JP6442130B2 - AT cut crystal resonator element - Google Patents
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Description
本発明は、ATカット水晶板からなる水晶片と、この水晶片に設けられた励振電極と、を備えたATカット水晶振動素子に関する。 The present invention relates to an AT-cut crystal resonator element including a crystal piece made of an AT-cut crystal plate and an excitation electrode provided on the crystal piece.
厚みすべり振動を主振動とする水晶振動素子には、常温付近での周波数温度特性に優れているATカット水晶板が最も広く使用されている。ATカット水晶板は、水晶結晶のX軸及びZ軸を含む平面をX軸を中心に反時計方向に約35°回転させた面が主面になるように切り出される。ATカット水晶板からなる厚みすべり振動モードの水晶片は、一般に矩形状である。 An AT-cut quartz plate having excellent frequency-temperature characteristics near room temperature is most widely used as a quartz-crystal vibrating element having thickness-shear vibration as a main vibration. The AT-cut quartz plate is cut out so that a plane obtained by rotating a plane including the X-axis and the Z-axis of the quartz crystal about 35 ° counterclockwise around the X-axis becomes the main surface. A thickness-shear vibration mode crystal piece made of an AT-cut crystal plate is generally rectangular.
従来のATカット水晶振動素子では、前述したように矩形状の水晶片を用いている。この場合、主振動の厚みすべり振動モードに他の副振動の振動モードが結びついて、アクティビティディップと呼ばれる周波数変化を起こすことが問題になっている。 In the conventional AT-cut crystal resonator element, a rectangular crystal piece is used as described above. In this case, there is a problem that a frequency change called an activity dip is caused by combining the vibration mode of the other sub-vibration with the thickness shear vibration mode of the main vibration.
そこで、本発明の目的は、アクティビティディップを抑制し得るATカット水晶振動素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an AT-cut quartz crystal resonator element that can suppress activity dip.
本発明に係るATカット水晶振動素子は、
水晶結晶の一方向を長さ方向、この長さ方向に直交する寸法を幅とするATカット水晶板からなる水晶片と、
この水晶片の表裏主面に設けられた励振電極と、
前記水晶片に設けられ前記励振電極に繋がる引き出し電極及びパッド電極と、
を備え、前記パッド電極を介してパッケージに搭載されるATカット水晶振動素子において、
前記幅は、前記長さ方向の両端の少なくとも一方において最も広く、前記長さ方向の中央に近づくにつれて狭くなり、
前記幅の最も広くなった側に前記パッド電極が形成された、
ことを特徴とする。
The AT cut quartz crystal resonator element according to the present invention is
A crystal piece made of an AT-cut crystal plate having a width in a direction perpendicular to the length direction of one direction of the crystal crystal, and
Excitation electrodes provided on the front and back main surfaces of the crystal piece;
A lead electrode and a pad electrode provided on the crystal piece and connected to the excitation electrode;
In an AT-cut crystal resonator element mounted on a package via the pad electrode ,
The width is the widest at least one of both ends in the longitudinal direction, Ri narrowly closer to the center of the length direction,
The pad electrode is formed on the side having the largest width,
It is characterized by that.
本発明によれば、長さ方向の両端の少なくとも一方の幅を、長さ方向の中央の幅よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さ方向の両端の少なくとも一方へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップを抑制できる。 According to the present invention, at least one width at both ends in the length direction is made wider than the width at the center in the length direction, so that the vibration energy in the contour vibration mode is driven to at least one of the both ends in the length direction. Therefore, it is possible to suppress an activity dip that occurs when the thickness vibration mode of the main vibration is combined with the contour vibration mode of the secondary vibration.
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiments”) will be described with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, the same reference numerals are used for substantially the same components. The shapes depicted in the drawings are drawn so as to be easily understood by those skilled in the art, and thus do not necessarily match the actual dimensions and ratios.
