JP2014068369A - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】固定部材が流出することなどによる振動部の振動の阻害を抑制しつつ、屈曲振動の影響を抑制して安定した振動をするメサ型圧電振動片及びメサ型圧電振動片を備えた圧電デバイスの提供。
【解決手段】励振電極１６，１８を有する振動部１２と、振動部１２の両端部に肉薄部１３，１４を有する水晶振動片１０であって、固定部１１を有する一方の肉薄部１３側の振動部１２の端部１２ｂから一方の肉薄部１３側の励振電極１６，１８の端部１６ｂ，１８ｂまでの寸法をＴ１とし、他方の肉薄部１４側の振動部１２の端部１２ｃから他方の肉薄部１４側の励振電極１６，１８の端部１６ｃ，１８ｃまでの寸法をＴ２とし、水晶振動片１０に発生する屈曲振動の波長をλとしたときに、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）の関係式を略満たすことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、メサ型圧電振動片及びメサ型圧電振動片を備えた圧電デバイスに関する。

従来、メサ型圧電振動片において、メサ型圧電振動片を構成する圧電基板の外形寸法、圧電基板の振動部の寸法及び振動部に形成された励振電極の寸法などを、互いに関連付けて規定することにより、メサ型圧電振動片の本来の振動モードである厚みすべり振動に対して、不要振動である屈曲振動を抑制した構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３４００２３号公報

上記特許文献１の構成では、メサ型圧電振動片の長辺に沿った方向の振動部の端部から励振電極の端部までの距離が、屈曲振動の波長であるλの１／２に規定され、振動部の端部と励振電極の端部とが近接した状態となっている。
そして、メサ型圧電振動片を備えた圧電デバイスは、メサ型圧電振動片をパッケージ内へ片持ち支持構造で固定する際に、振動部に隣接する固定部を接着剤などの固定部材により固定する。
この際、圧電デバイスは、固定部材が接着剤であることから、固定部材が振動部に近接している励振電極に接近し過ぎると、振動部の振動が阻害されることにより、ＣＩ値などの特性が劣化するという問題がある。
加えて、圧電デバイスは、固定部材に導電性接着剤などの導電部材が用いられた場合、固定部材の流出により、固定部材を介して表裏の励振電極同士がショートするなどの不具合が発生するという問題がある。
また、固定部材の流出による励振電極同士のショートを抑制するために、固定部から励振電極の端部までの距離を長くするとメサ型圧電振動片全体の寸法も長くなり、メサ型圧電振動片が大型化するという問題がある。

本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかるメサ型圧電振動片は、励振電極を有する振動部と、前記振動部の両端部に前記振動部より厚みが薄い肉薄部とを有するメサ型圧電振動片であって、前記肉薄部の一方は、外部に固定される固定部を有し、前記固定部を有する前記一方の肉薄部側の前記振動部の端部から前記一方の肉薄部側の前記励振電極の端部までの寸法をＴ１とし、前記他方の肉薄部側の前記振動部の端部から前記他方の肉薄部側の前記励振電極の端部までの寸法をＴ２とし、前記メサ型圧電振動片に発生する屈曲振動の波長をλとしたときに、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）の関係式を略満たすことを特徴とする。

これによれば、メサ型圧電振動片は、固定部を有する一方の肉薄部側の振動部の端部から一方の肉薄部側の励振電極の端部までの寸法をＴ１とし、他方の肉薄部側の振動部の端部から他方の肉薄部側の励振電極の端部までの寸法をＴ２とし、メサ型圧電振動片に発生する屈曲振動の波長をλとしたときに、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）の関係式を略満たす。

このことから、メサ型圧電振動片は、振動部に対して励振電極をＴ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）となるように他方の肉薄部側に偏って形成することにより、従来と比較して固定部から励振電極までの距離を長くすることができる。
これにより、メサ型圧電振動片は、例えば、接着剤などの固定部材から励振電極までの距離を長くすることができることから、固定部材の流出に伴う振動部の振動が阻害されることによるＣＩ値などの特性劣化を抑制できる。
加えて、メサ型圧電振動片は、例えば、導電性接着剤などの固定部材が励振電極まで流出しにくくなることから、導電性部材からなる固定部材を介して表裏の励振電極同士がショートするなどの不具合を低減できる。

この際、メサ型圧電振動片は、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）であることから、振動部の端部及び励振電極の端部における屈曲振動の成分が、振動部の本来の振動モードである厚みすべり振動の成分と結合しにくい状態となっている。
このことから、メサ型圧電振動片は、上記のように大型化をせず励振電極を偏らせても、屈曲振動の影響を抑制して安定した振動をすることができる。

