JP7369363B2 - 水晶振動素子、水晶振動子及び水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動素子、水晶振動子及び水晶発振器に関する。

振動子は、移動通信端末、通信基地局、家電などの各種電子機器において、タイミングデバイス、センサ、発振器などの用途に用いられている。電子機器の高機能化に伴い、小型且つ薄型な振動素子が求められている。

特許文献１には、常温より高温側の領域の周波数温度特性が良好な２回回転Ｙカット水晶振動素子が開示されている。

特開２００３－３２４３３２号公報

低周波の水晶振動素子の場合、水晶片の厚みが大きく、水晶片の厚みに対する電極の厚みの割合が小さいので、周波数温度特性を考えるときに電極の影響を無視できる。しかしながら、高周波の水晶振動素子の場合、水晶片の厚みが小さくなるため、水晶片に対する電極の厚みの割合が大きくなり、電極が周波数温度特性に影響を及ぼすこととなる。このため、特許文献１に記載の水晶振動素子やＡＴカット水晶振動素子の周波数温度特性は、高周波領域において劣化する可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、周波数温度特性が良好な水晶振動素子、水晶振動子及び水晶発振器の提供である。

本発明の一態様に係る水晶振動素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を結晶軸とする水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度回転させ、さらにＸ軸をφ度回転させたＸ´軸を中心にθ度回転させて得られる面を主面とする水晶片と、水晶片に接触して設けられた電極と、を備え、水晶片の厚みＴと、水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、｜φ－（－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３）｜≦５且つ｜θ－（－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３）｜≦０．５の関係が成り立つ。

本発明の一態様に係る水晶振動素子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を結晶軸とする水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度回転させ、さらにＸ軸をφ度回転させたＸ´軸を中心にθ度回転させて得られる面を主面とする水晶片と、水晶片に接触して設けられた電極と、を備え、水晶片の厚みＴと、水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、｜φ－（－０．０１７θ³＋１．３７θ²－３７．６θ＋３５１）｜≦５の関係が成り立つ。

本発明によれば、周波数温度特性が良好な水晶振動素子、水晶振動子及び水晶発振器が提供できる。

第１実施形態に係る水晶発振器の構成を概略的に示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る水晶発振器の構成を概略的に示す断面図である。 第１実施形態に係る水晶振動子の構造を概略的に示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る水晶振動子の構成を概略的に示す断面図である。 水晶結晶の第１回転を示す図である。 水晶結晶の第２回転を示す図である。 水晶片の最適な回転角を示すグラフである。 水晶片の最適な回転角を示すグラフである。 実施例の周波数温度特性を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。各実施形態の図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。

各々の図面には、各々の図面相互の関係を明確にし、各部材の位置関係を理解する助けとするために、便宜的にＸ´軸、Ｙ´´軸及びＺ´軸からなる直交座標系を付すことがある。Ｘ´軸、Ｙ´´軸及びＺ´軸は各図面において互いに対応している。Ｘ´軸はＸ軸を１回回転して得られる軸であり、Ｙ´´軸はＹ軸を２回回転して得られる軸であり、Ｚ´軸はＺ軸を１回回転して得られる軸である。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、それぞれ、水晶結晶の結晶軸（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｘｅｓ）に対応している。Ｘ軸が水晶の電気軸（極性軸）、Ｙ軸が水晶の機械軸、Ｚ軸が水晶の光学軸に相当する。Ｘ´軸、Ｙ´´軸及びＺ´軸の詳細は後述する。

以下の説明において、Ｘ´軸に平行な方向を「Ｘ´軸方向」、Ｙ´´軸に平行な方向を「Ｙ´´軸方向」、Ｚ´軸に平行な方向を「Ｚ´軸方向」という。また、Ｘ´軸、Ｙ´´軸及びＺ´軸の矢印の先端方向を「＋（プラス）」、矢印とは反対の方向を「－（マイナス）」という。また、Ｘ´軸及びＹ´´軸によって特定される面を「Ｘ´Ｙ´´面」と呼ぶ。他の軸によって特定される面についても同様とする。なお、便宜的に、＋Ｙ´´軸方向を上方向、－Ｙ´´軸方向を下方向として説明するが、水晶振動素子１０、水晶振動子１及び水晶発振器１００の上下の向きはこれに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る水晶発振器１００の概略構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る水晶発振器の構成を概略的に示す分解斜視図である。図２は、第１実施形態に係る水晶発振器の構成を概略的に示す断面図である。図２は、Ｘ´Ｙ´´面と平行な断面を示している。

水晶発振器１００は、水晶振動子１、外部基板１３０、外部キャップ１４０、封止枠１５０、半田１５３、コンデンサ１５６、ＩＣチップ１６０、ダイボンド材１６３及びボンディングワイヤ１６６を備えている。水晶振動子１、半田１５３、コンデンサ１５６、ＩＣチップ１６０、ダイボンド材１６３及びボンディングワイヤ１６６は、外部基板１３０と外部キャップ１４０との間に形成される空間に封止されている。この空間は、例えば液密に封止されるが、真空状態で気密に封止されてもよく、不活性ガスなどの気体が充填された状態で気密に封止されてもよい。

