JP2009253622A - 音叉型圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 落下などの衝撃などによって破損を生じないように、振動腕の先端部がパッケージ底面と接触しない音叉型圧電振動片を提供する。
【解決手段】 音叉型圧電振動片（２０）は、第１面と第２面とを有する基部（２９）と、基部の一端部より突出して形成され、第１幅（Ｗ１）を有し且つ第１面側と第２面側との間が第１厚さ（Ｄ１）である一対の振動腕（２１）と、一対の振動腕（２１）の先端側に設けられ、第１幅よりも広い第２幅（Ｗ６）であり且つ第１厚さよりも厚い第２厚さ（Ｄ２）である先端部（２２）と、先端部の角部に形成された切り欠け部（２４）と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電材料よりなる音叉型の圧電振動片及びこの圧電振動片を有する圧電デバイスを製造する技術に関する。

移動体通信機器やＯＡ機器等などの電子機器の小型軽量化及び高周波数化に伴って、それらに用いられる圧電振動素子も、より一層の小型化及び高周波数化への対応が求められている。また、回路基板に表面実装（ＳＭＤ：Surface Mount Device）が可能な圧電デバイスが要求されている。

ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、この電子機器に用いられる圧電デバイスに振動腕の長さを短くした音叉型圧電振動片が求められている。ところが、音叉型圧電振動片の周波数は振動腕の長さの２乗に反比例するため、振動腕の長さを短くしてしまうと周波数が高くなってしまう。特許文献１によれば、振動腕の先端部分を大きくして質量を付加して、慣性モーメントによる負荷質量効果によって、振動腕の長さを短くしても振動腕の捩れ振動によって周波数が高くならないようにしている。また、特許文献２は、振動腕部に溝部を形成した音叉型圧電振動片であって、振動腕の厚みは８０μｍ以上１３０μｍ以下とし、振動腕部の間隔を振動腕部の幅で割った値が、２μｍ以下で５０μｍ以上である音叉型圧電振動片を提案している。これによりＣＩ値が小さく、安定したドライブ特性が得られるようにしている。
特開平５−１２９８７５号公報 特開２００４−２６６７６５号公報

しかしながら、さらに小型化する需要に対して、振動腕の先端部の幅を大きくしようとすると、従来の形状だけでは圧電振動片を小型化することには限界がある。すなわち、音叉型振動子の周波数は、振動腕の長さと振動腕の幅により決定され、振動腕の長さの２乗に反比例し、振動腕の幅に比例することが知られている。振動腕の長さを短くして小型化するには、振動腕の幅をより狭くすることになる。振動腕の幅を大きくしすぎると、一対の振動腕の間隔が大きくなり、圧電デバイスの小型化の要請に応えることができなくなる。また、基部の長さをさらに短くしようとすると、十分に振動漏れを吸収することができずにＣＩ値が劣化する。

さらに、一対の振動腕の間隔を狭め小型化を図ると、音叉型圧電振動片の外形を形成する際のエッチングにおいて、水晶の異方性により音叉型圧電振動片は異型部が発生する。このエッチングによる異形部は小型化するに従い、音叉型圧電振動片の特性に与える影響が大きくなる。エッチングの異型部は音叉型圧電振動片に歪みを発生させ、わずかな寸法の違いで左右の振動腕のバランスが不均一になり振動漏れがおきる。特に一対の振動腕の根元部などは小型になるにつれてエッチングの薬液が流れにくくなり、さらに水晶の異方性により加工が難しくなっている。また、振動腕の先端部の幅を大きくし過ぎると、落下時の衝撃、振動により振動腕の先端部がパッケージ底面と接触して先端部が欠けることにより、周波数が変わってしまう恐れがある。振動腕部の厚さが１３０μｍを超えると、圧電デバイスの薄型化が困難になると共に、振動腕部の質量が大きくなり、落下の衝撃により破損が生じやすい恐れがある。

本発明の目的は、音叉型圧電振動片をさらに小型化するために振動腕の幅より広く振動腕の厚みより厚い先端部を形成しても、落下などの衝撃などによって破損を生じにくくするように、振動腕の先端部がパッケージ底面と接触しない音叉型圧電振動片及び圧電デバイスを提供することである。

第１の観点の音叉型圧電振動片は、第１面と第２面とを有する基部と、基部の一端部より突出して形成され、第１幅を有し且つ第１面側と第２面側との間が第１厚さである一対の振動腕と、一対の振動腕の先端側に設けられ、第１幅よりも広い第２幅であり且つ第１厚さよりも厚い第２厚さである先端部と、先端部の角部に形成された切り欠け部と、を備えている。
この構成により、振動腕の幅より広い先端部は振動腕の厚みより厚くして振動しやすくするとともに強度を増している。また、厚くなった先端部に切り欠け部を有しているため、重くなった先端部が落下の衝撃などによって破損を生じない。

第２の観点の音叉型圧電振動片の基部は、第２厚さである。
この構成により、基部の強度が増すため、製造途中などにおいて音叉型圧電振動片の取り扱いが楽になる。また、振動腕からの振動もれも小さくすることができる。

