JP2024063739A - 水晶振動片及びこれを用いた水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】周波数が２４ＭＨｚＡＴカットの水晶振動片であって、外径サイズで言って長辺寸法が約１．２ｍｍ、短辺寸法が約１．０ｍｍのパッケージに収容できる、新規な構造を有した水晶振動片を提供する。【解決手段】水晶振動片１０は、振動部１０ａと、振動部より厚みが薄い周辺部１０ｂと、当該水晶振動片の表裏各々に振動部及び周辺部の厚み差に起因して生じている段差１０ｃと、を備える。そして、水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、振動部の厚みをｔ、段差の高さｄと表したとき、Ｌｘが８４９～８５７μｍ、Ｌｚが６２５～６４５μｍ、かつ、ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲である。【選択図】図１

Description

本発明は、振動部が凸状となっているいわゆるメサ型構造の水晶振動片およびこれを用いた水晶デバイスに関するものである。

厚み滑り振動モードで振動する水晶振動片の一種として、水晶振動片の振動部を他の部分に比べて凸状にした構造のものがある。いわゆるメサ型構造の水晶振動片である。この構造によれば、そうしない場合に比べ、振動部に振動エネルギーを効率的に閉じ込めることが出来るので、水晶振動片の特性向上が図れる。
この種の水晶振動片の一例が、例えば特許文献１に開示されている。この水晶振動片は、平面視で四角形状のもので、かつ、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、振動部の表裏に設けた励振用電極と、を備えるものである。

然もこの水晶振動片は、厚み滑り振動の振動方向に沿った寸法をｘ、振動部の厚み寸法をｔ、振動部の前記振動方向に沿った寸法をＭｘ、励振用電極の前記振動方向に沿った寸法をＥｘ、前記振動方向に沿って生じる屈曲振動の波長をλとしたとき、これらｘ，ｔ，Ｍｘ、Ｅｘ及びλが所定関係とされている（特許文献１の請求項１等）。
この水晶振動片によれば、ＣＩ（クリスタルインピダンス）を低減でき、かつ、設計余裕度が高い水晶振動片を実現できるという（特許文献１の段落７等）。

特許第５４５９３５２号公報

厚み滑りモードで振動する水晶振動片は、用途によって種々の周波数、大きさのものがある。然も、水晶は繊細な物性を有するため、所望の特性が得られる水晶振動片の構造は、水晶振動片の周波数や大きさの違いによって異なることが多い。そのため、周波数や大きさが異なる水晶振動片ごとに、水晶振動片の構造の適正化が必要である。
例えば、２４ＭＨｚ付近の周波数帯用のＡＴカット水晶振動片であって、外径サイズで言って長辺寸法が約１．２ｍｍ、短辺寸法が約１．０ｍｍというような小型のパッケージに収容できる水晶振動片に対しても、実用的な電気的特性を示す構造が求められている。２４ＭＨｚ付近の周波数帯のＡＴカット水晶振動片は、携帯電話に代表される種々の通信端末装置の基準信号源として重要なためである。同様に、３２ＭＨｚ付近の周波数帯の水晶振動片に対しても、上記したような小型のパッケージに収容でき、かつ、実用的な電気的特性を示す構造が求められている。
この出願は上記の点に鑑みなされたものであり、従ってこの発明の目的は、周波数が２４ＭＨｚ、３２ＭＨｚ各々のＡＴカットの水晶振動片であって、外径サイズで言って長辺寸法が１．２ｍｍ、短辺寸法が１．０ｍｍのパッケージに収容できかつ特性に優れる、新規な構造を有した水晶振動片及びこれを用いた水晶デバイスを提供することにある。

この目的の達成を図るため、この発明によれば、発振周波数が２４ＭＨｚであり、平面形状が長方形状であるＡＴカットの水晶振動片であって、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、当該水晶振動片の表裏各々に前記振動部及び前記周辺部の厚み差に起因して生じている段差と、を備える水晶振動片において、
前記水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、前記水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、前記振動部の厚みをｔ、前記段差の高さをｄと定義したとき、
Ｌｘが８４９～８５７μｍ、
Ｌｚが６２５～６４５μｍ、より好ましくは６３０～６３８μｍ、かつ、
ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲であることを特徴とする。
なお、この発明で言う２４ＭＨｚとは、２４ＭＨｚそのものの場合は勿論、その付近の周波数、例えば各種の電子機器の基準信号源等として利用されている２４．３０５ＭＨｚ，２４．５４５ＭＨｚ、２４．５７６ＭＨｚ等の周波数も含まれる。

