JP2008118254A - 屈曲振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造時あるいは調整時などにおいて、微小な金属塵などの不純物が混入した場合にあっても、絶縁不良による振動特性の劣化や製造不良を確実に防止することのできる励振電極構造を備えた屈曲振動子を提供することである。
【解決手段】 基部からＹ軸方向に振動長、Ｘ軸方向に振動幅、Ｚ軸方向に厚みを有する一対の振動腕部３３，３４を備え、この振動腕部３３，３４の外側の側面ｓ１及び凹部３７，３８内の側面ｓ２に励振電極３５ａ，３６ａ及び励振電極３５ｂ，３６ｂがそれぞれ形成される屈曲振動子３１において、前記各励振電極は、その上端及び下端が前記振動腕部３３，３４の上面ｕ及び下面ｄと前記側面ｓ１，ｓ２との間にできる上側稜線ｕ１及び下側稜線ｄ１からそれぞれ内側に絶縁部３０を残して形成した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、励振電極が各振動腕部の外表面に沿ってパターン形成される音叉型の屈曲振動子に関するものである。

従来の一般的な音叉型の屈曲振動子は、薄い水晶板をベースとして、ケーシングの電極端子に支持される四角形状の基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕部とで略Ｕ字状に形成され、全体がいわゆる音叉に似た形状をなしている。このような屈曲振動子は、水晶原石のＺ板から約＋１°Ｘ軸回転させた角度でカットして形成され、各振動腕部の基端部から長手方向に沿ってそれぞれ極性の異なる励振電極が形成されている。そして、この励振電極によって、前記振動腕部の振動に伴う共振運動を電気信号に変換することで、固有の振動周波数を作り出している。

このような屈曲振動子の電界効率の改善を図るために、例えば、図９及び図１０に示すように、振動長Ｌ及び振動幅Ｗの振動腕部１３，１４の厚みＴ方向に対して励振電極１５，１６を形成するための凹部１７，１８を前記振動腕部１３，１４に設けた構造の音叉型の屈曲振動子１１が知られている。前記凹部１７，１８は、振動腕部１３，１４の厚みＴ方向に貫通しないような所定の深さに形成されている。このような凹部１７，１８を設けることによって、各振動腕部１３，１４の外側面の励振電極１６ａ，１５ａに対向する前記凹部１７，１８の内側の励振電極１５ｂ，１６ｂが新たに形成できることから電界効率の向上効果が得られる。

前記振動腕部１３，１４は、屈曲振動子１１を小型にするほど振動幅Ｗが狭まり、また、この振動幅Ｗ方向に前記凹部１７，１８を形成するとなると、振動腕部１３，１４の上面及び下面の残りの平面スペースはさらに狭まることになる。したがって、このような凹部１７，１８を設けた振動腕部１３，１４に所定パターンの励振電極を精度よく形成するためには、予め振動腕部１３，１４の外表面全体に金属導電膜を形成した上で、エッチングによって所定パターンの励振電極を形成するのが一般的である。このようなエッチングを行う際には、振動腕部１３，１４の上面側及び下面側を焦点範囲とした露光によるパターニングを行う必要がある。

図１１及び図１２は、前記励振電極１５，１６を振動腕部１３，１４の側面に形成する場合の一般的な製造工程を示したものである。最初に水晶原石から所定のカット角で取り出された水晶板を加工して凹部１７，１８を有する一対の振動腕部１３，１４を形成（工程ａ）し、この振動腕部１３，１４の外表面全体に金属導電膜１９を形成する（工程ｂ）。そして、この金属導電膜１９上に感光用のフォトレジスト膜２０を形成する（工程ｃ）。次に、前記凹部１７，１８が形成されている振動腕部１３，１４の上面側及び下面側から露光装置に備わる光源から照射される光１０によって、上面及び下面を覆うフォトレジスト膜２０の一部を剥離（工程ｄ）し、金属導電膜１９の一部を露出させる（工程ｅ）。そして、前記振動腕部１３，１４に対してエッチング処理を施し、前記フォトレジスト膜２０が剥離された部分の金属導電膜１９を取り除く（工程ｆ）。最後に前記振動腕部１３，１４の表面に残っているフォトレジスト膜２０を完全に取り除くことで、振動腕部１３，１４の外側面と、凹部１７，１８の内側面とに独立した励振電極１６ａ，１５ｂ及び励振電極１５ａ，１６ｂが形成される（工程ｇ）。