第３の観点の音叉型圧電振動片の切り欠け部は、Ｃ面取り形状、Ｒ面取り形状又は段差形状を含む。
先端部の角部に形成される切り欠け部は、製造のし易さ、先端部のバランスなどを考慮してＣ面取り形状、Ｒ面取り形状又は段差形状に形成することができる。

第４の観点の音叉型圧電振動片の振動腕は、この振動腕と先端部とを合わせた長さの２０パーセントから５５パーセントの長さの溝部を第１面及び第２面に有している。
振動腕と先端部とを合わせた長さの２０パーセントから５５パーセントの長さの溝部は、音叉型圧電振動片のＣＩ値を低減することができるとともに強度を確保することができる。

第５の観点の圧電デバイスは、圧電材料からなる音叉型圧電振動片がパッケージ内に固定された圧電デバイスであって、音叉型圧電振動片は、第１面と第２面とを有する基部と、基部の一端部より突出して形成され、第１幅を有し且つ第１面側と第２面側との間が第１厚さである一対の振動腕と、一対の振動腕の先端側に設けられ、第１幅よりも広い第２幅であり且つ第１厚さよりも厚い第２厚さである先端部と、先端部の角部に形成された切り欠け部と、を備え、パッケージは、音叉型圧電振動片が載置される台座と、振動腕の第２面側に設けられた枕部と、を備えている。
パッケージが枕部を有するため、衝撃で音叉型圧電振動片が撓んだ際にもその枕部に振動腕が当接して先端部の角部がパッケージの底面に当たって割れることを防ぐことができる。

第６の観点の圧電デバイスは、第５の観点において、枕部の上端部が振動腕の突出する方向の曲面を有する。
枕部の上端部が曲面であるため、衝撃を受けて振動腕が枕部の上端部に当たる際に力が分散する。

第７の観点の圧電デバイスの振動腕は、第５又は第６の観点において、振動腕と先端部とを合わせた長さの２０パーセントから５５パーセントの長さの溝部を第１面及び第２面に有している。
音叉型圧電振動片のＣＩ値を低減することができるとともに、枕部に振動腕が当たった際にも振動腕が破損しない強度を確保することができる。

本発明の圧電振動片は、小型化してもＣＩ値の劣化を低減でき、周波数を低く抑えて、優れた振動特性を備える。この圧電振動片を使った圧電デバイスは、小型化の要望に応えることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

＜音叉型水晶振動片２０及び音叉型水晶振動片３０の構成＞
＜＜実施形態１＞＞
図１（ａ）は、第１実施形態の第１の音叉型水晶振動片２０の全体構成を示した平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。（ｃ）は、第１の音叉型水晶振動片２０の一対の振動腕２１のＣ−Ｃ断面図である。第１の音叉型水晶振動片２０の母材は、Ｚカットに加工された水晶単結晶ウエハ１０で形成されている。図１（ａ）に示すように、第１の音叉型水晶振動片２０は、第１基部２９−１、第２基部２９−２及び第３基部２９−３から構成される基部２９と、この第１基部２９−１から図１において右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕２１を備えている。振動腕２１には、振動腕２１の幅より広い先端部２２を備える。以下、本実施形態では一対の振動腕２１を備えた音叉型水晶振動片で説明するが、３本または４本の振動腕２１を備えた水晶振動片であってもよい。

第１の音叉型水晶振動片２０は、たとえば３２．７６８ｋＨｚで信号を発信する振動片で、極めて小型の振動片となっている。図１（ａ）において、振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さは、１．３０ｍｍから１．５０ｍｍであり、基部２９の長さＬ２は０．２０ｍｍから０．５０ｍｍ程度であり、先端部２２の長さＬ３は０．３０ｍｍから０．３５ｍｍである。第１の音叉型水晶振動片２０の全体の長さが１．５０ｍｍから２．００ｍｍ程度である。第１基部２９−１の幅Ｗ１は０．３４ｍｍから０．５０ｍｍ、第２基部２９−２の幅Ｗ２は０．４０ｍｍから０．６０ｍｍ程度であり、第３基部２９−３の幅Ｗ３は０．２５ｍｍから０．４０ｍｍ程度である。振動腕２１の幅Ｗ５は０．０７ｍｍから０．０８ｍｍ程度である。先端部２２の幅Ｗ６は、０．１２ｍｍから０．１５ｍｍである。一対の振動腕２１の先端部２２の間隔Ｗ７は０．０５ｍｍから０．０７ｍｍ程度である。

図１（ｂ）に示すように、振動腕２１の厚さＤ１は、０．０８ｍｍから０．１２ｍｍであり、先端部２２の厚さＤ３は、０．１２ｍｍから０．５０ｍｍである。先端部２２の角部はＣ面取りにより、切り欠け部２４が形成されている。切り欠け部２４の厚さＤ４は０．０２ｍｍから０．１９ｍｍ程度である。切り欠け部２４を設けることにより、落下などの衝撃などによって振動腕２１の先端部２２がパッケージ底面と接触しても欠けないように予防している。切り欠け部２４は振動腕のバランスを良くするため表裏両面に設けてもよい。

