JPWO2017006941A1 - 水晶振動片及び水晶振動子 - Google Patents

Abstract

本発明に係る水晶振動片は、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カット型の水晶片と、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第１の外部電極及び第２の外部電極と、を備えており、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、２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ以下であり、前記第１の外部電極と前記第２の外部電極との前記短辺方向における間隔がＰ（ｍｍ）であり、前記水晶片の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していること、を特徴とする。

Description

本発明は、ＡＴカット型の水晶振動片及び水晶振動子に関する。

従来の水晶振動子に関する発明としては、例えば、特許文献１に記載の水晶振動子が知られている。該水晶振動子は、水晶片及び２個の外部電極を含む水晶振動片を備えている。水晶片は、矩形状をなすＡＴ型の水晶片である。水晶片の長辺は、Ｚ′方向（水晶片が切り出される方向）と一致している。また、２個の外部電極は、水晶片の短辺方向に並ぶように設けられている。そして、水晶振動片の２個の外部電極が導電性接着剤を介してセラミック基板の２個の外部電極に固定される。これにより、水晶振動片がその短辺近傍においてセラミック基板に固定される。

しかしながら、特許文献１に記載の水晶振動子では、クリスタルインピーダンス値（以下、ＣＩ値）が大きくなるという問題がある。より詳細には、水晶片が実装されるセラミック基板の熱膨張係数は、約７．０×１０^−６／℃である。一方、水晶片のＸ方向の熱膨張係数は、約１３．０×１０^−６／℃であり、水晶片のＺ′方向の熱膨張係数は、約１０．０×１０^−６／℃である。したがって、水晶片のＸ方向の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差は、水晶片のＺ’方向の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差よりも大きくなる。そのため、水晶片の長辺がＺ′方向と一致し水晶片の短辺がＸ方向と一致すると、固定されている水晶片の短辺において、水晶片の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差が大きくなってしまう。よって、水晶振動片をセラミック基板に固定する際の導電性接着剤を熱硬化させる工程において、セラミック基板の伸びと水晶片の短辺近傍における伸びとに大きな差が生じる。その結果、水晶振動片及びセラミック基板の冷却後に、２個の外部電極近傍において水晶片に残留応力が発生する。このような残留応力は、水晶振動子のＣＩ値が大きくなる原因となる。

特開２０１４−１７９７７０号公報

そこで、本発明の目的は、ＣＩ値を低減できる水晶振動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振動子は、水晶片と、第１の外部電極及び第２の外部電極と、を含む水晶振動片と、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、を含む基板と、を備えており、前記水晶片は、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り、前記第１の外部電極及び前記第２の外部電極は、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられており、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、２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ以下であり、前記第１の外部電極と前記第３の外部電極とが第１の導電性接着剤を介して固定され、かつ、第２の外部電極と前記第４の外部電極とが第２の導電性接着剤を介して固定されており、前記水晶振動片に前記第１の導電性接着剤が接触している部分と該水晶振動片に前記第２の導電性接着剤が接触している部分との前記短辺方向における最短間隔がＰ（ｍｍ）であり、前記水晶片の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していること、を特徴とする。

また、本発明の一形態に係る水晶振動片は、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カット型の水晶片と、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第１の外部電極及び第２の外部電極と、を備えており、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、２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ以下であり、前記第１の外部電極と前記第２の外部電極との前記短辺方向における間隔がＰ（ｍｍ）であり、前記水晶片の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していること、を特徴とする。

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。 本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを−Ｚ′側から平面視した図である。 本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを＋Ｙ′側から平面視した図である。 シミュレーション結果を示したグラフである。 間隔Ｐ（ｍｍ）と主振動の周波数Ｆ（ＭＨｚ）との関係を示したグラフである。 第４のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。 第９のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。 第１４のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。 第９のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。 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。

（水晶振動子の構造）
以下に、本発明の一実施形態に係る水晶振動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及びろう材５０を備えている。水晶振動子１０の短辺の幅が１．０ｍｍであり、水晶振動子１０の長辺の長さが１．２ｍｍ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、ビアホール導体２５，２８，５４，５６及びメタライズ膜３０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（いわゆるアルミナ）等のセラミックス系絶縁性材料により作製されている。本実施形態では、基板本体２１は、セラミック材料により作製された複数の絶縁体層が積層されて構成されている。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。

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り、上側から見たときに、外部電極２６と重なっている。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り、上側から見たときに、外部電極２２と重なっている。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。

