JP2012023526A - 屈曲振動片、振動子、発振器および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動腕を振動させる振動変位エネルギーの損失を抑制し、安定した振動特性を維持することが可能な屈曲振動片を提供する。
【解決手段】屈曲振動片である水晶振動片１は、基部２と、基部２から延長して形成された振動腕３と、積層構造体９と、を備え、積層構造体９は、第１電極である励振電極１２と、第２電極である励振電極２２と、励振電極１２および励振電極２２との間に配置された圧電体層６と、を含み、少なくとも振動腕３に形成され、圧電体層６は、基部２の側に位置する端部が傾斜部４を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動腕を有する屈曲振動片、屈曲振動片を備えた振動子、発振器、および電子機器に関する。

従来、屈曲振動片は、特許文献１に開示されているように、基部から延出する振動腕の表面に圧電体素子を備えていて、圧電体素子へ駆動電圧を印加して圧電体素子を変形させることにより、振動腕を所定方向へ屈曲させている。この場合、圧電体素子は、２つの電極で圧電体膜を挟みこんだ構成のものであり、これら２つの電極に対して駆動電流を印加して圧電体膜を変形させるようになっている。つまり、屈曲振動片は、圧電特性の良い膜体である圧電体素子を変形させて振動腕を屈曲させているため、振動腕を構成する基材が圧電性材でなくても良い、という特徴を有している。

特開２００９−５０２２号公報

しかし、従来の技術では、圧電体素子が屈曲するために、２つの電極の間に圧電体膜が形成されていれば良い構成であった。振動腕を振動させる振動変位エネルギーは、電極の中央部において最大であり、中央部から離反するにつれて減衰し、さらに、圧電体膜の端部では、圧電体膜内に該振動変位エネルギーを保持できずに一部が損失となっていた。この傾向は、特に振動腕が延出して繋がっている基部側の端部において、顕著である。従来、この損失による圧電体膜への影響は、圧電体膜全体から見れば軽微なものであった。近年、圧電体膜を含む屈曲振動片が小型化される傾向にあり、小型化を推し進めていくほど、この損失の影響度が大きくなり、振動腕の振動特性を維持することが難しくなってきた。このように、単に圧電体膜を形成しただけでは、振動変位エネルギーを安定して保持することや、屈曲振動片をより小型化しつつ安定した振動特性を維持すること、が困難である、という課題が生じている。

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、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る屈曲振動片は、基部と、前記基部から延長して形成された振動腕と、第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極との間に配置された圧電体層と、を含み、少なくとも前記振動腕に形成されている積層構造体と、を備え、前記圧電体層は、前記基部の側に位置する端部が傾斜部を有していることを特徴とする。

この屈曲振動片によれば、積層構造体（背景技術における圧電体素子）は、少なくとも振動腕には形成されていて、積層構造体の圧電体層（圧電体膜）は、所定の厚さを有した状態である。そして、圧電体層の外周をなす端部では、振動腕の面に対して、当該厚さ分だけ段差となっていて、この段差の部分は、振動腕の面とほぼ直角であり、圧電体層のいわゆる側面に該当する。そして、圧電体層は、外周をなす端部のうち、基部の側に位置する端部が傾斜部の形態を有している。この傾斜部は、圧電体層と振動腕の面との急激な段差を解消するために、緩やかな傾斜で形成されている。そのため、基部から圧電体層端部の段差を経て圧電体層まで第１電極または第２電極を蒸着等で形成する際に、端部の段差が傾斜部であれば、急激な段差をなす側面に形成する場合に比べ、より確実に且つ容易に形成することが可能である。つまり、傾斜部には、基部および圧電体層の面に形成された第１電極または第２電極とほぼ同等な電極が形成される。さらに、傾斜部が確実に形成された圧電体層は、積層構造体の基部側において、基部に対向する傾斜部の面が振動腕および基部との間隙を徐々に狭めていくように構成されており、振動変位エネルギーを振動腕および基部との間に徐々に閉じ込める効果、即ち振動変位エネルギーを圧電体層内に閉じ込める効果、を発揮するようになっている。従って、従来振動腕が直接繋がっている基部の側では保持し難った振動変位エネルギーが、傾斜部により、損失を抑制して保持されることになる。これにより、傾斜部を有する屈曲振動片は、振動変位エネルギーが確実に保持されるため、安定した振動特性を維持することが可能であり、小型化にも対応することが可能である。

［適用例２］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記傾斜部は、前記基部の基面に設けられた第１基点と、前記振動腕に形成された前記圧電体層の層面に設けられた第２基点と、の間に形成され、前記第２基点は、前記基部と前記振動腕との連結部に位置していることが好ましい。

この構成によれば、連結部は、基部から延長する振動腕の付け根部分であって、傾斜部は、この連結部の位置から基部の方向へ向けて形成されている。傾斜部の第１基点は、基部の基面に位置し、傾斜部の第２基点は、圧電体層の層面に位置して基部の基面から圧電体層の厚さ分だけ離反している。このように、傾斜部の第２基点が連結部に位置していれば、振動腕に傾斜部がかからないため、圧電体層は、振動腕において、一定の間隙を保持した第１電極と第２電極とにより、振動変位エネルギーの最大化を図ることができ、加えて、連結部から基部の方向側では、傾斜部の効果により、振動変位エネルギーを閉じ込めてその損失を確実に抑制することが可能である。これにより、屈曲振動片は、振動腕において、圧電体層が振動変位エネルギーを十分に保持することによって、より安定した振動特性を維持することが可能である。

［適用例３］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記傾斜部は、前記基部の側に位置する端部と反対側に位置する端部および前記圧電体層の側面の少なくともいずれかに設けられたことが好ましい。

