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JP6079280B2 - Vibration element, vibrator, electronic device, electronic device, and moving object - Google Patents
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Vibration element, vibrator, electronic device, electronic device, and moving object Download PDF

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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。   The present invention relates to a vibration element, a vibrator, an electronic device, an electronic apparatus, and a moving body that excite thickness shear vibration.

主振動の振動モードとして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、或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。   The AT-cut quartz crystal resonator that excites thickness shear vibration as the main vibration mode is suitable for miniaturization and higher frequency, and exhibits a cubic curve with excellent frequency-temperature characteristics. It is used. In particular, in recent years, as the processing speed of transmission communication equipment and OA equipment has increased, or the capacity of communication data and processing volume has increased, the AT-cut crystal resonator used as the reference frequency signal source has a higher frequency. There is an increasing demand for conversion.

特許文献1には、主面の一部に凹陥部を形成して高周波化を図った逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。即ち、300MHz以上の基本波振動を得る水晶振動子において、水晶素板の板厚と、電極膜厚を水晶密度に換算した膜厚との比を、7%〜13%とすることにより、良好な周波数温度特性が得られるという。
更に、特許文献2には、特許文献1と同様に主面の一部に凹陥部を形成して高周波化を図った逆メサ構造のATカット水晶振動子が開示されている。即ち、300MHz以上の基本波振動を得る水晶振動子において、水晶素板の板厚と電極膜厚との比を0.014又は0.012以下(前記水晶基板の板厚と、前記電極膜厚を水晶密度に換算した膜厚との比で、19.2%又は16.5%以下)とすることにより、リフロー前後の周波数変化を防止し、良好な周波数温度特性が得られるという。
Patent Document 1 discloses an AT-cut crystal resonator having an inverted mesa structure in which a concave portion is formed in a part of a main surface to achieve high frequency. That is, in a crystal resonator that obtains a fundamental wave vibration of 300 MHz or higher, the ratio between the thickness of the crystal base plate and the film thickness obtained by converting the electrode film thickness into the crystal density is set to 7% to 13%. It is said that a good frequency temperature characteristic is obtained.
Further, Patent Document 2 discloses an AT-cut crystal resonator having an inverted mesa structure in which a concave portion is formed on a part of the main surface to increase the frequency as in Patent Document 1. That is, in a crystal resonator that obtains a fundamental wave vibration of 300 MHz or more, the ratio of the thickness of the crystal base plate to the electrode film thickness is 0.014 or 0.012 or less (the crystal substrate thickness and the electrode film thickness). Is 19.2% or 16.5% or less in terms of the ratio to the film thickness converted to the crystal density), it is said that the frequency change before and after reflow can be prevented and good frequency temperature characteristics can be obtained.

特開平11−284484号公報JP-A-11-284484 特開2005−203858号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-203858

ところで、基本波振動が200MHz以上の共振周波数で振動する水晶振動子の小型化、高周波化を図ろうとすると、前述のごとき構造を備えている水晶振動子は、発振回路で要求されるCI(クリスタル・インピーダンス=水晶振動子の等価抵抗)値の要求仕様を満たせない場合が生じるという問題があることが判明した。特に、周波数が200MHz以上の高周波になると、水晶振動子に形成する励振電極、及びリード電極の電極膜厚が主振動のCI値に大きな影響を与える。水晶振動子の主振動のみを閉じ込めモードにしようとすると、電極膜を薄くすることが必要となり、電極膜の薄膜化に伴って電極膜が100nm以下になると、シート抵抗は急激に増大するため、励振電極部やリード電極部で大きなオーミックロス(表面抵抗による抵抗損)が生じ、結果的に水晶振動子のCI値が大きくなるという課題があった。
また、電極膜のオーミックロスを防ぐために膜厚を厚くすると、主振動の他に多くのインハーモニックモードの振動が閉じ込められてしまいスプリアスが発生し、条件によっては主振動のCI値より主振動に近接したスプリアスのCI値の方が小さくなり、発振回路でスプリアスの共振周波数で発振してしまうという課題があった。
したがって本願発明において、振動素子を提供する際の課題は、インハーモニックモードに起因したスプリアスの改善である。
By the way, when trying to reduce the size and the frequency of a crystal resonator whose fundamental wave vibration vibrates at a resonance frequency of 200 MHz or higher, the crystal resonator having the above-described structure is a CI (crystal) required for an oscillation circuit.・ It has been found that there is a problem that the required specification of impedance = equivalent resistance of the crystal unit cannot be satisfied. In particular, when the frequency becomes a high frequency of 200 MHz or more, the film thickness of the excitation electrode and the lead electrode formed on the quartz resonator greatly affects the CI value of the main vibration. When trying to set only the main vibration of the crystal resonator to the confinement mode, it is necessary to make the electrode film thinner. When the electrode film becomes 100 nm or less as the electrode film becomes thinner, the sheet resistance increases rapidly. There is a problem that a large ohmic cross (resistance loss due to surface resistance) occurs in the excitation electrode portion and the lead electrode portion, resulting in an increase in the CI value of the crystal resonator.
In addition, if the film thickness is increased to prevent ohmic crossing of the electrode film, many in-harmonic mode vibrations are trapped in addition to the main vibration, and spurious are generated. Depending on the conditions, the main vibration is changed from the CI value of the main vibration. The CI value of the adjacent spurious becomes smaller, causing a problem that the oscillation circuit oscillates at the spurious resonance frequency.
Therefore, in the present invention, a problem in providing the vibration element is improvement of spurious due to the inharmonic mode.

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。
[形態1]本形態に係る振動素子は、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の主面に配置されている第1の励振電極と、前記第2の主面に配置されている第2の励振電極と、を含み、
前記第1の励振電極は、平面視で、前記第2の励振電極の外縁以内に配置されており、
前記基板の厚さをts、前記第1の励振電極と前記第2の励振電極の厚さの合計をte、前記第2の励振電極の厚さをte2、前記第1の励振電極の厚みすべり振動の振動方向に沿った方向の長さをhx、前記第1の励振電極および前記第2の励振電極の密度をρe、前記基板の密度をρx、前記基板のカットオフ周波数をfs、前記基板に前記第1の励振電極および前記第2の励振電極を配置したときに前記基板で励振される周波数をfe、前記基板のエネルギー閉じ込め係数をM、周波数低下量を△、前記基板の周波数定数をR、前記基板の異方性定数をK、として
M=K×(hx/(2×ts))×√△
△=(fs− fe)/fs
fs=R/[ts+te2×(ρe/ρx)]
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]
15.5≦M≦36.7
の関係を満たすことを特徴とする。
本形態によれば、基本波の厚み滑り振動モードで励振する高周波の振動素子において、励振電極及びリード電極の薄膜化に伴うオーミックロスの影響によるCI値の劣化を低減し、励振電極の寸法や膜厚により決定されるインハーモニックモードのスプリアスの励振強度を低減することが可能となる。これにより、主振動のCI値は小さくなり、主振動のCIm値に対する近接したスプリアスのCIs値との比、即ちCI値比(CIs/CIm)の大きな振動素子が得られるという効果がある。
[形態2]上記形態に記載の振動素子において、17.1≦M≦35.7の関係を満たすことを特徴とする。
本形態によれば、インハーモニックモードのスプリアスの励振強度をよりいっそう低減することが可能となるという効果がある。
[形態3]上記形態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。
本形態によれば、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。さらに、振動素子の容量比γ(=C0/C1、ここで、C0は静電容量、C1は直列共振容量)を小さくできる。
ここで、厚み滑り振動の共振周波数が200MHz以上とした場合、厚み滑り振動モードで励振する振動素子は、その周波数が基板の板厚に反比例し決定されるので、200MHz以上の高周波になると基板の板厚が8.4μm以下と非常に薄くなるため、形成する励振電極の膜厚も非常に薄くする必要がある。そのため、電極の薄膜化によるオーミックロスの影響が非常に大きくなり、エネルギー閉じ込め係数Mを前記範囲にすることは、これらの問題を低減できるので、発振回路が必要とするCI値仕様とスプリアス仕様を満足できる振動素子が得られるという効果がある。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[Embodiment 1] A vibration element according to the present embodiment vibrates by thickness-shear vibration and is disposed on the first main surface and a substrate including a first main surface and a second main surface that are in a front-back relationship. A first excitation electrode, and a second excitation electrode disposed on the second main surface,
The first excitation electrode is disposed within an outer edge of the second excitation electrode in plan view;
The thickness of the substrate is ts, the total thickness of the first excitation electrode and the second excitation electrode is te, the thickness of the second excitation electrode is te2, and the thickness of the first excitation electrode is slipped. The length along the vibration direction of the vibration is hx, the density of the first excitation electrode and the second excitation electrode is ρe, the density of the substrate is ρx, the cutoff frequency of the substrate is fs, and the substrate The frequency excited by the substrate when the first excitation electrode and the second excitation electrode are arranged on the substrate is fe, the energy confinement coefficient of the substrate is M, the frequency reduction is Δ, and the frequency constant of the substrate is R, where K is the anisotropy constant of the substrate
M = K × (hx / (2 × ts)) × √Δ
Δ = (fs−fe) / fs
fs = R / [ts + te2 × (ρe / ρx)]
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)]
15.5 ≦ M ≦ 36.7
It is characterized by satisfying the relationship.
According to this embodiment, in a high-frequency vibration element excited in the thickness-shear vibration mode of the fundamental wave, the deterioration of the CI value due to the effect of ohmic cross accompanying the thinning of the excitation electrode and the lead electrode is reduced, and the dimensions of the excitation electrode and It is possible to reduce the excitation intensity of the in-harmonic mode spurious determined by the film thickness. As a result, the CI value of the main vibration is reduced, and there is an effect that a vibration element having a large ratio of CIs of adjacent spurious to the CIm value of the main vibration, that is, a CI value ratio (CIs / CIm) is obtained.
[Mode 2] The vibration element described in the above mode is characterized by satisfying a relationship of 17.1 ≦ M ≦ 35.7.
According to this embodiment, there is an effect that the excitation intensity of the spurious in the in-harmonic mode can be further reduced.
[Mode 3] In the resonator element according to the above mode, when the length along the direction orthogonal to the thickness-shear vibration direction of the first excitation electrode is hz,
1.25 ≦ hx / hz ≦ 1.31
It is characterized by satisfying the relationship.
According to this embodiment, when a substrate in which the displacement distribution in the displacement direction determined by the crystal anisotropy is different from the displacement distribution in the direction orthogonal thereto is used, the energy confinement efficiency of the main vibration can be increased. Furthermore, the capacitance ratio γ (= C0 / C1, where C0 is the capacitance and C1 is the series resonance capacitance) of the vibration element can be reduced.
Here, when the resonance frequency of the thickness-shear vibration is 200 MHz or more, the vibration element excited in the thickness-shear vibration mode is determined in inverse proportion to the thickness of the substrate. Since the plate thickness is as thin as 8.4 μm or less, the thickness of the excitation electrode to be formed needs to be very thin. Therefore, the effect of ohmic cross due to the thinning of the electrode becomes very large, and setting the energy confinement coefficient M in the above range can reduce these problems. Therefore, the CI value specification and spurious specification required by the oscillation circuit can be reduced. There is an effect that a satisfactory vibration element can be obtained.