ビアホール導体２５は、基板本体２１を上下方向に貫通しており、外部電極２２と外部電極４２とを電気的に接続している。ビアホール導体２８は、基板本体２１を上下方向に貫通しており、外部電極２６と外部電極４０とを電気的に接続している。

メタライズ膜３０は、基板本体２１の表面上に設けられている線状の金属膜であり、上側（表面に対する法線方向）から見たときに、長方形状の環状をなしている。外部電極２２，２６は、上側から見たときに、メタライズ膜３０に囲まれた領域内に設けられている。

ビアホール導体５４は、基板本体２１を上下方向に貫通しており、メタライズ膜３０と外部電極４６とを電気的に接続している。ビアホール導体５６は、基板本体２１を上下方向に貫通しており、メタライズ膜３０と外部電極４４とを電気的に接続している。
ここで、図２で示す構成に対して、基板本体２１の対角に配置された外部電極４０と外部電極４６とに励振信号を伝達する構成（図示しない）の変形例を用いることができる。この変形例の構成は、基板１２に多層構造を用いて実現できる。この場合、基板本体の一部の層を貫通して設けられたビアホール導体２５が、外部電極２２と多層構造の基板本体の中間にある中間配線層上に設けられた中間配線とを電気的に接続する構成であって、かつ、基板本体の一部の層を貫通して設けられたビアホール導体５４が、中間配線と外部電極４６とを電気的に接続する構成で実現できる。このような多層構造の基板を用いれば、平面視して重ならない位置にある外部電極２２と外部電極４６とが、ビアホール導体２５、中間配線、ビアホール導体５４を介して、電気的に接続できる。このとき、ビアホール導体５４はメタライズ膜３０と電気的に接続されない。
この変形例のさらに別の構成では、多層構造の基板の表面に設けられた表面配線が外部電極４２と外部電極４４とに接触させて、外部電極４２と外部電極４４とが電気的に接続されてもよい。このように、中間配線とビアホール導体とを組み合わせによって、多層構造の基板の内部に立体的に引き回された導電経路が実現できる。さらに、外部電極２２から基板主面上で延びる引き出し電極を形成して、この引き出し電極にビアホール電極を接続することで、より複雑な導電経路が実現できる。

外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６及びメタライズ膜３０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。ビアホール導体２５，２８，５４，５６は、基板本体２１に形成されたビアホールに対してモリブデン等の導体が埋め込まれて作製される。

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。ただし、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１．２ｍｍ、短辺方向の幅が１．０ｍｍ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、例えば、水晶片１７の長辺方向の長さが０．８０ｍｍ以下となり、水晶片１７の短辺方向の幅が０．６７ｍｍ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。これにより、外部電極９７は、表面及び裏面の短辺の＋Ｘ側の端部に接している。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９８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９８は、表面及び裏面の短辺の−Ｘ側の端部に接している。よって、外部電極９７，９８は、水晶片１７の短辺方向に並んでいる。

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。導電性接着剤２１０，２１２としては、例えば、シリコーン系導電性接着剤が挙げられる。

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の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。

ろう材５０は、メタライズ膜３０上に配置される。ろう材５０は、メタライズ膜３０と実質的に同じ形状を有しており、長方形状の環状をなしている。ろう材５０は、メタライズ膜３０よりも低い融点を有しており、例えば、金−すず合金により作製されている。ろう材５０は、例えば、印刷等によりメタライズ膜３０上に形成される。そして、金属キャップ１４の開口の外縁がろう材５０に接触した状態で、メタライズ膜３０が溶融及び固化させられる。これにより、金属キャップ１４は、開口の外縁の全長においてメタライズ膜３０にろう材５０を介して接合する。その結果、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、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がメタライズ膜３０及びろう材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。なお、ろう材５０の代わりに、例えば、低融点ガラス、樹脂等の接着剤が用いられてもよく、このとき、メタライズ膜３０は必ずしも必要ではない。

水晶振動子１０では、外部電極４０，４２は発振回路に電気的に接続され、発振回路からはタイミング信号が出力される。また、外部電極４４，４６には接地電位が印加される。

ところで、本実施形態に係る水晶振動子１０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２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ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：水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分との短辺方向における最短間隔がＰ（ｍｍ）であり、水晶片１７の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立している。

