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JP2018033122A - Crystal oscillator - Google Patents

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JP2018033122A
JP2018033122A JP2017018070A JP2017018070A JP2018033122A JP 2018033122 A JP2018033122 A JP 2018033122A JP 2017018070 A JP2017018070 A JP 2017018070A JP 2017018070 A JP2017018070 A JP 2017018070A JP 2018033122 A JP2018033122 A JP 2018033122A
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重隆 加賀
芳朗 手島
Yoshiro Tejima
芳朗 手島
和博 廣田
Kazuhiro Hirota
和博 廣田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new excitation electrode structure capable of improving the characteristics of a crystal oscillator oscillating in a thickness-shear mode.SOLUTION: A quartz crystal piece 11 has a thickness in the Y' axial direction of a quartz crystal and the X'-Z' plane of the quartz crystal served as a main surface and includes excitation electrodes 13a and 13b on the front and rear surfaces. When defining an excitation electrode provided on a plus Y' plane as a first excitation electrode 13a and an excitation electrode provided on a minus Y' plane as an excitation second electrode 13b, the second excitation electrode is provided at a position projecting the state of moving the first excitation electrode by a distance dx given by Ttanα in the plus X' direction along the X' axis of the quartz crystal and moving the first electrode excitation by a distance dy given by Ttanβ in the minus Z' direction along the Z' axis of the quartz crystal on the minus Y' plane, to the first excitation electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、厚みすべりモードで振動する水晶振動子に関する。   The present invention relates to a crystal resonator that vibrates in a thickness shear mode.

厚みすべりモードで振動する水晶振動子として、ATカット水晶振動子及び、SCカット水晶振動子に代表されるいわゆる2回回転水晶振動子が知られている。これら水晶振動子は、高度情報通信社会に必須の電子部品であるため、種々の側面から特性改善の努力がされている。   As a crystal resonator that vibrates in the thickness-shear mode, an AT-cut crystal resonator and a so-called twice-rotation crystal resonator represented by an SC-cut crystal resonator are known. Since these crystal resonators are indispensable electronic components for an advanced information communication society, efforts are being made to improve characteristics from various aspects.

特性改善の一手法として、水晶片の両面に設ける励振用電極に着目した手法がある。例えば特許文献1には、周波数温度特性を制御する目的で、ATカット水晶片の両主面に設ける励振用電極を水晶のX軸方向に相対的に所定量ずらす構造が記載されている。また、特許文献2には、ATカット水晶片の一端を導電性接着剤で支持したSMD構造の水晶振動子において、水晶片の表裏に設ける励振用電極のうちの下面側の励振用電極を、導電性接着剤の影響を軽減する目的で、上面側の励振電極よりも導電性接着剤から遠い位置にずらす構造が記載されている。 One technique for improving characteristics is a technique that focuses on excitation electrodes provided on both sides of a crystal piece. For example, Patent Document 1 describes a structure in which excitation electrodes provided on both main surfaces of an AT-cut crystal piece are shifted by a predetermined amount in the X-axis direction of the crystal for the purpose of controlling frequency temperature characteristics. Patent Document 2 discloses an excitation electrode on the lower surface side among excitation electrodes provided on the front and back of a quartz piece in a quartz crystal having an SMD structure in which one end of an AT-cut quartz piece is supported by a conductive adhesive. In order to reduce the influence of the conductive adhesive, a structure is described in which it is shifted to a position farther from the conductive adhesive than the excitation electrode on the upper surface side.

WO98/47226号公報WO 98/47226 特開2014−42084号公報JP 2014-42084 A

しかしながら、励振用電極に着目した水晶振動子の特性改善手法は、まだまだ可能性を秘めている。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従ってこの出願の目的は、厚みすべりモードで振動する水晶振動子の特性改善を図ることが可能な新規な励振用電極構造を有した水晶振動子を提供することにある。
However, the method for improving the characteristics of a crystal resonator focusing on the excitation electrode still has potential.
The present application has been made in view of these points, and therefore the object of this application is to provide a crystal having a novel excitation electrode structure capable of improving the characteristics of a crystal resonator that vibrates in a thickness-slip mode. It is to provide a vibrator.

この目的の達成を図るため、この発明によれば、水晶片の表裏に励振用電極を具え、厚みすべりモードで振動する水晶振動子において、
一方の面の励振用電極のエッジにおける変位分布が、他方の面の励振用電極のエッジにおける変位分布と同じになる位置関係に、これら励振用電極を水晶片の表裏に設けてあることを特徴とする。
In order to achieve this object, according to the present invention, in the quartz resonator that includes the excitation electrodes on the front and back of the quartz piece and vibrates in the thickness-slip mode,
The displacement electrode at the edge of the excitation electrode on one side has the same positional relationship as the displacement distribution at the edge of the excitation electrode on the other side, and these excitation electrodes are provided on the front and back sides of the crystal piece. And

この発明を実施するに当たり、水晶片は水晶のY′軸方向を厚さとし、水晶のX′―Z′面を主面とする水晶片とする。そして、この水晶片の表裏の主面に設ける励振用電極は、平面形状が同じで大きさが同じものとし、然も、プラスY′面に設ける励振用電極を第1励振用電極、マイナスY′面に設ける励振用電極を第2励振用電極と定義した場合、第2励振用電極は第1励振用電極に対し、以下の関係を満たす位置に設けるのが良い。
(1) 第1励振用電極を水晶のX′軸に沿ってプラスX′方向にT・tanαで与えられる距離dxだけ移動し(図1参照)、
(2) 第1励振用電極を水晶のZ′軸に沿ってマイナスZ′方向にT・tanβで与えられる距離dyだけ移動し(図1参照)、
(3) 上記(1)、(2)で移動した状態を、マイナスY′面に投影した位置。
In carrying out the present invention, the crystal piece is a crystal piece whose thickness is in the Y′-axis direction of the crystal and whose main surface is the X′-Z ′ plane of the crystal. The excitation electrodes provided on the front and back main surfaces of the crystal piece have the same planar shape and the same size. However, the excitation electrode provided on the plus Y ′ plane is the first excitation electrode, minus Y When the excitation electrode provided on the surface 'is defined as the second excitation electrode, the second excitation electrode is preferably provided at a position satisfying the following relationship with respect to the first excitation electrode.
(1) The first excitation electrode is moved along the X ′ axis of the crystal in the plus X ′ direction by a distance dx given by T · tanα (see FIG. 1).
(2) The first excitation electrode is moved along the Z ′ axis of the crystal in the minus Z ′ direction by a distance dy given by T · tan β (see FIG. 1)
(3) A position where the state moved in (1) and (2) above is projected on the minus Y ′ plane.

ここで、Tとは、当該水晶片の厚みである。また、α、βとは、水晶片のカット種別(SCカット、ITカット等々)に応じて予め定めた範囲の角度である。しかも、αは当該水晶片のZ′軸を回転軸とする角度であり(図1(B)参照)、βは、当該水晶片のX′軸を回転軸とする角度である(図1(C)参照)。角度α、βの正負は、以下の説明では、水晶片のプラスZ′面、プラスX′面各々で考えて(図1(B)、(C))、反時計回りをプラス、時計回りをマイナスとしている。これらプラス、マイナスは、表裏の励振用電極のずれ方向を決めるものになる。なお、角度α、βは、水晶片がSCカット等のように2回回転水晶振動子の場合であれば、主振動(X′方向の厚みすべり振動。いわゆるCモード)及び副振動(Z′方向の厚みすべり振動。いわゆるBモード)各々で異なる値であり、Cモード、Bモード毎に予め定めた範囲の角度である。   Here, T is the thickness of the crystal piece. Α and β are angles within a predetermined range according to the cut type (SC cut, IT cut, etc.) of the crystal piece. In addition, α is an angle with the Z ′ axis of the crystal piece as a rotation axis (see FIG. 1B), and β is an angle with the X ′ axis of the crystal piece as a rotation axis (FIG. 1 ( C)). In the following description, the positive and negative angles α and β are considered on the plus Z ′ plane and the plus X ′ plane of the crystal piece (FIGS. 1B and 1C), plus counterclockwise plus plus clockwise. Negative. These pluses and minuses determine the displacement direction of the front and back excitation electrodes. Note that the angles α and β are the main vibration (thickness shear vibration in the X ′ direction, so-called C mode) and sub-vibration (Z ′) if the crystal piece is a twice-rotation crystal resonator such as an SC cut. The thickness shear vibration in the direction (so-called B mode) is a different value for each of the C mode and the B mode.

また、上記のX′軸、Z′軸とは、水晶の結晶軸であるX軸、Y軸に対し当該水晶片の切断角度φやθで回転することで生じる軸のことである。すなわち、例えばATカット水晶片のように1回の回転のみを行う水晶片の場合であれば、当該1回の回転を経た後の軸のことであり、また、例えばSCカットのように2回の回転φ、θがされる水晶片の場合であれば、当該2回の回転を経た後の軸のことである。ただし、ダッシュ「′」は、回転回数を意味していない。すなわち、ATカット水晶片の場合のように、X軸回りの回転のみでZ軸回りの回転はしない場合も、ここではダッシュ記号「′」を付してX′、Y′、Z′で示してある。2回回転水晶片の場合も、1つのダッシュ記号「′」を付して示してある。   The X ′ axis and the Z ′ axis are axes generated by rotating the crystal piece with the cutting angles φ and θ with respect to the X axis and the Y axis, which are crystal axes of the crystal. That is, for example, in the case of a crystal piece that performs only one rotation, such as an AT-cut crystal piece, this is the axis after the one rotation, and for example, twice such as an SC cut. In the case of a crystal piece with the rotations φ and θ, the axis after the two rotations. However, the dash “′” does not mean the number of rotations. That is, as in the case of the AT-cut crystal piece, even when the rotation is only about the X axis and not the rotation about the Z axis, a dash symbol “′” is attached here and indicated by X ′, Y ′, Z ′. It is. In the case of the twice-rotated crystal piece, one dash symbol “′” is attached.

また、本発明は平板の水晶片、すなわち厚みが水晶片全域で実質的に均一な水晶片に適用するのが好ましい。しかし、プラノコンベックス形状の水晶片に対しても適用できる。プラノコンベックス型の水晶片に本発明を適用する場合は、水晶片の厚さTは、当該水晶片の厚さが一番厚い箇所の厚さとし、上記(1)、(2)、(3)の条件を適用する。なお、プラノコンベックス型の水晶片に本発明を適用した場合、平板に適用した場合に比べ、水晶片の片面の曲面の影響が生じるが、この曲面の曲率は水晶片の厚さTに比べ充分大きいので、上記の(1)〜(3)の条件をそのまま適用しても本発明の効果を得ることが出来る。
なお、この発明を実施するに当たり、励振電極の平面形状は任意とできる。しかし、好ましくは、励振電極の平面形状は楕円形状とするのが良い。しかも、水晶片のカット種別に応じて、楕円電極の楕円比率を所定範囲とし、かつ、楕円電極を水晶片に対し所定範囲で面内回転させて設けるのが良い。ただし、この好適例でいう楕円とは、一平面上の二定点からの距離の和が一定である真の楕円は勿論のこと、真の楕円から多少変形している形状であっても本発明と同等の効果を示す略楕円も含む。例えば、真の楕円から多少変形していても長軸、短軸が定義可能なものは、この発明でいう楕円に含まれる。
また、この発明を実施するに当たり、水晶片の表裏に設ける励振用電極の少なくとも一方の縁部に、当該励振用電極の端に向かって当該励振用電極の厚さが減じ、かつ、所定寸法(傾斜幅)の傾斜部を設けることが出来る。
The present invention is preferably applied to a flat crystal piece, that is, a crystal piece having a substantially uniform thickness throughout the crystal piece. However, the present invention can also be applied to a plano-convex crystal piece. When the present invention is applied to a plano-convex crystal piece, the thickness T of the crystal piece is the thickness of the thickest part of the crystal piece, and the above (1), (2), (3) Apply the following conditions. When the present invention is applied to a plano-convex type crystal piece, the influence of the curved surface on one side of the crystal piece occurs compared to the case of applying to a flat plate, but the curvature of this curved surface is sufficiently larger than the thickness T of the crystal piece. Since it is large, the effect of the present invention can be obtained even if the above conditions (1) to (3) are applied as they are.
In implementing this invention, the planar shape of the excitation electrode can be arbitrary. However, the planar shape of the excitation electrode is preferably an elliptical shape. Moreover, it is preferable that the elliptical ratio of the elliptical electrode is set within a predetermined range according to the cut type of the crystal piece, and the elliptical electrode is rotated in-plane within the predetermined range with respect to the crystal piece. However, the ellipse in this preferred example is not only a true ellipse in which the sum of distances from two fixed points on one plane is constant, but also a shape that is slightly deformed from a true ellipse. In addition, a substantially ellipse showing the same effect as is included. For example, an ellipse in the present invention includes those that can define the major axis and minor axis even if they are slightly deformed from a true ellipse.
In carrying out the present invention, the thickness of the excitation electrode is reduced toward the end of the excitation electrode on at least one edge of the excitation electrode provided on the front and back of the crystal piece, and a predetermined dimension ( An inclined portion having an inclination width) can be provided.

この発明の水晶振動子によれば、表裏の励振用電極を所定関係でずらしてある。そのため、表裏の励振用電極のエッジでの変位分布が同じ状態で振動する水晶振動子が実現できる。従って、表裏の励振用電極のエッジでの変位分布が異なる場合に比べ、エッジでの不要モード(スプリアス)発生を抑制し易いため、振動時の損失が起きにくくなる。換言すれば、この発明の水晶振動子によれば、励振電極は水晶片の表裏各々の振動変位分布(振動エネルギー)のある領域に無駄なく配置された状態になるので、水晶振動子の特性改善が図れる。 According to the crystal resonator of the present invention, the front and back excitation electrodes are shifted in a predetermined relationship. Therefore, it is possible to realize a crystal resonator that vibrates with the same displacement distribution at the edges of the front and back excitation electrodes. Therefore, compared to the case where the displacement distributions at the edges of the front and back excitation electrodes are different, generation of unnecessary modes (spurious) at the edges can be easily suppressed, and loss during vibration is less likely to occur. In other words, according to the crystal resonator of the present invention, the excitation electrodes are arranged in a region where there is a vibration displacement distribution (vibration energy) on each of the front and back surfaces of the crystal piece, so that the characteristics of the crystal resonator are improved. Can be planned.

