JP5275054B2 - Ａｔカット水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ、時計等の電子機器などに利用される水晶振動子に関するものである。

携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ、時計等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、このような電子機器には、小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させるための代表的な電子部品がＡＴカット水晶振動子である。

ＡＴカット水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子としての品質の指標である共振先鋭度すなわちＱ値が極めて大きく、さらにその共振周波数の温度安定度すなわち周波数温度特性も非常に良好である。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広くＡＴカット水晶振動子が利用されている理由である。このようなＡＴカット水晶振動子は、例えば特許文献１にて開示されている。しかし、このＡＴカット水晶振動子は、近年の強い小型化の要求に関しては、十分に満足させることができないことも明らかになってきている。

特開２００７−９７０４６号公報

図２は矩形状ＡＴカット水晶振動子の角度方位と形状概要を説明する概念図である。図２記載の三本の座標軸、すなわちＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、及びＺ軸（光学軸）は水晶単結晶の基本対称軸であって、振動子片２０１は、Ｘ軸を回転軸として反時計回りにカット角θだけ回転させた回転座標系すなわち、ＸＹ’Ｚ’座標系において定義された水晶薄板であって、その厚み方向はＹ’軸方向、長辺方向はＸ軸、短片方向はＺ’軸方向である。この振動子片２０１の表裏面中心部には一対の励振電極２０２が配置されており、この一対の励振電極２０２により、厚み方向に励振電界が印加される構成となっている。通常、図２記載のカット角θは、３５度から３６度の範囲に設定されており、このθの範囲内で、誘発する厚みすべり振動の共振周波数の周波数温度特性は、非常に良好である事が知られている。

図３は、図２記載のＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の共振モード変位を説明する概念図であって、図２記載の振動子片２０１のＸＹ’側面図である。図３中のａ軸、ｂ軸は、振動子片２０１の重心点３０１を座標原点とした座標軸である。さらにこの振動子片２０１の長辺方向寸法はＬ、厚み方向寸法はｔである。このａ軸、ｂ軸はそれぞれ、図２記載のＹ’軸、Ｘ軸と平行な座標軸である。本発明に係る厚みすべり振動の共振変位モードが図３記載の共振変位モード３０２である。この共振変位モード３０２は、Ｙ’軸方向で正弦波的な変位分布をもっており、振動子の表面で最大変位を持つ。振動子表面での変位量が図３記載の表面変位量３０３である。さらにこの表面変位量３０３は、重心点３０１からの位置座標ｘの関数であって、図２記載の振動子片２０１のＸ軸方向の二つの端面すなわち、振動子片の端面３０４及び端面３０５に近づくにしたがって減衰していく性質を持っている。ちなみに、図３には記載されていないが、この共振変位モード３０２はＺ’軸方向では変位量の変化はない。また、このＡＴカット水晶振動子の共振周波数Ｆは、ほぼ厚みｔに反比例し、次式で与えられている。

図４は、この表面変位量３０３の距離依存性を説明するための概念図であって、縦軸は、図３記載の表面変位量３０３の大きさＵ（ｘ）、横軸は重心点３０１からの座標位置ｘである。また図４の横軸の二点４０２及び４０３はそれぞれ図３記載の端部３０４及び端部３０５に対応する座標位置である。また横軸上の範囲４０４は、図３記載の振動子片２０１の励振電極２０２が存在する範囲に対応している。さらに図４記載の特性曲線４０１が、Ｕ（ｘ）の座標位置ｘ依存性を示す特性曲線である。表面変位量３０３は範囲４０４に局在しており、振動子片２０１の長辺方向寸法Ｌと振動子片２０１の厚み方向寸法ｔにおいて、その長辺方向辺比Ｌ／ｔが十分に大きいときは、振動子の端部３０４及び端部３０５における表面変位量３０３はゼロとみなせる。この現象は、ＡＴカット水晶振動子において、励振電極の質量付加によるエネルギ閉じ込め効果として知られる特徴的な現象である。通常、ＡＴカット水晶振動子は、このエネルギ閉じ込め効果を用いて端部の表面変位量をほぼゼロとし、この端部を支持して製品化されている。