水晶振動子１は、圧電振動子（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）の一種であり、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を備えた水晶振動子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）である。水晶振動素子は、圧電効果によって励振される圧電片として、水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を利用する。水晶振動子１は、外部基板１３０に搭載され、外部基板１３０と外部キャップ１４０との間に形成される空間に封止されている。

外部基板１３０は、互いに対向する上面１３１Ａ及び下面１３１Ｂを有する、平板状の回路基板である。外部基板１３０は、例えばアルミナを用いて設けられている。上面１３１Ａには配線層が設けられ、下面１３１Ｂには図示を省略した端子が設けられる。外部基板１３０の側面には、セミスルーホールをメタライズして設けられたキャスタレーション電極が設けられており、上面１３１Ａの配線層と下面１３１Ｂの端子とは、当該キャスタレーション電極によって電気的に接続されている。

外部キャップ１４０は、外部基板１３０の側に水晶振動子１を収容する有底の開口部を有している。言い換えると、外部キャップ１４０は、平板状の天壁部と、当該天壁部の外縁から外部基板１３０に向かって延在する側壁部とを有している。当該天壁部は、水晶振動子１を挟んで外部基板１３０と対向し、当該側壁部は、外部基板１３０の上面１３１Ａと平行な面方向において水晶振動子１を囲んでいる。

封止枠１５０は、外部基板１３０と外部キャップ１４０とを接合している。具体的には、外部基板１３０の上面１３１Ａと、外部キャップ１４０の側壁部の先端とを接合している。封止枠１５０は、矩形状の枠状に設けられており、外部基板１３０の上面１３１Ａを平面視したとき、水晶振動子１、コンデンサ１５６、ＩＣチップ１６０などを囲んでいる。封止枠１５０は、例えば、電気絶縁性の樹脂製接着剤によって設けられている。

コンデンサ１５６は、外部基板１３０の上面１３１Ａに搭載されている。コンデンサ１５６は、外部基板１３０の配線層を通して、水晶振動子１又はＩＣチップ１６０に電気的に接続されている。コンデンサ１５６は、例えば、水晶振動子１を発振させる発振回路の一部である。

半田１５３は、外部基板１３０の配線層と水晶振動子１とを接合し、外部基板１３０の配線層とコンデンサ１５６とを接合している。

ＩＣチップ１６０は、例えば、水晶振動子１の上に搭載されている。ＩＣチップ１６０は、水晶振動子１の発振回路を有するＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）である。ＩＣチップ１６０は、例えば、水晶振動子１の温度特性を補正する回路の一部である。

ダイボンド材１６３は、水晶振動子１とＩＣチップ１６０とを接合している。ダイボンド材１６３は、例えば、樹脂製接着剤によって設けられている。例えば、ダイボンド材１６３は導電性を有しており、ダイボンド材１６３を通して水晶振動子１が接地される。ダイボンド材１６３は、望ましくは低弾性樹脂を含み、例えばシリコーン系樹脂を含む。これによれば、ＩＣチップ１６０に作用する応力が緩和できる。また、ダイボンド材１６３は、望ましくは熱伝導性が高い材料によって設けられる。これによれば、水晶振動子１の温度に対するＩＣチップ１６０の温度の追従性が高まる。

ボンディングワイヤ１６６は、ＩＣチップ１６０を外部基板１３０の配線層に電気的に接続している。

なお、水晶発振器１００は、本発明の一実施形態に係る水晶振動素子１０を有する水晶振動子１を備える一例を示したものであり、本発明は図１及び図２に示す構成に限定されるものではない。例えば、外部基板１３０は、水晶振動子１を収容可能な凹部を有する箱状でもよく、外部キャップ１４０は平板状でもよい。例えば、ＩＣチップ１６０は、外部基板１３０又は外部キャップ１４０に設けられてもよく、発振回路の少なくとも一部が水晶振動子１に内蔵されてもよい。また、図１及び図２に示した部品の一部が省略されてもよく、図１及び図２に示していない部品が備えられてもよい。例えば、水晶発振器１００は、水晶振動子１の温度を一定に保つ恒温槽をさらに備えてもよい。

次に、図３及び図４を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る水晶振動子１の構成について説明する。図３は、第１実施形態に係る水晶振動子の構造を概略的に示す分解斜視図である。図４は、第１実施形態に係る水晶振動子の構成を概略的に示す断面図である。図４は、Ｘ´Ｙ´´面と平行な断面を示している。

水晶振動子１は、水晶振動素子１０と、ベース部材３０と、蓋部材４０と、接合部材５０とを備えている。水晶振動素子１０は、ベース部材３０と蓋部材４０との間に設けられている。ベース部材３０及び蓋部材４０は、水晶振動素子１０を収容するための保持器を構成している。図３及び図４に示した例では、ベース部材３０が平板状を成しており、蓋部材４０の凹部４９に水晶振動素子１０が収容されている。但し、水晶振動素子１０のうち少なくとも励振される部分が保持器に収容されれば、ベース部材３０及び蓋部材４０の形状は上記に限定されるものではない。例えば、ベース部材３０は、蓋部材４０の側に水晶振動素子１０の少なくとも一部を収容する凹部を有してもよい。

