圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器
【課題】広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器を提供すること。
【解決手段】共通の圧電板１に振動部１１、２１を設けて、これら振動部１１、２１を囲む枠状体３１を配置すると共に、枠状体３１に対して振動部１１、２１を夫々支持する支持部１２、２２を圧電板１に設ける。また、振動部１１、２１の励振電極１３、２３に夫々接続される電極パッド１５、２５を枠状体３１に設けると共に、これら振動部１１、２１間に、例えば圧電板１の双晶化により形成される弾性境界領域３２を配置して、圧電板１の振動の伝搬を抑制する。更に、第１の支持部１２及び第２の支持部２２に弾性境界領域３２を設ける。
【解決手段】共通の圧電板１に振動部１１、２１を設けて、これら振動部１１、２１を囲む枠状体３１を配置すると共に、枠状体３１に対して振動部１１、２１を夫々支持する支持部１２、２２を圧電板１に設ける。また、振動部１１、２１の励振電極１３、２３に夫々接続される電極パッド１５、２５を枠状体３１に設けると共に、これら振動部１１、２１間に、例えば圧電板１の双晶化により形成される弾性境界領域３２を配置して、圧電板１の振動の伝搬を抑制する。更に、第１の支持部１２及び第２の支持部２２に弾性境界領域３２を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電板を厚さ方向から挟むように励振電極を形成した圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば水晶などからなる圧電板の上下両面に励振電極を形成した水晶（圧電）振動子は、安定した周波数信号を出力する基準周波数源として、例えばＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの発振器に広く使用されている。このＴＣＸＯは、感温素子を用いた温度補償回路を備えており、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号が得られると共に、小型で軽量という利点がある。そして、より一層安定した周波数信号が得られるＴＣＸＯとして、例えば特許文献１に記載されているように、共通の圧電板に２つの振動子を形成して、これら振動子の一方を温度センサとして利用する構成が知られている。
【０００３】
ところで、電子機器の小型化が進むにつれて、水晶振動子についても小型化が求められており、特許文献２に記載されているように、例えば外枠体により片持ちあるいは両持ちで支持された振動子をフォトリソグラフィー法により製造する手法が知られている。
しかしながら、これら特許文献１、２あるいは特許文献３〜１２には、フォトリソグラフィー法を用いてＴＣＸＯを形成する技術や、ＴＣＸＯに対して電気信号の入出力を行うための引き出し電極については具体的に記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３１９５
【特許文献２】特開平７−２１２１７１
【特許文献３】特開昭５３−３１７９
【特許文献４】特開２００４−１４６９６５
【特許文献５】特開２００８−２２３７８
【特許文献６】特開２０１１−３５５４６
【特許文献７】特開２０１１−４１１１３
【特許文献８】特開２００３−２３３３９
【特許文献９】特開平５−１６０６５９
【特許文献１０】特開昭６１−２３８１１６
【特許文献１１】特開昭６１−１３８０９
【特許文献１２】特開２００１−１４４５７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電振動子は、
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
この枠状体の左側部分から、前記第１の振動部を支持するために当該第１の振動部に向かって伸びる第１の支持部、及び前記枠状体の右側部分から、前記第２の振動部を支持するために当該第２の振動部に向かって伸びる第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、
前記第１の振動部と前記第２の振動部との間、前記第１の支持部、及び前記第２の支持部の少なくとも１箇所に形成され、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記第１の電極パッド及び前記第２の電極パッドのうち一方の電極パッドは、当該電極パッドに接続される一方の振動部に対してこの電極パッドを介して応力が伝わることを抑えるために、前記枠状体上において他方の振動部側に寄った位置に配置されていても良い。
【０００８】
本発明の圧電振動子は、
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部を夫々支持するために、前記枠状体から前記第１の振動部及び前記第２の振動部に向かって夫々伸びる第１の支持部及び第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の発振器は、
既述の圧電振動子と、
前記第１の電極パッドに接続される第１の発振回路と、
前記第２の振動部を温度センサーとして用いるために、前記第２の電極パッドに接続される第２の発振回路と、
前記第１の発振回路及び前記第２の発振回路の夫々の出力信号に基づいて設定周波数信号を得るための信号出力部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、共通の圧電板に第１の振動部及び第２の振動部を設けて、これら第１の振動部及び第２の振動部を囲む枠状体を配置すると共に、枠状体に対して第１の振動部及び第２の振動部を夫々支持する支持部を圧電板に設けている。そのため、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の圧電振動子を構成できる。また、枠状体の左側部分及び枠状体の右側部分に第１の振動部及び第２の振動部を夫々支持するための支持部を設けることにより、機械的強度に優れた圧電振動子を得ることができる。更に、第１の振動部及び第２の振動部の励振電極に夫々接続される電極パッドを枠状体に設けているので、電極パッド側からの機械的な応力や、圧電振動子の外部の温度変化による電極パッドの膨張収縮が各振動部へ伝達することを抑制できる。更にまた、第１の振動部と第２の振動部との間に、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域を設けることにより、これら振動部間での相互干渉を抑えることができる。また、第１の支持部及び第２の支持部の少なくとも１箇所に境界領域を設けることにより、振動部から支持部への振動エネルギーの漏出を抑えることができるので、安定した出力信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の水晶振動子の一例を示す斜視図である。
【図２】前記水晶振動子の表面側を示す平面図である。
【図３】前記水晶振動子の裏面側を示す平面図である。
【図４】前記水晶振動子を示す縦断面図である。
【図５】前記水晶振動子における弾性境界領域を形成する様子を模式的に示す縦断面図である。
【図６】前記水晶振動子の周波数特性を示す模式図である。
【図７】前記水晶振動子の周波数温度特性を示す模式図である。
【図８】前記水晶振動子を備えた発振器を示す回路図である。