近年、小型化対応が強く要求されているＡＴカット水晶振動子において、従来の機械加工法を用いたＡＴカット水晶振動子にかわって、音叉型水晶振動子と同じ、一枚の大型ウェハからフォトリソ加工を用いて振動子形状を加工する、フォトエッチング型のＡＴカット水晶振動子が注目されている。フォトリソ加工は、従来の機械加工に比較して、微細かつ複雑な形状の高精度加工が実現でき、さらに一枚のウェハから大量に生産できるという大きな特徴をもっているので、小型電子デバイスの製造には非常に有効な加工方法である。ところが、本発明に係るＡＴカット水晶振動子においては、形状の小型化にともなって、その長辺方向辺比Ｌ／ｔが極めて小さくなり、前述の励振電極の質量付加によるエネルギ閉じ込め効果が不十分となり、図３記載の端部３０４及び端部３０５における表面変位量３０３はゼロとみなす事ができず、支持部からの振動エネルギ漏洩が原因でその特性、特にQ値が大きく劣化してしまう。それゆえフォトエッチング型のＡＴカット水晶振動子の小型化が実現できていない。すなわち、本発明の解決すべき課題は、小型フォトエッチング型ＡＴカット水晶振動子において、支持による振動エネルギ漏洩を回避する事である。

図５は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の動作を説明するための模式図であって、厚みｔ、長さＬの振動子片５０１には、振動子片の中心軸ａの左右対称位置であるａ１軸を励振対称軸とする第一励振部５０２とａ２軸を励振対称軸とする第二励振部５０３の二対の励振部が形成されている。ここで、図５記載の中心軸ａ、中心軸ｂは図３記載の中心軸と同様に、それぞれ、図２記載のＹ’軸、Ｘ軸と平行な座標軸である。さらにａ１軸とａ２軸は、中心軸ａと平行な軸である。第一励振部５０２は励振電極５０４と励振電極５０５、第二励振部５０３は励振電極５０６と励振電極５０７にて構成されている。さらに第一励振部５０２の電極５０４と第二励振部５０７が電気的同極、第一励振部５０２の電極５０５と第二励振部の電極５０６が電気的同極となっている。このように、第一励振部５０２と第二励振部５０３における振動励振時の電界極性を互いに反対方向にする事によって、第一励振部５０２と第二励振部において励起される厚み滑り振動の表面変位は、同振幅で互いに位相が１８０度違う表面変位となる。すなわち第一励振部５０２における表面変位が第一表面変位５０８、第二励振部５０３における表面変位が第二表面変位５０９である。第一表面変位５０８及び第二表面変位５０９は共に振動子片５０１の端部５１０及び端部５１１に向かって減衰していく。

図５記載の振動子片５０１の第一励振部５０２と第二励振部５０３を同時に励振させると、その表面振動変位は、第一表面変位５０８と第二表面変位５０９の重なり合わせとなる。その状態を模式的に図示したのが、図６であって、図６は、本発明に係るＡＴカット水晶振動子の表面変位量分布を説明するための模式図である。図５記載の第一励振部５０２と第二励振部５０３にて励起された表面変位分布が、図６記載の表面変位６０１である。表面変位６０１は振動子片５０１の両端部である端部５１０と端部５１１においては、ゼロになっていない。この端部５１０及び端部５１１を支持した場合、先に述べた支持による振動エネルギ漏洩が生じてしまいＱ値の大きな劣化を招くことになる。それに対して振動子片５０１の中心軸ａの近傍領域である領域６０２においては、表面変位６０１はほぼゼロになっている。この領域６０２にて振動子片５０１を支持すると、支持による振動エネルギ漏洩は回避でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。すなわち、本発明は小型フォトエッチング型ＡＴカット水晶振動子の支持による振動エネルギ漏洩を回避する手段として、振動子片に互いに極性の異なる複数個の励振電極対を形成し、それぞれの励振電極で励起される厚み滑り振動変位が相殺される部分に支持部を形成する手段を採用すれば、支持による振動エネルギの漏洩を回避できるのである。

