特許 6755108 水晶振動子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6755108

(24)【登録日】2020年8月27日

(45)【発行日】2020年9月16日

(54)【発明の名称】水晶振動子

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20200907BHJP

【ＦＩ】

   H03H9/19 B

   H03H9/19 C

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-57830(P2016-57830)

(22)【出願日】2016年3月23日

(65)【公開番号】特開2017-175315(P2017-175315A)

(43)【公開日】2017年9月28日

【審査請求日】2018年12月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003018

【氏名又は名称】特許業務法人アドバンス

(72)【発明者】

【氏名】小原 茂

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 徹弥

(72)【発明者】

【氏名】中原 正陽

(72)【発明者】

【氏名】芝崎 友則

(72)【発明者】

【氏名】大井 友貴

(72)【発明者】

【氏名】西村 裕也

【審査官】 ▲高▼橋 徳浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２０５０３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１１０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２４３６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１００３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−０５７５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１４６９６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１７６９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２７３６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０２００２２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｈ３／００７−Ｈ０３Ｈ３／１０

Ｈ０３Ｈ９／００−Ｈ０３Ｈ９／７６

Ｈ０３Ｂ５／３０−Ｈ０３Ｂ５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及び前記Ｘ’軸を中心にして前記Ｚ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状で且つ長方形の水晶片と、
前記水晶片の各前記主面に形成される励振電極と、を有し、
前記励振電極は、外形が円形状である第１領域と、前記第１領域の周囲に形成され外形が楕円形状であり前記第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、
前記長方形の水晶片の長辺は前記Ｘ’軸と平行に伸び、
前記楕円形状の長軸が、前記長方形の水晶片の長辺方向に対して、−５度から＋１５度の範囲の方向に伸びる水晶振動子。

【請求項2】

水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及び前記Ｘ’軸を中心にして前記Ｚ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状で且つ長方形もしくは正方形の水晶片と、
前記水晶片の前記主面に形成される励振電極と、を有し、
前記励振電極は、外形が円形状である第１領域と、前記第１領域の周囲に形成され外形が楕円形状であり前記第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、
前記長方形の水晶片の長辺は前記Ｚ’軸と平行に、又は前記正方形の水晶片の一辺は前記Ｚ’軸の４５度方向に伸び、
前記楕円形状の長軸が、前記長方形の水晶片の長辺方向に対して、又は前記正方形の水晶片の前記Ｚ’軸方向に対して、±５度の範囲の方向に伸びる水晶振動子。

【請求項3】

1本の対角線がＺ′軸に対し±１０°の範囲にある正方形若しくは長方形、又は1つの辺が前記Ｚ′軸に対し±１０°の範囲にある長方形に形成される請求項２に記載の水晶振動子（ただし、正方形、長方形とは、水晶片の角部がＲ状等である略正方形、略長方形も含む）。

【請求項4】

前記長軸と前記楕円形状の短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶振動子。

【請求項5】

前記水晶片は所定の周波数で振動し、
前記楕円形状の中心と前記円形状の中心とは重なり、
前記楕円形状の長半径と前記円形状の半径との差は、前記振動と共に生じる屈曲振動の波長の自然数倍である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶振動子。

【請求項6】

水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及び前記Ｘ’軸を中心にして前記Ｚ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状で且つ正方形の水晶片と、
前記水晶片の前記主面に形成される励振電極と、を有し、
各前記励振電極は、外形が円形状である第１領域と、前記第１領域の周囲に形成され前記第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、
前記正方形の水晶片の一辺は前記Ｚ’軸と平行に、もしくは前記Ｚ’軸の４５度方向に伸び、
前記第２領域の外形は、前記Ｘ’軸が伸びる方向に対して−５度から＋１５度の範囲の方向に長軸が伸びる第１楕円形状と、前記Ｚ’軸が伸びる方向に対して±５度の範囲の方向に長軸が伸びる第２楕円形状と、が合成された形状に形成される水晶振動子。

【請求項7】

前記第１楕円形状の長軸と短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲であり、前記第２楕円形状の長軸と短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲である請求項６に記載の水晶振動子。

【請求項8】

前記水晶片は所定の周波数で振動し、
前記第１楕円形状の中心と、前記第２楕円形状の中心と、前記円形状の中心とは重なり、
前記第１楕円形状の長半径と前記円形状の半径との差及び前記第２楕円形状の長半径と前記円形状の半径との差は、それぞれ前記振動と共に生じる屈曲振動の波長の自然数倍である請求項６又は請求項７に記載の水晶振動子。

【請求項9】

前記第１領域の厚さは、前記水晶片の厚さに対して０．０２％から０．１３％の範囲内である請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の水晶振動子。

【請求項10】

前記第１領域と前記第２領域との厚さの差が前記第２領域の厚さに対して１／４倍から１倍の範囲内に形成される請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の水晶振動子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２回回転カットの水晶片が用いられた水晶振動子に関する。

