JP2013197916A - 振動素子、振動子、電子デバイス、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＩ値を低減することができる振動素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る振動素子１００は、厚みすべり振動で振動し２段メサ構造である振動部１２ａと、振動部１２ａの外縁に沿って配置され振動部１２ａの厚みよりも厚みが薄い外縁部１２ｂと、を含む基板１２と、振動部１２ａに設けられている励振電極２０ａ，２０ｂと、を備え、外縁部１２ｂの主面１３ａ，１３ｂから振動部１２ａの１段目の段差１５ａ，１５ｂまでの大きさをＭｄ１とし、１段目の段差１５ａ，１５ｂから２段目の段差１７ａ，１７ｂまでの大きさをＭｄ２とし、基板１２の材料の密度をｄ_Ａ、励振電極２０ａ，２０ｂの材料の密度をｄ_Ｂ、前記２段目のメサの主面１３ａ，１３ｂ上の励振電極２０ａ，２０ｂの厚みをｔ_Ｂとすると、
（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ））／Ｍｄ１≦１．４
の関係を満たす、振動素子。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動素子、振動子、電子デバイス、および電子機器に関する。

近年、小型化の傾向にある圧電振動素子において、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の低減が望まれている。ＣＩ値の低減や振動エネルギーの閉じ込めを目的として、メサ構造を採るものが知られている。

例えば特許文献１には、メサ構造を得るための基板の堀量の最適値を定めた圧電振動素子が提案されている。より具体的には、特許文献１には、堀量をＭｄ、水晶基板の長辺の長さをｘ、振動部の厚みをｔとした時に、厚みｔを基準として、段差部の堀量Ｍｄの厚みｔに対する比の百分率ｙとすると、ｙ＝−１．３２×（ｘ／ｔ）＋４２．８７の関係を満足することにより、ＣＩ値の特性変化がフラットとなる最小の堀量Ｍｄを選択できることが記載されている。

さらに、特許文献２には、基板の堀量の最適値のみならず、圧電振動素子を実装基板に実装する際に塗布される導電性接着剤の塗布範囲における長辺の長さの範囲を規定することにより、不要モードの結合を抑制しつつＣＩ値の低減も促すことが記載されている。

また、特許文献３には、振動部の端部から励振電極の端部の長さを規定することにより、ＣＩ値の増加などの特性劣化を抑制することが記載されている。

このように、ＣＩ値は、様々な観点から低減が図られている。

特開２００７−１２４４４１号公報 特開２００８−２６３３８７号公報 特開２０１０−２８６１０号公報

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、ＣＩ値を低減することができる振動素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記振動素子を有する振動子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記振動素子を有する電子デバイスを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記振動素子を有する電子機器を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本適用例に係る振動素子は、
厚みすべり振動で振動し２段メサ構造である振動部と、前記振動部の外縁に沿って配置され前記振動部の厚みよりも厚みが薄い外縁部と、を含む基板と、
前記振動部に設けられている励振電極と、
を備え、
前記外縁部の主面から前記振動部の１段目の段差までの大きさをＭｄ１とし、
前記１段目の段差から２段目の段差までの大きさをＭｄ２とし、
前記基板の材料の密度をｄ_Ａ、前記励振電極の材料の密度をｄ_Ｂ、前記２段目のメサの主面上の前記励振電極の厚みをｔ_Ｂとすると、
（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ））／Ｍｄ１≦１．４
の関係を満たす。

このような振動素子によれば、ＣＩ値を低減することができる（詳細は後述）。

［適用例２］
本適用例に係る振動素子において、
０．５≦（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ））／Ｍｄ１≦１．４
の関係を満たしてもよい。

このような振動素子によれば、より確実に、ＣＩ値を低減することができる（詳細は後述）。

［適用例３］
本適用例に係る振動素子において、
前記基板は、回転Ｙカット水晶基板であってもよい。

このような振動素子によれば、ＣＩ値を低減することができる。

［適用例４］
本適用例に係る振動素子において、
前記振動部の外形は、平面視において、矩形であり、
前記振動部の１段目の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さは、前記振動部の２段目の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さよりも大きくてもよい。

