(57)【要約】【課題】Ｑ値が改善された振動片、それを用いた振動子および発振器、あるいはそれを用いた電子機器を提供する。【解決手段】振動片１の基部１６の一端部から平行に延出された各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第１表面１２には、第１電極２０、圧電膜２２、および第２電極２６が、この順に積層された積層体からなる励振電極が形成されている。各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第２電極２６が形成された領域の全面、および、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根近傍の基部１６上を覆うようにして、且つ、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃを熱的に独立させるように間隙を空けて、絶縁性であるとともに、少なくとも振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃおよび基部１６の形成材料としての水晶よりも熱低効率の低い材料からなる部材３０が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部の一端部から延出されて、且つ、第１表面に駆動電極が設けられた振動アームと、を有し、
前記第１表面に、前記振動アームの振動により圧縮応力または引張応力が作用する第１領域と、
前記第１表面と直交する側面により前記第１表面と接続される第２表面に、前記第１領域に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し前記第１領域に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第２領域と、を有し、
前記第１領域と前記第２領域、および、前記第１領域と前記第２領域とを接続する前記側面が、少なくとも前記基部および前記振動アームを形成する材料よりも熱抵抗率の低い材料からなる部材により覆われていることを特徴とする振動片。
【請求項２】
請求項１に記載の振動片において、
前記部材が一層、または複数層からなり、
前記部材の少なくとも前記第１表面、前記第２表面、および前記側面と接触する一部、または全部が、不導体材料からなることを特徴とする振動片。
【請求項３】
請求項２に記載の振動片において、
前記不導体材料がダイヤモンドであることを特徴とする振動片。
【請求項４】
請求項２に記載の振動片において、
前記部材が、前記第１表面、前記第２表面、および前記側面の上に形成された絶縁性の下地層と、前記下地層上に形成された金属層と、を含むことを特徴とする振動片。
【請求項５】
１〜４のいずれか一項に記載の振動片において、前記基部と前記振動アームとが圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とする振動片。
【請求項６】
請求項５に記載の振動片において、
前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする振動片。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動片と、該振動片を収容するパッケージと、を有することを特徴とする振動子。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動片と、該振動片を発振させる発振回路を含む回路素子と、前記振動片および前記回路素子を収容するパッケージと、を含むことを特徴とする発振器。
【請求項９】
請求項７に記載の振動子、または、請求項８に記載の発振器を搭載した電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動片、それを用いた振動子および発振器、あるいはそれを用いた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、屈曲振動モードで振動する屈曲振動片として、例えば圧電材料などの屈曲振動体用基材からなる基部から１対の振動アームを互いに平行に延出させて、それらの振動アームを水平方向に互いに接近または離反する向きに振動させる音叉型の屈曲振動片が広く使用されている。この音叉型屈曲振動片の振動アームを励振させたとき、その振動エネルギーに損失が生じると、ＣＩ（Crystal Impedance）値の増大やＱ値の低下など、振動片の性能を低下させる原因となる。そこで、そのような振動エネルギーの損失を防止または低減するために、従来から様々な工夫がなされている。
【０００３】
例えば、振動アームが延出する基部の両側部に切込み部または所定の深さの切込み溝を形成した音叉型水晶振動片が知られている（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。この音叉型水晶振動片は、振動アームの振動が垂直方向の成分をも含む場合に、切込み部または切込み溝により基部から振動が漏れるのを抑制することによって、振動エネルギーの閉じ込め効果を高めてＣｌ値を制御し、且つ、振動片間でのＣＩ値のばらつきを防止している。
【０００４】
この機械的な振動エネルギーの損失だけでなく、屈曲振動する振動アームの圧縮応力が作用する圧縮部と引張応力が作用する伸張部との間で温度差が生じ、この温度差を緩和しようとして作用する熱伝導によっても振動エネルギーの損失が発生する。この熱伝導によって発生するＱ値の低下は熱弾性損失効果と呼ばれている。
このような熱弾性損失効果によるＱ値の低下を防止または抑制するために、矩形断面を有する振動アーム（振動梁）の中心線上に溝、または孔を形成した音叉型の振動片が、例えば特許文献３に紹介されている。
【０００５】
特許文献３に記載の振動片について図面を参照して具体的に説明する。