【背景技術】

【0002】

水晶を結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸をφ度回転したＸ’軸及びＸ’軸を中心にしてＺ軸をθ度回転したＺ’軸に平行に切断して形成される２回回転カットの水晶片が用いられた２回回転水晶振動子が知られている。特許文献１では、例えばφが約２２度であり、θが約３４度であるＳＣカットの水晶振動子が示されている。このような２回回転水晶振動子はＡＴカット水晶振動子に比べて熱衝撃特性が良好であり８０℃前後の比較的高温でゼロ温度係数を示すため、例えば８０℃程度の一定温度に加熱した恒温槽に収納して安定度の高い水晶発振器として使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平５−２４３８９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に示されるような２回回転振動子では、輪郭系、屈曲系の副振動が主振動に結合して温度変化による急峻な周波数変化及びクリスタルインピーダンス（ＣＩ）の変化を生じやすいという問題があった。また、２回回転水晶振動子とＡＴカットの水晶振動子とは互いに振動モードが異なるため、２回回転水晶振動子にＡＴカットの水晶振動子の技術をそのまま用いて副振動を抑えることも難しい。

【0005】

そこで、本発明では、副振動と主振動との結合を抑え、ＣＩ値が低く抑えられた水晶振動子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１観点の水晶振動子は、水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及びＸ’軸を中心にしてＺ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状の水晶片と、水晶片の各主面に形成される励振電極と、を有する。励振電極は、外形が円形状である第１領域と、第１領域の周囲に形成され外形が楕円形状であり第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、楕円形状の長軸が、Ｘ’軸が伸びる方向に対して−５度から＋１５度の範囲の方向に伸びる。

【0007】

第２観点の水晶振動子は、水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及びＸ’軸を中心にしてＺ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状の水晶片と、水晶片の主面に形成される励振電極と、を有する。励振電極は、外形が円形状である第１領域と、第１領域の周囲に形成され外形が楕円形状であり第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、楕円形状の長軸が、Ｚ’軸が伸びる方向に対して±５度の範囲の方向に伸びる。

【0008】

第３観点の水晶振動子は、第１観点及び第２観点において、水晶片が、1本の対角線がＺ′軸に対し±１０°の範囲にある正方形若しくは長方形、又は1つの辺が前記Ｚ′軸に対し±１０°の範囲にある正方形若しくは長方形に形成される（ただし、正方形、長方形とは、水晶片の角部がＲ状等の略正方形、略長方形も含む）。なお、ここで±１０°と述べている理由は、この範囲であれば本発明でいう励振電極を特定の位置で配置した上で、さらに、水晶片を支持する際の影響を低減できかつ水晶片の加工が容易な水晶片を選択できる。

【0009】

第４観点の水晶振動子は、第１観点から第３観点において、長軸と楕円形状の短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲である。

【0010】

第５観点の水晶振動子は、第１観点から第３観点において、水晶片が所定の周波数で振動し、楕円形状の中心と円形状の中心とは重なり、楕円形状の長半径と円形状の半径との差が振動と共に生じる不要振動の波長の自然数倍である。

【0011】

第６観点の水晶振動子は、水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及びＸ’軸を中心にしてＺ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する平板状の水晶片と、水晶片の主面に形成される励振電極と、を有する。各励振電極は、外形が円形状である第１領域と、第１領域の周囲に形成され第１領域よりも厚さが薄い第２領域と、を含み、第２領域の外形が、Ｘ’軸が伸びる方向に対して−５度から＋１５度の範囲の方向に長軸が伸びる第１楕円形状と、Ｚ’軸が伸びる方向に対して±５度の範囲の方向に長軸が伸びる第２楕円形状と、が合成された形状に形成される。

【0012】

第７観点の水晶振動子は、第６観点において、第１楕円形状の長軸と短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲であり、第２楕円形状の長軸と短軸との比が、１．１：１から２．０：１の範囲である。

【0013】

第８観点の水晶振動子は、第６観点及び第７観点において、水晶片が所定の周波数で振動し、第１楕円形状の中心と、第２楕円形状の中心と、円形状の中心とが重なり、第１楕円形状の長半径と円形状の半径との差及び第２楕円形状の長半径と円形状の半径との差が、それぞれ振動と共に生じる不要振動の波長の自然数倍である。

【0014】

第９観点の水晶振動子は、第１観点から第８観点において、励振電極の厚さが、水晶片の厚さに対して０．０２％から０．１３％の範囲内である。

【0015】

第１０観点の水晶振動子は、第１観点から第９観点において、第１領域と第２領域との厚さの差が第２領域の厚さに対して１／４倍から１倍の範囲内に形成される。

【発明の効果】

【0016】

本発明の水晶振動子によれば、副振動と主振動との結合を抑え、ＣＩ値が低く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】２回回転カットの水晶片１１０の説明図である。

【図2】（ａ）は、水晶振動子１００の平面図である。 （ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図3】（ａ）は、励振電極が単層である場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。 （ｂ）は、長軸が短軸の１．１倍である二重電極を有する水晶振動子を３０ＭＨｚで発振させた場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。 （ｃ）は、長軸が短軸の１．１２倍である二重電極を有する水晶振動子を６０ＭＨｚで発振させた場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。

【図4】（ａ）は、水晶振動子１００ａの概略平面図である。 （ｂ）は、水晶振動子１００ｂの概略平面図である。

【図5】（ａ）は、水晶振動子２００ａの平面図である。 （ｂ）は、水晶振動子２００ｂの平面図である。

【図6】（ａ）は、励振電極３２０の平面図である。 （ｂ）は、水晶振動子３００ａの平面図である。 （ｃ）は、水晶振動子３００ｂの平面図である。

【図7】（ａ）は、水晶振動子４００の平面図である。 （ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

【図8】（ａ）は、水晶振動子５００の平面図である。 （ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 （ｃ）は、不要振動の波長と周波数との関係を示したグラフである。