【図９】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１０】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１１】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１２】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１３】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１４】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１５】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１６】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１７】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の圧電振動子の実施の形態の一例である水晶振動子について、図１〜図７を参照して説明する。始めに、この水晶振動子の概略について説明すると、この水晶振動子は、図１に示すように、例えば水晶からなる共通の圧電板１において互いに対向するように配置された２つの振動部１１、２１を備えている。そして、圧電板１には、平面で見た時に隙間領域を介してこれら振動部１１、２１を囲むように配置された枠状体３１が設けられており、振動部１１、２１は、夫々支持部１２、２２を介して枠状体３１に支持されている。圧電板１は、この例では長手方向（図２中Ｘ方向）が結晶軸のＸ軸となるように切断されたＡＴカット板により構成されている。図１中２、３は夫々水晶振動子を収納するために上方側が開口する概略箱形の外装体及びこの外装体の上面を塞ぐ蓋体であり、各々例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックスにより構成されると共に、例えば直接接合により互いに封止されている。また、図１中４は外装体２の床面に形成された入出力電極であり、この入出力電極４を介して水晶振動子に対して電気信号の入出力が行われる。尚、図１では蓋体３の一部を切り欠いている。
【００１３】
これら振動部１１、２１の並ぶ方向を左右方向（図２中Ｘ方向）と呼ぶと共に、左側の振動部１１及び右側の振動部２１に夫々「第１」及び「第２」を付すと、第１の振動部１１は、枠状体３１において当該第１の振動部１１よりも左側の部位（左側部分）からこの第１の振動部１１に向かって互いに平行に伸びる第１の支持部１２、１２により支持されている。また、第２の振動部２１は、枠状体３１において当該第２の振動部２１よりも右側の部位（右側部分）からこの第２の振動部２１に向かって互いに平行に伸びる第２の支持部２２、２２により支持されている。そして、第１の振動部１１の右端部と、第２の振動部２１の左端部とは、互いに接続されている。従って、これら振動部１１、２１からなる構成は、支持部１２、２２を介して枠状体３１により左右両持ちで支持されている。
【００１４】
これら振動部１１、２１間の領域には、圧電板１の振動が当該領域を介して伝搬することを抑制するための弾性境界領域３２が形成されている。この例では、弾性境界領域３２は、圧電板１を双晶化させることによって形成されている。具体的には、この弾性境界領域３２は、圧電板１が水晶のα−β転移点以上の温度となるように例えばレーザー光を当該圧電板１に照射して加熱することにより、水晶の電気軸即ちＸ軸を反転させることにより形成されたものであり、図４及び図５に示すように、前後方向（図２中Ｙ方向）及び圧電板１の厚さ方向に亘って形成されている。
【００１５】
即ち、この弾性境界領域３２は、各振動部１１、２１における圧電板１とは物性（共振周波数）が異なるように当該圧電板１を変質させた領域であり、従って振動部１１、２１間では当該弾性境界領域３２を介して圧電板１の振動が伝搬しにくくなっている。具体的には、例えば第１の振動部１１で発生する振動は、前記弾性境界領域３２を介して第２の振動部２１に向かおうとするが、当該弾性境界領域３２の共振周波数が第１の振動部１１における共振周波数とは異なるので、この弾性境界領域３２において振動が減衰し、従って第２の振動部２１への伝達が阻害される。第２の振動部２１で発生する振動についても同様に、弾性境界領域３２によって第１の振動部１１への伝搬が阻害される。尚、図１では弾性境界領域３２を省略している。
【００１６】
この弾性境界領域３２は、図２〜図４にも示すように、各振動部１１、２１と枠状体３１との間における支持部１２、２２にも形成されており、従って弾性境界領域３２によって、各々の振動部１１、２１の振動エネルギーが支持部１２、２２を介して枠状体３１に漏洩することが抑制されている。そのため、各振動部１１、２１では、圧電板１の振動に基づいて発生するエネルギーが閉じこめられていると言える。
【００１７】
続いて、これら振動部１１、２１のうち第１の振動部１１について説明する。第１の振動部１１の上面側及び下面側には、圧電板１を厚さ方向から挟むように、互いに同じ膜厚例えば０．１μｍ程度となるように各々矩形に形成された一対の励振電極１３ａ、１３ｂが配置されている。圧電板１の上面（表面）側の励振電極１３ａには、２つの第１の支持部１２、１２のうち手前側の第１の支持部１２の上面及び当該第１の支持部１２の側面を介して圧電板１の下面（裏面）側に向かって伸び出す第１の引き出し電極１４の一端側が接続されている。この第１の引き出し電極１４の他端側は、図３に示すように、枠状体３１の下面において当該枠状体３１の角部に向かって伸び出して、第１の電極パッド１５をなしている。尚、この実施の形態では、圧電板１を平面で見た時（表面側、図２）の前後方向を手前側及び奥側と呼んでいる。
【００１８】
第１の電極パッド１５の下方側には、外装体２の床面に形成された入出力電極４と当該第１の電極パッド１５とを電気的に接続するために、導電材からなるバンプ（導電性接着剤）１６が形成されている。このバンプ１６の下方側における外装体２の下面には、図４に示すように、電極５が形成されており、当該蓋体３を上下方向に貫通するように設けられた貫通配線６を介して、第１の振動部１１に対して入出力電極４から電気信号の入出力が行われるように構成されている。
【００１９】
第１の振動部１１の裏面側の励振電極１３ｂには、図２及び図３に示すように、２つの支持部１２、１２のうち奥側の支持部１２の裏面側に形成された引き出し電極１４の一端側が接続されており、この引き出し電極１４の他端側は、枠状体３１の裏面側を奥側に向かって伸び出して第１の電極パッド１５をなしている。この第１の電極パッド１５は、同様にバンプ１６及び貫通配線６を介して入出力電極４に接続されている。従って、第１の振動部１１と第１の電極パッド１５、１５との間には、既述の弾性境界領域３２が各々位置している。
【００２０】
第２の振動部２１は、平面で見た時に振動部１１、２１間の弾性境界領域３２において当該弾性境界領域３２の中心位置を介して点対称となるように配置されている。即ち、第２の振動部２１の上面側及び下面側には、互いに同じ膜厚となるように形成された一対の励振電極２３ａ、２３ｂが配置されている。これら励振電極２３ａ、２３ｂの膜厚は、第１の振動部１１の共振周波数と第２の振動部２１の共振周波数とを互いに異なる値にするために、既述の励振電極１３ａ、１３ｂとは異なる寸法例えば０．３μｍ程度となっている。
【００２１】
第２の振動部２１の上面側の励振電極２３ａは、２つの支持部２２、２２のうち奥側の支持部２２の上面側に形成された引き出し電極２４の一端側に接続されている。この引き出し電極２４の他端側は、図２中右側に伸び出すと共に圧電板１の下面側に回り込んで、枠状体３１の角部において第２の電極パッド２５をなしている。この第２の電極パッド２５は、図４に示すように、バンプ２６、電極５及び貫通配線６を介して外装体２の下方側の入出力電極４に接続されている。
【００２２】
第２の振動部２１の裏面側の励振電極２３ｂには、２つの支持部２２、２２のうち手前側の支持部２２の下面側に形成された引き出し電極２４の一端側が接続されており、この引き出し電極２４の他端側は、枠状体３１の裏面側を手前側に向かって伸び出して第２の電極パッド２５をなしている。この第２の電極パッド２５についても、バンプ２６、電極５及び貫通配線６を介して外装体２の下面側の入出力電極４に接続されている。従って、第２の振動部２１についても、当該第２の振動部２１と第２の電極パッド２５、２５との間には、弾性境界領域３２が各々位置している。尚、図４では励振電極１３、２３の膜厚を誇張して大きく描画している。
【００２３】
次に、この水晶振動子の製造方法について、簡単に説明する。始めに、厚み寸法が例えば１００μｍ程度に切断されると共に上下両面が研磨された水晶からなるウエハに対して、例えばレジストマスクを用いたフォトリソグラフィー法及びウエットエッチングにより、枠状体３１と振動部１１、２１との間の領域、枠状体３１と支持部１２、２２との間の領域及び支持部１２、１２（２２、２２）間の領域に貫通孔を形成する。次いで、既に説明したように、例えばレーザー光を用いて水晶ウエハを部分的に加熱することにより、弾性境界領域３２を形成する。
【００２４】
