JP2012074860A

JP2012074860A - 水晶振動素子

Info

Publication number: JP2012074860A
Application number: JP2010217393A
Authority: JP
Inventors: Koichi Iwata; 浩一岩田; Hitoshi Shirasawa; 仁白澤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】ＣＩ値を向上させる。
【解決手段】平板状の水晶片の両主面に凸部が設けられ、それぞれの凸部に励振電極が形成されて構成される水晶振動素子であって、水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値を２つの凸部の段差厚みＴｍとしたとき、この段差厚みＴｍと水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｑ／Ｔｍが、０＜Ｔｑ／Ｔｍ＜０．１の関係となるように形成され、水晶片の一方の主面に設けられる凸部の平面積と他方の主面に設けられる凸部の平面積とが異なる大きさで形成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器に用いられる水晶振動素子に関する。

従来から、電子機器には、例えば、水晶振動子が用いられている。その従来の水晶振動子の一例としては、素子搭載部材と水晶振動素子と蓋部材とから主に構成され、素子搭載部材に設けられた凹部内に水晶振動素子を搭載して蓋部材で気密封止した構造のものが知られている。ここで、水晶振動素子は、水晶片の両主面に励振電極が形成されている。また素子搭載部材は、凹部内に水晶振動素子を搭載するための搭載パッドが設けられている。また、蓋部材は、平板状に形成された金属板が用いられ、凹部を気密封止するために素子搭載部材に接合される。また、素子搭載部材に設けられた凹部の封止には、例えば、Ａｕ−Ｓｎを用いた封止、シーム溶接による封止などが用いられる。

この水晶振動子に構成される水晶片は、種々の形状が提案されている。
例えば、平板構造の水晶片としては、平面視四角形状のもの（例えば、特許文献１参照）と、平面視円形状のもの（例えば、特許文献２参照）が知られており、平板構造以外の水晶片としては、例えば、音叉構造のもの（例えば、特許文献３参照）が知られている。また、平板状の素子には、その主面に凸部を設けてこの凸部の主面に電極を設けた構造のもの（例えば、特許文献４参照）や、凹部を設けてその凹部の主面に電極を設けた構造のもの（例えば、特許文献５参照）が提案されている。
なお、これら電極は、引回しパターンと電気的に接続しており、この引回しパターンにより水晶片の端部まで引回されている。

これらのような平面視四角形状の水晶片、平面視円形状の水晶片、音叉形状の水晶片は、ウェットエッチングを用いて水晶ウェハから形成される。
例えば、平面視四角形状の水晶片の主面に凸部が形成された構造の水晶振動素子の場合、凸部の主面が所定の面積を有し、平面視四角形状に形成されている。この凸部は、ウェットエッチングなどにより形成される。
この凸部主面に電極を形成し、この電極と向かい合うように反対側にも電極を設けて水晶振動素子が構成される（例えば、特許文献４参照）。
このような凸部を設ける理由は、水晶振動素子の振動エネルギーが凸部内で閉じ込められるようにするためである。これにより、平板状の水晶振動素子よりもクリスタルインピーダンス値（以下、「ＣＩ値」という）の低い優れた特性を得ることが期待できる。

ＣＩ値が低いということは、安定した振動でありながら、振動エネルギーが凸部内で閉じ込められた状態であるといえる。
ここで特許文献６に開示される発明では、両主面に凸部を有する水晶振動素子について、両主面の凸部の間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値Ｔｍと、両主面の凸部の間の厚みの値Ｔｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが０．１≦Ｔｍ／Ｔｑ≦０．３となるように形成するのが望ましいとされている。

特開２００３−１４２９７５号公報特開２００５−１９７８０１号公報特開２００４−２０５４２６号公報特開２００７−０５３８２０号公報特開２００４−０８８１３７号公報特許第４３４１５８３号公報

しかしながら、水晶片の両主面に凸部を有する水晶振動素子において、両主面の凸部の間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値Ｔｍと、両主面の凸部の間の厚みの値Ｔｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが０．１≦Ｔｍ／Ｔｑ≦０．３となると、振動結合が発生しやすくなり、ＣＩ値が高くなることがある。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、ＣＩ値を低くすることができる水晶振動素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、平板状の水晶片の両主面に凸部が設けられ、それぞれの凸部に励振電極が形成されて構成される水晶振動素子であって、前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値を２つの凸部の段差厚みＴｍとしたとき、この段差厚みＴｍと前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、０＜Ｔｍ／Ｔｑ＜０．１の関係となるように形成されることを特徴とする水晶振動素子。