【図9】（ａ）は、傾斜長さが５０μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。 （ｂ）は、傾斜長さが５５μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。 （ｃ）は、傾斜長さが４００μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

【0019】

（第１実施形態）
＜水晶振動子１００の構成＞
図１は、２回回転カットの水晶片１１０の説明図である。図１では、水晶の結晶軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として表されている。２回回転カットの水晶片１１０は、水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸をφ度回転したＸ’軸、及びＸ’軸を中心にしてＺ軸をθ度回転したＺ’軸に平行に水晶が切断されることにより形成される。そのため、２回回転カットの水晶片１１０は、Ｘ’Ｚ’面が主面となるように形成される。また、図１では、Ｘ’軸及びＺ’軸に垂直なＹ’軸が示されている。

【0020】

図１に示されるような２回回転カットの水晶片は、φが約２２度でありθが約３４度であるＳＣカットの水晶片、φが約１９度でありθが約３４度であるＩＴカットの水晶片、及びφが約１５度でありθが３４．３３度であるＦＣカットの水晶片等が知られている。これらの水晶片はφが１５度から２５度の間でありθが３３度から３５度の間である。以下の説明では、φが１５度から２５度の間でありθが３３度から３５度の間である２回回転カットの水晶片が用いられているとして説明する。

【0021】

図２（ａ）は、水晶振動子１００の平面図である。水晶振動子１００は、水晶片１１０と、励振電極１２０と、引出電極１２１と、を有している。水晶片１１０は長辺がＺ’軸方向に伸び、短辺がＸ’軸方向に伸びる長方形の平板状に形成されている。角板状の水晶振動子は外形の形状を整えることが容易であり、製造コストを低く抑えることができるため好ましい。

【0022】

水晶片１１０の主面表裏（＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の各面）にはそれぞれ励振電極１２０が形成されている。各励振電極１２０は同形状でありＹ’軸方向に互いに重なるように形成されている。励振電極１２０は、外形が円形状である第１領域１２０ａと、第１領域１２０ａの周囲に形成され第１領域１２０ａよりも厚さが薄く外形が楕円形状である第２領域１２０ｂと、を含んでいる。励振電極１２０は、第１領域１２０ａの中心と第２領域１２０ｂの中心とが重なるように形成されている。また、励振電極１２０からは水晶片１１０の＋Ｚ’軸側の辺にそれぞれ引出電極１２１が引き出されている。

【0023】

従来、水晶振動子の小型化に伴って水晶片の角板化が進んでいたが、電気定数の良化を目的として励振電極の面積を広く取るために励振電極の形状も角型に形成していた。しかし角型の励振電極では屈曲系の副振動と水晶片の端面からの反射波とがカップリングし易く、ＣＩ値の変動及び増加の原因ともなっていた。これに対して、励振電極が円形に形成される場合には、水晶片の端面からの反射波を抑えることができ、カップリングを防ぐことができるため、ＣＩ値の変動及び増加を防ぐことができる。さらに、励振電極が楕円形状に形成される場合には、励振電極の面積を広くして電気定数の良化を図ると共に円形状の励振電極と同様にＣＩ値の変動及び増加を防ぐことができるため好ましい。

【0024】

励振電極１２０の第２領域１２０ｂは長軸がＺ’軸方向に伸び、短軸がＸ’軸方向に伸びるように形成されている。図２（ａ）では、第２領域１２０ｂの長軸の長さがＺＡ、第２領域１２０ｂの短軸の長さがＸＡ、第２領域１２０ｂの長半径と第１領域１２０ａの半径との差がＺＤとして示されている。ここで、長軸の長さＺＡが短軸の長さＸＡの１．１倍から２．０倍の範囲である場合には、ＣＩ値の変動及び増加が抑えられる傾向にあるため好ましい。

【0025】

図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ｂ）では、水晶片１１０の厚さをＹＡとし、励振電極１２０の第１領域１２０ａの厚さをＹＢ１とし、励振電極１２０の第２領域１２０ｂの厚さをＹＢ２としている。また、励振電極１２０は第１層１２２及び第２層１２３の２つの電極層が重ね合わされて形成される２重電極である。励振電極１２０の第１領域１２０ａは第１層１２２及び第２層１２３により形成され、第２領域１２０ｂは第２層１２３により形成されている。そのため、第１層１２２の厚さは厚さＹＢ１から厚さＹＢ２を引いた値であり、第２層１２３の厚さは厚さＹＢ２である。

