JP6303372B2 - 振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、及び移動体 - Google Patents

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、電子機器、及び移動体に関する。

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、ある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％とすることで、振動子の容量比γ（＝Ｃ０／Ｃ１、ここで、Ｃ０は等価並列容量、Ｃ１は等価直列容量）を小さくすることができ、周波数可変感度が大きくなるため、発振周波数の合わせ込みの余裕度を大きくすることができるということが開示されている。

特開２００２−１１１４３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の振動子は、容量比γを小さくでき、大きな周波数可変感度が得られ電圧制御型発振器の振動子として有利であるが、主振動が振動部分の厚みの平面平行度のばらつき等により発生するスプリアス振動とカップリングを起こす可能性が高くなり、周波数のジャンプ現象が生じて、発振が不安定になる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、厚み滑り振動で振動し、表裏の関係にある第１の主面及び第２の主面を含む基板と、前記第１の主面に設けられ、仮想の四角形に内接する辺又は円周を含み、前記仮想の四角形の少なくとも三隅を切り欠いた形状の第１の励振電極と、前記第２の主面に設けられている第２の励振電極と、を含み、前記仮想の四角形の面積をＳ１、前記第１の励振電極の面積をＳ２としたとき、６９．２％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦８０．１％の関係を満たすことを特徴とする。

本適用例によれば、主振動の振動領域は励振電極の中央部に集中しているため、励振電極の四隅を切り欠いた電極形状としても周波数変化への影響が小さく、主振動の周波数はほとんど変わらない。しかし、振動部分の厚みの平面平行度のばらつき等により発生するスプリアス振動の振動領域は、励振電極の四隅や周辺部に集中しているため、励振電極の四隅を切り欠いた電極形状とすると、スプリアス振動の振動領域上の励振電極の面積が小さくなり、励振電極の膜厚を薄くしたものと同等となるので、スプリアス振動の周波数は高くなる。そのため、主振動とスプリアス振動との周波数差を大きくし、スプリアス振動とのカップリングによる周波数のジャンプ現象を低減した振動素子が得られるという効果がある。
また、実際に主振動の振動に寄与しない励振電極の四隅の少なくとも三隅を切り欠いているので、主振動の振動エネルギーを効率的に閉じ込め、等価直列容量Ｃ１を大きくすることができ、且つ、励振電極の面積で決まる等価並列容量Ｃ０を小さくできるため、容量比γの小さい振動素子を得ることが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、前記第１の励振電極は、前記仮想の四角形の四隅を切り欠いた形状であることを特徴とする。

本適用例によれば、実際に主振動の振動に寄与しない励振電極の四隅を切り欠いた形状とすることで、主振動の周波数をほとんど変化させずに、スプリアス振動の振動領域が集中する領域の電極面積を小さくすることができるため、スプリアス振動の周波数を高くすることができる。そのため、スプリアス振動とのカップリングによる周波数のジャンプ現象を低減した振動素子が得られるという効果がある。また、励振電極を小さくできるので、容量比γの小さい振動素子を得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、前記第１の励振電極は、平面視で、前記第２の励振電極の外縁内に収まっていることを特徴とする。

本適用例によれば、厚み滑り振動は平面視で第１の励振電極と第２の励振電極とが重なる領域でのみ振動するので、第１の励振電極２５ａが第２の励振電極２５ｂの外縁内に収まっていると、主振動の振動エネルギーを効率的に閉じ込めることを、第１の励振電極２５ａの面積と厚みとで決定することができる。そのため、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、電極の厚みを厚くできるので、電極膜のオーミックロスを低減し、主振動のＣＩ値の劣化を低減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、マスクの多少の位置ずれがあった場合でも、平面視で第１の励振電極と第２の励振電極とが重なる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４］上記適用例に記載の振動素子において、前記第１の励振電極の外縁のうち前記切り欠いた領域外の外縁から延在して設けられているリード電極を含むことを特徴とする。

