JP4933903B2 - 水晶振動体、水晶振動子及び水晶ウェハ - Google Patents

Description

本発明は、振動本体部から延びる支持腕部を備えた水晶振動体、この水晶振動体が前記支持腕部を介して保持器内に収容された水晶振動子、前記水晶振動体を製造するための水晶ウェハに関するものである。

従来、電子機器にはクロック信号源として、様々な水晶振動子が採用されている。このような水晶振動子の中でも、製造が容易で周波数―温度特性に優れた音叉型の水晶振動子を用いているものが多い。この水晶振動子は、基部及びこの基部から延びる励振電極を有する一対の振動腕部からなる水晶振動体と、この水晶振動体を収容するセラミック等のパッケージ（保持器）とで形成されており、前記振動腕部がフリーとなるように基部の一端を保持器内の電極端子に導電性接着剤で接合した構造となっている。

前記構造の水晶振動子にあっては、振動腕部に直接外部からの振動や衝撃がかからないように、基部の端部を介して保持器内に固定しているが、それでも僅かな振動が振動腕部に対して影響を及ぼすことがある。このような振動腕部に影響を及ぼすような僅かな振動を低減すると共に、小型化・薄型化に対応するため、前記基部から振動腕部に沿うように大きく延ばした支持腕部を形成し、この支持腕部の先端を介して保持器内の電極端子に接合するようにしたものが知られている（特許文献１）。

図１０に示すように、基部５、振動腕部６及び支持腕部７からなる音叉型の水晶振動体２は、一枚の大型の水晶ウェハ１から複数形成されるが、前工程においては、フレーム３に繋がる分離部位（切取枝部）４を残した状態で、それぞれの水晶振動体の全体を所定の形状に沿って切断あるいはエッチングなどによって抜き加工される。そして、後工程によって、前記切取枝部４を機械的に切断することで、個々の水晶振動体２に分離される（特許文献２，３）。前記切取枝部４を切断する際は、レーザ、ブレードあるいは折り取りなどの方法によって切り離している。その際、前記切取枝部４は、励振電極が形成される振動腕部６に影響を及ぼさないような基部５や支持腕部７の一部に設けられるが、レーザやブレード等の機械的な切断を行うと、図１１に示すように基部５に切断痕８が残り、この切断痕８からチッピングやクラック等が発生する場合がある。
特開２００５−１０２１３８号公報 特開２００１−１２２６９７号公報 特開２００３−０２８６４５号公報

図１２に示すように、前記切取枝部４を切断した際に、その部分に切断痕８が発生する場合が多い。そして、この切断痕８が生じた状態の水晶振動体２を保持器９内に備わるマウント電極１０に実装して製品（水晶振動子）１２を製造した場合、製品出荷後に外部からの強い振動や衝撃が加わることで、前記切断痕８から水晶割れが進行して支持腕部７等の損傷につながる危険性が高くなる。このような支持腕部７には、振動腕部６の励振電極と保持器９内のマウント電極１０との間を電気的に接続する電極パターンが形成されているため、この電極パターンが前記損傷によって導通不良が生じ、水晶振動子１２の発振不良を引き起こす要因となる。さらに、前記電極パターンが支持腕部７に形成されていない場合においても、支持腕部７等の欠損や変形によって、保持器９から受ける応力の状態が変化することで、振動周波数ズレの原因を引き起こす場合もある。

そこで、本発明の目的は、振動腕部等からなる振動本体部に影響を及ぼすことのない部位に切断痕が残る構造の水晶振動体及びこの水晶振動体を組み込み形成してなる水晶振動子、前記水晶振動体を高品質且つ容易に分離形成するための水晶ウェハを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動体は、基部及びこの基部から延びる振動腕部からなる振動本体部と、該振動本体部を支える一以上の支持腕部とを備え、前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、該支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位に切断痕を残してなることを特徴とする。

また、本発明の水晶振動子は、基部及びこの基部から延びる振動腕部からなる振動本体部と、該振動本体部を支える一以上の支持腕部とを備え、前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、該支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位に切断痕を残してなる水晶振動体が、前記支持部位の切断痕を避けた部分を介して保持器内に固定されてなることを特徴とする。

また、本発明の水晶ウェハは、振動本体部及びこの振動本体部を支えるための支持腕部を有する水晶振動体と、該水晶振動体を切り離し可能に接続されるフレームとからなる水晶ウェハにおいて、前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、前記支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位が前記フレームに切断可能な分離部位を介して接続されてなることを特徴とする。

