(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みすべり振動で励振し、一方の主面に設けられている第１凸部、前記一方の主面に対して裏面側の他方の主面に設けられている第２凸部を含む振動部、
前記第１凸部及び前記第２凸部の前記厚みすべり振動の振動方向に交差する方向の端部に設けられている少なくとも二段以上の段差縁部、
前記振動部の外縁に沿って配置され前記振動部の厚みよりも厚みの薄い外縁部、
及び前記外縁部に前記振動部から離間して設けられ接着材が配置される支持領域、
を含む基板と、
前記第１凸部の表面に設けられている第１励振電極と、
前記第２凸部の表面に設けられている第２励振電極と
を備え、
前記段差縁部の段数を２以上の正の整数ｉで表わすとき、
ｉ段目の前記段差縁部の前記振動方向に沿った長さをＭｘｉ、
前記厚みの方向における最外側の段差縁部の前記振動方向に沿った長さをＭｘ、
前記励振電極の前記振動方向に沿った長さをＥｘ、
前記振動方向に振動する屈曲振動の波長をλとしたとき、
−０．２＜（（Ｍｘｉ−１−Ｍｘｉ）／２−ｎλ／２）／（λ／２）＜０．２  （１）
−０．２＜（（Ｅｘ−Ｍｘ）−ｋλ／２）／（λ／２）＜０．２              （２）
（但し、ｎは正の整数、ｋは整数）
を満たすことを特徴とする振動素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記段差部の段数ｉは２、
前記正の整数ｎは１、
前記整数ｋは−１であり、
且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＥｘ＜Ｍｘの関係があることを特徴とする振動素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記段差部の段数ｉは２、
前記正の整数ｎは１、
前記整数ｋは２であり、
且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子。
【請求項４】
請求項１において、
前記段差部の段数ｉは２、
前記正の整数ｎは２、
前記整数ｋは１であり、
且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子。
【請求項５】
請求項１において、
前記段差部の段数ｉは３、
前記正の整数ｎは１、
前記整数ｋは３であり、
且つ前記Ｅｘと、前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子。
【請求項６】
請求項１において、
前記段差部の段数ｉは３、
前記正の整数ｎは１、
前記整数ｋは２であり、
且つ前記Ｅｘと、前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子。
【請求項７】
請求項１において、
前記基板は、回転Ｙカット基板であり、
前記振動部は、Ｘ軸方向に沿った辺を長辺としＺ´軸方向に沿った辺を短辺としていることを特徴とする振動素子。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項において、
１段目の前記段差縁部の前記振動方向に直交する方向に沿った長さをＭｚ、
前記励振電極の前記振動方向に直交する方向に沿った長さをＥｚとしたとき、
Ｅｚ＜Ｍｚの場合は０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８の関係を満たし、
Ｅｚ＞Ｍｚの場合は０．５≦Ｍｚ／Ｚ≦０．７の関係を満たしていることを特徴とする振動素子。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の振動素子と、前記振動素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする振動子。
【請求項１０】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の振動素子と、電子素子と、前記振動素子及び電子素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、及び半導体素子の少なくともいずれかであることを特徴とする電子デバイス。
【請求項１２】
請求項９に記載の振動子と、該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発振器。
【請求項１３】
請求項１乃至８の何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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚み振動モードの振動素子に関し、特に所謂メサ型構造を有する振動素子、振動子、電子デバイス、発振器及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＴカット水晶振動子は、その振動モードが厚みすべり振動であり、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、電子機器等の多方面で使用されている。
特許文献１と特許文献２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        
（Ｍｘ−Ｅｘ）／２＝λ／２                      
Ｍｘ／２＝（ｎ／２＋１／４）λ  （但しｎは整数）
Ｘ≧２０ｔ                                      
を満たすように、各パラメーター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。また、屈曲変位成分が小さくなるのは、振動部の端縁と励振電極の端縁部分の位置を屈曲振動の変位の腹の位置と一致するように設定した場合であり、これにより不要モードである屈曲振動を抑圧することができると開示されている。
【０００３】
特許文献３には、周波数可変感度を高くするとともに、不要な振動を抑圧したメサ型振動素子が提案されている。一般的に、振動素子は、励振電極が大きくなるのに伴って等価直列容量Ｃ１も大きくなり、周波数可変感度を高くできる。励振電極を大きくしたメサ型振動素子は発振が容易であり、負荷容量に対する周波数変化の幅を広くできると開示されている。
【０００４】
特許文献４には、メサ型圧電振動素子が開示されている。水晶基板の長辺の長さをＸ、段差部の堀量（メサ部の高さ）をＭｄ、振動部の板厚をｔとし、板厚ｔに対する段差部の堀量Ｍｄの比をｙ（百分率）とすると、ｙが、
ｙ＝−１．３２×（Ｘ／ｔ）＋４２．８７
ｙ≦３０
の関係を満足し、且つ水晶基板の振動部の板厚ｔに対する長辺の長さＸの比、即ち辺比Ｘ／ｔが３０以下とすることにより、圧電振動素子の電気的特性の悪化を招くこと無くＣＩを低下させることができると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４００２３公報
【特許文献２】特開２００７−０５３８２０公報
【特許文献３】特開２００８−３０６５９４公報