本発明の実施形態を説明する前に、関連技術1(特許文献1参照)について説明する。図6は関連技術1の輪郭振動素子を示し、図6[1]は平面図、図6[2]は図6[1]におけるA−A線断面図、図6[3]は図6[1]におけるB−B線断面図である。
Prior to describing an embodiment of the present invention, Related Art 1 (see Patent Document 1) will be described. FIG. 6 shows a contour vibration element of
本関連技術1の輪郭振動素子30は、長さL3及び幅W31,W32の楕円状の水晶板からなる水晶片31と、水晶片31の表裏主面に設けられた励振電極32a,32bと、を備えている。そして、長さL3方向の両端の幅W32は、長さL3方向の中央の幅W31よりも狭くなっている。
The
輪郭振動素子30は、励振電極32a,32bによって、水晶片31を厚み方向両面から挟み込んだ構造となっている。そして、水平A−A方向を長手方向とし、垂直B−B方向を短手方向とした場合、A−A方向中心部の短手方向幅を広くし端部(すなわち長さL3方向の両端)に行くに従い短手方向幅を狭くした構造となっている。
The
ここで、水平A−A方向中心部のB−B方向幅W31は、共振波長λの半分と見ることができる。これは、輪郭振動の振動周波数がB−B方向幅W31に強く依存しているモードを、使用しているためである。本関連技術1では、中心部から端部に行くに従い短手方向幅が狭くなることにより、中心部から端部に行くに従い振動周波数を高く(すなわち振動波長を小さく)することができるので、中心部にエネルギが閉じ込められる構造となっている。
Here, the BB direction width W31 at the center in the horizontal AA direction can be regarded as half the resonance wavelength λ. This is because the mode in which the vibration frequency of the contour vibration strongly depends on the BB direction width W31 is used. In this
これにより、水晶片31の端部での不要な輪郭振動の変位が無くなるので、端部に設けた支持部(図示せず)による振動阻害を抑えることができ、その結果、CI(Crystal Impedance)値を低減できる。
This eliminates unnecessary contour vibration displacement at the end of the
次に、実施形態1のATカット水晶振動素子(以下、単に「振動素子」という。)について説明する。図1は、実施形態1の振動素子を示し、図1[1]は平面図、図1[2]は図1[1]におけるA−A線断面図、図1[3]は図1[1]におけるB−B線断面図である。 Next, the AT-cut quartz crystal resonator element (hereinafter simply referred to as “vibrator element”) according to the first embodiment will be described. FIG. 1 shows a resonator element according to the first embodiment, FIG. 1 [1] is a plan view, FIG. 1 [2] is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 [1], and FIG. 1] is a sectional view taken along line BB in FIG.
本実施形態1の振動素子10は、水晶結晶の一方向を長さL1方向、長さL1方向に直交する寸法を幅とするATカット水晶板からなる水晶片11と、水晶片11の表裏主面に設けられた励振電極12a,12bと、を備えている。そして、前述の幅は、長さL1方向の両端の少なくとも一方において最も広く、長さL1方向の中央に近づくにつれて狭くなる。つまり、長さL1方向の両端の少なくとも一方の幅W12は、長さL1方向の中央の幅W11よりも広くなっている。
The
本実施形態1では、長さL1方向の両端の幅W12が、両方とも長さL1方向の中央の幅W11よりも広くなっている。また、水晶片11の形状は、A−A線を中心に線対称であり、かつB−B線を中心に線対称である。そして、水晶片11の幅は、長さL1方向の中央の幅W11が最も狭く、長さL1方向の両端に進むにつれて徐々に広くなり、両端で最も広い幅W12となる。幅W11,W12を決める二辺(上辺11a及び下辺11b)は、曲線状(例えば円弧状、楕円弧状、双曲線状、二次関数状など)である。また、本実施形態1では、長さL1方向はX軸方向であり、幅W11方向はY’軸方向であり、厚みt方向はZ’軸方向である。
In the first embodiment, both the widths W12 at both ends in the length L1 direction are wider than the center width W11 in the length L1 direction. The shape of the
次に、振動素子10の製造方法について説明する。まず、ATカットの水晶ウェハを用意する。そして、耐食膜及びフォトレジストによるパターンを形成し、フッ酸によるウェットエッチングを経て、水晶ウェハに多数の水晶片11を形成する。続いて、スパッタリングや蒸着によって水晶ウェハに金属膜を形成し、フォトレジストによるパターンを形成し、エッチングを経て、各水晶片11に励振電極12a,12bを形成する。なお、水晶片11には励振電極12a,12bに繋がる引き出し電極及びパッド電極(ともに図示せず)も形成され、そのパッド電極を介して振動素子10がパッケージに搭載される。
Next, a method for manufacturing the
次に、図2に示す比較例1も加えて、図1及び図2に基づき振動素子10の作用及び効果について説明する。
Next, the operation and effect of the
図2は、比較例1の振動素子を示し、図2[1]は平面図、図2[2]は図2[1]におけるA−A線断面図、図2[3]は図2[1]におけるB−B線断面図である。 2 shows a resonator element of Comparative Example 1, FIG. 2 [1] is a plan view, FIG. 2 [2] is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2 [1], and FIG. 2 [3] is FIG. 1] is a sectional view taken along line BB in FIG.