図９において、特許文献３の振動片は、水晶からなる音叉型の水晶振動片１００であって、基部１０２と、基部１０２から延出する２本の互いに平行な振動アーム１０３，１０４とを有し、各振動アーム１０３，１０４それぞれの中心線上に直線状の溝または孔１０６，１０７が設けられている。この音叉型水晶振動片１００の各振動アーム１０３，１０４の両主面（溝または孔１０６，１０７形成面と同じ面）に設けられた図示しない励振電極に所定の駆動電圧を印加すると、振動アーム１０３，１０４は、図中想像線（二点鎖線）および矢印で示すように、互いに接近または離反する向きに屈曲振動する。
【０００６】
この屈曲振動によって、各振動アーム１０３，１０４の基部１０２との付け根の領域に機械的歪が発生する。すなわち、振動アーム１０３の基部１０２との付け根においては、屈曲振動により圧縮応力または引張応力が作用する第１領域１１０と、この第１領域１１０に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し、第１領域１１０に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第２領域１１１と、が存在し、これら第１領域１１０および第２領域１１１においては、圧縮応力が作用したときには温度が上昇し、引張応力が作用したときには温度が下降する。
これと同様に、振動アーム１０４の基部１０２との付け根においては、屈曲振動により圧縮応力または引張応力が作用する第１領域１１２と、この第１領域１１２に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し、第１領域１１２に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第２領域１１３と、が存在し、第１領域１１２および第２領域１１３においては、圧縮応力が作用したときに温度が上昇し、引張応力が作用したときには温度が下降する。
【０００７】
このようにして発生した温度勾配によって、各振動アーム１０３，１０４の基部１０２との付け根部分の内部には、第１領域１１０，１１２と第２領域１１１，１１３との間で熱伝導が発生する。温度勾配は、各振動アーム１０３，１０４の屈曲振動に対応して逆向きに発生し、それに対応して熱伝導も逆向きとなる。この熱伝導によって、振動アーム１０３，１０４の振動エネルギーは、その一部が振動中も常に熱弾性損失として失われ、その結果、音叉型水晶振動片１００のＱ値が低下して振動特性が不安定になり、所望の性能を実現することが困難になる。
特許文献３の音叉型水晶振動片１００では、各振動アーム１０３，１０４それぞれの中心線上に設けられた溝または孔１０６，１０７によって圧縮側から引っ張り側への熱移動が阻止されることにより、熱弾性損失によるＱ値の低下を防止または軽減することを可能としている。具体的には、各振動アーム１０３，１０４に設けられた溝または孔１０６，１０７に沿って屈曲振動体内を迂回することにより、熱伝導経路が長くなって熱緩和時間τが延長されるので、１／（２πτ）で求められる熱緩和周波数は、図１０に示す曲線Ｆ1の緩和周波数ｆ10に示すように、溝または孔を設けない従来の水晶振動片の曲線Ｆおよびその緩和周波数ｆ0に比して図中左側にシフトする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５号公報
【特許文献２】特開２００４−２６０７１８号公報
【特許文献３】実願昭６３−１１０１５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３に記載の音叉型水晶振動片１００では、小型化が進むに従って振動アームが薄片となるために溝または孔を形成することが非常に困難になるとともに、溝または孔によって熱緩和時間を延長する効果が少なくなり、Ｑ値の低下の抑制効果が十分に得られなくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１１】
〔適用例１〕本適用例にかかる振動片は、基部と、前記基部の一端部から延出されて、且つ、第１表面に駆動電極が設けられた振動アームと、を有し、前記第１表面に、前記振動アームの振動により圧縮応力または引張応力が作用する第１領域と、前記第１表面と直交する側面により前記第１表面と接続される第２表面に、前記第１領域に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し前記第１領域に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第２領域と、を有し、前記第１領域と前記第２領域、および、前記第１領域と前記第２領域とを接続する前記側面が、少なくとも前記基部および前記振動アームを形成する材料よりも熱抵抗率の低い材料からなる部材により覆われていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、第１領域と第２領域とを熱的に接続する部材が熱伝導路となって、第１領域と第２領域との間の熱伝導が熱伝導路を介して効率的に行われるようになるので、第１領域と第２領域との温度を平衡状態とするのに要する熱緩和時間が短縮され、Ｑ値の低下を抑えることができる。また、本発明の熱緩和周波数の曲線は、従来の溝や孔を設けない場合の熱緩和周波数の曲線よりも高周波側にシフトされ、振動腕の機械的な振動周波数（共振周波数）をｆｒとしたときに、ｆｒが熱緩和周波数ｆ0以下となる範囲、すなわち１≧ｆr／ｆ0を満たす範囲では、本発明の熱緩和周波数の曲線におけるＱ値が常に従来構造の熱緩和周波数の曲線よりも高くなる。更に、本発明の熱緩和周波数の曲線と、従来構造の熱緩和周波数の曲線との交点の周波数より低い範囲においても、従来構造のＱ値より高くなる。
しかも、上述した従来の対策のように屈曲振動体に孔や溝を形成する必要がないので、屈曲振動片の小型化への対応が容易になる。
したがって、Ｑ値の低下が抑えられ振動特性の安定した小型の屈曲振動片を提供することができる。
【００１３】
