JP5887968B2 - Ｓｃカット水晶基板、振動素子、電子デバイス、発振器、及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ダブルローテーションの水晶基板に関し、特にＳＣカット基板と、これを用いた振動素子、振動子、電子デバイス、発振器、及び電子機器に関する。

高安定水晶発振器用の水晶振動子には、プラノコンベックス状のＡＴカット水晶振動子が長らく使用されてきたが、ＳＣカット水晶振動子の発明により、これを用いた高安定水晶発振器が広く普及している。ただ、ＡＴカットが１回回転の水晶振動子であるのに対し、ＳＣカットは２回回転の水晶振動子であるので、基板の歩留まりが多少悪いという点がある。ＳＣカット水晶振動子には、主振動の厚みすべり振動（Ｃモード）の他に、Ｃモードに近接して厚み捻れ振動（Ｂモード）、及び厚み縦振動（Ａモードが）が存在する。Ａモードは主振動から離れている上にそのＣＩも大きいので、主振動のＣモードの発振周波数に影響を及ぼさない。しかし、Ｂモードは周波数が近接（Ｃモードの約９％高域側）していると共に、ＣＩも同等である。このため、高安定水晶発振器用の周波数がＢモードへジャンプするという異常発振が生ずる虞があった。

特許文献１には、短冊状のＳＣカット水晶基板に励振されるＢモードを抑圧した水晶振動子が開示されている。大きさ１．６ｍｍ×５．８ｍｍのＳＣカット水晶基板の長手方向をＸ’軸とし、Ｘ’軸からＸ’Ｚ’面内を回転させた水晶基板を製作し、そのときのＣモード、Ｂモードの夫々のＣＩを測定した。短冊状のＳＣカット水晶基板の長辺がＸ’軸方向に一致するときを回転角０度とした。水晶基板のＸ’Ｚ’面内の回転方向に応じてＣモード、Ｂモードの共振波形の大きさは変化し、Ｃモードに対してＢモードのレベルの最も大きい値は、回転角６０゜のときで＋１６ｄＢ、最も小さい値は回転角９０°のときで−１３ｄＢであった。つまり、Ｃモードに対してＢモードの共振波形の大きさが最も小さくなるのは、短冊型水晶基板の長辺がＸ’軸から９０°回転した基板であり、これは基板の長辺をＺ’軸方向に一致させた場合であると開示されている。

特許文献２には、短冊状のＳＣカット水晶基板に励振されるＣモードのＣＩに対し、ＢモードのＣＩを増大させたＳＣカット水晶振動子が開示されている。Ｘ’軸を規準とし、ＳＣカット基板をＸ’Ｚ’面内の面内回転でＸ’軸からα度回転したとき、回転角αが±９０°の範囲内では、ＣモードでのＣＩはほぼ一定である。つまり、Ｃモードは面内回転によって、ＳＣカット基板のＸ’軸の長さが変化してもＣＩは変動しない。これに対し、ＢモードのＣＩは、Ｘ’軸からの面内回転角αが８°、及びこれに±９０°加えた９８°、−８２°で、最小値となり、Ｃモードと同等となる。そして、８°に対して±４５°となる５３°及び−３７°でＣＩが最大値（ＣモードのＣＩの概ね２０倍）となり、ＢモードのＣＩは、面内回転により正弦波状に変化すると開示されている。

特開２０００−４０９３７公報 特開２０１０−２５１９５９公報

しかしながら、上記各特許文献に開示された手段を用いてＳＣカット水晶振動子を構成しても、要求される仕様、つまりＣモードのＣＩに対するＢモードのＣＩ比が客先の要求規格を満たせない虞があるという問題があった。また、ＳＣカット水晶基板のＸ’軸からＹ’’軸を中心として５３°又は−３７°回転する必要があり、基板の収率に問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、Ｃモードの変位とＢモードの変位とを分離し、基板の形状によりＢモードのレベルを抑圧したＳＣカット水晶基板を提供することにある。

本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本発明に係る水晶基板は、水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＸ軸の回りに所定の角度で回転し、該回転により得られた直交座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＺ’軸の回りに所定の角度で回転し、該回転により得られた直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）のＹ’’軸の回りに角度ηで回転して得られたＸ’’Ｚ’’面からなる主面を含み、前記角度ηが、−５°≦η≦１５°を満たしていることを特徴とする水晶基板である。

