JP5562787B2 - メサ型のａｔカット水晶振動片及び水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、メサ型のＡＴカット水晶振動片及びこのメサ型のＡＴカット水晶振動片を備える水晶デバイスに関する。

厚み滑り振動片の代表的なものの一つとしてＡＴカット水晶振動片が知られている。このＡＴカット水晶振動片をパッケージ内に収納した水晶デバイスは、各種の電子機器に周波数の基準源として広く採用されている。これらの水晶デバイスは小型化が進んでおり、より効率的に振動エネルギーの閉じ込め効果を得るためにＡＴカット水晶振動片の主面の外周に傾斜領域を設けるベベル加工やコンベックス加工等の曲面加工が施されている。

ベベル加工やコンベックス加工等の曲面加工は、特許文献１に開示されるように、一般にバレル研磨法と呼ばれる方法で水晶振動片の外周に傾斜領域を形成している。しかし、最近はウエハ工法によるＡＴカット水晶振動片の作製が進み、曲率加工を行うことが困難になった。そのため、メサ形状（段差形状）加工をＡＴカット水晶振動片に施し、曲率加工の代用としている。

特開２００２−１８６９８号公報

しかしメサ形状のＡＴカット水晶振動片は、振動部で発生する主振動の振動エネルギーと、振動部周囲に形成される振動外周部で発生する不要振動の振動エネルギー等とが混在した状態となり、ＡＴカット水晶振動片の特性を劣化させるという問題があった。

本発明は、振動部の大きさを適切な値にすることで不要振動の発生を抑え、特性の劣化が防がれたメサ型のＡＴカット水晶振動片を提供することを目的とする。

第１観点のメサ型のＡＴカット水晶振動片は、矩形の励振部と、励振部の外周に形成され励振部よりも厚さが薄い励振外周部とを有して３８.４００ＭＨｚで振動し、励振部の結晶軸のｘ軸方向の長さをＭｘ（ｍｍ）、励振外周部の結晶軸のｘ軸方向の長さをＧｘ（ｍｍ）とするとき、式（１）
Ｍｘ／Ｇｘ＝０．０９×ｎ−０．０６ （ｎ：自然数）・・・（１）
を満たす。

第２観点のメサ型のＡＴカット水晶振動片は、第１観点において、励振外周部の周囲を囲み且つ励振外周部を支持する外枠を有する。

第３観点の水晶デバイスは、第１観点に記載のメサ型のＡＴカット水晶振動片と、凹部が形成され凹部にメサ型のＡＴカット水晶振動片を収容するベースと、凹部を密閉するリッドと、を備える。

第４観点の水晶デバイスは、一主面と他主面とを有する第２観点に記載のメサ型のＡＴカット水晶振動片と、外枠の一主面に接合される第１面を有するリッドと、外枠の他主面に接合される第２面を有するベースと、を備える。

本発明は、振動部の大きさを適切な値にすることで不要振動の発生を抑え、特性の劣化が防がれたメサ型のＡＴカット水晶振動片を提供できる。

（ａ）は、水晶デバイス１００の斜視図である。 （ｂ）は、水晶デバイス１００の断面図である。 （ｃ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は、ＡＴカット水晶振動片３０の平面図である。 （ｂ）は、図２（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 振動周波数が３８．４００ＭＨｚにおけるＭｘ／ＧｘとＣＩ値との相関を示したグラフである。 （ａ）は、水晶デバイス２００の斜視図である。 （ｂ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 （ａ）は、リッド２１０の平面図である。 （ｂ）は、ＡＴカット水晶振動片２３０の平面図である。 （ｃ）は、ベース２２０の平面図である。

以下、本発明の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（ａ）は、水晶デバイス１００の斜視図である。水晶デバイス１００は、リッド１０、ベース２０、及びベース２０内に載置されているＡＴカット水晶振動片３０（図１（ｂ）参照）により構成されている。ＡＴカットの水晶振動片は、主面が人工水晶の結晶軸（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分傾斜している。このため、水晶デバイス１００の長辺方向をｘ軸方向、水晶デバイス１００の短辺方向をｚ’軸方向、水晶デバイス１００の上下方向をｙ’軸方向として説明する。また本明細書の説明としてｙ’軸方向の高低を、＋方向を高く−方向を低いと表現する。

