JP6090686B1 - 水晶片及び水晶振動子 - Google Patents

Abstract

本発明に係る水晶片は、主面の長辺が水晶片のＺ'軸と実質的に平行であり、主面の短辺が水晶片のＸ軸と実質的に平行であり、水晶片の主振動の周波数が、２４．５ＭＨｚ以上２８．５ＭＨｚ以下であり、水晶片が、主面の中央を含む第１の領域と、長辺が延在する長辺方向の両側において第１の領域に隣接する第２の領域及び第３の領域と、短辺が延在する短辺方向の両側において第１の領域に隣接する第４の領域及び第５の領域を含んでおり、第１の領域の厚みが実質的に均一であり、第２の領域の厚み及び第３の領域の厚みが第１の領域の厚みよりも小さく、及び／又は、第４の領域の厚み及び第５の領域の厚みが第１の領域の厚みよりも小さく、短辺の長さがＷであり、厚さがＴである場合に、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４が成立していること、を特徴とする。

Description

本発明は、ＡＴカット型の水晶片及び水晶振動子に関する。

近年、水晶振動子の小型化が求められる中で、水晶片を小型にする必要がある。ただし、水晶片が小型化されると、副振動の影響がより顕著に現れたり、振動漏れの影響が現れたりして、直列抵抗値が大きくなりやすい。直列抵抗値を低減することを目的とする従来の水晶片に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の水晶振動板が知られている。該水晶振動板では、水晶振動板の端部に面取り加工（べベル加工）が施されている。これにより、励振電極下に振動エネルギーが閉じ込められて、良好な直列抵抗値が得られるようになる。

以上のように、水晶片では、良好な直列抵抗値を得るために種々の工夫がなされている。

特開２０１３−３４１７６号公報

そこで、本発明の目的は、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低減できる水晶片及び水晶振動子を提供することである。

本発明の一形態に係る水晶片は、板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているＡＴカット型の水晶片であって、前記主面の長辺が前記水晶片のＺ'軸と実質的に平行であり、前記主面の短辺が前記水晶片のＸ軸と実質的に平行であり、前記水晶片の主振動の周波数が、２４．５ＭＨｚ以上２８．５ＭＨｚ以下であり、前記水晶片が、前記主面の法線方向から見たときに該主面の中央を含む第１の領域と、前記長辺が延在する長辺方向の両側において該第１の領域に隣接する第２の領域及び第３の領域と、前記短辺が延在する短辺方向の両側において該第１の領域に隣接する第４の領域及び第５の領域とを含んでおり、前記第１の領域の厚さが実質的に均一であり、前記第２の領域の厚さ及び前記第３の領域の厚さが前記第１の領域の厚さよりも小さく、及び／又は、前記第４の領域の厚さ及び前記第５の領域の厚さが該第１の領域の厚さよりも小さく、前記第１の領域、前記第４の領域及び前記第５の領域の短辺方向の長さがＷであり、前記第１の領域の厚さがＴである場合に、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４が成立していること、を特徴とする。

本発明は、前記水晶片を備えた水晶振動子にも向けられている。

本発明によれば、ＣＩ値を低減できる。

水晶振動子１０の外観斜視図である。 水晶振動子１０の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａにおける断面構造図である。 図２のＢ−Ｂにおける断面構造図である。 図２のＣ−Ｃにおける断面構造図である。 水晶片１７を上側から見た図である。 領域Ａ１の拡大図である。 主振動の周波数が２４．５ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。 主振動の周波数が２５．０ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。 主振動の周波数が２８．５ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。 第１のサンプルないし第４のサンプルの実験結果を示したグラフである。 第５のサンプルないし第８のサンプルの実験結果を示したグラフである。 第９のサンプルないし第１１のサンプルの実験結果を示したグラフである。 第１２のサンプルないし第１７のサンプルの実験結果を示したグラフである。 第１８のサンプルないし第２１のサンプルの実験結果を示したグラフである。 第２２のサンプルないし第２５のサンプルの実験結果を示したグラフである。 変形例に係る水晶振動子１０ａの断面構造図である。 水晶発振器３００の断面構造図である。 その他の実施形態に係る水晶片１７ａの断面構造図である。 その他の実施形態に係る水晶片１７ｂの断面構造図である。

（水晶振動子の構造）
以下に、本発明の電子部品の一実施形態に係る水晶片を備えた水晶振動子について図面を参照しながら説明する。図１は、水晶振動子１０の外観斜視図である。図２は、水晶振動子１０の分解斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａにおける断面構造図である。

以下では、水晶振動子１０の主面に対する法線方向を上下方向と定義し、上側から見たときに、水晶振動子１０の長辺が延在する方向を長辺方向と定義し、水晶振動子１０の短辺が延在する方向を短辺方向と定義する。また、以下では、水晶片１７のＡＴカットの軸方向を基準として各構成を説明することもある。

水晶振動子１０は、図１ないし図３に示すように、基板１２、金属キャップ１４、水晶振動片１６及び接着剤５０を備えている。水晶振動子１０の短辺の幅が１．６ｍｍであり、水晶振動子１０の長辺の長さが２．０ｍｍである。