この構成によれば、圧電体層は、振動変位エネルギーの保持が難しい基部側の端部に、傾斜部を有するだけでなく、圧電体層の外周をなす端部における基部側以外の部位、即ち基部と反対側に位置する端部や振動腕の延長方向に沿って位置する側面、の全部またはいずれかに傾斜部を有している。これにより、圧電体層の外周をなす端部のより広い範囲において、傾斜部の効果が発揮され、振動変位エネルギーを圧電体層内に閉じ込めて、振動変位エネルギーの損失をより確実に抑制することが可能である。

［適用例４］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記傾斜部は、斜面状または階段状に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、傾斜部は、例えば、平面や曲面等によって斜面状をなして傾斜している形態や、階段状をなして傾斜している形態である。傾斜部は、緩やかな傾斜の形態であれば、斜面状や階段状であっても、振動変位エネルギーを閉じ込める効果を得ることができ、振動変位エネルギーの損失を抑制することが可能である。

［適用例５］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記積層構造体は、前記振動腕の表裏両面にそれぞれ配置されていることが好ましい。

この構成によれば、屈曲振動片は、振動腕における表面および裏面のそれぞれの側に積層構造体を有している。いずれの積層構造体も傾斜部を有していて、振動変位エネルギーの損失を抑制して保持することができ、これにより、屈曲振動片は、表裏両面の積層構造体の相乗効果でより確実に屈曲し、安定した振動特性を維持することが可能である。

［適用例６］上記適用例に係る屈曲振動片において、前記振動腕は、前記基部から延長する方向と平面視で直交する方向に沿って複数本配列され、前記傾斜部を含む前記圧電体層をそれぞれ有し、端から数えて奇数番目の前記振動腕の前記第１電極と、偶数番目の前記振動腕の前記第２電極とが接続され、端から数えて偶数番目の前記振動腕の前記第１電極と、奇数番目の前記振動腕の前記第２電極とが接続されていることが好ましい。

この構成によれば、屈曲振動片は、傾斜部が形成された圧電体層を含む積層構造体がそれぞれ配置されている、振動腕を複数本有している。そして、屈曲振動片へ駆動電流が印加されると、隣り合う振動腕が異なる方向へ屈曲するように、各振動腕の第１電極と第２電極とが相互に接続されている。このような複数の振動腕においても、各振動腕が傾斜部を有することにより、それぞれ振動変位エネルギーを閉じ込めて保持することができ、振動変位エネルギーの損失を確実に抑制することが可能である。

［適用例７］本適用例に係る振動子は、上記のいずれか一項に記載の屈曲振動片と、前記屈曲振動片を収容するパッケージと、を備えていることを特徴とする。

この振動子によれば、パッケージ内に備えられている屈曲振動片は、傾斜部を有することにより、振動変位エネルギーを確実に保持でき、小型化されても安定して振動することが可能である。このような屈曲振動片を備えた振動子は、駆動電流が印加されると、安定した振動特性を維持し、且つ小型化を図ることも可能である。

［適用例８］本適用例に係る発振器は、上記に記載の屈曲振動片と、前記屈曲振動片を発振させるための発振回路を有する回路素子と、を備えていることを特徴とする。

この発振器によれば、屈曲振動片を発振させるための回路素子を付加してパッケージ化したものであって、屈曲振動片と回路素子等との配線の煩わしさを解消して、実装等を容易にすることが可能である。

［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記に記載の屈曲振動片を備えていることを特徴とする。

この電子機器によれば、安定した振動を維持することや、小型化すること、が可能な屈曲振動片をタイミングデバイス等として備えており、屈曲振動片を搭載した電子機器は、小型化が図れ、確実で安定した動作を保障することが可能である。

本発明における第１実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図。 （ａ）水晶振動片の傾斜部を示す斜視図、（ｂ）水晶振動片の傾斜部を示す断面図。 水晶振動片の屈曲原理を示すための模式図。 傾斜部における振動変位エネルギーの閉じ込め効果を示す模式図。 本発明における第２実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図。 （ａ）水晶振動子の蓋体を開けた状態を示す平面図、（ｂ）水晶振動子を示す断面図。 水晶振動子の製造方法を示すフローチャート。 （ａ）発振器の蓋体を開けた状態を示す平面図、（ｂ）発振器を示す断面図。 （ａ）携帯電話を示す斜視図、（ｂ）モバイルコンピューターを示す斜視図。 傾斜部の変形例を示す斜視図。

以下、屈曲振動片について、具体的な実施形態を図面に従って説明する。本実施形態の屈曲振動片は、３本の振動腕が屈曲する水晶振動片の場合を一例にして説明する。なお、図面において、描かれている屈曲振動片等は、分かりやすいように部分的に縮尺を異ならせて部分的に強調してある。
（第１実施形態）

図１は、本発明における第１実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図である。この水晶振動片（屈曲振動片）１においては、図１に示すように、基部２と振動腕３とが同一平面である側を表面側とし、基部２と振動腕３とがｚ’軸方向に段状をなしている側を裏面側とする。

最初に、水晶振動片１を形成する水晶について、簡単に説明する。水晶振動片１は、六角柱の水晶柱から切り出され、水晶柱は、柱の長手方向に光軸であるｚ軸と、ｚ軸に垂直な六角形面のｘ−ｙ平面において六角形の辺に平行な電気軸であるｘ軸と、ｘ軸に垂直な機械軸であるｙ軸とを有している。また、六角形の辺に平行なｘ軸は、それぞれ１２０度の等角度で３本あって、これらのｘ軸によりｘ−ｙ平面に形成される３つの面は、エッチング方向によるエッチング進行速度の違い等がそれぞれの面で同一である、という三方晶の性質を有している。このような水晶柱において、水晶振動片１は、ｘ−ｙ平面を、ｘ軸とｙ軸との交点（座標原点）からみてｘ軸回りに角度５度傾けた平面に沿う水晶ｚ板から切り出されたものである。この水晶ｚ板は、ｘ軸と、ｙ’軸およびｚ’軸と、により表される。