ベース２０は、内側にキャビティ２４（図１（ｂ）参照）が形成されており、キャビティ２４にはＡＴカット水晶振動片３０が載置されている。また、ベース２０の底面には外部電極２１が形成されている。リッド１０は、キャビティ２４を密封するようにベース２０の＋ｙ’軸側に配置されている。リッド１０は、セラミックス、ガラス、水晶又は金属等の材料により形成される。また、ベース２０は、セラミックス、ガラス又は水晶等により形成される。

図１（ｂ）は、水晶デバイス１００の断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ又は後述する図１（ｃ）のＣ−Ｃの断面図になっている。ベース２０には凹部が形成されることによりキャビティ２４が形成される。キャビティ２４の下部には接続電極２２が形成されており、接続電極２２は、導通部（不図示）を通じて外部電極２１と電気的に接続されている。ＡＴカット水晶振動片３０には、励振部３１と励振部３１の外周に形成されている励振外周部３２とが形成されている。励振外周部３２は励振部３１よりも厚さが薄く形成されている。励振部３１の上下の主面には励振電極３３が形成されている。また励振外周部３２には引出電極３４が形成されており、この引出電極３４は励振電極３３と電気的に接続される。励振電極３３及び引出電極３４は、水晶の表面にクロム（Ｃｒ）層が形成され、クロム層の表面に金（Ａｕ）層を形成することにより作られている。また、引出電極３４は導電性接着剤４１を通して接続電極２２と電気的に接続される。そのため、励振電極３３は外部電極２１と電気的に接続される。

図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。ベース２０にはキャビティ２４に２つの接続電極２２が形成されている。一方の接続電極２２はＡＴカット水晶振動片３０の励振部３１の上面に形成されている励振電極３３と電気的に接続されており、他方の接続電極２２は励振部３１の下面に形成されている励振電極３３と電気的に接続されている。

図２（ａ）はＡＴカット水晶振動片３０の平面図である。ＡＴカット水晶振動片３０のｘ軸方向は、水晶の結晶軸のＸ軸方向に一致している。また、ＡＴカット水晶振動片３０のｚ’軸方向は、水晶の結晶軸のＸ軸方向を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜した方向と一致している。励振外周部３２のｘ軸方向の長さＧｘは例えば１．３５ｍｍであり、励振外周部３２のｚ’軸方向の長さＧｚは例えば０．８５ｍｍである。また、励振部３１のｘ軸方向の長さをＭｘ、ｚ’軸方向の長さをＭｚとする。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。ＡＴカット水晶振動片３０は、励振外周部３２の厚さをＧｙ、励振部３１の厚さをｔとして形成されている。励振部３１と励振外周部３２との段差はＡＴカット水晶振動片３０の＋ｙ’軸側の面と−ｙ’軸側の面とに形成されており、どちらの段差の高さも同じ高さに形成されている。また、励振部３１と励振外周部３２との段差の高さをｈとすると、段差の高さｈは正であり励振部３１の厚さｔは励振外周部３２の厚さＧｙよりも大きい。

＜Ｍｘ／ＧｘとＣＩ値との関係＞
ＡＴカット水晶振動片３０の最適な寸法を求めるべく実験を行ったところ、励振部３１のｘ軸方向の長さＭｘ及び励振外周部３２のｘ軸方向の長さＧｘの比Ｍｘ／Ｇｘと、不要振動が抑えられて低い値を取るＣＩ（クリスタルインピーダンス）値との間には周期的な関係があることが分かった。以下、これらの関係について説明する。

図３は、振動周波数が３８．４００ＭＨｚにおけるＭｘ／ＧｘとＣＩ値との相関を示したグラフである。図３の横軸は、励振部３１のｘ軸方向の長さＭｘと、励振外周部３２のｘ軸方向の長さＧｘとの比Ｍｘ／Ｇｘを示し、縦軸はＣＩ値（Ω）を示している。実験では複数のＡＴカット水晶振動片３０が、ＡＴカット水晶振動片３０の外形のｘ軸方向の長さＧｘを固定値とし励振部３１のｘ軸方向の長さＭｘが変えられることにより作製されている。図３では、これらのＡＴカット水晶振動片３０のＣＩ値が測定された結果が示されている。