［適用例２］上記適用例にかかるメサ型圧電振動片は、前記関係式のｎを１とすることが好ましい。

これによれば、メサ型圧電振動片は、ｎを１とすることから、Ｔ２＝λ／２となり、振動部に対する励振電極の他方の肉薄部側の端部の位置を、振動部の本来の振動モードである厚みすべり振動の成分と、不要な屈曲振動の成分とが結合しにくく、且つ周波数特性上最適の位置とすることができる。

［適用例３］本適用例にかかる圧電デバイスは、上記適用例に記載のメサ型圧電振動片と、前記メサ型圧電振動片を気密封止された内部に収容し、前記メサ型圧電振動片の前記固定部を前記内部に固定するパッケージとを備えたことを特徴とする。

これによれば、圧電デバイスは、上記適用例に記載のメサ型圧電振動片と、メサ型圧電振動片を気密封止された内部に収容し、メサ型圧電振動片の固定部を内部に固定するパッケージとを備えている。
このことから、圧電デバイスは、内部が気密封止されたパッケージ内に、上記適用例に記載した効果を有するメサ型圧電振動片を備えることにより、安定した周波数特性を得ることができる。

本実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図。 水晶振動片の断面に屈曲振動の波形を重ね合わせた模式図。 周波数温度特性のデータをグラフで示した説明図。 ＣＩ値温度特性のデータをグラフで示した説明図。

以下、メサ型圧電振動片及び圧電デバイスの実施形態について図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本実施形態の圧電デバイスの一例としての水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。なお、平面図では、理解を容易にするためにリッド（蓋）部を省略し、リッド部の外形を２点鎖線で表している。

図１に示すように、本実施形態の水晶振動子１は、メサ型圧電振動片としての水晶振動片１０、水晶振動片１０を気密封止された内部に収容し、水晶振動片１０の固定部を内部に固定するパッケージ２０などから構成されている。

パッケージ２０は、ベース部２１、リッド部２２、接合部２３などから構成されている。
ベース部２１には、セラミックグリーンシートを成形して積層し、焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
ベース部２１の底面２１ａには、マウント電極２１ｂ，２１ｃが形成されている。マウント電極２１ｂ，２１ｃは、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属被膜からなる。

ベース部２１の外面には、上記金属被膜からなる外部電極２１ｄ，２１ｅが形成されている。この外部電極２１ｄ，２１ｅは、図示しない内部配線によりそれぞれマウント電極２１ｂ，２１ｃに接続されている。水晶振動子１は、外部電極２１ｄ，２１ｅを介して外部の機器に実装される。

リッド部２２は、コバールなどの金属からなり、パッケージ２０内部に水晶振動片１０が収容、固定された状態で、コバールなどの金属からなる接合部２３にシーム溶接されている。なお、接合部２３は、ろう付けなどによりベース部２１に接合されている。
これらにより、水晶振動子１のパッケージ２０内は、気密封止されている。なお、パッケージ２０の内部は、真空状態または窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが封入されている。

パッケージ２０のベース部２１には、水晶振動片１０が搭載され、水晶振動片１０は、固定部１１が導電性接着剤などからなる固定部材３０を介してマウント電極２１ｂ，２１ｃに固定されている。これにより、水晶振動片１０は、固定部１１を介してベース部２１に片持ち支持されている。

水晶振動片１０は、発振周波数などに応じた所定の厚みに研磨された圧電基板としての水晶ウエハから、フォトリソグラフィ技術などを用いて、略矩形の振動部１２と、振動部１２の両端部に振動部１２より厚みが薄い一方の肉薄部１３及び他方の肉薄部１４とを有する平面形状が略矩形のメサ型に形成されている。
なお、本実施形態では、水晶振動片１０を厚みすべり振動をするＡＴカット水晶振動片としている。また、水晶振動片１０の厚みは、数μｍ〜１００μｍ程度の範囲で適宜設定される。

水晶振動片１０は、振動部１２の一方の主面（表）１５に略矩形の励振電極１６が形成され、他方の主面（裏）１７に略矩形の励振電極１８が形成されている。なお、振動部１２は、平面視において一方の主面１５側の輪郭と他方の主面１７側の輪郭とが略重なるように形成されている。また、励振電極１６と励振電極１８とは、平面視において輪郭が略重なるように形成されている。
なお、水晶振動片１０の一方の肉薄部１３と他方の肉薄部１４とを結ぶ辺（長辺）は、水晶結晶軸のＸ軸に沿うように形成されている。また、水晶振動片１０は、振動部１２及び励振電極１６，１８の上記長辺側の辺も、同様にＸ軸に沿うように形成されている。