基板１２（回路基板の一例）は、基板本体２１、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８を含んでいる。

基板本体２１は、板状をなしており、上側から見たときに、矩形状をなしている。基板本体２１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス系絶縁性材料、水晶、ガラス、シリコン等により作製されている。基板本体２１は、上下に２つの主面を有している。基板本体２１の上側の主面（＋Ｙ’側の主面）を表面と呼び、基板本体２１の下側の主面（−Ｙ’側の主面）を裏面と呼ぶ。

また、基板本体２１の４つの角は、上側から見たときに、中心角が９０度の扇形状に切り欠かれることにより欠損している。ただし、説明の簡略のために、角が切り欠かれて形成された円弧状の部分を角と呼ぶこととする。

外部電極２２，２６は、基板本体２１の表面において、長辺方向の一方端側で短辺方向に並んで設けられている。具体的には、外部電極２２は、基板本体２１の表面の−Ｚ’及び＋Ｘ側の角近傍に設けられている矩形状の導体層である。外部電極２６は、基板本体２１の表面の−Ｚ’及び−Ｘ側の角近傍に設けられている矩形状の導体層である。

外部電極４０，４２，４４，４６は、基板本体２１の裏面の各角近傍に設けられている。外部電極４０は、基板本体２１の裏面の−Ｚ’及び−Ｘ側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４０は、基板本体２１の裏面の−Ｚ’及び−Ｘ側の角に接している。外部電極４２は、基板本体２１の裏面の−Ｚ’及び＋Ｘ側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４２は、基板本体２１の裏面の−Ｚ’及び＋Ｘ側の角に接している。外部電極４４は、基板本体２１の裏面の＋Ｚ’及び−Ｘ側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４４は、基板本体２１の裏面の＋Ｚ’及び−Ｘ側の角に接している。外部電極４６は、基板本体２１の裏面の＋Ｚ’及び＋Ｘ側の角近傍に設けられている正方形状の導体層である。外部電極４６は、基板本体２１の裏面の＋Ｚ’及び＋Ｘ側の角に接している。

配線２４は、基板本体２１の表面に設けられ、外部電極２２から＋Ｚ’側に向かって延在している直線状の導体層である。配線２４の＋Ｚ’側の端部は、基板本体２１の表面の＋Ｚ’及び＋Ｘ側の角に接している。ビア導体２５は、基板本体２１の＋Ｚ’及び＋Ｘ側の角が切り欠かれて形成された曲面を覆うように形成されており、配線２４の＋Ｚ’側の端部と外部電極４６とを接続している。配線２７は、外部電極２６から−Ｚ’及び−Ｘ側に向かって延在している帯状の導体層である。配線２７の−Ｚ’及び−Ｘ端は、基板本体２１の表面の−Ｚ’及び−Ｘ側の角に接している。ビア導体２８は、基板本体２１の−Ｚ’及び−Ｘ側の角が切り欠かれて形成された曲面を覆うように形成されており、配線２７の−Ｚ’及び−Ｘ側の端部と外部電極４０とを接続している。

配線４９は、基板本体２１の裏面に設けられており、外部電極４２と外部電極４４とを接続している。

外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８は、３層構造をなしており、具体的には、下層側から上層側へとモリブデン層、ニッケル層及び金層が積層されることにより構成されている。

水晶振動片１６は、水晶片１７、外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３を含んでいる。水晶片１７は、板状をなしており、上側から見たときに、矩形状をなしている。水晶片１７の上側の主面を表面と呼び、水晶片１７の下側の主面を裏面と呼ぶ。

水晶片１７は、例えば、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたＡＴカット型の水晶片である。ＡＴカットの水晶片１７は、人工水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸をそれぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定される面と平行な面を主面として切り出されたものである。図２に示すように、水晶片１７の表面及び裏面の長辺は、水晶片１７のＺ’軸と実質的に平行である。水晶片１７の表面及び裏面の短辺は、水晶片１７のＸ軸と実質的に平行である。水晶片１７の表面又は裏面に垂直な方向の厚さは、水晶片１７のＹ’軸と実質的に平行である。実質的に平行とは、Ｚ’軸、Ｘ軸に対し、およそ±１度の範囲内のものをいう。ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で極めて高い周波数安定性を有し、また、経時変化特性にも優れて製造することが可能である。また、ＡＴカット水晶振動素子は、主要振動として厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｈｅａｒ Ｍｏｄｅ）を含む。なお、水晶片１７には、べベル加工が施されているが、詳細については後述する。また、図２，３では、べベル加工が施されている点については表現されていない。

水晶振動子のサイズは、長辺方向の長さが２．０ｍｍ、短辺方向の幅が１．６ｍｍの範囲に収めるため、パッケージの壁厚さ、封止材のにじみ、素子のマウント精度等を考慮して、水晶片１７のサイズは、長辺方向の長さが１．５ｍｍ以下となり、水晶片１７の短辺方向の幅が１.０ｍｍ以下となるように水晶片１７が設計される。