このような振動素子によれば、ＣＩ値を低減することができる。

［適用例５］
本適用例に係る振動素子において、
前記励振電極の外形は、平面視において、前記振動部の２段目の外形と同じであってもよい。

このような振動素子によれば、ＣＩ値を低減することができる。

［適用例６］
本適用例に係る振動子は、
本適用例に係る振動素子と、
前記振動素子を収容するパッケージと、
を含む。

このような振動子によれば、ＣＩ値を低減することができる振動素子を有することができる。

［適用例７］
本適用例に係る電子デバイスは、
本適用例に係る振動素子と、
電子素子と、
を含む。

このような振動子によれば、ＣＩ値を低減することができる振動素子を有することができる。

［適用例８］
本適用例に係る電子機器は、
本適用例に係る振動素子を含む。

このような電子機器によれば、ＣＩ値を低減することができる振動素子を有することができる。

本実施形態に係る振動素子を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る振動素子を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る振動素子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る振動素子を模式的に示す断面図。 ＡＴカット水晶基板を模式的に示す斜視図。 実験例に用いた振動素子を模式的に示す断面図。 実験例に用いた振動素子を模式的に示す断面図。 メサ構造の段差の大きさと、ＣＩ値との関係を示したグラフ。 本実施形態の変形例に係る振動素子を模式的に示す平面図。 本実施形態の変形例に係る振動素子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る振動子を模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る振動子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る電子デバイスを模式的に示す断面図。 本実施形態の変形例に係る電子デバイスを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す平面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 振動素子
まず、本実施形態に係る振動素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る振動素子１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る振動素子１００を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態に係る振動素子１００を模式的に示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、本実施形態に係る振動素子１００を模式的に示す図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

振動素子１００は、図１〜図４に示すように、振動片１０と、励振電極２０ａ，２０ｂと、接続電極２２と、マウント電極２４と、を含むことができる。

振動片１０は、振動部１２ａおよび外縁部１２ｂを有するメサ構造の圧電基板（基板）１２を含んで構成されている。圧電基板１２の材質は、圧電材料であり、例えば、圧電基板１２として、ＡＴカット水晶基板などの回転Ｙカット基板を用いる。

ここで、図５は、ＡＴカット水晶基板２を模式的に示す斜視図である。水晶等の圧電材料は、一般的に三方晶系であり、図５に示すような結晶軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を有する。Ｘ軸は電気軸であり、Ｙ軸は機械軸であり、Ｚ軸は光学軸である。回転Ｙカット基板は、ＸＺ平面を、Ｘ軸周りに角度θだけ回転させた平面に沿って、圧電材料（例えば、人工水晶）から切り出された平板である。ここで、例えば、ＡＴカット水晶基板２の場合は、θ＝３５°１５′である。また、Ｙ軸およびＺ軸もＸ軸周りにθ回転させて、それぞれＹ´軸およびＺ´軸とする。したがって、回転Ｙカット基板は、結晶軸（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）軸を有する。θ＝３５°１５′であるＡＴカット水晶基板２は、Ｙ´軸に直交するＸＺ´面（Ｘ軸およびＺ´軸を含む面）が主面（励振面）となり、厚みすべり振動を主振動として振動することができる。このＡＴカット水晶基板２を加工して、圧電基板１２を得ることができる。

すなわち、圧電基板１２は、例えば、図５に示すように水晶の結晶軸である、電気軸としてのＸ軸と、機械軸としてのＹ軸と、光学軸としてのＺ軸と、からなる直交座標系のＸ軸を中心として、Ｚ軸をＹ軸の−Ｙ方向へ傾けた軸をＺ´軸とし、Ｙ軸をＺ軸の＋Ｚ方向へ傾けた軸をＹ´軸とし、Ｘ軸とＺ´軸に平行な面で構成され、Ｙ´軸に平行な方向を厚みとするＡＴカット水晶基板からなる。

なお、圧電基板１２は、ＡＴカット水晶基板に限定されない。例えば、θ＝−４９°（図５に示すθの矢印方向とは反対に４９°回転）とすることにより、ＢＴカット水晶基板を得ることができる。また、水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして約３３°回転し、さらにこの回転した位置からＺ軸を中心にして約２２°回転した面から切り出すことにより、ＳＣカット水晶基板を得ることができる。

圧電基板１２の形状（外形）は、図２に示すように平面視において（Ｙ´軸方向から見て）、矩形である。圧電基板１２の長辺は、水晶結晶のＸ軸に沿って形成され、圧電基板１２の短辺は、水晶結晶のＸ軸と直交するＺ´軸に沿って形成されている。圧電基板１２は、厚みすべり振動が励振され、厚みすべり振動を主振動として振動することができる。

圧電基板１２は、図３に示すように、第１主面１３ａと、第２主面１３ｂと、を有している。主面１３ａ、１３ｂは、ＸＺ´平面に平行な面である。図示の例では、第１主面１３ａは、＋Ｙ´軸方向を向く面であり、第２主面１３ｂは、−Ｙ´軸方向を向く面である。

圧電基板１２は、２段メサ構造を有している。すなわち、圧電基板１２は、第１主面１３ａよりも＋Ｙ´軸方向に位置し、高さ（Ｙ´軸方向における第１主面１３ａとの間の距離）が異なる２つの面を有している。さらに、圧電基板１２は、第２主面１３ｂよりも−Ｙ´軸方向に位置し、高さ（Ｙ´軸方向における第２主面１３ｂとの間の距離）が異なる２つの面を有している。圧電基板１２が２段メサ構造であることによって、振動素子１００は、高いエネルギー閉じ込め効果を有することができる。

