JP2011223228A - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】異形部に依存することなく、股部の側面における電極間の短絡を回避できる構成の振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器の提供。
【解決手段】水晶振動片１は、水晶の原石などから、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がウエットエッチングによって形成された水晶振動片であって、基部１１と、基部１１からＹ軸に沿って延びる一対の振動腕１２，１３と、を備え、一対の振動腕１２，１３の根元部同士を繋ぐ股部１９を挟んで一対の振動腕１２，１３の側面１２ａ，１３ａに励振電極２０，２１が形成され、股部１９の、Ｘ軸のプラス側を向いた側面１９ａに突起部１９ｂが形成され、突起部１９ｂが鋭角部１９ｃを有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器に関する。

特許文献１には、音叉型水晶振動子（以下、音叉型水晶振動片という）において、音叉の２個の腕部（以下、振動腕という）が幅Ｄの間隔を有し、音叉型水晶振動片の股部の表面（主面）の円弧の最下部と股部の頂点との間に間隔Ｈを有し、かつＤ／Ｈが６から１４である音叉型水晶振動片が開示されている。

特開平５−３０８２３８号公報（図１）

特許文献１の音叉型水晶振動片のように、水晶をウエットエッチング（以下、単にエッチングともいう）して形成される振動片には、水晶の結晶軸に対する方向によってエッチング速度が異なるエッチング異方性により、複数の振動腕同士を繋ぐ股部の側面に、傾斜面を有するヒレ状の異形部（エッチング残り）が形成されることがある（特許文献１の図１参照）。
振動片は、この異形部によって、例えば、股部に応力集中が発生し、高ドライブ時（印加電力が大きい状態）に振動腕が破損することや、振動特性の劣化が生じることがある。

この異形部は、振動腕間の間隔を広げれば（股部を広げれば）、エッチングの進行度合いが変化することにより、発生し難くなることが分かっている。
しかしながら、振動片は、この異形部を電極形成の際に利用していることから、安易に振動腕間の間隔を広げられない状況にある。
具体的に述べれば、振動片は、この異形部の傾斜面に成膜された電極パターニング用のレジストが露光されることによって、股部の側面に成膜された不要な電極材料が除去されやすくなっている。これにより、振動片は、股部の側面における電極間の短絡が回避されている。

しがたって、振動片は、この異形部に依存することなく、股部の側面における電極間の短絡を回避できる構成の具現化が課題となっている。

本発明は、上記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。

［適用例１］本適用例にかかる振動片は、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がウエットエッチングによって形成された振動片であって、基部と、前記基部から、前記Ｙ軸に沿って延びる複数の振動腕と、を備え、前記複数の振動腕の根元部同士を繋ぐ股部を挟んで前記複数の振動腕の側面に電極が形成され、前記股部には、前記Ｘ軸のプラス側を向いた側面に突起部が形成され、前記突起部は、鋭角部を有していることを特徴とする。

これによれば、振動片は、複数の振動腕の根元部同士を繋ぐ股部を挟んで複数の振動腕の側面に電極が形成され、股部の、Ｘ軸のプラス側を向いた側面に突起部が形成され、突起部が鋭角部を有している。
このことから、振動片は、振動腕の側面への電極形成の際に、突起部の鋭角部によって電極材料が付着し難くなることから、突起部への電極形成が阻害される。
この結果、振動片は、従来のような異形部に依存することなく、股部の側面における電極間の短絡を、突起部によって回避することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる振動片において、前記鋭角部の稜線が前記股部の一方の主面側と他方の主面側とを繋ぐように延びていることが好ましい。

これによれば、振動片は、鋭角部の稜線が股部の一方の主面側と他方の主面側とを繋ぐように延びていることから、突起部への電極形成がより阻害され、股部の側面における電極間の短絡を、突起部によってより確実に回避することができる。

［適用例３］上記適用例にかかる振動片において、前記振動腕の先端部に前記振動腕の腕部より幅が広い錘部が設けられていることが好ましい。

これによれば、振動片は、振動腕の先端部に振動腕の腕部（振動腕の本体部分）より幅が広い錘部が設けられていることから、錘部の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果により、Ｑ値を維持しながら振動腕を短くすることができる。
この結果、振動片は、Ｑ値を維持しながら小型化を図ることが可能となる。

［適用例４］上記適用例にかかる振動片において、前記複数の振動腕と、前記基部とを含んで音叉を構成することが好ましい。

これによれば、振動片は、複数の振動腕と、基部とを含んで音叉を構成することから、股部の側面における電極間の短絡を突起部によって回避可能な音叉型圧電振動片を提供できる。