基部２９の厚さＤ２は０．１３ｍｍから０．５０ｍｍ程度である。基部２９の厚さＤ２の方が少なくとも振動腕２１の厚さＤ１より５μｍ以上厚い。つまり約５パーセント程度厚くなっており、振動腕２１が振動する際に垂直方向成分を有した振動が生じても、振動腕２１の振動が基部へ漏れる振動を緩和することができる。また、第３基部２９−３の幅が細くなっても、基部２９の厚さＤ２が厚いので、製造途中での破損が少なく、衝撃にも強くなる。また、基部２９の厚さＤ２は、０．５０ｍｍよりも薄く、振動腕２１の厚さＤ１の５倍以内としている。振動腕２１との厚さの違いが大きくなるとウェットエッチングなどの工程で時間がかかり、また無駄になる水晶の量が多くなる。このため、製造コストを考えて０．５ｍｍよりも小さくしている。振動腕２１の先端部２２の厚さＤ３は、基部２９の厚さＤ２と同じ厚さにすることができる。

第１の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の表裏面には、溝部２１１が形成されている。一本の振動腕２１の表面に２つの溝部２１１が形成されており、振動腕２１の裏面側にも同様に２つの溝部２１１が形成されている。つまり、一対の振動腕２１には４箇所の溝部２１１が形成される。溝部２１１の深さは、振動腕２１の厚さの約３５〜４５％である。溝部２１１の幅Ｗ４は、振動腕２１の幅Ｗ３の約６５〜８５％である。８５％以上にすると振動腕の強度が弱くなる。表裏面に溝部２１１があるため、図１（ｃ）に示すように、溝部２１１の断面は、Ｈ型に形成されている。溝部２１１の長さは、振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さの２０％から５５％である。溝部２１１の長さについては図２を使って後述する。溝部２１１は、小型化が進むとＣＩ値が上昇するので、ＣＩ値を下げるために設けられている。

第１の音叉型水晶振動片２０の基部２９は、その全体が板状に形成されている。第３基部２９−３は、第１基部２９−１と第２基部２９−２との間で、切れ込み部を形成している。この切れ込み部は、振動腕２１が振動する際に垂直方向成分を有した振動が生じても、振動腕２１の振動が第２基部２９−２へ漏れる振動を緩和することができる。また、第３基部２９−３の幅Ｗ３は細くなっても、基部２９の厚さＤ２が厚いので、製造途中において破損することが少なくなり、また、衝撃にも強くなる。第１の音叉型水晶振動片２０の基部２９には、連結部２８が２箇所設けられている。連結部２８は、水晶単結晶ウエハ１０から、図１に示す音叉形状をフォトリソグラフィおよびウェットエッチングで形成する際に、水晶単結晶ウエハ１０と第１の音叉型水晶振動片２０とを連結する部分である。

第１の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１および基部２９には、第１電極パターン２３と第２電極パターン２５とが形成されている。振動腕２１の先端部２２には、錘部２６及び錘部２７を備える。第１電極パターン２３及び第２電極パターン２５或いは錘部２６及び錘部２７は、１５０オングストローム〜７００オングストロームのクロム（Ｃｒ）層の上に４００オングストローム〜２０００オングストロームの金（Ａｕ）層が形成された構成である。クロム（Ｃｒ）層の代わりに、チタン（Ｔｉ）層を使用してもよく、また金（Ａｕ）層の代わりに、銀（Ａｇ）層を使用してもよい。錘部２６及び錘部２７は第１の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１が振動し易くなるための錘でありかつ周波数調整のために設けられる。

音叉型水晶振動片２０の基部２９には、図１（ａ）に示すように、第１基部電極２３ａと第２基部電極２５ａとが形成され、振動腕部２１の溝部２１１には、第１溝電極２３ｄ，第２溝電極２５ｄがそれぞれ形成される。また、図１（ｃ）に示すように、（ａ）の左側の腕部２１の両側面には、第２側面電極２５ｃが形成されている。右側の腕部２１の両側面には、第１側面電極２３ｃが形成されている。

図２は、振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さに対する溝部２１１の長さとの比率と、ＣＩ値及び強度比率との関係を示す図である。振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さに対する溝部２１１の長さとの比率は、溝のない場合を０％とし、振動腕２１から先端部２２の端まで溝を形成した場合を１００％として、各比率の音叉型水晶振動片を用意した。強度比率は、用意された各比率の音叉型水晶振動片の中央部に一定荷重を加え、破損しない本数をパーセント表示して強度比率とした。強度比率が高いほど振動腕２１が破損しにくいことを示している。

図２に示すように、溝部２１１の長さは、振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さの２０％から５５％が好ましい。ＣＩ値は溝のない場合を０％のときに１９０ｋΩであり、溝部２１１が形成されると急激にＣＩ値が下がり、溝部２１１の長さの割合が２０％以上になると約１００ｋΩ以下になる。その一方、溝部２１１の長さの割合が５５％以上になるとＣＩ値があまり下がらなくなっている。また、溝部２１１の長さの割合が大きくなるほど強度比率は低くなり、その強度比率はほぼ直線状に低下している。このため、溝部２１１の長さとの比率とＣＩ値及び強度比率とを考え合わせると、溝部２１１の長さが２０％以下ではＣＩ値が高く溝部２１１の長さが５５％以上ではＣＩ値の低下よりも振動腕２１が折れやすくなる弊害の方が大きくなる。

