JP2013207338A - 振動素子、振動子、電子デバイス、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波（２００ＭＨｚ以上）において、電圧制御型発振器の周波数可変範囲を大きくして、振動子の製造歩留りの向上を図るために、容量比γの小さな振動素子を提供する。
【解決手段】厚み滑り振動で振動する基板１０と、前記基板の一方の主面に設けられ、矩形の四隅を切り欠いた形状の第１の励振電極２５ａと、前記基板の他方の主面に設けられている第２の励振電極２５ｂと、を含み、前記矩形の面積Ｓ１と前記第１の励振電極の面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）が８７．７％≦（Ｓ２／Ｓ１）＜９５．０％である振動素子１。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚み滑り振動を励振する振動素子、振動子、電子デバイス、及び電子機器に関する。

主振動である厚み滑り振動を励振するＡＴカット水晶振動子は、小型化、高周波数化に適し、且つ周波数温度特性が優れた三次曲線を呈するので、発振器、電子機器等の多方面で使用されている。特に、近年では伝送通信機器やＯＡ機器の処理速度の高速化、或いは通信データや処理量の大容量化が進むのに伴い、それに用いられる基準周波数信号源としてのＡＴカット水晶振動子に対し高周波化の要求が強まっている。厚み滑り振動で励振するＡＴカット水晶振動子の高周波化には、振動部分の厚みを薄くすることにより高周波化を図るのが一般的である。

しかし、高周波化に伴い、振動部分の厚みが薄くなると、周波数の調整感度が高まるため周波数追い込み精度が悪くなり、振動子の製造歩留りが低下するという問題があった。これに対し、特許文献１には、温度補償型発振器の振動素子において、長方形状の励振電極の四隅を略均等に切り欠き、その面積を切り欠く前との面積比で９５％〜９８％とし、振動子の容量比γを小さくすることで、周波数可変感度を大きくし、発振周波数の合わせ込みの余裕度を大きくできることが開示されている。
また、特許文献１の段落［００２４］においては、「面積比が９５％未満であると、実際に振動に寄与している振動部分の励振電極部を欠くことになり、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、容量比γを小さくする効果が得られなくなる。」と記載されている。

特開２００２−１１１４３５号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されているように、励振電極の四隅を切り欠き面積比で９５％〜９８％とし、容量比γを小さくできたとしても、温度補償型発振器では電気的特性上十分ではあるが、電圧制御型発振器に用いられる振動子においては、劣化した周波数調整精度を補う程の周波数可変感度が得られないという課題があった。
そこで、高周波（２００ＭＨｚ以上）において、電圧制御型発振器の周波数可変範囲を大きくして、振動子の製造歩留りの向上を図るために、容量比γの小さな振動素子を提供する。

本発明は、上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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る振動素子は、厚み滑り振動で振動する基板と、前記基板の一方の主面に設けられ、矩形の四隅を切り欠いた形状の第１の励振電極と、前記基板の他方の主面に設けられている第２の励振電極と、を含み、前記矩形の面積Ｓ１と前記第１の励振電極の面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）が８７．７％≦（Ｓ２／Ｓ１）＜９５．０％であることを特徴とする。

本適用例によれば、基本波の厚み滑り振動で励振する高周波の振動素子において、実際に振動に寄与しない励振電極の四隅を取り除くので、等価直列容量Ｃ１はほとんど影響がなく変化しないが、等価並列容量Ｃ０は小さくなった面積に比例して小さくなるため、振動素子の容量比（γ＝Ｃ０／Ｃ１）が小さくなり、大きな周波数可変感度を有する電圧制御型発振器が得られるという効果がある。

［適用例２］上記適用例に記載の振動素子において、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極は、前記主面と直交する方向から投影して視た場合に、前記第２の励振電極の外縁内に、前記第１の励振電極が収まるように互いに異なる形状であることを特徴とする。

本適用例によれば、基本波の厚み滑り振動で励振する高周波の振動素子において、第１の励振電極と第２の励振電極との面積が同一の場合に比べ、電極膜厚を厚くできるので、電極膜のオーミックロスを回避し、主振動のＣＩ値の劣化を防止できるという効果がある。
また、第１の励振電極と第２の励振電極とを金属マスク法で形成する場合、多少の位置ずれがあった場合でも、第１の励振電極と第２の励振電極との対向面積が変化し難いため、等価直列容量Ｃ１と等価並列容量Ｃ０のばらつきが生じないので、容量比γのばらつきが小さい振動素子が得られるという効果がある。

［適用例３］上記適用例に記載の振動素子において、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極から夫々前記基板の端部に向って延在して設けられているリード電極を含み、前記切り欠いた形状を有する前記励振電極から延在して設けられている前記リード電極は、前記切り欠いた領域を除く前記励振電極の端部から延在されていることを特徴とする。