圧電基板１２は、２段型のメサ構造のうち、第１主面１３ａ側の１段目を構成する第１部分１４ａおよび２段目を構成する第２部分１６ａと、第２主面１３ｂ側の１段目を構成する第１部分１４ｂおよび２段目を構成する第２部分１６ｂと、を有している。圧電基板１２は、第１部分１４ａおよび第２部分１６ａと、第１部分１４ｂおよび第２部分１６ｂと、によって、図３に示すように、振動部１２ａのＸ軸方向の端部が階段形状となり、段差１５ａ，１５ｂ，１７ａ，１７ｂが形成される。第１部分１４ａのＸ軸方向（圧電基板１２の長辺と平行な方向）の長さは、第２部分１６ａのＸ軸方向の長さよりも大きく、第３部分１４ｂのＸ軸方向の長さは、第４部分１６ｂのＸ軸方向の長さよりも大きい。すなわち、振動部１２ａの１段目のＸ軸方向の長さ（振動部１２ａの厚みすべり振動の振動方向に沿った長さ）は、振動部１２ｂの２段目のＸ軸方向の長さよりも大きい。

なお、図４に示すように、振動部１２ａのＺ´軸方向の端部は、階段形状となっていない。すなわち、Ｚ´軸方向における第１部分１４ａと第２部分１６ａとの端面は、面一であり、Ｚ´軸方向における第３部分１４ｂと第４部分１６ｂとの端面は、面一である。

図３に示すように、外縁部１２ｂの主面１３ａから振動部１２ａの１段目の段差１５ａまでのＹ´軸方向における大きさＭｄ１は、第１部分１４ａの厚み（Ｙ´軸方向の大きさ）である。外縁部１２ｂの主面１３ｂから振動部１２ａの１段目の段差１５ｂまでのＹ´軸方向における大きさＭｄ１は、第３部分１４ｂの厚みである。振動部１２ａの１段目の段差１５ａから振動部１２ａの２段目の段差１７ａまでのＹ´軸方向における大きさＭｄ２は、第２部分１６ａの厚みである。振動部１２ａの１段目の段差１５ｂから振動部１２ａの２段目の段差１７ｂまでのＹ´軸方向における大きさＭｄ２は、第２部分１６ｂの厚みである。図示の例では、第１部分１４ａと第３部分１４ｂとは、圧電基板１２の中心を通るＸＺ´平面に関して、対称に配置されている。同様に、第２部分１６ａおよび第４部分１６ｂは、圧電基板１２の中心を通るＸＺ´平面に関して、対称に配置されている。

第１部分１４ａ、第２部分１６ａ、第３部分１４ｂ、および第４部分１６ｂの平面形状は、図２に示すように、Ｘ軸に沿った辺を長辺とし、Ｚ´軸に沿った辺を短辺とする矩形である。第１部分１４ａ、第２部分１６ａ、第３部分１４ｂ、および第４部分１６ｂは、振動部１２ａを構成することができる。

振動部１２ａは、圧電基板１２のうち、外縁部１２ｂの厚みｔ´よりも大きい厚みを有する部分である。具体的には、振動部１２ａは、厚みｔ´よりも大きい厚みｔ１を有する部分、および厚みｔ１よりも大きい厚みｔ２を有する部分を有している。すなわち、振動部１２ａは、２段メサ構造である。振動部１２ａは、厚みすべり振動が励振され、厚みすべり振動を主振動として振動することができる。このとき、厚みすべり振動はＸ軸方向に沿って振動することとなる。

振動部１２ａは、図２に示すように平面視において、外縁部１２ｂに囲まれている。振動部１２ａの外形は、図２に示すように平面視において、厚みすべり振動の振動方向であるＸ軸に沿った辺を長辺とし、厚みすべり振動の振動方向に直交するＺ´軸に沿った辺を短辺とする矩形である。

外縁部１２ｂは、平面視において、振動部１２ａの外縁に沿って（周辺に）配置されている。外縁部１２ｂは、振動部１２ａの厚みよりも薄い厚みを有している。より具体的には、外縁部１２ｂは、振動部１２の厚みよりも小さい厚みｔ´を有している。

振動部１２ａおよび外縁部１２ｂを有する圧電基板１２は、板状の圧電基板（図示せず）の、振動部１２ａとなる部分を保護膜（図示せず）で覆い、外縁部１２ｂとなる部分をケミカルエッチング（エッチング）することによって形成される。さらに、第２部分１６ａおよび第４部分１６ｂとなる部分を保護膜で覆い、第１部分１４ａおよび第３部分１４ｂとなる部分をケミカルエッチングすることによって、２段メサ構造を有する圧電基板１２を形成することができる。