＜＜実施形態２＞＞
図３は、第２実施形態である第２の音叉型水晶振動片３０である。（ａ）は、第２の音叉型水晶振動片３０の全体構成を示した平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。第１実施形態で示した第１音叉型水晶振動片２０と異なる部分のみ符号が異なり、同じ部分には同じ符号を付し説明を省略する。第２の音叉型水晶振動片３０も、たとえば３２．７６８ＫＨｚで信号を発信する振動片ある。

第２の音叉型水晶振動片３０が、第１の音叉型水晶振動片２０と大きく異なるところは、振動腕３１の先端部３２が扇型なっている点である。また、第２の音叉型水晶振動片３０の振動腕３１には、一本の振動腕３１の表面に１つの溝部３１１が形成されており、振動腕３１の裏面側にも同様に１つの溝部３１１が形成されている点が異なり、また、基部３９が第３基部３９−３を有していない点が異なる。

第２の音叉型水晶振動片３０は、第１の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１と先端形状が異なる振動腕３１を有し、また、基部２９と異なる形状の基部３９を有している。
振動腕３１の長さＬ４と先端部の長さＬ５とを合わせた長さは、１．３０ｍｍから１．５０ｍｍである。その他第１実施形態で示した第１音叉型水晶振動片２０と同一符号のものは同一寸法である。

図３（ｂ）に示すように、振動腕３１の厚さＤ１は、０．０８ｍｍから０．１２ｍｍである。先端部３２の厚さＤ３は、０．１２ｍｍから０．５０ｍｍである。先端部３２の角部はＣ面取りにより切り欠け部３４が形成されている。この振動腕３１の先端部３２は、振動腕３１の根元側よりも厚みが厚いため重たくなっており、振動腕３１が振動しやすくなっている。このため振動腕３１の長さＬ４を短くできる。このため、実施形態２の振動腕３１は、衝撃などの強度の確保とともに音叉型水晶振動片３０の小型化を図ることができる。

振動腕３１の先端部３２には、錘部３７及び錘部３８を備える。錘部３７及び錘部３８は金属膜から成り、振動腕３１の先端部３２をより重たくしている。錘部３７及び錘部３８は第２の音叉型水晶振動片３０の振動腕３１が振動し易くなるための錘でありかつ周波数調整のために設けられる。

基部３９は、第１基部３９−１及び第２基部３９−２から構成される。第１基部３９−１の幅Ｗ１は０．３４ｍｍから０．５０ｍｍ、第２基部３９−２の幅Ｗ２は０．４０ｍｍから０．６０ｍｍ程度である。基部３９の厚さＤ２は０．１３ｍｍから０．５０ｍｍ程度である。第１基部２９−１の幅Ｗ１と第２基部２９−２の幅Ｗ２との差異があるため、振動腕３１が振動する際に垂直方向成分を有した振動が生じても、振動腕３１の振動が第２基部２９−２へ漏れる振動を緩和することができる。

＜セラミックパッケージ音叉型振動子５０の構成＞
図４（ａ）は、本実施形態に係るセラミックパッケージ音叉型振動子５０の構成を示す概略断面図であり、（ｂ）は、セラミックパッケージ音叉型振動子５０が落下などの衝撃を受けた際の状態を示した模擬断面図である。
図４（ａ）に示すように、このセラミックパッケージ音叉型振動子５０は、上述の第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０を使用している。セラミックパッケージ音叉型振動子５０は、その内側に空間を有する箱状のパッケージ５２を有している。このパッケージ５２には、その底部にベース５３及び台座５４並びに枕部５５を備えている。パッケージ５２の底部中央部付近に設けられた枕部５５の高さＨ２は、台座５４の高さＨ１とほぼ同等の高さである。この枕部５５はその上端部５５ａが円形状になっており、Ｘ方向に伸びる半円柱を半分に割った形状である。このベース５３及び台座５４並びに枕部５５を備えたパッケージ５２は、酸化アルミニウム質の混練物からなるセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層し、焼結して形成されている。

パッケージ５２の上端には、封止材５８が設けられており、この封止材５８は、蓋体５６と同様の材料から形成されている。蓋体５６は、ホウ珪酸ガラス及びソーダガラスなどから成る。また、この封止材５８の上には蓋体５６が載置され、これらパッケージ５２、封止材５８および蓋体５６で、中空の箱体を形成することになる。蓋体５６がコバール合金等の金属材料で形成される場合には、蓋体５６はシーム溶接等の手法により、パッケージ５２に対して固定される。

このように形成されているパッケージ５２のベース部５４上にはパッケージ側電極が設けられている。このパッケージ側電極の上には導電性接着剤５９を介して第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の基部電極２３ａ、２５ａが電気的に接続される。パッケージ側電極は、パーケージの外側に形成されたタングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキが施された電極部に接続される。
この第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０は、電極部から一定の印加により振動するようになっている。このとき、基部２９，３９が振動腕２１，３１よりも厚いため、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０が衝撃などに対して強くなる。

