JP6179838B2 - 水晶振動子及び水晶振動デバイス - Google Patents

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Description

本発明は、水晶振動子及び水晶振動デバイスに関する。
発振装置や帯域フィルタなどに用いられる圧電振動素子として、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子が広く用いられている。このような水晶振動子として、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図るために、励振用電極と、厚みすべり振動が伝搬する伝搬方向端部との間に複数の溝を形成することが知られている(特許文献1参照)。これによれば、バレル研磨などによって水晶基板の面取り加工を行う場合に比べて、加工精度が高い点及び歩留まりの向上が見込まれる点で安定した加工を行うことができる。
しかしながら、上記特許文献1に記載された構成によれば、水晶振動子の励振用電極に接続されるリード電極を、複数の溝と交差するように形成せざるを得ないため、リード電極が溝上で断線する可能性があった。そのため、電気的接続信頼性の観点から安定した品質を維持することが難しい場合があった。
特開2011−97623号公報
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることを目的とする。
本発明の一側面に係る水晶振動子は、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子であって、長手方向及び短手方向を有し、長手方向の一方の端部である第1端部と他方の端部である第2端部とを有する、ATカット水晶基板と、ATカット水晶基板の第1面及び第1面とは反対の第2面に設けられた励振電極と、を備え、ATカット水晶基板には、第1端部及び第2端部の少なくとも一方と励振電極との間に、複数の開口部が長手方向に並んで形成され、複数の開口部の開口面積は、励振電極から長手方向の端部に向かって大きくなっている。
上記構成によれば、複数の開口部の開口面積が、励振電極から長手方向の端部に向かって大きくなっているので、水晶基板の中央部よりも長手方向の端部の方が厚さが小さい構成と同様の作用効果を有することができ、厚みすべり振動モードの振動エネルギーの漏れを少なくすることができる。したがって、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることができる。
上記水晶振動子において、複数の開口部は、第1端部と励振電極との間、及び、第2端部と励振電極との間の両方に形成されてもよい。
上記水晶振動子において、励振電極に電気的に接続され、ATカット水晶基板の長手方向の第2端部に向かって延出された延出電極をさらに含み、複数の開口部は、第1端部と励振電極との間に形成されてもよい。
これによれば、凹部を起因として各電極の断線が発生することを防ぐことができる。
上記水晶振動子において、複数の開口部の開口数は、励振電極から長手方向の端部に向かって多くなっていてもよい。
上記水晶振動子において、複数の開口部のそれぞれの開口径は、励振電極から長手方向の端部に向かって大きくなっていてもよい。
上記水晶振動子において、複数の開口部は、凹部であってもよい。
これによれば、貫通穴に比べて水晶基板の機械的強度が低下するのを防ぐことができる。
上記水晶振動子において、複数の凹部は、ATカット水晶基板の第1面及び第2面に形成されてもよい。
これによれば、振動エネルギーの閉じ込め性のさらなる向上を図ることができる。
上記水晶振動子において、ATカット水晶基板の第1面に形成されたいずれか一つの凹部が、ATカット水晶基板の第2面に形成された他の複数の凹部のそれぞれと全部が重なることがないように配置されてもよい。
これによれば、水晶基板の機械的強度が低下するのを防ぐことができる。
上記水晶振動子において、複数の開口部のそれぞれは、ATカット水晶基板の第1面及び第2面を貫通する貫通穴であってもよい。
これによれば、より簡易に開口部を形成することができる。
上記水晶振動子において、複数の開口部は、エッチングによって形成されてもよい。
本発明の一側面に係る水晶振動デバイスは、ベース部材と、密封した内部空間を構成するようにベース部材に接続されたリッド部材と、内部空間に収容された上記水晶振動子と、を備える。
上記構成によれば、上記水晶基板の構成を含む水晶振動子を備えるので、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることができる。
本発明によれば、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることができる。
