JP5073772B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶材料、ニオブ酸リチウム等の様々な圧電結晶材料などからなる圧電振動片を備える圧電デバイスに関する。

電子機器には、その電子回路のクロック源として圧電振動片を収納した圧電振動子、圧電振動片と発振回路とを収納した圧電発振子が使われている。圧電振動子又は圧電発振子は、それを搭載する電子機器の小型化に伴い、より一層の小型化が要求されている。また、電子機器は低温から高温まで広い温度範囲で使用されるため、圧電振動子又は圧電発振子もこのような広い温度範囲であっても安定した発振周波数が求められている。

例えば、ＳＭＤ（表面実装型）の音叉型圧電振動子においても小型化が進んでいる。音叉型圧電振動子は、特許文献１に示されるようなグリーンシートで成型されたセラミックパッケージと、特許文献２に示されるような水晶などの圧電体又はガラスで成型されたパッケージとがある。特に圧電体又はガラスで成型されたパッケージは量産性が高いため、コスト低減のために広く製造されるようになってきつつある。

特開２００７−３０６０６８号公報 特開２００９−１６５００６号公報

しかし、圧電体又はガラスで成型されたパッケージの圧電振動子又は圧電発振子は、セラミックパッケージの圧電振動子又は圧電発振子に比べて、クリスタル・インピーダンス（ＣＩ）値の温度特性が劣ることが多かった。

本発明は、このような問題を解決するために圧電体又はガラスで成型されたパッケージを有する圧電デバイスが温度の影響を受ける際にも、ＣＩ値を所定値以下になる圧電デバイスを提供することを目的とする。

第１の観点の圧電デバイスは、圧電体又はガラスによってキャビティを形成するベースとリッドとからなるパッケージと、キャビティ内に配置され一対の振動腕を有する音叉型圧電振動片とを備える。そして、キャビティ内の容積が一対の振動腕の体積の１２倍以上である。

第２の観点の圧電デバイスにおいて、ベースおよびリッドの外壁の縦幅および横幅が、２．０ｍｍおよび１．２ｍｍであり、キャビティの内壁は立方体形状で、その内壁の縦幅、横幅および深さがそれぞれ１．９ｍｍ以下、１．１ｍｍ以下および０．１２ｍｍ以上である。

第３の観点の圧電デバイスにおいて、キャビティの内壁には音叉型圧電振動片の主面と対向する平面と該平面から凹んだ凹み部とが形成されている。
第４の観点の圧電デバイスにおいて、キャビティの内壁には凹み部が複数形成されている。
第５の観点の圧電デバイスにおいて、キャビティの内壁には音叉型圧電振動片の主面と対向するド−ム状の凹み部が形成されている。

第６の観点の圧電デバイスは、音叉型圧電振動片と接続され音叉型圧電振動片を取り囲むフレームを備え、そのフレームを中心にリッドとベースとが接合されて形成される。

第７の観点の圧電デバイスは、その一対の振動腕がフレームよりも薄く形成される。

本発明のＳＭＤ音叉型水晶振動子は、温度変化に対してＣＩ値を所定値以下にすることができる。

（ａ）は、第１水晶振動子１０Ａの分解斜視図である。 （ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 容積率（キャビティ容積Ｖｃ／振動腕体積Ｖａ）とＣＩ値劣化量との関係を示すグラフである。 （ａ）は、第２水晶振動子１０Ｂの分解斜視図である。 （ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第３水晶振動子１０Ｃの分解断面図である。 第４水晶振動子１０Ｄの分解斜視図である。 図５に示された第４水晶振動子１０ＤのＡ−Ａ断面図である。 第５水晶振動子１０Ｅの分解断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の実施形態においては、圧電デバイスとして音叉型水晶振動片を備えた水晶振動子を一例として説明する。

（第１実施形態）
＜第１水晶振動子１０Ａ＞
図１（ａ）は、第１実施形態の第１水晶振動子１０Ａの分解斜視図である。図１（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
なお、第１音叉型水晶振動片１００Ａが載置された面をＸＹ平面とし、第１音叉型圧電振動片１００Ａの一対の振動腕３１が延伸された方向をＹ軸方向とし、ＸＹ平面に垂直の方向をＺ軸方向とする。

図１に示されたように、第１水晶振動子１０Ａは第１リッド部２０Ａおよび第１圧電ベース部４０Ａからなる第１パッケージＰＫ１で構成されている。第１パッケージＰＫ１内には第１音叉型圧電振動片１００Ａが配置される。

＜＜第１パッケージの構成＞＞
第１水晶振動子１０Ａの外形寸法は次のとおりである。第１パッケージＰＫ１のＹ軸方向の長さＬ１は２０００μｍ程度であり、Ｘ軸方向の幅Ｗ１は１２００μｍ程度である。第１パッケージＰＫ１のＺ軸方向の高さＨ１は３２０μｍ〜４２０μｍである。