水晶振動片１０の一方の肉薄部１３の一方の主面１５側には、励振電極１６に接続された接続電極１６ａが形成され、一方の肉薄部１３の他方の主面１７側には、励振電極１８に接続された接続電極１８ａが形成されている。
なお、接続電極１６ａは、他方の主面１７側にも回り込んで形成され、接続電極１８ａは、一方の主面１５側にも回り込んで形成されている。これにより、水晶振動片１０は、一方の主面１５及び他方の主面１７のいずれが、ベース部２１に対する載置面になってもよい構成になっている。
なお、励振電極１６，１８、接続電極１６ａ，１８ａは、クロム、ニッケル、金、銀などの各被膜がスパッタ、蒸着などの方法により積層された金属被膜からなる。

ここで、水晶振動片１０の振動部１２と励振電極１６，１８との位置関係について図２を参照して説明する。
図２は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線での水晶振動片１０の断面に、水晶振動片１０に発生する屈曲振動の波形を重ね合わせた模式図である。なお、図２では、図面が見易くなるようにハッチングを省略してある。

図２に示すように、水晶振動片１０の振動部１２と励振電極１６，１８とは、次のような位置関係にある。
水晶振動片１０の固定部１１を有する一方の肉薄部１３側の振動部１２の端部１２ｂ（一方の肉薄部１３と振動部１２との段差部）から、一方の肉薄部１３側の励振電極１６，１８の端部１６ｂ，１８ｂまでの寸法をＴ１とする。そして、水晶振動片１０の他方の肉薄部１４側の振動部１２の端部１２ｃ（他方の肉薄部１４と振動部１２との段差部）から、他方の肉薄部１４側の励振電極１６，１８の端部１６ｃ，１８ｃまでの寸法をＴ２とする。
ここで、水晶振動片１０に発生する不要振動である屈曲振動の波長をλとしたときに、水晶振動片１０は、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数であり、例えば、１，２，３，４，５…などである。）の関係式を略満たす。
なお、λは、以下の公知の式などより求められる（特許文献１参照）。
λ／２＝（１．３３２／ｆ）−０．００２４
ここで、ｆは水晶振動片１０の発振周波数（単位：ＭＨｚ）を表す。例えば、ｆが２６ＭＨｚの場合、λは約０．１ｍｍとなる。

この関係式を略満たすことにより、図２に示すように、水晶振動片１０は、Ｘ軸方向において屈曲振動の波形１９の上下の頂点の位置が、振動部１２の端部１２ｂ，１２ｃ、励振電極１６，１８の端部１６ｂ，１８ｂ，１６ｃ，１８ｃの位置と一致するようになる。
これにより、水晶振動片１０は、振動部１２と励振電極１６，１８とを、本来の厚みすべり振動の成分と不要振動である屈曲振動の成分とが最も結合しにくい位置関係に設けることができる。
なお、水晶振動片１０は、ｎの値を１に設定することにより、励振電極１６，１８の端部１６ｃ，１８ｃを振動部１２の端部１２ｃに最も接近させることができる。このことから、水晶振動片１０は、振動部１２に対して励振電極１６，１８のサイズを最大限大きくすることが可能となり、周波数特性を向上させることができる。
なお、ｎの値は、１に限定するものではなく、発振周波数、振動部１２のサイズ、励振電極１６，１８の必要サイズなどに応じて、後述するｍの値とともに適宜設定される。

そして、水晶振動片１０は、ｍの値を適宜選択することで振動部１２の固定部１１側の端部１２ｂから励振電極１６，１８の固定部１１側の端部１６ｂ，１８ｂまでの寸法を適宜設定できる。
これによれば、水晶振動片１０は、ｍの値を適宜選択することで振動部１２の固定部１１側の端部１２ｂから励振電極１６，１８の固定部１１側の端部１６ｂ，１８ｂまでの寸法を、従来より長く設定することができる。

このことから、水晶振動片１０は、固定部１１がベース部２１に固定される際に、固定部材３０が励振電極１６，１８に流出することにより、振動部１２の振動が阻害されることで、ＣＩ値などの特性が劣化することを抑制できる。加えて、水晶振動片１０は、固定部材３０を介して表裏の励振電極１６，１８同士がショートするなどの不具合を低減できる。
なお、水晶振動片１０は、ｍが大きければ大きいほど固定部１１から励振電極１６，１８までの距離が長くなることから、上記の課題に対して顕著な効果が上げられる。しかしながら、水晶振動片１０は、ｍが大きければ大きいほど、振動部１２のサイズに対して励振電極１６，１８のサイズが小さくなることから、ＣＩ値などの特性変化が考えられる。
これらのことから、ｍの値は、課題に対する効果の度合いと望ましいＣＩ値などの特性とのバランスを考慮すると、３程度が好ましい。

