JP2014175811A

JP2014175811A - 水晶振動素子

Info

Publication number: JP2014175811A
Application number: JP2013046049A
Authority: JP
Inventors: Koichi Iwata; 浩一岩田; Kohei Sasaoka; 康平笹岡; Masatoshi Yumura; 雅俊湯村
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP6086762B2

Abstract

【課題】水晶片の長辺の長さが１ｍｍ以下でも低いＣＩ値を得る水晶振動素子を提供する。
【解決手段】平面視四角形状であって長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片と、この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、この水晶片の両主面に設けられ凸部を覆う励振電極と、この水晶片の一方の端部に設けられ、励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、励振電極が、水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶デバイスに用いられる水晶振動素子に関する。

従来より、水晶デバイスには水晶片に金属膜からなる励振電極を設けて構成された水晶振動素子が用いられている。
この水晶片は、例えば、ＡＴカットの水晶ウェハを従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いることで形成することができる。
このような水晶振動素子は、四角形に形成され主面に凸部が形成された水晶片と、この水晶片の両主面中央に設けられる角部が丸められた四角形状の励振電極と、この励振電極と接続され水晶片の一方の端部に設けられる引き回しパターンとから構成されている。
ここで、水晶片の主面には角部が丸められた四角形状の凸部が設けられており、この凸部の平面中心が水晶片の平面中心に合わせて設けられている。
また、励振電極は、水晶片に設けられた凸部の平面内に設けられており、平面中心を凸部の平面中心と一致させた位置に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
なお、凸部と励振電極とが楕円形状となる水晶振動素子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−２６７８８８号公報特開２０１２‐７４８６０号公報

水晶振動素子は、励振電極で振動エネルギーを最大にして、水晶片の縁付近で振動エネルギーを閉じ込めるのが理想状態となる。
しかしながら、水晶片の大きさは小さく構成されるようになり、水晶片に設けられる励振電極が四角形状となる場合、この水晶振動素子を振動子や発振器で用いるため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たパッケージに当該水晶振動素子を実装すると、水晶振動素子の励振電極とパッケージの搭載パッドとの距離が従来よりも近くなり、ＣＩ値（クリスタル・インピーダンス値）が増加することがあった。
また、励振電極の形状を楕円形状とする場合、励振電極と搭載パッドとの距離を四角形状の励振電極の場合よりは離れた位置で構成できるが、電極の面積が確保できないことによりエネルギー閉じ込めが不十分となってＣＩ値が増加することが懸念される。また、このような場合、等価直列容量Ｃ１の値が小さくなり、周波数可変感度を確保できなくなることが懸念される。

そこで、本発明は、水晶片の長辺の長さが１ｍｍ以下となっても低いＣＩ値を得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、水晶振動素子であって、平面視四角形状であって長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片と、この水晶片の両主面に設けられる励振電極と、この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、前記励振電極が、前記水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されていることを特徴とする。

また、前記課題を解決するため、本発明は、水晶振動素子であって、平面視四角形状であって長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片と、この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、前記励振電極が、前記水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記曲線の部分が楕円の一部の曲線となっていることを特徴とする。

このような水晶振動素子では、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片が用いられ、励振電極が、水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されているので、振動子や発振器に用いられるパッケージに設けられた搭載パッドとの距離を離すことができつつ、励振電極の面積を広げることができるので、励振電極で発生する振動のエネルギー閉じ込めが向上し、マウントロスを抑制して低いＣＩ値を得ることができる。

このような水晶振動素子では、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片が用いられ、水晶片が凸部を有しており、励振電極が凸部を覆いつつ水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されているので、振動子や発振器に用いられるパッケージに設けられた搭載パッドとの距離を離すことができつつ、励振電極の面積を広げることができるので、励振電極で発生する振動のエネルギー閉じ込めが向上し、マウントロスを抑制して低いＣＩ値を得ることができる。

また、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いた場合は、励振電極の面積を広くすることができるので、等価直列容量Ｃ１が大きくなり、周波数可変感度を向上させることができる。

本発明の第一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。本発明の第二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との比較に用いた水晶振動素子を示す模式図である。所定の工程でのＣＩ値の変化の一例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、水晶片の主面という場合、水晶片に現れる平面のうち最も広い面とこの広い面と並行する面を主面とする。

（第一の実施形態）
図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る水晶振動素子１１は、四角形状の平板に形成された水晶片１とこの水晶片１の両主面に設けられる励振電極２と、この励振電極２と接続し水晶片１の一方の端部へ引き回されている引き回しパターン３とから構成されている。
この本発明の第一の実施形態に係る水晶振動素子１１は、水晶片１の長辺の中心を通る中心線と水晶片１の短辺の中心を通る中心線との交点が水晶片１の平面中心Ｃ１となる。