(A)、(B)、(C)は、第1の実施形態の水晶振動子の構成を説明する図である。(A), (B), (C) is a figure explaining the structure of the crystal oscillator of 1st Embodiment. 第1の実施形態の水晶振動子でのシミュレーショ条件を説明する図である。It is a figure explaining the simulation conditions in the crystal oscillator of a 1st embodiment. (A)、(B)は、第1の実施形態の水晶振動子のシミュレーショ結果を説明する図である。(A), (B) is a figure explaining the simulation result of the crystal oscillator of 1st Embodiment. (A)、(B)は、第1の実施形態の水晶振動子のシミュレーショ結果を説明する図3に続く図である。(A), (B) is a figure following FIG. 3 explaining the simulation result of the crystal resonator of the first embodiment. (A)、(B)は、第1の実施形態の水晶振動子のシミュレーショ結果を説明する図4に続く図である。(A), (B) is a figure following FIG. 4 explaining the simulation result of the crystal resonator of the first embodiment. 第1の実施形態の水晶振動子のシミュレーション結果の要点を示した図である。It is the figure which showed the principal point of the simulation result of the crystal oscillator of 1st Embodiment. (A),(B)は、第2の実施形態の水晶振動子の構成を説明する図である。(A), (B) is a figure explaining the structure of the crystal oscillator of 2nd Embodiment. (A)、(B)、(C)は、楕円電極の楕円比率のシミュレーショ結果を説明する図である。(A), (B), (C) is a figure explaining the simulation result of the ellipse ratio of an ellipse electrode. (A)、(B)、(C)は、楕円電極の楕円比率のシミュレーショ結果を説明する図8に続く図である。(A), (B), (C) is a figure following FIG. 8 explaining the simulation result of the ellipse ratio of the ellipse electrode. (A)、(B)、(C)は、楕円電極の楕円比率のシミュレーショ結果を説明する図9に続く図である。(A), (B), (C) is a figure following FIG. 9 explaining the simulation result of the ellipse ratio of the ellipse electrode. 楕円比率のシミュレーション結果の要点を示した図である。It is the figure which showed the principal point of the simulation result of the ellipse ratio. (A)、(B)、(C)は、励振電極の面内回転角度δのシミュレーショ結果を説明する図である。(A), (B), (C) is a figure explaining the simulation result of the in-plane rotation angle (delta) of an excitation electrode. (A)、(B)、(C)は、励振電極の面内回転角度δのシミュレーショ結果を説明する図12に続く図である。(A), (B), (C) is a figure following FIG. 12 explaining the simulation result of the in-plane rotation angle δ of the excitation electrode. (A)、(B)、(C)は、励振電極の面内回転角度δのシミュレーショ結果を説明する図13に続く図である。(A), (B), (C) is a figure following FIG. 13 explaining the simulation result of the in-plane rotation angle δ of the excitation electrode. 面内回転角度δのシミュレーション結果の要点を示した図である。It is the figure which showed the principal point of the simulation result of in-plane rotation angle (delta). (A)、(B)は、本発明の実際の水晶振動子の構造例を示した図である。(A), (B) is the figure which showed the structural example of the actual crystal oscillator of this invention. 第3の実施形態の水晶振動子の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the crystal oscillator of 3rd Embodiment. 第3の実施形態の水晶振動子の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of the crystal oscillator of a 3rd embodiment. 第4の実施形態の水晶振動子の構造を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the crystal oscillator of 4th Embodiment. 第4の実施形態の水晶振動子の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of the crystal oscillator of a 4th embodiment. 第5の実施形態の水晶振動子の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of the crystal oscillator of a 5th embodiment.

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。 Embodiments of the crystal resonator according to the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings used for the description are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Moreover, in each figure used for description, about the same component, it attaches | subjects and shows the same number, The description may be abbreviate | omitted. The shapes, dimensions, materials, etc. described in the following description are merely preferred examples within the scope of the present invention. Therefore, the present invention is not limited only to the following embodiments.

1. 第1の実施形態
1−1.第1の実施形態の水晶振動子の構造
図1(A)〜(C)は、第1の実施形態の水晶振動子の、特に水晶片11に着目した説明図である。詳細には、図1(A)は水晶片11の平面図、図1(B)は図1(A)中のP−P線に沿った水晶片11の断面図、図1(C)は図1(A)中のQ−Q線に沿った水晶片11の断面図である。
1. First embodiment 1-1. Structure of Crystal Resonator of First Embodiment FIGS. 1A to 1C are explanatory views of the crystal resonator of the first embodiment, particularly focusing on the crystal piece 11. Specifically, FIG. 1A is a plan view of the crystal piece 11, FIG. 1B is a cross-sectional view of the crystal piece 11 along the line P-P in FIG. 1A, and FIG. It is sectional drawing of the crystal piece 11 along the QQ line in FIG.

第1の実施形態の水晶振動子は、水晶片11と、その表裏面に設けた励振用電極13a、13bと、を具えている。そして、水晶片11の主面の一方の面の励振用電極13aのエッジにおける変位分布が、他方の面の励振用電極13bのエッジにおける変位分布と同じになる位置関係になるように、これら励振用電極13a,13bを水晶片11の表裏に設けてある。
水晶片11は、厚みすべりモードで振動する各種水晶片である。具体的には、ATカット水晶片、いわゆる2回回転振動子と称されるSCカット水晶片、M−SCカット水晶片、ITカット水晶片を挙げることができる。以下の説明中の詳細なシミュレーション等はM−SCカット水晶片によって行っている。M−SCカットとは、水晶原石を水晶のZ軸を回転軸として24°±1°の範囲の所定角度φで回転し、さらに、ここで生じたX′軸を回転軸として34°±1°の範囲の所定角度θで回転して切り出される水晶片である。従って、この水晶片11は、水晶のY′軸方向を厚さとし、水晶のX′−Z′面を主面とする水晶片の一種である。
The crystal resonator of the first embodiment includes a crystal piece 11 and excitation electrodes 13a and 13b provided on the front and back surfaces thereof. The excitation distribution is such that the displacement distribution at the edge of the excitation electrode 13a on one surface of the crystal piece 11 is the same as the displacement distribution at the edge of the excitation electrode 13b on the other surface. Electrodes 13 a and 13 b are provided on the front and back of the crystal piece 11.
The crystal piece 11 is various crystal pieces that vibrate in the thickness-slip mode. Specific examples include an AT-cut crystal piece, an SC-cut crystal piece called a so-called two-time rotating vibrator, an M-SC cut crystal piece, and an IT-cut crystal piece. Detailed simulations and the like in the following description are performed using an M-SC cut crystal piece. The M-SC cut is a rotation of a quartz crystal at a predetermined angle φ in the range of 24 ° ± 1 ° with the Z axis of the crystal as the rotation axis, and 34 ° ± 1 with the X ′ axis generated here as the rotation axis. It is a crystal piece that is cut by rotating at a predetermined angle θ in the range of °. Therefore, the crystal piece 11 is a kind of crystal piece having a thickness in the Y′-axis direction of the crystal and having the X′-Z ′ plane of the crystal as a main surface.

次に、励振用電極13a、13bの具体的な構成について説明する。励振用電極13a、13bは、平面形状が同じで大きさが同じものとしてある。もちろん、平面形状が同じ、大きさが同じとは、実質的に同じであれば良く、製造精度等に起因する多少の違いはあっても良い。そして、水晶片11のプラスY′面に設ける励振用電極を第1励振用電極13a、水晶片11のマイナスY′面に設ける励振用電極を第2励振用電極13bと定義した場合、第2励振用電極13bは、第1励振用電極13aに対し、以下の(1)、(2)、(3)の関係を満たす位置に設けてある。なお、下記の式中のTは水晶片の厚みである。また、角度α、βは後述する所定の角度である。
(1) 第1励振用電極13aを水晶のX′軸に沿ってプラスX′方向にT・tanαで与えられる距離dxだけ移動し(図1(B)参照)、
(2) 第1励振用電極13aを水晶のZ′軸に沿ってマイナスZ′方向にT・tanβで与えられる距離dyだけ移動し(図1(C)参照)、
(3) 上記(1)、(2)で移動した状態を、マイナスY′面に投影した位置(図1(A)参照)。
したがって、図1(A)に示したように、第1励振用電極13aから見た第2励振用電極13bは、第1励振用電極13aに対して、水晶片11の裏面のプラスX′方向かつマイナスZ′方向に所定距離ずれた位置に設けられている。
Next, a specific configuration of the excitation electrodes 13a and 13b will be described. The excitation electrodes 13a and 13b have the same planar shape and the same size. Of course, the same planar shape and the same size may be substantially the same, and there may be some differences due to manufacturing accuracy and the like. When the excitation electrode provided on the plus Y ′ surface of the crystal piece 11 is defined as the first excitation electrode 13a and the excitation electrode provided on the minus Y ′ surface of the crystal piece 11 is defined as the second excitation electrode 13b, the second excitation electrode 13a is defined. The excitation electrode 13b is provided at a position that satisfies the following relationships (1), (2), and (3) with respect to the first excitation electrode 13a. In the following formula, T is the thickness of the crystal piece. Further, the angles α and β are predetermined angles described later.
(1) The first excitation electrode 13a is moved in the plus X ′ direction along the X ′ axis of the crystal by a distance dx given by T · tan α (see FIG. 1B).
(2) The first excitation electrode 13a is moved along the Z ′ axis of the crystal in the minus Z ′ direction by a distance dy given by T · tan β (see FIG. 1C).
(3) A position obtained by projecting the state moved in (1) and (2) above onto the minus Y ′ plane (see FIG. 1A).
Therefore, as shown in FIG. 1A, the second excitation electrode 13b viewed from the first excitation electrode 13a is in the plus X ′ direction on the back surface of the crystal piece 11 with respect to the first excitation electrode 13a. And it is provided at a position shifted by a predetermined distance in the minus Z ′ direction.

上記の(1)、(2)式で示した角度α、βを所定の角度にすることにより、第1励振用電極13aのエッジにおける変位分布が、第2励振用電極13bのエッジにおける変位分布と同じになる位置関係に、第1及び第2励振用電極を配置できることが、この出願にかかる発明者による有限要素法に基づくシミュレーションにより判明した。然も、角度α、βは、水晶片のカット種別毎で、また、利用する振動モード毎で、適正な値があることが判明した。その結果を下記の表1に示す。 By setting the angles α and β shown in the above equations (1) and (2) to predetermined angles, the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode 13a is changed to the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode 13b. It has been found by the simulation based on the finite element method by the inventor of this application that the first and second excitation electrodes can be arranged in the same positional relationship as in FIG. However, it has been found that the angles α and β have appropriate values for each type of crystal piece cut and for each vibration mode to be used. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2018033122
Figure 2018033122

1−2.第1の実施形態の角度α、βの検討例
表1では所定角度α、βとそれらの許容範囲について示した。そこで、次に、角度α、βが所定範囲であるのが良い点に関するシミュレーション例を説明する。水晶は異方性材料であることから、厚みすべりモードで振動する水晶振動子では、媒質内の弾性波の位相速度の方向とエネルギー速度の方向(パワーフロー方向)とは異なることが知られている。従って、水晶振動子が振動した際の水晶片表裏の振動変位は表裏面で同じ位置にはならないと考えられる。このような状態の水晶片に、同一形状、同一サイズの励振用電極を水晶片の表裏面で正対向させることは好ましくない、とこの出願に係る発明者は考えた。
1-2. Examination example of angles α and β in the first embodiment Table 1 shows predetermined angles α and β and their allowable ranges. Therefore, a simulation example relating to a point where the angles α and β are preferably within a predetermined range will be described. Since quartz is an anisotropic material, it is known that the direction of the phase velocity of the elastic wave in the medium and the direction of the energy velocity (power flow direction) are different for quartz resonators that vibrate in the thickness-slip mode. Yes. Therefore, it is considered that the vibration displacement of the front and back surfaces of the crystal piece when the crystal resonator vibrates is not at the same position on the front and back surfaces. The inventor according to this application considered that it is not preferable that the excitation electrodes having the same shape and the same size are directly opposed to the crystal piece in such a state on the front and back surfaces of the crystal piece.

そこで、図2に示すように、有限要素法によるシミュレーションモデルとして、水晶片11の表裏に同一平面形状、同一サイズの第1及び第2励振用電極13a、13bを設けたモデルを設定した。さらに、第1及び第2の励振用電極13a、13b各々のエッジの位置、すなわち励振用電極の縁に沿った各所での振動変位を有限要素法により算出した。さらに、第1励振用電極13aに対し第2励振用電極13bの位置をずらした場合の上記振動変位をそれぞれ算出した。なお、励振用電極のエッジの各位置は、図2に示したように、角度γで特定されるエッジ上の位置、すなわち0°の位置、・・・180°の位置・・・とした。 Therefore, as shown in FIG. 2, as a simulation model by the finite element method, a model in which the first and second excitation electrodes 13a and 13b having the same planar shape and the same size on the front and back surfaces of the crystal piece 11 is set. Furthermore, the position of the edge of each of the first and second excitation electrodes 13a and 13b, that is, the vibration displacement at various locations along the edge of the excitation electrode was calculated by the finite element method. Furthermore, the vibration displacement was calculated when the position of the second excitation electrode 13b was shifted with respect to the first excitation electrode 13a. As shown in FIG. 2, each position of the edge of the excitation electrode was a position on the edge specified by the angle γ, that is, a position of 0 °, a position of 180 °, and so on.