【特許文献４】特開２００７−１２４４４１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、最近では容器サイズの更なる小型の振動子が要求されている。小型容器に収容するメサ型構造の振動素子のＸ辺比（厚さｔに対する長辺Ｘの比Ｘ／ｔ）は２０以下となる。このような小型振動子に先行文献に開示されているような手段を適用しても、厚みすべり振動に輪郭系の高次振動が重畳して、滑らかな周波数温度特性が得られず、また要求されるＣＩ（クリスタルインピーダンス）実現できない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、Ｘ軸方向を長辺とした厚みすべりモードの振動素子であって、Ｘ辺比の小さな振動素子の滑らかな周波数温度特性と、ＣＩの低減を可能としたメサ型振動素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］本発明に係る振動素子は、厚みすべり振動で励振し、一方の主面に設けられている第１凸部、前記一方の主面に対して裏面側の他方の主面に設けられている第２凸部を含む振動部、前記第１凸部及び前記第２凸部の前記厚みすべり振動の振動方向に交差する方向の端部に設けられている少なくとも二段以上の段差縁部、及び前記振動部の外縁に沿って配置され前記振動部の厚みよりも厚みの薄い外縁部、を含む基板と、前記第１凸部の表面に設けられている第１励振電極と、前記第２凸部の表面に設けられている第２励振電極とを備え、前記段差縁部の段数を２以上の正の整数ｉで表わすとき、ｉ段目の段差縁部の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さをＭｘｉ、最外側の段差縁部の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さをＭｘ、１段目の段差縁部の前記厚みすべり振動の振動方向に直交する方向に沿った長さをＭｚ、前記励振電極の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さをＥｘ、前記励振電極の前記厚みすべり振動の振動方向に直交する方向に沿った長さをＥｚ、前記厚みすべり振動の振動方向に振動する屈曲振動の波長をλとしたとき、
−０．２＜（（Ｍｘｉ−１−Ｍｘｉ）／２−ｎλ／２）／（λ／２）＜０．２  （１）
−０．２＜（（Ｅｘ−Ｍｘ）−ｋλ／２）／（λ／２）＜０．２  （２）
を満たすことを特徴とする振動素子である。但し、ｎは正の整数、ｋは整数とする。
【０００９】
この構成によれば、振動部は、全外周縁が前記外縁部に向かって該振動部の厚さが漸減するように少なくとも二段の段差部を備えたメサ型構造であり、且つ各段差部の長さと励振電極の長さとが式（１）、（２）基づいて設定されているため、屈曲振動が抑圧され、また励振電極はピックアップする屈曲振動の電荷を相殺するため、周波数温度特性、及びＣＩ温度特性は滑らかな特性が得られるという効果がある。また、振動部の全外周縁を少なくとも二段の段差構造とすることにより振動エネルギーは励振部に閉じ込められ、ＣＩの小さな振動素子が得られるという効果がある。
【００１０】
［適用例２］また振動素子は、適用例１に記載おいて、前記段差部の段数ｉは２、前記正の整数ｎは１、前記整数ｋは−１であり、且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＥｘ＜Ｍｘの関係があることを特徴とする振動素子である。
【００１１】
この構成によれば、各段差部の長さ、及び励振電極の大きさは式（１）、（２）を満たすと共に、段差部の段数を２段とし、励振電極の大きさを最外側（最上段）の段差部の長さより短く設定したので、滑らかな周波数温度特性、ＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、振動素子の等価インダクタンスを大きくすることができるという効果がある。
【００１２】
［適用例３］また振動素子は、適用例１に記載おいて、前記段差部の段数ｉは２、前記正の整数ｎは１、前記整数ｋは２であり、且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子である。
【００１３】
この構成によれば、各段差部の長さ、及び励振電極の大きさは式（１）、（２）を満たすと共に、段差部の段数を２段とし、励振電極の大きさを最外側（最上段）の段差部の長さより大きく設定したので、滑らかな周波数温度特性、ＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、振動素子の等価インダクタンスを小さくすることができるという効果がある。また、振動により発生した電荷の大半をピックアップできるので、振動素子の容量比を小さくすることができるという効果がある。
【００１４】
［適用例４］また振動素子は、適用例１に記載において、前記段差部の段数ｉは２、前記正の整数ｎは２、前記整数ｋは１であり、且つ前記Ｅｘと前記Ｍｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子である。
【００１５】
この構成によれば、各段差部の長さ、及び励振電極の大きさは式（１）、（２）を満たすと共に、段差部の段数を２段とし、励振電極の大きさを最外側（最上段）の段差部の長さより大きく設定したので、滑らかな周波数温度特性、ＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、振動変位分布の形状をなだらかにし、ＣＩディップの少ないＣＩ温度特性が得られるという効果がある。
【００１６】
［適用例５］また振動素子は、適用例１において、前記段差部の段数ｉは３、前記正の整数ｎは１、前記整数ｋは３であり、且つ前記Ｅｘと、前記振動部の最上段の主面の前記厚みすべり振動の振動方向に沿った長さＭｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子である。
【００１７】
この構成によれば、各段差部の長さ、及び励振電極の大きさは式（１）、（２）を満たすと共に、段差部の段数を２段とし、励振電極の大きさを最外側（最上段）の段差部の長さより大きく設定したので、滑らかな周波数温度特性、ＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、段差部の段数を３段にしたので振動変位分布はより急峻となり、支持の影響が小さくなるので、振動素子のＣＩをより小さくできるという効果がある。
【００１８】
［適用例６］また振動素子は、適用例１において、前記段差部の段数ｉは３、前記正の整数ｎは１、前記整数ｋは２であり、且つ前記Ｅｘと、前記振動部の最上段の主面の前記厚みすべり振動の振動方向に沿ったＭｘとの間にＭｘ＜Ｅｘの関係があることを特徴とする振動素子である。
【００１９】
この構成によれば、各段差部の長さ、及び励振電極の大きさは式（１）、（２）を満たすと共に、段差部の段数を２段とし、励振電極の大きさを最外側（最上段）の段差部の長さより大きく設定したので、滑らかな周波数温度特性、ＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、段差部の段数を３段にしたので振動変位分布はより急峻となり、支持の影響が小さくなるので、振動素子のＣＩをより小さくできるという効果と、電極の大きさを調整し、仕様に合わせることできるという効果がある。
【００２０】
［適用例７］また振動素子は、適用例１に記載において、前記基板は、回転Ｙカット基板であり、前記振動部は、Ｘ軸方向に沿った辺を長辺としＺ´軸方向に沿った辺を短辺としていることを特徴とする振動素子である。
【００２１】
この構成によれば、振動基板を水晶基板で構成するため、周波数温度特性、及びＣＩ温度特性は滑らかな特性が得られるという効果と、経年変化が小さく、振動素子のＱ値の大きい振動素子が得られるという効果がある。
【００２２】
［適用例８］また振動素子は、適用例１乃至７の何れか一項において、Ｅｚ＜Ｍｚの場合は０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８の関係を満たし、Ｅｚ＞Ｍｚの場合は０．５≦Ｍｚ／Ｚ≦０．７の関係を満たしていることを特徴とする振動素子である。
【００２３】
この構成によれば、上記の効果に加え、ＣＩの低減が図れると共に、屈曲振動等の不要振動との結合のない振動素子が得られるという効果がある。
【００２４】
［適用例９］本発明に係る振動子は、適用例１乃至８の何れか一項に記載の振動素子と、前記振動素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする振動子である。
【００２５】