本適用例によれば、リード電極を切り欠いた領域を除く前記励振電極の端部から延在することにより、容量比γの低減に効果のある四隅部分を避けることができるので、容量比γのより小さな振動素子が得られるという効果がある。

［適用例４］上記適用例に記載の振動素子において、エネルギー閉じ込め係数Ｍが１７．１≦Ｍ≦３５．７であることを特徴とする。

本適用例によれば、基本波の厚み滑り振動で励振する高周波の振動素子において、振動エネルギーの閉じ込め係数Ｍを１７．１以上とすることで、ＣＩ値を２０Ω以下とすることができるので発振が容易になるという効果がある。また、エネルギー閉じ込め係数Ｍを３５．７以下とすることで、主振動の発振を阻害するインハーモニックモードのスプリアスの影響を抑制できるという効果がある。

［適用例５］上記適用例に記載の振動素子において、前記厚み滑り振動の共振周波数が２００ＭＨｚ以上であることを特徴とする。

本適用例によれば、厚み滑り振動で励振する振動素子は、振動部の厚みを薄くすることで高周波化が図れるが、共振周波数が２００ＭＨｚ以上の高周波になると板厚が８．４μｍ以下と非常に薄くなるため、励振電極の膜を剥離し周波数調整を行う工程での周波数制御が非常に難しくなり、周波数偏差が非常に大きくなる。そのため、共振周波数が２００ＭＨｚ以上で容量比γを小さくすることは周波数調整精度の緩和が図れ、振動子の製造歩留りが向上できるという効果がある。

［適用例６］上記適用例に記載の振動素子において、前記基板が水晶基板であることを特徴とする。

本適用例によれば、水晶基板はＱ値が高く、温度特性の優れた切断角度を有しているので、ＣＩ値が小さく、温度特性の優れた振動素子が得られるという効果がある。

［適用例７］本適用例に係る振動子は、上記適用例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、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、振動素子をパッケージに収容することで、温度変化や湿度変化等の外乱の影響や汚染による影響を防ぐことができるため、周波数再現性、周波数温度特性、ＣＩ温度特性、及び周波数エージング特性に優れた振動子が得られるという効果がある。

［適用例８］本適用例に係る電子デバイスは、上記適用例に記載の振動素子と、前記振動素子を励振する発振回路と、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、基本波で励振する高周波の振動素子を用いて電子デバイスを構成すると、振動素子の容量比γが小さいので、周波数可変幅が広く、更に、基本波で励振するので、Ｓ／Ｎ比の良好な高周波の電圧制御型発振器が得られるという効果がある。

［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の振動素子を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、基本波で励振する高周波の振動素子を電子機器に用いることにより、高周波で周波数安定度に優れ、Ｓ／Ｎ比の良好な基準周波数源を備えた電子機器が構成できるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る振動素子の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図、（ｃ）はＱ−Ｑ断面図。 ＡＴカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図。 矩形状励振電極における振動変位分布を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 電極面積比に対する振動素子のＣ１値及びＣ０値を示す図。 電極面積比に対する振動素子の容量比γを示す図。 ＡＴカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示す図。 エネルギー閉じ込め係数Ｍに対する振動子のＣＩ値を示す図。 エネルギー閉じ込め係数Ｍに対する振動子の主振動ＣＩ値とスプリアスＣＩ値とのＣＩ値比を示す図。 本発明の一実施形態に係る振動子の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 本発明の一実施形態に係る電子デバイスの構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る振動素子の構成を示す概略図であり、図１（ａ）は振動素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＰ−Ｐ断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。
振動素子１は、振動部１２及び振動部１２に連設され、振動部１２の厚みよりも厚い厚肉部１３を有する基板１０と、振動部１２の両主面（±Ｙ’方向の表裏面）に夫々対向するようにして形成された第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂと、第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂから厚肉部に設けられたパッド電極２９ａ、２９ｂに向けて、夫々延出されて形成されたリード電極２７ａ、２７ｂと、を備えている。