【0026】

励振電極１２０の厚さである厚さＹＢ１は７００Åから３０００Åの間に形成されることが好ましく、特に１２００Åから１６００Åの間の厚さに形成されることが好ましい。励振電極は薄すぎると電極として機能せず主振動を閉じ込めることができなくなり、厚すぎると電極の質量が増すことによりＣＩ値の増大及びＣＩ値の変動を招くことになるためである。また、厚さＹＡと厚さＹＢ１との間には好ましい関係があり、厚さＹＢ１が厚さＹＡの０．０２％から０．１３％の間の値を取る場合にＣＩ値の変動が少なく、好ましい。水晶振動子の発振周波数は水晶片の厚さに反比例するので厚さＹＡは水晶振動子１００の発振周波数に応じて決められる。そのため、厚さＹＢ１は、厚さＹＡに応じて厚さＹＡの０．０２％から０．１３％の間であり７００Åから３０００Åの間の値を取るように決められる。さらに、第１領域１２０ａと第２領域１２０ｂとの厚さの差（ＹＢ１−ＹＢ２）が、第２領域１２０ｂの厚さＹＢ２に対して１／４倍から１倍の範囲内に形成される場合にはＣＩ値の増大及びＣＩ値の変動を抑えることができるため好ましい。なお、図２の例ではＺ′方向に沿う辺を長辺とし、Ｘ′方向に沿う辺を短辺とし、Ｘ′方向に沿う一辺に引出電極１２１を設けた例を示したが、Ｚ′方向に沿う短辺とし、Ｘ′方向に沿う辺を長辺とし、Ｚ′方向に沿う一辺に引出電極１２１を設けた例、すなわち、図２の構造をＸ′−Ｚ′面で９０度回転させた構造でも良い。

【0027】

＜二重電極について＞
水晶振動子１００では、二重電極を形成することによりＣＩ値を低減させている。以下に二重電極の効果について説明する。

【0028】

図３（ａ）は、励振電極が単層である場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。横軸には水晶振動子の温度が示され、縦軸にはＣＩ値が示されている。ただし、図３の各図では各実験において目安となる共通な基準のＣＩ値をＲと表記し、図３（ａ）ではＲに対し１００Ωずつの目盛を付してＣＩを説明している。図３（ａ）では、９つの水晶振動子のＣＩ値の温度変化が示されている。また、図３（ａ）では、Ａｍｍ角の水晶片に厚さが１４００Åであり直径が０．６Ａｍｍの励振電極が蒸着法により形成された水晶振動子が３０ＭＨｚで発振させた場合の結果が示されている。

【0029】

図３（ａ）では、水晶振動片によってＣＩ値の温度変化の傾向が大きく異なり、ＣＩ値が安定していないことが分かる。例えば、２回回転水晶振動子が用いられると考えられる温度である８０℃において、最も低いＣＩ値は約（Ｒ＋５０）Ωであり、最も高いＣＩ値は約（Ｒ＋８５０）Ωである。すなわち、図３（ａ）の水晶振動子では、８０℃において約８００Ωの変動が生じ得ることを示している。

【0030】

図３（ｂ）は、長軸が短軸の１．１倍である二重電極を有する水晶振動子を３０ＭＨｚで発振させた場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。図３（ｂ）では、５つの水晶振動子のＣＩ値の温度変化が示されており、縦軸には５０Ω間隔で目盛が付されている。図３（ｂ）の水晶振動子は、第１領域が直径０．７５Ｂｍｍの円形状、第２領域が長軸の長さ１．１Ｂｍｍ、短軸の長さＢｍｍの楕円形状であり長軸がＺ’軸に平行である二重電極として形成された励振電極を有している。

【0031】

図３（ｂ）では、概ねＣＩ値が（Ｒ−２００）Ωから（Ｒ−１５０）Ωの間に収まっている。また、例えば、２回回転水晶振動子が用いられると考えられる温度である８０℃において、最も低いＣＩ値は（Ｒ−１８９．４）Ωであり、最も高いＣＩ値は（Ｒ−１５９．７）Ωである。すなわち、図３（ｂ）の水晶振動子では、８０℃においてＣＩ値に２９．７Ωの変動が生じ得ることを示している。

【0032】

図３（ｃ）は、長軸が短軸の１．１２倍である二重電極を有する水晶振動子を６０ＭＨｚで発振させた場合のＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。図３（ｃ）では、３６の水晶振動子のＣＩ値の温度変化が示されており、縦軸には５０Ω間隔で目盛が付されている。図３（ｃ）の水晶振動子は、第１領域が直径Ｃｍｍの円形状、第２領域が長軸の長さ１．３４４×Ｃｍｍ、短軸の長さ１．２×Ｃｍｍの楕円形状であり長軸がＺ’軸に平行である二重電極として形成された励振電極を有している。

【0033】

図３（ｃ）では、概ねＣＩ値が（Ｒ−２００）Ωから（Ｒ−１５０）Ωの間に収まっている。また、例えば、２回回転水晶振動子が用いられると考えられる温度である８０℃において、最も低いＣＩ値は（Ｒ−２０２．９２）Ωであり、最も高いＣＩ値は（Ｒ−１４７．８４）Ωである。すなわち、図３（ｃ）の水晶振動子では、８０℃においてＣＩ値に５４．９８Ωの変動が生じ得ることを示している。

【0034】

図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるような二重電極として形成される励振電極を有する水晶振動子は、図３（ａ）に示されるような単層の励振電極に比べてＣＩ値が低く、変動も少ないことが分かる。

【0035】

＜第２領域の長軸が伸びる方向について＞
図４（ａ）は、水晶振動子１００ａの概略平面図である。水晶振動子１００ａは、水晶片１１０ａと励振電極１２０とを有している。水晶振動子１００ａにはその他にも引出電極等が形成されるが、図４（ａ）では、水晶片１１０ａと励振電極１２０のみが示されている。

