JP6791766B2 - 圧電振動片及び圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、励振電極の周囲に傾斜部が形成された圧電振動片及び圧電デバイスに関する。

圧電デバイスには、１つの圧電デバイスから２つの周波数の信号を同時出力するものが知られている。例えば、特許文献１では、１つの圧電振動片から２つの周波数の信号を同時出力させる旨が示されている。このような２つの周波数を同時発振させる圧電振動片は、例えば一方を出力信号とし、他方を温度補償のセンサとして使用すること等が行われている。このようなとき、２つの周波数を１つの圧電振動片で得られれば個体差の影響を軽減できる等、好ましい。

このような圧電振動片は、例えば圧電基板に励振電極が形成されることにより構成される。圧電基板は、周囲の厚さが薄いコンベックス形状に形成されることで振動エネルギーを閉じ込め、不要振動を抑圧することができる。しかし、圧電基板をコンベックス形状に形成するためには加工の手間及びコストがかかるという問題がある。これに対して、特許文献２では、圧電基板が平板状のまま両主面に形成される励振電極の周囲に励振電極の厚さが漸減する傾斜部を形成することで、圧電基板の加工の手間及びコストを削減する旨が示されている。

国際公開第２０１５／１３３４７２号 特開２００２−２１７６７５号公報

しかし、特許文献２に記載されるような傾斜面形状を形成しても傾斜面形状の寸法によって不要振動を抑える効果が大きく異なることが分かってきた。すなわち、励振電極の周囲に傾斜面形状を形成するのみでは十分に不要振動を抑えることができていないという問題があった。また、特許文献１に示されるように１つの圧電振動片で２つの周波数の信号を同時出力させる場合には、各周波数に基づいた不要振動が生じ、１つの周波数を発振させる場合より不要振動を抑えることが困難になるという問題があった。

そこで本発明では、２つの周波数の信号を出力させると共に、平板状の圧電基板に形成される励振電極の周囲に寸法が適切に調整された傾斜が形成されることにより不要振動が抑えられた圧電振動片及び圧電デバイスを提供することを目的とする。

第１観点の圧電振動片は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を含む。励振電極は、一定の厚さで形成される主厚部及び主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から励振電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、傾斜部の幅である傾斜幅が、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第１屈曲波長の０．８４倍以上１．３７倍以下であり、厚みすべり振動の３倍波での屈曲振動の波長である第２屈曲波長の２．２９倍以上３．７１倍以下である長さに形成される。

第２観点の圧電振動片は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、圧電基板の一方の主面に形成される第１励振電極と、圧電基板の他方の主面に形成される第２励振電極と、を含む。第１励振電極は全体が同一の厚さとなるように形成され、第２励振電極は一定の厚さで形成される主厚部及び主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から第２励振電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、主厚部は第１励振電極の厚さよりも厚く形成され、傾斜部の幅である傾斜幅が、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第１屈曲波長の０．８４倍以上１．３７倍以下であり、厚みすべり振動の３倍波での屈曲振動の波長である第２屈曲波長の２．２９倍以上３．７１倍以下である長さに形成される。

第３観点の圧電振動片は、第１観点及び第２観点において、基本波及び３倍波が同時発振されて使用される。

第４観点の圧電振動片は、第１観点から第３観点において、傾斜部の幅である傾斜幅が、第１屈曲波長の１．０５倍以上１．２６倍以下であり、第２屈曲波長の３．１４倍以上３．４３倍以下である長さに形成される。

第５観点の圧電振動片は、第１観点から第４観点において、励振電極の外形が円形又は楕円形に形成される。

第６観点の圧電デバイスは、第１観点から第５観点の圧電振動片と、圧電振動片を載置するパッケージと、を有する。

本発明の圧電振動片及び圧電デバイスによれば、２つの周波数の信号を出力させることができると共に、不要振動の発生を抑えることができる。

Ｍ−ＳＣカットの水晶材料の説明図である。 （ａ）は、圧電振動片１４０の下面図である。 （ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス１００の斜視図である。 （ａ）は、圧電振動片１４０の平面図である。 （ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 圧電振動片１４０の傾斜幅と振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。 （ａ）は、圧電振動片２４０の部分断面図である。 （ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス２００の概略断面図である。 圧電振動片２４０、圧電振動片３４０、及び圧電振動片４４０の励振電極の厚さと主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。 （ａ）は、圧電振動片５４０の平面図である。 （ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は、圧電振動片５４０、圧電振動片６４０、及び圧電振動片７４０の傾斜幅ＸＡ２と主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。 （ｂ）は、主厚部５４２ａの厚さＹＡ４を１００ｎｍとした場合の圧電振動片７４０の傾斜幅と主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。 （ａ）は、圧電振動片１４０ａの部分断面図である。 （ｂ）は、圧電振動片１４０ｂの部分断面図である。 （ｃ）は、圧電振動片１４０ｃの部分断面図である。

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。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜圧電デバイス１００の構成＞
図１は、Ｍ−ＳＣカットの水晶材料の説明図である。また、図２は圧電デバイス１００の説明図である。図２に示した圧電デバイス１００は圧電振動片１４０を含んでおり、圧電振動片１４０はＭ−ＳＣ（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ−ＳＣ）カットの水晶材料で形成された圧電基板１４１を基材として形成されている。以降では、Ｍ−ＳＣカットの水晶材料が用いられる圧電振動片及び圧電デバイスについては、図１に示される結晶軸を基に説明される。