図３に示された黒丸の各点は、ＡＴカット水晶振動片３０のＣＩ値を測定した１つの測定点を示している。これら黒点で示された測定点を３次式でフィッティングを行ったところ、図３の中に一点鎖線５０で示されるような関数になった。

図３では、一点鎖線５０は極小値と極大値とを有している。ＣＩ値の極大値、極小値は、不要振動モードである屈曲振動の影響によるものと考えられる。そして、屈曲振動はＭｘ／Ｇｘに対して周期性を持つと考えられる。したがって、ＣＩ値はＭｘ／Ｇｘに対して極大値及び極小値が周期性を持つと考えられる。図３からは、ＣＩ値がＭｘ／Ｇｘが０．７５の時（矢印Ｓ１）に極小値となり、Ｍｘ／Ｇｘが０．７０５の時（矢印Ｓ２）に極大値となることがわかる。この矢印Ｓ１と矢印Ｓ２との間隔は０．０４５であり、この値が一点鎖線５０の半周期Ｔ／２である。つまり、一点鎖線５０の周期Ｔは、０．０４５×２＝０．０９である。以上よりＣＩ値が極小値となるＭｘ／Ｇｘは、Ｍｘ／Ｇｘが０．７５となる値を含み、周期Ｔが０．０９となる以下の式（１）により表わされる。
Ｍｘ／Ｇｘ＝０．０９×ｎ−０．０６ （ｎ：自然数）・・・（１）

新たに振動周波数が３８．４００ＭＨｚであるメサ型のＡＴカット水晶振動片を設計する場合、式（１）を用いることで不要振動が抑えられて低い値を取るＣＩ値となるようにＡＴカット水晶振動片３０の最適なＭｘ／Ｇｘを求めることができる。

（第２実施形態）
ＡＴカット水晶振動片３０には外枠が形成されていても良い。以下に、外枠が形成されているＡＴカット水晶振動片を備える水晶デバイス２００について説明する。

＜水晶デバイス２００の構成＞
図４（ａ）は、水晶デバイス２００の斜視図である。水晶デバイス２００は、リッド２１０と、ＡＴカット水晶振動片２３０と、ベース２２０とにより構成されている。水晶デバイス２００は、上部にリッド２１０が配置され、下部にベース２２０が配置され、ＡＴカット水晶振動片２３０はリッド２１０とベース２２０とに挟まれた位置に配置されている。また、ベース２２０の下面には外部電極２２１が形成されている。リッド２１０及びベース２２０は、ガラス又は水晶等の材料で形成されている。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。ＡＴカット水晶振動片２３０は、励振部２３１と励振部２３１の外周に形成されている励振外周部２３２とが形成されており、また励振外周部２３２の周囲を囲むように外枠２３５が形成されている。外枠２３５は励振外周部２３２を支持している。励振部２３１の一主面と他主面とにはそれぞれ励振電極２３３が形成され、引出電極２３４は励振電極２３３から励振外周部２３２を通り外枠２３５に形成されている。ＡＴカット振動片２３０は、一対の励振電極２３３により電圧が印加されることにより所定の振動数で振動する。リッド２１０は外枠２３５の一主面とリッド２１０の−ｙ’軸側の面に形成されている第１面２１１において接合され、ベース２２０は外枠２３５の他主面とベース２２０の＋ｙ’軸側の面に形成されている第２面２２３において接合される。また、ベース２２０の＋ｙ’軸側の面には接続電極２２２が形成されており、接続電極２２２はＡＴカット水晶振動片２３０と接合される時に引出電極２３４と接続される。また、接続電極２２２は導通部（不図示）を通して外部電極２２１と電気的に接続されている。

ＡＴカット水晶振動片２３０は、励振部２３１の厚さがｔ、励振外周部２３２の厚さがＧｙになるように形成されている。励振部２３１と励振外周部２３２との段差は＋ｙ’軸側の面と−ｙ’軸側の面とに形成されており、その高さｈは正である。また、ＡＴカット水晶振動片３０と同じくＡＴカット水晶振動片２３０は人工水晶で形成されており、ＡＴカット水晶振動片２３０のｘ軸方向は、水晶の結晶軸のＸ軸方向に一致しており、また、ＡＴカット水晶振動片３０のｚ’軸方向は、水晶の結晶軸のＸ軸方向を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜した方向と一致している。