続いて、水晶ウエハの上下両面に励振電極１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂを形成する。具体的には、励振電極１３ａ、１３ｂの形成される領域が開口すると共に当該領域以外を覆うようにパターニングされたレジストマスクを水晶ウエハ上に形成し、このウエハに対して例えばスパッタ法や無電解メッキなどにより例えば金（Ａｕ）などからなる金属膜を形成する。次に、水晶ウエハを例えば有機溶剤やアルカリ水溶液に浸漬し、レジストマスクと共に当該レジストマスク上に形成された余剰の金属膜を除去することにより、励振電極１３ａ、１３ｂを形成する。続いて、励振電極２３ａ、２３ｂの形成される領域が開口すると共に当該領域以外を覆うようにパターニングされたレジストマスクを水晶ウエハ上に形成し、先の手法と同様にして励振電極２３ａ、２３ｂを形成する。その後、同様の手法により引き出し電極１４、２４及び電極パッド１５、２５を形成した後、例えばダイシングにより圧電板１を個片化する。この圧電板１は、平面で見た時の寸法が例えば１６５０μｍ×３１００μｍ程度となる。
【００２５】
そして、入出力電極４、電極５及び貫通配線６の形成された外装体２の内部にバンプ１６、２６を配置すると共にこれらバンプ１６、２６の上方側に圧電板１を収納する。次いで、例えばレーザー光の照射によりバンプ１６、２６を溶融させて、入出力電極４と水晶振動子（励振電極１３、２３）とを電気的に導通させる。続いて、真空雰囲気において蓋体３を用いて外装体２の開口部を気密に塞ぐと共に、外装体２と蓋体３とを加熱しながら互いに押圧することにより、これら外装体２と蓋体３とを直接接合する。
【００２６】
従って、励振電極１３ａ、１３ｂの膜厚と励振電極２３ａ、２３ｂの膜厚とを互いにずらしていることから、例えば図６に示すように、第１の振動部１１の共振周波数と第２の振動部２１の共振周波数とが互いに異なる値となる。また、共通の圧電板１に２つの振動部１１、２１を形成していることから、これら振動部１１、２１の置かれる雰囲気の温度がほぼ揃う。従って、図７に示すように、これら振動部１１、２１の各々の温度特性（温度変化に対して共振周波数が変化する度合い）についても互いに揃う。尚、図６及び図７は、各々の振動部１１、２１の特性を模式的に示している。
【００２７】
続いて、以上説明した水晶振動子を備えた発振器の一例について、既述のＴＣＸＯを例に挙げて図８を参照して説明する。このＴＣＸＯは、外部に設定周波数ｆ０の信号を出力するための回路であり、ＴＣＸＯの外部の温度変化に依らずに、あるいは外部の温度変化の影響を抑えて、この設定周波数ｆ０を出力できるように構成されている。この設定周波数ｆ０は、基準温度Ｔ０例えば２９℃において、基準電圧Ｖ０を第１の発振回路１７に印加した時に得られる出力周波数である。
【００２８】
第１の振動部１１には、電極パッド１５、１５を介して第１の発振回路１７が接続されており、第２の振動部２１には、同様に電極パッド２５、２５を介して、当該第２の振動部２１を温度センサーとして用いるための第２の発振回路２７が接続されている。そして、これら発振回路１７、２７間には、第２の発振回路２７から入力される温度補償用の周波数信号に基づいて水晶振動子の温度を推定し、この温度において第１の発振回路１７にて設定周波数ｆ０が得られる制御電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ）を演算するための制御電圧供給部４１が信号出力部として設けられている。図８中４２は、第２の発振回路２７に制御電圧Ｖ１０が入力される入力端であり、４３は発振器の出力端である。また、図８中４４はバリキャップダイオードである。
【００２９】
具体的には、制御電圧供給部４１は、第２の発振回路２７から入力される周波数信号から周波数ｆを計測するための例えば周波数カウンターなどからなる周波数検出部４５と、この周波数検出部４５において計測した周波数ｆに基づいて温度Ｔを推定する温度推定部４６と、温度推定部４６において推定した温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部４７と、補償電圧演算部４７にて演算された補償電圧ΔＶを基準電圧Ｖ０から減算した制御電圧Ｖｃを第１の発振回路１７に出力するための加算部４８と、を備えている。温度推定部４６には、以下の（１）式に示す第２の発振回路２７の周波数温度特性（例えば３次関数）が記憶されており、この温度特性と第２の発振回路２７の発振周波数ｆとに基づいて、水晶振動子の温度が求められる。
ｆ＝ｆ１０｛１＋α２(Ｔ−Ｔ１０)3＋β２(Ｔ−Ｔ１０)＋γ２｝ ・・・（１）
【００３０】
また、補償電圧演算部４７は、第１の発振回路１７の温度特性である例えば３次関数発生器を備えており、以下の（２）〜（４）式及び温度Ｔに基づいて、補償電圧ΔＶを求めるように構成されている。
ΔＶ＝Ｖ０（Δｆ／ｆ０） ・・・（２）
Δｆ／ｆ０＝α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１ ・・・（３）
ΔＶ＝Ｖ０｛α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１｝・・ ・（４）
α１、β１、γ１及びα２、β２、γ２は夫々第１の発振回路１７及び第２の発振回路２７に固有の定数であり、温度や基準電圧を種々変えて出力周波数を測定することにより求められる。尚、Δｆ＝ｆ−ｆ０であり、またｆ１０は第２の発振回路２７において基準温度Ｔ１０にて基準電圧Ｖ１０を印加した時に得られる出力周波数である。
【００３１】
この発振器において入力端４２に制御電圧Ｖ１０を入力すると、第２の発振回路２７では、水晶振動子の温度Ｔに基づいて、既述の式（１）で求められる発振周波数ｆにおいて基本波の厚み滑り振動で発振する。この発振周波数ｆは、既述のように周波数検出部４５を介して温度推定部４６に入力され、この温度推定部４６において水晶振動子の温度Ｔが推定される。そして、補償電圧演算部４７では、温度推定部４６にて得られた温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶが演算され、加算部４８を介して制御電圧Ｖｃが第１の発振回路１７に印加される。第１の発振回路１７では、水晶振動子の温度Ｔ及び制御電圧Ｖｃに応じた発振周波数ｆ、即ち設定周波数ｆ０において厚み滑り振動で振動する。つまり、温度Ｔでは、第１の発振回路１７は、基準温度Ｔ０との差分（Ｔ−Ｔｏ）だけ、当該第１の発振回路１７の周波数温度特性の３次関数に沿って発振周波数ｆが設定周波数ｆ０からずれようとする。しかし、設定周波数ｆ０が得られる制御電圧Ｖｃを第１の発振回路１７に印加していることから、即ち前記差分に対応する分だけ基準電圧Ｖ０よりも低い（あるいは高い）制御電圧Ｖｃを印加していることから、当該差分を相殺した出力周波数（設定周波数ｆ０）が得られる。
【００３２】
上述の実施の形態によれば、共通の圧電板１に振動部１１、２１を設けて、これら振動部１１、２１を囲む枠状体３１を配置すると共に、枠状体３１に対して振動部１１、２１を夫々支持する支持部１２、２２を圧電板１に設けている。そのため、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の水晶振動子を構成できる。また、水晶振動子は、図２などから分かるように、平面で見た時に、振動部１１、２１間を通る直線を介して長辺方向（Ｘ方向）において線対称となり、且つ支持部１２、１２間及び支持部２２、２２間を各々通る直線を介して短辺方向（Ｙ方向）においても線対称となっている。そのため、例えば当該水晶振動子の外部から加わる応力が均等に分散されるので、良好な機械的強度が得られる。言い換えると、このように上下対称且つ左右対称に構成することにより、良好な機械的耐性が得られる。
【００３３】
また、振動部１１、２１の励振電極１３、２３に夫々接続される電極パッド１５、２５を枠状体３１に設けているので、外装体２側からの機械的な応力や、圧電振動子の外部の温度変化による電極パッド１５、２５の膨張収縮が電極パッド１５、２５を介して各振動部１１、２１へ伝達することを抑制できる。更に、これら振動部１１、２１間に、圧電板１の振動の伝搬を抑制するための弾性境界領域３２を設けることにより、振動部１１、２１間での相互干渉を抑えることができる。従って、広い温度範囲に亘って安定した出力周波数を得ることができる。更にまた、第１の支持部１２及び第２の支持部２２に弾性境界領域３２を設けることにより、振動部１１、２１から支持部１２、２２への振動エネルギーの漏出を抑えることができるので、安定した出力信号を得ることができ、またＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の劣化（増大）を抑えることができる。また、本発明の水晶振動子では、良好な熱ヒステリシス特性が得られる。
【００３４】