まず、水晶振動素子１０について説明する。
水晶振動素子１０は、圧電効果により水晶を振動させ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する素子である。水晶振動素子１０は、薄片状の水晶片１１と、一対の励振電極を構成する第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂと、一対の引出電極を構成する第１引出電極１５ａ及び第２引出電極１５ｂと、一対の接続電極を構成する第１接続電極１６ａ及び第２接続電極１６ｂとを備えている。

水晶片１１は、互いに対向する上面１１Ａ及び下面１１Ｂを有している。上面１１Ａは、ベース部材３０に対向する側とは反対側、すなわち後述する蓋部材４０の天壁部４１に対向する側に位置している。下面１１Ｂは、ベース部材３０に対向する側に位置している。上面１１Ａ及び下面１１Ｂは、水晶片１１の一対の主面に相当する。

例えば、水晶片１１の主面１１Ａ，１１Ｂは、Ｘ´Ｚ´面と平行な平面である。水晶片１１は、人工水晶（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ）の結晶体を切断及び研磨加工して得られる水晶基板（例えば、水晶ウェハ）をエッチング加工することで形成される。水晶片１１を用いた水晶振動素子１０の主要振動は、厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｈｅａｒ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）である。なお、水晶片１１の主面は、Ｘ´Ｚ´面から得られるのであれば平面に限定されず、凹面又は凸面などの曲面でもよく、Ｘ´Ｚ´面に対して傾いた傾斜面でもよい。水晶片１１の主面は、平面、曲面及び傾斜面の組み合わせであってもよい。

水晶片１１は、Ｘ´軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ´軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ´´軸方向に平行な厚みが延在する厚み方向とを有する板状である。水晶片１１の上面１１Ａを平面視したとき、水晶片１１の平面形状は矩形状を成している。

水晶片１１の上面１１Ａを平面視したとき、水晶片１１は、中央に位置し励振に寄与する励振部１７と、励振部１７に隣接する周辺部１８と、ベース部材３０に接続される接続部１９とを有している。励振部１７は、矩形状の島状に設けられ、枠状の周辺部１８に囲まれている。接続部１９は、水晶片１１の＋Ｘ軸方向の側の端部に位置し、Ｚ´軸方向に沿って並ぶ一対の矩形状の島状に設けられている。接続部１９は励振部１７から離れており、励振部１７と接続部１９との間には周辺部１８が位置している。

なお、上面１１Ａを平面視したときの水晶片１１の平面形状は矩形状に限定されるものではない。水晶片１１の平面形状は、多角形状、円形状、楕円形状又はこれらの組合せであってもよい。励振部１７の平面形状は矩形状に限定されるものではなく、周辺部１８の平面形状は枠状に限定されるものではない。例えば、励振部１７及び周辺部１８は、それぞれ、水晶片１１のＺ´軸方向に沿った全幅に亘って帯状に形成されてもよい。接続部１９の平面形状は、一対の矩形状の島状に限定されるものではない。接続部１９の平面形状は、多角形状、円形状、楕円形状又はこれらの組合せであってもよい。また、接続部１９は、Ｚ´軸方向に沿って延在する、連続した１つの帯状に設けられてもよい。言い換えると、１つの接続部１９に第１接続電極１６ａ及び第２接続電極１６ｂの両方が設けられてもよい。

励振部１７は上面１７Ａ及び下面１７Ｂを有し、周辺部１８は上面１８Ａ及び下面１８Ｂを有し、接続部１９は上面１９Ａ及び下面１９Ｂを有している。上面１７Ａ，１８Ａ，１９Ａは、それぞれ、水晶片１１の上面１１Ａの一部である。下面１７Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂは、それぞれ、水晶片１１の下面１１Ｂの一部である。上面１７Ａ及び下面１７Ｂは、励振部１７における水晶片１１の一対の主面に相当する。上面１８Ａ及び下面１８Ｂは、周辺部１８における水晶片１１の一対の主面に相当する。上面１９Ａ及び下面１９Ｂは、接続部１９における水晶片１１の一対の主面に相当する。上面１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ及び下面１７Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂは、それぞれ、Ｘ´Ｚ´面である。

水晶片１１は、励振部１７の厚みが周辺部１８の厚みよりも大きい、いわゆるメサ型構造である。励振部１７においてメサ型構造を有する水晶片１１によれば、水晶振動素子１０の振動漏れが抑制できる。水晶片１１は両面メサ型構造であり、上面１１Ａ及び下面１１Ｂの両側において、励振部１７が周辺部１８から突出している。励振部１７と周辺部１８との境界は、厚みが連続的に変化するテーパ形状を成している。言い換えると、励振部１７及び周辺部１８のそれぞれの上面１７Ａ，１８Ａ同士を繋ぐ面、及び下面１７Ｂ，１８Ｂ同士を繋ぐ面は、傾きが一様な傾斜面である。