図1は、本実施形態に係る水晶振動子を説明するための平面図である。 図2は、図1のII−II線断面図である。 図3は、本実施形態の第1変形例に係る水晶振動子を説明するための平面図である。 図4は、本実施形態の第2変形例に係る水晶振動子を説明するための平面図である。 図5は、本実施形態の第3変形例に係る水晶振動子を説明するための断面図である。 図6は、本実施形態の第4変形例に係る水晶振動子を説明するための断面図である。 図7は、本実施形態に係る水晶振動デバイスを説明するための平面図である。 図8は、図7のVIII−VIII線断面図である。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。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の形態に限定して解するべきではない。
図1は、本実施形態に係る水晶振動子の平面図を示したものであり、図2は、図1のII−II線断面図である。
本実施形態に係る水晶振動子1は、水晶基板10と、水晶基板10に形成された一対の第1及び第2励振電極20,30とを備える。
水晶基板10は、例えば、ATカットで形成された水晶からなる。ATカット水晶基板を用いた水晶振動子は、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いる上、低コストで製造することが可能である。また、ATカット水晶振動子は、厚みすべり振動モード(Thickness Shear Mode)を主振動として用いられることが多い。図1及び図2に示す例では、水晶基板10は、X方向に平行な長手方向と、Y方向に平行な短手方向とを有する略矩形の外形形状を有し、XY平面を基準としてZ方向に略対称な形状を有している。水晶基板10は、第1面12と、第1面12とは反対の第2面14とを有する。
水晶基板10の第1面12には第1励振電極20が形成され、他方、水晶基板10の第2面14には第2励振電極30が形成されている。第1及び第2励振電極20,30は、一対の電極として、XY平面視において略全体が重なり合うように配置されている。また、水晶基板10の第1面12には、第1励振電極20に電気的に接続された延出電極22が形成されている。延出電極22は、水晶基板10の長手方向の第1端部16(X軸正方向側の端部)及び第2端部18(X軸負方向側の端部)のうち、第2端部18に向かって延出しており、さらに水晶基板10の第2端部18を通って、第2面14に形成された接続電極24と電気的に接続されている。他方、水晶基板10の第2面14には、第2励振電極30に電気的に接続された延出電極32が形成されている。延出電極32は、水晶基板10の長手方向の第2端部18に向かって延出しており、第2面14に形成された接続電極34に電気的に接続されている。このように、第1及び第2励振電極20,30と電気的に接続された接続電極24,34が、水晶基板10の第2面14における長手方向の第2端部18の側(すなわち短辺側)に配置されている。なお、これらの延出電極及び接続電極などの配置や引き回し形状などは上記に限定されるものではなく、適宜自由に設計することができる。
第1及び第2励振電極20,30を含む上記各電極は、例えば、下地をクロム(Cr)層で形成し、クロム層の表面に金(Au)層を形成してもよく、その材料は限定されるものではない。
水晶基板10の第1面12には、開口部の一態様として、複数の凹部40が形成されている。複数の凹部40は、図1に示すように、水晶基板10の長手方向の第1端部16と、第1励振電極20との間に長手方向に並んで形成されている。複数の凹部40は、図1に示すように、長手方向に複数段(図1では3段)配列されていてもよいし、あるいは、長手方向にランダムに並んでいてもよい。そして、複数の凹部40の開口面積(すなわち、XY平面視における開口の外縁で囲まれた範囲の合計面積)は、第1励振電極20から第1端部16に向かって大きくなっている。この場合、複数の凹部40の開口面積は、長手方向に沿って常に連続的に大きくなっている構成に限られるものではなく、全体として長手方向に大きくなっている構成であればよい。例えば、第1端部16と第1励振電極20との間を、長手方向に同じ面積で複数の領域(例えば2つの領域)に分割した場合、第1端部16の側の一つの領域の開口面積(すなわち開口部の密度)のほうが、第1励振電極20の側の他の一つの領域の開口面積(すなわち開口部の密度)よりも大きくなっていればよい。
図1に示すように、複数の凹部40の開口数が、第1励振電極20から第1端部16に向かって多くなるようになっていてもよい。それぞれ凹部40の開口径は互いに略同じ大きさであってもよいし、異なる大きさであってもよい。
また、凹部40の開口の平面形状(XY平面視の形状)は、図1に示すように円形状であってもよく、あるいは、矩形(正方形又は長方形)や楕円形などであってもよい。また、凹部40の開口の断面形状(XZ断面視の形状)は、図2に示すようにテーパが付された傾斜面(曲面又は平面)をもって形成されていてもよく、この場合、図2に示すように凹部40の底部は、傾斜面が交差する部分であってもよい。
