JP2015019127A - 水晶振動片及び水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、不要な振動モードを抑制すると共に引出電極の断線を防止することができる水晶振動片及び水晶でデバイスを提供する。【解決手段】水晶振動片（１３０）では、上面及び下面を有した平板に形成され、上面の法線方向から見て長方形の水晶片（１３４）と、上面および下面の中央領域に長方形に形成された導電性材料からなる励振電極（１３１）と、上面および下面に設けられ、励振電極の長方形の一方の短辺から水晶片の長方形の一方の短辺まで引き出された引出電極（１３２）と、上面および下面に且つ励振電極の短辺と水晶片の短辺との間に形成され、短辺方向に伸びる凹部（１３３ａ、１３３ｂ）と、を備える。また、凹部は、引出電極が形成されていない領域に分断されて形成されるとともに、水晶片の長辺方向から見て励振電極の短辺とすべて重なり合うように形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動片および水晶デバイスに関する。特に励振電極から引き出される引出電極の断線を防止した水晶振動片および水晶デバイスに関する。

水晶振動片の引出電極から励振電極に入力された電気信号による振動エネルギーは、励振電極が形成された領域から水晶振動片の外周部に向かって漏れ出して、水晶振動片の輪郭振動などの種々の不要な振動モードを励起する。そこで、水晶振動片の設計においては、所定の振動モード以外の不要な振動モードを抑制することが重要である。このため、例えば特許文献１の発明では、水晶振動片の励振電極から漏れ出した振動エネルギーが水晶振動片の輪郭に伝播するのを防ぐように、励振電極の周囲全体に水晶振動片の表面から凹んだ溝構造（Ｖ溝など）を有する水晶振動片を提案している。

特開２０１０−１０９５２６号公報

しかし、水晶振動片の表裏面にＶ溝などの溝構造を形成すると、引出電極は、Ｖ溝の底面および側面などを通って励振電極に電気的につなげなければならない。つまり、引出電極が水晶振動片の表面から例えば７０度折れ曲がり、さらに４０度折り曲がり、再び７０度折れ曲がることになる。引出電極は、真空蒸着などで形成されるため、その膜厚は薄く、折れ曲がりの箇所で、引出電極が断線してしまう問題が生じていた。

その為、本発明では、不要な振動モードを抑制すると共に、引出電極の断線が防止された水晶振動片及び水晶デバイスを提供することを目的とする。

第１観点の水晶振動片では、上面及び下面を有した平板に形成され、上面の法線方向から見て長方形の水晶片と、上面および下面の中央領域に長方形に形成された導電性材料からなる励振電極と、上面および下面に設けられ、励振電極の長方形の一方の短辺から水晶片の長方形の一方の短辺まで引き出された引出電極と、上面および下面に且つ励振電極の短辺と水晶片の短辺との間に形成され、短辺方向に伸びる凹部と、を備える。また、凹部は、引出電極が形成されていない領域に分断されて形成されるとともに、水晶片の長辺方向から見て励振電極の短辺とすべて重なり合うように形成される。

第２観点の水晶振動片では、第１観点において、凹部が、さらに上面および下面に且つ励振電極の他方の短辺と水晶片の他方の短辺との間で、中央領域を中心とした対称位置に形成される。

第３観点の水晶振動片では、第１観点及び第２観点において、凹部が、さらに励振電極の長辺と水晶片の長辺との間に形成され、長辺方向に伸びるように形成される。

第４観点の水晶振動片では、第１観点から第３観点において、凹部のうち、水晶片の長辺方向から見て励振電極の短辺より水晶片の長辺側にある凹部が、上面と下面とを貫通する貫通孔である。

第５観点の水晶振動片では、第１観点から第４観点において、引出電極が、励振電極の短辺から斜め方向の角度で引き出されている。

第６観点の水晶振動片では、第１観点から第４観点において、引出電極が、励振電極の短辺から長辺方向及び短辺方向に折れ曲がったクランク状に引き出されている。

第７観点の水晶振動片では、第１観点から第６観点の水晶振動片と、水晶振動片を内部に配置して水晶振動片を気密に封止するパッケージとを備える。

本発明の水晶振動片及び水晶デバイスによれば、不要な振動モードを抑制すると共に引出電極の断線を防止することができる。

水晶デバイス１００の分解斜視図である。 （ａ）は、水晶振動片１３０の平面図である。 （ｂ）は、水晶振動片１３０の斜視図である。 （ｃ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、水晶振動片２３０の平面図である。 （ｂ）は、水晶振動片２３０の斜視図である。 （ａ）は、水晶振動片３３０の平面図である。 （ｂ）は、水晶振動片４３０の平面図である。 （ａ）は、水晶振動片５３０の平面図である。 （ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜水晶デバイス１００の構成＞
図１は、水晶デバイス１００の分解斜視図である。水晶デバイス１００は、リッド板１１０と、ベース板１２０と、水晶振動片１３０と、により構成されている。水晶振動片１３０には例えばＡＴカットの水晶片が基材として用いられる。ＡＴカットの水晶片は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。以下の説明では、ＡＴカットの水晶片の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、水晶デバイス１００においては水晶デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’軸方向として説明する。