励振部１７と周辺部１８との境界は、厚みの変化が不連続な階段形状を成してもよい。当該境界は、厚みの変化量が連続的に変化するコンベックス構造、又は厚みの変化量が不連続に変化するベベル構造であってもよい。言い換えると、励振部１７及び周辺部１８のそれぞれの上面１７Ａ，１８Ａ同士を繋ぐ面、及び下面１７Ｂ，１８Ｂ同士を繋ぐ面は、複数の傾斜面で構成されてもよく、曲面を含んでもよい。また、励振部１７は、水晶片１１の上面１１Ａ又は下面１１Ｂの片側において周辺部１８から突出する片面メサ型構造であってもよい。また、水晶片１１は、励振部１７の厚みが周辺部１８の厚みよりも小さい、いわゆる逆メサ型構造であってもよい。水晶片１１は、励振部１７の厚みと周辺部１８の厚みとが略等しい平板状であってもよい。

水晶片１１は、励振部１７と同様に、接続部１９においてメサ型構造を有している。言い換えると、接続部１９の厚みが周辺部１８の厚みよりも大きい。接続部１９においてメサ型構造を有する水晶片１１によれば、水晶振動素子１０の導電性保持部材３６ａ，３６ｂとの接合強度が向上する。例えば、接続部１９におけるメサ型構造は、励振部１７におけるメサ型構造と同じプロセスによって同時に形成される。

励振部１７と接続部１９との間の周辺部１８には、穴部又は溝部が形成されてもよい。このような穴部又は溝部は、励振部１７から接続部１９への振動漏れを抑制し、水晶振動素子１０の等価抵抗値（ＣＩ値）を小さくできる。また、このような穴部又は溝部は、接続部１９から励振部１７への応力の伝搬を抑制し、水晶振動素子１０の周波数の変動を抑制できる。

第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、水晶片１１の励振部１７に電圧を印加する一対の電極である。第１励振電極１４ａは励振部１７の上面１７Ａに設けられ、第２励振電極１４ｂは励振部１７の下面１７Ｂに設けられている。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、水晶片１１を挟んで互いに対向している。水晶片１１の上面１１Ａを平面視したとき、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、それぞれ矩形状をなしており、互いの略全体が重なり合うように配置されている。

なお、水晶片１１の上面１１Ａを平面視したときの第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂのそれぞれの平面形状は矩形状に限定されるものではない。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂのそれぞれの平面形状は、多角形状、円形状、楕円形状又はこれらの組合せであってもよい。

第１引出電極１５ａは周辺部１８の上面１８Ａに設けられ、第２引出電極１５ｂは周辺部１８の下面１８Ｂに設けられている。第１引出電極１５ａは、第１励振電極１４ａと第１接続電極１６ａとを電気的に接続している。第２引出電極１５ｂは、第２励振電極１４ｂと第２接続電極１６ｂとを電気的に接続している。第１引出電極１５ａの一端が励振部１７において第１励振電極１４ａに接続され、第１引出電極１５ａの他端が接続部１９において第１接続電極１６ａに接続されている。また、第２引出電極１５ｂの一端が励振部１７において第２励振電極１４ｂに接続され、第２引出電極１５ｂの他端が接続部１９において第２接続電極１６ｂに接続されている。

第１接続電極１６ａ及び第２接続電極１６ｂは、それぞれ、接続部１９の下面１９Ｂに設けられている。第１接続電極１６ａ及び第２接続電極１６ｂは、接続部１９の上面１９Ａ及び水晶片１１の側面にも設けられている。

第１励振電極１４ａ、第１引出電極１５ａ及び第１接続電極１６ａからなる一方の電極群は、互いに連続的に形成されており、例えば互いに一体的に形成されている。第２励振電極１４ｂ、第２引出電極１５ｂ及び第２接続電極１６ｂからなる他方の電極群も同様に、互いに連続的に形成されており、例えば互いに一体的に形成されている。このように、水晶振動素子１０には一対の電極群が設けられている。水晶振動素子１０の一対の電極群は、例えば多層構造であり、下地層と最表層とをこの順に積層して設けられている。下地層は、水晶片１１に接触する層であり、水晶片１１との密着性が良好な材料で設けられる。最表層は、一対の電極群の最表面に位置する層であり、化学的安定性が良好な材料で設けられる。一対の電極群をこのような多層構造とすることで、一対の電極群の酸化や水晶片１１からの剥離が抑制でき、信頼性の高い水晶振動素子１０が提供できる。下地層は例えばクロム（Ｃｒ）を含有し、最表層は例えば金（Ａｕ）を含有する。

励振部１７に電圧が印加可能であれば、水晶振動素子１０の一対の電極群のうち、少なくとも一方が水晶片１１から離れて設けられてもよい。例えば、第１励振電極１４ａと励振部１７との間にギャップが設けられてもよい。

水晶振動素子１０の一対の電極群を構成する材料はＣｒ及びＡｕに限定されるものではなく、例えばチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）などの金属材料を含有してもよい。一対の電極群は、導電性セラミック、導電性樹脂、半導体などを含有してもよい。

次に、水晶片１１の厚みＴ、及び水晶片１１に接触して設けられた電極の厚みｔについて説明する。

水晶片１１の厚みＴは、励振部１７の厚みである。水晶片１１がコンベックス構造やベベル構造であって励振部１７の厚みが一様ではない場合、水晶片１１の厚みＴは、例えば励振部１７の中央部の厚みである。

