特許 7645386 水晶振動素子及び水晶デバイス

(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】

(24)【登録日】2025-03-05

(45)【発行日】2025-03-13

(54)【発明の名称】水晶振動素子及び水晶デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20250306BHJP

【ＦＩ】

H03H9/19 F

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023543795

(86)(22)【出願日】2022-08-08

(86)【国際出願番号】 JP2022030212

(87)【国際公開番号】W WO2023026835

(87)【国際公開日】2023-03-02

【審査請求日】2024-02-07

(31)【優先権主張番号】P 2021137676

(32)【優先日】2021-08-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090033

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 博司

(74)【代理人】

【識別番号】100093045

【弁理士】

【氏名又は名称】荒船 良男

(72)【発明者】

【氏名】後藤 正彦

(72)【発明者】

【氏名】湯村 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】二藤部 剛

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１９２７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５２９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１６９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２９６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２５３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７９３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１００９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０５３０３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ ９／００－ ９／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発振周波数が５０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲にある水晶片と、
当該水晶片の両面上にそれぞれ位置し、前記水晶片よりも小さい平面視矩形状の電極と、
前記電極の平面視で前記水晶片のＸ軸方向に沿った第１の方向に垂直な第２の方向に沿って伸びる外縁に一端がつながっている引出し導体と、
を備え、
前記電極は、前記第１の方向ついての長さが、前記第２の方向についての幅の１．９９３倍以上２．５２５倍以下であり、
前記引出し導体は直線形状であり、
平面視で前記第２の方向についての前記水晶片の両端から前記電極の端までの距離は、それぞれ０．１３０ｍｍ以上０．１９５ｍｍ以下である、
水晶振動素子。

【請求項2】

前記発振周波数は、７４ＭＨｚ以上７８ＭＨｚ以下の範囲にある請求項１記載の水晶振動素子。

【請求項3】

請求項１又は２記載の水晶振動素子を備える水晶デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、水晶振動素子及び水晶デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

水晶片を発振させてクロック信号を生成する水晶振動素子では、水晶片の厚さに応じた発振周波数が得られる。近年、必要なクロック信号の周波数の上昇に伴って、公称周波数が７６．８ＭＨｚといった５０－１００ＭＨｚ帯の水晶振動素子が増えている。特開２０２０－９９０３８号公報では、この周波数においてよりよい発振の周波数特性を得るために、水晶片のうち固定部分を振動部分よりも厚くし、振動部分の長辺寸法と短辺寸法の比を適切に定める技術について開示されている。

【発明の概要】

【0003】

本開示の一の態様は、
発振周波数が５０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲にある水晶片と、
当該水晶片の両面上にそれぞれ位置し、前記水晶片よりも小さい平面視矩形状の電極と、
前記電極の平面視で前記水晶片のＸ軸方向に沿った第１の方向に垂直な第２の方向に沿って伸びる外縁に一端がつながっている引出し導体と、
を備え、
前記電極は、前記第１の方向ついての長さが、前記第２の方向についての幅の１．９９３倍以上２．５２５倍以下であり、
前記引出し導体は直線形状であり、
平面視で前記第２の方向についての前記水晶片の両端から前記電極の端までの距離は、それぞれ０．１３０ｍｍ以上０．１９５ｍｍ以下である、
水晶振動素子である。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1】本実施形態の水晶デバイスのある断面における形状を示す図である。

【図2A】本実施形態の水晶振動素子の構成を示す平面図である。

【図2B】水晶振動素子の断面図である。

【図2C】水晶振動素子の側面図である。

【図3A】励振電極の縦横比の一例を示す図である。

【図3B】励振電極の縦横比に応じた周波数偏差の温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図3C】励振電極の縦横比に応じたＥＳＲの温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図4A】励振電極の縦横比の一例を示す図である。

【図4B】励振電極の縦横比に応じた周波数偏差の温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図4C】励振電極の縦横比に応じたＥＳＲの温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図5A】励振電極の縦横比の一例を示す図である。

【図5B】励振電極の縦横比に応じた周波数偏差の温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図5C】励振電極の縦横比に応じたＥＳＲの温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図6A】励振電極の縦横比の一例を示す図である。

【図6B】励振電極の縦横比に応じた周波数偏差の温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図6C】励振電極の縦横比に応じたＥＳＲの温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図7A】励振電極の縦横比の一例を示す図である。