本発明の水晶振動体によれば、水晶ウェハから分離する際に生じる切断痕が支持腕部のうちの振動本体部から離れた部位に形成されるので、前記切断痕からチッピングやクラックが生じたとしても、基部や振動腕部からなる振動本体部における振動姿態を崩すような直接的な影響を及ぼすことがない。

また、前記水晶振動体を組み込んで形成される水晶振動子にあっては、前記支持腕部の切断痕が残る支持部位の切断痕を避けた部分を介して保持器内の電極端子に載置されて導通接続されるので、振動周波数ズレなどの振動特性に影響を及ぼすことがなく、長期に亘って安定した振動特性を維持することができる。

さらに、本発明の水晶ウェハでは、振動本体部に損傷や負荷がかかることなく、容易に前記水晶振動体を複数個に分離することができる。このため、製造工程において、品質の安定した水晶振動子を量産可能な水晶ウェハを容易且つ安価に提供することができる。

以下、本発明の水晶振動体、水晶振動子及び水晶ウェハの実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の水晶振動体を製造するための水晶ウェハは、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軸回転させたカット角で板状に薄くスライスした一枚の大きな水晶板である。図１は、複数の水晶振動体２２が所定のパターンによって微細加工され、個々の製品に分離される前の水晶ウェハ２１の平面構成を示したものである。この水晶ウェハ２１は、保持領域（フレーム）２３ａと、このフレーム２３ａから延びる加工領域２３ｂとからなっている。前記加工領域２３ｂは、前記フレーム２３ａと同一平面であり、ここに打ち抜き加工形状に合わせたマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、基部２５及び振動腕部２６からなる振動本体部２２ａ及び支持腕部２７と、この支持腕部２７からフレーム２３ａに繋がる細い分離部位（切取枝部）２４を有して形成されている。

前記マスクパターンを用いて、水晶エッチングを施すことによって、図２に示すような、基部２５及びこの基部２５から延びる一対の振動腕部２６からなる振動本体部２２ａと、この振動本体部２２ａを支える一対の支持腕部２７を有した音叉型の水晶振動体２２が前記切取枝部２４を介してフレーム２３ａに接続された状態で形成される。なお、前記水晶振動体２２の形状パターンは、微細加工に適したレーザやパウダービームを用いた切断や打ち抜きによって形成することもできる。

前記振動腕部２６は、基部２５の一端から所定の間隔を有して平行に延び、表裏面及び側面には極性の異なる励振電極（図示せず）が形成されている。この振動腕部２６は、厚みが５０〜２００μｍで、振動周波数に応じて長さ及び幅が設定される。

前記支持腕部２７は、図２に示したように、基部２５の下端から左右方向に突出したＬ字状の屈曲部２９を有し、この屈曲部２９で折り返すようにして前記振動腕部２６の外側面に沿って平行に形成される。この支持腕部２７のサイズは、長さが振動腕部２６の略半分で、幅を振動腕部２６と同じかそれ以上にすることで、支持強度を十分維持することができると共に、振動腕部２６に発生する屈曲振動が実装基板や保持器等を通して外部に漏れ出す振動漏れを低減させる効果がある。また、前記振動腕部２６の表面には図示しない励振電極が形成され、この励振電極から延びる電極パターンが基部２５から支持腕部２７にかけて形成され、この支持腕部２７の支持部位となる端子電極部３０に向けてパターン形成されている。

なお、前記励振電極の形成は、所定の水晶振動体２２の形状に合わせて切断あるいは打ち抜き加工した後の金属膜エッチング工程において行われる。金属膜エッチングは、前記水晶ウェハ２１の加工領域２３ｂの表面及び裏面に一様に金属膜を加熱蒸着あるいはスパッタリング法等によって形成し、その上にフォトレジスト膜を形成する。そして、前記フォトマスクを介してフォトレジスト膜を露光、現像して形成される。

前記水晶ウェハ２１に形成された各水晶振動体２２は、フレーム２３ａに繋がる切取枝部２４をレーザやブレード等を用いて切断、あるいは、折曲げ断裂することによって、個々に分離される。そして、図３及び図４に示すように、前記個々の水晶振動体２２をセラミック等の保持器３１内に収容し、蓋体３４で密封封止することによって水晶振動子４０が完成する。前記保持器３１内には、一対のマウント電極３２が形成され、このマウント電極３２に前記水晶振動体２２の支持腕部２７の支持部位を兼ねる端子電極部３０が載置され導電性接着剤３３によって導通接続される。