以上の説明から、振動子片に互いに極性の異なる複数個の励振電極対を形成し、それぞれの励振電極で励起される厚み滑り振動変位が相殺される部分に支持部を形成すると、この支持部では、厚み滑り振動の変位量はほぼゼロとなっており、支持による振動エネルギの漏洩はほとんど生じない。本発明に係るこの構造を採用する事で、従来の励振電極による付加質量効果によるエネルギ閉じ込め効果が十分に作用しない、超小型のフォトエッチング加工型のＡＴカット水晶振動子が実現できるのである。

：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例１を示すための斜視図 ：矩形状ＡＴカットの角度方位と形状概要を説明する概念図 ：図２記載のＡＴカットの厚みすべり振動の共振モード変位を説明する概念図 ：図３記載の表面変位量３０３の距離依存性を説明するための概念図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の動作を説明するための模式図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の表面変位量分布を説明する模式図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例２を示すための斜視図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例３を示すための斜視図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例４を示すための斜視図 ：本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例５を示すための斜視図

図１は本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例１を示すための斜視図である。図１記載のＡＴカット水晶振動子１０１は、二個の励振部すなわち第一励振部１０２と第二励振部１０３は連結部１０４を介在して一体形成されている。さらにこの連結部１０４には、一対の支持部１０５も同時に一体形成されており、支持部１０５の表面にはマウント電極１０８が形成されている。ただし、この支持部１０５を連結部１０４と同時に形成しなくても本発明を実現することはできる。前記支持部１０５は振動子１０１を収容器に実装する際に振動子１０１を支持するために形成する。第一励振部１０２及び第二励振部１０３の厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図２記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図２記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図２記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。図１における励振部の連結構造は、図２記載のＸ軸方向に直列に振動部を配置した構造である。第一励振部１０２には第一励振電極対１０６、第二励振部１０３には第二励振電極対１０７が形成されている。振動部の寸法形状や励振電極の寸法形状、材質及び厚みは同一であることが好ましいが、振動部の寸法形状や励振電極の寸法形状、材質及び厚みを同一に揃えなくても本発明を実現できることは言うまでもない。前期励振電極の第一励振電極対１０６と第二励振電極対１０７の励振極性が互い異なるように配置されている。その結果、連結部１０４における、厚み滑り振動の変位量は、ほぼゼロとなる。それゆえ支持部１０５における振動エネルギの漏洩が抑制でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。

図７は本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例２を示すための斜視図である。図７記載のＡＴカット水晶振動子７０１は、二個の励振部すなわち第一励振部７０２と第二励振部７０３は連結部７０４を介在して一体形成されている。さらにこの連結部７０４には、支持用の二個のマウント電極すなわちマウント電極７０７、マウント電極７０８が形成されている。第一励振部７０２及び第二励振部７０３の厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図２記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図２記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図２記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。第一励振部７０２には第一励振電極対７０５、第二励振部７０３には第二励振電極対７０６が形成されており、その寸法形状、材質及び厚みは同一であるが、第一励振電極対７０５と第二励振電極対７０６の励振極性が互い異なるように配置されている。その結果、連結部７０４における、厚み滑り振動の変位量は、ほぼゼロとなる。それゆえマウント電極７０７、マウント電極７０８及びマウント電極７０７にて支持しても振動エネルギの漏洩が抑制でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。

