JP2014023015A - 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性のあるパッケージに実装可能でインダクタンスを有する振動素子を提供する。
【解決手段】振動部１２及び支持部１４を含む振動片１０と、前記振動部の主面に設けられている励振電極２０ａ、２０ｂと、前記支持部の少なくとも一方の主面に設けられているパッド電極２２ｂと、前記振動片の少なくとも一方の主面に設けられ、前記電極パッドの外縁に沿って設けられている螺旋状の電極パターン３０と、を含み、前記電極パターンが、前記励振電極又は前記パッド電極に電気的に接続されている振動素子１。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器及び移動体に関する。

従来より、圧電基板に励振電極を形成した圧電振動素子をパッケージ内に気密封止して構成された表面実装型の電子デバイスが広く用いられている。ここで、圧電振動素子は、水晶などの圧電基板を所定の角度及び厚さに切り出した薄板が固有の共振周波数を有する特性を利用するもので、例えば、圧電基板を所謂ＡＴカットと呼ばれるカット角にて切り出した薄板を用いた厚み滑り振動をするＡＴカット水晶振動素子などが利用される。
このような水晶振動素子を用いた電子デバイスとして、例えば、水晶振動素子と、その水晶振動素子を励振させる発振回路を含む半導体回路素子などの電子部品とを同一のパッケージ内に実装して封止した表面実装型の水晶発振器が、周波数や時間などの基準源として広く用いられている。
ところが、近年の携帯電話や情報端末などの小型化に対応し、水晶発振器の小型化を図ろうとすると、水晶振動素子の小型化に伴い、励振電極も小さくなるので、等価直列容量Ｃ１に対するパッケージの容量や電極間の浮遊容量の比率が大きくなり、その結果、水晶振動素子の容量比γが大きくなってしまう。そのため、電圧制御型水晶発振器に用いた場合、所望の周波数可変幅が得られないという問題があった。

図１１は、水晶振動素子をパッケージに封止した水晶振動子を用いた従来の電圧制御型の水晶発振器の一例を示す回路図であり、Ｘ１は水晶振動子、Ａ１は増幅器、Ｃａ及びＣｂはコンデンサー、Ｄ１は可変容量ダイオード、ＩＮは制御電圧入力端子、Ｒｄは制御電圧印加用抵抗、ＯＵＴは電圧制御型水晶発振器の周波数出力端子をそれぞれ表す。
また、水晶振動子Ｘ１の一般的な等価回路は図１２のように表される。図１２において、Ｌ１は等価直列インダクタンス、Ｃ１は等価直列容量、Ｒ１は等価直列抵抗、Ｃ０は並列容量である。
水晶振動子Ｘ１からみた増幅器Ａ１を含む回路側の負荷容量（合成容量）をＣＬとし、容量比をγ（Ｃ０／Ｃ１）とすると、この負荷容量ＣＬによる共振周波数ｆ０の変化量△ｆ／ｆ０は周知の次式で表される。
△ｆ／ｆ０＝Ｃ０／（２γ（Ｃ０＋ＣＬ））
即ち、電圧制御型水晶発振器の周波数は、発振ループ中の負荷容量の変化によりその共振周波数が変化する。
また、可変容量ダイオードＤ１は、その２端子間に印加する逆電圧に応じて容量値が変化するダイオードである。従って、可変容量ダイオードＤ１を発振ループ中に挿入し、その印加電圧を変化させることによって発振周波数を制御することができる。

このような周波数可変幅の調整が行える圧電振動子として、パッケージにインダクター回路パターンを設けて、パッケージ内に収容する水晶振動素子にインダクタンスを接続した構成の水晶振動子が、例えば特許文献１に開示されている。このような目的で発振ループに挿入するインダクタンスを一般的に伸長コイル（あるいは、単に「コイル」）と称する。これは、水晶振動子Ｘ１に直列にインダクタンスを接続すると、共振周波数はインダクタンスを挿入する以前の周波数よりも低くなるが、反共振周波数は変化しないため、共振・反共振周波数間隔が広がるという原理に基づくものである。

特開平２−２２６９０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている水晶振動子では、インダクタンスとなる電極パターンが設けられている専用のパッケージが必要となるので、パッケージの汎用性がないという問題があった。

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、振動部及び支持部を含む振動片と、前記振動部の主面に設けられている励振電極と、前記支持部の少なくとも一方の主面に設けられているパッド電極と、前記振動片の少なくとも一方の主面に設けられ、前記電極パッドの外縁に沿って設けられている螺旋状の電極パターンと、を含み、前記電極パターンが、前記励振電極又は前記パッド電極に電気的に接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、螺旋状の電極パターンによるインダクタンスが振動片上に形成されている振動素子であるため、汎用性のあるパッケージに実装することができ、低コスト化が図れるという効果がある。また、インダクタンスとなるコイルを必要とせずに発振器の周波数可変幅を大きくすることができるので、小型で低価格の発振器が構成でき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、前記電極パターンは、前記励振電極と直列接続又は並列接続されていることを特徴とする。

