JP6087527B2

JP6087527B2 - 音叉型水晶振動子

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Publication number: JP6087527B2
Application number: JP2012157255A
Authority: JP
Inventors: 隼人遠藤; 雅樹宮川
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP2014022802A

Description

本発明は、小型の音叉型水晶振動子に関するものである。

音叉型水晶振動子は、マウント用の電極部が設けられる基部及びこの基部から延びる一対の振動腕部を備え、この一対の振動腕部の表面に励振電極を形成して励振させることによって、所定の振動周波数を得ている。また、前記一対の振動腕部の長手方向に沿って凹状の溝部を形成し、この溝部の内側面に沿って励振電極を形成することで、電界効率の向上及び等価直列抵抗（Ｒ１）の改善を図るようにした構造の音叉型水晶振動子も知られている（特許文献１参照）。

このような音叉型水晶振動子の周波数温度特性は２次関数あるいは３次関数で表され、常用温度域において最も周波数の高くなる頂点温度が２５℃付近になるように設計される。

特開２００７−６０７２９号公報

しかしながら、水晶振動子の小型化及び薄型化が進むと、頂点温度が２５℃より低くなる傾向にある。これを改善するためには、水晶結晶体のＺ板からのＸ軸回転カット角を大きくすることで頂点温度を２５℃付近に設定することは可能であるが、カット角が６°を超えると逆に頂点温度が下がることが知られている。近年の水晶振動子の小型化および薄型化にあっては、カット角での調整には限界があり、頂点温度を２５℃付近に維持するのが難しくなっている。

そこで、本発明の目的は、小型化や薄型化に伴う電界効率の低下を防止すると共に、所望の温度近辺に頂点温度を持たせることが可能な音叉型水晶振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の音叉型水晶振動子は、基部及び該基部から延びる一対の振動腕部と、該振動腕部の長手方向に凹設された溝部と、該溝部を形成する壁部と、該壁部の表面に設けられる励振電極とを備え、前記励振電極は、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、クロム、チタン、モリブデン、タングステンのいずれかから選択、あるいは、これらの金属の積層構造からなり、ヤング率の温度特性を１次関数に近似したときの１次温度係数をＡ、ゼロ次項をＢ、室温Ｔ、テイラー展開温度Ｔ_０とした場合に、温度特性Ｅ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ−Ｔ_０）＋Ｂで表される音叉型水晶振動子であって、前記壁部の最小厚みを３〜６μｍ、且つ、Ａ≧−２０MPa/℃とした場合に、少なくとも一か所の壁部に対向する前記励振電極の厚みを該壁部の最小厚みの１／５０以下とすることを特徴とする。

本発明の音叉型水晶振動子によれば、振動腕部に溝部を設けることによって形成された壁部の厚みが６μｍ以下となった場合であっても、励振電極の厚みを前記壁部の厚みの１／５０以下にすることによって、周波数温度特性における頂点温度が低下することなく、等価抵抗値を小さくすることができる。これによって、周波数温度特性が良好な小型の水晶振動子を得ることが可能となった。

本発明の音叉型水晶振動子の斜視図である。上記音叉型水晶振動子の平面図である。上記音叉型水晶振動子のＡ−Ａ断面図である。上記音叉型水晶振動子の壁部の拡大断面図である。壁厚と頂点温度との関係を示すグラフである。壁厚と電極膜厚の比に対する頂点温度の変化を示すグラフである。壁厚、電極膜厚及び励振電極のヤング率を変化させたときの頂点温度を示す実験データである。励振電極のヤング率を考慮したときの壁厚と頂点温度との関係を示すグラフである。

図１及び図２に示すように、本発明の音叉型水晶振動子（以下、水晶振動子という）１１は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系においてカットされた水晶板を音叉型に加工して形成されている。また、前記水晶振動子では、ＸＹＺからなる三次元の直交座標系のＸ−Ｙ平面（Ｚ板）をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたＸＹ´Ｚ´の座標系の水晶板が用いられ、中心の振動周波数が３２．７６８ＫＨｚに設定されている。図３は前記水晶振動子１１のＡ−Ａ断面、図４は壁部の拡大断面を示したものである。