本適用例によれば、リード電極を切り欠いた領域を除く第１の励振電極の外縁から延在することにより、第１の励振電極の周辺部に集中するスプリアス振動の振動領域における第１の励振電極の面積を確実に小さくすることができるため、スプリアス振動の周波数を高くし主振動とのカップリングを低減することができる振動素子が得られ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、前記第１の励振電極の厚み滑り振動方向に沿った長さをｈｘ、前記厚み滑り振動方向と直交する方向に沿った長さをｈｚとしたとき、１．２５≦ｈｘ／ｈｚ≦１．３１の関係を満たすことを特徴とする。

本適用例によれば、結晶の異方性により定まる変位方向の変位分布と、それと直交する方向の変位分布が異なる基板を用いた場合、主振動のエネルギー閉じ込めの効率を高めることができるので、等価直列容量Ｃ１が大きくなり、振動素子の容量比γをより小さくできる。

［適用例６］上記適用例に記載の振動素子において、前記基板は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、温度特性に優れているので、安定な振動特性を有する振動素子が得られるという効果がある。

［適用例７］上記適用例に記載の振動素子において、前記水晶基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする。
本適用例によれば、基板に温度特性に優れた切断角度を有しているＡＴカット水晶基板を用いることにより、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術に関する実績や経験が活用でき、温度特性に優れ、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等の特性ばらつきの小さい振動素子の量産が可能になるという効果がある。

［適用例８］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、信頼性品質の高い振動子が得られる。例えば、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９］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、前記振動素子を駆動する発振回路と、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、振動素子の主振動とスプリアス振動の周波数差が広いので、スプリアス振動とのカップリングによる周波数のジャンプ現象を低減した安定な発振特性を有し、且つ、振動素子の容量比γが小さいので、広い周波数可変幅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。
また、電子デバイスとして発振器、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。

［適用例１０］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、スプリアス振動とのカップリングを抑制した振動素子を電子機器に用いることにより、周波数安定度に優れた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。

［適用例１１］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、スプリアス振動の影響を抑制した発振特性の安定な振動素子を備えているため、より高性能の移動体を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る振動素子の構造を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＰ−Ｐ線断面図、（ｃ）はＱ−Ｑ線断面図。 ＡＴカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図。 励振電極が設けられた振動素子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。 ＡＴカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示す図。 励振電極の面積比に対する振動素子のＣ１値及び△ｆ値を示す図。 本発明の変形例に係る振動素子の構造を示す概略図であり、（ａ）は第一の変形例を示す平面図、（ｂ）は第二の変形例を示す平面図、（ｃ）は第三の変形例を示す平面図。 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す概略図であり、（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ジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。 本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図。

以下、本発明の振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器及び移動体を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜振動素子＞
先ず、本発明の振動素子について説明する。
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線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＱ−Ｑ線断面図である。
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。

図１に示す実施形態例において、第１の励振電極２５ａは、四角形、好ましくは矩形の四隅を切り欠いた形状、つまり、Ｘ軸方向に沿った長さｈｘとＺ’軸方向に沿った長さｈｚとからなる仮想の四角形２５ｆに辺が内接し、前記仮想の四角形２５ｆの四隅を切り欠いた形状に形成されている。また、第２の励振電極２５ｂについても、第１の励振電極２５ａと同様に、四角形、好ましくは矩形の四隅を切り欠いた形状に形成されている。更に、第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂは、振動部１２のほぼ中央部の両主面（表面及び裏面）に平面視で重なるように夫々形成されている。なお、第２の励振電極２５ｂの形状は四角形、矩形状、円形、楕円形であっても構わない。

