JP4636093B2 - 振動片、振動子、発振器及び振動片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水晶等からなる振動片、この振動片を有する振動子、この振動子を備える発振器及び電子機器に関する。

従来より、水晶振動子が様々な電子機器の発振回路に周波数制御素子として採用されている。特に、小型で壊れにくく、正確に振動する小電力の水晶振動子として音叉型水晶振動子が用いられている。
上記音叉型水晶振動子は、振動数すなわち周波数が、主として水晶振動片の腕の長さ及び幅によって決定されている。
上記音叉型振動子は特にクロック源として時計を含む各種電子機器に発振回路とともに内蔵される。
近年では、各種電子機器の小型化に伴い、音叉型振動子も、より小型の寸法のものが求められている。この構成として、一対の振動腕部の両主面に溝を設けて水晶振動片の駆動効率を向上させた音叉型水晶振動子がある。

図１４は従来例を説明する音叉型振動子の外観図である。この音叉型振動子は主面が結晶軸（ｘｙｚ）のｚ軸に直交したＺ板（Ｚカット）の水晶片からなり、一対の振動腕部１２、１３が基部２から延出して形成されている。
ここで、音叉型振動子において、結晶軸（ｘｙｚ）のｘ軸方向を幅（Ｗ）、ｙ軸方向を長さ（Ｌ）、ｚ軸方向を厚み（Ｄ）とする。そして、一対の振動腕部１２、１３各々の両主面（ｚ軸方向に垂直な面）にはそれぞれ溝１２ａ、１３ａを、裏面にはそれぞれ溝１２ｂ、１３ｂ（図１５）を有する。

次に、振動腕部１２及び１３を駆動するため、それぞれの溝及び側面には、図１５に示すように、駆動電極が設けられている。図１５は図１４におけるＡ−Ａ’の線視断面図である。
各振動腕部１２及び１３において、溝１２ａに駆動電極１４ａが設けられ、溝１２ｂに駆動電極１４ｂが設けられ、振動腕部１２の対向する両側面（ｘ軸方向）にそれぞれ駆動電極１４ｃ、１４ｄが設けられ、溝１３ａに駆動電極１５ａが設けられ、溝１３ｂに駆動電極１５ｂが設けられ、振動腕部１３の対向する両側面（ｘ軸方向）にそれぞれ駆動電極１５ｃ、１５ｄが設けられている。
また、各振動腕部１２、１３において、駆動電極１４ａ、１４ｂ、１５ｃ、１５ｄに印加される駆動電圧が同位相となり、駆動電極１４ｃ、１４ｄ、１５ａ、１５ｂに印加される駆動電圧が先の電極とは逆位相となるよう結線されている。

これにより、各振動腕部１２及び１３においては、両主面と両側面との間で生じる互いに逆向きの電界によって屈曲振動を生じ、最終的に、音叉振動を生じることになる。
例えば、振動腕部１２において、溝の内周面から両側面に向かうｘ軸方向の電界が印加されることにより、図１５において左側の部分がｙ軸方向に伸びるとすると、右側部分が収縮することにより、振動腕部１３と対向する方向に変位する。一方、振動腕部１３において、両側面から溝の内周面に向かうｘ軸方向の電界が印加されることにより、左側の部分がｙ軸方向に収縮し、右側の部分がｙ軸方向に伸びることにより、振動腕部１２と対向する方向に変位する。また、電界をそれぞれ上記の場合と逆にする電圧が各電極に印加されることにより、振動腕部１２及び１３は離間する方向に振動し、一対の振動腕部１２及び１３は互いに逆向きの水平方向に振動して、音叉振動を生ずることになる。

しかしながら、 図１６（ａ）に示すように、振動腕部１２及び１３の幅Ｗが長く、厚みＤが短ければ、図における矢印Ｂの方向に通常の水平方向（ｘ軸方向）の振動を行うが、図１６（ｂ）に示すように、幅Ｗが厚みＤの１．２倍以下となることにより、垂直成分、すなわち矢印Ｃ方向の振動成分が加わり、矢印Ｅ方向の振動となる。この矢印Ｃ方向の振動成分が基部１１へ伝達されることにより、図１４の振動片をパッケージ等に固定する基部１１の固定領域への接着剤などからエネルギーが逃げ、振動片の固定バラツキの影響により、振動腕部１２及び１３の振動が不安定となる場合がある。このため、ＣＩ値の素子間のバラツキが大きくなる問題がある。

そのため、図１４に示すように、基部１１において、振動腕部１２及び１３の延出する側面１１ｒと角を形成して接する側面１１ｑに切り込み部１６を設けることにより、振動腕部の振動が基部側へ漏れることを緩和することができる（例えば、特許文献１参照）。
したがって、上述した構成により、ＣＩ値を維持したまま、基部１１を小型化し、振動片全体を小型化し、ＣＩ値の振動片の素子間におけるバラツキを低減することができる。
特開２００２−２６１５７５号公報