水晶を基材とした水晶振動片１は、ｘ軸方向を幅方向とする基部２と、基部２からｙ’軸方向へそれぞれ延長している３本の振動腕３（３ａ，３ｂ，３ｃ）と、を有している。振動腕３は、振動腕３ｂを中央にして、３本がｘ軸に沿って順に並んでいて、この場合、振動腕３ａおよび振動腕３ｃが奇数番目に該当し、振動腕３ｂが偶数番目に該当する。また、基部２は、ｚ’軸方向の厚さが振動腕３より厚く設定されていて、基部２および振動腕３ともに直方体の形状である。

水晶振動片１は、振動腕３ａの表面に、振動腕３を屈曲させるための駆動電流を印加する役目を果たす、第１電極である励振電極１２ａが形成され、振動腕３ｂの表面に、第１電極である励振電極１２ｂが形成され、振動腕３ｃの表面に、第１電極である励振電極１２ｃが形成されている。なお、振動腕３に設けられたこれら励振電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、振動腕３の各先端部分には形成されていない。

そして、水晶振動片１において、振動腕３の先端部を除いた表面側には、励振電極１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を覆って、それぞれ圧電体層６（６ａ，６ｂ，６ｃ）が形成されている。この圧電体層６は、圧電性を有する酸化亜鉛（ＺｎＯ）により略直方体に形成されていて、圧電体層６の厚さ方向に沿った段差部分である側面のうち、基部２の側を向いている一面が傾斜部４（４ａ，４ｂ，４ｃ）の形態であって、該厚さ方向に沿っていない平面からなる斜面状となっている。この傾斜部４については、図２を参照して後述する。

また、各振動腕３には、振動腕３ａの励振電極１２ａに対し圧電体層６ａを挟んで対向する位置に、第２電極である励振電極２２ａが形成され、振動腕３ｂの励振電極１２ｂに対し圧電体層６ｂを挟んで対向する位置に、第２電極である励振電極２２ｂが形成され、振動腕３ｃの励振電極１２ｃに対し圧電体層６ｃを挟んで対向する位置に、第２電極である励振電極２２ｃが形成されている。これら励振電極１２と、圧電体層６と、励振電極２２とは、積層構造体９を構成しており、積層構造体９は、振動腕３ａにおいては、励振電極１２ａと、圧電体層６ａと、励振電極２２ａとで構成され、振動腕３ｂにおいては、励振電極１２ｂと、圧電体層６ｂと、励振電極２２ｂとで構成され、振動腕３ｃにおいては、励振電極１２ｃと、圧電体層６ｃと、励振電極２２ｃとで構成されている。即ち、積層構造体９は、水晶振動片１においては、第１電極である励振電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃを振動腕３の側にした構成となっている。

また、基部２には、振動腕３ｃ寄りの角部に電極端子１０が形成されていて、この電極端子１０と励振電極１２ａとを電気的に接続するために、電極配線１１ａが基部２に形成されている。さらに、電極配線１１ａから分岐し電極配線１１ａと励振電極１２ｃとを電気的に接続するために、電極配線１１ｃが基部２に形成され、電極配線１１ｃから分岐し電極配線１１ｃと圧電体層６ｂに形成されている励振電極２２ｂとを電気的に接続するために、電極配線１１ｂが形成されている。なお、電極配線１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、励振電極１２，２２より細い幅で形成されていて、この場合、電極配線１１ｂは、圧電体層６ｂの傾斜部４ｂに形成されている励振電極２２ｂに接続されている。

また、基部２には、振動腕３ａ寄りの角部に電極端子２０が形成されていて、この電極端子２０と圧電体層６ａに形成された励振電極２２ａとを電気的に接続するために、電極配線２１ａが基部２に形成されている。この電極配線２１ａは、圧電体層６ａの傾斜部４ａに形成されている励振電極２２ａに接続されている。そして、電極配線２１ａから分岐し電極配線２１ａと圧電体層６ｃに形成された励振電極２２ｃとを電気的に接続するために、電極配線１１ａ，１１ｃを跨ぐ電極配線２１ｄと電極配線２１ｄに接続した電極配線２１ｃとが形成されている。電極配線２１ｃは、圧電体層６ｃの傾斜部４ｃに形成されている励振電極２２ｃに接続されている。さらに、電極配線２１ｄから分岐し電極配線２１ｄと振動腕３ｂに形成された励振電極１２ｂとを電気的に接続するために、電極配線２１ｂが形成されている。これら電極端子１０，２０、電極配線１１，２１および励振電極１２，２２は、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）との２層からなる金属膜で形成されている。この金属膜については、図７のステップＳ３およびステップＳ６を参照して後述する。

なお、この構成では、電極配線２１ｄは、基部２の表面において、電極配線１１ａ，１１ｃを跨いで交叉しなくてはならない。そこで、基部２の該交差する領域に、電極配線１１ａ，１１ｃを覆う酸化亜鉛（ＺｎＯ）の圧電体層７を設け、設けた圧電体層７へ電極配線２１ｄを形成することにより、電極配線２１ｄと電極配線１１ａ，１１ｃとの短絡を回避している。この場合、圧電体層７は、３つの貫通孔５（５ａ，５ｂ，５ｃ）を有している。各貫通孔５の孔壁には、金属膜が形成されていて、貫通孔５ａは、電極配線２１ａと電極配線２１ｄとを接続し、貫通孔５ｂは、電極配線２１ｄと電極配線２１ｂとを接続し、貫通孔５ｃは、電極配線２１ｄと電極配線２１ｃとを電気的に接続している。