基板１０は、矩形状をなし、且つ肉薄でＹ’軸に直交し厚みが一定である平板状の振動部１２と、振動部１２の一辺を除いた三辺に沿って一体化された第１の厚肉部１４、第２の厚肉部１５、及び第３の厚肉部１６（第１、第２及び第３の厚肉部１４、１５、１６とも称する）からなる厚肉部１３と、支持固定した際に生じるマウント応力を振動部１２に伝わるのを防止するためのスリット１７と、を備えている。
なお、第１の厚肉本体１４ａ、第２の厚肉本体１５ａ、及び第３の厚肉本体１６ａ（第１、第２及び第３の厚肉本体１４ａ、１５ａ、１６ａとも称する）とは、Ｙ’軸に平行な厚みが一定である領域をいう。
また、第１の傾斜部１４ｂ、第２の傾斜部１５ｂ、及び第３の傾斜部１６ｂ（第１、第２及び第３の傾斜部１４ｂ、１５ｂ、１６ｂとも称する）とは、第１、第２及び第３の厚肉本体１４ａ、１５ａ、１６ａと、振動部１２と、の間に生じる傾斜面をいう。
振動部１２の一方の主面と、第１、第２及び第３の厚肉部１４、１５、１６の夫々の一方の面とは、同一平面上、即ち図１に示す座標軸のＸ−Ｚ’平面上にあり、この面（図１（ｂ）の−Ｙ’方向にある下面側）をフラット面（平坦面）といい、凹陥部１１を有する反対側の面（図１（ｂ）の＋Ｙ’方向にある上面側）を凹陥面という。

第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂは、図１に示す実施形態例において、第１の励振電極２５ａは矩形の四隅を切り欠いた形状に形成されている。第２の励振電極２５ｂは矩形状であり、振動部１２の主面のほぼ中央部（上面及び下面両面）に対峙して形成されている。なお、第１の励振電極２５ａは切り欠いた四隅の面積が均一（略均等）であるのが望ましいが、製造ばらつきを考慮すると約１０％の差が生じたとしても、実際の振動に影響を及ぼさないことが確認されており、本実施形態例により得られる効果に影響を与えるような問題はない。
また、第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂは、リード電極２７ａ、２７ｂと接続している部分について、励振電極形状の外縁（外辺）に沿った延長線（仮想線）を境界として形状や面積として説明する。
リード電極２７ａは、凹陥面に形成した励振電極２５ａから延出し、振動部１２上から第３の傾斜部１６ｂと、第３の厚肉本体１６ａとを経由して、第２の厚肉本体１５ａの凹陥面に形成されたパッド電極２９ａに導通接続されている。また、リード電極２７ｂは、フラット面に形成された励振電極２５ｂから延出し、基板１０のフラット面の端縁部を経由して、第２の厚肉本体１５ａのフラット面に形成されたパッド電極２９ｂと導通接続されている。

図１（ａ）に示した実施形態例は、リード電極２７ａ、２７ｂの引出し構造の一例であり、リード電極２７ａは他の厚肉部を経由してもよい。ただ、リード電極２７ａ、２７ｂの長さは最短であることが望ましく、リード電極２７ａ、２７ｂ同士が基板１０を挟んで交差しないように配慮することにより静電容量の増加を抑えることが望ましい。
また、第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂ、リード電極２７ａ、２７ｂ、パッド電極２９ａ、２９ｂは、蒸着装置、あるいはスパッタ装置等を用いて、例えば、下地にニッケル（Ｎｉ）を成膜し、その上に金（Ａｕ）を重ねて成膜してある。なお、電極材料として、下地のニッケル（Ｎｉ）の代わりにクロム（Ｃｒ）、また、金（Ａｕ）の代わりに銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）を用いても構わない。

水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、図２に示すように互いに直交する結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。そして水晶基板は、ＸＺ面をＸ軸の回りに所定の角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された平板が基板１０として用いられる。例えば、ＡＴカット水晶基板の場合は、角度θは略３５°１５’である。なお、Ｙ軸及びＺ軸もＸ軸の周りにθ回転させて、夫々Ｙ’軸及びＺ’軸とする。従って、ＡＴカット水晶基板は、直交する結晶軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’を有する。ＡＴカット水晶基板は、厚み方向がＹ’軸に平行であり、Ｙ’軸に直交するＸＺ’面（Ｘ軸及びＺ’軸を含む面）が主面であり、厚み滑り振動が主振動として励振される。

即ち、基板１０は、図２に示すようにＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）、Ｚ軸（光学軸）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カット水晶基板である。
なお、本実施形態例に係る基板１０は、図２に示す角度θが略３５°１５’のＡＴカットに限定されるものではなく、厚み滑り振動を励振するＢＴカット等の基板にも広く適用できる。
更に、振動部１２の外縁に沿って厚肉部を設けた例を用いて説明したが、これに限らず、振動部１２の外縁全周に沿って厚肉部を設けた基板や厚肉部が設けられていない平板状の基板にも広く適用できる。