第１励振電極２０ａは、２段目のメサの第１主面１３ａ上に設けられている。より具体的には、第１励振電極２０ａは、第２部分１６ａの表面に設けられている。図２に示す例では、第１励振電極２０ａは、第２部分１６ａと同じ平面形状を有し、第１励振電極２０ａと第２部分１６ａとは、完全に重なっている。すなわち、第１励振電極２０ａの外形は、平面視において、振動部１２ａの２段目の外形と同じである。

第２励振電極２０ｂは、２段目のメサの第２主面１３ｂ上に設けられている。より具体的には、第２励振電極２０ｂは、第４部分１６ｂの表面に設けられている。図２に示す例では、第２励振電極２０ｂは、第４部分１６ｂと同じ平面形状を有し、第２励振電極２０ｂと第４部分１６ｂとは、完全に重なっている。すなわち、第２励振電極２０ｂの外形は、平面視において、振動部１２ａの２段目の外形と同じである。

励振電極２０ａ，２０ｂは、振動部１２ａを挟んで設けられている。励振電極２０ａ，２０ｂは、振動部１２ａに電圧を印加することができる。励振電極２０ａ，２０ｂは、接続電極２２を介して、マウント電極２４と接続されている。マウント電極２４は、外縁部１２ｂの第２主面１３ｂに設けられている。マウント電極２４は、例えば、振動部１２ａよりも＋Ｘ軸方向に設けられている。

励振電極２０ａ，２０ｂ、接続電極２２、およびマウント電極２４としては、例えば、圧電基板１２側から、クロム、金をこの順で積層した金属材料を用いる。励振電極２０ａ，２０ｂ、接続電極２２、およびマウント電極２４は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法により形成される。

ここで、振動素子１００は、外縁部１２ｂの主面１３ａ，１３ｂから振動部１２ａの１段目の段差１５ａ，１５ｂまでのＹ´軸方向における大きさをＭｄ１とし、振動部１２ａの１段目の段差１５ａ，１５ｂから振動部１２ａの２段目の段差１７ａ，１７ｂまでのＹ´軸方向における大きさをＭｄ２とし、励振電極２０の圧電材料換算厚みをｔ_Ａとすると、
（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１≦１．４ （１）
の関係を満たし、さらに、
０．５≦（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１≦１．４ （２）
の関係を満たすことができる。

ただし、圧電基板１２の材料（より具体的には圧電材料）の密度をｄ_Ａとし、励振電極２０ａ，２０ｂの材料（より具体的には金属材料）の密度をｄ_Ｂとし、励振電極２０ａ，２０ｂの厚み（実際の厚み）をｔ_Ｂとすると、ｔ_Ａは、
ｔ_Ａ＝（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ （３）
の関係を満たす。

（３）式より、（１）式は、
（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ）／Ｍｄ１）≦１．４ （４）
と表すことができる。

また、（３）式より、（２）式は、
０．５≦（（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ）／Ｍｄ１）≦１．４ （５）
と表すことができる。

式（４）を満たすことにより、振動素子１００は、低いＣＩ値を有することができる。さらに、振動素子１００は、式（５）を満たすことにより、より確実に、低いＣＩ値を有することができる。詳細は後述する。

２． 実験例
次に、実験例について説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

実験例として、振動素子Ｓを用いたシミュレーションを行った。図６および図７は、振動素子Ｓを模式的に示す断面図である。以下、実験例に用いた振動素子Ｓにおいて、本実施形態に係る振動素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６（ｂ）では、振動素子Ｓは、接続部材３０を介して、パッケージベース４０に接合（固定）されている。より具体的には、振動素子Ｓは、パッケージベース４０に設けられた端子４２に固定されている。

図６（ｂ）に示す振動素子Ｓにおける、圧電基板１２の端部からのＸ軸方向の各位置での振動変位量は、図６（ａ）のようになり、破線で囲まれた領域Ａ（マウント部：圧電基板１２の端部から約０．２（ｍｍ）前後）における振動変位が、マウントの影響により損失されるＣＩ成分となる。

図７に示す振動素子Ｓは、圧電基板１２の第２部分１６ａおよび第４部分１６ｂの厚み（段差１５ａ，１５ｂから振動部１２ａの２段目の段差１７ａ，１７ｂまでのＹ´軸方向における大きさ）を（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）としたこと以外は、基本的に、振動素子１００と同じ構成である。本実験例では、圧電基板１２として、ＡＴカット水晶基板を用いた。なお、図７に示す振動素子Ｓは、接続電極２２、およびマウント電極２４を有していない。

ここで、ｔ_Ａは、励振電極２０ａ，２０ｂの圧電材料換算厚みであり、圧電基板１２を構成する圧電材料（水晶）の密度をｄ_Ａとし、励振電極２０ａ，２０ｂを構成する金属材料の密度をｄ_Ｂとし、励振電極２０ａ，２０ｂの実際の厚みをｔ_Ｂとすると、
ｔ_Ａ＝（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ （３）
と表すことができる。