第１の励振電極２５ａと、第２の励振電極２５ｂとは大きさが異なり、第２の励振電極２５ｂの方が第１の励振電極２５ａよりも大きい。振動部１２において実際に励振する領域は、第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂとにより挟まれている領域である。つまり、第２の励振電極２５ｂにおいて、実際に振動部１２を励振させることに寄与する領域は、平面視で第１の励振電極２５ａと重なる部分である。すなわち、第２の励振電極２５ｂは、励振に寄与する電極と、当該励振に寄与する電極の外縁に一体化されている励振に寄与しない電極とから構成されている。
なお、第１の励振電極２５ａや第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。

切り欠いた第１の励振電極２５ａは、第１の励振電極２５ａの中心点に対して対称であること。または、仮想の四角形２５ｆに対して、四隅の切り欠き面積が同一であることが好ましい。なお、第１の励振電極２５ａにおいて、仮想の四角形２５ｆの四隅を切り欠いた４つの面積は夫々同一（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。

リード電極２７ａは、凹陥面に形成した第１の励振電極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第２の励振電極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、下地層としてニッケル（Ｎｉ）を成膜し、その上に上地層として金（Ａｕ）を重ねて成膜後、フォトリソグラフィーによりパターニングされ形成されている。なお、電極材料として、下地層のニッケル（Ｎｉ）の代わりにクロム（Ｃｒ）、また、上地層の金（Ａｕ）の代わりに銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）を用いても構わない。

次に、本実施形態例に係る振動素子１の基板１０について説明する。
図２は、ＡＴカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図である。
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「回転Ｙカット水晶基板」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、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軸及び前記Ｚ’軸を含む面を主面とし、前記Ｙ’軸に沿った方向を厚みとする「回転Ｙ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、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。

ここで、本実施形態例に係る振動素子１は、基板１０に温度特性に優れた切断角度を有しているＡＴカット水晶基板を用いることにより、Ｑ値が高く、温度特性に優れた振動素子を得ることができるという効果がある。また、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術に関する実績や経験が活用できるので、特性のばらつきの小さい振動素子１の量産が可能になる。

次に、本実施形態例に係る振動素子１が搭載される電圧制御型発振器について説明する。
一般的に、電圧制御型発振器は振動素子１、発振回路部及び可変容量ダイオードを含む制御電圧端子等により構成され、重要な仕様として制御電圧により振動素子１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、振動素子１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１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を小さくすれば、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、振動素子１の製造歩留りを向上させることができる。

次に、振動素子１ａの振動変位について説明する。
図３は、励振電極が設けられた振動素子における振動変位分布を示す説明図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の縦断面図である。
図３では基板１０上に矩形状の励振電極２３が設けられた振動素子１ａ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示している。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１ａ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は実際の振動領域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対向面積に依存しない。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で、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、容量比γの小さい振動素子１ａを得ることができる。

次に、主振動に影響を及ぼすスプリアス振動について説明する。
一般的に、主振動である厚み滑り振動に影響を及ぼすスプリアス振動は、厚み滑り振動のインハーモニックオーバートーンモードといわれ、図３における基板１０の長辺方向に振動変位分布する２次モードの（１，２，１）モードや３次モードの（１，３，１）モードである。

２次モードの（１，２，１）モードは、基板１０の長辺方向に沿って、励振電極２３の中心部を境に２つの振動変位分布を有している。２つの振動変位分布で生じる電荷の極性が相反しているため、互いに相殺されて通常はスプリアス振動として振動しない。しかし、振動部分の厚みの平面平行度にばらつきがある場合には、２つの振動変位分布で生じる極性の異なる電荷の量が異なり、相殺されないのでスプリアス振動として振動する。また、その周波数は主振動の周波数より高く、主振動の周波数に一番近接している。

３次モードの（１，３，１）モードは、基板１０の長辺方向に３つの振動変位分布を有している。励振電極２３の中央部の１つの振動変位分布と励振電極２３の端部側の２つの振動変位分布とで生じる電荷の極性が相反しており、極性の異なる電荷の量が異なっているため、常にスプリアス振動として振動する。また、その周波数は主振動の周波数より高く、（１，２，１）モードが振動しない場合には主振動の周波数に一番近接している。

