JP4593203B2

JP4593203B2 - 音叉型水晶振動子及びその製造方法

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Publication number: JP4593203B2
Application number: JP2004243190A
Authority: JP
Inventors: 義則木下; 英紀芦沢; 宏輔高橋
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2004-08-24
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: JP2006060727A

Description

本発明は、小型化、高精度化を実現するための構造を備えた音叉型水晶振動子及びその製造方法に関するものである。

水晶振動子には多種の振動モードがあり、使用目的や用途に応じて使い分けられているが、小型化が容易な厚みすべり振動モード及び音叉屈曲振動モードの２種類が大半を占めている。このうち、音叉屈曲振動モードの水晶振動子１は、図１０に示すように、薄い水晶板をベースとして、図示しないケーシングの電極端子に支持される四角形状の基部２と、この基部２から平行に延びる２本の振動腕部３，４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。このような音叉型の水晶振動子１は振動周波数が低く、また、発振器に組み込んだ際の消費電流も低く抑えられるので、時計用の時間基準として多用されている。

前記水晶振動子１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たものである。この水晶振動子１は、例えば、３２．７６８ＫＨｚを基準の振動周波数として使用する場合は、振動腕部３，４の長さＬ＝２．５ｍｍに対して、各振動腕部３，４の幅Ｗ＝０．２６ｍｍに設定される。また、前記各振動腕部３，４の基端部から各振動腕部３，４の長手方向の沿ってそれぞれ極性の異なる励振電極５，６が形成されている。

このような水晶振動子１にあっては、前記振動腕部３，４の振動に伴う共振運動を励振電極５，６によって電気信号に変換し、これを固有の振動周波数としている。

上述したように、前記音叉型の水晶振動子１は、振動腕部３，４の長さ及び幅のサイズによって固有の振動周波数が設定され、以下の関係式（数１）が成り立つ。

ここで、Ｆ：振動周波数（Ｈｚ）
Ｌ：振動腕部の長さ（ｍ）
Ｗ：振動腕部の幅（ｍ）
Ｃ´₂₂：弾性スチフネス定数（Ｎ／ｍ^２）
ρ：水晶の密度（ｋｇ／ｍ^３）
である。

従って、図１０に示した水晶振動子１を要求仕様に基づいて設計変更等する場合は、（数１）の下で各パラメータが決定される。それ故、前記水晶振動子１の振動周波数３２．７６８ＫＨｚは固定のままにして小型化した場合には、例えば振動腕部３，４の長さを１．９ｍｍ程度に短縮すると、振動腕部３，４の幅は０.１５ｍｍと極めて幅狭いものとなる。

しかしながら、前記振動腕部３，４の幅は、水晶振動子としての品質を保つためには最低でも２００μｍ以上が必要とされており、２００μｍ以下になってしまうと、励振電極５，６の形成幅も一緒に狭くなることから電界効率が低下してしまい、それによって等価抵抗（Ｒ１）が高くなって、最終製品となる水晶振動子の品質を悪化させる要因ともなっていた。加えて、振動腕部３，４の幅を狭く形成するための加工精度の維持や加工された腕部の十分な強度を確保するのが困難であることから、結果的に水晶振動子を小型化することに限界があった。

このような小型化を実現すると共に、電界効率の向上を目的とした構造の水晶振動子に関しては、特許文献１や特許文献２等に示されている。図１１及び図１２に示すように、前記特許文献に示されている水晶振動子１１は、各振動腕部１３，１４の表裏両方向に幅Ｗ２、深さｔ２の溝部１７を形成したものである。この溝部１７を設けることによって、励振電極を各振動腕部１３，１４の屈曲方向である側面に向けて形成可能とする共に、振動腕部１３，１４の両側面の縁部１８を薄くすることで、電界効率の向上効果が得られるというものである。
特開２００３−６０４８２号特許第３４７７６１８号