本比較例1の振動素子20は、長さL2及び幅W2の矩形状の水晶板からなる水晶片21と、水晶片21の表裏主面に設けられた励振電極22a,22bと、を備えている。そして、矩形状であることから、長さL2方向の両端の幅も、長さL2方向の中央の幅W2と等しい。
The
振動素子20は、矩形状の水晶片21のほぼ中心に励振電極22a,22bを配置することにより、厚みすべり振動のエネルギを励振電極22a,22bの下に閉じ込めて、CI値を低減する構造となっている。このとき、水晶片21における厚みすべり振動は、水晶結晶のX軸に平行に振動し、励振電極22a,22bのほぼ中心に最大変位を持ち、その外側へ徐々に減衰する振動形態となっている。
The
その際、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の振動モードが結びつくと、前述のアクティビティディップが発生することに加え、モード間でのエネルギのやり取りによってCI値が増大する。 At this time, if the vibration mode of the secondary vibration is combined with the thickness-shear vibration mode of the main vibration, the above-mentioned activity dip occurs, and the CI value increases due to the exchange of energy between the modes.
本発明者は、矩形状の水晶片21を用いた振動素子20に特有のアクティビティディップについて実験及び考察を重ねた結果、アクティビティディップの原因となる副振動が輪郭振動モードであるならば、関連技術1と逆の構造にすることにより、水晶片の端部に輪郭振動モードの振動エネルギを閉じ込めればよいことに思い至った。本発明はこの知見に基づきなされたものである。
The present inventor has conducted experiments and considerations on an activity dip unique to the
すなわち、本実施形態1では、関連技術1とは逆に、長さL1方向の中央から両端に行くに従い幅を広くすることにより、中央から両端に行くに従い輪郭振動の振動周波数を小さく(すなわち振動波長を大きく)することができるので、両端に輪郭振動のエネルギが閉じ込められる構造となっている。そのため、水晶片11の中央では厚みすべり振動モードが大きくなる一方で輪郭振動モードが小さくなり、逆に水晶片11の両端では厚みすべり振動モードが小さくなる一方で輪郭振動モードが大きくなる。なお、比較例1では、水晶片21の中央では厚みすべり振動モードが大きくなり、水晶片21の両端では厚みすべり振動モードが小さくなるものの、輪郭振動モードは水晶片21の中央でも両端でも同程度である。そのため、本実施形態1では、比較例1に比べて、主振動の厚みすべり振動モードと副振動の輪郭振動モードとの結合を低減できる。
That is, in the first embodiment, contrary to the
したがって、本実施形態1によれば、長さL1方向の両端の少なくとも一方の幅W12を、長さL1方向の中央の幅W11よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さL1方向の両端の少なくとも一方へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップを抑制できる。これに加え、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結合することによるモード間でのエネルギのやり取りが減少するので、CI値を低減できる。 Therefore, according to the first embodiment, at least one width W12 at both ends in the length L1 direction is made wider than the central width W11 in the length L1 direction, so that the vibration energy in the contour vibration mode is reduced to the length L1. Since it can be driven to at least one of both ends of the direction, it is possible to suppress the activity dip that occurs when the thickness vibration mode of the main vibration is combined with the contour vibration mode of the sub vibration. In addition, since the exchange of energy between the modes due to the coupling of the contour vibration mode of the secondary vibration to the thickness shear vibration mode of the main vibration is reduced, the CI value can be reduced.
また、本実施形態2によれば、長さL1方向の両端の幅W12を、長さL1方向の中央の幅W11よりも広くしたことにより、輪郭振動モードの振動エネルギを長さL1方向の両端へ追いやることができるので、主振動の厚みすべり振動モードに副振動の輪郭振動モードが結びついて生じるアクティビティディップをより抑制できる。 Further, according to the second embodiment, the width W12 at both ends in the length L1 direction is made wider than the width W11 at the center in the length L1 direction, so that the vibration energy in the contour vibration mode is increased at both ends in the length L1 direction. Therefore, it is possible to further suppress the activity dip that occurs when the thickness vibration mode of the main vibration is combined with the contour vibration mode of the secondary vibration.