図４（ｂ）は、セラミックパッケージ音叉型振動子５０が落下などの衝撃を受けた際に第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０が撓んだ状態を示している。セラミックパッケージ音叉型振動子５０が落下などの衝撃を受けた際に、振動腕２１，３１が大きく曲がっても、振動腕２１，３１が枕部５５の上端部５５ａに当たり先端部２２，３２はパッケージ底部のベース５３に当たらない。枕部５５は衝撃で振動腕２１の先端がパッケージに当たって欠けることを防いでいる。また上端部５５ａの形状が円形、別言すれば振動腕２１の曲がる方向に曲線状になっている、振動腕２１に加わる力を分散している。さらに、先端部２２及び３２の切り欠け部２４及び３４は、ベース５３に先端部２２，３２が接触することを防いでいる。つまり、衝撃で振動腕２１の先端部２２が欠けて周波数が変わってしまうことを防いでいる。以上説明したように、本実施形態に係るセラミックパッケージ音叉型振動子５０は、衝撃に対して強い構造になっている。

図５は、振動腕の先端部の形状を変えた変形例である。第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０と異なる部分のみ符号が異なり、同じ部分には同じ符号を付している。
図５（ａ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の振動腕の先端部の変形例１の部分側面図であり、（ｂ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の先端部の変形例２の部分側面図であり、（ｃ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の先端部の変形例３の部分側面図である。

図５（ａ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の振動腕２１、３１の先端部２２，３２に、切り欠け部４５を設けた部分側面図である。切り欠け部４５は、段差部が形成されている。切り欠け部４５は、振動腕２１の厚さを薄くする工程で同時に、エッチングにより容易に形成される。
図５（ｂ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の振動腕２１、３１の先端部２２，３２に、切り欠け部４６を設けた部分側面図である。切り欠け部４６は、２段の段差部が形成されている。
これら切り欠け部を設けることにより、落下などの衝撃などによっても振動腕２１の先端部２２がパッケージ底面と接触しても欠けないように予防している。切り欠け部は振動腕のバランスを良くするため表裏両面に設けても良い。

図５（ｃ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の振動腕２１、３１の先端部２２，３２の部分側面図である。先端部２２，３２の角部はＲ面取りされている。落下などの衝撃などによって振動腕の先端部がパッケージ底面と接触しても欠けない形状をしている。また、先端部は丸いため振動腕のバランスが良い。

＜セラミックパッケージ音叉型振動子５０の製造工程＞
図６ないし図９は、図１で示した音叉型水晶振動片２０を使って図４に示したセラミックパッケージ音叉型振動子５０を製造する工程を示したフローチャートである。各図フローチャートの右側に、音叉型水晶振動片２０の断面図又は平面図を示す。なお、図１で示した第２の音叉型水晶振動片３０も同様であるので説明を割愛する。
＜＜水晶振動片の外形形成の工程＞＞
図６は、音叉型水晶振動片２０の外形形成の工程のフローチャートである。
ステップＳ１０２では、水晶単結晶ウエハ１０の全面に、耐蝕膜をスパッタリングもしくは蒸着などの手法により形成する。すなわち、圧電材料としての水晶単結晶ウエハ１０を使用する場合に、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等を直接成膜することは困難なため、下地としてクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）等を使用する。つまり、この実施形態では、耐蝕膜としてクロム層の上に金層を重ねた金属膜４０を使用する。図６（ａ）は、この状態の水晶単結晶ウエハ１０を示した断面図である。

ステップＳ１０４では、クロム層および金層が形成された水晶単結晶ウエハ１０に、フォトレジスト膜３６を全面にスピンコートなどの手法で均一に塗布する。フォトレジスト膜３６としては、たとえば、ノボラック樹脂によるポジフォトレジストを使用できる。図６（ｂ）は、この状態の水晶単結晶ウエハ１０を示した断面図である。

次に、ステップＳ１０６では、不図示の露光装置を用いて、外形フォトマスクのパターンをフォトレジスト膜３６が塗布された水晶単結晶ウエハ１０に露光する。水晶単結晶ウエハ１０の両面からウェットエッチングができるように水晶単結晶ウエハ１０の両面に露光する。図６（ｃ）は、露光されたフォトレジスト膜４２を有する水晶単結晶ウエハ１０を示した断面図である。

ステップＳ１０８では、水晶単結晶ウエハ１０のフォトレジスト膜３６を現像して、感光したフォトレジスト膜４２を除去する。さらに、フォトレジスト膜３６から露出した金層をたとえば、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液を用いて、金層をエッチングする。次いで、金層が除去されて露出したクロム層を、たとえば硝酸第２セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングする。水溶液の濃度、温度および水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。これで金属膜４０を除去することができる。図６（ｄ）に示すように、音叉型水晶振動片２０の外形パターンの水晶単結晶ウエハ１０が現れる。