[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の励振電極よりも大きい第2の励振電極と、を含み、
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おり、
M=K×(hx/2×ts)×√△
△=(fs−fe)/fs
fs=R/[ts+te2×(ρe/ρx)]
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]
15.5≦M≦36.7
の関係を満たすことを特徴とする。
但し、Mはエネルギー閉じ込め係数、Kは基板の異方性係数、hxは前記第1の励振電極の厚み滑り振動方向に沿った長さ、tsは前記基板の厚み、△は周波数低下量、fsは前記基板のカットオフ周波数、feは前記基板に前記励振電極を配置したときの周波数、Rは前記基板の周波数定数、teは前記第1の励振電極と前記第2の励振電極の厚みの合計、te2は前記第2の励振電極の厚み、ρeは前記励振電極の密度、ρxは前記基板の密度である。
Application Example 1 A vibration element according to this application example is provided on the first main surface, the substrate including the first main surface and the second main surface that are vibrated by thickness shear vibration and have a front and back relationship. A first excitation electrode, and a second excitation electrode provided on the second main surface and larger than the first excitation electrode in plan view,
The first excitation electrode is within the outer edge of the second excitation electrode in a plan view;
M = K × (hx / 2 × ts) × √Δ
Δ = (fs−fe) / fs
fs = R / [ts + te2 × (ρe / ρx)]
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)]
15.5 ≦ M ≦ 36.7
It is characterized by satisfying the relationship.
Where M is the energy confinement coefficient, K is the anisotropy coefficient of the substrate, hx is the length along the thickness-shear vibration direction of the first excitation electrode, ts is the thickness of the substrate, Δ is the frequency reduction amount, fs Is the cut-off frequency of the substrate, fe is the frequency when the excitation electrode is disposed on the substrate, R is the frequency constant of the substrate, and te is the total thickness of the first excitation electrode and the second excitation electrode. , Te2 is the thickness of the second excitation electrode, ρe is the density of the excitation electrode, and ρx is the density of the substrate.

本適用例によれば、基本波の厚み滑り振動モードで励振する高周波の振動素子において、励振電極及びリード電極の薄膜化に伴うオーミックロスの影響によるCI値の劣化を低減し、励振電極の寸法や膜厚により決定されるインハーモニックモードのスプリアスの励振強度を低減することが可能となる。これにより、主振動のCI値は小さくなり、主振動のCIm値に対する近接したスプリアスのCIs値との比、即ちCI値比(CIs/CIm)の大きな振動素子が得られるという効果がある。   According to this application example, in the high-frequency vibration element excited in the thickness-shear vibration mode of the fundamental wave, the deterioration of the CI value due to the effect of ohmic cross accompanying the thinning of the excitation electrode and the lead electrode is reduced, and the dimensions of the excitation electrode In addition, the excitation intensity of the in-harmonic mode spurious determined by the film thickness can be reduced. As a result, the CI value of the main vibration is reduced, and there is an effect that a vibration element having a large ratio of CIs of adjacent spurious to the CIm value of the main vibration, that is, a CI value ratio (CIs / CIm) is obtained.

[適用例2]上記適用例に記載の振動素子において、17.1≦M≦35.7を満たすことを特徴とする。   Application Example 2 In the resonator element described in the application example, 17.1 ≦ M ≦ 35.7 is satisfied.

本適用例によれば、インハーモニックモードのスプリアスの励振強度をよりいっそう低減することが可能となるという効果がある。   According to this application example, it is possible to further reduce the excitation intensity of the spurious in the inharmonic mode.

[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の励振電極の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
を満たすことを特徴とする。
Application Example 3 In the resonator element according to the application example described above, when the length along the direction orthogonal to the thickness-shear vibration direction of the first excitation electrode is hz,
1.25 ≦ hx / hz ≦ 1.31
It is characterized by satisfying.

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。さらに、振動素子の容量比γ(=C0/C1、ここで、C0は静電容量、C1は直列共振容量)を小さくできる。
ここで、厚み滑り振動の共振周波数が200MHz以上とした場合、厚み滑り振動モードで励振する振動素子は、その周波数が基板の板厚に反比例し決定されるので、200MHz以上の高周波になると基板の板厚が8.4μm以下と非常に薄くなるため、形成する励振電極の膜厚も非常に薄くする必要がある。そのため、電極の薄膜化によるオーミックロスの影響が非常に大きくなり、エネルギー閉じ込め係数Mを前記範囲にすることは、これらの問題を低減できるので、発振回路が必要とするCI値仕様とスプリアス仕様を満足できる振動素子が得られるという効果がある。
According to this application example, when a substrate in which the displacement distribution in the displacement direction determined by the crystal anisotropy is different from the displacement distribution in the direction orthogonal thereto is used, the energy confinement efficiency of the main vibration can be increased. Furthermore, the capacitance ratio γ (= C0 / C1, where C0 is the capacitance and C1 is the series resonance capacitance) of the vibration element can be reduced.
Here, when the resonance frequency of the thickness-shear vibration is 200 MHz or more, the vibration element excited in the thickness-shear vibration mode is determined in inverse proportion to the thickness of the substrate. Since the plate thickness is as thin as 8.4 μm or less, the thickness of the excitation electrode to be formed needs to be very thin. Therefore, the effect of ohmic cross due to the thinning of the electrode becomes very large, and setting the energy confinement coefficient M in the above range can reduce these problems. Therefore, the CI value specification and spurious specification required by the oscillation circuit can be reduced. There is an effect that a satisfactory vibration element can be obtained.

[適用例4]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。   Application Example 4 In the resonator element according to the application example, the substrate is a quartz substrate.

本適用例によれば、水晶基板はQ値が高く、温度特性に優れた振動素子が得られるという効果がある。   According to this application example, the quartz substrate has an effect that a Q element is high and a vibration element having excellent temperature characteristics can be obtained.

[適用例5]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。   Application Example 5 In the resonator element according to the application example described above, the crystal substrate is an AT-cut crystal substrate.

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、特性の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。   According to this application example, by using an AT-cut quartz crystal substrate having a cutting angle with excellent temperature characteristics as a substrate, it is possible to utilize experience and experience related to photolithography technology and etching technology, and vibration with small variation in characteristics. There is an effect that mass production of the element becomes possible.

[適用例6]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、を備えたことを特徴とする。   Application Example 6 A vibrator according to this application example includes the vibration element according to the application example described above and a package that accommodates the vibration element.

