JP2019041239A - 音叉型水晶素子及びその音叉型水晶素子を用いた水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化しても、基本波の等価直列抵抗値が大きくなってしまうことを抑えることが可能な音叉型水晶素子を提供する。【解決手段】 音叉型水晶素子１２０は、結晶軸におけるＸＹ′Ｚ′直交座標系を有し、Ｚ′軸に沿った方向に厚みを有する矩形状の水晶基部１２１と、水晶基部１２１の側面よりＹ′軸に沿って延出した水晶基部１２１の一部である一対の水晶振動部１２３と、水晶振動部１２３の上面及び下面に設けられた第一溝部Ｇ１と、第一溝部Ｇ１内及び水晶振動部１２３の側面に設けられた励振電極１２５、１２６と、一対の水晶振動部１２３から水晶基部１２１にかけて設けられ励振電極１２５、１２６と電気的に接続された引き出し電極１２７と、第一溝部Ｇ１内に設けられた突起部Ｐと、を備え、水晶基部１２１側の隣接する突起部Ｐの間隔から水晶振動部１２３の先端の隣接する突起部Ｐの間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる音叉型水晶素子及びその音叉型水晶素子を用いた水晶デバイスに関するものである。

水晶デバイスは、音叉型水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。例えば、基板と、凹部を設けるために基板の上面に枠体とを有しているパッケージと、基板の上面に設けられた電極パッドに実装された音叉型水晶素子と、を備えた水晶デバイスが知られている（例えば、下記特許文献１参照）

特開２０１２−１１９９２０号公報

上述した音叉型水晶素子は、小型化が進んでおり、水晶振動部の長さも短くなるため、基本波の等価直列抵抗値が大きくなってしまう虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、小型化しても、基本波の等価直列抵抗値が大きくなってしまうことを抑えることが可能な音叉型水晶素子を提供することを課題とする。

本発明の一つの態様による音叉型水晶素子は、結晶軸におけるＸＹ′Ｚ′直交座標系を有し、Ｚ′軸に沿った方向に厚みを有する矩形状の水晶基部と、水晶基部の側面よりＹ′軸に沿って延出した水晶基部の一部である一対の水晶振動部と、水晶振動部の上面及び下面に設けられた第一溝部と、第一溝部内及び水晶振動部の側面に設けられた励振電極と、一対の水晶振動部から水晶基部にかけて設けられ励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、第一溝部内に設けられた突起部と、を備え、水晶基部側の隣接する突起部の間隔から水晶振動部の先端の隣接する突起部の間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられている。

本発明の一つの態様による音叉型水晶素子は、結晶軸におけるＸＹ′Ｚ′直交座標系を有し、Ｚ′軸に沿った方向に厚みを有する矩形状の水晶基部と、水晶基部の側面よりＹ′軸に沿って延出した前記水晶基部の一部である一対の水晶振動部と、水晶振動部の上面及び下面に設けられた第一溝部と、第一溝部内及び水晶振動部の側面に設けられた励振電極と、一対の水晶振動部から水晶基部にかけて設けられ励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、第一溝部内に設けられた突起部と、を備え、水晶基部側の隣接する突起部の間隔から水晶振動部の先端の隣接する突起部の間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられている。このような音叉型水晶素子は、水晶振動部の先端から水晶基部側へ向かって徐々に突起部間の間隔が大きくなっているため、エッチングの影響を受けにくく突起部の形状が明確になり、基本波の等価直列抵抗値を小さくすることができる。

第一実施形態に係る音叉型水晶素子を示す斜視図である。 （ａ）第一実施形態に係る音叉型水晶素子を示す上面から見た平面図であり、（ｂ）第一実施形態に係る音叉型水晶素子を示す下面から見た平面図である。 図２（ａ）のＡ部分拡大図である。 （ａ）第一実施形態に係る音叉型水晶素子の水晶片を示す平面図であり、（ｂ）図４（ａ）のＸ部分拡大図である。 （ａ）第一実施形態の第一変形例に係る音叉型水晶素子を示す上面から見た平面図であり、（ｂ）第一実施形態の第一変形例に係る音叉型水晶素子を示す下面から見た平面図である。 第二実施形態に係る水晶デバイスの分解斜視図である。 図６のＢ−Ｂ断面図である。

（第一実施形態） 第一実施形態における音叉型水晶素子１２０は、図１に示すように、水晶基部１２１、平衡部１２２及び水晶振動部１２３からなる水晶片により構成されている。音叉型水晶素子１２０の表面には、図２に示すように、励振電極１２５ａ、１２５ｂ、１２６ａ及び１２６ｂと、引き出し電極１２７ａ及び１２７ｂと、錘部１２８及び周波数調整電極１２９とにより構成されている。