上記製法によって分離形成された水晶振動体２２が収容される水晶振動子４０は、図３に示したように、フレーム２３ａから切り離された切断痕２８が基部２５から離れた支持腕部２７の支持部位である端子電極部３０の設定範囲内に残るだけである。このような支持腕部２７の支持部位は、保持器３１のマウント電極３２との導通を図るために設けられるものであるので、チッピングやクラック等が生じたり、変形したりした場合であっても、振動特性に大きな影響を及ぼすことがない。さらに、前記支持部位の中でも切断痕２８を避けた部分を介して前記マウント電極３２に載置して導通させることによって、より信頼性を向上させることができる。一方、精密な加工精度を要する振動腕部２６や基部２５からなる振動本体部２２ａはエッチング等によって精密加工した状態を保持することができる。このように、前記フレーム２３ａからの切り離し部分となる切取枝部２４を支持腕部２７のうちの前記振動本体部から最も離れた先端近傍に設けることで、切断精度に関係なく、品質の安定した水晶振動子４０を大量に生産することが可能となる。

前記形状の水晶振動体２２では、前記支持腕部２７が基部２５から振動腕部２６の外側の沿って左右対称となっていることと、端子電極部３０の位置が振動腕部２６の中央付近に形成されているため、バランスよくマウント電極３２に支持することができる。

上記実施形態では水晶振動体２２を支持腕部２７の先端部で切り離すように構成されているが、図５に示す水晶ウェハ２０のように、前記支持腕部２７の外側面から延びる切取枝部２４を介してフレーム２３ａに繋がるようにしてもよい。この場合、前記切取枝部２４の設けられる位置は、切断時に生じるチッピングやクラック等の欠損が生じても振動姿態の変形や励振電極の導通不良等への影響が少ないように、前記振動本体部２２ａから離れている端子電極部３０となる範囲内に設定することが必要である。

図６〜図９に他の形態による水晶振動体を製造するための水晶ウェハの構成例を示す。図６に示す水晶ウェハ４１に形成される水晶振動体４２は、一対の振動腕部４６と、この振動腕部４６の基端部を繋ぐ基部４５と、この基部４５から前記一対の振動腕部４６の間を通る一本の支持腕部４７とで一体的に形成されている。前記支持腕部４７の先端には極性の異なる二極の端子電極部５０が形成され、図示しない保持器内に形成されるマウント電極と電気的に接合されると共に、この端子電極部５０によって水晶振動体４２全体を浮かせた状態で実装される。この水晶振動体４２は、一本の支持腕部４７によって水晶振動体４２を支持する構造となっているため、幅方向のサイズを縮小することが可能となる。このような構造の水晶振動体４２にあっては、切断用の切取枝部４４をフレーム４３ａの一端と前記支持腕部４７の先端部との間に設けることで、分離した際の振動姿態の変形や振動特性に及ぼす影響を大幅に低減させることができる。

図７に示す水晶ウェハ５１に形成される水晶振動体５２は、一対の振動腕部５６と、この振動腕部５６の基端部を繋ぐ基部５５と、この基部５５から前記一対の振動腕部５６に対して直交する方向に開いて延びる一対の支持腕部５７とで一体に形成されている。この実施形態の水晶振動体５２は、従来の音叉型の圧電片と同様に実装基板に対して片持ち支持する構造となっているが、振動腕部５６が延びる方向に対して直交する方向に支持腕部５７が延び、その先端部が端子電極部６０となっている。このため、振動腕部５６の機械的振動が直接実装基板に漏れるのを低減させる効果が得られると共に、小型化も図ることができる。このような構造の水晶振動体５２にあっては、切断用の切取枝部５４をフレーム５３ａの一端と前記支持腕部５７の先端部との間に設けることで、分離した際の振動姿態の変形や振動特性に及ぼす影響を大幅に低減させることができる。

図８に示す水晶ウェハ６１に形成される水晶振動体６２は、一対の振動腕部６６と、この振動腕部６６の基端部を繋ぐ基部６５と、この基部６５から前記一対の振動腕部６６と反対方向に延びる一対の支持腕部６７とで一体に形成されている。そして、前記一対の支持腕部６７の先端に設けられる端子電極部７０を介して図示しない基板に設けられるマウント電極に接続される。このような構造の水晶振動体６２にあっては、支持腕部６７が振動腕部６６と略同じ幅で形成されて延びている分、振動腕部６６から発する機械的振動の漏れを低減する効果が得られる。この実施形態における水晶振動体６２は、振動腕部６６の腕長及び腕幅の縮小率を調整することによって、特に振動腕部６６の幅方向を中心とした小型化を図ることができる。このような構造の水晶振動体６２にあっては、切断用の切取枝部６４をフレーム６３ａの一端と前記支持腕部６７の先端部との間に設けることで、分離した際の振動姿態の変形や振動特性に及ぼす影響を大幅に低減させることができる。