上記水晶振動子１１は、図示しないパッケージのマウント部に導通支持される矩形状の基部１２と、この基部１２から平行に延びる一対の振動腕部１３，１４とを備えている。また、前記振動腕部１３，１４には、前記基部１２から延びる極性の異なる励振電極１９，２０が形成されている。

前記振動腕部１３，１４は、基部１２の一端からＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に平行する一対の細長い四角柱体であり、表面側（＋Ｚ面）及び裏面側（−Ｚ面）にそれぞれのＹ軸方向に沿って溝部１５，１６が設けられる。この溝部１５，１６は、振動腕部１３，１４の＋Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向と−Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向に沿って設けられる。このような溝部１５，１６を設けたことによって、振動腕部１３，１４には表面側及び裏面側に対向する一対の壁部１７，１８が形成される。また、前記各壁部１７，１８の内側面及び溝部１５，１６の底面には、連続した励振電極１９，２０が形成される。

前記溝部１５，１６は、前記壁部１７，１８が数μｍ程度の厚みとなるように、各振動腕部１３，１４の表面側及び裏面側から凹設される。この凹設の深さｄ２は、表面側と裏面側が貫通しないように、振動腕部１３，１４の厚みｄ１の１／２未満に設定される。また、励振電極１９，２０は、前記溝部１５，１６を設けた領域全体をカバーすると共に、溝部１５，１６の凹み面に沿うように形成される。

本発明では図３に示したように、振動腕部１３，１４の幅Ｗ１が６０μｍ以下となる小型の水晶振動子１１を対象としているため、溝部１５，１６を設けることによってできる各壁部１７，１８の厚み（壁厚）ｔ１が６μｍ以下に規定される。

前記溝部１５，１６を設けることで、振動腕部１３，１４の結晶面の露出面積が広くなり、また、前記壁部１７，１８においては、６μｍ以下の近距離で極性の異なる励振電極１９，２０が対向していることから、最大限の電界効率が得られる。

図５は前記壁厚ｔ１と頂点温度Ｔｐとの関係をＦＥＭ解析したものである。これによると、壁厚ｔ１と頂点温度Ｔｐは曲線を描き、相対的に壁厚ｔ１が厚い場合、頂点温度Ｔｐの変化は小さい。逆に水晶振動子の小型化によって壁厚ｔ１が薄くなると頂点温度Ｔｐは低くなっていく傾向にある。なお、金のヤング率Ｅ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ−Ｔ_０）＋78.67702e3とし、水晶のヤング率は弾性スティフネス定数から計算した。解析タイプはモーダル解析によるものである。

図６に示すように、前記壁厚ｔ１と励振電極１９，２０の厚み（電極膜厚）ｔ２との比で見ると、壁厚ｔ１／電極膜厚ｔ２の値が５０以上のところに頂点温度Ｔｐが２５℃以上のものが分布している。このため、電極膜厚ｔ２を壁厚ｔ１の１／５０以下となるように設計することで、頂点温度Ｔｐが低くなるといった問題を解決できる。なお、Ｔｐが２５℃以上となる範囲では、水晶のＸ軸回転カット角を小さくすることで、頂点温度を調整することができる。壁厚ｔ１を薄くしたことによって、壁部１７，１８を挟んで対向する励振電極１９，２０間の距離が近くなるため、その分、電界効率が高まる。これによって、等価抵抗値（Ｒ１）は小さくなる一方で、頂点温度Ｔｐは低下してしまうこととなるが、前記電極膜厚ｔ２を変えることで、頂点温度Ｔｐの低下を抑えると同時に、Ｒ１も小さくすることができる。これによって、水晶振動子を小型化した場合であっても、良好な振動特性を得ることが可能となる。