水晶基部１２１は、後述する水晶振動部１２３及び平衡部１２２を支持し、音叉型水晶素子１２０をパッケージ１１０上に保持固定するためのものである。水晶基部１２１は、結晶の軸方向として電気軸がＸ軸、機械軸がＹ軸、及び光軸がＺ軸となる直交座標系としたとき、Ｘ軸回りに−５°〜＋５°の範囲内で回転させたＺ′軸の方向が厚み方向となる平面視略四角形の平板である。

平衡部１２２は、音叉型水晶素子１２０を形成させる際に発生した水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを平衡部１２２の形成位置によって調整するためのものである。また、平衡部１２２は、水晶振動部１２３の間の形成位置によって、水晶振動部１２３の左右の重さのバランスをさらに調整することができるようになるため、振動漏れをさらに抑えることができる。

また、平衡部１２２は、図２及び図３に示すように、水晶基部１２１の形成面ＳＰからＹ′軸方向に延出するようにして設けられている。平衡部１２２のＸ軸方向の長さの中心点Ｐ２は、一対の水晶振動部１２３の間のＸ軸方向の長さの中心点Ｐ１を通りＹ′軸方向に平行な基準直線Ｌ１に対して、−Ｘ軸方向に位置している。このように平衡部１２２を基準直線Ｌ１に対して−Ｘ軸方向に離れるようにして配置されることで、水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを調整することができるので、音叉型水晶素子１２０の等価直列抵抗値を下げることが可能となる。

また、後述する第一突出部Ｅ１と第二突出部Ｅ２の間の中心点Ｐ２を通り、Ｙ′軸方向に平行な基準直線Ｌ２は、基準直線Ｌ１に対して、−Ｘ軸方向に０．５〜１．５μｍの離れた位置に設けられている。このようにすることにより、第一突出部Ｅ１と第二突出部Ｅ２の間の中心点Ｐ２を通り、Ｙ′軸方向に平行な基準直線Ｌ２が、基準直線Ｌ１に対して−Ｘ軸方向に０．５〜１．５μｍ離れるようにして配置されることで、水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスをさらに調整することができるので、音叉型水晶素子１２０の等価直列抵抗値を下げることが可能となる。

平衡部１２２は、少なくとも二つ以上の突出部Ｅによって構成されている。平衡部１２２には、図３に示すように、第一突出部Ｅ１、第二突出部Ｅ２及び第三突出部Ｅ３の突出部Ｅが設けられている。第一突出部Ｅ１は、第一水晶振動部１２３ａに隣り合うようにして設けられ、水晶振動部１２３と同一方向に延出するようにして設けられている。また、第一水晶振動部１２３ａの根本から第一突出部Ｅ１にかけて傾斜面が形成されている。第二突出部Ｅ２は、第一突出部Ｅ１に隣り合うようにして設けられ、水晶振動部１２３と同一方向に延出するようにして設けられている。第三突出部Ｅ３は、第二突出部Ｅ２と第二水晶振動部１２３ｂに間に位置するようにして設けられ、水晶振動部１２３と同一方向に延出するようにして設けられている。このように、平衡部１２２が、少なくとも二つ以上の突出部Ｅによって構成されていることによって、後述する第一切込み部Ｍ１又は第二切込み部Ｍ２を確実に形成することができるため、第一水晶振動部１２３ａの側面の励振用電極１２６ｂと第二水晶振動部１２３ｂの側面に設けられた励振用電極１２６ａとの短絡を低減することが可能となる。

第一切込み部Ｍ１は、第一水晶振動部１２３ａと第二水晶振動部１２３ｂとからなる水晶振動部１２３の側面に励振用電極１２６をスパッタ技術及びフォトリソグラフィー技術にて形成する際に、第一水晶振動部１２３ａの側面の励振用電極１２６ｂと第二水晶振動部１２３ｂの側面に設けられた励振用電極１２６ａとの短絡を低減するためのものである。第一切込み部Ｍ１は、第一突出部Ｅ１と第二突出部Ｅ２との間に設けられており、この第一切込み部Ｍ１は、平衡部１２２の厚み方向に貫通している。また、第一切込み部Ｍ１のＹ軸方向の長さは、先端側から水晶基部１２１の境目までの間で形成されれば、どの長さでも良い。

第二切込み部Ｍ２は、第二突出部Ｅ２と第三突出部Ｅ３との間に設けられており、この第二切込み部Ｍ２は、平衡部１２２の厚み方向であるＺ´軸方向に貫通している。また、第二切込み部Ｍ２のＹ軸方向の長さは、第一切込み部Ｍ１のＹ軸方向の長さよりも短くなるように設けられている。また、第二切込み部Ｍ２のＹ軸方向の長さは、第三突出部Ｅ３の先端側から水晶基部１２１の境目までの間で形成されれば、どの長さでも良い。

