JP4712472B2 - ラーメモード水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化、低ＣＩ値を実現するための素子形状を実現するためのラーメモード振動子のエッチング残渣を少なくするための支持構造に関するものである。

ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。

ラーメモード振動子は数十μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、振動の節を保持することが一般的である。図６に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続しパッケージに組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。

要するに、従来は振動子を作製する際にはＱ値の低下を避けるために振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けており、その関係で、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じてしまう。そのために支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値Ｒ１が大きくなってしまう。更に等価抵抗値Ｒ１を小さくすること及びＱ値の低下を軽減する目的で四隅からの支持部２の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。

上述のように、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子はＱ値の高い振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定しているのが現状である。

また、ラーメモード振動子のＣＩ値を低減する手法としては、例えばＬＱ１Ｔカット、ＬＱ２Ｔカットから得られるラーメモード水晶振動子の振動部を薄く加工することによって等価直列抵抗値（Ｒ１）などの電気的特性の改善効果があることは理論上確認されていることが広く知られていた。ところが、ＬＱ１Ｔカット、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法には向かない結晶方位を有し、その異方性により所望の形状に精密に加工することが困難であるとされてきた。

その結果、ウェットエッチングで加工を行う場合、特に支持部の引き出し方向を任意に決定すると、その引き出し方向によっては大きなエッチング残渣が残ってしまう現状が発生してしまう。そしてそのエッチング残渣を少なくするために、プロテクト膜の改善やマスクパターンの改良や補正により、エッチング残渣を低減する手段を講じるが設計通りの形状が得られないのが現状である。
特開２００３−１４２９７９号公報 特開２００１−３１３５３７号公報 なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。

しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるために、ラーメモード水晶振動子を容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の節から発生するモーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生してしまう。

従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがある。

加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的に小型化が難しくなっている現状にある。その一方で小型化を推進上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、Ｑ値を高く維持することはできるものの、従来のラーメモード振動子の構造上水晶振動子の持つインピーダンス（ＣＩ値）を低く抑えることが難しいのが現状である。

そこで、特許文献１に記載のあるような、振動部のみを薄くすることでＣＩ値を抑える技術が知られている。特許文献では振動子の厚み加工をパウダービームにより実現する記載があるが、パウダービームは機械的な加工処理であることから、製造工程におけるコストの低減が難しいことと、量産化する上でもまた、加工時間を考えても多大の処理時間がかかることが見込まれている。

またその一方で、従来技術に記載するように、ＬＱ１Ｔカット、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法には向かない結晶方位を有するため、その異方性により所望の形状に精密に加工することが困難であることから、ウェットエッチングにより加工した場合、水晶の異方性によるエッチング残渣の影響で（１）設計値通りの形状が得られない、（２）電気的特性を劣化させてしまう、（３）理論上の設計手法すなわち、シミュレーション結果と実際製品との特性とに誤差が生じる、などと言った課題が出てしまう。

そこで上述の課題を改善するために本発明は、ＬＱ１Ｔカット又はＬＱ２Ｔカットの水晶基板からなり、主面形状が矩形の圧電素板と、前記圧電素板の外側に、前記圧電素板と同一平面上に前記圧電素板から所定の間隔を空けて設けられている接続部と、少なくとも前記圧電素板のすべての角部から外側に延びて前記接続部と繋がる支持部とが、一体で構成されており、前記圧電素板に電荷を加えた場合に、前記圧電素板にラーメモードの振動が生じるラーメモード水晶振動子において、すべての前記支持部が、前記圧電素板から、結晶軸の＋Ｘ軸方向から平面視で時計方向に、９０°±５°あるいは、２７０°±５°の角度で回転させた方向に伸びていることを特徴とするラーメモード水晶振動子である。

上述のように本発明は、ラーメモード水晶振動子の製造方法でエッチング溶液を用いた場合に、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法には向かない結晶方位を有し、その異方性により所望の形状に精密に加工することが困難な特性を有することから、支持部のエッチング残渣を大きく残す場合があるが、本発明の支持部構造により改善することがでる。

その結果、ラーメモード振動子の構成要素である、支持部、接続部、振動部を設計値寸法通りに製造することができ、ウェットエッチングにより加工した場合に、水晶の異方性によるエッチング残渣の影響を受けることなく（１）設計値通りの形状を得ることができ、（２）電気的特性を改善し、（３）理論上の設計手法すなわち、シミュレーション結果と実際製品との特性とに誤差を解消し理論と実際を一致させることができた。その結果歩留まりの向上と製造コストを大幅に低減することができた。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板１を基板にし、その基板の辺比の一方の寸法を１としたとき、もう一方の寸法が整数比（１〜ｎ）を満たす板に無数に存在する振動モードをラーメモード振動子と呼んでいる。図１に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う２辺Ａが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の外方向に変位し、また向かい合う２辺Ａが正方形の外方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の中心方向に変位する振動形態である。従って、図１（ａ）と図１（ｂ）の動作を繰り返す形態で振動する。この図１は正方形板の最低次の振動モードと呼ぶ。また図１（ｃ）には振動板の寸法概念を示す。そして図２にはその振動モードの模式図を示している。