［適用例５］本適用例にかかる振動子は、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする。

これによれば、振動子は、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の振動片を備えていることから、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の効果を奏する振動子を提供できる。

［適用例６］本適用例にかかる発振器は、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片を発振させる発振回路を有する回路素子と、前記振動片及び前記回路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。

これによれば、発振器は、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の振動片を備えていることから、上記適用例１ないし適用例４のいずれか一例に記載の効果を奏する発振器を提供できる。

第１の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 図１（ａ）の要部拡大斜視図。 第２の実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 第３の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。図２は、図１（ａ）のＢ部拡大斜視図である。なお、図１の平面図では、電極を簡略化及び一部省略して表している。

図１に示すように、振動片としての水晶振動片１は、水晶の原石などから、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィ技術を用いたウエットエッチングによって形成されている。

ここで、Ｚ板とは、切り出し面（主面１０）がＺ軸に対して略直交したものをいい、このＺ軸に直交した主面１０が、Ｘ軸のプラス側から見てＹ軸からＺ軸の方向へ反時計回りまたは時計回りに０度〜数度の範囲で回転した状態で切り出されたものも含まれる。
水晶振動片１は、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸、Ｚ軸が光軸となるように、水晶の単結晶から切り出される。
なお、水晶振動片１は、水晶からの切り出し角度の誤差を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々につき多少の範囲（例えば、０度〜５度程度の範囲）で許容できる。

水晶振動片１は、基部１１と、基部１１からＹ軸に沿って延びる互いに略平行な一対の振動腕１２，１３と、基部１１をＸ軸方向に切り欠いた一対の切り欠き部１４と、基部１１からＸ軸方向に突出し、振動腕１２，１３側に略直角に折れ曲がり、振動腕１２，１３に沿ってＹ軸方向に延びる一対の支持部１５とを備えている。

一対の振動腕１２，１３は、基部１１からＹ軸方向に延びる腕部１６と、腕部１６の先端部に形成され、腕部１６より幅が広く、Ｙ軸方向に延びる錘部１７と、一対の振動腕１２，１３の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って形成され、一対の振動腕１２，１３の並ぶ方向（Ｘ軸方向）に沿って切断した振動腕１２，１３の断面形状が、略Ｈ字状となる溝部１８と、を有している。
なお、図１（ｂ）に示すように、溝部１８は、断面形状において、エッチング異方性により矩形形状になり難い。

水晶振動片１は、一対の振動腕１２，１３の溝部１８、一方の主面１０ａ、他方の主面１０ｂ及び一対の振動腕１２，１３の根元部同士を繋ぐ股部１９を挟んで一対の振動腕１２，１３の側面１２ａ，１３ａなどに電極が形成されている。
水晶振動片１は、股部１９のＸ軸のプラス側を向いた側面１９ａに突起部１９ｂが形成されている。そして、突起部１９ｂは、鋭角部１９ｃを有している。
鋭角部１９ｃの稜線は、股部１９の一方の主面１０ａ側と他方の主面１０ｂ側とを繋ぐように延びている。
なお、突起部１９ｂの根元と側面１９ａとは、応力集中を緩和するために曲面で繋がれていることが好ましい。

なお、水晶振動片１は、股部１９の側面１９ａに対して反対側の側面（Ｘ軸のマイナス側を向いた側面）に突起部１９ｂを設定した場合、水晶のエッチング異方性によって、所望の形状が安定的に形成されない虞がある。
これにより、水晶振動片１は、突起部１９ｂが股部１９のＸ軸のプラス側を向いた側面１９ａに形成されている。

図１に示すように、水晶振動片１は、基部１１と、一対の振動腕１２，１３とを含んで音叉を構成することで、音叉型振動片としての音叉型水晶振動片となっており、支持部１５の所定の位置でパッケージなどの外部部材に固定されるようになっている。
そして、水晶振動片１は、一対の振動腕１２，１３に形成された後述する電極としての励振電極２０，２１に、外部から駆動信号が印加されることにより、一対の振動腕１２，１３が、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で矢印Ｃ方向及び矢印Ｄ方向に交互に屈曲振動（共振）する。