また、この出願の他の発明によれば、発振周波数が３２ＭＨｚであり、平面形状が長方形状であるＡＴカットの水晶振動片であって、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、当該水晶振動片の表裏各々に前記振動部及び前記周辺部の厚み差に起因して生じている段差と、を備える水晶振動片において、
前記水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、前記水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、前記振動部の厚みをｔ、前記段差の高さをｄと定義したとき、
Ｌｘが６３６～６４３μｍ、
Ｌｚが４７２～４７９μｍ、かつ、
ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲であることを特徴とする。

また、この出願の他の発明である水晶デバイスによれば、上記した周波数が２４ＭＨＺの水晶振動片、又は３２ＭＨｚの水晶振動片と、当該水晶振動片を実装する容器と、を備えることを特徴とする。
なお、この出願の発明で言う水晶デバイスとは、本発明の水晶振動片を備える水晶振動子、本発明の水晶振動片と温度センサ（例えばサーミス）とを含むいわゆる温度センサ付き水晶振動子、本発明の水晶振動片とこの水晶振動片用の発振回路とを含む水晶発振器、及び本発明の水晶振動片とこの水晶振動片用の発振回路と温度補償のための温度センサと温度補償回路とを含む温度補償型の水晶発振器等である。
この水晶デバイスの発明を実施するに当たり、前記容器は、外径サイズで言って長辺寸法が１．２ｍｍ、短辺寸法が１．０ｍｍのものとすることが好ましい。市場で要求される小型の水晶デバイスを提供できるからである。なお、長辺寸法が１．２ｍｍ、短辺寸法が１．０ｍｍという各数値は、容器の製造許容誤差の範囲、例えば各寸法に対し±０．１ｍｍの範囲である。なお、本発明の水晶振動片は、外径サイズで言って長辺寸法が１．２ｍｍ、短辺寸法が１．０ｍｍより大きい容器に実装して用いても勿論良い。

この発明の水晶振動片及び水晶デバイスによれば、２４ＭＨｚ、３２ＭＨｚの水晶振動片であって、外径サイズで言って長辺寸法が約１．２ｍｍ、短辺寸法が約１．０ｍｍというような小型のパッケージに収容できる水晶振動片において、水晶のＸ軸に沿う寸法Ｌｘ、水晶のＺ′軸に沿う寸法Ｌｚ、振動部の厚みｔ、段差の高さｄを、所定の範囲にしてあるので、周囲温度の変動に対する水晶振動片の特性変動例えばクリスタルインピダンス（ＣＩ）の変動を所望の範囲に抑制できる。従って、小型のパッケージに収容できかつ特性に優れる、新規な構造を有した水晶振動片及びこれを用いた水晶デバイスを提供できる。

実施形態の水晶振動片１０及び水晶デバイス３０の説明図である。 本発明の水晶振動片の寸法Ｌｘ，Ｌｚの好適な範囲を説明するための図である。 本発明の水晶振動片の寸法Ｌｘ，Ｌｚの好適な範囲を説明するための図２に続く図である。 本発明の水晶振動片の寸法Ｌｘ，Ｌｚの好適な範囲を説明するための図３に続く図である。 本発明の水晶振動片のｄ／ｔの好適な範囲を説明するための図である。 本発明の水晶振動片の好ましい例を説明するための図である。 本発明の水晶振動片の他の好ましい例を説明するための図である。 本発明の水晶振動片の他の好ましい例を説明するための図７に続く図である。 本発明の水晶デバイスの他の例を説明するための図である。 本発明の水晶デバイスの他の例を説明するための図９に続く図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動片および水晶デバイスの実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれらの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． ２４ＭＨｚの水晶振動片及び水晶デバイスの実施形態
１－１．構造
先ず、図１（Ａ）、（Ｂ）を参照して、発振周波数が２４ＭＨｚの実施形態の水晶振動片１０について説明する。
図１（Ａ）は、実施形態の水晶振動片１０の平面図、図１（Ｂ）は、水晶振動片１０の図１（Ａ）中のＰ－Ｐ線に沿った断面図である。図１中の座標軸Ｘ，Ｙ、Ｚ′は、各々水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ′軸に相当するものである。なお、Ｚ′とは、ＡＴカットの水晶振動片１０の切断角度に起因して水晶のＺ軸から所定角度ずれたことを意味するものである。