この構成によれば、屈曲振動を抑圧し、小さなＣＩ値、即ち大きなＱ値を有し、経年変化が少なく、滑らかな周波数温度特性、及びＣＩ特性を有する小型振動子が得られるという効果がある。
【００２６】
［適用例１０］本発明に係る電子デバイスは、適用例１乃至８の何れか一項に記載の振動素子と、電子素子と、前記振動素子及び電子素子を収容する容器と、を備えていることを特徴とする電子デバイスある。
【００２７】
この構成によれば、本発明に係るＣＩの小さな小型振動素子を備えており、用いる電子素子と組み合わせることで、客先の仕様に合わせて種々の電子デバイスを構成することができるという効果がある。
【００２８】
［適用例１１］本発明に係る電子デバイスは、適用例１０において、前記電子素子が、サーミスタ、コンデンサー、リアクタンス素子、及び半導体素子の少なくともいずれかであることを特徴とする電子デバイスである。
【００２９】
この構成によれば、本発明に係るＣＩの小さな小型振動素子と、上記電子素子組み合わせることで、温度補償された振動素子、可変範囲の広い振動素子、発振器等を構成することができるという効果がある。
【００３０】
［適用例１２］本発明に係る発振器は、適用例９に記載の振動子と、該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発振器である。
【００３１】
この構成によれば、発振器が小型化されると共に、消費電力の少なく、周波数温度特性の優れた発振器が実現できるという効果がある。
【００３２】
［適用例１３］本発明に係る電子機器は、適用例１乃至８の何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である。
【００３３】
この構成によれば、電子機器の小型化が図られると共に、周波数安定度、周波数温度特性の優れ、耐衝撃性のある電子機器が得られるという効果がある
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る実施形態の振動素子１の構造を示す概略図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図２】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軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’軸とＡＴカット水晶基板との関係を示す図。
【図３】振動素子１の構成を示す平面上に、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。
【図４】実験に用いた振動素子１ｓの構造を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図５】電極面積ＳとＣＩとの関係を示す図。
【図６】電極端部から支持部までの距離ΔＸと、ＣＩとの関係を示す図。
【図７】第２の実施形態の振動素子２を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図８】第３の実施形態の振動素子３を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図９】第４の実施形態の振動素子４を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図１０】第５の実施形態の振動素子５を示す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図。
【図１１】（ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図１２】（ａ）乃至（ｄ）は本実施形態の振動素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図１３】振動子の構造を示す断面図。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は夫々電子デバイスの構造を示す断面図。
【図１５】発振器の構成を示す断面図。
【図１６】図１に示す振動素子１の変形例の構成を示す平面図。
【図１７】図１に示す振動素子１の変形例の構成を示す平面図。
【図１８】本発明に係る電子機器の模式平面図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施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１の構成を示す概略図である。図１（ａ）は振動素子１の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
本発明の振動素子１は、振動基板１０と、振動基板１０の両主面に夫々対向配置された各励振電極２０ａ、２０ｂと、各励振電極２０ａ、２０ｂから振動基板１０の一方の端部に向かって延びる引出電極２２ａ、２２ｂと、各引出電極２２ａ、２２ｂと電気的に接続され振動基板１０の２つの角隅部に夫々形成された電極パッド２４ａ、２４ｂと、を備えた振動素子である。
振動基板１０は、最大厚さを有した振動部１４と、振動部１４よりも薄肉であって振動部１４の全周側面の厚さ方向中間部から鍔状に突設された外縁部１２と、を有している。振動基板１０は、振動バランスの点から厚さ方向の中心線に対して対称に形成されている。換言すれば、厚さ方向の中心を通り、主面に平行な面に対して対称に形成されている。
【００３６】
振動部１４は、その全外周縁に外縁部１２に向かって振動部１４の厚さが階段状に漸減するように少なくとも二段の段差縁部を備えている。図１の実施形態例の振動素子１は、振動部１４の外周縁の表裏面に夫々２段の段差から成る段差縁部を有する。段差縁部は、Ｚ’軸方向に平行に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄと、Ｘ軸方向に平行に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂと、を備えている。つまり、振動基板１０は、基板の中央部を両主面と直交する方向へ夫々突出させた厚肉部（段差縁部を含む）である振動部１４と、振動部１４の全周側面の厚さ方向中間部から主面方向へ突出する外縁部１２と、を有した所謂メサ構造をしている。
振動部１４は、振動基板１０の中央に位置した主たる振動領域であり、振動部１４より薄肉で振動部１４の全周側面に形成された外縁部１２は、従たる振動領域である。つまり、振動領域は、後述するように、振動部１４と、外縁部１２の一部に跨っている。
【００３７】
励振電極２０ａ、２０ｂ（以降、２０ａで代表する）は、図１に示す実施形態例では振動部１４の一部に形成されている。励振電極２０ａ、引出電極２２ａ、２２ｂ（以降、２２ａで代表する）、及び電極パッド２４ａ、２４ｂ（以降、２４ａで代表する）は、振動基板１０の両面にスパッタ法、又は真空蒸着法を用いてクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）等の金属膜をこの順に成膜する。成膜した金属薄膜にフォトリソグラフィ技法により、所定の形状の励振電極２０ａ、引出電極２２ａ、及び電極パッド２４ａを形成して振動素子を構成する。各励振電極２０ａに交番電圧を印加すると、振動素子１は固有の振動周波数で励振される。
【００３８】
振動基板１０に水晶基板を用いる場合について説明する。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。回転Ｙカット基板は、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。例えば、ＡＴカット水晶基板１０の場合は、前記角度θは略３５°１５′である。なお、Ｙ軸及びＺ軸もＸ軸の周りに前記角度θだけ回転させて、夫々Ｙ’軸、及びＺ’軸とする。従って、前記回転Ｙカット基板は、直交する座標軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’を有する。前記回転Ｙカット基板は、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、厚みすべり振動が主振動として励振される。