本適用例によれば、電極パターンによるインダクタンスと励振電極による振動素子とが直列接続した構成の場合、発振器の発振ループ中にインダクタンスを挿入したことになり、周波数可変幅を大きくできるという効果がある。また、並列接続した構成の場合は、発振器における各電極間の浮遊容量などの不要な容量の影響を抑制することができ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、前記振動片は、振動部と、前記振動部の外縁に沿って一体化され、前記振動部よりも厚みが薄い外縁部と、を含み、前記電極パターンは前記外縁部に設けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、振動片の振動部がメサ構造であるため、輪郭系スプリアスとの結合を回避し、主振動のみの振動エネルギーを閉じ込めることができるため、ＣＩが小さく、共振周波数近傍のスプリアスを抑制した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、前記振動片は、振動部と、前記振動部の外縁に沿って一体化され、前記振動部よりも厚みが厚い外縁部と、を含み、前記電極パターンは前記外縁部に設けられされていることを特徴とする。

本適用例によれば、振動片の振動部が非常に薄い高周波の振動素子であっても、振動部と一体化された厚肉部でマウントができるので、耐衝撃性や耐振動性に優れた高信頼性の振動素子が得られるという効果がある。

［適用例５］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、前記振動素子が搭載されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、汎用性のあるパッケージが使用できるので、振動子の低コスト化が図れる。また、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など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、大きな周波数可変幅を有する振動子が得られるという効果がある。

［適用例６］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、発振回路と、前記振動素子と前記発振回路が搭載されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。

本適用例によれば、汎用性のあるパッケージが使用できるので、電子デバイスの低コスト化が図れる。また、インダクタンスを有する振動素子を用いているので、周波数可変幅が大きい電圧制御型発振器などの電子デバイスが得られるという効果がある。

［適用例７］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、汎用性のあるパッケージが使用できるので、低価格であり、且つインダクタンスを有しているので、周波数調整幅が大きくでき高精度化が図れる振動素子を備えた電子機器が構成できるという効果がある。

［適用例８］本適用例に係る移動体は、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、汎用性のあるパッケージが使用でき、インダクタンスを有する振動素子を用いることで、低価格で、周波数調整精度が高く、安定で正確な電子制御ユニットを備えた移動体が構成できるという効果がある。

本発明の第１の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図。 矩形の渦巻き形状のコイルのインダクタンス値とＱ値の計算結果を示す図。 本発明の第２の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。 本発明の第３の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図。 本発明の第４の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図。 本発明の第５の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＥ−Ｅ断面図。 本発明の第６の実施形態に係る振動子の構造を示した概略図であり、（ａ）は上側から視た平面図、（ｂ）はＦ−Ｆ断面図。 本発明の第７の実施形態に係る振動子の構造を示した概略図であり、（ａ）は上側から視た平面図、（ｂ）はＧ−Ｇ断面図。 本発明の第８の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）は上側から視た平面図、（ｂ）はＨ−Ｈ断面図。 発振器の回路の一例を示す回路図。 従来の発振器としての電圧制御型水晶発振回路の一例を説明する回路図。 水晶振動子の等価回路の一例を説明する回路図。 本発明の第１の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。 本発明の第１の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。 本発明の第１の実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図。 本発明の第１の実施形態に係る振動素子を備える振動子や電子デバイスを適用した移動体としての自動車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。

（振動素子）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動素子としての水晶振動素子の一例を上側から視た概略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
水晶を用いて形成される水晶振動素子１は、例えば、人工水晶原石の一部を結晶軸（光軸）を明確にしてブロック状に形成した水晶ランバートから所定の切断角度で切り出された単結晶基板としての水晶ウェハを用いて形成される。ここで、所定の切断角度とは、水晶の結晶軸に対して狙った角度だけ傾けたカット角を指し、本実施形態では、結晶軸から３５°１５′傾けた切断角度で切り出された所謂ＡＴカット水晶を用いて形成された厚み滑り振動モードを呈する水晶振動素子１として説明する。このようなＡＴカット水晶を用いた水晶振動素子１は、広範囲な温度領域において安定した周波数が得られる優れた温度特性を有する圧電振動素子である。