図3、図4、図5は上記のシミュレーションにより求めた変位分布を示したものである。ただし、これらの図は、水晶片としてM−SCカット水晶片を用いかつCモードによる振動時のシミュレーション結果である。図3〜図5において、横軸は上記の角度γで特定される励振用電極のエッジの位置であり、縦軸はモデルの水晶片が振動した際の変位である。なお、変位は、最大変位により正規化した値で示してある。また、図3〜図5において、○でプロットした特性図は第1励振用電極13aのエッジの変位分布であり、+でプロットした特性図は第2励振用電極13bのエッジの変位分布である。ただし、発明者の種々のシミュレーションの取組結果から、M−SCカットの場合での角度βは、0.2°付近が良いことが判明しているので、図3〜図5に示した結果では、角度βを0.2°に固定した条件にて、角度αを35°、30°、25°、20°、15°0°と違えた場合の、第1及び第2の励振用電極のエッジの変位分布を示してある。
また、図6は、図3、図4、図5の結果の要点をまとめた図である。具体的には、角度αを違えた上記の6種類のシミュレーション各々について、第1励振電極のエッジでの変位分布と、第2励振電極のエッジでの変位分布との違いを、エッジの同位置での変位の差をエッジ全部に渡り積算した積算値で示したものである。従って、この積算値が小さいほど、表裏の励振電極のエッジでの変位分布の一致具合が高いことを示している。
3, 4 and 5 show the displacement distribution obtained by the above simulation. However, these figures show simulation results when using an M-SC cut crystal piece as the crystal piece and vibrating in the C mode. 3 to 5, the horizontal axis is the position of the edge of the excitation electrode specified by the angle γ, and the vertical axis is the displacement when the crystal piece of the model vibrates. The displacement is shown as a value normalized by the maximum displacement. 3 to 5, the characteristic diagram plotted with ◯ is the edge displacement distribution of the first excitation electrode 13a, and the characteristic diagram plotted with + is the edge displacement distribution of the second excitation electrode 13b. . However, from the results of various simulations conducted by the inventors, it has been found that the angle β in the case of the M-SC cut is preferably around 0.2 °, so the results shown in FIGS. The first and second excitation electrodes when the angle α is different from 35 °, 30 °, 25 °, 20 °, and 15 ° 0 ° under the condition that the angle β is fixed to 0.2 °. An edge displacement distribution is shown.
FIG. 6 is a diagram summarizing the main points of the results of FIGS. 3, 4, and 5. Specifically, for each of the six types of simulations with different angles α, the difference between the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode The displacement difference at is shown as an integrated value integrated over the entire edge. Therefore, the smaller this integrated value is, the higher the degree of coincidence of the displacement distributions at the edges of the front and back excitation electrodes is.

図3〜図5を比較すること、及び、図6から明らかなように、第1励振用電極13aのエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布とは、角度αを変えると変化することが分かる。そして、角度α=25°の場合(図4(A)参照)が、第1励振用電極13aのエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布とが最も一致することが分かる。本シミュレーションを含む、発明者が実施した多くのシミュレーション結果から、M−SCカットの場合でかつCモードの場合では、角度α=25°付近かつ角度β=0.2°付近が、第1及び第2励振用電極のエッジでの変位分布は、最も一致することが分かった。然も、特に図6から明らかなように、振動子の特性改善効果を考慮すると、角度αは、−20〜−30°、すなわちα=25±5°が良く、さらに好ましくは、α=25±3が良いことが分かる。また、βは、β=0±5°が良く、さらに好ましくは、β=0±3°が良いことが分かった。また、同様なシミュレーション結果から、M−SCカットの場合でかつBモードの場合では、角度α、角度βは、α=−6±5°、β=−17±5°が良く、さらに好ましくは、α=−6±3°、β=−6±3°が良いことが分かった。 Comparing FIGS. 3 to 5 and, as is clear from FIG. 6, the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode 13a and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode 13 You can see that it changes when you change. When the angle α is 25 ° (see FIG. 4A), the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode 13a and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode most closely match. I understand. From the results of many simulations conducted by the inventors, including this simulation, in the case of M-SC cut and C mode, the angle α = 25 ° and the angle β = 0.2 ° are It was found that the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode most closely matched. However, as is apparent from FIG. 6, in consideration of the effect of improving the characteristics of the vibrator, the angle α is preferably −20 to −30 °, that is, α = 25 ± 5 °, and more preferably α = 25. It can be seen that ± 3 is good. Moreover, it was found that β = 0 ± 5 ° is preferable, and β = 0 ± 3 ° is more preferable. From the same simulation results, in the case of M-SC cut and in the B mode, the angles α and β are preferably α = −6 ± 5 ° and β = −17 ± 5 °, more preferably Α = −6 ± 3 ° and β = −6 ± 3 ° were found to be good.

他の水晶片として、SCカット、ITカット、ATカットについても上記と同様にシミュレーションを行い、これら水晶片での角度α、角度βの好ましい値を算出した。その結果を、上記のM−SCカットの結果と共に、下記表2に示した。 As other crystal pieces, SC cut, IT cut, and AT cut were also simulated in the same manner as described above, and preferable values of the angles α and β were calculated. The results are shown in Table 2 below together with the results of the above M-SC cut.

Figure 2018033122
また、SCカット、ITカット、ATカット各々の角度α、角度βの許容範囲は、シミュレーション結果から、上記の表1に示した通り、各々所定値±5°が良く、より好ましくは所定値±3°が良いことが判明した。
Figure 2018033122
Further, the allowable range of the angle α and the angle β of each of the SC cut, IT cut, and AT cut is preferably a predetermined value ± 5 °, more preferably a predetermined value ± as shown in Table 1 above, from the simulation results. 3 ° proved to be good.

2. 第2の実施形態
第1の実施形態では、表裏の励振用電極を上述の(1)〜(3)に示した所定の位置関係でずらすことにより、表裏の励振用電極のエッジでの変位分布を同じか又は近いものにできた。しかし、発明者のさらなる検討によれば、表裏の励振用電極を所定の位置関係でずらすとともに、励振電極の平面形状を楕円形状とし、かつ、水晶片のカット種別に応じて、楕円電極の楕円比率を所定範囲とし、かつ、楕円電極を水晶片に対し所定範囲で面内回転させて設けるのが良いことが判明した。こうすると、詳細は後述するが、励振用電極のエッジでの変位がエッジの各所で同じか近い値になり易いことが判明した。すなわち、励振用電極のエッジでの変位分布が平坦になり易いことが判明した。この第2実施形態はその例である。
2. Second Embodiment In the first embodiment, the displacement distribution at the edges of the front and back excitation electrodes is obtained by shifting the front and back excitation electrodes in the predetermined positional relationship shown in the above (1) to (3). Could be the same or similar. However, according to further studies by the inventors, the excitation electrodes on the front and back sides are shifted in a predetermined positional relationship, the planar shape of the excitation electrode is an elliptical shape, and the elliptical shape of the elliptical electrode is set according to the cut type of the crystal piece. It has been found that it is preferable to set the ratio within a predetermined range and to rotate the ellipse electrode within the predetermined range with respect to the crystal piece. In this way, although it will be described in detail later, it has been found that the displacement at the edge of the excitation electrode tends to be the same or close to each other at the edge. That is, it has been found that the displacement distribution at the edge of the excitation electrode tends to be flat. This second embodiment is an example.

図7(A)、(B)はその説明図である。この第2の実施形態の水晶振動子では、水晶片11に設ける第1励振用電極13a、第2励振用電極13b各々は、平面形状が楕円形状で所定の楕円比率のもので、かつ、水晶片に対し所定の角度範囲で面内回転していて、かつ、第1実施形態同様に所定関係(1)〜(3)でずらしたものとなっている。
ここで、楕円比率や面内回転角度は、以下のように定義する。楕円形状の励振電極の水晶片のX′軸に沿う寸法をa、Z′軸に沿う寸法をbとし(図7(A))、楕円比率をa/bと定義する。また、楕円形状の励振電極の水晶片に対する面内回転角度は、水晶片のX′軸に対する角度δと定義する(図7(B))。ただし、この角度δは、図7(B)に示したように、プラスY′面において、Y′軸を回転軸として、反時計方向への回転をプラス、時計方向への回転をマイナスと定義する。
このように定義した楕円比率a/b、面内回転角δを種々に変更したモデルを設定して、有限要素法を用いて第1及び第2励振用電極13a、13bのエッジでの変位分布を以下のように検討した。
7A and 7B are explanatory diagrams thereof. In the crystal resonator according to the second embodiment, each of the first excitation electrode 13a and the second excitation electrode 13b provided on the crystal piece 11 has an elliptical planar shape and a predetermined elliptical ratio, and a quartz crystal. It is in-plane rotation within a predetermined angle range with respect to the piece, and is shifted by predetermined relationships (1) to (3) as in the first embodiment.
Here, the ellipse ratio and the in-plane rotation angle are defined as follows. The dimension along the X ′ axis of the crystal piece of the elliptical excitation electrode is defined as a, the dimension along the Z ′ axis is defined as b (FIG. 7A), and the elliptical ratio is defined as a / b. The in-plane rotation angle of the elliptical excitation electrode with respect to the crystal piece is defined as an angle δ with respect to the X ′ axis of the crystal piece (FIG. 7B). However, as shown in FIG. 7 (B), this angle δ is defined as positive on the Y ′ plane with the Y ′ axis as the rotation axis and positive in the clockwise direction and negative in the clockwise direction. To do.
Displacement distributions at the edges of the first and second excitation electrodes 13a and 13b using the finite element method by setting models in which the ellipticity ratio a / b and the in-plane rotation angle δ thus defined are variously set. Were examined as follows.

2−1.楕円比率の検討
先ず、励振用電極の楕円比率の好ましい範囲を以下のように検討した。なお、シミュレーションは、水晶片をM−SCカットとし、振動モードをCモードの基本波モードとし、第1励振用電極13aと第2励振用電極13bとの位置関係を決めている角度α、βをα=25.5°、β=0.2°とし、励振用電極の水晶片に対する面内回転角δをδ=−9°とし、楕円比率を種々に変更して行った。なお、シミュレーションした楕円比率は、1.584、1.518、1.452、1.386、1.32、1.254、1.188、1.122、1.056であり、楕円比率1.32を基準に考えた場合、各楕円比率は、20%増、15%増、10%増、5%増、5%減、10%減、15%減、20%減のものに相当する。
2-1. Examination of Ellipse Ratio First, the preferred range of the ellipse ratio of the excitation electrode was examined as follows. In the simulation, the crystal piece is M-SC cut, the vibration mode is the fundamental mode of the C mode, and the angles α and β determining the positional relationship between the first excitation electrode 13a and the second excitation electrode 13b. Were set to α = 25.5 ° and β = 0.2 °, the in-plane rotation angle δ of the excitation electrode with respect to the crystal piece was set to δ = −9 °, and the elliptical ratio was variously changed. The simulated elliptic ratios are 1.584, 1.518, 1.452, 1.386, 1.32, 1.254, 1.188, 1.122, and 1.056. When considering 32 as a reference, each elliptical ratio corresponds to that of 20% increase, 15% increase, 10% increase, 5% increase, 5% decrease, 10% decrease, 15% decrease and 20% decrease.

図8、図9、図10は上記の楕円比率のシミュレーションにより求めた、励振用電極のエッジでの変位分布を示したものである。図8〜図10において、横軸は第1の実施形態と同様に角度γで特定される励振用電極のエッジの位置であり、縦軸はモデルの水晶片が振動した際の変位である。なお、変位は、第1の実施形態と同様に、最大変位により正規化した値で示してある。また、図8〜図10において、○でプロットした特性図は第1励振用電極13aのエッジの変位分布であり、+でプロットした特性図は第2励振用電極13bのエッジの変位分布である。
また、図11は、図8、図9、図10の結果の要点をまとめた図である。具体的には、楕円比率を違えた上記の9種類のシミュレーション各々について、第1励振用電極のエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布との違いを、表裏にかかわらず全部の変位の中の最大値と最小値との差で示したものである。この差が小さいほど、表裏の励振電極のエッジでの変位分布は平坦であることを示している。
FIGS. 8, 9 and 10 show the displacement distribution at the edge of the excitation electrode obtained by the simulation of the elliptic ratio. 8 to 10, the horizontal axis is the position of the edge of the excitation electrode specified by the angle γ as in the first embodiment, and the vertical axis is the displacement when the crystal piece of the model vibrates. Note that the displacement is indicated by a value normalized by the maximum displacement, as in the first embodiment. In FIGS. 8 to 10, the characteristic diagram plotted with ◯ is the edge displacement distribution of the first excitation electrode 13a, and the characteristic diagram plotted with + is the edge displacement distribution of the second excitation electrode 13b. .
FIG. 11 is a diagram summarizing the main points of the results of FIGS. Specifically, for each of the nine types of simulations with different ellipse ratios, the difference between the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode is Regardless, it is the difference between the maximum and minimum values of all displacements. The smaller this difference is, the flatter the displacement distribution at the edges of the front and back excitation electrodes.