【００３９】
即ち、水晶基板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カット水晶基板からなる。
図１に示す実施形態例では、振動基板１０は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。ここで、長辺、短辺の夫々の長さをＸ、Ｚとする。振動基板１０は、略中央部に位置する厚肉の振動部１４と、振動部１４の全周側面の中央部から鍔状に突設された外縁部１２と、を有している。
【００４０】
図１の実施形態に示すように振動部１４は、その全周側面の中央部を外縁部１２に囲まれており、外縁部１２のＹ’軸方向の厚さｔ’よりも厚い厚さｔを有する。即ち、振動部１４は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、外縁部１２に対してＹ’軸方向に突出している。図１の例では、振動部１４は外縁部１２に対して、＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側とに突出している。振動部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となる形状を有することができる。
振動部１４は、図１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。振動部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軸に平行な長さＭｘ２（図１（ｂ）中にはＭｘ２／２で表示）を長辺とする矩形の形状を有する。第２部分１６は、第１部分１５の全側面周囲に形成され、第１部分１５と第２部分１６とを加算した形状の、Ｘ軸に平行な長さＭｘ１（図１（ｂ）中にはＭｘ１／２で表示）を長辺とし、Ｚ’軸に平行な長さＭｚを短辺とする矩形の形状を有する。つまり、振動基板１０は２段のメサ型基板である。
このように構成したため、振動部１４は、Ｘ軸方向に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂと、Ｚ’軸方向に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄと、を有した構造となっている。図１の実施形態例では、段差縁部１４ａ、１４ｂのうち、段差縁部１４ａが＋Ｚ’軸側の段差縁部であり、段差縁部１４ｂが−Ｚ’軸側の段差縁部である。また、段差縁部１４ｃ、１４ｄのうち、段差縁部１４ｃが−Ｘ軸側の段差縁部であり、段差縁部１４ｄが＋Ｘ軸側の段差縁部である。
【００４１】
Ｚ’軸方向に延びる段差縁部１４ｄは、図１（ｂ）に示すように、外縁部１２に対して、＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側とに夫々突出して形成されている。このことは段差縁部１４ａ、１４ｂ、１４ｃについても同様である。
振動部１４の段差縁部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。同様に、振動部１４の段差縁部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、段差縁部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。このように振動部１４は、厚みの異なる２種類の第１部分、及び第２部分１５、１６を有しており、振動素子１は、２段型のメサ構造を有していると言える。振動部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。
このように、振動部１４が、２段型メサ構造を有していることにより、厚みすべり振動が励振されると、振動エネルギーが振動部１４に閉じ込められて、所謂閉じ込め効果を有することができる。
【００４２】
図３は、振動素子１の平面図上に、振動素子１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分布を一点鎖線で示している。中央に位置する等力線のエネルギーレベルが一番高く、外側に位置する等力線程そのエネルギーレベルは低くなっている。図３に示す振動素子１の例では、振動部１４がＸ軸方向に長い矩形状をしているので、等力線分布はＸ軸方向の長径が長く、Ｚ’軸方向の短径が短い楕円形状となる。振動変位の大きさは振動部１４の中心部で最大で、中心部から離間するにつれて小さくなる。即ち、励振電極２０ａ上ではＸ軸方向、Ｚ’軸方向ともほぼ余弦上に分布し、励振電極２０ａのない水晶基板上では指数関数的に減衰する。振動領域は、振動部１４と、振動部１４に連接する外縁部１２とに楕円形状に広がっているので、振動部１４上にのみ励振電極を設けた構成の振動素子では、水晶基板１０に励起される電荷を十分に集められない（ピックアップできない）。振動部１４に連接する外縁部１２の少なくとも一部に励振電極２０ａを配置し、水晶基板１０に励起される電荷を集めるように構成した振動素子１の方が、振動素子の容量比を小さくすることが可能であり、発振器を構成するときに周波数可変範囲を広くすることができる。
【００４３】
図４（ａ）は、実験に用いた振動素子１ｓの平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。振動素子１ｓは、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、外周縁のＸ軸方向に２段、Ｚ’軸方向に１段の段差を有する振動部１４、及び振動部１４の全周側面の厚さ方向中間部から鍔状に突設する薄肉の外縁部１２を有する振動基板１０と、振動部１４の両主面上の全域、及び振動部１４に連接する外縁部１２の少なくとも一部に夫々対向配置された励振電極２０ａ、２０ｂと、各励振電極２０ａ、２０ｂから振動基板１０の端部に向かって延びる引出電極２２ａ、２２ｂと、各引出電極２２ａ、２２ｂの端部であり且つ振動基板１０の２つの角隅部に夫々形成された電極パッド２４ａ、２４ｂと、を概略備えている。振動素子１ｓは、各励振電極２０ａ、２０ｂに交番電圧を印加すると、固有の振動周波数で励振され、その振動領域は、振動部１４と、外縁部１２の一部に跨っている。
【００４４】
図５は、図４に示す振動素子であって、Ｘ軸方向の寸法Ｘが１１００μｍ、厚さｔが６５μｍのメサ型構造の振動基板１０に形成する励振電極２０ａの面積Ｓを変化させたときの、振動素子１ｓのＣＩを測定した曲線である。横軸は励振電極２０ａの面積Ｓであり、縦軸はＣＩ値を示す。この実験から、面積Ｓが小さいと水晶振動子のＣＩは大きく、面積Ｓが大きくなるに応じて、ＣＩが小さくなり、更に面積Ｓを大きくするとＣＩが大きくなることが分かる。つまり、水晶基板の寸法を決めるとＣＩを最小にする電極面積Ｓが存在することが実験的に分かった。
【００４５】
更に、振動基板１０のＸ軸方向の寸法と、励振電極２０ａの寸法との関係を調べるべく、実験を重ねた。図４に示すように、振動基板１０のＸ軸方向寸法をＸとし、励振電極２０ａのＸ軸方向寸法をＬｅとする。図４の例では、励振電極２０ａは、振動部１４の全域と、外縁部１２の一部とに跨っている。振動基板１０の各電極パッド２４ａ内に設けた支持領域２６（振動基板１０を、導電性接着剤等を用いて支持部材に固定する領域）の大きさをＡｄとし、支持領域２６の振動基板１０の中央寄り端部と、支持領域２６と対向する励振電極２０ａの図中左側の端部との距離をΔＸとする。
【００４６】
図６は、距離ΔＸと、振動子１ｓのＣＩとの関係を示す図である。距離ΔＸが小さいとＣＩは大きく、距離ΔＸを大きくするに応じてＣＩは小さくなり、更に距離ΔＸを大きくしていくとＣＩは大きくなる。