外部電極９７は、水晶片１７の−Ｚ’及び＋Ｘ側の角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極９７は、水晶片１７の表面から裏面に跨って形成されており、水晶片１７の＋Ｘ側及び−Ｚ’側の各側面にも形成されている。外部電極９８は、水晶片１７の裏面の−Ｚ’及び−Ｘ側の角及びその近傍に設けられている導体層である。外部電極９７は、水晶片１７の表面から裏面に跨って形成されており、水晶片１７の−Ｘ側及び−Ｚ’側の各側面にも形成されている。これにより、外部電極９７，９８は、水晶片１７の短辺に沿って並んでいる。

励振電極１００は、水晶片１７の表面の中央に設けられており、上側から見たときに矩形状をなしている。励振電極１０１は、水晶片１７の裏面の中央に設けられており、上側から見たときに矩形状をなしている。励振電極１００と励振電極１０１とは、上側から見たときに、一致した状態で重なっている。

引き出し導体１０２は、水晶片１７の表面に設けられており、外部電極９７と励振電極１００とを接続している。引き出し導体１０３は、水晶片１７の裏面に設けられており、外部電極９８と励振電極１０１とを接続している。外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３は、例えば、クロムの下地層上に金が積層されることにより作製される。

水晶振動片１６は、基板１２の表面に実装される。具体的には、外部電極２２と外部電極９７とが導電性接着剤２１０により電気的に接続された状態で固定され、外部電極２６と外部電極９８とが導電性接着剤２１２により電気的に接続された状態で固定される。

金属キャップ１４は、矩形状の開口を有する筺体であり、例えば、鉄ニッケル合金又はコバルトニッケル合金の母材にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。本実施形態では、金属キャップ１４は、下側が開口した直方体状の箱であり、鉄ニッケル合金の母材に表面にニッケルめっき及び金めっきが施されることにより作製されている。

接着剤５０は、矩形状の枠状をなしており、金属キャップ１４の開口の外縁と一致する形状をなしている。接着剤５０は、例えば、低融点ガラス、樹脂又は金属を原料とし、金属キャップ１４を基板１２に固定する。これにより、基板本体２１の表面及び金属キャップ１４により、密閉空間Ｓｐが形成されている。よって、水晶振動片１６は、金属キャップ１４に覆われて密閉空間Ｓｐ内に収容されている。また、密閉空間Ｓｐは、金属キャップ１４が接着剤５０を介して基板本体２１に密着することによって、真空状態に保たれている。ただし、大気状態でもよい。

（水晶片の詳細について）
以下に、水晶片１７の詳細について図面を参照しながら説明する。図４は、図２のＢ−Ｂにおける断面構造図である。図５は、図２のＣ−Ｃにおける断面構造図である。図６は、水晶片１７を上側から見た図である。図７は、領域Ａ１の拡大図である。

本実施形態に係る水晶片１７は、ＣＩ値を低減するために、以下に説明する条件を満足している。

条件１：水晶片１７の主振動の周波数が２４．５ＭＨｚ以上２８.５ＭＨｚ以下である。
条件２：水晶片１７の表面及び裏面の長辺が水晶片１７のＺ'軸と実質的に平行である。
条件３：水晶片１７の表面及び裏面の短辺が水晶片１７のＸ軸と実質的に平行である。
条件４：べベル加工が施されることにより、図４及び図５に示すように、水晶片１７の表面及び裏面の外縁近傍の厚さが水晶片１７の表面及び裏面の中央近傍の厚さより薄くなっている。
条件５：水晶片１７の領域Ａ１，Ａ４，Ａ５の短辺方向の長さがＷであり、水晶片１７の領域Ａ１の厚さがＴである場合に、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４が成立している。領域Ａ１，Ａ４，Ａ５については後述する。

＜条件１について＞
水晶片１７の主振動の周波数は、水晶片１７の厚さＴに依存している。したがって、水晶片１７の厚さＴは、０．０５８６ｍｍ以上０．０６８２ｍｍ以下の範囲に設定されている。

＜条件２及び条件３について＞
水晶片は、その短辺近傍において導電性接着剤で基板に固定されることが一般的であり、また、ＡＴカットの水晶片は、厚みすべり振動の振動方向がＸ軸方向であることが知られている。したがって、従来の長辺がＸ軸方向と平行となる水晶片は、短辺側の導電性接着剤を介して基板に振動漏れの影響を受けやすい。これに対して本実施形態に係るＡＴカット型の水晶片１７は、長辺がＺ’軸方向と平行であるため、Ｚ’軸領域への振動漏れが少なく、水晶片１７の短辺近傍において導電性接着剤２１０，２１２で基板１２に固定した場合であっても、基板への振動漏れの影響が少ない。したがって、本実施形態に係るＡＴカット型の水晶片によれば、長辺がＸ軸方向と平行である水晶片より、振動漏れの影響が少なく、ＣＩ値が良い。

