JP2017139682A - 振動片、振動片の製造方法、発振器、電子機器、移動体、および基地局 - Google Patents

Abstract

【課題】副振動での発振を低減することができる振動片を提供する。
【解決手段】振動片２は、水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、Ｚ軸の周りにＸ軸およびＹ軸を３°以上３０°以下回転させた軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、Ｘ’軸の周りにＹ’軸からＺ軸に向かう方向を正とし、Ｘ’軸の周りにＺ軸およびＹ’軸を３３°以上３６°以下回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸として、Ｘ’軸およびＺ’軸を面内方向に含む水晶基板と、水晶基板の主面に配置されている励振電極と、を備え、水晶基板は、Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、方形の一辺の長さ、または短辺の長さをＬ、Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、２８≦Ｌ／ｔ≦６０を満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動片、振動片の製造方法、発振器、電子機器、移動体、および基地局に関する。

水晶を用いた振動片を用いた振動デバイスにおいて、スプリアスと言われる副振動の影響により、起動時に振動片が異常発振を起こしてしまうことが知られている。特に、広い温度範囲において出力周波数を安定させることが可能なＳＣカット振動片の場合、通常用いられているＡＴカット振動片と比し、ＣＩ（Crystal Impedance）値が高く、さらに３ｒｄオーバートーンを使用するためさらにＣＩ値が高くなることから、主振動（Ｃモード）による発振をさせ難い。

また、ＳＣカット振動片の場合、Ｂモードのスプリアスが１．０９倍と主振動に近いところにあり、Ｂモード抑制フィルターを用いて発振させるため発振し難くなり、ＣＩ値変動などによってＢモードのスプリアスの影響度が変化し、異常発振が起こり易くなってしまう。なお、ＣＩ値を小さくするためには、振動片を大きなサイズにすることが知られているが、小型化指向の高い現状では実用上実現が困難であった。

これらに対応するため、例えば特許文献１には、水晶の厚みと所定軸方向（ｘｘ’方向）の寸法との比率を規定することによって、スプリアスの出現を抑制することが開示されている。

特開平５−３３５８７７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている厚みと所定軸方向（ｘｘ’方向）の寸法との比率では、電極面積を小さくすることが必要となることなどから、ＣＩ値を十分に下げることができず、スプリアスの影響を受けて異常発振を起こしてしまうなど、スプリアスの影響を回避できない虞を有していた。

本発明は、上述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］本適用例に係る振動片は、水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、前記Ｚ軸の周りに前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を３°以上３０°以下回転させた軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｙ’軸から前記Ｚ軸に向かう方向を正とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｚ軸および前記Ｙ’軸を３３°以上３６°以下回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸として、前記Ｘ’軸および前記Ｚ’軸を面内方向に含む水晶基板と、前記水晶基板の主面に配置されている励振電極と、を備え、前記水晶基板は、前記Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、前記方形の一辺の長さ、または前記短辺の長さをＬとし、前記水晶基板の前記Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、２８≦Ｌ／ｔ≦６０の関係を満たすことを特徴とする。

本適用例の振動片によれば、スプリアスの出現を抑制し、スプリアスの影響を回避することが可能となる。したがって、スプリアスの影響による異常発振などを低減することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の振動片において、３３≦Ｌ／ｔ≦５５の関係を満たすことが好ましい。

本適用例によれば、スプリアスの出現を抑制し、スプリアスの影響による異常発振を回避・低減することが可能となる。

［適用例３］上記適用例に記載の振動片において、３５≦Ｌ／ｔ≦４５の関係を満たすことが好ましい。

本適用例によれば、さらにスプリアスの出現を抑制することができ、スプリアスの影響による異常発振を、さらに好ましく回避することが可能となる。

［適用例４］上記適用例に記載の振動片において、前記主面は、第１の主面、および前記第１の主面と表裏関係の第２の主面を含み、前記第１の主面と前記第２の主面とを接続する側面の算術平均粗さが、前記主面の算術平均粗さより大きいことが好ましい。

本適用例によれば、側面の算術平均粗さを主面の算術平均粗さより大きくすることにより、スプリアスの出現を、より低減させることができる。

［適用例５］上記適用例に記載の振動片において、前記側面には、前記Ｘ’軸または前記Ｚ’軸に沿った断面視において、前記第１の主面または前記第２の主面の一方に偏って配置されている突出部が設けられていることが好ましい。