【0036】

励振電極の外形の形状は楕円形状が好ましいが、励振電極の長軸がＺ’軸方向に伸びる場合にはＺ’軸方向に伝わる副振動である屈曲振動を抑えることができ、これによってＣＩ値の上昇を抑えることができる。また、励振電極１２０の長軸の伸びる方向は、Ｚ’軸から反時計回りの方向の回転の角度をα１、Ｚ’軸から時計回りの方向の回転の角度をα２とすると、α１及びα２が５度の範囲内の方向であれば屈曲振動を抑えることができるという効果を得やすい。すなわち、反時計回りの方向をプラス方向、時計回りの方向をマイナス方向とすると、励振電極の長軸が、Ｚ’軸が伸びる方向に対して±５度の範囲の方向に伸びる場合に好ましい。

【0037】

図４（ｂ）は、水晶振動子１００ｂの概略平面図である。水晶振動子１００ｂは、水晶片１１０ｂと励振電極２２０とを有している。水晶振動子１００ｂにはその他にも引出電極等が形成されるが、図４（ｂ）では、水晶片１１０ｂ及び励振電極２２０のみが示されている。励振電極２２０は第１領域１２０ａ及び第２領域１２０ｃを有する二重電極であり、第１領域１２０ａは円形に形成され、第２領域１２０ｃは長軸がＸ’軸方向に伸びる楕円形状に形成されている。また、水晶片１１０ｂは長辺がＸ’軸方向に伸びる矩形形状に形成されている。

【0038】

励振電極２２０のように励振電極の長軸がＸ’軸方向に伸びる場合には、副振動の屈曲振動や端面反射を抑えることができるため、ＣＩ値の上昇を抑えることができる。また水晶片のＸ′軸に対し―５度から＋１５度の範囲、すなわち(図４（ｂ）のβ１、β２で示す範囲)に励振電極の長軸が伸びる場合にはＣＩ値の上昇を抑えることができる。

【0039】

（第２実施形態）
水晶片及び励振電極は様々な形状に形成することができる。以下に、水晶片及び励振電極の変形例について説明する。

【0040】

＜水晶振動子２００ａ及び水晶振動子２００ｂの構成＞
図５（ａ）は、水晶振動子２００ａの平面図である。水晶振動子２００ａは、正方形状の平面を有する水晶片２１０と、水晶片２１０の両主面に形成される励振電極１２０と、各励振電極１２０から引き出される引出電極２２１ａと、を有している。水晶片１１０（図２（ａ）参照）は長方形状に形成されていたが、短辺及び長辺の長さが等しい正方形状に形成されても形状を整えることが容易であり製造コストを低く抑えることができるため好ましい。水晶片２１０は、Ｚ’軸に平行な１本の対角線２１１を有しており、励振電極１２０の第２領域１２０ｂの長軸が対角線２１１に沿うように形成されている。励振電極の面積は大きいほど電気定数が安定するため好ましいが、励振電極１２０が対角線２１１に沿って形成されることにより、決められた大きさの水晶片２１０において励振電極１２０の面積を大きく形成することができるため好ましい。また、水晶振動子２００ａでは、引出電極２２１ａが水晶片２１０の＋Ｘ’軸側及び−Ｘ’軸側の水晶片２１０の対角線上の角にそれぞれ引き出されている。

【0041】

図５（ｂ）は、水晶振動子２００ｂの平面図である。水晶振動子２００ｂは、正方形状の平面を有する水晶片２１０と、水晶片２１０の両主面に形成される励振電極１２０と、各励振電極１２０から引き出される引出電極２２１ｂと、を有している。引出電極２２１ｂは励振電極１２０の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の水晶片２１０の角に引き出されている。図５（ａ）、（ｂ）いずれの場合も、水晶片の対角線の角部で水晶片を保持しているので、水晶片を安定して保持出来る。ただし、保持位置はこれに限られない。また、図５（ａ）、（ｂ）の例では水晶片の対角線がＺ′軸に平行になり、従って、水晶片の角部がＺ′軸やＸ軸上に位置する例を示したが、支持の影響等を考慮して、水晶片の対角線がＺ′軸に対し非平行かつ±１０度の範囲の好適な位置関係、すなわち、水晶片の角部がＺ′軸やＸ軸から所定角度ずれた線上に位置する場合もある。

【0042】

＜水晶振動子３００ａ及び水晶振動子３００ｂの構成＞
図６（ａ）は、励振電極３２０の平面図である。励振電極３２０は、図４（ａ）に示される励振電極１２０と、図４（ｂ）に示される励振電極２２０とを互いの中心を合わせて重ね合わせた形状に形成されている。すなわち、励振電極３２０は、第１領域１２０ａを有し、第２領域が第２領域１２０ｂと第２領域１２０ｃとの中心を合わせて重ねた形状に形成されている。第２領域１２０ｂの長軸の長さをＺＢ、短軸の長さをＸＢ、第２領域１２０ｃの長軸の長さをＸＣ、短軸の長さをＺＣとすると、図２（ａ）に示される励振電極１２０と同様に、第２領域１２０ｂの長軸の長さＺＢは短軸の長さＸＢの１．１倍から２．０倍の範囲となり、第２領域１２０ｃの長軸の長さＸＣは短軸の長さＺＣの１．１倍から２．０倍の範囲となるように励振電極３２０が形成されている。第２領域１２０ｂと第２領域１２０ｃとの短軸同士及び長軸同士の長さは、同じであっても異なっていても良い。