水晶片１は、例えばＡＴカットの水晶ウェハから四角形状でかつ平板状に形成されている。
なお、この水晶片１は、長辺がＸ軸と平行であり、短辺がＺ´軸と平行であり、厚みがＹ´軸方向と平行に形成されている。

この水晶片１は、従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成することができる。なお、水晶片１は、側面に水晶の結晶面が形成されている。このような結晶面は、水晶片１の外周に向かうにつれて傾斜しながら厚みが薄くなっている。この形状は、水晶片を円筒の筒に入れて水晶片に曲面を形成するべベル加工された水晶片と似た形状となる。
このような形状で水晶片が形成されているので、エネルギー閉じ込めをしやすくすることができる。
なお、水晶片１は、引き回しパターン３が設けられる端部をＸ軸の＋Ｘ方向とし、反対側の端部を−Ｘ方向としている。

図１に示すように、励振電極２は、水晶片１の引き回しパターン３が設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片１の輪郭に沿いつつ当該輪郭から所定の間隔をあけて形成されている。

また、励振電極２と引き回しパターン３が設けられる側の水晶片１の短辺までの距離は、励振電極２と引き回しパターン３が設けられていない側の水晶片１の短辺までの距離よりも長くなるように設けられている。
この励振電極２は、曲線部分を例えば、楕円形状としても良い。この場合の励振電極２は、楕円を短径に沿って切断し、四角形を繋ぎ合わせた形状となっている。

引き回しパターン３は、水晶片１の一方の端部に設けられ、励振電極２と接続している。この引き回しパターン３は、水晶片１の主面の縁に沿って設けられている。

例えば、引き回しパターン３は、２つ一対の接続パッド３ａと引き回し配線３ｂとから構成されている。接続パッド３ａは、水晶片１の両主面の角部に並んで設けられており、１つの接続パッド３ａが一方の主面に設けられた励振電極２と引き回し配線３ｂを介して接続し、他の接続パッド３ａが他方の主面に設けられた励振電極２と引き回し配線３ｂを介して接続している。
また、引き回し配線３ｂは、水晶片１の主面の縁に沿って直線で形成されており、励振電極２から接続パッド３ａまで設けられている。

このように本発明の第一の実施形態に係る水晶振動素子１１を構成したので、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いても励振電極２を振動子や発振器に用いられるパッケージに設けられた搭載パッドから離すことができ、励振電極２の面積を広げることができるので、励振電極２で発生する振動のエネルギー閉じ込めが向上し、マウントロスを抑制して低いＣＩ値を得ることができる。
また、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いた場合は、励振電極２の面積を広くすることができるので、等価直列容量Ｃ１が大きくなり、周波数可変感度を向上させることができる。

（第二の実施形態）
図２に示すように、本発明の第二の実施形態に係る水晶振動素子１２は、四角形状で凸部が設けられた水晶片１とこの水晶片１の両主面に設けられる励振電極２と、この励振電極２と接続し水晶片１の一方の端部へ引き回されている引き回しパターン３とから構成されている。
この本発明の実施形態に係る水晶振動素子１２は、水晶片１の長辺の中心を通る中心線と水晶片１の短辺の中心を通る中心線との交点が水晶片１の平面中心Ｃ１であり、凸部の平面中心Ｃ２が水晶片１の平面中心Ｃ１と同一の位置となっている。

水晶片１は、例えばＡＴカットの水晶ウェハから四角形状でかつ平板状に形成されている。
なお、この水晶片１は、長辺がＸ軸と平行であり、短辺がＺ´軸と平行であり、厚みがＹ´軸方向と平行に形成されている。
また、図２に示すように、この水晶片１の両主面には、凸部１ａが設けられている。これら凸部１ａの平面中心Ｃ２は、平面視における水晶片１の投影面の中心Ｃ１に対して同一の位置となっている。

また、水晶片１の両主面に設けられる凸部１ａは、楕円形状に形成されており、楕円の長径を水晶片１１の長辺と平行となり、楕円の短径を水晶片１１の短辺と平行となるように設けられる。

この水晶片１は、従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成することができる。なお、水晶片１は、側面に水晶の結晶面が形成されている。
なお、水晶片１は、引き回しパターン３が設けられる端部をＸ軸の＋Ｘ方向とし、反対側の端部を−Ｘ方向としている。