＜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、０．０２７８ｍｍ以上０．０８３５ｍｍ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＞
水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分との短辺方向における最短間隔がＰ（ｍｍ）であり、水晶片１７の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立している。また、水晶片１７の主振動の周波数が３７．４ＭＨｚである場合において、０．３７０≦Ｐ≦０．６８３が成立していることがより好ましい。水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分及び水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分とは、水晶振動片１６が導電性接着剤２１０，２１２を介して基板１２に固定されている部分である。すなわち、最短間隔Ｐとは、水晶振動片１６が導電性接着剤２１０を介して基板１２に固定されている部分と水晶振動片１６が導電性接着剤２１２を介して基板１２に固定されている部分との最短間隔を意味する。なお、本実施形態では、導電性接着剤２１０，２１２は、上側から見たときに、外部電極９７，９８からはみ出さないように塗布されている。したがって、水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分及び水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分とはそれぞれ、外部電極９７に導電性接着剤２１０が接触している部分及び外部電極９８に導電性接着剤２１２が接触している部分である。

（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（いわゆるアルミナ）等のセラミックス系絶縁性材料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のビアホール導体２５，２８，５４，５６が形成される位置にビームを照射して、貫通孔を形成する。更に、貫通孔にモリブデン等の導電性材料を充填し、乾燥させる。その後、導電性材料を焼結することにより、ビアホール導体２５，２８，５４，５６を形成する。

次に、外部電極４０，４２，４４，４６の下地電極をマザー基板の裏面に形成する。具体的には、モリブデン層をマザー基板の裏面上に印刷し、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４０，４２，４４，４６の下地電極が形成される。

次に、外部電極２２，２６及びメタライズ膜３０の下地電極をマザー基板の表面に形成する。モリブデン層をマザー基板の表面上に印刷し、乾燥する。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及びメタライズ膜３０の下地電極が形成される。

次に、外部電極４０，４２，４４，４６，２２，２６及びメタライズ膜３０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４０，４２，４４，４６，２２，２６及びメタライズ膜３０が形成される。

ここで、貫通孔への導電性材料の充填とマザー基板への外部電極等の印刷は真空印刷などを用いることで、同時に形成することができる。このとき、導電性材料と外部電極等を同時に焼成する。

また、マザー基板がセラミックス系焼結体絶縁性材料の場合は、焼成前のシート状態で、貫通孔の形成、導電性材料の充填、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６及びメタライズ膜３０の印刷、乾燥を行い、その後、複数枚積層した状態で加圧密着し積層シートとし、これを焼成して、ビアホール導体、外部電極２２，２６，４０，４２，４４，４６及びメタライズ膜３０及び基板本体２１を同時に完成させることができる。この後、前記同様のめっきを施す。

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。または、レーザーなどでマザー基板に分割溝を形成し、これに沿って機械的に分割する。

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、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。この際、導電性接着剤２１０，２１２中の熱硬化性樹脂を硬化させるために、１８０℃まで基板１２、水晶振動片１６及び導電性接着剤２１０，２１２を加熱する。

次に、金属キャップ１４をろう材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振動片１６及び水晶振動子１０によれば、条件１ないし条件４を満足することにより、ＣＩ値を低減できる。図４は、本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを左側から平面視した図である。図５は、本願発明者が行ったコンピュータシミュレーションに用いたモデルを上側から平面視した図である。

本願発明者は、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（以下、Ｚロングと呼ぶ）水晶片１７において、適切な間隔Ｐを調べるために、以下に説明するコンピュータシミュレーションを行った。本願発明者は、以下に説明する第１のモデルないし第１５のモデルを作成し、水晶片１７にかかる最大応力を演算した。最大応力は、導電性接着剤２１０，２１２と水晶片１７とが接する部分で生じる。また、応力は、ミーゼスの相当応力である。

以下に、シミュレーション条件について説明する。本願発明者は、図４及び図５に示すように、基板１２上に導電性接着剤２１０，２１２により水晶片１７が固定されているモデルを作成した。この際、本願発明者は、水晶片１７の厚みを３種類に変化させて、主振動の周波数Ｆを変化させた。更に、３種類の厚みの水晶片１７のモデルのそれぞれにおいて、間隔Ｐを５種類に変化させた。表１は、水晶片１７の条件を示した表であり、表２は、基板１２の条件を示した表であり、表３は、導電性接着剤２１０，２１２の条件を示した表である。表４は、第１のモデルないし第１５のモデルの間隔Ｐを示した表である。