ここで、傾斜部４の詳細について説明する。図２（ａ）は、水晶振動片の傾斜部を示す斜視図、図２（ｂ）は、水晶振動片の傾斜部を示す断面図である。図２では、振動腕３ａにおける傾斜部４ａを示してある。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、振動腕３ａは、振動腕３ａの表面側に形成された励振電極１２ａと、励振電極１２ａを覆って形成された圧電体層６ａと、圧電体層６ａの厚さだけ励振電極１２ａから離反している圧電体層６ａの層面６０に形成された励振電極２２ａと、を有している。そして、圧電体層６ａの基部２の側の側面は、層面６０から基部２の表面側である基面２ａへかけて、該厚さが徐々に減じている斜面状をなす傾斜部４ａとなっている。つまり、傾斜部４ａは、基面２ａの第１基点６１と、層面６０の第２基点６２と、の間に平面で形成された斜面である。この傾斜部４ａには、励振電極２２ａが層面６０から連続して形成されている。

層面６０の第２基点６２は、基部２と基部２から延長する振動腕３ａとの接点、即ち振動腕３ａの付け根部分、である連結部８に対し、ｚ’軸方向において同位置となるように設定されている。この設定では、傾斜部４ａが基部２の基面２ａ側に形成されていることになり、傾斜部４ａにおける圧電体層６ａと基面２ａとの間に、励振電極１２ａからの電極配線１１ａを形成することができると共に、振動腕３ａにおける圧電体層６ａを励振電極１２ａと励振電極２２ａとの間に均一な厚さで形成することができる。また、振動腕３ｂにおける傾斜部４ｂおよび振動腕３ｃにおける傾斜部４ｃも、傾斜部４ａと同様な構成で形成されている。

次に、上記のような構成の水晶振動片１が、この場合屈曲して振動する原理について説明する。図３は、水晶振動片の屈曲原理を示す模式図である。水晶振動片１には、電極端子１０または電極端子２０から駆動電流が印加される。例えば、電極端子１０から電極端子２０へ駆動電流が印加されると、振動腕３ａにおける駆動電流は、励振電極１２ａから励振電極２２ａを経て、さらに傾斜部４ａを介して電極端子２０へ至る方向となる。同様に、振動腕３ｃにおける駆動電流は、励振電極１２ｃから励振電極２２ｃを経て、さらに傾斜部４ｃを介して電極端子２０へ至る方向となる。つまり、振動腕３ａおよび振動腕３ｃでは、振動腕３ａ，３ｃの裏面側から表面側の方向へ駆動電流が印加されるため、共に、同一方向へ向いた電界が生じる。一方、振動腕３ｂにおける駆動電流は、傾斜部４ｂを介して励振電極２２ｂへ至り、励振電極２２ｂから励振電極１２ｂを経て電極端子２０へ至る方向となる。つまり、振動腕３ｂでは、振動腕３ｂの表面側から裏面側の方向へ駆動電流が印加されるため、振動腕３ａおよび振動腕３ｃとは異なる方向の電界が生じる。

従って、振動腕３ａおよび振動腕３ｃが、ｚ’軸に沿って表面側の方向へ屈曲する際、振動腕３ｂは、ｚ’軸に沿って裏面側の方向へ屈曲することになる。そして、電極端子１０および電極端子２０へ印加する駆動電流の方向を変えると、各振動腕３は、それぞれ逆方向へ屈曲する。つまり、振動腕３へ印加する駆動電流の方向を交互に変えることにより、振動腕３は、屈曲を繰り返して振動し、その振動は、隣り合って位置する振動腕３が互いに逆の位相で屈曲する、いわゆる面外振動である。

次に、水晶振動片１が傾斜部４を有することによる、傾斜部４ａの作用およびその効果について述べる。図４は、傾斜部における振動変位エネルギーの閉じ込め効果を示す模式図である。図４は、振動腕３ａのｙ’軸に沿う方向の断面であって、圧電体層６ａの有する傾斜部４ａでの振動変位エネルギー３０を示している。図４に示すように、振動変位エネルギー３０は、励振電極１２ａと励振電極２２ａとの間に均一な厚さで挟持された圧電体層６ａにおいて、ほぼ均等に分布している。しかし、圧電体層６ａにおいて、圧電体層６ａの厚さ方向、即ち基面２ａに直角方向、である側面近傍では、振動変位エネルギー３０が側面で内部側へ反射されて多少閉じ込められるが、閉じ込められずに振動腕３ａや基部２へ損失となって失われてしまう振動変位エネルギー３０も多い。この損失は、振動腕３ａが連結部８で基部２と繋がっている、基部２側の圧電体層６ａにおいて、より顕著である。

そこで、水晶振動片１は、連結部８に位置する圧電体層６ａの第２基点６２と、基面２ａの第１基点６１と、を結ぶ傾斜部４ａを有している。この傾斜部４ａは、第２基点６２から第１基点６１へ向かうにつれて、圧電体層６ａの厚さが薄くなっていく斜面状をなしている。従って、振動変位エネルギー３０は、この斜面によって、振動が徐々に減衰されていくようにして、圧電体層６ａ内に閉じ込められる。これにより、圧電体層６ａには、より多くの振動変位エネルギー３０が蓄えられることになり、いわゆるＣＩ値を低下させることが可能である。ＣＩ値の低下により、圧電体層６ａは、安定して確実に屈曲し、圧電体層６ａの屈曲に伴って、振動腕３ａも安定して確実に屈曲することができる。さらに、傾斜部４ａであれば、圧電体層６ａの段差状になっている側面へ励振電極２２ａを形成する場合に比べ、励振電極２２ａをより容易且つ確実に形成できる、という効果もある。なお、振動腕３ｂおよび振動腕３ｃにおける振動変位エネルギー３０も、傾斜部４ｂ，４ｃによる振動変位エネルギー３０の閉じ込め効果により、振動腕３ａの場合と同様な作用効果を発揮する。従って、傾斜部４を有する水晶振動片１は、安定した振動を維持することができ、小型化も可能である。
（第２実施形態）

