JP6007810B2 - 音叉型水晶振動子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の振動アーム部を有する音叉型水晶振動子に関し、特に、振動アーム部に複数の貫通孔が設けられている音叉型水晶振動子及びその製造方法に関する。

従来、発振子等に音叉型水晶振動子が用いられている。下記の特許文献１には、図１６に平面図で示す音叉型水晶振動子１００１が開示されている。

音叉型水晶振動子１００１は、基部１００２と、基部１００２に第１の端部が連結されている振動アーム部１００３，１００４とを有する。基部１００２及び振動アーム部１００３，１００４は水晶基板を加工することにより設けられている。振動アーム部１００３には、その長さ方向に延びる複数の貫通孔１００５が設けられている。

図１７は、図１６のＢ−Ｂ線での断面図である。振動アーム部１００３における貫通孔１００５の両側の振動アーム部分に印加される電界の方向は、図示の矢印で示す方向であり、水晶基板の結晶軸と図１７に示すような関係にある。また、この振動アーム部分においては、貫通孔１００５に臨む側面に第１の振動電極１００６が設けられており、外側の側面に第２の振動電極１００７が設けられている。第１，第２の振動電極１００６，１００７から交番電界を印加することにより、振動アーム部１００３における貫通孔１００５の両側の振動アーム部分が逆位相で伸縮する。従って、振動アーム部１００３は屈曲モードで振動する。振動アーム部１００４も同様である。

特許文献１に記載の音叉型水晶振動子１００１では、上記貫通孔１００５が設けられている領域において、複数本のサイドバー１００８が設けられている。

特許第３９００５１３号公報

上記音叉型水晶振動子１００１では、振動アーム部１００３，１００４における貫通孔１００５の両側の振動アーム部分同士が逆位相で伸縮し、振動アーム部１００３，１００４が屈曲モードで振動する。そして、振動アーム部１００３，１００４では、サイドバー１００８が設けられていることにより、貫通孔１００５が設けられていることにより低下した機械的強度が補強されている。

しかしながら、特許文献１に記載の音叉型水晶振動子１００１では、屈曲モードの振動が崩れ、良好な振動特性を得ることができないことがあった。

本発明の目的は、振動アーム部に複数の貫通孔が設けられている音叉型水晶振動子であって、より一層良好な振動特性を得ることができる音叉型水晶振動子を提供することにある。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子は、水晶からなる音叉型振動片と、励振電極とを備える。音叉型振動片は、基部と、複数の振動アーム部とを有する。複数の振動アーム部は、それぞれ、第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有する。第１の端部が基部に連ねられている。励振電極は、複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている。振動アーム部における第１の端部と第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、第１の方向と直交する振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、第１及び第２の方向と直交する振動アーム部の厚み方向を第３の方向とする。振動アーム部には、第１の方向に沿って配置されている複数の貫通孔が設けられている。複数の貫通孔は、第３の方向に振動アーム部を貫通している。励振電極は、複数の貫通孔の第２の方向において対向し合っている内側面に少なくとも設けられている。

本願の第１及び第２の発明に係る音叉型水晶振動子では、上記貫通孔において第１の主面側の開口部と、第２の主面側の開口部とが第１の方向にずらされて設けられている。

本願の第１の発明に係る音叉型水晶振動子では、（振動アーム部の第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積）／（振動アーム部の第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積）で表される有効励振電極比率が第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも大きくなるように、第１の主面側の開口部と第２の主面側の開口部とが第１の方向にずらされて設けられている。

本願の第２の発明に係る音叉型水晶振動子では、上記有効励振電極比率が０．７７以上となるように、貫通孔において第１の主面側の開口部と第２の主面側の開口部とが第１の方向でずらされて設けられている。

本願の第３の発明に係る音叉型水晶振動子では、貫通孔の第２の方向と直交する断面の形状が略平行四辺形である。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子のある特定の局面では、貫通孔の第２の方向と直交する断面において、貫通孔の第１の方向において向かい合う内側面が振動アーム部の第１の主面及び第２の主面となす角度が鋭角である。この場合には、ウェットエッチングにより貫通孔を容易に形成することができる。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子の他の特定の局面では、貫通孔の第１の方向と直交する断面において、貫通孔の第２の方向において向かい合う内側面が振動アーム部の第１の主面及び第２の主面となす角度が鋭角である。この場合には、ウェットエッチングにより各貫通孔を容易に形成することができる。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子のさらに他の特定の局面では、複数の貫通孔が、振動アーム部の第１の端部側に寄せられて設けられている。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子のさらに他の特定の局面では、複数の貫通孔のうち、前記基部に最も近い貫通孔の基部側の端部が前記基部内に位置している。

本願の第１〜第３の発明に係る音叉型水晶振動子のさらに別の特定の局面では、振動アーム部の第２の端部に連ねられており、第２の方向に沿う寸法が振動アーム部の第２の方向に沿う寸法よりも大きい錘部をさらに有する。好ましくは、錘部は、貫通孔または凹部を有する。