図8〜図10から先ず明らかなことは、表裏の励振用電極を所定の位置関係でずらした第1の実施形態の効果により、第1励振用電極13a及び第2励振用電極13b各々のエッジでの変位分布は、楕円比率を変えても、同じような傾向、すなわち両者は略正弦波状の変位分布を示している。ところが、図8〜図10を比較することと、特に図11から明らかなように、第1及び第2励振用電極13a、13bのエッジでの変位分布各々の平坦性は、楕円比率を変えることで変化することが分かる。すなわち、変位分布は、楕円比率が1.32のとき最も平坦になり(図9(B)参照)、楕円比率が1.32に対し増減すると徐々に正弦波状となり凹凸し始めることが分かる。励振用電極のエッジでの変位分布が平坦である方が、そうでない場合に比べ、不要振動の抑制等に好ましいと考えられるので、所定の楕円比率を有する励振用電極は有用と言える。 First, it is clear from FIGS. 8 to 10 that the edges of the first excitation electrode 13a and the second excitation electrode 13b are obtained by the effect of the first embodiment in which the front and back excitation electrodes are shifted in a predetermined positional relationship. Even if the elliptical ratio is changed, the displacement distribution in FIG. 2 shows the same tendency, that is, both show a substantially sinusoidal displacement distribution. However, comparing FIG. 8 to FIG. 10 and particularly as apparent from FIG. 11, the flatness of each of the displacement distributions at the edges of the first and second excitation electrodes 13 a and 13 b changes the elliptical ratio. It can be seen that changes. That is, it can be seen that the displacement distribution is flattened when the elliptical ratio is 1.32 (see FIG. 9B), and gradually becomes sinusoidal when the elliptical ratio increases or decreases with respect to 1.32. Since it is considered that the flat displacement distribution at the edge of the excitation electrode is preferable for the suppression of unnecessary vibration and the like compared to the case where the displacement is not so, it can be said that the excitation electrode having a predetermined elliptic ratio is useful.

楕円比率1.32を基準にした場合のシミュレーション結果によれば、M−SCカットで、Cモードで振動し、基本波で振動する、水晶振動子の場合では、楕円比率は、1.32±10%の範囲が良く、より好ましくは1.32±5%の範囲が良い。このシミュレーション手順に従いM−SCカットの3倍波、5倍波、Bモードでの基本波、3倍波、5倍波についての好ましい楕円比率も検討した。これら検討により決定した、各水準での好ましい楕円比率を、下記表3の楕円比率の欄に示した。また、同様にして、SCカット、ITカット、ATカット各々での好ましい楕円比率を決定した。これら結果を、下記表4、表5、表6各々の楕円比率の欄に示した。また、発明者のシミュレーション結果の検討によれば、各カット種別での励振用電極の楕円比率の好ましい許容範囲は、±10%、より好ましくは±5%と判断できた。 According to the simulation result based on the elliptical ratio of 1.32, in the case of a crystal resonator that vibrates in the C mode and vibrates in the fundamental wave with M-SC cut, the elliptical ratio is 1.32 ± A range of 10% is good, and a range of 1.32 ± 5% is more preferred. According to this simulation procedure, preferred elliptic ratios for M-SC cut 3rd harmonic, 5th harmonic, fundamental wave in B mode, 3rd harmonic, 5th harmonic were also examined. The preferable elliptic ratio at each level determined by these studies is shown in the column of elliptic ratio in Table 3 below. Similarly, preferred elliptical ratios for each of the SC cut, IT cut, and AT cut were determined. These results are shown in the elliptic ratio column of Table 4, Table 5, and Table 6 below. Further, according to the inventors' examination of the simulation results, it was determined that the preferable allowable range of the elliptical ratio of the excitation electrode in each cut type was ± 10%, more preferably ± 5%.

Figure 2018033122
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2−2.励振用電極の水晶片に対する面内回転角度の検討
次に、楕円形状の励振用電極の水晶片に対する面内回転角度δの適正範囲について説明する。
先ず、水晶片をM−SCカットとし、振動モードをCモードの基本波モードとし、第1励振用電極13aと第2励振用電極13bとの位置関係を決めている角度α、βをα=25.5°、β=0.2°とし、楕円比率を1.32とした条件で、シミュレーションした結果は下記の通りであった。なお、シミュレーションの際の角度δは、1°、−1.5°、−4°、−6.5°、−9°、−11.5°、−14°、−16.5°、−19°である。ここで、角度δの向きは、図7(B)に示した通り、Y′軸を回転軸として、水晶片11のプラスY′面において反時計回りをプラス、時計周りをマイナスと定義している。
2-2. Examination of In-Plane Rotation Angle of Excitation Electrode with Quartz Piece Next, an appropriate range of the in-plane rotation angle δ with respect to the quartz piece of elliptical excitation electrode will be described.
First, the crystal piece is M-SC cut, the vibration mode is the fundamental mode of the C mode, and the angles α and β that determine the positional relationship between the first excitation electrode 13a and the second excitation electrode 13b are α = The simulation results were as follows under the conditions of 25.5 °, β = 0.2 °, and the ellipticity ratio of 1.32. The angle δ during the simulation is 1 °, −1.5 °, −4 °, −6.5 °, −9 °, −11.5 °, −14 °, −16.5 °, − 19 °. Here, as shown in FIG. 7B, the direction of the angle δ is defined by defining the counterclockwise direction as positive and the clockwise direction as negative with the Y ′ axis as the rotation axis on the plus Y ′ surface of the crystal piece 11. Yes.

図12、図13、図14は、上記のシミュレーションにより求めた変位分布を示したものである。図12〜図14において、横軸は第1の実施形態と同様に角度γで特定される励振用電極のエッジの位置であり、縦軸はモデルの水晶片が振動した際の変位である。なお、変位は、第1の実施形態と同様に、最大変位により正規化した値で示してある。また、図10〜図12において、○でプロットした特性図は第1励振用電極13aのエッジの変位分布であり、+でプロットした特性図は第2励振用電極13bのエッジの変位分布である。
また、図15は、図12、図13、図14の結果の要点をまとめた図である。具体的には、面内回転角度δを違えた上記の9種類のシミュレーション各々について、第1励振用電極のエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布との違いを、表裏にかかわらず全部の変位の中の最大値と最小値との差で示したものである。この差が小さいほど、表裏の励振電極のエッジでの変位分布は平坦であることを示している。
12, 13, and 14 show the displacement distribution obtained by the above simulation. 12 to 14, the horizontal axis is the position of the edge of the excitation electrode specified by the angle γ as in the first embodiment, and the vertical axis is the displacement when the model crystal piece vibrates. Note that the displacement is indicated by a value normalized by the maximum displacement, as in the first embodiment. 10 to 12, the characteristic plots plotted with ◯ are the displacement distribution of the edge of the first excitation electrode 13a, and the characteristic plots plotted with + are the displacement distribution of the edge of the second excitation electrode 13b. .
FIG. 15 is a diagram summarizing the main points of the results of FIGS. 12, 13, and 14. Specifically, for each of the nine types of simulations with different in-plane rotation angles δ, the difference between the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode is as follows. The difference between the maximum value and the minimum value of all displacements regardless of the front and back is shown. The smaller this difference is, the flatter the displacement distribution at the edges of the front and back excitation electrodes.

図12〜図14を比較することで明らかなように、また、図15から明らかなように、第1及び第2励振用電極13a、13bのエッジでの変位分布は、楕円の方向である角度δを変えることで変化することが分かる。すなわち、M−SCカットの場合は、第1及び第2励振用電極各々のエッジでの変位分布は、δ=−9°のとき他のものと比べて最も平坦、かつ、両者が同じようになり、角度δが−9°から増減すると凹凸が増えて行きかつ両者の違いも大きくなることが分かる。従って、角度δは−9°が良く、また、発明者のシミュレーション結果によればその許容範囲は±5°、より好ましくは±3°が良いと判断できた。このシミュレーション手順に従い、M−SCカットのCモードでの3倍波、5倍波、M−SCカットのBモードでの基本波、3倍波、5倍波、さらに、SCカット、ITカット、ATカット各々での、各モード及び基本波、3倍波、5倍波各々での好ましい角度δを決定した。これら結果を、上記の表3、表4、表5、表6各々の楕円の方向の欄に示した。なお、いずれの場合も、楕円の方向δの好ましい許容範囲は±5°、より好ましくは±3°と判断できた。 As is clear from comparing FIGS. 12 to 14 and from FIG. 15, the displacement distribution at the edges of the first and second excitation electrodes 13a and 13b is an angle that is the direction of the ellipse. It turns out that it changes by changing (delta). That is, in the case of the M-SC cut, the displacement distribution at the edge of each of the first and second excitation electrodes is flatter than the other when δ = −9 °, and both are the same. Thus, it can be seen that when the angle δ increases or decreases from −9 °, the unevenness increases and the difference between the two increases. Accordingly, the angle δ is preferably −9 °, and according to the simulation results of the inventors, it can be determined that the allowable range is ± 5 °, more preferably ± 3 °. In accordance with this simulation procedure, the 3rd harmonic, 5th harmonic in the C mode of M-SC cut, the 3rd harmonic, the 5th harmonic in the B mode of M-SC cut, the SC cut, the IT cut, For each AT cut, a preferred angle δ was determined for each mode and fundamental, third, and fifth harmonics. These results are shown in the column of the ellipse direction in Table 3, Table 4, Table 5, and Table 6 above. In any case, the preferable allowable range of the ellipse direction δ was determined to be ± 5 °, more preferably ± 3 °.

3. 実際の構造例
上記した実施形態の水晶振動子の実際の構造例について説明する。図16(A),(B)はその説明図である。
図16(A)に示した構造例は、リード型の水晶振動子20に本発明を適用した例であり、水晶振動子20を側面から見た概略図である。この水晶振動子20は、ベース21と、このベースに設けたリード23と、リードの先端に設けたクリップ端子25とを具える。そして、クリップ端子25に水晶片11を固定した構造となっている。詳細には、水晶片11の表裏には励振用電極13a、13bから引き出されている引出電極15を設けてあり、水晶片11は引出電極15の末端付近でクリップ端子25に導電性接着剤27で固定してある。そして、実際は、水晶片11を密閉するため図示しないキャップがベースに接合されている。
図16(B)に示した構造例は、表面実装型の水晶振動子30に本発明を適用した例であり、水晶振動子30を上面から見た概略図である。この水晶振動子30は、セラミックベース31と、このベースに設けた支持パッド33とを具える。そして、支持パッド33に水晶片11を固定した構造となっている。詳細には、水晶片11の表裏には励振用電極13a、13bから引き出されている引出電極15を設けてあり、水晶片11は引出電極15の末端付近で支持パッド33に導電性接着剤35で固定してある。そして、実際は、水晶片11を密閉するため図示しない蓋部材がベースに接合されている。また、セラミックベース外側底面に、実装端子(図示せず)を具えていて、この実装端子は支持パッドに電気的に接続してある。
もちろん、これら構造例はこの発明の好適例であり、他の構造であっても良い。
3. Actual Structure Example An actual structure example of the crystal resonator of the above-described embodiment will be described. 16A and 16B are explanatory diagrams thereof.
The structural example shown in FIG. 16A is an example in which the present invention is applied to a lead-type crystal resonator 20 and is a schematic view of the crystal resonator 20 viewed from the side. The crystal unit 20 includes a base 21, a lead 23 provided on the base, and a clip terminal 25 provided at the tip of the lead. The crystal piece 11 is fixed to the clip terminal 25. Specifically, the extraction electrode 15 drawn from the excitation electrodes 13 a and 13 b is provided on the front and back of the crystal piece 11, and the crystal piece 11 is attached to the clip terminal 25 near the end of the extraction electrode 15 with the conductive adhesive 27. It is fixed with. In practice, a cap (not shown) is bonded to the base to seal the crystal piece 11.
The structural example shown in FIG. 16B is an example in which the present invention is applied to a surface-mount type crystal unit 30 and is a schematic view of the crystal unit 30 as viewed from above. The crystal unit 30 includes a ceramic base 31 and a support pad 33 provided on the base. The crystal piece 11 is fixed to the support pad 33. Specifically, the extraction electrode 15 drawn from the excitation electrodes 13 a and 13 b is provided on the front and back of the crystal piece 11, and the crystal piece 11 is attached to the support pad 33 near the end of the extraction electrode 15 with the conductive adhesive 35. It is fixed with. In practice, a lid member (not shown) is joined to the base to seal the crystal piece 11. Further, a mounting terminal (not shown) is provided on the bottom surface of the ceramic base, and the mounting terminal is electrically connected to the support pad.
Of course, these structural examples are preferred examples of the present invention, and other structures may be used.

4. 第3の実施形態(励振用電極の縁部に傾斜部を設ける形態)
上述した第1、第2の実施形態では、励振用電極は、その厚さが全域にわたって実質的に同じ構成であった。しかし、励振用電極の縁部に傾斜部を設けると、不要モードの抑制に対しさらに好ましい。この第3の実施形態はその例である。
図17は、この第3の実施形態の水晶振動子の説明図である。特に、第3の実施形態の水晶振動子に具わる水晶片41に着目した図であり、(A)図は水晶片41の平面図、(B)図は水晶片40のR−R線に沿った部分的断面図である。なお、図17(B)では、励振用電極13a,13bの傾斜部13ab、13bbの理解を深めるために励振用電極の厚みを実際より拡大して示してある。
4). 3rd Embodiment (form which provides an inclination part in the edge part of the electrode for excitation)
In the first and second embodiments described above, the excitation electrodes have substantially the same thickness throughout the entire area. However, providing an inclined portion at the edge of the excitation electrode is more preferable for suppressing unnecessary modes. The third embodiment is an example.
FIG. 17 is an explanatory diagram of the crystal resonator according to the third embodiment. In particular, it is a view focusing on the crystal piece 41 included in the crystal resonator of the third embodiment, where (A) is a plan view of the crystal piece 41, and (B) is an RR line of the crystal piece 40. FIG. In FIG. 17B, the thickness of the excitation electrode is shown enlarged from the actual thickness in order to deepen the understanding of the inclined portions 13ab and 13bb of the excitation electrodes 13a and 13b.