図６は、シミュレーション結果を示したグラフである。縦軸は最大応力（ＭＰａ）を示し、横軸は間隔Ｐ（ｍｍ）を示す。

一般的な水晶振動子では、表面及び裏面の長辺が水晶片のＸ軸と実質的に平行である（以下、Ｘロングと呼ぶ）。短辺方向の幅が２．０ｍｍ、長辺方向の幅が２．５ｍｍであるＸロングの水晶振動子は、最大応力が５０ＭＰａ以下となるように設計されている。これにより、水晶振動子のＣＩ値が十分に低い値（具体的には７０Ω以下）に抑制されることが経験則上で分かっている。そこで、本願発明者は、図６のグラフにおいて、水晶片１７の主振動の周波数毎（すなわち、厚み毎）に、最大応力が５０ＭＰａとなる間隔Ｐを読み取ったところ、以下の結果を得た。

２０ＭＨｚ：Ｐ＝１．６３ｍｍ
３７．４ＭＨｚ：Ｐ＝１．５６ｍｍ
６０ＭＨｚ：Ｐ＝１．４４ｍｍ

そこで、本願発明者は、上記結果に基づいて、図７に示すグラフを作成した。図７は、間隔Ｐ（ｍｍ）と主振動の周波数Ｆ（ＭＨｚ）との関係を示したグラフである。縦軸は間隔Ｐを示し、横軸は周波数Ｆを示す。

図７を参照すると、３点は実質的に１つの直線上に位置している。そこで、該直線を最小二乗法で数式化すると、Ｐ＝−０．００４７×Ｆ＋１．７２８となった。したがって、間隔Ｐが該直線以下の範囲であれば、最大応力が５０ＭＰａ以下となることが分かる。すなわち、Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していれば、ＣＩ値が低い値（７０Ω以下）に抑えられることが分かる。

ただし、間隔Ｐの下限は、０．０５０ｍｍである。間隔Ｐが０．０５０ｍｍよりも小さくなると、導電性接着剤２１０と導電性接着剤２１２とが近接し過ぎて短絡するおそれがあるからである。

ところで、水晶片１７の短辺方向の幅及び長辺方向の長さは、以下に説明するように、ＣＩ値の低減に殆ど寄与しないことが分かっている。図８は、第４のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。図９は、第９のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。図１０は、第１４のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。図１１は、第９のサンプルにおける水晶片１７の応力分布を示した図である。図８ないし図１０では、各サンプルを左側から見た図である。図１１は、サンプルを上側から見た図である。

図８ないし図１０に示すように、応力は、水晶片１７において、導電性接着剤２１０の−Ｘ側の端部近傍及び導電性接着剤２１２の＋Ｘ側の端部近傍に集中していることが分かる。すなわち、水晶片１７における導電性接着剤２１０よりも＋Ｘ側の部分及び導電性接着剤２１２よりも−Ｘ側の部分には殆ど応力が発生していない。したがって、水晶片１７における導電性接着剤２１０よりも＋Ｘ側の部分及び水晶片１７における導電性接着剤２１２よりも−Ｘ側の部分の長さはいくらであってもよい。

図１１に示すように、応力は、水晶片１７において、導電性接着剤２１０，２１２の上側近傍に集中していることが分かる。すなわち、水晶片１７における導電性接着剤２１０，２１２よりも＋Ｚ′側の部分には殆ど応力が発生していない。そのため、水晶片１７における導電性接着剤２１０，２１２よりも＋Ｚ′側の部分の長さはいくらであってもよい。ただし、水晶片１７の表面及び裏面の長辺の長さ（すなわち、長辺方向の長さ）は２．０ｍｍ以下であることが好ましい。水晶片１７の長辺方向の長さが長くなり過ぎると、水晶片１７が重くなり、導電性接着剤２１０，２１２に加わる負荷が大きくなるためである。

次に、本願発明者は、間隔Ｐのより好ましい値を求めるために以下に説明する実験を行った。より詳細には、以下に説明する第１のサンプルないし第３のサンプルを作成し、ＣＩ値を測定した。ＣＩ値の測定は、ネットワークアナライザー（アジレントテクノロジー製、Ｅ５１００Ａ）で行った。また、実験は、２５℃（常温）で行った。表５は、第１のサンプルないし第３のサンプルの水晶片１７及び励振電極１００，１０１の長さ、幅、間隔Ｐの条件を示した表である。表５に示すように、第１のサンプルないし第３のサンプルでは、間隔Ｐを変化させた。