本願の発明に係る音叉型水晶振動子の製造方法は、基部と、複数の振動アーム部とを有し、複数の振動アーム部が、それぞれ第１の端部と、第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有し、第１の端部が基部に連ねられている、水晶からなる音叉型振動片と、複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている励振電極とを備える音叉型水晶振動子の製造方法である。本発明の製造方法では、振動アーム部における第１の端部と第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、第１の方向と直交する振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、第１及び第２の方向と直交する振動アーム部の厚み方向を第３の方向とする。本願の発明に係る製造方法は、下記の各工程を備える。

基部及び複数の振動アーム部を有する音叉型振動片を形成する工程。

音叉型振動片の形成後に、または音叉型振動片の形成に先立ち、振動アーム部の第１の主面及び第２の主面からエッチングし、第１の方向に沿って配置されており、第３の方向に振動アーム部を貫通している複数の貫通孔を形成する工程。

振動アーム部に励振電極を形成する工程。

本願の発明に係る製造方法では、エッチングによる貫通孔の形成に際し、上記有効励振電極比率が、第１の方向においてずらしていない場合よりも大きくなるように、第１の主面側におけるエッチング位置と、第２の主面側におけるエッチング位置とを第１の方向においてずらす。

本願の発明に係る製造方法では、好ましくは、上記有効励振電極比率が０．７７以上となるように、第１の主面側におけるエッチング位置と、第２の主面側におけるエッチング位置とをずらす。

本発明に係る音叉型水晶振動子では、より一層良好な振動特性を得ることができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子の略図的斜視図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部における図１（ａ）中のＢ−Ｂ線での断面の一部を示す模式的断面図であり、（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図であり、（ｄ）は、有効励振電極比率を説明するための模式的断面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図であり、（ｂ）は、第１の振動アーム部における桟が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の変形例に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図及び第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図及び第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。 桟の数が異なる音叉型水晶振動子における貫通孔の第１の主面側の開口部と第２の主面側の開口部とのずれ量と、振動特性を示すｋ^２Ｑとの関係を示す図である。 桟の数が異なる音叉型水晶振動子における貫通孔の第１の主面側の開口部と第２の主面側の開口部とのずれ量と、共振抵抗ＣＩとの関係を示す図である。 図５及び図６に示したずれ量を説明するための模式図であり、第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。 図５及び図６におけるずれ量が＋０．０２ｍｍである場合の、第１の振動アーム部における貫通孔が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。 有効励振電極比率と振動特性を表すｋ^２Ｑとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る音叉型水晶振動子の模式的平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る音叉型水晶振動子において、基部に最も近い貫通孔の基部側の端部と、基部の貫通孔側端部との間の距離Ｄと振動特性を表すｋ^２Ｑとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る音叉型水晶振動子において、基部に最も近い貫通孔の基部側の端部と、基部の貫通孔側端部との間の距離Ｄと共振抵抗ＣＩとの関係を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る音叉型水晶振動子の略図的斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る音叉型水晶振動子の略図的斜視図である。 貫通孔が設けられた錘部を有する実施形態と、貫通孔が設けられていない錘部を有する参考例とにおいて、エッチングによる加工寸法ずれと共振周波数の変動量との関係を示す図である。 従来の音叉型水晶振動子の平面図である。 図１６のＢ−Ｂ線での断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子を示す略図的斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子１は、水晶からなる音叉型振動片２と、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して後述する励振電極５，６とを有する。図１（ａ）では、励振電極５，６の図示は省略されている。すなわち、図１（ａ）では、音叉型水晶振動子１の音叉型振動片２が斜視図で示されている。

音叉型振動片２は、Ｚカットの水晶からなる。本実施形態では、音叉型振動片２は、基部３と、第１，第２の振動アーム部１１，１２と、第１，第２の支持アーム２１，２２とを有する。基部３は、音叉型水晶振動子１を外部に連結する部分である。基部３に、第１，第２の振動アーム部１１，１２と、第１，第２の支持アーム２１，２２とが連ねられている。 第１，第２の振動アーム部１１，１２は、長さ方向を有し、間隔を隔てて並設されている。第１，第２の振動アーム部１１，１２は、それぞれ、基部３に連ねられている第１の端部と、反対側の端部であって自由端である第２の端部とを有する。第１，第２の振動アーム部１１，１２における第１の端部と第２の端部とを結ぶ長さ方向を、第１の方向とする。また、第１の方向と直交する第１，第２の振動アーム部１１，１２の幅方向を、第２の方向とする。さらに、第１，第２の方向と直交する第１，第２の振動アーム部１１，１２の厚み方向を、第３の方向とする。なお、第１の方向は、音叉型振動片２を構成する水晶のＹ軸方向である。第２の方向は、音叉型振動片２を構成する水晶のＸ軸方向である。第３の方向は、音叉型振動片２を構成する水晶のＺ軸方向である。