図４に示すように、一対の電極（第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂ）の両方が水晶片１１に接触して設けられた場合、水晶片１１に接触して設けられた電極の厚みｔは、第１励振電極１４ａの厚みｔａと、第２励振電極１４ｂの厚みｔｂとの和である（ｔ＝ｔａ＋ｔｂ）。例えば、第１励振電極１４ａの厚みｔａは、第１励振電極１４ａの中央部の厚みであり、第２励振電極１４ｂの厚みｔｂは、第２励振電極１４ｂの中央部の厚みである。但し、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂのうち一方の電極が水晶片１１から離れて設けられた場合、厚みｔは、水晶片１１に接触して設けられた他方の電極の厚みに等しい。例えば、第１励振電極１４ａと励振部１７との間にギャップが設けられた場合、厚みｔは、第２励振電極１４ｂの厚みｔｂとなる（ｔ＝ｔｂ）。

水晶片１１の厚みＴと、水晶片１１に接触して設けられた電極の厚みｔとは、ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たす。言い換えると、水晶片１１の厚みＴに対する電極の厚みｔの比率ｔ／Ｔが０．０１以上である。厚みの比率ｔ／Ｔは、望ましくは０．０２以上であり、さらに望ましくは０．０５以上であり、さらに望ましくは０．１以上である。また、厚みの比率ｔ／Ｔは０．５以下であることが望ましい。

水晶振動素子１０の主要振動が厚みすべり振動モードである場合、水晶振動素子１０を高周波化するためには、水晶振動素子１０を薄肉化する必要がある。水晶片１１に接触して設けられた電極は水晶片１１に比べて薄肉化が難しいため、水晶振動素子１０を薄肉化すると、厚みの比率ｔ／Ｔが大きくなる。したがって、水晶振動素子１０を高周波化するためには、厚みの比率ｔ／Ｔを大きくする必要がある。但し、厚みの比率ｔ／Ｔが大きくなるほど、周波数温度特性に対する電極の影響が大きくなる。

次に、ベース部材３０について説明する。
ベース部材３０は、水晶振動素子１０を励振可能に保持している。ベース部材３０は、互いに対向する上面３１Ａ及び下面３１Ｂを有する基体３１を備えている。上面３１Ａ及び下面３１Ｂは、基体３１の一対の主面に相当する。上面３１Ａは、水晶振動素子１０及び蓋部材４０に対向する側に位置し、水晶振動素子１０が搭載される搭載面に相当する。下面３１Ｂは、外部基板１３０に対向する側に位置し、外部基板１３０が接続される実装面に相当する。基体３１は、例えば絶縁性セラミック（アルミナ）などの焼結材である。熱応力の発生を抑制する観点から、基体３１は耐熱性材料から構成されることが好ましい。熱履歴によって水晶振動素子１０にかかる応力を抑制する観点から、基体３１は、水晶片１１に近い熱膨張率を有する材料によって設けられてもよく、例えば水晶によって設けられてもよい。また、熱応力による基体３１の損傷を抑制する観点から、基体３１は、蓋部材４０に近い熱膨張率を有する材料によって設けられてもよい。

ベース部材３０は、第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂを備えている。第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂは、基体３１の上面３１Ａに設けられている。第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂは、ベース部材３０に水晶振動素子１０を電気的に接続するための端子である。酸化による信頼性の低下を抑制する観点から、第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂのそれぞれの最表層は金を含有するのが望ましく、ほぼ金のみからなるのがさらに望ましい。例えば、第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂは、基体３１との密着性を向上させる下地層と、金を含み酸化を抑制する最表層とを有する積層構造であってもよい。第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂは、一対の電極パッドに相当する。

ベース部材３０は、第１外部電極３５ａ、第２外部電極３５ｂ、第３外部電極３５ｃ及び第４外部電極３５ｄを備えている。第１外部電極３５ａ～第４外部電極３５ｄは、基体３１の下面３１Ｂに設けられている。第１外部電極３５ａ及び第２外部電極３５ｂは、外部基板１３０の配線層と水晶振動子１とを電気的に接続するための端子である。第３外部電極３５ｃ及び第４外部電極３５ｄは、例えば電気信号等が入出力されないダミー電極であるが、蓋部材４０を接地させて蓋部材４０の電磁シールド機能を向上させる接地電極であってもよい。なお、第３外部電極３５ｃ及び第４外部電極３５ｄは、省略されてもよい。

第１電極パッド３３ａは、基体３１をＹ´´軸方向に沿って貫通する第１貫通電極３４ａを介して、第１外部電極３５ａに電気的に接続されている。第２電極パッド３３ｂは、基体３１をＹ´´軸方向に沿って貫通する第２貫通電極３４ｂを介して、第２外部電極３５ｂに電気的に接続されている。

第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂのそれぞれは、基体３１の上面３１Ａと下面３１Ｂとを繋ぐ側面に設けられた側面電極を介して、第１外部電極３５ａ及び第２外部電極３５ｂに電気的に接続されてもよい。当該側面電極は、キャスタレーション電極でもよい。

