JP6971875B2 - 水晶素子および水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶素子および当該水晶素子を用いた水晶デバイスに関する。

水晶素子は、一対の励振電極および一対の接続配線部からなる金属パターンが形成されている水晶片を有している。このような水晶片は、平面視して、直線となっている四辺からなる矩形形状となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−８５３８５号公報

このような水晶素子は、前述したように、平面視して、水晶片が略矩形形状となっている。金属パターンに交番電圧を印加したとき、主振動である厚みすべり振動と同時に副次的な振動である輪郭振動が生じる。輪郭振動は、水晶片の外形寸法に依存しており、平面視して略矩形の水晶片を用いた場合には、副次的な振動である輪郭振動が、主振動である厚みすべり振動に与える影響が大きくなり、電気的特性が低下する虞がある。

本発明は、上記課題を解決するために鑑みてみなされており、電気的特性を向上させることができる水晶素子および水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明における水晶デバイスは、縁部に沿って複数の切り込みが並んで形成されている水晶片と、水晶片に設けられている一対の励振電極部、および、一対の接続引出部からなる金属パターンと、を有する。

上記の構成によれば、電気的特性が向上された水晶素子および水晶デバイスを得ることができる。

本発明の実施形態に係る水晶デバイスの一例である水晶振動子の斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における断面図である。 本発明の実施形態に係る水晶素子の上面の平面図である。 図３のＢ部の部分拡大図である。 本発明の実施形態に係る水晶素子で用いる水晶片の上面の平面図である。 図５のＣ部の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照にして説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。

（水晶デバイスの概略説）
図１は、本発明の実施形態に係る水晶デバイスの一例である水晶振動子の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面における断面図である。

水晶振動子は、例えば、全体として、概略、薄型の直方体形状とされる電子部品であり、その寸法は適宜設定されてよい。例えば、長辺または短辺の長さが０．６ｍｍ〜７．５ｍｍであり、厚さが０．２ｍｍ〜１．２ｍｍとなっており、比較的小さいものは、長辺または短辺の長さが０．６ｍ〜３．２ｍｍであり、厚さが０．２ｍｍ〜０．８ｍｍである。

水晶振動子は、例えば、凹部が形成されている基体１１０と、凹部内に収容されている水晶素子１２０と、凹部を塞ぐ蓋体１３０と、を有している。凹部は、蓋体１３０により封止され、その内部は、例えば、真空とされ、または、適当なガス（例えば窒素）が封入されている。

基体１１０は、基体１１０の主体となる基板部１１０ａと、水晶素子１２０を実装するための搭載パッド１１１と、水晶振動子を不図示の回路基板等に実装するための外部端子１１２と、を有している。基板部１１０ａは、基板部１１０ａの表面または／および基板部１１０ａの内部に設けられており、搭載パッド１１１と所定の二つの外部端子１１２とを電気的に接合するための、導体（図示せず）を有している。また、基体１１０は、例えば、基体１１０に凹部を形成するための、枠状の枠部１１０ｂを有している。枠部１１０ｂは、基板部１１０ａの上面の縁部に沿って設けられている。基体１１０を構成している基板部１１０ａおよび枠部１１０ｂは、セラミック等の絶縁材料からなり、搭載パッド１１１および外部端子１１２は、例えば、金属等からなる導電層により構成されている。

蓋体１３０は、例えば、金属から構成され、基体１１０の上面にシーム溶接等により接合されている。

水晶素子１２０は、水晶片１２１と、水晶片１２１に設けられている一対の金属パターン１２３を有している。金属パターン１２３は、水晶片１２１に電圧を印加する一対の励振電極部１２４、および、水晶素子１２０を搭載パッド１１１に実装するための一対の接続引出部１２５から構成されている。

水晶片１２１は、いわゆるＡＴカット水晶片である。すなわち、水晶において、Ｘ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光軸）からなる直交座標系ＸＹＺを、Ｘ軸の周りに、例えば、３０°〜４５°（一例として、３５°１５′）回転させて直交座標系ＸＹ´Ｚ´を定義したとき、ＸＺ´平面に平行に切り出された板状である。従って、水晶片１２１は、ＸＺ´平面に平行な一対の主面を有している。

