JP2008060952A - 音叉型水晶振動板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音叉型水晶振動板においては超小型であってもＣＩ値が低く、又その製造工程においては水晶基板内・水晶基板間の周波数バラツキが小さく、且つ、工程数が少なく、安価な設備で高歩留まりを達成すること。
【解決手段】音叉型水晶振動片の第１の振動腕部と第２の振動腕部には少なくとも１本の溝部が形成されており、この溝部の深さ寸法は音叉型水晶振動片の厚み寸法の５０％から９０％の深さ寸法で、且つ溝部の長さ寸法は各振動腕部の長さ寸法の５０％以上７０％未満の長さ寸法で形成されており、更に、第１の振動用電極と第２の振動用電極とは、第２の振動腕部に形成された所定の電極と結線されて一端子を構成し、且つ第３の振動用電極と第４の振動用電極とは、第１の振動腕部に形成された所定の電極と結線されて一端子を構成し、これら所定の電極に印加される電圧で第１の振動腕部及び第２の振動腕部が屈曲振動する音叉型水晶振動板。
【選択図】図１

Description

本発明はフォトエッチング技術を用いて製造される音叉型水晶振動板の高性能化、及び水晶基板内から複数個形成される音叉型水晶振動板間の諸特性のバラツキを低減化するための構造、高精度加工プロセスに関するものである。

電子部品の一つである音叉型水晶振動板を内部に搭載した水晶振動子は、コンピュータ、携帯電話、小型情報機器などの電子機器に基準信号源やクロック信号源として搭載され使用されている。この水晶振動子については小型化、薄型化及び低価格化の要求が依然強いものがある。
従来の音叉型水晶振動板とその製造方法について図面を用いて説明する。

図３は従来の音叉型水晶振動板を示す平面図であり、図４は図３の音叉型水晶振動板の両振動腕部を仮想切断線Ｐ−Ｐ′で切断した場合の断面図である。

図３において、音叉型水晶振動板１００は、音叉型の外形形状の水晶振動片の表面に、振動用、周波数調整用や収納容器などと電気的に接続を取るために用いる外部接続用等の各種電極を形成することにより構成されており、その厚み寸法が１００μｍで、基部１００ａと、基部１００ａの一辺から同一方向に突出して形成された第１の振動腕部１０１及び第２の振動腕部１０２とにより大略的に構成されている。このような音叉型水晶振動板１００は、フォトリソグラフィ技術と化学エッチング技術により作られる。また、第１の振動腕部１０１には溝部１０３と第２の振動腕部１０２にも溝部１０４が形成されている。この溝部は各振動腕部の表裏主面にそれぞれ対向する形態で形成する場合が一般的であり、その溝部の深さは各々約３０μｍである。

図４において、第１の振動腕部１０１の表側面（図４では上側の面にあたる）に開口部を有する溝部内には表主面電極１０３ａが、裏側面（図４では下側の面にあたる）に開口部を有する溝部内には裏主面電極１０３ｂが形成され電気的に接続されて、更に第２の振動腕部１０２の側面電極１０７ａと側面電極１０７ｂに電気的に結線される。結線は例えば図３に示す配線膜１０８により行い、外部接続用電極１０９に導出され一端子が得られる。

一方、図４における第１の振動腕部１０１に有する側面電極１０６ａと側面電極１０６ｂは電気的に結線され、それらは図３の配線膜１０５により、図４の第２の振動腕部１０２の表側面に開口部を有する溝部内の表主面電極１０４ａと、裏側面に開口部を有する溝部内の裏主面電極１０４ｂに電気的に接続され、外部接続用電極１１０に導出され一端子となり、左右で二端子が得られる。

図４にてこの二端子間に交番電圧を印加し、その状態を瞬時にとらえると第１の振動腕部１０１の側面電極１０６ａと側面電極１０６ｂは＋（プラス）電位となり、表主面電極１０３ａと裏主面電極１０３ｂは−（マイナス）電位となり、＋から−に電界が生じる。一方、第２の振動腕部１０２ではその極性が反対となる。これらの電界により水晶材より構成された各振動腕部に伸縮現象が生まれ屈曲振動が得られる。

次に図３及び図４で説明した音叉型水晶振動板の製造方法を図５に記している。図５は工程Ａから工程Ｆまでを示し、音叉型水晶振動片の外形と溝部の形成及びそこへ電極をパターン化することにより音叉型水晶振動板を形成する一連の工程である。図５の説明を図３及び図４の第１の振動腕部１０１の断面をもって行う。

工程Ａにおいて、１００μｍの厚みからなる水晶基板１５０の表裏に耐食膜、例えばＣｒ膜１５１とＡｕ膜１５２の２層膜をスパッタにて形成し、その上に感光性レジスト膜を表裏に塗布した後、音叉水晶振動片の外形形成に必要な露光、現像を行い、感光性レジスト膜による外形パターン１５３を得る。

工程Ｂにおいて、露出したＡｕ膜１５２とＣｒ膜１５１を順次化学エッチングする。従って、音叉外形以外の場所は水晶面１５４が表面に露出する。次に外形パターン１５３に用いた感光性レジスト膜は感光してないため、除去せず再度溝部形状のパターンを露光、現像し溝部分の露出したＡｕ膜１５２を化学エッチングする。その結果Ｃｒ膜１５１が表面に露出し図５における工程Ｂのような図となる。一般にこの感光性レジスト膜にはポジ型（光分解型）が用いられる。上記化学エッチングの際には感光しない環境下で行うようにする。