図１では、水晶の結晶軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として表されている。Ｍ−ＳＣカットの水晶材料は２回回転カットの水晶材料の１種であり、水晶のＸＺ板を水晶のＺ軸を回転中心にしてφ度回転させ、この回転で生じたＸ’Ｚ板をＸ’軸を中心にしてθ度さらに回転して得られるＸ’Ｚ’板に相当するものである。Ｍ−ＳＣカットの場合は、φは約２４度、θは約３４度である。図１では、上記２回回転で生じる水晶片の新たな軸を、Ｘ’軸、Ｙ”軸、Ｚ’軸という表現で示してある。なお、２回回転カットの水晶材料は、厚み方向に伝搬するすべり変位を持ついわゆるＣモードやＢモードを主振動として利用される。

図２（ａ）は、圧電デバイス１００の斜視図である。圧電デバイス１００は、主に、パッケージ１１０、リッド１２０、及び所定の振動数で振動する圧電振動片１４０（図２（ｂ）、図３（ａ）参照）を含んで構成されている。圧電デバイス１００は、外側が主にパッケージ１１０及びリッド１２０により形成され、外形が例えば略直方体形状に形成されている。また、圧電デバイス１００の内部には圧電振動片１４０が内包されている。図２（ａ）に示される圧電デバイス１００は、長手方向がＸ’軸方向、圧電デバイス１００の高さ方向がＹ”軸方向、Ｘ’軸方向及びＹ”軸方向に垂直な方向がＺ’軸方向となるように形成されている。

パッケージ１１０の−Ｙ”軸側の面であり圧電デバイス１００が実装される面である実装面１１２ａには、実装端子１１１が形成されている。実装端子１１１は、圧電振動片１４０と接続される端子であるホット端子１１１ａと、接地用として使用可能な端子（以下、アース端子と仮称する）１１１ｂと、により構成されている。パッケージ１１０では、実装面１１２ａの＋Ｘ’軸側の−Ｚ’軸側の角及び−Ｘ’軸側の＋Ｚ’軸側の角にそれぞれホット端子１１１ａが形成され、実装面１１２ａの＋Ｘ’軸側の＋Ｚ’軸側の角及び−Ｘ’軸側の−Ｚ’軸側の角にそれぞれアース端子１１１ｂが形成されている。パッケージ１１０の＋Ｙ”軸側の面には圧電振動片１４０が載置される空間であるキャビティ１１３が形成されており（図２（ｂ）参照）、キャビティ１１３は封止材１３０を介してリッド１２０により封止されている。

図２（ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス１００の斜視図である。パッケージ１１０の＋Ｙ”軸側の面に形成されるキャビティ１１３は、実装面１１２ａの反対側の面であり圧電振動片１４０が載置される載置面１１２ｂと、載置面１１２ｂの周囲に形成される側壁１１４と、により囲まれている。また、載置面１１２ｂには、ホット端子１１１ａと電気的に接続される一対の接続電極１１５が形成されている。圧電振動片１４０は、引出電極１４３と接続電極１１５とが導電性接着剤１３１を介して電気的に接続されるように載置面１１２ｂに載置されている。

図３（ａ）は、圧電振動片１４０の平面図である。圧電振動片１４０は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動するＭ−ＳＣカットの水晶材料で形成された圧電基板１４１と、圧電基板１４１の＋Ｙ”軸側及び−Ｙ”軸側の両主面に形成される励振電極１４２と、励振電極１４２から圧電基板１４１の−Ｘ’軸側の辺の両端に引き出される引出電極１４３と、を含んで構成されている。圧電基板１４１は、長辺がＸ’軸方向に伸び、短辺がＺ’軸方向に伸びる長方形状の平面を有する平板状の基板である。また、励振電極１４２は、長軸がＸ’軸方向に伸び短軸がＺ’軸方向に伸びる楕円形状に形成されており、圧電基板１４１の＋Ｙ”軸側の面に形成される第１励振電極１４２ａと、圧電基板１４１の−Ｙ”軸側に形成される第２励振電極１４２ｂ（図３（ｂ）参照）と、により構成されている。第１励振電極１４２ａと第２励振電極１４２ｂとは同じ平面形状、同じ面積に形成され、Ｙ”軸方向に全体が互いに重なるように形成されている。なお、第１励振電極１４２ａと第２励振電極１４２ｂとは、一部が重ならないよう所定関係でずれて対向するように形成されていても良い。第１励振電極１４２ａ及び第２励振電極１４２ｂは、一定の厚さに形成される主厚部１４８ａ及び主厚部１４８ａの周囲に一定の幅で形成され主厚部１４８ａに接する部分から第１励振電極１４２ａ又は第２励振電極１４２ｂの最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部１４８ｂを有している。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。第１励振電極１４２ａ及び第２励振電極１４２ｂは、全体が同一の厚さＹＡ１となるように形成されている。すなわち、主厚部１４８ａは一定の厚さＹＡ１となるように形成されている。ここで、これら第１励振電極１４２ａ、第２励振電極１４２ｂ、及び主厚部１４８ａの厚さは実質的に一定であり、製造のばらつき等による不可避的な変動は「一定」に含まれるものとする。第１励振電極１４２ａ及び第２励振電極１４２ｂの各傾斜部１４８ｂは、４つの段差が形成されることにより主厚部１４８ａ側から第２励振電極１４２ｂの最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成されている。傾斜部１４８ｂは、主厚部１４８ａ側から第１励振電極１４２ａ又は第２励振電極１４２の最外周までの幅がＸＡに形成されており、各段差間の幅がＸＢに形成されている。すなわち、図３（ｂ）に示されるように幅ＸＡは幅ＸＢの３倍の長さに形成されている。また、傾斜部１４８ｂの各段差の高さはＹＢに形成されている。そのため、厚さＹＡ１は高さＹＢの４倍の厚さとなっている。