以上説明した水晶振動子の他の例について、以下に列挙する。弾性境界領域３２として、圧電板１を双晶化した例を説明したが、非晶質化しても良い。また、図９は、弾性境界領域３２として、圧電板１を双晶化することに代えて、上下両面に溝３３を形成した例を示している。この溝３３は、例えば励振電極１３、２３を形成する前に、例えばウエットエッチングにより形成される。このように圧電板１に溝３３を形成することにより、弾性境界領域３２では、振動部１１、２１の形成された領域よりも圧電板１の膜厚が薄くなる。そのため、弾性境界領域３２では、振動部１１、２１に対して共振周波数が変わるので、圧電板１の振動が伝搬しにくくなり、既述と同様の効果が得られる。尚、図９では、支持部１２、２２における弾性境界領域３２については描画を省略している。以降の図１０、１０についても同様である。
【００３５】
この時、振動部１１、２１間に貫通孔を形成し、いわば振動部１１、２１を切り離した場合には、これら振動部１１、２１間において音響結合が起こり、振動エネルギーが伝搬してしまうので、貫通孔ではなく溝３３を形成することが好ましい。また、溝３３としては、上面側及び下面側のいずれかだけに形成しても良く、図１０は圧電板１の上面側に溝３３を形成した例を示している。
【００３６】
また、弾性境界領域３２としては、圧電板１を双晶化したり溝３３を形成したりすることに代えて、図１１に示すように、凸部３４を設けても良い。この凸部３４の厚み寸法は、各振動部１１、２１における圧電板１の例えば２倍程度に設定される。このような凸部３４を備えた水晶振動子を製造する場合には、例えば当該凸部３４の厚み寸法となるように圧電板１を形成した後、フォトリソグラフィー法及びウエットエッチングにより弾性境界領域３２以外の領域（各振動部１１、２１など）を薄膜化し、続いて励振電極１３、２３などを成膜することにより形成される。凸部３４を設けることにより、溝３３を形成した場合と同様に共振周波数が振動部１１、２１の形成された領域とは異なる値になるので、既述の各例と同様の効果が得られる。また、凸部３４を設けることにより、圧電板１が他の部位（振動部１１、２１）よりも厚くなるので、圧電板１の機械的強度が向上する。凸部３４についても、図１１のように上下両面に設けても良いし、上面側及び下面側のいずれかだけに設けても良い。
【００３７】
また、図１２は、弾性境界領域３２を振動部１１、２１間にだけ形成して、支持部１２、２２には形成しない例を示している。図１３は、振動部１１、２１間には弾性境界領域３２を形成せずに、支持部１２、２２に各々形成した例を示している。更に、図１４は、振動部１１、２１間及び支持部２２には弾性境界領域３２を形成せずに、支持部１２にだけ弾性境界領域３２を形成した例を示している。このように、本発明は、振動部１１、２１間、支持部１２、２２のうち少なくとも１カ所に弾性境界領域３２を設けても良い。
【００３８】
以上説明した圧電板１として、長手方向が結晶軸のＸ軸となるように切り出したＡＴカット板を例に挙げたが、長手方向がＺ軸となるＡＴカット板を用いても良い。また、圧電板１として、自然面であるｒ面が上下両面に露出した基板を用いても良い。このｒ面を圧電板１の上下面に形成する場合には、例えば圧電板１の側面側などに金属からなるマスクを形成し、続いて上下両面にｒ面が露出するまで例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）液などに圧電板１を浸漬する。その後、この圧電板１に対して弾性境界領域３２や励振電極１３、２３などを形成する。更に、圧電板１として、水晶の結晶軸のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして約３３°回転させ、かつこの位置から新しいＺ‘軸を中心にして約２２°回転させた面から切り出したＳＣカット板を用いても良い。このＳＣカット板を用いる場合には、弾性境界領域３２としては、フェムト秒レーザーを照射することにより圧電板１を非晶質化しても良い。このＳＣカット板は、後述のＯＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に好適に用いられる。
【００３９】
また、図１５に示すように、バンプ１６、２６を支持部１２、２２から離間させた位置に設けても良い。この例では、バンプ１６については第１の振動部１１よりも第２の振動部２１側における枠状体３１に形成すると共に、バンプ２６については、第２の振動部２１よりも第１の振動部１１側における枠状体３１に形成している。言い換えると、これらバンプ１６、２６は、圧電板１を囲む周面において、支持部１２、２２から夫々できるだけ離間するように配置されていると言える。従って、これらバンプ１６、２６は、互いに近接した位置に配置されることになる。このようにバンプ１６、２６と支持部１２、２２とを離間させることにより、バンプ１６、２６側（外装体２）からの機械応力や熱応力の影響をより一層抑えることができる。
【００４０】
また、図１６に示すように、弾性境界領域３２を形成しなくても良い。更に、振動部１１、２１からなる構成を左右両側から支持することに代えて、図１７に示すように、例えば手前側からこれら振動部１１、２１を各々片持ちで支持するようにしても良い。このような構成においても、既述の各例と同様に弾性境界領域３２を形成しても良い。
【００４１】
本発明の水晶振動子を備えた発振器として、図８に示すＴＣＸＯを例に挙げたが、振動部１１、２１の周波数温度特性が揃っていることから、これら振動部１１、２１間の周波数の差分は、広い温度範囲においてほぼ一定の値となる。従って、この差分を設定周波数ｆ０として利用しても良い。この場合には、前記差分を計算する算出部が信号出力部をなす。また、このＴＣＸＯにおける第１の振動部１１の後段側（第１の振動部１１と出力端４３との間）に、波形整形用のフィルタを設けても良い。そして、この波形整形用のフィルタとして、第１の振動部１１や第２の振動部２１と共通の圧電板１に、これら振動部１１、１２と同様に一対の励振電極を設けた水晶振動子を用いることにより、振動部１１、１２とフィルタとの周波数温度特性が揃う。そのため、このようなフィルタを用いることにより、第１の振動部１１から出力される出力信号の波形が乱れずに、良好な波形の信号が得られる。
【００４２】
また、ＴＣＸＯ以外にも、ＯＣＸＯに本発明の水晶振動子を適用しても良い。この場合には、ＯＣＸＯのヒータを制御する時に用いられる温度検出用のセンサに代えて本発明の水晶振動子を用いることにより、具体的には振動部１１、２１の発振周波数の差を算出して、この差を温度検出用の信号として利用することにより、小型のＯＣＸＯが得られる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 圧電板
１１、２１ 振動部
１２、２２ 支持部
１３、２３ 励振電極
１４、２４ 引き出し電極
１７、２７ 発振回路
３１ 枠状体
３２ 弾性境界領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電板を厚さ方向から挟むように励振電極を形成した圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば水晶などからなる圧電板の上下両面に励振電極を形成した水晶（圧電）振動子は、安定した周波数信号を出力する基準周波数源として、例えばＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）などの発振器に広く使用されている。このＴＣＸＯは、感温素子を用いた温度補償回路を備えており、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号が得られると共に、小型で軽量という利点がある。そして、より一層安定した周波数信号が得られるＴＣＸＯとして、例えば特許文献１に記載されているように、共通の圧電板に２つの振動子を形成して、これら振動子の一方を温度センサとして利用する構成が知られている。
【０００３】
ところで、電子機器の小型化が進むにつれて、水晶振動子についても小型化が求められており、特許文献２に記載されているように、例えば外枠体により片持ちあるいは両持ちで支持された振動子をフォトリソグラフィー法により製造する手法が知られている。
しかしながら、これら特許文献１、２あるいは特許文献３〜１２には、フォトリソグラフィー法を用いてＴＣＸＯを形成する技術や、ＴＣＸＯに対して電気信号の入出力を行うための引き出し電極については具体的に記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３３１９５
【特許文献２】特開平７−２１２１７１