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、信頼性の高い振動子が得られる。たとえば、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る。   According to this application example, a highly reliable vibrator can be obtained by housing the vibration element in the package. For example, since it is possible to prevent the influence of disturbance such as temperature change and humidity change and the influence of contamination, an oscillator having excellent frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics can be obtained. The

[適用例7]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、を備えたことを特徴とする。   Application Example 7 An electronic device according to this application example includes the vibration element according to the application example described above and an oscillation circuit that drives the vibration element.

本適用例によれば、基本波で励振する高周波の振動素子を用いて電子デバイスを構成すると、振動素子の容量比が小さいので、周波数可変幅が広がり、更に、S/N比の良好な高周波の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。
According to this application example, when an electronic device is configured using a high-frequency vibration element excited by a fundamental wave, the capacitance ratio of the vibration element is small, so that the frequency variable width is widened, and a high-frequency with a good S / N ratio is obtained. The voltage controlled oscillator can be obtained.
In addition, an oscillator, a temperature compensated oscillator, and the like can be configured as an electronic device, and an oscillator excellent in frequency reproducibility, aging characteristics, and frequency temperature characteristics can be configured.

[適用例8]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たことを特徴とする。   Application Example 8 An electronic apparatus according to this application example includes the vibration element described in the application example.

本適用例によれば、上記適用例に記載の振動素子を電子機器に用いることにより、高周波で周波数安定度に優れ、S/N比の良好な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9]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たことを特徴とする。
本適用例によれば、信頼性の高い移動体が得られる。
According to this application example, by using the vibration element described in the application example described above for an electronic device, an electronic device including a reference frequency source having a high frequency and excellent frequency stability and a good S / N ratio can be configured. effective.
Application Example 9 A moving object according to this application example includes the vibration element described in the application example.
According to this application example, a highly reliable moving object is obtained.

本発明の一実施形態に係る振動素子の構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)はP−P断面図、(c)はQ−Q断面図。It is the schematic which showed the structure of the vibration element which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is PP sectional drawing, (c) is QQ sectional drawing. ATカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between an AT cut quartz substrate and a crystal axis. 電極の膜厚に対する抵抗を示す図。The figure which shows resistance with respect to the film thickness of an electrode. ATカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示す図。The figure which shows the trial production conditions and measurement result of an AT cut crystal resonator element. エネルギー閉じ込め係数Mに対する振動子のCI値を示す図。The figure which shows CI value of the vibrator | oscillator with respect to the energy confinement factor M. エネルギー閉じ込め係数Mに対する振動子の主振動CI値とスプリアスCI値とのCI値比を示す図。The figure which shows CI value ratio of the main vibration CI value of a vibrator | oscillator with respect to the energy confinement factor M, and a spurious CI value. リード電極とパッド電極を厚膜化したATカット水晶振動素子の試作条件とCI値を示す図。The figure which shows the trial production conditions and CI value of the AT cut quartz-crystal vibrating element which made the lead electrode and the pad electrode thick. 本発明の一実施形態に係る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。It is the schematic which showed the structure of the vibrator | oscillator which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is a longitudinal cross-sectional view. 本発明の一実施形態に係る電子デバイスの構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図。It is the schematic which showed the structure of the electronic device which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is a longitudinal cross-sectional view. 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。The perspective view which shows the structure of the mobile type (or notebook type) personal computer to which the electronic device provided with the vibration element which concerns on one Embodiment of this invention is applied. 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。The perspective view which shows the structure of the mobile telephone (PHS is also included) to which the electronic device provided with the vibration element which concerns on one Embodiment of this invention is applied. 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ィジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。The perspective view which shows the structure of the digital still camera to which the electronic device provided with the vibration element which concerns on one Embodiment of this invention is applied. 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。The perspective view which shows roughly the motor vehicle as an example of the mobile body of this invention.

以下、本発明の振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器およ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。
1.振動素子
まず、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断面図、図1(c)は図1(a)のQ−Q断面図である。
振動素子1は、振動部12及び振動部12と一体化され、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励振電極25a,25bと、励振電極25a,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。
Hereinafter, a vibrating element, a vibrator, an electronic device, an electronic apparatus, and a moving body of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the drawings.
1. First, the vibration element of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a vibration element according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view of the vibration element, and FIG. Sectional drawing and FIG.1 (c) are QQ sectional drawings of Fig.1 (a).
The vibration element 1 is integrated with the vibration part 12 and the vibration part 12, and includes a substrate 10 having a thick part 13 thicker than the vibration part 12, and both main surfaces of the vibration part 12 (front and back surfaces in the ± Y ′ direction). ) And the lead electrodes formed to extend from the excitation electrodes 25a and 25b toward the pad electrodes 29a and 29b provided in the thick portion, respectively. 27a, 27b.

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。
The substrate 10 has a rectangular shape, a thin plate-shaped vibrating portion 12 that is thin, perpendicular to the Y ′ axis, and has a constant thickness, and a first integrated along three sides excluding one side of the vibrating portion 12. A thick portion 13 comprising a thick portion 14, a second thick portion 15, and a third thick portion 16 (also referred to as first, second and third thick portions 14, 15, 16). , And a slit 17 for preventing transmission of mount stress generated when the support is fixed to the vibration part 12.
The first thick body 14a, the second thick body 15a, and the third thick body 16a (also referred to as first, second, and third thick bodies 14a, 15a, 16a) are: A region where the thickness parallel to the Y ′ axis is constant.
The first inclined portion 14b, the second inclined portion 15b, and the third inclined portion 16b (also referred to as first, second, and third inclined portions 14b, 15b, and 16b) are the first and first An inclined surface generated between the second and third thick-walled main bodies 14a, 15a, and 16a and the vibrating portion 12.
One main surface of the vibration part 12 and one surface of each of the first, second and third thick parts 14, 15, 16 are on the same plane, that is, XZ of the coordinate axes shown in FIG. This surface (on the plane, the lower surface side in the −Y direction of FIG. 1B) is referred to as a flat surface (flat surface), and the opposite surface having the recess 11 (of FIG. 1B). The upper surface side in the + Y ′ direction is called a concave surface.

励振電極25a,25bは、図1に示す実施形態例では矩形状であり、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。第1の励振電極としての励振電極25aと、第2の励振電極としての励振電極25bは大きさが異なり、励振電極25bの方が励振電極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、励振電極25aと励振電極25bとにより挟まれている領域である。つまり、励振電極25b(第2の励振電極)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、平面視で励振電極25a(第1の励振電極)と重なる部分である。すなわち、第2の励振電極は、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。
リード電極27aは、凹陥面に形成した励振電極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。
なお、励振電極25a,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。
In the embodiment shown in FIG. 1, the excitation electrodes 25 a and 25 b have a rectangular shape, and are formed so as to overlap with both main surfaces (front surface and back surface) at substantially the center of the vibration unit 12 in plan view. The excitation electrode 25a as the first excitation electrode and the excitation electrode 25b as the second excitation electrode are different in size, and the excitation electrode 25b is larger than the excitation electrode 25a. The region actually excited in the vibration unit 12 is a region sandwiched between the excitation electrode 25a and the excitation electrode 25b. That is, in the excitation electrode 25b (second excitation electrode), a region that actually contributes to exciting the vibration unit 12 is a portion overlapping the excitation electrode 25a (first excitation electrode) in plan view. That is, the second excitation electrode is composed of an electrode that contributes to excitation and an electrode that does not contribute to excitation integrated with the outer edge of the electrode that contributes to the excitation.
The lead electrode 27a extends from the excitation electrode 25a formed on the concave surface, and passes through the third inclined portion 16b and the third thick main body 16a from above the vibration portion 12, and the second thick main body 15a. Is electrically connected to the pad electrode 29a formed on the concave surface of the. The lead electrode 27b extends from the excitation electrode 25b formed on the flat surface, and passes through the edge of the flat surface of the substrate 10 to be a pad electrode formed on the flat surface of the second thick body 15a. 29b is electrically connected.
The excitation electrodes 25a and 25b will be described in terms of the shape and area of the portion connected to the lead electrodes 27a and 27b, with an extension line (virtual line) along the outer edge (outer side) of the excitation electrode shape as a boundary.

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、励振電極25a,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)を重ねて成膜してある。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。
The embodiment shown in FIG. 1A is an example of a lead-out structure of the lead electrodes 27a and 27b, and the lead electrode 27a may pass through another thick part. However, it is desirable that the length of the lead electrodes 27a and 27b is the shortest, and it is desirable to suppress an increase in capacitance by considering that the lead electrodes 27a and 27b do not cross each other with the substrate 10 interposed therebetween.
The excitation electrodes 25a and 25b, the lead electrodes 27a and 27b, and the pad electrodes 29a and 29b are formed by, for example, depositing nickel (Ni) as an underlayer by using a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus and the like. A gold (Au) layer is formed as a base layer. As the electrode material, chromium (Cr) may be used instead of nickel (Ni) for the base layer, and silver (Ag) or platinum (Pt) may be used instead of gold (Au) for the upper layer.