しかしながら、特許文献１に示す振動片にあっては、さらなる小型化を行おうとする場合、周波数が振動腕部の幅と長さの比にて決定（ｆ∝Ｗ／Ｌ^２）されるため、振動腕部の幅が極端に小さくなると安定した形状の溝の形成が困難となり、より水晶部分に印加される電界強度にバラツキが生じ、発振特性が不安定となり、ＣＩ値、Ｑ値及び容量比等の特性値の１部または全てが悪化することとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、水晶部分に印加される電界を、振動子間にて均一化させつつ、すなわちＣＩ値、Ｑ値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる振動片、振動子及び発振器を提供することを目的とする。

本発明の振動片は、基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第１及び第２のＸカット水晶片それぞれのｙ軸及びｚ軸が平行となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第１及び第２のＸカット水晶片それぞれのｘ軸の＋側及び−側方向が合うように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第１及び第２のＸカット水晶片それぞれのｘ軸の＋側及び−側方向が逆となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第１及び第２のＸカット水晶片がそれぞれのｘ軸が合うように重ね合わされて形成された振動腕部（長手方向がｙ軸、幅方向がｚ軸、厚さ方向がｘ軸）を有しているので、ｘ軸方向に振動することとなり、振動の周波数が振動腕部の長さと厚さにより決定されるため、厚さの加工を高精度に行うことが可能であり、水晶部分に印加される電界を、振動片の素子間にて同様とすることができ、Ｉ値、Ｑ値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。

本発明の振動片は、第１及び第２の駆動電極各々が、それぞれ前記振動腕部のｘ軸方向に垂直な表面及び裏面に形成され、中間電極が前記第１及び第２のＸカット水晶片に挟まれて配置されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記中間電極が記第１及び第２のＸカット水晶片それぞれに形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記中間電極の離間部分に、中間電極と同様の厚さの絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記第１及び第２の駆動電極とに第１の電圧が印加され、中間電極に印加される第２の電圧が第１の電圧と逆の位相であることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第１及び第２のＸカット水晶片それぞれに 独立に電圧を印加することが可能となり、すなわち、従来例において水晶片の厚さ方向全体に印加した電界を第１及び第２のＸカット水晶片それぞれに対して独立に与えることとなり、圧電効率を向上させ、印加された電圧を従来例に比較して効率的に振動に変化させることができる。

本発明の振動片は、第１及び第２のＸカット水晶片それぞれのｘ軸の＋側及び−側方向が逆となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、振動腕部のｘ軸方向に垂直な上面及び下面それぞれ第１、第２の駆動電極が形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記第１の駆動電極に第１の電圧が印加され、第２の駆動電極に第１の電圧と逆の位相の第２の電圧が印加されることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第１及び第２のＸカット水晶片を直接接合などで接合することにより振動腕部が形成されているため、ｘ軸方向に垂直な上面及び下面それぞれに形成した第１の駆動電極と、第２の駆動電極に位相の異なる電圧を印加することにより上下振動を行わせる構成を容易に実現できる。

本発明の振動片は、前記振動腕部が２つ以上の複数個設けられ、隣接する振動腕部間において、第１及び第２の電圧の位相がそれぞれ逆であることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、隣接する振動腕部がｘ軸に沿って各々逆方向に振動するため、基部に伝達する振動エネルギを打ち消し合うことにより抑制するため、振動片の固定バラツキの影響により、振動腕部の振動が不安定となることを抑制することができる。

本発明の振動子は、基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が、第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成されている振動片がパッケージ内に収容されていることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動子は、上述した振動片を用いるため、Ｉ値、Ｑ値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。

本発明の発振器は、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が、第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成されている振動片と、集積回路とがパッケージ内に収容されていることを特徴とする。
上記構成により、本発明の発振器は、上述した振動片を用いるため、Ｉ値、Ｑ値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態による水晶振動片を図面を参照して説明する。図１は、本願発明の第１の実施形態による音叉型振動片の外観図である。図２は、本願発明の第１の実施形態による音叉型振動片の線Ａ−Ａの線視断面（正面図）である。
この音叉型振動片は主面が結晶軸（ｘｙｚ）のｘ軸に直交したＸ板（Ｘカット）のＸカット水晶片１及びＸカット水晶片２から形成されている。Ｘカット水晶片１とＸカット水晶片２とは、結晶軸（ｘｙｚ）において、互いの結晶のｘ軸が平行となるように（ある若干の角度ずれが存在しても良い）重ね合わされて接合されている。ここで、Ｘカット水晶片１とＸカット水晶片２を切り出す水晶としては、同一結晶系であれば、右手系水晶あるいは左手系水晶の何れを用いても良い。