水晶振動素子１は、図１（ａ）に示すように、水晶振動片１０と、励振電極２０ａ、２０ｂと、パッド電極２２ａ、２２ｂと、インダクタンス用の電極パターン３０と、を備えている。水晶振動片１０は、固定端（図１における水晶振動素子１の左側）となる支持部１４と、自由端（図１における水晶振動素子１の右側）となる振動部１２とを有している。支持部１４は、振動部１２と水晶振動素子１の固定端（左側）との間の領域をいう。ここで、本実施例の振動部１２の厚みは、支持部１４の厚みと同一である。振動部１２の両主面上には、一対の励振電極２０ａ、２０ｂが対向させて設けられ、支持部１４の一方の主面上には、パッド電極２２ａ、２２ｂと電極パターン３０が設けられている。水晶振動片１０の一方の主面上に形成された励振電極２０ａ、パッド電極２２ａ、２２ｂ、電極パターン３０において、励振電極２０ａと螺旋状の電極パターン３０の外周の一端とがリード電極２１ａにより電気的に接続され、螺旋状の電極パターン３０の内周の他端がパッド電極２２ａと電気的に接続されている。これにより、励振電極２０ａとパッド電極２２ａとの間に電極パターン３０による一つのインダクタンスが形成される。また、パッド電極２２ｂはリード電極２４ｂと側面電極２３と水晶振動片１０の他方の主面上に形成されたリード電極２１ｂを介して、水晶振動片１０の他方の主面上に形成された励振電極２０ｂに電気的に接続されている。
図１（ａ）に示した実施形態では、励振電極２０ａ、２０ｂの形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、励振電極２０ａ、２０ｂの形状は円形や楕円形であってもよい。

なお、電極パターン３０は水晶発振器などの発振回路の発振ループに挿入されるインダクタンスであり、一般に伸長コイルあるいは単にコイルと称される。電極パターン３０によるインダクタンスが水晶振動素子と直列接続された構成となるため、発振器の周波数可変幅を大きくすることができる。本実施形態の電極パターン３０は、水晶振動片１０の支持部１４の一方の主面上に、細長い配線が外周から内周に向けて矩形の渦巻き形状のコイルとして形成されている。なお、電極パターン３０の形状はこれに限らず、配線によるインダクタンス用のパターンの始端から終端までの長さがなるべく長くなる形状であればよく、例えば、円弧を有する通常の渦巻き形状であってもよいし、一端部から他端部側へ多数回折り返された形状のコイルとして形成されていてもよい。
ここで、インダクタンス用の電極パターン３０である矩形の渦巻き形状のコイルのインダクタンスの値について説明する。図２は内径０．５ｍｍ、ライン幅０．０２ｍｍ、ライン間隔０．０３ｍｍ、巻き数４、膜厚０．００１ｍｍである矩形の渦巻き形状のコイルの周波数５０ＭＨｚから２ＧＨｚまでの範囲におけるインダクタンス値とＱ値を電子回路シミュレーターにより計算した結果を示したものである。
図２より、周波数５０ＭＨｚから２ＧＨｚまでの範囲において、インダクタンス値は約２０ｎＨとほぼ一定であり、Ｑ値は０．４から９と非常に小さいことが明らかとなった。コイルのインダクタンス値が約２０ｎＨであることは、発振器の周波数可変幅を拡大するのに十分な値である。また、コイルのＱ値が小さいことは、発振回路における各電極間の浮遊容量などの不要な容量ＣとコイルのＬとにより生じるＬＣ発振を回避できるため、非常に有利である。従って、水晶振動片１０上に形成した矩形の渦巻き形状の電極によるインダクタンスは、不要なスプリアスの発生を回避し、発振器の周波数可変幅を大きくする上で、非常に効果がある。

このような励振電極２０ａ、２０ｂや電極パターン３０などの電極は、水晶ウェハをエッチングして水晶振動片１０の外形を形成した後に、蒸着又はスパッタリングにより、例えばニッケル（Ｎｉ）又はクロム（Ｃｒ）を下地層として、その上に例えば金（Ａｕ）による金属膜を成膜し、その後フォトリソグラフィーを用いて電極をパターニングすることにより形成できる。

（振動素子の実施例２）
図３は、振動素子の第２の実施形態を説明するものであり、図３（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る水晶振動素子の構造を上側から視た概略平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
図１に示す実施形態の水晶振動素子１の第２の実施例である水晶振動素子１０１は、図３（ａ）に示すように、水晶振動片１１０と、励振電極１２０ａ、１２０ｂと、パッド電極１２２ａ、１２２ｂと、インダクタンス用の電極パターン１３０と、を備えている。ここで、本実施例の振動部１１２は、水晶振動片１１０の両主面に形成されたメサ部１１６を含んでいることが特徴である。メサ部１１６が形成された振動部１１２の両主面上には一対の励振電極１２０ａ、１２０ｂが対向させて設けられている。なお、電極の配線や構成は、図１に示す実施形態の水晶振動素子１と同一なので説明を省略する。
本実施例の水晶振動素子１０１は、水晶振動片１１０の両主面にメサ部１１６が形成されたメサ構造であるため、輪郭系スプリアスとの結合を回避し、主振動のみの振動エネルギーを閉じ込めることができ、ＣＩを小さくし、共振周波数近傍のスプリアスを抑制した振動素子とすることができる。