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。   A piezoelectric material such as quartz belongs to the trigonal system and has crystal axes X, Y, and Z orthogonal to each other as shown in FIG. The X axis, the Y axis, and the Z axis are referred to as an electric axis, a mechanical axis, and an optical axis, respectively. As the quartz substrate, a “rotated Y-cut quartz substrate” cut out from the quartz along a plane obtained by rotating the XZ plane around the X axis by a predetermined angle θ is used as the substrate 10. For example, in the case of an AT-cut quartz substrate, the angle θ is approximately 35 ° 15 ′. Note that the Y-axis and the Z-axis are also rotated by θ around the X-axis to become the Y′-axis and the Z′-axis, respectively. Therefore, the AT-cut quartz substrate has crystal axes X, Y ′, and Z ′ that are orthogonal to each other. The AT-cut quartz substrate has a Y 'axis in the thickness direction, and an XZ ′ plane (plane including the X axis and Z ′ axis) orthogonal to the Y ′ axis is the main surface, and thickness shear vibration is excited as the main vibration. Is done.

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。
That is, as shown in FIG. 2, the substrate 10 has an X-axis of an orthogonal coordinate system composed of an X-axis (electric axis), a Y-axis (mechanical axis), and a Z-axis (optical axis) as a rotation axis, The axis tilted so that the + Z side rotates in the −Y direction of the Y axis is the Z ′ axis, the axis tilted so that the + Y side rotates in the + Z direction of the Z axis is the Y ′ axis, and the X axis And a “rotating Y-cut quartz substrate” having a surface including the Z ′ axis as a main surface and a thickness along the direction along the Y ′ axis.
The substrate 10 according to the present embodiment is not limited to the AT cut having an angle θ of about 35 ° 15 ′, and can be widely applied to a substrate such as a BT cut that excites thickness shear vibration.
Furthermore, although it demonstrated using the example which provided the thick part along the outer edge of the vibration part 12, it is not restricted to this, The board | substrate and thick part which provided the thick part along the outer edge perimeter of the vibration part 12 The present invention can be widely applied to a plate-like substrate in which no is provided.

一般的に厚み滑り振動モードは基板上に部分電極を形成するか、厚み差を設けると、その部分近傍に振動エネルギーを閉じ込めることができ、安定した共振周波数を得ることができる。この場合の閉じ込めモードの共振周波数は、基板の板厚tsや励振電極の膜厚teと寸法hxにより求まるエネルギー閉じ込め係数Mの関数として表される。
エネルギー閉じ込め係数Mは、下記式(1)で表される。
M=K×(hx/2×ts)×√△・・・(1)
ここで、Kは基板の異方性係数(ATカット基板の場合は1.538)、hxは励振電極の厚み滑り振動の変位方向に沿った寸法、tsは基板の厚み、△は周波数低下量である。尚、hxは、励振電極が円形や楕円形のように形状が矩形でない場合は、厚み滑り振動モードの変位方向に沿った長さのうち最大値を寸法とする。
また、周波数低下量△は下記式(2)で表される。
△=(fs−fe)/fs・・・(2)
ここで、fsは基板のカットオフ周波数、feは基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数である。
なお、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合、基板のカットオフ周波数fsは下記式(3)で、基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数feは下記式(4)で表される。
fs=R/ts・・・(3)
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]・・・(4)
ここで、Rは基板の周波数定数、tsは基板の厚み、teは表裏の励振電極の厚みの合計、ρeは励振電極の密度、ρxは基板の密度である。
また、表裏の励振電極の形状と面積が異なる場合、基板のカットオフ周波数fsは下記式(5)で、基板全面に励振電極を成膜した場合の周波数feは下記式(6)で表される。
fs=R/[ts+te2×(ρe/ρx)]・・・(5)
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]・・・(6)
ここで、Rは基板の周波数定数、tsは基板の厚み、te2は面積の大きい方の励振電極の厚み、teは表裏の励振電極の厚みの合計、ρeは励振電極の密度、ρxは基板の密度である。また、式(1)において、hxは面積の小さい方の励振電極の厚み滑り振動の変位方向に沿った寸法とする。
Generally, in the thickness-shear vibration mode, when a partial electrode is formed on a substrate or a thickness difference is provided, vibration energy can be confined in the vicinity of the portion, and a stable resonance frequency can be obtained. The resonance frequency of the confinement mode in this case is expressed as a function of the energy confinement coefficient M determined by the thickness ts of the substrate, the film thickness te of the excitation electrode, and the dimension hx.
The energy confinement factor M is expressed by the following formula (1).
M = K × (hx / ( 2 × ts ) ) × √Δ (1)
Here, K is the anisotropy coefficient of the substrate (1.538 in the case of an AT cut substrate), hx is the dimension along the displacement direction of the thickness-slip vibration of the excitation electrode, ts is the thickness of the substrate, and Δ is the amount of frequency reduction It is. Note that hx takes the maximum value of the length along the displacement direction of the thickness-shear vibration mode when the excitation electrode is not a rectangle such as a circle or an ellipse.
Further, the frequency decrease amount Δ is expressed by the following formula (2).
Δ = (fs−fe) / fs (2)
Here, fs is a cutoff frequency of the substrate, and fe is a frequency when the excitation electrode is formed on the entire surface of the substrate.
When the shape and area of the front and back excitation electrodes are the same, the cut-off frequency fs of the substrate is expressed by the following formula (3), and the frequency fe when the excitation electrode is formed on the entire surface of the substrate is expressed by the following formula (4). Is done.
fs = R / ts (3)
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)] (4)
Here, R is the frequency constant of the substrate, ts is the thickness of the substrate, te is the total thickness of the front and back excitation electrodes, ρe is the density of the excitation electrodes, and ρx is the density of the substrate.
When the shape and area of the front and back excitation electrodes are different, the cut-off frequency fs of the substrate is expressed by the following formula (5), and the frequency fe when the excitation electrode is formed on the entire surface of the substrate is expressed by the following formula (6). The
fs = R / [ts + te2 × (ρe / ρx)] (5)
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)] (6)
Here, R is the frequency constant of the substrate, ts is the thickness of the substrate, te2 is the thickness of the excitation electrode with the larger area, te is the total thickness of the excitation electrodes on the front and back sides, ρe is the density of the excitation electrode, and ρx is the density of the substrate Density. In the formula (1), hx is a dimension along the displacement direction of the thickness-shear vibration of the excitation electrode having the smaller area.

式(1)乃至式(6)より、表裏の励振電極の形状と面積が異なる場合は、基板の厚みtsや励振電極の厚みteと寸法hx等が同一条件である場合、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合に比べ、面積の大きい方の励振電極の厚みが基板の厚みに加わることになるため、その結果、基板が厚くなることによって、基板のカットオフ周波数fsが低下することとなる。そのため、周波数低下量△が小さくなるので、エネルギー閉じ込め係数Mは小さくなり、インハーモニックモードのスプリアスを低減し易くなる。
また、エネルギー閉じ込め係数Mを同一とした場合には、表裏の励振電極の形状と面積が同一の場合に比べ、励振電極の膜厚teを厚くすることができる。
From the formulas (1) to (6), when the shape and area of the front and back excitation electrodes are different, the thickness ts of the substrate, the thickness te of the excitation electrode, the dimension hx, etc. Compared to the case where the shape and the area are the same, the thickness of the excitation electrode having the larger area is added to the thickness of the substrate. As a result, the substrate becomes thicker, and thus the cut-off frequency fs of the substrate is lowered. It becomes. For this reason, since the frequency drop amount Δ becomes small, the energy confinement coefficient M becomes small, and it becomes easy to reduce spurious in the inharmonic mode.
Further, when the energy confinement coefficient M is the same, the film thickness te of the excitation electrode can be made thicker than when the shape and area of the excitation electrode on the front and back sides are the same.