水晶振動片１３０は、所定の周波数で振動し、矩形形状に形成される水晶片１３４と、水晶片１３４の＋Ｙ’軸側の面である上面及び−Ｙ’軸側の面である下面に形成された励振電極１３１と、各励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出された引出電極１３２と、により構成されている。励振電極１３１及び引出電極１３２は、金属等の導電性材料により形成されている。

ベース板１２０は、水晶材料又はガラスを基材とし、この基材の表面に電極が形成されることにより形成される。ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の周囲には、封止材１４２を介してリッド板１１０に接合されるための接合面１２２が形成されている。また、ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の中央には、接合面１２２から−Ｙ’軸方向に窪んだ窪み部１２１が形成されている。窪み部１２１には一対の接続電極１２３が形成されており、各接続電極１２３は導電性接着剤（不図示）を介して水晶振動片１３０の引出電極１３２に電気的に接続される。ベース板１２０の−Ｙ’軸側の面である底面には、水晶デバイス１００をプリント基板等へ実装するための外部電極１２４が形成されている。外部電極１２４は接続電極１２３にベース板１２０をＹ’軸方向に貫通する貫通電極１２５を介して電気的に接続されている。

リッド板１１０は、−Ｙ’軸側の面に＋Ｙ’軸方向に窪んだ窪み部１１１が形成されている。また、窪み部１１１を囲むように接合面１１２が形成されている。接合面１１２は封止材１４２を介してベース板１２０の接合面１２２に接合される。

水晶デバイス１００では、リッド板１１０とベース板１２０とが接合されることにより、リッド板１１０の窪み部１１１とベース板１２０の窪み部１２１とにより気密に封止された空間であるキャビティ（不図示）を有するパッケージが形成される。水晶振動片１３０は、このキャビティ内に配置される。

図２（ａ）は、水晶振動片１３０の平面図である。水晶片１３４は、＋Ｙ’軸側の面である上面の法線方向から見た場合にＸ軸方向に伸びる長辺及びＺ’軸方向に伸びる短辺を有する長方形となるように形成されている。また上面には、励振電極１３１が上面の中央領域にＸ軸方向に伸びる長辺及びＺ’軸方向に伸びる短辺を有する長方形に形成されており、さらに上面から−Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂが形成されている。凹部１３３ａは、水晶片１３４の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の各長辺からＺ’軸方向に平行に水晶片１３４の内側に所定の距離だけ伸びることにより形成されている。また、水晶片１３４の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側に形成される凹部１３３ａは、互いに同形状かつ左右対称になるように形成されており、励振電極１３１の−Ｘ軸側の短辺よりも−Ｘ軸側に形成され、互いには接していない。

凹部１３３ｂは、凹部１３３ａよりも−Ｘ軸側に形成され、Ｚ’軸方向に伸びるように形成されている。また、凹部１３３ｂの＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の端が、＋Ｚ’軸側の凹部１３３ａの−Ｚ’軸側の端及び凹部１３３ｂの＋Ｚ’軸側の端にＸ軸方向にそれぞれ重なっている。そのため、凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂをＸ軸方向に見た場合、凹部１３３ａと凹部１３３ｂとが水晶片１３４の短辺に全て重なる。

凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂは、励振電極１３１の−Ｘ軸側の短辺と水晶片１３４の−Ｘ軸側の短辺との間に形成される。また、引出電極１３２は、凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂ内に形成されないように、励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出され、＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の各凹部１３３ａの間を通り、＋Ｚ’軸側の凹部１３３ａと凹部１３３ｂとの間をクランク状に折れ曲がりながら水晶片１３４の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまで引き出されている。引出電極１３２は、更に＋Ｚ’軸側の側面を介して−Ｙ’軸側の面に引き出されている。一方、上面の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角には−Ｙ’軸側から引き出された引出電極１３２が形成されている。