〔適用例２〕上記適用例にかかる振動片において、前記部材が一層、または複数層からなり、前記部材の少なくとも前記第１表面、前記第２表面、および前記側面と接触する一部、または全部が、不導体材料からなることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、励振電極などの電極との短絡を気にすることなく、それらの電極上に熱伝導路を設けることも可能になるので、設計の自由度が増して小型化に有利となり、また、製造も容易になる。
さらに、不導体材料からなる一層の部材により第１領域と第２領域との熱伝道路を形成することが可能なので、簡便な工程で、熱緩和時間の短縮を図ってＱ値の低下を抑制することができる。
【００１５】
〔適用例３〕上記適用例にかかる振動片において、前記不導体材料がダイヤモンドであることを特徴とする。
【００１６】
熱抵抗率が特に低いダイヤモンドを用いて部材を形成することにより、Ｑ値の低下を特に効果的に抑制できることを発明者は見出した。
【００１７】
〔適用例４〕上記適用例にかかる振動片において、前記部材が、前記第１表面、前記第２表面、および前記側面の上に形成された絶縁性の下地層と、前記下地層上に形成された金属層と、を含むことを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、絶縁膜を下地層として介在させることにより、選択肢の広い金属材料からなる金属層によって熱緩和時間の短縮を図りＱ値の低下を抑制することができる。
【００１９】
〔適用例５〕上記適用例にかかる振動片において、前記基部と前記振動アームとが圧電体材料を用いて形成されていることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、従来より振動片の材料として広く用いられている圧電体材料を用いることにより、周知の原理やノウハウを加味して圧電効果を利用した、高性能な圧電振動片を提供することができる。
【００２１】
〔適用例６〕上記適用例にかかる振動片において、前記圧電体材料として水晶が用いられていることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、水晶を用いることにより、振動片の小型化に伴う温度特性（周波数特性等の温度依存性）の低下を抑制することができる。
【００２３】
〔適用例７〕本適用例にかかる振動子は、上記適用例にかかる振動片と、該振動片を収容するパッケージと、を有することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、上記適用例に示すＱ値の低下の抑制された振動片を備えているので、安定した振動特性を有する振動子を提供することができる。
【００２５】
〔適用例８〕本適用例にかかる発振器は、上記適用例にかかる振動片と、該振動片を発振させる発振回路を含む回路素子と、前記振動片および前記回路素子を収容するパッケージと、を含むことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、上記適用例に示すＱ値の低下の抑制された振動片を備えているので、小型で、安定した発振周波数特性を有し、且つ、消費電力の小さい発振器を提供することができる。
【００２７】
〔適用例９〕本適用例にかかる電子機器は、上記適用例にかかる振動子、または、上記適用例にかかる発振器を搭載していることを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、上記適用例にかかる安定した振動特性を備えた振動子、または、上記適用例にかかる安定した発振周波数特性を備えた発振器が搭載されているので、小型で、優れた特性を備えた電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】振動片の一実施形態を説明する概略平面図。
【図２】（ａ），（ｂ）は、振動片の電極形成の過程を示す斜視図、（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ´線断面図、（ｄ）は、（ｂ）のＢ−Ｂ´線断面図。
【図３】（ｅ），（ｆ）は、振動片の電極形成の過程を示す斜視図、（ｇ）は、（ｅ）のＣ−Ｃ´線断面図、（ｈ）は、（ｆ）のＤ−Ｄ´線断面図。
【図４】部材の形成用材料として適用可能な材料と、各々の熱抵抗率を示す図。
【図５】部材を形成した振動片における部材形成材料毎の緩和周波数とＱ値の極小値との関係を表す線図。
【図６】（ａ）は、本発明の振動片を用いた振動子の一実施形態を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ´線断面図。
【図７】（ａ）は、本発明の振動片を用いた発振器の一実施形態を説明する概略平面図、（ｂ）は、（ａ）のＦ−Ｆ´線断面図。
【図８】振動片の変形例を説明する概略断面図。
【図９】従来の振動片（音叉型水晶振動片）の典型例を示す模式平面図。
【図１０】屈曲振動モードの振動片における緩和周波数とＱ値の極小値との関係を表す線図。
【図１１】（ａ）は、本発明の振動子や発振器を搭載した電子機器としての携帯電話を示す図、（ｂ）は、同じく電子機器としてのモバイルコンピューターを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の振動片の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
図１は、振動片の一実施形態を説明する概略平面図である。また、図２および図３は、振動片の電極形成の過程を説明するものであり、図２（ａ），（ｂ）は斜視図、（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ´線断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ´線断面図、図３（ｅ），（ｆ）は斜視図、（ｇ）は（ｅ）のＣ−Ｃ´線断面図、（ｈ）は（ｆ）のＤ−Ｄ´線断面図である。
【００３２】
〔振動片〕