この構成によれば、矩形状のＳＣカット基板１に生じるＣモードのＺ’’軸方向の振動変位Ｚ’’、及びＢモードのＸ’’軸方向の振動変位Ｘ’’を夫々大幅に低減させることが可能になる。また、Ｃモードの振動変位Ｘ’’は、基板のＸ’’軸方向に直交する辺に直交し、Ｂモードの振動変位Ｚ’’は、基板のＺ’’軸方向に直交する辺に直交するので、ＣモードはＸ’’軸方向の寸法、ＢモードはＺ’’軸方向の寸法で制御することができるという効果がある。

［適用例２］また水晶基板は、適用例１において、振動部と、該振動部の厚みよりも薄い薄肉部と、を含むことを特徴とする水晶基板である。

振動部をこれに連接する周辺部より厚くすることにより、振動エネルギーを振動部に集中させることができ、Ｑ値の大きい（ＣＩ値の小さい）振動素子が得られるという効果がある。

［適用例３］本発明に係る振動素子は、適用例１又は２に記載の水晶基板と、前記該水晶基板の両主面に夫々配置されている各励振電極と、前記各励振電極から夫々前記振動基板の一方の端部に向かって延出している引出電極と、前記各引出電極と電気的に接続され前記振動基板の前記一方の端部側の隅部に夫々配置されている電極パッドと、を備えていることを特徴する振動素子である。

この構成によれば、振動基板にＳＣカット水晶基板を用いた振動素子は、振動基板にかかる熱変化のストレスに対し周波数変動が小さく、Ｑが高く、容量比が大きい振動素子が得られるという効果がある。

［適用例４］本発明に係る振動子は、適用例３に記載の振動素子と、前記振動素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする振動子である。

この構成によれば、ＳＣカット基板を用いた振動素子を容器内に気密封止したので、熱変化のストレスに対し周波数変化が小さく、Ｑが高く、容量比が大きい振動子が得られるという効果がある。

［適用例５］本発明に係る電子デバイスは、適用例３に記載の振動素子と、電子素子と、前記振動素子及び電子素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする電子デバイスである。

この構成によれば、本発明に係るＳＣカット振動素子を備えており、容器に収容した電子素子と組み合わせることで、客先の仕様に合わせて種々の電子デバイスを構成することができるという効果がある。

［適用例６］また電子デバイスは、適用例５において、前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、電子素子ヒーター、及び半導体素子のいずれかであることを特徴とする電子デバイスである。

この構成によれば、本発明に係るＳＣカット振動素子と上記電子素子とを組み合わせることで、温度補償された振動子、安定度の高い発振器等を構成することができるという効果がある。

［適用例７］本発明に係る発振器は、適用例４に記載の振動子と、該振動子を駆動する発振回路と、ヒーター素子と、を備えていることを特徴とする発振器である。

この構成によれば、本発明に係るＳＣカット振動子と、発振回路と、電子素子ヒーターとを備えているので、周波数安定度の極めて高い、且つ熱ストレスに対し周波数変動の少ない高安定発振器を構成することができるという効果がある。

［適用例８］本発明の電子機器は、適用例３に記載の振動素子、又は適用例４に記載の振動子を備えていることを特徴とする電子機器である。

本発明に係る振動素子、又は振動子を電子機器に用いることにより、周波数安定度の優れた周波数源が得られ、電極機器の精度を向上させるという効果がある。

（ａ）、（ｂ）は本発明に係るＳＣカット水晶基板の切り出し方法を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが０°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−５°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−９°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−１０°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−１１°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−１３°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 Ｙ’’軸回りの回転角ηが−１５°の場合の、（ａ）はＣモードの変位分を、（ｂ）はＢモードの変位分布を示す図。 ＳＣカット水晶基板を用いたメサ型振動素子の、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）はＰ−Ｐ断面図。 振動子の構造を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）は夫々電子デバイスの構造を示す断面図。 発振器の構造を示す断面図。

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。図１は、本発明の一実施形態に係るＳＣカット水晶基板１の構成を示す概略図である。図が複雑になるため、図１（ａ）と、同図（ｂ）とに分けて図示しているが、本発明のＳＣカット水晶基板１は、図１（ａ）に示すように、直交座標系（ＸＹＺ）の２回回転に続き、図１（ｂ）に示すように、直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）の１回の回転を経て得られる水晶基板である。
水晶結晶は三方晶系に属し、互いに直交する結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。Ｚ軸は、Ｚ軸の回りに１２０°毎にＸ軸、Ｙ軸の組がある３回対称軸であり、Ｘ軸は２回対称軸である。
図１（ａ）に示すように、水晶結晶の構成は、電気軸としてのＸ軸、機械軸としてのＹ軸、光学軸としてのＺ軸からなる直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いて記述される。