また、本発明は、前記水晶片の両主面に設けられる凸部に形成される前記励振電極が、だ円形状に形成されることを特徴とする。
また、本発明は、前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部の平面積と他方の主面に設けられる凸部の平面積とが異なる大きさで形成されていることを特徴とする。

このような本発明の水晶振動素子によれば、前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値を２つの凸部の段差厚みＴｍとしたとき、この段差厚みＴｍと前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、０＜Ｔｍ／Ｔｑ＜０．１の関係となるように形成されるので、振動結合が軽減されてＣＩ値を低くすることができる。

また、本発明の水晶振動素子によれば、前記水晶片の両主面に設けられる凸部に形成されるだ円形状の前記励振電極が、凸部における振動が遅く伝わる方向をだ円の短径とし、振動が速く伝わる方向を長径として設けられることで、凸部の表面内で不要振動の発生が軽減し、これら不要振動と主振動との振動結合がさらに軽減されてＣＩ値を低くすることができる。

また、本発明の水晶振動素子によれば、前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部の平面積と他方の主面に設けられる凸部の平面積とが異なる大きさで形成されるので、凸部が両主面に対向して設けられる構造の水晶振動素子と比べて厚みの変化を段階的に設けているため、緩やかに振動の吸収を行うことができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る水晶振動素子の一例を示す模式図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る水晶振動素子の一例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る水晶振動素子のＣＩ値と確率との関係を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。また、主面は、平面視で面積が他の面より広い面を主面とする。また、側面は、主面と交叉する面とする。水晶は、それぞれが直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸とからなる結晶軸を有している。また、この水晶を所定の結晶軸に対して所定の角度で切断したときの新たな軸をＸ´軸、Ｙ´軸、Ｚ´軸というときがある。また、主面は、平面視で面積が他の面より広い面を主面とする。また、側面は、主面と交叉する面とする。なお、Ｘ軸は、＋Ｘ方向と−Ｘ方向があり、＋Ｘ方向は、Ｘ軸に平行であり、−Ｘ方向とは正反対の方向を指す。

図１（ａ）に示すように、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１００ａは、例えば、両主面に凸部が設けられた平板状の水晶片Ｑと、これら凸部の表面に設けられる励振電極１３０とから主に構成されている。
この水晶振動素子１００ａに用いられる水晶片Ｑは、厚み方向をＹ軸、長辺方向をＸ軸、短辺方向をＺ´軸と平行に形成される。例えば、水晶振動素子１００ａは、ＡＴカットとなっている。

ここで、水晶片Ｑは、例えば、図１（ａ）に示すように、平面視四角形状で板状に形成されており、その中央部分が振動部１１０ａとなり、振動部１１０ａを囲う部分のうち一方の端部部分が保持部１２０ａとして構成されている。

水晶片Ｑは、例えば、両主面に凸部１１１ａ、１１１ｂを有している。
凸部１１１ａ、１１１ｂは、例えば、平面視においてだ円形状で形成されている。
これら凸部１１１ａ、１１１ｂは、互いに大きさが異なっている。例えば、水晶片Ｑの一方に設けられる凸部１１１ａは、他方の主面に設けられる凸部１１１ｂよりも表面積が小さく形成されている。
なお、それぞれの凸部は、同じ面積で形成されても良い。

ここで、凸部は、以下のように構成される。
水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間における厚みから水晶片Ｑの外周部分における厚みを引いた値を２つの凸部の段差厚みをＴｍとする（以下、「段差厚みＴｍ」という。）。
つまり、水晶片Ｑの外周部分の一方の面からこの面に設けられている凸部の面までの厚みをＴｍ１、水晶片Ｑの外周部分の他方の面からこの面に設けられている凸部の面までの厚みをＴｍ２としたとき、前記段差厚みＴｍは、以下のように示すことができる。
Ｔｍ＝Ｔｍ１＋Ｔｍ２
また、水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間における厚みをＴｑとする。
このとき、この段差厚みＴｍと水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、０＜Ｔｍ／Ｔｑ＜０．１の関係となっている。

段差厚みＴｍと水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、Ｔｍ／Ｔｑ＝０となる場合は、水晶片Ｑに凸部が設けられていない状態を示し、ＣＩ値が例えば１５０Ωとなる。
また、段差厚みＴｍと水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、Ｔｍ／Ｔｑ≧０．１となる場合は、凸部の縁部分で振動結合が起きやすくなり、ＣＩ値が悪化する。
よって、段差厚みＴｍと水晶片Ｑに設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑを０＜Ｔｍ／Ｔｑ＜０．１とすることで従来よりもＣＩ値が低くなり、ＣＩ値を向上させることができる。