上記Ｘカット水晶片２は、基部２ｗと、この基部２ｗの基部上部の一端から、基部上部面２ｗｕに平行に延出した振動腕部片２ａ、２ｂ、２ｃとから構成されている。すなわち、基部２ｗと振動腕部片２ａ、２ｂ、２ｃとは一体に形成されている。
また、上記Ｘカット水晶片１は、基部１ｗと、この基部１ｗと同一の厚さにて、基部２ｗの側面から、基部下部面１ｗｄに平行に延出した振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃとから構成されている。すなわち、基部１ｗと振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃとは一体に形成されている。
ここで、本実施形態の音叉型振動子の振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａ、２ｂ、２ｃにおいて、結晶軸（ｘｙｚ）のｘ軸方向（振動方向）を厚み、ｙ軸方向を長手方向の長さ、ｚ軸方向を幅とする。Ｘカット水晶片１及び２は、ｘ軸のみでなく、互いの結晶のｙ軸及びｚ軸が平行となるように（ある若干の角度ずれが存在しても良い）重ね合わされて接合されている。また、ｘ軸は電気軸であり、ｚ軸は光学軸であり、ｙ軸は機械軸である

振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれは厚み、長さ及び幅が同一であり、振動腕部片１ａ及び２ａが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ａが構成され、同様に、振動腕部片１ｂ及び２ｂが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ｂが構成され、振動腕部片１ｃ及び２ｃが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ｃが構成されている。ここで、基部１の基部下部面１ｗｄと基部２の基部上部面２ｗｕとが接合されている。

振動腕部３ａにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ａｆが形成され、下面に駆動電極４ａｂが形成されている。同様に、振動腕部３ｂにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ｂｆが形成され、下面に駆動電極４ｂｂが形成され、振動腕部３ｃにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ｃｆが形成され、下面に駆動電極４ｃｂが形成されている。
また、振動腕部片１ａと振動腕部片２ａとの間に中間電極４ａｃが設けられ、振動腕部片１ｂと振動腕部片２ｂとの間に中間電極４ｂｃが設けられ、振動腕部片１ｃと振動腕部片２ｃとの間に中間電極４ｃｃが設けられている。
ここで、中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃは、それぞれ酸化膜などの絶縁膜５により、凹凸を緩和されて、それぞれ振動腕部片間に挟まれて配置されている。

上記振動腕部３ａ、振動腕部３ｂ及び振動腕部３ｃにおいて、駆動電極４ａｆ、４ａｂ、中間電極４ｂｃ、駆動電極４ｃｆ、４ｃｂそれぞれが電気的に接続されて電極６ａに接続おり、一方、中間電極４ａｃ、駆動電極４ｂｆ，４ｂｂ、中間電極４ｃｃそれぞれが電気的に接続されて電極６ｂに接続されている。すなわち、隣接する振動腕部間において、駆動電極間に逆位相の電圧が印加され、中間電極間にそれぞれ逆の位相の電圧が印加される構成となっている。言い換えると、電極６ａに印加した電圧と逆の位相の電圧が発生するように、固有振動数（固有の機械共振周波数）にて隣接する振動腕部が互いに逆方向に振動する振動子となる電極構成となっている。したがって、上記固有振動数と同じ周期の交番電圧を電極６ａ及び６ｂ間に印加することにより、この固有振動数を電気信号として取り出すことができる。
また、本実施形態においては、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃの３本の振動腕子から構成する例を示したが、２本以上の複数本で構成することが可能であり、本数を限定しない。

上述した構成により、例えば、図１に示すｘ軸方向に振動する場合、振動腕部３ａにおいて、中間電極４ａｃに印加される電圧より、駆動電極４ａｆ及び４ａｂに印加される電圧が高い場合、電界の方向が駆動電極４ａｆ及び４ａｂから中間電極４ａｃへ向かうため、振動腕部片１ａが伸張し、振動腕部片２ａが収縮するため、図２の下部方向に振動する。また、中間電極４ａｃに印加される電圧より、駆動電極４ａｆ及び４ａｂに印加される電圧が低い場合、電界の方向が中間電極４ａｃから駆動電極４ａｆ及び４ａｂへ向かうため、振動腕部片１ａが収縮し、振動腕部片２ａが伸張するため、図２の上部方向に振動する。

したがって、矩形波の交番電圧が駆動電極と中間電極との間に印加されることにより、ｘ軸方向に振動腕部３ａが振動することになる。他の振動腕部３ｂ及び３ｃも同様である。
また、上述したように、隣接する振動腕部間にて駆動電圧と中間電極とが、交番電圧の位相が互いに逆となるように接続されているため、隣接する振動腕部はｘ軸に沿って、互いに逆方向、すなわち一方が上部に振動すると他方が下部に移動して振動を行う。
隣接する振動腕部が互いに逆方向に振動することにより、基部１ｗ及び基部２ｗが振動片を固定部に固定した際、振動腕部の振動が固定部に伝達され難くし、振動片の固定バラツキの影響により、各振動腕部の振動が不安定となることを抑制し、ＣＩ値の素子間のバラツキを低減することができる。