また、第１パッケージＰＫ１の立方体形状の第１キャビティ２００Ａの内側寸法は次のとおりである。第１キャビティ２００ＡのＹ軸方向の長さＬ２は１８４０μｍ程度であり、Ｘ軸方向の幅Ｗ２は１０４０μｍ程度である。また第１キャビティ２００ＡのＺ軸方向の高さＨ２は１２０μｍ〜２６０μｍ程度である。

第１リッド部２０Ａは水晶材料により構成される。第１リッド部２０Ａは−Ｚ側（第１ベース部側）に第１リッド凹部２５Ａを備える。第１リッド凹部２５Ａは、サンドブラスト、ウエットエッチング又はドライエッチングにより形成される。さらに詳しく説明すると、第１リッド部２０ＡのＺ軸方向の高さＨ３は１６０μｍ〜２１０μｍであり、エッチング等により形成された第１リッド凹部２５Ａの深さ（高さ）Ｈ４は６０μｍ〜１３０μｍ程度である。

第１圧電ベース部４０Ａも水晶材料により構成される。第１圧電ベース部４０Ａは、＋Ｚ側（第１リッド部側）に第１ベース凹部４５Ａを備える。第１圧電ベース部４０Ａには第１音叉型水晶振動片１００Ａを載置する一対の台座３２が形成される。第１ベース凹部４５Ａは、サンドブラスト、ウエットエッチング又はドライエッチングにより形成される。第１圧電ベース部４０Ａおよび台座３２のＺ軸方向の高さＨ５は１６０μｍ〜２１０μｍであり、ウエットエッチング等により形成された第１ベース凹部４５Ａの深さ（高さ）Ｈ４は６０μｍ〜１３０μｍ程度である。

ここで、第１リッド部２０Ａ及び第１圧電ベース部４０Ａを水晶材料から形成する理由は以下のとおりである。工業材料の硬さを表わす指標の一つにヌープ硬度がある。ヌープ硬度は数値が高ければ硬く、低ければ柔らかい。リッド及びベースに使用される代表的なガラスであるホウケイ酸ガラスは、ヌープ硬度が５９０ｋｇ／ｍｍ^２である。また、水晶のヌープ硬度は７１０〜７９０ｋｇ／ｍｍ^２である。そのため第１水晶振動子１０Ａでは、第１リッド部２０Ａ及び第１圧電ベース部４０Ａにガラスの代わりに水晶を使用する方が水晶振動子の硬度を高くすることができる。また、ガラスを使用した場合、水晶デバイスを所定の硬度にする場合には、リッド及びベースに使われるガラスの厚みを厚くする必要があるが、水晶であれば厚みが薄くてもよい。つまり、同じ硬度の水晶振動子であればリッド及びベースに水晶を使用すると、小型化・低背化が可能となる。

なお、第１実施形態では第１リッド部２０Ａと第１圧電ベース部４０Ａとは同じ高さであるが、別例として異なる高さに設定してもよい。また、第１リッド凹部２５Ａと第１ベース凹部４５Ａとは同じ高さであるが、別例として異なる高さに設定してもよい。

台座３２の＋Ｚ側の表面におけるＸ軸方向の両側に一対の接続電極３２ａ、３２ｂが設けられている。なお、接続電極３２ａは第１圧電ベース部４０Ａに設けられた貫通電極４２ａを介して第１水晶振動子１０Ａの−Ｙ側の底面に設けられた外部電極４４ａに電気的に接続され、接続電極３２ｂは第１圧電ベース部４０Ａに設けられた貫通電極４２ｂを介して第１水晶振動子１０Ａの＋Ｙ側の底面に設けられた外部電極４４ｂに電気的に接続されている。

また、第１音叉型水晶振動片１００Ａが台座３２に配置された後、第１リッド部２０Ａと第１圧電ベース部４０Ａとは、たとえばシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）により接合される。シロキサン結合は、まず第１リッド部２０Ａおよび第１圧電ベース部４０Ａの接面を鏡面状態にして紫外線を照射する。さらに、シロキサン結合は、第１リッド部２０Ａと第１圧電ベース部４０Ａとを重ね合わさせて、例えば１００℃から２５０℃に保持された状態でそれらを押圧する。