ＳＣカット水晶基板１は、まず直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ軸の回りに所定角度（例えば３４°）回転し、この回転により得られた新たな直交座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＺ’軸の回りに所定角度（例えば２２°）回転し、この回転により得られた直交座標系を（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）とする。厚み方向がＹ’’軸方向と平行であり、両主面がＸ’Ｚ’面（Ｘ’軸とＺ’軸とで構成する平面）と平行である矩形状の基板を切り出すと、通常のＳＣカット水晶基板が得られる。上記の２回の回転に加え、直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）のＹ’’軸の回りにη度回転させると新たな直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）が得られる。この新たな直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）において、厚み方向がＹ’’軸方向と平行であり、両主面がＸ’’Ｚ’’面（Ｘ’’軸とＺ’’軸とで構成する平面）と平行である矩形状の基板を切り出すと、本発明のＳＣカット水晶基板１が得られる。つまり、本発明のＳＣカット水晶基板１は、矩形状のＳＣカット水晶基板１の一方の対向する二辺は、Ｘ’’軸と平行であり、他方の対向する二辺は、Ｚ’’軸と平行であり、Ｙ’’軸方向が厚さ方向となる水晶基板である。

通常のＳＣカット水晶振動子には、Ｃモードと称される主振動の厚みすべり振動（Thickness−shear Mode、ＴＳ）と、Ｃモードより高周波側のＢモードと称される副振動の厚み捻れ振動（Thickness−twist Mode、ＴＴ）と、が存在する。厚みすべり振動（ＴＳ）は、振動変位が直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）のＸ’軸方向に沿って変位し、厚み捻れ振動（ＴＴ）の振動変位はＺ’軸方向に沿って変位する。即ち、ＴＳモードの変位方向とＴＴモードの変位方向とは、互いに直交している。
ＡＴカット水晶振動子では、厚みすべり振動（ＴＳ）と、厚み捻れ振動（ＴＴ）との識別は難しいが、ＭＣＦ（Monolithic Crystal Filter）では、その違いが明確になる。つまり、ＡＴカット水晶基板上に２対の励振電極を近接してＸ軸方向に沿って配置して構成したＭＣＦ１と、２対の励振電極を近接してＺ’軸方向に沿って配置して構成したＭＣＦ２と、では夫々励振される２つの共振周波数の間隔ΔＦ１と、ΔＦ２とが異なるので、ＴＳモードとＴＴモードとの違いを認識できる。

直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）のＹ’’軸の回りにη度回転させた直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）から切り出された本発明に係るＳＣカット水晶振動子１において、励起されるＣモード（ＴＳ）とＢモード（ＴＴ）とを互いに分離して制御できれば、Ｃモード（ＴＳ）に対し、Ｂモード（ＴＴ）を抑圧することが可能となる。そこで、構造解析に一般的に使用されている有限要素法を用いて、Ｙ’’軸の回りの回転角ηを変化させたＳＣカット水晶基板１の振動変位の解析を試みた。つまり、直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）のＹ’’軸方向に厚み方向を有し、Ｘ’’Ｚ’’面に平行な面を両主面すると共に、Ｘ’’軸及びＺ’’軸に夫々平行な辺を有するＳＣカット基板１についてシミュレーションを行った。ＳＣカット基板１の厚さをｔに対するＸ’’軸方向、Ｚ’’軸方向の夫々の長さＸ、Ｚの比、即ちＸ／ｔ、Ｚ／ｔを夫々１４．０１、１４．８４とした。回転角ηについては広範囲に変化させたが、以下の説明では、Ｃモード（ＴＳ）と、Ｂモード（ＴＴ）との分離に有効であると思われる回転角ηが−５°から−１５°までの、Ｃモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の変位分布を図で示す。