工程Ｃにおいて、工程Ｂに示す状態でフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液により露出した水晶面１５４をエッチングして音叉型の水晶振動片外形形状を得る。このとき所望するな形状となる前でエッチングを止める。しかる後、Ａｕ膜１５２と感光性レジスト膜１５３ａをマスクにＣｒ膜１５１をエッチングし水晶面１５１ａが露出する。

工程Ｄにおいて、工程Ｃの図に示す状態のまま、再度、露出した水晶面１５１ａをフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液に浸してエッチングすると溝部１５５が得られ、音叉型の水晶振動片外形も所望の形状に完全にエッチングされる。その溝部１５５の深さは３０〜４０μｍ程度である。次に順次感光性レジスト膜１５３ａとＡｕ膜１５２及びＣｒ膜１５１を除去する。残ったものは音叉型の水晶振動片のみで、音叉型水晶振動片の両振動腕部には溝部１５５が形成される。

工程Ｅにおいて、工程Ｄで得られた水晶振動片の全面に電極として使用される金属膜１５６を形成する。金属膜１５６は一般にＣｒとＡｕの２層膜やアルミニウムなどが用いられ、スパッタ法や真空蒸着法を用いて形成される。ここではＣｒとＡｕの２層膜で説明する。膜厚は２層積層状態において約１０００オングストロームであり、溝部１５５の内部にも形成される。次に図３、図４に示すような電極形状を得るために、感光性レジスト膜１５７を全面に塗布し、パターン化に必要なプロセスである露光、現像を行う。この際に露光装置は、マスクと硬脆材の水晶基板が接触し破壊する恐れがあるため、非接触の両面投影露光装置を用いるのが望ましい。また、この感光性レジスト膜１５７の立体塗布には電着レジストを用いる。

工程Ｆにおいて、残った感光性レジスト（不図示）をマスクに金属膜１５６をエッチングし、その後に感光レジスト膜を除去すれば、側面電極１５９ａ、１５９ｂと表主面電極１５８ａと裏主面電極１５８ｂの各電極が得られ、音叉型水晶振動片の表面に電極が形成された音叉型水晶振動板の外形が完成する。

その後に第１の振動腕部１０１及び第２の振動腕部１０２の先端部に形成した金属膜１０６を増加又は減少させることにより周波数を調整する。例えば、金属膜１０６にはＡＵ又はＡｇが用いられ、レーザー法を用いてトリミングする。あるいはイオンエッチング法を用いて除去し所望の周波数に合わせこむ。この周波数調整は音叉型水晶振動板が容器内に実装した後、もしくは音叉型水晶振動板を容器内に実装し蓋体で音叉型水晶振動板実装空間を封止した後にも行われている。

上述したような音叉型水晶振動板及びその製造方法については、下記のような先行技術文献に開示がある。
ＵＳ特許３９６９６４１号公報 特開昭５２−６１９８５公報 特開昭５６−６５５１７公報 国際公開番号ＷＯ００／４４０９２号公報 特許第３７２９２４９号公報 特開２００４−１５９０７２公報

尚、出願人は上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。

上記図３、図４及び図５で説明した従来の音叉型水晶振動板及びその製造方法には次のような問題点があった。
（イ）従来の音叉型水晶振動板には第１の振動腕部と第２の振動腕部にそれぞれ溝部が表裏に対向する形態で形成されているため、図５に示す製造方法では、音叉型水晶振動片の外形と溝部の形状や、露光装置の水晶基板の表裏主面位置合わせ精度による溝部形成位置のバラツキや、表裏両面方向からのエッチングによる表裏における溝部の深さバラツキが生じ、それは音叉型水晶振動板の周波数バラツキとなって水晶基板内に複数個形成したときに水晶基板の中央部に形成された音叉型水晶振動板と水晶基板外周近辺に形成された音叉型水晶振動板とでその周波数が大きく異なったり、水晶基板ロット間の周波数バラツキが大きくなったりする。ちなみに溝部が形成されていない音叉型水晶振動板の場合と比較しそのバラツキは３倍であった。従って各音叉型水晶振動板における周波数調整量が極めて大きくなるなどの問題があった。

（口）また、第１の振動腕部と第２の振動腕部とで表裏に形成される溝部の形態が異なった場合（例えば表裏で形成位置がズレたりした場合）は、第１の振動腕部と第２の振動腕部において振動周波数に差異が生じてしまいバランスが取れなくなり、基部に振動漏れ分が伝わり結果的にクリススタルインピーダンス（以下ＣＩという）値が高く且つ不安定となる問題があった。