図５（ａ）は、リッド２１０の平面図である。リッド２１０は、ｘ軸方向に長軸、ｚ’軸方向に短軸がある長方形の主面を有している。また、−ｙ’軸側の面の外周部にはＡＴカット水晶振動片２３０の外枠２３５に接続されている第１面２１１が形成されており、中央部には第１面２１１に囲まれるように凹部２１２が形成されている。

図５（ｂ）は、ＡＴカット水晶振動片２３０の平面図である。ＡＴカット振動片２３０と外枠２３５とは接続腕２３６により接続されている。励振部２３１に形成されている励振電極２３３から引き出されている引出電極２３４は、励振外周部２３２及び接続腕２３６を通り、外枠２３５の角まで形成されている。引出電極２３４は、外枠２３５の角の接続点２３７においてベース２２０に形成されている接続電極２２２と接続される。接続点２３７は、図５（ｂ）で点線の楕円で示している外枠２３５の角の−ｙ’軸側の面に形成されている。ＡＴカット水晶振動片２３０の励振外周部２３４のｘ軸方向の長さＧｘは例えば１．３５ｍｍであり、ＡＴカット水晶振動片２３０の励振外周部２３４のｚ’軸方向の長さＧｚは例えば０．８５ｍｍである。また、励振部２３１のｘ軸方向の長さをＭｘ、ｚ’軸方向の長さをＭｚとする。

図５（ｃ）はベース２２０の平面図である。ベース２２０の＋ｙ’軸側の面の外周部には、ＡＴカット水晶振動片２３０の外枠２３５と接合する面である第２面２２３が形成されており、第２面２２３の内側には凹部２２５が形成されている。ベース２２０の＋ｙ’軸側の面の第２面２２３の一部にはＡＴカット水晶振動片２３０の引出電極２３４の接続点２３７に電気的に接続する接続電極２２２が形成されている。

ＡＴカット水晶振動片に外枠が形成されていても、励振外周部と外枠とは接続腕で接続されているのみであり、励振外周部で発生する不要振動の振動エネルギーを大きく変化させない。そのため、式（１）の関係はＡＴカット水晶振動片２３０にも適用することができる。

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。

１０、２１０ … リッド
２０、２２０ … ベース
２１、２２１ … 外部電極
２２、２２２ … 接続電極
２４、２２４ … キャビティ
３０、２３０ … ＡＴカット水晶振動片
３１、２３１ … 励振部
３２、２３２ … 励振外周部
３３、２３３ … 励振電極
３４、２３４ … 引出電極
４０ … 封止材
４１ … 導電性接着剤
１００、２００ … 水晶デバイス
２１１ … 第１面
２１２、２２５ … 凹部
２２３ … 第２面
２３５ … 外枠
２３６ … 接続腕
２３７ … 接続点

Claims (4)

1. 矩形の励振部と、前記励振部の外周に形成され前記励振部よりも厚さが薄い励振外周部とを有し、３８.４００ＭＨｚで振動するメサ型のＡＴカット水晶振動片において、
   前記励振部の結晶軸のｘ軸方向の長さをＭｘ（ｍｍ）、前記励振外周部の結晶軸のｘ軸方向の長さをＧｘ（ｍｍ）とするとき、
   Ｍｘ／Ｇｘ＝０．７５
   を満たすメサ型のＡＴカット水晶振動片。
2. 前記励振外周部の周囲を囲み且つ前記励振外周部を支持する外枠を有する請求項１に記載のメサ型のＡＴカット水晶振動片。
3. 請求項１に記載のメサ型のＡＴカット水晶振動片と、
   凹部が形成され前記凹部に前記メサ型のＡＴカット水晶振動片を収容するベースと、
   前記凹部を密閉するリッドと、
   を備える水晶デバイス。
4. 一主面と他主面とを有する請求項２に記載のメサ型のＡＴカット水晶振動片と、
   前記外枠の一主面に接合される第１面を有するリッドと、
   前記外枠の他主面に接合される第２面を有するベースと、
   を備える水晶デバイス。