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発明の名称 水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶発振器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−158486(P2007−158486A)
公開日 平成19年6月21日(2007.6.21)
出願番号 特願2005−347526(P2005−347526)
出願日 平成17年12月1日(2005.12.1)
代理人 【識別番号】100095728
【弁理士】
【氏名又は名称】上柳 雅誉
発明者 田中 良明
要約 課題
小型ATカット水晶振動素子の直列共振子抵抗を改善すると共に共振周波数近傍
の不要振動を抑圧する手段を得る。

解決手段
X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向とし、前記長手方向の両端を長
特許請求の範囲
【請求項1】
X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向とし、前記長手方向の両端部の形状を長軸
対短軸比が略1.26である半楕円状に形成したATカット水晶板と、該水晶板の両主面
に該水晶板の外周輪郭形状と相似形に形成した電極と、を備えたことを特徴とする水晶振
動素子。
【請求項2】
X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向とし、前記長手方向の両端部の形状を長軸
対短軸比が略1.26である半楕円状に形成すると共に、両主面の中央部が周縁部より厚
いメサ型とし、さらに前記中央部の形状を外周輪郭形状と相似形に形成したATカット水
晶板と、該水晶板の中央部の両面に水晶板の外周輪郭形状と相似形に形成した電極と、を
備えたことを特徴とする水晶振動素子。
【請求項3】
X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向とし、前記長手方向の一端部の形状を長軸
対短軸比が略1.26である半楕円状に形成すると共に、両主面の中央部が周縁部より厚
いメサ型とし、さらに前記中央部の両端部の形状を長軸対短軸比が略1.26である半楕
円状に形成したATカット水晶板と、該水晶板の中央部の両面に前記中央部の形状と相似
形に形成した電極と、を備えたことを特徴とする水晶振動素子。
【請求項4】
請求項1、2、又は3の何れか一項に記載の水晶振動素子と、表面実装用のパッケージ
と、該パッケージの開口を封止する蓋と、を備え、前記水晶振動素子を該パッケージ内に
収容し、前記蓋により該パッケージを気密封止したことを特徴とする水晶振動子。
【請求項5】
請求項4に記載の水晶振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、小型水晶振動素子の直列共振抵抗を改善し、不要モードを抑圧した水晶振動
素子、水晶振動子、及び水晶発振器に関する。
【背景技術】
【0002】
水晶振動子は、小型、経年変化が小さい、高精度、高安定な周波数が容易に得られる等
の利点を有するため、産業用機器、民生用機器の基準周波数源として広く用いられている
。近年、機器が小型化、軽量化されると共に水晶振動子の小型化への要求が強くなり、ま
た電子部品の組み立て自動化に適した表面実装型水晶振動子の需要が大きい。
水晶は物理的、化学的に安定な物質であるが、天然水晶は品質的、量的に問題があるた
め、現在では品質の安定性、供給量の安定確保という点で優れた人工水晶を用いて水晶振
動子を製造している。中でも周波数−温度特性が3次曲線を呈するATカット水晶振動子
は、携帯電話等の通信機器に多量に用いられている。周知のように、ATカット水晶振動
子は、水晶の結晶軸Yに垂直な水晶板(Y板)を結晶軸Xの周りに約35度15分回転し
て得られる水晶板(ATカット水晶板)の両主面に、真空蒸着、あるいはスパッタ装置を