第１の振動アーム部１１と第２の振動アーム部１２とは同様に構成されているため、以下では第１の振動アーム部１１を用いて説明する。

図１（ｂ）は、第１の振動アーム部１１における図１（ａ）中のＢ−Ｂ線での断面すなわち第２の方向と直交する断面の一部を示す模式的断面図である。図１（ｃ）は、第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。図１（ｃ）では、励振電極５，６の図示は省略されている。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、第１の振動アーム部１１は、第３の方向において対向し合う第１の主面１１ａと、第２の主面１１ｂとを有する。

第１の振動アーム部１１には、第１の方向に沿って複数の貫通孔１３が設けられている。貫通孔１３は、第１の振動アーム部１１を第３の方向に、すなわち厚み方向に貫通している。隣り合う貫通孔１３，１３間は、第２の方向に延びる桟１４により区画されている。

図１（ｂ），（ｃ）に示すように、複数の貫通孔１３は、それぞれ、第２の方向において対向し合っている第１，第２の内側面１３ａ，１３ｂと、第１の方向において対向し合っている第３，第４の内側面１３ｃ，１３ｄと、を有する。なお、本実施形態では、複数の貫通孔１３は、第１，第２の振動アーム部１１，１２において基部３側に寄せられて設けられている。

また、複数の貫通孔１３のうち、基部３に最も近い貫通孔１３の端部が、基部３の第１，第２の振動アーム部１１，１２側端部と一致している。

図２（ａ）は、図１（ｃ）と同様に、第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。図２（ｂ）は、第１の振動アーム部１１における桟１４が設けられている部分の第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。図２（ａ）に示すように、第１の振動アーム部１１は、第２の方向において対向し合う第１の側面１１ｃと、第２の側面１１ｄとを有する。また、図２（ａ），（ｂ）に示すように、第１の振動アーム部１１には、励振電極５，６及び接続電極７が設けられている。

図２（ａ）に示すように、励振電極５，５が、第２の方向において向かい合う貫通孔１３の第１，第２の内側面１３ａ，１３ｂのそれぞれに設けられている。また、図２（ａ），（ｂ）に示すように、励振電極６，６が、第１の側面１１ｃにおける貫通孔１３の第１の内側面１３ａと第２の方向において対向している部分と、第２の側面１１ｄにおける貫通孔１３の第２の内側面１３ｂと第２の方向において対向している部分とにそれぞれに設けられている。励振電極６，６は、第１の方向すなわち第１の振動アーム部１１の長さ方向において、第１の振動アーム部１１の複数の貫通孔１３が設けられている領域全体に至るように、第１，第２の側面１１ｃ，１１ｄにそれぞれ設けられている。励振電極６，６は、第１の振動アーム部１１の一部を介して、励振電極５，５と対向している。

励振電極５，５及び励振電極６，６は、それぞれ、第１，第２の主面１１ａ，１１ｂに至るように設けられている。

接続電極７は、図２（ｂ）に示すように、第１の振動アーム部１１において、桟１４が設けられている部分における第１，第２の主面１１ａ，１１ｂにそれぞれ設けられている。接続電極７は、励振電極５，５の第１，第２の主面１１ａ，１１ｂに設けられている部分と接続されている。すなわち、接続電極７は、励振電極５に連ねられており、第１の方向すなわち第１の振動アーム部１１の長さ方向において隣り合う励振電極５同士を電気的に接続し、第１の内側面１３ａに設けられている励振電極５と第２の内側面１３ｂに設けられている励振電極５とを電気的に接続している。

第１の振動アーム部１１においては、貫通孔１３の第２の方向両側に位置する部分に図２（ａ）の矢印で示す方向に電界が印加される。従って、励振電極５と励振電極６との間に交番電圧を印加することにより、第１の振動アーム部１１は屈曲モードで振動する。なお、第２の振動アーム部１２には、第１の振動アーム部１１と同様に、励振電極及び接続電極が設けられている。

励振電極５，６は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの適宜の金属もしくは合金により形成され得る。

図１（ａ）に示すように、支持アーム２１，２２は、音叉型振動片２において、第１，第２の振動アーム部１１，１２が設けられている部分の第２の方向外側に設けられており、第１，第２の振動アーム部１１，１２と平行に延びている。本実施形態では、支持アーム２１，２２を設けることにより、第１，第２の振動アーム部１１，１２の振動エネルギーを効果的に閉じ込めることができる。それによって、支持構造による損失を低減することができる。従って振動特性をより一層高めることができる。

本実施形態の音叉型水晶振動子１の特徴は、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされて設けられていることにある。言い換えれば、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とはそれぞれの第１の方向側の端部が異なる位置にあり、貫通孔１３を第３の方向から見た際に、第１の主面１１ａ側の開口部の第１の方向側の端部と第２の主面１１ｂ側の開口部の第１の方向側の端部とが重なり合わないように設けられている。より具体的には、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とは、第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも、第１，第２の振動アーム部１１，１２の第２の方向と直交する断面における有効励振電極比率が大きくなるようにずらされて設けられている。ここで、有効励振電極比率とは、（振動アーム部の第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積）／（振動アーム部の第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積）で表される。