図２に示すように、励振電極２は、凸部１ａを覆うように水晶片１上に設けられている。
この励振電極２は、水晶片１の引き回しパターン３が設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片１の輪郭に沿いつつ当該輪郭から所定の間隔をあけて形成されている。

また、励振電極２と引き回しパターン３が設けられる側の水晶片１の短辺までの距離は、励振電極２と引き回しパターン３が設けられていない側の水晶片１の短辺までの距離よりも長くなるように設けられている。
この励振電極２は、曲線部分を、例えば、凸部の楕円形状に沿って形成した楕円形状としても良い。この場合の励振電極２は、楕円を短径に沿って切断し、四角形を繋ぎ合わせた形状となっている。

このように本発明の第二の実施形態に係る水晶振動素子１２を構成したので、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いても励振電極２を振動子や発振器に用いられるパッケージに設けられた搭載パッドから離すことができ、励振電極２の面積を広げることができるので、励振電極で発生する振動のエネルギー閉じ込めが向上し、マウントロスを抑制して低いＣＩ値を得ることができる。
また、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いた場合は、励振電極の面積を広くすることができるので、等価直列容量Ｃ１が大きくなり、周波数可変感度を向上させることができる。

第一の実施形態に係る水晶振動素子１１と第二の実施形態に係る水晶振動素子１２と比較に用いる水晶振動素子２０とについて、Ａ状態，Ｂ状態，Ｃ状態，におけるＣＩ値を確認した。
ここで、Ａ状態は、水晶振動素子の状態としている。Ｂ状態は、水晶振動素子をパッケージ（図示せず）に搭載した状態としている。Ｃ状態は、パッケージに水晶振動素子をマウントした後に蓋部材（図示せず）で水晶振動素子を封止した状態としている。

図４に示すように、第一の実施形態に係る水晶振動素子１１は、図４中の「□」記号であって、Ａ状態で８０〜９０Ωの間のＣＩ値となり、Ｂ状態で９０〜１００Ωの間のＣＩ値となり、Ｃ状態で７０〜８０Ωの間のＣＩ値となった。つまり、１００Ωを下回るＣＩ値となって低いＣＩ値であることが確認できた。また、水晶振動素子の状態のＣＩ値と封止した後のＣＩ値とが近い値となった。

図４に示すように、第二の実施形態に係る水晶振動素子１２は、図４中の「●」記号であって、Ａ状態で７０〜８０Ωの間のＣＩ値となり、Ｂ状態で９０〜１００Ωの間のＣＩ値となり、Ｃ状態で７０〜８０Ωの間のＣＩ値となった。つまり、１００Ωを下回るＣＩ値となって低いＣＩ値であることが確認できた。また、水晶振動素子の状態のＣＩ値と封止した後のＣＩ値とが近い値となった。

これに対し、比較に用いる水晶振動素子２０は、図４中の「▲」記号であって、励振電極の形状を楕円形状を基にして短径側を直線状に成形した形状となっており（図３参照）、Ａ状態で９０〜１００Ωの間のＣＩ値となり、Ｂ状態で１４０〜１５０Ωの間のＣＩ値となり、Ｃ状態で１２０〜１３０Ωの間のＣＩ値となった。つまり、１００Ωを上回るＣＩ値となって高いＣＩであることが確認できた。

このように本発明の実施形態に係る水晶振動素子を構成したので、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いても励振電極２を振動子や発振器に用いられるパッケージに設けられた搭載パッドから離すことができ、励振電極２の面積を広げることができるので、励振電極で発生する振動のエネルギー閉じ込めが向上し、マウントロスを抑制して低いＣＩ値を得ることができる。
また、長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片を用いた場合は、励振電極の面積を広くすることができるので、等価直列容量Ｃ１が大きくなり、周波数可変感度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。

１１，１２水晶振動素子
１水晶片
１ａ凸部
２励振電極
３引き回しパターン
Ｃ１，Ｃ２平面中心

Claims

平面視四角形状であって長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片と、
この水晶片の両主面に設けられる励振電極と、
この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、
前記励振電極が、前記水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されていることを特徴とする水晶振動素子。
平面視四角形状であって長辺の長さが１ｍｍ以下の平板状の水晶片と、
この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、
この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、
この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、
前記励振電極が、前記水晶片の前記引き回しパターンが設けられる側の輪郭が曲線となり、他の輪郭が水晶片の輪郭に沿って形成されていることを特徴とする水晶振動素子。
前記曲線の部分が楕円の一部の曲線となっ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。