本適用例によれば、突起部によって側面を歪な形状とすることにより、スプリアスの出現を低減させることができる。

［適用例６］本適用例に係る振動片の製造方法は、水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、前記Ｚ軸の周りに前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を３°以上３０°以下回転させた軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｙ’軸から前記Ｚ軸に向かう方向を正とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｚ軸および前記Ｙ’軸を３３°以上３６°以下回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸として、前記Ｙ’軸を長手方向とする柱状体を切り出す工程と、前記柱状体から、前記Ｘ’軸と前記Ｚ’軸を面内方向に含む水晶素板を切り出す工程と、前記水晶素板から、前記Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、前記方形の一片の長さ、または前記矩形の短辺の長さをＬとし、前記Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、２８≦Ｌ／ｔ≦６０を満たす水晶基板を切り出す工程と、前記水晶基板の主面に励振電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の振動片の製造方法によれば、スプリアスの出現を抑制し、スプリアスの影響を回避可能な振動片を得ることが可能となる。したがって、本振動片は、スプリアスの影響による異常発振などを低減することができる。

［適用例７］本適用例に係る発振器は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片を発振させる発振回路と、前記振動片の温度を制御する温度制御素子と、前記温度制御素子の動作を制御する温度制御回路と、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、使用環境に影響されずに、振動片の温度をほぼ一定に保つことができるとともに、スプリアスの影響を抑制させた信頼性の高い発振器が得られる。

［適用例８］上記適用例に記載の発振器において、前記振動片は、前記温度制御素子に一つの部位で支持されていることが好ましい。

本適用例の発振器によれば、振動片が温度制御素子に一つの部位で支持されていることにより、振動片が、熱歪みなどによる応力変化などの影響を受け難くなり、さらに高精度の発振器が得られる。

［適用例９］上記適用例に記載の発振器において、少なくとも前記振動片を収容するパッケージを備え、前記振動片は、前記パッケージに一つの部位で支持されていることが好ましい。

本適用例によれば、振動片がパッケージに一つの部位で支持されていることにより、振動片が、熱歪みなどによる応力変化などの影響を受け難くなり、さらに高精度の発振器が得られる。

［適用例１０］本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、信頼性の高い電子機器が得られる。

［適用例１１］本適用例に係る移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、信頼性の高い移動体が得られる。

［適用例１２］本適用例に係る基地局は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、信頼性の高い基地局が得られる。

本発明の実施形態に係る発振器の断面図。 図１に示す発振器が有するパッケージの拡大断面図。 図２に示すパッケージの上面図。 振動片の平面図（上面図）。 振動片の平面図（透過図）。 ＳＣカットを説明するための図。 振動片の実施例１に係るＣＩ値と温度との相関を示すグラフ。 振動片の実施例２に係るＣＩ値と温度との相関を示すグラフ。 振動片の実施例３に係るＣＩ値と温度との相関を示すグラフ。 振動片の比較例１に係るＣＩ値と温度との相関を示すグラフ。 水晶基板を、Ｘ’軸、またはＺ’軸に沿って断面視した図。 本発明の電子機器としてのモバイル型（またはノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図。 本発明の電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図。 本発明の電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。 本発明の移動体としての自動車を示す斜視図。 本発明の基地局を適用した測位システムを示す概略構成図。

以下、本発明の振動片、発振器、電子機器、移動体および基地局を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る発振器の断面図である。図２は、図１に示す発振器が有するパッケージの拡大断面図である。図３は、図２に示すパッケージの上面図である。図４は、振動片の平面図（上面図）である。図５は、振動片の平面図（透過図）である。図６は、ＳＣカットを説明するための図である。図７Ａ〜図７Ｃは振動片のＣＩ値と温度との相関を示し、図７Ａは、本発明の実施例１を示すグラフであり、図７Ｂは本発明の実施例２を示すグラフであり、図７Ｃは、本発明の実施例３を示すグラフである。図８は、比較例１に係る振動片のＣＩ値と温度との相関を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」とも言い、下側を「下」と言うことがある。

図１に示す発振器１は、振動片２、制御回路素子３、および温度制御素子としての発熱部４を収容するパッケージ５と、パッケージ５を覆う外側パッケージ６と、を有するＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）である。以下、これら各構成要素について順次説明する。

（パッケージ）
パッケージ５は、図２および図３に示すように、上面に開口する凹部５１１を有するキャビティ状のベース５１と、凹部５１１の開口を塞いでベース５１に接合された板状のリッド５２と、を有している。このようなパッケージ５は、凹部５１１の開口がリッド５２で塞がれることで形成された内部空間Ｓを有し、この内部空間Ｓに振動片２、制御回路素子３、および発熱部４が収容されている。

リッド５２により密封された内部空間Ｓは、その内部圧力を所望の気圧に設定できる。例えば、真空（通常の大気圧より低い圧力（１×１０⁵Ｐａ〜１×１０^-10Ｐａ以下（ＪＩＳ Ｚ ８１２６−１：１９９９））の気体で満たされた空間の状態）とすることで、より安定した振動片２の振動を継続することができる。また、内部空間Ｓの雰囲気は、凹部５１１の開口が塞がれて密封され、窒素ガスを充填しての大気圧としたり、真空（通常の大気圧より低い圧力（１×１０⁵Ｐａ〜１×１０^-10Ｐａ以下の気体で満たされた空間の状態））としたりすることが好ましいが、この限りでない。例えば、内部空間Ｓに窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性気体（不活性ガス）が充填されて大気圧となっていてもよい。