実施形態の水晶振動片１０は、発振周波数が２４ＭＨｚであり、平面形状が長方形状のＡＴカットの水晶振動片であって、振動部１０ａと、振動部１０ａより厚みが薄い周辺部１０ｂと、当該水晶振動片１０の表裏各々に振動部１０ａ及び周辺部１０ｂの厚み差に起因して生じている段差１０ｃと、を備える水晶振動片である。
然も、水晶振動片１０は、当該水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、前記水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、前記振動部の厚みをｔ、前記段差の高さをｄと定義したとき、
Ｌｘが８４９～８５７μｍ、
Ｌｚが６２５～６４５μｍ、より好ましくは６３０～６３８μｍ、かつ、
ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲のものである。
なお、水晶振動片の表裏の段差の高さをｄ１、ｄ２と定義したとき（図１（Ｂ）参照）、ｄ１、ｄ２は典型的には実質的に同じである。ただし、ｄ１、ｄ２は、本発明の目的を損ねない範囲で違う場合があっても良い。
また、水晶振動片１０の２つの短辺のうち水晶振動片１を収容する容器３１（図１（Ｃ）参照）に固定される側の短辺を固定側短辺１０ｄ、その反対側の短辺を先端側短辺１０ｅと定義した場合、先端側短辺１０ｅの両角部は丸みを持っていても良いし、又は、図６を用いて後述するように略直角の場合いずれでも良い。

振動部１０ａは、平面視で四角形状であり、この実施形態の場合は長方形状である。ただし、振動部１０ａは、平面形状が正方形状の場合があっても良く、場合によっては円形、楕円形であっても良い。振動部１０ａの大きさや、振動部１０ａの水晶振動片１０に対する位置は、水晶振動片１０の設計に応じて任意の設定にできるが、その一例を下方の実験結果の項において説明する。
水晶振動片１０は、その表裏各々に、励振用電極１１と、引出電極１１ａとを備えている。励振用電極１１は、この実施形態の場合、振動部１０ａの領域内に収まるように設けてあり、平面視で四角形状であり、この実施形態の場合は長方形状であるが、場合により円形や楕円形でも良い。励振用電極１１の大きさ、励振用電極１１の振動部１０ａに対する位置は、水晶振動片１０の設計に応じて任意の設定にできるが、その一例を下方の実験結果の項において説明する。
引出電極１１ａは、励振用電極１１の一部から、水晶振動片１０の固定側短辺１０ｄの側に引き出してある。励振用電極１１及び引出電極１１ａは、任意好適な金属膜で構成できる。
なお、図１において、水晶振動片１０の固定側短辺１０ｄから図面の下方側に出ている凸状部分１０ｘは、水晶振動片１０が、フォトリソグラフィイ技術によって水晶ウエハ（図示せず）に多数形成されたものであることに由来するもので、水晶ウエハから各水晶振動片１０を折り取る際に残存した部分である。凸状部分１０ｘは必須ではないが、水晶振動片１０を容器３１に導電性接着剤３３によって固定する際の接着強度向上に寄与することが出来る。

次に、主に図１（Ｃ）、（Ｄ）を参照して、実施形態の水晶デバイス３０について説明する。図１（Ｃ）は、実施形態の水晶デバイス３０の平面図、図１（Ｄ）は、水晶デバイス３０の側面図である。
実施形態の水晶デバイス３０は、容器３１と、導電性接着剤３３と、蓋部材３５と、上述した水晶振動片１０と、を備えた水晶振動子３０の例である。
容器３１は、水晶振動片１０を内包でき平面視で長方形状の凹部３１ａと、凹部３１ａの周囲を囲っている土手部３１ｂと、凹部３１ａの底面の一部に設けた接続パッド３１ｃと、容器３１の外部底面に設けた外部接続端子３１ｄと、を備えている。接続パッド３１ｃは、水晶振動片１０が接続固定されるものである。接続パッド３１ｃは、図示しないビヤ配線等によって、外部接続端子３１ｄに接続してある。この容器３１は、例えば、公知のセラミックパッケージによって構成できる。