前記振動腕部１３，１４に溝部１７を設ける場合は、この溝部１７によって形成される縁部１８の厚みＷ１が小さくなるようにするのが、電界効率の向上化にとって好ましい。しかしながら、前記Ｗ２の幅を大きく取り過ぎると、振動腕部１３，１４の強度が弱くなることと、エッチングする際に深さ方向の侵食が速く進行するため、加工制御が難しくなるといった問題がある。特に、前記溝部１７を各振動腕部１３，１４の表裏両方向から形成するためには、振動腕部１３，１４の厚みｔ１に対して溝深さｔ２を１／２未満に正確に制御する必要がある。このため、水晶振動子１１を形成する場合に、音叉形状の外形部と溝部とを分けて別々の工程で加工しなければならず、工数が多くなるといった問題があった。

また、水晶基板から音叉型外形部を形成する場合は、図１３に示すように、水晶基板の表面に金属レジスト膜を形成した後、フォトレジスト膜を形成するレジスト成膜工程、マスクを装着して露光・現像を施し、パターニングを行うフォトリソグラフィー工程、前記パターニングに沿って金属膜及び水晶基板をエッチングするエッチング工程からなる音叉型外形加工工程を要する。また、前記工程によって形成された音叉型の水晶基板に溝部を形成する場合は、パターニング形状やエッチング量が異なるため、溝部の形状に合わせたフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程からなる溝部加工工程をさらに行わなければならない。このように、従来、溝部を備えた音叉型水晶振動子を製造する場合は、音叉型外形加工工程と溝部加工工程とを分けてそれぞれの工程ごとにエッチング等を行う必要があったが、このような工程を複数回行うとなると、製造工数やコストが多く掛かり効率的でない。

そこで、本発明の第１の目的は、音叉型水晶振動子を構成する各振動腕部に幅狭の溝部を複数形成することによって、電界効率の向上を図り、小型化及び等価抵抗値の低減化を実現する音叉型水晶振動子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、前記各振動腕部に設ける溝部の幅を十分細く、または、孔部の大きさを十分小さく形成することによって、音叉型の外形形状と同時に前記溝部または孔部の侵食加工量を制御することを可能とした音叉型水晶振動子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の音叉型水晶振動子は、ケーシングに固定される基部と、この基部から平行して延びる一対の振動腕部と、この振動腕部の表面に形成される励振電極部とを備えた音叉型水晶振動子において、前記振動腕部には、表面及び裏面の振動の中心である中立線を挟んだ左右位置で、且つ、外周側面に寄せた位置に、長手方向に沿って左右交互にずれながら連続する複数の短溝の集合体による溝部が形成されていることを特徴とする。

本発明の音叉型水晶振動子によれば、振動時に大きな歪みが生じる振動腕部の外側面に沿った部分に溝部が形成されているため、電界効率の向上効果が得られる。また、この電界効率の向上によって、等価抵抗値の低減効果も得られる。

以下、本発明の音叉型水晶振動子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に示す各実施形態の音叉型水晶振動子は、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されている。また、振動周波数は、いずれも３２．７６８ＫＨｚである。

図１乃至図３は、第１実施形態の音叉型水晶振動子（以下、水晶振動子という）２１を示したものである。この水晶振動子２１は、基本的には従来例と同様、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とを備えている。また、前記振動腕部２３，２４の外表面には、前記基部２２から延びる極性の異なる励振電極２９，３０が形成されている。前記振動腕部２３の表面及び裏面には励振電極２９が形成され、振動腕部２４の表面及び裏面には励振電極３０が形成される。