【特許文献３】特開昭５３−３１７９
【特許文献４】特開２００４−１４６９６５
【特許文献５】特開２００８−２２３７８
【特許文献６】特開２０１１−３５５４６
【特許文献７】特開２０１１−４１１１３
【特許文献８】特開２００３−２３３３９
【特許文献９】特開平５−１６０６５９
【特許文献１０】特開昭６１−２３８１１６
【特許文献１１】特開昭６１−１３８０９
【特許文献１２】特開２００１−１４４５７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の圧電振動子及びこの圧電振動子を備えた発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電振動子は、
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
この枠状体の左側部分から、前記第１の振動部を支持するために当該第１の振動部に向かって伸びる第１の支持部、及び前記枠状体の右側部分から、前記第２の振動部を支持するために当該第２の振動部に向かって伸びる第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、
前記第１の振動部と前記第２の振動部との間、前記第１の支持部、及び前記第２の支持部の少なくとも１箇所に形成され、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記第１の電極パッド及び前記第２の電極パッドのうち一方の電極パッドは、当該電極パッドに接続される一方の振動部に対してこの電極パッドを介して応力が伝わることを抑えるために、前記枠状体上において他方の振動部側に寄った位置に配置されていても良い。
【０００８】
本発明の圧電振動子は、
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部を夫々支持するために、前記枠状体から前記第１の振動部及び前記第２の振動部に向かって夫々伸びる第１の支持部及び第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の発振器は、
既述の圧電振動子と、
前記第１の電極パッドに接続される第１の発振回路と、
前記第２の振動部を温度センサーとして用いるために、前記第２の電極パッドに接続される第２の発振回路と、
前記第１の発振回路及び前記第２の発振回路の夫々の出力信号に基づいて設定周波数信号を得るための信号出力部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、共通の圧電板に第１の振動部及び第２の振動部を設けて、これら第１の振動部及び第２の振動部を囲む枠状体を配置すると共に、枠状体に対して第１の振動部及び第２の振動部を夫々支持する支持部を圧電板に設けている。そのため、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の圧電振動子を構成できる。また、枠状体の左側部分及び枠状体の右側部分に第１の振動部及び第２の振動部を夫々支持するための支持部を設けることにより、機械的強度に優れた圧電振動子を得ることができる。更に、第１の振動部及び第２の振動部の励振電極に夫々接続される電極パッドを枠状体に設けているので、電極パッド側からの機械的な応力や、圧電振動子の外部の温度変化による電極パッドの膨張収縮が各振動部へ伝達することを抑制できる。更にまた、第１の振動部と第２の振動部との間に、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域を設けることにより、これら振動部間での相互干渉を抑えることができる。また、第１の支持部及び第２の支持部の少なくとも１箇所に境界領域を設けることにより、振動部から支持部への振動エネルギーの漏出を抑えることができるので、安定した出力信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の水晶振動子の一例を示す斜視図である。
【図２】前記水晶振動子の表面側を示す平面図である。
【図３】前記水晶振動子の裏面側を示す平面図である。
【図４】前記水晶振動子を示す縦断面図である。
【図５】前記水晶振動子における弾性境界領域を形成する様子を模式的に示す縦断面図である。
【図６】前記水晶振動子の周波数特性を示す模式図である。
【図７】前記水晶振動子の周波数温度特性を示す模式図である。
【図８】前記水晶振動子を備えた発振器を示す回路図である。
【図９】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１０】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１１】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１２】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１３】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１４】前記水晶振動子の他の例を示す縦断面図である。
【図１５】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１６】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１７】前記水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の圧電振動子の実施の形態の一例である水晶振動子について、図１〜図７を参照して説明する。始めに、この水晶振動子の概略について説明すると、この水晶振動子は、図１に示すように、例えば水晶からなる共通の圧電板１において互いに対向するように配置された２つの振動部１１、２１を備えている。そして、圧電板１には、平面で見た時に隙間領域を介してこれら振動部１１、２１を囲むように配置された枠状体３１が設けられており、振動部１１、２１は、夫々支持部１２、２２を介して枠状体３１に支持されている。圧電板１は、この例では長手方向（図２中Ｘ方向）が結晶軸のＸ軸となるように切断されたＡＴカット板により構成されている。図１中２、３は夫々水晶振動子を収納するために上方側が開口する概略箱形の外装体及びこの外装体の上面を塞ぐ蓋体であり、各々例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックスにより構成されると共に、例えば直接接合により互いに封止されている。また、図１中４は外装体２の床面に形成された入出力電極であり、この入出力電極４を介して水晶振動子に対して電気信号の入出力が行われる。尚、図１では蓋体３の一部を切り欠いている。
【００１３】
これら振動部１１、２１の並ぶ方向を左右方向（図２中Ｘ方向）と呼ぶと共に、左側の振動部１１及び右側の振動部２１に夫々「第１」及び「第２」を付すと、第１の振動部１１は、枠状体３１において当該第１の振動部１１よりも左側の部位（左側部分）からこの第１の振動部１１に向かって互いに平行に伸びる第１の支持部１２、１２により支持されている。また、第２の振動部２１は、枠状体３１において当該第２の振動部２１よりも右側の部位（右側部分）からこの第２の振動部２１に向かって互いに平行に伸びる第２の支持部２２、２２により支持されている。そして、第１の振動部１１の右端部と、第２の振動部２１の左端部とは、互いに接続されている。従って、これら振動部１１、２１からなる構成は、支持部１２、２２を介して枠状体３１により左右両持ちで支持されている。
【００１４】
これら振動部１１、２１間の領域には、圧電板１の振動が当該領域を介して伝搬することを抑制するための弾性境界領域３２が形成されている。この例では、弾性境界領域３２は、圧電板１を双晶化させることによって形成されている。具体的には、この弾性境界領域３２は、圧電板１が水晶のα−β転移点以上の温度となるように例えばレーザー光を当該圧電板１に照射して加熱することにより、水晶の電気軸即ちＸ軸を反転させることにより形成されたものであり、図４及び図５に示すように、前後方向（図２中Ｙ方向）及び圧電板１の厚さ方向に亘って形成されている。
【００１５】