上記（イ）と（口）の原因には次の点が考えられる。図３、図４に示すような音叉型水晶振動板の各振動腕部表裏主面に溝部を図５に開示の従来の方法で製造するならば、一般的な両面投影露光装置の表裏の位置合致精度が一般に数μｍ程度であり、更に分解能も５μｍレベルとなっており、音叉型水晶振動片の外形形状と溝部を別々に２回露光する方法であるから、露光装置の精度誤差が最も悪く重なると数μｍ×２の精度バラツキとなる。これは上下左右のみならず回転方向のズレも生じる。更に電極を形成するための露光もあるため３回の露光となって、位置精度バラツキが拡大し工数が増えしまう。又、両面投影露光装置は比較的高額であり本ブロセスでは歩留まりも低く、製造コストアップの要因となってしまう。この両面投影露光装置を使用する理由は、水晶基板にフォトエッチング技術により複数個の音叉型水晶振動片の外形加工した後に、各音叉型水晶振動片表面上に電極パターンを形成するが、電極パターン形成時には、水晶基板は既にエッチングにより、複数個の音叉型水晶振動片とそれらを支持するための支持梁部や外周枠部以外の不要な部分が抜けており、マスクと水晶基板を密着するとその衝撃により水晶基板から音叉型水晶振動片が脱落してしまう。従って、高額な非接触方式の両面投影露光装置を採用しないと製造困難である。

更に従来の製造方法の問題点として、図５の工程Ｃ−Ｃは工程Ｃの問題点を示したものであるが、Ｃｒ膜１５１をエッチングすると電池腐食の悪影響もあり、数十秒とＡｕ膜１５２と比較して短時間にエッチングされ、且つそのエッチング量も制御困難からサイドエッチングが大きくなりパターン１６０が所望のパター形状より細る。その問題は水晶基板毎でも大きく差が出てくる。その細ったパターン１６０を形成したままの水晶基板を工程Ｄにてエッチングすると工程Ｄ−Ｄに示すように振動腕部両側面には段差１５５ｂや段差１５５ｃなどが生じる。すなわち、工程Ｂと工程Ｃで２回のＣｒ膜１５１のエッチングを行っているため形状バラツキが大きいといえる。ちなみにこの形態での完成品は工程Ｆ−Ｆに示すようなものとなり、工程Ｆのような断面図にはならない場合もある。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、その主たる課題は小型化が著しく進んだ音叉型水晶振動板を搭載した水晶振動子であっても、ＣＩ値が低く、その製造工程では水晶基板内又は水晶基板毎の音叉型水晶振動板の共振周波数バラツキが小さく、且つ工程数が少なく、安価な設備で高歩留まりを達成することにある。

上記目的を達成するため本発明おける一形態の音叉型水晶振動板は、以下の特徴を有する。
即ち、幅（短辺）方向の結晶軸がＸ軸、長さ（長辺）方向の結晶軸がＹ軸、厚み方向の結晶軸がＺ軸であって、Ｙ軸はＸ軸を中心にカット角θが−１０゜〜＋１０゜回転させた範囲による平板状の水晶板からなり、少なくとも第１の振動腕部と、第２の振動腕部と、この第１の振動腕部及び第２の振動腕部の長さ方向の一方の端部が接続し一体と成す基部とにより形成される音叉型水晶振動片の表面に、振動用電極、引き出し電極、外部接続用電極が形成されて構成される音叉型水晶振動板おいて、
この音叉型水晶振動片の第１の振動腕部と第２の振動腕部の表裏のいずれか一方の主面には、この一方の主面に開口部を有し断面が逆台形もしくは略Ｖ字状からなる少なくとも１本の溝部が、この溝部の長さ方向の一方端を各振動腕部と基部の境界線上に位置する形態で形成されており、
この溝部の深さ寸法は音叉型水晶振動片の厚み寸法の５０％から９０％の深さ寸法で形成されており、且つ溝部の長さ寸法は、溝部が形成されている各振動腕部の長さ寸法の５０％以上７０％未満の長さ寸法で形成されており、
更に、第１の振動腕部の一方の主面に開口した溝部の内部表面に形成された第１の振動用電極と、他方の主面に溝部内部の底面に形成された第１の振動用電極に対向して形成された第２の振動用電極とは、第２の振動腕部の両側面及び第２の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
且つ第２の振動腕部の一方の主面に開口した溝部の内部表面に形成された第３の振動用電極と、他方の主面に溝部内部の底面に形成された第３の振動用電極に対向して形成された第４の振動用電極とは、第１の振動腕部の両側面及び第１の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
その二端子間に交番電圧を印加することで第１の振動腕部及び第２の振動腕部が屈曲振動することを特徴とする音叉型水晶振動板である。

又、本発明おける他の形態の音叉型水晶振動板として、
幅（短辺）方向の結晶軸がＸ軸、長さ（長辺）方向の結晶軸がＹ軸、厚み方向の結晶軸がＺ軸であって、Ｙ軸はＸ軸を中心にカット角θが−１０゜〜＋１０゜回転させた範囲による平板状の水晶板からなり、少なくとも第１の振動腕部と、第２の振動腕部と、この第１の振動腕部及び第２の振動腕部の長さ方向の一方の端部が接続し一体と成す基部とにより形成される音叉型水晶振動片の表面に、振動用電極、引き出し電極、外部接続用電極が形成された音叉型水晶振動板おいて、
前記音叉型水晶振動片の第１の振動腕部と第２の振動腕部の表裏のいずれか一方の主面には、一方の主面に開口部を有し断面が逆台形もしくは略Ｖ字状からなる少なくとも２本の溝部が、各振動腕部の長さ方向に対して並列に、且つ溝部の長さ方向の一方端を各振動腕部と基部の境界線上に位置する形態で形成されており、
溝部の深さ寸法は音叉型水晶振動片の厚み寸法の５０％以上９０％以下の深さ寸法で形成されており、且つ溝部の長さ寸法は、溝部が形成されている各振動腕部の長さ寸法の５０％以上７０％未満の長さ寸法で形成されており、
更に、第１の振動腕部の一方の主面に開口した溝部の内部表面に形成された振動用電極は、第２の振動腕部の両側面及び第２の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
且つ第２の振動腕部の一方の主面に開口した溝部の内部表面に形成された振動用電極は、第１の振動腕部の両側面及び第１の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
その二端子間に交番電圧を印加することで第１の振動腕部及び第２の振動腕部が屈曲振動することを特徴とする音叉型水晶振動板である。