水晶振動片１０は、容器３１の凹部３１ａ内に、実装してある。具体的には、水晶振動片１０は、固定側短辺１０ｄの側の引出電極１１ａの位置で、容器３１の接続パッド３１ｃに導電性接着剤３３によって接続固定してある。従って、水晶振動片１０は、いわゆる片持ち支持の構造で容器３１に固定してある。
容器３１の土手部３１ｂに、任意好適な封止方法によって、蓋部材３５を接続してある。この結果、水晶振動片１０は、容器３１内に気密状態で封止される。なお、容器３１の凹部３１ａ内は、減圧雰囲気、窒素又雰囲気又は不活性ガス雰囲気となっている。
なお、ここでは水晶デバイスとして水晶振動子３０の例を述べたが、図９（Ａ）に示す平面図、図９（Ｂ）に示す側面図のように、水晶振動片１０とさらに他の機能部品３９とを備える水晶デバイス３７であっても良い。具体的には、本発明の水晶振動片１０と他の機能部品３９としての温度センサ（例えばサーミス）とを含むいわゆる温度センサ付き水晶振動子であっても良い。また、他の機能部品３９が、水晶振動片１０用の発振回路となっている水晶発振器であっても良い。また、他の機能部品３９が、本発明の水晶振動片用の発振回路と温度補償のための温度センサと温度補償回路とを含むＩＣ等とされた温度補償型の水晶発振器等であっても良い。また、図９では水晶振動片１０と機能部品３９とを１つの部屋に実装した構造例を示したが、図１０に断面図で示すように、水晶振動片１０と機能部品３９とを別々の部屋に実装した構造のもの、断面で見るといわゆるＨ型構造のものでも良い。

１－２．実験及びシミュレーション
１－２－１．Ｌｘ，Ｌｚについて
次に、本発明で主張している水晶振動片１０の寸法Ｌｘ，Ｌｚや、振動部１０ａの厚みｔと段差１０ｃの高さｄとの関係等について、説明する。
この出願に係る発明者は、水晶振動片１０の水晶のＸ軸に沿う寸法Ｌｘを、８４５μｍ、８４９μｍ、８５３μｍ、８５７μｍ、８６１μｍの５つの水準とし、かつ、これら５つの水準各々に対し、水晶のＺ′軸に沿う寸法Ｌｚを、６２６μｍ、６３０μｍ、６３４μｍ、６３８μｍの４つの水準とした水晶振動片を、それぞれ試作した。ただし、Ｌｘを８４９μｍとした水準については、上記の４つのＬｚの水準に加えて、６２０～６２６μｍの間の水準と、６３９～６５４μｍの間の水準を増やして水晶振動片を試作した。

なお、これらの試作に当たり、水晶振動片１０に備わる振動部１０ａのＸ寸法は５４７μｍ、Ｚ′寸法は５１５μｍ、励振用電極１１のＸ寸法は４４９μｍ、Ｚ′寸法は４６２μｍとした。また、段差１１ｃの高さｄは、振動部の厚みｔに対し、ｄ／ｔ＝０．１となる値にした。ｄ／ｔを０．１とした理由は後述する。なお、Ｘ寸法やＺ′寸法の方向は、各々、Ｌｘ寸法、Ｌｚ寸法の方向に平行な方向である。
また、振動部１０ａ及び励振用電極１１の、水晶振動片１０に対する位置は、振動部１０ａ及び励振用電極１１各々の平面的な中心点α（図１（Ｃ）参照）が、水晶振動片１０の平面的中心点β（図１（Ｃ）参照）に対して、水晶振動片１０の先端の方向に８５μｍ偏心する位置にした。