この水晶片41は、その表裏に設ける励振用電極13a、13b各々が、一定の厚さで形成される主厚部13aa、13baと、これら主厚部の周囲に形成され主厚部に接する部分から励振用電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成された傾斜部13ab、13bbを具えたことが特徴である。なお、主厚部13aa、13baの厚さが一定とは、製造上の不可避的な変動によるバラツキは許容するものである。
傾斜部13abは、この例の場合は、4段の段差で構成してある。そして、主厚部13aa側から励振用電極13aの最外周までの幅すなわち傾斜幅がXAに形成されており、各段差間の幅がXBに形成されている。すなわち、この例の場合は、幅XAは幅XBの3倍の長さに形成されている。主厚部13aaの厚さはYAに形成されている。また、傾斜部13abの各段差の高さはYBに形成されている。そのため、厚さYAは高さYBの4倍の厚さとなっている。
The crystal piece 41 includes main thickness portions 13aa and 13ba formed on the front and back surfaces of the excitation electrodes 13a and 13b with a constant thickness, and portions formed around and in contact with the main thickness portions. It is characterized by having inclined portions 13ab and 13bb formed so that the thickness gradually decreases from the outermost periphery of the excitation electrode to the outermost periphery of the excitation electrode. Note that the constant thicknesses of the main thickness portions 13aa and 13ba allow variations due to unavoidable variations in manufacturing.
In this example, the inclined portion 13ab is composed of four steps. The width from the main thick portion 13aa side to the outermost periphery of the excitation electrode 13a, that is, the inclined width is formed as XA, and the width between the steps is formed as XB. That is, in this example, the width XA is formed to be three times as long as the width XB. The main thickness portion 13aa is formed in YA. The height of each step of the inclined portion 13ab is YB. Therefore, the thickness YA is four times the thickness YB.

これら傾斜部13ab、13bbの効果について、以下の通りのシミュレーションを行い確認した。すなわち、水晶片41のシミュレーションモデルとして、ATカット水晶片を用いたモデルと、M−SCカット水晶片を用いたモデルの2種のモデルを用意した。そして、これらモデルの励振用電極の主厚部13aa、13ba各々の膜厚YAを140nm、主振動の周波数を26MHzとし、傾斜部13ab、13bbの幅XAを種々に変化させた場合での、有限要素法によるシミュレーションを行った。
水晶振動子では、主振動(例えばCモード)と共に主振動とは異なり設計上意図されない振動である不要振動が生じる。ATカット、M−SCカット等の水晶材料により形成され厚みすべり振動で振動する水晶振動子では、不要振動として特に屈曲振動によるものの影響が大きい。図18のグラフの横軸には、この屈曲振動の波長である屈曲波長λで規格化された傾斜幅を示してある。そのため、図18のグラフに示した傾斜幅は、同一の目盛でも水晶片がATカットかM−SCカットかで傾斜部13ab、13bbの傾斜幅の寸法が異なる。例えば、26MHzの振動周波数による振動を主振動とした場合では、ATカット水晶片での屈曲波長λは約100μmとなり、M−SCカット水晶片での屈曲波長λは約110μmとなる。このとき図18のグラフにおいて「1」で示される傾斜幅の実際の寸法は1×λであり、ATカット水晶片の場合は傾斜幅が1×λ=約100μmとなり、M−SCカット水晶片の場合は傾斜幅が1×λ=約110μmとなる。
The effects of these inclined portions 13ab and 13bb were confirmed by performing the following simulation. That is, as a simulation model of the crystal piece 41, two types of models were prepared: a model using an AT cut crystal piece and a model using an M-SC cut crystal piece. The thicknesses YA of the main thickness portions 13aa and 13ba of the excitation electrodes in these models are 140 nm, the frequency of the main vibration is 26 MHz, and the width XA of the inclined portions 13ab and 13bb is variously changed. Simulation by the element method was performed.
In the crystal resonator, the main vibration (for example, C mode) and the unnecessary vibration which is a vibration which is not designed in design are generated unlike the main vibration. In a crystal resonator that is formed of a quartz material such as AT cut or M-SC cut and vibrates due to thickness shear vibration, the influence of bending vibration is particularly significant as unnecessary vibration. The horizontal axis of the graph of FIG. 18 shows the inclination width normalized by the bending wavelength λ which is the wavelength of this bending vibration. Therefore, the inclination width shown in the graph of FIG. 18 differs in the inclination width dimensions of the inclined portions 13ab and 13bb depending on whether the crystal piece is AT cut or M-SC cut even with the same scale. For example, when the vibration with a vibration frequency of 26 MHz is the main vibration, the bending wavelength λ of the AT cut crystal piece is about 100 μm, and the bending wavelength λ of the M-SC cut crystal piece is about 110 μm. At this time, the actual dimension of the tilt width indicated by “1” in the graph of FIG. 18 is 1 × λ. In the case of the AT cut crystal piece, the tilt width is 1 × λ = about 100 μm, and the M-SC cut crystal piece. In this case, the inclination width is 1 × λ = about 110 μm.

図18のグラフの縦軸には、主振動の振動エネルギーの損失を示すQ値の逆数を示してある。また、ATカット水晶片のモデルの特性は黒丸●で示し、M−SCカット水晶片のモデルでの特性は黒三角▲で示してある。
図18から分かるように、両モデルともに、屈曲波長λで規格化された傾斜幅が約「0.5」から「3」となる範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが3.0×10−6(図18では「3.0E−6」と表記)以下と低くなっている。すなわち、傾斜幅が屈曲波長λの0.5倍以上3倍以下の長さに形成される場合に振動エネルギーの損失が抑えられていることが分かる。特に、両モデルともに、屈曲波長λで規格化された傾斜幅が「1」から「2.5」の範囲において1/Qの大きさが低く、さらにその変動も少なくなっている。すなわち、傾斜幅が屈曲波長の1倍から2.5倍の長さである場合には、さらに安定して振動エネルギーの損失が低くなることが分かる。
The vertical axis of the graph of FIG. 18 shows the reciprocal of the Q value indicating the loss of vibration energy of the main vibration. The characteristics of the AT-cut crystal piece model are indicated by black circles ●, and the characteristics of the M-SC cut crystal piece model are indicated by black triangles ▲.
As can be seen from FIG. 18, in both models, 1 / Q indicating the loss of vibration energy in the range where the inclination width normalized by the bending wavelength λ is about “0.5” to “3” is 3.0 ×. It is as low as 10-6 (denoted as “3.0E-6” in FIG. 18). That is, it can be seen that the loss of vibration energy is suppressed when the inclination width is formed to be 0.5 to 3 times the bending wavelength λ. In particular, in both models, the 1 / Q magnitude is low and the fluctuation is also small when the slope width normalized by the bending wavelength λ is in the range of “1” to “2.5”. That is, it can be seen that when the inclination width is 1 to 2.5 times the bending wavelength, the loss of vibration energy is more stably reduced.

励振用電極の縁部に傾斜部を設ける構成は、特に、水晶片が平板上のものに適用して好適である。水晶振動子の特性向上を図るため、水晶片自体の縁領域の厚さが薄いいわゆるコンベックス形状の水晶片が従来から用いられている。こうすることで、振動エネルギーを閉じ込め、不要振動を抑圧することができる。しかし、水晶片をコンベックス形状にするためには加工の手間とコストがかかるという問題がある。この第3実施形態の場合は、励振用電極の縁部の傾斜部が水晶片のコンベックス形状の役割を示す。従って、表裏の励振用電極を所定関係でずらすという第1及び第2の実施形態で例示した本発明の構成に対し、上記の傾斜部の構造をさらに加えた場合、水晶振動子の特性向上やコスト低減がさらに図れる。   The configuration in which the inclined portion is provided at the edge of the excitation electrode is particularly suitable when applied to a crystal piece on a flat plate. In order to improve the characteristics of the crystal resonator, a so-called convex crystal piece in which the thickness of the edge region of the crystal piece itself is thin has been conventionally used. In this way, vibration energy can be confined and unnecessary vibration can be suppressed. However, there is a problem that processing and cost are required to make the quartz crystal into a convex shape. In the case of the third embodiment, the inclined portion of the edge portion of the excitation electrode serves as a convex shape of the crystal piece. Therefore, when the structure of the inclined portion is further added to the configuration of the present invention exemplified in the first and second embodiments in which the front and back excitation electrodes are shifted in a predetermined relationship, the characteristics of the crystal resonator can be improved. Cost can be further reduced.

5. 第4の実施形態(片面の励振用電極の縁部に傾斜部を設ける形態)
上述した第3の実施形態では、表裏の励振用電極各々の縁部に傾斜部を設ける構造を説明した。しかし、水晶振動子を製造する場合、振動周波数を調整するためにアルゴンのイオンビーム等により励振用電極をトリミングすることが行われる。このトリミング工程において、傾斜部が消失し、これによって振動エネルギーの損失が大きくなる場合がある。これを回避するため、水晶片の周波数調整面の励振用電極には傾斜部は設けず、周波数調整面とは反対面の励振用電極のみに傾斜部を設けても良い。この第4の実施形態はその例である。
5). 4th Embodiment (form which provides an inclination part in the edge part of the electrode for single-sided excitation)
In the above-described third embodiment, the structure in which the inclined portion is provided at the edge of each of the front and back excitation electrodes has been described. However, when manufacturing a crystal resonator, the excitation electrode is trimmed with an argon ion beam or the like in order to adjust the vibration frequency. In this trimming process, the inclined portion disappears, which may increase the loss of vibration energy. In order to avoid this, the inclined electrode may not be provided on the excitation electrode on the frequency adjustment surface of the crystal piece, and the inclined portion may be provided only on the excitation electrode on the surface opposite to the frequency adjustment surface. The fourth embodiment is an example.

図19は、この第4の実施形態の水晶振動子の説明図である。特に、第4の実施形態の水晶振動子に具わる水晶片51に着目した図であり、(A)図は水晶片51の平面図、(B)図は水晶片51のS−S線に沿った部分的断面図である。この第4の実施形態の場合、水晶片の周波数調整がされない側の励振用電極のみがその縁部に傾斜部を有した構造となっている。図19の例では、励振用電極13a、13bのうちの励振用電極13bのみが、主厚部13baと傾斜部13bbとを有した構造となっている。この励振用電極13bの構成は、第3の実施形態で説明した構成で良い。すなわち、第3の実施形態で説明したように、励振用電極13bは、一定の厚さYA2(第3の実施形態でのYA)で形成される主厚部13baと、この主厚部13bの周囲に形成され主厚部に接する部分から励振用電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成された傾斜部13bbを具えるとともに、傾斜幅XAが屈曲波長λの0.5倍以上3倍以下、好ましくは1倍から2.5倍の長さとしてある。一方、傾斜部を設けない側の励振用電極13aの膜厚はYA1としてある。なお、膜厚YA1、YA2の構成の詳細は後述する。この水晶片51を、励振用電極13b側が周波数調整されない側となるように、水晶振動子用の容器(例えば図16参照)に実装する。 FIG. 19 is an explanatory diagram of the crystal resonator according to the fourth embodiment. In particular, it is a diagram focusing on the crystal piece 51 included in the crystal resonator of the fourth embodiment, where (A) is a plan view of the crystal piece 51, and (B) is an SS line of the crystal piece 51. FIG. In the case of the fourth embodiment, only the excitation electrode on the side where the frequency of the crystal piece is not adjusted has a structure having an inclined portion at the edge thereof. In the example of FIG. 19, only the excitation electrode 13b of the excitation electrodes 13a and 13b has a structure having a main thick portion 13ba and an inclined portion 13bb. The configuration of the excitation electrode 13b may be the configuration described in the third embodiment. That is, as described in the third embodiment, the excitation electrode 13b includes a main thickness portion 13ba formed with a constant thickness YA2 (YA in the third embodiment), and the main thickness portion 13b. An inclined portion 13bb is formed so that the thickness gradually decreases from a portion formed around the main thickness portion to the outermost periphery of the excitation electrode, and an inclined width XA is 0.5 times the bending wavelength λ. The length is 3 times or less, preferably 1 to 2.5 times. On the other hand, the film thickness of the excitation electrode 13a on the side where no inclined portion is provided is YA1. Details of the structures of the film thicknesses YA1 and YA2 will be described later. The crystal piece 51 is mounted on a crystal resonator container (see, for example, FIG. 16) so that the excitation electrode 13 b side is the frequency unadjusted side.

次に、この第4の実施形態を実施するに当たり留意すべき事項について図20を参照しながら以下に説明する。
図20は、シミュレーションモデルとして、以下の3種類のシミュレーションモデルを用意し、各モデルでの主振動エネルギーの損失(1/Q)を有限要素法により解析した結果を示したものである。3種類のうちの1つ目は第4の実施形態の水晶片51に当たるモデル、すなわち水晶片の片面の励振用電極のみに傾斜部を設けたモデルである。2つ目は第3の実施形態の水晶片41に当たるモデル、すなわち水晶片の両面の励振用電極に傾斜部を設けたモデルである。3つ目は第1の実施形態の水晶片11に当たるモデル、すなわち水晶片の励振用電極に傾斜部を設けないモデルである。
Next, matters to be noted when implementing the fourth embodiment will be described below with reference to FIG.
FIG. 20 shows the results of analyzing the loss (1 / Q) of main vibration energy in each model by the finite element method by preparing the following three types of simulation models as simulation models. The first of the three types is a model corresponding to the crystal piece 51 of the fourth embodiment, that is, a model in which an inclined portion is provided only on the excitation electrode on one side of the crystal piece. The second model corresponds to the crystal piece 41 of the third embodiment, that is, a model in which inclined portions are provided on the excitation electrodes on both sides of the crystal piece. The third model corresponds to the crystal piece 11 of the first embodiment, that is, a model in which an inclined portion is not provided on the excitation electrode of the crystal piece.