図６のΔＸ−ＣＩ曲線は、２つの性質の異なるメカニズムを示す曲線、つまり単調に減少する曲線Ａと、単調に増大する曲線Ｂとから構成されていると推測した。曲線Ａで表わされるＣＩは、距離ΔＸの増加と応じて減少している。このメカニズムは、次のように考えられる。励振電極２０ａ上の振動変位分布はほぼ余弦状であり、励振電極２０ａのない外縁部１２の振動変位は、励振電極２０ａの端部からの距離を変数とし指数関数的に減少する。支持領域２６は、この領域に導電性接着剤等を塗布し、振動基板１０をパッケージ等の支持部材に固定する部位である。励振電極２０ａの端部から急激に減少しつつある振動変位エネルギーは、支持領域２６まで到達し、漏洩した振動エネルギーは支持領域２６に塗布された接着剤に吸収され、消散する。つまり、距離ΔＸが大きい程、支持領域２６の端部（図面の右端）に到達する振動エネルギーは小さく、漏洩するエネルギーも小さくなる。その結果、水晶振動子のＱ値が大きく、ＣＩが小さくなる。
これと逆に、距離ΔＸが小さいと、支持領域２６の端部（図面の右端）に到達する振動エネルギーは大きく、漏洩するエネルギーが大きくなって、Ｑ値が小さくなる。このため、ＣＩが大きくなる。ＣＩは、距離ΔＸの増大に応じて単調に減少する曲線Ａとなる。
【００４７】
一方、曲線Ｂについては次のように考えられる。内部損失のみで決まる水晶振動子のＱ値は、周波数ｆに反比例して減少することは、よく知られている。周波数の範囲がそれ程大きくない場合、Ｘ軸方向の寸法が１．１ｍｍ程度の振動基板（水晶基板）１０では、形状寸法を決めると、励振電極の寸法を大幅に変化させない限り、Ｑ値はほぼ一定であると考えられる。また、振動子の等価直列インダクタンス（モーショナルインダクタンス）Ｌ１は、振動基板の厚さｔの三乗に比例し、電極面積に反比例することも周知のことである。
励振電極２０ａは、図４に示すように、振動部１４の長手方向中心部に相当する中心線Ｃｎに対し対称に配置されるものとする。ここで、振動基板１０を固定する接着剤の影響が無視できる程度に理想的に支持・固定された場合について考える。距離ΔＸが小さい程、つまり励振電極２０の寸法Ｌｅが大きい程、振動基板１０に励起される電荷を集められる。振動変位は、振動部１４の中央を頂点として余弦状に分布するので、励振電極２０ａの端部での電荷収集効率は、悪くなる。従って、励振電極２０ａは大きければよいというものではない。
【００４８】
励振電極２０ａの大きさに応じて決まる等価直列容量Ｃ１と、励振電極２０ａの大きさに比例して決まる静電容量Ｃ０との比Ｃ０／Ｃ１である容量比γは、励振電極２０ａの大きさを変化させた場合に、容量比γが最小になる励振電極２０ａの大きさがある。等価直列インダクタンスＬ１と等価直列容量Ｃ１とは、ω０２＝１／（Ｌ１・Ｃ１）の関係にあるので、励振電極２０ａの寸法Ｌｅを大きくすると直列インダクタンスＬ１は小さく成る。Ｑ値をほぼ一定とすると、振動子のＣＩは小さくなる。即ち、励振電極２０ａを大きく（寸法Ｌｅを大きくする）すると、つまりΔＸを小さくすると、ＣＩは小さくなる。
【００４９】
しかし、振動変位は外縁部１２の周縁では小さくなるので、その部位で励起される電荷は小さく、そこに電極を設けても効率的ではない。また、支持・固定部からの漏洩も考慮する必要がある。距離ΔＸを大きくしていくと、励振電極２０の寸法Ｌｅは小さくなってくるが、水晶基板１０に励起される電荷を最も効率的に集める励振電極２０ａの寸法Ｌｅがある。つまり、容量比γを最小にする寸法Ｌｅがある。更に、距離ΔＸ大きくしていくと、寸法Ｌｅが小さくなり、直列インダクタンスＬ１が大きくなる。Ｑ値をほぼ一定であるとすると、ＣＩが大きくなることに相当する。従って、図６の曲線Ｂの単調増大曲線で示すように、距離ΔＸの増加に応じてＣＩが大きくなることは説明できる。
つまり、振動基板１０の寸法を決めた場合に、振動子のＣＩに着目すると、支持領域２６からの距離ΔＸには、ＣＩを小さくする範囲があることになる。図６からは、ＣＩを６８Ωとすると、ΔＸの範囲は、０．０４ｍｍ≦ΔＸ≦０．０６ｍｍである。このΔＸの範囲は、Ｘ辺比Ｘ／ｔとして、１４≦Ｘ／ｔ≦１８の範囲で実験した。Ｘ／ｔ≦１４でも同様であった。
【００５０】
また、２段メサ型構造の振動素子１ｓとして、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）をＺとし、振動部１４の短辺の寸法をＭｚとし、振動部１４の厚み（振動部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）
【００５１】
これにより、厚みすべり振動と輪郭振動（屈曲振動）等の不要モードとの結合を抑圧することができ、ＣＩの低減と周波数温度特性の改善を図ることができる。このような厚みすべり振動と輪郭振動との結合は、一般的に振動基板の面積が小さいほど抑圧するのが難しい。そのため、例えば振動基板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振動素子において、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≦１８      （２）
【００５２】
図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、振動基板１０の各部の寸法を次のように設定する。振動基板１０の長辺方向（Ｘ軸方向）の長さをＸ、短辺方向（Ｚ’軸方向）の長さをＺ、振動部１４のＺ’軸方向の長さをＭｚ、振動部１４の厚さをｔ、外縁部１２の厚さをｔ’、振動部１４の第１部分１５のＸ軸方向の長さをＭｘ２、第１部分１５と第２部分を加算したＸ軸方向の長さをＭｘ１、励振電極２０ａのＸ軸方向の長さをＥｘ、振動部１４と外縁部１２との段差部の堀量（振動部１４の高さ）をＭｄ／２、振動部１４の厚さｔに対する堀量Ｍｄの比をｙ、振動基板１０の長辺方向（Ｘ軸方法）に生じる屈曲振動の波長をλとする。図１（ｂ）では振動部１４の中心線Ｃに対し図中右半部の長さを表示している。
【００５３】
振動基板１０には主振動である厚みすべり振動が励振されるが、同時に屈曲振動が重畳することが知られている。図１の実施形態の励振電極２０ａの端縁、振動部１４の第１部１５の端縁、第２部１６の端縁の夫々で屈曲振動の振幅が「腹」となるように、励振電極２０ａ、段差縁部１４ｄ（１４ｃ）設定することにより、上記各端縁における屈曲振動の振幅を最小に抑圧できる。つまり、式で表わせば、次式のようになる。
（Ｍｘ１−Ｍｘ２）／２＝ｎλ／２      （３）
（Ｅｘ−Ｍｘ２）＝ｋλ／２            （４）
を満たすように各パラメーターを設定する。但しｎは正の整数、ｋは整数とする。図１の実施形態例ではｎ＝１、ｋ＝−１の場合を示している。式（４）は、振動部１４の第１部分１５のＸ軸方向の長さＭｘ（図１の場合はＭｘ２、最外側の段差のＸ軸方向の長さ）を基準として、励振電極２０ａのＸ軸方向の長さＥｘが、Ｍｘより小さい場合は、「−」の、Ｍｘより大きい場合は「＋」の符号が付く。
ここで製造のバラツキを考慮し、振動素子１の特性への影響が小さく、許容される範囲として、次式が得られる。
−０．２＜（（Ｍｘ１−Ｍｘ２）／２−ｎλ／２）／（λ／２）＜０．２  （５）
−０．２＜（（Ｅｘ−Ｍｘ２）−ｋλ／２）／（λ／２）＜０．２        （６）
厚さｔに対する堀量Ｍｄの比をｙは、先行文献のように行う。
【００５４】
また、メサ型構造の振動素子１として、図１（ｃ）に示すように、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）をＺ、振動部１４の短辺の寸法をＭｚ、励振電極２０ａ（２０ｂ）のＺ’軸方向の長さをＥｚとし、振動部１４の厚みをｔとすると、次式（７）の関係を満たすことが好ましい。
Ｅｚ＜Ｍｚの場合は、  ０．６≦Ｍｚ／Ｚ≦０．８      （７）
Ｅｚ＞Ｍｚの場合は、  ０．５≦Ｍｚ／Ｚ≦０．７      （７）
【００５５】