このような条件で試作した水晶振動片を用い、水晶デバイスの一例である図１（Ｃ）に示した構造の水晶振動子３０を試作した。
次に、これら試作した水晶振動子３０の、周囲温度に対するクリスタルインピダンス（ＣＩ）の変動具合、すなわちＣＩの温度特性をそれぞれ測定した。なお、測定温度範囲は、－４０～１２５℃の範囲とし、測定温度ステップは１℃とした。
これら測定結果から、Ｌｚ寸法の好ましい範囲について検討した。図２（Ａ）は、試作した水晶振動子中の、Ｌｘ寸法が８５７μｍであり、かつ、Ｌｚ寸法が上記の４つの水準である水晶振動子各々の、室温におけるＣＩに着目して示した、ＣＩとＬｚ寸法との関係を示した図である。また、図２（Ｂ）は、Ｌｘ寸法が８５３μｍであり、かつ、Ｌｚ寸法が上記の４つの水準である水晶デバイス各々の、室温におけるＣＩとＬｚとの関係を示した図である。また、図２（Ｃ）は、Ｌｘ寸法が８４９μｍであり、かつ、Ｌｚ寸法が上記の４つの水準及び上記した追加した水準を含む広い寸法範囲の水晶振動子各々の、室温におけるＣＩとＬｚとの関係を示した図である。いずれの図も、横軸はＬｚ寸法（μｍ）、縦軸はＣＩ（Ω）として示した図である。ただし、ＣＩ値は基準のＣＩ値と比較した相対値により示してある。
水晶振動子３０のＣＩ規格の上限を、ＣＩ値の相対値で言って２とした場合、図２（Ａ）～（Ｃ）から分かるように、この規格を満たすことができるＬｚ寸法は、６２５～６４５μｍが良く、より好ましくは６３０～６３８μｍが良いことが分かる。

また、上記測定結果から、Ｌｘ寸法の好ましい範囲について検討した。図３（Ａ）～（Ｃ）及び図４（Ａ）、（Ｂ）は、試作した水晶振動子中の、Ｌｚ寸法を６３０μｍとし、かつ、Ｌｘ寸法を上記５つの水準とした水晶振動子各々の、温度とＣＩとの関係を示した図である。具体的には、図３（Ａ）はＬＸ寸法が８６１μｍである場合の上記関係図、図３（Ｂ）はＬＸ寸法が８５７μｍである場合の上記関係図、図３（Ｃ）はＬＸ寸法が８５３μｍである場合の上記関係図、図４（Ａ）はＬＸ寸法が８４９μｍである場合の上記関係図、図４（Ｂ）はＬＸ寸法が８４５μｍである場合の上記関係図である。

温度とＣＩとの関係において、水晶振動子の測定温度範囲内でのＣＩ値は小さい方が好ましく、かつ、１つの水晶振動子において測定温度範囲内のＣＩの変動は小さい方が好ましい。水晶振動子３０の測定温度範囲内のＣＩ値の上限をＣＩ値の相対値で言って２．５とし、水晶デバイス毎の－４０～１２５℃の温度範囲でＣＩの変動の許容幅をＣＩ値の相対値で言って０．１５とした場合、この規格を満たすのは、Ｌｘ寸法が８４９～８６１μｍであることが分かり、より好ましくは、Ｌｘ寸法が８４９～８５７μｍが良いことが分かる。

１－２．２．段差の高さｄと水晶振動片の厚みｔについて
有限要素法により、ｄ／ｔの好ましい範囲について解析した。解析は、図１（Ａ）に示した水晶振動片１０であって、Ｌｘ寸法を８５３μｍ、かつ、Ｌｚ寸法を６３０μｍとし、ｄ／ｔを０．０６１、０．０６７、０．０７３、０．０７９、０．０８５、０．０９１、０．０９７、１．０４、１．１、１．１６の各種水準とした、複数の解析モデルを作成し、それぞれのＣＩ（クリスタルインピダンス）を抽出することによって行った。
図５は、横軸にｄ／ｔをとり、縦軸にＣＩのある基準値に対するＣＩ値の相対値をとって、両者の関係を示した図である。図５から、段差が大きくなるにつれてＣＩは小さくなり、ｄ／ｔが０．１付近でＣＩは最低値を示すが、さらに段差を大きくすると（ｄ／ｔを大きくすると）ＣＩは増加に転じることが分かる。ｄ／ｔが０．１より大きくなるとＣＩが増加する理由は、不要振動の影響が生じてくるためと推定する。
ＣＩの規格の上限をＣＩ値の相対値で言って１００であるとした場合、図５から、ｄ／ｔは、０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１が良いことが分かる。