ステップＳ１１０では、フッ酸溶液をエッチング液として、フォトレジスト膜３６および金属膜４０から露出した水晶単結晶ウエハ１０を、音叉型水晶振動片２０の外形になるようにウェットエッチングを行う。このウェットエッチングは、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により時間が変化するが、約６時間ないし約１５時間かかる。図６（ｅ）は、エッチングされた水晶単結晶ウエハ１０で、金属膜４０及びフォトレジスト膜３６に覆われた音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図を示す。図６（ｇ）に示すように開口領域１２が形成された状態である。

ステップＳ１１２では、不要となったフォトレジスト膜３６と金属膜４０を除去することによりに、図６（ｇ）に示した音叉型水晶振動片２０が形成される。ただし、水晶単結晶ウエハ１０と音叉型水晶振動片２０とは、連結部２８で連結された状態であり、音叉型水晶振動片２０は個々に切り取られていない。図６（ｆ）に、形成された音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図を示す。

図６（ｇ）は、水晶単結晶ウエハ１０に形成された音叉型水晶振動片２０の一部を拡大した概略平面図である。音叉型水晶振動片２０は、水晶単結晶ウエハ１０から開口領域１２がエッチングされることにより所定の大きさに形成されている。音叉型水晶振動片２０の基部２９には連結部２８が形成されている。連結部２８は、水晶単結晶ウエハ１０と音叉型水晶振動片２０とを連結して、複数の音叉型水晶振動片２０を水晶単結晶ウエハ１０単位で同時に扱うことができるようにしている。

＜＜振動腕の厚さ及び幅を薄くする工程＞＞
図７は、振動腕２１の厚さを薄くする工程のフローチャートである。各図フローチャートの右側に、音叉型水晶振動片２０の断面図又は平面図を示す。
ステップＳ１１４では、音叉型水晶振動片２０を純水で洗浄し、水晶単結晶ウエハ１０の全面に、クロム層の上に金層を重ねた金属膜４０をスパッタリングもしくは蒸着などの手法により形成する。図７（ｈ）は、この状態の音叉型水晶振動片２０を示した断面図である。

ステップＳ１１６では、クロム層および金層が形成された水晶単結晶ウエハ１０に、フォトレジストをスピンコートまたはスプレーなどの手法で均一に塗布する。図７（ｉ）は、この状態の音叉型水晶振動片２０を示した断面図である。

ステップＳ１１８では、不図示の露光装置を用いて、段差用フォトマスクのパターンをフォトレジスト膜３６’が塗布された音叉型水晶振動片２０に合わせて露光する。水晶単結晶ウエハ１０の両面からウェットエッチングができるように水晶単結晶ウエハ１０の両面に露光する。振動腕２１の先端部切り欠け部も露光される。図７（ｊ）は、露光されたフォトレジスト膜４２’を有する音叉型水晶振動片２０を示した断面図である。

ステップＳ１２０では、水晶単結晶ウエハ１０のフォトレジスト膜３６’を現像して、感光したフォトレジスト膜４２’を除去する。さらに、フォトレジスト膜３６’から露出した金層をエッチングする。次いで、金層が除去されて露出したクロム層をエッチングする。水溶液の濃度、温度および水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。これで金属膜４０を除去することができる。図７（ｋ）に示すように、音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の外形パターンが現れる。

ステップＳ１２２では、フッ酸溶液をエッチング液として、フォトレジスト膜３６’および金属膜４０から露出した振動腕２１を、所定の厚さになるようにウェットエッチングを行う。このウェットエッチングは、振動腕２１の厚さを薄くするためのものであるので、途中までエッチングを行ういわゆるハーフエッチングを行う。フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により、エッチング時間は変化する。振動腕２１の先端部２２の切り欠け部２４も形成される。図７（ｌ）に、薄く形成された音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図を示す。

ステップＳ１２４では、不要となったフォトレジスト膜３６’と金属膜４０とを除去する。図７（ｍ）に、振動腕２１の厚みが薄くなった音叉型水晶振動片２０の側面図を示す。

図７（ｎ）は、水晶単結晶ウエハ１０に形成された音叉型水晶振動片２０の一部を拡大した概略平面図である。振動腕２１の厚さ及び幅を薄くエッチングすることにより、先端部２２が所定の大きさに形成されていることを示す。

＜＜溝部形成の工程＞＞
図８は、振動腕２１に溝部２１１を形成する工程のフローチャートである。各図フローチャートの右側に、音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図又は平面図の一部を示す。
ステップＳ１２６では、音叉型水晶振動片２０を純水で洗浄し、音叉型水晶振動片２０の全面に溝部２１１を形成するための金属膜４０を形成する。図８（ｏ）は、この状態の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１を示した断面図である。

ステップＳ１２８では、スプレーを使って全面にフォトレジスト膜３６”を塗布する。音叉型水晶振動片２０の形状が形成されているため、スプレーを使って側面にもフォトレジスト膜３６”を塗布する。図８（ｐ）は、この状態の音叉型水晶振動片２０の振動腕２１を示した断面図である。