上記のような図７に示す振動素子Ｓにおいて、Ｍｄ１に対する（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）の値を変えて、ＣＩ値を解析するシミュレーションを行った。図８は、Ｍｄ１に対する（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）の比ｒ（＝（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１）と、ＣＩ値との関係を示すグラフである。より具体的には、比ｒが０．５以上となる範囲で解析を行った。なお、図８において、ＣＩ値は、（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）＝Ｍｄ１の場合のＣＩ値で基準化した値を示している。

一般にＣＩ値には、他に大気への振動の漏洩（圧電基板が曝されている環境雰囲気の影響）、圧電基板の内部でのエネルギー損失（材質の影響）、等の成分があるが、これらの成分の影響が一定の場合、ＣＩ値はマウントの影響度で表すことができる。図８は、Ｍｄ１に対する（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）の比ｒ（＝（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１）と、前述の見識に基づいて表したＣＩ値と、の関係を示すグラフである。

図８より、比ｒが１．４より大きくなると、急激にＣＩ値が増加することがわかった。したがって、
（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１≦１．４ （１）
の関係を満たすことにより、振動素子Ｓは、ＣＩ値を低減できることがわかった。すなわち、式（１）および式（３）より、
（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ）／Ｍｄ１）≦１．４ （４）
の関係を満たすことにより、振動素子Ｓは、ＣＩ値を低減できることがわかった。

より具体的には、
０．５≦（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１≦１．４ （２）
の関係を満たすことにより、振動素子Ｓは、より確実に、ＣＩ値を低減できることがわかった。すなわち、式（２）および式（３）より、
０．５≦（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ）／Ｍｄ１）≦１．４ （５）
の関係を満たすことにより、振動素子Ｓは、より確実に、ＣＩ値を低減できることがわかった。

１段メサに対して、メサの段数を増やして２段メサとすることによって、振動部１２ａに閉じ込められる主振動の厚み滑り振動のエネルギー閉じ込めをより強固にするためには少なくとも（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１が０．５以上であることが好適であることが判明した。（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１が０より大きく０．５未満である場合、１段メサよりも前記エネルギー閉じ込めを強くすることはできるが、１段目の厚みが薄くなってしまうので、２段メサの前記エネルギー閉じ込めの強化を十分発揮することができないことがわかった。

ここで、（Ｍｄ２＋ｔ_Ａ）／Ｍｄ１＝１．４のときの、各パラメーターの具体的な値の一例を示すと、メサ構造の１段目の段差の大きさＭｄ１＝５（μｍ）、メサ構造の２段目の段差の大きさＭｄ２＝３．３５（μｍ）、励振電極２０ａ，２０ｂの実際の厚みｔ_Ｂ＝０．５（μｍ）、圧電基板１２を構成する圧電材料（水晶）の密度ｄ_Ａ＝２．６５（ｇ／ｃｍ^３）、励振電極２０ａ，２０ｂを構成する金属材料（クロムおよび金の積層体）の密度ｄ_Ｂ＝１９．３２（ｇ／ｃｍ^３）である。

なお、本実験例（シミュレーション）では、メサ構造を得るための圧電基板１２の堀量（振動部１２ａの厚みｔと外縁部１２ｂの厚みｔ´との差）をＭｄとし、圧電基板１２の長辺の長さをｘとし、振動部１２ａの厚みをｔとすると、堀量Ｍｄの、振動部１２ａの厚みｔに対する比の百分率ｚは、
ｚ＝−１．３２×（ｘ／ｔ）＋４２．８７ （％） （６）
の関係を満たす振動素子Ｓを用いた。ここで、振動部１２ａの厚みｔは、振動部１２ａの最大の厚みを表している。

式（６）を満たすことにより、ＣＩ値の特性変化がフラットとなる最小の堀量Ｍｄの値を選択することができる。すなわち、堀量Ｍｄが大きいほど、ＣＩ値は低減する傾向にあるが、堀量Ｍｄを形成するためのエッチング時間を長くすると、エッチング箇所以外の箇所に形成した保護膜が劣化し、エッチング食われが生じることがある。エッチング食われは、保護膜の状態や圧電基板の状態に応じて異なる傾向を示すため、エッチング食われの影響により圧電基板形状のばらつきが大きくなることがある。また、エッチング時間が長くなることにより、製造コストが高くなることがある。さらに、主振動モードに対する不要モードの結合は、堀量Ｍｄの増加に伴うＣＩ値の低下と逆の傾向を示す。このため、堀量Ｍｄを増加させた場合には、主モードである厚みすべりモードに不要モードである屈曲モード等が乗りやすくなるため、振動特性の悪化を招く可能性がある。したがって、堀量Ｍｄとして、ＣＩ値の特性変化がフラットとなる最小の値を選択することができれば、上述したエッチング食われや振動特性の悪化の可能性を低くし、良好な振動特性を得ることができる。