前記励振電極１５，１６は、振動腕部１３，１４の外側面及び凹部１７，１８の内側面全体に形成することで、電界効率が高められるため、露光によって形成される各励振電極との間の絶縁領域となる部分のパターニング幅が広がらないように、狭く抑えられている。また、小型の屈曲振動子にあっては、振動腕部が細くなるが、励振電極の有効面積を確保しようとすると、さらに、絶縁部分のパターニング幅が制限されることとなる。

このように、前記絶縁部分の形成可能幅が狭くなると、振動腕部の各側面に形成された励振電極同士が接触しやすくなる。また、前記屈曲振動子の製造時や調整時において、細かい金属塵が混入したりすると、この金属塵を介して対向する振動腕部の側面に形成されている励振電極同士が導通する場合がある。このような励振電極間の絶縁が十分確保されないと、振動特性に影響を及ぼしたり、製造不良になったりする場合がある。このような製造時等における不具合を低減させるため、特許文献１，２に記載の振動子では、所定の絶縁部を設けて励振電極が形成された振動腕部の外表面全体に絶縁性のコーティングを施すなどの対応手段を講じている。
特開平１１−１４５７５８号公報 特開２００２−２６１５７７号公報

しかしながら、上記特許文献１，２のように、励振電極が形成された振動腕部の全体をコーティングするには、製造工数や製造コストが多くなるといった問題がある。また、コーティングを施す過程で、微小な金属製の塵が混入する場合も考えられる。

そこで、本発明の目的は、製造時あるいは調整時などにおいて、微小な金属塵などの不純物が混入した場合にあっても、絶縁不良による振動特性の劣化や製造不良を確実に防止することのできる励振電極構造を備えた屈曲振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の屈曲振動子は、基部と、この基部からＹ軸方向に振動長、Ｘ軸方向に振動幅、Ｚ軸方向に厚みを有する振動腕部とで構成され、Ｙ軸及びＺ軸からなるＹ−Ｚ面に対応する前記振動腕部の側面に励振電極が形成される屈曲振動子において、前記励振電極は、前記振動腕部の側面の域内に形成されることを特徴とする。

前記励振電極は、その上端及び下端が前記振動腕部のＸ軸及びＹ軸からなるＸ−Ｙ面に対応する上面及び下面と前記側面との間にできる上側稜線及び下側稜線まで延びて形成される。

前記励振電極は、その上端及び下端が前記振動腕部のＸ軸及びＹ軸からなるＸ−Ｙ面に対応する上面及び下面と前記側面との間にできる上側稜線及び下側稜線からそれぞれ内側に形成される。

本発明の屈曲振動子によれば、振動腕部の側面に形成される励振電極の上端及び下端が振動腕部の上側稜線及び下側稜線を越えた上面及び下面に回り込んで形成されていないため、たとえ、製造時や調整時などの際に金属塵などの不純物が混入した場合であっても、前記振動腕部の上面や下面に形成されている励振電極の端部同士を介して電気的に接触することがなく、絶縁不良を有効に防止することが可能となる。特に、前記励振電極の形成面を多くするために、振動腕部の中央部に凹部を設けた構造の屈曲振動子にあっては、振動腕部の外側の側面と凹部内の内側側面との間隔が非常に狭まるため、有効な絶縁不良対策となる。

また、前記励振電極のパターン形成は、焦点深度が浅い露光装置を用い、振動腕部の振動幅や厚みに応じて露光量を適宜調整することによって可能となるため、コーティングなどの特別な製造工程を要しない。このため、振動特性の安定した屈曲振動子を安価に製造できる。

以下、本発明の屈曲振動子の各実施形態を添付図面に基づいて説明する。以下に示す各実施形態の屈曲振動子は、図１に示すように、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｚ軸平面から約＋１°Ｘ軸方向に回転させたカット角の水晶板から音叉形に加工形成される。ここで、振動腕部のＹ軸及びＺ軸からなるＹ−Ｚ面に対応する面を側面ｓ１，ｓ２とし、Ｘ軸及びＹ軸からなるＸ−Ｙ面に対応する面を上面ｕ又は下面ｄとする。また、前記側面ｓ１，ｓ２と上面ｕとの間にできる角部を上側稜線ｕ１、側面ｓ１，ｓ２と下面ｄとの間にできる角部を下側稜線ｄ１とする。