即ち、この弾性境界領域３２は、各振動部１１、２１における圧電板１とは物性（共振周波数）が異なるように当該圧電板１を変質させた領域であり、従って振動部１１、２１間では当該弾性境界領域３２を介して圧電板１の振動が伝搬しにくくなっている。具体的には、例えば第１の振動部１１で発生する振動は、前記弾性境界領域３２を介して第２の振動部２１に向かおうとするが、当該弾性境界領域３２の共振周波数が第１の振動部１１における共振周波数とは異なるので、この弾性境界領域３２において振動が減衰し、従って第２の振動部２１への伝達が阻害される。第２の振動部２１で発生する振動についても同様に、弾性境界領域３２によって第１の振動部１１への伝搬が阻害される。尚、図１では弾性境界領域３２を省略している。
【００１６】
この弾性境界領域３２は、図２〜図４にも示すように、各振動部１１、２１と枠状体３１との間における支持部１２、２２にも形成されており、従って弾性境界領域３２によって、各々の振動部１１、２１の振動エネルギーが支持部１２、２２を介して枠状体３１に漏洩することが抑制されている。そのため、各振動部１１、２１では、圧電板１の振動に基づいて発生するエネルギーが閉じこめられていると言える。
【００１７】
続いて、これら振動部１１、２１のうち第１の振動部１１について説明する。第１の振動部１１の上面側及び下面側には、圧電板１を厚さ方向から挟むように、互いに同じ膜厚例えば０．１μｍ程度となるように各々矩形に形成された一対の励振電極１３ａ、１３ｂが配置されている。圧電板１の上面（表面）側の励振電極１３ａには、２つの第１の支持部１２、１２のうち手前側の第１の支持部１２の上面及び当該第１の支持部１２の側面を介して圧電板１の下面（裏面）側に向かって伸び出す第１の引き出し電極１４の一端側が接続されている。この第１の引き出し電極１４の他端側は、図３に示すように、枠状体３１の下面において当該枠状体３１の角部に向かって伸び出して、第１の電極パッド１５をなしている。尚、この実施の形態では、圧電板１を平面で見た時（表面側、図２）の前後方向を手前側及び奥側と呼んでいる。
【００１８】
第１の電極パッド１５の下方側には、外装体２の床面に形成された入出力電極４と当該第１の電極パッド１５とを電気的に接続するために、導電材からなるバンプ（導電性接着剤）１６が形成されている。このバンプ１６の下方側における外装体２の下面には、図４に示すように、電極５が形成されており、当該蓋体３を上下方向に貫通するように設けられた貫通配線６を介して、第１の振動部１１に対して入出力電極４から電気信号の入出力が行われるように構成されている。
【００１９】
第１の振動部１１の裏面側の励振電極１３ｂには、図２及び図３に示すように、２つの支持部１２、１２のうち奥側の支持部１２の裏面側に形成された引き出し電極１４の一端側が接続されており、この引き出し電極１４の他端側は、枠状体３１の裏面側を奥側に向かって伸び出して第１の電極パッド１５をなしている。この第１の電極パッド１５は、同様にバンプ１６及び貫通配線６を介して入出力電極４に接続されている。従って、第１の振動部１１と第１の電極パッド１５、１５との間には、既述の弾性境界領域３２が各々位置している。
【００２０】
第２の振動部２１は、平面で見た時に振動部１１、２１間の弾性境界領域３２において当該弾性境界領域３２の中心位置を介して点対称となるように配置されている。即ち、第２の振動部２１の上面側及び下面側には、互いに同じ膜厚となるように形成された一対の励振電極２３ａ、２３ｂが配置されている。これら励振電極２３ａ、２３ｂの膜厚は、第１の振動部１１の共振周波数と第２の振動部２１の共振周波数とを互いに異なる値にするために、既述の励振電極１３ａ、１３ｂとは異なる寸法例えば０．３μｍ程度となっている。
【００２１】
第２の振動部２１の上面側の励振電極２３ａは、２つの支持部２２、２２のうち奥側の支持部２２の上面側に形成された引き出し電極２４の一端側に接続されている。この引き出し電極２４の他端側は、図２中右側に伸び出すと共に圧電板１の下面側に回り込んで、枠状体３１の角部において第２の電極パッド２５をなしている。この第２の電極パッド２５は、図４に示すように、バンプ２６、電極５及び貫通配線６を介して外装体２の下方側の入出力電極４に接続されている。
【００２２】
第２の振動部２１の裏面側の励振電極２３ｂには、２つの支持部２２、２２のうち手前側の支持部２２の下面側に形成された引き出し電極２４の一端側が接続されており、この引き出し電極２４の他端側は、枠状体３１の裏面側を手前側に向かって伸び出して第２の電極パッド２５をなしている。この第２の電極パッド２５についても、バンプ２６、電極５及び貫通配線６を介して外装体２の下面側の入出力電極４に接続されている。従って、第２の振動部２１についても、当該第２の振動部２１と第２の電極パッド２５、２５との間には、弾性境界領域３２が各々位置している。尚、図４では励振電極１３、２３の膜厚を誇張して大きく描画している。
【００２３】
次に、この水晶振動子の製造方法について、簡単に説明する。始めに、厚み寸法が例えば１００μｍ程度に切断されると共に上下両面が研磨された水晶からなるウエハに対して、例えばレジストマスクを用いたフォトリソグラフィー法及びウエットエッチングにより、枠状体３１と振動部１１、２１との間の領域、枠状体３１と支持部１２、２２との間の領域及び支持部１２、１２（２２、２２）間の領域に貫通孔を形成する。次いで、既に説明したように、例えばレーザー光を用いて水晶ウエハを部分的に加熱することにより、弾性境界領域３２を形成する。
【００２４】
続いて、水晶ウエハの上下両面に励振電極１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂを形成する。具体的には、励振電極１３ａ、１３ｂの形成される領域が開口すると共に当該領域以外を覆うようにパターニングされたレジストマスクを水晶ウエハ上に形成し、このウエハに対して例えばスパッタ法や無電解メッキなどにより例えば金（Ａｕ）などからなる金属膜を形成する。次に、水晶ウエハを例えば有機溶剤やアルカリ水溶液に浸漬し、レジストマスクと共に当該レジストマスク上に形成された余剰の金属膜を除去することにより、励振電極１３ａ、１３ｂを形成する。続いて、励振電極２３ａ、２３ｂの形成される領域が開口すると共に当該領域以外を覆うようにパターニングされたレジストマスクを水晶ウエハ上に形成し、先の手法と同様にして励振電極２３ａ、２３ｂを形成する。その後、同様の手法により引き出し電極１４、２４及び電極パッド１５、２５を形成した後、例えばダイシングにより圧電板１を個片化する。この圧電板１は、平面で見た時の寸法が例えば１６５０μｍ×３１００μｍ程度となる。
【００２５】
そして、入出力電極４、電極５及び貫通配線６の形成された外装体２の内部にバンプ１６、２６を配置すると共にこれらバンプ１６、２６の上方側に圧電板１を収納する。次いで、例えばレーザー光の照射によりバンプ１６、２６を溶融させて、入出力電極４と水晶振動子（励振電極１３、２３）とを電気的に導通させる。続いて、真空雰囲気において蓋体３を用いて外装体２の開口部を気密に塞ぐと共に、外装体２と蓋体３とを加熱しながら互いに押圧することにより、これら外装体２と蓋体３とを直接接合する。
【００２６】
従って、励振電極１３ａ、１３ｂの膜厚と励振電極２３ａ、２３ｂの膜厚とを互いにずらしていることから、例えば図６に示すように、第１の振動部１１の共振周波数と第２の振動部２１の共振周波数とが互いに異なる値となる。また、共通の圧電板１に２つの振動部１１、２１を形成していることから、これら振動部１１、２１の置かれる雰囲気の温度がほぼ揃う。従って、図７に示すように、これら振動部１１、２１の各々の温度特性（温度変化に対して共振周波数が変化する度合い）についても互いに揃う。尚、図６及び図７は、各々の振動部１１、２１の特性を模式的に示している。
【００２７】
続いて、以上説明した水晶振動子を備えた発振器の一例について、既述のＴＣＸＯを例に挙げて図８を参照して説明する。このＴＣＸＯは、外部に設定周波数ｆ０の信号を出力するための回路であり、ＴＣＸＯの外部の温度変化に依らずに、あるいは外部の温度変化の影響を抑えて、この設定周波数ｆ０を出力できるように構成されている。この設定周波数ｆ０は、基準温度Ｔ０例えば２９℃において、基準電圧Ｖ０を第１の発振回路１７に印加した時に得られる出力周波数である。
【００２８】
第１の振動部１１には、電極パッド１５、１５を介して第１の発振回路１７が接続されており、第２の振動部２１には、同様に電極パッド２５、２５を介して、当該第２の振動部２１を温度センサーとして用いるための第２の発振回路２７が接続されている。そして、これら発振回路１７、２７間には、第２の発振回路２７から入力される温度補償用の周波数信号に基づいて水晶振動子の温度を推定し、この温度において第１の発振回路１７にて設定周波数ｆ０が得られる制御電圧Ｖｃ（Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ）を演算するための制御電圧供給部４１が信号出力部として設けられている。図８中４２は、第２の発振回路２７に制御電圧Ｖ１０が入力される入力端であり、４３は発振器の出力端である。また、図８中４４はバリキャップダイオードである。