第一残渣部Ｒ１は、突出部Ｅの近傍に設けられており、第一水晶振動部１２３ａと第一突出部Ｅ１との間及び第二水晶振動部１２３ｂと第三突出部Ｅ３との間に設けられている。第一残渣部Ｒ１が形成されることで、第一水晶振動部１２３ａと第二水晶振動部１２３ｂの左右の重さのアンバランスを調整することができるので、音叉型水晶素子１２０の等価直列抵抗値を下げることが可能となる。

また、水晶基部１２１は、図４に示すように、水晶基部１２１の水晶振動部１２３が延出されている形成面ＳＰに対して、水晶振動部１２３と同一方向に延出するようにして設けられた凸部Ｔを備えている。このように音叉型水晶素子１２０を励振させる際に発生した水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを凸部Ｔによって調整することで、振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値の悪化を低減することが可能となる。

凸部Ｔは、水晶基部１２１の外側側面とつながる平面Ｓ１と、その平面Ｓ１と接続され形成面ＳＰに向かって形成された傾斜面Ｓ２と、を備えている。傾斜面Ｓ２は、水晶基部１２１の外側側面から延出するようにして設けられた平面Ｓ１から形成面ＳＰに向かって傾斜を持つようにして設けられている。このような傾斜面Ｓ２を凸部Ｔに設けることによって、凸部Ｔによる左右の重さのバランスをさらに調整することができるようになるため、振動漏れをさらに抑えることができる。

また、凸部Ｔには、図４に示すように、傾斜面Ｓ２と、水晶振動部１２３の外側側面との間に設けられた第二残渣部Ｒ２とを備えている。このように傾斜面Ｓ２から水晶振動部１２３の外側側面に向かって厚みが徐々に薄くなるように第二残渣部Ｒ２が設けられていることで、水晶振動部１２３からの振動漏れが、第二残渣部Ｒ２で徐々に妨げられることになる。よって、水晶振動部１２３から水晶基部１２１への振動漏れが伝わることを抑えることができる。

また、図４（ｂ）に示すように、平面視した際に、傾斜面Ｓ２と形成面ＳＰの平面とでなす角度αが、５０〜７０度である。傾斜面Ｓ２の角度αが５０度〜７０度の範囲内で良好にエッチングされており、特に５５度〜６５度の範囲内で特に良好である。これに対して、傾斜面Ｓの角度αが５０度未満の場合には、第二残渣部Ｒ２の厚みが薄くなりすぎるため、第二残渣部Ｒ２に欠けが生じてしまい水晶振動部１２３の左右の重量バランスを崩してしまうことで、振動漏れが発生してしまうことがあった。また、これに対して、傾斜面Ｓ２の角度αが７０度よりも大きいの場合には、第二残渣部Ｒ２の厚みが厚くなりすぎるため、水晶振動部１２３の左右の重量バランスを崩してしまうことで、振動漏れが発生してしまうことがあった。このように傾斜面Ｓ２の角度αが５０度〜７０度の範囲内にすることで、第二残渣部Ｒ２の結晶軸であるＺ軸方向の厚みを薄くすることでできるため、振動漏れによる特性への影響を非常に安定させることができる。

水晶振動部１２３は、例えば、その表面に第一溝部Ｇ１を形成し、その第一溝部Ｇ１内に所望のパターンの励振電極１２５、１２６を形成し、その励振電極１２５、１２６に電位を印加することにより、所望の周波数の振動を励起するためのものである。水晶振動部１２３は、振動腕部１２４と錘部１２８によって構成されている。振動腕部１２４の先端部、つまり、水晶基部１２１と反対側の振動腕部１２４の端部に、ハンマーヘッド形状の錘部１２８が設けられている。また、水晶振動部１２３は、第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂとからなる。第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂは、水晶基部１２１の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。また、振動腕部１２４は、第一振動腕部１２４ａ及び第二振動腕部１２４ｂによって構成されている。このような音叉型水晶素子１２０を構成する水晶片は、水晶基部１２１、平衡部１２２、水晶振動部１２３及び錘部１２８と一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィー技術と化学エッチング技術により製造される。

第一溝部Ｇ１は、例えば、その第一溝部Ｇ１内の表面に所望のパターンの励振電極１２５を形成し、その電極に電位を印加することにより、第一溝部Ｇ１を設けていない場合に比べてより大きな電界強度を得るために用いるものである。第一溝部Ｇ１ａは、第一水晶振動部１２３ａの表裏主面に各一本ずつ、第二水晶振動部１２３ａの長さ方向に平行して、第一水晶振動部１２３ａの第一振動腕部１２４ａの表裏両主面で対向するように設けられている。第一溝部Ｇ１ａの一方の端部は、第一水晶振動部１２３ａにおける水晶基部１２１との基端側に設けられており、第一溝部Ｇ１ａの他方の端部は、第一振動腕部１２４ａの先端側に位置するように設けられている。また、第一溝部Ｇ１ｂは、第二水晶振動部１２３ｂの表裏主面に各一本ずつ、第二水晶振動部１２３ｂの長さ方向に平行して、第二水晶振動部１２３ｂの第二振動腕部１２４ｂの表裏両主面で対向するように設けられている。第一溝部Ｇ１の一方の端部は、第二水晶振動部１２３ｂにおける水晶基部１２１との基端側に設けられており、第一溝部Ｇ１の他方の端部は、第二振動腕部１２４ｂの先端側に位置するように設けられている。第一溝部Ｇ１の長さは、例えば、第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂの長さの５０〜８０％となっている。

