JP2018125640A - 水晶素子および水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】等価直列抵抗値が大きくなることを低減させつつ、電気的特性を向上させることができる水晶素子を提供する。【解決手段】水晶素子１２０は平面視して略矩形となっており、略直方体の振動部１２１ａ、および、振動部１２１ａの外縁に沿って設けられている振動部１２１ａより上下方向の厚みが薄い周辺部１２１ｂを有している水晶片１２１と、振動部１２１ａの両主面に設けられている励振電極部１２３、および、励振電極部１２３から水晶片１２１の縁部まで延設されている接続配線部１２４からなる金属パターン１２２と、を備えている。金属パターン１２２に交番電圧を印加したとき、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が前記水晶片１２１の長辺上に位置している。【選択図】図６

Description

本発明は、水晶素子およびこの水晶素子を有する水晶デバイスに関する。水晶デバイスは、例えば、水晶振動子または水晶発振器である。

水晶素子は、例えば、平面視して、略矩形形状の水晶片と、水晶片に設けられている金属パターンと、から構成されている。水晶片は、例えば、略直方体形状の振動部と振動部の外縁に沿って設けられ振動部より上下方向の厚みが薄い周辺部とを備えている。金属パターンは、振動部の両主面に設けられている励振電極部と、励振電極部から水晶片の端部まで延設されている接続配線部とからなる。このような水晶素子は、金属パターンに交番電圧を印加したとき、水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片の長辺上に位置している（例えば、特許文献１参照）。

特許第５４１３４８６号

このような水晶素子は、金属パターンに交番電圧を印加したときに水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片の長辺上に位置しているので、
水晶片の長辺を含む側面の状態が連続的に変化することとなり、励振電極部に挟まれている振動部の一部で生じる主振動である厚みすべり振動が水晶片の長辺を含む側面まで漏れ伝搬し反射した際に、反射する状態が変化する状態となる。このため、水晶片の長辺を含む側面で反射した振動が、励振電極部に挟まれている部分の主振動である厚みすべり振動と結合し、等価直列抵抗値が大きくなり、電気的特性が低下する虞がある。特に、水晶素子の小型化、例えば、水晶片の長辺が９２０μｍ以下のような場合においては、副次的な振動である屈曲振動の次数が低くなるため、主振動である厚みすべり振動へ与える影響が大きくなり、電気的特性が悪化する虞がある。

本発明では、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させつつ、電気的特性を向上させることができる水晶素子および水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明における水晶素子は、平面視して略矩形となっており、略直方体の振動部、および、振動部の外縁に沿って設けられている振動部より上下方向の厚みが薄い周辺部を有している水晶片と、振動部の両主面に設けられている励振電極部、および、励振電極部から水晶片の縁部まで延設されている接続配線部からなる金属パターンと、を備えている水晶素子であって、金属パターンに交番電圧を印加したとき、水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片の長辺上に位置していることを特徴とする。

本発明における水晶素子は、平面視して略矩形となっており、略直方体の振動部、および、振動部の外縁に沿って設けられている振動部より上下方向の厚みが薄い周辺部を有している水晶片と、振動部の両主面に設けられている励振電極部、および、励振電極部から水晶片の縁部まで延設されている接続配線部からなる金属パターンと、を備えている水晶素子であって、金属パターンに交番電圧を印加したとき、水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片の長辺上に位置している。このようにすることで、金属パターンに交番電圧を印加したときに生じる屈曲振動が主振動である厚みすべり振動に与える影響を低減させることが可能となり、
等価直列抵抗値が大きくなることを低減させ、電気的特性を向上させることができる。

本実施形態に係る水晶デバイスの斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における断面図である。 本実施形態に係る水晶デバイスにおいて、蓋体が設けられていない状態での平面図である。 図３のＢ部の部分拡大図である。 本実施形態に係る水晶素子の斜視図である。 （ａ）は、本実施形態に係る水晶素子の上面の平面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水晶素子の下面を上面側から平面透視した平面図である。 本実施形態における水晶素子と比較例である水晶素子との対比を示した対比表である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図面は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。便宜上、層状の部分の表面（すなわち断面でない面）にハッチングを付すことがある。

本開示の水晶デバイスおよび水晶素子は、いずれが上方または下方とされてよいものであるが、以下では、便宜上、図１および図２の紙面上方を上方として、上面または下面等の用語を用いることがある。また、単に平面視または平面透視という場合においては、特に断りがない限りは、上記のように便宜的に定義した上下方向においてみるものことをいうものとする。

図１〜図４は、本実施形態に係る水晶デバイスに関する図である。図１は、本実施形態に係る水晶デバイスの斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面における断面図である。図３は、本実施形態に係る水晶デバイスにおいて蓋体が設けられていない状態での平面図であり、図４は、図３のＢ部の部分拡大図である。図５および図６は、本実施形態に係る水晶素子に関する図である。図５は、本実施形態に係る水晶素子の斜視図であり、図６は、本実施形態に係る水晶素子の平面図である。図７は、本実施形態に係る水晶素子と比較例である水晶素子との対比を示した対比表である。