ここで、堀量Ｍｄの、振動部１２ａの厚みｔに対する比の百分率ｚは、式（６）から算出される値より５％小さくても、十分にＣＩ値の低減を図ることができる。したがって、ｚは、
−５≦ｚ＋１．３２×（ｘ／ｔ）−４２．８７ （％） （７）
の関係を満たしていればよい。

さらに、堀量Ｍｄの、振動部１２ａの厚みｔに対する比の百分率ｚは、式（６）から算出される値より５％大きくても、エッチング食われが生じることや、主振動モードに対して不要モードが結合することを、十分に抑制することができる。したがって、ｚは、
−５≦ｚ＋１．３２×（ｘ／ｔ）−４２．８７≦５ （％） （８）
の関係を満たしていればよい。

なお、式（６）は、辺比ｘ／ｔ（振動部１２ａの厚みｔに対する、圧電基板１２の長辺の長さｘを表す比）ごとに堀量Ｍｄを変化させてＣＩ値の変化を解析する実験を行い、ＣＩ値の特性変化がフラットとなる堀量Ｍｄの最小値Ｍｄ＿ｍｉｎを求めることにより、算出した式である。

また、辺比ｘ／ｔは、３０以下であることが望ましい。辺比ｘ／ｔが３０を超えると、Ｍｄ＿ｍｉｎの値は、著しく小さくなるため、圧電基板をメサ型に形成する必要が無くなる。すなわち、圧電基板をメサ型に形成しなくても、十分に低いＣＩ値を有することができる。したがって、辺比ｘ／ｔが３０以下である圧電基板をメサ型に形成することにより、小型化を図りつつ、ＣＩ値を低減することができる。本実験例では、辺比ｘ／ｔの値を、１３とした。

なお、本実験例では、圧電基板１２としてＡＴカット水晶基板を用いたが、本実験例は、ＡＴカット水晶基板以外の圧電基板を用いた場合にも適用することができる。ただし、圧電基板の加工、すなわちメサ加工の容易性等の側面から、圧電基板１２としては、水晶基板を用いることが望ましい。

また、本実験例では、振動部１２ａのＺ´軸方向の端部は、階段形状となっていない振動素子Ｓを用いたが、本実験例は、Ｚ´軸方向の端部は、階段形状となっている振動素子（後述する振動素子２００参照）についても適用することができる。

３． 振動素子の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る振動素子について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態の変形例に係る振動素子２００を模式的に示す平面図である。図１０は、本実施形態の変形例に係る振動素子２００を模式的に示す図９のＸ−Ｘ線断面図である。以下、振動素子２００において、振動素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

振動素子１００では、図２および図４に示すように、振動部１２ａのＺ´軸方向の端部は、階段形状となっていなかった。すなわち、Ｚ´軸方向における第１部分１４ａと第２部分１６ａとの端面は、面一であり、Ｚ´軸方向における第３部分１４ｂと第４部分１６ｂとの端面は、面一であった。

これに対し、振動素子２００では、図９および図１０に示すように、振動部１２ａのＺ´軸方向の端部は、階段形状となり、段差が形成される。第１部分１４ａのＺ´軸方向の長さは、第２部分１６ａのＺ´軸方向の長さよりも大きく、第３部分１４ｂのＺ´軸方向の長さは、第４部分１６ｂのＺ´軸方向の長さよりも大きい。

振動素子２００によれば、振動素子１００と同様に、式（４）を満たすことにより、ＣＩ値を低減することができる。

４． 振動子
次に、本実施形態に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態に係る振動子３００を模式的に示す断面図である。

振動子３００は、図１１に示すように、本発明に係る振動素子と、パッケージ５５と、を含む。以下では、本発明に係る振動素子として、振動素子１００を用いた例について説明する。

パッケージ５５は、振動素子１００を収容している。パッケージ５５は、パッケージベース４０と、リッド５０と、を有することができる。

パッケージベース４０には、凹部４８が形成され、凹部４８内に振動素子１００が配置されている。パッケージベース４０の平面形状は、凹部４８内に振動素子１００を配置することができれば、特に限定されない。パッケージベース４０としては、例えば、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、水晶、ガラス、シリコンなどの材料を用いる。

パッケージベース４０の第１面（図示の例では凹部４８の内側の底面）４０ａには、導電性接着剤３０を介して、振動素子１００が接合（実装）されている。より具体的には、導電性接着剤３０は、第１面４０ａに設けられた第１端子４２と、振動素子１００のマウント電極２４と、を接合している。

