に
おける円周のうち短軸の延び方向に位置する一部が圧電基板５の長手方向に沿って直線的
に切り取られたような形状であり、図１の場合では、直線的に切り取られた部分の辺が圧
電基板５の長辺と一致した形状となっている。また、第３の平面部５ｃの外形の輪郭が、
例えば第の平面部５ｂと同様に楕円形状の長径方向（長軸方向）において一部が欠落して
いるものも本発明に含まれる。
更に、圧電基板５の長手方向の一方の端部には支持部８が一体的に形成されており、支
持部８の厚さｔ、つまり圧電基板５の長手方向と直交する厚さは、圧電基板５の振動領域
の中央部（図１（ｂ）の表面の第２の平面部５ｃ及び裏面の第２の平面部５ｃとの厚さ）
の厚さ以上である。
また、圧電基板５の長手方向と直交する幅方向の圧電基板５の中心線Ｃ₀に対し、圧電
基板５の長手方向と直交する幅方向の振動領域の中心線Ｃ₁は、支持部８から遠ざかる方
向にαだけ偏心している。

圧電基板５の表裏両主面上には、夫々第１の励振電極１１ａと、第２の励振電極１１ｂ
とが形成されている。第１の励振電極１１ａ、及び第２の励振電極１１ｂは、共に楕円形
状であり、互いに対向している。楕円形状の第１及び第２の励振電極１１ａ、１１ｂの夫
々の焦点間の中点が、略楕円形状の第３の平面部５ｃの中点とほぼ一致すると共に、第１
及び第２の励振電極１１ａ、１１ｂの長径（長軸）の延び方向と第３の平面部５ｃの長径
（長軸）の延び方向とが一致するように、第１及び第２の励振電極１１ａ、１１ｂを形成
し、図１の場合は、第３の平面部５ｃの輪郭形状と第１及び第２の励振電極１１ａ、１１
ｂの輪郭形状とはほぼ相似である。
第１及び第２の励振電極１１ａ、１１ｂからは夫々圧電基板５の支持部８に向けて、第
２の平面部５ｂと第１の平面部５ａの面上を互いに絶縁した状態で引出電極１１ｃ、１１
ｄが延出している。
第１及び第２の励振電極１１ａ、１１ｂと、引出電極１１ｃ、１１ｄに用いる電極材料
としては、夫々所定の厚さのクロムＣｒ＋金Ａｕ、或いはニッケルＮｉ＋金Ａｕ等が用い
られる。

厚み振動の場合、主振動の周波数は圧電基板５の厚さ（第３の平面部５ｃ間の厚さ）依
存し、圧電基板５の長手方向、短手方向の寸法には依存しない。長手方向、短手方向の寸
法は、主振動の近傍に生じる高次輪郭（幅すべり等）に関係するので、使用温度範囲にお
いてこれら輪郭振動が主振動に結合しないように、輪郭の寸法（長さ、幅）を設定する。
圧電基板５の厚さ方向を階段状のメサ構造とするのは、主振動の振動エネルギーを基板上
の振動領域中央部に閉じ込め、振動エネルギーの基板端部への漏洩と、漏洩した厚み振動
が他のモードに変換され、スプリアスが生じるのを低減させるためである。
図１（ｂ）に示す第１の平面部５ａ、第２の平面部５ｂ及び第３の平面部５ｃが呈する
断面形状は、所望する周波数、圧電基板５の寸法を基に、有限要素法を用いてシミュレー
ションして、高次の輪郭振動を避ける平面形状と、断面形状を決定する。
圧電基板にＡＴカット水晶基板を用いた例について説明する。周知のように、ＡＴカッ
ト水晶基板は、結晶軸Ｙ（機械軸）に垂直な水晶板（Ｙ板）を結晶軸Ｘ（電気軸）の周り
に約３５度１５分回転して切り出した水晶基板である。矩形状ＡＴカット水晶基板の長手
方向をＸ軸、短手方向をＺ’軸、厚さ方向をＹ’軸とする。図１に示す第２の平面部５ｂ
、及び第３の平面部５ｃの夫々の外形輪郭がなす略楕円形の長径対短径（長軸対短軸）の
比を共に約１．２６とする。

