JP5772082B2 - 圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器及び電子デバイス - Google Patents

Description

本発明は、厚み振動モードの圧電振動子に関し、特に所謂メサ型の構造を有する圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器及び電子デバイスに関する。

ＡＴカット水晶振動素子を用いた水晶振動素子は、その振動モードが厚みすべり振動であり、且つ周波数温度特性が優れた三次曲線を呈するので、電子機器等の多方面で使用されている。
特許文献１には、エネルギー閉じ込め効果がベベル構造やコンベックス構造と同程度の効果を有する、所謂、メサ型構造の圧電振動子（ＡＴカット水晶振動子）が開示されている。
辺比（厚さに対する辺の長さの比）の小さな厚みすべり振動子は、辺比が適切に設定されないと、圧電基板の輪郭寸法に起因する輪郭振動（屈曲振動等）が主振動に結合し、主振動の特性を劣化させることが知られている。
特許文献２には、ＡＴカット水晶振動子をメサ型構造で形成し、メサ部と薄肉部との境界の境界において、境界部の側壁が主面に対して９０°であると励振電極から延出された引き出し電極（リード電極）が断線してしまうという問題に鑑みてなされたものであって、前記境界部の側壁を傾斜または曲面とすることにより、前記リード電極の断線を防止することができることが開示されている。また、振動部分の表面のあらさを、平均粗さで０．２ミクロンと小さな表面粗さとすることにより、ＣＩ値が低下し、副振動が抑圧されると開示されている。

また、特許文献３には、ＡＴカット水晶振動子をメサ型構造で形成し、メサ部の側壁を、６３°、３５°と傾斜させて、厚みすべり振動と屈曲振動との結合を抑圧した水晶振動子が開示されている。
特許文献４には、水晶振動素子の周波数をｆ、水晶基板の長辺（Ｘ軸）の長さをＸ、メサ部（振動部）の厚みをｔ、メサ部の長辺の長さをＭｘ、励振電極の長辺の長さをＥｘ、水晶基板の長辺方向に生じる屈曲振動の波長をλとするとき、以下の４つの式
λ／２＝（１．３３２／ｆ）−０．００２４ （１）
（Ｍｘ−Ｅｘ）／２＝λ／２ （２）
Ｍｘ／２＝（ｎ／２＋１／４）λ （但しｎは整数） （３）
Ｘ≧２０ｔ （４）
を満たすように各パラメータｆ、Ｘ、Ｍｘ、Ｅｘを設定することにより、厚みすべり振動と屈曲振動との結合を抑制できると開示されている。
特許文献５には、メサ型構造の圧電基板のメサ部の高さ（段差部の堀量）ｙは、圧電基板の長辺の寸法をｘ、メサ部（振動部）の厚み寸法をｔとした時に、板厚ｔを基準として、次式
ｙ＝−０．８９×（ｘ／ｔ）＋３４±３ （％）
を満たすように辺比を設定することにより、不要モードを抑圧できると開示されている。
特許文献６には、メサ型構造の圧電基板の短辺の長さをＺとし、メサ部（振動部）の厚みをｔとし、メサ部の短辺方向の電極寸法をＭｚとしたときに、
１５．６８≦Ｚ／ｔ≦１５．８４、かつ、０．７７≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８２
の関係を満たすように諸パラメータを設定することにより、不要モードを抑圧できると開示されている。

しかし、更に辺比の小さな圧電振動子では、振動変位がＸ軸の端部で十分には減衰せずに端面で不要な屈曲モードなどを励起し、これが主振動と結合するという課題があった。
特許文献７には、メサ構造を多段とすることにより、主振動の振動エネルギーをより完全に閉じ込めることが可能になる旨が開示されている。
特許文献８には、断面形状がコンベックス形状の圧電基板を想定するコンベックス形状の包絡線に沿って階段形状に構成することにより、近似的に置き換えが可能であり、さらに、階段状の側面を斜面とすればより近似度合いが増すと開示されている。
特許文献９、特許文献１０には、メサ型構造の圧電基板のメサ部を多段とすることにより、主振動のエネルギー閉じ込め効果を高め、不要モードを抑圧することができると開示されている。
特許文献１１には、メサ型構造の段差部を導電性接着剤の流れ止めとし、メサ部への接着剤の流入防止を図ったメサ型振動デバイスが開示されている。このように、特許文献７乃至特許文献１１には、圧電基板のメサ構造を多段メサ構造とし、エネルギー閉じ込めを深くすることが、主振動と屈曲振動との結合の抑圧に有用であると開示されている。

最近の小型圧電振動子にあっては、メサ型構造の圧電振動素子を表面実装用のパッケージ内に収容し蓋部材で密閉する際に、圧電振動素子の一方の端縁部分を導電性接着剤を用いてパッケージ内の素子搭載パッドに接着固定し、前記一方の端縁部分と対向する他方の端縁部分を自由端とする、所謂片持ち方式で支持するが、パッケージ形状が小さいため、必要量の導電性接着剤を用いることができずに接着力の低下を起こしやすく、圧電振動素子の主面が傾いて励振電極がパッケージ内底面に接触して作動不良を起こすという問題があった。
特許文献１２には、レーザーを用いた多段メサ型構造のＡＴカット水晶振動子の製造方法が開示されている。
また、特許文献１３には、振動部がメサ型構造で、メサ部を挟んだ薄肉部の一端縁を厚肉突起部とし、これと対向する側の他端縁の少なくとも一部を厚肉突起部とした構造の圧電振動素子が開示されている。導電性接着剤を用いて他端縁の厚肉突起部をパッケージの素子搭載パッドに搭載した場合に、一端縁に設けた厚肉突起部がパッケージのキャビティー空間内に留まるか、パッケージ内の底面に当接するか、又は蓋部材に当接するかの何れかとなる。このため、メサ部に形成した励振電極がパッケージ内の底面、又は蓋部材に接触する虞がなく、圧電振動素子の振動が阻害されないため、安定した特性が得られると開示されている。

ところが、水晶振動素子の振動変位エネルギーは、励振電極の中央で最大で、中央から周辺に離れるにつれて減衰する。振動変位エネルギーが同値である部分をプロットすると、中央を中心とする略相似形の複数の等力線と称される楕円が描かれる。特許文献１３の水晶振動素子では、長手方向（Ｘ軸方向）の一端縁に設けた厚肉突起部は、励振電極とパッケージとの当接防止の機能は有するが、水晶振動素子の振動変位エネルギーの一部は、一端縁に設けた厚肉突起部と干渉することによって損失するという問題があった。この損失は、水晶振動素子を小型化するほど影響度が大きくなり、水晶振動子の電気的特性を安定化させることが難しいという課題があった。
特許文献１４には、片持ち支持される一端部と対向する他端部に突起部を設けたメサ型構造の圧電振動素子が開示されている。突起部は、他端部の幅方向中央部を除く角部の少なくとも１箇所に設けられている。メサ型構造の圧電振動素子の中央から最も離れている角部に突起部を設け、この突起部を収容部材と当接させるようにする。これによって、圧電振動素子が小型化されても、電気的特性の安定した圧電振動子が得られると開示されている。

特開昭５８−０４７３１６号公報 実開平０６−０５２２３０号公報 特開２００１−２３０６５５公報 特許第４３４１５８３号公報 特開２００８−２６３３８７公報 特開２０１０−０６２７２３公報 特開平０２−０５７００９号公報 特許第３７３１３４８号公報 特開２００８−２３６４３９公報 特開２０１０−１０９５２７公報 特開２００９−１３０５４３公報 特許第４０７５８９３号公報 特開２００４−２００７７７公報 特開２０１０−１１４６２０公報