なお、これはｍを３に限定するものではなく、ｍの値は、発振周波数、振動部１２のサイズ、励振電極１６，１８の必要サイズなどに応じて適宜設定される。
これにより、水晶振動片１０は、振動部１２に対して励振電極１６，１８が他方の肉薄部１４側に偏って形成される。

なお、励振電極１６，１８の振動部１２に対するＺ軸方向における形成位置は、図１（ａ）に示すように、紙面上側と紙面下側とで振動部１２の端部から励振電極１６，１８の端部までが、略同寸法で形成されている。

ここで、従来技術を用いた水晶振動片のサンプル（上記関係式におけるｍが０、ｎが１、つまり、Ｔ１＝Ｔ２＝λ／２）と、本実施形態の水晶振動片１０のサンプル（上記関係式におけるｍが３、ｎが１、つまり、Ｔ１＝３λ＋λ／２、Ｔ２＝λ／２）とを比較したデータについて図３、図４を参照して説明する。
なお、両者は励振電極形状のみが上記のように異なり、外形形状、振動部の形状、発振周波数、λなど他の仕様は、ともに同一である。なお、発振周波数は約３３．６ＭＨｚ、λは約７０μｍである。

図３は、両者の周波数温度特性のデータをグラフで示した説明図であり、同図（ａ）は、本実施形態の複数サンプルのデータであり、同図（ｂ）は、従来技術の複数サンプルのデータである。
図３は、横軸が温度、縦軸が周波数の変位量を表している。図３に示すように、両者の周波数温度特性には、有意差がない。このことから、本実施形態の水晶振動片１０は、振動部１２に対して励振電極１６，１８が、ｍ＝３、ｎ＝１となるように従来より小さく、且つ他方の肉薄部１４側に偏って形成されていても、周波数温度特性において、実使用上問題がないことが裏付けられた。

図４は、両者のＣＩ値温度特性のデータをグラフで示した説明図であり、同図（ａ）は、本実施形態の複数サンプルのデータであり、同図（ｂ）は、従来技術の複数サンプルのデータである。
図４は、横軸が温度、縦軸がＣＩ値を表している。図４に示すように、両者のＣＩ値温度特性には、有意差がない。このことから、本実施形態の水晶振動片１０は、振動部１２に対して励振電極１６，１８が、ｍ＝３、ｎ＝１となるように従来より小さく、且つ他方の肉薄部１４側に偏って形成されていても、ＣＩ値温度特性において、実使用上問題がないことが裏付けられた。

上述したように、上記実施形態の水晶振動片１０は、固定部１１を有する一方の肉薄部１３側の振動部１２の端部１２ｂから、一方の肉薄部１３側の励振電極１６，１８の端部１６ｂ，１８ｂまでの寸法をＴ１とし、他方の肉薄部１４側の振動部１２の端部１２ｃから、他方の肉薄部１４側の励振電極１６，１８の端部１６ｃ，１８ｃまでの寸法をＴ２とし、水晶振動片１０に発生する屈曲振動の波長をλとしたときに、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）の関係式を略満たす。

このことから、水晶振動片１０は、振動部１２に対して励振電極１６，１８をＴ１−Ｔ２＝λ×ｍとなるように他方の肉薄部１４側に偏って形成することにより、従来と比較して固定部１１から励振電極１６，１８までの距離を長くすることができる。
これにより、水晶振動片１０は、固定部１１がベース部２１に固定される際に、固定部材３０が励振電極１６，１８まで流出しにくくなることから、固定部材３０が励振電極１６，１８に流出することにより、振動部１２の振動が阻害されることで、ＣＩ値などの特性が劣化することを抑制できる。

また、水晶振動片１０は、上記のように従来と比較して大型化せず、固定部１１から励振電極１６，１８までの距離を長くすることができることから、導電性接着剤である固定部材３０を介して表裏の励振電極１６，１８同士がショートするなどの不具合を低減できる。