＜条件４について＞
水晶片１７は、図６に示すように、上側から見たときに、領域Ａ１〜Ａ５を含んでいる。領域Ａ１は、上側から見たときに、表面の中央を含む長方形状の領域である。ただし、領域Ａ１は、上側から見たときに、長方形状以外の形状であってもよく、例えば、楕円形状であってもよい。領域Ａ２は、＋Ｚ’側において領域Ａ１に隣接する長方形状の領域である。領域Ａ２は、表面の＋Ｚ’側の短辺全体、表面の−Ｘ側及び＋Ｘ側の長辺の＋Ｚ’側の端部近傍に接している。すなわち、領域Ａ２は、水晶片１７において＋Ｚ’側の端部に位置している。領域Ａ３は、−Ｚ’側において領域Ａ１に隣接する長方形状の領域である。領域Ａ３は、表面の−Ｚ’側の短辺全体、表面の−Ｘ側及び＋Ｘ側の長辺の−Ｚ’側の端部近傍に接している。すなわち、領域Ａ３は、水晶片１７において＋Ｚ’側の端部に位置している。

領域Ａ４は、−Ｘ側において領域Ａ１に隣接すると共に、領域Ａ２，Ａ３に左右から挟まれている長方形状の領域である。領域Ａ４は、表面の−Ｘ側の長辺の両端を除く部分に接している。すなわち、領域Ａ４は、水晶片１７において−Ｘ側の端部に位置している。領域Ａ５は、＋Ｘ側において領域Ａ１に隣接すると共に、領域Ａ２，Ａ３に左右から挟まれている長方形状の領域である。領域Ａ５は、表面の＋Ｘ側の長辺の両端を除く部分に接している。すなわち、領域Ａ５は、水晶片１７において＋Ｘ側の端部に位置している。

領域Ａ１の厚さＴは、図４及び図５に示すように、実質的に均一である。ただし、領域Ａ１の表面及び裏面は、わずかに湾曲している。したがって、実質的に均一である領域Ａ１とは、図７に示すように、領域Ａ１における水晶片の厚さの最大値がＴｍａｘである場合に、Ｔｍａｘ−２μｍ以上Ｔｍａｘ以下の厚さを有する領域である。ただし、領域Ａ１は、表面の中央を含んでいると共に、連続した領域である。また、領域Ａ１の厚さＴは、実質的に均一であり、Ｔｍａｘをその値とする。

領域Ａ２〜Ａ５の厚さは、図４及び図５に示すように、領域Ａ１の厚さＴよりも小さい。本実施形態では、領域Ａ２〜Ａ５の厚さは、領域Ａ１から離れるにしたがって連続的に小さくなっている。本実施形態では、領域Ａ２〜Ａ５における表面及び裏面は、凸面をなしている。

＜条件５について＞
水晶片１７の領域Ａ１，Ａ４，Ａ５の短辺方向の長さがＷであり、水晶片１７の領域Ａ１の厚さがＴである場合に、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４が成立している。また、１３．９５≦Ｗ／Ｔ≦１４.２２が成立していることが好ましく、１４．０７≦Ｗ／Ｔ≦１４.１８が成立していることがより好ましい。

＜その他の条件について＞
上記条件１〜条件５に加えて、領域Ａ１〜Ａ３の長辺方向の長さがＬであり、領域Ａ１の長辺方向の長さがＲＬである場合に、０．５０≦ＲＬ／Ｌ≦０．９５が成立し、かつ、領域Ａ１の短辺方向の長さがＲＷである場合に、０．５０≦ＲＷ／Ｗ≦０．９５が成立していることが好ましい。更に、領域Ａ１〜Ａ３の長辺方向の長さがＬであり、領域Ａ１の長辺方向の長さがＲＬである場合に、０．５０≦ＲＬ／Ｌ≦０．６７が成立し、かつ、領域Ａ１の短辺方向の長さがＲＷである場合に、０．５０≦ＲＷ／Ｗ≦０．６６が成立していることが好ましい。更に、領域Ａ１〜Ａ３の長辺方向の長さがＬであり、領域Ａ１の長辺方向の長さがＲＬである場合に、０．５９≦ＲＬ／Ｌ≦０．６１が成立し、かつ、領域Ａ１の短辺方向の長さがＲＷである場合に、０．５５≦ＲＷ／Ｗ≦０．５８が成立していることがより好ましい。ここで、長さＲＬは、領域Ａ１において厚さがＴｍａｘとなる点を通過し、長辺方向における領域Ａ１の長さである。長さＲＷは、領域Ａ１において厚さがＴｍａｘとなる点を通過し、短辺方向における領域Ａ１の長さである。

（水晶振動子の製造方法）
以下に、水晶振動子１０の製造方法について図面を参照しながら説明する。

まず、基板１２の製造方法について説明する。複数の基板本体２１がマトリクス状に配列されたマザー基板を準備する。マザー基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化ケイ素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等のセラミックス系絶縁性材料、水晶、ガラス、シリコン等により作製されている。

次に、マザー基板において、基板本体２１の４つの角にビームを照射して、貫通孔を形成する。

次に、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８の下地電極を基板本体２１に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板に印刷し、乾燥させる。その後、モリブデン層を焼結する。これにより、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８の下地電極が形成される。

次に、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８の下地電極に、ニッケルめっき及び金めっきをこの順に施す。これにより、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６、配線２４，２７，４９及びビア導体２５，２８が形成される。