前記振動腕部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、その表面及び裏面にそれぞれ直線状の細長い溝部２５〜２８が設けられる。これら溝部２５〜２８には、電界効率を高めるために、前記振動腕部２３，２４の外側面の電極と対向する電極を各溝部２５〜２８の内側面に設けている。この溝部２５〜２８は、振動時に大きな歪みの発生する部分に設けるのが効果的である。このため、溝部２５〜２８は、図３に示したように、縁部３２の幅Ｗ３が最小となるように、振動腕部２３，２４の外周側面に寄せて形成するのが望ましい。また、溝長Ｌ１は、図２に示したように、基部２２から各振動腕部２３，２４の約半分位の長さに形成される。本実施形態では、前記溝部２５〜２８を各振動腕部２３，２４の表面及び裏面の振動の中心である中立線３１を挟んだ左右位置に均等に設けた。前記溝部２５〜２８の幅Ｗ４は、２０ｍｍ以下で、溝深さｔ４は、表面及び裏面から形成した場合に貫通しないように、振動腕部２３，２４の厚みｔ３の１／２未満に設定される。また、励振電極２９，３０は、前記溝部２５〜２８を設けた領域全体をカバーすると共に、溝部２５〜２８の凹み面に掛けて形成される。前記溝部は、溝幅を細くする加工することが可能であれば振動腕部２３，２４の長手方向に沿って多数設けることができる。

図４乃至図６に示した第２実施形態の水晶振動子４１は、振動腕部４３，４４に複数の小孔の集合体からなる溝部４５〜４８を形成したものである。この溝部４５〜４８を構成する一つの小孔は、幅約５〜１５μｍ、長さ約５〜５０μｍ四方の角孔であり、５〜５０μｍの間隔で配列される。このような小孔を複数設けることによっても、電界効率の向上効果を図ることができる。前記溝部４５〜４８は、角孔に限定されず、図７に示すような丸孔５５，５６であってもよい。この丸孔５５，５６は、直径約１０μｍに形成され、振動腕部の長手方向に沿って１０μｍ〜３０μｍの間隔で配列したものである。前記角孔または丸孔等の小孔で形成された溝部は、振動腕部の厚み方向の深さが１／２未満になるように形成され、凹み部に沿った溝部全体に励振電極が形成される。上記実施形態のように、溝部が複数の角孔や丸孔によって形成することが可能となるため、溝深さの制御がより容易となり歩留まりが向上すると共に、電界効率の向上効果も得られる。このため、等価抵抗値の低減効果によって、振動特性の安定化が図られる。

図８は、前記第１実施形態の水晶振動子２１に形成した溝部形状を波型に形成したものである。この溝部５７は、短溝の集合体によって構成されており、この短溝を左右方向に交互にずらせながら振動腕部が延びる長手方向に沿って配列させたものである。前記溝部５７がこのような多数の短溝の集合体によって形成されているので、図に示したように蛇行して配置することが可能となり、溝部の有効面積を多くして形成することができる。なお、前記短溝は、振動腕部の表面及び裏面から形成されるため、溝深さは、振動腕部を貫通しないように、１／２未満とするのが好ましい。

次に、前記溝部を有した水晶振動子の製造方法を図９に基づいて説明する。この水晶振動子は、水晶原石から所定のカット角の水晶基板を切り出す水晶基板形成工程（ａ１）と、前記水晶基板の表面及び裏面に耐エッチング用の金属被膜を形成する金属レジスト形成工程（ａ２）と、前記金属被膜の上に感光樹脂を塗布するフォトレジスト形成工程（ａ３）と、前記感光樹脂の上に水晶振動子の外形となるフォトマスクを装着し、露光・現像を行うフォトリソグラフィー工程（ａ４）と、前記金属被膜をエッチングする金属エッチング工程（ａ５）と、前記フォトマスクパターンに沿って水晶基板をエッチングする水晶エッチング工程（ａ６）とによって形成され、最後に水晶振動子の表面に励振電極加工が施される。

前記フォトマスクは、基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕部とによって形成される音叉型外形部と、前記振動腕部に形成される溝部とがパターン化されており、一回のフォトリソグラフィー工程（ａ４）において、前記音叉型外形部と溝部とが同時にパターニングされる。

また、前記水晶エッチング工程（ａ６）では、パターニングされた音叉型外形部と溝部とを同一のウェットエッチングプロセス条件の下で厚み方向に侵食を施す。この水晶エッチング工程（ａ６）において、前記音叉型外形部は水晶基板の厚み方向を完全に抜き加工し、溝部は各振動腕部の厚みの１／２未満の範囲で表面及び裏面から侵食させる。