しかしながら、長辺方向をＸ軸（水晶の結晶軸の一つである電気軸）と平行な方向とする多段メサ型構造の水晶基板を用いた厚みすべり振動素子では、Ｘ辺比（厚さｔに対する長辺の寸法Ｘの比Ｘ／ｔ）が小さい状態、例えばＸ／ｔ＝１７以下となると、厚みすべり振動と、Ｚ’軸（水晶の結晶軸の一つである光学軸を前記Ｘ軸を中心軸として所定の角度だけ回転させたときの軸）に平行な方向の輪郭振動（屈曲振動等）と、の結合が生じるという問題があった。
また、多段メサ型構造の水晶振動素子の端部に設けたパッドを、パッケージの内底面に形成した素子搭載パッドに搭載し、導電性接着剤で導通・固定して水晶振動子を構成する。このとき、素子搭載パッドに塗布する導電性接着の量や、その粘性により水晶振動素子の両主面とパッケージの底面とを並行に保つのが難しく、パッケージの底面や密封用の蓋部材に、水晶振動素子の励振電極が接触し、水晶振動子の電気的特性が劣化するという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、厚さ対長辺比が小さく、且つ長辺方向に多段メサ構造を形成した圧電基板の励振部に励振電極を設けた厚みすべり圧電振動素子であって、厚みすべり振動と、Ｚ’軸方向の輪郭振動（屈曲振動等）と、の結合を抑圧すると共に、圧電基板の端部の表裏に圧電基板の主面と直交する突起部を夫々形成した圧電振動素子と、これを用いた圧電振動子、及び圧電デバイスを実現することを目的とする。

本発明は、上記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］本発明に係る圧電振動素子は、圧電基板と、前記圧電基板の主面に配置されている励振電極と、を含み、
前記圧電基板は、励振部と、前記励振部の厚さより薄く、前記励振部の周縁に沿って一体的に設けられている周辺部と、を有し、
前記励振部の全ての側面は夫々厚さ方向に段差部を有し、
厚さ方向に沿って、前記周辺部から突出している突起部を少なくとも一つ含み、
前記圧電基板は、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前記Ｘ軸を回転軸として、前記Ｚ軸を前記Ｙ軸の−Ｙ方向へ＋Ｚ側が回転するように傾けた軸をＺ’軸とし、前記Ｙ軸を前記Ｚ軸の＋Ｚ方向へ＋Ｙ側が回転するように傾けた軸をＹ’軸とし、前記Ｘ軸と前記Ｚ’軸を含む面を主面とし、前記Ｙ’軸に沿った方向を厚さとする水晶基板であり、
前記側面は、前記Ｘ軸に沿った２つの側面、及び前記Ｚ’軸に沿った２つの側面を有し、
前記圧電基板の前記Ｚ’軸に沿った長さをＺ、
前記励振部の前記Ｚ’軸に沿った長さをＭｚ、
前記励振部の厚さをｔとしたとき、
８≦Ｚ／ｔ≦１１、かつ、０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８
の関係を満たすことを特徴とする圧電振動素子である。

上記のように圧電振動素子を構成すると、励振部が多段のメサ型構造となるので、厚みすべり振動と、輪郭振動等の不要モードと、の結合を抑制でき、且つ振動エネルギーを励振部に閉じ込めることができ、ＣＩ値を低減することができるという効果がある。また、上記のように圧電基板上であって振動変位が十分に減衰する領域の両主面上に突起部を設けることにより、パッケージに実装する際に、励振部に形成した励振電極とパッケージの内側の面が接触する虞がのぞかれると言う効果がある。

上記のように水晶を用いて圧電振動素子を構成すると、圧電振動素子の周波数温度特性が優れていると共に、厚みすべり振動とＺ’軸方向の輪郭振動との結合を抑制でき、ＣＩ値を低減することができるという効果がある。また、上記のように圧電基板上であって振動変位が十分に減衰する領域の両主面上に突起部を設けることにより、パッケージに実装する際に、励振部に形成した励振電極とパッケージの内側の面が接触する虞がのぞかれるという効果がある。
また、８≦Ｚ／ｔ≦１１、かつ、０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８の関係を満たすことにより、よりＣＩ値の低減が図れると共に、励振電極とパッケージの内側の面との接触がないので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例２］また圧電振動素子は、前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部に設けられていることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。

上記のように、圧電基板の角隅部に突起部を設けると、圧電基板上に励起される主振動の厚みすべり振動の振動変位が十分に減衰しているので、その動作を阻害することなく、電気的特性には変化はない。しかも、突起部を有する圧電振動素子をパッケージに実装する際に、励振部に形成した励振電極とパッケージの内側の面とが接触する虞が除かれるので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例３］また圧電振動素子は、前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部にあって、前記Ｚ’軸に沿った端縁に沿って設けられていることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。

上記のように、圧電基板上のＺ’軸に沿った端縁に沿って突起部を形成すると、エッチング等により突起部に多少の変形が生じてもその機能、即ちパッケージに実装する際に、励振電極とパッケージの内側の面とが接触する虞を除くという機能を損なうことはないので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例４］また圧電振動素子は、前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部にあって、前記Ｚ’軸に沿った端縁に沿って設けられている第１の突起部分と、前記第１の突起部分と連設し、且つ前記Ｘ軸に沿って設けられている第２の突起部分と、を含むことを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。

上記のように、圧電基板の端部にコ字状の突起部を形成すると、圧電振動素子がパッケージにＸ軸方向に回転して接着固定されても、励振電極がパッケージの内側の面に接触する虞がなく、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例５］また圧電振動素子は、前記突起部は、前記周辺部の互いに表裏の関係にある表主面および裏主面に夫々設けられており、前記表主面側の前記突起部の頂点から前記裏主面側の前記突起部の頂点までの前記Ｙ’軸に沿った長さは、前記励振部の前記Ｙ’軸に沿った厚さと等しいことを特徴とする適用例１乃至４の何れか一項に記載の圧電振動素子である。

上記のように、前記励振部の厚さと、表裏の突起部の各厚みと周辺部の厚みを合計した厚みと、を等しくすることにより圧電基板の製造が容易であると共に、励振電極がパッケージの内側の面に接触する虞がなく、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例６］また圧電振動素子は、前記圧電基板の前記Ｘ軸に平行な方向の寸法をＸとし、
前記励振部の前記Ｙ’軸に沿った厚さをｔとしたとき、
Ｘ／ｔ≦１７
の関係を満たすことを特徴とする適用例１乃至５の何れか一項に記載の圧電振動素子である。

上記のように圧電振動素子を構成すれば、小型化を図りつつ、ＣＩ値の低減が図れると共に、励振電極とパッケージの内側の面との接触がないので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例７］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
前記圧電振動素子が収容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圧電振動子である。

上記のように圧電振動子を構成すれば、本発明に係る圧電振動素子を備えているので、ＣＩ値の低減が図れると共に、励振電極とパッケージの内側の面との接触がないので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

［適用例８］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
前記圧電振動素子を駆動する発振回路と、
前記圧電振動素子及び前記発振回路が収容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圧電発振器である。

以上のように圧電発振器を構成にすると、パッケージ内に本発明に係るＣＩ値が小さな圧電振動素子と、発振回路とを備えており、圧電発振器が小型化されると共に、発振回路の発振電流を小さくできるので、低消費電力化が図れるという効果がある。

［適用例９］本発明に係る圧電発振器は、適用例７に記載の圧電振動子と、
前記圧電振動子を駆動する発振回路と、
を備えていることを特徴とする圧電発振器である。

圧電発振器を以上のような構成にすると、本発明に係るＣＩ値が小さな圧電振動子を備えており、発振周波数が安定であると共に発振回路の電流を小さくできるので、圧電発振器の消費電力を低減することができるという効果がある。