有効励振電極比率について図１（ｄ）を参照して具体的に説明する。図１（ｄ）は、第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第２の方向と直交する断面の一部を示す模式的断面図である。ここでは、図１（ａ）とは異なり、第１の方向に３個の貫通孔１３，１３，１３が設けられており、桟１４の数が２個である場合を例に取り説明する。この場合、３個の貫通孔１３，１３，１３の第１，第２の内側面１３ｃ，１３ｄに励振電極５，５，５が設けられる。図１（ｄ）では、一方の内側面に設けられた励振電極５，５，５が示されている。励振電極５，５，５の面積の合計が、第１の振動アーム部１１の第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積である。

他方、第１の振動アーム部１１の第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積とは、図１（ｄ）に破線Ｍで囲まれた領域の面積である。すなわち、全ての貫通孔１３，１３，１３が設けられている領域であって、該領域内に含まれている桟１４，１４の面積を合計した面積である。言い換えれば、第１の振動アーム部１１における第１の方向に沿って複数の貫通孔１３が配置されている領域において、第１の方向一端側の端部と他方側の端部とを結ぶ第１の方向に沿う線分と、第１の振動アーム部１１の厚み方向の寸法との積が、第１の振動アーム部１１の第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔１３が設けられている領域の面積となる。

本実施形態では、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側開口部と第２の主面１１ｂ側開口部とが、第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも、有効励振電極比率が大きくなるように、第１の方向にずらされて設けられている。好ましくは、有効励振電極比率が後述するように０．８以上となるように、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされて設けられている。そのため、振動特性を確実に向上し得る。これを、以下において詳述する。

図１（ｃ）に示すように、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とは、第２の方向においてずらされずに設けられている。言い換えれば、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とはそれぞれの第２の方向側の端部が同じ位置にあり、貫通孔１３を第３の方向から見た際に、第１の主面１１ａ側の開口部の第１の方向側の端部と第２の主面１１ｂ側の開口部の第２の方向側の端部とが重なり合うように設けられている。

上記貫通孔１３は、水晶基板にエッチングを施すことにより形成することができる。このエッチングは、第１の主面１１ａ側及び第２の主面１１ｂ側から同時に行う。この場合、第１の主面１１ａ側に配置されるマスクの開口部と、第２の主面１１ｂ側に配置されるマスクの開口部とを、第１の方向においてずらす。その状態で第１の主面１１ａ側及び第２の主面１１ｂ側からエッチングを行う。

例えば、図１（ｂ）に示す貫通孔１３を得る場合、第１の主面１１ａ側に配置されるマスクの開口部を、第２の主面１１ｂ側に配置されるマスクの開口部よりも図面上右側に、すなわち第１の振動アーム部１１の第２の端部側にずらせばよい。このようにしてエッチングを行うことにより、上記貫通孔１３を形成することができる。

なお、ウェットエッチングでは開口部からエッチングが進行する。従って、ウェットエッチングでは、上記のように第１の主面１１ａ側及び第２の主面１１ｂ側から同時にエッチングすると、貫通孔１３の第１の方向において向かい合う第３，第４の内側面１３ｃ，１３ｄが第１の主面１１ａまたは第２の主面１１ｂとなす角度θ１，θ２は鋭角となる。よって、このような開口部は、上記ウェットエッチングにより容易に形成することができる。

従って、本実施形態の音叉型水晶振動子１では、上記貫通孔１３を容易に形成することができる。

なお、上記ウェットエッチングを施した場合、図１（ｂ）に示すように、貫通孔１３の第３の内側面１３ｃは、第１の主面１１ａとθ１の角度をなす内側面部分１３ｃ１と、第２の主面１１ｂ側に位置しており、第２の主面１１ｂとθ２の角度をなす内側面部分１３ｃ２とを有する。他方、第４の内側面１３ｄは、第１の主面１１ａとθ２をなす内側面部分１３ｄ１と、第２の主面１１ｂ側に位置しており、第２の主面１１ｂとθ１の角度をなしている内側面部分１３ｄ２とを有する。図１（ｂ）から明らかなように、第３の内側面１３ｃでは、内側面部分１３ｃ２が大半を占め、第４の内側面１３ｄでは、内側面部分１３ｄ１が大半を占める。そして、図１（ｂ）に示す断面において、内側面部分１３ｃ２と内側面部分１３ｄ１とが略平行である。従って、貫通孔１３の第２の方向と直交する断面は、略平行四辺形となっている。これは、上述したように貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部と、第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされて設けられていることによる。

他方、図１（ｃ）に示すように、貫通孔１３の第１の方向と直交する断面においては、第１の内側面１３ａが第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂとなす角度θ３は９０°となっている。また、第２の内側面１３ｂが第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂとなす角度はθ４となっている。この角度θ４は鋭角である。