図２（ｂ）は、水晶振動片１３０の斜視図である。水晶片１３４の上面に形成される凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂは、水晶片１３４の−Ｙ’軸側の面である下面にも形成される。水晶片１３４の−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１、凹部１３３ａ、及び凹部１３３ｂは、＋Ｙ’軸側の面に形成される励振電極１３１、凹部１３３ａ、及び凹部１３３ｂと同形状であり、Ｙ’軸方向に互いに重なるように形成されている。また、−Ｙ’軸側の励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、−Ｙ’軸側の励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出され、＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の各凹部１３３ａの間を通り、−Ｚ’軸側の凹部１３３ａと凹部１３３ｂとの間をクランク状に折れ曲がりながら水晶片１３４の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角にまで引き出されている。引出電極１３２はさらに−Ｚ’軸側の側面を介して＋Ｙ’軸側の面に引き出されている。＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面の各励振電極１３１から引き出される各引出電極１３２は、Ｘ軸に平行であり水晶片１３４の中心を通る直線に対して回転対称になるように形成されている。

図２（ｃ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。凹部１３３ａの断面はＶ字型に形成されており、上面及び下面で互いに対称になるように形成されている。図２（ｃ）においては、上面側の凹部１３３ａと下面側の凹部１３３ａとの間を通りＸ軸に平行な直線１３５に対して鏡面対称になっている。このような凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂは、機械加工又はフォトリソグラフィ・エッチング技術により加工されることができる。

励振電極が形成される水晶片の中央領域においては、水晶片の厚みすべり振動によって振動エネルギーが発生する。この振動エネルギーは水晶片の中央領域から外周に伝播するが、振動エネルギーが、水晶振動片が固定される水晶片の−Ｘ軸側に伝播した場合には、振動エネルギーが水晶片から漏れ出すことによって不要な振動モードが発生し、水晶片の振動が不安定になる場合があった。

水晶振動片１３０では、励振電極１３１の−Ｘ軸側の辺と水晶片１３４の−Ｘ軸側の辺との間を遮るように凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂが形成されていることにより、振動エネルギーが、水晶片１３４から漏れ出しにくくなっている。そのため、振動エネルギーの漏れ出しによる不要な振動モードの発生が防がれる。また、水晶振動片１３０では、引出電極１３２が各凹部内に形成されないように引き出されることにより、引出電極１３２の断線が防がれている。

（第２実施形態）
ＡＴカットの水晶片では、その形状に関して、励振電極が形成される中央領域に対する対称性が振動の安定化のために重要になる。そのため、水晶片の形状は励振電極が形成される中央領域に対してＸ軸方向、Ｙ’軸方向、及びＺ’軸方向に対称となるように形成されることが望ましい。以下に水晶片の形状が、Ｘ軸方向に対称になるように形成された水晶振動片２３０について説明する。また、以下の説明では、第１実施形態と同様の部分に関して第１実施形態と同様の記号を付してその説明を省略する。

＜水晶振動片２３０の構成＞
図３（ａ）は、水晶振動片２３０の平面図である。水晶振動片２３０では、水晶片１３４において、励振電極１３１の＋Ｘ軸側に凹部２３３ａ及び凹部２３３ｂが形成されている。凹部２３３ａ及び凹部２３３ｂは、励振電極１３１が形成される水晶片１３４の中央領域の中心を通りＺ’軸に平行である直線２３５に対して、凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂの鏡面対称となるように形成されている。そのため、凹部２３３ａ及び凹部２３３ｂは凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂとそれぞれ同形状に形成される。

図３（ｂ）は、水晶振動片２３０の斜視図である。凹部２３３ａ及び凹部２３３ｂは、凹部１３３ａ及び凹部１３３ｂと同じくＹ’軸方向に重なるように−Ｙ’軸側の面にも形成されている。このように、水晶振動片２３０では、励振電極１３１が形成される中央領域に対して各凹部が対称となるように形成されることで、振動が安定化されるため好ましい。

（第３実施形態）
水晶振動片は、第１実施形態及び第２実施形態の他にも様々な形状に形成されることができる。以下に、水晶振動片の変形例について説明する。また、以下の説明では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の部分に関して、第１実施形態及び第２実施形態と同様の記号を付してその説明を省略する。

＜水晶振動片３３０の構成＞
図４（ａ）は、水晶振動片３３０の平面図である。水晶振動片３３０における水晶片１３４の形状は、水晶振動片２３０と同様であり、凹部１３３ａ、凹部１３３ｂ、凹部２３３ａ、及び凹部２３３ｂが形成されている。また、水晶振動片３３０には、励振電極１３１及び引出電極２３２が形成されている。引出電極２３２は、＋Ｙ’軸側の励振電極１３３ａの−Ｘ軸側の辺から＋Ｚ’軸側の凹部１３３ａと凹部１３３ｂとの間を通り、水晶片１３４の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまでＸ軸に対して斜め方向の角度に直線状に引き出されている。同様に、−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極２３２は、−Ｙ’軸側の励振電極１３３ａの−Ｘ軸側の辺から−Ｚ’軸側の凹部１３３ａと凹部１３３ｂとの間を通り、水晶片１３４の−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角にまでＸ軸に対して斜め方向の角度に直線状に引き出されている。