［適用例１０］本発明に係る圧電発振器は、前記発振回路は半導体素子に搭載されていることを特徴とする適用例８又は９に記載の圧電発振器である。

以上のように圧電発振器を構成すれば、発振回路がＩＣ化されることにより、圧電発振器が小型化されると共に、信頼性も向上するという効果がある。

［適用例１１］本発明に係る電子デバイスは、適用例１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
少なくとも一つ以上の電子部品と、
前記圧電振動素子及び前記電子部品が収容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である。

以上のように電子デバイスを構成すれば、本発明の圧電振動素子と電子部品とで電子デバイスを構成するので、ＣＩの小さな圧電振動素子を有する電子デバイスが構成できるので、多方面の用途に利用できるという効果がある。

［適用例１２］本発明に係る電子デバイスは、適用例１１に記載の電子デバイスが、前記電子部品が、サーミスタ、コンデンサ、リアクタンス素子、及び半導体素子のうちのいずれかであることを特徴とする電子デバイスである。

以上のように電子デバイスを構成すれば、サーミスタ、コンデンサ、リアクタンス素子、半導体素子のうち少なくとも一つの電子部品と、圧電振動素子とを用いて電子デバイスを構成るので、電子機器にとって有用なデバイスとなるという効果がある。

本発明に係るメサ構造の圧電振動素子を示した概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＰ１−Ｐ１断面図であり、（ｃ）はＰ２−Ｐ２断面図。 （ａ）は、図１のＱ１−Ｑ１断面図であり、（ｂ）は図１のＱ２−Ｑ２断面図。 メサ構造の圧電振動素子の平面上に、振動変位エネルギーの等しい点を結んでできた等力線を重ね書きした図。 水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、ＺをＸ軸の回りにθ回転してできた新直交座標軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’軸とＡＴカット水晶基板との関係を示す図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図あり、（ａ）は中央部の、（ｂ）は端部の断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図あり、（ａ）は中央部の、（ｂ）は端部の断面図。 本実施形態の圧電振動素子の製造方法を模式的に示す断面図あり、（ａ）は中央部の、（ｂ）は端部の断面図。 本実施形態の変形例の構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＰ１−Ｐ１断面図であり、（ｃ）はＰ２−Ｐ２断面図。 （ａ）は、図１２（ａ）のＱ１−Ｑ１断面図であり、（ｂ）は、図１２（ａ）のＰ２−Ｐ２断面図。 本実施形態の他の変形例に係る、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＱ２−Ｑ２断面図。 本実施形態の他の変形例に係る、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＱ１−Ｑ１断面図。 本実施形態の他の変形例に係る、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＱ２−Ｑ２断面図。 本実施形態に係る圧電振動子を模式的に示した断面図であり、（ａ）は長手方向中央部の断面図であり、（ｂ）は長手方向端部の断面図、（ｃ）、（ｄ）は説明用の断面図。 Ｍｚ（励振部の短辺の寸法）／Ｚ（圧電基板の短辺の寸法）とＣＩ値との関係を示す図。 （ａ）は電子デバイスの実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は変形例の実施形態を示す断面図である。 （ａ）は圧電発振器の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は変形例の実施形態を示す断面図であり、（ｃ）は他の変形例の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明を図面に示した実施形態に基づいて詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例を含む。なお、以下の実施形態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．圧電振動素子
まず、本実施形態に係る圧電振動素子について、図面を参照しながら説明する。図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１００の構成を示す概略図である。図１（ａ）は、圧電振動素子１００の平面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のＰ１−Ｐ１断面図あり、図１（ｃ）は、（ａ）のＰ２−Ｐ２断面図である。図２（ａ）は、図１（ａ）のＱ１−Ｑ１断面図であり、図２（ｂ）は、図１（ａ）のＱ２−Ｑ２断面図、又はＱ２’−Ｑ２’断面図である。
本発明に係る圧電振動素子１００は、中央に位置する多段メサ構造の励振部１４、及び励振部１４の周縁に連設形成された薄肉の周辺部１２を有する圧電基板１０と、励振部１４の両主面上に夫々対向配置された励振電極２０と、各励振電極２０から圧電基板１０の端部に向かって延びる引出電極２２と、引出電極２２の端部であり且つ圧電基板１０の２つの角隅部に夫々形成されたパッド２４と、を概略備えている。
励振部１４は、圧電基板の略中央部を両主面方向へ突出させた厚肉部であり、周辺部１２は、励振部１４の外周側面の少なくとも一部の厚み方向中間部から外径方向へ張出し形成されている。本例に係る周辺部１２は、励振部１４の全外周側面から鍔状に張出し形成されている。

圧電基板１０は、その中央に位置し主たる振動領域となる励振部１４と、励振部１４より薄肉で励振部１４の全周縁に沿って鍔状に形成された周辺部１２と、を有している。平面形状がほぼ矩形である励振部１４の全ての側面は夫々厚み方向に段差部を有した構造をしている。即ち、図１（ｂ）、図２（ａ）に示すように、圧電基板１０は、側面から見て全ての側面が階段状をした励振部１４と、励振部１４の厚さの中央部の周囲に連接された周辺部１２と、を有した圧電基板である。
表裏の励振電極２０に交番電圧を印加すると、圧電振動素子１００は、厚さに反比例した固有の振動周波数で励振される。励振された振動変位は周囲に広がり、振動変位が十分に減衰する領域の周辺部１２の表裏面には、圧電基板１０の主面方向と直交する突起部１１が少なくとも各一個形成されている。
突起部１１は、図１、図２に示した実施形態例では、圧電基板１０の２つの角隅部（図１（ａ）の左側）に夫々形成されたパッド２４と対向する角隅部（図１（ａ）の右側）に表裏各２個形成されている。即ち、図１（ｃ）、図２（ｂ）の断面図に示すように、圧電基板１０の周辺部１２の角隅部に、周辺部１２の表裏面に形成された突起部１１が各２個設けられている。表裏の突起部１１の厚さと周辺部１２の厚さとの合計は、励振部１４の中央の厚さと等しく構成することができる。

図３は、圧電振動素子１００の平面図上に、圧電振動素子１００が励振された際に生じる振動変位エネルギー（振動変位の二乗とその位置の質量との積）が等しい点を結んでできる等力線を一点鎖線で重ね書きしている。つまり、図３の一点鎖線は、振動変位エネルギーの分布を示した図である。図３に示す圧電振動素子１００では、励振部１４がＸ軸方向に長い矩形状をしているので、等力線はＸ軸方向の長径が大きく、Ｚ’軸方向の短径が小さい楕円状となる。振動変位の大きさは励振部１４の中心部で最大で、中心部から離間し、周辺に行くにつれて小さくなる。即ち、励振電極２０上ではＸ軸方向、Ｚ’軸方向とも余弦上に分布し、励振電極２０のない領域では指数関数的に減衰する。
図１に示す圧電振動素子１００では、突起部１１は振動変位エネルギーが十分に減衰した領域、即ち周辺部１２の角隅部に設けられている。このため、突起部１１を設けても、圧電振動素子１００の振動変位に影響を及ぼすことはほぼない。つまり、圧電振動素子１００の電気的特性は何ら変わる所はない。

水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、図４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。ＡＴカット水晶基板１０１は、ＸＺ面をＸ軸の回りに角度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である。ＡＴカット水晶基板１０１の場合は、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１０１は、直交する結晶軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’を有する。ＡＴカット水晶基板１０１は、厚み方向がＹ’軸であって、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、厚みすべり振動が主振動として励振される。このＡＴカット水晶基板１０１を加工して、圧電基板１０を得ることができる。
即ち、圧電基板１０１は、図４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カット水晶基板からなる。