もっとも、角度θ３も鋭角となるように貫通孔１３を形成してもよい。すなわち、第１，第２の内側面１３ａ，１３ｂが第１の主面１１ａ及び第２の主面１１ｂとなす部分の少なくとも一方が鋭角とされておれば、上記ウェットエッチングにより貫通孔１３を容易に形成することができる。従って、生産性を高めることができる。

本実施形態では、図１（ｂ）に示したように、内側面部分１３ｃ２及び内側面部分１３ｄ１が、第３及び第４の内側面１３ｃ，１３ｄの大部分を占めていた。これに対して、図３（ａ）及び（ｂ）に示す変形例のように、内側面部分１３ｃ１及び内側面部分１３ｄ２が第３及び第４の内側面１３ｃ，１３ｄの大部分を占めるように貫通孔１３を形成してもよい。図３（ａ）及び（ｂ）に示す貫通孔１３を形成するには、上記とは逆に、第１の主面１１ａ側に配置されるマスクの開口部を、第２の主面１１ｂ側に配置されるマスクの開口部よりも図面上左側に、すなわち基部３側にずらせばよい。

ここで、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされずに設けられている点のみが本実施形態の音叉型水晶振動子１と異なる、比較例に係る音叉型水晶振動子を用意する。図４（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係る音叉型水晶振動子を構成する第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図及び第１の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。もっとも、比較例に係る音叉型水晶振動子では、第１の主面１１ａ側及び第２の主面１１ｂ側からウェットエッチングを行うことにより、貫通孔１３が形成されているため、貫通孔１３の第３及び第４の内側面１３ｃ，１３ｄが第１，第２の主面１１ａ，１１ｂとなす角度は、図４に示すθ１またはθ２とされている。

図５は、上記第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部の間のずれ量と、振動特性を表すｋ^２Ｑとの関係を示す図である。また、図６は、上記ずれ量と、共振抵抗ＣＩとの関係を示す図である。図５及び図６においては、上記桟１４の数が４個、５個または６個の場合の結果を示す。すなわち、貫通孔１３の数が、５個、６個または７個の場合の音叉型水晶振動子１の結果を示す。

図７は、上記貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とのずれ量を説明するための、第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。図７に示すように、貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部との第１の方向における距離、すなわち、貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部の基部側端部と、第２の主面１１ｂ側の基部側端部との間の距離を、上記ずれ量ｘとする。

図５及び図６において、ずれ量が０．００ｍｍのときが、比較例に係る音叉型水晶振動子のｋ^２Ｑ又はＣＩを示している。ずれ量が正の値である場合とは、図１（ｂ）に示すように、貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部が第２の主面１１ｂ側の開口部よりも第１の振動アーム部１１の第２の端部側に位置している場合を示す。また、ずれ量が負の値である場合とは、図３（ａ）に示すように、貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部が第２の主面１１ｂ側の開口部よりも第１の振動アーム部１１の第１の端部すなわち基部３側に位置している場合を示す。

図５及び図６から明らかなように、桟の数が４個、５個または６個のいずれの場合においても、貫通孔１３の第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とがずらされて設けられていることにより、振動特性及び共振抵抗が変化することがわかる。

図５から明らかなように、ずれ量が＋０．０５ｍｍ以上である場合又は負の値である場合には、ずれ量が０．００ｍｍである場合よりもｋ^２Ｑが高くなることがわかる。また、図６から明らかなように、ずれ量が負の値である場合には、ずれ量が０．００ｍｍである場合よりもＣＩが低くなり、小型化を図り得ることがわかる。

なお、図８は、ずれ量が＋０．０２ｍｍである場合の第１の振動アーム部１１における貫通孔１３が設けられている部分の第２の方向と直交する断面を示す模式的断面図である。図５及び図６から明らかなように、ずれ量が＋０．０２ｍｍである場合には、ずれ量が０．００ｍｍである場合よりもｋ^２Ｑが低くなり、ＣＩが高くなる。

図５及び図６から明らかなように、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされて設けられていることにより、振動特性を高め、共振抵抗を低め得ることがわかる。

図９は、前述した有効励振電極比率と振動特性ｋ^２Ｑとの関係を示す図である。図９から明らかなように、有効励振電極比率が０．４〜０．９７までの間、有効励振電極比率が大きくなるにつれ振動特性を表すｋ^２Ｑが高くなっていき、有効励振電極比率が０．９７を超えると、振動特性を示すｋ^２Ｑが急速に小さくなることがわかる。そして、従って、振動特性を高めるには、有効励振電極比率を０．９７以下の範囲で大きくすることが望ましいことがわかる。

よって、上記実施形態の音叉型水晶振動子１では、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが、第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも、上記有効励振電極比率が大きくなるようにずらされて設けられていればよいことがわかる。それによって、振動特性を確実に高め得ることがわかる。