このような複数の凹部40は、例えばリソグラフィ及びエッチングによって形成することができる。例えば、水晶基板上にレジスト層を形成し、露光及び現像等を行うことによってレジスト層に複数の開口部を形成し、複数の開口部によって露出した水晶基板の複数の領域をエッチングすることによって複数の凹部40を形成することができる。エッチングは凹部40の外周から内側方向に傾斜面を形成するように水晶基板の厚さ方向(すなわち深さ方向)に進行し、最終的には、凹部40の外周からの傾斜面が交差する位置でエッチングが終了する。したがって、凹部40の深さ及び傾斜角度は、エッチング時間や凹部40の開口径などに依存する。
なお、凹部40の形状や形成方法は上記に限定されるものではなく、例えば凹部40は内面が曲面状に形成されてもよいし、底面及び底面から垂直に立ち上がる側壁面を有する形状であってよい。あるいは、円錐形状であってもよいし、円錐台形状であってもよい。また、凹部40の形成方法もリソグラフィ及びエッチングによるものに限らず、その他の物理的及び化学的手法を用いて形成してもよい。
図1に示す例では、第1励振電極20と電気的に接続される延出電極22及び接続電極24が、水晶基板10の長手方向の第2端部18の側に配置される場合、複数の凹部40は、水晶基板10の長手方向の第1端部16の側に形成されている。すなわち、複数の凹部40は、延出電極22及び接続電極24の配置を避けて形成される。したがって、凹部40を起因として電極の断線が発生することを防ぐことができる。
本実施形態では、図2に示すように、水晶基板10の第2面14にも、開口部の一態様としての複数の凹部42が形成されている。複数の凹部42は、水晶基板10の長手方向の第1端部16と、第2励振電極30との間に長手方向に並んで形成されている。すなわち、複数の凹部42が形成される範囲は、凹部40が形成される範囲と略重なっている。そして、凹部40について説明した内容と同様に、複数の凹部42の開口面積は、第1励振電極20から第1端部16に向かって大きくなっている。凹部42のその他の構成は、上記した凹部40について説明した内容が当てはまる。
図2に示すように、複数の凹部40,42は、水晶基板10の第1面12に形成されたいずれか一つの凹部40が、水晶基板10の第2面14に形成された複数の凹部42のそれぞれと全部が重なることがないように配置されている。言い換えれば、いずれか一つの凹部40の中心が、複数の凹部42のそれぞれの中心と重なることがないように配置されている。いずれか一つの凹部40は、複数の凹部42の全部と重ならなくてもよいし、あるいはいずれかの凹部42の一部のみと重なるように配置されていてもよい。このように、凹部40,42同士がずれて配置されていることによって、複数の凹部を水晶基板10の両面の側から形成したとしても、水晶基板10の機械的強度が低下するのを防ぐことができる。
本実施形態に係る水晶振動子1によれば、複数の凹部40,42の開口面積が、第1及び第2励振電極20,30から長手方向の端部(例えば第1端部16)に向かって大きくなっている、水晶基板10の中央部よりも長手方向の端部の方が厚さが小さい構成と同様の作用効果を有することができ、厚みすべり振動モードの振動エネルギーの漏れを少なくすることができる。したがって、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることができる。
次に、図3〜図6を参照して、本実施形態の変形例に係る水晶振動子を説明する。なお、以下の変形例においては上記した内容と異なる点を説明する。
図3は、本実施形態の第1変形例に係る水晶振動子2を示す平面図である。本変形例に示すように、複数の凹部を、第1面においては長手方向の一方の端部側に形成し、第2面においては長手方向の他方の端部側に形成してもよい。
図3に示すように、水晶振動子2は水晶基板11を有し、水晶基板11の第1面12には、第1端部16と第1励振電極20との間に複数の凹部40が形成され、水晶基板11の第2面14には、第2端部18と第2励振電極30との間に複数の凹部44が形成されている。この場合、複数の凹部40,44は延出電極や接続電極の配置を避けて形成されることが好ましい。なお、凹部40,44のその他の構成は、上記実施形態について説明した凹部の内容を適用することができる。
また、図3に示す例では、第2面14において、複数の凹部44を接続電極24側である第2端部18側に形成しているが、これに限定されるものではなく、第2面14において、複数の凹部44を第1端部16側に形成してもよい(この場合、第1面12において複数の凹部40を第2端部18側に形成する。)。これにより、第2面14において接続電極の配置に妨げられることなく複数の凹部を自由に形成することができる。
図4は、本実施形態の第2変形例に係る水晶振動子3を示す平面図である。本変形例に示すように、複数の凹部を水晶基板の両方の端部の側に形成してもよい。
図4に示すように、水晶振動子3は水晶基板50を有し、水晶基板50の第1面12には、第1端部16と第1励振電極20との間に長手方向に並んで複数の凹部52が形成され、他方、第2端部18と第1励振電極20との間に長手方向に並んで複数の凹部54が形成されている。複数の凹部54の開口面積は、第1励振電極20から第2端部18に向かって大きくなっており、より具体的には、開口数(すなわち凹部の個数)が多くなっている。複数の凹部54は、延出電極22を避ける領域に形成されることが好ましい。これにより、凹部54を起因として電極の断線が発生することを防止することができる。また、凹部52,54は、水晶基板50の第2面14にも形成されてもよい。なお、凹部52,54のその他の構成は、上記実施形態について説明した凹部の内容を適用することができる。本変形例によれば、水晶基板50の両端の側に複数の凹部52,54が形成されているため、エネルギー振動の閉じ込め性のさらなる向上を図ることができる。