次に、図３を参照して、図２に示す振動片の製造方法について説明する。図３は、本実施形態における振動片の各工程毎における振動片の断面図を示す。この断面は、図１のＡ−Ａにおける線視断面である。
基板であるＸカット水晶２の基部上面部２ｗｕ上に、中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃを、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃが形成される位置にそれぞれ対応して形成する。
ここで、電極として形成する金属膜としては、例えば１０ｎｍの厚さのクロム（Ｃr）及び５０ｎｍの厚さの金（Ａu）の積層構造の薄膜をエッチングすることにより形成する（図３（ａ））。
そして、中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃ上及び露出された基部上面部２ｗｕ上に絶縁膜５、例えば、ポリシラザンを塗布し、酸化膜（ＳiＯ_２）に転化させても良く、またＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング及び蒸着などで、絶縁膜５を形成してもよい（図３（ｂ））。

絶縁膜５が形成された後、中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃの凹凸の影響、あるいは絶縁膜５の厚みのばらつきを低減するため、絶縁膜５の平坦化のための研磨処理を、ポリッシングにより行う（図３（ｃ））。
次に、基部２の基部上面部２ｗｕと、基部下面部１ｗｕが中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃを介挿して接合するように、Ｘカット水晶片２に基板Ｘカット水晶片１を重ね合わせる（図３（ｄ））。
そして、重ねたＸカット水晶片１を基部上面部１ｗｕから研磨して、Ｘカット水晶片１を所定の厚さ、例えば６．３μｍの厚さの板とする（図３（ｅ））。このように、振動腕部の長尺方向の長さとともに、発信周波数を決定する膜厚を、高い加工精度にて薄く形成することが可能であるため、振動片の素子間におけるばらつきを抑制し、小型化を容易に行うことができる。

次に、基部２ｗの基部下面部２ｗｄからエッチングを行い、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃが形成される部分をＸカット水晶片１と同様の厚さ、例えば６．３μｍの厚さにエッチングし、基部２ｗから延出した振動腕部形成領域において振動腕部が形成されない側壁部、すなわち各振動腕部の長尺方向に対して平行となる１及び２の側壁部を残すようにエッチングを行い、すなわち溝加工を行って逆メサ型の形状とする（図３（ｆ））。ここのエッチングには、マイクロブラスト、プラズマを用いたドライエッチングや、レーザー加工などを用いる。

そして、基板１上にレジスト１００を形成し、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃを形成するレジストパターンをニッケル（Ｎi）またはアルミニウム（Ａl）により形成し、このレジストパターンをマスクとしてエッチングを行い、基部１ｗと基部２ｗとをエッチングし、それぞれ振動腕部片１ａ、１ｂ及び１ｃと振動腕部片２ａ、２ｂ及び２ｃとを形成する（図３（ｇ））。ここで、水晶のエッチングには、水晶の組成がＳiＯ_２であるため、フッ素系のガスによるドライエッチングを用いる。
これにより、振動部分として、中間電極４ａｃ、４ｂｃ及び４ｃｃそれぞれを有した振動腕部３ａ、３ｂ、３ｃが形成される。

次に、振動腕部３ａ、３ｂ、３ｃ各々の上面（表面）及び下面（裏面）に、それぞれ駆動電極４ａｆ、４ａｂ、駆動電極４ｂｆ、４ｂｂ、駆動電極４ｃｆ、４ｃｃを、金属膜、すなわち５０ｎｍの厚さのクロムの薄膜と、５０ｎｍの厚さの金の薄膜との積層膜を形成し、レジストパターンを形成して、このレジストをマスクとしてエッチングして形成する（図３（ｈ））。
また、図３（ｇ）において、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃを形成する前に駆動電極の金属膜を形成し、エッチングを行うことにより、この駆動電極を水晶とともに一括してエッチングして、駆動電極を形成するようにしても良い。

また、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）におけるＸカット水晶２と同様な処理をＸカット水晶１に行い、すなわち水晶部の基部下面部１ｗｄ上に中間電極を形成し、絶縁膜により平坦化する。
そして、図３（ｄ）において、中間電極がＸカット水晶１及び２間に配置されるように、Ｘカット水晶１及び２を重ね合わせる。
これにより、振動腕部片それぞれが駆動電極及び中間電極を独立して有することとなる。
この場合も、各振動腕部において、駆動電極が同一位相の電圧、中間電極が同一位相の電圧となるよう交番電圧が印加されるようになっている。