いずれのモデルも水晶材料をM−SCカットとし、励振用電極の全てを金(Au)とし、主振動の周波数を30MHz(屈曲波長λが約95μm)とし、傾斜部を設けたモデルでの傾斜幅XAを133μm(屈曲波長λの1.4倍)としている。なお、励振用電極の膜厚であるが、図20のグラフでは、横軸に励振用電極13aの厚さYA1と、励振用電極13bの主厚部13baの厚さYA2を示してある。そして、このシミュレーションの場合は、厚さYA1と厚さYA2との合計が常に280nmとしてあり、図20では厚さYA2がグラフの右側に向かうに従って増加している。また、図20の縦軸には主振動(例えばCモード)の振動エネルギーの損失(1/Q)を示してある。そして、図20では、片面の励振用電極のみに傾斜部を設けたモデルの計算結果を黒丸●で示し、両面の励振用電極に傾斜部を設けたモデルの計算結果を黒菱形◆で示し、励振用電極に傾斜部を設けないモデルの計算結果を白四角□で示してある。
なお、厚さYA1と厚さYA2との合計が常に280nmとなる条件でシミュレーションする理由は、水晶振動子において、いわゆるエネルギー閉じ込めを確保するためである。すなわち、エネルギー閉じ込めを確保した前提で、本発明の効果を確認したいためである。ただし、280nmという値は、実施形態の水晶片の大きさ、形状、周波数に応じた一つの例である。
In all models, the quartz material is M-SC cut, the excitation electrodes are all gold (Au), the frequency of the main vibration is 30 MHz (bending wavelength λ is about 95 μm), and the inclination is the model with the inclined part. The width XA is 133 μm (1.4 times the bending wavelength λ). In the graph of FIG. 20, the thickness YA1 of the excitation electrode 13a and the thickness YA2 of the main thickness portion 13ba of the excitation electrode 13b are shown on the horizontal axis in the graph of FIG. In this simulation, the sum of the thickness YA1 and the thickness YA2 is always 280 nm. In FIG. 20, the thickness YA2 increases toward the right side of the graph. Also, the vertical axis of FIG. 20 shows the loss (1 / Q) of vibration energy of the main vibration (for example, C mode). In FIG. 20, the calculation result of the model in which the inclined portion is provided only on one side of the excitation electrode is indicated by a black circle ●, and the calculation result of the model in which the inclination portion is provided on both sides of the excitation electrode is indicated by a black rhombus ◆ The calculation result of the model in which the excitation electrode is not provided with the inclined portion is indicated by a white square □.
The reason why the simulation is performed under the condition that the sum of the thickness YA1 and the thickness YA2 is always 280 nm is to ensure so-called energy confinement in the crystal resonator. That is, it is because it is desired to confirm the effect of the present invention on the premise of securing energy confinement. However, the value of 280 nm is an example corresponding to the size, shape, and frequency of the crystal piece of the embodiment.

図20から分かるように、片面の励振用電極のみに傾斜部を設けたモデルでは、厚さYA1及び厚さYA2が140nmである場合に、振動エネルギーの損失を示す1/Qが約5.5×10−6(図20のグラフでは「×10−6」を「E−6」と表記)となっている。しかし、このモデルでは、傾斜部が形成されていない励振用電極の厚さYA1を薄くし、その代わりに傾斜部を設けた励振用電極の厚さYA2を厚くすることで1/Qが低下し、厚さYA1が60nm、厚さYA2が220nmとなる場合に1/Qが約3.1×10−6となる。すなわち、片面の励振用電極のみに傾斜部を設けたモデルでは、片面の励振用電極のみに傾斜部を設けるとともに、傾斜部を設けない励振用電極の厚さを薄くすることで、水晶振動子の損失が低下することが分かる。一方、両面の励振用電極に傾斜部を持っているモデルでは、厚さYA1と厚さYA2を変更した場合でも、1/Qは約2.4×10−6〜約2.6×10−6と、横ばい状態であり、一見すると特性としては好ましい。しかし、両面の励振用電極に傾斜部を持っているモデルでは、周波数調整時に周波数調整面側の励振用電極の傾斜部が消失することが起きるので、実製品ではこの特性は維持できない。また、両面の励振用電極に傾斜部を持っていないモデルでは、厚さYA1と厚さYA2を変更した場合、厚さYA2が増えるに従って1/Qが大きくなり、厚さYA2が220nmのときに1/Qが約9.9×10−6となっている。すなわち、両面の励振用電極に傾斜部を持っていないモデルでは、YA2の厚さが厚くなるに従いこの励振電極の縁部での段差に起因した不要モードが生じて、損失が増加する。 As can be seen from FIG. 20, in the model in which the inclined portion is provided only on the single-sided excitation electrode, when the thickness YA1 and the thickness YA2 are 140 nm, 1 / Q indicating the loss of vibration energy is about 5.5. × 10-6 (in the graph of FIG. 20, “× 10-6” is expressed as “E-6”). However, in this model, 1 / Q is reduced by reducing the thickness YA1 of the excitation electrode without the inclined portion and increasing the thickness YA2 of the excitation electrode provided with the inclined portion instead. When the thickness YA1 is 60 nm and the thickness YA2 is 220 nm, 1 / Q is about 3.1 × 10 −6. That is, in the model in which the inclined portion is provided only on the single-sided excitation electrode, the inclined portion is provided only on the single-sided excitation electrode, and the thickness of the excitation electrode not provided with the inclined portion is reduced. It can be seen that the loss of is reduced. On the other hand, in a model in which the excitation electrodes on both sides have inclined portions, even when the thickness YA1 and the thickness YA2 are changed, 1 / Q is about 2.4 × 10 −6 to about 2.6 × 10 −. 6, it is in a flat state, and it is preferable as a characteristic at first glance. However, in the model in which the excitation electrodes on both sides have inclined portions, the inclined portion of the excitation electrode on the frequency adjustment surface side disappears during frequency adjustment, and this characteristic cannot be maintained in the actual product. Further, in a model in which the excitation electrodes on both sides do not have inclined portions, when the thickness YA1 and the thickness YA2 are changed, 1 / Q increases as the thickness YA2 increases, and the thickness YA2 is 220 nm. 1 / Q is about 9.9 × 10 −6. That is, in a model in which the excitation electrodes on both sides do not have inclined portions, an unnecessary mode due to a step at the edge of the excitation electrode occurs as the thickness of YA2 increases, and the loss increases.

この第4の実施形態の水晶振動子での効果は以下の理由で生じる。水晶振動子では、主振動(例えばCモード)と共に主振動とは異なり設計上意図されない振動である不要振動が生じる。ATカット及びM−SCカット等の水晶材料により形成され厚みすべり振動で振動する水晶片により形成される水晶振動子では、主振動以外の他のモードが主振動の発振を阻害する不要モードとなる。不要モードによる振動である不要振動では、屈曲振動が特に主振動に影響を及ぼすものとして知られている。屈曲振動は、主に励振電極の端部で振動エネルギーが屈曲振動に変換されることによりそれが主振動に重畳し、屈曲振動が圧電振動片全体で振動するため、水晶片が保持される導電性接着剤に振動エネルギーが吸収される。このような屈曲振動によるエネルギーの損失は振動エネルギーの損失につながる。
この第4の実施形態の水晶振動子であって、励振用電極の膜厚YA1、YA2がともに140nmの場合は、励振用電極13bに傾斜部13bbが形成されているものの、励振用電極13aには傾斜部が形成されていないので、屈曲振動の主振動に対する影響が十分に抑えられていないため、損失は傾斜部を設けないモデルと同等となり大きい。しかし、第4の実施形態に係る水晶振動子では、傾斜部を設けていない励振用電極13aの厚さYA1が薄くなるに従って1/Qが低下し、厚さYA1が60nmである場合に損失は、両面の励振用電極に傾斜部を設けたモデルに近くなる。これは傾斜部を設けていない励振用電極の厚さYA1が薄くなることにより、電極端部の段差の影響が軽減されるので、屈曲振動の発生が抑えられるためと考えられる。従って、第4の実施形態の場合は、傾斜部を設けていない励振用電極13bの厚さYA1は、励振用電極13bの端部で不要モードの誘発を抑制できかつ電極本来の導電膜としての機能が得られることを前提に極力薄い方が好ましい。薄膜技術において膜として成立し得る下限の範囲が60nmから100nmの厚さであることが知られており、これを考慮すると傾斜部を設けていない励振用電極の機能を発揮させるためには、厚さYA1は、60nm〜100nm、好ましくは60nmから80nmの範囲にあることが好ましい。
The effect of the crystal resonator according to the fourth embodiment occurs for the following reason. In the crystal resonator, the main vibration (for example, C mode) and the unnecessary vibration which is a vibration which is not designed in design are generated unlike the main vibration. In a crystal resonator formed of a crystal piece formed of a crystal material such as AT cut and M-SC cut and vibrated by thickness shear vibration, modes other than the main vibration become unnecessary modes that inhibit the oscillation of the main vibration. . In the unnecessary vibration that is the vibration in the unnecessary mode, it is known that the bending vibration particularly affects the main vibration. In bending vibration, vibration energy is converted into bending vibration mainly at the end of the excitation electrode, which is superimposed on the main vibration, and the bending vibration vibrates throughout the piezoelectric vibrating piece. Vibration energy is absorbed by the adhesive. Such a loss of energy due to bending vibration leads to a loss of vibration energy.
In the crystal resonator according to the fourth embodiment, when both the excitation electrode thicknesses YA1 and YA2 are 140 nm, the excitation electrode 13b has the inclined portion 13bb, but the excitation electrode 13a Since the slope portion is not formed, the influence of the bending vibration on the main vibration is not sufficiently suppressed. Therefore, the loss is as large as the model without the slope portion. However, in the crystal resonator according to the fourth embodiment, 1 / Q decreases as the thickness YA1 of the excitation electrode 13a without the inclined portion decreases, and the loss is reduced when the thickness YA1 is 60 nm. This is close to a model in which inclined portions are provided on the excitation electrodes on both sides. This is presumably because the occurrence of bending vibration is suppressed because the thickness YA1 of the excitation electrode not provided with the inclined portion is reduced, thereby reducing the influence of the step at the electrode end. Therefore, in the case of the fourth embodiment, the thickness YA1 of the excitation electrode 13b not provided with the inclined portion can suppress the induction of the unnecessary mode at the end of the excitation electrode 13b, and can serve as the original conductive film of the electrode. It is preferable that the thickness is as thin as possible on the assumption that the function is obtained. In the thin film technology, it is known that the lower limit range that can be established as a film is a thickness of 60 nm to 100 nm, and considering this, in order to exert the function of the excitation electrode without the inclined portion, The length YA1 is preferably in the range of 60 nm to 100 nm, preferably 60 nm to 80 nm.

また、第4の実施の形態の水晶片51では水晶片51がベベル加工又はコンベックス加工などの加工がされない代わりに励振電極を所定の厚さに形成することにより振動エネルギーを閉じ込めている。励振用電極の厚さYA1とYA2との合計厚さが振動エネルギ−閉じ込めを行える膜厚となるように、傾斜部を設けていない励振用電極の厚さYA2を選択するのが良い。具体的には、両励振用電極の厚さの合計が水晶片の板厚に対して数%程度の値から、圧電振動片の大きさや周波数等を考慮して決めることができ、例えば2〜5%から選ぶのが良い。
この第4の実地形態の場合は、表裏の励振用電極を所定関係でずらすという第1、第2の実施形態で例示した本発明の効果が得られるとともに、励振用電極に傾斜部を設ける効果と、この傾斜部が周波数調整時に損傷することを回避できるという効果が得られる。
Further, in the crystal piece 51 of the fourth embodiment, the vibration energy is confined by forming the excitation electrode with a predetermined thickness instead of the crystal piece 51 being processed such as bevel processing or convex processing. It is preferable to select the thickness YA2 of the excitation electrode not provided with the inclined portion so that the total thickness of the excitation electrodes YA1 and YA2 becomes a film thickness that can confine the vibration energy. Specifically, the total thickness of both excitation electrodes can be determined from a value of several percent with respect to the thickness of the crystal piece in consideration of the size, frequency, etc. of the piezoelectric vibration piece. Choose from 5%.
In the case of the fourth practical form, the effect of the present invention exemplified in the first and second embodiments in which the front and back excitation electrodes are shifted in a predetermined relationship is obtained, and an effect is provided in which an inclined portion is provided in the excitation electrode. And the effect that this inclination part can avoid damaging at the time of frequency adjustment is acquired.

6. 第5の実施形態(高調波も考慮した傾斜部の形態)
上述した第3の実施形態、第4の実施形態では、傾斜部の長さである傾斜幅XAについて、基本波に関する適正値を説明した。一方、水晶振動子の用途の1つとして、1つの水晶振動子から2つの周波数の信号を同時出力する用途がある。例えば、国際公開第2015/133472号には、基本波と高調波とを1つの水晶片から取り出すことが記載されている。このようなものでは、一方の周波数を出力信号とし、他方の周波数を温度補償のセンサ用信号として使用することができ、然も、2つの周波数を1つの水晶振動子で得られるので、水晶片の個体差の影響を軽減できる等、好ましい。この第5の実施形態は、上述した第1〜第4の実施形態において、さらに、基本波と高調波とを考慮した設計に関するものである。
この第5の実施形態の水晶片は、第1の実施形態〜第4の実施形態の種々の形態において、励振用電極に傾斜部を設ける場合の傾斜幅を、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第1屈曲波長の0.84倍以上1.37倍以下であり、厚みすべり振動の3倍波での屈曲振動の波長である第2屈曲波長の2.29倍以上3.71倍以下の長さとすることを特徴とする。
6). Fifth embodiment (a configuration of an inclined portion that takes harmonics into consideration)
In the third embodiment and the fourth embodiment described above, the appropriate value related to the fundamental wave has been described for the inclination width XA that is the length of the inclined portion. On the other hand, as one of the applications of the crystal resonator, there is an application in which signals of two frequencies are simultaneously output from one crystal resonator. For example, International Publication No. 2015/133472 describes taking out a fundamental wave and a harmonic from one crystal piece. In such a case, one frequency can be used as an output signal, and the other frequency can be used as a temperature compensation sensor signal. However, since two frequencies can be obtained by one crystal resonator, It is preferable because the influence of individual differences can be reduced. The fifth embodiment relates to a design that further considers the fundamental wave and the harmonics in the first to fourth embodiments described above.
In the various embodiments of the first to fourth embodiments, the quartz piece of the fifth embodiment has an inclination width when the inclined portion is provided in the excitation electrode with the fundamental wave of the thickness shear vibration. It is not less than 0.84 times and not more than 1.37 times the first bending wavelength, which is the wavelength of bending vibration, and is not less than 2.29 times, 3 times, the second bending wavelength, which is the wavelength of bending vibration at the third harmonic wave of the thickness shear vibration. The length is 71 times or less.