ステップＳ１３０では、溝部２１１に対応した溝部フォトマスクを用意して、溝部パターンをフォトレジスト膜３６”が塗布された水晶単結晶ウエハ１０を露光する。溝部２１１は振動腕２１の両面に形成する必要があるため、ステップＳ１３０では、３６５ｎｍのｉ線の露光光を用いて音叉型水晶振動片２０の両面を露光する。図８（ｑ）は、露光されたフォトレジスト膜４２”を有する音叉型水晶振動片２０の振動腕２１を示した断面図である。

ステップＳ１３２では、フォトレジスト膜３６”を現像後、感光したフォトレジスト膜４２”を除去する。さらに、フォトレジスト膜３６”から露出した金層をエッチングする。次いで、金層が除去されて露出したクロム層をエッチングする。水溶液の濃度、温度および水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。これで金属膜４０を除去することができる。図８（ｒ）に示すように、音叉型水晶振動片２０の振動腕２１が現れる。

ステップＳ１３４では、溝部２１１のエッチングを行う。すなわち、溝部２１１と対応したフォトレジスト膜３６”から露出した水晶材料を、溝部２１１の外形になるようにウェットエッチングを行う。溝部２１１が貫通孔にならないように途中でエッチングを終了するハーフエッチングを行う。図８（ｓ）に、溝部２１１が形成された音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図を示す。

ステップＳ１３６では、不要となったフォトレジスト膜３６”と金属膜４０とを除去する。図８（ｔ）に、音叉型水晶振動片２０に溝部２１１が正確な位置に形成された状態を示す。

図８（ｕ）は、溝部２１１が形成された音叉型水晶振動片２０の水晶単結晶ウエハ１０の一部を拡大した概略平面図である。音叉型水晶振動片２０の振動腕２１に溝部２１１が正確な位置に形成された状態を示す。

＜＜電極の形成の工程＞＞
図９は、電極パターンおよびパッケージングの工程のフローチャートである。
ステップＳ１３８では、音叉型水晶振動片２０を純水で洗浄し、音叉型水晶振動片２０の全面に駆動電極としての励振電極などを形成するための金属膜を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。

ステップＳ１４０では、全面にフォトレジストをスプレーにより塗布する。
ステップＳ１４２では、電極パターンと対応した不図示のフォトマスクを用意して、電極パターンをフォトレジスト膜が塗布された水晶単結晶ウエハ１０を露光する。この電極パターンは音叉型水晶振動片２０の両面に形成する必要があるため、音叉型水晶振動片２０の両面を露光する。

ステップＳ１４４では、フォトレジスト膜を現像後、感光したフォトレジスト膜を除去する。残るフォトレジスト膜は電極パターンと対応したフォトレジスト膜になる。
次いで、電極となる金属膜のエッチングを行う。すなわち、電極パターンと対応したフォトレジスト膜から露出した金層をたとえば、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液でエッチングし、次にクロム層をたとえば硝酸第２セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングする。

続いて、ステップＳ１４６でフォトレジスト膜を除去する。これらの工程を経て、音叉型水晶振動片２０に電極２３、２５などが正確な位置および電極幅で形成される。
ステップＳ１４８では、音叉型水晶振動片２０の連結部２８を折り、水晶単結晶ウエハ１０から音叉型水晶振動片２０を切り取る。

＜＜周波数調整およびパッケージングの工程＞＞
これまでの工程により、電極が形成された音叉型水晶振動片２０が得られたため、ステップＳ１５０では、図４に示したセラミック製のパッケージ５２に音叉型水晶振動片２０を導電接着剤５９で接着する。具体的には、音叉型水晶振動片２０の基部２９の電極部２３ａ、２５ａを塗布した導電性接着剤５９の上に載置して、導電性接着剤５９を仮硬化させる。
ステップＳ１５２では、硬化炉で導電性接着剤５９を本硬化する。さらに、音叉型水晶振動片２０の振動腕２１にレーザ光を照射して、振動腕２１の錘金属を蒸散・昇華させ、質量削減方式による周波数調整を行う。

次に、ステップＳ１５４で、真空チャンバ内などに水晶振動片２０を収容したパッケージ５２を移し、封止材５８により蓋体５６を封止する。
続いてステップＳ１５６で、最後に音叉型振動子５０の駆動特性などの検査を行い、音叉型振動子５０を完成させる。

上記実施形態では、音叉型水晶振動片で説明してきたがこれに限定されることはなく、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。また、音叉型振動子に発振回路を有する音叉型発振子にも適用できる。

本実施形態では、振動腕の厚さを薄くする工程の後に、溝部を形成する工程を行った。しかし、溝部を形成する工程の後に振動腕の厚さを薄くする工程にしてもよい。また、溝部を形成する工程の後に振動腕の厚さを薄くする工程の際には、図５のステップＳ１１０で、音叉型水晶振動片２０の外形になるように水晶材料のウェットエッチングをしなくてもよい。残ったフォトレジスト層を除去し新たなフォトレジストを塗布した後、溝部のパターンを露光してから、音叉型水晶振動片２０の外形のウェットエッチングをしてもよい。