＜圧電振動片の振動エネルギーの損失について＞
図４は、圧電振動片１４０の傾斜幅と振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。図４では、励振電極の全てが金（Ａｕ）で形成され、Ｃモードを主振動とした場合の基本波（周波数：３０ＭＨｚ）及び３倍波（周波数：９０ＭＨｚ）について、主厚部１４８ａの膜厚ＹＡ１が１００ｎｍ、１４０ｎｍ、１８０ｎｍの場合のシミュレーションによる計算結果が示されている。圧電デバイス１００は、例えば２つの発振回路に接続され、異なる周波数を同時発振させることにより用いられる。図４を参照して、このような異なる周波数を発振させた場合の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）について考慮する。

図４のグラフの横軸は、傾斜幅ＸＡ（μｍ）が示されている。図４のグラフの縦軸では、主振動の振動エネルギーの損失を示すＱ値の逆数が示されている。また図４では、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１００ｎｍで基本波を発振した場合の圧電振動片１４０が白抜きの四角で示され、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１４０ｎｍで基本波を発振した場合の圧電振動片１４０が白抜きの三角で示され、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１８０ｎｍで基本波を発振した場合の圧電振動片１４０が白抜きの丸で示され、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１００ｎｍで３倍波を発振した場合の圧電振動片１４０が黒塗りの四角で示され、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１４０ｎｍで３倍波を発振した場合の圧電振動片１４０が黒塗りの三角で示され、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１が１８０ｎｍで３倍波を発振した場合の圧電振動片１４０が黒塗りの丸で示されている。

図４では、基本波における傾斜幅と振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が、主厚部１４８ａの厚さＹＡ１の大きさに関わらず似たような傾向を示しており、傾斜幅ＸＡが約３０μｍから約１３０μｍの範囲で振動エネルギーの損失を示す１／Ｑが８．０×１０^−６（図４及び以降のグラフでは「×１０^−６」を「Ｅ−６」と表記）以下と低くなっている。また、３倍波における傾斜幅と振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係では、傾斜幅ＸＡが約８０μｍ以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す１／Ｑが４．０×１０^−６以下と低くなっている。これらの結果より、基本波及び３倍波の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）が共に低くなる傾斜幅ＸＡが約８０μｍから約１３０μｍである範囲（図４の範囲Ａ）では、基本波及び３倍波の両方の圧電振動片１４０の振動エネルギーの損失が抑えられるため、基本波及び３倍波を同時発振した場合の圧電振動片１４０の振動エネルギーの損失が抑えられる。

さらに、図４の基本波では、傾斜幅ＸＡが約４０μｍから約１２０μｍの範囲で振動エネルギーの損失を示す１／Ｑが低い状態で安定しているため特に好ましい。３倍波については、傾斜幅ＸＡが約１００μｍ以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す１／Ｑが３．０×１０^−６以下と低くなっているため特に好ましい。これらの結果より、基本波及び３倍波の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）が共に低くなる傾斜幅ＸＡが約１００μｍから約１２０μｍの範囲（図４の範囲Ｂ）では、基本波及び３倍波の圧電振動片１４０における振動エネルギーの損失を特に抑えることができるため、基本波及び３倍波を同時発振した場合の圧電振動片１４０の振動エネルギーの損失を特に抑えることができる。

図４ではＭ−ＳＣカットの例を示した。Ｍ−ＳＣカット、ＳＣカット、ＩＴカット、ＡＴカット各々は水晶の結晶軸であるＸ軸を回転中心軸としていわゆる方向角が３４〜３５度付近を持つことから、本発明で述べる傾斜幅と損失との関係も同様の傾向を示す。従って、本発明はＳＣカット、ＩＴカット、ＡＴカット等の他の厚みすべり振動する水晶振動子にも適用できる。また、例えばＬＴ（タンタル酸リチウム）等の圧電セラミックスにも適用できると考えられる。Ｍ−ＳＣカット以外の圧電基板が用いられた場合の影響については、後述される第３実施形態においても説明される。

圧電振動片では、主振動（例えばＣモード）と共に主振動とは異なり設計上意図されない振動である不要振動が生じる。ＡＴカット及びＳＣカット等の水晶材料により形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板により形成される圧電振動片では、不要振動として特に屈曲振動によるものの影響が大きい。屈曲振動は、主に励振電極の端部で振動エネルギーが屈曲振動に変換されることにより、それが主振動に重畳し、圧電振動片全体で振動するため、圧電振動片が保持される導電性接着剤に振動エネルギーが吸収される。このような屈曲振動によるエネルギーの損失は振動エネルギーの損失につながる。傾斜幅ＸＡがこのような屈曲振動の波長である屈曲波長で規格化された場合には、Ｍ−ＳＣカット以外の厚みすべり振動で振動する圧電振動片に適用できる値として示すことができる。