第１リッド部２０Ａと第１圧電ベース部４０Ａとが接合した第１パッケージＰＫ１は、貫通電極４２ｂが封止されていない状態である。そこで、第１パッケージＰＫ１は、窒素ガスなどの不活性ガスで満たされたリフロー炉や真空状態のリフロー炉に配置される。これにより、第１キャビティ２００Ａ内が不活性ガス又は真空状態になる。この状態で貫通電極４２ｂが金ゲルマニウム（Ａｕ１２Ｇｅ）など封止される。第１キャビティ２００Ａ内が不活性ガスで満たされた状態又は真空状態であるため、第１音叉型水晶振動片１００Ａの電極などが酸化しにくくなる。以上により、第１キャビティ２００Ａが真空状態又は不活性ガスで満たされた状態の第１水晶振動子１０Ａが完成する。

＜＜第１音叉型水晶振動片の構成＞＞
第１音叉型水晶振動片１００Ａの外形はウエットエッチングにより形成される。具体的に説明すると、フォトリソグラフィ工程は丸型又は角型の水晶ウエハに対して多数の第１音叉型水晶振動片１００Ａの外形パターンを露光する。第１音叉型水晶振動片１００Ａの外形は図示しない耐蝕膜などを用いて形成される。具体的には、耐食膜から露出した水晶ウエハに対して、例えばフッ酸溶液をエッチング液としてウエットエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）を下地として金（Ａｕ）が蒸着された金属被膜などを用いることができる。このエッチング工程にかかる時間は、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。

ウエットエッチングにより、基部３８からほぼ平行に伸びた一対の振動腕３１が形成され、その一対の振動腕３１の表裏面には溝部３９が形成される。基部３８の長さＬＫは０．１５ｍｍ程度で、一対の振動腕３１の長さＫＨは１．３ｍｍ程度の長さである。また、溝部３９のＸ軸方向の幅は振動腕３１のＸ軸方向の幅の約８０パーセントである。また、一本の振動腕３１の表面には２つの溝部３９が形成されており、振動腕３１の裏面側にも同様に２つの溝部３９が形成されている。つまり、一対の振動腕３１には８箇所の溝部３９が形成される。溝部３９の断面は略Ｈ型に形成され第１音叉型水晶振動片１００ＡのＣＩ値を低下させる効果がある。なお、第１実施形態では一本の振動腕の表裏に４箇所の溝部３９を形成しているが、表裏面に１つずつ２箇所の溝部を形成しても同様な効果がある。

また、振動腕３１の主面および側面には励振電極３４（３４ａ、３４ｂ）が形成されている。励振電極３４ａは、基部３８に形成された基部電極３５ａに接続されており、励振電極３４ｂは、基部３８に形成された基部電極３５ｂに接続されている。また、第１音叉型水晶振動片１００Ａの振動腕３１の先端は幅広く形成され、錘部３３が形成されている。錘部３３は第１音叉型水晶振動片１００Ａの振動腕３１が振動し易くなるため錘であり且つ周波数調整のために設けられる。励振電極３４（３４ａおよび３４ｂ）、基部電極３５（３５ａおよび３５ｂ）、錘部３３は、フォトリソグラフィ工程で同時に作成される。

また、基部電極３５ａは第１圧電ベース部４０Ａの接続電極３２ａに電気的に接続され、基部電極３５ｂは第１圧電ベース部４０Ａの接続電極３２ｂに電気的に接続される。したがって、励振電極３４ａは外部電極４４ａに、励振電極３４ｂは外部電極４４ｂに電気的に接続される。外部電極４４ａおよび外部電極４４ｂに電圧が加えられると第１音叉型水晶振動片１００Ａは所定の周波数で振動する。

＜＜温度変化によるＣＩ値の劣化＞＞
音叉型水晶振動子の小型化が進むにしたがって、音叉型水晶振動子のパッケージ内のキャビティの容積も小さくなる。例えば、３．２ｍｍ×１．５ｍｍサイズ（３２１５サイズ）の音叉型水晶振動子のキャビティの容積は０．８ｃｃ程度であるが、２．０ｍｍ×１．２ｍｍサイズ（２０１２サイズ）の第１水晶振動子１０Ａのキャビティ内の容積は０．３ｃｃ程度まで小さくなる。

実験により、音叉型水晶振動子は、例えば一定の真空圧でキャビティ内の容積が小さくなると特に高温側で音叉屈曲振動への抑制が大きくなりＣＩ値が大きくなる傾向があることがわかった。このため、音叉型水晶振動子が小型化していくと高温でＣＩ値が、製品として許容されるＣＩ値の上限（ＣＩ規格値）を超えるおそれがある。第１水晶振動子１０Ａは、その温度保証範囲（−４０℃〜８０℃）において所定の周波数で振動しなければならない。