ベース５１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックス、ガラス材料、金属材料等を用いることができる。また、リッド５２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース５１の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース５１の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。

また、ベース５１は、内部空間Ｓに臨む複数の内部端子５３１，５３３，５３４と、底面に配置された外部端子５３５と、を有する。内部端子５３１は、図示しない内部配線等を介して内部端子５３３と接続されており、内部端子５３４は、図示しない内部配線を介して外部端子５３５と接続されている。

（発熱部）
温度制御素子としての発熱部４は、パッケージ５の内部空間Ｓに収容されており、ベース５１に固定されている。発熱部４は、振動片２を加熱し、振動片２の温度をほぼ一定に保つ、いわゆる「恒温機能」を有する電子部品である。このような発熱部４を有することで、使用環境の温度変化による出力周波数の変動を抑制することができ、優れた周波数安定度を有する発振器１が得られる。なお、発熱部４は、零温度係数を示す頂点温度（一般的に約８５℃）に近づくように振動片２の温度を制御することが好ましい。これにより、より優れた周波数安定度を発揮することができる。

発熱部４は、例えば、パワートランジスターから構成される発熱体と、ダイオードやサーミスタから構成される温度センサーと、を有しており、温度センサーによって発熱体の温度がコントロールされ、一定温度を保つことができるようになっている。このような発熱部４は、ボンディングワイヤーを介して内部端子５３１に電気的に接続されている。なお、発熱部４の構成としては、振動片２を一定温度に保つことができれば、特に限定されない。

（振動片）
振動片２は、図２、図４および図５に示すように、上面２１ａ（第１の主面）、および上面２１ａ（第１の主面）と表裏関係の水晶基板２１の下面２１ｂ（第２の主面）と、上面２１ａ（第１の主面）および下面２１ｂ（第２の主面）を接続する側面を有する水晶基板２１と、水晶基板２１に配置された電極２２と、を有している。

振動片２は、内部空間Ｓに収容されており、温度制御素子としての発熱部４に、一つの部位で接合（支持）されている。本形態における一つの部位とは、平面視で水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）の外周端（側面の位置する部位）である一方の短辺２ａの一部を含み、後述する第１引出電極２２１ｂの端部に相当する。

このように、振動片２が発熱部４に一つの部位で支持されていることにより、振動片２が、熱歪みなどによって生じる応力の変化などの影響を受け難くなり、出力周波数の変動を低減することができることから、さらに高精度の発振器１とすることができる。また、振動片２が発熱部４に直接支持されていることから、発熱部４の熱を効率よく振動片２に伝えることができ、発熱効率の向上および振動片２の温度制御の精度を向上させることが可能となる。

水晶基板２１は、ＳＣカット水晶素板をエッチング等によって、長辺２ｂおよび短辺２ａを有する矩形の平面視形状にパターニングしたものであり、所定の厚さｔ（図２参照）を有している。このようなＳＣカット水晶素板を用いることで、スプリアス振動による周波数ジャンプや抵抗上昇が少なく、温度特性も安定している振動片２が得られる。

ここで、ＳＣカットについて簡単に説明する。水晶は、三方晶系に属しており、互いに直交する結晶軸であるＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光学軸）を有している。そして、図６に示すように、Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、Ｚ軸の周りにＸ軸およびＹ軸をα（ただし、３°≦α≦３０°）だけ回転させて設定した軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、Ｘ’軸の周りにＹ’軸からＺ軸に向かう方向を正とし、Ｘ’軸の周りにＺ軸およびＹ’軸をβ（ただし、３３°≦β≦３６°）だけ回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸としたとき、Ｘ’軸およびＺ’軸を面内方向に含み、Ｙ”軸を厚さ方向とする水晶板を切り出すと、ＳＣカット水晶素板が得られる。

以下、ＳＣカットの水晶基板２１、および振動片２の製造方法の一例について、具体的に説明する。
先ず、Ｙ’軸を長手方向とする水晶の柱状体（ランバート）を切り出す。そして、切り出された柱状体から、Ｘ’軸とＺ’軸とを面内方向に含む水晶素板を切り出す。次に、Ｘ’軸とＺ’軸とを面内方向に含む水晶素板をエッチング法などによって加工し、Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、方形の一片の長さ、または矩形の短辺の長さをＬとし、Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、例えば２８≦Ｌ／ｔ≦６０を満たす水晶基板２１を切り出す。次に、切り出された水晶基板２１の表裏の主面に、例えば金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）などの薄膜を、蒸着法やスパッタリング法などを用いて形成し、励振電極などの電極２２を形成する。これらの工程によって、ＳＣカットの水晶基板２１、および振動片２を得ることができる。