図８は本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例３を示すための斜視図である。図８記載のＡＴカット水晶振動子８０１は、三個の励振部すなわち第一励振部８０２、第二励振部８０３及び第三励振部８０４は連結部８０５を介在して一体形成されている。さらにこの連結部８０５には、支持用の二個のマウント電極すなわちマウント電極８０６、マウント電極８０７が形成されている。第一励振部８０２、第二励振部８０３及び第三励振部８０４の厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図２記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図２記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図２記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。第一励振部８０２には第一励振電極対８０８、第二励振部８０３には第二励振電極対８０９、第三励振部８０４には第三励振電極対８１０が形成されており、その寸法形状、材質及び厚みは同一であるが、第二励振電極対８０９と、両隣にある第一励振電極対８０８と第三励振電極対８１０の励振極性は互い異なるように配置されている。すなわち、第一励振電極対８０８と第三励振電極対８１０は同極性、第二励振電極対８０９は、第一励振電極対８０８及び第三励振電極対８１０と反転極性となっている。その結果、連結部８０５における、厚み滑り振動の変位量は、ほぼゼロとなる。それゆえマウント電極８０６、マウント電極８０７にて支持しても振動エネルギの漏洩が抑制でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。

図９は本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例４を示すための斜視図である。図９記載のＡＴカット水晶振動子９０１は、二個の励振部すなわち第一励振部９０２と第二励振部９０３は連結部９０４を介在して一体形成されている。さらにこの連結部９０４には、一対の支持部９０８も同時に一体形成されている。一対の支持部９０８の両端にはマウント電極９０５が形成されている。第一励振部９０２及び第二励振部９０３の厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図２記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図２記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図２記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。図９における励振部の連結構造は、図１記載の連結構造とは対称的に図２記載のＸ軸方向に並列に振動部を配置した構造である。第一励振部９０２には第一励振電極対９０６、第二励振部９０３には第二励振電極対９０７が形成されており、その寸法形状、材質及び厚みは同一であるが、第一励振電極対９０６と第二励振電極対９０７の励振極性は互い異なるように配置されている。その結果、連結部９０４における、厚み滑り振動の変位量は、ほぼゼロとなる。それゆえ支持部９０５における振動エネルギの漏洩を抑制でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。

図１０は本発明に係るＡＴカット水晶振動子の実施例５を示すための斜視図である。図１０記載のＡＴカット水晶振動子１００１は、二個の励振部すなわち第一励振部１００２と第二励振部１００３は、この二つの励振部の周囲を囲むように連結部１００８を介在して存在する支持部１００４に囲まれて形成されている。支持部１００４は前述第一励振部１００２と第二励振部１００３を枠で囲むように形成されており、連結部１００８が形成されている辺ではない他の辺にそれぞれ向かい合うように収容器に実装するための支持用の領域が形成されている。前述支持部１００４の収容器実装用の領域の表面にマウント電極１００５がそれぞれ形成されている。第一励振部１００２及び第二励振部１００３の厚み寸法、長辺寸法、短辺寸法はそれぞれ、ｔ、Ｌ、Ｗである。厚み寸法ｔは図２記載のＹ’軸に、長辺寸法Ｌは図２記載のＸ軸に、短辺寸法Ｗは図２記載のＺ’軸にそれぞれ平行である。さらにカット角θは３５度から３６度の範囲に設定されている。また一対の支持部１００４は、図２記載のＺ’軸方向に平行な中心対称軸方向に形成されている。第一励振部１００２には第一励振電極対１００６、第二励振部１００３には第二励振電極対１００７が形成されており、その寸法形状、材質及び厚みは同一であるが、第一励振電極対１００６と第二励振電極対１００７の励振極性は互い異なるように配置されている。その結果、連結部１００４における、厚み滑り振動の変位量は、ほぼゼロとなる。それゆえ支持部１００４における振動エネルギの漏洩が抑制でき、Ｑ値の大きな劣化は生じない。