本発明に係る第１実施形態の屈曲振動子２１は、図１に示したように、基本的には従来の音叉型の屈曲振動子と同様、図示しないケーシング内に固定される矩形状の基部２２と、この基部２２から平行に延びる一対の振動腕部２３，２４とを備えて構成されている。

前記屈曲振動子２１における振動腕部２３，２４は、基部２２の一端から同一方向に向けて平行に延びる細長い四角柱体であり、所定の振動周波数を得るための振動長（Ｌ）、振動幅（Ｗ）及び厚み（Ｔ）を有して形成される。この振動腕部２３，２４には、図２に示すように、Ｙ軸及びＺ軸からなるＹ−Ｚ面に対応する外側の側面ｓ１の他に、この側面ｓ１に対向する側面領域を設定するため、上面ｕ及び下面ｄのそれぞれの方向から所定の深さを有した凹部２７，２８が設けられる。

前記振動腕部２３，２４の表面には、基部２２の一端から延びる一対の極性の異なる励振電極２５，２６がそれぞれパターン形成されている。前記励振電極２６は、振動腕部２３の外側側面ｓ１に延びる励振電極２６ａと振動腕部２４の凹部２８の内側側面ｓ２，底面ｓ３に延びる励振電極２６ｂからなる。また、前記励振電極２５は、振動腕部２４の外側側面ｓ１に延びる励振電極２５ａと振動腕部２３の凹部２７の内側側面ｓ２，底面ｓ３に延びる励振電極２５ｂからなる。したがって、前記励振電極２５，２６は、図２に示した断面方向に対しては、水晶体である振動腕部２３，２４の表面が露出した部分を介してそれぞれが離間した状態となっている。

前記励振電極２５，２６は、図５に示すように、前記凹部２７，２８を含む振動腕部２３，２４の表面全体に金属導電膜３９を形成した後に絶縁する部分の金属導電膜３９をエッチングなどによって剥離して形成される。この剥離する部分は、前記振動腕部２３，２４の上面ｕや下面ｄにフォトレジスト膜４０を形成し、所定の範囲及び深度に設定された露光装置の露光処理によって形成されるが、従来の露光工程によれば、図１０に示したように、振動腕部１３，１４の外側側面の端部から上面や下面にかけて励振電極１６ａ，１５ｂや励振電極１５ａ，１６ｂの一部が残っているため、絶縁不良を生じやすい構造となっていた。

上記実施形態の屈曲振動子２１では、図２に示されるように、振動腕部２３，２４の側面ｓ１，ｓ２から上側稜線ｕ１及び下側稜線ｄ１を越えた上面ｕや下面ｄに回り込んだりしないように、前記励振電極２６ａ，２５ｂ及び励振電極２５ａ，２６ｂがそれぞれの側面ｓ１，ｓ２の域内に形成される。このため、例えば、パッケージング等の製造過程で発生する微小な金属塵２９が振動腕部２３の上面ｕや下面ｄの一部にかかった場合であっても、上面ｕや下面ｄには水晶体である振動腕部２３，２４の表面が露出した絶縁領域となっているため、対向する励振電極２６ａ，２５ｂ、励振電極２５ａ，２６ｂ同士が接触するようなケースが生じにくくなる。