振動基板１０の段差縁部１４ｄ（１４ｃ）の段数をｉで表わし、ｉ段目の段差縁部のＸ軸方向の長さをＭｘｉ（ｉは正の整数）、最外側の段差縁部のＸ軸方向の長さをＭｘであらわす。ｎを正の整数、ｋを正数とし、励振電極のＸ軸方向の長さをＥｘ、振動基板１０に励起される屈曲振動の波長をλで表わしたときに、式（１）、（２）を一般化すると、次式のように表わすことができる。
（Ｍｘｉ−１−Ｍｘｉ）／２＝ｎλ／２      （８）
（Ｅｘ−Ｍｘ）＝ｋλ／２                  （９）
製造時のバラツキを考慮し、振動素子１の特性への影響が小さく、許容される範囲として、次式が得られる。
−０．２＜（（Ｍｘｉ−１−Ｍｘｉ）／２−ｎλ／２）／（λ／２）＜０．２（１０）
−０．２＜（（Ｅｘ−Ｍｘ）−ｋλ／２）／（λ／２）＜０．２            （１１）
【００５６】
図７は第２の実施形態の振動素子２の構成を示す概略図である。図７（ａ）は振動素子２の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。図７に示す振動素子２が、図１に示す振動素子１と異なる点は、励振電極２０ａの大きさであり、励振電極２０ａは段差縁部１４ｃ、１４ｄ、１４ａ、１４ｂの外側にまで広がっている。一般式（１０）、（１１）に当てはめると、段差の段数ｉ＝２、正の整数ｎ＝１、整数ｋ＝２である。
また、図１に示す振動素子１と同様に、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）Ｚと、振動部１４の短辺の寸法Ｍｚとの関係は式（７）が適用されることが望ましい。以上のように諸パラメーターを設定することにより、振動素子２に生じる不要振動は抑圧され、またＣＩの小さな振動素子２が得られる。
【００５７】
図８は第３の実施形態の振動素子３の構成を示す概略図である。図８（ａ）は振動素子３の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。図８に示す振動素子３が図１に示す振動素子１と異なる点は、振動部１４の第２部分１６の大きさ（幅、突出長）と、励振電極２０ａの面積の大きさである。第２部分１６のＸＺ’面のＸ軸方向の長さは片側でλであり、励振電極２０ａの大きさは片側でＥｘ（＝Ｍｘ２）よりλ／２だけ大きい。式（１０）、（１１）に当てはめると、段差の段数ｉ＝２、正の整数ｎ＝２、整数ｋ＝１である。
また、図１に示す振動素子１と同様に、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）Ｚと、振動部１４の短辺の寸法Ｍｚとの関係は式（７）が適用されることが望ましい。以上のように諸パラメーターを設定することにより、振動素子３に生じる不要振動は抑圧され、またＣＩの小さな振動素子３が得られる。
【００５８】
図９は第４の実施形態の振動素子４の構成を示す概略図である。図９（ａ）は振動素子４の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。図９に示す振動素子４は、Ｘ軸方向、及びＺ’軸方向に夫々３段の段差縁部を有したメサ構造を有する振動素子である。即ち、振動素子４の振動部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。第３部分１７は、第１部分１５、及び第２部分１６をＸ軸方向、及びＺ’軸方向から挟むように、第２部分１６の全周側面の中央部に形成されている。Ｘ軸方向に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄの段差は、図９（ｂ）に示すように、第１部分１５、第２部分１６、及び第３部分１７の厚みの差によって形成されている。図示の例では、段差縁部１４ｃ、１４ｄの段差は、第１部分１５のＹ’Ｚ’平面に平行な面と、第２部分１６のＸＺ’平面に平行な面と、第２部分１６のＹ’Ｚ’平面に平行な面と、第３部分１７のＸＺ’平面に平行な面と、第３部分１７のＹ’Ｚ’平面に平行な面と、によって構成されている。
また、Ｚ’軸方向に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂの段差は、図９（ｃ）に示すように、第１部分１５、第２部分１６、及び第３部分１７の厚みの差によって形成されている。図９（ｃ）に示す例では、段差縁部１４ａ、１４ｂの段差は、第１部分１５のＸＹ’平面に平行な面と、第２部分１６のＸＺ’平面に平行な面と、第２部分１６のＸＹ’平面に平行な面と、第３部分１７のＸＺ’平面に平行な面と、第３部分１７のＸＹ’平面に平行な面と、によって構成されている。
【００５９】
第１部分１５、第２部分１６、及び第３部分１７から成る振動部１４は、第３部分１７の全周側面の厚さ方向中間部から鍔状に突設され、第３部分１７の厚みより薄い外縁部１２が形成されている。振動部１４及び外縁部１２の一部に表裏対向して形成された励振電極２０ａ、２０ｂ、各励振電極２０ａ、２０ｂからの引出電極２２ａ、２２ｂ及び各引出電極２２ａ、２２ｂの終端である２つの電極パッド２４ａ、２４ｂも、振動素子１と同様に形成されている。振動素子４は、振動素子１の製造方法を適用して製造することができる。振動素子４によれば、２段型のメサ構造を有する振動素子１、２、３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。
図６に示す３段メサ型振動素子は、段差縁部１４ｃ、１４ｄから明らかなように、相隣接する段差のＸ軸方向の長さ（Ｍｘｉ−１−Ｍｘｉ）が共にλ／２である。また、励振電極２０ａの大きさはＭｘ１のＸ軸方向の長さより片側でλ／２だけ長い。式（１０）、（１１）に当てはめると、段差の段数ｉ＝３、正の整数ｎ＝１、整数ｋ＝３である。
また、図１に示す振動素子１と同様に、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）Ｚと、振動部１４の短辺の寸法Ｍｚとの関係は式（７）が適用されることが望ましい。以上のように諸パラメーターを設定することにより、振動素子４に生じる不要振動は抑圧され、またＣＩの小さな振動素子４が得られる。
【００６０】
図１０は第５の実施形態の振動素子５の構成を示す概略図である。図１０（ａ）は振動素子５の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図であり、同図（ｃ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。図１０に示す振動素子５が、図９に示す振動素子４と異なる点は、励振電極２０ａの面積の大きさである。励振電極２０ａの大きさは振動部１４の第３部分１７の端縁のＸ軸方向の長さと等しく形成されている。式（１０）、（１１）に当てはめると、段差の段数ｉ＝３、ｎ＝１、ｋ＝２である。
また、図１に示す振動素子１と同様に、振動基板１０のＺ’軸方向の寸法（短辺の寸法）Ｚと、振動部１４の短辺の寸法Ｍｚとの関係は式（５）が適用されることが望ましい。以上のように諸パラメーターを設定することにより、振動素子５に生じる不要振動は抑圧され、またＣＩの小さな振動素子５が得られる。
なお、上述の例では、２段型、３段型のメサ構造を有する振動素子１〜振動素子５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、メサ構造の段数は特に限定されない。
【００６１】
本発明の振動素子は、振動基板１０の振動部１４の全外周縁が外縁部１２に向かって厚さが漸減するように少なくとも二段の段差部を備えたメサ型構造であり、且つ各段差部の長さと励振電極の長さとが式（１０）、（１１）基づいて設定されているため、屈曲振動が抑圧され、また励振電極２０ａ、２０ｂはピックアップする屈曲振動の電荷を相殺するため、周波数温度特性、及びＣＩ温度特性は滑らかな特性が得られるという効果がある。また、振動部の全外周縁を少なくとも二段の段差構造とすることにより振動エネルギーは励振部１４に閉じ込められ、ＣＩの小さな振動素子が得られるという効果がある。