第１水晶振動子１０Ａの第１キャビティ２００Ａのサイズについて説明する。

表１は、キャビティ２２の容積と振動腕３１の体積との比率（容積率）によって、ＣＩ値の劣化量がどれだけであるかを実験した表である。キャビティ２２の容積Ｖｃは、第１リッド凹部２５Ａの深さ（高さ）Ｈ４および第１ベース凹部４５Ａの深さ（高さ）Ｈ４をそれぞれ３０μｍ、６０μｍ、７５μｍおよび１１０μｍに変化させた場合の容積である。また、振動腕３１の体積Ｖａは、基部３８を除いた第１音叉型水晶振動片１００Ａの水晶自体の体積である。すなわち、振動腕３１の体積Ｖａは、振動腕３１の先端に形成された錘部３３を含み、溝部３９のように水晶がない部分を含まない。第１実施形態では、振動腕３１の体積Ｖａは、０．０１９５ｍｍ^３で一定である。

また、ＣＩ値劣化量は、第１水晶振動子１０Ａを２５℃から８０℃まで温度を変化させた場合のＣＩ値の劣化量である。例えば２５℃のときにＣＩ値が５２ｋΩであり８０℃のときにＣＩ値が７５ｋΩであれば、ＣＩ値劣化量は２３ｋΩである。なお、第１水晶振動子１０Ａは温度が上がるとＣＩ値が高くなる（劣化する）。したがって、第１水晶振動子１０Ａの温度保証範囲を−４０℃〜８０℃としたときは、８０℃のＣＩ値が最も高い値（劣化した値）となる。

表１に示されたように、第１キャビティ２００Ａの高さＨ２（Ｈ４の二倍）が６０μｍである場合において、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率は７．２で、このときのＣＩ値劣化量は２３．６ｋΩとなる。第１キャビティ２００Ａの高さＨ２が１２０μｍである場合において、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率は１２．０で、このときのＣＩ値劣化量は１５．０ｋΩとなる。第１キャビティ２００Ａの高さＨ２が１５０μｍである場合において、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率は１４．７で、このときのＣＩ値劣化量は１１．５ｋΩとなる。第１キャビティ２００Ａの高さＨ２が２２２μｍである場合において、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率は２１．９ｋΩで、このときのＣＩ値劣化量は４．７ｋΩとなる。このように、ＣＩ値劣化量は容積率が大きくなるほど小さくなる。キャビティ２２の容積と振動腕３１の体積との容積率とＣＩ値劣化量との関係は図２に示されたグラフになる。

図２は容積率（キャビティ容積Ｖｃ／振動腕体積Ｖａ）とＣＩ値劣化量との関係を示すグラフである。図２に示されたように、容積率が大きくなるほどＣＩ劣化量は小さくなる。第１水晶振動子１０Ａの振動腕３１の長さおよび電極膜の厚みなどの影響で、第１水晶振動子１０Ａは実力ＣＩ値を有している。ここで、実力ＣＩ値とは、２５℃（常温）でのＣＩ値である。また、ＣＩ値は温度上昇によって劣化するが、第１水晶振動子１０Ａの動作の温度保証範囲内（例えば−４０℃〜８０℃）で、第１水晶振動子１０ＡのＣＩ値は、製品として許容されるＣＩ値の上限（ＣＩ規格値）以下でなければならない。例えば、第１水晶振動子１０ＡのＣＩ規格値が４５ｋΩで、実力ＣＩ値が３０ｋΩであれば、このときのＣＩ値劣化量の限界は１５ｋΩ以下である。仮に温度保証範囲の温度変化でＣＩ値劣化量が大きいと、第１水晶振動子１０Ａはその温度保証範囲内でＣＩ規格値を満たさなくなる。

このように、第１水晶振動子１０Ａの実力ＣＩ値とＣＩ規格値とを勘案すると、一般に水晶振動子のＣＩ値劣化量の限界は１５ｋΩ以下と設定することが好ましい。

図２に示されたように、出願人は容積率とＣＩ値劣化量との関係を見出した。図２を参照すると容積率が１２である場合ＣＩ値劣化量は１５ｋΩとなる。また、容積率の値が大きくなるほどＣＩ値劣化量が小さくなり、容積率の値が小さくなるほどＣＩ値劣化量が大きくなる。すなわち、ＣＩ値劣化量を１５ｋΩ以下にしようとすれば、出願人はキャビティ容積Ｖｃを振動腕体積Ｖａの１２倍以上にする必要があることを見出した。

（第２実施形態）
＜第２水晶振動子１０Ｂ＞
図３（ａ）は、第２実施形態の第２水晶振動子１０Ｂの分解斜視図である。図３（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。第２実施形態において、第１実施形態と同じ構成要件には同一の符号をつけて説明する。

図３に示されたように、第２水晶振動子１０Ｂは＋Ｚ側から順次に第２リッド部２０Ｂ、第２圧電フレーム３０Ｂおよび第２圧電ベース部４０Ｂからなる第２パッケージＰＫ２で構成されている。なお、第２圧電フレーム３０Ｂは、エッチングにより形成された第２音叉型圧電振動片１００Ｂを有している。

