JP6100582B2 - 捩り振動子 - Google Patents

Description

本発明は、時計や移動体通信機の基準信号源として用いられる水晶振動子に関する。詳しくは、捩り振動子の形状と周波数調整法に関するものである。

時計や移動体通信機の基準信号源として2本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動子が広く用いられている。このような2脚音叉振動子は2本の脚が脚の並ぶ方向すなわち面内で、互いに反対方向に屈曲振動するような振動モード（面内屈曲モード）で使用される。その共振周波数ｆは温度によって変化し、最大周波数ｆ０に対する変化の割合（ｆ−ｆ０）／ｆ０は図１６のａのような二次曲線を示す。温度に対する二次温度係数は約−３．５×１０^−２ｐｐｍ／℃^２である。水晶は三方晶系に属する異方性単結晶であり、どのような角度に音叉を切り出すかによって性質が異なってくる。従来の２脚音叉振動子では図１３のように基部１の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸（電気軸）とし、脚３の長さ方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸（機械軸）およびＺ軸（光学軸）に一致させた状態からＸ軸を回転軸として０〜５°回転した方向とすることで、温度特性の二次曲線の頂点（周波数頂点温度、ＺＴＣ）が室温付近となり、二次温度係数も最適値を得ている。

例えば、時計用途の場合、共振周波数の変化は時刻の精度に関わるため、様々な温度特性の向上が図られている。その一つに捩り振動モードの利用がある。

捩り振動子については、特開２００２−１１８４４１号公報などで提案されている。Ｘ軸を回転軸として２５°〜４５°回転した角度に切り出したＺ板水晶の捩り振動は、温度変化による周波数の変動が少なく、良好な温度特性を持つことが示されている。さらに、３脚の捩り振動子にすることで、面内振動を抑制することができるとしている。図１２は、3脚捩り振動子の切り出し角度を示した図である。図１６のｂは 捩り振動子の温度特性を示したものである。図１６のａに示した通常の屈曲モード振動子の温度特性と比べて、良好なことが分かる。

また、脚部先端に錘をつけて小型化させるという構造の捩り振動子も特許第３１３５３１７号公報などで提案されている。

また、屈曲二次振動（屈曲第１高調波、面内屈曲二次モードなどともいう）に捩り振動を結合させた結合振動子が、特開昭５８−９０８１５号公報、特開昭５９−１３５９１６号公報などで提案されている。結合振動を用いることで捩り振動単独の振動子よりもフラットで良好な温度特性を得られるとされるものである。結合振動子の場合、屈曲二次モードと捩りモードの周波数差δｆが温度特性に影響を与える。均一な性能の振動子を製造するためには、周波数調整に加えてδｆも均一になるように調整する必要がある。

結合振動子において、周波数調整やδｆ調整は振動脚先端付近に設けた金属膜などを削ることによって行う。金属膜を削ることによって屈曲二次モード、捩りモードの周波数がそれぞれ変化するが、その削り位置によって各モードへの影響度が異なる。そのため、削り位置によって周波数およびδｆの調整がそれぞれ可能である。特に、屈曲二次モードの節付近を削った場合は、捩りモードの周波数は変化するが屈曲二次モードの周波数は変化しないという性質があるため、特開昭５８−９０８１５、特開昭５９−１３５９１６では、先端部を削ることによって屈曲二次モード、つまり主振動となる周波数を調整し、屈曲二次振動の節部を削ることによって捩りモードの周波数のみ変化させてδｆの調整をしている。また、特開昭６０−１３６４０６の従来例では、屈曲モードの節部を削ることでδｆを調整し、屈曲モードと捩りモードの削りによる変化率が等しい部分（δｆの節とする）が脚上に二箇所存在し、その部分を削ることによって主振動となる周波数の調整を行うとしている。屈曲モードの節部も、δｆの節部も、節の前後で変化が逆転することから、節前後を均等に削ることによって不要な影響を受けることなく調整量を増やすことが出来る。

特開２００２−１１８４４１号公報 特許第３１３５３１７号公報 特開昭５８−９０８１５号公報 特開昭５９−１３５９１６号公報 特開昭６０−１３６４０６号公報

しかしながら、結合振動子の場合、二つのモードを積極的に結合させて利用するため、温度特性は二つのモードの周波数差δｆの影響を受けやすく、精密な調整が必要で、安定的に製造するのは難しかった。また、周波数調整と周波数差δｆの調整という二つの工程をふまなければならず、手間がかかった。