第一溝部Ｇ１内には、内壁面から向かい合う辺に向かって延出するようにして突起部Ｐが設けられている。このような突起部Ｐは、第一溝部Ｇ１をエッチングにより形成する際に、水晶の結晶方位に依存したエッチングレートの違いによって、音叉型水晶素子１２０の外形と第一溝部Ｇ１とを同時に形成するためのものである。突起部Ｐは、第一溝部Ｇ１内の＋Ｘ軸側の長さ方向側面から−Ｘ軸側の長さ方向側面に向かって、Ｙ′軸方向に延びるように、第一溝部Ｇ１の水晶基部１２１側と、第一溝部Ｇ１の水晶振動部１２３の先端側の突起部Ｐの間隔が異なるようにして、複数個設けられている。突起部Ｐの突出寸法は、第一溝部Ｇ１の幅寸法により変わるものであり、−Ｘ´方向の長さで見ると５〜１５μｍ程度となっている。このように第一溝部Ｇ１内に突起部Ｐを設けることによって、第一溝部Ｇ１をエッチングにより形成する際に、水晶結晶のエッチング異方性よる結晶方位によるエッチングレートの違いによって、音叉型水晶素子１２０の外形と、第一溝部Ｇ１とを同時にエッチングにより形成することができる。よって、音叉型水晶素子１２０の生産性を向上させることができる。

第一溝部Ｇ１の隣接する突起部Ｐの間隔は、水晶基部１２１側の隣接する突起部Ｐの間隔から水晶振動部１２３の先端の隣接する突起部Ｐの間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられている。第一溝部Ｇ１の水晶基部１２１側に近い位置にある突起部Ｐの間隔は、４０〜６０μｍであり、第一溝部Ｇ１の水晶振動部１２３の先端側に近い位置にある突起部Ｐの間隔は、１６〜３０μｍである。また、水晶基部１２１側に近い位置にある突起部Ｐの間隔から水晶振動部１２３の先端の隣接する突起部Ｐの間隔に向かうに従って、徐々に４．０〜５．０μｍ小さくなるように設けられている。つまり、第一溝部Ｇ１の水晶振動部１２３の先端に位置する突起部Ｐの間隔は、第一溝部Ｇ１の水晶基部１２１側に位置する突起部Ｐの間隔の０．４〜０．５倍になるように設けられている。

このような音叉型水晶素子１２０は、水晶振動部１２３の先端から水晶基部１２１側へ向かって徐々に突起部Ｐの間隔が大きくなっているため、水晶振動部１２３の先端側に向かってエッチングの影響を受けにくく突起部Ｐの形状が明確になり、基本波の等価直列抵抗値を小さくすることができる。また、水晶振動部１２３の先端側に設けられた突起部Ｐの間隔が徐々に狭くなっていることにより、突起部Ｐの幅が狭くなるにつれて、Ｘ軸方向における水晶振動部１２３の第一溝部Ｇ１の壁面と水晶振動部１２３の外周縁との幅が大きくなるため、基本波の等価直列抵抗値が大きくなってしまうことを抑えると共に二次高調波の等価直列抵抗値が小さくなってしまうことを抑えることができる。

また、このように突起部Ｐ同士の間隔を異ならせることで、水晶振動部１２３の表裏に形成された第一溝部Ｇ１内に設けられた突起部Ｐが、平面透視した際に、突起部Ｐが重ならない位置に配置することができる。よって、エッチングにより第一溝部Ｇ１を形成する際に、第一溝部Ｇ１が貫通してしまうことを低減することができる。

励振電極１２５ａは、図２に示すように、第一水晶振動部１２３ａの第一振動腕部１２４ａの第一溝部Ｇ１ａ内に設けられている。また、励振電極１２６ｂは、第一水晶振動部１２３ａの第一振動腕部１２４ａの対向する両側面に設けられている。また、一方の引き出し電極１２７ａは、平面視して、水晶基部１２１の中心付近及び水晶基部１２１側付近に設けられている。他方の引き出し電極１２７ｂは、励振電極１２５ａ、１２６ａと電気的に接続されており、水晶基部１２１の表裏主面に設けられている。