第２リッド部２０Ｂ、第２圧電フレーム３０Ｂおよび第２圧電ベース部４０Ｂはシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）により接合されて第２キャビティ２００Ｂを形成する。ここで、シロキサン結合については第１実施形態で説明されたシロキサン結合と同じであるため説明を省略する。

＜＜第２パッケージの構成＞＞
第２パッケージＰＫ２の寸法は次のとおりである。第２水晶振動子１０ＢのＹ軸方向の長さＬ１は２０００μｍ程度に設定され、Ｘ軸方向の幅Ｗ１は１２００μｍ程度に設定される。第２パッケージＰＫ２のＺ軸方向の高さＨ１は３２０μｍ〜４４０μｍである。また、第２水晶振動子１０Ｂの立方体形状の第２キャビティ２００Ｂにおいて、Ｙ軸方向の長さＬ２は１８４０μｍ程度に設定され、Ｘ軸方向の幅Ｗ２は１０４０μｍ程度に設定され、Ｚ軸方向の高さＨ２は１２０μｍ〜２６０μｍ程度に設定される。

第２リッド部２０Ｂは水晶材料により構成される。第２リッド部２０Ｂは第２圧電フレーム３０Ｂ側に第２リッド凹部２５Ｂを備える。第２リッド部２０ＢのＺ軸方向の高さＨ５は１２０μｍ〜１８０μｍに設定され、エッチング等により形成された第２リッド凹部２５Ｂの高さＨ７は３０μｍ〜１００μｍ程度に設定される。

第２圧電ベース部４０Ｂは水晶材料により構成される。第２圧電ベース部４０Ｂは、第２圧電フレーム３０Ｂ側に第２ベース凹部４５Ｂを備える。第２圧電ベース部４０ＢのＹ軸方向の両側に第１接続電極４１ａおよび第２接続電極４１ｂが設けられている。第１接続電極４１ａの下には貫通電極４２ａが設けられ、第２接続電極４１ｂの下には貫通電極４２ｂが設けられている。また、貫通電極４２ａは外部電極４４ａに接続され、貫通電極４２ｂは外部電極４４ｂに接続されている。第２圧電ベース部４０ＢのＺ軸方向の高さＨ５は１２０μｍ〜１８０μｍに設定され、エッチング等により形成された第２ベース凹部４５Ｂの高さＨ７は３０μｍ〜１００μｍ程度に設定される。

水晶振動子の作製時、または水晶振動子のプリント基板への取り付け時には水晶振動子に熱が加えられる。その時に、第２リッド部２０Ｂ及び第２圧電ベース部４０Ｂに水晶材料とは異なる種類の材料を使用する場合、水晶振動子内には熱膨張係数の差による応力が加わる。熱膨張係数の差が大きいと、この応力も大きくなり、特に外枠部３６を備える第２圧電フレーム３０Ｂでは強度の弱い外枠部３６の角等が破損することがある。そのため、第２リッド部２０Ｂ及び第２圧電ベース部４０Ｂと第２圧電フレーム３０Ｂとの熱膨張係数の差を小さくすることが望まれる。第２リッド部２０Ｂ及び第２圧電ベース部４０Ｂに水晶を使用することは、ガラスを使用した場合に比べて第２圧電フレーム３０Ｂとの熱膨張係数の差を小さくし、第２水晶振動子１０Ｂ内の応力を小さくすることができるため好ましい。さらに、ガラスを使用した場合に比べて水晶振動子の小型化・低背化が可能となるため好ましい。

なお、第２実施形態では第２リッド部２０Ｂと第２圧電ベース部４０Ｂとが同じ高さであり、第２リッド凹部２５Ｂと第２ベース凹部４５Ｂとが同じ深さ（高さ）である。しかし、それらは異なる高さまたは深さであってもよい。

第２圧電フレーム３０Ｂは水晶材料より構成されている。第２圧電フレーム３０ＢのＺ軸方向の高さＨ６は６０μｍ〜２００μｍ程度に設定される。第２圧電フレーム３０Ｂは、その中央部にいわゆる第２音叉型圧電振動片１００Ｂと外側に外枠部３６とを有しており、第２音叉型圧電振動片１００Ｂと外枠部３６との間には空間部３７が形成されている。ここで、第２音叉型圧電振動片１００Ｂは基部３８から伸びた支持腕ＳＡを介して外枠部３６と接続されている。

ここで、第２音叉型水晶振動片１００Ｂの外形および大きさは、第１実施形態と同じである。例えば振動腕３１の長さ、基部３８の長さおよび各電極の厚さなども第１実施形態のそれぞれと同じであるため、説明を省略する。