また、図６に示した水晶ウェハ４１の変形例として、図９に示すような形状の水晶ウェハ７１から水晶振動体７２を製造することもできる。この水晶振動体７２は、一対の振動腕部７６と、この振動腕部７６の基端部を繋ぐ基部７５と、この基部７５から前記一対の振動腕部７６のいずれか一方に沿って延びる一本の支持腕部７７とで一体的に形成されている。端子電極部８０は、前記基部７５の下端と支持腕部７７の先端部に形成され、この支持腕部７７の先端部から延びる切取枝部７４によって、フレーム７３ａの一端に接続されている。このように、振動腕部７６や基部７５から離れた支持腕部７７の先端部分にフレーム７３ａから切り離すための切取枝部７４が設けられているため、切り離しによるチッピングやクラックが生じたとしても振動姿態の変形や振動特性の低下を引き起こすおそれがない。

上記いずれの実施形態の水晶振動子における支持腕部は、その長さを振動腕部の約半分、幅を振動腕部と同じか、それより太く形成した場合に振動腕部から発せられる機械的な振動漏れを抑えることができると共に、等価直列抵抗値も最小限に抑えることが可能である。

なお、上記実施形態では、振動本体部が音叉型の水晶振動子を対象としたが、ラーメモード水晶振動子やその他の輪郭振動子のように、振動本体部と上記実施形態と同様な支持腕部を備えた水晶振動子にも応用可能である。この場合も、水晶ウェハのフレームから水晶振動子を切り離すための分離部位は支持腕部に設けられ、特に前記支持腕部のうち、保持器と接続される部分かそれよりも振動本体部から最も離れた支持部位に設定されるのが望ましい。

本発明の第１実施形態の水晶振動体を形成するための水晶ウェハの平面図である。 上記水晶振動体が分離された水晶ウェハの平面図である。 上記水晶振動体が保持器に収容された水晶振動子の平面図である。 前記水晶振動子の断面図である。 切断部位の異なる第２実施形態の水晶振動体の平面図である。 第３実施形態の水晶振動体の形状を示す平面図である。 第４実施形態の水晶振動体の形状を示す平面図である。 第５実施形態の水晶振動体の形状を示す平面図である。 第６実施形態の水晶振動体の形状を示す平面図である。 従来の水晶振動体を形成するための水晶ウェハの平面図である。 上記水晶振動体が分離された状態の水晶ウェハの平面図である。 上記水晶振動体子が実装された水晶振動子の平面図である。

符号の説明

２１ 水晶ウェハ
２２ 水晶振動体
２２ａ 振動本体部
２３ａ フレーム
２３ｂ 加工領域
２４ 切取枝部
２５ 基部
２６ 振動腕部
２７ 支持腕部
２８ 切断痕
２９ 屈曲部
３０ 端子電極部
３１ 保持器
３２ マウント電極
３３ 導電性接着剤
３４ 蓋体
４０ 水晶振動子

Claims (5)

1. 基部及びこの基部から延びる振動腕部からなる振動本体部と、該振動本体部を支える一以上の支持腕部とを備え、
   前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、
   該支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位に切断痕を残してなることを特徴とする水晶振動体。
2. 前記切断痕は、水晶ウェハのフレームに繋がる分離部位の切断によって生じる請求項１記載の水晶振動体。
3. 基部及びこの基部から延びる振動腕部からなる振動本体部と、該振動本体部を支える一以上の支持腕部とを備え、
   前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、
   該支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位に切断痕を残してなる水晶振動体が、前記支持部位の切断痕を避けた部分を介して保持器内に固定されてなることを特徴とする水晶振動子。
4. 振動本体部及びこの振動本体部を支えるための支持腕部を有する水晶振動体と、該水晶振動体を切り離し可能に接続されるフレームとからなる水晶ウェハにおいて、
   前記支持腕部は、前記基部から振動腕部に沿って平行に延び、
   前記支持腕部の前記振動本体部から離れた支持部位が前記フレームに切断可能な分離部位を介して接続されてなることを特徴とする水晶ウェハ。
5. 前記水晶振動体が前記フレームに複数連結されてなる請求項４記載の水晶ウェハ。

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