図１において、本実施形態の振動片１は、振動片形成材料を加工することにより形成された基部１６と、この基部１６の一端側（図において上端側）から平行に延出する三本の振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃとを有して形成されている。振動片形成材料としては、例えば圧電体材料を用いることができる。本実施形態では従来より圧電振動片形成材料として広くもちいられる水晶の単結晶から切り出されたものを使用する。例えば、所謂Ｚカットの水晶薄板から、水晶結晶軸のＹ軸を振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの延出方向に、Ｘ軸をその延出方向と直交する幅方向に、Ｚ軸を振動片の表裏主面としての第１表面１２および第２表面１０の垂直方向にそれぞれ配向して形成される。このような振動片１の外形は、例えば、フォトリソグラフィーを用いて、水晶基板材料（水晶ウェハー）をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングしたりすることにより精密に形成することができる。
【００３３】
なお、振動片形成材料として、上記の水晶以外の圧電体材料を用いることができる。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ほう酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの圧電体材料を積層させて構成された圧電基板を用いることができる。
また、圧電体材料以外にも、例えばシリコン半導体材料などにより振動片を形成することもできる。
ただし、屈曲振動片の共振周波数は屈曲振動体材料のヤング率を質量密度で除した値の平方根に比例し、ヤング率を質量密度で除した値が小さい材料ほど、屈曲振動片の小型化に有利である。よって、本実施形態の振動片１のように水晶からなる屈曲振動片は、シリコン半導体材料などに比してヤング率を質量密度で除した値の平方根が小さくできるので小型化に有利であるとともに、周波数温度特性に優れているので、振動片１に用いる材料として特に好ましい。
【００３４】
各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第１表面１２には励振電極が形成されている。本実施形態の振動片１の励振電極は、第１電極２０と、圧電膜２２と、第２電極２６とが、この順に積層された積層体からなる（各電極および圧電膜の詳細については後述する）。
各振動アームに形成された励振電極は基部１６に引き出され、基部１６に設けられた外部との接続に供する外部接続電極２６ａ，２６ｂに接続されている。本実施形態では、３本の振動アームのうち両端の振動アーム１８ａ，１８ｃ上に形成され基部１６に引き出された第１電極２０、および、中央の振動アーム１８ｂ上に形成され基部１６に引き出された第１電極２０と、基部１６上の圧電膜２２に形成された２つの開口部２４（外部接続電極２６ａ，２６ｂのそれぞれに対応）により導通接続された第２電極２６により、外部接続電極２６ａ，２６ｂが形成されている）。
【００３５】
また、振動片１の各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第１表面１２、第２表面１０、および、第１表面１２と第２表面１０とを接続する両側面と、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根近傍を含む領域には、熱抵抗率の低い材料からなる絶縁性の部材３０が形成されている。本実施形態の振動片１では、部材３０が、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃ上に設けられた第１電極２０、圧電膜２２、および第２電極２６からなる励振電極と、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根とを基部１６上まで覆って、且つ、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃそれぞれに形成された部材３０が熱的に独立するように間隙を空けて設けられている。
このような構成の振動片１は、３つの振動片のうち、外部接続電極２６ａを共通電極とする両端の振動アーム１８ａ，１８ｃと、中央の振動アーム１８ｂとが、第１表面１２および第２表面１０と直交する方向（Ｚ方向）に互い違いに屈曲振動を行う。
【００３６】
〔電極形成〕
次に、振動片１の電極形成の過程について説明する。
図２（ａ），（ｃ）に示すように、まず、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第１表面１２に第１電極２０を形成する。本実施形態では、第１電極２０は、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根から先端側に向けて、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの延出方向の長さの約２分の１まで形成するとともに、後で基部１６上に形成する外部接続電極２６ａ，２６ｂと電気的な接続を図るために基部１６上に引き出され引き回し配線を形成している。
【００３７】
次に図２（ｂ）、（ｄ）に示すように、第１電極２０および基部１６の一部を覆うように圧電膜２２を形成すると共に、その圧電膜２２に第１電極２０と後で形成する第２電極２６とを導通接続するための開口部２４を形成する。
次に、図３（ｅ）、（ｇ）に示すように、圧電膜２２上に第２電極２６を形成する。このとき、振動アーム１８ａ，１８ｃの第１電極２０と振動アーム１８ｂの第２電極２６とが圧電膜２２の一方の開口部２４を介して接続され、振動アーム１８ａ，１８ｃの第２電極２６と振動アーム１８ｂの第１電極２０とが圧電膜２２の他方の開口部２４を介して接続され、それぞれが第２電極２６から基部１６上に引き出されて設けられた対応する外部接続電極２６ａ，２６ｂに接続される。
【００３８】