図２（ａ）、（ｂ）は、回転角ηが０°の場合の、Ｃモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位成分の分布（以下、変位分布と称す）である。図２（ａ）の実線Ｘ’は、Ｘ’軸方向の振動変位分布であり、太い実線Ｚ’はＺ’軸方向の振動変位分布であり、一点鎖線Ｙ’’はＹ’’軸方向の振動変位分布である。図２（ａ）の振動変位分布から、Ｃモード（ＴＳ）はＸ’軸方向の変位成分Ｘ’が当然のことながら一番大きいが、Ｚ’軸方向の変位成分Ｚ’も含んでいることが分かる。ＳＣカット水晶振動素子１は、厚み振動系のモードであるのでＹ’’軸方向の変位成分Ｙ’’は当然存在する。なお、回転角ηが０°であるため、変位分布にＸ’、Ｚ’を付したのは、直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）による。
図２（ｂ）はＢモード（ＴＴ）の振動変位分布である。実線Ｚ’はＺ’軸方向の振動変位分布であり、太い実線Ｘ’はＸ’軸方向の振動変位分布であり、一点鎖線Ｙ’’はＹ’’軸方向の振動変位分布である。図２（ｂ）の振動変位分布から、Ｂモード（ＴＴ）はＺ’軸方向の変位成分Ｚ’が一番大きいが、Ｘ’軸方向の変位成分Ｘ’も含んでいることが分かる。
そこで、Ｃモード（ＴＳ）の振動変位分布からＺ’軸方向の変位成分Ｚ’を低減し、Ｂモード（ＴＴ）の振動変位分布からＸ’軸方向の変位成分Ｘ’を低減し、且つ基板の夫々の辺（変位成分Ｚ’の場合はＺ’軸に直交する辺、変位成分Ｘ’の場合はＸ’軸に直交する辺）に対し直交できるか、シミュレーションを用いて検証した。

直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）で回転角ηが０°である場合のＳＣカット水晶基板１を基準基板ＳＣ_０とし、回転角ηの場合のＳＣカット水晶基板１をＳＣ_ηとした。ＳＣカット水晶基板ＳＣ_ηについて、Ｃモード（ＴＳ）の変位成分Ｚ’’、Ｂモード（ＴＴ）の変位成分Ｘ’’が、基準基板ＳＣ_０の変位成分に対し、夫々低減できるかシミュレーションを行った。一般的に回転方向の符号は、反時計回りを「＋」、時計回りを「−」とされている。
図３（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが時計回りに５°、つまり−５°回転した直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）から切り出された矩形状ＳＣカット水晶基板ＳＣ_−５について、シミュレーションにより求めたＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の変位分布である。図３（ａ）に示すように、Ｚ’’方向の変位成分Ｚ’’は、ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べて幾分低減されているが未だ低減の程度が不十分である。また、図３（ｂ）は、Ｂモード（ＴＴ）の変位分布であるが、Ｘ’’方向の変位成分Ｘ’’は、ＳＣ_０の変位成分Ｘ’に比べて低減されていない。

図４（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが−９°の場合のＳＣカット水晶基板ＳＣ_−９に生じるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布を、シミュレーションにより求めた図である。図４（ａ）に示すＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。また、図４（ｂ）に示すＢモード（ＴＴ）の振動変位分布の中、Ｘ’’軸方向の変位分布Ｘ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｘ’に比べて大分低減されていることが分かる。
図５（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが−１０°である場合のＳＣカット水晶基板ＳＣ_−１０に生じるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布を、シミュレーションにより求めた図である。図５（ａ）に示すＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。また、図５（ｂ）に示すＢモード（ＴＴ）の振動変位分布の中、Ｘ’’軸方向の変位成分Ｘ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｘ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。

図６（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが−１１°である場合のＳＣカット水晶基板ＳＣ_−１１に生じるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布をシミュレーションにより求めた図である。図６（ａ）に示すＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。また、図６（ｂ）に示すＢモード（ＴＴ）の振動変位分布の中、Ｘ’’軸方向の変位分布Ｘ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｘ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。
図７（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが−１３°である場合のＳＣカット水晶基板ＳＣ_−１３に生じるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布をシミュレーションにより求めた図である。図７（ａ）に示すＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べて大幅に低減されていることが分かる。また、図７（ｂ）に示すＢモード（ＴＴ）の振動変位分布の中、Ｘ’’軸方向の変位成分Ｘ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｘ’に比べて十分に低減されていることが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）は、夫々回転角ηが−１５°である場合のＳＣカット水晶基板ＳＣ_−１５に生じるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布を、シミュレーションにより求めた図である。図８（ａ）に示すＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’は、基準基板ＳＣ_０の変位分布Ｚ’に比べれば小さいが、ＳＣ_−１０に比べると大きくなってきていることが分かる。また、図８（ｂ）に示すＢモード（ＴＴ）の振動変位分布の中、Ｘ’’軸方向の変位分布Ｘ’’は、ＳＣ_０の変位分布Ｘ’に比べると幾分小さいが、ＳＣ_−１０に比べると大きくなってきていることが分かる。

