JP6017350B2

JP6017350B2 - 水晶振動素子

Info

Publication number: JP6017350B2
Application number: JP2013039077A
Authority: JP
Inventors: 岩田　浩一; 浩一岩田; 康平笹岡; 雅俊湯村
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: JP2014168145A

Description

本発明は、水晶デバイスに用いられる水晶振動素子に関する。

従来より、水晶デバイスには水晶片に金属膜からなる励振電極を設けて構成された水晶振動素子が用いられている。
この水晶片は、例えば、ＡＴカットの水晶ウェハを従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いることで形成することができる。
このような水晶振動素子は、四角形に形成され主面に凸部が形成された水晶片と、この水晶片の両主面中央に設けられる楕円形状の励振電極と、この励振電極と接続され水晶片の一方の端部に設けられる引き回しパターンとから構成されている。
ここで、水晶片の主面には四角形状の凸部が設けられており、この凸部の平面中心が水晶片の平面中心に合わせて設けられている。
また、励振電極は、水晶片に設けられた凸部の平面内に設けられており、平面中心を凸部の平面中心と一致させた位置に設けられている（例えば、特許文献１参照）。
なお、凸部と励振電極とが楕円形状となる水晶振動素子も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
このような水晶振動素子は、ウェットエッチングにより凸部の側面が水晶の軸方向によって異なる傾斜角度を有した形状となる。この傾斜角度がついている部分を残差と呼んでいる。

特開２００９−１３５８３０号公報特開２０１２‐７４８６０号公報

水晶振動素子は、励振電極で振動エネルギーを最大にして、水晶片の縁付近で振動エネルギーを閉じ込めるのが理想状態となる。
しかしながら、水晶片に形成される凸部には、凸部の形成の際に生じるウェットエッチングによる残渣が形成されるので、均一な厚みが形成されず、不要な振動を発生させるものと考えられる。これにより、水晶片に楕円形状の凸部を形成した上に励振電極を形成した場合、温度変化によるＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）の変動が発生しやすくなっていた。この変動は、ＣＩディップと呼ばれ、周波数温度特性をグラフ化した場合に、所定の温度範囲においてＣＩ値変動が大きく現れた状態となる。

そこで、本発明は、安定した低いＣＩ値を得る水晶振動素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、水晶振動素子であって、平板状の水晶片と、この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、前記励振電極が、水晶片の短辺側を向く辺が曲線状に形成されつつ長辺側を向く辺が直線状に形成され、前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部が前記水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも同じ短径でかつ長い長径となって構成されることを特徴とする。

また、本発明は、水晶振動素子であって、平板状の水晶片と、この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、前記励振電極が、水晶片の短辺側を向く辺が曲線状に形成されつつ長辺側を向く辺が直線状に形成され、前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部が前記水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも短い短径でかつ長い長径となって構成されることを特徴とする。

このような水晶振動素子では、水晶片の両主面に設ける凸部の形状について、水晶片の一方の主面に設けられる凸部が、水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも同じ短径でかつ長い長径となって構成されるので、従来よりも凸部に形成されるエッチング残渣による厚みのばらつきが減少することで不要な振動の発生を防ぎ、ＣＩディップのない安定したＣＩ値温度特性を得ることができる。