図21はこの第5の実施形態の効果を説明するためのシミュレーション結果を示した図である。具体的には、図21は、図17を用いて説明した両面の励振用電極に傾斜部を設けたシミュレーションモデルについて、励振用電極の傾斜幅を屈曲振動の波長で正規化した値と、振動エネルギーの損失(1/Q)との関係を示したグラフである。シミュレーションモデルは、励振用電極の全てが金(Au)で形成され、Cモードを主振動とした場合の基本波(周波数:30MHz)及び3倍波(周波数:90MHz)について、主厚部13aa(13ba)の膜厚YA1が100nm、140nm、180nmの場合のシミュレーションによる計算結果が示されている。 FIG. 21 is a diagram showing a simulation result for explaining the effect of the fifth embodiment. Specifically, FIG. 21 shows a value obtained by normalizing the inclination width of the excitation electrode with the wavelength of the bending vibration, and the vibration model for the simulation model in which the inclined portions are provided on the excitation electrodes on both sides described with reference to FIG. It is the graph which showed the relationship with the loss of energy (1 / Q). In the simulation model, all of the excitation electrodes are made of gold (Au), and the main thickness portion 13aa (frequency: 30 MHz) and the fundamental wave (frequency: 30 MHz) and the third harmonic (frequency: 90 MHz) are assumed. 13B shows the calculation results by simulation when the film thickness YA1 is 100 nm, 140 nm, and 180 nm.

図21のグラフの横軸は、傾斜幅XA(μm)が示されている。図21のグラフの縦軸では、主振動の振動エネルギーの損失を示すQ値の逆数が示されている。また図21では、主厚部の厚さYAが100nmで基本波を発振した場合の水晶片の損失を白抜きの四角□で示し、厚さYAが140nmで基本波を発振した場合の水晶片の損失を白抜きの三角△で示し、厚さYAが180nmで基本波を発振した場合の水晶片の損失を白抜きの丸○で示し、主厚部の厚さYAが100nmで3倍波を発振した場合の水晶片の損失を黒四角■で示し、厚さYAが140nmで3倍波を発振した場合の水晶片の損失を黒三角▲で示し、厚さYAが180nmで3倍波を発振した場合の水晶片の損失を黒丸●で示してある。   The horizontal axis of the graph of FIG. 21 indicates the inclination width XA (μm). The vertical axis of the graph of FIG. 21 indicates the reciprocal of the Q value indicating the loss of vibration energy of the main vibration. Further, in FIG. 21, the loss of the crystal piece when the fundamental wave oscillates when the thickness YA of the main thickness part is 100 nm is indicated by a white square □, and the crystal piece when the fundamental wave oscillates when the thickness YA is 140 nm. Loss is indicated by a white triangle Δ, the loss of the crystal piece when the fundamental wave is oscillated when the thickness YA is 180 nm is indicated by a white circle ○, and the thickness YA of the main thick portion is 100 nm and a third harmonic wave The loss of the crystal piece when oscillating is indicated by a black square ■, the loss of the crystal piece when the thickness YA is 140 nm and the third harmonic is oscillated is indicated by a black triangle ▲, and the third harmonic when the thickness YA is 180 nm. The loss of the crystal piece when oscillating is indicated by black circles ●.

図21から分かるように、基本波における傾斜幅と振動エネルギーの損失(1/Q)との関係が、主厚部の厚さYAの大きさに関わらず似たような傾向を示しており、傾斜幅XAが約30μmから約130μmの範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが8.0×10−6(図21のグラフでは「×10−6」を「E−6」と表記)以下と低くなっている。また、3倍波における傾斜幅と振動エネルギーの損失(1/Q)との関係では、傾斜幅XAが約80μm以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが4.0×10−6以下と低くなっている。これらの結果より、基本波及び3倍波の振動エネルギーの損失(1/Q)が共に低くなる傾斜幅XAが約80μmから約130μmである範囲(図21の範囲A)では、基本波及び3倍波の両方の水晶振動子の振動エネルギーの損失が抑えられるため、基本波及び3倍波を同時発振した場合の水晶振動子の振動エネルギーの損失が抑えられる。   As can be seen from FIG. 21, the relationship between the inclination width of the fundamental wave and the loss of vibration energy (1 / Q) shows a similar tendency regardless of the thickness YA of the main thickness portion, 1 / Q indicating the loss of vibration energy when the inclination width XA is about 30 μm to about 130 μm is 8.0 × 10 −6 (“× 10 −6” is expressed as “E-6” in the graph of FIG. 21) It is lower as below. In addition, regarding the relationship between the tilt width and vibration energy loss (1 / Q) in the third harmonic wave, 1 / Q indicating the loss of vibration energy in the range where the tilt width XA is about 80 μm or more is 4.0 × 10 −6. It is lower as below. From these results, in the range where the inclination width XA where both the vibration energy loss (1 / Q) of the fundamental wave and the third harmonic wave are low is about 80 μm to about 130 μm (range A in FIG. 21), the fundamental wave and 3 Since the loss of vibration energy of both harmonics of the crystal resonator is suppressed, the loss of vibration energy of the crystal resonator when the fundamental wave and the third harmonic are simultaneously oscillated can be suppressed.

さらに、図21から分かるように、基本波では、傾斜幅XAが約40μmから約120μmの範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが低い状態で安定しているため特に好ましい。3倍波については、傾斜幅XAが約100μm以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが3.0×10−6以下と低くなっているため特に好ましい。これらの結果より、基本波及び3倍波の振動エネルギーの損失(1/Q)が共に低くなる傾斜幅XAが約100μmから約120μmの範囲(図21の範囲B)では、基本波及び3倍波の圧電振動片140における振動エネルギーの損失を特に抑えることができるため、基本波及び3倍波を同時発振した場合の水晶振動子の振動エネルギーの損失を特に抑えることができる。   Furthermore, as can be seen from FIG. 21, the fundamental wave is particularly preferable because it is stable at a low 1 / Q indicating a loss of vibration energy when the inclination width XA is in the range of about 40 μm to about 120 μm. The third harmonic wave is particularly preferable because 1 / Q indicating a loss of vibration energy is as low as 3.0 × 10 −6 or less in the range where the inclination width XA is about 100 μm or more. From these results, the fundamental wave and the triple wave are obtained when the slope width XA in which the vibration energy loss (1 / Q) of both the fundamental wave and the triple wave is low is about 100 μm to about 120 μm (range B in FIG. 21). Since the loss of vibration energy in the wave piezoelectric vibrating piece 140 can be particularly suppressed, the loss of vibration energy of the crystal resonator when the fundamental wave and the third harmonic wave are simultaneously oscillated can be particularly suppressed.

7.他の実施形態
上述においては、この発明の水晶振動子の実施形態を説明したが、この発明は上述の実施形態に限られない。例えば、上述の例では、水晶片として長方形状の水晶片の例を示したが、水晶片の平面形状は、四角形状も丸形状でも楕円形状でも良い。また、各実施例ではX′方向を長辺、Z′方向を短辺とする長方形状の水晶片を示してあるが、長辺、短辺はこの逆でも良い。また、第1実施形態の場合では、電極形状は平面視で四角形状、丸形状でも良い。また、既に説明したが、水晶片はプラノコンベックス型のものでも良い。また、励振用電極に設ける傾斜部として、4段構成の例を示したが、傾斜部の構成はこれに限られない。傾斜部は、例えば、段数が例示したものとは異なる場合、または、段構造ではなく斜面を有する構成等、他の任意の構成とできる。なお、これら傾斜部は例えば以下の方法で形成することができる。すなわち、メッキ枠を用いた公知の金属膜の成膜方法により各段の膜を形成する方法、成膜した金属膜をフォトリソ技術でパターニングすることを各段の膜形成に適用する方法、製膜した金属膜上に傾斜部となる部分の膜厚が薄くされたレジストパタンを形成してこのパタンをマスクとしてドライエッチング法で金属膜の一部を傾斜状に加工する方法等である。
7). Other Embodiments In the above description, the crystal resonator according to the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described example, an example of a rectangular crystal piece is shown as the crystal piece. However, the planar shape of the crystal piece may be a square shape, a round shape, or an elliptical shape. In each embodiment, a rectangular crystal piece having a long side in the X ′ direction and a short side in the Z ′ direction is shown. However, the long side and the short side may be reversed. In the case of the first embodiment, the electrode shape may be a square shape or a round shape in plan view. As already described, the crystal piece may be a plano-convex type. Moreover, although the example of 4 steps | paragraphs structure was shown as an inclination part provided in the electrode for excitation, the structure of an inclination part is not restricted to this. For example, the inclined portion may have any other configuration such as a case where the number of steps is different from that illustrated, or a configuration having a slope instead of a step structure. These inclined portions can be formed by the following method, for example. That is, a method of forming a film of each step by a known metal film forming method using a plating frame, a method of applying the patterning of the formed metal film by a photolithographic technique to the film formation of each step, film formation For example, a resist pattern in which a film thickness of a portion to be an inclined portion is thinned is formed on the metal film, and a part of the metal film is processed into an inclined shape by a dry etching method using this pattern as a mask.

11:水晶片 、13a:励振用電極(第1励振用電極)、
13b:励振用電極(第2励振用電極)、 13aa、13ba:主厚部、
13ab、13bb:傾斜部、 XA:傾斜幅(傾斜部の幅)、
15:引出電極
20:リード型の水晶振動子、 21:ベース、 23:リード、
25:クリップ端子、 27:導電性接着剤
30:表面実装型の水晶振動子、 31:セラミックベース、
33:支持パッド、 35:導電性接着剤
41:第3の実施形態の水晶片、 51:第4の実施形態の水晶片
11: Crystal piece, 13a: Excitation electrode (first excitation electrode),
13b: Excitation electrode (second excitation electrode), 13aa, 13ba: main thickness part,
13ab, 13bb: inclined part, XA: inclined width (width of inclined part),
15: Lead electrode 20: Lead type crystal resonator, 21: Base, 23: Lead,
25: Clip terminal, 27: Conductive adhesive 30: Surface-mount type crystal unit, 31: Ceramic base,
33: Support pad 35: Conductive adhesive 41: Crystal piece of the third embodiment 51: Crystal piece of the fourth embodiment

ここで、Tとは、当該水晶片の厚みである。また、α、βとは、水晶片のカット種別(SCカット、ITカット等々)に応じて予め定めた範囲の角度である。しかも、αは当該水晶片のZ′軸を回転軸とする角度であり(図1(B)参照)、βは、当該水晶片のX′軸を回転軸とする角度である(図1(C)参照)。角度α、βの正負は、以下の説明では、水晶片のプラスZ′面、プラスX′面各々で考えて(図1(B)、(C))、反時計回りをプラス、時計回りをマイナスとしている。これらプラス、マイナスは、表裏の励振用電極のずれ方向を決めるものになる。なお、角度α、βは、水晶片がSCカット等のように2回回転水晶振動子の場合であれば、Cモード、Bモード毎に予め定めた範囲の角度である。   Here, T is the thickness of the crystal piece. Α and β are angles within a predetermined range according to the cut type (SC cut, IT cut, etc.) of the crystal piece. In addition, α is an angle with the Z ′ axis of the crystal piece as a rotation axis (see FIG. 1B), and β is an angle with the X ′ axis of the crystal piece as a rotation axis (FIG. 1 ( C)). In the following description, the positive and negative angles α and β are considered on the plus Z ′ plane and the plus X ′ plane of the crystal piece (FIGS. 1B and 1C), plus counterclockwise plus plus clockwise. Negative. These pluses and minuses determine the displacement direction of the front and back excitation electrodes. Note that the angles α and β are angles in a predetermined range for each of the C mode and the B mode when the crystal piece is a two-time rotation crystal resonator such as an SC cut.

図3〜図5を比較すること、及び、図6から明らかなように、第1励振用電極13aのエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布とは、角度αを変えると変化することが分かる。そして、角度α=25°の場合(図4(A)参照)が、第1励振用電極13aのエッジでの変位分布と、第2励振用電極のエッジでの変位分布とが最も一致することが分かる。本シミュレーションを含む、発明者が実施した多くのシミュレーション結果から、M−SCカットの場合でかつCモードの場合では、角度α=25°付近かつ角度β=0.2°付近が、第1及び第2励振用電極のエッジでの変位分布は、最も一致することが分かった。然も、特に図6から明らかなように、振動子の特性改善効果を考慮すると、角度αは、−20〜−30°、すなわちα=25±5°が良く、さらに好ましくは、α=25±3°が良いことが分かる。また、βは、β=0±5°が良く、さらに好ましくは、β=0±3°が良いことが分かった。また、同様なシミュレーション結果から、M−SCカットの場合でかつBモードの場合では、角度α、角度βは、α=−6±5°、β=−17±5°が良く、さらに好ましくは、α=−6±3°、β=−6±3°が良いことが分かった。 Comparing FIGS. 3 to 5 and, as is clear from FIG. 6, the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode 13a and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode 13 You can see that it changes when you change. When the angle α is 25 ° (see FIG. 4A), the displacement distribution at the edge of the first excitation electrode 13a and the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode most closely match. I understand. From the results of many simulations conducted by the inventors, including this simulation, in the case of M-SC cut and C mode, the angle α = 25 ° and the angle β = 0.2 ° are It was found that the displacement distribution at the edge of the second excitation electrode most closely matched. However, as is apparent from FIG. 6, in consideration of the effect of improving the characteristics of the vibrator, the angle α is preferably −20 to −30 °, that is, α = 25 ± 5 °, and more preferably α = 25. It can be seen that ± 3 ° is good. Moreover, it was found that β = 0 ± 5 ° is preferable, and β = 0 ± 3 ° is more preferable. From the same simulation results, in the case of M-SC cut and in the B mode, the angles α and β are preferably α = −6 ± 5 ° and β = −17 ± 5 °, more preferably Α = −6 ± 3 ° and β = −6 ± 3 ° were found to be good.

