JP5985920B2 - 輪郭すべり振動子 - Google Patents

Description

本発明は、輪郭寸法で振動周波数が決定される輪郭すべり振動子に関する。なお、本明細書では、元素名を元素記号で示すことにする。

伸縮の変位を持ち板面の長辺短辺方向の結合モードとして知られているＧＴカット振動子は、周波数温度特性が温度の三次関数となり比較的良好である。しかし、ＧＴカット振動子は、板面全体で振動を起こすため、素子支持部による振動阻害を起こし、共振抵抗ＣＩが悪化する問題があった（特許文献２）。

また、ラーメモード振動子、輪郭すべり振動子、ＧＴカット振動子等の輪郭振動を用いた振動子において、振動阻害を少なくするために支持部を細くする技術が知られている（特許文献３、４）。しかし、この技術は、共振抵抗ＣＩ（Crystal Impedance）が良化する一方で、落下衝撃等の信頼性に問題が発生するという、トレードオフの関係があるため、実用化が困難であった。

更に、最も利用されているＡＴカット振動子は、落下衝撃等の信頼性については実績があり良好であるものの、−５０℃から２００℃までと広い温度範囲の周波数温度特性となると、三次の温度曲線の変極点が２５℃付近にあるため、高温側が良好とは言えない。特に低周波数帯におけるＡＴカット振動子は、エネルギ閉じ込め及び振動形態の観点から水晶板の厚みに対する縦横寸法を大きく確保する必要があるため、共振抵抗ＣＩを実用化レベルまで低く抑えつつ小型化するには限界があった（特許文献５）。

このような関連技術の課題を解決する技術として、輪郭すべり振動子が着目されている。輪郭すべり振動とは、板面と平行なすべり歪みの振動変位を主変位として持ち、その主振動の振動周波数が板の輪郭の寸法によって定まる振動のことをいう。輪郭すべり振動子は、低周波帯領域での小型振動子として知られており、ＣＴカット、ＤＴカットなどが用いられる。

特開２００８−２１１４２９号公報 特開平１０−１１７１２０号公報 特開２０１０−２３２９４３号公報 特開平０４−２１３９１０号公報 特開２００７−０３６７５８号公報

しかしながら、周波数温度特性の良いとされるＤＴカットの輪郭すべり振動子でも、一次温度係数αがほぼ零であるものの、二次温度係数βは−１．８×１０^-8／℃²と大きい（特許文献１）。そのため、振動子に要求される−４０℃から１５０℃までの範囲で、輪郭すべり振動子の周波数変動量は約１６０ｐｐｍ程度と大きかった。このように、輪郭すべり振動子は周波数温度特性に問題あった。

そこで、本発明の主な目的は、上述した課題である周波数温度特性を向上し得る輪郭すべり振動子を提供することにある。

本発明に係る輪郭すべり振動子は、
板状の水晶片と、この水晶片の両面に設けられた電極とを備え、
前記水晶片は、Ｘ軸に垂直な面をＹ軸を中心に４０°〜６０°回転させた板面と、この板面内においてＹ軸から３５°〜５５°回転させた方向の長さからなる長辺と、前記板面内において前記長辺の中央での当該長辺に垂直な方向の長さからなる短辺とを有し、
前記電極はＭｏ又はＡｌからなり、
前記長辺に垂直な方向の長さは、前記長辺の中央が最も長く、前記長辺の両端に近づくにつれて短くなる、
ことを特徴とする。