次に、図３（ｆ）、（ｈ）に示すように、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの第２電極２６が形成された領域の全面、および、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根近傍の基部１６上を覆うようにして、且つ、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃを熱的に独立させるように間隙を空けて、絶縁性であるとともに、少なくとも振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃおよび基部１６の形成材料としての水晶よりも熱低効率の低い材料からなる部材３０を形成することにより、振動片１が完成する。
【００３９】
この振動片１の振動は、上述したとおり、３つの振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃのうち、両端の振動アーム１８ａ，１８ｃと、中央の振動アーム１８ｂとが、第１表面１２および第２表面１０と直交する方向（Ｚ方向）に互い違いに屈曲振動する。この屈曲振動によって、基部１６と振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃとの連結部において、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの振動方向の付け根部分の表裏面には、圧縮応力と引張応力とが発生する。図中の振動アームで詳述すると、振動アーム１８ａ，１８ｃが＋Ｚ軸方向に屈曲振動すると、振動アーム１８ａ，１８ｃの表面（第１表面１２側）の第１領域には圧縮応力が作用して温度が上昇し、裏面（第２表面１０）の第２領域には引張応力が作用して温度が下降する。一方、振動アーム１８ｂは−Ｚ軸方向に屈曲振動し、振動アーム１８ｂの表面の第１領域には引張応力が作用して温度が下降し、裏面の第２領域には圧縮応力が作用して温度が上昇する。このように、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃそれぞれの基部１６との連結部の内部には、圧縮応力が作用する部分と引張応力が作用する部分との間で温度勾配が生じ、その傾斜は、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの振動の向きによって逆向きになる。この温度勾配によって、熱が圧縮側の部分から引張側の部分へ、すなわち、高温側から低温側へと伝達される。本実施形態の振動片１では、この圧縮側の部分から伸張側の部分への熱の伝達（第１領域と第２領域との熱の伝達）においては、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの表面、および、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根近傍の基部１６上を覆うように形成した水晶（熱抵抗率＝０．１２５ｍｋ／Ｗ）よりも熱抵抗率の低い材料からなる部材３０の一部を熱伝導路として用いる。
【００４０】
このように、第１領域と第２領域との熱伝導路となる部材３０は、少なくとも振動片１の形成用材料である水晶よりも熱抵抗率が低い材料により構成されていることにより、振動片１の基材（水晶）の内部が第１領域と第２領域との熱伝導経路となる従来構造の場合よりも圧縮側から伸張側への熱伝導時間が速くなる。すなわち、振動片１の振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃが屈曲振動したときの第１領域と第２領域との間で温度が平衡状態になるまでの緩和時間τ1が、熱伝導路が無い従来構造の緩和時間τ0よりも短くなる。したがって、本実施形態の振動片１の熱緩和周波数ｆ20＝１／（２πτ1）において、τ1＜τ0であるから、従来構造の振動片の熱緩和周波数ｆ0＝１／（２πτ0）よりも高くなる。
これを、図１０の振動片の機械的な振動周波数（共振周波数）とＱ値との関係でみると、曲線Ｆ自体の形状は変わらないから、熱緩和周波数の上昇に伴って、曲線Ｆが曲線Ｆ2の位置まで周波数の上昇方向（紙面上右方向）にシフトしたことになる。したがって、振動腕の機械的な振動周波数（共振周波数）をｆｒとしたときにｆｒが熱緩和周波数ｆ0以下となる範囲、すなわち１≧ｆr／ｆ0を満たす範囲（領域Ａ）では、曲線Ｆ２におけるＱ値は常に従来構造の曲線Ｆよりも高くなる。加えて、曲線Ｆ２における、曲線Ｆと曲線Ｆ２の交点の周波数より低い周波数帯においても、従来構造の振動片の曲線ＦにおけるＱ値より高くなる。
このように、本実施形態の振動片１は、第１領域と第２領域との熱の伝達において、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの表面、および、各振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの基部１６との付け根近傍の基部１６上を覆うように形成した水晶よりも熱抵抗率の低い材料からなる部材３０の一部を熱伝導路として機能することにより、Ｑ値を改善して高性能化を実現することができる。
また、熱弾性損失によるＱ値の低下の抑制を図るための従来の対策のように、振動体に孔や溝を形成する必要がないので、振動片の小型化への対応が可能になるため、小型で、Ｑ値の低下が抑えられ振動特性の安定した振動片１を提供することができる。
【００４１】
〔部材の形成用材料〕
ここで、本実施形態の振動片１において、第１領域と第２領域との熱伝導路として機能させる部材３０の形成用材料の具体例について図を参照しながら説明する。
図４は、部材３０の形成用材料として適用可能な材料の例、および、各々の熱抵抗率を示す図である。ただし、図４には、本実施形態の振動片１に設ける部材３０としての必要要件のうち、絶縁性であることを満たさない材料、すなわち、導電性の材料（金属）も含む。
また、図５は、部材３０を形成した振動片１における緩和周波数とＱ値の極小値との関係を、複数の部材３０形成材料毎に確認した結果を表す線図である。なお、図５の横軸は、機械的な振動周波数ｆｒを熱緩和周波数ｆ0で除した値（ｆｒ／ｆ0）を示し、縦軸は、Ｑ値を示している。
【００４２】