【0043】

励振電極１２０のように長軸がＺ’軸に平行である場合にはＺ’軸方向に伝わる副振動である屈曲振動を抑えることができ、励振電極２２０のように長軸がＸ’軸に平行である場合には主振動の反射波や、副振動である屈曲振動と端面反射を抑えることができる。励振電極３２０は、Ｚ’軸方向に長軸が伸びる楕円形状とＸ’軸方向に長軸が伸びる楕円形状とが合成された形状に形成されることにより、励振電極１２０と励振電極２２０との特徴を併せ持っている。

【0044】

図６（ｂ）は、水晶振動子３００ａの平面図である。水晶振動子３００ａは、水晶片３１０ａと、水晶片３１０ａの両主面に形成される励振電極３２０と、各励振電極３２０からそれぞれ引き出される引出電極３２１ａと、を有している。図６（ｂ）では、長さＺＢと長さＸＣとが同じ長さであり、水晶片３１０ａが正方形の平面を有しており、水晶片３１０ａの各辺がＺ’軸又はＸ’軸に平行となるように形成されている場合の例が示されている。また、引出電極３２１ａは、水晶片３１０ａの対角線上である水晶片３１０ａの＋Ｘ’軸側の−Ｚ’軸側の角及び−Ｘ’軸側の＋Ｚ’軸側の角に励振電極３２０からそれぞれ引き出されている。

【0045】

図６（ｃ）は、水晶振動子３００ｂの平面図である。水晶振動子３００ｂは、水晶片３１０ｂと、水晶片３１０ｂの両主面に形成される励振電極３２０と、各励振電極３２０からそれぞれ引き出される引出電極３２１ｂと、を有している。図６（ｃ）では、長さＺＢと長さＸＣとが同じ長さであり、水晶片３１０ｂが正方形の平面を有しており、水晶片３１０ｂの対角線がＺ’軸及びＸ’軸に平行となるように形成されている。また、引出電極３２１ｂは、励振電極３２０から水晶片３１０ｂの＋Ｚ’軸側の角及び−Ｚ’軸側の角にそれぞれ引き出されている。

【0046】

水晶振動子３００ｂでは、水晶片３１０ｂの対角線がＺ’軸又はＸ’軸に平行に形成されている。これにより、励振電極の面積を広く形成することができるため好ましい。なお、図６（ｂ）の例では水晶片の１つの辺がＺ′軸に平行になる例を示し、図６（ｂ）の例では水晶片の１つの対角線がＺ′軸又はＸ軸に平行になる例を示した。しかし、支持の影響等を考慮して、水晶片の１つの辺や１つの対角線がＺ′軸に対し非平行かつ±１０度の範囲の好適な位置関係、すなわち、水晶片の角部がＺ′軸やＸ軸から所定角度ずれた線上に位置する場合もある。

【0047】

＜水晶振動子４００の構成＞
図７（ａ）は、水晶振動子４００の平面図である。水晶振動子４００は、水晶片１１０と、励振電極４２０と、引出電極１２１と、を有しており、励振電極４２０は外形が円形状である第１領域４２０ａと、第１領域４２０ａの周囲に形成され第１領域４２０ａよりも厚さが薄く外形が楕円形状である第２領域４２０ｂと、を含んでいる。第２領域４２０ｂは第２領域１２０ｂ（図２（ａ）参照）と同じく長軸がＺ’軸方向に伸び、短軸がＸ’軸方向に伸びるように形成されており、第２領域４２０ｂの長軸の長さがＺＡ、第２領域４２０ｂの短軸の長さがＸＡ、第２領域４２０ｂの長半径と第１領域４２０ａの半径との差がＺＤとして示されており、長軸の長さＺＡが短軸の長さＸＡの１．１倍から２．０倍の範囲になるように形成されている。

【0048】

図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。水晶振動子４００では、水晶振動子１００と同様に、水晶片１１０の厚さをＹＡとし、励振電極４２０の第１領域４２０ａの厚さをＹＢ１とし、励振電極４２０の第２領域４２０ｂの厚さをＹＢ２としている。また、励振電極４２０は第１層１２２及び第２層１２３の２つの電極層が重ね合わされて形成される２重電極であるが、励振電極１２０（図２（ｂ）参照）とは異なり第１領域４２０ａにおいて第１層１２２が第２層１２３の上に形成されている。

【0049】

励振電極が二重電極として形成される水晶振動子では、水晶振動子１００において水晶振動子４００のように第１領域４２０ａの第１層１２２及び第２層１２３の形成の順番を替えて形成しても、励振電極の外形の形状が変わらなければ水晶振動子１００と同様にＣＩ値を低減し、ＣＩ値の変動を抑えることができる。

【0050】

（第２実施形態）
励振電極の周囲に表面が傾いている傾斜部が形成されることによっても、屈曲振動の反射波を抑制することができる。以下に、傾斜部が形成された水晶振動子について説明する。