電圧制御型発振器は振動子、発振回路部、可変容量ダイオードを含む制御電圧端子により構成され、重要な仕様として制御電圧により振動子の発振周波数を可変する周波数可変範囲がある。この周波数可変範囲は伝送通信機器等で必要なＡＰＲ（絶対周波数可変範囲）と周波数許容偏差（周波数常温偏差、周波数温度特性、電源電圧による周波数変動、負荷による周波数変動、リフローによる周波数変動、経時変化による周波数変動）との和であるため、電圧制御型発振器は発振器の外部環境や発振回路条件の変化による周波数変化量を発振器自身が補っている。そのため、周波数可変範囲を広く取れることは製造や設計に起因する周波数許容偏差を緩和できるため、振動子の製造歩留りを向上する上で非常に重要である。

ここで、電圧制御型発振器の周波数可変感度Ｓは、下記式（１）で表される。
Ｓ＝−△ＣＬ／２・γ・Ｃ０・（１＋ＣＬ／Ｃ０）²・・・（１）
ここで、△ＣＬは負荷容量変化、γは容量比（Ｃ０／Ｃ１）、Ｃ０は等価並列容量、ＣＬは負荷容量である。
式（１）より、周波数可変感度Ｓは発振回路で構成される負荷容量ＣＬが一定であれば、振動素子の等価並列容量Ｃ０と容量比γにより決定され、特に、容量比γによる影響が大きい。従って、容量比γが小さければ、電圧制御型発振器の周波数可変感度Ｓを大きくすることができ、振動子の製造歩留りを向上することができる。

矩形状の励振電極２３を有する振動素子の基本波の厚み滑り振動モードの振動変位分布を有限要素法で計算した結果を図３に示す。この図より、振動変位は励振電極２３の四隅部で非常に小さく、この部分が実際の振動に寄与していないことが解る。ここで、振動素子の等価並列容量Ｃ０は表裏励振電極間の静電容量であるので対向面積に依存するが、等価直列容量Ｃ１は実際の振動部における容量成分であるため励振電極２３の面積が十分大きければ依存しない。そのため、実際の振動に寄与しない励振電極２３の一部を除去することは、等価直列容量Ｃ１に影響を及ぼさずに、等価並列容量Ｃ０のみを小さくできるので、容量比γが小さい振動素子が得られる。

図４は図１の実施形態例で試作した４９１ＭＨｚ帯の共振周波数を有するＡＴカット水晶振動素子の電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）に対するＣ１値及びＣ０値を示している。
矩形状励振電極の面積（０．３０ｍｍ×０．２４ｍｍ）を基準面積Ｓ１として、矩形の四隅の電極部を徐々に除去した電極の面積Ｓ２とした場合の電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）に対する主振動の等価直列容量Ｃ１値と等価並列容量Ｃ０値を示したものである。
図４より、等価直列容量Ｃ１は電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）の減少に伴い、約９０％までは振動に寄与していない部分を除去しているため影響が小さくほぼ一定値を示しているが、約９０％を超えると振動に影響を及ぼし始め、小さくなる傾向を示していることが判明した。また、等価並列容量Ｃ０については電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）の減少に比例し、小さくなる傾向を示していることも確認された。
そこで、本願発明者らは、電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）が約９０％を超えてもＡＴカット水晶振動素子の主振動の特性に実質上悪影響を生じさせず、容量比γを小さくし、従来技術よりも更に周波数可変感度を良好にする領域について実験とシミュレーションを積み重ね、分析を行った。

図５は電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）に対するＡＴカット水晶振動素子の容量比γを示したものであり、電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）の減少に伴い、容量比γは小さくなるが９０％を超えると徐々に大きくなり、８６％以上では初期の容量比γよりも大きくなる傾向を示した。この結果より、矩形の四隅を切り欠いた形状の面積Ｓ２が基準とした矩形状励振電極の面積Ｓ１との電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）を８７．７％≦（Ｓ２／Ｓ１）＜９５％とすることで、先行技術よりも更に、容量比γの小さい振動素子を得ることができることが確認された。
従来技術である特許文献１では「面積比が９５％未満であると、実際に振動に寄与している振動部分の励振電極部を欠くことになり、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、容量比γを小さくする効果が得られなくなる。」と記載されており、容量比γを更に小さくすることは不可能であるとされていたが、本願発明者らは電極面積比（Ｓ２／Ｓ１）が８７．７％≦（Ｓ２／Ｓ１）＜９５％の領域に、即ち、特許文献１では不可能とされた領域に容量比γを更に小さくすることができる領域があることを導き出すことができた。

一般的に厚み滑り振動モードは基板上に部分電極を形成するか、板厚差を設けると、その部分近傍に振動エネルギーを閉じ込めることができ、安定した共振周波数を得ることができる。この場合の閉じ込めモードの共振周波数は、基板の板厚ｔｓや励振電極の膜厚ｔｅと寸法ｈｘにより求まるエネルギー閉じ込め係数Ｍの関数として表される。
エネルギー閉じ込め係数Ｍは、下記式（２）で表される。
Ｍ＝Ｋ・（ｈｘ／２・ｔｓ）・√△・・・（２）
ここで、Ｋは基板の異方性係数、ｈｘは振動モードの変位方向の励振電極寸法、ｔｓは基板の板厚、△はプレートバック量である。
また、プレートバック量△は下記式（３）で表される。
△＝（ｆｓ−ｆｅ）／ｆｓ・・・（３）
ここで、ｆｓは基板のカットオフ周波数、ｆｅは基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数である。