図３（ａ）に示した実施形態では、メサ部１１６の面積が励振電極１２０ａ、１２０ｂの面積よりも大きい例を示したが、これに限定する必要はなく、メサ部１１６の面積が励振電極１２０ａ、１２０ｂの面積と同じ、又は小さくてもよい。また、励振電極１２０ａ、１２０ｂとメサ部１１６の形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、励振電極１２０ａ、１２０ｂとメサ部１１６の形状は円形や楕円形であってもよい。更に、振動部１１２の両主面上に段差が１段のメサ部１１６の例を示したが、これに限定する必要はなく、振動部１１２の両主面上に多段のメサ形状や振動部１１２の一方の面、又は他方の面のどちらか一方に１段から多段のメサ形状を有していてもよい。

（振動素子の実施例３）
図４は、振動素子の第３の実施形態を説明するものであり、図４（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る水晶振動素子の構造を上側から視た概略平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
図１に示す実施形態の水晶振動素子１の第３の実施例である水晶振動素子２０１は、図４（ａ）に示すように、水晶振動片２１０と、励振電極２２０ａ、２２０ｂと、パッド電極２２２ａ、２２２ｂと、電極パターン２３０と、を備えている。ここで、本実施例の振動部２１２は、水晶振動片２１０の一方の主面に形成された凹部２１８の内低部と凹部２１８が形成されていない側の主面との間に挟まれていることが特徴である。また、支持部２１４は、水晶振動片２１０の両主面に挟まれた厚肉の部分で、且つ、振動部２１２と水晶振動片２１０の固定端（左側）との間の領域である。凹部２１８が形成された振動部２１２の両主面上には一対の励振電極２２０ａ、２２０ｂが対向させて設けられている。また、励振電極２２０ａ、２２０ｂからそれぞれのパッド電極２２２ａ、２２２ｂに接続するためのリード電極２２１ａ、２２１ｂは励振電極２２０ａ、２２０ｂからＺ’軸方向に引き出されているが、これは、凹部２１８の形成によって生じる薄肉部と厚肉部による段差部分での断線を回避するためである。特に、Ｘ軸方向の薄肉部と厚肉部による段差部分は水晶の結晶異方性により、非常に鋭角で電極パターンの断線を生じ易い。なお、その他の電極の配線や構成は、図１に示す実施形態の水晶振動素子１とほぼ同一なので説明を省略する。

本実施例の水晶振動素子２０１は、振動部２１２に凹部２１８が形成された逆メサ構造であるため、振動部２１２を非常に薄くでき、高周波化が図れる。また、振動部２１２と一体化された厚肉部の支持部２１４でマウントができるため、耐衝撃性や耐振動性に優れた高信頼性の振動素子とすることができる。
図４（ａ）に示した実施形態では、励振電極２２０ａ、２２０ｂの形状が矩形で、それぞれの電極面積が異なる例を示したが、これに限定する必要はなく、励振電極２２０ａ、２２０ｂの形状は円形や楕円形で、それぞれの電極面積は同一であってもよい。また、振動部２１２の一方の主面に凹部２１８を形成した例を示したが、これに限定する必要はなく、振動部２１２の両主面上に凹部２１８を形成した構成であってもよい。

（振動素子の実施例４）
図５は、振動素子の第４の実施形態を説明するものであり、図５（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る水晶振動素子の構造を上側から視た概略平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
図１に示す実施形態の水晶振動素子１の第４の実施例である水晶振動素子３０１は、図５（ａ）に示すように、水晶振動片１０と、励振電極３２０ａ、３２０ｂと、パッド電極３２２ａ、３２２ｂと、電極パターン３３０と、を備えている。ここで、本実施例の支持部１４には、水晶振動片１０の両主面にパッド電極３２２ａ、３２２ｂが形成されていることが特徴である。水晶振動片１０の一方の主面には、励振電極３２０ａと、パッド電極３２２ａと、インダクタンス用の電極パターン３３０とが形成されており、図１に示す実施形態の水晶振動素子１と同じ構成である。また、水晶振動片１０の他方の主面には、励振電極３２０ｂと、パッド電極３２２ｂとが形成され、リード電極３２１ｂにより電気的に接続されている。