まず、図４において、本実施形態の振動片１に形成する部材３０に用いることが可能な材料、すなわち、絶縁性であって、且つ、基部１６や振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの形成用材料である水晶よりも熱低効率が低い材料は、ダイヤモンド（Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、およびシリコン（Ｓｉ）である。
このような絶縁性の部材３０形成用材料の他に、図４に示す材料のうち、導電性を有する金属についても、後述する変形例で説明するように、絶縁性材料と組み合わせて使用することにより本発明の部材形成用材料として用いることができる。
【００４３】
また、図４に示す部材の形成用材料のうちの一部により部材３０を形成した振動片１において、緩和周波数とＱ値の極小値との関係を確認した結果、図５に示すように、ダイヤモンドにより部材を形成した振動片のＱ値が特に改善される顕著な効果を奏することを発明者は見出した。具体的に説明すると、図５において、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃのＺ方向の厚さを薄くした場合に、部材３０をＱｚ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、ＡｌＮとしたときの特性１は、ｆｒ／ｆ0≦１の範囲（領域Ｂ）において熱弾性損失によるＱ値の劣化を抑えることができる。また、部材３０をダイヤモンドとしたときの特性２は、特性１よりも高周波側（図中右側）にシフトし、特性１と特性２との交点よりもｆｒ／ｆ0が低くなる範囲（領域Ｃ）において熱弾性損失によるＱ値の劣化を抑えることができる。即ち、部材３０にダイヤモンドを用いることにより、Ｑｚ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、ＡｌＮとしたときに比べ、熱弾性損失を改善できる範囲を拡大できる。
この結果から、本実施形態の振動片１に形成する絶縁性の部材３０形成用材料として、Ｑ値の改善効果からみればダイヤモンドが特に好ましいといえる。
【００４４】
（第２の実施形態）
〔振動子〕
次に、上記の振動片１を用いた振動子について説明する。
図６は、上記の振動片１を用いた振動子の一実施形態を説明するものであり、（ａ）は上側からみた概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。なお、図６（ａ）では、振動子の内部の構造を説明する便宜上、振動子５００の上方に設けられるリッド９１（図６（ｂ）を参照）を取り外した状態を図示している。
【００４５】
図６において、振動子５００は、段差を有する凹部が設けられたパッケージ７０を有している。パッケージ７０の凹部の凹底部分には、振動片１が接合され、パッケージ７０の開放された上端には蓋体としてのリッド９１が接合されている。
【００４６】
パッケージ７０は、平板状の第１層基板７１上に、開口部の大きさが異なる矩形環状の第２層基板７２および第３層基板７３がこの順に積層されて構成されることにより、上面側に開口部を有し内部に段差が設けられた凹部が形成されている。パッケージ７０の材質としては、例えば、セラミック、ガラスなどを用いることができる。
【００４７】
パッケージ７０の凹部において、第２層基板７２により形成される段差上には、振動片１が接合される複数の振動片接続端子７６が設けられている。また、パッケージ７０の外底面となる第１層基板７１の凹部側の面とは反対側の面には、外部基板などとの接合に供する外部実装端子７５が設けられている。
このようにパッケージ７０に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により接続されている。
【００４８】
パッケージ７０の凹部には、振動片１が接合されている。本実施形態では、振動片１の基部１６の外部接続電極２６ａ，２６ｂが形成された面の反対側の面が、パッケージ７０の第２層基板７２により形成された段差上に設けられた振動片接続端子７６の近傍に接着剤などの接合部材９９を介して接合・固定されているとともに、振動片１の外部接続電極２６ａ，２６ｂと、パッケージ７０の対応する振動片接続端子７６とがボンディングワイヤー９５により電気的に接続されている。これにより、振動片１が、パッケージ７０内において、凹部の凹底部分となる第１層基板７１との間に隙間を空けながら、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃを自由端として片持ち支持された態様で固定される。
【００４９】
図６（ｂ）に示すように、振動片１が凹部内に接合されたパッケージ７０の上端には、蓋体としてのリッド９１が配置され、パッケージ７０の開口を封鎖している。リッド９１の材質としては、例えば、４２アロイ（鉄にニッケルが４２％含有された合金）やコバール（鉄、ニッケルおよびコバルトの合金）等の金属、セラミックス、あるいはガラスなどを用いることができる。金属からなるリッド９１は、例えば、コバール合金などを矩形環状に型抜きして形成されたシールリング７９を介してシーム溶接することによりパッケージ７０と接合することができる。リッド９１を接合することによりパッケージ７０内に形成される内部空間は、振動片１が動作するための空間となる。また、この内部空間は、減圧空間または不活性ガス雰囲気に密閉・封止することができる。
【００５０】
上記構成の振動子５００によれば、上記した構成の振動片１を備えているので、振動片１に設けられた部材３０により、第１領域および第２領域とを熱緩和が効率的に行われて熱緩和時間が短縮して熱弾性損失が抑制されるので、高Ｑ値化が図られ優れた振動特性を備えた小型の振動子５００を提供することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
〔発振器〕
次に、上記の振動片１を用いた発振器について説明する。