次に、屈曲振動片として水晶振動片１以外の他の実施形態について説明する。図５は、本発明における第２実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図である。本実施形態の水晶振動片５０と、実施形態１における水晶振動片１と、の相違点は、各振動腕３の圧電体層６において、傾斜部４０，６５の構成が異なっていることである。従って、水晶振動片１と同一の構成部分については、同一符号を付して説明を省略する。なお、図５では、水晶振動片５０の振動腕３ａの部分のみを表している。

図５に示すように、水晶振動片５０の振動腕３ａは、振動腕３ａの表面側に、励振電極１２ａ（図１）と、圧電体層６ａと、圧電体層６ａの層面６０に形成された励振電極２２ａと、を有している。そして、圧電体層６ａの基部２側の側面は、水晶振動片１における傾斜部４と同様な斜面状をなす傾斜部４０となっていて、傾斜部４０は、圧電体層６ａの層面６０から基部２の基面２ａへかけて、基面２ａの第１基点６１と層面６０の第２基点６２とを結ぶように形成されている。この傾斜部４０には、励振電極２２が層面６０から連続して形成されている。また、振動腕３ａにおける第２基点６２は、振動腕３ａの付け根部分である連結部８に対し、ｚ’軸方向において同位置に設定されている。

さらに、水晶振動片５０は、振動腕３ａにおいて、圧電体層６ａの外周をなす側面のうち、基部２の側に傾斜部４０を有するだけでなく、他の側面にも傾斜部６５を有している。振動腕３ａにおいて、振動腕３ａの先端側の側面に、傾斜部６５ａを有し、傾斜部４０と傾斜部６５ａとの間を結んで位置する２つの側面に、それぞれ傾斜部６５ｂと傾斜部６５ｃとを有している。即ち、振動腕３ａは、圧電体層６ａの外周をなす側面のすべてが斜面状の傾斜部４０，６５ａ，６５ｂ，６５ｃとなっている。同様に、振動腕３ｂ，３ｃにも、傾斜部４０および傾斜部６５（共に不図示）が形成されている。

これにより、水晶振動片５０は、水晶振動片１に比べて、圧電体層６ａの外周をなす側面のより広い範囲において、傾斜部４０，６５による効果が発揮されるため、振動変位エネルギー３０（図４）を圧電体層６内に閉じ込めることができ、振動変位エネルギー３０の損失をより確実に抑制することができる。

以下では、実施形態１の水晶振動片１または実施形態２の水晶振動片５０を用いた水晶振動子（振動子）について説明する。図６（ａ）は、水晶振動子の蓋体を開けた状態を示す平面図である。図６（ｂ）は、水晶振動子を示す断面図であり、図６（ａ）のＥ−Ｅ’における断面図である。図６では、傾斜部４を有する水晶振動片１を用いた場合を示しているが、水晶振動片５０を用いても同様な効果が得られる。

図６において、水晶振動子（振動子）１００は、水晶振動片１と、水晶振動片１を収容したパッケージ７０を備えている。パッケージ７０は、一方に開口を有する箱状のパッケージベース７１と、パッケージベース７１の開口を閉鎖するための蓋体７３と、パッケージベース７１と蓋体７３とを接合するためのシームリング７２と、により構成されている。また、パッケージベース７１は、その箱状内部に形成され水晶振動片１を載置するための段部７７と、段部７７に設けられ水晶振動片１の電極端子１０，２０と接続するための２つの振動片接続端子７６と、パッケージベース７１の外周部に設けられ振動片接続端子７６からの配線により電気的に接続されている外部接続端子７５と、を有している。この場合、パッケージベース７１および蓋体７３は、セラミックにより形成され、シームリング７２は、コパール合金で形成されている。なお、形成材は、これらに限定されるものではない。

そして、段部７７には、水晶振動片１の基部２の裏面側が、接着剤７９を介して、接着固定され、振動腕３ａ，３ｂ，３ｃが自由端として片持ち支持されている。また、水晶振動片１の電極端子１０，２０は、ボンディングワイヤー７８によって、振動片接続端子７６にそれぞれ接続されている。そして、水晶振動子１００は、パッケージベース７１と蓋体７３とを、減圧状態下において、シームリング７２で接合することにより、水晶振動片１を収容した空間を減圧雰囲気にしている。なお、水晶振動片１を収容した空間は、減圧雰囲気ではなく、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスを封入した雰囲気等でも良い。

このような構成の水晶振動子１００は、外部接続端子７５を介して外部から駆動電流が印加されることにより、水晶振動片１が励振され、所定の周波数で振動することができる。これにより、水晶振動子１００は、水晶振動片１が連結部８に傾斜部４を有していて、傾斜部４に確実に励振電極２２を形成できると共に、傾斜部４により圧電体層６内に振動変位エネルギー３０を閉じ込めて、振動変位エネルギー３０の損失を抑制できるため、優れた振動特性を維持することができ、小型化も可能である。

続いて、水晶振動片１，５０の内、ここでは水晶振動片１の製造工程を含む水晶振動子１００の製造工程について説明する。図７は、水晶振動子の製造工程を示すフローチャートである。本製造工程では、ウエハー状の基材をベースにして、水晶振動片１を製造するため、ウエハー状の基材として水晶ウエハーを用意する。水晶ウエハーは、既述した水晶ｚ板の表面を研磨して平坦な平板形状としたものである。