（水晶デバイスの概略構成）
水晶デバイスは、例えば、全体として略直方体形状となっている電子部品である。水晶デバイスは、例えば、長辺または短辺の長さが０．６ｍｍ〜２．０ｍｍであり、上下方向の厚さが０．２ｍｍ〜１．５ｍｍとなっている。

水晶デバイスは、例えば、凹部が形成されている基体１１０と、凹部に収容された水晶素子１２０と、凹部を塞ぐ蓋体１３０と、基体１１０に水晶素子１２０を接着実装するための導電性接着剤１４０と、から構成されている。

水晶素子１２０は、発振信号の生成に利用される振動を生じる部分である。基体１１０および蓋体１３０は、水晶素子１２０を収容する空間を形成している。基体１１０の凹部は蓋体１３０により封止され、その内部は、例えば、真空とされ、または、適当なガス（例えば、窒素）が封入されている。

基体１１０は、例えば、基体１１０の主体となる基板部１１０ａと、水晶素子１２０を実装するための一対の搭載パッド１１１と、水晶デバイスを不図示の回路基板等に実装するため複数（本実施形態では、例えば、四つ）の外部端子１１２とを有している。

基体１１０は、主体となる基板部１１０ａと、基板部１１０ａの上面の縁部に沿って設けられている枠状の枠部１１０ｂと、から構成されており、凹部が形成されている。搭載パッド１１１は、金属等からなる導電層により構成されており、凹部の底面に位置している。搭載パッド１１１および外部端子１１２は、基板部１１０ａ内に配置されえた導体（図示せず）によって互いに電気的に接続されている。蓋体１３０は、例えば、金属から構成され、基体１１０の上面にシーム溶接等により接合されている。

水晶素子１２０は、例えば、水晶片１２１と、水晶片１２１に交番電圧を印加するための金属パターン１２２を有している。金属パターン１２２は、水晶片１２１の中央付近に設けられている一対の励振電極部１２３および励振電極部１２３から水晶片１２１の縁部まで延設されている接続配線部１２４からなる。

水晶素子１２０は、概略板状であり、凹部の底面、具体的には、基板部１１０ａの上面に対向するように、凹部に収容される。そして、一対の接続配線部１２４の一部（接続配線部１２４の接続部１２４ａ）が、一対のバンプ（本実施形態では、導電性接着剤１４０）により一対の搭載パッド１１１に接合される。これにより、水晶素子１２０は、基体１１０に片持ち梁のように支持される。また、一対の励振電極部１２３は、一対の接続配線部１２４、導電性接着剤１４０を介して搭載パッド１１１と電気的に接続され、ひいては、複数の外部端子１１２のいずれか二つと電気的に接続される。バンプは、例えば、導電性接着剤１４０である。導電性接着剤１４０は、例えば、導電性フィラーが熱硬化性樹脂に混ぜ込まれて構成されている。

このようにして構成された水晶デバイスは、例えば、不図示の回路基板の実装面に基体１１０の下面を対向させて配置され、外部端子１１２が半田などにより回路基板のパッド（図示せず）に接合されることによって回路基板に実装される。回路基板には、例えば、発振回路が構成されている。発振回路は、外部端子１１２および搭載パッド１１１を介して一対の励振電極部１２３に交番電圧を印加し発振信号を生成する。この際、発振回路は、例えば、水晶片１２１の厚みすべり振動のうち基本波振動を利用する。オーバートーン振動が利用されてもよい。

（水晶素子の概略構成）
図５は、本実施形態に係る水晶素子の斜視図である。また、図６（ａ）は、本実施形態に係る水晶素子の上面の平面図であり、図６（ｂ）は、本実施形態に係る水晶素子の下面を上面側から平面透視した平面図である。

本実施形態では、水晶素子１２０を基体１１０に実装した場合に、基体１１０の基板部１１０ａの上面と略平行となっている面を主面とし、水晶素子１２０から基板部１１０ａへ向かう向きを下方向、基板部１１０ａから水晶素子１２０へ向かう向きを上方向として説明する。

また、基板部１１０ａ側を向く面であって、基板部１１０ａの上面と略平行となっている水晶素子１２０の面を水晶素子１２０の下面とし、水晶素子１２０の下面と反対側を向く水晶素子１２０の面を水晶素子１２０の上面とする。また、基板部１１０ａ側を向く振動部１２１ａの面であって、基板部１１０ａの上面と略平行となっている振動部１２１ａの面を、振動部１２１ａの下面とし、振動部１２１ａの下面と反対側を向く振動部１２１ａの面を振動部１２１ａの上面とする。また、基板部１１０ａ側を向く面であって、基板部１１０ａの上面と略平行となっている（周辺部１２１ｂの）平板部の面を周辺部１２１ｂの下面とし、周辺部１２１ｂの下面と反対側を向く
（周辺部１２１ｂの）平板部の面を周辺部１２１ｂの上面とする。また、本実施形態においては、水晶素子１２０の上面と水晶片１２１の上面とを同一の意味で用いており、水晶素子１２０の下面と水晶片１２１の下面とを同一の意味で用いている。