図３に示す製造工程により形成された振動片は、例えば、図５に示す形状である場合、ＣＩ（crystal impedance）値が１５０ｋΩ以下であり、Ｑ値が４０００以上を達成することができた。図５の各寸法の単位はｍｍであり、振動腕部の長さＬは０．５４２ｍｍであり各振動腕部厚さＤは１２．６μｍである。これにより、発信周波数が３２．７６８ＫＨｚの水晶振動子を形成することができた。この周波数に対応した振動腕部の長さＬと振動腕部の厚さＤとの関係を示すグラフを図６に示す。ｆ∝Ｄ／Ｌ^２の関係となっていることが判る。
また、水晶を圧電材料として用いることにより、２次の温度特性を持たせることが可能となり、かつこの温度特性の頂点温度（温度の極大値）を、Ｘカット水晶片のカット角をｘ軸及びｙ軸のいずれかあるいは双方をずらすことにより、調整することができる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態による水晶振動片を図面を参照して説明する。図１は、本願発明の第２の実施形態による音叉型振動片の外観図である。図７は、本願発明の第２の実施形態による音叉型振動片の正面図である。
第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、以下、第１の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
本実施形態による音叉型振動片は主面が結晶軸（ｘｙｚ）のｘ軸に直交したＸ板（Ｘカット）のＸカット水晶片１及びＸカット水晶片２から形成されている。Ｘカット水晶片１とＸカット水晶片２とは、結晶軸（ｘｙｚ）において、互いの結晶のｘ軸が平行となるように（ある若干の角度ずれが存在しても良い）かつ、ｘ軸の＋方向と−方向とが逆となるように重ね合わされて接合されている。ここで、Ｘカット水晶片１とＸカット水晶片２を切り出す水晶としては、同一結晶系であれば、右手系水晶あるいは左手系水晶の何れを用いても良い。

上記Ｘカット水晶片１及びＸカット水晶片２は、重ね合わせにおけるｘ軸の＋及び−方向の違い以外において第１の実施形態と同様の構成である。
ここで、本実施形態の音叉型振動子の振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａ、２ｂ、２ｃにおいて、結晶軸（ｘｙｚ）のｘ軸方向（振動方向）を厚み、ｙ軸方向を長手方向の長さ、ｚ軸方向を幅とする。Ｘカット水晶片１及び２は、第１の実施形態と同様に、ｘ軸のみでなく、互いの結晶のｙ軸及びｚ軸が平行となるように（ある若干の角度ずれが存在しても良い）重ね合わされて接合されている。また、ｘ軸は電気軸であり、ｚ軸は光学軸であり、ｙ軸は機械軸である

振動腕部片１ａ、１ｂ、１ｃ、２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれは厚み、長さ及び幅が同一であり、振動腕部片１ａ及び２ａが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ａが構成され、同様に、振動腕部片１ｂ及び２ｂが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ｂが構成され、振動腕部片１ｃ及び２ｃが基部上部面１ｗｕ上部から見た平面視にて長さＬ、幅Ｗにて形成された面が完全に一致して重なるように接合され、振動腕部３ｃが構成されている。ここで、基部１の基部下部面１ｗｄと基部２の基部上部面２ｗｕとが接合（例えば、直接接合）されている。

振動腕部３ａにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ａｆが形成され、下面に駆動電極４ａｂが形成されている。同様に、振動腕部３ｂにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ｂｆが形成され、下面に駆動電極４ｂｂが形成され、振動腕部３ｃにおいて、ｘ軸方向に垂直な面の上面に駆動電極４ｃｆが形成され、下面に駆動電極４ｃｂが形成されている。第２の実施形態において、第１の実施形態と異なり、中間電極は生成されていない。

上記振動腕部３ａ、振動腕部３ｂ及び振動腕部３ｃにおいて、駆動電極４ａｆ、４ｂｂ、４ｃｆそれぞれが電気的に接続されており、一方、駆動電極４ａｂ、４ｂｆ及び４ｃｂが電気的に接続されている。すなわち、隣接する振動腕部間において、駆動電極間に逆位相の電圧が印加される構成となっている。
本実施形態においては、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃの３本の振動腕子から構成する例を示したが、２本以上の複数本で構成することが可能であり、本数を限定しない。

上述した構成により、例えば、図７に示す構成にてｘ軸方向に振動する場合、振動腕部３ａにおいて、駆動電極４ａｆに印加される電圧が駆動電極４ａｂより高い場合、電界の方向が駆動電極４ａｆからから駆動電極４ａｂへ向かうため、振動腕部片１ａが伸張し、振動腕部片２ａが収縮することになり、図７の下部方向に振動する。また、駆動電極４ａｆに印加される電圧より、駆動電極４ａｂに印加される電圧が低い場合、電界の方向が駆動電極４ａｂから駆動電極４ａｆへ向かうため、振動腕部片１ａが収縮し、振動腕部片２ａが伸張するため、図７の上部方向に振動する。

したがって、矩形波の交番電圧が各振動腕部の駆動電極間に印加されることにより、ｘ軸方向に振動腕部３ａが振動することになる。他の振動腕部３ｂ及び３ｃも同様である。
また、上述したように、隣接する振動腕部間にて駆動電圧として、交番電圧の位相が互いに逆となるように接続されているため、隣接する振動腕部はｘ軸に沿って、互いに逆方向、すなわち一方が上部に振動すると他方が下部に移動して振動を行う。
隣接する振動腕部が互いに逆方向に振動することにより、第１の実施形態と同様に、基部１ｗ及び基部２ｗが振動片を固定部に固定した際、振動腕部の振動が固定部に伝達され難くし、振動片の固定バラツキの影響により、各振動腕部の振動が不安定となることを抑制し、ＣＩ値の素子間のバラツキを低減することができる。