用いて金属膜を付着し、パッケージに気密封止して構成される。ATカット水晶振動子の
振動モードは厚みすべり振動であり、その共振周波数fは厚さtの逆数に比例し、比例常
数kは水晶の密度ρと切断角度に依存する弾性定数c’とから決まり、約1.65MHz
・mmである。
【0003】
近年のATカット水晶振動子は、小型化、低コスト化への強い要求から、水晶板は量産
に適した矩形状となり、その水晶板の両主面に矩形状の電極を形成し、矩形状のセラミッ
クパッケージに収容した上で、セラミックパッケージの上部周縁部に形成したメタライズ
部に金属蓋を抵抗溶接装置を用いて気密封止し、構成される。
図6は従来のATカット水晶振動素子の構成を示す図であって、同図(a)は平面図、
同図(b)はP−Pにおける断面図、同図(c)はQ−Qにおける断面図である。また、
図6(d)、(e)は長手方向、短手方向から見た厚みすべり振動の変位分布を示す図で
ある。図6の左側に座標軸を示すように、矩形状ATカット水晶板31は長手方向(長さ
L)をX軸方向、短手方向(幅W)をZ’軸方向とするのが一般的である。このATカッ
ト水晶板31の表裏面に、真空蒸着、あるいはスパッタ装置の中でマスクを介して電極3
2a、32bを形成し、該水晶振動素子を図示しない表面実装用パッケージの内底部に収
容し、パッケージ側の端子電極(図示しない)と各電極32a、32bから水晶板31の
端縁に延びるリード電極とを導電性接着剤33a、33bを用いて導通固定して水晶振動
子を構成する。
【0004】
上記のように構成された水晶振動素子の電気的等価回路は、一般的にインダクタンスL
1、容量C1、抵抗R1の直列回路に、静電容量C0を並列接続した回路で表される。こ
こで、インダクタンスL1、容量C1、静電容量C0は水晶板の厚さと電極の面積に依存
し、抵抗R1は振動エネルギーの損失を表している。また、水晶振動素子が共振状態、即
ち2端子からみて位相が零となる周波数での抵抗を実効抵抗Re(≒直列共振抵抗R1)
という。
水晶振動子を基準周波数源として用いるには、水晶振動子と増幅回路とを接続して水晶
発振器を構成する必要がある。水晶発振回路としては回路が簡単なコルピッツ型水晶発振
器が一般的であり、水晶振動子から回路側をみた際の回路側の増幅度(負性抵抗という)
は、水晶振動子の実効抵抗Reの数倍程度が必要とされている。
図6(d)、(e)に振動変位分布を示すように、水晶板31が小さく、即ち、辺比(
水晶板の長さLあるいは幅Wと厚さtとの比、L/tあるいはW/t)が小さくなると、
電極32a、32bと水晶板31の端部との間隔が狭まり、エネルギー閉じ込め理論を用
いて設計しても、振動エネルギーは電極下に閉じ込めきれずに支持部に漏洩して、直列共
振抵抗R1が大きくなる。また、辺比を最適値に選んでも水晶板31の端部で主振動の振
動エネルギーの一部が輪郭モードに変換して、水晶振動素子の直列共振抵抗R1を劣化さ
せる。
【0005】
この問題の解決する水晶振動素子として、図7に示すように、水晶板41の長手方向(
X軸方向)の両端部にベベル加工を施した水晶板を用い、厚みすべり振動の振動エネルギ
ーを水晶板の中央部に閉じ込めることにより、支持部の影響、端部での他のモードへの変
換を極力低減し、抵抗R1を改良した水晶振動素子が用いられている。なお、図6と同一
部位には同一符号を付して説明を省略している。
また、特許文献1には、図8に示すような水晶振動素子が開示されている。なお、図6
と同一部位には同一符号を付して説明を省略する。図8(a)は平面図、同図(b)、(
c)はそれぞれP−P、Q−Qにおける断面図である。図8(a)、(b)、(c)に示
すように水晶板51の四辺の各々に対応する縁部の表裏を曲率Rで変化させ、水晶板51
の四辺に対応する縁部に、その厚さが水晶板の端面部に向かって徐々に薄くなるように漸
減した漸減部52を形成する。このように加工した水晶板51の両主面に電極32a、3
2bを付着して、水晶振動素子を構成すると、厚みすべり振動の振動エネルギーは水晶板