水晶素子１２０は、水晶片１２１と金属パターン１２２とから構成されている。

水晶片１２１は、例えば、いわゆるＡＴカット板である。すなわち、水晶において、Ｘ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光軸）からなる直交座標系ＸＹＺを、Ｘ軸回りに３０°以上５０°以下（一例として３５°１５′）回転させて直交座標系ＸＹ´Ｚ´を定義したときに、水晶片１２１の主面は、ＸＺ´平面に平行となっている。

水晶片１２１は、略直方体形状の振動部１２１ａと、振動部１２１ａの外縁に沿って設けられ振動部１２１ａより上下方向の厚みが薄い周辺部１２１ｂと、から構成されている。周辺部１２１ｂは、図示しないが、平板部と中間部とからなる。平板部は、その主面が振動部１２１ａの主面と略平行となっており、振動部１２１ａの上下方向の厚みより薄くなっている。中間部は、水晶片１２１を平面視したとき、振動部１２１ａと平板部との間に位置しており、その中間部の上下方向の厚みが振動部１２１ａから平板部にかけて徐々に厚みが薄くなっている。つまり、水晶片１２１は、メサ型のものとなっている。このような形状にすることにより、平板状の水晶片を用いた場合と比較して、エネルギー閉じ込めを向上させることができ、
ひいては、等価直列抵抗値を小さくすることができる。水晶片１２１の形状は、平面視すると、略矩形形状となっており、その主面は、Ｘ軸に平行な長辺およびＺ´軸に平行な短辺を有する矩形である。このような水晶片１２１は、Ｘ軸方向を長手方向とし、Ｙ´軸方向を上下厚み方向としている。

振動部１２１ａは、例えば、ＸＺ´平面に平行な一対の主面を有する略薄型直方体であり、その主面は、Ｘ軸に平行な長辺およびＺ´軸に平行な短辺を有する矩形である。この振動部１２１ａの主面には、金属パターン１２２の一部、具体的には、一対の励振電極部１２３が設けられている。金属パターン１２２に交番電圧を印加すると、励振電極部１２３に挟まれている振動部１２１ａの一部が、逆圧電効果および圧電効果により、振動する。このとき、水晶素子１２０では、主振動である厚みすべり振動と、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる副次的な屈曲振動と、水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる副次的な屈曲振動とが少なくとも生じている。主振動である厚みすべ振動は、
励振電極部１２３に挟まれている部分において最も振動しているが、励振電極部１２３に挟まれている部分から励振電極部１２３に挟まれていない部分へも、主振動である厚みすべり振動が漏れ伝搬している状態となっている。

周辺部１２１ｂは、振動部１２１ａの外縁に沿って設けられている。また、周辺部１２１ｂは、特に区別するための図示はしないが、平板部と中間部とから構成されている。

周辺部１２１ｂの平板部は、振動部１２１ａの外縁に沿って環状の設けられており、その上下方向の厚みは、振動部１２１ａの上下方向の厚みよりも薄くなっている。また、周辺部１２１ｂの平板部は、振動部１２１ａの主面と略平行な面を有している。従って、周辺部１２１ｂの平板部は、水晶素子１２０を基体１１０に実装したとき、基板部１１０ａの上面と略平行な面を有していることとなる。前述したように、振動部１２１ａの主面と略平行となっている周辺部１２１ｂの平板部の面を、周辺部１２１ｂの主面とする。また、周辺部１２１ｂの主面であって、水晶素子１２０を基体１１０に実装したときに、基板部１１０ａ側を向く周辺部１２１ｂの主面を周辺部１２１ｂの下面とし、
周辺部１２１ｂの下面と反対側を向く周辺部１２１ｂの主面を周辺部１２１ｂの上面とする。

周辺部１２１ｂの中間部は、振動部１２１ａと平板部との間に位置しており、振動部１２１ａおよび平板部と一体的に設けられている。周辺部１２１ｂの中間部の上下方向の厚みは、振動部１２１ａから平板部にかけて徐々に薄くなっている。従って、本実施形態では、特に図示してないが、水晶片１２１をＸ軸およびＹ´軸に平行な面で断面視したとき、振動部１２１ａと平板部との間に位置している斜面を含む部分が中間部に相当することとなる