【００２９】
具体的には、制御電圧供給部４１は、第２の発振回路２７から入力される周波数信号から周波数ｆを計測するための例えば周波数カウンターなどからなる周波数検出部４５と、この周波数検出部４５において計測した周波数ｆに基づいて温度Ｔを推定する温度推定部４６と、温度推定部４６において推定した温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部４７と、補償電圧演算部４７にて演算された補償電圧ΔＶを基準電圧Ｖ０から減算した制御電圧Ｖｃを第１の発振回路１７に出力するための加算部４８と、を備えている。温度推定部４６には、以下の（１）式に示す第２の発振回路２７の周波数温度特性（例えば３次関数）が記憶されており、この温度特性と第２の発振回路２７の発振周波数ｆとに基づいて、水晶振動子の温度が求められる。
ｆ＝ｆ１０｛１＋α２(Ｔ−Ｔ１０)3＋β２(Ｔ−Ｔ１０)＋γ２｝ ・・・（１）
【００３０】
また、補償電圧演算部４７は、第１の発振回路１７の温度特性である例えば３次関数発生器を備えており、以下の（２）〜（４）式及び温度Ｔに基づいて、補償電圧ΔＶを求めるように構成されている。
ΔＶ＝Ｖ０（Δｆ／ｆ０） ・・・（２）
Δｆ／ｆ０＝α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１ ・・・（３）
ΔＶ＝Ｖ０｛α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１｝・・ ・（４）
α１、β１、γ１及びα２、β２、γ２は夫々第１の発振回路１７及び第２の発振回路２７に固有の定数であり、温度や基準電圧を種々変えて出力周波数を測定することにより求められる。尚、Δｆ＝ｆ−ｆ０であり、またｆ１０は第２の発振回路２７において基準温度Ｔ１０にて基準電圧Ｖ１０を印加した時に得られる出力周波数である。
【００３１】
この発振器において入力端４２に制御電圧Ｖ１０を入力すると、第２の発振回路２７では、水晶振動子の温度Ｔに基づいて、既述の式（１）で求められる発振周波数ｆにおいて基本波の厚み滑り振動で発振する。この発振周波数ｆは、既述のように周波数検出部４５を介して温度推定部４６に入力され、この温度推定部４６において水晶振動子の温度Ｔが推定される。そして、補償電圧演算部４７では、温度推定部４６にて得られた温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶが演算され、加算部４８を介して制御電圧Ｖｃが第１の発振回路１７に印加される。第１の発振回路１７では、水晶振動子の温度Ｔ及び制御電圧Ｖｃに応じた発振周波数ｆ、即ち設定周波数ｆ０において厚み滑り振動で振動する。つまり、温度Ｔでは、第１の発振回路１７は、基準温度Ｔ０との差分（Ｔ−Ｔｏ）だけ、当該第１の発振回路１７の周波数温度特性の３次関数に沿って発振周波数ｆが設定周波数ｆ０からずれようとする。しかし、設定周波数ｆ０が得られる制御電圧Ｖｃを第１の発振回路１７に印加していることから、即ち前記差分に対応する分だけ基準電圧Ｖ０よりも低い（あるいは高い）制御電圧Ｖｃを印加していることから、当該差分を相殺した出力周波数（設定周波数ｆ０）が得られる。
【００３２】
上述の実施の形態によれば、共通の圧電板１に振動部１１、２１を設けて、これら振動部１１、２１を囲む枠状体３１を配置すると共に、枠状体３１に対して振動部１１、２１を夫々支持する支持部１２、２２を圧電板１に設けている。そのため、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得るための小型の水晶振動子を構成できる。また、水晶振動子は、図２などから分かるように、平面で見た時に、振動部１１、２１間を通る直線を介して長辺方向（Ｘ方向）において線対称となり、且つ支持部１２、１２間及び支持部２２、２２間を各々通る直線を介して短辺方向（Ｙ方向）においても線対称となっている。そのため、例えば当該水晶振動子の外部から加わる応力が均等に分散されるので、良好な機械的強度が得られる。言い換えると、このように上下対称且つ左右対称に構成することにより、良好な機械的耐性が得られる。
【００３３】
また、振動部１１、２１の励振電極１３、２３に夫々接続される電極パッド１５、２５を枠状体３１に設けているので、外装体２側からの機械的な応力や、圧電振動子の外部の温度変化による電極パッド１５、２５の膨張収縮が電極パッド１５、２５を介して各振動部１１、２１へ伝達することを抑制できる。更に、これら振動部１１、２１間に、圧電板１の振動の伝搬を抑制するための弾性境界領域３２を設けることにより、振動部１１、２１間での相互干渉を抑えることができる。従って、広い温度範囲に亘って安定した出力周波数を得ることができる。更にまた、第１の支持部１２及び第２の支持部２２に弾性境界領域３２を設けることにより、振動部１１、２１から支持部１２、２２への振動エネルギーの漏出を抑えることができるので、安定した出力信号を得ることができ、またＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の劣化（増大）を抑えることができる。また、本発明の水晶振動子では、良好な熱ヒステリシス特性が得られる。
【００３４】
以上説明した水晶振動子の他の例について、以下に列挙する。弾性境界領域３２として、圧電板１を双晶化した例を説明したが、非晶質化しても良い。また、図９は、弾性境界領域３２として、圧電板１を双晶化することに代えて、上下両面に溝３３を形成した例を示している。この溝３３は、例えば励振電極１３、２３を形成する前に、例えばウエットエッチングにより形成される。このように圧電板１に溝３３を形成することにより、弾性境界領域３２では、振動部１１、２１の形成された領域よりも圧電板１の膜厚が薄くなる。そのため、弾性境界領域３２では、振動部１１、２１に対して共振周波数が変わるので、圧電板１の振動が伝搬しにくくなり、既述と同様の効果が得られる。尚、図９では、支持部１２、２２における弾性境界領域３２については描画を省略している。以降の図１０、１０についても同様である。
【００３５】
この時、振動部１１、２１間に貫通孔を形成し、いわば振動部１１、２１を切り離した場合には、これら振動部１１、２１間において音響結合が起こり、振動エネルギーが伝搬してしまうので、貫通孔ではなく溝３３を形成することが好ましい。また、溝３３としては、上面側及び下面側のいずれかだけに形成しても良く、図１０は圧電板１の上面側に溝３３を形成した例を示している。
【００３６】
また、弾性境界領域３２としては、圧電板１を双晶化したり溝３３を形成したりすることに代えて、図１１に示すように、凸部３４を設けても良い。この凸部３４の厚み寸法は、各振動部１１、２１における圧電板１の例えば２倍程度に設定される。このような凸部３４を備えた水晶振動子を製造する場合には、例えば当該凸部３４の厚み寸法となるように圧電板１を形成した後、フォトリソグラフィー法及びウエットエッチングにより弾性境界領域３２以外の領域（各振動部１１、２１など）を薄膜化し、続いて励振電極１３、２３などを成膜することにより形成される。凸部３４を設けることにより、溝３３を形成した場合と同様に共振周波数が振動部１１、２１の形成された領域とは異なる値になるので、既述の各例と同様の効果が得られる。また、凸部３４を設けることにより、圧電板１が他の部位（振動部１１、２１）よりも厚くなるので、圧電板１の機械的強度が向上する。凸部３４についても、図１１のように上下両面に設けても良いし、上面側及び下面側のいずれかだけに設けても良い。
【００３７】
また、図１２は、弾性境界領域３２を振動部１１、２１間にだけ形成して、支持部１２、２２には形成しない例を示している。図１３は、振動部１１、２１間には弾性境界領域３２を形成せずに、支持部１２、２２に各々形成した例を示している。更に、図１４は、振動部１１、２１間及び支持部２２には弾性境界領域３２を形成せずに、支持部１２にだけ弾性境界領域３２を形成した例を示している。このように、本発明は、振動部１１、２１間、支持部１２、２２のうち少なくとも１カ所に弾性境界領域３２を設けても良い。
【００３８】