本発明によれば、特定のカット角の水晶片と、Ｍｏ又はＡｌからなる電極とを組み合わせることにより、輪郭すべり振動子の周波数温度特性を向上できる。

実施形態１の輪郭すべり振動子を示し、図１［１］は平面図であり、図１［２］は図１［１］におけるＡ−Ａ線縦断面図であり、図１［３］は図１［１］におけるＢ−Ｂ線縦断面図である。 実施形態１における水晶片を示し、図２［１］は結晶軸とカット角との関係を示す説明図であり、図２［２］は面内回転角を示す説明図である。 実施形態１の輪郭すべり振動子における外形例を示す平面図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例、図３［３］は第三例である。 実施形態１の輪郭すべり振動子の具体例を示す斜視図であり、図４［１］は第一例、図４［２］は第二例である。 実施形態１の輪郭すべり振動子をパッケージに搭載した具体例を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるＶａ−Ｖａ線及びＶｂ−Ｖｂ線縦断面図である。 実施形態１の輪郭すべり振動子において、電極厚み零の場合のＴＣＦのシミュレーション結果を示すグラフである。 実施形態１の輪郭すべり振動子において、電極の材料をＭｏとした場合（実施例１）のＴＣＦのシミュレーション結果を示すグラフであり、図７［１］は電極厚み小、図７［２］は電極厚み中、図７［３］は電極厚み大の場合である。 実施形態１の輪郭すべり振動子において、電極の材料をＡｌとした場合（実施例１）のＴＣＦのシミュレーション結果を示すグラフであり、図８［１］は電極厚み小、図８［２］は電極厚み中、図８［３］は電極厚み大の場合である。 実施形態１の輪郭すべり振動子において、電極の材料をＡｕとした場合（比較例１）のＴＣＦのシミュレーション結果を示すグラフであり、図９［１］は電極厚み小、図９［２］は電極厚み中、図９［３］は電極厚み大の場合である。 実施形態１の輪郭すべり振動子において、電極の材料をＡｇとした場合（比較例２）のＴＣＦのシミュレーション結果を示すグラフであり、図１０［１］は電極厚み小、図１０［２］は電極厚み中、図１０［３］は電極厚み大の場合である。 実施例１、２及び比較例１、２についての、温度と周波数偏差との関係（周波数温度特性）を示すグラフである。

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。

図１は実施形態１の輪郭すべり振動子を示し、図［１］は平面図であり、図［２］は図［１］におけるＡ−Ａ線縦断面図であり、図［３］は図［１］におけるＢ−Ｂ線縦断面図である。図２は実施形態１における水晶片を示し、図２［１］の結晶軸とカット角との関係を示す説明図であり、図２［２］は面内回転角を示す説明図である。図３は、実施形態１の輪郭すべり振動子における外形例を示す平面図であり、図３［１］は第一例、図３［２］は第二例、図３［３］は第三例である。以下、図１、図２及び図３に基づき説明する。

本実施形態１の輪郭すべり振動子１０は、板状の水晶片２０と、水晶片２０の両面に設けられた電極３０ａ，３０ｂとを備えている。水晶片２０は、Ｘ軸に垂直な面をＹ軸を中心に４０°〜６０°回転させた板面２１と、板面２１内においてＹ軸から３５°〜５５°回転させた方向の長さからなる長辺２２と、板面２１内において長辺２２の中央での長辺２２に垂直な方向の長さからなる短辺２３とを有する。短辺２３の長さは輪郭すべり振動子１０の振動波長λの半分である。電極３０ａ，３０ｂはＭｏ又はＡｌからなる。ここで、本発明における「Ｍｏからなる」のＭｏには、純粋なＭｏの他に、Ｍｏを主成分としＭｏと実質的に同等の効果を奏する合金も含まれるものとする。同様に、「Ａｌからなる」のＡｌには、純粋なＡｌの他に、Ａｌを主成分としＡｌと実質的に同等の効果を奏する合金も含まれるものとする。

水晶は、シリコンと酸素で構成される三方晶系の単結晶からなり、成長軸（光軸）をＺ軸とし、これと垂直に稜線を結ぶ軸をＸ軸(電気軸)とし、これと直交する軸をＹ軸(機械軸)として表現される。図２［１］に示すように、水晶片２０は、水晶から所定の角度で切り出されたウエハ２０’を、更に所定の形状に形成したものである。ウエハ２０’は、水晶のＸ軸に垂直な面を、Ｙ軸を中心に４０°〜６０°回転させた、板面２１を含む。このとき、図２［２］に示すように、板面２１内においてＹ軸に垂直な方向をＺ’軸とする。長辺２２は、水晶片２０の長手方向の最大の長さと、板面２１内においてＹ軸から３５°〜５５°回転させた方向とを有する。短辺２３は、水晶片２０の短手方向の最大の長さと、長辺２２に垂直な方向とを有する。なお、水晶の単結晶の構造は、Ｚ軸に２回対称であり、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は、前述の面に対称又は等価な面も含まれる。

図１［１］に示すように、長辺２２に垂直な方向の長さは、長辺２２の中央すなわち短辺２３が最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなる。換言すると、水晶片２０の形状は、図１［１］において上辺と下辺が曲線状であり、全体として楕円状になっている。しかし、長辺２２に垂直な方向の長さが、長辺２２の中央で最も長く、長辺２２の両端に近づくにつれて短くなれば、どのような形状でもよい。例えば、図３［１］のの輪郭すべり振動子１１では、上辺及び下辺の中央部が直線状になっている。図３［２］の輪郭すべり振動子１２では、上辺及び下辺の中央部及び端部が直線状になっている。図３［３］の輪郭すべり振動子１３では、両端から中央にかけて直線状になっており、全体として菱形状になっている。