パッケージベース４０の第２面（第１面４０ａと反対側の面）４０ｂには、電子機器などの外部部材に実装される際に用いられる第２端子４４ａ，４４ｂが設けられている。第２端子４４ａは、パッケージベース４０を貫通するコンタクト部（図示せず）を介して、第１端子４２に接続されていてもよい。これにより、第２端子４４ａと第１励振電極２０ａとを電気的に接続することができる。

なお、第１面４０ａには、図示しない端子が設けられており、該端子と第２励振電極２０ｂとは、電気的に接続されていてもよい。そして、該端子と、第２端子４４ｂとは、パッケージベース４０を貫通するコンタクト部（図示せず）を介して、接続されていてもよい。これにより、第２端子４４ｂと第２励振電極２０ｂとを電気的に接続することができる。

第１端子４２および第２端子４４ａ，４４ｂとしては、例えば、タングステンなどのメタライス層に、ニッケル、金などの皮膜をめっきなどの方法により積層した金属膜を用いる。

リッド５０は、パッケージベース４０の凹部４８を覆って設けられている。図示の例では、リッド５０の形状は、板状である。リッド５０としては、例えば、パッケージベース４０と同じ材料や、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼などの金属を用いる。リッド５０は、例えば、シームリング、低融点ガラス、接着剤などの接合部材６０を介して、パッケージベース４０に接合されている。

パッケージベース４０の気密に封止された凹部４８内は、減圧された真空状態（真空度の高い状態）または、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填された状態となっている。

振動子３００は、ＣＩ値を低減することができる振動素子１００を有することができる。

５． 振動子の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の変形例に係る振動子４００を模式的に示す断面図である。以下、振動子４００において、振動子３００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

振動子３００では、図１１に示すように、パッケージベース４０に凹部４８が設けられていた。これに対し、振動子４００では、図１２に示すように、パッケージベース４０には、凹部４８が設けられておらず、パッケージベース４０は、平板状の形状を有している。

振動子４００では、リッド５０は、全周につば部５２が設けられたキャップ状（容器状）の形状を有しており、その内側の空間５４に、振動素子１００を収容することができる。つば部５２は、接合部材６０を介して、パッケージベース４０に接合されている。リッド５０としては、例えば、コバール、４２アロイ、ステンレス鋼などの金属を用いる。

振動子４００によれば、振動子３００に比べて、パッケージベース４０に凹部４８を設けなくてよいため、その分パッケージベース４０の製造が容易となり、製造コストを削減することができる。

６． 電子デバイス
次に、本実施形態に係る電子デバイスについて、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係る電子デバイス５００を模式的に示す断面図である。

電子デバイス５００は、図１３に示すように、本発明に係る振動素子と、電子素子７０と、を含む。より具体的には、電子デバイス５００は、本発明に係る振動子を含む。以下では、本発明に係る振動子として、振動素子１００を備えた振動子３００を用いた例について説明する。

電子素子７０は、パッケージ５５に収容されている。より具体的には、電子素子７０は、パッケージベース４０に設けられた凹部４８内に配置されている。電子素子７０としては、例えば、振動素子１００を駆動する発振回路を備えたＩＣチップを用いる。さらに、ＩＣチップは、振動素子１００の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路を備えていてもよい。電子素子７０として発振回路を備えたＩＣチップを用いる場合、電子デバイス５００は、発振器として機能することができる。なお、電子素子７０は、上記のようなＩＣチップに限定されず、例えば、サーミスター、コンデンサー、リアクタンス素子であってもよい。

電子素子７０は、バンプ７２を介して、パッケージベース４０の第１面４０ａに設けられた第３端子４６と電気的に接続されている。第３端子４６は、例えば、図示しない配線によって、第１端子４２と接続されている。これにより、電子素子７０と第１励振電極２０ａとを電気的に接続することができる。また、電子素子７０は、図示しない配線によって、第２励振電極２０ｂと電気的に接続されていてもよい。

バンプ７２としては、例えば、金、ニッケルなど金属バンプを用いる。第３端子４６としては、例えば、タングステンなどのメタライス層に、ニッケル、金などの皮膜をめっきなどの方法により積層した金属膜を用いる。

なお、図示はしないが、電子素子７０は、バンプ７２の変わりに、ワイヤーによって、第３端子４６と電気的に接続されていてもよい。

電子デバイス５００によれば、ＣＩ値を低減することができる振動素子１００を有することができる。

７． 電子デバイスの変形例
次に、本実施形態の変形例に係る電子デバイスについて、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態の変形例に係る電子デバイス６００を模式的に示す断面図である。以下、電子デバイス６００において、電子デバイス５００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電子デバイス５００では、図１３に示すように、電子素子７０は、パッケージベース４０の第１面４０ａ側に設けられ、パッケージベース４０に設けられた凹部４８内に配置されていた。これに対し、電子デバイス６００では、電子素子７０は、図１４に示すように、パッケージベース４０の第２面４０ｂが底面となる凹部４９内に設けられている。電子デバイス６００では、パッケージベース４０は、略Ｈ型の形状を有することができる。