Ｍ−ＳＣカットの圧電振動片１４０では、基本波の屈曲波長λ_１ｓｔが約９５μｍであり、３倍波の屈曲波長λ_３ｒｄが約３５μｍである。これらの屈曲波長で傾斜幅ＸＡを規格化すると、図４の範囲Ａは屈曲波長λ_１ｓｔの０．８４倍以上１．３７倍以下であり、屈曲波長λ_３ｒｄの２．２９倍以上３．７１倍以下となる。また、図４の範囲Ｂは、屈曲波長λ_１ｓｔの１．０５倍以上１．２６倍以下であり、屈曲波長λ_３ｒｄの３．１４倍以上３．４３倍以下となる。Ｍ−ＳＣカット以外の厚みすべり振動で振動する圧電振動片がこれらの条件を満たす場合には、基本波及び３倍波の同時発振がなされた場合の振動エネルギーの損失を抑えることができる。

（第２実施形態）
励振電極に傾斜部が形成された圧電振動片では、圧電振動片の周波数調整のために励振電極をトリミングする際に傾斜部が消失し、これによって振動エネルギーの損失が大きくなる場合がある。以下に、周波数調整の際のこのような振動エネルギーの損失が防がれた圧電振動片及び圧電デバイスについて説明する。

＜圧電デバイス２００の構成＞
図５（ａ）は、圧電振動片２４０の部分断面図である。圧電振動片２４０は、平板状に形成され厚みすべり振動で振動するＭ−ＳＣカットの水晶材料で形成された圧電基板１４１と、圧電基板１４１の＋Ｙ”軸側及び−Ｙ”軸側の両主面に形成される励振電極２４２と、励振電極２４２から圧電基板１４１の−Ｘ’軸側の辺の両端に引き出される引出電極１４３と、を含んで構成されている。圧電振動片２４０と圧電振動片１４０とは、励振電極のみが異なっており、他の構成は共通している。励振電極２４２は、励振電極１４２と同じ平面形状である長軸がＸ’軸方向に伸び短軸がＺ’軸方向に伸びる楕円形状に形成されており、圧電基板１４１の＋Ｙ”軸側の面に形成される第１励振電極２４２ａと、圧電基板１４１の−Ｙ”軸側に形成される第２励振電極２４２ｂと、により構成されている。第１励振電極２４２ａと第２励振電極２４２ｂとは同じ平面形状、同じ面積に形成され、Ｙ”軸方向に全体が互いに重なるように形成されている。なお、第１励振電極２４２ａと第２励振電極２４２ｂとは、一部が重ならないよう所定関係でずれて対向するように形成されていても良い。

図５（ａ）では、図３（ａ）のＡ−Ａ断面に対応する圧電振動片２４０の部分断面図が示されている。第１励振電極２４２ａは、全体が同一の厚さＹＡ２となるように形成されている。第２励振電極２４２ｂは一定の厚さに形成される主厚部２４８ａ及び主厚部２４８ａの周囲に一定の幅で形成され主厚部２４８ａに接する部分から第２励振電極２４２ｂの最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部２４８ｂを有しており、主厚部２４８ａが一定の厚さＹＡ３となるように形成されている。ここで、これら第１励振電極２４２ａ及び主厚部２４８ａの厚さは実質的に一定であり、製造のばらつき等による不可避的な変動は「一定」に含まれるものとする。厚さＹＡ３は厚さＹＡ２よりも厚く形成されている。第２励振電極２４２ｂの傾斜部２４８ｂは、４つの段差が形成されることにより主厚部２４８ａ側から第２励振電極２４２ｂの最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成されている。傾斜部２４８ｂは、主厚部２４８ａ側から第２励振電極２４２ｂの最外周までの幅がＸＡ１に形成されており、各段差間の幅がＸＢ１に形成されている。すなわち、図５（ａ）に示されるように幅ＸＡ１は幅ＸＢ１の３倍の長さに形成されている。また、傾斜部２４８ｂの各段差の高さはＹＢ１に形成されている。そのため、厚さＹＡ３は高さＹＢ１の４倍の厚さとなっている。

図５（ｂ）は、リッド１２０が取り外された圧電デバイス２００の概略断面図である。圧電デバイス２００は、主に、パッケージ１１０、リッド１２０、及び圧電振動片２４０を含んで構成されている。圧電デバイス２００では、図５（ｂ）に示されるように、第２励振電極２４２ｂがパッケージ１１０と向き合うように配置される。圧電デバイス２００は、パッケージ１１０に圧電振動片２４０が載置された後に周波数が調整される。周波数の調整は、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガス等によるイオンビーム１５１を第１励振電極２４２ａに照射して第１励振電極２４２ａの一部をトリミングすることにより行われる。圧電デバイス２００では、傾斜部が形成されていない第１励振電極２４２ａがトリミングされるため、トリミングをする際に傾斜部を消失させることが無く、傾斜部が消失して振動エネルギーの損失を大きくすることを防ぐことができる。