以上は、直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）を、Ｙ’’軸の回りの回転角ηとして、−５°から−１５°まで回転した直交座標系（Ｘ’’，Ｙ’’，Ｚ’’）から切り出されたＳＣカット水晶基板ＳＣ_ηに励起されるＣモード（ＴＳ）、及びＢモード（ＴＴ）の振動変位分布を図示したものである。これらの振動変位分布図から、Ｙ’’軸の回りの回転角ηが、−１０°のときに、Ｃモード（ＴＳ）のＺ’’軸方向の変位分布Ｚ’’はほぼ零に近く、またＢモード（ＴＴ）のＸ’’軸方向の変位分布Ｘ’’は極めて小さくなることが、シミュレーションの結果判明した。つまり、Ｃモード（ＴＳ）は厚み方向の変位分布を除いて、Ｘ’’軸方向の変位分布Ｘ’’のみにとなり、Ｃモード（ＴＳ）はＸ’’軸方向の寸法だけで制御することが可能となる。またＢモード（ＴＴ）も厚み方向の変位分布を除いて、Ｚ’’軸方向の変位分布Ｚ’’のみとなり、Ｂモード（ＴＴ）はＺ’’軸方向の寸法だけで制御することが可能となる。即ち、ＳＣカット水晶基板ＳＣ_−１０に生じるＣモード（ＴＳ）と、Ｂモード（ＴＴ）とは、互いに直交し、且つ互いが分離することが可能となった。回転角ηが−１０°であることが最適であるが、回転角ηが−５°≦η≦１５°の範囲内ならば実用に供すことができる。

以上のようにＳＣカット基板１を構成すると、矩形状のＳＣカット基板１に生じるＣモードのＺ’’軸方向の振動変位Ｚ’’、及びＢモードのＸ’’軸方向の振動変位Ｘ’’を夫々大幅に低減させることが可能になる。また、Ｃモードの振動変位Ｘ’’は、基板のＸ’’軸方向に直交する辺に直交し、Ｂモードの振動変位Ｚ’’は、基板のＺ’’軸方向に直交する辺に直交するので、ＣモードはＸ’’軸方向の寸法、ＢモードはＺ’’軸方向の寸法で制御することができるという効果がある。

図９は本発明のＳＣカット水晶基板１（以下、振動基板１０と称す）を用いて構成した振動素子２の概略図であり、同図（ａ）は、振動素子２の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図あり、同図９（ｃ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。
本発明の振動素子２は、振動基板（ＳＣカット水晶基板１）１０と、振動基板１０の両主面に夫々対向配置された各励振電極２０と、各励振電極２０から振動基板１０の一方の端部に向かって延びる引出電極２２と、各引出電極２２と電気的に接続され振動基板１０の２つの角隅部に夫々形成された電極パッド２４と、を備えた水晶振動素子である。
振動基板１０は、最大の厚さを有した振動部１４と、振動部１４よりも薄肉であって振動部１４の全周側面の厚さ方向中間部から鍔状に突設された薄肉周縁部１２と、を有している。振動基板１０は、振動バランスの点から厚さ方向の中心線に対して対称に形成されている。換言すれば、厚さ方向の中心を通り、主面に平行な面に対して対称に形成されている。

振動部１４は、その全外周縁に薄肉周縁部１２に向かって振動部１４の厚さが階段状に漸減するように段差縁部を備えている。図９の実施形態例の振動素子１は、振動部１４の外周縁の表裏面に夫々１段の段差から成る段差縁部を有する。段差縁部は、Ｚ’’軸方向に平行に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂと、Ｘ’’軸方向に平行に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄと、を備えている。つまり、振動基板１０は、基板の中央部を両主面と直交する方向へ夫々突出させた厚肉部（段差縁部を含む）である振動部１４と、振動部１４の全周側面の厚さ方向中間部から主面方向へ突出する薄肉周縁部１２と、を有した所謂メサ構造をしている。
振動部１４は、振動基板１０の中央に位置した主たる振動領域であり、振動部１４より薄肉で振動部１４の全周側面に形成された薄肉周縁部１２は、従たる振動領域である。つまり、振動領域は、振動部１４と、薄肉周縁部１２の一部に跨っている。

励振電極２０は、図９に示す実施形態例では振動部１４の全領域と薄肉周縁部１２の一部に形成されている。励振電極２０、引出電極２２、及び電極パッド２４は、振動基板１０の両面にスパッタ法、又は真空蒸着法を用いてクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）等の金属膜をこの順に成膜する。成膜した金属薄膜にフォトリソグラフィ技法により、所定の形状の励振電極２０、引出電極２２、及び電極パッド２４を形成して振動素子２を構成する。各励振電極２０に交番電圧を印加すると、振動素子２は固有（主振動は厚みすべり）の振動周波数で励振される。