電子素子７０は、接着剤（図示せず）によって、第２面４０ｂに接合されていてもよい。電子素子７０は、ワイヤー７４を介して、第２面４０ｂに設けられた第３端子４６と電気的に接続されている。ワイヤー７４の材質は、例えば、金である。

なお、図示はしないが、電子素子７０は、ワイヤー７４の変わりに、バンプによって、第３端子４６と電気的に接続されていてもよい。

電子デバイス６００によれば、振動素子１００と電子素子７０とを分離し、振動素子１００を単独で気密封止しているために、良好な周波数エージング特性を有することができる。

８． 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。図１５は、本実施形態に係る電子機器として、形態電話（スマートフォン）を模式的に示す平面図である。

スマートフォン７００は、本発明に係る振動素子を含む。より具体的には、スマートフォン７００は、本発明に係る電子デバイスを含む。以下では、図１５に示すように、本発明に係る電子デバイスとして、振動素子１００を備えた電子デバイス５００を用いた例について説明する。なお、便宜上、図１５では、電子デバイス５００を簡略化して図示している。

スマートフォン７００は、電子デバイス５００を、例えば、基準クロック発振源などのタイミングデバイスとして用いる。スマートフォン７００は、さらに、表示部（液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等）７０１、操作部７０２、および音出力部７０３（マイクロフォン等）を有することができる。スマートフォン７００は、表示部７０１に対する接触検出機構を設けることで表示部７０１を操作部として兼用してもよい。

スマートフォン７００によれば、ＣＩ値を低減することができる振動素子１００を有することができる。

なお、スマートフォン（形態電話）７００に代表される電子機器は、上述したように、振動素子１００を駆動する発振回路と、振動素子１００の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路と、を備えていることが好ましい。

これによれば、スマートフォン７００に代表される電子機器は、振動素子１００を駆動する発振回路と共に、振動素子１００の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路を備えていることから、発振回路が発振する共振周波数を温度補償することができ、温度特性に優れた電子機器を提供することができる。

本発明に係る振動片を備えた電子機器は、上記スマートフォンに限らず、電子ブック、パーソナルコンピューター、テレビ、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、ナビゲーション装置、ベージャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器などのタイミングデバイスとして好適にも用いることができる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…ＡＴカット水晶基板、１０…振動片、１２…圧電基板、１２ａ…振動部、１２ｂ…外縁部、１３ａ…第１主面、１３ｂ…第２主面、１４ａ…第１部分、１４ｂ…第３部分、１５ａ，１５ｂ…段差、１６ａ…第２部分、１６ｂ…第４部分、１７ａ，１７ｂ…段差、１８…固定部、２０ａ…第１励振電極、２０ｂ…第２励振電極、２２…接続電極、２４…マウント電極、３０…導電性接着剤、４０…パッケージベース、４０ａ…第１面、４０ｂ…第２面、４２…第１端子、４４ａ，４４ｂ…第２端子、４６…第３端子、４８…凹部、４９…凹部、５０…リッド、５２…つば部、５４…空間、５５…パッケージ、６０…接合部材、７０…電子素子、７２…バンプ、７４…ワイヤー、１００，２００…振動素子、３００，４００…振動子、５００，６００…電子デバイス、７００…スマートフォン、７０１…表示部、７０２…操作部、７０３…音出力部

Claims (8)

1. 厚みすべり振動で振動し２段メサ構造である振動部と、前記振動部の外縁に沿って配置され前記振動部の厚みよりも厚みが薄い外縁部と、を含む基板と、
   前記振動部に設けられている励振電極と、
   を備え、
   前記外縁部の主面から前記振動部の１段目の段差までの大きさをＭｄ１とし、
   前記１段目の段差から２段目の段差までの大きさをＭｄ２とし、
   前記基板の材料の密度をｄ_Ａ、前記励振電極の材料の密度をｄ_Ｂ、前記２段目のメサの主面上の前記励振電極の厚みをｔ_Ｂとすると、
   （（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ））／Ｍｄ１≦１．４
   の関係を満たす、振動素子。
2. 請求項１において、
   ０．５≦（（Ｍｄ２＋（ｄ_Ｂ／ｄ_Ａ）×ｔ_Ｂ））／Ｍｄ１≦１．４
   の関係を満たす、振動素子。
3. 請求項１または２において、
   前記基板は、回転Ｙカット水晶基板である、振動素子。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記振動部の外形は、平面視において、矩形であり、
   前記振動部の１段目の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さは、前記振動部の２段目の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さよりも大きい、振動素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記励振電極の外形は、平面視において、前記振動部の２段目の外形と同じである、振動素子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子と、
   前記振動素子を収容するパッケージと、
   を含む、振動子。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子と、
   電子素子と、
   を含む、電子デバイス。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子を含む、電子機器。

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