上述した厚み滑り振動のインハーモニックオーバートーンモードのスプリアス振動は、励振電極の周辺部を切り欠いた電極形状とすると、スプリアス振動の振動変位分布上の励振電極の面積が小さくなり、励振電極の膜厚が薄くしたものと同等となるので、その周波数は高くなる。また、主振動は、励振電極の周辺部を切り欠いた形状としても、切り欠いた部分が実際に振動に寄与していないので、周波数はほとんど変化しない。そのため、励振電極の周辺部を切り欠いた電極形状とすることで、主振動とスプリアス振動との周波数差を大きくし、スプリアス振動とのカップリングによる周波数のジャンプ現象を低減した振動素子１を得ることができる。

図４は、図１の実施形態例で試作した１１４ＭＨｚ帯の共振周波数を有するＡＴカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示している。また、図５は、図４に示したＡＴカット水晶振動素子の励振電極の面積比（Ｓ２／Ｓ１）に対するＣ１値及び主振動とスプリアス振動との周波数差△ｆ値をグラフ上にプロットした図である。

試作した１１４ＭＨｚ帯の共振周波数を有するＡＴカット水晶振動素子（振動素子１）の試作条件は、図１に示すＸ軸方向に沿った長さｈｘとＺ’軸方向に沿った長さｈｚとからなる仮想の四角形２５ｆの面積Ｓ１を０．５６４ｍｍ²〜０．７０５ｍｍ²まで変化させ、仮想の四角形２５ｆに辺が内接した第１の励振電極２５ａの面積Ｓ２を０．４７０ｍｍ²一定としている。また、測定結果は、各試作条件におけるＡＴカット水晶振動素子（振動素子１）の等価直列容量Ｃ１と、主振動と主振動の周波数と一番近接したスプリアス振動との周波数差△ｆである。尚、周波数差△ｆは主振動の周波数で基準化して示し、等価並列容量Ｃ０は第１の励振電極２５ａの面積Ｓ２が０．４７０ｍｍ²と一定のため、２．７６ｐＦである。

図５では、面積比（Ｓ２／Ｓ１）が大きくなるのに伴い、等価直列容量Ｃ１は小さくなる傾向を示し、周波数差△ｆは大きくなる傾向を示している。ここで、電圧制御型発振器で振動素子１に要求される容量比γの仕様を３００以下（等価並列容量Ｃ０が２．７６ｐＦであるので、等価直列容量Ｃ１が９．２ｆＦ以上）、スプリアス振動との周波数差△ｆとの仕様を１，３００ｐｐｍ以上とすると、これを満足する面積比（Ｓ２／Ｓ１）は、図５のグラフより、６９．２％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦８０．１％の範囲である。従って、第１の励振電極２５ａを周辺部が切り欠いた形状とし、面積比（Ｓ２／Ｓ１）が６９．２％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦８０．１％の関係を満足させることにより、容量比γが３００以下で、スプリアス振動との周波数差△ｆが１，３００ｐｐｍ以上となるＡＴカット水晶振動素子（振動素子１）を得ることができる。

また、製造ばらつき等を考慮し、容量比γの仕様を２９７以下（Ｃ１が９．３ｆＦ以上）、周波数差△ｆの仕様を１，３５０ｐｐｍ以上とすると、面積比（Ｓ２／Ｓ１）は、７１．５％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦７７．８％の範囲であることが好ましい。更に、容量比γの仕様を２９４以下（Ｃ１が９．４ｆＦ以上）、周波数差△ｆの仕様を１，４００ｐｐｍ以上とすると、面積比（Ｓ２／Ｓ１）は、７３．８％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦７５．４％の範囲であることがより好ましい。