また、励振電極１２５ｂは、図１及び図２に示すように、第二水晶振動部１２３ｂの第二振動腕部１２４ｂの第一溝部Ｇ１ｂ内に設けられている。また、励振電極１２６ａは、第二水晶振動部１２３ｂの第二振動腕部１２４ｂの対向する両側面に設けられている。一方の引き出し電極１２７ａは、励振電極１２５ｂ、１２６ｂと電気的に接続されており、水晶基部１２１の表裏主面に設けられている。

引き出し電極１２７は、励振電極１２５、１２６と電気的に接続されており、音叉型水晶素子１２０を実装する際に用いるものである。引き出し電極１２７には、第二溝部Ｇ２が設けられている。このようにすることによって、水晶振動部１２３から引き出し電極１２７までに伝わる漏れ振動を第二溝部Ｇ２で妨げることによって、音叉型水晶素子１２０を後述するパッケージ１１０に実装する際に、等価直列抵抗値が悪化することを抑えることができる。また、第二溝部Ｇ２は、音叉型水晶素子１２０を実装する際に、第二溝部Ｇ２内に後述する導電性接着剤１４０が入り込むようにして電極パッド１１１上に実装されるため、実装強度を向上させることができる。

錘部１２８は、水晶基部１２１と反対側の水晶振動部１２３の端部に、ハンマーヘッド形状で設けられている。錘部１２８は、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を調整するためのものである。具体的には、錘部１２８を設けることで、水晶振動部１２３の先端側へ錘を設けた状態に近づけることができるため、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を、錘部１２８がない場合と比較して低くなるようにすることができ、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を所望の周波数となるように調整している。また、錘部１２８は、第一水晶振動部１２３ａの先端部に設けられている第一錘部１２８ａと、第二水晶振動部１２３ｂの先端部に設けられている第二錘部１２８ｂとで構成されている。

切込み部Ｍ３は、錘部１２８に設けられ、錘部１２８の表面積を大きくし、錘部１２８に形成された後述する周波数調整電極１２９の表面積を大きくするためのものである。また、切込み部Ｍ３は、平面視した際に、錘部１２８の水晶基部１２１側に位置する辺から水晶振動部１２３の延出方向に沿って設けられている。このようにすることにより、振動腕部１２４と錘部１２８との境界付近に形成される残渣が、切込み部Ｍ３によって形成されにくくなるため、音叉型水晶素子１２０の形状を維持することができる。また、このように錘部１２８の水晶基部１２１側に切込み部Ｍ３を形成することにより、周波数調整電極１２９をレーザにより除去する際に、切込み部Ｍ３がレーザにより削り取られることなく、錘部１２８の重さをさらに微調整することができる。

周波数調整電極１２９は、レーザ等により削ることにより、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を所望の周波数となるように調整するためのものである。周波数調整電極１２９は、第一周波数調整電極１２９ａ及び第二周波数調整電極１２９ｂによって構成されている。第一周波数調整電極１２９ａは、第一錘部１２８ａの表主面及び側面の先端部に設けられ、第二周波数調整電極１２９ｂは、第二錘部１２８ｂの表主面及び両側面の先端部に設けられている。

なお、音叉型水晶素子１２０は、周波数調整電極１２９を構成する金属の量を増減させることにより、その周波数値を所望する値に調整することができる。励振電極１２５ｂ及び１２６ｂと、第一周波数調整電極１２９ａとは、図２に示すように、水晶片表面に設けられた引き出し電極１２７ｂにより電気的に接続している。また、励振電極１２５ａ及び１２６ａと、第二周波数調整電極１２９ｂとは、水晶基部１２１表面に設けられた引き出し電極１２７ａにより電気的に接続している。

この音叉型水晶素子１２０を振動させる場合、引き出し電極１２７ａ及び１２７ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的にとらえると、第二水晶振動部１２３ｂの励振電極１２６ｂは＋（プラス）電位となり、励振電極１２６ａは−（マイナス）電位となり、＋から−に電界が生じる。一方、このときの第一水晶振動部１２３ａの励振電極１２６は、第二水晶振動部１２３ｂの励振電極１２６に生じた極性とは反対の極性となる。これらの印加された電界により、第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂに伸縮現象が生じ、各水晶振動部１２３に設定した共振周波数の屈曲振動を得る。

水晶片を平面視したときの長辺寸法が０．８〜１．２ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．２〜０．７ｍｍである場合を例にして、水晶基部１２１、水晶振動部１２３を説明する。水晶基部１２１を平面視したときの長辺寸法が０．２〜０.４ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．２〜０．４ｍｍである。水晶振動部１２３を平面視したときの長辺寸法が０．６〜０．９ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．０３〜０．２ｍｍである。

ここで、音叉型水晶素子１２０の動作について説明する。音叉型水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が引き出し電極１２７から励振電極１２５、１２６を介して水晶振動部１２３に印加されると、水晶振動部１２３が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。