本実施例の水晶振動素子３０１は、水晶振動片１０の他方の主面に励振電極３２０ｂとパッド電極３２２ｂとが形成されているため、側面電極などによる水晶振動片１０の一方の主面への引き回しが必要なく、側面部での断線を回避できるので、信頼性の高い振動素子を得ることができる。
図５（ａ）に示した実施形態では、励振電極３２０ａ、３２０ｂの形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、励振電極３２０ａ、３２０ｂの形状は円形や楕円形であってもよい。

（振動素子の実施例５）
図６は、振動素子の第５の実施形態を説明するものであり、図６（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る水晶振動素子の構造を上側から視た概略平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。
図１に示す実施形態の水晶振動素子１の第５の実施例である水晶振動素子４０１は、図６（ａ）に示すように、水晶振動片１０と、励振電極４２０ａ、４２０ｂと、パッド電極４２２ａ、４２２ｂと、４２４ａと、電極パターン４３０と、を備えている。ここで、本実施例の水晶振動素子４０１は、パッケージ端子との接続用のパッド電極４２２ａ、４２２ｂ間に、電極パターン４３０によるインダクタンスと励振電極４２０ａ、４２０ｂによる水晶振動素子が並列接続されていることが特徴である。水晶振動片１０の一方の主面には、励振電極４２０ａと、パッド電極４２２ａ、４２２ｂ、４２４ａと、電極パターン４３０と、が形成されている。励振電極４２０ａはリード電極４２１ａによりパッド電極４２２ａと電気的に接続されている。また、電極パターン４３０と電気的に接続されている内周部に形成されたパッド電極４２４ａと一方のパッケージ端子との接続用のパッド電極４２２ａとは、リード電極４２３ａにより電気的に接続されている。なお、電極パターン４３０とリード電極４２３ａとのショートを防止するために、電極パターン４３０上に絶縁膜５５例えばシリコン酸化膜が形成されている。更に、他方のパッケージ端子との接続用のパッド電極４２２ｂは、リード電極４２５ｂにより電極パターン４３０と電気的に接続され、水晶振動片１０の他方の主面に形成された励振電極４２０ｂとは、リード電極４２１ｂ、４２４ｂと側面電極４２３により電気的に接続されている。

本実施例の水晶振動素子４０１は、水晶振動素子と電極パターン４３０によるインダクタンスとが並列接続された構成であるため、発振器に搭載した場合に発振回路における各電極間の浮遊容量などの不要な容量の影響を抑制することができる。
図６（ａ）に示した実施形態では、電極パターン４３０の内周部のパッド電極４２４ａはリード電極４２３ａにより、パッド電極４２２ａと電気的に接続されている例を示したが、これに限定する必要はなく、例えばワイヤーボンディングにより電気的に接続されてもよい。また、励振電極４２０ａ、４２０ｂの形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、励振電極４２０ａ、４２０ｂの形状は円形や楕円形であってもよい。

（振動子）
図７（ａ）は、本発明の第６の実施形態に係る振動子としての水晶振動子の一例を上側から視た概略平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。なお、図７（ａ）において、水晶振動子の内部の構成を説明する便宜上、蓋部材を取り外した状態を図示している。
水晶振動子２は、水晶振動素子１と、水晶振動素子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６０と、金属、セラミック、ガラスなどから成る蓋部材７０と、で構成されている。
パッケージ本体６０は、図７（ｂ）に示すように、第１の基板６１と、第２の基板６２と、シールリング６８と、実装端子８６と、を積層して形成されている。実装端子８６は、第１の基板６１の外部低面に複数形成されている。第２の基板６２は中央部が除去された環状体であり、第２の基板６２の上部周縁に例えばコバールなどのシールリング６８が形成されている。
第２の基板６２により、水晶振動素子１を収容するキャビティー６５が形成される。第１の基板６１の上面の所定の位置には、第１の基板６１の内部に形成された導体（図示せず）により実装端子８６と電気的に導通する複数の素子搭載電極８１が設けられている。

以上、説明したパッケージ本体６０の、第１の基板６１と第２の基板６２は、セラミックなどの絶縁材料からなる。また、パッケージ本体６０に設けられた各電極、端子、あるいはそれらを電気的に接続する配線パターンや層内配線パターンなどは、一般的に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属配線材料を絶縁材料上にスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などのめっきを施すことにより形成される。