【図7B】励振電極の縦横比に応じた周波数偏差の温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【図7C】励振電極の縦横比に応じたＥＳＲの温度特性を実験的に求めた結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0005】

以下、実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態の水晶デバイス１００のある断面における形状を示す図である。
水晶デバイス１００は、水晶振動素子１と、基体２と、蓋体３と、部品４などを備える。

【0006】

基体２は、特には限られないが、例えば、セラミック材料、半導体材料若しくはガラス材又はこれらの組合せである。基体２は、上面側中央に凹部２ａを有する。凹部２ａの底面には、電極パッド２１が位置し、電極パッド２１は、上面が平面状であり、例えば、スクリーン印刷などにより形成され得る。また、電極パッド２１の最上面には、金めっきなどがなされていてもよい。当該電極パッド２１に対し、導電性接着剤２２により水晶振動素子１が接着されている。導電性接着剤２２は、例えば、銀フィラーを含有する樹脂系（エポキシ樹脂など）の接着剤などであってもよい。水晶振動素子１の振動（発振）部分は、凹部２ａの内壁面に接触せずに浮いた状態で固定されている。

【0007】

基体２の凹部上面側、すなわち、凹部２ａを囲う枠部分の上端は、金すず又は銀ろうなどの導電性の封止部材を介して蓋体３と接合される。これにより、凹部２ａが封止されている。基体２と蓋体３との間には、導電性である枠状のメタライズ層が位置していてもよい。

【0008】

電極パッド２１は、基体２を貫通する図示略の信号線路を経て外部に電気的に接続可能（例えば、基体２の底面に位置する外部接続パッドから外部配線や基板に接続可能）となっている。基体２の底面側には、部品４が位置している。部品４は、ＩＣチップなどの電子部品であってもよいし、検温素子（サーミスタなど）といったセンサなどであってもよい。また、部品４は、これらの複数個の組合せであってもよい。これらは、水晶振動素子１の発振周波数の調整に係る付帯情報を出力したり、あるいは、付帯情報に応じた調整を行ったりするものであり、すなわち水晶デバイス１００は、例えば、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）などであってもよい。なお、部品４の位置は、底面の平面視中央付近ではなく、偏った位置であってもよい。

【0009】

図２Ａは、本実施形態の水晶振動素子１の構成を示す平面図である。図２Ｂは図２Ａの断面線ＡＡで切断した断面図である。図２Ｃは水晶振動素子１の側面図である。

【0010】

水晶振動素子１は、水晶片Ｃと、水晶片Ｃの両面上に位置する励振電極ＥＵ、ＥＬ（電極）と、引出し線Ｅｘ（引出し導体）と、接続電極Ｅｐとを有する。

【0011】

水晶片Ｃは、ＡＴカットにより得られたものであり、発振周波数が５０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲、ここでは特に、公称周波数が７６．８ＭＨｚとなるように、７４ＭＨｚ以上７８ＭＨｚ以下の範囲に応じて厚さが定められたものである。この図２Ａ及び図２Ｃに示すように、一般的に、水晶の結晶軸（電気軸）に沿った方向（第１の方向）がＸ軸とされる。また、水晶の光軸に沿った方向がＺ軸とされ、図２Ａに示すように、水晶片Ｃの面内でＸ軸に交差する方向（第２の方向）をＺａ軸（しばしばＺ´軸と表記される）とする。Ｘ軸及びＺａ軸に交差する方向（水晶片Ｃの厚み方向）がＹａ軸方向である。ここでは、Ｘ軸方向が水晶片Ｃの長軸方向であり、Ｚａ軸方向が水晶片Ｃの短軸方向である。

【0012】

励振電極ＥＵ、ＥＬは、それぞれ水晶片Ｃの上面（＋Ｙａ側）及び下面（－Ｙａ側）に対してそれぞれ平面視同一位置に接合している。水晶片Ｃは、励振電極ＥＵ、ＥＬ間に印加される電圧に応じて変形、振動する。水晶片Ｃの振動モードは、ここでは、厚み滑り振動であり、Ｘ軸方向について、上面側と下面側とで逆位相で変位する。励振電極ＥＵ、ＥＬは、平面視矩形状であり、そのサイズは、水晶片Ｃのサイズよりも小さい。なお、ここでいう平面視矩形状は、完全な矩形形状に限定されない。例えば、励振電極ＥＵ、ＥＬの角が多少落ちていたり丸められていたりしてもよい。