圧電基板１０は、図１（ａ）に示すように、Ｙ’軸に平行な方向（以下、「Ｙ’軸方向」という）を厚み方向として、Ｘ軸に平行な方向（以下、「Ｘ軸方向」という）を長辺とし、Ｚ’軸に平行な方向（以下、「Ｚ’軸方向」という）を短辺とする矩形の形状を有することができる。圧電基板１０は、励振部１４と、励振部１４の周縁に沿って形成された周辺部１２と、を有する。ここで、「矩形の形状」とは、文字通りの矩形状と、各角部が面取りされた略矩形をも含むものとする。
周辺部１２は、図１、図２に示すように、励振部１４の周面（側面）の少なくとも一部に形成され、励振部１４より小さい厚み（薄肉）を有する。
図１、図２に示すように、本実施形態例に係る励振部１４は、全ての側面が段差状であって、その全周を周辺部１２に囲まれており、周辺部１２のＹ’軸方向の厚みよりも大きい厚み（厚肉）を有する。即ち、励振部１４は、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、周辺部１２に対してＹ’軸方向両方向に突出している。図示の例では、励振部１４は周辺部１２に対して、＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側とに突出している。また、励振部１４は、例えば対称の中心となる点（図示せず）を有し、この中心点に関して点対称（平面的、立体的に点対称）となる形状を有することができる。

励振部１４は、図１（ａ）に示すように、Ｘ軸方向を長辺とし、Ｚ’軸方向を短辺とする矩形の形状を有する。即ち、励振部１４はＸ軸に平行な辺を長辺とし、Ｚ’軸に平行な辺を短辺としている。そのため、励振部１４は、Ｘ軸方向に延びる側面１４ａ、１４ｂと、Ｚ’軸方向に延びる側面１４ｃ、１４ｄと、を有する。即ち、Ｘ軸方向に延びる側面１４ａ、１４ｂの長手方向は、Ｘ軸方向であり、Ｚ’軸方向に延びる側面１４ｃ、１４ｄの長手方向は、Ｚ’軸方向である。図示の例では、側面１４ａ、１４ｂのうち、側面１４ａが＋Ｚ’軸側の側面であり、側面１４ｂが−Ｚ’軸側の側面である。また、側面１４ｃ、１４ｄのうち、側面１４ｃが−Ｘ軸側の側面であり、側面１４ｄが＋Ｘ軸側の側面である。

図１及び図２に示すように、励振部１４は、最も厚い第１部分１５と、第１部分１５より小さい厚みを有する第２部分１６と、を有する。第１部分１５は、図１に示すように、Ｘ軸に平行な方向を長辺とし、Ｚ’軸に平行な方向を短辺とする矩形の形状を有する。第２部分１６は、第１部分１５の周囲に形成されている。
励振部１４の側面１４ａ、１４ｂの段差は、第１部分１５及び第２部分１６の各厚みの差によって形成されている。図示の例では、側面１４ａ、１４ｂは、第１部分１５のＸＹ’平面に平行な面と、第２部分１６のＸＺ’面に平行な面と、第２部分１６のＸＹ’平面に平行な面と、によって構成される。同様に、励振部１４の側面１４ｃ、１４ｄの段差は、第１部分１５及び第２部分１６の各厚みの差によって形成され、第１部分１５のＹ’Ｚ’平面に平行な面と、第２部分１６のＸＺ’面に平行な面と、第２部分１６のＹ’Ｚ’平面に平行な面と、によって構成される。
このように励振部１４は、厚みの異なる２種類の部分１５、１６を有しており、圧電振動素子１００は、２段型のメサ構造を有していると言える。励振部１４は、厚みすべり振動を主振動として振動することができる。励振部１４が２段型のメサ構造であることによって、圧電振動素子１００は、エネルギー閉じ込め効果を有することができる。

ここで、圧電基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）をＺとし、励振部１４の短辺の寸法をＭｚとし、励振部の厚み（励振部１４の第１部分１５の厚み）をｔとすると、下記式（１）の関係を満たすことが好ましい。
８≦Ｚ／ｔ≦１１、且つ ０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８ （１）
これにより、厚みすべり振動と輪郭振動等の不要モードとの結合を抑圧することができ、ＣＩ値の低減と周波数温度特性の改善を図ることができる。（詳細は後述）。このような厚みすべり振動と輪郭振動との結合は、一般的に圧電基板の面積が小さいほど抑圧するのが難しい。そのため、例えば圧電基板１０のＸ軸方向の寸法（長辺の寸法）をＸとした場合に、下記式（２）の関係を満たすような小型の圧電振動素子１００において、上記式（１）の関係を同時に満たすように設計すると、より顕著に厚みすべり振動と輪郭振動との結合を抑圧することができる。
Ｘ／ｔ≦１７ （２）
励振電極２０は励振部１４に形成されている。図１（ｂ）及び図２（ａ）の実施形態例では、励振電極２０は励振部１４を表裏に挟んで形成されている。より具体的には、励振電極２０は、圧電基板１０の両主面（ＸＺ’面に平行な面）の振動領域（励振部１４）に、表裏で対向するように配置されている。励振電極２０は励振部１４に電圧を印加し、圧電基板１０を励振することができる。励振電極２０は、例えば引出電極２２を介してパッド２４と接続している。パッド２４は、例えば圧電振動素子１００を駆動するためのＩＣチップ（図示せず）と電気的に接続されている。励振電極２０、引出電極２２、及びパッド２４の材質としては、例えば、圧電基板１０側からクロム、金をこの順で積層したものを用いることができる。

本実施形態に係る圧電振動素子１００は、例えば以下の特徴を有する。
圧電振動素子１００によれば、上述の通り、圧電基板１０の短辺寸法Ｚ、励振部１４の短辺寸法Ｍｚ、及び励振部１４の第１部分１５の厚みｔを式（１）の関係を満たすように設定することにより、ＣＩ値の低減を図ることができるという効果がある。
圧電振動素子１００によれば、上述のとおり、Ｘ辺比（Ｘ／ｔ）を式（２）の関係を満たすようにすることにより、小型化を図りつつＣＩ値の低減を図ることができる。
また、圧電振動素子１００によれば、励振部１４が多段のメサ型構造となるので、厚みすべり振動と、輪郭振動等の不要モードと、の結合を抑制でき、且つ振動エネルギーを励振部１４に閉じ込めることができるので、ＣＩ値を低減することができるという効果がある。また、上記のように圧電基板１０上であって振動変位が十分に減衰する領域の両主面上に突起部１１を設けることにより、パッケージに実装する際に、励振部１４に形成した励振電極２０とパッケージの内側の面が接触する虞が除かれると言う効果がある。

図１、２の実施形態例に示すように、水晶を用いて圧電振動素子１００を構成すると、圧電振動素子１００の周波数温度特性が優れていると共に、厚みすべり振動とＺ’軸方向の輪郭振動との結合を抑制でき、ＣＩ値を低減することができるという効果がある。また、圧電基板１０上であって振動変位が十分に減衰する領域の両主面上に突起部１１を設けることにより、パッケージに実装する際に、励振部に形成した励振電極とパッケージの内側の面が接触する虞が除かれるという効果がある。
また、図１、２の実施形態例に示すように、圧電基板１０の角隅部に突起部１１を設けると、圧電基板１０上に励起される主振動の厚みすべり振動の振動変位が十分に減衰しているので、その動作を阻害することなく、電気的特性には変化はない。しかも、突起部１１を有する圧電振動素子１００をパッケージに実装する際に、励振部１４に形成した励振電極２０とパッケージの内側の面とが接触する虞が除かれるので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

２．圧電振動素子の製造方法
次に、本実施形態に係る圧電振動素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図５乃至図１１は、本実施形態に係る圧電振動素子１００の製造工程を模式的に示す図である。なお、図５乃至図１１は、図２（ａ）に対応している。つまり、Ｚ’軸方向から見た断面図を示している。
図５に示すように、ＡＴカット水晶基板１０１の表裏主面（ＸＺ’平面に平行な面）に耐蝕膜３０を形成する。耐蝕膜３０は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法などによりクロム及び金をこの順で積層した後、このクロム及び金をパターニングすることによって形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって行われる。耐蝕膜３０は、ＡＴカット水晶基板１０１を加工する際に、エッチング液となるフッ酸を含む溶液に対して耐蝕性を有する。