上記水晶振動子１１の周波数温度特性は、３次温度係数γ、２次温度係数β、１次温度係数α、室温Ｔ、テイラー展開温度Ｔ_０、周波数Ｆ（ｆ）とすると、以下の近似式によって表される。
近似式Δｆ（Ｔ）／Ｆ＝γ（Ｔ−Ｔ_０）^３＋β（Ｔ−Ｔ_０）^２＋α（Ｔ−Ｔ_０）
また、このときの頂点温度（Ｔｐ）は、次式で表される。
頂点温度Ｔｐ＝（（−２β±（４β^２−１２γα）^０．５）／（６γ））＋Ｔ_０

上記近似式から励振電極１９，２０のヤング率との関係を以下に示す。
ここで、励振電極１９，２０のヤング率の温度特性を１次関数に近似したときの１次温度係数（ヤング率の温度係数）Ａ、ゼロ次項Ｂ、室温Ｔ、テイラー展開温度をＴ_０とすると、周囲温度との関係式は次式によって表される。なお、テイラー展開温度Ｔ_０＝２５℃とする。
Ｅ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ−Ｔ_０）＋Ｂ

図７は、上記関係式に基づき、壁厚ｔ１に対して電極膜厚ｔ２やＡの値を変化させた実験１〜５における測定結果を示したものであり、図８は前記測定結果をグラフで表したものである。この実験１〜５は、壁厚ｔ１を６μｍ、４μｍ、３μｍに設定した場合に、電極膜厚ｔ２を０．２〜０．０６μｍの範囲で変化させ、さらに、ヤング率の温度係数Ａを−２０MPa/℃、−１０MPa/℃、−１MPa/℃とした場合における頂点温度ＴｐについてＦＥＭ解析を行った。

実験１〜５において、頂点温度（Ｔｐ）が２５℃以上となるケースは以下の通りとなる（図７の網掛部）。
実験１：壁厚ｔ１が６μｍ、Ａ＝−２０MPa/℃の場合、電極膜厚ｔ２は０．１２μｍ以下
実験２：壁厚ｔ１が６μｍ、Ａ＝−１０MPa/℃の場合、電極膜厚ｔ２は０．２０μｍ以下
実験３：壁厚ｔ１が６μｍ、Ａ＝−１MPa/℃の場合、電極膜厚ｔ２は０．２０μｍ以下
実験４：壁厚ｔ１が４μｍ、Ａ＝−２０MPa/℃の場合、電極膜厚ｔ２は０．０８μｍ以下
実験５：壁厚ｔ１が３μｍ、Ａ＝−２０MPa/℃の場合、電極膜厚ｔ２は０．０６μｍ以下

上記の実験結果から、Ａ＝−２０MPa/℃の場合では、電極膜厚ｔ２が壁厚ｔ１の１／５０以下の厚みであれば、頂点温度Ｔｐが２５℃以上を満たすことが分かる。また、壁厚ｔ１が６〜３μｍの範囲、且つＡ＝−１０MPa/℃以上の条件であれば、電極膜厚１９，２０が０．２μｍ以下（電極膜厚ｔ２が壁厚ｔ１の１／３０以下の厚み）としても頂点温度Ｔｐが２５℃以上を満たすことが確認された。

Ａ≧−２０MPa/℃の条件を満たす励振電極１９，２０の材料としては、金、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、クロム、チタン、モリブデン、タングステンのいずれかから選択、あるいは、これらの金属の積層構造などが使用できる。また、Ａ≧−１０MPa/℃の条件を満たす励振電極１９，２０の材料としては、金合金、銀合金、銅合金、ニッケル合金、白金合金、パラジウム合金のいずれかから選択、あるいは、これらの金属と金、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、クロム、チタン、モリブデン、タングステンの積層構造などがある。