更に、本発明における音叉型水晶振動板の製造方法は、以下のような特徴を有する。
即ち、水晶基板の表裏主面に耐食性膜を形成する工程と
この耐食性膜上に感光性レジスト膜を形成し、フォトエッチング技術により、水晶基板の表裏の一方の面には耐食性膜が所望する複数個の音叉型水晶振動片の外形形状として残るように、他方の面には耐食性膜が所望する複数個の音叉型水晶振動片の外形形状として残るように、且つ各音叉型水晶振動片における第１の振動腕部及び第２の振動腕部に形成する溝部の位置の耐食性膜は残らないように処理する工程と、
前工程のフォトエッチング技術で用いた感光性レジスト膜を除去する工程と、
水晶基板の表裏主面に所望のパターンで形成された耐食性膜上に新たに感光性レジストをコートし、フォトリソグラフィ法により電極形成に必要なパターンを感光性レジスト膜に作成する工程と、
耐食性膜が形成されていない外部に露出した水晶基板の表裏主面を両面よりエッチングして、複数個の音叉型の外形を有する水晶振動片を得る工程と、
水晶基板の表裏主面のいずれか一方に有する耐食性膜が形成されていない外部に露出した溝部形成位置の水晶基板面をハーフエッチングする工程とを同時に行う工程と、
各音叉型水晶振動片の表裏主面に有する外部に露出した部分の耐食性膜を除去する工程と、
金属膜を各音叉型水晶振動片上に形成する工程と、
感光性レジストごとその上に形成された金属膜を剥離し、所望するパターンの電極を形成する工程と、
各音叉型水晶片表面に残っている耐食性膜をエッチングにより除去する工程と
を有することを特徴とする音叉型屈曲水晶振動片の製造方法である。

又、音叉型水晶振動板のおける溝部開口部を有する一方の主面の反対側の主面の各振動腕部先端には、音叉型水晶振動板の共振周波数を調整するための金属膜が形成されていることを特徴とする段落番号（００２２）又は段落番号（００２３）に記載の音叉型水晶振動板でもある。

更に、音叉水晶振動板の振動モードが屈曲振動モードであり、且つ共振周波数が３２ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであることを特徴とする同じく段落番号（００２２）又は段落番号（００２３）に記載の音叉型水晶振動板でもある。

本発明によると、小型化が著しく進んだ音叉型水晶振動板を搭載した水晶振動子であっても、そのＣＩ値が低く、その製造工程では水晶基板内又は水晶基板毎の音叉型水晶振動板の共振周波数バラツキが小さく、且つ工程数が少なく、安価な設備で高歩留まりを達成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、共振周波数が３２．７６８ｋＨｚの音叉型水晶振動板を例に各図面をもって説明する。尚、各図面では、同じ符号は同じ部品を示し、又説明を明りょうにするため構造体の一部は図示していない。更に図示した構造体の寸法も一部誇張して示している。

図１は本発明おける一実施形態の音叉型水晶振動板を示す外観平面図であり、（ａ）は溝部の開口部形成主面（表面）側から示した図であり、（ｂ）は溝部の開口部形成主面（表面）側とは反対側の主面（裏面）側から示した図である。又、図２は図１（ａ）記載の音叉型水晶振動板を同図記載の仮想切断線Ａ−Ａ′部分で切断した場合の概略断面図である。

即ち、図１の音叉型水晶振動板１は、音叉型の外形形状の水晶を素材とする水晶振動片の表面に、後述するような各電極を形成することにより構成されており、その厚み寸法ｈ０は後述する溝部を除き１００μｍであって、基部１ａの長さ寸法５６０μｍと、この基部１ａの一辺から一方向に一体で突出して形成された第１の振動腕部２と第２の振動腕部３からなり、両振動腕部の長さＬ０（基部１ａとの接続境界線から各振動腕部先端部（自由端部）での長さ）は１１００μｍで音叉型水晶振動片１としての全長は１６６０μｍ、各振動腕部の幅はそれぞれ１２３μｍ、第１の振動腕部と第２の振動腕部との間隔幅は８２μｍとなるよう形成されている。また、本発明は溝部を各々の振動腕部の表裏主面のいずれか一方、すなわち片面のみに形成し第１の振動腕部２に溝部６を第２の振動腕部３に溝部７を形成してある。各溝部の長さ方向の一歩端部は基板１ａと各振動腕部との接続境界線にあり、各この溝部の幅は９３μｍ、長さＬ１は７００μｍ（各溝部長さは各振動腕部長さの約６３．６％となる）である。図２に示すように各溝部は片面よりの化学エッチングで、その形状は逆台形となって深さ方向にテーパ角度を有し底面までの深さｈ１は８０ミクロンで、音叉型水晶振動板１（各振動腕部を含む）の厚みｈ２が１００μｍであるからｈ１はｈ０に対して８０％となる。