なお、水晶片１２１の外形がエッチングによって形成される場合、エッチングに対する水晶の異方性等によって比較的大きさ誤差（系統誤差のようなもの）が生じる。当該誤差は、意図的に利用されていることもある。本開示の説明においては、このような誤差の存在は無視するものとする。例えば、実際の水晶片１２１においては、側面が主面に直交せずに傾斜していたり、側面が平面にならず外側に膨らむ形状になっていたりすることがあるが、そのような傾斜および／または膨らみの図示および説明は省略する。第三者の製品が本開示の技術に係るか否か判断する場合においてもそのような誤差は無視されてよい。なお、偶然誤差のようなものが無視されてよいことはもちろんである。
周辺部における中間部および平板部を特に区別し図示していないのもこのためである。

図５および図６に示すように、水晶片１２１の平面視における形状は、矩形である。当該矩形は、長方形（本開示では正方形も含むものとする。正方形の場合には、所定の一辺を当該一方の長辺とし、所定の一辺に接続している所定の他の一辺を当該一方の短辺とする。励振電極部１２３についても同様。）であり、一対の長辺と、一対の長辺の両端を結ぶ短辺とを有している。なお、本開示について矩形または長方形は、角部が面取りされた形状を含むものとする（励振電極部１２３についても同様）。水晶片１２１では、例えば、主面はＸＺ´平面に略平行な面であり、長辺はＸ軸に略平行な辺であり、短辺はＺ´軸に平行な辺である。

水晶片１２１における振動部１２１ａの厚みは、厚みすべり振動について所望の固有振動数に基づいて設定される。例えば、厚みすべり振動の基本波振動を用いる場合において、固有振動数をＦ（ＭＨｚ）とすると、この固有振動数Ｆに対応する振動部１２１ａの厚みｔ(μｍ）を求める基本式は、ｔ＝１６７０／Ｆである。なお、実際には、水晶片１２１における振動部１２１ａの厚みは、励振電極部１２３の重さ等も考慮して、基本式の値から微調整された値となる。

また、このような水晶片１２１は、接続配線部１２４の接続部１２４ａが並んで設けられている水晶片１２１の所定の一辺を含む側面を平面視（側面視）したとき、水晶片１２１の所定の一辺を含む側面に、凹部１２５が形成されている。

水晶片１２１の所定の一辺を含む側面に形成されている凹部１２５は、例えば、第一凹部１２５ａ、第二凹部１２５ｂ、および、第三凹部１２５ｃからなる。第一凹部１２５ａは、例えば、水晶片１２１の所定の一辺の一端側であって水晶片１２１の下面に連なるように形成されている。第二凹部１２５ｂは、例えば、水晶片１２１の所定の一辺の他端側であって水晶片１２１の下面に連なるように形成されている。第三凹部１２５ｃは、例えば、水晶片１２１の所定の一辺の中点を通過しつつ水晶片１２１の上面および水晶片１２１の下面に連なるように形成されている。

このように、接続配線部１２４の接続部１２４ａが並んで設けられている水晶片１２１の所定の一辺を含む側面に凹部１２５を形成することで、水晶素子１２０を水晶デバイスとして用いる場合、接続部１２４ａが導電性接着剤１４０により接着されるので、凹部１２５が形成されている側面の両端部を導電性接着剤１４０で接着されている状態にすることができる。別の観点では、このようにすることで、凹部１２５が形成されている側面の両端部を導電性接着剤１４０により固定することでできるといえる。このため、接続部１２４が並んで設けられていない
水晶片１２１の所定の他の辺に凹部１２５を形成する場合と比較して、副次的な振動である屈曲振動の発生をより抑制することが可能となる。
この結果、副次的な振動である屈曲振動が、主振動である厚みすべり振動に与える影響を低減でき、電気的特性を向上させることが可能となる。

水晶片１２１の各種寸法の一例は、例えば、長辺の長さが５５０μｍ〜１．１ｍｍ、短辺の長さが３５０μｍ〜７５０μｍ、厚さが２０μｍ〜７０μｍとなっている。

このような水晶片１２１に設けられている金属パターン１２２は、水晶素子１２０の外部から交番電圧を印加するためのものである。金属パターン１２２は、一層となっていてもよいし、複数の金属層が積層されていてもよい。金属パターン１２２は、特に図示しないが、例えば、第一金属層と、第一金属層上に積層されている第二金属層とからなる。第一金属層は、水晶と密着性のより金属が用いられ、例えば、ニッケル、クロム、ニクロムまたはチタンのいずれか一つが用いられる。第一金属層に水晶と密着性のよい金属を用いることで、
水晶と密着しにくい金属を第二金属層に用いることができる。第二金属層は、金属材料の中で電気抵抗率が低く、安定した材料が用いられ、例えば、金、金を主成分とした合金、銀または銀を主成分とした合金のいずれか一つが用いられる。電気抵抗率が低い材料を用いることで、金属パターン１２２自身の抵抗率を小さくすることができ、この結果、水晶素子１２０の等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。また、安定した金属材料を用いることで、水晶素子１２０の存在する周囲の空気と金属パターン１２２が反応し金属パターン１２２の重さが変化し水晶素子１２０の周波数が変化し電気的特性が変化することを低減させることができる。