上記実験結果から、壁厚ｔ１が薄いほど、頂点温度Ｔｐに対する電極膜厚ｔ２が大きく影響していることが分かる。つまり、壁厚ｔ１に対して電極膜厚ｔ２を変えることで、頂点温度Ｔｐを最適な範囲にシフトさせることができる。また、前記振動腕部１３，１４の外側に位置している壁部１７と内側に位置している壁部１８とに形成される励振電極１９，２０は、電極膜厚ｔ２が略同じとなるように設定したが、実際に形成する際には多少のバラツキが生じる。同様に、溝内部壁面と振動腕側壁面でも電極膜厚の差が生じることがある。このような場合にあっては、最も厚みを有する励振電極が基準となる。なお、使用環境や製造上のバラツキ等を考慮して、Ｔｐは１５℃〜３５℃の範囲で設計される。

前記壁部１７，１８は、振動腕部１３，１４に溝部１５，１６を設けることによって形成されるが、この溝部１５，１６はエッチングによって形成されるため、開口側が広く、底部側が狭くなるような断面略Ｖ字状又は略Ｕ字状となる。このように、実際には壁厚ｔ１は均等ではないため、電極膜厚ｔ２を設定する際、前記壁部１７，１８の中でも溝部１５，１６の開口側に近い部分を基準として設定するのが好ましい。

本実施形態では、各振動腕部１３，１４の表面側及び裏面側に溝部１５，１６をそれぞれ設けたが、各振動腕部１３，１４の同一面に対して２本以上の溝部を平行して設けることもできる。同一面に２本以上の溝がある場合においても、腕測壁面と対抗する溝壁面との間で上記関係が成立することでＴｐを２５℃付近に設定することができる。

１１水晶振動子
１２基部
１３，１４振動腕部
１５，１６溝部
１７，１８壁部
１９，２０励振電極

Claims

基部及び該基部から延びる一対の振動腕部と、該振動腕部の長手方向に凹設された溝部と、該溝部を形成する壁部と、該壁部の表面に設けられる励振電極とを備え、
前記励振電極は、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、クロム、チタン、モリブデン、タングステンのいずれかから選択、あるいは、これらの金属の積層構造からなり、
ヤング率の温度特性を１次関数に近似したときの１次温度係数をＡ、ゼロ次項をＢ、室温Ｔ、テイラー展開温度Ｔ_０とした場合に、
温度特性Ｅ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ−Ｔ_０）＋Ｂで表される音叉型水晶振動子であって、
前記壁部の最小厚みを３〜６μｍ、且つ、Ａ≧−２０MPa/℃とした場合に、少なくとも一か所の壁部に対向する前記励振電極の厚みを該壁部の最小厚みの１／５０以下とすることを特徴とする音叉型水晶振動子。
基部及び該基部から延びる一対の振動腕部と、該振動腕部の長手方向に凹設された溝部と、該溝部を形成する壁部と、該壁部の表面に設けられる励振電極とを備え、
前記励振電極は、ヤング率の温度特性を１次関数に近似したときの１次温度係数をＡ、ゼロ次項をＢ、室温Ｔ、テイラー展開温度Ｔ_０とした場合に、
温度特性Ｅ（Ｔ）＝Ａ（Ｔ−Ｔ_０）＋Ｂで表される音叉型水晶振動子であって、
前記壁部の最小厚みを３〜６μｍ、且つ、Ａ≧−１０MPa/℃とした場合に、少なくとも一か所の壁部に対向する前記励振電極の厚みを該壁部の最小厚みの１／３０以下とすることを特徴とする音叉型水晶振動子。
前記振動腕部の長手方向に凹設された溝部が各振動腕部に複数設けられ、それぞれの溝部を形成する壁部の表面に励振電極が設けられる請求項１又は２に記載の音叉型水晶振動子。
前記励振電極は、金合金、銀合金、銅合金、ニッケル合金、白金合金、パラジウム合金のいずれかから選択、あるいは、これらの金属と金、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、クロム、チタン、モリブデン、タングステンの積層構造からなる請求項２に記載の音叉型水晶振動子。