ここで、音叉型水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、音叉型水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶片の両主面にフォトリソグラフィー技術によって、水晶基部１２１、平衡部１２２、水晶振動部１２３及び錘部１２８を形成する。その後、フォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振電極１２５、１２６及び引き出し電極１２７を形成することにより作製される。

本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、結晶軸におけるＸＹ′Ｚ′直交座標系を有し、Ｚ′軸に沿った方向に厚みを有する矩形状の水晶基部１２１と、水晶基部１２１の側面よりＹ′軸に沿って延出した水晶基部１２１の一部である一対の水晶振動部１２３と、水晶振動部１２３の上面及び下面に設けられた第一溝部Ｇ１と、第一溝部Ｇ１内及び水晶振動部１２３の側面に設けられた励振電極１２５、１２６と、一対の水晶振動部１２３から水晶基部１２１にかけて設けられ励振電極１２５、１２６と電気的に接続された引き出し電極１２７と、第一溝部Ｇ１内に設けられた突起部Ｐと、を備え、水晶基部１２１側の隣接する突起部Ｐの間隔から水晶振動部１２３の先端の隣接する突起部Ｐの間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられている。このような音叉型水晶素子１２０は、水晶振動部１２３の先端から水晶基部１２１側へ向かって徐々に突起部Ｐの間隔が大きくなっているため、水晶振動部１２３の先端側に向かってエッチングの影響を受けにくく突起部Ｐの形状が明確になり、基本波の等価直列抵抗値を小さくすることができる。また、水晶振動部１２３の先端側に設けられた突起部Ｐの間隔が徐々に狭くなっていることにより、突起部Ｐの幅が狭くなるにつれて、Ｘ軸方向における水晶振動部１２３の第一溝部Ｇ１の壁面と水晶振動部１２３の外周縁との幅が大きくなるため、基本波の等価直列抵抗値が大きくなってしまうことを抑えると共に二次高調波の等価直列抵抗値が小さくなってしまうことを抑えることができる。

また、このように突起部Ｐ同士の間隔を異ならせることで、水晶振動部１２３の表裏に形成された第一溝部Ｇ１内に設けられた突起部Ｐが、平面透視した際に、突起部Ｐが重ならない位置に配置することができる。よって、エッチングにより第一溝部Ｇ１を形成する際に、第一溝部Ｇ１が貫通してしまうことを低減することができる。

また、本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、一対の水晶振動部１２３の間で、水晶基部１２１の側面よりＹ′軸に沿って延出した平衡部１２２を備えている。このように音叉型水晶素子１２０を励振させる際に発生した水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを平衡部１２２の形成位置によって調整することで、振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値の悪化を低減することが可能となる。

本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、水晶基部１２１の水晶振動部１２３が延出されている形成面に対して、水晶振動部１２３と同一方向に延出するようにして設けられた凸部Ｔを備えている。このように音叉型水晶素子１２０を励振させる際に発生した水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを凸部Ｔによって調整することで、振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値の悪化を低減することが可能となる。

本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、凸部Ｔが、水晶基部１２１の外側側面とつながる平面Ｓ１と、平面と接続され形成面ＳＰに向かって形成された傾斜面Ｓ２と、を備えている。凸部Ｔに、このような傾斜面Ｓ２を設けることによって、凸部Ｔによる水晶振動部１２３の左右の重さのバランスをさらに調整することができるようになるため、振動漏れをさらに抑えることができる。

本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、傾斜面Ｓ２と、水晶振動部１２３の外側側面との間に設けられた第二残渣部Ｒ２とを備えている。このように傾斜面Ｓ２から水晶振動部１２３の外側側面に向かって厚みが徐々に薄くなるように第二残渣部Ｒ２が設けられていることで、水晶振動部１２３からの振動漏れが、第二残渣部Ｒ２で徐々に妨げられることになる。よって、水晶振動部１２３から水晶基部１２１への振動漏れが伝わることを抑えることができる。

本実施形態に係る音叉型水晶素子１２０は、引き出し電極１２７に設けられた第二溝部Ｇ２を備えている。このようにすることによって、水晶振動部１２３から引き出し電極１２７までに伝わる漏れ振動を第二溝部Ｇ２で妨げることによって、音叉型水晶素子１２０をパッケージ１１０に実装する際に、等価直列抵抗値が悪化することを抑えることができる。

（第一変形例） 以下、第一実施形態の第一変形例における音叉型水晶素子１２０について説明する。なお、第一実施形態の第一変形例における音叉型水晶素子のうち、上述した音叉型水晶素子と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。第一実施形態の第一変形例に係る音叉型水晶素子１２０は、図５に示すように、一つの水晶振動部１２３に対して、第一溝部Ｇ１の本数が二本になっている点で異なっている。