このような絶縁不良をさらに低減させるための励振電極を備えた第２実施形態の屈曲振動子の構造を図３及び図４に示す。ここに示す屈曲振動子３１では、励振電極の形成領域を振動腕部３３，３４の側面ｓ１，ｓ２の平面域内に制限して形成されたものであり、側面ｓ１，ｓ２に形成される励振電極３６ａ，３５ｂが上側稜線ｕ１及び下側稜線ｄ１側に所定の幅（ｔ３）を有した絶縁部３０を備えている。この絶縁部３０は、前記上面ｕや下面ｄの振動腕部２３，２４の露出表面を側面ｓ１，ｓ２の端部まで拡張したものであり、深さｔ３は、前記上側稜線ｕ１及び下側稜線ｄ１から側面ｓ１，ｓ２の内側に０．５μｍ程度に設定するのが好ましい。これより浅いと絶縁部３０を設けた効果が得られず、また、深くし過ぎると励振電極３６ａ，３５ｂの形成領域が狭まり、十分な電界効率が得られなくなる。特に、側面ｓ２にあっては、凹部３７の深さｔ２が２０〜４０μｍ程度であるため、絶縁部３０の深さｔ３は５μｍ以内に形成される。前記側面ｓ１，ｓ２のそれぞれに形成される絶縁部３０の深さｔ３は、前記範囲内であれば全て均一に形成しなくてもよい。なお、他方の振動腕部３４に形成される励振電極３５ａ，３６ｂは、前記振動腕部３３に形成される励振電極３６ａ，３５ｂと同様であるので、説明は省略する。

図３に示した励振電極構造を備えた屈曲振動子３１にあっては、パッケージング等の製造過程で発生する金属塵２９が例えば、図４に示されるように、振動腕部２３，２４の上面ｕや下面ｄ全体を覆ったときにあっても、側面ｓ１，ｓ２の上端及び下端に設けられている絶縁部３０が存在するため、対向する励振電極同士の接触による絶縁不良の発生率を大幅に低減させることが可能となる。また、前記絶縁部３０が最小範囲に制限されることで、振動特性に影響を及ぼすことがない。

図５及び図６は、前記図３で示した励振電極３５，３６の形成工程を振動腕部３３，３４の断面方向から示したものである。最初に水晶原石から所定のカット角によってカットされた水晶板を加工して、振動幅Ｗの中央部に凹部３７，３８を有する一対の振動腕部３３，３４を形成（工程ａ）した後、この振動腕部３３，３４の表面全体に金属導電膜３９をスパッタリングあるいは加熱蒸着によって形成する（工程ｂ）。次に、前記金属導電膜３９を覆うように、感光用のフォトレジスト膜４０を一様に被覆する（工程ｃ）。そして、露光装置によって、前記振動腕部３３，３４のＺ軸方向の上方又は下方から光１０を照射して、上面ｕ及び下面ｄに形成されている部分全体と、上側稜線ｕ１及び下側稜線ｄ１から側面ｓ１，ｓ２の内側にかかる深さｔ３のフォトレジスト膜４０を除去する（工程ｄ，ｅ）。次に、この露光処理によって、前記フォトレジスト膜４０が削られて露出した金属導電膜３９をドライ又はウェットによるエッチングによって剥離する（工程ｆ）。最後に、前記振動腕部３３，３４の表面に残っているフォトレジスト膜４０を完全に取り除く（工程ｇ）。

上記励振電極２５，２６を形成するためには、振動腕部３３，３４の上面ｕや下面ｄから上側稜線ｕ１、下側稜線ｄ１を経て側面ｓ１，ｓ２に僅かに回り込む程度の深度が要求されるが、凹部３７，３８の底面ｓ３に形成されている励振電極まで剥離しないように制御されることが重要となる。このため、ステッパーなどで採用されている焦点深度が浅い露光装置が適切である。

本実施形態の製造方法では、パターンニングする励振電極の最小幅が約５μｍに対して焦点深度が±５〜±１０μｍ程度の露光装置を用いた。焦点深度が±１０μｍ以上の露光装置を用いた場合、前記絶縁部３０の深さｔ３が大きくなり過ぎることがある。また、凹部３７，３８の底面ｓ３に形成されている励振電極の端部が露光されることによって、欠けるなどして小さくなることもある。このように、励振電極の形成面積が必要以上に小さくなると屈曲振動子としての本来の電気的特性が悪化するので、焦点深度が±５から±１０μｍ程度が最も適している。