51の中央部に閉じ込められ、直列共振抵抗R1が改良できることが開示されている。
【特許文献1】特開2003−174353公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、図7に示した構成の水晶振動素子ではエネルギー閉じ込めの効果にバラ
ツキがあり、直列共振抵抗R1に十分な改良が得られないだけでなく、主振動が輪郭モー
ドと結合して、周波数温度特性が理想的な3次曲線から変形されるという問題があった。
また、図8に示した水晶板の四辺に対応する縁部に漸減部を形成した水晶板は加工にかか
る時間が大きくなり、水晶振動素子のコストが大きくなるという問題があった。
本発明は、直列共振抵抗R1を改良し、不要モードを抑圧すると共に低コストの小型水
晶振動素子、水晶振動子、及び水晶発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明にかかる水晶振動素子は、小型水晶振動素子の改善を図るため、X軸方向を長手
方向、Z’軸方向を短手方向とし、前記長手方向の両端を長軸対短軸比が略1.26であ
る半楕円状に形成した水晶板と、該水晶板の両主面に水晶板の形状と相似形に形成した電
極と、を備えるようにした。このような発明では、水晶板及び電極の両端部を半楕円状と
し、楕円の長軸と短軸との比を振動変位分布に合わせたことで、水晶振動素子の直列共振
抵抗を改善すると共に、主振動と輪郭振動との結合を抑圧できるので不要振動の少ない小
型水晶振動素子の歩留まりがよくなるという利点がある。
また、本発明にかかる水晶振動素子は、X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向と
し、前記長手方向の両端を長軸対短軸比が略1.26である半楕円状に形成すると共に、
両主面の中央部が周縁部より厚いメサ型とし、さらに前記中央部の形状を外形と相似形に
形成した水晶板と、該水晶板の中央部の両面に水晶板の形状と相似形に形成した電極と、
を備えるようにした。このような発明では、水晶板をメサ型にし、水晶板の中央部及び電
極の両端部を半楕円状とし、楕円の長軸と短軸との比を振動変位分布に合わせたことで、
小型水晶振動素子の直列共振抵抗をより改善すると共に、主振動と輪郭振動との結合を抑
圧して不要振動の少ない小型水晶振動素子が得られるという利点がある。
また、本発明にかかる水晶振動素子は、X軸方向を長手方向、Z’軸方向を短手方向と
し、前記長手方向の一端を長軸対短軸比が略1.26である半楕円状に形成すると共に、
両主面の中央部が周縁部より厚いメサ型とし、さらに前記中央部の両端を長軸対短軸比が
略1.26である半楕円状に形成した水晶板と、該水晶板の中央部の両面に前記中央部の
形状と相似形に形成した電極と、を備えるようにした。このような発明では、水晶板の一
端部を半楕円状とし、該水晶板をメサ型にし、水晶板の中央部及び電極の両端部を半楕円
状とし、楕円の長軸と短軸との比を振動変位分布に合わせたことで、小型水晶振動素子の
直列共振抵抗をより改善すると共に、不要振動を抑圧した小型水晶振動素子が構成できる
という利点がある。
また、上記の水晶振動素子を表面実装用パッケージ内に気密封止することにより、水晶
振動子を構築することができる。
また、上記の水晶振動子に対して発振回路部品を付加することにより、水晶発振器を構
築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る小型ATカット水晶振動素子の実施形態を示す概略図であって、同
図(a)は平面図、同図(b)はP−Pにおける断面図、同図(c)はQ−Qにおける断
面図、同図(d)、(e)はそれぞれ長手方向、短手方向からみた振動変位分布図である
。水晶の結晶軸Yと直交する水晶板(Y板)を結晶軸Xの周りに約35度15分回転して
切り出した矩形水晶板(ATカット水晶板)の長手方向をX軸方向、短手方向をZ’軸方
向とする。そして、長手方向の両端部を半楕円形状に加工し、該楕円は長軸対短軸の比(
長軸/短軸)を約1.26とする。従って、図1(a)に示すように、水晶板1の短手方