また、第一溝部Ｇ１ａ、Ｇ１ｂは、第一水晶振動部１２３ａの表裏主面に各一本ずつ、第一水晶振動部１２３ａの長さ方向に平行して、第一水晶振動部１２３ａの表裏両主面で対向するように設けられている。第一溝部Ｇ１ａ、Ｇ１ｂの一方の端部は、第一水晶振動部１２３ａにおける水晶基部１２１との基端側に設けられており、第一溝部Ｇ１ａ、Ｇ１ｂの他方の端部は、第一水晶振動部１２３ａの先端側に位置するように設けられている。また、第一溝部Ｇ１ｃ、Ｇ１ｄは、第二水晶振動部１２３ｂの表裏主面に各一本ずつ、第二水晶振動部１２３ｂの長さ方向に平行して、第二水晶振動部１２３ｂの表裏両主面で対向するように設けられている。第一溝部Ｇ１ｃ、Ｇ１ｄの一方の端部は、第二水晶振動部１２３ｂにおける水晶基部１２１との基端側に設けられており、第一溝部Ｇ１ｃ、Ｇ１ｄの他方の端部は、第二水晶振動部１２３ｂの先端側に位置するように設けられている。

また、第一溝部Ｇ１が複数設けられていることにより、第一溝部Ｇ１内に設けられた励振電極１２５、１２６に電位を印加することで、第一溝部Ｇ１が一つの場合に比べてより水晶振動部１２３の振動腕部１２２の上面、下面及び側面に設けられた励振電極１２５、１２６の距離を短くすることができ、クリスタルインピーダンスを小さくすることができる。

（第二実施形態） 第二実施形態に係る水晶デバイスは、図６及び図７に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に実装された音叉型水晶素子１２０とを含んでいる。パッケージ１１０は、基板１１０ａ及び第一枠体１１０ｂによって構成されている。基板１１０ａと第一枠体１１０ｂとで凹部Ｋ１が形成されている。また、音叉型水晶素子１２０には、水晶基部１２１及び水晶振動部１２３が設けられている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。

基板１１０ａは、矩形状であり、上面に音叉型水晶素子１２０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａは、上面に、音叉型水晶素子１２０を実装するための電極パッド１１１が設けられている。また、基板１１０ａの長辺側の一辺に沿って、音叉型水晶素子１２０を接合するための第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂが設けられている。

基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を一層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２とを電気的に接続するための配線パターン１１３及びビア導体１１４が設けられている。

第一枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面の外周縁に沿って配置され、基板１１０ａの上面に凹部Ｋ１を形成するためのものである。凹部Ｋ１の開口部は、平面視した際に、矩形状となっている。第一枠体１１０ｂは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。凹部Ｋ１は、後述する音叉型水晶素子１２０を実装するためのものである。

基板１１０ａの下面の四隅には、外部端子１１２が設けられている。また、四つの外部端子１１２の内の二つが、音叉型水晶素子１２０と電気的に接続されている。また、音叉型水晶素子１２０と電気的に接続されている第一外部端子１１２ａ及び第二外部端子１１２ｂは、基板１１０ａの下面の対角に位置するように設けられている。

電極パッド１１１は、音叉型水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド１１１は、図４及び図５に示されているように第一枠体１１０ｂ及び基板１１０ａの上面に設けられた配線パターン１１３とビア導体１１４を介して、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１２と電気的に接続されている。

電極パッド１１１は、図７に示すように、第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂによって構成されている。また、電極パッド１１１の算術平均表面粗さは、０．０２〜０．１０μｍであり、基板１１０ａ表面の算術平均表面粗さは、０．５〜１．５μｍである。

外部端子１１２は、電子機器等の実装基板（図示せず）と電気的に接合するために用いられる。外部端子１１２は、基板１１０ａの下面の四隅に設けられている。外部端子１１２の内の二つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた一対の電極パッド１１１とそれぞれ電気的に接続されている。また、残りの外部端子の１１２の内の少なくとも一つは、封止用導体パターン１１７と電気的に接続されている。

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、０．８〜３．２ｍｍであり、パッケージ１１０の上下方向の寸法が、０．２〜１．５ｍｍである場合を例にして、電極パッド１１１の大きさを説明する。基板１１０ａの一辺と平行となる電極パッド１１１の辺の長さは、０．２５〜０．４０ｍｍとなる。また、基板１１０ａの一辺と交わる辺と平行となる電極パッド１１１の辺の長さは、０．２５〜０．４０ｍｍとなる。電極パッド１１１の上下方向の厚みの長さは、１０〜５０μｍとなる。

封止用導体パターン１１７は、蓋体１３０と接合部材１３１を介して接合する際に、接合部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。封止用導体パターン１１７は、枠体１１０ｂの上面を囲むようにして設けられている。封止用導体パターン１１７は、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、枠体１１０ｂの上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０〜２５μｍの厚みに形成されている。