ここで、一対の振動腕１２，１３に形成されている励振電極２０，２１について詳述する。
図１（ｂ）に示すように、一対の振動腕１２，１３には、外部から印加される駆動信号の印加電位の極性が異なる励振電極２０と励振電極２１とが形成されている。
このことから、励振電極２０と励振電極２１とは、短絡しないように互いに間隔を空けて形成される設定となっている。
振動腕１２の溝部１８には、励振電極２０が形成され、振動腕１２の両側面には励振電極２１が形成されている。なお、振動腕１２の両側面の励振電極２１は、錘部１７に形成された接続電極２２を介して互いに接続されている。

一方、振動腕１３の溝部１８には、励振電極２１が形成され、振動腕１３の両側面には励振電極２０が形成されている。
なお、振動腕１３の両側面の励振電極２０は、錘部１７に形成された接続電極２２を介して互いに接続されている。
励振電極２０，２１は、基部１１を介して支持部１５まで引き出され、引き出された部分が、パッケージなどの外部部材に固定される際に用いられるマウント電極２０ａ，２１ａとなっている。なお、マウント電極２０ａ，２１ａは、一方の主面１０ａ及び他方の主面１０ｂの両方に形成されている。

図２に示すように、股部１９を挟んで振動腕１２の側面１２ａには、励振電極２１が形成され、振動腕１３の側面１３ａには、励振電極２０が形成されている。
つまり、一対の振動腕１２，１３の、股部１９で繋がっている側面１２ａ，１３ａには、股部１９を挟んで、印加電位の極性が異なる励振電極２０と励振電極２１とが形成されている。
水晶振動片１は、仮に振動腕１２，１３の側面１２ａ，１３ａに形成される励振電極２０と励振電極２１とが、股部１９で分断されない場合、励振電極２０と励振電極２１とが短絡することとなる。

ここで、励振電極２０，２１の形成方法の概略について説明する。
励振電極２０，２１は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕなどの電極材料が、蒸着、スパッタなどの方法で水晶振動片１の略全面に成膜され、成膜された電極材料を覆うようにレジストが塗布され、フォトリソグラフィ技術などを用いて所望の電極パターン形状に露光された後、電極材料の露出した不要部分がエッチングで除去されることにより、所望の電極パターン形状に形成される。

この際、一対の振動腕１２，１３の股部１９の突起部１９ｂは、鋭角部１９ｃを有していることから、蒸着、スパッタなどによる電極材料の成膜の段階で、電極材料が付着し難い状態となっている。
これにより、水晶振動片１は、仮に股部１９の側面１９ａにおけるレジストの露光が十分でない場合でも、突起部１９ｂへの励振電極２０，２１の形成が阻害される。
加えて、水晶振動片１は、鋭角部１９ｃの稜線１９ｄが、股部１９の一方の主面１０ａ側と他方の主面１０ｂ側とを繋ぐように延びていることから、突起部１９ｂへの励振電極２０，２１の形成が、突起部１９ｂの側面１９ａの一方の主面１０ａ側から他方の主面１０ｂ側に亘って阻害される。

上述したように、第１の実施形態の水晶振動片１は、股部１９の、Ｘ軸のプラス側を向いた側面１９ａに突起部１９ｂが形成され、突起部１９ｂが鋭角部１９ｃを有している。
これにより、水晶振動片１は、蒸着、スパッタなどを用いた電極材料の成膜の段階で、鋭角部１９ｃによって、突起部１９ｂに電極材料が付着し難い状態となっていることから、突起部１９ｂへの励振電極２０，２１の形成が阻害される。
この結果、水晶振動片１は、従来のような異形部に依存することなく、股部１９の側面１９ａにおける励振電極２０，２１間の短絡を、突起部１９ｂによって回避することができる。

加えて、水晶振動片１は、鋭角部１９ｃの稜線１９ｄが、股部１９の一方の主面１０ａ側と他方の主面１０ｂ側とを繋ぐように延びていることから、突起部１９ｂへの励振電極２０，２１の形成が、突起部１９ｂの側面１９ａの一方の主面１０ａ側から他方の主面１０ｂ側に亘って阻害される。
この結果、水晶振動片１は、股部１９の側面１９ａにおける励振電極２０，２１間の短絡を、突起部１９ｂによってより確実に回避することができる。

また、水晶振動片１は、振動腕１２，１３の先端部に腕部１６より幅が広い錘部１７が設けられていることから、錘部１７の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果により、Ｑ値を維持しながら振動腕１２，１３を短くすることができる。
この結果、水晶振動片１は、Ｑ値を維持しながら小型化を図ることが可能となる。

また、水晶振動片１は、一対の振動腕１２，１３と、基部１１とを含んで音叉を構成することから、股部１９の側面１９ａにおける励振電極２０，２１間の短絡を、突起部１９ｂによって回避可能な音叉型水晶振動片を提供できる。