図７は、上記の振動片１を搭載する発振器の一実施形態を説明するものであり、（ａ）は上側からみた概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ´線断面図である。なお、図７（ａ）では、発振器の内部の構造を説明する便宜上、発振器６００の上方に設けられるリッド９２を取り外した状態を図示している。
【００５２】
図７において、発振器６００は、段差を有する凹部が設けられたパッケージ８０を有している。パッケージ８０の凹部の凹底部分には、回路素子としてのＩＣチップ６０と、ＩＣチップ６０の上方に配置された振動片１とが接合され、パッケージ８０の開口部を有する上端には蓋体としてのリッド９２が接合されている。
【００５３】
パッケージ８０は、平板状の第１層基板８１上に、開口部の大きさが異なる矩形環状の第２層基板８２、第３層基板８３、および第４層基板８４がこの順に積層されて構成されることにより、上面側に開口部を有し内部に段差が設けられた凹部が形成されている。
パッケージ８０の凹部の凹底部分となる第１層基板８１上には、ＩＣチップ６０が配置されるダイパッド８６が設けられている。また、パッケージ８０の外底面となる第１層基板８１のダイパッド８６が設けられた面の反対側の面には、外部基板などとの接合に供する外部実装端子８５が設けられている。
また、パッケージ８０の凹部において、第２層基板８２により形成される段差上には、ＩＣチップ６０との電気的な接続に供する複数のＩＣ接続端子８７が設けられている。また、第３層基板８３により形成される段差上には、振動片１が接合される複数の振動片接続端子８８が設けられている。このように、パッケージ８０に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により接続されている。
【００５４】
ＩＣチップ６０は、振動片１を発振させる発振回路や、温度補償回路などを含む半導体回路素子である。ＩＣチップ６０は、パッケージ８０の凹部の凹底部分に設けられたダイパッド８６上に、例えばろう材９８によって接着・固定されている。また、ＩＣチップ６０とパッケージ８０とは、本実施形態では、ワイヤーボンディング法を用いて電気的に接続されている。具体的には、ＩＣチップ６０に設けられた複数の電極パッド３５と、パッケージ８０の対応するＩＣ接続端子８７とが、ボンディングワイヤー９５により接続されている。
【００５５】
また、パッケージ８０の凹部において、ＩＣチップ６０の上方には、振動片１が接合されている。具体的には、振動片１の基部１６が、パッケージ８０の第３層基板８３により形成された段差上に設けられた振動片接続端子８８の近傍に接着剤などの接合部材９９を介して接合・固定されているとともに、振動片１の外部接続電極２６ａ，２６ｂと、パッケージ８０の対応する振動片接続端子８８とがボンディングワイヤー９５により電気的に接続されている。これにより、振動片１が、パッケージ８０内において、下方に接合されたＩＣチップ６０との間に隙間を空けながら、振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃを自由端として片持ち支持された態様で固定される。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、ＩＣチップ６０および振動片１が凹部内に接合されたパッケージ８０の上端にはリッド９２が配置され、例えば、シールリング８９を介してシーム溶接することによりパッケージ８０と接合されている。パッケージ８０内において振動片１が動作するための空間となる内部空間は、減圧空間または不活性ガス雰囲気に密閉・封止することができる。
【００５７】
上記構成の発振器６００によれば、部材３０が設けられることにより、第１領域および第２領域とを熱緩和が効率的に行われて熱緩和時間が短縮して熱弾性損失が抑制されて高Ｑ値化が図られた振動片１を搭載しているので、小型で、安定した発振特性を有する発振器６００を提供することができる。
【００５８】
（第４の実施形態）
〔電子機器〕
上記第１の実施形態の振動片１を備えた上記第２の実施形態の振動子５００、および、上記第３の実施形態の発振器６００を搭載した電子機器は、小型化および高性能化を図ることが可能である。
例えば、図１１（ａ）に示す電子機器としての携帯電話２００や、図１１（ｂ）に示す電子機器としてのモバイルコンピューター３００の信号源として、小型で高Ｑ値化が図られた振動片１を備えた振動子５００や発振器６００を搭載することにより、携帯電話２００やモバイルコンピューター３００の小型化、および高機能化を図ることができる。
また、これらの携帯電話２００やモバイルコンピューター３００に限らず、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの携帯情報端末、あるいはＧＰＳ（Global Positioning System）として広く知られる汎地球測位システムなどの小型の通信機器などにおいては、近年、小型・薄型化の要望がますます高まっていることから、小型で、安定した振動特性を備えた振動片、および、それを用いた振動子５００や発振器６００は、それらを搭載する電子機器の小型化、および、高性能化を図ることを可能にする。
【００５９】
上記実施形態で説明した振動片は、以下の変形例として実施することも可能である。
【００６０】
（変形例）
上記実施形態の振動片１では、部材３０を、基部１６および振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃの形成材料である水晶よりも熱低効率が低い不導体材料を用いた単層の部材３０として形成する構成とした。これに限らず、部材は複数層の積層体であってもよく、また、複数層の部材とした場合には、金属などの導体材料からなる層を含む構成とすることもできる。
図８は、金属層を含む複数層の部材を形成した振動片の変形例を説明するものであり、上記実施形態の振動片１における図３（ｆ）のＤ−Ｄ´線断面と同じ断面のうち一つの振動アームの断面を示す概略断面図である。なお、本変形例の振動片（振動アーム）の構成のうち、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