【0013】

引出し線Ｅｘは、励振電極ＥＵ、ＥＬと接続電極Ｅｐとの間を電気的に接続する直線形状の配線である。引出し線Ｅｘは、励振電極ＥＵ、ＥＬに対して各々１本ずつ、それぞれ水晶片Ｃの上面と下面とに位置している。

【0014】

接続電極Ｅｐは、基体２の電極パッド２１に接続されており、水晶振動素子１の動作時には、外部から所定の電位差が与えられる。これにより水晶振動素子１が共振して、当該水晶振動素子１が接続されている水晶発振回路から定められた周波数（約７６．８ＭＨｚ）のクロック信号が得られる。

【0015】

上述のように、励振電極ＥＵ、ＥＬは、平面視で水晶片Ｃのサイズよりも小さい。本水晶振動素子１の発振周波数を含む５０－１００ＭＨｚの範囲では、従来、水晶片Ｃの平面視での振動範囲が励振電極ＥＵ、ＥＬの範囲とほぼ重なるように設計されている。しかしながら、水晶と電極の金属とでは、温度特性が大きく異なるため、基準となる温度からずれた温度で動作すると、電極の歪みが水晶の振動に影響を及ぼして、共振に係る温度特性、特に、ＥＳＲ（等価直列抵抗。ＣＩ（Crystal Impedance）ともいう）を悪化（上昇）させる。本実施形態の水晶振動素子１では、励振電極ＥＵ、ＥＬを小型化することで、相対的にこれらの水晶片Ｃに対する影響を低減させる。

【0016】

一方で、励振電極ＥＵ、ＥＬの範囲をＸ軸方向について振動範囲よりも小さくすると、必要な共振波を得るために必要な電圧（電力）が上昇し、電力消費効率が低下する。本実施形態の水晶振動素子１では、励振電極ＥＵ、ＥＬをＸ軸方向についての長さを顕著に変化させずに（設計上の微小な変化（例えば、数％など）は許容されてよい）、Ｚａ軸方向についてのみ振動範囲よりも小さくすることで、共振波の生成に与える影響と、励振電極ＥＵ、ＥＬと水晶片Ｃとの温度特性の差が共振に与える影響とをいずれも抑制する。

【0017】

ここでは、励振電極ＥＵ、ＥＬのＸ軸方向についての長さ（縦方向の長さＬｅ）とＺａ軸方向についての幅（横幅Ｗｅ）との比（縦横比Ｌｅ／Ｗｅ）は、１．９９３以上２．５２５以下であり、特に、２．３３とされている。上記のように水晶片Ｃにおける振動範囲に合わせた励振電極ＥＵ、ＥＬの上記縦横比Ｌｅ／Ｗｅは、１．２５程度であり、水晶振動素子１では、これに比して顕著に縦長となっている。なお、もともと励振電極ＥＵ、ＥＬの長さＬｅは、水晶片Ｃの縦方向（Ｘ方向）の長さに比して大きな差はないので、水晶片Ｃよりも小さい励振電極ＥＵ、ＥＬの長さＬｅを増大させて縦横比Ｌｅ／Ｗｅを大きくすることは、ここでは想定され得ない。また、励振電極ＥＵ、ＥＬを小型化するための縦横比Ｌｅ／Ｗｅの変更であるので、そもそも長さＬｅを増大することは望まれない。

【0018】

なお、上記のように励振電極ＥＵ、ＥＬの形状のみを小さくするのであって、水晶片Ｃの振動範囲は小さくならない。したがって、水晶片Ｃの横幅Ｗｃは従来程度のサイズに維持されて、励振電極ＥＵ、ＥＬの長辺と水晶片Ｃの長辺との間隔ｄＷ１、ｄＷ２（Ｘ方向に伸びる水晶片Ｃの両端から励振電極ＥＵ、ＥＬまでのそれぞれの距離）は、従来より大きくなる。励振電極ＥＵ、ＥＬは、Ｚａ軸方向について水晶片Ｃの中心位置（中点）付近に位置しているのが好ましく、したがって、間隔ｄＷ１、ｄＷ２は略同一の大きさ（すなわち、横幅Ｗｃと横幅Ｗｅとの差の半分ずつ）であるが、共振に悪影響を与えない範囲で多少Ｚａ軸方向についての水晶片Ｃの中心位置からずれていてもよい。ここでは、例えば、間隔ｄＷ１、ｄＷ２は、いずれも０．１３０ｍｍ以上０．１９５ｍｍ以下で等しい値である。