＜圧電振動片２４０の振動エネルギーの損失について＞
以下に、圧電振動片２４０の励振電極２４２の厚さと振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係について、傾斜部が形成された励振電極が圧電基板１４１の両主面に形成されている圧電振動片３４０（不図示）及び傾斜部が形成されていない励振電極が圧電基板１４１の両主面に形成されている圧電振動片４４０（不図示）と比較しながら説明する。なお、圧電振動片３４０及び圧電振動片４４０は、傾斜部を圧電振動片の両主面に持つこと、又は、両主面に持たないこと以外、その他の構成は、圧電振動片２４０と同じである。

図６は、圧電振動片２４０、圧電振動片３４０、及び圧電振動片４４０の励振電極の厚さと主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。より詳細には、圧電基板の一方の主面の励振電極の端部に傾斜部を設け、かつ、他方の主面の励振電極の厚さを前記一方の励振電極より薄くするという発明の趣旨を示したグラフである。図６では、解析モデルとして、励振電極の全てが金（Ａｕ）で形成され、主振動の基本波の周波数を３０ＭＨｚ（屈曲波長λ_１ｓｔが約９５μｍ）とし、傾斜幅ＸＡを１３３μｍ（屈曲波長λ_１ｓｔの１．４倍）とした場合のシミュレーションによる計算結果が示されている。図６のグラフでは、横軸に励振電極の厚さＹＡ２、ＹＡ３が示されている。圧電振動片２４０、圧電振動片３４０及び圧電振動片４４０いずれも、励振電極２４２の厚さについては、厚さＹＡ２と厚さＹＡ３との合計が常に２８０ｎｍとなっており、図６では厚さＹＡ３がグラフの右側に向かうに従って増加している。また、図６の縦軸には主振動（例えばＣモード）の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）が示されている。図６では、圧電振動片２４０が黒丸、圧電振動片３４０が黒い菱形、圧電振動片４４０が白抜きの四角形で表されている。なお、厚さＹＡ２と厚さＹＡ３との合計が常に２８０ｎｍとなる条件でシミュレーションする理由は、圧電振動片において、いわゆるエネルギー閉じ込めを確保するためである。すなわち、エネルギー閉じ込めを確保した前提で、本発明の効果を確認したいためである。ただし、２８０ｎｍという値は、実施形態の圧電基板の大きさ、形状、周波数に応じた一つの例である。

圧電振動片２４０は、厚さＹＡ２及び厚さＹＡ３が１４０ｎｍである場合に、振動エネルギーの損失を示す１／Ｑが約５．５×１０^−６となっている。また、圧電振動片２４０では、傾斜部が形成されていない第１励振電極２４２ａの厚さＹＡ２を薄くし、その代わりに第２励振電極２４２ｂの厚さＹＡ３を厚くすることで１／Ｑが低下し、厚さＹＡ２が６０ｎｍ、厚さＹＡ３が２２０ｎｍとなる場合に１／Ｑが約３．１×１０^−６となっている。すなわち、圧電振動片２４０では、圧電基板の片面の励振電極の縁に傾斜部を設けるとともに、他方の励振電極の厚さを薄くすることで、圧電振動片の損失が低下することが分かる。一方、比較例の１つであって両面の励振電極に傾斜部を持っている圧電振動片３４０では、厚さＹＡ２と厚さＹＡ３を変更した場合（圧電振動片３４０及び圧電振動片４４０では、圧電基板の＋Ｙ”軸側の励振電極の厚さをＹＡ２、−Ｙ”軸側の励振電極の厚さをＹＡ３とする）でも、１／Ｑは約２．４×１０^−６〜約２．６×１０^−６と、横ばい状態であり、一見すると特性としては好ましい。しかし、圧電振動片３４０では、両面の励振電極に傾斜部を持つことから、周波数調整時に周波数調整面側の励振電極の傾斜部が消失することが起きるので、実製品ではこの特性を維持できない場合がある。また、比較例の他の１つであって両面の励振電極に傾斜部を持っていない圧電振動片４４０では、厚さＹＡ２と厚さＹＡ３を変更した場合、厚さＹＡ３が増えるに従って１／Ｑが大きくなり、厚さＹＡ３が２２０ｎｍのときに１／Ｑが約９．９×１０^−６となっている。すなわち、圧電振動片４４０では、ＹＡ３の厚さが厚くなるに従いこの励振電極の縁部での段差に起因した不要モードが生じて、損失が増加する。

本発明に係る圧電振動片２４０では、厚さＹＡ２及び厚さＹＡ３が１４０ｎｍである場合に、圧電振動片２４０の１／Ｑの値が圧電振動片４４０の１／Ｑの値に近くなっている。これは、圧電振動片２４０では第２励振電極２４２ｂに傾斜部２４８ｂが形成されているものの、第１励振電極２４２ａには傾斜部が形成されていないため屈曲振動の主振動に対する影響が十分に抑えられていないためであると考えられる。また、圧電振動片２４０では第１励振電極２４２ａの厚さＹＡ２が薄くなるに従って１／Ｑが低下し、厚さＹＡ２が６０ｎｍである場合に圧電振動片３４０の１／Ｑに近くなっている。これは第１励振電極２４２ａの厚さＹＡ２が薄くなることにより、電極端部の段差の影響が軽減されるので、第１励振電極２４２ａにおける屈曲振動の発生が抑えられるためと考えられる。すなわち、圧電振動片２４０では、傾斜部が形成されていない第１励振電極２４２ａの厚さは薄い方が良い。