第２実施形態においても、第１実施形態と同じように、水晶振動子のＣＩ値劣化量の限界は１５ｋΩ以下と設定することが好ましい。したがって、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの比率を調節してＣＩ値劣化量の限界を１５ｋΩ以下にしている。

ここで、図２を参照するとキャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率が１２以上である場合、ＣＩ値劣化量は１５ｋΩ以下となる。第２実施形態は、第２圧電フレーム３０Ｂの高さＨ６が６０μｍ〜２００μｍあるため、第１実施形態と比べて、第２リッド凹部２５Ｂまたは第２ベース凹部４５Ｂの同じ深さ（高さ）をそれほど高くしなくてもよい。すなわち、第２リッド凹部２５Ｂまたは第２ベース凹部４５Ｂを形成する際のエッチング時間を少なくすることができる。

（第３実施形態）
＜第３水晶振動子１０Ｃ＞
図４は、第３実施形態の第３水晶振動子１０Ｃの分解断面図である。第３実施形態において、第２実施形態と同じ構成要件には同一の符号をつけて説明する。図２で示されたように、振動腕体積Ｖａが一定でキャビティ容積Ｖｃが大きくなればＣＩ値劣化量が小さくなる。そこで、第３実施形態は、リッド部および圧電ベース部の強度または剛性をできるだけ維持したままでキャビティ容積Ｖｃを大きくする第一例を開示する。

第３リッド部２０Ｃ、第２圧電フレーム３０Ｂおよび第３圧電ベース部４０Ｃはシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）により接合されて立方体形状の第３キャビティ２００Ｃを形成する。ここで、シロキサン結合については第１実施形態で説明されたシロキサン結合と同じである。また、第２圧電フレーム３０Ｂは、第２実施形態と同じである。

第３実施形態は、第２実施形態と比べると、リッド部の形状または圧電ベース部の形状が異なっている。詳しく説明すると、第３リッド凹部２５Ｃにはサブキャビティとしてサブ凹部２６Ｃが形成され、第３ベース凹部４５Ｃにはサブキャビティとしてサブ凹部４６Ｃが形成されている。

第３水晶振動子１０Ｃの外形寸法は、第１実施形態又は第２実施形態と同じであり、第３水晶振動子１０ＣのＹ軸方向の長さＬ１は２０００μｍ程度である。第３キャビティ２００Ｃの寸法は次の通りである。第３リッド凹部２５Ｃおよび第３ベース凹部４５ＣのＹ軸方向の長さＬ２は１８４０μｍ程度に設定される。

第３リッド凹部２５Ｃおよび第３ベース凹部４５Ｃの深さ（高さ）Ｈ８は、１０μｍ〜１００μｍ程度である。サブ凹部２６Ｃおよびサブ凹部４６ＣのＹ軸方向の長さＬ３は長さＬ２より小さく、２００μｍ〜１８００μｍ程度である。また、サブ凹部２６Ｃおよびサブ凹部４６ＣのＺ軸方向の深さ（高さ）Ｈ９は１０μｍ〜１００μｍ程度に設定される。第３リッド凹部２５Ｃおよび第３ベース凹部４５Ｃの強度または剛性が考慮されて、サブ凹部２６Ｃおよびサブ凹部４６Ｃの長さＬ３または深さ（高さ）Ｈ９が決められる。第３リッド凹部２５Ｃおよび第３圧電ベース凹部４５Ｃの寸法または形状は必ずしも同じである必要はない。

第３実施形態において、エッチング等により第３リッド凹部２５Ｃおよび第３ベース凹部４５Ｃの深さ（高さ）Ｈ８とサブ凹部２６Ｃおよび４６Ｃの長さＬ３およびＺ軸方向の深さ（高さ）Ｈ９とを調節することで、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率を１２以上にする。これにより、第３水晶振動子１０ＣのＣＩ値劣化量が１５ｋΩより小さくなる。

（第４実施形態）
＜第４水晶振動子１０Ｄ＞
図５は、第４実施形態の第４水晶振動子１０Ｄの分解斜視図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。第４実施形態において、第３実施形態と同じ構成要件には同一の符号をつけて説明する。図２で示されたように、振動腕体積Ｖａが一定でキャビティ容積Ｖｃが大きくなればＣＩ値劣化量が小さくなる。そこで、第４実施形態は、リッド部および圧電ベース部の強度または剛性をできるだけ維持したままでキャビティ容積Ｖｃを大きくする第二例を開示する。

第４リッド部２０Ｄ、第２圧電フレーム３０Ｂおよび第４圧電ベース部４０Ｄはシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）により接合されて第４キャビティ２００Ｄを形成する。ここで、シロキサン結合については第１実施形態で説明されたシロキサン結合と同じである。また、第２圧電フレーム３０Ｂは、第２実施形態と同じである。