なお、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合、基板のカットオフ周波数ｆｓは下記式（４）で、基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数ｆｅは下記式（５）で表される。
ｆｓ＝Ｒ／ｔｓ・・・（４）
ｆｅ＝Ｒ／［ｔｓ＋ｔｅ・（ρｅ／ρｘ）］・・・（５）
ここで、Ｒは基板の周波数定数、ｔｓは基板の板厚、ｔｅは表裏の励振電極の膜厚の和、ρｅは励振電極の密度、ρｘは基板の密度である。

また、表裏の励振電極の形状と面積が異なる場合、基板のカットオフ周波数ｆｓは下記式（６）で、基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数ｆｅは下記式（７）で表される。
ｆｓ＝Ｒ／［ｔｓ＋ｔｅ２・（ρｅ／ρｘ）］・・・（６）
ｆｅ＝Ｒ／［ｔｓ＋ｔｅ・（ρｅ／ρｘ）］・・・（７）
ここで、Ｒは基板の周波数定数、ｔｓは基板の板厚、ｔｅ２は面積の大きい励振電極の膜厚、ｔｅは表裏の励振電極の膜厚の和、ρｅは励振電極の密度、ρｘは基板の密度である。

式（２）乃至式（７）より、表裏の励振電極の形状と面積が異なる場合は、基板の板厚ｔｓや励振電極の膜厚ｔｅと寸法ｈｘ等が同一条件である場合、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合に比べ、面積の大きい励振電極の膜厚が基板の板厚に加わり基板が厚くなることで基板のカットオフ周波数ｆｓが低下する。そのため、プレートバック量△が小さくなるので、エネルギー閉じ込め係数Ｍは小さくなり、インハーモニックモードのスプリアスを回避し易くなる。
また、エネルギー閉じ込め係数Ｍを同一とした場合には、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合に比べ、励振電極の膜厚ｔｅを厚くすることができるので、ＣＩ値の劣化を抑えることができる。

一般的にＡＴカット水晶基板の厚み滑り振動モードにおいて、基本波の単一モードを閉じ込める条件はエネルギー閉じ込め係数Ｍ＝２．８以下と言われている。
例えば、４９１ＭＨｚ帯の共振周波数で振動するＡＴカット水晶振動素子は、励振電極寸法ｈｘ＝０．３０ｍｍとした場合、エネルギー閉じ込め係数Ｍ＝２．８となる励振電極の膜厚が約１ｎｍと非常に薄く、製造上実現不可能な膜厚となり、例え実現できたとしても電極薄膜化によるオーミックロスの影響によりＣＩ値が非常に大きくなり発振回路で発振することはできない。
そのため、高周波の振動素子は電極膜厚のオーミックロスを避けるために膜厚を厚くする必要があるので、エネルギー閉じ込め係数Ｍが大きくなり、主振動のみを閉じ込めることはできず、インハーモニックモードのスプリアスも閉じ込めてしまう。しかし、スプリアスのＣＩ値が主振動のＣＩ値より１．８倍以上大きければ、理論上発振回路では主振動のみが発振するので、問題とはならない。

図６は図１の実施形態例で試作した２４６ＭＨｚ〜４９１ＭＨｚ帯の共振周波数で振動するＡＴカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示したものである。
但し、第１の励振電極２５ａは矩形で、四隅を切り欠きしていない。
第１の励振電極２５ａ、第２の励振電極２５ｂは下地のニッケル（Ｎｉ）膜厚を７ｎｍで一定とし、金（Ａｕ）の膜厚を４５ｎｍ〜１２０ｎｍとしている。第１の励振電極２５ａはｈｘ／ｈｚを約１．２８で一定とし、ｈｘを０．１４ｍｍ〜０．７０ｍｍとしている。
また、表裏のリード電極２７ａ、２７ｂとパッド電極２９ａ、２９ｂはオーミックロスの影響を回避するために励振電極と同等の膜厚を形成した上層部に、ニッケル（Ｎｉ）膜厚を７ｎｍ積層し、その上に金（Ａｕ）を膜厚２００ｎｍ積層している。