図６に示すように、耐蝕膜３０上にポジ型のフォトレジスト膜を塗布した後、このフォトレジスト膜を露光及び現像して、所定の形状を有するレジスト膜４０を形成する。レジスト膜４０は、耐蝕膜３０の一部を覆うように形成される。
次に、図７に示すように、マスクＭを用いて再度レジスト膜４０の一部を露光して、感光部４２を形成する。即ち、マスクＭをＹ’軸方向から見てレジスト膜４０の外縁の内側に配置して露光を行う。
次に、図８に示すように、耐蝕膜３０をマスクとしてＡＴカット水晶基板１０１をエッチングする。エッチングは、例えば、フッ化水素酸（フッ酸）とフッ化アンモニウムとの混合液をエッチング液として行われる。これにより、圧電基板１０の外形（Ｙ’軸方向から見たときの形状）が形成される。

図９乃至図１１において、（ａ）はＡＴカット水晶基板１０１のＺ’軸方向の中央部の断面図であり、（ｂ）はＺ’軸方向の端部の断面図である。
図９（ａ）に示すように、レジスト膜４０をマスクとして、所定のエッチング液で耐蝕膜３０をエッチングした後、さらに、上述の混合液をエッチング液として、ＡＴカット水晶基板１０１を所定の深さまでハーフエッチングすると、励振部１４の外形が形成される。このとき、図９（ｂ）に示すように、ＡＴカット水晶基板１０１の角隅部には、レジスト膜４０を残しているので、突起部１１の外形が形成される。
次に、図１０に示すように、レジスト膜４０の感光部４２を現像して除去する。これにより、耐蝕膜３０の一部が露出する。なお、感光部４２を現像する前に、例えば、真空又は減圧雰囲気下で放電によりつくられた酸素プラズマによって、レジスト膜４０の表面に形成された変質層（図示せず）をアッシングする。これにより、確実に感光部４２を現像して除去することができる。

次に、図１１に示すように、レジスト膜４０をマスクとして、所定のエッチング液で耐蝕膜３０の露出部分をエッチング除去した後、さらに、上述の混合液をエッチング液としてＡＴカット水晶基板１０１を所定の深さまでハーフエッチングする。これにより、Ｚ’軸方向に延びる側面１４ｃ、１４ｄの各々に段差を形成することができる。また、図示しないが、Ｘ軸方向に延びる側面１４ａ、１４ｂの各々に段差を形成することができる。また、圧電基板１０の周辺部１２の角隅部の表裏に、周辺部１２と直交する突起部１１を夫々形成することができる。
以上の工程により、周辺部１２、励振部１４、及び突起部１１を有する圧電基板１０を形成することができる。

レジスト膜４０及び耐蝕膜３０を除去した後、圧電基板１０に励振電極２０、引出電極２２、及びパッド２４を形成すると、図１、図２に示すような圧電振動素子を形成することができる。励振電極２０、引出電極、及びパッド２４は、例えばスパッタ法や真空蒸着法などにより、クロム及び金をこの順で積層した後、このクロム及び金をパターニングすることによって形成される。
以上の工程により、本実施形態に係る圧電振動素子１００を製造することができる。

圧電振動素子１００の製造方法によれば、励振部１４の外形を形成するために用いたレジスト膜４０を現像して感光部を除去した後、再度レジスト膜４０を用いてＡＴ水晶基板１０１をエッチングして励振部１４を形成することができる。そのため、精度よく２段型メサ構造の励振部１４を形成することができる。
例えば、励振部１４を形成するために２回のレジスト膜を塗布する場合（例えば、第１レジスト膜を用いて励振部の外形を形成した後、第１のレジスト膜を剥離し、新たに第２レジスト膜を塗布して励振部の側面を露出する場合）は、第１のレジスト膜と第２のレジスト膜との間で合わせずれが生じ、励振部１４を精度よく形成できないことがある。圧電振動素子１００の製造方法では、このような問題を解決することができる。
また、圧電振動素子１００の製造方法によれば、圧電基板１０の角隅部の２つのパッド２４と対向する周辺部１２の角隅部に、夫々周縁部１２の表裏に直交する突起部１１を形成することができる。

３．圧電振動素子の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る圧電振動素子について、図面を参照しながら説明する。図１２（ａ）は、本実施形態の変形例に係る圧電振動素子２００を模式的に示す平面図である。図１２（ｂ）は、（ａ）のＰ１−Ｐ１断面図であり、図１２（ｃ）は、（ａ）のＰ２−Ｐ２断面図である。図１３（ａ）は、図１２（ａ）のＱ１−Ｑ１断面図であり、図１３（ｂ）は、図１２（ａ）のＱ２−Ｑ２断面図、又はＱ２’−Ｑ２’断面図である。以下、本実施形態の変形例に係る圧電振動素子２００において、本実施形態に係る１００の構成部材と同様な構造、機能を有する部材については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。

圧電振動素子１００の例では、図１、図２に示すように、厚みの異なる第１部分１５、及び第２部分１６を有する２段型メサ構造の圧電振動素子について説明した。
これに対して、圧電振動素子２００では、図１２、図１３の実施形態に示すように、３段のメサ構造を有する３段型メサ構造の圧電振動素子である。即ち、圧電振動素子２００の励振部１４は、第１部分１５、第２部分１６に加え、第２部分１６より厚みの小さい第３部分１７を有する。図１２、図１３に示す例では、第３部分１７は、第２部分１６の周縁を囲むように形成されている。励振部１４は、その周縁、即ち第３部分１７の側面の厚み方向中央部周縁に、周辺部１２が一体的に連接されている。励振部１４の両主面上に表裏対向して形成された励振電極２０、各励振電極２０からの引出電極２２、及び各引出電極２２の終端である２つのパッド２４も、圧電振動素子１００と同様に形成されている。圧電基板１０の角隅部に設けた２つのパッド２４に対向して、周辺部１２の角隅部に周辺部１２に直交して表裏に夫々突起部１１が形成されている。

圧電振動素子２００は、圧電振動素子１００の製造方法を適用して製造することができる。即ち、図１０に示すように感光部４２を現像して除去した後、再度レジスト膜４０を露光して所定形状の第２感光部（図示せず）を形成する。次に、第２感光部を有するレジスト膜４０をマスクとして、耐蝕膜３０及びＡＴカット水晶基板１０１をエッチングする。次にアッシングを行ってレジスト膜４０の変質層を除去した後、第２感光部を現像して除去する。次に、第２感光部が除去されたレジスト膜４０をマスクとして、耐蝕膜３０及びＡＴカット水晶基板１０１をエッチングする。以上の工程により、３段型のメサ構造と圧電基板１０の周辺部１２の角隅部の表裏に、周辺部１２と直交する突起部１１を夫々形成することができる。圧電基板１０の３段型のメサ構造の励振部１４に対向する励振電極２０と、各励振電極２０からの引出電極２２、及び引出電極２２の終端である２個のパッド２４を形成することにより、圧電基板１０の角隅部の表裏に、主面に直交する突起部１１を有する圧電振動素子２００を製造することができる。
圧電振動素子２００によれば、２段型のメサ構造を有する圧電振動素子１００に比べて、エネルギー閉じ込め効果をより高めることができる。また、圧電振動素子２００によれば、圧電基板１０の角隅部の２つのパッド２４と対向する周辺部１２の角隅部に夫々周縁部１２の表裏に直交する突起部１１を形成したので、パッケージに実装する際に歩留まりを大幅に改善することができる。
なお、上述の例では、３段型のメサ構造を有する圧電振動素子２００について説明したが、本願に係る発明は多段型のメサ構造において、メサ構造の段数（段差の数）は特に限定されない。