２．水晶振動片の先端の両角部形状
水晶振動片の先端側の角部は丸みがあっても略直角でも良いと上では述べたが、水晶振動片の平面的な大きさを確保する上では、水晶振動片の先端側の角部は略直角である方が好ましい。その説明を、図６を参照して行う。なお、図６は図１（Ａ）同様の平面図である。
水晶振動片１００の先端側短辺１０ｅと水晶振動片１００の長辺とのが成す角度をθｙ１（θｙ２）と定義したとき、θｙ１（θｙ２）は略直角が良く、具体的には８５～９０度の範囲の角度であることが好ましい。このような形状であると、そうで無い場合に比べ、ＣＩ（クリスタルインピダンス）が良化するからである。その理由は、水晶振動片１００の先端角部が略直角であると、水晶振動片１００の長辺寸法Ｌｘが実効的に長くなるため主振動のエネルギー閉じ込めに有効と考えられる。この効果は、水晶振動片が小型化されればされる程、有効になると考えられる。
なお、角度θｙ１及びθｙ２は同じ場合、異なる場合いずれであって良い。また、角度θｙ１及びθｙ２とは別の観点として、水晶振動片１００の水晶のＺ′軸に沿う寸法のうち平均的寸法をＷ０と定義し、先端側短辺１０ｅでの直線状の部分の長さをＷ１と定義したとき、Ｗ１／Ｗ０が０．９３～０．９９であることが好ましい。

２． 水晶振動片のＺ′寸法Ｌｚの検討
この出願に係る発明者の検討によれば、図７（Ａ）を参照して説明するように、水晶振動片１１０の寸法Ｌｚを、水晶のＸ軸に沿う途中位置Ｘｘから水晶振動片の固定側短辺１０ｄに向かって減少させると、そうしない場合に比べ、水晶振動片１１０の特性向上が図れることが分かった。以下、この点について説明する。図７（Ａ）はそのための水晶振動片１１０の平面図である。
水晶振動片１１０は、Ｚ′方向の寸法Ｌｚを、Ｘ軸に沿う途中位置Ｘｘから水晶振動片１１０の固定側短辺１０ｄに向かって減少させた、Ｚ′寸法の減幅部１１１を備えている。然も、Ｚ′寸法の減幅部１１１の、水晶のＸ軸方向の輪郭を見たとき、輪郭は直線であり、この直線を減幅輪郭線Ｌｇと定義したとき、減幅輪郭線Ｌｇと水晶のＺ′軸との成す角度θを、θ＝９３±２°としてある。θは水晶振動片１１０の設計に応じ適正化し得るものであり、例えば、水晶振動片１１０製造用のホトマスク寸法や、水晶振動片１１０の外形形成時のウエットエットエッチング時間等を変更することで調整できる。発明者の検討によれば、θは好ましくはθ＝９３±１°が良い。

減幅輪郭線Ｌｇは、水晶振動片１１０のＺ′方向の両端に生じている。ここで、途中位置Ｘｘをどこにするかは、水晶振動片１１０の特性改善を考慮して決めることが出来るが、この出願に係る発明者の実験によれば、途中位置Ｘｘの、固定側短辺１０ｄから水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘａと定義すると、Ｌｘａが水晶振動片１１０の長辺寸法Ｌｘに対し、Ｌｘａ／Ｌｘ＝０．３２～０．４２の範囲の値が良いことが分かっている。図７（Ａ）の場合、Ｌｘａ／Ｌｘ＝０．３７としてある。また、違う観点から見て、途中位置Ｘｘは、振動部１０ａの縁部近傍とすることも良いと考える。

図７（Ｂ）は、Ｚ′方向の減幅部１１１を持つ実施例の水晶振動子と、Ｚ′方向の減幅部１１１を持たないこと以外は実施例と同様の構造を持つ比較例の水晶振動子の、ＣＩの温度特性を併せて示した図である。図７（Ｂ）において、横軸は温度、縦軸はＣＩ値の相対値である。
図７（Ｂ）中、Ｇ１を付したグループは実施例のＣＩの温度特性であり、Ｇ２を付したグループは比較例のＣＩの温度特性である。図７（Ｂ）から、実施例の水晶振動子の方が比較例に比べ、ＣＩの絶対値は半分程度に小さく、然も、水晶振動子ごとの温度に対するＣＩ変動具合も半分以下に低減できることが分かる。
実施例の水晶振動子の方が比較例に比べ、特性が優れる理由は、次のことだと推定している。図８（Ａ）、（Ｂ）はそのための説明図であり、実施例及び比較例各々の水晶振動片であって、寸法Ｌｘと寸法Ｌｚを種々に振った水晶振動片の有限要素法解析用のモデルでのＣＩ値を用いて、Ｌｘ、Ｌｚに対するＣＩ分布を示したコンタ図である。図８（Ａ）、（Ｂ）において斜線を付した部分は、ＣＩが最も小さい領域である。