次に、ダイサーにより、マザー基板を複数の基板本体２１に分割する。

次に、水晶振動片１６の製造方法について説明する。水晶の原石をＡＴカットにより切り出して、矩形状の板状の水晶片１７を得る。この際、水晶片１７の表面及び裏面の長辺が水晶片１７のＺ'軸と実質的に平行となり、水晶片１７の表面及び裏面の短辺が水晶片１７のＸ軸と実質的に平行となるように、水晶の原石をカットする。

次に、水晶片１７に対してバレル加工装置を用いてべベル加工を施す。これにより、水晶片１７の稜線付近が削り取られて、図４及び図５に示すように、表面の中央から離れるにしたがって厚さが小さくなる断面形状を水晶片１７が有するようになる。

次に、水晶片１７に外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３を形成する。なお、外部電極９７，９８、励振電極１００，１０１及び引き出し導体１０２，１０３の形成については、一般的な工程であるので説明を省略する。

次に、基板本体２１の表面に水晶振動片１６を実装する。具体的には、図２及び図３に示すように、外部電極２２と外部電極９７とを導電性接着剤２１０により接着するとともに、外部電極２６と外部電極９８とを導電性接着剤２１２により接着する。

次に、金属キャップ１４を接着剤５０により基板１２に取り付ける。以上の工程を経て、水晶振動子１０が完成する。

（効果）
本実施形態に係る水晶片１７及び水晶振動子１０によれば、ＣＩ値を低減できる。より詳細には、図４及び図５に示すように、表面の中央から離れるにしたがって厚さが小さくなる断面形状を水晶片１７が有している。これにより、水晶片１７の主振動の振動エネルギーが、領域Ａ１に閉じ込められるようになる。領域Ａ１には励振電極１００，１０１が設けられている。その結果、主振動が効率よく電気信号に変換され、励振電極１００，１０１から電気信号が出力されるようになる。よって、水晶片１７及び水晶振動子１０によれば、ＣＩ値を低減できる。

また、水晶片１７及び水晶振動子１０によれば、以下に説明する理由によっても、ＣＩ値を低減できる。図８は、主振動の周波数が２４．５ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。図９は、主振動の周波数が２５．０ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。図１０は、主振動の周波数が２８．５ＭＨｚである水晶片１７において、主振動及び副振動の周波数とＷ／Ｔとの関係を示したグラフである。なお、図８ないし１０において、△は主振動を示し、□及び◇は副振動を示す。

水晶片１７及び水晶振動子１０では、主振動の他に副振動が発生する。主振動は、厚み滑りにより発生する振動である。主振動の周波数は、水晶片１７の厚さＴに依存している。一方、副振動は、主振動以外の振動であり、水晶片１７の短辺方向の伸縮や長辺方向の伸縮、水晶片１７の撓み等により生じる振動である。副振動の周波数は、長さＬや幅Ｗ等に依存している。このような副振動は、所謂スプリアスである。なお、水晶片１７の長辺方向の長さＬを一定にした場合においてＷ／Ｔを変動させた後述のシミュレーション結果からわかるとおり、水晶片１７及び水晶振動子１０に生じ得る副振動は、Ｗ／Ｔを調整することにより抑制することができる。

ここで、水晶片１７及び水晶振動子１０のＣＩ値を低減するためには、主振動の周波数と副振動の周波数とが離れるように、水晶片１７及び水晶振動片１６を設計すればよい。そこで、本願発明者は、コンピュータシミュレーションによりＷ／Ｔと主振動及び副振動の周波数との関係を調べた。コンピュータシミュレーションでは、２４．５ＭＨｚ、２５．０ＭＨｚ及び２８.５ＭＨｚの３種類の主振動の周波数を有する水晶片１７について、厚さＴを一定に保って、幅Ｗを変化させた。以下に、シミュレーション条件を記載する。

（１）２４．５ＭＨｚ
厚さＴ：０．０６８２ｍｍ
長さＬ：１．３５０ｍｍ
長さＲＬ：０．７６０ｍｍ
ＲＷ／Ｗ：０．５４
（２）２５．０ＭＨｚ
厚さＴ：０．０６６８ｍｍ
長さＬ：１．３５０ｍｍ
長さＲＬ：０．７６０ｍｍ
ＲＷ／Ｗ：０．５４
（３）２８．５ＭＨｚ
厚さＴ：０．０５８６ｍｍ
長さＬ：１．３５０ｍｍ
長さＲＬ：０．７６０ｍｍ
ＲＷ／Ｗ：０．５４

以上の条件でシミュレーションを行ったところ、図８ないし図１０に示す結果が得られた。そして、本願発明者は、シミュレーション結果に基づいて、好ましいＷ／Ｔを求めた。

図８によれば、主振動の周波数が２４．５ＭＨｚである場合には、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４５以下であれば、主振動と副振動１，２とが交差しない。すなわち、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４５以下（すなわち、Ｔが０．０６８２ｍｍ、Ｗが０．９４９ｍｍ以上０．９８５ｍｍ以下）であれば、主振動の周波数と副振動の周波数とが離れる。