図７は図６に示したＡＴカット水晶振動素子のエネルギー閉じ込め係数Ｍに対するＣＩ値を示したものである。エネルギー閉じ込め係数Ｍが大きくなるとＣＩ値は小さくなる傾向を示し、電極膜厚が大きくなることでオーミックロスの影響が小さくなることと、電極面積が大きくなることで励振電荷が多くなり抵抗が小さくなるためと考えられる。よって、図７より、発振回路が必要とするＣＩ値規格（ＣＩ≦２０Ω）を満足するには、エネルギー閉じ込め係数Ｍを１７．１以上とする必要がある。

図８は図６に示したＡＴカット水晶振動素子のエネルギー閉じ込め係数Ｍに対する主振動のＣＩ値（ＣＩｍ）とスプリアスのＣＩ値（ＣＩｓ）とのＣＩ値比（ＣＩｓ／ＣＩｍ）を示したものである。エネルギー閉じ込め係数Ｍが大きくなるとＣＩ値比（ＣＩｓ／ＣＩｍ）は小さくなる傾向を示し、励振電極の膜厚や面積が大きくなることでインハーモニックモードのスプリアスを強く閉じ込めてしまうためであると考えられる。図８より、発振回路が必要とするスプリアス規格（ＣＩｓ／ＣＩｍ≧２．０）を満足するには、エネルギー閉じ込め係数Ｍを３５．７以下とする必要がある。

従って、エネルギー閉じ込め係数Ｍを１７．１以上とすれば、オーミックロスの影響が小さい電極膜厚である５０ｎｍ以上を確保できるので、発振回路で容易に発振できるＣＩ値で、且つ、スプリアスの影響を受けない振動素子を得ることができる。また、共振周波数が２００ＭＨｚ以上の振動素子におけるエネルギー閉じ込め係数Ｍが２０ＭＨｚや３０ＭＨｚ帯の設計値としてのエネルギー閉じ込め係数Ｍに比べ、大きくすることは、振動エネルギーが励振電極中央部へより集中することを可能とする。よって、励振電極の四隅を切り欠く量を大きくすることができるので、等価並列容量Ｃ０をより小さくすることを可能とし、容量比γをより低減することができる。そのため、エネルギー閉じ込め係数Ｍを大きくしつつ励振電極の四隅を切り欠くことは、高周波において非常に有効であることに、本願発明者は、シミュレーションと実験とを繰り返すことによって想到した。
しかし、エネルギー閉じ込め係数Ｍが３５．７を超えると主振動よりもＣＩ値の小さなスプリアスが多発するので、エネルギー閉じ込め係数Ｍは３５．７以下とする必要があることが解った。

図１（ａ）に示した実施形態例では、凹陥面側（図１（ｂ）の表面側）の第１の励振電極２５ａの面積の大きさは、フラット面側（図１（ｂ）の裏面側）の励振電極２５ｂの外形形状の外縁内に収まる大きさに設定してある。つまり、第１の励振電極２５ａは第２の励振電極２５ｂより小さな形状に形成されている。従って、第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂとを金属マスク法で形成する場合、電極形成時に多少の位置ずれがあったとしても、第１の励振電極と第２の励振電極との対向面積が変化し難いため、等価直列容量Ｃ１と等価並列容量Ｃ０のばらつきが生じず、容量比γのばらつきが小さい振動素子が得られる。
なお、実施形態例では第２の励振電極２５ｂとして矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、円形や楕円形であってもよい。

振動子の周波数調整精度は、共振周波数が２００ＭＨｚ未満の周波数帯では約２０ｐｐｍ以内に調整可能であり、歩留りの点では問題が無かった。しかし、高周波化に伴う振動部分の薄板化により、共振周波数が２００ＭＨｚ以上の周波数帯では約３０ｐｐｍ〜４０ｐｐｍと２００ＭＨｚ未満の周波数帯に比べ約１．５倍〜２倍劣化した。対策として調整時間を遅くし、粗調整と本調整の２回に分けて行っているが、大幅な改善を得ることができていなかった。そのため、製造プロセスを変更することなく、励振電極形状を変更することで容量比γを小さくし発振器の周波数可変範囲を広げられることは２００ＭＨｚ以上の振動子の周波数調整精度歩留りを向上する上で非常に有効である。
なお、現状の設備で製造可能な周波数の上限は８００ＭＨｚ程度と予想される。

図９は、本発明の一実施形態に係る振動子の構成を示す図であり、図９（ａ）は蓋部材を省略した平面図であり、図９（ｂ）は縦断面図である。振動子２は、振動素子１と、振動素子１を収容するために矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、金属、セラミック、ガラス等から成る蓋部材４９と、で構成されている。
パッケージ本体４０は、図９に示すように、第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３と、シールリング４４と、実装端子４５と、を積層して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数形成されている。第３の基板４３は中央部が除去された環状体であり、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等のシールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、振動素子１を収容する凹部（キャビティ）が形成される。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。素子搭載パッド４７は、振動素子１を載置した際に第２の厚肉本体１５ａに形成したパッド電極２９ａに対応するように配置されている。