図5は、本実施形態の第3変形例に係る水晶振動子5を示す平面図である。本変形例に示すように、複数の凹部は、励振電極の側よりも長手方向の端部の側の方が開口径が大きくなっていてもよい。
図5に示すように、水晶振動子5は水晶基板60を有し、水晶基板60の第1面12には、第1端部16と第1励振電極20との間に、長手方向に並んで複数の凹部62,64,66が形成されている。具体的には、X軸正方向に沿って、凹部62、凹部64及び凹部66がこの順番に配置され、凹部62よりも凹部64の方が開口径が大きく、また凹部64よりも凹部66の方が開口径が大きくなっている。なお、これらの開口径が異なる複数の凹部は、既に説明した内容と同様に、第2端部18側に形成されてもよいし、あるいは、第2面14にも形成されてもよい。また、上記実施形態の構成と組み合わせて、開口数と開口径とを組み合わせて、複数の凹部の開口面積を長手方向に大きくしてもよい。
図6は、本実施形態の第4変形例に係る水晶振動子7を示す断面図である。本変形例に示すように、複数の開口部は貫通穴であってもよい。
図6に示すように、水晶振動子7は水晶基板70を有し、水晶基板70には、第1面12及び第2面14を貫通する複数の貫通穴72が形成されている。複数の貫通穴72は、図6に示すように、第1端部16と第1励振電極20(及び第2励振電極30)との間に長手方向に並んで形成されている。あるいは、複数の貫通穴は、第2端部16と第1励振電極20(及び第2励振電極30)との間にも形成されてもよい。貫通穴72が第2端部16の側に形成される場合は、延出電極22,32及び接続電極24,34を避ける領域に形成されることが好ましい。
貫通穴72の開口の平面形状(XY平面視の形状)は、円形状であってもよいし、矩形や楕円形などであってもよい。また、貫通穴72の断面形状(XZ断面視の形状)は、図6に示すようにテーパが付された傾斜面(曲面又は平面)をもって形成されていてもよい。例えば、貫通穴72をエッチングで形成する場合、第1面12又は第2面14から水晶基板60の中心に向かって開口径が徐々に小さくなる形状に形成されてもよい。
次に、図7及び図8を参照して、本実施形態に係る水晶振動デバイスを説明する。ここで、図7は、本実施形態に係る水晶振動デバイスの平面図を示したものであり、図8は、図7のVIII−VIII線断面図である。なお、図7ではリッド部材は省略している。
図7に示すように、本実施形態に係る水晶振動デバイス100は、上記水晶振動デバイス1と、水晶振動デバイス1が収容されたパッケージ部材110とを備える。
パッケージ部材110は、ベース部材120とリッド部材130とを有する。水晶振動子1は、ベース部材120とリッド部材130が接続されることによって構成された、密封した内部空間(キャビティ)112に収容されている。具体的には、水晶振動子1は、接続電極24,34が配置された一方端が固定端となるようにパッケージ部材110(ベース部材120)に支持され、水晶振動子1の他方端が自由端となるように収容されている。ベース部材120は、アルミナなどの絶縁性セラミックスにより形成されてもよいし、あるいは、合成樹脂等の他の絶縁材料により形成されてもよい。また、リッド部材130は、例えば金属で形成してもよいし、絶縁性セラミックスや合成樹脂などの絶縁性材料で形成してもよいし、あるいは、それらの複合材から構成してもよい。
ベース部材120には、水晶振動子1が実装される上面に複数の電極122,124が形成されている。複数の電極122,124はそれぞれ水晶振動子1の接続電極24,34に導電性接着剤116を介して電気的に接続されている。ベース部材120の電極122は、延出電極122aを介してベース部材120のコーナー部の裏面に設けられた外部電極123に電気的に接続され、他方、ベース部材120の電極124は、延出電極124aを介してベース部材120の他のコーナー部の裏面に設けられた外部電極125に電気的に接続されている。外部電極123,125は、水晶振動子1のXY平面視において互いに向かい合う位置(例えば図6に示すように略矩形の外形の対角線上の位置)に設けられていてもよい。また、図6に示す例では、外部電極123,125が設けられたコーナー部以外の他のコーナー部においても、外部電極126,128が形成されていてもよい。これらの外部電極126,128は接地されていてもよいし、あるいは電気的に接続されていないダミー電極であってもよい。
リッド部材130は、図7に示すように、内部空間112を形成するための開口を有する。リッド部材130は例えばキャップであり、リッド部材130の開口端部が、絶縁性接着剤114によってベース部材120の外周端部に接着されることにより、密封した内部空間112を形成可能であってもよい。あるいは、ベース部材120及びリッド部材130の接続態様は接着剤などの樹脂材によるものに限られず、例えば溶接封止やガラス封止を適用してもよい。