図９によれば、主振動の周波数が２５．０ＭＨｚである場合には、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４４以下であれば、主振動と副振動１，２とが交差しない。すなわち、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４４以下（すなわち、Ｔが０．０６６８ｍｍ、Ｗが０．９３０ｍｍ以上０．９６５ｍｍ以下）であれば、主振動の周波数と副振動の周波数とが離れる。

図１０によれば、主振動の周波数が２８．５ＭＨｚである場合には、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４５以下であれば、主振動と副振動１，２とが交差しない。すなわち、Ｗ／Ｔが１３．９２以上１４．４５以下（すなわち、Ｔが０．０５８６ｍｍ、Ｗが０．８１６ｍｍ以上０．８４７ｍｍ以下）であれば、主振動の周波数と副振動の周波数とが離れる。

以上より、水晶片１７の主振動の周波数が２４．５ＭＨｚ以上２８.５ＭＨｚ以下である場合には、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４であれば、主振動の周波数と副振動の周波数とが離れることが分かった。以上より、主振動の周波数が２４．５ＭＨｚ以上２８.５ＭＨｚ以下である水晶片１７において、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４とすれば、ＣＩ値を低減できる。

ところで、シミュレーションを用いれば主振動と副振動とを個別に解析できるため、２４．５ＭＨｚ以上２８.５ＭＨｚ以下の主振動における、主振動に与える副振動の影響が小さい範囲をＣＩ値によって求められる利点がある。しかし、実際のサンプルのＣＩ値の測定では、主振動と副振動とが重ね合わされたＣＩ値しか得られないものの、寸法、形状、材料特性など実際の変動が反映された詳細な測定結果が得られる。そこで、本願発明者は、以下に説明する実際に製作したサンプルを用いた実験を行って、シミュレーションで求めた２４．５ＭＨｚ以上２８.５ＭＨｚ以下の周波数範囲内において、より好ましいＷ／Ｔの範囲を求めた。より詳細には、本願発明者は、水晶振動子１０の第１のサンプルないし第１１のサンプルをそれぞれ４０個ずつ作製した。以下に、第１のサンプルないし第１１のサンプルの条件を記載する。

（１）第１のサンプルないし第４のサンプル（主振動の周波数：２５．０ＭＨｚ）

（２）第５のサンプルないし第８のサンプル（主振動の周波数：２７．０ＭＨｚ）

（３）第９のサンプルないし第１１のサンプル（主振動の周波数：２７．１２ＭＨｚ）

以上の第１のサンプルないし第１１のサンプルにおいて、ＣＩ値を測定した。実験では、周囲の温度を−３０℃から８５℃まで変化させた。ＣＩ値は、各サンプルにおいて−３０℃から８５℃まで変化させたときの最大値を用いた。

図１１は、第１のサンプルないし第４のサンプル（主振動の周波数：２５．０ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１２は、第５のサンプルないし第８のサンプル（主振動の周波数：２７．０ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１３は、第９のサンプルないし第１１のサンプル（主振動の周波数：２７．１２ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１１ないし図１３において、縦軸はＣＩ値を示し、横軸は幅Ｗを示す。

図１１に、主振動の周波数が２５．０ＭＨｚである場合であってＣＩ値が小さいＣＩの最小値３２Ωの約２倍となる６０Ω以下となった、Ｗが０．９４０ｍｍ以上０．９５０ｍｍ以下のＣＩ値の測定値を示す。ＣＩ値が６０Ω以下となり十分に低い値となるには、主振動の周波数から決まる厚さＴが０．６６８ｍｍである場合、Ｗ／Ｔが１４．０７以上１４.２２以下の範囲であった。

図１２に、主振動の周波数が２７．０ＭＨｚである場合であってＣＩ値が６０Ω以下となった、Ｗが０．８６３ｍｍ以上０．８７８ｍｍ以下のＣＩ値の測定値を示す。ＣＩ値が６０Ω以下となり十分に低い値となるには、主振動の周波数から決まる厚さＴは０．６１９ｍｍの場合では、Ｗ／Ｔが１３．９５以上１４.２０以下の範囲であった。

図１３に、主振動の周波数が２７．１２ＭＨｚである場合であってＣＩ値が６０Ω以下となった、Ｗが０．８６３ｍｍ以上０．８７３ｍｍ以下のＣＩ値の測定値を示す。ＣＩ値が６０Ω以下となり十分に低い値となるには、主振動の周波数から決まる厚さＴが０．６１６ｍｍの場合では、Ｗ／Ｔが１４．０１以上１４.１８以下の範囲であった。

以上より、ＣＩ値を６０Ω以下に低減するため、水晶片１７の主振動の周波数が２５．０ＭＨｚ以上２７．１２ＭＨｚ以下である場合には、１３．９５≦Ｗ／Ｔ≦１４.２２の範囲であること分かる。さらに、１４．０７≦Ｗ／Ｔ≦１４．１８であれば、ＣＩ値をより低減できる。

次に、本願発明者は、以下に説明する実験を行って、好ましいＲＬ／Ｌ及びＲＷ／Ｗの範囲を求めた。より詳細には、第１２のサンプルないし第２５のサンプルをそれぞれ４０個ずつ作成した。以下に、第１２のサンプルないし第２５のサンプルの条件を記載する。