図８（Ａ），（Ｂ）において、ＣＩが最も小さい領域（斜線領域）の、本発明で主張するＬｘが８４９～８５７μｍ、かつ、Ｌｚが６２５～６４５μｍ６３６～６４３μｍの領域に対する関係を見ると、Ｚ′寸法の減幅部１１１を持つ実施例の場合（図８（Ａ））、ＣＩの最小領域が本発明で主張するＬｘ－Ｌｚ範囲に含まれることが分かる。一方、Ｚ′寸法の減幅部を持たない比較例の場合（図８（Ｂ））、ＣＩの最小領域は、本発明で主張するＬｘ－Ｌｚ範囲に含まれるものの、実施例に比べ狭く、然も、２領域に分かれていることが分かる。比較例において、ＣＩの最小領域が２領域に分かれている理由は、主振動に対し不要振動の一種である斜め伝搬屈曲振動が結合しているためである。図７（Ｂ）、図８（Ａ），（Ｂ）から、Ｚ′寸法の減幅部１１１は水晶振動子の特性改善に有効な構造であると言える。

４．３２ＭＨｚの水晶振動片の実施形態
発振周波数が３２ＭＨｚであって、外形寸法で言って長辺寸法が約１．２ｍｍ、短辺寸法が約１．０ｍｍというような小型のパッケージに収容できかつ特性に優れる、新規な構造を有した水晶振動片を見出すために、上記した２４ＭＨｚの水晶振動片の試作実験及びシミュレーションと同様に、試作実験及びシミュレーションを実施した。ただし、これらの試作に当たり、Ｌｘ寸法は６３０μｍ～６５０μｍの範囲の中の数水準とし、Ｌｚ寸法は４６５～４８５μｍの範囲の中の数水準で実施した。その際、振動部のＸ寸法は４１０μｍ、Ｚ′寸法は３８６μｍ、励振用電極１１のＸ寸法は３３７μｍ、Ｚ′寸法は３４６μｍとした。また、段差の高さｄは、振動部の厚みｔに対し、ｄ／ｔ＝０．１となる値にした。また、振動部及び励振用電極は、振動部及び励振用電極各々の平面的な中心点α（図１（Ｃ）参照）が、水晶振動片の平面的中心点β（図１（Ｃ）参照）に対して、水晶振動片の先端の方向に６４μｍ偏心した位置に配置した。

この試作実験及びシミュレーションから、発振周波数が３２ＭＨｚであり、平面形状が長方形状であるＡＴカットの水晶振動片であって、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、当該水晶振動片の表裏各々に前記振動部及び前記周辺部の厚み差に起因して生じている段差と、を備える水晶振動片において、
Ｌｘが６３６～６４３μｍ、
Ｌｚが４７２～４７９μｍ、かつ、
ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲であるのが良いことが分かった。

上述した実施形態では、振動部及び励振用電極の各々のＸ寸法、Ｚ′寸法や、振動部及び励振用電極の水晶振動片に対する位置を、それぞれの周波数について１つの例で示したが、振動部及び励振用電極の各々のＸ寸法、Ｚ′寸法や、振動部及び励振用電極の水晶振動片に対する位置は、上記例でなくても、本発明の効果を得ることができる。すなわち、振動部及び励振用電極の各々のＸ寸法、Ｚ′寸法や、振動部及び励振用電極の水晶振動片に対する位置は、本発明の目的を損ねることのない範囲で変更できる。
また、上述の実施形態では、容器として凹部を有した容器を用いた例を示したが、容器は、平板状のベースと水晶振動片を内包できるキャップ状の蓋部材とによって構成される容器であっても良い。