長径対短径（長軸対短軸）の比が１．２６となる理由について説明する。エネルギー閉
じ込め理論の振動方程式の中で、振動変位ｕを表す式に用いられる無電極部、及び電極部
の伝搬定数を夫々ｋ、ｋｅとすると、ｋ、ｋｅは夫々次式で表すことができる。
ｋ＝μ（ｍπ／ｈ）（１−（ｆ／（ｍｆｓ））²）^1/2 （１）
ｋｅ＝μ（ｍπ／ｈ）（（ｆ／（ｍｆｅ））²−１）^1/2 （２）
ここで、定数μは弾性定数と切断角度から決まる値、ｍは高調波次数、ｈは水晶基板の
厚さ、ｆｓは無電極部の遮断周波数、ｆｅは電極部の周波数である。
水晶は三方晶系（trigonal system）に属する結晶であるため異方性を有し、結晶軸方
向により弾性定数が異なる。ＡＴカット水晶板の場合は、Ｘ軸方向に伝搬する波動の弾性
定数と、Ｚ’軸方向に伝搬する波動の弾性定数とが異なる。このため、伝搬定数ｋ、ｋｅ
に用いられる定数μもＸ軸方向伝搬ではμｘ、Ｚ’軸方向伝搬ではμｚとなり、μｘ／μ
ｚの比が約１．２６となる。このため、ＡＴカット水晶振動子の振動変位分布は、Ｘ軸方
向とＺ’軸方向とでは変位分布の広がりが異なり、水晶基板と平行方向の断面の形状は、
Ｘ軸方向を長径（長軸）、Ｚ’軸方向を短径（短軸）とした楕円状となり、長径／短径の
比μｘ／μｚは、約１．２６である。

図１では、第１乃至第３の平面部５ａ、５ｂ、５ｃからなる２段構造のメサ型圧電基板
５を用いた圧電振動素子１の例を示したが、更に多くの平面部を有した多段メサ構造の圧
電基板を用いることが望ましい。しかし、圧電基板５の形状寸法（長さ×幅）が、例えば
１ｍｍ×０．６ｍｍと小さくなると、多段構造のメサ型圧電基板を製造することは難しく
なる。そこで、要求されるＱ値（ＣＩ値）等の電気的特性を満たし、主振動近傍のスプリ
アスを規格値以下に抑圧する段数を選択することになる。
また、第１乃至第３の平面部５ａ、５ｂ、５ｃの圧電基板５の長手方向外寄りの角部を
結ぶ包絡線は、実績のあるコンベックス状圧電基板から相似の理により設計してもよいし
、有限要素法を用いて計算してもよい。多段メサ型圧電基板についても同様である。
支持部厚さを増すために水晶に代わる材料の厚膜を用いても良い。

図２は、第２の実施の形態の圧電振動素子２の構成を示す概略図であり、同図（ａ）は
平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。図１に示した圧電振動素子１と異な
る点は、圧電基板５の支持部８の表裏面に夫々溝部９を設けたことと、励振電極１１ａ、
１１ｂの形状を矩形状とし、且つ第３の平面部５ｃのみならず第２の平面部５ｂの一部に
まで広げたことである。なお、圧電振動素子２を構成する上で必要が無ければ溝部９が無
い構成であっても良い。
支持部８の表裏面に夫々溝部（グルーブ）９を設けるのは、導電性接着剤を用いて、支
持部８をパッケージの底部に接着・固定する際に、導電性接着剤の硬化によって生じる圧
電基板５の歪を緩和するためと、導電性接着剤の塗布時の振動領域、或いは他方の引出電
極への広がりを、溝部９によって抑えるためである。
励振電極１１ａ、１１ｂを図１の圧電振動素子１より大きくしたのは、ＣＩ値（等価抵
抗値）を小さくし、発振器に用いる際により発振し易く（発振回路の負性抵抗値がより小
さくてよい）したためである。