一般的にATカット水晶基板の厚み滑り振動モードにおいて、基本波の単一モードを閉じ込める条件はエネルギー閉じ込め係数M=2.8以下と言われている。
例えば、491MHz帯の共振周波数で共振するATカット水晶振動素子は、励振電極寸法hx=0.30mmとした場合、エネルギー閉じ込め係数M=2.8となる励振電極の膜厚が約1nmと非常に薄く、製造上実現不可能な膜厚となり、例え実現できたとしても電極薄膜化によるオーミックロスの影響によりCI値が非常に大きくなり発振回路で発振することはできない。
そこで、高周波においては電極膜厚のオーミックロスを避けるように成膜する(膜厚を厚くする)と、主振動だけを閉じ込めるエネルギー閉じ込め係数M=2.8から大幅に大きくなるため、主振動以外に低次のインハーモニックモードのスプリアスが閉じ込められることは避けられない。しかし、閉じ込められたスプリアスの最小のCI値と主振動CI値とのCI値比が1.8以上であればインハーモニックモードのスプリアスで発振することは理論上無いと言える。そこで、本願発明者は、主振動のCI値が20Ω以下と小さくし、主振動のCI値とスプリアスのCI値とのCI値比について製造ばらつきを考慮して2.0以上とすれば、発振回路の要求仕様を満たし発振することが可能となるので実用化が可能であることに思い至った。
Generally, in the thickness-shear vibration mode of an AT-cut quartz substrate, the condition for confining a single fundamental wave mode is said to be an energy confinement factor M = 2.8 or less.
For example, an AT-cut quartz crystal resonator that resonates at a resonance frequency of 491 MHz band has an excitation electrode film thickness of about 1 nm with an energy confinement factor M = 2.8 when the excitation electrode size hx = 0.30 mm. Even if it is realized, the CI value becomes very large due to the effect of ohmic cross due to the electrode thinning, and the oscillation circuit cannot oscillate.
Therefore, when the film is formed so as to avoid ohmic cross of the electrode film thickness (thickness is increased) at high frequencies, the energy confinement coefficient M = 2.8, which confines only the main vibration, is greatly increased. It is inevitable that low-order inharmonic mode spurious will be trapped. However, if the CI value ratio between the minimum CI value of the confined spurious and the main vibration CI value is 1.8 or more, it can be said that there is theoretically no oscillation with spurious in the inharmonic mode. Therefore, the inventor of the present application reduced the main vibration CI value to 20Ω or less, and set the CI value ratio between the main vibration CI value and the spurious CI value to 2.0 or more in consideration of manufacturing variation. I came to realize that the circuit could meet the required specifications of the circuit and oscillate, making it practical.

図3はニッケル(Ni)を下地層とし、上地層としての金(Au)層の厚みとシート抵抗値を示したものである。下地層のニッケル(Ni)層の厚みを7nmで一定とし、金(Au)の厚みを45nm〜150nmに変化させた場合のシート抵抗の測定結果である。図3より、厚みが90nm以下になるとシート抵抗が急激に増大することが判る。従って、エネルギー閉じ込め係数Mを決定する励振電極膜厚以外で、オーミックロスの影響で主振動のCI値が大きくなるのを防ぐためにはリード電極27a,27bやパッド電極29a,29bの膜厚を大きくする必要がある。特に、リード電極部はパット部に比べ、細く長いためオーミックロスの影響は大きい。例えば、リード電極部の長さを10□(正方形を10個接続した長さ)と仮定した場合、リード電極部の抵抗値を2Ω以下とするには、図3より、シート抵抗が0.2Ω/□となる電極の厚みを150nm以上とする必要がある。   FIG. 3 shows the thickness and sheet resistance value of a gold (Au) layer as an upper layer with nickel (Ni) as a base layer. It is a measurement result of sheet resistance when the thickness of the nickel (Ni) layer of the underlayer is constant at 7 nm and the thickness of gold (Au) is changed from 45 nm to 150 nm. 3 that the sheet resistance increases rapidly when the thickness is 90 nm or less. Therefore, in order to prevent the CI value of the main vibration from increasing due to the effect of ohmic cross, other than the excitation electrode film thickness that determines the energy confinement factor M, the film thicknesses of the lead electrodes 27a and 27b and the pad electrodes 29a and 29b are increased. There is a need to. In particular, since the lead electrode portion is thinner and longer than the pad portion, the influence of ohmic cross is large. For example, assuming that the length of the lead electrode portion is 10 □ (the length in which 10 squares are connected), in order to set the resistance value of the lead electrode portion to 2Ω or less, the sheet resistance is 0.2Ω from FIG. The thickness of the electrode that becomes / □ needs to be 150 nm or more.

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)の励振電極25aの平面形状は、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、励振電極25aは励振電極25bより小さな形状に形成されている。これは、励振電極の質量負荷効果によるエネルギー閉じ込め係数Mを、必要以上に大きくしないためである。つまり、裏面側(下面側)の励振電極25bを大きくすることにより、周波数低下量Δは、表面側(上面側)の励振電極25aの質量負荷効果のみに依存するためエネルギー閉じ込め係数Mは、ほぼ半減する。よって、閉じ込められるインハーモニックモードのスプリアスを少なくすることができる。   In the embodiment shown in FIG. 1A, the planar shape of the excitation electrode 25a on the concave surface side (the front surface side in FIG. 1B) is the excitation on the flat surface side (the back surface side in FIG. 1B). The size is set to fit within the outer edge of the outer shape of the electrode 25b. That is, the excitation electrode 25a is formed in a smaller shape than the excitation electrode 25b. This is because the energy confinement factor M due to the mass load effect of the excitation electrode is not increased more than necessary. That is, by enlarging the excitation electrode 25b on the back surface side (lower surface side), the amount of frequency decrease Δ depends only on the mass load effect of the excitation electrode 25a on the front surface side (upper surface side). Cut in half. Therefore, the in-harmonic mode spurious to be confined can be reduced.

例えば、励振電極25a,25bが表裏同一の形状と面積の場合に電極膜厚を表裏それぞれ60nmとすると、励振電極25a,25bの表裏の形状と面積が異なる場合、エネルギー閉じ込め係数Mを前記表裏同一の形状と面積の場合と同等にするためには表裏の電極膜厚がそれぞれ120nmとなる。それぞれの電極膜厚における励振電極部分の抵抗値を計算すると、図3より、前記表裏同一の形状と面積の場合は電極膜厚60nmのシート抵抗が1.2Ω/□であるため、表裏の励振電極部での抵抗値は約2.4Ωとなる。それに対し、前記表裏の形状と面積が異なる場合は電極膜厚120nmのシート抵抗が0.3Ω/□となり、表裏の励振電極部での抵抗値は約0.6Ωとなる。従って、同等のエネルギー閉じ込め係数Mを有する振動素子を設計する場合、励振電極の表裏の形状と面積が異なる設計ではオーミックロスの影響を約1/4とすることができるのでCI値低下に有利
である。
For example, when the excitation electrodes 25a and 25b have the same shape and area on the front and back, and the electrode film thickness is 60 nm, the energy confinement coefficient M is the same on the front and back when the front and back shapes and areas of the excitation electrodes 25a and 25b are different. In order to make it equal to the case of the shape and area, the electrode film thicknesses on the front and back sides are each 120 nm. When the resistance value of the excitation electrode portion at each electrode film thickness is calculated, it can be seen from FIG. 3 that the sheet resistance of the electrode film thickness of 60 nm is 1.2Ω / □ in the case of the same shape and area on the front and back surfaces. The resistance value at the electrode portion is about 2.4Ω. On the other hand, when the shape and area of the front and back sides are different, the sheet resistance with an electrode film thickness of 120 nm is 0.3Ω / □, and the resistance value at the excitation electrode portions on the front and back sides is about 0.6Ω. Therefore, when designing a vibration element having the same energy confinement factor M, the design of the excitation electrode with different shapes and areas of the front and back surfaces can reduce the CI value because the influence of ohmic cross can be reduced to about 1/4. is there.