【００６１】
図８において、本変形例の振動片５０の振動アーム６８の一方の主面（第１主面）には、第１電極２０、圧電膜２２、および第２電極２６がこの順に積層された積層体からなる励振電極が形成されている。
また、上記第１の実施形態の振動片１と同様に、振動アーム６８の第１表面、その第１表面の反対側の面（第２表面）、および、第１表面と第２表面とを接続する両側面と、振動アーム６８の基部との付け根近傍を含む領域（図示せず）には、絶縁性の下地層１３５と、その下地層１３５上に形成された金属層１３０とを含む積層構造の部材が形成されている。
なお、図示はしないが、本変形例の振動片５０における部材（下地層１３５および金属層１３０）についても、上記第１の実施形態の振動片１における部材３０と同様に、振動アーム６８上に設けられた第１電極２０、圧電膜２２、および第２電極２６からなる励振電極と、振動アーム６８の基部１６との付け根とを基部上まで覆って、且つ、振動アーム６８に形成された部材（下地層１３５および金属層１３０）が熱的に独立するように間隙を空けて設けられている。
【００６２】
このような絶縁性の下地層１３５および金属層１３０からなる部材において、振動片５０が振動アーム６８の厚み方向（Ｚ方向）に屈曲振動した際に第１領域および第２領域に圧縮応力または引張応力による温度の上昇または下降が生じた際に、第１領域と第２領域との熱伝導路となって緩和時間の短縮に寄与するのは金属層１３０であり、この金属層１３０に用いる材料としては、例えば、図４に示す材料のうちの金属、すなわち、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）などを挙げることができる。なお、このような単体の金属の単層の金属層１３０に限らず、複数の金属層を積層させて金属層１３０を形成してもよく、また、複数の金属の合金により金属層１３０を形成する構成としてもよい。
また、下地層１３５として用いる絶縁性の部材材料としては、電子回路素子の絶縁膜として従来より用いられている材料を適用することができ、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）や、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いることができる。このうち、二酸化シリコンを用いて下地層１３５を形成すると、振動片５０の温度特性を向上させる効果を奏するので好ましい。これは、圧電振動片に絶縁膜を形成したとき、多くの絶縁膜材料において、周囲の温度が上がった際に周波数が下がる挙動を呈するのに対して、二酸化シリコンにより絶縁膜を形成した場合、周囲の温度が上がった際に周波数が上がる挙動を示すことによる。
【００６３】
本変形例の振動片５０によれば、絶縁性の下地層１３５を介在させることにより、選択肢の広い金属材料からなる金属層１３０によって熱緩和時間の短縮を図りＱ値の低下を抑制することができるので、低コストにて、小型の振動片５０のＱ値の向上を実現できる。
【００６４】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００６５】
例えば、上記実施形態では、３つの振動アーム１８ａ，１８ｂ，１８ｃと有する振動片１について説明した。これに限らず、本発明の振動片は、短冊状の所謂ビーム型の屈曲振動片でもよく、また、２つの振動アームを有するいわゆる音叉型の振動片、あるいは、４つ以上の振動アームを有する振動片であっても、上記した実施形態および変形例と同様な効果を得ることができる。
【００６６】
また、上記第２の実施形態の振動子５００、および、上記第３の実施形態の発振器６００では、振動片１を接合部材９９によりパッケージ７０，８０に機械的に接合し、さらに、ワイヤーボンディング法を用いてボンディングワイヤー９５により振動片１とパッケージ７０，８０とを電気的に接続する構成とした。これに限らず、振動片１の外部接続電極２６ａ，２６ｂを基部１６の第２主面側に設けて、その外部接続電極２６ａ，２６ｂと、パッケージ７０，８０の対応する振動片接続端子７６，８８とを、例えば銀ペーストなどの導電性の接合部材によって接合する構成にすることもできる。この場合、パッケージ７０，８０への振動片１の機械的な接合と電気的な接続を同時に実現することができる。
また、上記第３の実施形態の発振器６００では、ＩＣチップ６０をワイヤーボンディング法を用いてパッケージ８０にボンディングワイヤー９５により接続した構成を説明した。これに限らず、ＩＣチップ６０などの電子部品を他の実装方法、例えば、金属バンプや導電性接着剤などの接合部材を用いてフェースダウン接合する構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１，５０…振動片、１０…第２表面、１２…第１表面、１６，１０２…基部、１８ａ〜１８ｃ，６８，１０３，１０４…振動アーム、２０…第１電極、２２…圧電膜、２４…開口部、２６…第２電極、２６ａ，２６ｂ…外部接続電極、３０…部材、３５…電極パッド、６０…回路素子としてのＩＣチップ、７０，８０…パッケージ、７１，８１…第１層基板、７２，８２…第２層基板、７３，８３…第３層基板、７５…外部実装端子、７６，８８…振動片接続端子、７９…シールリング、８４…第４層基板、８６…ダイパッド、８７…ＩＣ接続端子、９１，９２…リッド、９５…ボンディングワイヤー、９８…ろう材、９９…接合部材、１００…（従来の振動片としての）水晶振動片、１０６，１０７…溝または孔、１１０，１１２…第１領域、１１１，１１３…第２領域、１３０…金属層、１３５…下地層、２００…電子機器としての携帯電話、３００…電子機器としてのモバイルコンピューター、５００…振動子、６００…発振器。
【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】
2011228980.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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