次に、輪郭すべり振動子１０の製造方法について説明する。電極３０ａ，３０ｂは、蒸着、スパッタリング、メッキ等を用いて水晶のウエハ２０’の表裏に成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングする。その後、ウエットエッチングによって、電極３０ａ，３０ｂ及びウエハ２０’のエッチングを行い、電極３０ａ，３０ｂ及び水晶片２０の形状を形成する。

図４は実施形態１の輪郭すべり振動子の具体例を示す斜視図であり、図４［１］は第一例、図４［２］は第二例である。図５は実施形態１の輪郭すべり振動子をパッケージに搭載した具体例を示し、図５［１］は平面図、図５［２］は図５［１］におけるＶａ−Ｖａ線及びＶｂ−Ｖｂ線縦断面図である。以下、図４及び図５に基づき、実施形態１の輪郭すべり振動子について更に詳しく説明する。

図４［１］に示すように、実際の製造工程では、電極３０ａ，３０ｂ及び水晶片２０の形状を形成する際に、水晶片２０の端部に支持部４０も形成することが一般的である。図４［１］では水晶片２０の一端に支持部４０も形成しているが、図４［２］に示すように水晶片２０の両端にそれぞれ支持部４１，４２を形成してもよい。

パッケージ５０は、セラミックスや合成樹脂などの絶縁体を主体とし、基板部５１、枠部５２、図示しない蓋部などからなり、輪郭すべり振動子１０を収容する。輪郭すべり振動子１０の支持部４０は、基板部５１に設けられた台座５３に、導電性樹脂５４を介して固定されるとともに電気的に接続される。なお、図５［２］は、図５［１］において導電性樹脂５４を通らないＶａ−Ｖａ線縦断面図と、導電性樹脂５４を通るＶｂ−Ｖｂ線縦断面図とを合成したものである。

次に、図６乃至図１１を中心に、図１及び図２も参照しつつ、輪郭すべり振動子１０の第一の効果について説明する。輪郭すべり振動子１０によれば、特定のカット角の水晶片２０と、Ｍｏ又はＡｌからなる電極３０ａ，３０ｂとを組み合わせることにより、周波数温度特性を向上できる。以下に詳しく説明する。

周波数温度特性が向上する特定のカット角を検討した結果、水晶片２０のカット角は、縦軸のＺ軸からの切断角が４０°〜６０°かつ横軸の面内回転角が３５°〜５５°の範囲であった。

以下、実施例１としてＭｏ、実施例２としてＡｌ、比較例１としてＡｕ、比較例２としてＡｇをそれぞれ用いて、特定のカット角の水晶片２０に電極３０ａ，３０ｂを形成した場合について、それらの周波数温度特性を説明する。

図６乃至図１０は輪郭すべり振動子１０のＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency：周波数温度係数）についてのシミュレーション結果を示すグラフであり、縦軸が図２［１］に示す水晶片２０のＺ軸からの切断角、横軸が図２［２］に示す水晶片２０の面内回転角である。これらのグラフは、−２５℃から７５℃までの温度範囲において２５℃ステップにて０．０５刻みのＴＣＦをプロットしたものである。言い換えると、ある温度においてあるＴＦＣを実現する水晶片２０の角度の組み合わせを、線で表示したものである。詳しく言えば、次のような手順でグラフを作成する。まず、図示するように、Ｚ軸からの切断角が４０〜６０°及び面内回転角が３５〜５５°の範囲、かつ、−２５℃から７５℃までの範囲において、輪郭すべり振動子１０の採り得るＴＣＦのうち０．０５の倍数となるものを全て選択する。そして、選択されたＴＣＦの一つに対して、−２５℃、０℃、２５℃、７５℃の各温度においてそのＴＣＦを実現する水晶片２０の角度の組み合わせを線で表示する。つまり、一つの値のＴＣＦに付き、−２５℃、０℃、２５℃、７５℃の各温度の合計四本の線が描かれる。この処理を、選択された全てのＴＣＦについて実行する。したがって、温度に対する周波数変化が直線で傾きのない状態すなわちＴＣＦ＝０に近く、かつ四つの温度ステップにおける線が重なっているほど、周波数温度特性が優れていることになる。