なお、図7に示す例では、リッド部材130が内部空間112を形成するための開口を有する形状としたが、他の例として、外部電極が形成されたベース部材120のほうを内部空間112を形成するための開口を有する形状に形成してもよい。
このような水晶振動デバイス100においては、外部端子123,125を介して、水晶振動子1における一対の第1及び第2励振電極20,30の間に交流電圧を印加することにより、厚みすべりモードで水晶振動素子10が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
本実施形態に係る水晶振動デバイス100によれば、上記した水晶振動子1を備えるので、安定した品質を維持しつつ、振動エネルギー閉じ込め性が高い水晶振動デバイスを提供することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。また、上記各実施形態(又は変形例)で説明した内容は、他の実施形態で説明した内容と適宜組み合わせて適用することが可能である。
なお、以上の説明においては、水晶基板は略直方体の形状を前提として本発明の開口部を形成する態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばメサ型構造、べベル構造又はコンベックス構造のような、中央部から端部に向かって徐々に厚さを小さくした形状を前提として本発明の開口部を形成する態様を排除するものではない。
なお、以上説明した各実施形態は、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およびその配置、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 水晶基板
11 水晶基板
12 第1面
14 第2面
16 第1端部
18 第2端部
20 第1励振電極
22 延出電極
30 第2励振電極
32 延出電極
40 凹部
42 凹部
44 凹部
50 水晶基板
52 凹部
54 凹部
60 水晶基板
62 凹部
70 水晶基板
72 貫通穴
100 水晶振動デバイス
112 内部空間
120 ベース部材
130 リッド部材

Claims (10)

  1. 厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子であって、
    長手方向及び短手方向を有し、当該長手方向の一方の端部である第1端部と他方の端部である第2端部とを有する、ATカット水晶基板と、
    前記ATカット水晶基板の第1面及び当該第1面とは反対の第2面に設けられた励振電極と、
    前記励振電極に電気的に接続された延出電極と、
    前記励振電極及び前記延出電極に電気的に接続された接続電極と、
    を備え、
    前記ATカット水晶基板には、前記第1端部及び前記第2端部の少なくとも一方と前記励振電極との間に、複数の開口部が長手方向に並んで、前記延出電極及び前記接続電極の配置を避けて形成され、
    前記複数の開口部の開口面積は、前記励振電極から前記長手方向の端部に向かって大きくなっており、
    前記複数の開口部の開口数は、前記励振電極から前記長手方向の端部に向かって多くなる、水晶振動子。
  2. 前記複数の開口部は、前記第1端部と前記励振電極との間、及び、前記第2端部と前記励振電極との間の両方に形成された、請求項1に記載の水晶振動子。
  3. 前記延出電極は、前記ATカット水晶基板の長手方向の前記第2端部に向かって延出され、
    前記複数の開口部は、前記第1端部と前記励振電極との間に形成された、請求項1に記載の水晶振動子。
  4. 前記複数の開口部のそれぞれの開口径は、前記励振電極から前記長手方向の端部に向かって大きくなる、請求項1から3のいずれか一項に記載の水晶振動子。
  5. 前記複数の開口部は、凹部である、請求項1から4のいずれか一項に記載の水晶振動子。
  6. 前記複数の凹部は、前記ATカット水晶基板の前記第1面及び前記第2面に形成された、請求項5に記載の水晶振動子。
  7. 前記ATカット水晶基板の前記第1面に形成されたいずれか一つの凹部が、前記ATカット水晶基板の前記第2面に形成された他の複数の凹部のそれぞれと全部が重なることがないように配置された、請求項6に記載の水晶振動子。
  8. 前記複数の開口部のそれぞれは、前記ATカット水晶基板の前記第1面及び前記第2面を貫通する貫通穴である、請求項1から4のいずれか一項に記載の水晶振動子。
  9. 前記複数の開口部は、エッチングによって形成された、請求項1から8のいずれか一項に記載の水晶振動子。
  10. ベース部材と、
    密封した内部空間を構成するようにベース部材に接続されたリッド部材と、
    前記内部空間に収容された、請求項1から9のいずれか一項に記載の水晶振動子と、
    を備える水晶振動デバイス。
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