水晶基板２１の平面視による外形形状において、以下で説明するような短辺２ａの長さＬと、Ｙ”軸方向の厚さｔと、の寸法関係とすることで、副振動（スプリアス振動）の発振を効果的に抑制することができる。なお、本明細書における「矩形、もしくは方形」とは、外縁の一部に切り欠きが形成されていたり、突起が形成されていたりするものや、製造精度により外縁に微小な凹凸が形成されているもの等を含むものである。また、水晶基板２１には、メサ加工、逆メサ加工、コンベックス加工等が施されていてもよい。

電極２２は、水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）に配置された励振電極としての第１励振電極２２１ａおよび第１引出電極２２１ｂと、水晶基板２１の下面２１ｂ（第２の主面）に配置された励振電極としての第２励振電極２２２ａおよび第２引出電極２２２ｂと、を有している。

また、第１励振電極２２１ａの輪郭は、略円形の平面視形状であり、水晶基板２１の上面２１ａの中央部に配置されている。また、第１引出電極２２１ｂは、第１励振電極２２１ａから延出し、水晶基板２１の一方の短辺２ａまで延びている。

同様に、第２励振電極２２２ａの輪郭は、略円形の平面視形状であり、水晶基板２１の下面２１ｂの中央部に配置されている。また、第２引出電極２２２ｂは、第２励振電極２２２ａから延出し、水晶基板２１の一方の短辺２ａまで延びている。これら第２励振電極２２２ａおよび第２引出電極２２２ｂは、水晶基板２１を挟んで第１励振電極２２１ａおよび第１引出電極２２１ｂと重なって配置されている。本形態の第１励振電極２２１ａおよび第２励振電極２２２ａは、クロム（Ｃｒ）の下地膜上に、金（Ａｕ）の電極膜を成膜した構成を用いている。

なお、図４〜図６において、水晶基板２１の短辺２ａおよび長辺２ｂは、Ｘ’軸およびＺ’軸に実質的に平行な構成としているが、Ｘ’軸およびＺ’軸に対して傾いていてもよい。例えば、短辺２ａがＸ’軸またはＺ’軸に対して２°以上３５°以下（図４および図５において反時計回りを正とする）の角度をなしていてもよい。より具体的には、例えばαを２３．３０°、βを３４°としたとき、振動方向は約１３．６°の方向となるので、この振動方向と斜めになる場合の影響が大きいと考えられるので、短辺２ａがＸ’軸に対して１３．６°または１０３．６°の角度をなしていることが望ましい。

ここで、振動片２のようなＳＣカットの水晶振動片では、主振動である厚みすべり振動モード（Ｃモード）以外に、副振動（スプリアス）である厚みねじれ振動モード（Ｂモード）および厚み縦振動モード（Ａモード）が存在する。Ａモードの振動の等価抵抗の値（ＣＩ（Crystal Impedance）値、以下、「ＣＩ値」とも言う）は、ＣモードのＣＩ値よりも大きいため、発振器としては信号として出力され難く、特に問題とはならない。これに対して、Ｂモードの振動のＣＩ値は、ＣモードのＣＩ値にほぼ等しいか、場合によってはそれよりも小さい。しかも、Ｂモードの周波数は、Ｃモードの周波数に近接している。そのため、従来の発振器では、副振動であるＢモードで発振してしまうことがあった。

発明者らは、水晶基板２１の外形形状において、以下で説明するような短辺２ａの長さＬと厚さｔとの寸法関係を工夫することにより、副振動であるＢモードのＣＩ値を主振動であるＣモードのＣＩ値よりも十分に大きくし、副振動（スプリアス振動）の発振を効果的に抑制（低減）することが可能であることを見出した。具体的には、短辺２ａの長さＬと厚さｔとの寸法関係を下記範囲とすることで、製造バラつきによって短辺２ａの長さＬと厚さｔとの寸法関係が多少ばらついても、ほぼ同じ特性（ＣＩ値特性）を有する振動片２を安定して製造することができる。以下、このことについて、実験結果も含めて説明する。

詳細には、次の表１に示すように、
１）水晶基板２１は、Ｘ’軸方向に沿った短辺２ａの長さをＬとし、水晶基板２１のＹ”軸方向の厚さをｔとしたとき、２８≦Ｌ／ｔ≦６０の関係を満たす様に構成されることが好ましい。
２）さらに、水晶基板２１は、短辺２ａの長さＬとし、水晶基板２１のＹ”軸方向の厚さをｔとしたとき、３３≦Ｌ／ｔ≦５５の関係を満たす様に構成されることがさらに好ましい。
３）また、短辺２ａの長さをＬとし、水晶基板２１のＹ”軸方向の厚さをｔとしたとき、３５≦Ｌ／ｔ≦４５の関係を満たす様に構成されることが最も好ましい。