水晶振動素子１をパッケージ本体６０に支持固定する際には、先ず、水晶振動素子１の支持部１４に対応する位置に接合部材４０例えば接着剤を塗布し、その上に、水晶振動素子１を載置して荷重をかける。
次に、接合部材４０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。接合部材４０を硬化させた後、ボンディングワイヤー４４例えば金（Ａｕ）線やアルミ（Ａｌ）線により水晶振動素子１のパッド電極２２ａ、２２ｂとパッケージ本体６０に形成された素子搭載電極８１とを接続する。アニール処理を施し、励振電極２０ａ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６０の第２の基板６２の上面に形成したシールリング６８上に蓋部材７０を載置し、ほぼ真空の減圧空間、又は窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気中で蓋部材７０をシーム溶接して密封し、水晶振動子２が完成する。また、パッケージ本体６０の上面に塗布した低融点ガラスに蓋部材７０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本体６０のキャビティー６５内はほぼ真空の減圧空間にするか、又は窒素ガスなどの不活性ガスを充填して、水晶振動子２が完成する。

（振動子の実施例７）
図８は、振動子の第７の実施形態を説明するものであり、図８（ａ）は本発明の第７の実施形態に係る水晶振動子の構造を上側から視た概略平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。なお、図８（ａ）において、水晶振動子の内部の構成を説明する便宜上、蓋部材を取り外した状態を図示している。
図８に示すように、水晶振動子１０２は、図７に示す実施形態の水晶振動子２と同様に、水晶振動素子１と、水晶振動素子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６０と、蓋部材７０と、で構成されている。ここで、本実施例の水晶振動子１０２は、水晶振動素子１の主面が上下反転され、励振電極２０ａとパッド電極２２ａ、２２ｂと電極パターン３０が形成された面をパッケージ本体６０の第１の基板６１の上面に対向するように載置されていることが特徴である。
水晶振動素子１の支持固定は、先ず、水晶振動素子１の主面を上下反転し、励振電極２０ａと、パッド電極２２ａ、２２ｂと、電極パターン３０と、が形成された面をパッケージ本体６０の第１の基板６１の上面に対向するようにした後、パッド電極２２ａ、２２ｂとパッケージ本体６０の素子搭載電極８１とが位置合わせされ、接合部材４０を介して接合されている。接合部材４０は、例えば金属あるいは半田などからなるバンプや導電性接着剤などの導電性の接合部材を用いることにより、電気的な接続を図るとともに機械的な接合を行うことができる。また、水晶振動片１０の振動部１２は、接合部材４０によりパッケージ本体６０の第１の基板６１の上面に隙間を設けて配置される。
本実施例の水晶振動子１０２は、水晶振動素子１をフェースダウン接合した構成であるため、ボンディングワイヤーなどを用いないので、水晶振動素子１の薄型化（低背下）に有利である。

（電子デバイス）
図９（ａ）は、本発明の第８の実施形態に係る電子デバイスとしての水晶発振器の一例を上側から視た概略平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＨ−Ｈ断面図である。なお、図９（ａ）において、水晶発振器の内部の構成を説明する便宜上、蓋部材を取り外した状態を図示している。
水晶発振器３は、パッケージ本体６０ｂと、蓋部材７０と、水晶振動素子１と、水晶振動素子１を励振させる発振回路を搭載したＩＣチップ５０と、を備えている。
本実施形態の水晶発振器３は、水晶振動素子１と発振回路を含むＩＣチップ５０とがパッケージ本体６０ｂの内部キャビティー６５に接合されて封止された、表面実装が可能な所謂ＳＭＤ（Surface Mount Device）タイプの１チップの水晶発振器である。また、表面実装部品として規格化されているＳＭＤタイプの水晶発振器３は、例えば、基板に接合した水晶振動素子を筒状のキャップで覆うことにより封止するタイプの水晶振動子のように、外部接続用のリード線を外部基板の接続端子形状に合わせて切断したり成形したりする必要がなく、外部基板への搭載の自動化も図りやすいので、実装工程の簡略化や低コスト化に有利である。

パッケージ本体６０ｂは、図９（ｂ）に示すように、第１の基板６１ｂと、第２の基板６２と、第３の基板６３と、シールリング６８と、実装端子８６と、を積層して形成されている。実装端子８６は、第１の基板６１ｂの外部低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あり、第２の基板６２の上部周縁に例えばコバールなどのシールリング６８が形成されている。
第２の基板６２と第３の基板６３とにより、水晶振動素子１を収容するキャビティー６５と水晶振動素子１を励振させる発振回路を搭載したＩＣチップ５０を収容する凹部６６が形成される。凹部６６の凹低部分となる第１の基板６１ｂの上面には、ＩＣチップ５０が接続される複数のＩＣ接合端子８４が設けられている。第３の基板６３の上面の所定の位置には、第１の基板６１ｂと第３の基板６３との内部に形成された導体（図示せず）により実装端子８６と電気的に導通する複数の素子搭載電極８１が設けられている。