振動素子１を固定する際には、先ず、振動素子１を反転（裏返し）してパッド電極２９ａを導電性接着剤３０が塗布された素子搭載パッド４７に載置して荷重をかける。導電性接着剤３０は経年変化を考慮して脱ガスの少ないポリイミド系接着剤を用いている。

次に、パッケージ本体４０に搭載された振動素子１の導電性接着剤３０を硬化させるために、所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。導電性接着剤３０を硬化させた後、反転して上面側になったパッド電極２９ｂと、パッケージ本体４０の電極端子４８とをボンディングワイヤーＢＷで導通接続する。図９（ｂ）に示すように、振動素子１をパッケージ本体４０に支持・固定する部分は、一カ所（一点）であるため、支持固定により生じる応力の大きさを小さくすることが可能となる。
アニール処理を施した後、第２の励振電極２５ｂに質量を付加するか、又は質量を減じて周波数調整を行う。その後、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４上に、蓋部材４９を載置し、真空中、又は窒素ガスの雰囲気中で蓋部材４９をシーム溶接して密封し、振動子２が完成する。又は、パッケージ本体４０の第３の基板４３の上面に塗布した低融点ガラスに蓋部材４９を載置し、溶融して密着する方法もある。この場合もパッケージのキャビティ内は真空にするか、又は窒素ガス等の不活性ガスで充填して、振動子２が完成する。

パッド電極２９ａ、２９ｂの間隔をＺ’軸方向に離して形成した振動素子１を構成してもよい。この場合も図９で説明した振動子２と同様に振動子を構成することができる。また、パッド電極２９ａ、２９ｂを同一面上に間隔を離して形成した振動素子１を構成してもよい。この場合、振動素子１は、二カ所（二点）に導電性接着剤３０を塗布して、導通と支持・固定を図るようにした構造である。低背化に適した構造であるが、導電性接着剤３０に起因するマウント応力が少し大きくなる虞がある。
以上の振動子２の実施形態例では、パッケージ本体４０に積層板を用いた例を説明したが、パッケージ本体４０に単層セラミック板を用い、蓋体に絞り加工を施したキャップを用いて振動子を構成してもよい。

図９に示すように、振動素子１を支持する部位が一点であり、且つ厚肉部１３と振動部１２の間にスリット１７を設けることにより、導電性接着剤３０に起因して生じる応力を小さくすることができるため、周波数再現性、周波数温度特性、ＣＩ温度特性、及び周波数エージング特性に優れた振動子２が得られるという効果がある。

図１０は、本発明の一実施形態に係る電子デバイスの構成を示す図であって、図１０（ａ）は蓋部材を省略した平面図であり、図１０（ｂ）は縦断面図である。電子デバイス３は、パッケージ本体５０と、蓋部材４９と、振動素子１と、振動素子１を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品５１と、電圧により容量が変化する可変容量素子、温度より抵抗が変化するサーミスター、インダクター等の電子部品５２の少なくとも１つと、を備えている。

パッケージ本体５０は、図１０に示すように、第１の基板６１と、第２の基板６２と、第３の基板６３と、を積層して形成されている。実装端子４５は、第１の基板６１の外部底面に複数形成されている。第２の基板６２と第３の基板６３とは中央部が除去された環状体で形成されている。
第１の基板６１と、第２の基板６２と、第３の基板６３と、により、振動素子１、ＩＣ部品５１、および電子部品５２などを収容する凹部（キャビティ）が形成される。第２の基板６２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。素子搭載パッド４７は、振動素子１を載置した際に第２の厚肉本体１５ａに形成したパッド電極２９ａに対応するように配置されている。

反転した振動素子１のパッド電極２９ａを、導電性接着剤（ポリイミド系）３０を塗布したパッケージ本体５０の素子搭載パッド４７に載置し、パッド電極２９ａと素子搭載パッド４７との導通を図る。反転して上面側になったパッド電極２９ｂと、パッケージ本体５０の電極端子４８とをボンディングワイヤーＢＷにて接続し、パッケージ本体５０の基板間に形成された導体を通じて、ＩＣ部品５１の１つの電極端子５５との導通を図る。ＩＣ部品５１をパッケージ本体５０の所定の位置に固定し、ＩＣ部品５１の端子と、パッケージ本体５０の電極端子５５とをボンディングワイヤーＢＷにて接続する。また、電子部品５２は、パッケージ本体５０の所定の位置に載置し、金属バンプ等を用いて導体４６に接続する。パッケージ本体５０を真空、あるいは窒素等の不活性気体で満たし、パッケージ本体５０を蓋部材４９で密封して電子デバイス３を完成する。
パッド電極２９ｂとパッケージ本体５０の電極端子４８とをボンディングワイヤーＢＷで接続する工法は、振動素子１を支持する部位が一カ所（一点）になり、導電性接着剤３０に起因して生じるマウント応力を小さくする。また、パッケージ本体５０に収容するに当たり、振動素子１を反転して、より大きな励振電極２５ｂを上面にしたので、電子デバイス３の周波数調整が容易となる。