図１、２に示す圧電振動基板５の要部の寸法を図３に示すように、長手方向の長さをＬ
、振動領域中心部の厚さをｈ、支持部８の厚さをＨ、圧電振動基板５の長手方向における
支持部８の幅をｗ、支持部８の上面又は下面（溝部９の上面又は下面ではない）と圧電振
動基板５の長手方向端部の上面又は下面との差厚をｄとする。圧電振動基板５の長手方向
の長さＬに対する支持部８の幅ｗの比ｗ／Ｌを０．２とし、振動領域の中心部の厚さｈに
対する支持部８の厚さＨの比（以後、厚さ比と称す）Ｈ／ｈを変化させ、圧電基板５に励
起される厚み滑り振動の長手方向（Ｘ軸方向）の振動変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の
振動変位とを有限要素法を用いてシミュレーションした。
図４（ａ）は差厚ｄが零の場合、つまり圧電振動基板５の長手方向端部の厚さと、支持
部８の厚さＨとが等しい場合、圧電振動基板５に励起される振動変位の中、長手方向（Ｘ
軸方向）の変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位とを、圧電振動基板５の規格化した位
置（圧電振動基板５の長手方向の一方の端部の位置を０、他方の端部の位置を１とする）
に対して示している。長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布には高次屈曲振動が重畳し、厚さ
方向（Ｙ’軸方向）の変位も大きい。
図４（ｂ）は厚さ比Ｈ／ｈを１．０とした場合の圧電振動基板５の長手方向（Ｘ軸方向
）の変位分布と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位分布とを示した図である。支持部８の厚
さ比Ｈ／ｈを大きくしたことにより、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高次輪
郭振動の振幅は、図４（ａ）に示す振幅より小さくなる。また、厚さ方向（Ｙ’軸方向）
の振動変位の振幅も図４（ａ）の振幅より小さくなることが判明した。

図５（ａ）は、厚さ比Ｈ／ｈを１．１６とした場合の長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布
と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位分布とを、示した図である。支持部８の支持部８の厚
さ比Ｈ／ｈを更に大きくしたことにより、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高
次輪郭振動の振幅は、図４（ｂ）に示す振幅より小さくなっている。また、厚さ方向（Ｙ
’軸方向）の振動変位の振幅も図４（ｂ）の振幅より小さくなることが判明した。
図５（ｂ）は、厚さ比Ｈ／ｈを１．４７とした場合の長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布
と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の変位分布とを、示した図である。支持部８の厚さ比Ｈ／ｈ
を更に大きくすると、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高次輪郭振動の振幅は
、図５（ａ）に示す振幅より大きくなっている。また、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変
位の振幅も図５（ａ）の振幅より大きくなることが分かった。
図６は、厚さ比Ｈ／ｈを横軸にし、厚さ方向（Ｙ’軸方向）変位成分を縦軸にしたとき
、厚さ比Ｈ／ｈの変化に対するＹ’軸方向変位成分を示す図である。この図から厚さ比Ｈ
／ｈを１．１以上の設定することによりＹ’軸方向変位成分を小さく抑えることができる
。
圧電基板５の厚さ比Ｈ／ｈを１．１以上に形成することは、フォトリソグラフィ技術を
用いたエッチング加工で可能であるがエッチングの加工の段取りと工数とが掛かる。そこ
で、厚さ比Ｈ／ｈを１．０の圧電基板５を製作し、この圧電基板５の支持部８の上下面に
水晶の比重（２．６５）より大きい比重の金属、例えば金（比重１９．３）等を蒸着等の
手段を用いて薄膜形成することにより、等価的に厚さ比Ｈ／ｈを１．１以上の圧電基板５
を実現することができる。

次に、振動領域の中心部の厚さｈに対する支持部８の長手方向（Ｘ軸方向）の幅ｗの比
（以後、厚さ対幅比と称す）ｗ／ｈを変化させ、圧電基板５の長手方向（Ｘ軸方向）の振
動変位と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位とを有限要素法を用いてシミュレーション
した。
図７（ａ）は、厚さ対幅比ｗ／ｈを０．７７とした場合、圧電基板５の長手方向（Ｘ軸
方向）の振動変位分布と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位分とを示す図である。支持
部８の厚さ対幅比ｗ／ｈが小さいと、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高次輪
郭振動の振幅がかなり大きく、また厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位分布に重畳する高
次輪郭振動の振幅も大きいことが分かる。
図７（ｂ）は、厚さ対幅比ｗ／ｈを１．５５とした場合の圧電基板５の長手方向（Ｘ軸
方向）の振動変位分布と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位分とを示す図である。支持
部８の厚さ対幅比ｗ／ｈを大きくすると、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高
次輪郭振動の振幅は、図７（ａ）のそれよりも小さくなるが、まだ大きい。また、厚さ方
向（Ｙ’軸方向）の振動変位分布に重畳する高次輪郭振動の振幅は、図７（ａ）のそれよ
りも小さくなるが、まだ大きいことが分かる。
図７（ｃ）は、厚さ対幅比ｗ／ｈを１．９９とした場合の圧電基板５の長手方向（Ｘ軸
方向）の振動変位分布と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位分とを示す図である。支持
部８の厚さ対幅比ｗ／ｈを更に大きくすると、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳す
る高次輪郭振動の振幅は、図７（ｂ）のそれよりもかなり小さくなる。また、厚さ方向（
Ｙ’軸方向）の振動変位分布に重畳する高次輪郭振動の振幅は、図７（ｂ）のそれよりも
かなり小さくなることが分かる。