図６は、電極３０ａ，３０ｂの厚みを零とした場合、すなわち電極の無い場合の仮想的な輪郭すべり振動子１０のＴＣＦを示している。この図は、次のようにして得られたものである。まず、図示するように、Ｚ軸からの切断角が４０〜６０°及び面内回転角が３５〜５５°の範囲、かつ、−２５℃から７５℃までの範囲において、輪郭すべり振動子１０の採り得るＴＣＦのうち０．０５の倍数すなわち０．０５、０．１、０．１５を選択する。そして、−２５℃においてＴＣＦ＝０．０５を実現する水晶片２０の角度の組み合わせを、線で表示する。同様に、０℃、２５℃、７５℃における線を表示する。これにより、ＴＣＦ＝０．０５について、四本の温度の線を得る。残りのＴＣＦ＝０．１，０．１５についても同様に、それぞれ四本の温度の線を得る。

図７は、電極３０ａ，３０ｂの材料をＭｏとした場合（実施例１）の輪郭すべり振動子１０のＴＣＦを示している。図７［１］は電極厚み小、図７［２］は電極厚み中、図７［３］は電極厚み大の場合である。つまり、電極３０ａ，３０ｂの厚みをＨｍ、水晶片２０の厚みをＨとしたとき、図７［１］はＨｍ／Ｈ＝０．０２、図７［２］はＨｍ／Ｈ＝０．０４、図７［３］はＨｍ／Ｈ＝０．０６の場合を示している。図７から明らかなように、電極３０ａ，３０ｂの材料をＭｏとしたとき、０．０２ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦ ０．０６の範囲で、周波数温度特性は、電極の無い場合及び後述する比較例１、２に比べて良好である。特に、図７［２］に示すＨｍ／Ｈ＝０．０４の場合は、ＴＣＦ＝０の四本の線が重なることから、極めて良好な周波数温度特性が得られる。

図８は、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｌとした場合（実施例２）の輪郭すべり振動子１０のＴＣＦを示している。図８［１］は電極厚み小、図８［２］は電極厚み中、図８［３］は電極厚み大の場合である。つまり、図８［１］はＨｍ／Ｈ＝０．０５５、図８［２］はＨｍ／Ｈ＝０．０７５、図８［３］はＨｍ／Ｈ＝０．０９５の場合を示している。図８から明らかなように、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｌとしたとき、０．０５５ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦ ０．０９５の範囲で、周波数温度特性は、電極の無い場合及び後述する比較例１、２に比べて良好である。特に、図８［２］に示すＨｍ／Ｈ＝０．０７５の場合は、ＴＣＦ＝０の四本の線が重なることから、極めて良好な周波数温度特性が得られる。

図９は、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｕとした場合（比較例１）の輪郭すべり振動子１０のＴＣＦを示している。図９［１］は電極厚み小、図９［２］は電極厚み中、図９［３］は電極厚み大の場合である。つまり、図９［１］はＨｍ／Ｈ＝０．０２、図９［２］はＨｍ／Ｈ＝０．０４、図９［３］はＨｍ／Ｈ＝０．０６の場合を示している。図９から明らかなように、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｕとしたときの周波数温度特性は、各図においてＴＣＦ＝０の四本の線がばらばらに離れることから、実施例１、２に比べてかなり劣っている。

図１０は、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｇとした場合（比較例２）の輪郭すべり振動子１０のＴＣＦを示している。図１０［１］は電極厚み小、図１０［２］は電極厚み中、図１０［３］は電極厚み大の場合である。つまり、図１０［１］はＨｍ／Ｈ＝０．０２、図１０［２］はＨｍ／Ｈ＝０．０４、図１０［３］はＨｍ／Ｈ＝０．０６の場合を示している。図１０から明らかなように、電極３０ａ，３０ｂの材料をＡｇとしたときの周波数温度特性は、各図においてＴＣＦ＝０の四本の線がばらばらに離れることから、実施例１、２に比べてかなり劣っている。

図１１は、実施例１、２及び比較例１、２についての、温度と周波数偏差との関係（周波数温度特性）を示すグラフである。図１１から明らかなように、実施例１、２（電極材料Ｍｏ，Ａｌ）は、比較例１、２（電極材料Ａｕ，Ａｇ）に比べて、極めて優れた周波数温度特性を有する。