まず、ステップＳ１において、振動腕３の薄化エッチングを行う。水晶振動片１においては、振動腕３となるべき部位の裏面側が、基部２より薄くなっている。そのため、まず、水晶ウエハーにレジスト膜を塗布し、振動腕３の裏面を、エッチングで除去できるように、レジスト膜のパターニングを行う。こうして露出した水晶ウエハーの部分をバッファード弗酸（ＢＨＦ）で所定時間だけエッチングし、振動腕３を所定厚になるまで薄く形成する。水晶振動片１において、基部２の厚さは５０μｍ〜１００μｍが好ましく、この場合５０μｍとなるよう水晶ウエハー厚を決め、振動腕３の厚さは２μｍ〜１０μｍが好ましく、この場合２μｍにエッチングした。そして、レジスト膜を除去してステップＳ２へ進む。

ステップＳ２において、外形のエッチングを行う。まず、水晶ウエハーにレジスト膜を塗布してから、フォトリソグラフィーにより、水晶振動片１の振動腕３形状を含む外形形状、および外形形状同士を接続する連結部形状にあわせて、レジスト膜をパターニングする。この状態で、水晶ウエハーの露出した部分をバッファード弗酸（ＢＨＦ）でエッチングして、水晶振動片１の外形と、連結部と、を形成する。これにより、水晶ウエハーに対し、それぞれ細い連結部で接続された、水晶振動片１となるべき多数の外形完成状態のものが得られる。エッチング後、レジスト膜を剥離してステップＳ３へ進む。

ステップＳ３において、水晶面に電極形成を行う。まず、水晶ウエハーの表面全体に、この場合、チタン（Ｔｉ）膜と金（Ａｕ）膜とからなる金属膜を形成する。そして、金属膜にレジスト膜を形成し、このレジスト膜には、電極端子１０と、電極端子１０と接続する電極配線１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、電極配線１１ａと接続する励振電極１２ａと、電極配線１１ｃと接続する励振電極１２ｃと、励振電極１２ｂと、に対応したパターニングがなされる。さらに、レジスト膜には、電極端子２０と、電極端子２０と接続する電極配線２１ａと、励振電極１２ｂに接続する電極配線２１ｂと、電極配線２１ｃと、に対応したパターニングがなされる。レジスト膜の形成後、レジスト膜のない金属膜の部分をエッチングして電極端子１０，２０、電極配線１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃおよび励振電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成する。この場合、振動腕３の先端に錘金属膜（不図示）として金属膜を残しておく。電極の形成後、レジスト膜を剥離してステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、圧電体層の形成をする。ステップＳ４では、圧電体層６，７となるべき圧電性を有する層として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を基部２および振動腕３に形成する。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、反応性スパッタリングにより、振動腕３において励振電極１２を覆って０．４μｍ〜０．０５μｍ程度の厚さで形成されることが好ましく、この場合、０．１μｍの厚さで形成されている。酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、反応性スパッタリングによる成膜中において、柱状結晶が成長する際に、配向性が揃い、分極反転が起こり難い特性を有している。そこで、この特性をより活かすため、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が形成される励振電極１２の上層膜として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配向性を揃える効果を促しやすい金（Ａｕ）を用いている。このように形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、ｚ’軸方向とｙ’軸方向とのエッチング速度が異なる、いわゆる異方性を有している。

なお、金（Ａｕ）以外に酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配向性を促す可能性のある金属膜としては、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｚｒ、などがある。また、圧電体層７となる層は、記述したように電極配線２１ｄと電極配線１１ａ，１１ｃとの短絡を回避するための、絶縁層として機能するものであって、絶縁層として機能するものであれば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）に限定されるものではなく、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等により別途ステップで形成されても良い。圧電体層６，７となる酸化亜鉛（ＺｎＯ）の形成後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、圧電体層６に傾斜部４を形成する。傾斜部４は、金属膜と同様のパターニングとエッチングとにより形成され、この場合２回行われる。１回目は、圧電体層６の層面６０が第１基点６１の部分まで延びた状態の一面を有する直方体を形成するよう、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の異方性に左右され難い燐酸を用いてエッチング加工する。燐酸を用いれば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の異方性に関わらず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の厚さに該当する側面を基部２および振動腕３の表面に対して、ほぼ直角にエッチングできる。圧電体層７も、１回目のパターニングとエッチングとにより、貫通孔５（５ａ，５ｂ，５ｃ）と共に形成される。そして、２回目は、１回目のレジストを剥離し、第２基点６２および連結部８を境界として、振動腕３側の酸化亜鉛（ＺｎＯ）にレジストを塗布する。この状態で、塩酸を用いて、酸化亜鉛（ＺｎＯ）をエッチングする。塩酸によるエッチングでは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の異方性により、ｚ’軸方向とｙ’軸方向とのエッチング速度が異なるため、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、第２基点６２から基部２の表面へほぼ直角にエッチングされるのではなく、第２基点６２から第１基点６１へ斜面を形成しつつエッチングされる。この斜面が傾斜部４（４ａ，４ｂ，４ｃ）である。傾斜部４の形成後、レジストを剥離して、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６において、圧電体層６，７の面に電極を形成する。ここで形成される電極は、電極配線２１ａと電気的に導通し、振動腕３ａの圧電体層６ａの傾斜部４ａおよび層面６０に形成される励振電極２２ａと、電極配線１１ｂと電気的に導通し、振動腕３ｂの圧電体層６ｂの傾斜部４ｂおよび層面６０に形成される励振電極２２ｂと、電極配線２１ｃと電気的に導通し、振動腕３ｃの圧電体層６ｃの傾斜部４ｃおよび層面６０に形成される励振電極２２ｃと、圧電体層７に形成される電極配線２１ｄと、である。これら電極は、ステップＳ３における金属膜と同様の方法で形成される。なお、金属膜は、貫通孔５の孔壁にも形成されており、貫通孔５ａは、電極配線２１ａと電極配線２１ｄとを導通させている。また、貫通孔５ｂは、電極配線２１ｂと電極配線２１ｄとを導通させ、貫通孔５ｃは、電極配線２１ｃと電極配線２１ｄと、を導通させている。圧電体層６，７へ電極を形成した後、ステップＳ７へ進む。