第１励振電極２４２ａの厚さＹＡ２は、第１励振電極２４２ａの端部で不要モードの誘発を抑制できかつ電極本来の導電膜としての機能が得られることを前提に極力薄い方が好ましい。図６からは、圧電振動片２４０では厚さＹＡ２を薄くすることにより屈曲振動の主振動に対する影響を抑えることができることが分かる。一方で、薄膜技術において膜として成立し得る下限の範囲が６０ｎｍから１００ｎｍの厚さであることが知られており、これを考慮すると第１励振電極２４２ａの電極としての本来の機能を発揮させるためには厚さＹＡ２が少なくとも６０ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは６０ｎｍから８０ｎｍの厚さを有する必要がある。すなわち、第１励振電極の厚さＹＡ２は、６０ｎｍ〜１００ｎｍ、好ましくは６０ｎｍから８０ｎｍの範囲にあることが好ましい。

また、圧電振動片２４０では使用される圧電基板１４１がベベル加工又はコンベックス加工などの加工がされない代わりに励振電極を所定の厚さに形成することにより振動エネルギーを閉じ込めている。よって、第１励振電極２４２ａの厚さＹＡ２との第２励振電極２４２ｂの厚さＹＡ３との合計厚さが振動エネルギー閉じ込めを行える膜厚となるように、第２励振電極２４２ｂの厚さＹＡ３を選択するのが良い。具体的には、両励振電極の厚さの合計が圧電基板の板厚に対して数％程度の値から、圧電振動片の大きさや周波数等を考慮して決めることができ、例えば２〜５％から選ぶのが良い。圧電振動片２４０では、第２励振電極２４２ｂの厚さを厚くすることにより励振電極２４２全体の合計の膜厚を確保すると共に、第２励振電極２４２ｂに傾斜部２４８ｂを形成することで第２励振電極２４２ｂの端部で振動エネルギーが屈曲振動に変換されることが防がれている。

図６からは、第１励振電極２４２ａの厚さを第２励振電極２４２ｂの厚さよりも薄く形成することで、１／Ｑを両主面の励振電極に傾斜部が形成される場合（圧電振動片３４０）に近い値にまで低下させることができ、圧電振動片を実用に耐えうる状態にすることができることがわかる。また、このような傾向は、基本波及び３倍波の同時発振がなされる場合にも当てはまり、ＡＴカット、ＳＣカット、ＩＴカットなどの他の厚みすべり振動で振動する水晶材料が用いられた場合又は厚みすべり振動で振動する他の圧電材料、例えばＬＴ（タンタル酸リチウム）、圧電セラミックスが圧電基板に用いられた場合にも当てはまる。さらに、励振電極が円形状に形成される場合にも当てはまる。

（第３実施形態）
以下に、励振電極の外形形状の違いによる影響、Ｍ−ＳＣカット以外の厚みすべり振動をする圧電基板が用いられた場合の影響、及び励振電極の厚さと傾斜幅の最適な範囲との関係について説明する。

図７（ａ）は、圧電振動片５４０の平面図である。圧電振動片５４０は、圧電基板５４１に励振電極５４２及び引出電極１４３が形成されることにより構成されている。圧電基板５４１は、圧電基板１４１とは異なり厚みすべり振動で振動するＡＴカットの水晶材料を基材として形成されている。ＡＴカットの水晶材料は主面（ＸＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸から−Ｙ軸方向に３５度１５分傾斜されて形成され、図７（ａ）では、ＡＴカットの水晶材料の傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として示している。励振電極５４２は平面形状が円形状に形成されており、励振電極５４２からは圧電基板５４１の−Ｘ軸側の辺の両端に引出電極１４３が引き出されている。励振電極５４２には、主厚部５４８ａ及び傾斜部５４８ｂが形成されている。主厚部５４８ａの厚さはＹＡ４で示してある。

図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。励振電極５４２は、圧電基板５４１の＋Ｙ’軸側の面に形成される第１励振電極５４２ａと、−Ｙ’軸側の面に形成される第２励振電極５４２ｂと、により構成されている。第１励振電極５４２ａ及び第２励振電極５４２ｂは共に主厚部５４８ａ及び傾斜部５４８ｂを有している。主厚部５４８ａの厚さはＹＡ４である。傾斜部５４８ｂは、主厚部５４２ａ側から励振電極５４２の最外周までの幅がＸＡ２に形成されており、主厚部５４２ａ側から励振電極５４２の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなり、４つの段差により形成され、各段差の幅がＸＢ２、各段差の高さがＹＢ２に形成されている。