金属パターン１２３は、励振電極部１２４と接続引出部１２５とから構成されている。一対の励振電極部１２４は、例えば、水晶片１２１の両主面の中央側に（すなわち水晶片１２１の両主面の外縁から離れて）設けられている。一対の接続引出部１２５は、例えば、一対の励振電極部１２４からＸ軸方向（正負のいずれの方向でもよい。）に延び出ており、一対の主面のＸ軸方向外側の接続部（拡幅した部分。１２５ａ）を有している。引出接続部１２５の接続部１２５ａは、例えば、水晶片１２１の主面のＺ´軸方向の縁部に到達するまで拡幅している。

水晶素子１２０は、水晶片１２１の主面を基体１１０の基板部１１０ａの上面に対向させて、例えば、基体１１０の凹部内に収容される。引出接続部１２５の接続部１２５ａは、バンプ１４０により基体１１０の搭載パッド１１１に接合される。これにより、水晶素子１２０は、基体１１０の基板部１１０ａに片持ち梁のように支持される。このとき、引出接続部１２５の接続部１２５ａと基体１１０の搭載パッド１１１とは電気的に接続され
た状態となる。従って、一対の励振電極部１２４は、接続配線部１２５、バンプ１４０、搭載パッド１１１と電気的に接続され、ひいては、複数の外部端子１１２のいずれか二つと電気的に接続される。バンプ１４０は、例えば、導電性接着剤からなる。

水晶振動子は、例えば、不図示の回路基板の実装面に基体１１０の下面を対向させて配置され、外部端子１１２が半田などにより回路基板のパッド上に接合されることによって回路基板に実装される。回路基板には、例えば、発振回路２３が構成されている。発振回路は、外部端子１１２および搭載パッド１１１を介して一対の励振電極部１２４に交番電圧を印加して発振信号を生成する。この際、発振回路は、例えば、水晶片１２１の厚みすべり振動うち基本波振動を利用する。

（水晶素子の平面形状の詳細）
図３は、本実施形態に係る水晶素子１２０の上面の平面図である。なお、中心Ｃ０は、水晶片１２１の中心（図形重心）である。中心線Ｋｘ０は、中心Ｃ０を通り、Ｘ軸に平行な直線である。中心線Ｋｚ０は、中心Ｃ０を通り、Ｚ´軸に平行な直線である。

（水晶片の平面形状）
図５は、水晶片１２１の上面を平面視した平面図であり、図６は、図５のＣ部の部分拡大図である。

水晶片１２１は、図５に示したように、概略、長手方向をＸ軸方向とする長方形となっており、その外縁に沿って複数の切り込み１２２（１２２ａ，１２２ｂ）が形成されている。

水晶片１２１の主面は、Ｘ軸方向において互いに対向する一対の短辺と、Ｚ軸方向において互いに対向し、一対の短辺の両端同士をつなぐ（一対の短辺の間に亘って延びる）一対の長辺を有している。なお、用語「辺」は、厳密には直線であるが、本実施形態では便宜上直線以外であってよいものとする。

切り込み１２２は、水晶片１２１の主面の外縁に沿って並んで形成されている。このとき、隣接している切り込み１２２は、切り込み１２２の外縁がつながっていなくともよい。例えば、隣接している切り込み１２２の外縁間の辺と平行な長さは、切り込み１２２の内径（辺の長さ）よりも短くなっている。

また、切り込み１２２は、図３および図４に示すように、平面視して、円弧形状となっている。このとき、円弧形状の円の中心（曲率中心）は、水晶片１２１の主面の縁部上または外側に位置している。

また、切り込み１２２は、所定の一辺、例えば、一方の短辺の両端部に形成されている切り込み１２２ｂの曲率半径Ｒｂが、長辺および短辺の辺の中点付近に形成されている切り込み１２２ａの曲率半径Ｒａと比較して大きくなっている。
水晶片１２１の各種寸法は適宜に設定されてよい。例えば、長さＬ（Ｘ軸方向）は０．４ｍｍ〜７．２ｍｍとなっており、幅Ｗ（Ｚ´軸方向）は０．３ｍｍ〜５．０ｍｍとなっている。