ステップＳ７において、水晶振動片１の個片化を行う。即ち、水晶ウエハーにおける細い連結部を折り取り、連結状態であった水晶振動片１を個片にする。ここまでが、水晶振動片１の製造工程である。個片化の後、水晶振動子１００を製造するために、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８において、パッケージに装着を行い、水晶振動片１を固定する。つまり、図６に示すように、水晶振動片１をパッケージベース７１の段部７７へ接着剤７９で固定する。水晶振動片１の装着後、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ９において、周波数の調整を行う。この調整は、水晶振動片１に駆動電流を印加して、その周波数を見ながら、イオンビーム、レーザー光等を各振動腕３の先端の錘金属膜へ照射し、振動腕３の質量をそれぞれ調整する。これにより、水晶振動片１の振動腕３は、所定の周波数で正確に振動するように調整される。調整の後、ステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０において、パッケージを封止する。図６（ｂ）に示すように、パッケージベース７１へ蓋体７３を接合して、水晶振動片１をパッケージ７０内へ封止する。以上で、水晶振動片１を備えた水晶振動子１００が完成する。

この水晶振動子１００は、傾斜部４により圧電体層６内に振動変位エネルギー３０を閉じ込めて、優れた振動特性を維持することができる水晶振動片１を備えているため、安定した精度の高い振動を維持することができる。

また、水晶振動片１，５０は、発振器にも搭載され、図８（ａ）は、発振器の蓋体を開けた状態を示す平面図である。図８（ｂ）は、発振器を示す断面図であり、図８（ａ）のＥ−Ｅ’における断面図である。発振器２００は、上記水晶振動子１００の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。この場合、発振器２００は、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８０と、を備えているが、水晶振動片１にかえて水晶振動片５０を用いても良い。ＩＣチップ８０は、パッケージベース７１の底部に固着され、外部接続端子７５や振動片接続端子７６等の配線と接続されている。この発振器２００は、ＩＣチップ８０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、所定の周波数で発振する。

このように、発振器２００は、水晶振動片１を備えていることから、傾斜部４により圧電体層６内に振動変位エネルギー３０を閉じ込めて、優れた振動特性を維持することができる上に、さらに、ＩＣチップ８０を付加してパッケージ化したものであって、水晶振動片１とＩＣチップ８０との配線等の煩わしさを解消して、実装等を容易にすることができる。

そして、これら水晶振動子１００および発振器２００は、水晶振動片１または水晶振動片５０が傾斜部４または傾斜部４０，６５を有することにより、圧電体層６内に振動変位エネルギー３０を閉じ込めて、優れた振動特性を維持することができ、搭載された電子機器等の精度向上を図ることができる。例えば、図９（ａ）は、携帯電話を示す斜視図であり、図９（ｂ）は、モバイルコンピューターを示す斜視図である。一例である携帯電話３００およびモバイルコンピューター４００に、水晶振動子１００または発振器２００を搭載することにより、電子機器の確実で安定した動作を保証することができることに加え、その小型化にも貢献することができる。

また、水晶振動片１，５０、水晶振動子１００および発振器２００は、上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、実施形態と同様な効果が得られる。

（変形例１）水晶振動片１は、圧電体層６（６ａ，６ｂ，６ｃ）に斜面状の傾斜部４（４ａ，４ｂ，４ｃ）を有する構成であるが、この構成に限定されるものではない。図１０は、傾斜部の変形例を示す斜視図であり、振動腕３ａの場合を表している。図１０に示すように、水晶振動片９０の振動腕３ａは、振動腕３ａの表面側に、励振電極１２ａ（図１）と、圧電体層６ａと、圧電体層６ａの層面６０に形成された励振電極２２ａと、を有している。そして、圧電体層６ａの基部２の側の側面には、水晶振動片１において傾斜部４が形成されている同位置に、傾斜部９５が形成されている。この傾斜部９５は、圧電体層６ａの層面６０から基部２の基面２ａへかけて、基面２ａの第１基点６１と層面６０の第２基点６２とを結ぶように形成されていて、その形態は、階段状をなしている。階段状の傾斜部９５には、励振電極２２が層面６０から連続して形成されている。また、振動腕３ａにおける第２基点６２は、振動腕３ａの付け根部分である連結部８に対し、ｚ’軸方向において同位置に設定されている。同様に、振動腕３ｂ，３ｃにも、傾斜部９５（不図示）が形成されている。

これら傾斜部９５は、レーザー加工により、この場合４段の階段状に形成されている。レーザーは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の場合、透過しやすく加工が難しいが、波長がフェムト秒（１０^-15秒）程度のフェムト秒レーザーを用いれば、レーザー光の焦点位置に集光された多数の光子が酸化亜鉛（ＺｎＯ）の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象が生じて、容易に階段状の加工が可能である。あるいは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を透過しやすい３００ｎｍ〜１３００ｎｍの波長領域を避けて、他方式のレーザー機で加工しても良い。

このように加工された階段状の傾斜部９５を有する圧電体層６は、傾斜部９５で振動変位エネルギー３０を閉じ込めることができ、安定して確実に屈曲することが可能である。即ち、水晶振動片９０は、振動腕３が安定して確実に振動することができる。なお、レーザーによる加工は、水晶振動片１の傾斜部４や、水晶振動片５０の傾斜部４０，６５にも適用することが可能である。

（変形例２）水晶振動片１の傾斜部４は、１つの平面で形成された斜面であるが、曲面や複数の平面等で形成された斜面であっても良い。

（変形例３）電極配線１１，２１は、励振電極１２，２２より細い幅で形成されているが、電極配線１１，２１と同幅で形成された構成等であっても良い。

（変形例４）水晶振動片５０において、傾斜部６５は、傾斜部６５ａ，６５ｂ，６５ｃのすべてを形成せず、いずれかを選択的に形成した構成であっても良く、また、水晶振動片９０において、階段状の傾斜部９５が圧電体層６の側面全周に形成された構成であっても良い。さらに、水晶振動片は、水晶振動片１の傾斜部４と、水晶振動片５０の傾斜部６５と、水晶振動片９０の傾斜部９５と、を組み合わせた構成の圧電体層６を有する構成であっても良い。