以上説明した圧電板１として、長手方向が結晶軸のＸ軸となるように切り出したＡＴカット板を例に挙げたが、長手方向がＺ軸となるＡＴカット板を用いても良い。また、圧電板１として、自然面であるｒ面が上下両面に露出した基板を用いても良い。このｒ面を圧電板１の上下面に形成する場合には、例えば圧電板１の側面側などに金属からなるマスクを形成し、続いて上下両面にｒ面が露出するまで例えばフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）液などに圧電板１を浸漬する。その後、この圧電板１に対して弾性境界領域３２や励振電極１３、２３などを形成する。更に、圧電板１として、水晶の結晶軸のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして約３３°回転させ、かつこの位置から新しいＺ‘軸を中心にして約２２°回転させた面から切り出したＳＣカット板を用いても良い。このＳＣカット板を用いる場合には、弾性境界領域３２としては、フェムト秒レーザーを照射することにより圧電板１を非晶質化しても良い。このＳＣカット板は、後述のＯＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に好適に用いられる。
【００３９】
また、図１５に示すように、バンプ１６、２６を支持部１２、２２から離間させた位置に設けても良い。この例では、バンプ１６については第１の振動部１１よりも第２の振動部２１側における枠状体３１に形成すると共に、バンプ２６については、第２の振動部２１よりも第１の振動部１１側における枠状体３１に形成している。言い換えると、これらバンプ１６、２６は、圧電板１を囲む周面において、支持部１２、２２から夫々できるだけ離間するように配置されていると言える。従って、これらバンプ１６、２６は、互いに近接した位置に配置されることになる。このようにバンプ１６、２６と支持部１２、２２とを離間させることにより、バンプ１６、２６側（外装体２）からの機械応力や熱応力の影響をより一層抑えることができる。
【００４０】
また、図１６に示すように、弾性境界領域３２を形成しなくても良い。更に、振動部１１、２１からなる構成を左右両側から支持することに代えて、図１７に示すように、例えば手前側からこれら振動部１１、２１を各々片持ちで支持するようにしても良い。このような構成においても、既述の各例と同様に弾性境界領域３２を形成しても良い。
【００４１】
本発明の水晶振動子を備えた発振器として、図８に示すＴＣＸＯを例に挙げたが、振動部１１、２１の周波数温度特性が揃っていることから、これら振動部１１、２１間の周波数の差分は、広い温度範囲においてほぼ一定の値となる。従って、この差分を設定周波数ｆ０として利用しても良い。この場合には、前記差分を計算する算出部が信号出力部をなす。また、このＴＣＸＯにおける第１の振動部１１の後段側（第１の振動部１１と出力端４３との間）に、波形整形用のフィルタを設けても良い。そして、この波形整形用のフィルタとして、第１の振動部１１や第２の振動部２１と共通の圧電板１に、これら振動部１１、１２と同様に一対の励振電極を設けた水晶振動子を用いることにより、振動部１１、１２とフィルタとの周波数温度特性が揃う。そのため、このようなフィルタを用いることにより、第１の振動部１１から出力される出力信号の波形が乱れずに、良好な波形の信号が得られる。
【００４２】
また、ＴＣＸＯ以外にも、ＯＣＸＯに本発明の水晶振動子を適用しても良い。この場合には、ＯＣＸＯのヒータを制御する時に用いられる温度検出用のセンサに代えて本発明の水晶振動子を用いることにより、具体的には振動部１１、２１の発振周波数の差を算出して、この差を温度検出用の信号として利用することにより、小型のＯＣＸＯが得られる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 圧電板
１１、２１ 振動部
１２、２２ 支持部
１３、２３ 励振電極
１４、２４ 引き出し電極
１７、２７ 発振回路
３１ 枠状体
３２ 弾性境界領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
この枠状体の左側部分から、前記第１の振動部を支持するために当該第１の振動部に向かって伸びる第１の支持部、及び前記枠状体の右側部分から、前記第２の振動部を支持するために当該第２の振動部に向かって伸びる第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、
前記第１の振動部と前記第２の振動部との間、前記第１の支持部、及び前記第２の支持部の少なくとも１箇所に形成され、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記第１の電極パッド及び前記第２の電極パッドのうち一方の電極パッドは、当該電極パッドに接続される一方の振動部に対してこの電極パッドを介して応力が伝わることを抑えるために、前記枠状体上において他方の振動部側に寄った位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部を夫々支持するために、前記枠状体から前記第１の振動部及び前記第２の振動部に向かって夫々伸びる第１の支持部及び第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧電振動子と、
前記第１の電極パッドに接続される第１の発振回路と、
前記第２の振動部を温度センサーとして用いるために、前記第２の電極パッドに接続される第２の発振回路と、
前記第１の発振回路及び前記第２の発振回路の夫々の出力信号に基づいて設定周波数信号を得るための信号出力部と、を備えたことを特徴とする発振器。
【請求項１】
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
この枠状体の左側部分から、前記第１の振動部を支持するために当該第１の振動部に向かって伸びる第１の支持部、及び前記枠状体の右側部分から、前記第２の振動部を支持するために当該第２の振動部に向かって伸びる第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、
前記第１の振動部と前記第２の振動部との間、前記第１の支持部、及び前記第２の支持部の少なくとも１箇所に形成され、圧電板の振動の伝搬を抑制するための境界領域と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記第１の電極パッド及び前記第２の電極パッドのうち一方の電極パッドは、当該電極パッドに接続される一方の振動部に対してこの電極パッドを介して応力が伝わることを抑えるために、前記枠状体上において他方の振動部側に寄った位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
圧電板における互いに左右に並ぶ領域の各々の両面に一対の励振電極が設けられ、共振周波数が互いに異なるように構成された第１の振動部及び第２の振動部と、
これら第１の振動部及び第２の振動部を隙間領域を介して囲むように前記圧電板に形成された枠状体と、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部を夫々支持するために、前記枠状体から前記第１の振動部及び前記第２の振動部に向かって夫々伸びる第１の支持部及び第２の支持部と、
前記第１の支持部上に形成され、前記第１の振動部の励振電極に接続された第１の引き出し電極、及び前記第２の支持部上に形成され、前記第２の振動部の励振電極に接続された第２の引き出し電極と、
前記枠状体に設けられ、前記第１の引き出し電極及び前記第２の引き出し電極に夫々接続される第１の電極パッド及び第２の電極パッドと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧電振動子と、
前記第１の電極パッドに接続される第１の発振回路と、
前記第２の振動部を温度センサーとして用いるために、前記第２の電極パッドに接続される第２の発振回路と、
前記第１の発振回路及び前記第２の発振回路の夫々の出力信号に基づいて設定周波数信号を得るための信号出力部と、を備えたことを特徴とする発振器。
【図１】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−９８８４１（Ｐ２０１３−９８８４１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１２３７（Ｐ２０１１−２４１２３７）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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