（実施例１）
実施例１に用いる水晶振動素子は、周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが異なった構造となっている。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の主面の凸部の長径＝０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の主面の短径＝０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の他方の主面の凸部の長径＝０．９８ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の他方の主面の短径＝０．７７ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．０５となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径＝０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径＝０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、図２の「○」記号が付されたグラフに示すように、横軸をＣＩ値（Ω）、縦軸を確率（％）としたときのグラフにおいて、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、製造された総水晶振動素子の約９０％が分布する結果となった。

（実施例２）
実施例２に用いる水晶振動素子は、周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが異なった構造となっている。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の主面の凸部の長径＝０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の主面の短径＝０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の他方の主面の凸部の長径＝０．９８ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の他方の主面の短径＝０．７７ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．０２５となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径＝０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径＝０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、図２の「◇」記号が付されたグラフに示すように、横軸をＣＩ値（Ω）、縦軸を確率（％）としたときのグラフにおいて、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、製造された総水晶振動素子の約８０％が分布する結果となった。

（実施例３）
実施例３に用いる水晶振動素子は、周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが異なった構造となっている。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の主面の凸部の長径０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の主面の短径０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の他方の主面の凸部の長径０．９８ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の他方の主面の短径０．７７ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．０９８となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、図２の「□」記号が付されたグラフに示すように、横軸をＣＩ値（Ω）、縦軸を確率（％）としたときのグラフにおいて、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、製造された総水晶振動素子の約５０％が分布する結果となった。

（実施例４）
実施例４に用いる水晶振動素子は、周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが同一となる構造となっている。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の両主面の凸部の長径０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の両主面の短径０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．０５となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、図２の「▽」記号が付されたグラフに示すように、横軸をＣＩ値（Ω）、縦軸を確率（％）としたときのグラフにおいて、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、製造された総水晶振動素子の約３０％が分布する結果となった。

（比較例１）
比較例１に用いる水晶振動素子は、周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが同一となる構造となっている。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の両主面の凸部の長径０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の両主面の短径０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．１となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、図２の「△」記号を付したグラフに示すように、横軸をＣＩ値（Ω）、縦軸を確率（％）としたときのグラフにおいて、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、確認されなかった。

比較例２
周波数が３２ＭＨｚで水晶片の両主面に凸部を設け、それぞれの凸部の大きさが異なる水晶振動素子である。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の一方の主面の凸部の長径０．９０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の一方の主面の短径０．７１ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
水晶片の他方の主面の凸部の長径０．９８ｍｍ（Ｘ軸方向）、
水晶片の他方の主面の短径０．７７ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
２つの凸部間の厚みＴｑ＝０．０４９ｍｍ、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０．１となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、確認されなかった。

比較例３
周波数が３２ＭＨｚであり凸部を有さない水晶振動素子である。
水晶片は、
長さＬ＝１．２０ｍｍ（Ｘ軸方向）、
幅Ｗ＝０．７８ｍｍ（Ｚ´軸方向）、
Ｔｍ／Ｔｑ＝０となっている。
また、励振電極はだ円形状であり、
だ円形状の励振電極の長径０．７４ｍｍ（Ｘ軸方向）、
だ円形状の励振電極の短径０．５９ｍｍ（Ｚ´軸方向）、となっている。
このとき、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子は、確認されなかった。

このように、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４は、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子が多く分布する結果となり、ＣＩ値が１００Ωを下回る水晶振動素子が分布しない比較例１、比較例２、比較例３とは異なる結果となった。

１００ａ水晶振動素子
１２０ａ保持部
１１０ａ振動部
１１１ａ、１１１ｂ凸部
１３０励振電極
Ｑ水晶片

Claims

平板状の水晶片の両主面に凸部が設けられ、それぞれの凸部に励振電極が形成されて構成される水晶振動素子であって、
前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みから水晶片の外周部分の厚みを引いた値を２つの凸部の段差厚みＴｍとしたとき、
この段差厚みＴｍと前記水晶片に設けられた２つの凸部間の厚みＴｑとの比Ｔｍ／Ｔｑが、０＜Ｔｍ／Ｔｑ＜０．１の関係となるように形成されることを特徴とする水晶振動素子。
前記水晶片の両主面に設けられる凸部に形成される前記励振電極が、だ円形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動素子。
前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部の平面積と他方の主面に設けられる凸部の平面積とが異なる大きさで形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水晶振動素子。