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上に載置され、枠体１１０ｂの封止用導体パターン１１７と蓋体１３０の接合部材１３１とが接合されるように熱を印加させることで接合部材１３１を溶融し、枠体１１０ｂに接合される。また、蓋体１３０は、封止用導体パターン１１７を介して基板１１０ａの下面の少なくとも一つの外部端子１１２に電気的に接続されている。よって、蓋体１３０は、少なくとも一つの外部端子１１２と電気的に接続されている。

接合部材１３１は、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１７に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。接合部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。金錫の場合は、その厚みは、１０〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。

ここで、基板１１０ａの作製方法について説明する。基板１１０ａがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、電極パッド１１１、外部端子１１２及び封止用導体パターン１１７となる部位にニッケルメッキ又、金メッキ、銀パラジウム等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

第二実施形態に係る水晶デバイスは、第一実施形態に記載の音叉型水晶素子１２０と、音叉型水晶素子１２０を実装するための電極パッド１１１を有する基板１１０ａと、基板１１０ａの上面の外周縁に沿って設けられた枠体１１０ｂと、枠体１１０ｂの上面に接合された蓋体１３０と、を備えている。このような水晶デバイスは、音叉型水晶素子１２０を励振させる際に発生した水晶振動部１２３の左右の重さのアンバランスを平衡部１２２の形成位置によって調整することで、振動漏れを抑えることができ、等価直列抵抗値の悪化を低減することが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、前記した本実施形態では、音叉型水晶素子を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電素子でも構わない。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・枠体
１１１・・・電極パッド
１１２・・・外部端子
１１７・・・封止用導体パターン
１２０・・・音叉型水晶素子
１２１・・・水晶基部
１２２・・・平衡部
１２３・・・水晶振動部
１２４・・・振動腕部
１２５、１２６・・・励振電極
１２７・・・引き出し電極
１２８・・・錘部
１２９・・・周波数調整電極
１３０・・・蓋体
１３１・・・接合部材
１４０・・・導電性接着剤
Ｋ１・・・第一凹部
Ｍ１・・・第一切込み部
Ｍ２・・・第二切込み部
Ｍ３・・・第三切込み部
Ｇ１・・・第一溝部
Ｇ２・・・第二溝部
Ｒ１・・・第一残渣部
Ｒ２・・・第二残渣部
Ｓ１・・・水晶基部の外側側面とつながる平面
Ｓ２・・・傾斜面
ＳＰ・・・形成面
α・・・傾斜面の角度
Ｔ・・・凸部
Ｐ・・・突起部

Claims (8)

1. 結晶軸におけるＸＹ′Ｚ′直交座標系を有し、Ｚ′軸に沿った方向に厚みを有する矩形状の水晶基部と、
   前記水晶基部の側面よりＹ′軸に沿って延出した前記水晶基部の一部である一対の水晶振動部と、
   前記水晶振動部の上面及び下面に設けられた第一溝部と、
   前記第一溝部内及び前記水晶振動部の側面に設けられた励振電極と、
   前記一対の水晶振動部から前記水晶基部にかけて設けられ前記励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、
   前記第一溝部内に設けられた突起部と、を備え、
   前記水晶基部側の隣接する前記突起部の間隔から前記水晶振動部の先端の隣接する前記突起部の間隔に向かうに従って徐々に狭くなるように設けられていることを特徴とする音叉型水晶素子
2. 請求項１記載の音叉型水晶素子であって、
   前記水晶振動部の一つの主面には、複数の前記溝部が設けられていることを特徴とする音叉型水晶素子
3. 請求項１記載の音叉型水晶素子であって、
   前記一対の水晶振動部の間で、前記水晶基部の側面よりＹ′軸に沿って延出した平衡部を備えていることを特徴とする音叉型水晶素子
4. 請求項１記載の音叉型水晶素子であって、
   前記水晶基部の前記水晶振動部が延出されている形成面に対して、前記水晶振動部と同一方向に延出するようにして設けられた凸部を備えていることを特徴とする音叉型水晶素子
5. 請求項１記載の音叉型水晶素子であって、
   前記凸部が、前記水晶基部の外側側面とつながる平面と、前記平面と接続され前記形成面に向かって形成された傾斜面と、を備えていることを特徴とする音叉型水晶素子
6. 請求項５記載の音叉型水晶素子であって、
   前記傾斜面と、前記水晶振動部の外側側面との間に設けられた残渣部とを備えていることを特徴とする音叉型水晶素子
7. 請求項１記載の音叉型水晶素子であって、
   前記引き出し電極に設けられた第二溝部を備えていることを特徴とする音叉型水晶素子
8. 請求項１記載の音叉型水晶素子と、
   前記音叉型水晶素子を実装するための電極パッドを有する基板と、
   前記基板の上面の外周縁に沿って設けられた枠体と、
   前記枠体の上面に接合された蓋体と、を備えたことを特徴とする水晶デバイス