次に、図８を参照して、図７に示す振動片の製造方法について説明する。図８は、本実施形態における振動片の各工程毎における振動片の断面図を示す。この断面は、図１のＡ−Ａにおける線視断面である。
基板Ｘカット水晶片１の基部下面部１ｗｄと、基板Ｘカット結晶片２の基部上面部２ｗｕとの表面を活性化させ、Ｘカット水晶片１の基部下面部１ｗｄと基板Ｘカット水晶片２の基部上面部２ｗｕとが接触するように重ね合わせ、圧力及び温度を印加することにより、基板Ｘカット水晶片１及び２を直接接合する（図８（ａ））。
ここで、上記基部下面部１ｗｄと基部上面部２ｗｕとの表面を活性化させる際、ＨＦ溶液、プラズマを用いたドライエッチングなどを用いても良い。
また、上記基部下面部１ｗｄと基部上面部２ｗｕとを、プラズマ重合により接合させても良い。

次に、重ねたＸカット水晶片１を基部上面部１ｗｕから研磨して、Ｘカット水晶片１を所定の厚さ、例えば６．３μｍの厚さの板とする（図８（ｂ））。第１の実施形態と同様に、振動腕部の長尺方向の長さとともに、発信周波数を決定する膜厚を、高い加工精度にて薄く形成することが可能であるため、振動片の素子間におけるばらつきを抑制し、小型化を容易に行うことができる。

次に、基部２ｗの基部下面部２ｗｄからエッチングを行い、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃが形成される部分をＸカット水晶片１と同様の厚さ、例えば６．３μｍの厚さにエッチングし、基部２ｗから延出した振動腕部形成領域において振動腕部が形成されない側壁部、すなわち各振動腕部の長尺方向に対して平行となるＸカット水晶片１及び２の側壁部を残すようにエッチングを行い、すなわち溝加工を行って逆メサ型の形状とする（図８（ｃ））。ここのエッチングには、マイクロブラスト、プラズマを用いたドライエッチングや、レーザー加工などを用いる。

そして、基板１上にレジスト１００を形成し、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃを形成するレジストパターンをニッケル（Ｎi）またはアルミニウム（Ａl）により形成し、このレジストパターンをマスクとしてエッチングを行い、基部１ｗと基部２ｗとをエッチングし、それぞれ振動腕部片１ａ、１ｂ及び１ｃと振動腕部片２ａ、２ｂ及び２ｃとを形成する（図８（ｄ））。ここで、水晶のエッチングには、水晶の組成がＳiＯ_２であるため、フッ素系のガスによるドライエッチングを用いる。
これにより、振動腕部片１ａ、２ａからなる振動腕部３ａ、振動腕部片１ｂ、２ｂからなる振動腕部３ｂ、及び振動腕部片１ｃ、２ｃとからなる振動腕部３ｃが形成される。

次に、第１の実施形態と同様に、振動腕部３ａ、３ｂ、３ｃ各々の上面（表面）及び下面（裏面）に、それぞれ駆動電極４ａｆ、４ａｂ、駆動電極４ｂｆ、４ｂｂ、駆動電極４ｃｆ、４ｃｃを、金属膜、すなわち５０ｎｍの厚さのクロムの薄膜と、５０ｎｍの厚さの金の薄膜との積層膜を形成し、レジストパターンを形成して、このレジストをマスクとしてエッチングして形成する。
また、図８（ｄ）において、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃを形成する前に、第１の実施形態と同様に、駆動電極の金属膜を形成し、エッチングを行うことにより、この駆動電極を水晶とともに一括してエッチングして、駆動電極を形成するようにしても良い。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態は、図９に示すように、Ｘカット水晶片１及び２が、例えば、第１及び第２の実施形態の各振動腕部片の厚さと同様に、例えば６．３μｍの厚さにエッチングまたは研磨され、基部７に配設された構造をしている。したがって、第３の実施形態は、基部７、基部１ｗ及び基部２ｗにて、振動片の基部が構成されている。
上記基部７にはＺカット水晶が用いられる。また、この基部７は、ｚ軸の方向を厚さ方向とする以外、ｘ軸、ｙ軸の方向については考慮する必要はない。
また、振動腕部３ａ、３ｂ及び３ｃの構造については、第１及び第２の実施形態のいずれかの構造を用いる。