金属パターン１２２は、励振電極部１２３よび接続配線部１２４から構成されている。接続配線部１２４は、接続部１２４ａと配線部１２４ｂからなる。

励振電極部１２３は、水晶片１２１に交番電圧を印加するためのものである。励振電極部１２３は、一対となっており、水晶片１２１の両主面の中央部付近、具体的には、振動部１２１ａの中央部に互いが対向するように設けられている。励振電極部１２３は、平面視して、略矩形となっており、励振電極部１２３の中心（具体的には、励振電極部１２３の対角線の交点）が、振動部１２１ａの中心（具体的には、振動部１２１ａの対角線の交点）と一致している。このとき、励振電極部１２３の中心は、水晶片１２１の中心（具他的には、水晶片１２１の対角線の交点）と比較すると、
接続配線部１２４の接続部１２４ａが設けられている水晶片１２１の一方の短辺と対向する水晶片１２１の他方の短辺側に位置している。ここで、水晶片１２１の一方の短辺とは、接続配線部１２４の接続部１２４ａが並んで設けられている水晶片１２１の短辺であり、水晶片１２１の他方の短辺とは、接続部１２４ａが設けられていない水晶片１２１の短辺である。このようにすることで、水晶片１２１の一方の短辺から励振電極部１２３の中心までの距離（および振動部１２１ａの中心までの距離）を、水晶片１２１の一方の短辺から水晶片１２１の中心まで距離と比較して長くすることができる。
この結果、接続配線部１２４の接続部１２４ａを導電性接着剤１４０で電気的に接続しつつ接着したとき、導電性接着剤１４０により励振電極部１２３に挟まれている部分の振動が阻害されることを低減させることが可能となり、水晶デバイスの等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることができる。

接続配線部１２４は、接続部１２４ａと配線部１２４ｂからなり、水晶素子１２０の外部から励振電極部１２３に交番電圧を印加するためのものである。

接続部１２４ａは、水晶素子１２０を水晶デバイスとして用いる場合、基体１１０に実装するためのものであり、基体１１０の基板部１１０ａの上面に設けられている搭載パッド１１１と導電性接着剤１４０によって電気的に接続される。接続部１２４ａは、一対となっており、基板部１１０ａの搭載パッド１１１と対向する位置であって、水晶片１２１の一方の短辺の縁部に沿って二つ並んで設けられている。

配線部１２４ｂは、接続部１２４ａと励振電極部１２３とを電気的に接続させるためのものであり、一端が接続部１２４ａに接続され他端が励振電極部１２３に接続されている。また、配線部１２４ｂは、別の観点では、励振電極部１２３から接続部１２４ａまで延設されているといえる。また、配線部１２４ａは、水晶片１２１の長辺と平行となるように延設されている。このようにすることで、接続部１２４ａと励振電極部１２３との距離をより短くすることができ配線部１２４ｂ自身の抵抗を低減させることができ、ひいては、水晶素子１２０の等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることが可能となる。
また、配線部１２４ｂをこのようにすることで、配線部１２４ｂが水晶片１２１の長辺に対して直角または斜めになっている場合と比較して水晶素子１２０の外部の使用用途でない信号（ノイズ）が重畳することを低減させることができ、ひいては、水晶素子１２０の外部のノイズによる水晶デバイスの電気的特性の悪化を抑制することが可能となる。

このような水晶素子１２０は、前述したように、金属パターン１２２に交番電圧を印加すると、主振動である厚みすべり振動、副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動、および、副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の少なくとも三つの振動が生じる。このとき、主振動である厚みすべり振動は、基本的には、励振電極部１２３に挟まれている部分において生じているが、励振電極部１２３に挟まれている部分から励振電極部１２３に挟まれていない部分へも漏れ伝搬している状態となっている。

ここで、副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の波長をλｚとし、副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の波長をλｘとする。なお、λｚおよびλｘについては、シミュレーションおよび実験によって算出している。

また、副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動における節となる部分とは、節に対して±λｚ／８の範囲内となっている部分（−λｚ／８＜節となる部分＜＋λｚ／８）である。同様に、副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動における節となる部分とは、節に対して±λｘ／８の範囲内となっている部分（−λｘ／８＜節となる部分＜＋λｘ／８）である。

水晶素子１２０は、平面視して、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節が、水晶片１２１の長辺上に位置している。

また、水晶素子１２０は、平面視して、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節が、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

また、水晶素子１２０は、平面視して、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節が、水晶片１２１の短辺上に位置している。