Figure 2018033122
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図21から分かるように、3倍波における傾斜幅と振動エネルギーの損失(1/Q)との関係が、主厚部の厚さYAの大きさに関わらず似たような傾向を示しており、傾斜幅XAが約30μmから約130μmの範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが8.0×10−6(図21のグラフでは「×10−6」を「E−6」と表記)以下と低くなっている。また、基本波における傾斜幅と振動エネルギーの損失(1/Q)との関係では、傾斜幅XAが約80μm以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが4.0×10−6以下と低くなっている。これらの結果より、基本波及び3倍波の振動エネルギーの損失(1/Q)が共に低くなる傾斜幅XAが約80μmから約130μmである範囲(図21の範囲A)では、基本波及び3倍波の両方の水晶振動子の振動エネルギーの損失が抑えられるため、基本波及び3倍波を同時発振した場合の水晶振動子の振動エネルギーの損失が抑えられる。 As can be seen from FIG. 21, the relationship between the inclination width of the third harmonic wave and the loss of vibration energy (1 / Q) shows a similar tendency regardless of the thickness YA of the main thickness portion. 1 / Q indicating vibration energy loss in the range of inclination width XA from about 30 μm to about 130 μm is 8.0 × 10 −6 (“× 10 −6” is expressed as “E-6” in the graph of FIG. 21) ) It is as low as below. Further, regarding the relationship between the inclination width and vibration energy loss (1 / Q) in the fundamental wave , 1 / Q indicating vibration energy loss in the range where the inclination width XA is about 80 μm or more is 4.0 × 10 −6 or less. It is low. From these results, in the range where the inclination width XA where both the vibration energy loss (1 / Q) of the fundamental wave and the third harmonic wave are low is about 80 μm to about 130 μm (range A in FIG. 21), the fundamental wave and 3 Since the loss of vibration energy of both harmonics of the crystal resonator is suppressed, the loss of vibration energy of the crystal resonator when the fundamental wave and the third harmonic are simultaneously oscillated can be suppressed.

さらに、図21から分かるように、3倍波では、傾斜幅XAが約40μmから約120μmの範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが低い状態で安定しているため特に好ましい。基本波については、傾斜幅XAが約100μm以上の範囲で振動エネルギーの損失を示す1/Qが3.0×10−6以下と低くなっているため特に好ましい。これらの結果より、基本波及び3倍波の振動エネルギーの損失(1/Q)が共に低くなる傾斜幅XAが約100μmから約120μmの範囲(図21の範囲B)では、基本波及び3倍波の圧電振動片における振動エネルギーの損失を特に抑えることができるため、基本波及び3倍波を同時発振した場合の水晶振動子の振動エネルギーの損失を特に抑えることができる。 Furthermore, as can be seen from FIG. 21, the triple wave is particularly preferable because it is stable in a state where 1 / Q indicating a loss of vibration energy is low when the inclination width XA is in the range of about 40 μm to about 120 μm. The fundamental wave is particularly preferable because 1 / Q indicating a loss of vibration energy is as low as 3.0 × 10 −6 or less when the inclination width XA is about 100 μm or more. From these results, the fundamental wave and the triple wave are obtained when the slope width XA in which the vibration energy loss (1 / Q) of both the fundamental wave and the triple wave is low is about 100 μm to about 120 μm (range B in FIG. 21). Since the loss of vibration energy in the piezoelectric wave vibrating piece can be particularly suppressed, the loss of vibration energy of the crystal resonator when the fundamental wave and the third harmonic wave are simultaneously oscillated can be particularly suppressed.

Claims (21)

水晶片の表裏に励振用電極を具え、厚みすべりモードで振動する水晶振動子において、
一方の面の励振用電極のエッジにおける変位分布が、他方の面の励振用電極のエッジにおける変位分布と同じになる位置関係に、これら励振用電極を水晶片に設けてあることを特徴とする水晶振動子。
In the crystal unit that has excitation electrodes on both sides of the crystal piece and vibrates in the thickness-slip mode,
The excitation electrode is provided on the crystal piece so that the displacement distribution at the edge of the excitation electrode on one surface is the same as the displacement distribution at the edge of the excitation electrode on the other surface. Crystal oscillator.
前記水晶片は水晶のY′軸方向を厚さとし、水晶のX′―Z′面を主面とする水晶片であり、その表裏に設ける励振用電極は平面形状が同じで大きさが同じであり、かつ、プラスY′面に設ける励振用電極を第1励振用電極、マイナスY′面に設ける励振用電極を第2励振用電極と定義した場合、第2励振用電極は第1励振用電極に対し、以下の関係を満たす位置に設けてあることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。
(1) 第1励振用電極を水晶のX′軸に沿ってプラスX′方向にT・tanαで与えられる距離dxだけ移動し、
(2) 第1励振用電極を水晶のZ′軸に沿ってマイナスZ′方向にT・tanβで与えられる距離dyだけ移動し、
(3) 上記(1)、(2)で移動した状態を、マイナスY′面に投影した位置。
ここで、Tとは、当該水晶片の厚みである。また、α、βとは、水晶片のカット種別に応じて予め定めた角度であり、αはプラスZ′面での回転角度、βはプラスX′面での回転角度である。また、X′軸、Z′軸とは、水晶の結晶軸X,Yに対し当該水晶片の切断角度で生じる軸のことである。
The crystal piece is a crystal piece having a thickness in the Y′-axis direction of the crystal and having the X′-Z ′ surface of the crystal as a main surface, and the excitation electrodes provided on the front and back surfaces have the same planar shape and the same size. If the excitation electrode provided on the plus Y ′ plane is defined as the first excitation electrode and the excitation electrode provided on the minus Y ′ plane is defined as the second excitation electrode, the second excitation electrode is used for the first excitation. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal resonator is provided at a position satisfying the following relationship with respect to the electrode.
(1) Move the first excitation electrode along the X ′ axis of the quartz crystal in the plus X ′ direction by a distance dx given by T · tanα,
(2) Move the first excitation electrode along the Z ′ axis of the crystal in the minus Z ′ direction by a distance dy given by T · tan β,
(3) A position where the state moved in (1) and (2) above is projected on the minus Y ′ plane.
Here, T is the thickness of the crystal piece. Α and β are angles determined in advance according to the cut type of the crystal piece, α is a rotation angle on the plus Z ′ plane, and β is a rotation angle on the plus X ′ plane. The X ′ axis and the Z ′ axis are axes generated at the cutting angle of the crystal piece with respect to the crystal axes X and Y of the crystal.
前記水晶片はM−SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=0±5°であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。 2. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal piece is an M-SC cut crystal piece, wherein α is α = 25 ± 5 °, and β is β = 0 ± 5 °. 前記水晶片はSCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=1±5°であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。 2. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal piece is an SC-cut crystal piece, wherein α is α = 25 ± 5 °, and β is β = 1 ± 5 °. 前記水晶片はITカット水晶片であり、前記αはα=24±5°、前記βはβ=2±5°であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。 2. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal piece is an IT cut crystal piece, wherein α is α = 24 ± 5 °, and β is β = 2 ± 5 °. 前記水晶片はATカット水晶片であり、前記αはα=0±5°、前記βはβ=4±5°であることを特徴とする請求項1に記載の水晶振動子。 2. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal piece is an AT-cut crystal piece, α is α = 0 ± 5 °, and β is β = 4 ± 5 °. 前記表裏の励振用電極は、平面形状が楕円形状かつ所定の楕円比率の電極であって、前記水晶片に対し面内回転角度δで配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の水晶振動子。 The front and back excitation electrodes are electrodes having an elliptical planar shape and a predetermined elliptical ratio, and are arranged at an in-plane rotation angle δ with respect to the crystal piece. The crystal resonator according to any one of the above. 前記水晶片は、M−SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=0±5°であり、前記楕円比率は1.32±10%であり、前記面内角度δはδ=−9±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an M-SC cut crystal piece, the α is α = 25 ± 5 °, the β is β = 0 ± 5 °, the elliptical ratio is 1.32 ± 10%, The crystal resonator according to claim 7, wherein the in-plane angle δ is δ = −9 ± 5 °. 前記水晶片は、M−SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=0±5°であり、前記楕円比率は0.91±10%であり、前記面内角度δはδ=−15±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an M-SC cut crystal piece, the α is α = 25 ± 5 °, the β is β = 0 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.91 ± 10%, The crystal resonator according to claim 7, wherein the in-plane angle δ is δ = −15 ± 5 °. 前記水晶片は、M−SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=0±5°であり、前記楕円比率は0.93±10%であり、前記面内角度δはδ=−10±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an M-SC cut crystal piece, the α is α = 25 ± 5 °, the β is β = 0 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.93 ± 10%, The crystal resonator according to claim 7, wherein the in-plane angle δ is δ = −10 ± 5 °. 前記水晶片は、SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=1±5°であり、前記楕円比率は1.32±10%であり、前記面内角度δはδ=−7±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an SC cut crystal piece, the α is α = 25 ± 5 °, the β is β = 1 ± 5 °, the elliptical ratio is 1.32 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −7 ± 5 °. 前記水晶片は、SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=1±5°であり、前記楕円比率は0.93±10%であり、前記面内角度δはδ=−17±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an SC cut crystal piece, α is α = 25 ± 5 °, β is β = 1 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.93 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −17 ± 5 °. 前記水晶片は、SCカット水晶片であり、前記αはα=25±5°、前記βはβ=1±5°であり、前記楕円比率は0.95±10%であり、前記面内角度δはδ=−12±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an SC cut crystal piece, the α is α = 25 ± 5 °, the β is β = 1 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.95 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −12 ± 5 °. 前記水晶片は、ITカット水晶片であり、前記αはα=24±5°、前記βはβ=2±5°であり、前記楕円比率は1.32±10%であり、前記面内角度δはδ=−3±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an IT cut crystal piece, the α is α = 24 ± 5 °, the β is β = 2 ± 5 °, the elliptical ratio is 1.32 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −3 ± 5 °. 前記水晶片は、ITカット水晶片であり、前記αはα=24±5°、前記βはβ=2±5°であり、前記楕円比率は0.95±10%であり、前記面内角度δはδ=−38±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an IT cut crystal piece, the α is α = 24 ± 5 °, the β is β = 2 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.95 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −38 ± 5 °. 前記水晶片は、ITカット水晶片であり、前記αはα=24±5°、前記βはβ=2±5°であり、前記楕円比率は0.98±10%であり、前記面内角度δはδ=−40±5°であることを特徴とする請求項7に記載の水晶振動子。 The crystal piece is an IT cut crystal piece, the α is α = 24 ± 5 °, the β is β = 2 ± 5 °, the elliptical ratio is 0.98 ± 10%, and the in-plane The crystal resonator according to claim 7, wherein the angle δ is δ = −40 ± 5 °. 前記励振用電極は、一定の厚さで形成される主厚部及び前記主厚部の周囲に形成され前記主厚部に接する部分から前記励振用電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、
前記傾斜部の幅である傾斜幅が、不要振動である屈曲振動の波長である屈曲波長の0.5倍以上3倍以下の長さである請求項1に記載の水晶振動子。
The excitation electrode gradually decreases in thickness from a main thickness portion formed with a constant thickness and a portion formed around the main thickness portion and in contact with the main thickness portion to an outermost periphery of the excitation electrode. Having an inclined portion formed as follows,
2. The crystal resonator according to claim 1, wherein an inclination width that is a width of the inclined portion is a length that is not less than 0.5 times and not more than 3 times a bending wavelength that is a wavelength of bending vibration that is unnecessary vibration.
前記励振用電極は、一定の厚さで形成される主厚部及び前記主厚部の周囲に形成され前記主厚部に接する部分から前記励振用電極の最外周にかけて厚さが徐々に薄くなるように形成される傾斜部を有し、
前記傾斜部の幅である傾斜幅が、厚みすべり振動の基本波での屈曲振動の波長である第1屈曲波長の0.84倍以上1.37倍以下であり、厚みすべり振動の3倍波での屈曲振動の波長である第2屈曲波長の2.29倍以上3.71倍以下である長さである請求項1に記載の水晶振動子。
The excitation electrode gradually decreases in thickness from a main thickness portion formed with a constant thickness and a portion formed around the main thickness portion and in contact with the main thickness portion to an outermost periphery of the excitation electrode. Having an inclined portion formed as follows,
The inclination width, which is the width of the inclined portion, is 0.84 to 1.37 times the first bending wavelength, which is the wavelength of bending vibration in the fundamental wave of thickness shear vibration, and is the third harmonic of thickness shear vibration. 2. The crystal resonator according to claim 1, wherein the crystal resonator has a length that is not less than 2.29 times and not more than 3.71 times the second bending wavelength that is the wavelength of bending vibration.
前記傾斜部は、前記水晶片の表裏に設けられる励振用電極のうちの当該水晶振動子の周波数調整面とは反対面の励振用電極のみに、設けてある請求項17又は18に記載の水晶振動子。   The quartz crystal according to claim 17 or 18, wherein the inclined portion is provided only on an excitation electrode on a surface opposite to a frequency adjustment surface of the crystal resonator among excitation electrodes provided on the front and back surfaces of the crystal piece. Vibrator. 当該水晶振動子の周波数調整面の励振用電極の厚さが、前記周波数調整面とは反対面の励振用電極の前記主厚部の厚さより薄くなっている請求項19に記載の水晶振動子。   20. The crystal resonator according to claim 19, wherein the thickness of the excitation electrode on the frequency adjustment surface of the crystal resonator is smaller than the thickness of the main thickness portion of the excitation electrode on the surface opposite to the frequency adjustment surface. . 前記水晶片が平板状の水晶片である請求項17〜20のいずれか1項に記載の水晶振動子。   The crystal unit according to claim 17, wherein the crystal piece is a flat crystal piece.
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