向の長さをhとした場合、水晶板1の図中左端部と参考線S1、あるいは図中右端部と参
考線S2との長さは長軸の1/2の0.63hとなる。
図1(a)に示すように、水晶板1は長手方向両端部が半楕円形状であり、且つ中間部
が矩形状の長円形である。この水晶板1の両主面に水晶板1と相似形の電極2a、2bを
、真空蒸着装置、あるいはスパッタ装置を用い、マスクを介して形成することにより水晶
振動素子Aを得る。水晶振動素子Aを図示しないパッケージの内底部に載置し、パッケー
ジの端子電極と水晶振動素子Aのリード電極3a、3bとを導電性接着剤で導通固定した
後、パッケージの上部周縁部に形成したメタライズ部と図示しない金属蓋とを抵抗溶接装
置を用いて気密封止し、小型水晶振動素子Aを構成する。
【0009】
本発明の実施形態にかかる水晶振動素子Aの特徴的な構成は、水晶板1の長手方向(X
軸方向)の両端部及び電極2a、2bのX軸方向の両端部の形状を半楕円状とし、且つ楕
円の長軸対短軸の比(長軸/短軸)をほぼ1.26とした点である。ここで、定数1.2
6を用いる理由について説明する。
周知のエネルギー閉じ込め理論の中で、振動変位uの式に用いられる伝搬定数を、無電
極部でk、電極部でkeとするとそれぞれ次式で表すことができる。
k=μ(mπ/h)(1−(f/(mfs))21/2 ・・・(1)
ke=μ(mπ/h)((f/(mfe))2−1)1/2 ・・・(2)
ここで、定数μは弾性定数で決まる定数、mは高調波次数、hは水晶板の厚さ、fsは
無電極部の遮断周波数、feは電極部の周波数である。
水晶は三方晶系(trigonal system)に属する結晶であるため異方性を有し、結晶軸方
向により弾性定数が異なる。ATカット水晶板の場合はX軸方向に伝搬する波動の弾性定
数と、Z’軸方向に伝搬する波動の弾性定数とが異なることになる。その結果、伝搬定数
k、keに用いられる定数μもX軸方向伝搬ではμx、Z’軸方向伝搬ではμzとなり、
μx/μzの比が1.26となる。このため、ATカット水晶振動素子の振動変位分布は
、X軸方向とZ’軸方向とで変位分布の広がりが異なり、X軸方向を長軸、Z’軸方向を
短軸とした楕円状の分布となる。長軸/短軸の比はμx/μzで、1.26である。
本発明に係る水晶振動素子Aでは、振動変位分布が楕円状に分布することを小型ATカ
ット水晶振動素子の設計にとりいれて、水晶板1及び電極2a、2bの両端部を半楕円状
とし、楕円の長軸と短軸との比を振動変位の分布に合わせてほぼ1.26とした。図1に
示すように構成した水晶振動素子の振動変位分布は長手方向では同図(d)、短手方向で
は同図(e)に示すような分布となり、直列共振抵抗R1も改善され、主振動近傍の不要
モードも十分に抑圧される。
【0010】
図2は本発明に係る第2の実施形態であって、同図(a)は平面図、同図(b)はP−
Pにおける断面図、同図(c)はQ−Qにおける断面図、同図(d)、(e)はそれぞれ
長手方向、短手方向からみた振動変位分布を示す図である。図1と同一部位には同一符号
を付して説明を省略する。水晶板11の外周部は図1と同様に長手方向(X軸方向)の両
端部を半楕円状に加工し、楕円の長軸/短軸の比を1.26とする。そして、水晶板11
の両主面を図(a)、(b)、(c)に示すように中央部を周縁部より厚くした所謂メサ
型(台地型)に加工し、且つ周縁部より厚い中央部(台地部)12の長手方向の両端部の
形状を水晶板11の外周輪郭形状と同様に半楕円状に加工する。この楕円の長軸/短軸の
比も1.26とする。また、水晶板11の中央部12の両面に付着する電極2a、2bの
形状を中央部12と相似形に形成して水晶振動素子Aを構成する。
図2に示すように構成した水晶振動素子Aの振動変位分布は、長手方向では同図(d)
の実線14、短手方向のそれは同図(e)に示す実線15に示すような分布となり、水晶
板11をメサ型に加工していない、即ち周縁部より厚い中央部12を形成しない図1の水
晶振動素子の振動変位分布4、5(重ね書きした破線)と比較して振動変位分布が中央部