次に、図１に戻り、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。

厚み滑り振動は、平面視で第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂとが重なる領域でのみ振動するので、第１の励振電極２５ａが第２の励振電極２５ｂの外縁内に収まっていると、主振動の振動エネルギーを効率的に閉じ込めることを、第１の励振電極２５ａの面積と厚みとで決定することができる。そのため、第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂとの面積が同一の場合に比べ、電極の厚みを厚くできるので、電極膜のオーミックロスを低減し、主振動のＣＩ値の劣化を低減することができる。

また、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でも、電極形成時に多少の位置ずれがあったとしても、振動部１２を挟んだ第１の励振電極２５ａと第２の励振電極２５ｂとの対向面積が変化し難いため、等価直列容量Ｃ１や等価並列容量Ｃ０のばらつきが生じ難く、容量比γのばらつきの小さい振動素子１を得ることができる。

更に、第１の励振電極２５ａの厚み滑り振動方向に沿った長さをｈｘ、前記厚み滑り振動方向と直交する方向に沿った長さをｈｚとしたとき、ＡＴカット水晶基板の場合、励振電極の寸法比ｈｘ／ｈｚを１．２８とすることで主振動の振動エネルギーを励振電極の領域内に効率的に閉じ込めることができる。そのため、製造ばらつきを考慮し励振電極の寸法比ｈｘ／ｈｚを１．２５≦ｈｘ／ｈｚ≦１．３１の関係とすることで、主振動の振動エネルギーを効率よく閉じ込めることができるので、等価直列容量Ｃ１をより大きくすることができ、容量比γのより小さい振動素子１を得ることができる。

以上、図１に示めした一実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、図６に示す各変形例においても主振動周波数とスプリアス振動周波数との間隔を広げることができ、また、Ｃ１値を大きく（容量比γを小さく）することが確認されている。

次に、本発明の一実施形態に係る振動素子１の変形例について説明する。
図６は、本発明の変形例に係る振動素子の構造を示した概略図であり、図６（ａ）は第一の変形例を示す平面図、図６（ｂ）は第二の変形例を示す平面図、図６（ｃ）は第三の変形例を示す平面図である。
図６（ａ）に示す第一の変形例において、第１の励振電極２５ｃは仮想の四角形２５ｆの三隅に切り欠き部２６ａを有する形状に形成されており、残りの一隅はリード電極２７ａが接続されているため切り欠き部２６ａは形成されていない。
図６（ｂ）に示す第二の変形例において、第１の励振電極２５ｄは仮想の四角形２５ｆの四隅が曲線状、例えば円弧状の切り欠き部２６ｂを有する形状に形成されている。また、リード電極２７ａは、切り欠き部２６ｂを除く第１の励振電極２５ｄの外縁から延在して形成されている。そのため、第１の励振電極２５ｄの周辺部に集中するスプリアス振動の振動領域における第１の励振電極２５ｄの面積を確実に小さくすることができ、スプリアス振動の周波数を高くし、主振動とのカップリングを低減することができる。
図６（ｃ）に示す第三の変形例において、第１の励振電極２５ｅは仮想の四角形２５ｆに円周が内接する楕円形状に形成されている。第１の励振電極２５ｅを楕円形状とすることで主振動の振動エネルギーを効率的に閉じ込めることができ、容量比γをより小さくできるという効果がある。

これらの変形例において、面積比（Ｓ２／Ｓ１）が６９．２≦（Ｓ２／Ｓ１）≦８０．１％の関係を満たしていれば、主振動周波数とスプリアス振動周波数との間隔を広げることができ、且つ、Ｃ１値を大きく（容量比γを小さく）することができるので、スプリアス振動とのカップリングによる周波数のジャンプ現象を低減し、容量比γの小さい振動素子１を得ることができる。

＜振動子＞
次に、前述した振動素子１を適用した振動子２（本発明の振動子）について説明する。
図７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７（ａ）は蓋部材を省略した平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の縦断面図である。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、ガラス等からなる蓋部材４９と、で構成されている。