より好ましくは、上記有効励振電極比率が０．７７以上、０．９７以下とすれば、振動特性を効果的に高め得ることがわかる。従って、有効励振電極比率が０．７７以上となるように、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが、第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも、上記有効励振電極比率が大きくなるように第１の方向にずらされて設けられていることが望ましい。このような場合、前述したウェットエッチングにより貫通孔１３を形成すると、図１（ｂ）及び図３（ａ）に示したように、貫通孔１３の第２の方向と直交する断面は、略平行四辺形の形状となる。従って、貫通孔１３の第２の方向と直交する断面が略平行四辺形の形状となるように貫通孔１３を形成すれば、上記のように、振動特性を効果的に高めることができる。

上記のように、本実施形態の音叉型水晶振動子１では、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが第１の方向においてずらされて設けられており、貫通孔１３の第２の方向と直交する断面の形状が略平行四辺形とされている。それによって、振動特性を確実に高めることが可能となる。加えて、貫通孔１３が設けられている音叉型水晶振動子１では、従来の貫通孔を有する音叉型水晶振動子と同様に、共振周波数を低め、小型化を図ることができる。特に、上記実施形態では、貫通孔１３を上記のように形成することにより、共振抵抗ＣＩを低め、小型化をより一層進めることが可能となる。

本実施形態の音叉型水晶振動子１の製造に際しては、上記基部３及び第１，第２の振動アーム部１１，１２を有する音叉型振動片２を形成する。音叉型振動片２の形成後に、第１，第２の振動アーム部１１，１２をエッチングし、上記複数の貫通孔１３を形成する。このエッチングは、音叉型振動片２の形成に先立ち水晶基板段階で行ってもよい。

上記エッチングに際しては、前述したように、第１の主面１１ａ，１２ａ側におけるエッチング位置と、第２の主面１１ｂ，１２ｂ側におけるエッチング位置とを第１の方向においてずらすことにより、貫通孔１３において第１の主面１１ａ側の開口部と第２の主面１１ｂ側の開口部とが、第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも、第１，第２の振動アーム部１１，１２の第２の方向と直交する断面における有効励振電極比率が大きくなるように、ずらされて設けられる。すなわち、貫通孔１３を形成する際のマスクの開口部の位置を前述したようにずらすことにより、第１の主面１１ａ，１２ａ側におけるエッチング位置と、第２の主面１１ｂ，１２ｂ側におけるエッチング位置を第１の方向においてずらすことができる。

しかる後、第１，第２の振動アーム部１１，１２に、薄膜形成法等により励振電極を形成する。このようにして、本発明の音叉型水晶振動子１を得ることができる。

上記有効励振電極比率が０．７７以上となるように、第１の主面側におけるエッチング位置と、第２の主面側におけるエッチング位置をずらすことがより一層好ましい。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る音叉型水晶振動子の模式的平面図である。第２の実施形態の音叉型水晶振動子では、第１，第２の振動アーム部１１，１２に設けられている複数の貫通孔１３のうち、基部３に最も近い貫通孔１３の基部３側の端部が、基部３の第１，第２の振動アーム部１１，１２側端部から距離Ｄ離れた位置にある。すなわち、複数の貫通孔１３が第１の振動アーム部１１に設けられており、基部３に最も近い貫通孔１３の基部３側の端部と、基部３の第１，第２の振動アーム部１１，１２側端部、すなわち、貫通孔１３側端部との間の距離Ｄが０よりも大きくされている。第１の実施形態では、この距離Ｄは０とされている。

図１１は、本実施形態に係る音叉型水晶振動子において、距離Ｄと振動特性を表すｋ^２Ｑとの関係を示す図である。図１２は、本実施形態に係る音叉型水晶振動子において、距離Ｄと共振抵抗ＣＩとの関係を示す図である。図１１及び図１２のいずれにおいても、桟１４の数が４個、５個または６個の場合の結果を示した。すなわち、貫通孔１３の数が、５個、６個または７個の場合の結果を示す。

距離Ｄが正の値である場合とは、図１０に示すように、第１，第２の振動アーム部１１，１２に設けられている複数の貫通孔１３のうち、基部３に最も近い貫通孔１３の基部３側の端部が、基部３の第１，第２の振動アーム部１１，１２側端部から離れた位置にある場合を示す。距離Ｄが負の値である場合とは、第１，第２の振動アーム部１１，１２に設けられている複数の貫通孔１３のうち、基部３に最も近い貫通孔１３の基部３側の端部が、基部３内に位置している場合を示す。

図１１及び図１２から明らかなように、桟の数が４個、５個または６個のいずれの場合においても、複数の貫通孔１３のうち、基部３に最も近い貫通孔１３の基部３側の端部と、基部３の第１，第２の振動アーム部１１，１２側端部とが第１の方向において異なる位置にある、すなわち、距離Ｄが０以外であるようにすることにより、振動特性及び共振抵抗が変化することがわかる。