図4は図1の実施形態例で試作した246MHz〜491MHz帯の共振周波数で振動するATカット水晶振動素子の試作条件と測定結果を示したものである。
表裏の励振電極25a,25bは下地層としてのニッケル(Ni)層の厚みを7nmで一定とし、上地層としての金(Au)層の厚みを45nm〜120nmとしている。励振電極25aの寸法は、hx/hz=1.28を中心として、1.25≦hx/hz≦1.31を満足するように、hxを0.14mm〜0.70mm、hzを0.11mm〜0.56mmとしている。尚、hzは励振電極25aの厚み滑り振動方向と直交する方向に沿った寸法(長さ)である。
また、表裏のリード電極27a,27bとパッド電極29a,29bはオーミックロスの影響を回避するために励振電極と同等の厚みを形成した上層部に、厚みが7nmのニッケル(Ni)の層を積層し、その上に厚みが200nmの金(Au)層を積層している。
ここで、図4に示す試作条件は、前述の式(1)、(2)、(5)、(6)を満たしている。
M=K×(hx/2×ts)×√△・・・(1)
△=(fs− fe)/fs・・・(2)
fs=R/[ts+te2×(ρe/ρx)]・・・(5)
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]・・・(6)
尚、各パラメータは以下の通りである。
K=1.538
R=1.67(MHz・mm)
ρx=2.649(g/cm3)
ρAu(金の密度)=19.3(g/cm
ρNi(ニッケルの密度)=8.9(g/cm
2層構造からなる励振電極の密度ρeは以下のように算出される。
ρe=(ρAu×tAu+ρNi×tNi)/(tAu+tNi
ここで、tAuは上地層の金(Au)層の厚み、tNiは下地層のニッケル(Ni)層の厚みである。
fsは振動部12のカットオフ周波数、feは振動部12に励振電極を配置したときの周波数である。
図4からエネルギー閉じ込め係数Mは、15.5≦M≦36.7としたとき、主振動のCI値を20(Ω)以下に低減できることが分かる。
FIG. 4 shows prototype conditions and measurement results of an AT-cut quartz-crystal vibrating element that vibrates at a resonance frequency in the 246 MHz to 491 MHz band that was prototyped in the embodiment of FIG.
In the excitation electrodes 25a and 25b on the front and back sides, the thickness of a nickel (Ni) layer as a base layer is constant at 7 nm, and the thickness of a gold (Au) layer as an upper layer is 45 nm to 120 nm. The dimensions of the excitation electrode 25a are hx 0.14 mm to 0.70 mm and hz 0.11 mm so that 1.25 ≦ hx / hz ≦ 1.31 is satisfied with hx / hz = 1.28 as the center. It is set to -0.56 mm. Note that hz is a dimension (length) along the direction orthogonal to the thickness-shear vibration direction of the excitation electrode 25a.
In addition, the lead electrodes 27a and 27b on the front and back sides and the pad electrodes 29a and 29b are laminated with a layer of nickel (Ni) having a thickness of 7 nm on the upper layer portion having a thickness equivalent to that of the excitation electrode in order to avoid the influence of ohmic cross. On top of that, a gold (Au) layer having a thickness of 200 nm is laminated.
Here, the trial production conditions shown in FIG. 4 satisfy the above-described formulas (1), (2), (5), and (6).
M = K × (hx / ( 2 × ts ) ) × √Δ (1)
Δ = (fs−fe) / fs (2)
fs = R / [ts + te2 × (ρe / ρx)] (5)
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)] (6)
Each parameter is as follows.
K = 1.538
R = 1.67 (MHz · mm)
ρx = 2.649 (g / cm 3)
ρ Au (gold density) = 19.3 (g / cm 3 )
ρ Ni (Nickel density) = 8.9 (g / cm 3 )
The density ρe of the excitation electrode having a two-layer structure is calculated as follows.
ρe = (ρ Au × t Au + ρ Ni × t Ni ) / (t Au + t Ni )
Here, t Au is the thickness of the upper layer gold (Au) layer, and t Ni is the thickness of the lower layer nickel (Ni) layer.
fs is a cut-off frequency of the vibration part 12, and fe is a frequency when the excitation electrode is arranged on the vibration part 12.
FIG. 4 shows that when the energy confinement coefficient M is 15.5 ≦ M ≦ 36.7, the CI value of the main vibration can be reduced to 20 (Ω) or less.

図5は図4に示したATカット水晶振動素子のエネルギー閉じ込め係数Mに対するCI値をグラフ上にプロットして示したものである。エネルギー閉じ込め係数Mが大きくなるとCI値は小さくなる傾向を示し、電極膜厚が大きくなることでオーミックロスの影響が小さくなることと、電極面積が大きくなることで励振電荷が多くなり抵抗が小さくなるためと考えられる。
よって、図5より、エネルギー閉じ込め係数Mが17.1以上とすることで、発振回路が必要とするCI値仕様(CI≦20Ω)を満足することができる。
FIG. 5 is a graph plotting CI values with respect to the energy confinement factor M of the AT-cut quartz resonator shown in FIG. The CI value tends to decrease as the energy confinement factor M increases, and the influence of ohmic cross decreases as the electrode film thickness increases, and the excitation charge increases and the resistance decreases as the electrode area increases. This is probably because of this.
Therefore, as shown in FIG. 5, when the energy confinement coefficient M is 17.1 or more, the CI value specification (CI ≦ 20Ω) required by the oscillation circuit can be satisfied.

図6は図4に示したATカット水晶振動素子のエネルギー閉じ込め係数Mに対する主振動のCI値(CIm)とスプリアスのCI値(CIs)とのCI値比(CIs/CIm)を示したものである。エネルギー閉じ込め係数Mが大きくなるとCI値比(CIs/CIm)は小さくなる傾向を示し、励振電極の膜厚や面積が大きくなることでインハーモニックモードのスプリアスを強く閉じ込めてしまうためであると考えられる。
図6より、エネルギー閉じ込め係数Mが35.7以下とすることで、発振回路が必要とするスプリアスの仕様(CIs/CIm≧2.0)を満足することができる。
FIG. 6 shows the CI value ratio (CIs / CIm) between the CI value (CIm) of the main vibration and the CI value (CIs) of the spurious relative to the energy confinement factor M of the AT-cut quartz crystal resonator element shown in FIG. is there. This is because the CI value ratio (CIs / CIm) tends to decrease as the energy confinement factor M increases, and the in-harmonic mode spurious is confined strongly by increasing the film thickness and area of the excitation electrode. .
As shown in FIG. 6, when the energy confinement coefficient M is 35.7 or less, the spurious specifications (CIs / CIm ≧ 2.0) required by the oscillation circuit can be satisfied.

以上の結果から、励振電極25a,25bの表裏の形状と面積が異なる場合、発振回路が必要とするCI値の仕様(CI≦20Ω)とスプリアスの仕様(CIs/CIm≧2.0)を同時に満足できるのはエネルギー閉じ込め係数Mが17.1≦M≦35.7を満たすときであることが判明した。   From the above results, when the shapes and areas of the front and back surfaces of the excitation electrodes 25a and 25b are different, the CI value specification (CI ≦ 20Ω) and the spurious specification (CIs / CIm ≧ 2.0) required by the oscillation circuit are simultaneously obtained. It has been found that the energy confinement factor M satisfies 17.1 ≦ M ≦ 35.7.

図1の実施形態例では、励振電極25a,25bの形状として四角形、つまり正方形、又は矩形(X軸方向を長辺とする)の例を示したが、これに限定する必要はない。表面側の励振電極25aが円形や楕円形であり、裏面側の励振電極25bは、励振電極25aより十分に大きな四角形、円形および楕円形であっても良い。
更に、ATカット水晶基板を用いた厚み滑り振動モードの場合、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が異なり、その電極寸法比(hx/hz)は約1.28が最も効率が良いと言われているので、その比の楕円形状や矩形形状の励振電極形状が水晶振動素子の容量比γ(=C0/C1、ここで、C0は静電容量、C1は直列共振容量)を最小にできる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the excitation electrodes 25a and 25b are shown as square, that is, square or rectangular (the long side is the X-axis direction), but it is not necessary to limit to this. The excitation electrode 25a on the front surface side may be circular or elliptical, and the excitation electrode 25b on the back surface side may be a rectangle, circle, or ellipse that is sufficiently larger than the excitation electrode 25a.
Furthermore, in the thickness-shear vibration mode using an AT-cut quartz substrate, the displacement distribution in the displacement direction determined by the crystal anisotropy differs from the displacement in the direction orthogonal thereto, and the electrode dimension ratio (hx / hz) is Since about 1.28 is said to be the most efficient, the elliptical or rectangular excitation electrode shape of the ratio is the capacitance ratio γ (= C0 / C1, where C0 is the electrostatic capacitance) , C1 can minimize the series resonance capacity).

次に、オーミックロスの影響を回避するために表裏のリード電極27a,27bとパッド電極29a,29bを厚膜化した実験結果を図7に示す。厚膜化は励振電極25a,25bと同等の膜厚を形成した上層部に、ニッケル(Ni)膜厚を7nm積層し、その上に金(Au)を膜厚200nm積層し形成している。図7は図1の実施形態例で試作した491MHz帯の共振周波数で振動するATカット水晶振動素子のリード電極膜厚に対するCI値を示したものである。
図7より、リード電極27a,27bとパッド電極29a,29bの膜厚を厚膜化することで、CI値は25.1Ωから13.2Ωへと低減することができる。従って、リード電極27a,27bやパッド電極29a,29bの膜厚化は、振動素子1の低CI化に有効である。特に、細く長くする必要のあるリード電極27a,27bは膜厚化による低CI化の効果が非常に大きい。
Next, FIG. 7 shows an experimental result in which the lead electrodes 27a and 27b on the front and back sides and the pad electrodes 29a and 29b are thickened in order to avoid the influence of ohmic cross. To increase the film thickness, a nickel (Ni) film thickness of 7 nm is laminated on the upper layer part having a film thickness equivalent to that of the excitation electrodes 25a and 25b, and gold (Au) is laminated thereon to a thickness of 200 nm. FIG. 7 shows the CI value with respect to the lead electrode film thickness of the AT-cut quartz-crystal vibrating element that vibrates at the resonance frequency in the 491 MHz band, which was prototyped in the embodiment of FIG.
As shown in FIG. 7, the CI value can be reduced from 25.1Ω to 13.2Ω by increasing the film thickness of the lead electrodes 27a and 27b and the pad electrodes 29a and 29b. Therefore, increasing the film thickness of the lead electrodes 27 a and 27 b and the pad electrodes 29 a and 29 b is effective for reducing the CI of the vibration element 1. In particular, the lead electrodes 27a and 27b that need to be thin and long have a great effect of reducing the CI by reducing the film thickness.