図９に示す実施形態例では、振動基板１０はＹ’’軸方向を厚み方向として、Ｚ’’軸方向を長辺とし、Ｘ’’軸方向を短辺とする矩形の形状を有する。ここで、長辺、短辺の夫々の長さをＺ、Ｘとする。振動基板１０は、略中央部に位置する厚肉の振動部１４と、振動部１４の全周側面の中央部から鍔状に突設された薄肉周縁部１２と、を有している。

図９の実施形態に示すように振動部１４は、その全周側面の中央部を薄肉周縁部１２に囲まれており、薄肉周縁部１２のＹ’’軸方向の厚さｔ’よりも厚い厚さｔを有する。即ち、振動部１４は、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、薄肉周縁部１２に対してＹ’’軸方向に突出している。図９の例では、振動部１４は薄肉周縁部１２に対して、＋Ｙ’’軸側と、−Ｙ’’軸側とに突出している。振動部１４は、例えば対称の中心となる点（図示せず）を有し、この中心点に関して点対称となる形状を有することができる。
振動部１４は、図９に示すように、振動部１４は、Ｚ’’軸に平行な長さＭｚを長辺、Ｘ’’軸に平行な長さＭｘを短辺とする矩形の形状を有する。図９の振動基板１０は、１段のメサ型基板の例である。
このように構成したため、振動部１４は、Ｚ’’軸方向に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂと、Ｘ’’軸方向に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄと、を有した構造となっている。図９の実施形態例では、段差縁部１４ａ、１４ｂのうち、段差縁部１４ａが＋Ｘ’’軸側の段差縁部であり、段差縁部１４ｂが−Ｘ’’軸側の段差縁部である。また、段差縁部１４ｃ、１４ｄのうち、段差縁部１４ｃが−Ｚ’’軸側の段差縁部であり、段差縁部１４ｄが＋Ｚ’’軸側の段差縁部である。

Ｘ’’軸方向に延びる段差縁部１４ｄは、図９（ｂ）に示すように、薄肉周縁部１２に対して、＋Ｙ’’軸側と−Ｙ’’軸側とに夫々突出して形成されている。このことは段差縁部１４ａ、１４ｂ、１４ｃについても同様である。
振動部１４の段差縁部１４ｃ、１４ｄの段差は、振動部１４、及び薄肉周縁部１２の各厚みの差によって形成され、振動部１４のＸ’’Ｚ’’平面に平行な面と、振動部１４のＸ’’Ｙ’’面に平行な面と、薄肉周縁部１２のＸ’’Ｚ’’平面に平行な面と、によって構成される。同様に、段差縁部１４ａ、１４ｂの段差は、振動部１４のＸ’’Ｚ’’平面に平行な面と、振動部１４のＹ’’Ｚ’’面に平行な面と、薄肉周縁部１２のＸ’’Ｚ’’平面に平行な面と、によって構成される。
このように図９の振動素子２は、１段型のメサ構造を有していると言える。振動部１４は、厚みすべり振動を主振動として振動することができる。このように、振動部１４が、１段型メサ構造を有していることにより、厚みすべり振動が励振されると、振動エネルギーが振動部１４に閉じ込められて、所謂閉じ込め効果を有することができる。

以上では、Ｚ’’軸方向を長辺、Ｘ’’軸方向を短辺とした平面形状が矩形状の振動基板（ＳＣカット水晶基板１）１０について説明したが、Ｘ’’軸方向を長辺、Ｚ’’軸方向を短辺とした矩形状の振動基板１０を用いてもよい。また、図９ではＸ’’軸方向に１段、Ｚ’’軸方向に１段のメサ型振動基板１０について説明したが、ｉ、ｊを正の整数として、Ｘ’’軸方向にｉ段、Ｚ’’軸方向にｊ段のメサ型振動基板１０を用いてもよい。また、励振電極２０の大きさ（形状寸法）は、振動部１４にのみ限定してもよいし、薄肉周縁部１２に跨ってもよい。

以上のように、振動基板１０にＳＣカット水晶基板１を用いて構成した振動素子２は、振動基板１０にかかる熱変化のストレスに対し周波数変動が小さく、Ｑが高く、容量比が大きい振動素子が得られるという効果がある。
なお、図９に示す実施形態例の振動素子２では、片側２点支持の例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、対角２点、又は３点支持、４点支持であってもよい。また一方の電極パッドを１点支持し、他方の電極パッドはボンディングワイヤーを用いて電気的に接続するようにしてもよい。

次に、本実施形態に係る水晶振動子について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態に係る振動子３を模式的に示す断面図である。振動子３は、本発明に係る振動素子２と、容器５０と、備えている。容器５０は、キャビティー５２内に振動素子２を収容することができる。容器５０の材質としては、例えば、セラミック、ガラス等が挙げられる。キャビティー５２は、振動素子２が動作するための空間となる。キャビティー５２は密閉され、減圧空間や不活性ガス雰囲気とされる。