また、振動基板１０の生じる屈曲振動を、振動部１４の各段の長さ、励振電極２０ａ、２０ｂの長さを適切に設定してあるので、滑らかな周波数温度特性、及びＣＩ特性が得られるという効果がある。更に、励振電極２０ａ、２０ｂの大きさを適切に設定することにより、振動素子の等価インダクタンスを客先の要求に整合させることができるという効果がある。
【００６２】
振動基板１０の振動部１４の段差の段数を変えることにより、また相隣接する段差の間隔を変えることにより、振動変位分布の形状を変えることが可能であり、客先仕様に合わせて適切なＣＩ、インダクタンスを設定することが可能になるという効果がある。また、振動変位分布を中央部に集中させることにより、支持部の影響を受け難くすることができるという効果がある。
振動基板１０を水晶基板で構成すると、周波数温度特性、及びＣＩ温度特性は滑らかな特性が得られるという効果と、経年変化が小さく、振動素子のＱ値の大きい振動素子が得られるという効果がある。
【００６３】
次に、図１に示す振動素子１を例にしてその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１１及び図１２は、本実施形態に係る振動素子１の水晶基板１０の製造工程を模式的に示す図である。図１１（ａ）に示すように、ＡＴカット水晶基板１０の表裏両主面（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（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）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１０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。
【００６４】
図１１（ｂ）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表裏両面に配したマスク（図示せず）を介して露光及び現像して、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１１（ｃ）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。図では分かり易くするためにマスクＭを耐蝕膜３０から離して図示しているが実際は密着させて露光する。
次に、図１１（ｄ）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１０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、水晶基板１０の外形（Ｙ’軸方向から見たときの形状）が形成される。
【００６５】
次に、図１２（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１０を所定の深さまでハーフエッチングすると、振動部１４の外形が形成される。
次に、図１２（ｂ）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。
【００６６】
次に、図１２（ｃ）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１０を所定の深さまでハーフエッチングする。これにより、Ｘ’軸方向に延びる段差縁部１４ｃ、１４ｄの各々に段差（図１２の例では２段）を形成することができる。また、図示しないが、Ｚ’軸方向に延びる段差縁部１４ａ、１４ｂの各々に段差を形成することができる。
【００６７】
以上の工程により、外縁部１２、及び振動部１４を有する水晶基板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、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、水晶基板１０に励振電極２０ａ、引出電極２２ａ、及び電極パッド２４ａが形成される。つまり、図１の実施形態に示すように、励振電極２０ａは、振動部１４の全域と、振動部１４に連接する外縁部１２の一部の領域とに設けられた振動素子１が形成される。
【００６８】
以上の工程により、本実施形態に係る振動素子１を製造することができる。振動素子３の製造方法によれば、振動部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１０をエッチングして振動部１４を形成することができる。そのため、精度よく２段型メサ構造の振動部１４を形成することができる。例えば、振動部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振動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振動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、振動部１４を精度よく形成できないことがある。振動素子１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。
【００６９】
次に、本実施形態に係る振動子について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係る振動子６を模式的に示す断面図である。図１３は、振動子６の長手方向（Ｘ軸方向）の断面図であり、図１（ｂ）に示した振動素子１の断面図と同様な位置における断面図である。振動子６は、本発明に係る振動素子１（図示の例では振動素子１を示しているが、図４、図５、図６、又は図７に示す振動素子であってもよい）と、容器５０と、備えている。
容器５０は、キャビティー５２内に振動素子１を収容することができる。容器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、振動素子１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。
【００７０】
振動素子１は、容器５０のキャビティー５２内に収容されている。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に振動素子１を載置し、各電極パッド２４ａ、２４ｂ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。図示の例では、振動素子１は、端部でＺ’軸方向に沿った形成された電極パッド２４ａ、２４ｂの２点に塗布した導電性接着剤６０により、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、銀ペースト等を用いることができる。容器本体５０ａの上部には、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。
【００７１】
上記のように振動子を構成することにより、屈曲振動を抑圧し、ＣＩ値が低減した、即ち大きなＱ値を有し、経年変化が少なく、滑らかな周波数温度特性、及びＣＩ特性を有する小型な振動子が得られるという効果がある。
【００７２】
次に、本実施形態に係る電子デバイスについて、図面を参照しながら説明する。
図１４（ａ）は、本発明の電子デバイス７に係る実施形態の一例の断面図である。電子デバイス７は、本発明の振動素子１と、感温素子であるサーミスタ５８と、振動素子１及びサーミスタ５８を収容する容器５０と、を概略備えている。容器５０は、容器本体５０ａと、蓋部材５０ｃとを備えている。容器本体５０ａは、上面側に振動素子１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に振動素子３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。容器本体５０ａの上部には、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、容器本体５０ａの下面側略中央には凹部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。