図１４（ａ）は、圧電振動素子の他の変形例１１０（圧電振動素子１００をベースに示しているが圧電振動素子２００をベースにしてもよい）の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＱ２−Ｑ２断面図、又はＱ２’−Ｑ２’断面図である。圧電振動素子１１０は、中央部にＸ軸方向及びＺ’方向に段差が形成されたメサ構造の励振部１４を有し、励振部１４の周縁に薄肉の周辺部１２が形成された圧電基板１０と、励振部１４の表裏に対向して形成された励振電極２０と、各励振電極２０から圧電基板１０の端部に向かって延びる引出電極２２と、引出電極２２の終端であるパッド２４と、を備えている。また、圧電基板１０の角隅部に設けた２つのパッド２４と対向する周辺部１２上で、Ｚ’軸（短辺）に沿った端縁に沿って設けられた第１の突起部分１１ａと、第１の突起部分１１ａの長手方向両端部から夫々Ｘ軸に沿った方向へ屈曲して連設された第２の突起部分１１ｂと、を備えたコ字状の突起部１１が表裏に形成されている。周辺部１２の厚みと表裏の突起部１１の厚みとを加算した厚さは、励振部１４の中央の厚さと等しくすることができる。

図１５（ａ）は、圧電振動素子の他の変形例１２０の平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＱ１−Ｑ１断面図である。圧電基板１０の励振部１４、励振電極２０、引出電極２２、パッド２４は、図１、図２示した圧電振動素子１００と同様であるので説明を省略する。圧電基板１０の角隅部に設けた２つのパッド２４と対向する周辺部１２上の表裏に、Ｚ’軸（短辺）に沿った端縁に沿って細帯状の突起部１１が夫々形成されている。
図１６（ａ）は圧電振動素子の他の変形例１３０の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ２−Ｑ２断面図、又はＱ２’−Ｑ２’断面図である。圧電基板１０の励振部１４、励振電極２０、引出電極２２、パッド２４は、図１、図２示した圧電振動素子１００と同様であるので、説明を省略する。圧電基板１０の角隅部に設けた２つのパッド２４と対向する周辺部１２の角隅部に、且つ周辺部１２に直交した表裏に、圧電基板１０の長辺（Ｘ軸方向）に沿って短尺な細帯状の突起部１１が夫々形成されている。
以上は２段型メサ構造の圧電振動素子について説明したが、多段型メサ構造の圧電振動素子についても、同様に適用できる。

図１４の実施形態例に示すように、圧電基板１０の端部にコ字状の突起部１１（１１ａ、１１ｂ）を形成すると、圧電振動素子がパッケージにＸ軸方向に回転して接着固定されても、励振電極がパッケージの内側の面に接触する虞がなく、圧電振動子を製作する際に歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。
図１５の実施形態例に示すように、圧電基板上のＺ’軸に沿った端縁に沿ってその全長に渡って突起部１１を形成すると、エッチング等により突起部に多少の変形が生じてもその機能、即ちパッケージに実装する際に、励振電極とパッケージの内側の面とが接触する虞を除くという機能を損なうことはないので、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。
また、図１、図２、図１２、図１３、図１４乃至図１６の実施形態例に示すように、励振部１４の厚さと、表裏の突起部１１の各厚みと周辺部１２の厚みを合計した厚みとを等しくすることにより、圧電基板の製造が容易であると共に、励振電極がパッケージの内側の面に接触する虞がなく、圧電振動子を製作する際に、歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

４．圧電振動子
次に、本実施形態に係る圧電振動子について、図面を参照しながら説明する。図１７は、本実施形態に係る圧電振動子３００を模式的に示す断面図である。
図１７（ａ）は、圧電振動子３００の構成を示す長手方向（Ｘ軸方向）の断面図であり、図２（ａ）に示した圧電振動素子１００の断面図と同様な位置における断面図である。図１７（ｂ）は、圧電振動子３００の短手方向（Ｚ’軸方向）の端部における長手方向（Ｘ軸方向）の断面図である。圧電振動子３００は、図１７（ａ）に示すように、本発明に係る圧電振動素子（図示の例では圧電振動素子１００）と、パッケージ５０と、を含む。
パッケージ５０は、キャビティー５２内に圧電振動素子１００を収容することができる。パッケージ５０の材質としては、例えば、セラミック、ガラス等が挙げられる。キャビティー５２は、圧電振動素子１００が動作するための空間となる。キャビティー５２は密閉され、減圧空間や不活性ガス雰囲気とされる。
圧電振動素子１００は、パッケージ５０のキャビティー５２内に収容されている。図示の例では、圧電振動素子１００は、導電性接着剤６０を介して片持ち梁状にキャビティー５２内に固定されている。導電性接着剤６０としては、例えば、半田、銀ペーストを用いることができる。

図１７（ａ）、（ｂ）に示した実施形態図では、圧電振動素子１００の両主面がパッケージ５０の内底面図（又は蓋部材）と並行するように構成された例を示したが、導電性接着剤６０の塗布量や粘度によっては、図１７（ｃ）に示す断面図のように、パッケージ５０の内底面の方へ傾くか、逆に蓋部材の方へ反る場合がある。しかし、本発明の圧電振動素子（図示の例は圧電振動素子１００）の場合は、圧電基板１０の角隅部に設けたパッド２４と対向する周辺部１２の角隅部の表裏に突起部１１を形成してあるので、圧電振動素子１００がパッケージ５０の内底面側に傾いた場合でも、逆に蓋部材側に反った場合でも、励振部１４に形成した励振電極２０が内底面、蓋部材の何れにも接触することがない。これは、図１７（ｄ）に示すように、一様な厚みの基板６２の一方の側（図では左側）を基台６５に接着剤６０で固定した場合に、基板６２が下方へ傾いても基板６２の他方の側（図では右側）の下部先端Ａが基台６５の上面に接するが、基板６２の他の部分は、基台６５の上面に接しないことからも容易に理解される。
なお、図示はしないが、パッケージ５０には、圧電振動素子１００を発振させるためのＩＣチップが収容されていてもよい。ＩＣチップは、導電性接着剤６０を介して、パッド２４と電気的に接続されている。ＩＣチップはパッケージの外部に搭載してもよい。
図１７の実施形態に示すように、圧電振動子３００によれば、本発明に係る圧電振動素子１００を有するので、ＣＩ値の低減を図ることができる。また、圧電振動子３００によれば、圧電振動素子１００のパッド２４と対向する角隅部、又は対向する端縁に沿って突起部１１を設けたので、圧電振動素子１０をパッケージ５０に収容する際に、励振電極２０がパッケージ底面、又は蓋部材に接触することがないので、圧電振動子３００の歩留まりが大幅に改善されるという効果がある。

５．実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
５．１ 圧電振動素子の構成
実施例１として、図１、図２に示す２段型のメサ構造を有する圧電振動素子１００を用いた。具体的には、フッ酸を含む溶液によるウエットエッチングによりＡＴカット水晶基板を加工し、周辺部１２及び励振部１４を有する圧電基板１０を形成した。圧電基板１０は、対称の中心となる点（図示せず）に関して点対称に形成した。励振部１４の第１部分１５の厚みｔを０．０６５ｍｍとし、振動周波数を２４ＭＨｚに設定した。また、圧電基板１０の長辺の寸法Ｘを１．１ｍｍ（即ち、Ｘ辺比Ｘ／ｔを１７）とし、励振部１４の短辺寸法Ｍｚを０．４３ｍｍとした。そして、圧電基板１０の短辺の寸法Ｚを０．４６ｍｍ、０．５ｍｍ、０．５４ｍｍ、０．５９ｍｍ、０．６５ｍｍ、０．７２ｍｍ、０．８１ｍｍ、０．９２ｍｍと変化させて、ＣＩ値（室温）を測定した。測定は、圧電振動素子をパッケージに収容して行った。