上記表１は、実験結果を示しており、水晶基板２１（振動片２）の厚さｔおよび短辺２ａの長さＬの相関（Ｌ／ｔの値）と、Ｌ／ｔの値ごとにおける副振動（スプリアス振動）によって生じるＣＩ値変化の状態を判定した結果を示している。なお、この実験に用いた振動片２は、水晶基板２１の外形形状の一例として、厚さｔを０．１４ｍｍのＳＣカット水晶基板２１を用い、短辺２ａの長さＬを２．０ｍｍから９．０ｍｍまで順次変化させたものを用いている。また、この判定に当たっては、水晶基板２１（振動片２）の置かれている環境温度を変化させたときのＣＩ値について確認（図７Ａ〜図７Ｃおよび図８参照）し、以下に示すように判定している。また、ここでのＣＩ値は、３ｒｄオーバートーンにおける励振のＣＩ値を示している。

なお、実施例１〜実施例３に係る水晶基板２１（振動片２）は、第１励振電極２２１ａおよび第２励振電極２２２ａの直径を３．５ｍｍとした。また、第１励振電極２２１ａおよび第２励振電極２２２ａは、下地としてのクロム（Ｃｒ）層の厚みを７ｎｍ（ナノメートル）とし、その上層として金（Ａｕ）層の厚みを１００ｎｍ（ナノメートル）とした二層構造とした。また、水晶基板２１（振動片２）の上面２１ａ（第１の主面）および下面２１ｂ（第２の主面）の面粗さは、鏡面仕上げ（好ましくは＃８０００以上）とした。

また、比較例１に係る水晶基板２１（振動片２）は、第１励振電極２２１ａおよび第２励振電極２２２ａの直径を２．８ｍｍとした。また、第１励振電極２２１ａおよび第２励振電極２２２ａは、下地としてのクロム（Ｃｒ）層の厚みを７ｎｍ（ナノメートル）とし、その上層として金（Ａｕ）層の厚みを２００ｎｍ（ナノメートル）とした二層構造とした。また、水晶基板２１（振動片２）の上面２１ａ（第１の主面）および下面２１ｂ（第２の主面）の面粗さは、上述の実施例と同様とした。

図７Ａは、実施例１に係る水晶基板２１（振動片２）において、短辺２ａの長さＬを４．０ｍｍとしたとき（Ｌ／ｔ＝２８．６）のＣＩ値と温度との相関を示し、縦軸をＣＩ値（Ω）、横軸を温度（℃）としている。図７Ａに示されているように、実施例１に係る水晶基板２１（振動片２）では、全体的にＣＩ値が大きく、且つＣＩ値のバラツキがやや大きくなっており、選別などによる歩留りの低下などが考えられるが、ＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）として使用することが可能なレベルとなっている。したがって、短辺２ａの長さＬの下限側の判定結果を「△」としている。

図７Ｂは、実施例２に係る水晶基板２１（振動片２）において、短辺２ａの長さＬを４．８ｍｍとしたとき（Ｌ／ｔ＝３４．３）のＣＩ値と温度との相関を示し、縦軸をＣＩ値（Ω）、横軸を温度（℃）としている。図７Ｂに示されているように、実施例２に係る水晶基板２１（振動片２）では、全体的にＣＩ値の水準がやや大きいが、ＣＩ値のバラツキもなく良好なレベルとなっており、ＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）として問題なく使用することが可能である。したがって、短辺２ａの長さＬの下限側の判定結果を「○」としている。

図７Ｃは、実施例３に係る水晶基板２１（振動片２）において、短辺２ａの長さＬを５．８ｍｍとしたとき（Ｌ／ｔ＝４１．６）のＣＩ値と温度との相関を示し、縦軸をＣＩ値（Ω）、横軸を温度（℃）としている。図７Ｃに示されているように、実施例３に係る水晶基板２１（振動片２）では、全体的にＣＩ値の水準も低く、ＣＩ値のバラツキも小さな極めて良好なレベルとなっており、上述した効果がより顕著となる。このように、実施例３に係る水晶基板２１（振動片２）は、ＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）として極めて良好に使用することが可能である。したがって、短辺２ａの長さＬの下限側の判定結果を「◎」としている。

図８は、比較例１に係る水晶基板２１（振動片２）において、短辺２ａの長さＬを３．３ｍｍとしたとき（Ｌ／ｔ＝２３．６）のＣＩ値と温度との相関を示し、縦軸をＣＩ値（Ω）、横軸を温度（℃）としている。図８に示されているように、比較例１に係る水晶基板２１（振動片２）では、全体的にＣＩ値の水準が高く（ＣＩ値が大きい）、且つＣＩ値のバラツキが大きくなっており、選別などを行っても使用可能なレベルの水晶基板２１（振動片２）の数が僅かとなり、良品歩留りが極めて低くなることが予測される。したがって、ＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）として使用することができないレベルであり、短辺２ａの長さＬの下限側の判定結果を「×」としている。