なお、厚みすべり振動と結合しやすい屈曲振動は、ＸＹ´平面を見たときの屈曲振動（厚み屈曲振動）である。厚さが比較的小さいＡＴカット水晶片においては、厚み屈曲振動の周波数は、Ｘ軸方向の長さの２乗に略反比例する。そして、Ｘ軸方向の長さが１ｍｍ未満であると、屈曲振動の周波数は比較的高くなり、厚みすべり振動のうち基本波振動の周波数に近づく。ひいては、屈曲振動が厚みすべり振動に結合しやすくなる。

しかしながら、水晶片１２１の主面の縁部に沿って切り込み１２２が並んで形成されていると、水晶片１２１のＸ軸に平行な辺（長辺）近傍では、切り込み１２２が形成されている部分はＸ軸方向に不連続となっている。このため、長辺の近傍ではＸ軸方向の長さが部分的に変化することとなり、屈曲振動の周波数が長辺の周辺で分散する。その結果、屈曲振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減される。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、ＡＴカット水晶片においては、水晶片１２１の主面の平面視における輪郭振動も生じ得る。この輪郭振動も、その周波数が厚みすべり振動の周波数に近づくと、厚みすべり振動に結合しやすくなる。この輪郭振動の周波数は、平面視における水晶片１２１の主面の寸法によって規定されており、Ｚ´軸方向の寸法は、輪郭振動が厚みすべり振動に結合しないように設定されている。ただし、製造時の誤差によって、輪郭振動の周波数が意図した周波数からはずれ、厚みすべり振動に結合するおそれがある。

しかしながら、水晶片１２１の主面の縁部に沿って切り込み１２２が並んで形成されていると、水晶片１２１のＺ´軸に平行な辺（短辺）近傍では、切り込み１２２が形成されている部分はＺ´軸方向に不連続となっている。このため、短辺の近傍ではＺ´軸方向の長さが部分的に変化することとなり、輪郭振動の周波数が短辺の周辺で分散する。その結果、輪郭振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減させる。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、水晶素子１２０を平面視して円弧形状の切り込み１２２を形成することで、水晶片１２１の主面の縁部の近傍でＸ軸方向の長さを、Ｚ´軸方向の位置に応じて変化させることができる。ひいては、屈曲振動の周波数が長辺の周辺で分散する。その結果、屈曲振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減される。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、このように円弧形状にすることで、切り込み１２２を鋸歯のように直線を組み合わせた場合と比較して、切り込みが欠けることを低減させることができる。この結果、水晶片１２１が欠けることによる電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、平面視して、短辺の両端部に形成されている切り込み１２２ｂの曲率半径Ｒｂが、他の切り込み１２２ａの曲率半径Ｒａと比較して大きくなるようにすることで、水晶片１２１の一方の短辺の近傍において、Ｘ軸方向の長さをＺ´軸の位置に応じて変化させつつ、Ｚ´軸方向の長さをＸ軸の位置に応じて変化させることが可能となる。この結果、屈曲振動および輪郭振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減される。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

（励振電極部の詳細）
図３は、水晶素子１２０の上面を平面視したときの平面図である。

励振電極部１２４は、概略、長手方向をＸ軸方向とする長方形に形成されている。すなわち、励振電極部１２４は、Ｘ軸方向において互いに対向する一対の短辺と、Ｚ´軸方向において互いに対向し、一対の短辺の両端同士をつなぐ（一対の短辺の間に亘って延びる）一対の長辺とを有している。

励振電極１２４の平面形状は、例えば、Ｘ軸に平行な中心線Ｋｘ０に関して線対称の形状とされている。なお、励振電極部１２４の角部が面取りされていてもよい。

Ｚ´軸方向において、励振電極部１２４は例えば、水晶片１２１の主面の中央に位置しており、励振電極部１２４の中心（励振電極部１２４の重心）Ｃ１が、Ｘ軸に平行な中心線Ｋｘ０上に位置しつつ、水晶片１２１の主面の中心Ｃ０よりも自由端側へずれている。