図９（ｂ）において、水晶振動素子１を励振させる発振回路を含む半導体回路素子としてのＩＣチップ５０は、パッケージ本体６０ｂの凹部６６の凹低部分に設けられたＩＣ接合端子８４に、例えばろう材あるいは接着剤によって接合される。本実施形態では、ＩＣチップ５０の電極パット（図示せず）に予め設けられた金属あるいは半田などからなるバンプ４６により、ＩＣ接合端子８４上にＩＣチップ５０がフェースダウン接合されている。フェースダウン接合によるＩＣチップ５０の接合は、水晶発振器３の薄型化（低背下）に有利である。なお、バンプ４６によりＩＣチップ５０をフェースダウン接合した後に、ＩＣチップ５０とパッケージ本体６０ｂの凹部６６の凹低部分との間にアンダーフィル材を充填して硬化させることにより、ＩＣチップ５０の接合強度をより高めることができる。また、パッケージ本体６０ｂへのＩＣチップ５０の接合はフェースダウン接合に限らず、ワイヤーボンディングなどの他のＩＣ実装技術を用いて行うことができる。

水晶振動素子１は、パッケージ本体６０ｂの第１の基板６１ｂの上面に、接合部材４０例えば接着剤により接合され、水晶振動素子１のパッド電極２２ａ、２２ｂと素子搭載電極８１とはボンディングワイヤー４４により電気的に接続されている。なお、素子搭載電極８１の位置や個数については図９に示す態様に限定されるものではなく、水晶振動素子１とＩＣチップ５０との接続関係に応じて適宜変更してもよい。また、水晶振動素子１と素子搭載電極８１との接続についてもワイヤーボンディングによる接続に限らず、図８で示した水晶振動子１０２のように、フェースダウン接合を行ってもよいし、或いは、フェースダウン接合とワイヤーボンディングの組み合わせによる接続でもよい。
これにより、水晶振動素子１を励振させる発振回路を含むＩＣチップ５０と、水晶振動素子１とは、間に電極パターン３０によるインダクタンスを介して直列接続させることができる。図１０は、水晶発振器におけるインダクタンス用の電極パターン３０を有した水晶振動素子１とＩＣチップ５０との回路の一例を示す回路図である。図１０に示すように、水晶発振器において、ＩＣチップ５０は端子５０ａ、５０ｂを備えており、これら二つの端子間に、直列接続した電極パターン３０によるインダクタンスを有する水晶振動素子１によって直列回路を構成することができる。

再び図９において、ＩＣチップ５０と水晶振動素子１が接合されたパッケージ本体６０ｂの第２の基板６２上には、蓋部材７０が接合されている。具体的には、例えば、４２アロイ（敵にニッケルが４２％含有された合金）やコバール（鉄、ニッケル及びコバルトの合金）などの金属製の蓋部材７０が、鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金などをフレーム状に型抜きして形成されたシールリング６８を介してシーム溶接されている。なお、蓋部材７０には、上記した金属以外に、セラミック、あるいはガラスなどを用いることができ、例えばガラス製の蓋部材７０を用いた場合には、低融点ガラスを接合部材として用いるなど、蓋部材７０の材料に応じて適宜に接合部材を選定し、パッケージ本体６０ｂと蓋部材７０との接合を行うことができる。

パッケージ本体６０ｂ及び蓋部材７０によって形成されるキャビティー６５は、水晶振動素子１が動作するための空間となる。このキャビティー６５は、本実施形態の水晶発振器３において、減圧空間又は不活性ガス雰囲気に密閉封止することができる。例えば、キャビティー６５内を減圧空間にして密閉封止する場合には、パッケージ本体６０ｂの図示しない封止孔に固形の封止材を配置させた状態で真空チャンバー内に入れ、所定の真空度まで減圧させて水晶発振器３の内側から出るガスを封止孔から排出させた後、固形の封止材を溶融してから固化させることにより封止孔を閉塞させて封止する。これより、パッケージ本体６０ｂ内に接合された水晶振動素子１及びＩＣチップ５０を気密封止することができる。
なお、封止材の材料としては、完成した水晶発振器３を外部実装基板に実装する際のリフロー温度よりも高い温度を融点として有したものが望ましく、例えば、金と錫（Ｓｎ）との合金、あるいは、金とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金などを用いることができる。