【0051】

＜水晶振動子５００の構成＞
図８（ａ）は、水晶振動子５００の平面図である。水晶振動子５００は、水晶片１１０と、励振電極５２０と、引出電極１２１と、を有している。励振電極５２０は図２（ａ）に示される励振電極１２０と同じ楕円形状に形成されているが、第１領域５２０ａ及び第２領域５２０ｂの外周に傾斜が形成されている点が励振電極１２０とは異なっている。

【0052】

励振電極５２０の第１領域５２０ａは、厚さが一定である平坦部５２４ａと平坦部５２４ａの周囲に形成され内周側から外周側にかけて厚さが薄くなる傾斜部５２５ａとを有している。また、励振電極５２０の第２領域５２０ｂは、厚さが一定である平坦部５２４ｂと平坦部５２４ｂの周囲に形成され内周側から外周側にかけて厚さが薄くなる傾斜部５２５ｂとを有している。図８（ａ）では、励振電極５２０の点線の内側が平坦部５２４ａ及び平坦部５２４ｂであり、点線の外側が傾斜部５２５ａ及び傾斜部５２５ｂとして示されている。

【0053】

図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。励振電極５２０は、平坦部５２４ａの厚さがＹＢ１に形成されている。また、第１領域５２０ａでは、傾斜部５２５ａにおいて内周側から外周側にかけての長さ（傾斜長さ）が長さＺＦの範囲で厚さが薄くなるように形成されている。また、第２領域５２０ｂでは、平坦部５２４ｂの厚さがＹＢ２に形成され、傾斜部５２５ｂにおいて内周側から外周側にかけての長さ（傾斜長さ）が長さＺＥの範囲で厚さが薄くなるように形成されている。励振電極５２０では、傾斜部５２５ａの傾斜長さＺＦ及び傾斜部５２５ｂの傾斜長さＺＥが不要振動の波長の１／２よりも大きい場合に不要振動の発生を抑えＣＩ値を低減することができる。また、傾斜部５２５ａ、平坦部５２４ｂ、及び傾斜部５２５ｂの全体を励振電極５２０の傾斜部として考えることができる。そのため、傾斜部５２５ａ、平坦部５２４ｂ、及び傾斜部５２５ｂの電極長手方向の長さをＺＧとすると、長さＺＧが不要振動の波長の自然数倍となる場合に不要振動の発生を抑えＣＩ値を低減することができる。

【0054】

図８（ｃ）は、不要振動の波長と周波数との関係を示したグラフである。図８（ｃ）では、横軸に水晶振動子の周波数（ＭＨｚ）が示され、縦軸に不要振動の波長（μｍ）が示されている。主振動に伴って発生する不要振動には、屈曲振動、輪郭すべり振動、伸長振動等の様々な振動がある。図８（ｃ）には、一点鎖線で屈曲振動が示され、実線で輪郭すべり振動が示され、点線で伸長振動が示されている。

【0055】

２回回転水晶振動子では、不要振動のなかで屈曲振動が最もＣＩ値に影響を及ぼすため、屈曲振動を抑えることがＣＩ値の低減のために重要になる。例えば、水晶振動子の発振周波数が３０ＭＨｚである場合に屈曲振動は１０８μｍの波長を有する。そのため、長さＺＥ及び長さＺＦを屈曲振動の波長の半分である５４μｍ以上とすれば、屈曲振動の発生を大きく抑えることができる。また、輪郭すべり振動及び伸長振動等の他の不要振動も、それらの波長が屈曲振動の波長が近いため、屈曲振動のための上記傾斜部により抑制できる。

【0056】

＜傾斜長さについて＞
Ａｍｍ角の水晶片に厚さが１４００Åであり直径０．６Ａｍｍの単層の励振電極を形成し、３０ＭＨｚで発振させた場合に、傾斜長さを変えてＣＩ値と温度との関係を測定して求めた結果を図９（ａ）から図９（ｃ）に示す。以下に、傾斜部が形成されていない図３（ａ）の水晶振動子と図９（ａ）から図９（ｃ）の水晶振動子とを比較しながら、励振電極に傾斜部を形成することの効果について説明する。

【0057】

図９（ａ）は、傾斜長さが５０μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。図９（ａ）では３つの水晶振動子についてＣＩ値の温度変化が示されており、縦軸には５０Ω間隔で目盛が付されている。各水晶振動子の励振電極の傾斜長さは５０μｍである。図９（ａ）では、ＣＩ値が概ね（Ｒ−１００）ΩからＲΩの範囲内に収まっている。特に２回回転水晶振動子で使用されると考えられる８０℃の温度において、最も低いＣＩ値は（Ｒ−７７．９４）Ωであり、最も高いＣＩ値は（Ｒ−５８．８９）Ωである。すなわち、図９（ａ）の水晶振動子では、８０℃において１８．０５Ωの変動が生じている。これらの結果は、図３（ａ）に示される水晶振動子と比べた場合に、傾斜部を形成することによりＣＩ値が大きく低下すると共に安定することを示している。