（ａ）は、第１の音叉型水晶振動片２０の全体構成を示した平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。（ｃ）は、一対の振動腕２１のＣ−Ｃ断面図である。 振動腕２１の長さＬ１と先端部２２の長さＬ３とを合わせた長さに対する溝部２１１の長さとの比率と、ＣＩ値及び強度比率との関係を示す図である。 （ａ）は、第２の音叉型水晶振動片３０の全体構成を示した平面図であり、（ｂ）は、その側面図である。（ｃ）は、一対の振動腕２１のＣ−Ｃ断面図である。 （ａ）は、本実施形態に係るセラミックパッケージ音叉型振動子５０の構成を示す概略断面図である。（ｂ）は、セラミックパッケージ音叉型振動子５０が落下などの衝撃を受けた際の状態を示した模擬断面図である。 （ａ）は、第１、第２の音叉型水晶振動片２０及び３０の振動腕の先端部の変形例１の部分側面図である。（ｂ）は、先端部の変形例２の部分側面図である。（ｃ）は、先端部の変形例３の部分側面図である。 セラミックパッケージ音叉型振動子５０の製造の工程のうちの音叉型水晶振動片の外形形状を形成する工程のフローチャート及び音叉型水晶振動片２０の断面又は平面図である。 セラミックパッケージ音叉型振動子５０の製造の工程のうちの振動腕２１を薄くする工程のフローチャート及び音叉型水晶振動片２０の断面図又は平面図である。 セラミックパッケージ音叉型振動子５０の製造の工程のうちの振動腕の溝部２１１を形成する工程のフローチャート及び音叉型水晶振動片２０の振動腕２１の断面図又は平面図である。 セラミックパッケージ音叉型振動子５０の製造の工程のうちの導電パターン、パッケージングの工程を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｄ１ … 振動腕の厚さ
Ｄ２ … 基部の厚さ
Ｄ３ … 先端部の厚さ
Ｄ４ … 切り欠け部の厚さ
Ｈ１ … ベース部高さ
Ｈ２ … 枕部高さ
Ｌ１、Ｌ４ … 振動腕の長さ
Ｌ２ … 基部の長さ
Ｌ３，Ｌ５ … 先端部の長さ
Ｗ１ … 第１基部の幅
Ｗ２ … 第２基部の幅
Ｗ３ … 第３基部の幅
Ｗ４ … 溝部の幅
Ｗ５ … 振動腕の幅
Ｗ６ … 先端部の幅
Ｗ７ … 先端部の間隔
１０ … 水晶単結晶ウエハ
１２ … 開口領域
２０、３０ … 音叉型水晶振動片
２１、３１ … 振動腕
２２，３２ … 先端部
２３ … 第１電極パターン
２４，３４、４５，４６ … 切り欠け部
２５ … 第２電極パターン
２６，２７，３７，３８ … 錘部
２８ … 連結部
２９、３９ … 基部
３６，３６’、３６” … フォトレジスト膜
４０ … 金属膜
４２，４２’，４２” … 感光したフォトレジスト膜
５０ … セラミックパッケージ音叉型振動子
５２ … パッケージ
５３ … ベース
５４ … 台座
５５ … 枕部
５６ … 蓋体
５８ … 封止材
５９ … 導電性接着剤
２１１，３１１ … 溝部

Claims (7)

1. 圧電材料からなる音叉型圧電振動片であって、
   第１面と第２面とを有する基部と、
   前記基部の一端部より突出して形成され、第１幅を有し且つ前記第１面側と前記第２面側との間が第１厚さである一対の振動腕と、
   前記一対の振動腕の先端側に設けられ、前記第１幅よりも広い第２幅であり且つ前記第１厚さよりも厚い第２厚さである先端部と、
   前記先端部の角部に形成された切り欠け部と、
   を備えていることを特徴とする音叉型圧電振動片。
2. 前記基部は前記第２厚さであることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動片。
3. 前記切り欠け部がＣ面取り形状、Ｒ面取り形状又は段差形状を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音叉型圧電振動片。
4. 前記振動腕は、この振動腕と前記先端部とを合わせた長さの２０パーセントから５５パーセントの長さの溝部を前記第１面及び第２面に有していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動片。
5. 圧電材料からなる音叉型圧電振動片がパッケージ内に固定された圧電デバイスであって、
   前記音叉型圧電振動片は、
   第１面と第２面とを有する基部と、
   前記基部の一端部より突出して形成され、第１幅を有し且つ前記第１面側と前記第２面側との間が第１厚さである一対の振動腕と、
   前記一対の振動腕の先端側に設けられ、前記第１幅よりも広い第２幅であり且つ前記第１厚さよりも厚い第２厚さである先端部と、
   前記先端部の角部に形成された切り欠け部と、を備え、
   前記パッケージは、
   前記音叉型圧電振動片が載置される台座と、
   前記振動腕の前記第２面側に設けられた枕部と、を備えていることを特徴とする圧電デバイス。
6. 前記枕部の上端部は、前記振動腕の突出する方向の曲面を有することを特徴とする請求項５に記載の圧電デバイス。
7. 前記振動腕は、この振動腕と前記先端部とを合わせた長さの２０パーセントから５５パーセントの長さの溝部を前記第１面及び第２面に有していることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の圧電デバイス。