ベース部材３０は、第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂを備えている。第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂは、水晶振動素子１０を励振可能に保持している。言い換えると、励振部１７がベース部材３０及び蓋部材４０に接触しないように、水晶振動素子１０を保持している。第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂは、水晶振動素子１０とベース部材３０とを電気的に接続している。具体的には、第１導電性保持部材３６ａが第１電極パッド３３ａと第１接続電極１６ａとを電気的に接続し、第２導電性保持部材３６ｂが第２電極パッド３３ｂと第２接続電極１６ｂとを電気的に接続している。第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂは、一対の導電性保持部材に相当する。

第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂは、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等を含む導電性接着剤の硬化物であり、第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂの主成分は、例えばシリコーン樹脂である。第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂは導電性粒子を含んでおり、当該導電性粒子としては例えば銀（Ａｇ）を含む金属粒子が用いられる。

第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂの主成分は、硬化性樹脂であればシリコーン樹脂に限定されるものではなく、例えばエポキシ樹脂やアクリル樹脂などであってもよい。また、第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂの導電性は、銀粒子による付与に限定されるものではなく、その他の金属、導電性セラミック、導電性有機材料などによって付与されてもよい。第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂの主成分が導電性高分子であってもよい。

第１導電性保持部材３６ａ及び第２導電性保持部材３６ｂの樹脂組成物には、任意の添加剤を含有してもよい。添加剤は、例えば、導電性接着剤の作業性や保存性の向上などを目的とする粘着付与剤、充填剤、増粘剤、増感剤、老化防止剤、消泡剤などである。また、硬化物の強度を増加させる目的、あるいはベース部材３０と水晶振動素子１０との間隔を保つ目的のフィラーが添加されてもよい。

次に、蓋部材４０について説明する。
蓋部材４０は、ベース部材３０に接合されている。蓋部材４０は、ベース部材３０との間に水晶振動素子１０を収容する内部空間を形成する。蓋部材４０はベース部材３０の側に開口する凹部４９を有しており、本実施形態における内部空間は、凹部４９の内側の空間に相当する。凹部４９は、例えば真空状態で封止されているが、窒素や希ガスなどの不活性ガスが充填された状態で封止されてもよい。凹部４９は、液密な状態で封止されてもよい。蓋部材４０の材質は、望ましくは導電材料であり、さらに望ましくは気密性の高い金属材料である。蓋部材４０が導電材料で構成されることによって、内部空間への電磁波の出入りを低減する電磁シールド機能が蓋部材４０に付与される。また、蓋部材４０を通してＩＣチップ１６０が接地できる。熱応力の発生を抑制する観点から、蓋部材４０の材質は、基体３１に近い熱膨張率を有する材料であることが望ましく、例えば常温付近での熱膨張率がガラスやセラミックと広い温度範囲で一致するＦｅ－Ｎｉ－Ｃｏ系合金である。なお、蓋部材４０の材質は、基体３１の材質と同じであってもよく、セラミック、水晶、樹脂などを含んでもよい。

蓋部材４０は、平板状の天壁部４１と、天壁部４１の外縁に接続されており且つ高さ方向に沿って延在する側壁部４２とを有している。蓋部材４０の凹部４９は、天壁部４１と側壁部４２とによって形成されている。具体的には、天壁部４１は、基体３１の上面３１Ａに沿って延在し、高さ方向において水晶振動素子１０を挟んでベース部材３０と対向している。また、側壁部４２は、天壁部４１からベース部材３０に向かって延在しており、基体３１の上面３１Ａと平行な方向において水晶振動素子１０を囲んでいる。蓋部材４０はさらに、側壁部４２のベース部材３０側の先端部に接続されており且つ基体３１の上面３１Ａに沿って外側に延在するフランジ部４３を有している。言い換えると、側壁部４２の上端部に接続された天壁部４１と、側壁部４２の下端部に接続されたフランジ部４３とが、互いに反対方向へ延在している。基体３１の上面３１Ａを平面視したとき、フランジ部４３は、水晶振動素子１０を囲むように枠状に延在している。

次に、接合部材５０について説明する。
接合部材５０は、ベース部材３０及び蓋部材４０の各全周に亘って設けられ、矩形の枠状をなしている。ベース部材３０の上面３１Ａを平面視したとき、第１電極パッド３３ａ及び第２電極パッド３３ｂは、接合部材５０の内側に配置されており、接合部材５０は水晶振動素子１０を囲むように設けられている。接合部材５０は、ベース部材３０と蓋部材４０とを接合し、内部空間に相当する凹部４９を封止している。具体的には、接合部材５０は、基体３１とフランジ部４３とを接合している。水晶振動素子１０の周波数特性の変動を抑制する観点から、接合部材５０の材質は、透湿性が低いことが望ましく、ガス透過性が低いことがさらに望ましい。また、接合部材５０を介して蓋部材４０を接地電位に電気的に接続するためには、接合部材５０が導電性を有することが望ましい。これらの観点から、接合部材５０の材質は金属が望ましい。一例として、接合部材５０は、基体３１の上面３１Ａに設けられたモリブデン（Ｍｏ）からなるメタライズ層と、メタライズ層とフランジ部４３との間に設けられた金錫（Ａｕ－Ｓｎ）系の共晶合金からなる金属半田層とによって設けられている。