図１１から明らかなように、距離Ｄが所望の負の値である場合には、ｋ^２Ｑが高くなることがわかる。図１２から明らかなように、距離Ｄが負の値である場合には、距離Ｄが０又は正の値である場合よりもＣＩが低くなり、小型化を図り得ることがわかる。図１３は、本発明の第３の実施形態に係る音叉型水晶振動子の略図的斜視図である。本実施形態に係る音叉型水晶振動子は、錘部３１，３２を備えている点と、第１，第２の支持アームを備えていない点とが、第１の実施形態に係る音叉型水晶振動子１と異なる。具体的には、本実施形態では、音叉型振動片２において、第１，第２の振動アーム部１１，１２の先端すなわち第２の端部側にそれぞれ錘部３１，３２が連ねられている。

錘部３１，３２の幅方向は、第１，第２の振動アーム部１１，１２の幅方向と同じ方向とされており、錘部３１，３２の幅方向の寸法は、第１，第２の振動アーム部１１，１２の幅方向の寸法よりも長くされている。錘部３１，３２は、特に限定されるわけではないが、上記水晶からなり、第１，第２の振動アーム部１１，１２と一体に形成されていることが望ましい。錘部３１，３２を設けたことにより、共振周波数を低下させることができる。それによって音叉型水晶振動子を小型化することができる。

図１４は、本発明の第４の実施形態に係る音叉型水晶振動子の略図的斜視図である。本実施形態に係る音叉型水晶振動子は、第３の実施形態に係る音叉型水晶振動子の構成に加えて、錘部３１，３２にそれぞれ複数の貫通孔３１ａ，３２ａが設けられている。貫通孔３１ａ，３２ａが設けられていることにより、エッチングによる加工ばらつきによる共振周波数の変動を抑制することができる。

図１５は、錘部３１，３２に貫通孔３１ａ，３２ａが設けられている本実施形態と、錘部に貫通孔が設けられていない参考例において、エッチングによる加工寸法ずれと共振周波数の変動量との関係を示す図である。ここで、横軸の加工寸法ずれとは、目標とする寸法からのずれ量である。図１５に示すように、錘部に貫通孔が設けられていない参考例の場合には、エッチングによる加工寸法ずれに伴い、共振周波数が大きく変動していることがわかる。

一方、図１５に示すように、エッチングによる加工寸法ずれが変動した場合であっても、本実施形態によれば、共振周波数の変動を抑制することができる。この理由は、以下の通りである。エッチング量が多過ぎると、第１，第２の振動アーム部１１，１２の幅方向の寸法が小さくなる。そのため共振周波数が低くなるように作用する。この場合、錘部３１，３２に設けられた貫通孔３１ａ，３２ａの寸法は大きくなり、錘部３１，３２による質量付加効果が小さくなり、共振周波数が高くなるように作用する。従って、共振周波数の変動を抑制することができる。逆にエッチング量が少ない場合には、この逆の現象が生じ、その場合においても共振周波数の変動を抑制することができる。

すなわち、加工量の増減による共振周波数の変動を、上記貫通孔３１ａ，３２ａを設けることにより抑制させることができる。上記のように、エッチング量の変化による第１，第２の振動アーム部１１，１２の幅方向の寸法の変化に基づく共振周波数の変動方向と、エッチング量の変化による錘部３１，３２に基づく質量付加効果による共振周波数の変化方向とは逆方向となる。従って、エッチング量のばらつきすなわち加工ばらつきによる外形寸法のずれによる共振周波数の変動を抑制することができる。

なお、本実施形態では錘部３１，３２に貫通孔３１ａ，３２ａを設けたが、貫通孔３１ａ，３２ａに代えて、錘部３１，３２の上面及び／または下面に凹部を設けてもよい。

１…音叉型水晶振動子
２…音叉型振動片
３…基部
５，６…第１，第２の励振電極
７…接続電極
１１…第１の振動アーム部
１２…第２の振動アーム部
１１ａ，１２ａ…第１の主面
１１ｂ，１２ｂ…第２の主面
１１ｃ，１１ｄ…第１，第２の側面
１３…貫通孔
１３ａ〜１３ｄ…第１〜第４の内側面
１３ｃ１，１３ｃ２，１３ｄ１，１３ｄ２…内側面部分
１４…桟
２１，２２…支持アーム
３１，３２…錘部
３１ａ，３２ａ…貫通孔

Claims (11)