図８（ａ）は、圧電振動片５４０、圧電振動片６４０、及び圧電振動片７４０の傾斜幅ＸＡ２と主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。圧電振動片６４０は圧電振動片５４０において励振電極４４２の平面形状が楕円形状とされた圧電振動片である。また、圧電振動片７４０は、圧電振動片５４０において、圧電基板５４１の代わりにＭ−ＳＣカットの圧電基板１４１（図３（ａ）参照）が用いられた圧電振動片である。圧電振動片６４０及び圧電振動片７４０の他の構成要素は、圧電振動片５４０と同様である。図８（ａ）には、主振動の周波数が２６ＭＨｚ（ＡＴカットの水晶材料では屈曲波長λが約１００μｍ、Ｍ−ＳＣカットの水晶材料では屈曲波長λが約１１０μｍ）、励振電極５４２の主厚部５４８ａの厚さＹＡ４が１４０ｎｍである場合のシミュレーションによる計算結果が示されている。図８（ａ）では、圧電振動片５４０が白抜きの丸で示され、圧電振動片６４０が黒塗りの四角形で表され、圧電振動片７４０が白抜きの三角形で示されている。図８（ａ）のグラフの横軸では、この屈曲振動の波長である屈曲波長λで規格化された傾斜幅が示されている。そのため、図８（ａ）のグラフに示される傾斜幅は、同一の目盛でも圧電振動片によって実際の傾斜幅の寸法が異なる。例えば、２６ＭＨｚの振動周波数による振動を主振動とした場合では、ＡＴカットの水晶材料で形成された圧電基板を有する圧電振動片１４０の屈曲波長λは約１００μｍとなり、Ｍ−ＳＣカットの水晶材料で形成された圧電基板を有する圧電振動片２４０の屈曲波長λは約１１０μｍとなる。このとき図８（ａ）のグラフにおいて「１」で示される傾斜幅の実際の寸法は１×λであり、圧電振動片１４０では傾斜幅が１×λ＝約１００μｍとなり、圧電振動片２４０では傾斜幅が１×λ＝約１１０μｍとなる。

図８（ａ）では、圧電振動片５４０、圧電振動片６４０、及び圧電振動片７４０の各圧電振動片について、傾斜幅が０．５から３となる範囲、すなわち傾斜幅が不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長λの０．５倍以上３倍以下の長さに形成される場合に１／Ｑが低く好ましい。特に傾斜幅が屈曲波長λの１倍以上２．５倍以下の長さに形成される場合には１／Ｑが低く安定しており、より好ましい。すなわち、図８（ａ）からは、屈曲波長で規格化された傾斜幅は、励振電極の平面形状及び厚みすべり振動をする圧電基板の材質の違いに大きく依存しないことが分かる。そのため、第１実施形態及び第２実施形態で示された結果が屈曲波長で規格化された傾斜幅で示される場合には、励振電極が円形状に形成される場合及びＭ−ＳＣカット以外の厚みすべり振動をする圧電基板が用いられた場合にも当てはまる。

図８（ｂ）は、主厚部５４２ａの厚さＹＡ４を１００ｎｍとした場合の圧電振動片７４０の傾斜幅と主振動の振動エネルギーの損失（１／Ｑ）との関係が示されたグラフである。この図８（ｂ）から分かるように。励振電極の厚さ（主厚部５４２ａの厚さ）を変更した場合であっても、傾斜幅が屈曲波長λの０．５倍以上３倍以下の長さに形成される場合には振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。さらに、傾斜幅が屈曲波長λの１倍以上２．５倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失がより抑えられていることが分かる。従って、励振電極の厚さを変更した場合であっても傾斜幅は、屈曲波長λの０．５倍以上３倍以下、好ましくは１倍以上２．５倍以下の範囲とするのが有効なことが分かる。この傾向は励振電極の厚さが少なくとも７０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲においても確認できた。このように、図８（ａ）及び図８（ｂ）より、傾斜幅の適切な範囲が励振電極の厚さに大きく依存していないことが確認できる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）から導かれた、屈曲波長で規格化された傾斜幅が励振電極の平面形状及び厚みすべり振動をする圧電基板の材質の違いに大きく依存しないこと、及び傾斜幅の適切な範囲が励振電極の厚さに大きく依存していないことは、第１実施形態及び第２実施形態の圧電振動片についても当てはまる。すなわち、第１実施形態及び第２実施形態において、励振電極の平面形状が円形状等の他の形状に変えられ、Ｍ−ＳＣカット以外の厚みすべり振動をする圧電基板が用いられ、励振電極の厚さが変えられた場合であっても、第１実施形態及び第２実施形態で導かれた条件を満たす場合には、基本波及び３倍波の同時発振がなされた場合の振動エネルギーの損失を抑えることができる。

（第４実施形態）
第１実施形態から第３実施形態ではシミュレーション結果が示されたが、実際の励振電極の傾斜部は様々な方法により形成することができる。以下に、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示される圧電振動片１４０の実際の形成例である圧電振動片１４０ａ、圧電振動片１４０ｂ、及び圧電振動片１４０ｃについて説明する。

図９（ａ）は、圧電振動片１４０ａの部分断面図である。図９（ａ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む部分断面図である。圧電振動片１４０ａの励振電極１４２は、第１層１４４ａ、第１層１４４ａを覆うように形成される第２層１４５ａ、第２層１４４ａを覆うように形成される第３層１４６ａ、及び第３層１４６ａを覆うように形成される第４層１４７ａを含んで形成される。これらの第１層１４４ａから第４層１４７ａは、例えばスパッタ又は蒸着等により形成することができる。図９（ａ）に示されるように、積層される層の面積が徐々に広くなるように形成することにより、傾斜部１４８ｂの傾斜を形成することができる。なお、図９（ａ）では４つの層のみ示してあるが、圧電基板１４１と励振電極用金属との密着性を確保するために通常設けられる下地層例えばクロム膜等の図示は省略してある。