なお、接合部材５０は、水ガラスなどを含むケイ素系接着剤や、セメントなどを含むカルシウム系接着剤などの無機系接着剤によって設けられてもよい。接合部材５０の材質は、エポキシ系、ビニル系、アクリル系、ウレタン系又はシリコーン系の有機系接着剤によって設けられてもよい。接合部材５０が無機系又は有機系接着剤によって設けられる場合、ガス透過性を下げるために、接合部材５０の外側に当該接着剤よりもガス透過性が低いコーティングが設けられてもよい。ベース部材３０と蓋部材４０とは、シーム溶接によって接合されてもよい。

次に、図５～図８を参照しつつ、水晶片１１のカット角について、より詳細に説明する。図５は、水晶結晶の第１回転を示す図である。図６は、水晶結晶の第２回転角を示す図である。図７は、水晶片の最適な回転角を示すグラフである。図８は、水晶片の最適な回転角を示すグラフである。

水晶片１１は、Ｙ板を２回回転させて得られる水晶基板から形成されている。まずは、図５に示すように、水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度回転させる。φ度は、第１回転の回転角に相当する。第１回転の向きは、Ｘ軸の正方向側をＹ軸の正方向側に回転させる向きであり、＋Ｚ軸方向からＸＹ面を平面視したときに反時計回りとなる向きである。このとき、Ｘ軸，Ｙ軸のそれぞれを第１回転させて得られるのがＸ´軸，Ｙ´軸である。

次に、図６に示すように、第１回転によって得られた面を、Ｘ´軸を中心にθ度回転させる。θ度は、第２回転の回転角に相当する。第２回転の向きは、Ｙ´軸の正方向側をＺ軸の正方向側に回転させる向きであり、＋Ｘ´軸方向からＹ´Ｚ面を平面視したときに反時計回りとなる向きである。このとき、Ｙ´軸，Ｚ軸のそれぞれを第２回転させて得られるのがＹ´´軸，Ｚ´軸である。このように、ＺＸ面を２回回転させて得られたＺ´Ｘ´面をもとに、水晶片１１の主面が得られる。

図７のグラフの横軸は厚みの比率ｔ／Ｔを示し、縦軸は第１回転の回転角φ度又は第２回転の回転角θ度を示す。図中のグラフは、厚みの比率ｔ／Ｔを変数ｘとしたとき、周波数温度特性の１次係数及び２次係数がゼロになる回転角φ及びθをプロットしたものである。当該プロットの近似式から、周波数温度特性の１次係数及び２次係数をゼロとする回転角φ及びθは、次式を満たすことがわかった。
φ＝－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３
θ＝－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３
回転角φが上記の式で求められる値の±５度以内、且つ、回転角θが上記の式で求められる値の±０．５度以内であれば、周波数温度特性を充分に改善できる。このため、本実施形態においては、
｜φ－（－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３）｜≦５
且つ
｜θ－（－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３）｜≦０．５
の関係が成り立つように、水晶片１１が設けられている。

図８のグラフの横軸は第２回転の回転角θを示し、縦軸は第１回転の回転角φを示す。図中のグラフは、回転角θを変数としたとき、周波数温度特性の１次係数及び２次係数がゼロになる回転角φをプロットしたものである。当該プロットの近似式から、周波数温度特性の１次係数及び２次係数をゼロとする回転角φ及びθは、次式を満たすことがわかった。
φ＝－０．０１７θ³＋１．３７θ²－３７．６θ＋３５１
回転角φ上記の式で求められる値の±５度以内であれば、周波数温度特性を充分に改善できる。このため、本実施形態においては、
｜φ－（－０．０１７θ³＋１．３７θ²－３７．６θ＋３５１）｜≦５
の関係が成り立つように、水晶片１１が設けられている。

次に、図９を参照しつつ、本発明の実施例及び比較例の周波数温度特性について説明する。実施例は、水晶片の両面に一対の電極を設けた水晶振動素子である。水晶片及び一対の電極は、それぞれ、矩形状の平板である。一対の電極は、アルミニウムによって設けられている。水晶片の主面の面積は１２０μｍ²、水晶の厚みは１μｍ、電極の主面の面積は５０μｍ²、電極の一方の厚みは０．２μｍ、一対の電極の厚みの和は０．４μｍである。第１回転の回転角φは４．９度、第２回転の回転角θは３３．４度である。

比較例１及び比較例２は、実施例に対して回転角のみ異なっている。具体的には、比較例１の水晶片はＡＴカットである。比較例１において、回転角φは０度、回転角θは３５度２５分である。比較例２の水晶片は、周波数温度特性が改善するように、ＡＴカットの回転角を修正したものである。比較例２において、回転角φは０度、回転角θは３３度４５分である。

比較例１の周波数温度特性は、水晶片が薄いため電極の影響を大きく受け、ｔ／Ｔ＜０．０１の水晶振動素子の周波数温度特性よりも悪化している。比較例２の周波数温度特性は、比較例１の周波数温度特性に比べて、１次係数が補正されたことによって改善されている。しかし、比較例２の周波数温度特性は充分に改善されているとは言えず、高温領域での周波数の変化が大きい。実施例の周波数温度特性は１次係数及び２次係数がゼロになるため、実施例における周波数の温度変化は、比較例２における周波数の温度変化に比べて小さい。