図１０に示すように、電子デバイス３を構成することにより、基本波で励振する高周波の振動素子１を用いているので、容量比が小さく、周波数可変幅が広がる。更に、Ｓ／Ｎ比の良好な電圧制御型発振器が得られるという効果がある。
また、電子デバイス３として発振器、温度補償型発振器等を構成することが可能であり、周波数再現性、エージング特性、周波数温度特性に優れた発振器を構成できるという効果がある。

次いで、本発明の一実施形態に係る振動素子を適用した電子機器（本発明の電子機器）について、図１１〜図１３に基づき、詳細に説明する。
図１１は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１００を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動素子１が内蔵されている。

図１２は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１００が配置されている。このような携帯電話機１２００には、フィルター、共振器等として機能する振動素子１が内蔵されている。

図１３は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのディジタルスチールカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチールカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。
ディジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１００が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１００は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤ等を含む受光ユニット１３０４が設けられている。
撮影者が表示部１００に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。また、このディジタルスチールカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニター１４３０が、データ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３０８に格納された撮像信号が、テレビモニター１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。このようなディジタルスチールカメラ１３００には、フィルター、共振器等として機能する振動素子１が内蔵されている。

なお、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器は、図１１のパーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１２の携帯電話機、図１３のディジタルスチールカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

１…振動素子、２…振動子、３…電子デバイス、１０…基板、１１…凹陥部、１２…振動部、１３…厚肉部、１４…第１の厚肉部、１４ａ…第１の厚肉本体、１４ｂ…第１の傾斜部、１５…第２の厚肉部、１５ａ…第２の厚肉本体、１５ｂ…第２の傾斜部、１６…第３の厚肉部、１６ａ…第３の厚肉本体、１６ｂ…第３の傾斜部、１７…スリット、２３…励振電極、２５ａ…第１の励振電極、２５ｂ…第２の励振電極、２７ａ，２７ｂ…リード電極、２９ａ，２９ｂ…パッド電極、３０…導電性接着剤、４０…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…シールリング、４５…実装端子、４６…導体、４７…素子搭載パッド、４８…電極端子、４９…蓋部材、５０…パッケージ本体、５１…ＩＣ部品、５２…電子部品、５５…電極端子、６１…第１の基板、６２…第２の基板、６３…第３の基板、１００…表示部、１１００…パーソナルコンピューター、１１０２…キーボード、１１０４…本体部、１１０６…表示ユニット、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１３００…ディジタルスチールカメラ、１３０２…ケース、１３０４…受光ユニット、１３０６…シャッターボタン、１３０８…メモリー、１３１２…ビデオ信号出力端子、１３１４…入出力端子、１４３０…テレビモニター、１４４０…パーソナルコンピューター。

Claims (9)

1. 厚み滑り振動で振動する基板と、
   前記基板の一方の主面に設けられ、矩形の四隅を切り欠いた形状の第１の励振電極と、
   前記基板の他方の主面に設けられている第２の励振電極と、
   を含み、
   前記矩形の面積Ｓ１と前記第１の励振電極の面積Ｓ２との比（Ｓ２／Ｓ１）が８７．７％≦（Ｓ２／Ｓ１）＜９５．０％であることを特徴とする振動素子。
2. 請求項１において、
   前記第１の励振電極と前記第２の励振電極は、
   前記主面と直交する方向から投影して視た場合に、前記第２の励振電極の外縁内に、前記第１の励振電極が収まるように互いに異なる形状であることを特徴とする振動素子。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１の励振電極と前記第２の励振電極から夫々前記基板の端部に向って延在して設けられているリード電極を含み、
   前記切り欠いた形状を有する前記励振電極から延在して設けられている前記リード電極は、前記切り欠いた領域を除く前記励振電極の端部から延在されていることを特徴とする振動素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   エネルギー閉じ込め係数Ｍが１７．１≦Ｍ≦３５．７であることを特徴とする振動素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
   前記厚み滑り振動の共振周波数が２００ＭＨｚ以上であることを特徴とする振動素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
   前記基板が水晶基板であることを特徴とする振動素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一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、
   を備えていることを特徴とする振動子。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記振動素子を励振する発振回路と、
   を備えていることを特徴とする電子デバイス。
9. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。

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