ここで、図７及び図１１に示される結果について補足する。Ｍｏ使用時及びＡｌ使用時（図７及び図８）はＴＣＦ＝０の重なる箇所が見られる。一方、Ａｕ使用時及びＡｇ使用時（図９及び図１０）はそれらの重なる箇所が見られず、また、電極膜厚みが大きくなるに従い各温度でのＴＣＦ＝０の線間隔が広がる傾向にある。これは、電極膜厚みが大きくなるに従い周波数温度特性が悪くなる（すなわち周波数変動が大きくなる）ことを示している。Ａｕ使用時及びＡｇ使用時の周波数温度特性は、電極膜厚みを薄くするほど、良好となり、電極厚み零の場合（図６）に近づく。図１１の周波数温度特性は、電極が限りなく薄い状態としてＡｕ、Ａｇ使用時について計算し、図７及び図８においてＴＣＦ＝０の線が重なっている条件でＭｏ、Ａｌ使用時について計算している。

次に、図１乃至図５に基づき、輪郭すべり振動子１０の第二の効果について説明する。

輪郭すべり振動子１０は、導電性金属膜からなる電極３０ａ，３０ｂによって、水晶片２０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大きくし端部に行くに従い短手方向幅を狭くした構造となっている。

ここで、水平Ａ−Ａ方向中心部のＢ−Ｂ方向幅は、振動周波数の振動波長λの半分と見ることができる。これは、輪郭すべり振動の振動周波数がＢ−Ｂ方向幅に強く依存しているモードを、使用しているためである。本実施形態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大きく（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。

これにより、端部での不要な輪郭すべり変位が無くなるので、端部に設けた支持部４０による振動阻害を抑えることができ、その結果、共振抵抗ＣＩ（Crystal Impedance）の劣化を防ぐことが可能となる。また、ＡＴカット振動子と異なり、共振抵抗ＣＩを小さくするために水晶厚みに対する縦横寸法を大きくする制限がないことから、小型化が可能となる。

本発明は、次のように言うこともできる。本発明は、輪郭寸法で振動周波数が決定される輪郭すべり振動子である。使用する水晶板は、その厚み方向に垂直な面がＸカット水晶板からＹ軸を中心に４０°〜６０°回転させたものである。その水晶板から形成される水晶片は、長手方向を水晶板面内のＹ軸方向から３５°〜５５°回転させたものである。そして、電極の導電性金属膜としてＭｏ又はＡｌを使用し、水晶の板厚みに対する電極厚みを調整することで、−５０℃〜２００℃と広い温度範囲において周波数温度特性を良好とすることが可能となる。

また、振動周波数を決定する短辺方向幅の寸法を中心部から端部にかけて小さい寸法とすることにより、短辺方向幅の大きい中心付近にエネルギを閉じ込めることが可能となる。そのため、端部に設けられた支持部による共振抵抗ＣＩの劣化を抑制できるので、共振抵抗ＣＩの小さい小型水晶振動子を提供することが可能となる。

なお、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。

本発明によれば、特定のカット角の水晶片とＭｏ又はＡｌからなる電極とを組み合わせることにより、−５０℃から２００℃といった広温度範囲における周波数温度特性に優れた振動子を提供することができ、かつ、水晶板面内での短辺方向幅を調整することによるエネルギ閉じ込め形状が可能となるため、従来の振動子では困難であった、小型で共振抵抗ＣＩの小さい振動子を得ることができる。

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記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。

１０，１１，１２，１３ 輪郭すべり振動子
２０ 水晶片
２０’ ウエハ
２１ 板面
２２ 長辺
２３ 短辺
３０ａ，３０ｂ 電極
４０，４１，４２ 支持部
５０ パッケージ
５１ 基板部
５２ 枠部
５３ 台座
５４ 導電性樹脂

Claims (3)

1. 板状の水晶片と、この水晶片の両面に設けられた電極と、を備えた輪郭すべり振動子において、
   前記水晶片は、Ｘ軸に垂直な面をＹ軸を中心に４０°〜６０°回転させた板面と、この板面内においてＹ軸から３５°〜５５°回転させた方向の長さからなる長辺と、前記板面内において前記長辺の中央での当該長辺に垂直な方向の長さからなる短辺とを有し、
   前記電極はＭｏ又はＡｌからなり、
   前記長辺に垂直な方向の長さは、前記長辺の中央が最も長く、前記長辺の両端に近づくにつれて短くなる、
   ことを特徴とする輪郭すべり振動子。
2. 前記電極はＭｏからなり、前記電極の厚みをＨｍ、前記水晶片の厚みをＨとしたとき、０．０２ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦ ０．０６が成り立つ、
   請求項１記載の輪郭すべり振動子。
3. 前記電極はＡｌからなり、前記電極の厚みをＨｍ、前記水晶片の厚みをＨとしたとき、０．０５５ ≦ Ｈｍ／Ｈ ≦ ０．０９５が成り立つ、
   請求項１記載の輪郭すべり振動子。

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