５．２ ＣＩ値の測定結果
図１９はＭｚ／ＺとＣＩとの関係を示した図である。図１９より、Ｍｚ／Ｚが０．６以上０．８以下の範囲では、ＣＩ値は６０Ω程度と低いことが分かった。このときのＺは０．５４ｍｍ以上０．７２ｍｍ以下であり、Ｚ辺比（Ｚ／ｔ）は８以上１１以下となる。以上より、Ｚ辺比（Ｚ／ｔ）の範囲を８≦Ｚ／ｔ≦１１とし、とし、且つＭｚ／Ｚの範囲を０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８とすることにより（即ち、上記式（１）を満たすことにより）、ＣＩ値の低減を図れることが分かった。これは、式（１）を満たすようにＺ／ｔ及びＭｚ／Ｚを設計することにより、一層Ｚ’軸方向における厚みすべり振動と輪郭振動等の不要モードとの結合を抑制できたためであると推察される。
なお、Ｍｚを０．４ｍｍとし、Ｚを０．６５ｍｍとした（即ち、Ｍｚ／Ｚ＝０．６）圧電振動素子、及びＭｚを０．４８ｍｍとし、Ｚを０．６ｍｍとした（即ち、Ｍｚ／Ｚ＝０．８）圧電振動素子についてもＣＩ値を測定したところ、共に６０Ω程度であった。このことから、Ｍｚ＝０．４３ｍｍの場合に限定されることなく、上記式（１）を満たす限り、ＣＩ値の低減を図ることができるといえる。
また、輪郭振動等の不要モードの影響は、圧電基板１０の外縁から励振部１４までの距離に起因するものと想定される。従って、式（１）を満たせば、例えば、第２部分１６の外縁から第１部分１５までの距離等によらず、厚みすべり振動とＺ’軸方向における輪郭振動等の不要モードとの結合を抑制できると推察される。

以上の実験例は、図１、図２に示した２段型のメサ構造を有する圧電振動素子について行ったが、本実験結果は、例えば図１２、図１３に示したような多段メサ型のメサ構造を有する圧電振動素子にも適用することができる。

６．電子デバイス及び圧電発振器
次に、本実施形態に係る電子デバイス及び圧電発振器について、図面を参照しながら説明する。図１９は、本発明の電子デバイスの実施形態を示す模式的断面図である。
図１９（ａ）は、本発明の電子デバイス４００に係る実施形態の一例の断面図である。電子デバイス４００は、本発明の圧電振動素子１００（図２１（ａ）では圧電振動素子１００を示したが、本発明の他の圧電振動素子であってもよい）と、感温素子であるサーミスタ５８と、圧電振動素子１００及びサーミスタ５８を収容するパッケージ５０と、を概略備えている。パッケージ５０は、パッケージ本体５０ａと、蓋部材５０ｃとを備えている。パッケージ本体５０ａは、上面側に圧電振動素子１００を収容するキャビティー５２が形成され、下面側にサーミスタ５８を収容する凹部５４ａが形成されている。キャビティー５２の内底面の端部に複数の素子搭載用パッド５５ａが設けられ、各素子搭載用パッド５５ａは内部導体５７で複数の実装端子５３と導通接続されている。素子搭載用パッド５５ａに圧電振動素子１００を載置し、各パッド２４と各素子搭載用パッド５５ａとを、導電性接着剤６０を介して電気的に接続し、固定する。パッケージ本体５０ａの上部には、コバール等からなるシールリングリング５０ｂが焼成されており、このシールリングリング５０ｂに蓋部材５０ｃを載置し、抵抗溶接機を用いて溶接し、キャビティー５２を気密封止する。キャビティー５２内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。
一方、パッケージ本体５０ａの下面側中央には凹部５４ａが形成され、凹部５４ａの上面には電子部品搭載用パッド５５ｂが焼成されている。サーミスタ５８は、電子部品搭載用パッド５５ｂに半田等を用いて搭載される。電子部品搭載用パッド５５ｂは、内部導体５７で複数の実装端子５３と導通接続されている。

図１９（ｂ）は、同図（ａ）の変形例の電子デバイス４１０であって、電子デバイス４００と異なる点は、パッケージ本体５０ａのキャビティー５２底面に凹部５４ｂが形成され、この凹部５４ｂの底面に焼成された電子部品搭載パッド５５ｂに、金属バンプ等を介してサーミスタ５８が接続されている所である。電子部品搭載パッド５５ｂは実装端子５３と導通されている。つまり、圧電振動素子１００と感温素子のサーミスタ５８とが、キャビティー５２内に収容され、気密封止されている。
以上では、圧電振動素子１００とサーミスタ５８とをパッケージ５０に収容した例を説明したが、パッケージ５０収容する電子部品としては、サーミスタ、コンデンサ、リアクタンス素子、半導体素子のうち少なくとも一つを収容した電子デバイスを構成することが望ましい。

図１９（ａ）、（ｂ）に示す実施形態例は、圧電振動素子１００とサーミスタ５８とをパッケージ５０に収容した例である。このように構成すると、感温素子のサーミスタ５８が圧電振動素子１００の極めて近くに位置しているので、圧電振動素子１００の温度変化を素早く感知することができるという効果がある。また、本発明の圧電振動素子と上記の電子部品とで電子デバイスを構成することにより、ＣＩの小さな圧電振動素子を有する電子デバイスが構成できるので、多方面の用途に利用できるという効果がある。

次に、本発明に係る圧電振動素子を使用した圧電振動子のパッケージに対して、圧電振動子を駆動し、増幅する発振回路を搭載したＩＣ部品を組み付けることにより、圧電発振器を構築することができる。
図２０（ａ）は、本発明の圧電発振器５００に係る実施形態の一例の断面図である。圧電発振器５００は、本発明の圧電振動素子１００（図２２（ａ）では圧電振動素子１００を示したが、本発明の他の圧電振動素子であってもよい）と、単層の絶縁基板７０と、圧電振動素子１００を駆動するＩＣ（半導体素子）８８と、圧電振動素子１００及びＩＣ８８を含む絶縁基板７０の表面空間を気密封止する凸状の蓋部材８０と、を概略備えている。絶縁基板７０は、表面に圧電振動素子１００及びＩＣ８８を搭載するための複数の素子搭載パッド７４ａ、電子部品搭載パッド７４ｂを有すると共に、裏面に外部回路との接続用の実装端子７６を備えている。素子搭載パッド７４ａ及び電子部品搭載パッド７４ｂと実装端子７６とは、絶縁基板７０を貫通する導体７８により、導通されている。更に、絶縁基板７０表面に形成された導体配線（図示せず）により、素子搭載パッド７４ａと電子部品搭載パッド７４ｂとは導通が図られている。金属バンプ等を用いてＩＣ８８を電子部品搭載パッド７４ｂに搭載した後、素子搭載パッド７４ａに導電性接着剤６０を塗布し、その上に圧電振動素子１００のパッド２４を載置し、恒温槽内で硬化させて導通・固定を図る。凸状の蓋部材８０と絶縁基板７０とは、絶縁基板７０の上面周縁に塗布した低融点ガラス８５によって密封される。このとき、封止工程を真空中で行うことにより内部を真空にすることができる。