【0019】

このような構造に対し、引出し線Ｅｘは、水晶片Ｃの振動に対する影響が小さくなるように、励振電極ＥＵ、ＥＬの短辺（Ｚａ方向に伸びる外縁）側から引き出されて（一端がつながって）、他端が接続電極Ｅｐにつながっている。引出し線Ｅｘは、ここでは、直線形状である。引出し線Ｅｘが短い方が水晶片Ｃの振動に対する影響を小さくすることができる。また、ここでは、引出し線Ｅｘは、励振電極ＥＵ、ＥＬの短辺に対して所定角度傾いて伸びているが、図示された角度の傾きに限られるものではない。製造上他の導体部分との間での短絡などの問題を生じない範囲で、傾きの角度は小さくてもよく、また、上記短辺に対して垂直であってもよい。

【0020】

このような構造とすることで、本実施形態の水晶振動素子１の発振効率と温度特性の安定化が図られている。

【0021】

図３Ａ～図３Ｃ、図４Ａ～図４Ｃ、図５Ａ～図５Ｃ、図６Ａ～図６Ｃ及び図７Ａ～図７Ｃは、励振電極ＥＵ、ＥＬの縦横比Ｌｅ／Ｗｅを異ならせた場合（図３Ａ～図７Ａ）における周波数偏差（ｄｆ／ｆ）の温度特性［ｐｐｍ］（図３Ｂ～図７Ｂ）と、ＥＳＲの温度特性［Ω］（図３Ｃ～図７Ｃ）とをそれぞれ実験的に求めた結果を示す。ここでは、各比Ｌｅ／Ｗｅに対して３回ずつ求めて各々重ねて示している。

【0022】

図４Ａ及び図５Ａに示すＬｅ／Ｗｅ＝２．１５０～１．９９３の場合、図４Ｂ及び図５Ｂに示すように、周波数偏差の温度特性が概ねきれいな３次関数で表され、かつ図４Ｃ及び図５Ｃに示すように、ＥＳＲがほぼ温度によらず約２５Ω以下で維持される。したがって、実用上必要な温度範囲において、水晶振動素子１は、適切に共振が得られることが分かる。図３Ａに示すように縦横比Ｌｅ／Ｗｅが大きくなると、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、列抵抗値の振れが生じて２５Ωを超えるようになるが、縦横比Ｌｅ／Ｗｅが２．５２５以下の範囲では、一般的な製品上の基準値となる３０Ωより小さい値が維持されることが示されている。

【0023】

一方、図６Ａ及び図７Ａに示すように、縦横比Ｌｅ／Ｗｅが小さくなると、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ｂ及び図７Ｃに示すように、特に低温側で列抵抗値が上昇し、３０Ωに達するという結果が得られている。すなわち、従来よりも励振電極ＥＵ、ＥＬの縦横比が顕著に大きい範囲（１．９９３≦Ｌｅ／Ｗｅ≦２．５２５）で、水晶振動素子１は、良好な温度特性が得られ、縦横比Ｌｅ／Ｗｅがこの範囲からずれると、特にＥＳＲについての上昇などが生じることにより温度特性が悪化する。

【0024】

以上のように、本実施形態の水晶振動素子１は、発振周波数が５０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲にある水晶片Ｃと、当該水晶片Ｃの両面上にそれぞれ位置し、水晶片Ｃよりも小さい平面視矩形状の励振電極ＥＵ、ＥＬと、を備える。励振電極ＥＵ、ＥＬは、平面視で水晶片ＣのＸ軸（電気軸）方向に沿った第１の方向ついての長さＬｅが、第１の方向に垂直な第２の方向（Ｚａ軸方向）についての幅（横幅Ｗｅ）の１．９９３倍以上２．５２５倍以下である。
５０－１００ＭＨｚを発振周波数とする水晶振動素子では、通常では、Ｌｅ／Ｗｅが１．２５程度であって、励振電極ＥＵ、ＥＬが水晶片Ｃの振動範囲とほぼ合致するように定められるのに対し、本実施形態の水晶振動素子１では、横幅Ｗｅを長さＬｅと比較して意図的に短くしてＬｅ／Ｗｅを大きく定めて励振電極ＥＵ、ＥＬのサイズを小型化することで、励振レベルの低下を抑えつつ、励振電極ＥＵ、ＥＬと水晶片Ｃとの間での熱膨張係数の差異の影響を低減し、水晶振動素子１の発振に係る温度特性の悪化を抑制して、より安定して発振させることができる。