前記水晶エッチング工程（ａ６）では、加工速度が比較的緩やかな化学的なウェットエッチング法を用いて行う。ここでのエッチング処理は、同一のエッチングプロセス条件の下、加工量の異なる複数の部位を１回の処理によって侵食を行わせるようにしたもので、加工幅に応じて異なる深さ方向の侵食速度の違いを利用して行われる。音叉形状の外形部のように、加工幅の大きな箇所は侵食速度が速いため、侵食深さが大きくなるのに対して、溝部のような加工幅の小さな箇所は侵食速度が遅いため、侵食は浅く制限される。したがって、図３に示したように、溝部の幅Ｗ４を２０ｍｍ以下に設定することによって、外形部の打ち抜き加工と同時に前記溝部の深さを水晶基板の厚みの１／２未満の範囲に制限して加工することが可能となった。なお、前記溝部の加工幅は、水晶基板の厚みとの関係に応じて適宜設定される。

また、前記加工幅の設定に加えて、フッ酸やフッ化アンモニウム溶液、その混合溶液などのエッチング液の種類や濃度、界面活性剤など添加剤の種類等による化学的条件や、前記エッチング液の攪拌作用や温度設定などの物理的条件とを組み合わせ、浸す回数や時間を段階的に設定することによって、音叉形状の外形部や、溝部の深さ加工量をより精密に制御することもできる。

前記水晶エッチング工程（ａ６）によって形成された外形部及び溝部の表面には、加熱蒸着法やスパッタ法等によって励振電極が形成される。

本実施形態では、水晶基板のエッチングに化学的なウェットエッチングを用いたが、水晶基板のカット角や厚み等に応じてプラズマなどの物理現象を利用したドライエッチングやパウダービームを用いて行うことも可能である。

本発明に係る第１実施形態の音叉型水晶振動子の斜視図である。上記第１実施形態の音叉型水晶振動子の平面図である。図１に示した音叉型水晶振動子のＡ−Ａ断面図である。本発明に係る第２実施形態の水晶振動子の斜視図である。上記第２実施形態の音叉型水晶振動子の平面図である。上記第２実施形態の音叉型水晶振動子の要部拡大図である。丸孔の集合体による溝部を形成した音叉型水晶振動子の平面図である。波型に形成された溝部を備えた音叉型水晶振動子の平面図である。本発明の音叉型水晶振動子の製造工程図である。従来の一般的な音叉型水晶振動子の斜視図である。溝部が設けられた従来の音叉型水晶振動子の斜視図である。上記溝部が設けられた従来の音叉型水晶振動子の断面図である。溝部を有する従来の音叉型水晶振動子の製造工程図である。

符号の説明

２１，４１音叉型水晶振動子
２２基部
２３，２４振動腕部
２５〜２８溝部
２９，３０励振電極
３１中立線

Claims

ケーシングに固定される基部と、この基部から平行して延びる一対の振動腕部と、この振動腕部の表面に形成される励振電極部とを備えた音叉型水晶振動子において、
前記振動腕部には、表面及び裏面の振動の中心である中立線を挟んだ左右位置で、且つ、外周側面に寄せた位置に、
長手方向に沿って左右交互にずれながら連続する複数の短溝の集合体による溝部が形成されていることを特徴とする音叉型水晶振動子。
前記溝部が、前記振動腕部の表面及び裏面の長手方向にそれぞれ二本平行に形成されている請求項１記載の音叉型水晶振動子。
前記二本の溝部が、前記振動腕部の中立線に対して左右対称に形成されている請求項２記載の音叉型水晶振動子。
前記溝部は、前記振動腕部の厚みに対して１／２未満の深さに形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の音叉型水晶振動子。
前記溝部が、前記振動腕部の長手方向に沿って延びる連続した長溝によって形成されている請求項１乃至４のいずれかに記載の音叉型水晶振動子。
前記溝部が、前記振動腕部の長手方向に沿って配列される複数の小孔の集合体によって形成される請求項１乃至４のいずれかに記載の音叉型水晶振動子。