第４実施形態は、第３実施形態と比べると、リッド部の形状または圧電ベース部の形状が異なっている。詳しく説明すると、第４リッド凹部２５Ｄにはサブキャビティとしてサブ複数の小凹部２６Ｄが形成され、第４ベース凹部４５Ｄにはサブキャビティとして複数の小サブ凹部４６Ｄが形成されている。

図５に示されたように、第４リッド部２０Ｄおよび第４圧電ベース部４０Ｄには、それぞれＹ軸方向に沿って９個、Ｘ軸方向に沿って６個の合計５４個の小サブ凹部２６Ｄおよび４６Ｄがそれぞれ形成されている。必要によって小サブ凹部の個数を変更させてもよい。小サブ凹部２６Ｄおよび４６Ｄは、それらの断面が矩形形状で示されているが円形又は多角形であってもよい。

図６に示されたように、第４水晶振動子１０Ｄの外形寸法は、第３実施形態と同じであり、第４水晶振動子１０ＤのＹ軸方向の長さＬ１は２０００μｍ程度である。第４キャビティ２００Ｄの寸法は次の通りである。第４リッド凹部２５Ｄおよび第４ベース凹部４５ＤのＹ軸方向の長さＬ２は１８４０μｍ程度に設定される。第４リッド凹部２５Ｄおよび第４ベース凹部４５Ｄの深さ（高さ）Ｈ１０は、１０μｍ〜１００μｍ程度である。また、小サブ凹部２６Ｄおよび小サブ凹部４６ＤのＺ軸方向の深さ（高さ）Ｈ１１は１０μｍ〜１００μｍ程度に設定される。小サブ凹部２６Ｄおよび４６ＤのＹ軸方向の長さＬ４は１０μｍ〜５０μｍ程度に設定される。第４リッド凹部２５Ｄおよび第４ベース凹部４５Ｄの強度または剛性が考慮されて、小サブ凹部２６Ｄおよび小サブ凹部４６Ｄの長さＬ４または深さ（高さ）Ｈ１１が決められる。第４リッド凹部２５Ｄの寸法などと第４ベース凹部４５Ｄの寸法などとは必ずしも同じである必要はない。また小サブ凹部２６Ｄの寸法などと小サブ凹部４６Ｄの寸法などとは必ずしも同じである必要はない。

第４実施形態において、エッチング等により第４リッド凹部２５Ｄおよび第４ベース凹部４５Ｄの高さＨ１０と、小サブ凹部２６Ｄおよび４６Ｄの長さＬ４および高さＨ１１と、小サブ凹部２６Ｄおよび４６Ｄの数量とを調節することで、キャビティ容積Ｖｃと振動腕体積Ｖａとの容積率を１２以上にする。これにより、第４水晶振動子１０ＤのＣＩ値劣化量が１５ｋΩより小さくなる。

隣り合う小サブ凹部２６Ｄの間にはリブ状部材が形成され、隣り合う小サブ凹部４６Ｄの間にはリブ状部材が形成される。このため、第４リッド凹部２５Ｄおよび第４ベース凹部４５Ｄは強度を有しているため、小サブ凹部２６Ｄおよび小サブ凹部４６Ｄの深さ（高さ）Ｈ１１が深くすることができる。

（第５実施形態）
＜第５水晶振動子１０Ｅ＞
図７は、第５実施形態の第５水晶振動子１０Ｅの分解断面図である。第５実施形態において、第２実施形態と同じ構成要件には同一の符号をつけて説明する。図２で示されたように、振動腕体積Ｖａが一定でキャビティ容積Ｖｃが大きくなればＣＩ値劣化量が小さくなる。そこで、第５実施形態は、リッド部および圧電ベース部の強度または剛性をできるだけ維持したままでキャビティ容積Ｖｃを大きくする第三例を開示する。

第５リッド部２０Ｅ、第２圧電フレーム３０Ｂおよび第５圧電ベース部４０Ｅはシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）により接合されて第５キャビティ２００Ｅを形成する。ここで、シロキサン結合については第１実施形態で説明されたシロキサン結合と同じである。また、第２圧電フレーム３０Ｂは、第２実施形態と同じである。

第５実施形態は、第３実施形態と比べると、リッド部の形状または圧電ベース部の形状が異なっている。詳しく説明すると、第５リッド凹部２５Ｅはドーム状の凹みが形成され、第５ベース凹部４５Ｅもドーム状の凹みが形成されている。

例えば、リッド部の断面形状または圧電ベース部の断面形状が矩形となっていると、パッケージの外部より力が加わると、矩形の角に応力が集中しやすい。このように応力の集中しやすい角があると、リッド部または圧電ベース部の凹部が形成されている薄い部分が破損しやすい状態となる。これに対し、図７に示された形状では、断面がドーム状（曲線状）に形成され、角部が少なくなり応力が集中しにくくなる。このため、第５水晶振動子１０Ｅは破損しにくい状態となっている。