なお、短辺２ａの長さＬは、長ければ長い程（Ｌ／ｔが大きくなる程）ＣＩ値も小さくなり、且つＣＩ値のバラツキも小さくなるが、短辺２ａの長さＬを大きくし過ぎると、加速度の影響を受け易くなる。また、短辺２ａの長さＬを大きくし過ぎると、水晶基板２１（振動片２）のサイズが大きくなってしまい、小型の発振器１であるＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）が望まれている状況下では、実用上使用することができない。ここで、加速度の影響を考慮すれば、短辺２ａの長さＬを８．０ｍｍ（Ｌ／ｔ＝５７．１）を超えないことが望ましい。換言すれば、短辺２ａの長さＬが、８．０ｍｍ（Ｌ／ｔ＝５７．１）を超えると加速度の影響を受けやすく、水晶基板２１（振動片２）としては不利となる。また、サイズ的に許容できる水晶基板２１（振動片２）における短辺２ａの長さＬは、８．０ｍｍ程度（Ｌ／ｔ＝５７．１）が上限とされており、判定結果を「△」としている。また、さらに発振器１の小型化を望むために、好ましくは短辺２ａの長さＬが、７．０ｍｍ（Ｌ／ｔ＝４２．９）とされることから、上限側の判定結果を「○」としている。また、さらに好ましくは短辺２ａの長さＬを、６．０ｍｍ（Ｌ／ｔ＝４２．９）とすることにより、さらに小型のＯＣＸＯ（恒温槽型水晶発振器）を実現することが可能となる。したがって、上限側の判定結果を「◎」としている。

なお、水晶基板２１（振動片２）は、短辺２ａと長辺２ｂとを備えた矩形形状に限らず、方形形状とすることもできる。この場合、一辺の長さを「短辺２ａの長さＬ」と読み替え、厚さｔとの関係を「Ｌ／ｔ」とする。

また、短辺２ａと長辺２ｂとの交差部、もしくは方形の場合の各辺の交差部は、面取り状であったり、外縁の一部に切り欠きや突起が形成されていたり、製造精度により外縁に微小な凹凸が形成されているものなどを含んでいてもよい。

また、水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）と下面２１ｂ（第２の主面）とを接続する側面の算術平均粗さが、上面２１ａ（第１の主面）、および下面２１ｂ（第２の主面）の算術平均粗さより大きいことが好ましい。このように、側面の算術平均粗さを上面２１ａ（第１の主面）、および下面２１ｂ（第２の主面）の算術平均粗さより大きくすることにより、スプリアスの出現を、より低減させることができる。

また、スプリアスの出現を低減させるため、図９に示すように、水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）と下面２１ｂ（第２の主面）とを接続する側面には、Ｘ’軸、またはＺ’軸に沿った断面視において、上面２１ａ（第１の主面）または下面２１ｂ（第２の主面）の一方に偏って配置されている突出部２６が設けられていることが好ましい。従来、例えば「べベル加工」のように、水晶基板の角部を落とす（削除する）ことによって、スプリアスの出現を低減させることが知られている。これに対し、本例では、上述のように設けられた突出部２６によって側面２５を歪な形状とすることにより、スプリアスの出現を低減させることができることを見出している。なお、図９は、水晶基板２１を、Ｘ’軸、またはＺ’軸に沿って断面視した図である。

上述のような構成の振動片２は、図２および図３に示すように、外縁部で導電性の固定部材７を介して発熱部４に固定されている。固定部材７は、発熱部４と振動片２とを接合すると共に、発熱部４の上面に配置された端子４３と振動片２の第２引出電極２２２ｂとを電気的に接続し、さらには、発熱部４と振動片２とを熱的に接続している。端子４３は、ボンディングワイヤーを介して内部端子５３１に電気的に接続されている。一方、第１引出電極２２１ｂは、ボンディングワイヤーを介して内部端子５３１に電気的に接続されている。

なお、固定部材７としては、導電性と接合性を兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、金属接合材（例えば金バンプ）、合金接合材（例えば、金錫合金、はんだなどのバンプ）、導電性接着剤（例えば、銀フィラー等の金属微粒子を分散させたポリイミド系の接着剤）等を用いることができる。