パッケージ本体４０は、図７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の熱硬化性の導電性接着剤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７（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、又は第２の励振電極２５ｂの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、減圧雰囲気中、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減圧雰囲気にするか、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７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。

＜電子デバイス＞
次に、前述した振動素子１を適用した発振器（本発明の電子デバイス）について説明する。
図８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８（ａ）は蓋部材を省略した平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の縦断面図である。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８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、及び電子部品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（図示せず）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を減圧雰囲気、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、より大きな第２の励振電極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８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。

＜電子機器＞
次いで、本発明の一実施形態に係る振動素子１を適用した電子機器（本発明の電子機器）について、図９〜図１１に基づき、詳細に説明する。
図９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１０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、共振器等として機能する振動素子１が内蔵されている。

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デ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１３３０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１３４０が、夫々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１３３０や、パーソナルコンピューター１３４０に出力される構成になっている。このようなデ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１は、図９のパーソナルコンピューター１１００（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１０の携帯電話機１２００、図１１のデジタルスチールカメラ１３００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）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

＜移動体＞
次に、本発明の一実施形態に係る振動素子１を有する振動子２を適用した移動体（本発明の移動体）について、図１２に基づき説明する。
図１２は、振動子２を備える移動体としての自動車１４００を概略的に示す斜視図である。自動車１４００には本発明の一実施形態係る振動子２を含んで構成されたジャイロセンサーが搭載されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車１４００には、タイヤ１４０１を制御する該ジャイロセンサーを内蔵した電子制御ユニット１４０２が搭載されている。また、他の例として、振動子２は、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）、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、等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。

上述したように、移動体として、スプリアス振動の影響を抑制した振動特性の良好な振動素子１を有する振動子２を備えていることにより、より高性能の移動体を提供することができる。

以上、本発明の振動素子１、振動子２、電子デバイス３、電子機器及び移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１，１ａ…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，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ…第１の励振電極、２５ｂ…第２の励振電極、２５ｆ…仮想の四角形、２６ａ，２６ｂ…切り欠き部、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、１３３０…テレビモニター、１３４０…パーソナルコンピューター、１４００…自動車、１４０１…タイヤ、１４０２…電子制御ユニット。

Claims (12)

1. 互いに表裏の関係にある第１の主面及び第２の主面を含み、厚み滑り振動する基板と、
   前記第１の主面に設けられている第１の励振電極と、
   前記第２の主面に設けられ、平面視で前記第１の励振電極と重なっている第２の励振電極と、
   を含み、
   四角形を想定したとき、前記第１の励振電極は、前記四角形の少なくとも３つの角を切り欠いた多角形状であり、
   前記四角形の面積をＳ１、
   前記第１の励振電極の面積をＳ２としたとき、
   ６９．２％≦（Ｓ２／Ｓ１）≦８０．１％
   を満たしていることを特徴とする振動素子。
2. 請求項１において、
   前記第１の励振電極は、前記四角形の４つの角を切り欠いた八角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の励振電極は、平面視で、前記第２の励振電極の外縁内に収まっ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、
   前記第１の励振電極の前記四角形の辺の部分から延在しているリード電極を含むことを特徴とする振動素子。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記第１の励振電極の前記四角形の角を切り欠いた部分から延在しているリード電極を含む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、
   前記基板は、水晶基板であることを特徴とする振動素子。
7. 請求項６において、
   前記水晶基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする振動素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項において、
   前記基板の前記厚み滑り振動の振動方向に沿った前記第１の励振電極の長さをｈｘ、
   前記振動方向と直交する方向に沿った前記第１の励振電極の長さをｈｚとしたとき、
   １．２５≦ｈｘ／ｈｚ≦１．３１
   を満たしていることを特徴とする振動素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記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振動子。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の振動素子と、
    前記振動素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電子デバイス。
11. 請求項１乃至８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。
12. 請求項１乃至８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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