さて本発明の特徴としては、図３に示す平面図を一例とする、振動部がある圧電素板を支持部や接続部より薄くした形態を持つラーメモード振動子である。図３に示すように、すべての支持部が結晶軸の＋Ｘ軸方向から平面視で時計方向に、９０°±５°あるいは、２７０°±５°の角度で回転させた方向に延びた構造で設けられていることにより、すべての支持部の形状に対する結晶方位を同じにでき、各支持部のエッチング異方性が同じとなる。本願発明は、このような作用を成す構造の支持部を備えることにより、支持部をエッチング残渣が無い所望する形状にエッチング加工をすることができる。具体的には、図３に示すラーメモード水晶振動子は、ＬＱ１Ｔカット又はＬＱ２Ｔカットの水晶基板からなり、振動部がある主面形状が長方形又は正方形である矩形の圧電素板と、この圧電素板の外側に、圧電素板と同一平面上に圧電素板から所定の間隔を空けて設けられている接続部と、少なくとも圧電素板の角部から外側に延びてその接続部と繋がる支持部とが一体で構成されている。又、すべての支持部は、圧電素板から、結晶軸の＋Ｘ軸方向から平面視で時計方向に、９０°±５°あるいは、２７０°±５°の角度で回転させた方向に延びた構造であることを特徴とするものである。なお、図３（ａ）は高次モードのラーメモード水晶振動子における支持部の形態であり、図３（ｂ）は１次モードのラーメモード水晶振動子における支持部の形態である。

そして、前述の振動子は、湿式のエッチング処理工程を用い、エッチング液は酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）と、フッ化水素酸（ＨＦ）の混合液を温めた温度環境の下で処理されたラーメモード水晶振動子である。

上述の内容をもう少し詳細に説明すると、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカットの水晶振動子は、Ｘ軸を中心にＹ軸をＺ軸に向けて３６°〜４２°の範囲で傾斜させたＹ´軸からなるＸＹ´平面で切り出された水晶基板のうち、前記水晶基板をさらにＸ軸方向に４５°回転して切り出された水晶基板の支持部形状に特徴を持たせたもので、その四隅の振動の節あるいはここでは図示しないが、高次のラーメモード振動子の場合にあっては、角部以外の無振動部でも支持する（図４参照丸Ａ部、丸Ｂ部）場合であっても良い。

本発明の他の支持形態については図５（ａ）、図５（ｂ）に示すような支持形態が考えられ、各々の支持部２については、図４を基本として考えられたもので、図５（ａ）については図面の縦方向である高次に配列する方向の一部の接続部３を欠いたものであり、図５（ｂ）については、図面の横方向の接続部３の一部を欠いたものである。なお、図５に図示する範囲での接続部３の組み合わせ構成であって同様の効果を奏するのは言うまでも無い。

ラーメモード水晶振動子の１次の形態を示す平面図である。 図１に示す振動形態を解析するモードである。 本発明のラーメモード水晶振動子の形状を模式した斜視図である。 高次のモードを持つラーメモード振動子の形態を示した模式図である。 高次のモードを持つラーメモード振動子の他の支持形態を示した模式図である。 従来例としたラーメモード水晶振動子の支持形態の概念図を示す平面図である。

符号の説明

１ 圧電素板
２ 支持部
３ 接続部

Claims (1)

1. ＬＱ１Ｔカット又はＬＱ２Ｔカットの水晶基板からなり、
   主面形状が矩形の圧電素板と、
   前記圧電素板の外側に、前記圧電素板と同一平面上に前記圧電素板から所定の間隔を空けて設けられている接続部と、
   少なくとも前記圧電素板のすべての角部から外側に延びて前記接続部と繋がる支持部とが、
   一体で構成されており、
   前記圧電素板に電荷を加えた場合に、前記圧電素板にラーメモードの振動が生じるラーメモード水晶振動子において、
   すべての前記支持部が、前記圧電素板から、結晶軸の＋Ｘ軸方向から平面視で時計方向に、９０°±５°あるいは、２７０°±５°の角度で回転させた方向に伸びていることを特徴とするラーメモード水晶振動子。

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