1. 基部と、複数の振動アーム部とを有し、水晶からなる音叉型振動片と、
   前記複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている励振電極とを備え、
   前記複数の振動アーム部が、それぞれ、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有し、前記第１の端部が前記基部に連ねられており、
   前記振動アーム部における前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する前記振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、前記第１及び第２の方向と直交する前記振動アーム部の前記厚み方向を第３の方向としたときに、前記振動アーム部に、前記第１の方向に沿って配置されており、前記第３の方向に振動アーム部を貫通している複数の貫通孔が設けられており、前記励振電極が、前記複数の貫通孔の前記第２の方向において対向し合っている内側面に少なくとも設けられており、
   前記貫通孔において前記第１の主面側の開口部と前記第２の主面側の開口部とが、（前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積）／（前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積）で表される有効励振電極比率が前記第１の方向においてずらされずに設けられている場合よりも大きくなるように、前記第１の方向にずらされて設けられている、音叉型水晶振動子。
2. 基部と、複数の振動アーム部とを有し、水晶からなる音叉型振動片と、
   前記複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている励振電極とを備え、
   前記複数の振動アーム部が、それぞれ、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有し、前記第１の端部が前記基部に連ねられており、
   前記振動アーム部における前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する前記振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、前記第１及び第２の方向と直交する前記振動アーム部の前記厚み方向を第３の方向としたときに、前記振動アーム部に、前記第１の方向に沿って配置されており、前記第３の方向に振動アーム部を貫通している複数の貫通孔が設けられており、前記励振電極が、前記複数の貫通孔の前記第２の方向において対向し合っている内側面に少なくとも設けられており、
   （前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積）／（前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積）で表される有効励振電極比率が０．７７以上となるように、前記貫通孔において前記第１の主面側の開口部と前記第２の主面側の開口部とが前記第１の方向にずらされて設けられている、音叉型水晶振動子。
3. 基部と、複数の振動アーム部とを有し、水晶からなる音叉型振動片と、
   前記複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている励振電極とを備え、
   前記複数の振動アーム部が、それぞれ、第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有し、前記第１の端部が前記基部に連ねられており、
   前記振動アーム部における前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する前記振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、前記第１及び第２の方向と直交する前記振動アーム部の前記厚み方向を第３の方向としたときに、前記振動アーム部に、前記第１の方向に沿って配置されており、前記第３の方向に振動アーム部を貫通している複数の貫通孔が設けられており、前記励振電極が、前記複数の貫通孔の前記第２の方向において対向し合っている内側面に少なくとも設けられており、前記貫通孔の前記第２の方向と直交する断面の形状が略平行四辺形である、音叉型水晶振動子。
4. 前記貫通孔の前記第２の方向と直交する断面において、前記貫通孔の前記第１の方向において向かい合う内側面が前記振動アーム部の前記第１の主面及び前記第２の主面となす角度が鋭角である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子。
5. 前記貫通孔の前記第１の方向と直交する断面において、前記貫通孔の前記第２の方向において向かい合う内側面が前記振動アーム部の前記第１の主面及び第２の主面となす角度が鋭角である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子。
6. 前記複数の貫通孔が、前記振動アーム部の前記第１の端部側に寄せられて設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子。
7. 前記複数の貫通孔のうち、前記基部に最も近い貫通孔の基部側の端部が前記基部内に位置している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子。
8. 前記振動アーム部の前記第２の端部に連ねられており、前記第２の方向に沿う寸法が前記振動アーム部の第２の方向に沿う寸法よりも大きい錘部をさらに有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子。
9. 前記錘部が貫通孔または凹部を有する、請求項８に記載の音叉型水晶振動子。
10. 基部と、複数の振動アーム部とを有し、前記複数の振動アーム部が、それぞれ第１の端部と、前記第１の端部とは反対側の第２の端部と、厚み方向において対向し合う第１及び第２の主面とを有し、前記第１の端部が前記基部に連ねられている、水晶からなる音叉型振動片と、前記複数の振動アーム部にそれぞれ設けられている励振電極とを備える音叉型水晶振動子の製造方法であって、
    前記振動アーム部における前記第１の端部と前記第２の端部とを結ぶ長さ方向を第１の方向とし、前記第１の方向と直交する前記振動アーム部の幅方向を第２の方向とし、前記第１及び第２の方向と直交する前記振動アーム部の前記厚み方向を第３の方向としたときに、
    前記基部及び前記複数の振動アーム部を有する前記音叉型振動片を形成する工程と、
    前記音叉型振動片の形成後に、または音叉型振動片の形成に先立ち、前記振動アーム部の前記第１の主面及び前記第２の主面からエッチングし、前記第１の方向に沿って配置されており、前記第３の方向に振動アーム部を貫通している複数の貫通孔を形成する工程と、
    前記振動アーム部に励振電極を形成する工程とを備え、
    前記エッチングによる貫通孔の形成に際し、（前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における励振電極合計面積）／（前記振動アーム部の前記第２の方向と直交する断面における複数の貫通孔が設けられている領域の面積）で表される有効励振電極比率が、前記第１の方向においてずらしていない場合よりも大きくなるように、前記第１の主面側におけるエッチング位置と、前記第２の主面側におけるエッチング位置とを前記第１の方向においてずらす、音叉型水晶振動子の製造方法。
11. 前記有効励振電極比率が０．７７以上となるように前記第１の主面側におけるエッチング位置と、前記第２の主面側におけるエッチング位置とをずらす、請求項１０に記載の音叉型水晶振動子の製造方法。

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