（変形例５）水晶振動片１，５０，９０の励振電極１２，２２は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配向性を促すため、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の２層構造の金属膜であるが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の配向性を促すものであれば、この組み合わせ構成に限定されることなく、例えば、チタン（Ｔｉ）の単層構造の金属膜等であっても良い。また、励振電極１２，２２は、圧電体層６の基部２側の傾斜部４，４０，９５に形成されることに限定されず、傾斜部６５のような基部２側以外の傾斜部にも形成された構成であっても良い。

（変形例６）水晶振動片１，５０，９０の圧電体層６は、反応性スパッタリングにより形成された酸化亜鉛（ＺｎＯ）であるが、これに限定されるものではなく、例えば、圧電性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等であっても良い。この場合、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の配向性をより促すため、励振電極１２，２２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）側にプラチナ（Ｐｔ）を設けた、チタン（Ｔｉ）とプラチナ（Ｐｔ）との２層構造の金属膜が好ましい。

（変形例７）屈曲振動片は、水晶を基材として用いた水晶振動片１，５０，９０に限定されることなく、水晶以外のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ）、シリコン、ゲルマニウム等を用いても良い。これにより、屈曲振動片において、要求特性や用途等に応じて、適切な材料を選ぶことができ選択肢が拡大する。

（変形例８）水晶振動片１，５０，９０は、３本の振動腕３ａ，３ｂ，３ｃを有している構成であるが、３本以外の本数であっても良い。また、振動腕３が複数本の場合、隣り合う振動腕３が互いに異なる位相で振動する形態に限定されず、振動腕３が同位相で振動する形態であっても良い。

（変形例９）水晶振動片１，５０，９０は、積層構造体９が振動腕３の表面側にのみ設けられているが、積層構造体９が振動腕３の裏面側にのみ設けられている構成や、振動腕３の表裏両面に積層構造体９が設けられた構成であっても良い。積層構造体９が表裏両面に設けられた構成であれば、振動腕３は、より確実に屈曲することが可能である。

（変形例１０）水晶振動子１００および発振器２００は、水晶振動片１の裏面側がパッケージベース７１の段部７７に接着固定されているが、表面側がパッケージベース７１の段部７７に接着固定されている構成であっても良い。この場合、段部７７の振動片接続端子７６が水晶振動片１の電極端子１０，２０と導電性接着剤で直接接続される。

屈曲振動片としての水晶振動片１，５０，９０を備えた水晶振動子（振動子）１００や発振器２００は、優れた振動特性を維持することができるため、携帯電話３００やモバイルコンピューター４００だけでなく、電子時計、ビデオレコーダー、テレビ等の電子機器に、タイミングデバイスなどとして広く用いられ、これら機器の精度向上や小型化に貢献することが可能である。

１…屈曲振動片としての水晶振動片、２…基部、２ａ…基面、３…振動腕、４…傾斜部、６…圧電体層、８…連結部、９…積層構造体、１０…電極端子、１１…電極配線、１２…第１電極としての励振電極、２０…電極端子、２１…電極配線、２２…第２電極としての励振電極、３０…振動変位エネルギー、４０…傾斜部、５０…屈曲振動片としての水晶振動片、６０…層面、６５…傾斜部、９５…傾斜部、１００…振動子としての水晶振動子、２００…発振器、３００…電子機器としての携帯電話、４００…電子機器としてのモバイルコンピューター。

Claims (9)

1. 基部と、
   前記基部から延長して形成された振動腕と、
   第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極との間に配置された圧電体層と、を含み、少なくとも前記振動腕に形成されている積層構造体と、を備え、
   前記圧電体層は、前記基部の側に位置する端部が傾斜した傾斜部を有していることを特徴とする屈曲振動片。
2. 請求項１に記載の屈曲振動片において、
   前記傾斜部は、前記基部の基面に設けられた第１基点と、前記振動腕に形成された前記圧電体層の層面に設けられた第２基点と、の間に形成され、
   前記第２基点は、前記基部と前記振動腕との連結部に位置していることを特徴とする屈曲振動片。
3. 請求項１または２に記載の屈曲振動片において、
   前記傾斜部は、前記基部の側に位置する端部と反対側に位置する端部および前記圧電体層の側面の少なくともいずれかに設けられたことを特徴とする屈曲振動片。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の屈曲振動片において、
   前記傾斜部は、斜面状または階段状に形成されていることを特徴とする屈曲振動片。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の屈曲振動片において、
   前記積層構造体は、前記振動腕の表裏両面にそれぞれ配置されていることを特徴とする屈曲振動片。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の屈曲振動片において、
   前記振動腕は、前記基部から延長する方向と平面視で直交する方向に沿って複数本配列され、前記傾斜部を含む前記圧電体層をそれぞれ有し、
   端から数えて奇数番目の前記振動腕の前記第１電極と、偶数番目の前記振動腕の前記第２電極とが接続され、
   端から数えて偶数番目の前記振動腕の前記第１電極と、奇数番目の前記振動腕の前記第２電極とが接続されていることを特徴とする屈曲振動片。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の屈曲振動片と、
   前記屈曲振動片を収容するパッケージと、を備えていることを特徴とする振動子。
8. 請求項１に記載の屈曲振動片と、
   前記屈曲振動片を発振させるための発振回路を有する回路素子と、を備えていることを特徴とする発振器。
9. 請求項１に記載の屈曲振動片を備えていることを特徴とする電子機器。

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