2.振動子
次に、前述した振動素子1を適用した振動子(本発明の振動子)について説明する。
図8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8(a)は蓋部材を省略した平面図であり、図8(b)は縦断面図である。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、ガラス等から成る蓋部材49と、で構成されている。
パッケージ本体40は、図8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。
2. Next, a vibrator (the vibrator of the present invention) to which the above-described vibration element 1 is applied will be described.
8A and 8B are diagrams showing the configuration of the vibrator according to the embodiment of the present invention. FIG. 8A is a plan view in which the lid member is omitted, and FIG. 8B is a longitudinal sectional view. The vibrator 2 includes a vibration element 1, a package body 40 formed in a rectangular box shape for housing the vibration element 1, and a lid member 49 made of metal, ceramic, glass, or the like. .
As shown in FIG. 8, the package body 40 is formed by stacking a first substrate 41, a second substrate 42, a third substrate 43, a seal ring 44, and mounting terminals 45. Yes. A plurality of mounting terminals 45 are formed on the outer bottom surface of the first substrate 41. The third substrate 43 is an annular body from which the central portion is removed, and a seal ring 44 such as Kovar is formed on the upper peripheral edge of the third substrate 43.
The third substrate 43 and the second substrate 42 form a recess (cavity) that houses the vibration element 1. A plurality of element mounting pads 47 that are electrically connected to the mounting terminals 45 by conductors 46 are provided at predetermined positions on the upper surface of the second substrate 42. The element mounting pad 47 is disposed so as to correspond to the pad electrode 29a formed on the second thick body 15a when the vibration element 1 is mounted.

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。   When fixing the vibration element 1, first, the vibration element 1 is inverted (turned over) and the pad electrode 29 a is placed on the element mounting pad 47 coated with the conductive adhesive 30 and a load is applied. The conductive adhesive 30 uses a polyimide adhesive with little degassing in consideration of aging.

次に、パッケージ本体40に搭載された振動素子1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8(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マウント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、励振電極25bに質量を付加するか、又は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。
Next, in order to cure the conductive adhesive 30 of the vibration element 1 mounted on the package body 40, it is placed in a high temperature furnace at a predetermined temperature for a predetermined time. After the conductive adhesive 30 is cured, the pad electrode 29b that is inverted and turned to the upper surface side and the electrode terminal 48 of the package body 40 are electrically connected by the bonding wire BW. As shown in FIG. 8B, since the vibration element 1 is supported / fixed to the package body 40 at one place (one point), the magnitude of the mount stress generated by the support fixation can be reduced. Become.
After the annealing treatment, the frequency is adjusted by adding mass to the excitation electrode 25b or reducing the mass. Thereafter, the lid member 49 is placed on the seal ring 44 formed on the upper surface of the package body 40, and the lid member 49 is sealed by seam welding in a reduced pressure atmosphere or an atmosphere of nitrogen gas. Complete. Alternatively, there is a method in which the lid member 49 is placed on the low-melting glass applied on the upper surface of the third substrate 43 of the package body 40 and melted and adhered. Also in this case, the inside of the cavity of the package is made into a reduced pressure atmosphere or filled with an inert gas such as nitrogen gas to complete the vibrator 2.

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8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。
The vibration element 1 formed by separating the pad electrodes 29a and 29b in the Z′-axis direction may be configured. In this case as well, the vibrator can be configured similarly to the vibrator 2 described with reference to FIG. Moreover, you may comprise the vibration element 1 which formed the pad electrodes 29a and 29b on the same surface at intervals. In this case, the vibration element 1 has a structure in which the conductive adhesive 30 is applied at two locations (two points) so as to be conductive, supported, and fixed. Although the structure is suitable for reducing the height, the mounting stress due to the conductive adhesive 30 may be slightly increased.
In the above-described embodiment of the vibrator 2, an example in which a laminated plate is used for the package body 40 has been described. However, vibration is performed using a cap that uses a single-layer ceramic plate for the package body 40 and has a drawing process for the lid. You may comprise a child.

図8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に起因して生じるマウント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。   As shown in FIG. 8, the portion that supports the vibration element 1 is one point, and the mounting stress caused by the conductive adhesive 30 is provided by providing the slit 17 between the thick portion 13 and the vibration portion 12. Therefore, it is possible to obtain the vibrator 2 having excellent frequency reproducibility, frequency temperature characteristics, CI temperature characteristics, and frequency aging characteristics.

3.電子デバイス
次に、本発明の振動素子を適用した発振器(本発明の電子デバイス)について説明する。
図9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9(a)は蓋部材を省略した平面図であり、図9(b)は縦断面図である。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。
3. Next, an oscillator (an electronic device of the present invention) to which the vibration element of the present invention is applied will be described.
9A and 9B are diagrams showing a configuration of an electronic device according to an embodiment of the present invention. FIG. 9A is a plan view in which a lid member is omitted, and FIG. 9B is a longitudinal sectional view. . The electronic device 3 includes a package body 50, a lid member 49, the vibration element 1, an IC component 51 on which an oscillation circuit for exciting the vibration element 1 is mounted, a variable capacitance element whose capacitance varies with voltage, and a resistance higher than temperature. And at least one electronic component 52 such as a changing thermistor or inductor.

パッケージ本体50は、図9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、および電子部品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。
As shown in FIG. 9, the package body 50 is formed by stacking a first substrate 61, a second substrate 62, and a third substrate 63. A plurality of mounting terminals 45 are formed on the outer bottom surface of the first substrate 61. The 2nd board | substrate 62 and the 3rd board | substrate 63 are formed with the annular body from which the center part was removed.
The first substrate 61, the second substrate 62, and the third substrate 63 form a recess (cavity) that accommodates the vibration element 1, the IC component 51, the electronic component 52, and the like. A plurality of element mounting pads 47 that are electrically connected to the mounting terminals 45 by conductors 46 are provided at predetermined positions on the upper surface of the second substrate 62. The element mounting pad 47 is disposed so as to correspond to the pad electrode 29a formed on the second thick body 15a when the vibration element 1 is mounted.

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を真空、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。
The pad electrode 29a of the inverted vibration element 1 is placed on the element mounting pad 47 of the package body 50 to which the conductive adhesive (polyimide) 30 is applied, and conduction between the pad electrode 29a and the element mounting pad 47 is achieved. One electrode of the IC component 51 is connected through a conductor formed between the substrates of the package body 50 by connecting the pad electrode 29b which is inverted to the upper surface side and the electrode terminal 48 of the package body 50 by a bonding wire BW. Conduction with the terminal 55 is intended. The IC component 51 is fixed at a predetermined position of the package body 50, and the terminal of the IC component 51 and the electrode terminal 55 of the package body 50 are connected by the bonding wire BW. Further, the electronic component 52 is placed at a predetermined position of the package body 50 and connected to the conductor 46 using a metal bump or the like. The package body 50 is filled with an inert gas such as vacuum or nitrogen, and the package body 50 is sealed with a lid member 49 to complete the electronic device 3.
In the method of connecting the pad electrode 29b and the electrode terminal 48 of the package body 50 with the bonding wire BW, the portion supporting the vibration element 1 is one place (one point), and the mount stress caused by the conductive adhesive 30 Make it smaller. Further, since the vibrating element 1 is inverted and the larger excitation electrode 25b is placed on the upper surface when housed in the package body 50, the frequency adjustment of the electronic device 3 is facilitated.

図9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り、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。
As shown in FIG. 9, since the high-frequency vibrating element 1 excited by the fundamental wave is used by configuring the electronic device 3, the capacitance ratio is small, the frequency variable width is widened, and the S / N ratio is increased. There is an effect that a good voltage controlled oscillator can be obtained.
In addition, an oscillator, a temperature compensated oscillator, and the like can be configured as the electronic device 3, and an oscillator excellent in frequency reproducibility, aging characteristics, and frequency temperature characteristics can be configured.

4.電子機器
次いで、本発明の一実施形態に係る振動素子を適用した電子機器(本発明の電子機器)について、図10〜図12に基づき、詳細に説明する。
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。
4). Electronic Device Next, an electronic device (electronic device of the present invention) to which the vibration element according to an embodiment of the present invention is applied will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 10 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer as an electronic apparatus including the resonator element according to the embodiment of the invention. In this figure, a personal computer 1100 includes a main body portion 1104 provided with a keyboard 1102 and a display unit 1106 provided with a display portion 100. The display unit 1106 is rotated with respect to the main body portion 1104 via a hinge structure portion. It is supported movably. Such a personal computer 1100 incorporates a vibration element 1 that functions as a filter, a resonator, a reference clock, and the like.

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および送話口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。   FIG. 11 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile phone (including PHS) as an electronic apparatus including the resonator element according to the embodiment of the invention. In this figure, a cellular phone 1200 includes a plurality of operation buttons 1202, an earpiece 1204, and a mouthpiece 1206, and the display unit 100 is disposed between the operation buttons 1202 and the earpiece 1204. Such a cellular phone 1200 incorporates the vibration element 1 that functions as a filter, a resonator, or the like.