図８は、厚さ対幅比ｗ／ｈを３．８６とした場合の圧電基板５の長手方向（Ｘ軸方向）
の振動変位分布と、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位分とを示す図である。支持部８の
厚さ対幅比ｗ／ｈを更に大きくすると、長手方向（Ｘ軸方向）の変位分布に重畳する高次
輪郭振動の振幅は、図７（ｃ）のそれよりも大きくなり、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動
変位分布に重畳する高次輪郭振動の振幅は、図７（ｃ）のそれよりも大きくなることが分
かる。
図９は、厚さ対幅比ｗ／ｈを横軸に、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の単位当たりの変位成分
を縦軸にしたときの、厚さ対幅比ｗ／ｈの変化に対するＹ’軸方向の単位当たりの変位成
分を示す図である。この図から厚さ対幅比ｗ／ｈを１．９近傍に設定することにより、高
次輪郭振動による影響を抑圧することが可能であるが、厚さ対幅比ｗ／ｈに余裕が少ない
。厚さ対幅比ｗ／ｈを３．０以上にすれば、高次輪郭振動による影響を抑圧することがで
き、厚さ方向（Ｙ’軸方向）の振動変位成分を小さくすることができる。
図１０は、第３の実施の形態の圧電振動素子３の構成を示す概略図であり、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。図１及び２に示した圧電振動素子
１、２と異なる点は、圧電基板５の断面の形状である。つまり、第２及び第３の平面部５
ｂ、５ｃが、圧電基板５の一方の主面のみに形成されている点である。従来のプラノコン
ベックス型圧電基板と同様、切断角度が当初のまま維持されるので温度特性を重視した圧
電振動素子に適している。

図１１は、第４の実施の形態の圧電振動素子３の構成を示す概略図であり、同図（ａ）
は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。図１及び２に示した圧電振動素子
１、２と異なる点は、圧電基板５の長手方向の両端部に支持部８ａ、８ｂを一体的に形成
した点である。図４に示した例では、引出電極１１ｃは支持部８ａに延出させ、引出電極
１１ｄを支持部８ｂに延出させた両持ち構造の例を示したが、支持部８ａ、８ｂの一方の
みに引出電極を延出した片持ち構造であってもよい。
図１１に示した圧電基板５の特徴は、圧電基板５の長手方向に対しても対称であり、厚
さ方向に対しても対称な基板とした点である。圧電基板５を対称構造に形成することによ
り、不要振動の発生を抑圧することができる。また、圧電基板５の端部に振動領域より厚
い支持部８ａ、８ｂを設けた構造とすることにより、インハーモニックモード（非調和高
次モード）、高次輪郭振動モードの振動を低減することができる。このことはＡＴカット
水晶基板の中央部をエッチング加工で薄板化し、周縁に厚い環状囲繞部を形成した高周波
振動子で実証済みである。
また、支持部８ａ、８ｂの上下面に質量の重い金属を付着し、支持部８ａ、８ｂのカッ
トオフ周波数を低下させることにより、高次輪郭振動、インハーモニックモードによるス
プリアスを低減することが可能となる。

図１、２、及び１０、１１に示した圧電基板５の製造方法の一例は、ウエハー（大型圧
電基板）にフォトリソグラフィ技術とエッチング手法を適用して加工すると、容易に製造
することができる。この場合には、振動領域の中央部の厚さと、支持部８ａ、８ｂの厚さ
が等しくなるが、上述の手段により等価的に支持部８の厚さを増し、厚さ比の厚さ比Ｈ／
ｈを１．１以上のすることが可能となる。
水晶基板の例を示したが、本発明は他の圧電基板、例えばランガサイト、タンタル酸リ
チウム、ニオブ酸リチウム等にも適用できることは言うまでもない。ただ、夫々の弾性定
数により振動変位分布が異なるので、用いる圧電基板の弾性定数により楕円形状の長径対
短径の比を決める必要がある。
圧電基板５を加工して第１乃至第３の平面部５ａ、５ｂ、５ｃを形成する例を説明した
が、第１乃至第３の平面部５ａ、５ｂ、５ｃは平板状の圧電基板に他の材料、例えばＣｒ
、Ｎｉ、金等の金属で形成してもよい。