図１２は、表５に示す周波数が３７．４ＭＨｚの各サンプルの実験結果を示したグラフである。縦軸はＣＩ値を示し、横軸は間隔Ｐを示している。図１２によれば、主振動の周波数が３７．４ＭＨｚである水晶振動子１０では、間隔Ｐが０．３７０ｍｍ以上０．６８３ｍｍ以下であれば、ＣＩ値を７０Ω以下に抑えることができる。以上より、水晶片１７の主振動の周波数が３７．４ＭＨｚである場合には、０．３７０ｍｍ≦Ｐ≦０．６８３ｍｍが成立していることが好ましい。

（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１３は、変形例に係る水晶振動子１０ａの断面構造図である。

図１３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１４は、水晶発振器３００の断面構造図である。

図１４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。

（その他の実施形態）
本発明に係る水晶振動片及び水晶振動子は、水晶振動片１６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、最短間隔Ｐは、水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分との短辺方向における最短間隔であるとしたが、以下の理由により、外部電極９７と外部電極９８との短辺方向における最短間隔であってもよい。

導電性接着剤２１０が外部電極９７の−Ｘ側の辺に接するように塗布され、導電性接着剤２１２が外部電極９８の＋Ｘ側の辺に接するように塗布される場合がある。この場合には、水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分との短辺方向における最短間隔と、外部電極９７と外部電極９８との短辺方向における最短間隔とが、一致する。そのため、最短間隔Ｐは、外部電極９７と外部電極９８との短辺方向における最短間隔であってもよい。

なお、導電性接着剤２１０，２１２はそれぞれ、上側から見たときに、外部電極９７，９８からはみ出すように塗布される場合がある。特に、導電性接着剤２１０が外部電極９７に対して−Ｘ側にはみ出し、導電性接着剤２１２が外部電極９８に対して＋Ｘ側にはみ出す場合がある。この場合には、水晶振動片１６に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶振動片１６に導電性接着剤２１２が接触している部分との短辺方向における最短間隔Ｐとは、水晶片１７に導電性接着剤２１０が接触している部分と水晶片１７に導電性接着剤２１２が接触している部分との最短間隔である。以上より、水晶振動片１６に導電性接着剤２１０，２１２が接触している部分とは、水晶片１７又は外部電極９７，９８に導電性接着剤２１０，２１２が接触している部分を意味している。

以上のように、本発明は、水晶振動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：水晶片
２１：基板本体
２２，２６，４０，４２，４４，４６，９７，９８：外部電極
２１０，２１２：導電性接着剤
３００：水晶発振器

Claims (7)

1. 水晶片と、第１の外部電極及び第２の外部電極と、を含む水晶振動片と、
   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、を含む基板と、
   を備えており、
   前記水晶片は、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り、
   前記第１の外部電極及び前記第２の外部電極は、前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられており、
   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、２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ以下であり、
   前記第１の外部電極と前記第３の外部電極とが第１の導電性接着剤を介して固定され、かつ、第２の外部電極と前記第４の外部電極とが第２の導電性接着剤を介して固定されており、
   前記水晶振動片に前記第１の導電性接着剤が接触している部分と該水晶振動片に前記第２の導電性接着剤が接触している部分との前記短辺方向における最短間隔がＰ（ｍｍ）であり、前記水晶片の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していること、
   を特徴とする水晶振動子。
2. 前記水晶片の主振動の周波数が３７．４ＭＨｚであり、かつ、
   ０．３７０≦Ｐ≦０．６８３が成立していること、
   を特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記主面の長辺の長さは、２．０ｍｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の水晶振動子。
4. 前記第１の外部電極は、前記主面の短辺の一端に接しており、
   前記第２の外部電極は、前記主面の短辺の他端に接していること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水晶振動子。
5. 前記基板本体の材料は、セラミックであること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水晶振動子。
6. 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１ないし請求項５いずれか１項に記載の水晶振動子。
7. 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カット型の水晶片と、
   前記主面の短辺が延在する短辺方向に並ぶように該主面上に設けられている第１の外部電極及び第２の外部電極と、
   を備えており、
   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、２０．０ＭＨｚ以上６０．０ＭＨｚ以下であり、
   前記第１の外部電極と前記第２の外部電極との前記短辺方向における間隔がＰ（ｍｍ）であり、前記水晶片の主振動の周波数がＦ（ＭＨｚ）である場合に、０．０５０≦Ｐ≦−０．００４７×Ｆ＋１．７２８が成立していること、
   を特徴とする水晶振動片。