【0058】

図９（ｂ）は、傾斜長さが５５μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。図９（ｂ）では、７つの水晶振動子についてＣＩ値の温度変化が示されており、縦軸には５０Ω間隔で目盛が付されている。図９（ｂ）に示されている各水晶振動子の励振電極の傾斜長さは５５μｍである。すなわち、図９（ａ）の水晶振動子とは、励振電極の傾斜長さが異なっている。図９（ｂ）では、ＣＩ値が概ね（Ｒ−１５０）Ωから（Ｒ−１００）Ωの範囲内に収まっている。特に２回回転水晶振動子で使用されると考えられる８０℃の温度において、最も低いＣＩ値は（Ｒ−１４０．１１）Ωであり、最も高いＣＩ値は（Ｒ−１２０．２３）Ωである。すなわち、図９（ｂ）の水晶振動子では、８０℃において１９．８８Ωの変動が生じている。

【0059】

図９（ｂ）の水晶振動子は図９（ａ）の水晶振動子と同様に図３（ａ）の水晶振動子に比べて傾斜部を形成することによりＣＩ値が大きく低下すると共に安定することを示している。また、図９（ｂ）の水晶振動子は図９（ａ）の水晶振動子に比べてＣＩ値が全体的に５０Ω前後低下しているように見える。この結果は、図９（ｂ）の水晶振動子が図９（ａ）の水晶振動子よりも傾斜長さが長いことに起因していると考えられる。さらに、傾斜長さが５μｍ違うだけでＣＩ値が５０Ω近く低下したのは、図９（ａ）では３０ＭＨｚでは屈曲振動の波長の１／２である５４ｍよりも傾斜長さが短く、屈曲振動が十分に抑えられていないが、図９（ｂ）では屈曲振動の波長の１／２である５４ｍよりも傾斜長さが長く、屈曲振動がある程度抑えられるようになったためであると考えられる。

【0060】

図９（ｃ）は、傾斜長さが４００μｍの場合におけるＣＩ値の温度変化が示されたグラフである。図９（ｃ）では、６つの水晶振動子についてＣＩ値の温度変化が示されており、縦軸には５０Ω間隔で目盛が付されている。図９（ｃ）に示されている各水晶振動子の励振電極の傾斜長さは４００μｍである。図９（ｃ）では、ＣＩ値が概ね（Ｒ−２００）Ωから（Ｒ−１５０）Ωの範囲内に収まっている。特に２回回転水晶振動子で使用されると考えられる８０℃の温度において、最も低いＣＩ値は（Ｒ−２０１．３）Ωであり、最も高いＣＩ値は（Ｒ−１８９．４）Ωである。すなわち、図９（ｃ）の水晶振動子では、８０℃において１１．９Ωの変動が生じている。

【0061】

図９（ｃ）の水晶振動子は、図３（ａ）、図９（ａ）、及び図９（ｂ）の水晶振動子に比べてＣＩ値が低く及びＣＩ値の変動も小さい。これらの結果は、傾斜長さを長く形成したことに起因すると考えられる。また、図９（ｃ）の水晶振動子では、３０ＭＨｚでは屈曲振動の波長の１／２である５４μｍよりも傾斜長さが長いため、十分に屈曲振動が抑えられていると考えられる。

【0062】

図９（ｃ）に示されるような水晶振動子は、例えば、金属板からフォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術により形成される金属製マスクを用いる方法により形成することができる。具体的には、金属板の厚み方向のエッチングと共にサイドエッチングが進む性質を利用して得られるオーバーハング形状のマスク、又は開口寸法が少しずつ小さくなる多数の薄いマスクを積層しこれらをスポット溶接して１枚のマスクとして形成されるマスクである。これらオーバーハング形状のマスク又は多数の薄いマスクを積層したマスクを用いることにより図９（ｃ）の水晶振動子を形成することができる。また、図８（ｂ）に示されるような傾斜部を有する二重電極も、同様の方法により形成することができる。

【0063】

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。また、上記の実施形態は様々に組み合わせて実施されても良い。

【符号の説明】

【0064】

１００、１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ、３００ａ、３００ｂ、４００、５００ … 水晶振動子
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、２１０、３１０ａ、３１０ｂ … 水晶片
１２０、２２０、３２０、４２０ … 励振電極
１２０ａ、４２０ａ、５２０ａ … 第１領域
１２０ｂ、１２０ｃ、４２０ｂ、５２０ｂ … 第２領域
１２１、２２１ａ、２２１ｂ、３２１ａ、３２１ｂ … 引出電極
１２２ … 第１層、１２３ … 第２層
５２４ａ、５２４ｂ … 平坦部
５２５ａ、５２５ｂ … 傾斜部
ＸＡ … 第２領域１２０ｂの短軸の長さ
ＸＢ … 第２領域１２０ｂの短軸の長さ
ＸＣ … 第２領域１２０ｃの長軸の長さ
ＹＡ … 水晶片１１０の厚さ
ＹＢ１ … 励振電極１２０の第１領域１２０ａの厚さ
ＹＢ２ … 励振電極１２０の第２領域１２０ｂの厚さ
ＺＡ … 第２領域１２０ｂの長軸の長さ
ＺＢ … 第２領域１２０ｂの長軸の長さ
ＺＣ … 第２領域１２０ｃの短軸の長さ
ＺＤ … 第２領域１２０ｂの長半径と第１領域１２０ａの半径との差
ＺＥ … 傾斜部５２５ａの傾斜長さ
ＺＦ … 傾斜部５２５ｂの傾斜長さ
ＺＧ … 傾斜部５２５ａ、平坦部５２４ｂ、及び傾斜部５２５ｂの電極長手方向の長さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】