に集中していることが分かる。即ち、エネルギー閉じ込めがより深くなり、振動エネルギ
ーの一部が支持部に漏洩したり、他の輪郭振動へ変換したりして損失される量が少なくな
り、その分だけ直列共振抵抗R1が改善され、不要モードも抑圧されることになる。
【0011】
図3は本発明に係る第3の実施形態であって、同図(a)は平面図、同図(b)はP−
Pにおける断面図、同図(c)はQ−Qにおける断面図である。本実施形態に係る水晶振
動素子Aと図2の水晶振動素子との構成上の相違点は、水晶板21の外周輪郭形状であり
、本実施形態では水晶板21の長手方向の一方の端部のみを半楕円状に加工し、他方の端
部は矩形とする。そして、水晶板21をメサ型に加工し、さらに周縁部より厚い中央部2
2の長手方向の両端部の形状を半楕円状に加工する。この場合も楕円の長軸/短軸の比も
1.26とする。このように構成した水晶板21の中央部22上に中央部22と相似形の
電極2a、2bを形成して水晶振動素子Aを構成する。このように構成した水晶振動素子
の直列共振抵抗R1も従来のものより改良され、主振動近傍の不要モードが抑圧されるこ
とが判明した。
なお、図8(a)に示した従来例では漸減部は楕円形状となっているが長軸/短軸の比
が明示されていないし、本発明のように長軸/短軸比をある特定の範囲に制御することも
できないことは明らかである。
【0012】
次に、図4は図1の実施形態に係る水晶振動素子を用いて構成した水晶振動子の構成例
を示す断面図であり、水晶振動素子Aを表面実装用パッケージ61の内底部に収容し、パ
ッケージ内底部に設けた2つの端子電極62と、各電極2a、2bから水晶板1の各端縁
に延びるリード電極3a、3bとを導電性接着剤63を用いて導通固定してから蓋64に
より気密封止することにより水晶振動子Bを構成する。パッケージ61の外底面には表面
実装用の実装電極65が配置されている。
なお、図2、図3に夫々示した他の実施形態に係る水晶振動素子についても、同様にパ
ッケージ61内に搭載した上で、気密封止することにより、水晶振動子を構築することが
できる。
この水晶振動子Bは、本発明の各実施形態に係る水晶振動素子Aが有する特有の効果を
発揮することができる。
次に、図5は図4の実施形態に係る水晶振動子Bを用いて構成した水晶発振器の構成例
を示す断面図であり、この水晶発振器Cは、図4に示した水晶振動子Bのパッケージ底部
に下部パッケージ71を連設した略H型構造を有し、下部パッケージ71の天井面に設け
たパッド72に対して発振回路等を構成するICチップ73をフリップチップ実装した構
成を備えている。下部パッケージ71の底面には表面実装用の実装端子74が形成されて
いる。
この水晶発振器Cは、本発明の各実施形態に係る水晶振動素子Aが有する特有の効果を
発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明に係る水晶振動素子の構成を示した概略図。
【図2】本発明に係る第2の実施形態の構成を示した概略図。
【図3】本発明に係る第3の実施形態の構成を示した概略図。
【図4】本発明に係る水晶振動素子を用いて構成した水晶振動子の構成図。
【図5】本発明に係る水晶振動子を用いて構成した水晶発振器の構成図。
【図6】従来の水晶振動素子の構成を示した概略図。
【図7】従来の水晶振動素子の他の構成を示した概略図。
【図8】従来の水晶振動素子の他の構成を示した概略図。
【符号の説明】
【0014】
A 水晶振動素子、1、11、21 水晶板、2a、2b 電極、3a、3b リード
電極、4、5、14、15 振動変位分布、12、22 中央部、h 楕円の短軸、S1
、S2 参考線、B 水晶振動子、61 表面実装用パッケージ、62 端子電極、63
導電性接着剤、64 蓋、65 実装電極、71 下部パッケージ、72 パッド、7
3 ICチップ、74 実装端子、C 水晶発振器。




 

 


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