図７及び図８は、第３実施形態における屈曲振動子４１の構造を示したものである。この屈曲振動子４１は、上記実施形態の屈曲振動子２１，３１のように、振動腕部４３，４４には凹部が設けられていない。励振電極４５，４６は、振動腕部４３，４４の上面ｕ、下面ｄ及び側面ｓの所定領域に絶縁部を有してそれぞれ形成されている。このような屈曲振動子４１にあっても、上面ｕや下面ｄの端部から所定の絶縁部５０を設けて前記励振電極４５，４６を形成することで上記実施形態の屈曲振動子２１，３１と同様な金属塵などの不純物の混入による絶縁不良を防止する効果が得られる。前記励振電極４５，４６の形成は、振動腕部４３，４４の上面ｕ又は下面ｄに形成される電極パターンに合わせたマスクを通し、前記側面ｓに上端及び下端までを照射範囲とする露光装置によってパターニングした後、その部分をエッチングすることで、所定の絶縁部５０を形成することができる。なお、前記絶縁部は、上記実施形態の屈曲振動子と同様に０．５μｍ程度の深さが適切である。

本発明に係る第１実施形態の励振電極構造を備えた屈曲振動子の斜視図である。 上記屈曲振動子の振動腕部のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る第２実施形態の励振電極構造を備えた屈曲振動子の斜視図である。 上記屈曲振動子の振動腕部のＢ−Ｂ断面図である。 振動腕部の加工から露光までの製造方法を示す工程図である。 エッチング工程を経て励振電極が形成されるまでの製造方法を示す工程図である。 第３実施形態の励振電極構造を備えた屈曲振動子の斜視図である。 上記屈曲振動子の振動腕部のＣ−Ｃ断面図である。 従来の励振電極構造を備えた屈曲振動子の斜視図である。 上記屈曲振動子の振動腕部のＤ−Ｄ断面図である。 上記屈曲振動子の露光までの製造方法を示す工程図である。 上記屈曲振動子の励振電極形成までの過程を示す工程図である。

符号の説明

ｓ１，ｓ２ 側面
ｓ３ 底面
ｕ 上面
ｕ１ 上側稜線
ｄ 下面
ｄ１ 下側稜線
１０ 光
２１，３１，４１ 屈曲振動子
２２，３２，４２ 基部
２３，２４，３３，３４，４３，４４ 振動腕部
２５，２６，３５，３６，４５，４６ 励振電極
２７，２８，３７，３８ 凹部
２９ 金属塵
３９ 金属導電膜
４０ フォトレジスト膜
３０，５０ 絶縁部

Claims (8)

1. 基部と、この基部からＹ軸方向に振動長、Ｘ軸方向に振動幅、Ｚ軸方向に厚みを有する振動腕部とで構成され、Ｙ軸及びＺ軸からなるＹ−Ｚ面に対応する前記振動腕部の側面に励振電極が形成される屈曲振動子において、
   前記励振電極は、前記振動腕部の側面の域内に形成されることを特徴とする屈曲振動子。
2. 前記励振電極は、その上端及び下端が前記振動腕部のＸ軸及びＹ軸からなるＸ−Ｙ面に対応する上面及び下面と前記側面との間にできる上側稜線及び下側稜線まで延びている請求項１記載の屈曲振動子。
3. 前記励振電極は、その上端及び下端が前記振動腕部のＸ軸及びＹ軸からなるＸ−Ｙ面に対応する上面及び下面と前記側面との間にできる上側稜線及び下側稜線からそれぞれ内側に形成される請求項１記載の屈曲振動子。
4. 前記側面には、前記上側稜線及び下側稜線と励振電極の上端及び下端との間に振動腕部の表面が露出する絶縁部分が形成される請求項３記載の屈曲振動子。
5. 前記絶縁部分は、０．５μｍ以上に形成される請求項４記載の屈曲振動子。
6. 前記励振電極は、前記振動腕部の上側稜線及び下側稜線、あるいは、上側稜線及び下側稜線から側面の上端及び下端にかかる内側方向を焦点範囲とする露光によってパターニング形成される請求項２又は３記載の屈曲振動子。
7. 前記露光は、前記上側稜線及び下側稜線から側面の上端及び下端から内側の方向に０．５〜５μｍの範囲で行われる請求項６記載の屈曲振動子。
8. 前記振動腕部には、振動幅の略中央部に所定の幅及び深さで、振動長方向に延びる凹部が形成され、この凹部内の側面に前記励振電極が形成される請求項１乃至７のいずれかに記載の屈曲振動子。