（制御回路素子）
制御回路素子３は、図２および図３に示すように、内部空間Ｓに収容されており、ベース５１に固定されている。また、制御回路素子３は、ボンディングワイヤーを介して内部端子５３３と電気的に接続されており、ボンディングワイヤーを介して内部端子５３４と電気的に接続されている。これにより、制御回路素子３と発熱部４とが電気的に接続され、制御回路素子３と振動片２とが電気的に接続され、制御回路素子３と外部端子５３５とが電気的に接続される。そのため、制御回路素子３は、発熱部４および振動片２を制御可能となると共に、外部端子５３５を介して外部との通信も可能となる。このような制御回路素子３は、少なくとも、振動片２を駆動させる不図示の発振回路と、温度制御素子としての発熱部４の動作を制御する不図示の発熱体制御回路（温度制御回路）と、を有している。

（外側パッケージ）
外側パッケージ６は、図１に示すように、プリント配線基板からなるベース基板６１と、ベース基板６１に接合されたキャップ６２と、を有し、これらで形成された内部空間Ｓ１には、パッケージ５や、容量、抵抗等の回路部品８が収容されている。パッケージ５は、リードフレーム６３を介してベース基板６１に接合され、ベース基板６１から遊離した状態で支持されている。なお、リードフレーム６３は、パッケージ５をベース基板６１に固定すると共に、パッケージ５の外部端子５３５とベース基板６１に形成された図示しない端子とを電気的に接続している。また、回路部品８は、ベース基板６１に固定されている。

なお、内部空間Ｓ１は、気密的に封止されており、減圧状態（１０Ｐａ以下程度。好ましくは真空）となっている。これにより、内部空間Ｓ１が断熱層として機能し、振動片２が使用環境の温度変化の影響をより受け難くなる。そのため、振動片２の温度をより確実に一定に保つことができる。ただし、内部空間Ｓ１の環境としては、これに限定されず、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが充填されていてもよいし、大気開放されていてもよい。

上述のような実施形態に係る発振器１によれば、配置されている振動片２の短辺２ａの長さＬと厚さｔとの寸法関係（Ｌ／ｔ）を、所定の範囲の内とすることで、副振動であるＢモードのＣＩ値を主振動であるＣモードのＣＩ値よりも十分に大きくし、副振動（スプリアス振動）の発振を効果的に抑制（低減）することが可能となる。

また、外側パッケージ６の内部空間Ｓ１が断熱層として機能し、使用環境に影響されずに振動片２の温度をほぼ一定に保つことができるとともに、スプリアスの影響を抑制させた信頼性の高い発振器１が得られる。

なお、上述の実施形態では、振動片２は内部空間Ｓに収容され、発熱部４に、平面視で水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）の外周端（側面の位置する部位）の一部（一つの部位）で接合（支持）されている構成で説明したがこれに限らない。振動片２は、パッケージ５の内部空間Ｓに収容され、パッケージ５の一部に、平面視で水晶基板２１の上面２１ａ（第１の主面）の外周端（側面の位置する部位）の一部（一つの部位）で接合（支持）されている構成であってもよい。

このような構成であっても、振動片２がパッケージ５に一つの部位で支持されていることにより、振動片２が、熱歪みなどによって生じる応力の変化などの影響を受け難くなり、出力周波数の変動を低減することができることから、さらに高精度の発振器１とすることができる。

［電子機器］
次に、本発明の発振器１、または振動片２を備える電子機器について説明する。なお、以下では、振動片２を備えた発振器１を適用した構成を例示している。

図１０は、本発明の電子機器としてのモバイル型（またはノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。

この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１１０８を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、発振器１（振動片２）が内蔵されている。

図１１は、本発明の電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。

この図において、携帯電話機１２００は、アンテナ（図示せず）、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００には、発振器１（振動片２）が内蔵されている。

図１２は、本発明の電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成を示す斜視図である。

デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には表示部１３１０が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３１０は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。そして、撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押すと、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、発振器１（振動片２）が内蔵されている。

このような電子機器は、発振器１（振動片２）を備えているので、優れた信頼性を有している。

なお、本発明の電子機器は、図１０のパーソナルコンピューター、図１１の携帯電話機、図１２のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計（スマートウォッチを含む）、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンタ）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニタ、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。

［移動体］
次に、本発明の発振器１、または振動片２を備える移動体について説明する。なお、以下では、振動片２を備えた発振器１を適用した構成を例示している。

図１３は、本発明の移動体としての自動車を示す斜視図である。
図１３に示すように、自動車１５００には発振器１（振動片２）が内蔵されている。発振器１は、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。このように、自動車１５００に発振器１（振動片２）を内蔵することで、信頼性の高い自動車１５００が得られる。