以上のように、一実施形態では、水晶片１１の厚みＴと、水晶片１１に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、｜φ－（－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３）｜≦５、且つ、｜θ－（－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３）｜≦０．５の関係が成り立つ。
また、｜φ－（－０．０１７θ³＋１．３７θ²－３７．６θ＋３５１）｜≦５の関係が成り立つ。
これによれば、周波数温度特性が改善される。

以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記し、その効果について説明する。なお、本発明は以下の付記に限定されるものではない。

本発明の一態様によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を結晶軸とする水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度回転させ、さらにＸ軸をφ度回転させたＸ´軸を中心にθ度回転させて得られる面を主面とする水晶片と、水晶片に接触して設けられた電極と、を備え、水晶片の厚みＴと、水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、｜φ－（－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３）｜≦５且つ｜θ－（－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３）｜≦０．５の関係が成り立つ、水晶振動素子が提供される。
これによれば、周波数温度特性が改善される。

本発明の他の一態様によれば、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を結晶軸とする水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度回転させ、さらにＸ軸をφ度回転させたＸ´軸を中心にθ度回転させて得られる面を主面とする水晶片と、水晶片に接触して設けられた電極と、を備え、水晶片の厚みＴと、水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、｜φ－（－０．０１７θ³＋１．３７θ²－３７．６θ＋３５１）｜≦５の関係が成り立つ、水晶振動素子が提供される。

一態様として、水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔは、水晶片に電圧を印加する一対の電極のそれぞれの厚みの和である。

一態様として、水晶振動素子の主要振動は、厚みすべり振動モードである。

一態様として、水晶片に設けられた電極は、アルミニウムからなる。

一態様として、前述のいずれかの水晶振動素子と、ベース部材と、ベース部材に接合された蓋部材と、を備え、水晶振動素子は、ベース部材と蓋部材との間の内部空間に設けられた、水晶振動子が提供される。

一態様として、前述の水晶振動子と、水晶振動子の発振回路を有するＩＣチップと、を備える、水晶発振器が提供される。

本発明に係る実施形態は、タイミングデバイス、発音器、発振器、荷重センサなど、圧電効果により電気機械エネルギー変換を行うデバイスであれば、特に限定されることなく適宜適用可能である。

以上説明したように、本発明の一態様によれば、周波数温度特性が良好な水晶振動素子、水晶振動子及び水晶発振器が提供できる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…水晶振動子、
１０…水晶振動素子、
１１…水晶片、
１４ａ，１４ｂ…励振電極、
１５ａ，１５ｂ…引出電極、
１６ａ，１６ｂ…接続電極、
１７…励振部、
１８…周辺部、
１９…接続部、
１１Ａ，１７Ａ，１８Ａ，１９Ａ…上面、
１１Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ，１９Ｂ…下面、
φ…第１回転の回転角、
θ…第２回転の回転角、

Claims (10)

1. Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸を結晶軸とする水晶結晶のＸ軸及びＺ軸を含む面を、Ｚ軸を中心にφ度（０＜φ）回転させ、さらにＸ軸をφ度回転させたＸ´軸を中心にθ度回転させて得られる面を主面とする水晶片と、
   前記水晶片に接触して設けられた電極と、
   を備え、
   前記水晶片の厚みＴと、前記水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔとが、ｘ＝ｔ／Ｔ≧０．０１の関係を満たし、
   ｜φ－（－９８．６ｘ³＋１１４．０ｘ²－２２．３ｘ＋１．３）｜≦５
   且つ
   ｜θ－（－９．５ｘ³－１０．９ｘ²＋１．４ｘ＋３５．３）｜≦０．５
   の関係が成り立つ、水晶振動素子。
2. ０．０２≦ｔ／Ｔの関係を満たす、
   請求項１に記載の水晶振動素子。
3. ０．０５≦ｔ／Ｔの関係を満たす、
   請求項２に記載の水晶振動素子。
4. ０．１≦ｔ／Ｔの関係を満たす、
   請求項３に記載の水晶振動素子。
5. ｔ／Ｔ≦０．５の関係を満たす、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の水晶振動素子。
6. 前記水晶片に接触して設けられた電極の厚みｔは、前記水晶片に電圧を印加する一対の電極のそれぞれの厚みの和である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の水晶振動素子。
7. 前記水晶振動素子の主要振動は、厚みすべり振動モードである、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の水晶振動素子。
8. 前記水晶片に設けられた電極は、アルミニウムからなる、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の水晶振動素子。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の水晶振動素子と、
   ベース部材と、
   前記ベース部材に接合された蓋部材と、
   を備え、
   前記水晶振動素子は、前記ベース部材と前記蓋部材との間の内部空間に設けられた、水晶振動子。
10. 請求項９に記載の水晶振動子と、
    前記水晶振動子の発振回路を有するＩＣチップと、
    を備える、水晶発振器。

Images