（１）第１２のサンプルないし第１７のサンプル（主振動の周波数：２５．０ＭＨｚ）

（２）第１８のサンプルないし第２１のサンプル（主振動の周波数：２７．０ＭＨｚ）

（３）第２２のサンプルないし第２５のサンプル（主振動の周波数：２７．１２ＭＨｚ）

以上の第１２のサンプルないし第２５のサンプルにおいて、ＣＩ値を測定した。実験では、周囲の温度を−３０℃から８５℃まで変化させた。ＣＩ値は、各サンプルにおいて−３０℃から８５℃まで変化させたときの最大値を用いた。

図１４は、第１２のサンプルないし第１７のサンプル（主振動の周波数：２５．０ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１５は、第１８のサンプルないし第２１のサンプル（主振動の周波数：２７．０ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１６は、第２２のサンプルないし第２５のサンプル（主振動の周波数：２７．１２ＭＨｚ）の実験結果を示したグラフである。図１４ないし図１６において、縦軸はＣＩ値を示し、横軸はＲＬ／Ｌ及びＲＷ／Ｗを示す。

図１４に、主振動の周波数が２５．０ＭＨｚである場合であってＣＩ値が６０Ω以下となる範囲である、ＲＷ／Ｗが０．５０以上０．５８以下であって、かつ、ＲＬ／Ｌが０．５０以上０．６１以下のＣＩ値の測定値を示す。

図１５に、主振動の周波数が２７．０ＭＨｚである場合であってＣＩ値が６０Ω以下となる範囲である、ＲＷ／Ｗが０．５５以上０．６６以下であって、かつ、ＲＬ／Ｌが０．５６以上０．６７以下のＣＩ値の測定値を示す。

図１６に、主振動の周波数が２７．１２ＭＨｚである場合であってＣＩ値が６０Ω以下となる範囲である、ＲＷ／Ｗが０．５５以上０．６６以下であって、かつ、ＲＬ／Ｌが０．５６以上０．６７以下のＣＩ値の測定値を示す。

ＲＬ／Ｌ及びＲＷ／Ｗが０．９５より大きくなると、水晶片１７の主振動の振動エネルギーの領域Ａ１への閉じ込めが十分でなくなる。そこで、ＲＬ／Ｌ及びＲＷ／Ｗの上限を０．９５であることが好ましい。

また、ＣＩ値を６０Ω以下するために、水晶片１７の主振動の周波数が２５．０ＭＨｚ以上２７．１２ＭＨｚ以下のサンプルのよる実験結果から、０．５０≦ＲＬ／Ｌ≦０．６７であって、かつ、０．５０≦ＲＷ／Ｗ≦０．６６の構成であればよい。さらに、０．５６≦ＲＬ／Ｌ≦０．６１であって、かつ、０．５５≦ＲＷ／Ｗ≦０．５８の構成であれば、ＣＩ値をより低減できる。

（変形例）
以下に変形例に係る水晶振動子１０ａについて図面を参照しながら説明する。図１７は、変形例に係る水晶振動子１０ａの断面構造図である。

図１７に示すように、本変形例に係る水晶振動子１０ａは水晶片１７を含む水晶振動片１６を備えており、上記実施形態で説明した水晶振動子１０とは、基板１２の裏面にサーミスタ６０が設けられている点で異なっている。なお、水晶片１７は、上記実施形態で説明した構成を適用することができる。

（水晶発振器）
以下に水晶片１７を備えた水晶発振器３００について図面を参照しながら説明する。図１８は、水晶発振器３００の断面構造図である。

図１８に示すように、水晶発振器３００は、水晶片１７を含む水晶振動片１６を備えており、図３の水晶振動子１０とは、基板１２の裏面にＩＣ３０２が実装されている点で行っている。なお、水晶片１７は、上記実施形態で説明した構成を適用することができる。

（その他の実施形態）
本発明に係る水晶片及び水晶振動子は、水晶片１７及び水晶振動子１０に限らずその要旨の範囲内において変更可能である。

なお、水晶片１７は、表面の中央から短辺方向及び長辺方向の両方に離れるにしたがって、厚さが薄くなる形状を有している。しかし
ながら、水晶片１７の厚さは、表面の中央から短辺方向に離れるにしたがって、小さくなっていてもよいし、表面の中央から長辺方向に離れるにしたがって、小さくなっていてもよい。すなわち、領域Ａ２の厚さ及び領域Ａ３の厚さが領域Ａ１の厚さよりも小さく、及び／又は、領域Ａ４の厚さ及び領域Ａ５の厚さが領域Ａ１の厚さよりも小さければよい。

図１９及び図２０は、その他の実施形態に係る水晶片１７ａ，１７ｂの断面構造図である。図１９に示すように、領域Ａ２よりも＋Ｚ’側に領域Ａ２よりも大きな厚さを有する領域が設けられていてもよいし、領域Ａ３よりも−Ｚ’側に領域Ａ３よりも大きな厚さを有する領域が設けられていてもよい。同様に、領域Ａ４よりも−Ｘ側に領域Ａ４よりも大きな厚さを有する領域が設けられていてもよいし、領域Ａ５よりも＋Ｘ側に領域Ａ５よりも大きな厚さを有する領域が設けられていてもよい。すなわち、領域Ａ１よりも小さな厚さを有する領域Ａ２〜Ａ５が領域Ａ１の周囲に設けられていれば、主振動の振動エネルギーが領域Ａ１に閉じ込められるので、領域Ａ２〜Ａ５の周囲に更なる領域が存在していても存在しなくてもよい。