以上のように本発明は、振動子片に互いに極性の異なる複数個の励振電極対を形成し、それぞれの励振電極で励起される厚み滑り振動変位が相殺される部分に支持部を形成すると、この支持部では、厚み滑り振動の変位量はほぼゼロとなっており、支持による振動エネルギの漏洩はほとんど生じない。それゆえ、従来の励振電極による付加質量効果によるエネルギ閉じ込め効果が十分に作用しない、超小型のフォトエッチング加工型のＡＴカット水晶振動子が実現できるのである。なお、図１、図７、図８、図９及び図１０記載の実施例においては、各図記載の複数個の励振部と励振電極部の寸法形状はすべて同一であるが、支持部の形状、位置等によってはすべて同一な寸法形状にする必要はない。また、本発明に係るＡＴカット水晶振動子はフォトリソグラフィー加工により提供され、ウェットエッチングを用いて形成する。ただし、フォトリソグラフィー加工でなく機械加工などにより外形加工を実現しても構わない。

１０１，７０１，８０１，９０１，１００１：ＡＴカット水晶振動子
２０１，５０１：振動子片
１０２，５０２，７０２，８０２，９０２，１００２：第一励振部
１０３，５０３，７０３，８０３，９０３，１００３：第二励振部
１０４，７０４，８０５，９０４，１００８：連結部
１０５，７０７〜７０８，８０６〜８０７，９０８，１００４：支持部
１０６，７０５，８０８，９０６，１００６：第一励振電極対
１０７，７０６，８０９，９０７，１００７：第二励振電極対
８０４：第三励振部
８１０：第三励振電極対
１０８，７０７〜７０８，８０６〜８０７，９０５，１００５：マウント電極
２０２：励振電極
３０１：振動片の重心点
３０２：共振変位モード
３０３：表面変位量
３０４〜３０５：振動子片の端面
４０１：特性曲線
４０２〜４０３：横軸の二点
４０４：横軸上の範囲（励振電極の存在する範囲）
５０４〜５０７：第一励振部及び第二励振部の励振電極
５０８：第一表面変位
５０９：第二表面変位
５１０〜５１１：振動片の端部
６０１：表面変位
６０２：振動片の近傍領域

Claims (8)

1. 複数の振動部が連結部を共有して一体形成されると共に、互いに隣接する前記振動部表裏面に形成された励振電極対の励振極性を反転させる事により前記振動部の厚みすべり振動変位の極性を反転させ、
   複数の前記振動部と前記連結部とは、ＡＴカットの水晶振動子片で形成され、
   収容器に実装するための支持部が、複数の前記振動部の前記連結部に形成された事を特徴とするＡＴカット水晶振動子。
2. 前記連結部は、隣接する複数の前記振動部の間に配置され、
   隣接する複数の前記振動部は、それぞれ前記連結部に対して反対側に配置されることを特徴とする請求項１記載のＡＴカット水晶振動子。
3. 複数の前記振動部は、それぞれ前記連結部に対して同一側に配置されていることを特徴とする請求項１記載のＡＴカット水晶振動子。
4. 複数の振動部が連結部を共有して一体形成されると共に、互いに隣接する前記振動部表裏面に形成された励振電極対の励振極性を反転させる事により前記振動部の厚みすべり振動変位の極性を反転させ、
   収容器に実装するための支持部が、複数の前記振動部の前記連結部に形成され、
   隣接する複数の前記振動部周囲を囲む枠により前記支持部が形成されている事を特徴とするＡＴカット水晶振動子。
5. 前記複数の振動部の形状が同一である事を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＡＴカット水晶振動子。
6. 前記複数の振動部において励振電極の形状が同一である事を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＡＴカット水晶振動子。
7. 前記複数の振動部において励振電極の厚みが同一である事を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のＡＴカット水晶振動子。
8. フォトリソグラフィー加工を用いて一体形成された事を特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のＡＴカット水晶振動子。

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