図１（ａ）と図１（ｂ）と図２において、第１の振動腕部２の大１の側面電極８と第２の側面電極１０は第２の振動腕部３の表側主面（図１（ａ）における図示側の主面）に開口部を有する溝部７内に形成されている電極７ａと、第２の振動腕部３の裏側主面に形成された平面状の電極１７ｂとは裏側主面に形成された配線電極１５も使用し、電気的に結線されて一方の外部接続用電極端子部４に接続されて一端子を得る。一方、第１の振動腕部２の表側主面に開口部を有する溝部６内に形成された電極６ａと、第１の振動腕部２の裏側主面に形成された平面状の電極１７ａとは、表側主面に形成された配線電極１４も使用し電気的に結線され他方の外部接続用電極端子部５に接続され一端子を得て、合計二端子の構成となる。また、各振動腕部表裏側主面に形成された各電極間は、第１の振動腕部２と第２の振動腕部３との間の又部近傍に形成されたバンド部１６により各々の振動腕部側面の一部を通じて電気的に接続されている。尚、上記実施例では、各溝部の開口部端と各振動腕部長さ方向側面端との間の土手部１８の幅は１５μｍで形成しているが、この幅寸法は２μｍから２０μｍの範囲内で形成することが好ましい。

上記音叉型水晶振動板の２つの外部接続用電極端子間に交番電圧を印加すると、瞬時に見たときには図２のように電界が生じる。本発明では第１の振動腕部２の第１の側面電極８の面からは垂直に電界が発生し、溝部内電極６ａにやや角度をもってその電極面に引き込まれる。一方、第２の振動腕部３の溝部内電極７ａのテーパ面からは、面に垂直な電界が発生するが、第１の振動腕部２から発生する電界とはその向きがテーパの角度分があり同一ではない。それは裏側主面に有する平面電極と側面電極の関係も同様に電界の方向は異なる。

上記のような形態の音叉型水晶振動板において、上記形成寸法以外に各振動腕部の長さＬ０と溝部の長さＬ１を変えたサンプルを２種類形成し（計３種類）、そのときの振動腕部の長さＬ０に対する溝部の長さＬ１の比率（％）とＣＩ値間の特性を示したグラフが図１１である。このグラフから振動腕部の長さＬ０が異なる各サンプルにおいても、振動腕部の長さＬ０に対する溝部の長さＬ１の比率（％）が５０％以下になると、溝部の形成効果がなくなりＣＩ値が高くなることがわかる。又、図１に図示したように、各振動腕部の先端部（先端面から３０％）の部分には後述する周波数調整用電極を形成する領域を確保する必要があるため、振動腕部の長さＬ０に対する形成する溝部の長さＬ１の比率を、５０％以上７０％未満とすることが好ましい。

又、図６と図７により本発明の他の実施形態を説明する。図６（ａ）の形態は概略図１（ａ）と同様であるが、その裏側主面には図６（ｂ）のごとく両振動腕部とも電極が形成されていない構造であり、配線電極１５のみが形成されている。しかし各振動腕部の裏側主面先端部近傍（先端面から長さ比で３０％の範囲）には周波数調整用の金属膜１９が形成してあり、材料はＡｕ，Ａｇ又はＰｄうちの一つが用いられる。図７は図６（ａ）のＢ−Ｂ′断面であるが、電気的結線は図に示す内容である。（詳細説明は省略する）

また、更に他の実施形態として、図９は図１及び図２と同様の音叉型水晶振動板の両振動腕部表裏主面の平面図及び断面図であるが、その表側主面には同主面に開口部を有する２本の略Ｖ字形状の溝部９０が、各振動腕部の長さ方向に互いに平行に形成されており、その長さ比率は、図１記載の溝部と同様に５０％以上７０％未満であり、又その深さ比率は各振動腕部の厚み寸法の５０〜９０％の範囲で形成されている。また、図１０は図９記載の音叉型水晶振動板において裏面９１に電極を形成していない形態のものである。これらも上述の発明における性能とほぼ同様の性能を奏することができる。尚、上述した実施例では各振動腕部に２本の溝部を形成したものを例示しているが、２本以上の本数の溝部を形成した場合でも良い。

図８に本発明における音叉型水晶振動板の製造方法を、図１記載の音叉型水晶振動板の両振動腕部断面を用いて説明する。工程ＪはＺ′板の水晶基板３００の表裏主面に耐食性膜３０１をスパッタリング法にて成膜する。この耐食性膜の材料としてはＣｒ、酸化アルミニウム、Ｃｒ膜＋Ａｕ膜の２層積層膜の何れかを用いるが、本説明はＣｒのみを材料とした耐食性膜にて行う。

次に工程Ｋにて、前記耐食性膜３０１上に感光性レジスト（ポジ型）を両面に形成し、乾燥後表裏の両面に音叉形状のＣｒが残るように露光、現像、乾燥（以下パターン化）と音叉形状以外のＣｒのエッチングを行う。このときに溝部に相当する部分も同時にエッチングし、水晶面３０３ａを露出させる。これにより表側主面には音叉形状の外形を決定する第１の耐食性膜部３０３と第２の耐食性膜部３０４が残り、また、裏側主面には音叉形状の耐食性膜３０２が残る。すなわち、本工程では音叉形状と溝部の形成パターンを同時に作成する。