なお、上記実施形態では、振動腕１２，１３の数を一対（２本）としたが、これに限定するものではなく、３本以上でもよい。
また、切り欠き部１４、支持部１５、錘部１７、溝部１８は、なくてもよい。
また、振動腕１２，１３の屈曲振動の方向は、振動腕１２，１３の厚み方向（Ｚ軸方向）であってもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた振動子について説明する。
図３は、第２の実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＥ−Ｅ線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極は省略してある。

図３に示すように、振動子としての水晶振動子５は、第１の実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
パッケージ８０は、パッケージベース８１、シームリング８２、蓋体８５などから構成されている。
パッケージベース８１は、水晶振動片１を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片１の図示しないマウント電極２０ａ，２１ａ（図１参照）と接続される接続パッド８８が設けられている。
接続パッド８８は、パッケージベース８１内の配線に接続され、パッケージベース８１の外周部に設けられた外部接続端子８３と導通可能に構成されている。

パッケージベース８１の凹部の周囲には、シームリング８２が設けられている。さらに、パッケージベース８１の底部には、貫通穴８６が設けられている。
水晶振動片１は、パッケージベース８１の接続パッド８８に導電性接着剤８４を介して接着固定されている。そして、パッケージ８０は、パッケージベース８１の凹部を覆う蓋体８５とシームリング８２とがシーム溶接されている。
パッケージベース８１の貫通穴８６には、金属材料などからなる封止材８７が充填されている。この封止材８７は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース８１内が減圧状態を保持できるように、貫通穴８６を気密に封止している。
水晶振動子５は、外部接続端子８３を介した外部からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶振動子５は、水晶振動片１を備えていることから、第１の実施形態と同様の効果を奏する水晶振動子を提供することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた発振器について説明する。
図４は、第３の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＦ−Ｆ線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極類は省略してある。

発振器としての水晶発振器６は、上記水晶振動子５の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。なお、水晶振動子５との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図４に示すように、水晶発振器６は、第１の実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を発振させる発振回路を有する回路素子としてのＩＣチップ９１と、水晶振動片１及びＩＣチップ９１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
ＩＣチップ９１は、パッケージベース８１の底部に固着され、Ａｕ、Ａｌなどの金属ワイヤー９２により他の配線と接続されている。
水晶発振器６は、ＩＣチップ９１の発振回路からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶発振器６は、水晶振動片１を備えていることから、第１の実施形態と同様の効果を奏する水晶発振器を提供することができる。

１…振動片としての水晶振動片、５…振動子としての水晶振動子、６…発振器としての水晶発振器、１０…主面（切り出し面）、１０ａ…一方の主面、１０ｂ…他方の主面、１１…基部、１２…振動腕、１２ａ…側面、１３…振動腕、１３ａ…側面、１４…切り欠き部、１５…支持部、１６…腕部、１７…錘部、１８…溝部、１９…股部、１９ａ…側面、１９ｂ…突起部、１９ｃ…鋭角部、１９ｄ…稜線、２０，２１…電極としての励振電極、２０ａ，２１ａ…マウント電極、２２…接続電極、８０…パッケージ、８１…パッケージベース、８２…シームリング、８３…外部接続端子、８４…導電性接着剤、８５…蓋体、８６…貫通穴、８７…封止材、８８…接続パッド、９１…回路素子としてのＩＣチップ、９２…金属ワイヤー。

Claims (6)

1. 水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がウエットエッチングによって形成された振動片であって、
   基部と、
   前記基部から、前記Ｙ軸に沿って延びる複数の振動腕と、を備え、
   前記複数の振動腕の根元部同士を繋ぐ股部を挟んで前記複数の振動腕の側面に電極が形成され、
   前記股部には、前記Ｘ軸のプラス側を向いた側面に突起部が形成され、前記突起部は、鋭角部を有していることを特徴とする振動片。
2. 請求項１に記載の振動片において、前記鋭角部の稜線が前記股部の一方の主面側と他方の主面側とを繋ぐように延びていることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動片において、前記振動腕の先端部に前記振動腕の腕部より幅が広い錘部が設けられていることを特徴とする振動片。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の振動片において、前記複数の振動腕と、前記基部とを含んで音叉を構成することを特徴とする振動片。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の振動片と、
   前記振動片を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする振動子。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の振動片と、
   前記振動片を発振させる発振回路を有する回路素子と、
   前記振動片及び前記回路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発振器。

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