（接続引出部の詳細）
図３は、水晶素子１２０の上面を平面視したときの平面図であり、図４は、図３のＢ部の部分拡大図である。

接続引出部１２５は、前述したように、接続部１２５ａと引出部１２５ｂとから構成されている。接続配線部１２５の一部である接続部１２５ａは、水晶片１２１の一方の短辺の両端に形成されている切り込み１２２ｂの内壁にその一部が形成されている。

このように水晶片１２１の一方の短辺の両端部に形成されている切り込み１２２ｂの内壁に接続引出部１２５の一部を形成することで、接続引出部１２５が錘の役割を果たすこととなり、水晶片１２１の一方の短辺付近において、屈曲振動および輪郭振動が生じにくくすることができる。この結果、屈曲振動および輪郭振動が、厚みすべり振動と結合するおそれを低減させることができ、電気的特性が低下することを低減させることが可能となる。

以上の通り、本実施形態に係る水晶素子１２０は、縁部に沿って複数の切り込み１２２が並んで形成されている水晶片１２１と、水晶片１２１に設けられている金属パターン１２３と、を有する。

別の観点では、このような水晶素子１２０は、平面視したとき、水晶片１２１の縁部に不連続となっている部分があるといえる。このため、水晶片１２１の縁部において、屈曲振動および輪郭振動を分散させることができ、屈曲振動および輪郭振動が厚みすべり振動と結合するおそれを低減させることが可能となる。この結果、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、水晶素子１２０は、平面視して、切り込み１２２が円弧形状となっている。

このようにすることで、長辺の近傍でＸ軸方向の長さを、Ｚ´軸方向の位置に応じて変化させることができる。ひいては、屈曲振動の周波数が長辺の周辺で分散する。その結果、屈曲振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減される。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、このように円弧形状にすることで、切り込み１２２を鋸歯のように直線を組み合わせた場合と比較して、切り込みが欠けることを低減させることができる。この結果、水晶片１２１が欠けることによる電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、水晶素子１２０は、平面視して、水晶片１２１が略矩形となっており、水晶片１２１の所定の一辺の両端部に形成されている所定の二つの切り込み１２２ｂの曲率半径Ｒｂが、所定の他の切り込み１２２ａの曲率半径Ｒａと比較して大きくなっている。

このようにすることで、水晶片１２１の一方の短辺の近傍において、Ｘ軸方向の長さを
Ｚ´軸の位置に応じて変化させつつ、Ｚ´軸方向の長さをＸ軸の位置に応じて変化させることが可能となる。この結果、屈曲振動および輪郭振動が一定の周波数で大きくなって厚みすべり振動に強く結合するおそれが低減される。ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値の増加等の電気的特性の低下のおそれを低減させることができる。

また、水晶素子１２０は、平面視して、切欠き部１２２（１２２ａ、１２２ｂ）が、中心Ｋｘ０（中心Ｃ０を通り、Ｘ軸に平行な直線）に対して線対称となるように形成されている。このようにすることで、Ｚ´軸方向での振動の仕方を同じようにすることができる。この結果、Ｚ´軸方向での振動の仕方が異なることにより振動バランスが変化し、電気的特性の低下を低減させることが可能となる。

また、水晶素子１２０は、平面視して、曲率半径Ｒｂとなっており切り込み１２２ｂが水晶片１２１の四隅に形成されており、中心線Ｋｚ０に対して線対称となるように形成されている。このようにすることで、Ｚ´軸方向での振動の仕方を同じようにすることができる。この結果、Ｚ´軸方向での振動の仕方が異なることにより振動バランスが変化し、電気的特性の低下を低減させることが可能となる。

また、水晶素子１２０は、接続引出部１２５の一部、具体的には、接続部１２５ａの一部が、（水晶片１２１の所定の一辺の両端部に形成されている）所定の二つの切り込み１２２ｂの内壁に形成されている。

このようにすることで、接続引出部１２５が錘の役割を果たすこととなり、水晶片１２１の一方の短辺付近において、屈曲振動および輪郭振動が生じにくくすることができる。この結果、屈曲振動および輪郭振動が、厚みすべり振動と結合するおそれを低減させることができ、電気的特性が低下することを低減させることが可能となる。