次の工程Ｌでは前記表裏主面の耐食性膜上に図１にて記載した電極形状とはネガティブの関係を有する感光性レジスト（ポジ型）をパターン化する。それにより表側主面の第１の耐食性膜３０３上には第１のレジスト３０５が、又第２の耐食性膜３０４上には第２のレジスト３０６を形成し、更に裏側主面も同様に耐食性膜３０２上に、第３のレジスト３０７と第４のレジスト３０８が残る。この際用いる感光性レジストは２〜３μｍと比較的厚く形成する。

次の工程Ｍで、水晶基板のエッチング液としてフッ化水索酸、フッ化アンモニウムの混合液を用意し、そのエッチング液中に各耐食性膜及び各レジストを表面に形成した水晶基板を浸漬しエッチングする。このときに水晶基板内の各水晶振動片外周側面部分３０９は基板両主面方向からのエッチングとなり音叉形状に貫通するが、溝部３１０は表側主面方向からの片面エッチングとなるため同じエッチング時間であっても貫通しない、もしくは貫通しないエッチング時間とする。

次の工程Ｎでは裏側主面に露出している耐食性膜３０２をエッチングし水晶表面３１１を得る。ついで工程Ｏにて各音叉型水晶振動片の表面上に電極を形成する。この電極材料にはＴｉ＋Ｐｄ，Ｔｉ＋ＡｕＮｉ＋Ｐｄ，Ｎｉ＋Ａｕなど金属膜の積層構成を用いるが、後に有するＣｒの耐食性膜のエッチング液に溶解せず、電気特性が満足すれば他の材料でも良い。

次の工程Ｐでは表裏主面に形成した感光性レジストとその上に形成された電極を剥離し、所望するパターンの電極を各音叉型水晶振動片表面上に形成する。これは感光性レジストを溶解する液に浸すことで容易に除去できる。しかし、その感光性レジストの下に有する各耐食性膜は水晶振動板上に残る。

次に工程Ｑで前記工程後に水晶面上に残っている各耐食性膜をエッチングする。このときに例えば第２の振動腕部における両側面の電極３１３と電極３１４、及び溝部内の電極３０５と裏側主面の電極３０８は、Ｃｒの耐食性膜に対するエッチング液には溶解しないためそのまま残る。ちなみに本発明で説明した一連の電極パターン形成プロセスはリフトオフ法を用いている。また、上記説明のＣｒの耐食性膜のエッチング液には、硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合液を使用した。

本発明の他の実施形態として図６（ｂ）に図示したような各振動腕部の裏側主面に電極を形成しない場合は、上記製造工程の工程Ｌにて裏面の感光性レジストを３０７、３０８のように光分離せず、音叉形状のままとすれば、裏側主面に電極が形成することはない。

尚、上記各実施形態は共振周波数が３２．７６８ｋＨｚの音叉型水晶振動板を例に説明してきたが、本発明は共振周波数が２００ｋＨｚ前後までの音叉型水晶振動板に応用可能である。又、上記各実施形態は振動腕部が２本の音叉形状を用いて説明を行ったが、３本を有する三叉音叉型の水晶振動板にも適用が可能であるし、音叉型水晶振動片表面に形成される電極のパターンを変更して構成されるジャイロセンサ素子もその範囲に含む。

以上述べたように、本発明によれば、図１１のグラフから導き出される適用範囲の溝部の長さ比率と、振動腕部が溝部の深さが音叉型水晶振動板の厚み比率で５０％を超えることで、急激に音叉型水晶振動板のＣＩ値が低下し、箱型の長さ３．２ｍｍ×幅１．５ｍｍ×厚み０．７ｍｍの容器に音叉型水晶振動板を実装し真空気密封止することで構成された水晶振動子のＣＩ値は４５ｋΩ以下と極めて良好であった。従来の振動腕部の表裏両主面に溝部を有する製品と比べ、同等以上である。溝部が長さ比率や深さ比率が５０％以上である場合は５０ｋΩ以上であったことから、振動腕部の長さ比率の中央値及び厚み比率の中央値の５０％を越えると、急激にＣＩ値が更低下し長さ比率で６０％前後及び深さ比率で８０％ではＣＩ値が約３５ｋΩとなり、携帯電話や電波時計などの小型携帯機器の低消費電流化に大きく貢献する。

ちなみに音叉型水晶振動板の外形サイズを小型化すると、ＣＩ値は上昇傾向にあるが、音叉型水晶振動板を搭載した水晶振動子が接続する発振回路の発振起動マージンを考慮すれば大体４５ｋΩ以下が理想である。５０ｋΩでは起動性も悪く、不発振となる虞が高くなるため本発明の効果は大きい。

一方、図６（ｂ）に示す裏側主面に電極が無い場合の効果では、周波数調整法にて従来音叉型水晶振動板が水晶基板に複数個連結されている状態で発振させながら周波数を検出し、あるいは事前計測データを用いて目的の周波数まで、金属膜１９をレーザー法やイオンエッチング法で除去するが、その際に金属膜を構成するＡｕが電極飛散することがあり、電極間のショート或いはシート抵抗が上昇するなどの問題があったが、電極がない主面に金属膜１９を形成することで上記問題の発生が大幅に低下する。