１０:実施形態の水晶振動片 １０ａ：振動部
１０ｂ：周辺部 １０ｃ：段差
１０ｄ：固定側短辺 １０ｅ：先端側短辺
１０ｘ：凸状部分 １０ｙ：先端の角部
１１：励振用電極 １１ａ：引出電極
３０：実施形態の水晶デバイス ３１：容器
３１ａ：凹部 ３１ｂ：土手部
３１ｃ：接着パッド ３１ｄ：外部接続端子
３３：導電性接着剤 ３５：蓋部材
３７：他の実施形態の水晶デバイス ３９：機能部品
１００：本発明の水晶振動片の好ましい例
θｙ１、θｙ２：第２の短辺と長辺との成す角度
１１０：本発明の水晶振動片の他の好ましい例
１１１：Ｚ′寸法の減幅部

Claims (9)

1. 発振周波数が２４ＭＨｚであり、平面形状が長方形状であるＡＴカットの水晶振動片であって、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、当該水晶振動片の表裏各々に前記振動部及び前記周辺部の厚み差に起因して生じている段差と、を備える水晶振動片において、
   前記水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、前記水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、前記振動部の厚みをｔ、前記段差の高さをｄと定義したとき、
   Ｌｘが８４９～８５７μｍ、
   Ｌｚが６２５～６４５μｍ、かつ、
   ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲であることを特徴とする水晶振動片。
2. 前記Ｌｚは、６３０～６３８μｍであることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片。
3. 前記水晶振動片の固定部材によって容器に接着される側とは反対の短辺である先端側短辺と、前記水晶振動片の長辺との成す角度θｙ１、θｙ２が、８５～９０度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片。
4. 前記水晶振動片の前記寸法Ｌｚが、前記Ｘ軸に沿う途中位置から当該水晶振動片の固定部材によって容器に接続される短辺である固定側短辺に向かって減少している減幅部を備えることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片。
5. 前記水晶振動片の前記寸法Ｌｚが、前記Ｘ軸に沿う途中位置から当該水晶振動片の固定部材によって容器に接続される短辺である固定側短辺に向かって減少している減幅部を備え、
   前記減幅部の前記Ｘ軸方向の輪郭を見たとき、当該輪郭は直線であり、
   この直線を減幅輪郭線Ｌｇと定義したとき、前記減幅輪郭線Ｌｇと水晶のＺ′軸との成す角度θが、θ＝９３±２°であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片。
6. 前記水晶振動片の前記寸法Ｌｚが、前記Ｘ軸に沿う途中位置から当該水晶振動片の固定部材によって容器に接続される短辺である固定側短辺に向かって減少している減幅部を備え、
   前記減幅部の前記Ｘ軸方向の輪郭を見たとき、当該輪郭は直線であり、
   この直線を減幅輪郭線Ｌｇと定義したとき、前記減幅輪郭線Ｌｇと水晶のＺ′軸との成す角度θが、θ＝９３±２°であり、
   当該水晶振動片の前記固定側短辺の近傍部分が固定部材によって容器に固定される部分であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の水晶振動片と、前記水晶振動片を内包する容器と、を備えたことを特徴とする水晶デバイス。
8. 前記容器は平面視で長方形状であり、かつ、外形寸法で言って、長辺寸法が１．２ｍｍ、短辺寸法が１．０ｍｍの容器であることを特徴とする請求項７に記載の水晶デバイス。
9. 発振周波数が３２ＭＨｚであり、平面形状が長方形状であるＡＴカットの水晶振動片であって、振動部と、この振動部より厚みが薄い周辺部と、当該水晶振動片の表裏各々に前記振動部及び前記周辺部の厚み差に起因して生じている段差と、を備える水晶振動片において、
   前記水晶振動片の水晶のＸ軸に沿う寸法をＬｘ、前記水晶振動片の水晶のＺ′軸に沿う寸法をＬｚ、前記振動部の厚みをｔ、前記段差の高さをｄと定義したとき、
   Ｌｘが６３６～６４３μｍ、
   Ｌｚが４７２～４７９μｍ、かつ、
   ｄ／ｔが０．０９４≦ｄ／ｔ≦０．１１の範囲であることを特徴とする水晶振動片。
   
   
   
   

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