このような水晶振動素子では、水晶片の両主面に設ける凸部の形状について、水晶片の一方の主面に設けられる凸部が、水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも短い短径でかつ長い長径となって構成されるので、従来よりも凸部に形成されるエッチング残渣による厚みのばらつきが減少することで不要な振動の発生を防ぎ、ＣＩディップのない安定したＣＩ値温度特性を得ることができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る水晶振動素子の一例を示す模式図であり、（ｂ）は水晶片の短辺側を誇張して示した側面図であり、（ｃ）は水晶片の長辺側を誇張して示した側面図である。本発明の実施形態に係る水晶振動素子の変形例を示す模式図である。本発明の実施形態に係る水晶振動素子のＣＩ値温度特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水晶振動素子との比較に用いた水晶振動素子を示し、（ａ）は水晶振動素子の平面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は他の水晶振動素子の平面図である。本発明の実施形態に係る水晶振動素子との比較に用いた水晶振動素子のＣＩ値温度特性の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る水晶振動素子との比較に用いた他の水晶振動素子のＣＩ値温度特性の一例を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。また、水晶片の主面という場合、水晶片に現れる平面のうち最も広い面とこの広い面と並行する面を主面とする。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１は、四角形状で凸部が設けられた水晶片１とこの水晶片１の両主面に設けられる励振電極２と、この励振電極２と接続し水晶片１の一方の端部へ引き回されている引き回しパターン３とから構成されている。
この本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１は、水晶片１の長辺の中心を通る中心線と水晶片１の短辺の中心を通る中心線との交点が水晶片１の平面中心Ｃ１であり、凸部の平面中心Ｃ２と水晶片の平面中心Ｃ１とが一致させて形成され、励振電極２の平面中心Ｃ３が水晶片１の引き回しパターン３が設けられない短辺側にずらして形成されている。

水晶片１は、例えばＡＴカットの水晶ウェハから四角形状でかつ平板状に形成されている。
なお、この水晶片１は、長辺がＸ軸と平行であり、短辺がＺ´軸と平行であり、厚みがＹ´軸方向と平行に形成されている。
また、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、この水晶片１の両主面には、凸部１ａ，１ｂが設けられている。これら凸部１ａ，１ｂの平面中心Ｃ２は、平面視における水晶片１の投影面の中心Ｃ１に一致した位置となっている。

また、水晶片１の両主面に設けられる凸部１ａ，１ｂは、楕円形状に形成されており、楕円の長径を水晶片１１の長辺と平行となり、楕円の短径を水晶片１１の短辺と平行となるように設けられる。
ここで、水晶片１の一方の主面に設けられる凸部１ｂは、水晶片１の他方の主面に設けられる凸部１ａよりも同じ短径でかつ長い長径となるように設けられる。つまり、凸部１ｂは、凸部１ａに対して長く形成された状態となる。

この水晶片１は、従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成することができる。なお、水晶片１は、側面に水晶の結晶面が形成されている。なお、水晶片１の側面に形成される残渣は省略する。
なお、水晶片１は、引き回しパターン３が設けられる端部をＸ軸の＋Ｘ方向とし、反対側の端部を−Ｘ方向としている。

このとき、図１（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向において凸部１ａは、凸部１ａの内側に入り込む傾斜角度が付いた残渣が側面に生じており、Ｚ軸方向に沿ったこの側面と反対側では、外側にはみ出る傾斜角度がついた残渣が側面生じている。
これに対し、凸部１ｂは、凸部１ａの内側に入り込む傾斜角度が付いた残渣が生じている側面と対向する位置に外側にはみ出る傾斜角度がついた残渣が側面生じており、凸部１ａの外側にはみ出る傾斜角度がついた残渣が生じている側面と対向する位置に、凸部１ｂの内側に入り込む傾斜角度が付いた残渣が側面に生じている。

このような凸部１ａと凸部１ｂとを有する本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１は、凸部１ａと凸部１ｂとに生じた残渣による厚みの異なる部分について、その厚みの異なるＺ軸方向の長さ部分を△Ｗ１としたとき、このＺ軸方向の長さ部分△Ｗ１を従来よりも小さくすることができる。
したがって、従来よりも凸部に形成されるエッチング残渣による厚みのばらつきが減少するので不要な振動の発生を防ぐことができる。これにより、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１０は、ＣＩディップのない安定したＣＩ値温度特性を得ることができる。

なお、凸部１ａと凸部１ｂとは、変形例として、図２に示すように、水晶片１の一方の主面に設けられる凸部１ｂが、水晶片１の他方の主面に設けられる凸部１ａよりも短い短径でかつ長い長径となるように設けて水晶振動素子１２を構成しても良い。つまり、凸部１ｂは、凸部１ａに対して細くかつ長く形成された状態となる。
このように構成しても従来よりも凸部に形成されるエッチング残渣による厚みのばらつきが減少するので不要な振動の発生を防ぐことができる。これにより、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１０は、ＣＩディップのない安定したＣＩ値温度特性を得ることができる。