図２０（ｂ）は、本発明の他の実施形態の圧電発振器５１０の断面図である。圧電発振器５１０は、本発明の圧電振動素子１００と、パッケージ本体９０と、圧電振動素子１００を駆動するＩＣ８８と、圧電振動素子１００を気密封止する蓋部材９０ｃと、を概略備えている。パッケージ本体９０は、圧電振動素子１００を収容するキャビティー５２を有する上部９０ａと、ＩＣ８８を収容する凹部９０ｄを有する下部９０ｂとから成る、所謂Ｈ型構造のパッケージ本体である。圧電振動素子１００は、キャビティー５２底部の端部に形成された素子搭載パッド７４ａに、導電性接着剤６０を塗布し、この上に載置し、熱硬化することにより導通・固定される。ＩＣ８８は、パッケージ本体９０の下面側の凹部９０ｄの上面に形成された電子部品搭載パッド７４ｂに、金属バンプ７９により接続・固定される。素子搭載パッド７４ａ及び電子部品搭載パッド７４ｂは、内部導体７８により導通接続されている。パッケージ本体９０の上部に焼成されたシールリング（図示せず）に蓋部材９０ｃを載置し、抵抗溶接機等を用いて溶接し、気密封止する。キャビティー５２内は真空にしてもよいし、不活性ガスを封入してもよい。

図２０（ｃ）は、本発明の他の実施形態の圧電発振器５２０の断面図である。圧電発振器５２０は、本発明の圧電振動子３００と、パッケージ本体９０と、圧電振動子３００を駆動するＩＣ８８と、圧電振動子３００気密封止する蓋部材９０ｃと、を概略備えている。パッケージ本体９０は、圧電振動子３００を収容するキャビティー５２を有する上部９０ａと、ＩＣを収容する凹部９０ｄを有する下部９０ｂとから成る、所謂Ｈ型構造のパッケージ本体である。圧電振動子３００は、キャビティー５２底部の両端部に形成された素子搭載パッド７４ａに載置され、半田又は金属バンプ等により接続固定される。ＩＣ８８は、パッケージ本体９０の下面側の凹部９０ｄの上面に形成された素子搭載パッド７４ｂに、金属バンプ７９により接続・固定される。素子搭載パッド７４ａ及び電子部品搭載パッド７４ｂは、内部導体７８により導通されている。パッケージ本体９０の上部に焼成されたシールリング（図示せず）に蓋部材９０ｃを載置し、抵抗溶接機を用いて溶接する。圧電振動素子は二重に気密封止されている。
ＩＣ８８は、圧電振動子３００を駆動する発振回路と、圧電振動子３００の周囲の温度を感知する感温素子と、圧電振動子３００の周波数温度特性を補償する補償回路と、電圧可変容量素子等を含むことができる。

図２０（ａ）の実施形態の圧電発振器５００は、パッケージ内に本発明に係るＣＩ値が小さな圧電振動素子１００と、ＩＣ（発振回路を含む）８８とを備えており、圧電発振器が小型化されると共に、発振回路の発振電流を小さくできるので、低消費電力化が図れるという効果がある。
図２０（ｂ）の実施形態の圧電発振器５１０は、パッケージ内に本発明に係るＣＩ値が小さな圧電振動素子１００と、ＩＣ（発振回路を含む）８８とを備えており、圧電発振器低消費電力化が図れるという効果がある。更に、ＩＣ８８を外部より調整可能することができるため、より周波数温度特性が優れ、多機能の圧電発振器を構成できるという効果がある。
図２０（ｃ）の実施形態の圧電発振器５２０は、パッケージに収容した圧電振動子３００を用いているので、エージング等の周波数安定度が優れ、多機能で信頼性のある圧電発振器を構成できるという効果がある。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成と同一の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、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…圧電基板、１１…突起部、１１ａ、１１ｂ…突起部分、１２…周辺部、１４…励振部、１４ａ、１４ｂ…Ｘ軸方向に延びる側面、１４ｃ、１４ｄ…Ｚ’軸方向に延びる側面、１５…第１部分、１６…第２部分、１７…第３部分、２０…励振電極、２２…引出電極、２４…パッド、３０…耐蝕膜、４０…レジスト膜、４２…感光部、５０…パッケージ、５０ａ、９０…パッケージ本体、５０ｂ…シールリングリング、５０ｃ、８０、９０ｃ…蓋部材、５２…キャビティー、５３…実装端子、５４ａ、５４ｂ、９０ｄ…凹部、５５ａ、７４ａ…素子搭載用パッド、５５ｂ、７４ｂ…電子部品搭載用パッド、５７…内部導体、５８…サーミスタ、６０…導電性接着剤、７０…絶縁基板、７６…実装端子、７８…導体、７９金…属バンプ、８５…低融点ガラス、８８…ＩＣ（半導体素子）、１００、１１０、１２０、１３０…圧電振動素子、１０１…ＡＴカット水晶基板、２００…圧電振動素子、３００…圧電振動子、４００、４１０…電子デバイス、５００、５１０、５２０…圧電発振器

Claims (12)

1. 圧電基板と、前記圧電基板の主面に配置されている励振電極と、を含み、
   前記圧電基板は、励振部と、前記励振部の厚さより薄く、前記励振部の周縁に沿って一体的に設けられている周辺部と、を有し、
   前記励振部の全ての側面は夫々厚さ方向に段差部を有し、
   厚さ方向に沿って、前記周辺部から突出している突起部を少なくとも一つ含み、
   前記圧電基板は、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前記Ｘ軸を回転軸として、前記Ｚ軸を前記Ｙ軸の−Ｙ方向へ＋Ｚ側が回転するように傾けた軸をＺ’軸とし、前記Ｙ軸を前記Ｚ軸の＋Ｚ方向へ＋Ｙ側が回転するように傾けた軸をＹ’軸とし、前記Ｘ軸と前記Ｚ’軸を含む面を主面とし、前記Ｙ’軸に沿った方向を厚さとする水晶基板であり、
   前記側面は、前記Ｘ軸に沿った２つの側面、及び前記Ｚ’軸に沿った２つの側面を有し、
   前記圧電基板の前記Ｚ’軸に沿った長さをＺ、
   前記励振部の前記Ｚ’軸に沿った長さをＭｚ、
   前記励振部の厚さをｔとしたとき、
   ８≦Ｚ／ｔ≦１１、かつ、０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８
   の関係を満たすことを特徴とする圧電振動素子。
2. 前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
   前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
   前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
   前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
   前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部にあって、前記Ｚ’軸に沿った端縁に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
4. 前記圧電基板は、複数の角隅部を有し、
   前記複数の角隅部のうち一部の角隅部に設けられているパッドを含み、
   前記突起部は、前記パッドが設けられている前記角隅部以外の角隅部にあって、前記Ｚ’軸に沿った端縁に沿って設けられている第１の突起部分と、前記第１の突起部分と連設し、且つ前記Ｘ軸に沿って設けられている第２の突起部分と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
5. 前記突起部は、前記周辺部の互いに表裏の関係にある表主面および裏主面に夫々設けられており、前記表主面側の前記突起部の頂点から前記裏主面側の前記突起部の頂点までの前記Ｙ’軸に沿った長さは、前記励振部の前記Ｙ’軸に沿った厚さと等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れかの１項に記載の圧電振動素子。
6. 前記圧電基板の前記Ｘ軸に平行な方向の寸法をＸとし、
   前記励振部の前記Ｙ’軸に沿った厚さをｔとしたとき、
   Ｘ／ｔ≦１７
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電振動素子。
7. 請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子が収容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圧電振動子。
8. 請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子を駆動する発振回路と、
   前記圧電振動素子及び前記発振回路が収容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圧電発振器。
9. 請求項７に記載の圧電振動子と、
   前記圧電振動子を駆動する発振回路と、
   を備えていることを特徴とする圧電発振器。
10. 前記発振回路は半導体素子に搭載されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の圧電発振器。
11. 請求項１乃至６のうち何れか一項に記載の圧電振動素子と、
    少なくとも一つ以上の電子部品と、
    前記圧電振動素子及び前記電子部品が収容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。
12. 請求項１１に記載の電子デバイスにおいて、前記電子部品が、サーミスタ、コンデンサ、リアクタンス素子、及び半導体素子のうちのいずれかであることを特徴とする電子デバイス。

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