なお、この際、水晶振動片１０は、Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）であることから、振動部１２の端部１２ｂ，１２ｃ及び励振電極１６，１８の端部１６ｂ，１６ｃ，１８ｂ，１８ｃにおける屈曲振動の波形１９の位相が、屈曲振動の成分と厚みすべり振動の成分とが最も結合しにくい状態となっている。
このことから、水晶振動片１０は、上記のように励振電極１６，１８を振動部１２に対して偏らせても、屈曲振動の影響を抑制して安定した厚みすべり振動をすることができる。
また、水晶振動片１０は、上述したように、従来と比較して各特性を同等に維持しながら上記の効果を得ることができる。

また、水晶振動子１は、水晶振動片１０と、水晶振動片１０を気密封止された内部に収容し、水晶振動片１０の固定部１１をベース部２１に固定するパッケージ２０とを備えている。
このことから、水晶振動子１は、内部が気密封止されたパッケージ２０内に、上記の効果を有する水晶振動片１０を備えることにより、安定した周波数特性を得ることができる。

なお、上記実施形態では、圧電デバイスとして水晶振動片１０と、水晶振動片１０を気密封止された内部に収容し、水晶振動片１０の固定部１１を内部に固定するパッケージ２０とを備えた水晶振動子１について説明したが、これに限定するものではなく、水晶振動片１０を発振させる発振回路素子を、パッケージ２０内部に設けた水晶発振器などにも適用できる。

１…圧電デバイスとしての水晶振動子、１０…メサ型圧電振動片としての水晶振動片、１１…固定部、１２…振動部、１２ｂ…一方の肉薄部側の端部、１２ｃ…他方の肉薄部側の端部、１３…一方の肉薄部、１４…他方の肉薄部、１５…一方の主面、１６，１８…励振電極、１６ｂ，１８ｂ…一方の肉薄部側の端部、１６ｃ，１８ｃ…他方の肉薄部側の端部、１７…他方の主面、２０…パッケージ、２１…ベース部、２１ａ…底面、２１ｂ，２１ｃ…マウント電極、２１ｄ，２１ｅ…外部電極、２２…リッド部、２３…接合部。

本発明は、上記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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明のある形態に係る振動片は、厚み滑り振動を主振動として振動する第１の領域と、前記第１の領域の互いに表裏の関係にある第１の主面及び第２の主面に設けられている励振電極と、前記第１の領域よりも厚さの薄い第２の領域と、を含み、前記主振動の変位方向に沿って前記第１の領域に生じる屈曲振動の振動方向に沿って並んでいる前記第１の領域の一対の端部及び前記励振電極の一対の端部において、前記第１の領域の一方の端部から前記励振電極の一方の端部までの寸法をＴ１、前記励振電極の他方の端部から前記第１の領域の他方の端部までの寸法をＴ２、前記屈曲振動の波長をλとしたとき、
Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ、
Ｔ２＝（２ｎ−１）×λ／２、
但し、ｍ及びｎは自然数
を満足することを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記屈曲振動の腹となる位置に、前記第１の領域の前記一方の端部と、前記励振電極の前記一方の端部と、前記励振電極の前記他方の端部と、前記第１の領域の前記他方の端部とが、それぞれ配置されていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、ｎ＝１であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、ｍ＝３であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動片が水晶片であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記水晶片がＡＴカット水晶片あることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、水晶の結晶Ｘ軸に沿って、前記第１の領域の前記一対の端部及び前記励振電極の前記一対の端部が並んでいることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を備え、前記振動片の前記第１の領域の前記一方の端部側の前記第２の領域がパッケージに取り付けられていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る発振器は、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。

Claims (3)

1. 励振電極を有する振動部と、前記振動部の両端部に前記振動部より厚みが薄い肉薄部とを有するメサ型圧電振動片であって、
   前記肉薄部の一方は、外部に固定される固定部を有し、
   前記固定部を有する前記一方の肉薄部側の前記振動部の端部から前記一方の肉薄部側の前記励振電極の端部までの寸法をＴ１とし、
   他方の前記肉薄部側の前記振動部の端部から前記他方の肉薄部側の前記励振電極の端部までの寸法をＴ２とし、
   前記メサ型圧電振動片に発生する屈曲振動の波長をλとしたときに、
   Ｔ１−Ｔ２＝λ×ｍ（但し、Ｔ２＝（２ｎ−１）λ／２、ｍ及びｎは自然数）の関係式を略満たすことを特徴とするメサ型圧電振動片。
2. 請求項１に記載のメサ型圧電振動片において、前記関係式のｎを１とすることを特徴とするメサ型圧電振動片。
3. 請求項１または２に記載のメサ型圧電振動片と、前記メサ型圧電振動片を気密封止された内部に収容し、前記メサ型圧電振動片の前記固定部を前記内部に固定するパッケージとを備えたことを特徴とする圧電デバイス。

Images