また、水晶素子１２０は、平面視して、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節が、水晶片１２１の短辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

また、水晶素子１２０が導電性接着剤１４０によって基体１１０に実装されているとき、導電性接着剤１４０と水晶素子１２０とが接着している接着部分には、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が位置しつつ、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が位置している。

（実施例）
前記した水晶素子１２０の種々の寸法で実際に作製し、その等価直列抵抗値を調べる実験を行った。その結果、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに生じる副次的な振動であって水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、水晶片１２１に長辺上に位置していることが望ましいことが分かった。さらに、この副次的な振動であって水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置していることが、より望ましいことが分かった。

本実施例では、第一サンプルおよび第二サンプルを各１０個ずつ作製した。また、比較例として第三サンプルおよび第四サンプルについても各１０個ずつ作製した。

第一サンプルの水晶素子は、本実施例の一例であり、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置し、かつ、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

第二サンプルの水晶素子は、本実施例の別の一例であり、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置し、かつ、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

第三サンプルの水晶素子は、比較例の一例であり、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置し、かつ、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

第四サンプルの水晶素子は、比較例の別の一例であり、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置し、かつ、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置している。

ここで、第一サンプル、第二サンプル、第三サンプルおよび第四サンプルは、水晶片１２１の短辺の長さ、および、水晶片１２１の短辺に平行な振動部１２１ａの辺の長さのみを変え、水晶片１２１の長辺の長さ、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺の長さ、水晶片１２１の長辺に平行な励振電極部１２３の辺の長さ、水晶片１２１の短辺に平行な励振電極部１２３の辺の長さ、および、振動部１２１ａの上下方向の厚みを、等価直列抵抗値を考慮した経験的に好適な値である所定の値とした。

第一サンプル、第二サンプル、第三サンプルおよび第四サンプルのそれぞれの寸法は、以下のようになっている。水晶片１２１の長辺は、６５０μｍ〜９２０μｍの所定の値であり、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺の長さは、５３５μｍ〜６００μｍの所定の値であり、水晶片１２１の長辺に平行な励振電極部１２３の辺の長さは、４５０μｍ〜５７０μｍの所定の値であり、
水晶片１２１の短辺に平行な励振電極部１２３の辺の長さは、２５０μｍ〜５５０μｍの所定の値であり、振動部１２１ａの上下方向の厚みは、５９μｍ〜６２μｍの所定の値である。
なお、繰り返しとなるが、それぞれの所定の値については、等価直列抵抗値を考慮した経験的に好適な値である。

第一サンプル、第二サンプル、第三サンプルおよび第四サンプルにおいて、異なる寸法となる水晶片１２１の短辺の長さ、および、水晶片１２１の短辺に平行な振動部１２１ａの長さは、シミュレーションおよび実験から求めた長さとした。なお、水晶片１２１の短辺の長さは、５５０μｍ〜６９０μｍの範囲内に入っており、水晶片１２１の短辺に平行な振動部１２１ａの長さは、３５０μｍ〜５８０μｍの範囲内に入っている。
副次的な振動であり水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の波長λｚは、水晶片１２１の長辺間の距離に大きく依存しているため、本実施例においては、水晶片１２１の短辺の長さをパラーメータとしている。

なお、本実施例においては、水晶素子１２０の振動周波数の公差は±０．５％となっている。また、水晶片１２１の短辺の長さおよび水晶片１２１の長辺の長さを除く寸法の公差は、±５μｍとなっている。水晶片１２１の短辺の長さの公差は、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の波長λｚの±λｚ／８であり、水晶片１２１の長辺の長さの公差は、水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の波長λｘの±λｘ／８である。

図７は、本実施形態における水晶素子と比較例である水晶素子の対比を示した対比表である。具体的には、サンプル１〜サンプル４においてそれぞれ１０個の水晶素子を作製し等価直列抵抗値を測定した際に、等価直列抵抗値が７５Ω以下となっているもの数量から、判定を行っているものである。

判定は、７５Ω以下が１００％であった場合には「◎」、７５Ω以下が８０％以上かつ１００％未満であった場合には「○」、７５Ω以下が５０％以上かつ８０％未満であった場合には「△」、７５Ω以下が５０％未満であった場合には「×」とした。

第一サンプルは、１０個のうち１０個とも７５Ω以下であった。従って、第一サンプルは、１００％であり、判定が「◎」とした。
第二サンプルは、１０個のうち９個が７５Ω以下であった。従って、第二サンプルは、９０％であり、判定が「○」とした。
第三サンプルは、１０個のうち６個が７５Ω以下であった。従って、第三サンプルは、６０％であり、判定が「△」とした。
第三サンプルは、１０個のうち１個が７５Ω以下であった。従って、第四サンプルは、１０％であり、判定が「×」とした。