また、このようにすることで、水晶片１２１に金属パターン１２３を蒸着法やスパッタリング法を用いて形成するときに、所定の二つの切り込み１２２ｂにおいて、切り込み１２２ｂの内壁部に金属膜を設けることが可能となり、水晶片１２１の上面と水晶片１２１の下面とを確実に電気的に接続させることができる。この結果、切り込み１２２の内壁部において金属パターン１２３が部分的に細くなり等価直列抵抗値が大きくなるといった電気的特性の低下を低減させることができる。

本実施形態に係る水晶デバイスは、このような水晶素子１２０と、水晶素子１２０が実装される基板部１１０ａを主体とする基体１１０と、基体１１０と接合され水晶素子１２０を気密封止している蓋体１３０と、を有している。

このような水晶デバイスは、電気的特の低下を低減させることができる水晶素子を備えているので、電気的特性の低下を低減させることができる。

また、このような水晶デバイスは、水晶片１２１の一方の短辺の両端に形成されている所定の二つの切り込み１２２ｂの内壁部に、接続配線部１２５の接続部１２５ａの一部が設けられており、この接続部１２５ａの一部がバンプ１４０（本実施形態では導電性接着剤）と接合されている。従って、水晶デバイスは、水晶素子１２０の一方の短辺で保持されている状態となっている。このため、バンプ１４０による厚みすべり振動への影響を低減させることができ、電気的特性の低下を低減させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の態様であってよい。

水晶デバイスは、水晶振動子に限定されない。例えば、水晶デバイスは、水晶振動子と
なる部分と発振回路となる部分を備えた発振器であってもよい。また、水晶振動子は、水晶素子の他に、サーミスタ、ダイオードまたはトランジスタなどの他の電子部品を備えていてもよい。

水晶素子は、平板状でなく、中央部が肉厚となっているメサ型となっていてもよい。

励振電極は、略矩形形状でなく、円形または楕円形状となっていてもよい。

接続引出部は、励振電極部から水晶片の一方の短辺側へ延設されているが、例えば、一方の接続引出部が水晶片の一方の短辺側へ延設されつつ、他方の接続引出部が水晶片の他方の短辺側へ延設されていてもよい。

接続引出部は、Ｘ軸方向に沿って直線状に延設されていなくてもよく、例えば、水晶片の長辺側へ延設した後水晶片の短辺に沿って延設されていてもよい。

水晶片の一方の短辺の両端部に形成されている所定の二つの切り込みの曲率半径が、所定の他の切り込みの曲率半径より大きい場合について説明しているが、水晶片の他方の短辺の両端部に形成されている切り込みの曲率半径が所定の二つの切り込みの曲率半径と同じ、または、それ以上であってもよい。

基体・・・１１０
基板部・・・１１０ａ
枠部・・・１１０ｂ
搭載パッド・・・１１１
外部端子・・・１１２
水晶素子・・・１２０
水晶片・・・１２１
切り込み・・・１２２
所定の二つの切り込み・・・１２２ｂ
所定の他の切り込み・・・１２２ａ
金属パターン・・・１２３
励振電極部・・・１２４
接続引出部・・・１２５
接続部・・・１２５ａ
引出部・・・１２５ｂ
蓋体・・・１３０
バンプ・・・１４０

Claims (3)

1. 縁部に沿って複数の切り込みが並んで形成されている水晶片と、
   前記水晶片に設けられている一対の励振電極部、および、一対の接続引出部からなる金属パターンと、
   を有し、
   平面視して、
   前記切り込みが円弧形状となっており、
   前記水晶片が略矩形となっており、
   前記水晶片の所定の一辺の両端部に形成されている所定の二つの前記切り込みの曲率半径が、所定の他の前記切り込みの曲率半径と比較して大きくなっている
   ことを特徴とする水晶素子。
2. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記接続引出の一部が、前記所定の二つの切り込みの内壁に形成されている
   ことを特徴とする水晶素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の水晶素子と、
   前記水晶素子が実装される基板部を主体とする基体と、
   前記基体と接合され前記水晶素子を気密封止している蓋体と、
   を有していることを特徴とする水晶デバイス。

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