【００７３】
図１４（ｂ）は、同図（ａ）の変形例の電子デバイス８であって、電子デバイス７と異なる点は、容器本体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、振動素子１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、振動素子１とサーミスタ５８とを容器５０に収容した例を説明したが、容器５０に収容する電子部品としては、サーミスタ、コンデンサー、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。
【００７４】
以上のように、本発明に係るＣＩの小さな小型振動素子１を備えており、用いる電子素子と組み合わせることで、例えば温度補償された振動素子、可変範囲の広い振動素子、小型発振器等を構成することができ、客先の仕様に合わせて種々の電子デバイスを提供することができるという効果がある。
【００７５】
図１５は、本発明の発振器９に係る実施形態の一例の断面図である。発振器９は、本発明の振動素子１（図１５では振動素子１の例を示したが、本発明の他の振動素子であってもよい）と、単層の絶縁基板７０と、振動素子１を駆動するＩＣ（半導体素子）８８と、振動素子１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、表面に振動素子１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、その上に振動素子３の電極パッド２４ａ、２４ｂ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は絶縁基板の周縁部に形成したメタライズ８５を溶融させることにより気密封止される。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。また、封止の手段としては蓋部材８０を、レーザー光等を用いて溶融して溶着する手段ももちいられている。蓋部材８０で封止された内部空間は真空であってもよいし、不活性ガスを満たしてもよい。
上記の説明では、振動素子を用いて発振器を構成した実施形態例を説明したが、図１３に示す振動子６と半導体素子（ＩＣ）８８とを用いて発振器を構成してもよい。
以上のように、発振器が小型化されると共に、消費電力の少なく、周波数温度特性の優れた発振器が実現できるという効果がある。
【００７６】
図１６、図１７は、夫々図１に示す振動素子１の実施形態の変形例である。図１６の変形例が振動素子１と異なる点は、電極２０ａ、２０ｂのＸ軸方向の大きさであり、電極２０ａ、２０ｂのＸ軸方向の長さが、１段目の段差部の長さＭｘ１と等しく設定されている点である。また、図１７の変形例が振動素子１と異なる点は、電極２０ａ、２０ｂのＺ’軸方向の大きさであり、電極２０ａ、２０ｂのＺ’軸方向の長さが、１段目の段差部の長さＭｚと等しく設定されている点である。このように電極２０ａ、２０ｂを大きくすると、ＣＩが小さくなると共に、発振器として用いた場合に、可変範囲が広くなる。
上記では図１の変形例に説明したが、図７、図８、図９、図１０の各振動素子において、電極２０ａ、２０ｂのＸ軸方向の長さ、Ｚ’軸方向の長さを図１６、１７に示すように変形してもよい。
【００７７】
次に、本実施形態に係る電子機器について、図面を参照しながら説明する。図１８は、本実施形態に係る電子機器として、携帯電話（スマートフォン）１００を模式的に示す平面図である。スマートフォン１００は、本発明に係る振動素子を含む。より具体的には、スマートフォン１００は、本発明に係る電子デバイスを含む。以下では、図１８に示すように、本発明に係る電子デバイスとして、振動素子１（１ｓ、２、３、４、５）を備えた電子デバイス９を用いた例について説明する。なお、便宜上、図１８では、電子デバイス９を簡略化して図示している。
スマートフォン１００は、電子デバイス９を、例えば、基準クロック発振源などのタイミングデバイスとして用いる。スマートフォン１００は、さらに、表示部（液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等）１０１、操作部１０２、および音出力部１０３（マイクロフォン等）を有することができる。スマートフォン１００は、表示部１０１に対する接触検出機構を設けることで表示部１０１を操作部として兼用してもよい。
【００７８】
スマートフォン１００によれば、屈曲振動を抑圧しつつ、製造工程を簡略化することができる振動素子１を有することができる。
なお、スマートフォン（携帯電話）１００に代表される電子機器は、上述したように、振動素子１を駆動する発振回路と、振動素子１の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路と、を備えていることが好ましい。
これによれば、スマートフォン１００に代表される電子機器は、振動素子１を駆動する発振回路と共に、振動素子１の温度変化に伴う周波数変動を補正する温度補償回路を備えていることから、発振回路が発振する共振周波数を温度補償することができ、温度特性に優れた電子機器を提供することができる。
また、本発明に係る振動素子を備えた電子機器は、上記スマートフォンに限らず、電子ブック、パーソナルコンピューター、テレビ、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、ナビゲーション装置、ベージャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器などのタイミングデバイスとして好適にも用いることができる。
【００７９】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の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の構成、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、実施の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、実施の形態で説明した構成と同一の作用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、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００８０】
１、１ｓ、２、３、４、５…振動素子、６…振動子、７、８…電子デバイス、９…発振器、１０…振動基板、１２…外縁部、１３…支持部、１３ａ…支持部側面、１４…振動部、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…段差縁部、１５…第１部分、１６…第２部分、１７…第３部分、２０ａ、２０ｂ…励振電極、２２ａ、２２ｂ…引出電極、２４ａ、２４ｂ…電極パッド、２６…支持領域、耐蝕膜…３０、レジスト膜…４０、５０…容器、５０ａ…容器本体、５０ｂ…シールリング、５０ｃ…蓋部材、５２…キャビティー、５３…実装端子、５４ａ…凹部、５５ａ…素子搭載用パッド、５５ｂ…電子部品搭載用パッド、５７…内部導体、５８…サーミスタ、６０…電性接着剤、７０…絶縁基板、７４ａ…素子搭載パッド、７４ｂ…電子部品搭載パッド、７６…実装端子、７８…導体、８０…蓋部材、８５…メタライズ、８８…ＩＣ、Ｘ…振動基板のＸ軸方向の長さ、Ｚ…振動基板のＺ’軸方向の長さ、Ｍｘ１、Ｍｘ２、Ｍｘ３…振動部のＸ軸方向の長さ、Ｍｚ…振動部のＺ’軸方向の長さ、Ｅｘ…励振電極のＸ軸方向の長さ、Ｅｚ…励振電極のＺ’軸方向の長さ、ｔ…振動部の厚さ、ｔ’…外縁部の厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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