更に本発明の製造方法によれば、音叉型の外形形状と溝部形状の形成に用いるＣｒ膜エッチングが同時であること、露光で用いるフォトマスクには音叉型外形形状と溝部形状が１枚のマスク基板に描写されているため、従来のように音叉型外形形状と溝部形状の位置合わせ誤差がなく、第１の振動腕部と第２の振動腕部の振動バランス（対称性）が良いために、ＣＩ値が安定して低い。更に本発明では音叉型の外形形状をエッチングで形成した後に電極を形成し全面に感光性レジストをコーティングする必要がなく、水晶を音叉型の外形形状に形成する前の状態で水晶基板両面に一連のフォトリソプロセスが行えるため、露光装置は安価なコンタクト方式やプロキシミティ方式が採用できる。ちなみに露光回数は従来３回であったものを２回に短縮化できた。また、最初の耐食性膜エッチング時に溝部もエッチングするため、その時間は６０秒ほど要するため、すなわち電池腐食現象が少ないためエッチング速度が遅く溝部内に耐食性膜のエッチング残りがなく、溝部内も凹凸がなく極めて欠陥が少ない。

本製造方法により、従来の製造方法によれば水晶基板から多数得られた３２．７６８ｋＨｚの音叉型水晶振動板の共振周波数バラツキは、水晶基板内で５００Ｈｚ強あったものが、１５０Ｈｚ以下と低減しその効果は大であった。その結果、先端に形成する周波数調整用Ａｕの量も従来の１／３以下となった。

本発明は音叉型水晶振動板の片面溝部構造と新規製造方法の組み合わせにより、この音叉型水晶振動板を搭載した水晶振動子の性能向上、低い投資、高歩留まりを達成したものであり、本音叉型水晶振動板を用いれば、それを搭載する容器などは箱型、シンリダ型、またそれを樹脂モールドした水晶振動子が容易に作成でき、ジャイロセンサへの適用や発振回路と組み合わせて水晶発振器して構成することも十分可能であり、本音叉型水晶振動板の性能はその応用製品の小型化、高性能化、安価に多大な貢献をもたらすものであって発明の効果は大である。

図１は、本発明における音叉型水晶振動の一実施形態をを示す平面図であり、（ａ）は溝部の開口部が形成されている表側主面から示したものであり、（ｂ）は裏側主面から示したものである。 図２は、図１記載の音叉型水晶振動板を、同図記載の仮想切断線Ａ−Ａ′間で切断した場合の断面図である。 図３は、従来の音叉型水晶振動板を示す平面図である。 図４は、図３記載の従来の音叉型水晶振動板を、同図記載の仮想切断線Ｐ−Ｐ′間で切断した場合の断面図である。 図５は、従来の音叉型水晶振動板の製造方法を、音叉型水晶振動板の断面図を用いて示した工程説明図である。 図６は、本発明おける音叉型水晶振動板の他の実施形態を示す平面図であり、（ａ）は溝部の開口部が形成されている表側主面から示したものであり、（ｂ）は裏側主面から示したものである。 図７は、図６記載の音叉型水晶振動板を、同図記載の仮想切断線Ｂ−Ｂ′間で切断した場合の断面図である。 図８は、本発明おける音叉型水晶振動板の製造方法を、音叉型水晶振動板の断面図を用いて示した工程説明図である。 図９は、本発明おける音叉型水晶振動板の他の実施形態を示す図であり、（ａ）は溝部の開口部が形成されている表側主面から示した平面図であり、（ｂ）は裏側主面から示した平面図であり、（ｃ）は同図（ａ）に記載の仮想切断線Ｃ−Ｃ′で切断した場合の断面図である。 図１０は、本発明おける音叉型水晶振動板の他の実施形態を示す図であり、（ａ）は溝部の開口部が形成されている表側主面から示した平面図であり、（ｂ）は裏側主面から示した平面図であり、（ｃ）は同図（ａ）に記載の仮想切断線Ｄ−Ｄ′で切断した場合の断面図である。 図１１は、本発明の音叉型水晶振動板における、振動腕部の長さに対する溝部の長さ比率（％）とＣＩ値（ｋΩ）間の特性を示したグラフである。

符号の説明

１・・・音叉型水晶振動板
１ａ・・・基部
２・・・第１の振動腕部
３・・・第２の振動腕部
４，５・・・外部接続用電極端子部
６，７，３１０・・・溝部
６ａ，７ａ・・・溝内電極
８，１０，１１，１３，３１３，３１４・・・側面電極
１４，１５・・・配線電極
１６・・・バンド部
１７ａ，１７ｂ・・・平面電極
１８・・・土手部
１９・・・金属膜
３００・・・水晶基板
３０１，３０２，３０３，３０４・・・耐食性膜
３０３ａ，３１１・・・水晶面
３０５，３０８，３１３，３１４・・・電極
３０５，３０６，３０７，３０８・・・レジスト
３０９・・・水晶振動片外周側面部分

Claims (5)