本実施例では、判断を行う際に、等価直列抵抗値が７５Ωの場合を基準としている。水晶素子が実装されている水晶デバイスを用いて発振回路を形成する場合、要求される水晶素子の等価直列抵抗値は、共振周波数帯や水晶デバイスの大きさによって異なるが、共振周波数が２７．１２ＭＨｚにおいては、等価直列抵抗値が７５Ω以下であれば、移動通信機器（一例として、通信端末）に搭載される電子回路で、
実用性のある発振回路を形成することができる。従って、本実施例では、等価直列抵抗値が７５Ω以下であることを指標としている。

実施例および比較例より、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置している場合には、等価直列抵抗値が７５Ωより小さくなり、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させることに有効であるといえる。また、さらに、水晶片１２１の短辺の平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に位置していることで、
等価直列抵抗値が大きくなることをより低減させることに有効であるといえる。

以上のとおり、本実施形態に係る水晶素子１２０は、平面視して略矩形となっており、略直方体の振動部１２１ａ、および、振動部１２１ａの外縁に沿って設けられている振動部１２１ａよりも上下方向の厚みが薄い周辺部１２１ｂを有している水晶片１２１と、振動部１２１ａの両主面に設けられている励振電極部１２３、および、励振電極部１２３から水晶片１２１の縁部まで延設されている接続配線部１２４からなる金属パターン１２４と、を備えている水晶素子１２０であって、
金属パターン１２２に交番電圧を印加したとき、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置している。

前述したように、金属パターン１２２に交番電圧を印加すると、主振動である厚みすべり振動、副次的な振動であって水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動、および、副次的な振動であって水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の少なくとも三つの振動が生じている。このとき、主振動である厚みすべり振動は、励振電極部に挟まれている部分で最も振動しているが、
励振電極部１２３に挟まれている部分から励振電極部１２３に挟まれていない部分へも漏れ伝搬している状態となっている。そして、励振電極部１２３に挟まれている部分の主振動である厚みすべり振動は、励振電極部１２３に挟まれていない部分へ漏れ伝搬し、水晶片１２１の縁部まで伝搬し、水晶片１２１の側面で反射し、水晶片１２１の縁部から水晶片１２１の中心へ向かって再び伝搬していく。

本実施形態に係る水晶素子１２０は、前述したように、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置しているので、水晶片１２１をＹ´Ｚ´平面で断面視したときに水晶片１２１の長辺となる部分の変位量がほとんどない状態にすることができる。このため、励振電極部１２３に挟まれている部分から漏れ伝搬した主振動である厚みすべり振動が、水晶片１２１の（長辺を含む）側面にまで到達したときに反射する状態を同じにすることができる。
逆に、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の腹となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置している場合には、励振電極部１２３に挟まれている部分から漏れ伝搬した主振動である厚みすべり振動が、水晶片１２１の（長辺を含む）側面まで到達したときに反射する状態が常に異なることととなり、反射の状態によって励振電極部１２３に挟まれている部分の振動と結合し、等価直列抵抗値が大きくなり電気的特性が悪化する虞がある。
つまり、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の長辺上に位置させることで、副次的な振動であって水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動が、主振動である厚みすべり振動へ与える影響を低減させることができ、この結果、等価直列抵抗値が大きくなり電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。

また、別の観点では、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの辺上に、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が位置していても、腹となる部分が位置していても、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させつつ、電気的特性を向上させることができるといえる。従って、水晶素子１２０を製造する際に、水晶片１２１の短辺に平行な振動部１２１ａの長さの公差を大きくすることが可能となり、生産性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る水晶素子１２０は、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、水晶片１２１の長辺に平行な振動部１２１ａの二辺上に位置している。

このようにすることで、励振電極部１２３に挟まれている部分から漏れ伝搬した主振動である厚みすべり振動が、振動部１２１ａから周辺部１２１ｂへ向かう際に、周辺部１２１ｂの中間部において反射するときの状態を一定にすることができる。このため、中間部において反射された振動と励振電極部１２３に挟まれている部分の振動とを常に一定にすることができ、
反射した振動と励振電極部１２３に挟まれている部分の振動とが結合する状態を常に一定にすることができる。従って、副次的な振動であって水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動が、主振動に与える影響を低減させることができ、この結果、等価直列抵抗値が大きく電気的特性が悪化することを抑制されることが可能となる。

また、本実施形態に係る水晶素子１２０は、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに、水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の短辺上に位置している。

このようにすることで、水晶片１２１をＸＹ´平面で断面視したときに水晶片１２１の短辺となる部分の変位量がほとんどない状態にすることができる。このため、励振電極部１２３に挟まれている部分から漏れ伝搬した主振動である厚みすべり振動が、水晶片１２１の（短辺を含む）側面にまで到達したときに反射する状態を同じにすることができる。つまり、水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が水晶片１２１の短辺上に位置させることで、副次的な振動であって水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動が、
主振動である厚みすべり振動へ与える影響を低減させることができ、この結果、等価直列抵抗値が大きくなり電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。