振動素子２は、容器５０のキャビティー５２内に収容されている。キャビティー５２の内底面の端部に複数の素子搭載用パッド５５ａが設けられ、各素子搭載用パッド５５ａは内部導体５７により複数の実装端子５３と導通接続されている。素子搭載用パッド５５ａに振動素子２を載置し、各電極パッド２４と各素子搭載用パッド５５ａとを導電性接着剤６０を介して電気的に接続し、固定する。図示の例では、振動素子２は、振動基板１０の端部に形成された電極パッド２４の２点に塗布した導電性接着剤６０により、片持ち梁状にキャビティー５２内に固定されている。導電性接着剤６０としては、例えば、半田、銀ペースト等を用いることができる。容器本体５０ａの上部には、シールリング５０ｂが焼成されており、このシールリング５０ｂに蓋部材５０ｃを載置し、抵抗溶接機を用いて溶接し、キャビティー５２を気密封止する。キャビティー５２内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。

以上のように、ＳＣカット基板を用いた振動素子２を容器内に気密封止したので、熱変化のストレスに対し周波数変化が小さく、Ｑが高く、容量比が大きい振動子が得られるという効果がある。

次に、本実施形態に係る電子デバイスについて、図面を参照しながら説明する。
図１１（ａ）は、本発明の電子デバイス４に係る実施形態の一例の断面図である。電子デバイス４は、本発明の振動素子２と、感温素子であるサーミスタ５８と、振動素子２、及びサーミスタ５８を収容する容器５０と、を概略備えている。容器５０は、容器本体５０ａと、蓋部材５０ｃとを備えている。容器本体５０ａは、内部に振動素子２を収容するキャビティー５２が形成され、下面側にサーミスタ５８を収容する凹部５４ａが形成されている。キャビティー５２の内底面の端部に複数の素子搭載用パッド５５ａが設けられ、各素子搭載用パッド５５ａは内部導体５７で複数の実装端子５３と導通接続されている。素子搭載用パッド５５ａに振動素子２を載置し、各電極パッド２４と各素子搭載用パッド５５ａとを、導電性接着剤６０を介して電気的に接続し、固定する。容器本体５０ａの上部には、シールリング５０ｂが焼成されており、このシールリング５０ｂに蓋部材５０ｃを載置し、抵抗溶接機を用いて溶接し、キャビティー５２を気密封止する。キャビティー５２内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。
一方、容器本体５０ａの下面側略中央には凹部５４ａが形成され、凹部５４ａの上面には電子部品搭載用パッド５５ｂが焼成されている。サーミスタ５８は、電子部品搭載用パッド５５ｂに半田等を用いて搭載される。電子部品搭載用パッド５５ｂは、内部導体５７で複数の実装端子５３と導通接続されている。

図１１（ｂ）は、同図（ａ）の変形例の電子デバイス５であって、電子デバイス４と異なる点は、容器本体５０ａのキャビティー５２底面に凹部５４ｂが形成され、この凹部５４ｂの底面に焼成された電子部品搭載パッド５５ｂに、金属バンプ等を介してサーミスタ５８が接続されている所である。電子部品搭載パッド５５ｂは実装端子５３と導通されている。つまり、振動素子２と、感温素子のサーミスタ５８とが、キャビティー５２内に収容され、気密封止されている。
以上では、振動素子１と、サーミスタ５８とを容器５０に収容した例を説明したが、容器５０に収容する電子部品としては、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、電子素子ヒーター、半導体素子のうち少なくとも一つを収容した電子デバイスを構成することが望ましい。

以上のように、この構成によれば、本発明に係るＳＣカット振動素子を備えており、容器に収容した電子素子と組み合わせることで、客先の仕様に合わせて種々の電子デバイスを構成することができるという効果がある。また、ＳＣカット振動素子と、上記電子素子組み合わせることで、温度補償された振動子、安定度の高い発振器等を構成することができるという効果がある。