【0025】

また、発振周波数は、特に、７４ＭＨｚ以上７８ＭＨｚ以下の範囲にあるとよい。すなわち、本開示の構成は、公称周波数７６．８ＭＨｚなどの水晶振動素子１に対して好適に用いられる。

【0026】

また、水晶振動素子１は、平面視で第２の方向（Ｚａ軸方向）についての水晶片Ｃの両端から励振電極ＥＵ、ＥＬの端までの距離は、それぞれ０．１３０ｍｍ以上０．１９５ｍｍ以下である。すなわち、励振電極ＥＵ、ＥＬがＺａ軸方向についていずれも水晶片Ｃのほぼ中央に位置することで、励振電極ＥＵ、ＥＬの範囲からＺａ軸方向についてはみ出している（漏れている）水晶片Ｃの振動範囲が当該水晶片Ｃの両端に届くのを抑制するので、水晶片Ｃの発振を妨げず、効率よく水晶振動素子１を発振させることができる。

【0027】

また、水晶振動素子１は、励振電極ＥＵ、ＥＬの第２の方向（Ｚａ軸方向）に沿って伸びる外縁（短辺）に一端がつながっている引出し線Ｅｘを備える。このように、励振電極ＥＵ、ＥＬの長辺側には水晶片Ｃの振動範囲がはみ出すのに対し、短辺側にはほとんど振動範囲がはみ出さないので、この短辺側から引出し線Ｅｘを引き出すことで、引出し線Ｅｘによる振動への悪影響を低減させることができる。

【0028】

また、引出し線Ｅｘは直線形状である。引出し線Ｅｘは短い方が水晶片Ｃの振動への影響も少なく、また、外部ノイズなどの混入も低減することができるので、直線形状であることが好ましい。

【0029】

また、本実施形態の水晶デバイス１００は、上記の水晶振動素子１を備える。この水晶デバイス１００によれば、従来よりもより安定して良好な温度特性で水晶振動素子１を発振させて適切な信号を得ることができる。

【0030】

なお、上記実施の形態は例示であって、様々な変更が可能である。
例えば、上記実施の形態では、部品４を備える水晶デバイス１００として説明したが、必ずしも部品４を有する必要はない。単純に基体及び蓋体に内包されて発振し、信号を出力するだけの水晶パッケージであってもよい。また、水晶振動素子１は、水晶デバイス１００として基体２に接着されていなくてもよい。水晶振動素子１が単体で販売等されてもよい。

【0031】

また、基体２及び蓋体３の形状（凹部２ａの形状も含む）は、水晶振動素子１を適切に格納、封止し、信号線や電極パッド２１が適切に位置可能に適宜変更されてもよい。また、水晶片Ｃの形状もその端部などで厚さが微調整されていてもよい。また、水晶片Ｃは、励振電極ＥＵ、ＥＬが位置する振動部分と接続電極Ｅｐが位置する固定部分とで同一の厚さ（フラット形状）であるものとして説明したが、固定部分の厚さを振動部分の厚さよりも大きく定めて（ステップ形状）、より安定して水晶片Ｃを支持可能としてもよい。

【0032】

また、引出し線Ｅｘの形状は、上記実施形態で示した形状に限定されるものではない。折れ曲がり部分や曲線部分を有していてもよく、励振電極ＥＵ、ＥＬの短辺側から引き出されていなくてもよい。

【0033】

また、上記実施の形態では、公称周波数が７６．８ＭＨｚである場合を例に挙げて説明したが、発振周波数が５０－１００ＭＨｚの範囲であれば、上記励振電極ＥＵ、ＥＬの形状に係る特徴が有効であるので、当該範囲内で他の周波数信号を発振する水晶振動素子１であってもよい。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、構造や材質などは、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載した範囲とその均等の範囲を含む。

【産業上の利用可能性】

【0034】

本開示は水晶振動素子及び水晶デバイスに利用することができる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】