圧電振基板５に第１乃至第３の平面部５ａ、５ｂ、５ｃを設け、第２及び第３の平面部
５ｂ、５ｃの輪郭形状を略楕円形状とし、両略楕円形状の夫々の焦点間を結ぶ中点を、圧
電基板５の振動領域の中心とほぼ一致させるように構成する。この結果、振動変位が振動
領域の中央寄りの分布となり、圧電基板５の周縁では振動変位は極めて小さくなるため、
圧電振動素子のＱ値が高まると共に、圧電基板５端部で高次輪郭振動に変換される振動エ
ネルギーが小さくなり、高次輪郭振動の発生が低減されるという効果がある。
圧電基板５に水晶基板を用いる場合は、水晶結晶の弾性定数の異方性を考慮する必要が
ある。弾性定数は切断角度に依存して変化し、ＡＴカット水晶基板では、Ｘ方向とＺ’方
向との伝搬定数が異なり、振動変位分布の断面形状は楕円形状となる。そのため、振動変
位分布に基づいて、長径と短径を少しずつ小さくした楕円形状を、積層したように圧電振
動基板を形成することにより、大きなＱ値を実現することができる。ＡＴカット水晶基板
の場合、この楕円形状の長径対短径の比が１．２６であり、この数値を用いて圧電基板５
を構成すると圧電振動素子のＱ値が大きくになり、輪郭系のスプリアスを低減することが
できるという効果がある。

圧電基板５の主面上から平面視した形状は、楕円形状の長径と短径を少しずつ小さくし
た楕円形状を積層し、且つ夫々の焦点間を結ぶ線分の中点と、振動領域の中心と、が一致
するように構成することが望ましい。しかし、圧電基板５の平面形状が、例えば１．０ｍ
ｍ×０．６ｍｍと小さくなると、第２の平面部の輪郭形状を完全な楕円形状に形成するこ
とは難しく、短径方向の対向する２つの外形輪郭線の一部が欠落することになる。このよ
うに外形輪郭線の一部が欠落した圧電基板５でも大きなＱ値の圧電振動素子を実現するこ
とができるという効果がある。
圧電基板５の平面形状が更に小さくなると、第３の平面部の短径方向の対向する外形輪
郭線の一部が欠落することがある。このような圧電基板５を用いて圧電振動素子を構成し
た場合、従来の平板状の圧電基板５を用いて構成した圧電振動素子のＱ値に比べ、より大
きなＱ値を得ることができるという効果がある。

圧電基板５の長手方向と直交する幅方向の中心線Ｃ₀と、長手方向と直交する振動領域
の幅方向の中心線Ｃ₁、つまり第３の平面部の外形輪郭線である略楕円形状の２つの焦点
間を結ぶ線分の中点を通る幅方向の中心線とは、偏心するように圧電基板５を形成する。
このように形成すると、支持部の影響を受けることなく、振動変位の分布は振動領域の中
心に対し対称となり、圧電振動素子のＱ値を大きくするこができると共に高次輪郭モード
を低減することが可能となるという効果がある。
圧電基板５の長手方向の少なくとも一端に支持部を形成した圧電基板５を用いて圧電振
動素子を構成した場合、この圧電振動素子をパッケージの内底部に固定する際に、圧電基
板５の振動領域に影響を及ぼさないため、Ｑ値の劣化を防ぐことができるという効果があ
る。
容量比を考慮すると振動変位分布に沿った電極形状が望ましいが、圧電振動素子のＣＩ
値をより小さくする場合には、第３の平面部５ｃのみならず第２の平面部５ｂにも電極を
形成することが望ましく、例えばできるだけ大きな矩形の電極形状を用いることより、小
さなＣＩ値を得ることができるという効果がある。