また、領域Ａ２〜Ａ５は、連続的に変化する凸面をなしているが、凹面をなしていてもよいし、不連続に変化する面であってもよい。すなわち、図２０に示すように、領域Ａ２〜Ａ５は、階段状をなしていてもよい。

以上のように、本発明は、水晶片及び水晶振動子に有用であり、特に、ＣＩ値を低減できる点において優れている。

１０，１０ａ：水晶振動子
１２：基板
１４：金属キャップ
１６：水晶振動片
１７，１７ａ，１７ｂ：水晶片
２１：基板本体
２２，２６，４０，４２，４４，４６：外部電極
５０：接着剤
６０：サーミスタ
１００，１０１：励振電極
３００：水晶発振器
Ａ１〜Ａ５：領域

Claims (12)

1. 板状をなしており、主面の法線方向から見たときに矩形状をなしているＡＴカット型の水晶片であって、
   前記主面の長辺が前記水晶片のＺ'軸と実質的に平行であり、
   前記主面の短辺が前記水晶片のＸ軸と実質的に平行であり、
   前記水晶片の主振動の周波数が、２４．５ＭＨｚ以上２８．５ＭＨｚ以下であり、
   前記水晶片が、前記主面の法線方向から見たときに該主面の中央を含む第１の領域と、前記長辺が延在する長辺方向の両側において該第１の領域に隣接する第２の領域及び第３の領域と、前記短辺が延在する短辺方向の両側において該第１の領域に隣接する第４の領域及び第５の領域とを含んでおり、
   前記第１の領域の厚さが実質的に均一であり、
   前記第２の領域の厚さ及び前記第３の領域の厚さが前記第１の領域の厚さよりも小さく、及び／又は、前記第４の領域の厚さ及び前記第５の領域の厚さが該第１の領域の厚さよりも小さく、
   前記第１の領域、前記第４の領域及び前記第５の領域の短辺方向の長さがＷであり、前記第１の領域の厚さがＴである場合に、１３．９２≦Ｗ／Ｔ≦１４．４４が成立していること、
   を特徴とする水晶片。
2. １３．９５≦Ｗ／Ｔ≦１４．２２が成立していること、
   を特徴とする請求項１に記載の水晶片。
3. １４．０７≦Ｗ／Ｔ≦１４．１８が成立していること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の水晶片。
4. 前記第２の領域の厚さ及び前記第３の領域の厚さが前記第１の領域の厚さよりも小さく、かつ、前記第４の領域の厚さ及び前記第５の領域の厚さが該第１の領域の厚さよりも小さいこと、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水晶片。
5. 前記第２の領域及び前記第３の領域は、前記水晶片において前記長辺方向の両端に位置し、
   前記第４の領域及び前記第５の領域は、前記水晶片において前記短辺方向の両端に位置していること、
   を特徴とする請求項４に記載の水晶片。
6. 前記水晶片の厚さは、前記主面の中央から前記長辺方向に離れるにしたがって小さくなり、かつ、前記主面の中央から前記短辺方向に離れるにしたがって小さくなっていること、
   を特徴とする請求項５に記載の水晶片。
7. 前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域の長辺方向の長さがＬであり、前記第１の領域の長辺方向の長さがＲＬである場合に、０．５０≦ＲＬ／Ｌ≦０．９５が成立し、
   前記第１の領域の短辺方向の長さがＲＷである場合に、０．５０≦ＲＷ／Ｗ≦０．９５が成立していること、
   を特徴とする請求項５又は請求項６のいずれかに記載の水晶片。
8. ０．５０≦ＲＬ／Ｌ≦０．６７が成立し、
   ０．５０≦ＲＷ／Ｗ≦０．６６が成立していること、
   を特徴とする請求項７に記載の水晶片。
9. ０．５６≦ＲＬ／Ｌ≦０．６１が成立し、
   ０．５５≦ＲＷ／Ｗ≦０．５８が成立していること、
   を特徴とする請求項８に記載の水晶片。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の水晶片を備えていること、
    を特徴とする水晶振動子。
11. 前記水晶片と、該水晶片の短辺に沿って並ぶ第１の外部電極及び第２の外部電極と、を備えている水晶振動片と、
    板状の基板本体と、該基板本体の主面上に設けられている第３の外部電極及び第４の外部電極と、
    を備えており、
    前記第１の外部電極と前記第３の外部電極とが固定され、第２の外部電極と前記第４の外部電極とが固定されること、
    を特徴とする請求項１０に記載の水晶振動子。
12. 前記基板本体上に設けられ、前記水晶振動片を覆うキャップを、
    更に備えていること、
    を特徴とする請求項１１に記載の水晶振動子。