図１２は、本発明の発振器６に係る実施形態の一例の断面図である。発振器６は、本発明の振動素子２と、単層の絶縁基板７０と、振動素子２を駆動するＩＣ（半導体素子）８８と、振動素子１及びＩＣ８８を含む絶縁基板７０の表面空間を気密封止する凸状の蓋部材８０と、を概略備えている。絶縁基板７０は、表面に振動素子１及びＩＣ８８を搭載するための複数の素子搭載パッド７４ａ、電子部品搭載パッド７４ｂを有すると共に、裏面に外部回路との接続用の実装端子７６を備えている。素子搭載パッド７４ａ及び電子部品搭載パッド７４ｂと実装端子７６とは、絶縁基板７０を貫通する導体７８により導通されている。更に、絶縁基板７０表面に形成された導体配線（図示せず）により、素子搭載パッド７４ａと電子部品搭載パッド７４ｂとは導通が図られている。金属バンプ等を用いてＩＣ８８を電子部品搭載パッド７４ｂに搭載した後、素子搭載パッド７４ａに導電性接着剤６０を塗布し、その上に水晶振動素子２の電極パッド２４を載置し、恒温槽内で硬化させて導通・固定を図る。凸状の蓋部材８０は絶縁基板の周縁部に形成したメタライズ８５を溶融させることにより気密封止される。このとき、封止工程を真空中で行うことにより内部を真空にすることができる。また、封止の手段としては蓋部材８０を、レーザー光等を用いて溶融して溶着する手段ももちいられている。蓋部材８０で封止された内部空間は真空であってもよいし、不活性ガスを満たしてもよい。
上記の説明では、振動素子２を用いて水晶発振器を構成した実施形態例を説明したが、図１０に示す振動子３と半導体素子（ＩＣ）８８と、電子素子ヒーターと、を用いて発振器を構成してもよい。
以上のように、本発明に係るＳＣカット振動子と、発振回路と、電子素子ヒーターとを備えているので、周波数安定度の極めて高い、且つ熱ストレスに対し周波数変動の少ない高安定発振器を構成することができるという効果がある。

１…ＳＣカット水晶基板、２…振動素子、３…振動子、４，５…電子デバイス、６…発振器、１０…振動基板（ＳＣカット水晶基板）、１２…薄肉周縁部、１４…振動部、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…段差縁部、２０…励振電極、２２…引出電極、２４…電極パッド、２６…支持領域、５０…容器、５０ａ…容器本体、５０ｂ…シールリング、５０ｃ…蓋部材、５２…キャビティー、５３…実装端子、５４ａ…凹部、５５ａ…素子搭載用パッド、５５ｂ…電子部品搭載用パッド、５７…内部導体、５８…サーミスタ、６０…電性接着剤、７０…絶縁基板、７４ａ…素子搭載パッド、７４ｂ…電子部品搭載パッド、７６…実装端子、７８…導体、８０…蓋部材、８５…メタライズ、８８…ＩＣ、Ｚ…振動基板のＺ’’軸方向の長さ、Ｍｚ…振動部のＸ軸方向の長さ、Ｍｚ…振動部のＺ’’軸方向の長さ、Ｅｚ…励振電極のＺ’’軸方向の長さ、ｔ…振動部の厚さ、ｔ’ … 薄肉周縁部の厚さ

Claims (8)

1. 水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＸ軸の回りに所定の角度で回転し、該回転により得られた直交座標系（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）のＺ’軸の回りに所定の角度で回転し、該回転により得られた直交座標系（Ｘ’，Ｙ’’，Ｚ’）のＹ’’軸の回りに角度ηで回転して得られたＸ’’Ｚ’’面からなる主面を含み、
   前記角度ηが、−５°≦η≦−１５°、
   を満たしていることを特徴とするＳＣカット水晶基板。
2. 振動部と、該振動部の厚みよりも薄い薄肉部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のＳＣカット水晶基板。
3. 請求項１又は２に記載のＳＣカット水晶基板と、
   前記ＳＣカット水晶基板の両主面に夫々配置されている各励振電極と、
   前記各励振電極から夫々前記ＳＣカット水晶基板の一方の端部に向かって延出している引出電極と、
   前記各引出電極と電気的に接続され前記ＳＣカット水晶基板の前記一方の端部側の隅部に夫々配置されている電極パッドと、
   を備えていることを特徴する振動素子。
4. 請求項３に記載の振動素子と、
   電子素子と、
   前記振動素子及び前記電子素子が収容されている容器と、
   を備えていることを特徴とする電子デバイス。
5. 前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、電子素子ヒーター、及び半導体素子のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の電子デバイス。
6. 請求項３に記載の振動素子と、
   サーミスタと、
   前記振動素子及び前記サーミスタが収容されている容器と、を備え、
   前記容器の底面には凹部が設けられており、
   前記サーミスタは、前記凹部に配置されていることを特徴とする電子デバイス。
7. 請求項３に記載の振動素子と、
   前記振動素子が収容されている容器と、
   前記振動子を駆動する発振回路と、
   ヒーター素子と、
   を備えていることを特徴とする発振器。
8. 請求項３に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。

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