図12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ィ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、ディ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。
ディ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、このディ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1430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1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、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1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなディ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。
FIG. 12 is a perspective view illustrating a configuration of a digital still camera as an electronic apparatus including the resonator element according to the embodiment of the invention. In this figure, connection with an external device is also simply shown. Here, an ordinary camera sensitizes a silver halide photographic film with a light image of a subject, whereas a digital still camera 1300 photoelectrically converts a light image of a subject with an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device). An imaging signal (image signal) is generated.
A display unit 100 is provided on the back of a case (body) 1302 in the digital still camera 1300, and is configured to perform display based on an imaging signal from the CCD. The display unit 100 displays a subject as an electronic image. Functions as a viewfinder. A light receiving unit 1304 including an optical lens (imaging optical system), a CCD, and the like is provided on the front side (the back side in the drawing) of the case 1302.
When the photographer confirms the subject image displayed on the display unit 100 and presses the shutter button 1306, the CCD image pickup signal at that time is transferred and stored in the memory 1308. In the digital still camera 1300, a video signal output terminal 1312 and an input / output terminal 1314 for data communication are provided on the side surface of the case 1302. As shown in the figure, a television monitor 1430 is connected to the video signal output terminal 1312 and a personal computer 1440 is connected to the input / output terminal 1314 for data communication as necessary. Further, the imaging signal stored in the memory 1308 is output to the television monitor 1430 or the personal computer 1440 by a predetermined operation. Such a digital still camera 1300 incorporates a vibration element 1 that functions as a filter, a resonator, or the like.

なお、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器は、図10のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図11の携帯電話機、図12のディジタルスチールカメラの他にも、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。   Note that the electronic apparatus including the vibration element according to the embodiment of the present invention includes, for example, an inkjet in addition to the personal computer (mobile personal computer) in FIG. 10, the mobile phone in FIG. 11, and the digital still camera in FIG. Dispenser (for example, ink jet printer), laptop personal computer, TV, video camera, video tape recorder, car navigation device, pager, electronic notebook (including communication function), electronic dictionary, calculator, electronic game machine, word processor , Workstations, videophones, crime prevention TV monitors, electronic binoculars, POS terminals, medical equipment (eg, electronic thermometers, blood pressure monitors, blood glucose meters, electrocardiogram measuring devices, ultrasonic diagnostic devices, electronic endoscopes), fish detectors, Various measuring instruments and instruments (example If, gages for vehicles, aircraft, and ships), can be applied to a flight simulator or the like.

5.移動体
次に、本発明の振動子を適用した移動体(本発明の移動体)について説明する。
図13は、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である。自動車1500には、振動子2(振動素子1)が搭載されている。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)1510に広く適用できる。
5). Next, a moving body (moving body of the present invention) to which the vibrator of the present invention is applied will be described.
FIG. 13 is a perspective view schematically showing an automobile as an example of the moving object of the present invention. The automobile 1500 is equipped with a vibrator 2 (vibration element 1). The vibrator 2 includes keyless entry, immobilizer, car navigation system, car air conditioner, anti-lock brake system (ABS), air bag, tire pressure monitoring system (TPMS), engine control, hybrid car, The present invention can be widely applied to an electronic control unit (ECU) 1510 such as an electric vehicle battery monitor and a body posture control system.

以上、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体について、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。   As described above, the resonator element, the vibrator, the oscillator, the electronic device, and the moving body of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part is the same. It can be replaced with any configuration having the above function. In addition, any other component may be added to the present invention. Moreover, you may combine each embodiment mentioned above suitably.

1…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、25a,25b…励振電極、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…ディ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、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター、1500…自動車、1510…電子制御ユニット。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibration element, 2 ... Vibrator, 3 ... Electronic device, 10 ... Board | substrate, 11 ... Recessed part, 12 ... Vibrating part, 13 ... Thick part, 14 ... 1st thick part, 14a ... 1st thickness Meat body, 14b ... 1st inclined part, 15 ... 2nd thick part, 15a ... 2nd thick body, 15b ... 2nd inclined part, 16 ... 3rd thick part, 16a ... 3rd 16b ... the third inclined part, 17 ... slit, 25a, 25b ... excitation electrode, 27a, 27b ... lead electrode, 29a, 29b ... pad electrode, 30 ... conductive adhesive, 40 ... package body, DESCRIPTION OF SYMBOLS 41 ... 1st board | substrate, 42 ... 2nd board | substrate, 43 ... 3rd board | substrate, 44 ... Seal ring, 45 ... Mounting terminal, 46 ... Conductor, 47 ... Element mounting pad, 48 ... Electrode terminal, 49 ... Lid member 50 ... Package body, 51 ... IC component, 52 ... Electronic component, 55 ... Electrode terminal, 61 ... 1 substrate 62 62 second substrate 63 third substrate 100 display unit 1100 personal computer 1102 keyboard 1104 main body 1106 display unit 1200 mobile phone 1202 operation Button 1204 ... Earpiece, 1206 ... Mouthpiece, 1300 ... Digital still camera, 1302 ... Case, 1304 ... Light receiving unit, 1306 ... Shutter button, 1308 ... Memory, 1312 ... Video signal output terminal, 1314 ... Input / output terminal, 1430 ... TV monitor, 1440 ... personal computer, 1500 ... automobile, 1510 ... electronic control unit.

Claims (9)

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の主面に配置されている第1の励振電極と、
前記第2の主面に配置さている第2の励振電極と、
を含み、
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配置されており、
前記基板の厚さをts、前記第1の励振電極と前記第2の励振電極の厚さの合計をte、前記第2の励振電極の厚さをte2、前記第1の励振電極の厚みすべり振動の振動方向に沿った方向の長さをhx、前記第1の励振電極および前記第2の励振電極の密度をρe、前記基板の密度をρx、前記基板のカットオフ周波数をfs、前記基板に前記第1の励振電極および前記第2の励振電極を配置したときに前記基板で励振される周波数をfe、前記基板のエネルギー閉じ込め係数をM、周波数低下量を△、前記基板の周波数定数をR、前記基板の異方性定数をK、として
M=K×(hx/2×ts)×√△
△=(fs−fe)/fs
fs=R/[ts+te2×(ρe/ρx)]
fe=R/[ts+te×(ρe/ρx)]
15.5≦M≦36.7
の関係を満たすことを特徴とする振動素子
A substrate including a first main surface and a second main surface which are vibrated by thickness-shear vibration and have a front-back relationship;
A first excitation electrode disposed on the first main surface;
A second excitation electrode arranged on the second main surface,
Including
It said first excitation electrodes, in a plan view, is disposed within the outer edge than the second excitation electrode,
The thickness of the substrate is ts, the total thickness of the first excitation electrode and the second excitation electrode is te, the thickness of the second excitation electrode is te2, and the thickness of the first excitation electrode is slipped. The length along the vibration direction of the vibration is hx, the density of the first excitation electrode and the second excitation electrode is ρe, the density of the substrate is ρx, the cutoff frequency of the substrate is fs, and the substrate The frequency excited by the substrate when the first excitation electrode and the second excitation electrode are arranged on the substrate is fe, the energy confinement coefficient of the substrate is M, the frequency reduction is Δ, and the frequency constant of the substrate is R, where K is the anisotropy constant of the substrate, M = K × (hx / ( 2 × ts ) ) × √Δ
Δ = (fs−fe) / fs
fs = R / [ts + te2 × (ρe / ρx)]
fe = R / [ts + te × (ρe / ρx)]
15.5 ≦ M ≦ 36.7
Transducer elements and satisfies the relationship.
請求項1において、
17.1≦M≦35.7
の関係を満たすことを特徴とする振動素子。
In claim 1,
17.1 ≦ M ≦ 35.7
A vibration element characterized by satisfying the relationship:
請求項1又は2において、
前記第1の励振電極の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振動素子。
In claim 1 or 2,
When the length along the direction orthogonal to the thickness shear vibration direction of the first excitation electrode is hz,
1.25 ≦ hx / hz ≦ 1.31
A vibration element characterized by satisfying the relationship:
請求項1乃至3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。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The vibration element, wherein the substrate is a quartz substrate.
請求項4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。
In claim 4,
A vibrating element, wherein the quartz substrate is an AT cut quartz substrate.
請求項1乃至5のいずれか一項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振動子。
The vibration element according to any one of claims 1 to 5,
A package containing the vibration element;
A vibrator characterized by comprising:
請求項1乃至5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。
The vibration element according to any one of claims 1 to 5,
An oscillation circuit for driving the vibration element;
An electronic device comprising:
請求項1乃至5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。   An electronic apparatus comprising the vibration element according to claim 1. 請求項1乃至5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。   A moving body comprising the vibration element according to claim 1.
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