次に、図１０を参照して、図９に示す振動片の製造方法について説明する。図１０は、本実施形態における振動片の各工程毎における振動片の斜視図を示す。
基部７の上部に、この基部７の水晶片の端部から振動腕部片２ａ、２ｂ及び２ｃを形成する領域が、すなわち長さＬの領域が突出するように、Ｘカット水晶片２を重ね合うように配設し、基部７とＸカット水晶片２の基部２ｗとを接合させる（図１０（ａ））。
そして、第１の実施形態と同様に、基部７に重ねたＸカット水晶片２を基部上面部２ｗｕから研磨して、Ｘカット水晶片２を所定の厚さ、例えば６．３μｍの厚さの板とする（図１０（ｂ））。

以降の製造工程は、Ｘカット水晶片２の厚さを、予め６．３μｍに加工しているため、後工程の振動腕部を加工する際に、Ｘカット水晶片２の厚さを６．３μｍに変えるためのエッチングを行わない部分を除き、第１及び第２の実施形態と同様である。

＜第４の実施形態＞
図１１は、本発明の第４の実施の形態に係る振動子であるセラミックパッケージ音叉型振動子２００を示す図である。このセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、音叉型水晶振動片１００として上述の第１、第２及び第３の実施形態のいずれかの振動片を用いている。したがって、音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。図１１は、セラミックパッケージ音叉型振動子２００の構成を示す概略断面図である。図１１に示すようにセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、その内側に空間を有する箱状のパッケージ２１０を有している。このパッケージ２１０には、その底部にベース部２１１を備えている。このベース部２１１は、例えばアルミナ等のセラミックス等で形成されている。

ベース部２１１上には、封止部２１２が設けられており、この封止部２１２は、ベース部２１１と同様の材料から形成されている。また、この封止部２１２の上端部には、蓋体２１３が載置され、これらベース部２１１、封止部２１２及び蓋体２１３で、中空の箱体を形成することになる。このように形成されているパッケージ２１０のベース部２１１上にはパッケージ側電極２１４が設けられている。このパッケージ側電極２１４の上には導電性接着剤等を介して音叉型水晶振動片１００の基部１１０の固定領域１１１が固定されている。この音叉型水晶振動片１００は、上述したように、第１、第２及び第３の実施形態のいずれかの構成であるため、小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したセラミックパッケージ音叉型振動子２００も小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な振動子となる。

＜第５の実施形態＞
図１２は、本発明の第５の実施の形態に係る発振器である音叉水晶発振器４００を示す図である。このデジタル音叉水晶発振器４００は、上述の第２の実施の形態のセラミックパケージ音叉型振動子２００と多くの部分で構成が共通している。したがって、セラミックパケージ音叉型振動子２００と音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。

図１２に示す音叉型水晶発振器４００は、図１１に示すセラミックパッケージ音叉振動子２００における音叉型水晶振動片１００の下方、かつベース部２１１の上に、図１２に示すように集積回路４１０を配置したものである。すなわち、音叉水晶発振器４００では、その内部に配置された音叉型水晶振動片１００が振動すると、その振動は、集積回路４１０に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。すなわち、音叉水晶発振器４００に収容されている音叉型水晶振動片１００は、第１、第２及び第３の実施形態のいずれかの構成であるため、小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したデジタル音叉水晶発振器４００も小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な発振器となる。

＜第６実施形態＞
図１３は、本発明に第６の実施の形態に係る振動子であるシリンダータイプ音叉振動子５００を示す図である。このシリンダータイプ音叉振動子５００は、上述の第１の実施の形態の音叉型水晶振動片１００を使用している。したがって、音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。図１３は、シリンダータイプ音叉振動子５００の構成を示す概略図である。図１３に示すようにシリンダータイプ音叉振動子５００は、その内部に音叉型水晶振動片１００を収容するための金属製のキャップ５３０を有している。このキャップ５３０は、ステム５２０に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。

また、キャップ５３０に収容された略Ｈ型の音叉型水晶振動片１００を保持すうためのリード５１０が２本配置されている。このようなシリンダータイプ音叉振動子５００に外部より電流等を印加すると音叉型水晶振動片１００の音叉腕１２１，１２２が振動し、振動子として機能することになる。このとき、音叉型水晶振動片１００は、第１、第２及び第３の実施形態のいずれかの構成であるため、小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したシリンダータイプ音叉振動子５００も小型でＣＩ値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な振動子となる。

また、上述の各実施の形態では、３２．７３８ＫＨの音叉型水晶振動子を例に説明したが、１５ＫＨ乃至１５５ＫＨの音叉型水晶振動子に適用できることは明らかである。なお、上述の実施の形態に係る音叉型水晶振動片１００は、上述の例のみならず、他の電子機器、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いられることは明らかである。