図１（ａ）に示すように、励振電極２は、凸部１ａ，１ｂを覆うように水晶片１上に設けられている。この励振電極２は、水晶片１の短辺側を向く辺が曲線状に形成されて、水晶片１の長辺側を向く辺が直線状に形成されている。
前記凸部１ａ，１ｂを覆って設けられるこの励振電極２は、楕円形状を用いて形成しても良く、楕円形状のうち短径側を直線に形成した形状で構成しても良い。

引き回しパターン３は、水晶片１の一方の端部に設けられ、励振電極２と接続している。この引き回しパターン３は、水晶片１の主面の縁に沿って設けられている。

例えば、引き回しパターン３は、２つ一対の接続パッド３ａと引き回し配線３ｂとから構成されている。接続パッド３ａは、水晶片１の両主面の角部に並んで設けられており、１つの接続パッド３ａが一方の主面に設けられた励振電極２と引き回し配線３ｂを介して接続し、他の接続パッド３ａが他方の主面に設けられた励振電極２と引き回し配線３ｂを介して接続している。
また、引き回し配線３ｂは、水晶片１の主面の縁に沿って直線で形成されており、励振電極２から接続パッド３ａまで設けられている。

このように構成される本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１は、例えば、図３に示すようにＣＩディップが発生せず、ＣＩ値が約４０Ωから５０Ωの間に入る値となり、安定したＣＩ値温度特性を得ることができた。

これに対し、例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、水晶片１の両主面に楕円形状の凸部を設け、水晶片１の一方の主面の凸部より他方の主面の凸部の短径と長径とを大きく形成した水晶振動素子２１を検討した。
この水晶振動素子２１は、図４（ｂ）に示すように、水晶片の両主面に設けられた凸部に生じた残渣による厚みの異なる部分について、その厚みの異なるＺ軸方向の長さ部分を△Ｗ２及び△Ｗ３としたとき、このＺ軸方向の長さ部分△Ｗ２と△Ｗ３との距離は異なって対称性がなくなっており、△Ｗ２と△Ｗ３とを合わせた長さが本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１の厚みの異なるＺ軸方向の長さ部分△Ｗ１＋△Ｗ１よりも長くなっている。
この水晶振動素子２１の場合、図５に示すように、−１０℃のあたりで急激にＣＩ値が増加するＣＩディップが発生した。

また、例えば、図４（ｃ）に示すように、水晶片の両主面に楕円形状の凸部を設け、水晶片の一方の主面の凸部と他方の主面の凸部とを同一形状で形成した水晶振動素子２２を検討した。
この水晶振動素子２１の場合、図６のように、ＣＩディップは発生しなかったが、ＣＩ値が約８０Ωから１００Ωの間に入る値となった。
なお、図４、図５、図６の横軸において、「Ｔｅｍｐ（℃）」は温度を意味し、縦軸において、「ＣＩ（Ω）」はＣＩ値を意味する。

これにより、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１１は、ＣＩディップのない安定したＣＩ値温度特性を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。

１１，１２水晶振動素子
１水晶片
１ａ，１ｂ凸部
２励振電極
３引き回しパターン
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３平面中心

Claims

平板状の水晶片と、
この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、
この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、
この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、
前記励振電極が、水晶片の短辺側を向く辺が曲線状に形成されつつ長辺側を向く辺が直線状に形成され、
前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部が前記水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも同じ短径でかつ長い長径となって構成されることを特徴とする水晶振動素子。
平板状の水晶片と、
この水晶片の主面に設けられる楕円形状の凸部と、
この水晶片の両主面に設けられ前記凸部を覆う励振電極と、
この水晶片の一方の端部に設けられ、前記励振電極と接続する引き回しパターンとを備え、
前記励振電極が、水晶片の短辺側を向く辺が曲線状に形成されつつ長辺側を向く辺が直線状に形成され、
前記水晶片の一方の主面に設けられる凸部が前記水晶片の他方の主面に設けられる凸部よりも短い短径でかつ長い長径となって構成されることを特徴とする水晶振動素子。