図７に示される第５リッド部２０Ｅの第５リッド凹部２５Ｅの最大深さ（高さ）Ｈ１２は、１００μｍ〜１６０μｍに設定することができる。同様に、第５ベース凹部４５Ｅの最大深さ（高さ）Ｈ１２は、１００μｍ〜１６０μｍに設定することができる。このように、図７に示される第５水晶振動子１０Ｅは、キャビティ容積Ｖｃを大きくしても、強度の低下が抑制されている。

なお、ドーム状の第５リッド凹部２５Ｅおよび第５ベース凹部４５Ｅは、例えばウエットエッチングにより形成することができる。また、第５リッド凹部２５Ｅおよび第５ベース凹部４５Ｅは、最初にサンドブラスト法を用いてドーム形状にした後にウエットエッチングを行って形成することもできる。

以上、第１実施形態から第５実施形態では、リッド部およびベース部は水晶材料等の圧電体を使用した例を示した。このような圧電材料以外にもガラス材料を使用することができる。たとえば、第１実施形態において、水晶材料の第１リッド部２０Ａおよび第１圧電ベース部４０Ａに代えてガラス材料を使用した場合、リッド用のガラスウエハとベース用のガラスウエハとは陽極接合で接合することができる。

また、第２〜第５実施形態において、水晶材料の第２リッド部２０Ｂおよび第２圧電ベース部４０Ｂに代えてガラス材料を使用した場合、リッド用のガラスウエハとベース用のガラスウエハとは陽極接合で接合することができる。この場合には、第２圧電フレーム３０Ｂは、エッチングにより形成された第２音叉型水晶動片１００Ｂの外枠部３６に、四角枠の形状の金属膜を形成して陽極接合する。

また、特に図示しないが、第１実施形態の第１リッド部２０Ａおよび第１圧電ベース部４０Ａに代えて、第３〜第５実施形態のリッド部および圧電ベース部を適用することも可能である。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。また本発明は、圧電振動子以外にも、発振回路を組み込んだＩＣなどをベース部上に配置させた圧電発振子にも適用できる。

１０Ａ〜１０Ｅ … 水晶振動子
１００Ａ … 第１音叉型水晶振動片
１００Ｂ … 第２音叉型水晶振動片
２０Ａ〜２０Ｅ … リッド部
２２ … キャビティ
２５Ａ〜２０Ｅ … リッド凹部
２６Ｃ，４６Ｃ … サブ凹部
２６Ｄ，４６Ｄ … 小凹部
２００Ａ〜２００Ｅ … キャビティ
３０Ｂ … 第２圧電フレーム
３１ … 振動腕
３２ … 台座 （３２ａ、３２ｂ … 接続電極）
３３ … 錘部 （３４ａ、３４ｂ … 励振電極）
３５ａ，３５ｂ … 基部電極
３６ … 外枠部
３７ … 空間部
３８ … 基部
３９ … 溝部
４０Ａ〜４０Ｅ … 圧電ベース部
４１ａ，４１ｂ… 接続電極
４２ａ，４２ｂ … 貫通電極
４４ａ，４４ｂ … 外部電極
４５Ａ〜４５Ｅ … ベース凹部
Ｈ … 深さ（高さ）
Ｌ … 長さ
ＰＫ … パッケージ
ＳＡ … 支持腕
Ｗ … 幅

Claims (4)

1. 圧電体又はガラスによってキャビティを形成するベースとリッドとからなるパッケージと、
   前記キャビティ内に配置され、基部と該基部の一端から平行に伸びる一対の振動腕とを有する音叉型圧電振動片と、を備える圧電デバイスにおいて、
   前記キャビティの内壁は、前記音叉型圧電振動片に対向する面に、前記面より小さく前記面から凹んだ複数のサブ凹み部と、前記複数のサブ凹み部の間に形成されたリブ状部材とを有し、
   前記キャビティ内の容積が前記一対の振動腕の体積の１２倍以上である表面実装型の圧電デバイス。
2. 前記ベースおよび前記リッドの外壁の縦幅および横幅が、２．０ｍｍおよび１．２ｍｍであり、
   前記キャビティの内壁は立方体形状であり、その内壁の縦幅、横幅および深さがそれぞれ１．９ｍｍ以下、１．１ｍｍ以下および０．１２ｍｍ以上である請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記音叉型圧電振動片と接続され前記音叉型圧電振動片を取り囲むフレームを備え、
   前記圧電デバイスは、前記フレームを中心に前記リッドと前記ベースとが接合されて形成される請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
4. 前記一対の振動腕が前記フレームよりも薄く形成されている請求項３に記載の圧電デバイス。