図９（ｂ）は、圧電振動片１４０ｂの部分断面図である。９（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む部分断面図である。圧電振動片１４０ｂの励振電極１４２は、第１層１４４ｂ、第１層１４４ｂの表面に第１層１４４ｂよりも狭い面積で形成される第２層１４５ｂ、第２層１４５ｂの表面に第２層１４５ｂよりも狭い面積で形成される第３層１４６ｂ、及び第３層１４６ｂの表面に第３層１４６ｂよりも狭い面積で形成される第４層１４７ｂを含んで形成される。これらの第１層１４４ｂから第４層１４７ｂは、例えばスパッタ又は蒸着等により形成することができる。図９（ａ）の場合とは逆に、図９（ｂ）に示されるように、積層する層の面積を徐々に狭くすることによっても傾斜部１４８ｂの傾斜を形成することができる。

図９（ｃ）は、圧電振動片１４０ｃの部分断面図である。図９（ｃ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面に相当する断面を含む部分断面図である。励振電極１４２の傾斜部１４２ｂの傾斜は、段差ではなく、図９（ｃ）に示されるような斜面により形成されても良い。このような傾斜部１４８ｂの斜面は、例えばフォトリソグラフィ技術でレジストの厚みを調整することにより、又は励振電極の成膜後にイオンビームトリミング等で励振電極の一部を削って斜面を形成すること等により形成することができる。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

例えば、上記実施形態における傾斜部の段差は４段であるが、段差は４段に限らず、これよりも多くても少なくとも良い。また、圧電デバイスは、パッケージに発振回路が取り付けられた圧電発振器として形成されても良い。さらに、上記の実施形態は様々に組み合わせて実施されても良い。

１００、２００ … 圧電デバイス
１１０ … パッケージ
１１１ … 実装端子
１１１ａ … ホット端子
１１１ｂ … アース端子
１１２ａ … 実装面
１１２ｂ … 載置面
１１３ … キャビティ
１１４ … 側壁
１１５ … 接続電極
１２０ … リッド
１３０ … 封止材
１３１ … 導電性接着剤
１４０、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、２４０、３４０、４４０、５４０ … 圧電振動片
１４１、５４１ … 圧電基板
１４２、２４２、５４２ … 励振電極
１４２ａ、２４２ａ、５４２ａ … 第１励振電極
１４２ｂ、２４２ｂ、５４２ｂ … 第２励振電極
１４３ … 引出電極
１４４ａ … 第１層
１４５ａ … 第２層
１４６ａ … 第３層
１４７ａ … 第４層
１４８ａ、２４８ａ、５４８ａ … 主厚部
１４８ｂ、２４８ｂ、５４８ｂ … 傾斜部
ＸＡ、ＸＡ１、ＸＡ２ … 傾斜部の幅（傾斜幅）
ＸＢ、ＸＢ１、ＸＢ２ … 段差間の幅
ＹＡ１ … 第１励振電極１４２ａ、第２励振電極１４２ｂ、及び主厚部１４８ａの厚さ
ＹＡ２ … 第１励振電極２４２ａの厚さ
ＹＡ３ … 主厚部２４８ａの厚さ
ＹＡ４ … 主厚部５４８ａの厚さ
ＹＢ、ＹＢ１、ＹＢ２ … 各段差の高さ

Claims (5)

1. 平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、
   前記圧電基板の両主面にそれぞれ形成される励振電極と、を含み、
   前記励振電極は、一定の厚さで形成される主厚部及び前記主厚部の周囲に形成され前記主厚部に接する部分から前記励振電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、
   前記傾斜部の幅である傾斜幅が、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第１屈曲波長の０．８４倍以上１．３７倍以下であり、厚みすべり振動の３倍波での屈曲振動の波長である第２屈曲波長の２．２９倍以上３．７１倍以下である長さに形成され、
   前記基本波及び前記３倍波が同時発振されて使用される圧電振動片。
2. 平板状に形成され厚みすべり振動で振動する圧電基板と、
   前記圧電基板の一方の主面に形成される第１励振電極と、
   前記圧電基板の他方の主面に形成される第２励振電極と、を含み、
   前記第１励振電極は、全体が同一の厚さとなるように形成され、
   前記第２励振電極は、一定の厚さで形成される主厚部及び前記主厚部の周囲に形成され前記主厚部に接する部分から前記第２励振電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、
   前記主厚部は前記第１励振電極の厚さよりも厚く形成され、
   前記傾斜部の幅である傾斜幅が、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第１屈曲波長の０．８４倍以上１．３７倍以下であり、厚みすべり振動の３倍波での屈曲振動の波長である第２屈曲波長の２．２９倍以上３．７１倍以下である長さに形成され、
   前記基本波及び前記３倍波が同時発振されて使用される圧電振動片。
3. 前記傾斜部の幅である傾斜幅は、前記第１屈曲波長の１．０５倍以上１．２６倍以下であり、前記第２屈曲波長の３．１４倍以上３．４３倍以下である長さに形成される請求項１又は請求項２に記載の圧電振動片。
4. 前記励振電極の外形が円形又は楕円形に形成される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電振動片。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
   前記圧電振動片を載置するパッケージと、を有する圧電デバイス。