＜水晶振動片４３０の構成＞
図４（ｂ）は、水晶振動片４３０の平面図である。水晶振動片４３０では、水晶振動片２３０において、更に励振電極１３１の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側に凹部４３３ａが形成されている。各凹部４３３ａは、励振電極１３１の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側をＸ軸方向に伸びるようにして形成されており、互いに励振電極１３１が形成される水晶片１３４の中央領域の中心を通りＸ軸に平行である直線４２５に対して鏡面対称に形成されている。凹部４３３ａの＋Ｘ軸側の端は凹部２３３ａに接続され、凹部４３３ａの−Ｘ軸側の端は凹部１３３ａに接続されている。また、凹部４３３ａはＹ’軸方向に重なるように＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の両面に形成されている。このような凹部４３３ａが形成されることにより、水晶振動片４３０ではＸ軸方向のみならずＺ’軸方向に対しても振動が安定化されるため好ましい。

＜水晶振動片５３０の構成＞
図５（ａ）は、水晶振動片５３０の平面図である。水晶振動片５３０では、水晶振動片２３０において、凹部１３３ａ及び凹部２３３ａが水晶片１３４を貫通する貫通孔５３３ａとして形成されている。その他の構成は、水晶振動片２３０と同様である。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。貫通孔５３３ａは水晶片１３４をエッチングすることにより形成されるが、水晶片１３４にはエッチングに対する異方性があるため、図５（ｂ）に示されるように貫通孔５３３ａの＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側とが非対称になる。一方、ＡＴカットの水晶片１３４では他のカットの水晶片に比べて安定した振動を得るために形状の対称性が重要になる。しかし、貫通孔５３３ａは励振電極１３１から＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側に避けた位置に形成されているため、水晶片１３４の振動への影響が小さく大きな問題とはならない。凹部１３３ｂ及び凹部２３３ｂに関しては、水晶片１３４の振動に対する影響が大きいため、水晶片１３４を貫通させずに形成される。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

例えば、上記の実施形態では水晶振動片にＡＴカットの水晶片を用いた場合を示したが、同じように厚みすべりモードで振動するＢＴカットの水晶片などであっても同様に適用できる。また、上記実施形態において各凹部は一重に形成されているが、複数の凹部が平行に並ぶように多重に形成されても良い。

１００ … 水晶デバイス
１１０ … リッド板
１１１、１２１ … 窪み部
１１２、１２２ … 接合面
１２０ … ベース板
１２３ … 接続電極
１２４ … 外部電極
１２５ … 貫通電極
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０ … 水晶振動片
１３１ … 励振電極
１３２、２３２ … 引出電極
１３３ａ、１３３ｂ、２３３ａ、２３３ｂ、４３３ａ … 凹部
１３４ … 水晶片
１４２ … 封止材
５３３ａ … 貫通孔

Claims (7)

1. 上面及び下面を有した平板に形成され、前記上面の法線方向から見て長方形の水晶片と、
   前記上面および前記下面の中央領域に長方形に形成された導電性材料からなる励振電極と、
   前記上面および前記下面に設けられ、前記励振電極の長方形の一方の短辺から前記水晶片の長方形の一方の短辺まで引き出された引出電極と、
   前記上面および前記下面に且つ前記励振電極の前記短辺と前記水晶片の前記短辺との間に形成され、前記短辺方向に伸びる凹部と、を備え、
   前記凹部は、前記引出電極が形成されていない領域に分断されて形成されるとともに、前記水晶片の長辺方向から見て前記励振電極の前記短辺とすべて重なり合うように形成される水晶振動片。
2. 前記凹部は、さらに前記上面および前記下面に且つ前記励振電極の他方の短辺と前記水晶片の他方の短辺との間で、前記中央領域を中心とした対称位置に形成される請求項１に記載の水晶振動片。
3. 前記凹部は、さらに前記励振電極の長辺と前記水晶片の長辺との間に形成され、前記長辺方向に伸びるように形成される請求項１又は請求項２に記載の水晶振動片。
4. 前記凹部のうち、前記水晶片の長辺方向から見て前記励振電極の前記短辺より前記水晶片の長辺側にある凹部は、前記上面と前記下面とを貫通する貫通孔である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶振動片。
5. 前記引出電極は、前記励振電極の前記短辺から斜め方向の角度で引き出されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水晶振動片。
6. 前記引出電極は、前記励振電極の前記短辺から前記長辺方向及び短辺方向に折れ曲がったクランク状に引き出されている請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水晶振動片。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水晶振動片と、前記水晶振動片を内部に配置して前記水晶振動片を気密に封止するパッケージとを備える水晶デバイス。