図５は、本発明の圧電振動子１５の実施の形態を示す断面図であり、圧電振動子１５は
上述の圧電振動素子１〜４の何れかと、パッケージとを備えている。パッケージは、パッ
ケージ本体２０と、金属製、ガラス製等の蓋部材２１とからなる。パッケージ本体２０は
例えばグリーンシートを積層し、内部に空間部を設け、パッケージ本体２０の外底面には
接続用の外部端子２２が形成されている。パッケージ本体２０内部底面に形成したパッド
電極と、外部端子２２とは内部導体にて導通が図られている。
パッケージ本体２０内部底面に形成したパッド電極に導電性接着剤を塗布し、この上に
圧電振動素子１を載置し、導電性接着剤を硬化させた後、パッケージ本体２０の内部を不
活性ガスで満たした後、蓋部材２１にて気密封止する。不活性ガスを満たす代わりに内部
を真空封止してもよい。また、導電性接着剤の代わりに金バンプ等を用いて、パッケージ
本体の内部パッド電極と圧電振動素子１とを接合してもよい。
上述の圧電振動素子と、パッケージとを備えた圧電振動子を構成すると、大きなＱ値を
有すると共に高次輪郭モードが低減された圧電振動子をうることができるという効果があ
る。

１、２、３、４…圧電振動素子、５…圧電振動基板、５ａ…第１の平面部、５ｂ…第２の
平面部、５ｃ…第３の平面部、８、８ａ、８ｂ…支持部、９…溝部、１１ａ…第１の励振
電極、１１ｂ…第２の励振電極、１１ｃ、１１ｄ…引出電極、１５…圧電振動子、２０パ
ッケージ本体、２１蓋部材、２２外部端子、２３内部導体、ｔ…支持部の厚さ、Ｃ０…圧
電基板の中心線、Ｃ１…振動領域の中心線、Ｌ…圧電基板の長手方向の長さ、ｈ…振動領
域の中心部の厚さ、Ｈ…支持部の厚さ、ｗ…支持部の幅

Claims (9)

1. 厚み振動をするエネルギー閉じ込め型圧電振動素子であって、
   振動領域を備えた矩形の圧電振動基板と、
   前記圧電振動基板の表裏主面上の振動領域内に夫々形成された第１の励振電極、及び第
   ２の励振電極と、を備え、
   少なくとも一方の主面の前記振動領域内には、少なくとも外径側に位置する第１の平面
   部と、該第１の平面部の内径側に位置し且つ厚さ方向外側へ突出した突部と、を有し、
   前記突部は、前記第１の平面部よりも厚さ方向外側へ突出した略楕円形状の第２の平面
   部と、前記第２の平面部の内径側に位置し且つ厚さ方向外側へ突出した略楕円形状の第３
   の平面部と、を有し、
   前記第２及び第３の平面部の外形は、夫々楕円形状の輪郭線の少なくとも一部であると
   共に夫々の焦点間を結ぶ線分の中点が夫々前記振動領域の中心に位置していることを特徴
   とする圧電振動素子。
2. 前記圧電振動基板は、長手方向がＸ軸方向であるＡＴカット水晶基板であり、
   夫々楕円形状の前記第２及び第３の平面部の長径対短径の比が夫々１．２６対１．００
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 略楕円形状である前記第２の平面部の短径方向の対向する２つの外形輪郭線は、夫々対
   応する位置にある前記圧電振動基板の長辺に沿って欠落していることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の圧電振動素子。
4. 略楕円形状である前記第３の平面部の短径方向の対向する外形輪郭線は、夫々対応する
   位置にある前記圧電振動基板の長辺に沿って欠落していることを特徴とする請求項１乃至
   ３の何れかに記載の圧電振動素子。
5. 前記第３の平面部の外形輪郭線の少なくとも一部は楕円形状の一部であり、その２つの
   焦点間を結ぶ線分の中点は前記圧電振動基板の長手方向の中心より偏心していることを特
   徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の圧電振動素子。
6. 前記圧電振動基板は長手方向の少なくとも一端に支持部が形成されており、前記支持部
   の厚さは前記第３の平面の厚さ以上であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記
   載の圧電振動素子。
7. 前記支持部の長手方向の奥行は前記第３の平面の厚さに対して大きいことを特徴とする
   請求項１乃至６の何れかに記載の圧電振動素子。
8. 前記第２の平面部と前記第３の平面部に跨って励振電極を形成し、前記主面上から平面
   視したとき前記励振電極が矩形であることを特徴とする請求項１又は６又は７に記載の圧
   電振動素子。
9. 請求項１乃至８の何れかに記載の圧電振動素子の前記第１乃至第３の平面が基板の周縁
   に側壁を有するパッケージの内部底面に対面した状態で収容されていることを特徴とする
   圧電振動子。

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