次に、振動素子10の効果について、図3及び図4を加えて、更に具体的に説明する。図3は、本実施形態1の振動素子10における水晶片11の幅W11と発振周波数f1との関係を示すグラフである。図4は、比較例1の振動素子20における水晶片21の幅W2と発振周波数f2との関係を示すグラフである。
Next, the effect of the
図3は、図1に示す水晶片11の長さL1を0.8mmで一定とし、幅W11を変化させたときの発振周波数f1の変化を、FEM(Finite Element Method)によるシミュレーションで求めたものである。同様に、図4は、図2に示す水晶片21の長さL2を0.8mmで一定とし、幅W2を変化させたときの発振周波数f2の変化を、FEMによるシミュレーションで求めたものである。図3及び図4の横軸は、幅W11,W2がそれぞれ0.6mmの場合を「1」となるように規格化している。水晶片11,21は、オイラー角が(0°,125°,0°)であり、オイラー角が(0°,35°,0°)のATカット板と表裏が逆になっている点を除き等価である。発振周波数f1,f2が35MHz及びその近傍になるように、振動素子10,20のシミュレーションモデルが設計されている。
FIG. 3 shows the variation of the oscillation frequency f1 obtained by simulation using FEM (Finite Element Method) when the length L1 of the
図4の比較例1では、幅W2が0.91付近及び1.01付近で発振周波数f2が不連続に変化する。これに対し、図3の本実施形態1では、幅W11が0.85〜1.15の範囲で発振周波数f2がほぼ連続的に変化する。この結果からも明らかなように、本実施形態1ではアクティビティディップの改善が認められる。したがって、本実施形態1によれば、振動素子の設計自由度の向上、及び、工程バラつきに対する余裕度の確保が可能である。 In Comparative Example 1 of FIG. 4, the oscillation frequency f2 changes discontinuously when the width W2 is around 0.91 and around 1.01. On the other hand, in the first embodiment of FIG. 3, the oscillation frequency f2 changes substantially continuously in the range of the width W11 from 0.85 to 1.15. As is apparent from this result, the activity dip is improved in the first embodiment. Therefore, according to the first embodiment, it is possible to improve the design freedom of the vibration element and to secure a margin for process variation.
次に、実施形態2の振動素子について説明する。図5は実施形態2の振動素子を示す平面図であり、図5[1]は第一例、図5[2]は第二例、図5[3]は第三例である。 Next, the resonator element according to the second embodiment will be described. FIG. 5 is a plan view showing the resonator element according to the second embodiment. FIG. 5 [1] is a first example, FIG. 5 [2] is a second example, and FIG. 5 [3] is a third example.
本実施形態2の振動素子は、水晶片の形状が異なる点を除き、実施形態1の振動素子と同じ構成である。本実施形態2の作用及び効果は、実施形態1のそれらと同様である。 The vibration element according to the second embodiment has the same configuration as that of the vibration element according to the first embodiment except that the shape of the crystal piece is different. The operations and effects of the second embodiment are the same as those of the first embodiment.
図5[1]に示す第一例の水晶片41では、長さL1方向の両端の幅W12は、実施形態1と同じように、両方とも長さL1方向の中央の幅W11よりも広くなっている。ただし、幅W11,W12を決める二辺(上辺41a及び下辺41b)は、実施形態1と異なり直線状(折れ線状)である。第一例の水晶片41でも、実施形態1の水晶片と同様に、両端の幅W12側に輪郭振動のエネルギが閉じ込められる。
In the
図5[2]に示す第二例の水晶片51では、実施形態1と異なり、長さL1方向の両端の一方の幅W15は長さL1方向の中央の幅W14よりも広く、長さL1方向の両端の他方の幅W13は長さL1方向の中央の幅W14よりも狭い。幅W13,W14,W15を決める二辺(上辺51a及び下辺51b)は、曲線状である。両端のうち長い方の幅W15側に、輪郭振動のエネルギが閉じ込められる。なお、パッド電極を形成する位置は、輪郭振動のエネルギをパッケージ側に逃がすため、幅W15側が望ましい。
In the
図5[3]に示す第三例の水晶片61では、第二例と同じように、長さL1方向の両端の一方の幅W15は長さL1方向の中央の幅W14よりも広く、長さL1方向の両端の他方の幅W13は長さL1方向の中央の幅W14よりも狭い。ただし、幅W13,W14,W15を決める二辺(上辺61a及び下辺61b)は、第二例と異なり直線状である。なお、第二例と同様に、両端のうち長い方の幅W15側に輪郭振動のエネルギが閉じ込められ、パッド電極を形成する位置は幅W15側が望ましい。
In the
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention. Further, the present invention includes a combination of some or all of the configurations of the above-described embodiments as appropriate.