［基地局］
次に、本発明の発振器１、または振動片２を備える基地局について説明する。なお、以下では、振動片２を備えた発振器１を適用した構成を例示している。

図１４は、本発明の基地局を適用した測位システムを示す概略構成図である。
図１４に示す測位システム１６００は、ＧＰＳ衛星１６１０と、基地局１６２０と、ＧＰＳ受信装置１６３０と、で構成されている。ＧＰＳ衛星１６１０は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。基地局１６２０は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ１６２１を介してＧＰＳ衛星１６１０からの測位情報を高精度に受信する受信装置１６２２と、この受信装置１６２２で受信した測位情報をアンテナ１６２３を介して送信する送信装置１６２４と、を備えている。また、受信装置１６２２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１６２４により送信される。このような受信装置１６２２には、その基準周波数発振源として発振器１（振動片２）が内蔵されている。ＧＰＳ受信装置１６３０は、ＧＰＳ衛星１６１０からの測位情報をアンテナ１６３１を介して受信する衛星受信部１６３２と、基地局１６２０からの測位情報をアンテナ１６３３を介して受信する基地局受信部１６３４と、を備えている。このような測位システム１６００は、発振器１を備えているため、優れた信頼性を有する。

以上、本発明の振動片、発振器、電子機器、移動体および基地局を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

１…発振器、２…振動片、２ａ…短辺、２ｂ…長辺、２１…水晶基板、２２…電極、２２１ａ…第１励振電極、２２１ｂ…第１引出電極、２２２ａ…第２励振電極、２２２ｂ…第２引出電極、３…制御回路素子、４…発熱部、４３…端子、５…パッケージ、５１…ベース、５１１…凹部、５２…リッド、５３１，５３３，５３４…内部端子、５３５…外部端子、６…外側パッケージ、６１…ベース基板、６２…キャップ、６３…リードフレーム、７…固定部材、８…回路部品、１１００…パーソナルコンピューター、１２００…携帯電話機、１３００…デジタルスチールカメラ、１５００…移動体としての自動車、１６００…測位システム、１６２０…基地局、Ｓ，Ｓ１…内部空間、Ｌ…短辺の長さ、ｔ…厚さ。

Claims (12)

1. 水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、前記Ｚ軸の周りに前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を３°以上３０°以下回転させた軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｙ’軸から前記Ｚ軸に向かう方向を正とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｚ軸および前記Ｙ’軸を３３°以上３６°以下回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸として、前記Ｘ’軸および前記Ｚ’軸を面内方向に含む水晶基板と、
   前記水晶基板の主面に配置されている励振電極と、を備え、
   前記水晶基板は、前記Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、
   前記方形の一辺の長さ、または前記短辺の長さをＬとし、前記水晶基板の前記Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、
   ２８≦Ｌ／ｔ≦６０
   の関係を満たすことを特徴とする振動片。
2. ３３≦Ｌ／ｔ≦５５
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の振動片。
3. ３５≦Ｌ／ｔ≦４５
   の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の振動片。
4. 前記主面は、第１の主面、および前記第１の主面と表裏関係の第２の主面を含み、
   前記第１の主面と前記第２の主面とを接続する側面の算術平均粗さが、前記主面の算術平均粗さより大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の振動片。
5. 前記側面には、前記Ｘ’軸または前記Ｚ’軸に沿った断面視において、前記第１の主面または前記第２の主面の一方に偏って配置されている突出部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の振動片。
6. 水晶の電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸とし、前記Ｚ軸の周りにＸ軸からＹ軸に向かう方向を正とし、前記Ｚ軸の周りに前記Ｘ軸および前記Ｙ軸を３°以上３０°以下回転させた軸をＸ’軸およびＹ’軸とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｙ’軸から前記Ｚ軸に向かう方向を正とし、前記Ｘ’軸の周りに前記Ｚ軸および前記Ｙ’軸を３３°以上３６°以下回転させた軸をＺ’軸およびＹ”軸として、
   前記Ｙ’軸を長手方向とする柱状体を切り出す工程と、
   前記柱状体から、前記Ｘ’軸と前記Ｚ’軸を面内方向に含む水晶素板を切り出す工程と、
   前記水晶素板から、前記Ｙ”軸に沿った平面視で、方形、または長辺および短辺を有する矩形をなし、前記方形の一片の長さ、または前記矩形の短辺の長さをＬとし、前記Ｙ”軸方向の厚さをｔとしたとき、２８≦Ｌ／ｔ≦６０を満たす水晶基板を切り出す工程と、
   前記水晶基板の主面に励振電極を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする振動片の製造方法。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片と、
   前記振動片を発振させる発振回路と、
   前記振動片の温度を制御する温度制御素子と、
   前記温度制御素子の動作を制御する温度制御回路と、
   を備えていることを特徴とする発振器。
8. 前記振動片は、前記温度制御素子に一つの部位で支持されていることを特徴とする請求項７に記載の発振器。
9. 少なくとも前記振動片を収容するパッケージを備え、
   前記振動片は、前記パッケージに一つの部位で支持されていることを特徴とする請求項７に記載の発振器。
10. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片を有していることを特徴とする電子機器。
11. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片を有していることを特徴とする移動体。
12. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片を有していることを特徴とする基地局。

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