上記実施形態の水晶発振器３によれば、パッケージ本体６０ｂ内に、発振回路を含む半導体回路素子としてのＩＣチップ５０と、水晶振動素子１に接続された電極パターン３０によるインダクタンスを有しているので、ワンシール構造のため信頼性が高く、周波数可変幅が大きいワンチップの水晶発振器３を提供することができる。
特に、上記実施形態の水晶発振器３では、電極パターン３０によるインダクタンスが励振電極２０ａ、２０ｂ（水晶振動素子部）に直列接続されているので、水晶発振器３の発振ループ中にインダクタンスを挿入することで周波数可変幅を大きくする効果をより顕著に奏することができる。

また、図６に示す励振電極４２０ａ、４２０ｂ（水晶振動素子部）と電極パターン４３０によるインダクタンスとが並列接続された構成の水晶振動素子４０１を用いると、発振回路における各電極間の浮遊容量などの不要な容量の影響を抑制し、安定な発振特性を有する水晶発振器３を提供することができる。

（電子機器）
次いで、本発明の第１の実施形態に係る振動素子の一例である水晶振動素子を適用した電子機器について、図１３〜図１５に基づき、詳細に説明する。
図１３は、本発明の第１の実施形態に係る振動素子の一例である水晶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、基準クロックなどとして機能する水晶振動素子１が内蔵されている。

図１４は、本発明の第１の実施形態に係る振動素子の一例である水晶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及び送話口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、共振器などの少なくとも一つとして機能する水晶振動素子１が内蔵されている。

図１５は、本発明の第１の実施形態に係る振動素子の一例である水晶振動素子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図である。尚、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、デジタルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）など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。
デジタルカメラ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など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、このデジタルカメラ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（ＰＣ）１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。更に、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。このようなデジタルカメラ１３００には、フィルター、共振器などとして機能する水晶振動素子１が内蔵されている。

なお、本発明の第１の実施形態に係る振動素子の一例である水晶振動素子を備える電子機器は、図１３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１４の携帯電話機、図１５のデジタルカメラの他にも、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、ページャー、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などに適用することができる。

（移動体）
図１６は移動体の一具体例としての自動車２１０６を概略的に示す斜視図である。この図において、タイヤ２１０９を制御する電子制御ユニット２１０８に水晶振動素子１が内蔵され、車体２１０７に搭載されている。
自動車２１０６には本発明に係る振動素子を有する振動子や電子デバイスが搭載されており、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ：Antilock Brake System）、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システムなどの電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）２１０８に広く適用できる。

１…水晶振動素子、２…水晶振動子、３…水晶発振器、１０…水晶振動片、１２…振動部、１４…支持部、２０ａ，２０ｂ…励振電極、２１ａ，２１ｂ，２４ｂ…リード電極、２２ａ，２２ｂ…パッド電極、２３…側面電極、３０…電極パターン、４０…接合部材、４４…ボンディングワイヤー、４６…バンプ、５０…ＩＣチップ、５０ａ，５０ｂ…端子、５５…絶縁膜、６０…パッケージ本体、６１…第１の基板、６２…第２の基板、６３…第３の基板、６５…キャビティー、６６，２１８…凹部、６８…シールリング、７０…蓋部材、８１…素子搭載電極、８４…ＩＣ接合端子、８６…実装端子、１００…表示部、１１６…メサ部、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…デジタルカメラ、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、２１０６…自動車、２１０７…車体、２１０８…電子制御ユニット、２１０９…タイヤ。

Claims (8)

1. 振動部及び支持部を含む振動片と、
   前記振動部の主面に設けられている励振電極と、
   前記支持部の少なくとも一方の主面に設けられているパッド電極と、
   前記振動片の少なくとも一方の主面に設けられ、前記電極パッドの外縁に沿って設けられている螺旋状の電極パターンと、を含み、
   前記電極パターンが、前記励振電極又は前記パッド電極に電気的に接続されていることを特徴とする振動素子。
2. 請求項１において、
   前記電極パターンは、前記励振電極と直列接続又は並列接続されてい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、
   前記振動片は、
   振動部と、前記振動部の外縁に沿って一体化され、前記振動部よりも厚みが薄い外縁部と、を含み、
   前記電極パターンは前記外縁部に設けられていることを特徴とする振動素子。
4. 請求項１又は２において、
   前記振動片は、
   振動部と、前記振動部の外縁に沿って一体化され、前記振動部よりも厚みが厚い外縁部と、を含み、
   前記電極パターンは前記外縁部に設けられていることを特徴とする振動素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記振動素子が搭載されているパッケージと、
   を備えていることを特徴とする振動子。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動素子と、
   発振回路と、
   前記振動素子と前記発振回路が搭載されているパッケージと、
   を備えていることを特徴とする電子デバイス。
7. 請求項１乃至４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。
8. 請求項１乃至４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移動体。

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