例えば、水晶の単結晶の構造は、光軸であるZ軸に2回対称であり、電気軸であるX軸に3回対称である。そのため、本発明で用いる水晶の面に対称又は等価な面は、本発明と同様の特性を有することは言うまでもない。 For example, the structure of a single crystal of quartz is two-fold symmetric with respect to the Z axis that is the optical axis, and three times symmetric with respect to the X axis that is the electric axis. Therefore, it goes without saying that a plane which is symmetric or equivalent to the plane of the quartz used in the present invention has the same characteristics as the present invention.
また、厚みすべり振動モードの水晶片(すなわちATカット水晶板)は、その厚さを中央部から端部に向けて徐々に薄く形成すると、端部での振動変位の減衰量が大きくなるので、中央部に振動エネルギが閉じ込められ、CI値やQ値等の周波数特性が向上する。そのような振動エネルギ閉じ込め構造として、平坦な厚肉中央部と端縁との間を斜面にしたベベル形状、平坦な厚肉中央部の周縁部分を薄肉化したメサ型等がある。本発明における水晶片として、そのようなベベル形状やメサ型の水晶片を用いてもよい。 In addition, when the thickness-shear vibration mode crystal piece (that is, the AT-cut crystal plate) is formed so that its thickness is gradually reduced from the center portion toward the end portion, the attenuation amount of the vibration displacement at the end portion increases. Vibration energy is confined in the center, and frequency characteristics such as CI value and Q value are improved. As such a vibration energy confinement structure, there are a bevel shape having a slope between a flat thick central portion and an edge, a mesa type having a thin peripheral portion of the flat thick central portion, and the like. Such a bevel-shaped or mesa-type crystal piece may be used as the crystal piece in the present invention.
<実施形態1>
10 振動素子
11 水晶片
12a,12b 励振電極
L1 長さ
W11,W12 幅
t 厚み
11a 上辺
11b 下辺
<比較例1>
20 振動素子
21 水晶片
22a,22b 励振電極
L2 長さ
W2 幅
<実施形態2>
41,51,61 水晶片
W13,W14,W15 幅
41a,51a,61a 上辺
41b,51b,61b 下辺
<関連技術1>
30 輪郭振動素子
31 水晶片
32a,32b 励振電極
L3 長さ
W31,W32 幅
<
DESCRIPTION OF
20 Vibrating
41, 51, 61 Quartz piece W13, W14,
30
Claims (3)
この水晶片の表裏主面に設けられた励振電極と、
前記水晶片に設けられ前記励振電極に繋がる引き出し電極及びパッド電極と、
を備え、前記パッド電極を介してパッケージに搭載されるATカット水晶振動素子において、
前記幅は、前記長さ方向の両端の少なくとも一方において最も広く、前記長さ方向の中央に近づくにつれて狭くなり、
前記幅の最も広くなった側に前記パッド電極が形成された、
ことを特徴とするATカット水晶振動素子。 A crystal piece made of an AT-cut crystal plate having a width in a direction perpendicular to the length direction of one direction of the crystal crystal, and
Excitation electrodes provided on the front and back main surfaces of the crystal piece;
A lead electrode and a pad electrode provided on the crystal piece and connected to the excitation electrode;
In an AT-cut crystal resonator element mounted on a package via the pad electrode ,
The width is the widest at least one of both ends in the longitudinal direction, Ri narrowly closer to the center of the length direction,
The pad electrode is formed on the side having the largest width,
An AT-cut quartz crystal vibrating element characterized by the above.
請求項1記載のATカット水晶振動素子。 The widths at both ends in the length direction are both wider than the width at the center in the length direction,
The AT-cut crystal resonator element according to claim 1.
前記長さ方向の両端の他方の前記幅は前記長さ方向の中央の前記幅よりも狭い、
請求項1記載のATカット水晶振動素子。 The width at one of the ends in the length direction is wider than the width at the center in the length direction,
The other width at both ends of the length direction is narrower than the width at the center in the length direction,
The AT-cut crystal resonator element according to claim 1.
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