本発明の第１及び第２の実施形態による振動片の構成例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態による振動片の線視断面図である。 第１の実施形態による振動片の製造過程を説明する振動片の各工程毎の断面を示す概念図である。 第１の実施形態における他の構成例を示す概念図である。 第１の実施形態による振動片を基部上面部ｗｕに垂直方向から見た上面図である。 第１の実施形態による振動片において、３２．７６８ＫＨｚの固有振動数を得るための振動腕部の長さＬ及び厚みＤの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態による振動片の線視断面図である。 第２の実施形態による振動片の製造過程を説明する振動片の各工程毎の断面を示す概念図である。 本発明の第３の実施形態による振動片の構成例を示す斜視図である。 第３の実施形態による振動片の製造過程を説明する振動片の各工程毎の断面を示す概念図である。 本発明の第４の実施形態によるセラミックパッケージ音叉型振動子の構成を示す概略断面図である。 本発明の第５の実施形態による音叉水晶発振器の構成を示す概略断面図である。 本発明の第６の実施形態によるシリンダータイプ音叉振動子の構成を示す概略断面図である。 従来の音叉型水晶振動片を示す概略図である。 図１４のＡ−Ａ’線概略断面図である。 音叉腕の振動モードの説明を行う断面の概念図である。

符号の説明

１，２…Ｘカット水晶片、１ａ，１ｂ，１ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ…振動腕部片、１ｗ，２ｗ…基部、１ｗｄ，２ｗｄ…基部下面部、１ｗｕ，２ｗｕ…基部上面部、３ａ，３ｂ，３ｃ…振動腕部、４ａｆ，４ｂｆ，４ｃｆ，４ａｂ，４ｂｂ，４ｃｂ…駆動電極、４ａｃ，４ｂｃ，４ｃｃ…中間電極、７…基部

Claims (9)

1. 基部と、
   該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部と、
   から構成される振動片であり、
   前記基部及び前記振動腕部は、
   第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸の＋側及び−側の方向が合うように、かつ、それぞれの前記ｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成され、中間電極が前記第１及び第２のＸカット水晶片に挟まれて配置され、
   前記振動腕部は、前記ｘ軸の方向を法線とし、かつ、互いに対向する第１面及び第２面を有し、
   前記第１面には、第１の駆動電極が形成され、
   前記第２面には、第２の駆動電極が形成され、
   前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極には、第１の電圧が印加され、
   前記中間電極には、第２の電圧が印加され、
   前記第１の電圧と前記第２の電圧とは、互いに逆の位相であることを特徴とする振動片。
2. 前記中間電極は、絶縁膜により覆われたことを特徴とする請求項１記載の振動片。
3. 前記振動腕部は、前記第１面及び前記第２面が前記基部の上面と平行となるよう、該基部に配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動片。
4. 前記中間電極は、前記第１のＸカット水晶片及び前記第２のＸカット水晶片それぞれに形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の振動片。
5. 前記中間電極の離間部分には、該中間電極と同様の厚さの絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項４に記載の振動片。
6. 前記基部から突出し、前記振動腕部と並行に形成された一つ以上の側壁部を有することを特徴とする請求項１に記載の振動片。
7. 基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部と、から構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部は、第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸の＋側及び−側の方向が合うように、かつ、それぞれの前記ｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成され、中間電極が前記第１及び第２のＸカット水晶片に挟まれて配置され、前記振動腕部は、前記ｘ軸の方向を法線とし、かつ、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第１面には、第１の駆動電極が形成され、前記第２面には、第２の駆動電極が形成され、前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極には、第１の電圧が印加され、前記中間電極には、第２の電圧が印加され、前記第１の電圧と前記第２の電圧とは、互いに逆の位相である振動片がパッケージ内に収容されたことを特徴とする振動子。
8. 基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部と、から構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部は、第１及び第２のＸカット水晶片が、それぞれのｘ軸の＋側及び−側の方向が合うように、かつ、それぞれの前記ｘ軸が平行となるように重ね合わされて形成され、中間電極が前記第１及び第２のＸカット水晶片に挟まれて配置され、前記振動腕部は、前記ｘ軸の方向を法線とし、かつ、互いに対向する第１面及び第２面を有し、前記第１面には、第１の駆動電極が形成され、前記第２面には、第２の駆動電極が形成され、前記第１の駆動電極及び前記第２の駆動電極には、第１の電圧が印加され、前記中間電極には、第２の電圧が印加され、前記第１の電圧と前記第２の電圧とは、互いに逆の位相である振動片と、
   集積回路と
   がパッケージ内に収容されていることを特徴とする発振器。
9. 第１のＸカット水晶片の上面に、振動子となる振動腕部の形成される位置に対応して中
   間電極を形成する工程と、
   前記中間電極を覆う絶縁膜を前記第１のＸカット水晶片の上面に形成する工程と、
   前記絶縁膜を平坦化する工程と、
   前記平坦化された絶縁膜上面に、前記第１のＸカット水晶片のｘ軸の＋側及び−側の方向が合うように、かつ、それぞれの前記ｘ軸が平行となるように第２のＸカット水晶片を接合させる工程と、
   前記第１のＸカット水晶片と前記第２のＸカット水晶片とを、エッチングし、前記振動腕部の外形を形成する工程と、
   ｘ軸を法線とし、かつ互いに対向する前記振動腕部の第１面及び第２面の面上に駆動電極を形成する工程と、
   を有する
   振動片の製造方法。

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