一般的に、水晶片１２１の長辺の長さが短い場合、具体的には、水晶片１２１の長辺の長さが９２０μｍ以下のような場合、屈曲振動の次数が低くなるため、主振動である厚みすべり振動へ与える影響が大きくなってしまい、主振動である厚みすべり振動と副次的な振動である屈曲振動とが結合しやすくなる傾向がある。このため、本実施形態に係る水晶素子１２０の構成とすることで、副次的な振動である屈曲振動が主振動である厚みすべり振動へ与える影響をより低減させることができる。つまり、水晶素子１２０が小型化したような場合には、効果がより顕著となる。

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、水晶素子１２０と、接続配線部１２４に導電性接着剤１４０で電気的に接着される搭載パッド１１１が設けられている基板部１１０ａを有した基体１１０と、基体１１０に接合される蓋体１３０と、を備えている。

このような水晶デバイスは、前述したように、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させ、電気的特性を向上させることができる水晶素子１２０を用いているので、水晶デバイスにおいても、等価直列抵抗値が大きくなることを低減させ、電気的特性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、平面視して、導電性接着剤１４０と水晶片１２１とが接着している部分に、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が位置しており、かつ、導電性接着剤１４０と水晶片１２１とが接着している部分に、金属パターン１２２に交番電圧を印加したときに水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が位置している。

このようにすることで、交番電圧を印加し副次的な振動である屈曲振動（具体的には、水晶片１２１の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動、および、水晶片１２１の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動）が生じた場合、導電性接着剤１４０により接着している部分の水晶片１２１の歪の量をより低減させることが可能となる。このため、導電性接着剤１４０により接着している部分に歪が生じることで主振動である厚みすべり振動が阻害され電気的特性が低下することを軽減させることができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

水晶素子を有するデバイスは、水晶振動子に限定されない。例えば、水晶素子に加えて水晶素子に電圧を印加して発振信号を生成する集積回路素子（ＩＣ）を有する発振器であってもよい。また、例えば、水晶デバイスは、水晶素子の他にサーミスタ等の電子素子を有するものであってもよい。また、例えば、水晶デバイスは、恒温槽付きであってもよい。水晶デバイスにおいて、水晶素子を実装する基体の構造は、適宜構成されてもよい、例えば、基体は、上面および下面に凹部を有する断面Ｈ型のものであってもよい。

水晶素子は、水晶片の所定の一辺を含む側面に第一凹部、第二凹部および第三凹部からなる凹部が形成されている場合について説明しているが、二以上の凹部であれば、いくつ凹部が形成されていてもよい。また、水晶片の所定の一辺を含む側面に凹部が形成されていなくてもよい。

１１０・・・基体
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・枠部
１１１・・・搭載パッド
１１２・・・外部端子
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶片
１２１ａ・・・振動部
１２１ｂ・・・周辺部
１２２・・・金属パターン
１２３・・・励振電極部
１２４・・・接続配線部
１２４ａ・・・接続部
１２４ｂ・・・配線部
１２５・・・凹部
１２５ａ・・・第一凹部
１２５ｂ・・・第二凹部
１２５ｃ・・・第三凹部
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着剤

Claims (5)

1. 平面視して略矩形となっており、略直方体の振動部、および、前記振動部の外縁に沿って設けられている前記振動部より上下方向の厚みが薄い周辺部を有している水晶片と、
   前記振動部の両主面に設けられている励振電極部、および、前記励振電極部から前記水晶片の縁部まで延設されている接続配線部からなる金属パターンと、
   を備えている水晶素子であって、
   前記金属パターンに交番電圧を印加したとき、
   前記水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が前記水晶片の長辺上に位置している
   ことを特徴とする水晶素子。
2. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、水晶片の長辺に平行な前記振動部の二辺上に位置している
   ことを特徴とする水晶素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の水晶素子であって、
   前記金属パターンに交番電圧を印加したときに、前記水晶片の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分が、前記水晶片の短辺上に位置している
   ことを特徴とする水晶素子。
4. 請求項１乃至請求項４に記載の水晶素子と、
   前記接続配線部に導電性接着剤で電気的に接着される搭載パッドが設けられている基板部を有した基体と、
   前記基体に接合される蓋体と、
   備えた水晶デバイス。
5. 請求項４に記載の水晶デバイスであって、
   平面視して、
   前記導電性接着剤と前記水晶片とが接着している部分に、前記金属パターンに交番電圧を印加したときに前記水晶片の短辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分とが位置しており、
   前記導電性接着剤と前記水晶片とが接着している部分に、前記金属パターンに交番電圧を印加したときに前記水晶片の長辺に平行な向きで生じる屈曲振動の節となる部分とが位置している
   ことを特徴とする水晶素子。

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