1. 幅方向の結晶軸がＸ軸、長手方向の結晶軸がＹ軸、厚み方向の結晶軸がＺ軸であって、Ｙ軸はＸ軸を中心にカット角θが−１０゜〜＋１０゜回転させた範囲による平板状の水晶板からなり、少なくとも第１の振動腕部と、第２の振動腕部と、前記第１の振動腕部及び前記第２の振動腕部の長さ方向の一方の端部が接続し一体と成す基部とにより形成される音叉型水晶振動片の表面に、振動用電極、引き出し電極、外部接続用電極が形成されて構成される音叉型水晶振動板おいて、
   前記音叉型水晶振動片の第１の振動腕部と第２の振動腕部の表裏のいずれか一方の主面には、前記一方の主面に開口部を有し断面が逆台形もしくは略Ｖ字状からなる少なくとも１本の溝部が、前記溝部の長さ方向の一方端を前記各振動腕部と前記基部の境界線上に位置する形態で形成されており、
   前記溝部の深さ寸法は前記音叉型水晶振動片の厚み寸法の５０％から９０％の深さ寸法で形成されており、且つ前記溝部の長さ寸法は、前記溝部が形成されている各振動腕部の長さ寸法の５０％以上７０％未満の長さ寸法で形成されており、
   更に、前記第１の振動腕部の前記一方の主面に開口した前記溝部の内部表面に形成された第１の振動用電極と、他方の主面に前記溝部内部の底面に形成された前記第１の振動用電極に対向して形成された第２の振動用電極とは、前記第２の振動腕部の両側面及び前記第２の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
   且つ前記第２の振動腕部の前記一方の主面に開口した前記溝部の内部表面に形成された第３の振動用電極と、他方の主面に前記溝部内部の底面に形成された前記第３の振動用電極に対向して形成された第４の振動用電極とは、前記第１の振動腕部の両側面及び前記第１の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
   その二端子間に交番電圧を印加することで前記第１の振動腕部及び前記第２の振動腕部が屈曲振動することを特徴とする音叉型水晶振動板。
2. 幅方向の結晶軸がＸ軸、長手方向の結晶軸がＹ軸、厚み方向の結晶軸がＺ軸であって、Ｙ軸はＸ軸を中心にカット角θが−１０゜〜＋１０゜回転させた範囲による平板状の水晶板からなり、少なくとも第１の振動腕部と、第２の振動腕部と、前記第１の振動腕部及び前記第２の振動腕部の長さ方向の一方の端部が接続し一体と成す基部とにより形成される音叉型水晶振動片の表面に、振動用電極、引き出し電極、外部接続用電極が形成された音叉型水晶振動板おいて、
   前記音叉型水晶振動片の第１の振動腕部と第２の振動腕部の表裏のいずれか一方の主面には、前記一方の主面に開口部を有し断面が逆台形もしくは略Ｖ字状からなる少なくとも２本の溝部が、前記各振動腕部の長さ方向に対して並列に、且つ前記溝部の長さ方向の一方端を前記各振動腕部と前記基部の境界線上に位置する形態で形成されており、
   前記溝部の深さ寸法は前記音叉型水晶振動片の厚み寸法の５０％以上９０％以下の深さ寸法で形成されており、且つ前記溝部の長さ寸法は、前記溝部が形成されている各振動腕部の長さ寸法の５０％以上７０％未満の長さ寸法で形成されており、
   更に、前記第１の振動腕部の前記一方の主面に開口した前記溝部の内部表面に形成された振動用電極は、前記第２の振動腕部の両側面及び前記第２の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
   且つ前記第２の振動腕部の前記一方の主面に開口した前記溝部の内部表面に形成された振動用電極は、前記第１の振動腕部の両側面及び前記第１の振動腕部先端表面に形成された電極と結線されて一端子を構成し、
   その二端子間に交番電圧を印加することで前記第１の振動腕部及び前記第２の振動腕部が屈曲振動することを特徴とする音叉型水晶振動板。
3. 水晶基板の表裏主面に耐食性膜を形成する工程と
   前記耐食性膜上に感光性レジスト膜を形成し、フォトエッチング技術により、前記水晶基板の表裏の一方の面には耐食性膜が所望する複数個の音叉型水晶振動片の外形形状として残るように、他方の面には耐食性膜が所望する複数個の音叉型水晶振動片の外形形状として残るように、且つ前記各音叉型水晶振動片における第１の振動腕部及び第２の振動腕部に形成する溝部の位置の前記耐食性膜は残らないように処理する工程と、
   前工程のフォトエッチング技術で用いた感光性レジスト膜を除去する工程と、
   前記水晶基板の表裏主面に所望のパターンで形成された前記耐食性膜上に新たに感光性レジストをコートし、フォトリソグラフィ法により電極形成に必要なパターンを感光性レジスト膜に作成する工程と、
   耐食性膜が形成されていない外部に露出した前記水晶基板の表裏主面を両面よりエッチングして、複数個の音叉型の外形を有する水晶振動片を得る工程と、
   前記水晶基板の表裏主面のいずれか一方に有する耐食性膜が形成されていない外部に露出した溝部形成位置の水晶基板面をハーフエッチングする工程とを同時に行う工程と、
   前記各音叉型水晶振動片の表裏主面に有する外部に露出した部分の耐食性膜を除去する工程と、
   金属膜を前記各音叉型水晶振動片上に形成する工程と、前記感光性レジストごとその上に形成された金属膜を剥離し、所望するパターンの電極を形成する工程と、
   各音叉型水晶振動片表面に残っている耐食性膜をエッチングにより除去する工程と
   を具備することを特徴とする音叉型水晶振動板の製造方法。
4. 前記音叉型水晶振動板のおける溝部開口部を有する一方の主面の反対側の主面の各振動腕部先端には、前記音叉型水晶振動板の共振周波数を調整するための金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の音叉型水晶振動板。
5. 前記音叉型水晶振動板の振動モードは屈曲振動モードであり、且つその共振周波数が、３２ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の音叉型水晶振動板。

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