一方、結合振動子ではない捩り振動子の場合は、二つのモードを積極的に結合させていない分δｆの影響は結合振動子に比較して少ない。しかし、周波数調整のために先端の周波数調整膜を削るなどして質量を変えると温度特性が変化してしまうという問題があった。これは、結合振動子ほどは程度が大きくないが、捩り振動には屈曲二次モードがカップリングしており、先端の周波数調整部の錘を削ることによって屈曲二次モードの振動形状が変わり、それが影響して捩り振動の温度特性を変化させてしまうためである。周波数調整が温度特性のばらつく要因となっており、安定して質のよい振動子を得るには十分とはいえない。

上記課題を解決するために、本発明の目的は、温度特性が良好でかつ製造ばらつきによる特性変化が少ない捩り振動子を提供することである。

基部と、基部からの捩りモードで振動する脚部を有し、脚部長手方向で面内屈曲二次モードの節部にあたる位置に脚部より幅広の錘部を有し、該捩りモードと該面内屈曲二次モードの周波数差δｆの絶対値と、該捩りモードの周波数ｆａとの比｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しいか、またはそれより大きい捩り振動子とする。

上記構成によれば、捩りモードと面内屈曲二次モードの周波数が十分離れているので、寸法や製造時の周波数調整量によって面内屈曲二次モードの状態がばらつく程度が小さく、温度特性が安定する。更に脚部に幅広の錘部を設けてあるので、面内屈曲二次モード周波数を基本振動である捩りモード周波数から離すことができ、特に面内屈曲二次モードの節部に錘部を設けてあるので、錘部寸法のばらつきが面内屈曲二次モードの状態に影響を与えることが少ない。よって、面内屈曲二次モードが捩りモードへ影響することを最小限にとどめ、捩りモードの温度特性が安定する。

また、錘部は脚部の先端にはかからない捩り振動子とする。

上記構成によれば、錘部が脚部の先端にはかからず、屈曲二次モード節部の周囲に集中して配置されているので、より屈曲二次モードの影響を受け難く温度特性が安定化する。

また、前記錘部で捩りモードの周波数調整を行う捩り振動子とする。

上記構成によれば、屈曲二次モードの節部にある錘部で周波数調整をしてあるので、周波数調整によって屈曲二次モードの状態がばらつくのを防ぎ、温度特性が安定する。

また、前記錘部は、前記脚部の長さをＬとしたとき、脚部長手方向において、面内屈曲二次モードの節の位置を中心として、先端側および根元側へ０．０５Ｌ〜０．２Ｌの長さをもつ捩り振動子とする。

上記構成によれば、錘部が所定の長さの広がりを持つため、周波数調整量を確保できる。

また、錘部は、面内屈曲二次モードの節に近いほど幅が大きく、節から離れるほど幅が小さい捩り振動子とする。

上記構成によれば、節に近い部分の錘部の幅が大きくしてあるので、同じ量の周波数調整をする場合にも、節に近い部分を集中して削るので温度特性がさらに変化しにくい。

本発明によって、温度特性が良好でかつ製造ばらつきが少ない捩り振動子を提供することが可能となる。

本発明の捩り振動子を示す正面図である。 本発明の捩り振動子を示す正面図である。 本発明の捩り振動子を示す正面図である。 本発明の捩り振動子を示す正面図である。 本発明の捩り振動子を示す正面図である。 捩り振動子の周波数調整膜削り位置と温度特性変化を示す図である。 捩りモードと屈曲二次モードの周波数差δｆと、調整膜を除去したときのＺＴＣ変化の関係を示す図である。 本発明の電極配線を示した断面図である。 周波数調整についての説明図である。 本発明における捩り振動子のエッチング工程を示した図である。 本発明における電極形成工程を示した図である。 捩り振動子とその結晶方向を示す図である。 従来の屈曲音叉振動子を示す図である。 捩り振動モードの振動形態を示す図である。 屈曲二次振動モードの振動形態を示す図である。 音叉型振動子と捩りモードの温度特性を比較した図である。

以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

本実施例は、周波数調整をしていない場合の実施例である。図３は、本実施例の捩り振動子を正面から見た図である。

図１２は、主材が水晶である捩り振動子の水晶方位を説明する説明図である。図１４は、捩り振動の振動形態を示す図であり、図１５は、副振動である面内屈曲二次モードの振動形態を示す図である。なお、図１４、図１５では錘部は省いて描いてある。

本実施例の捩り振動子は一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる３本の脚部３で構成されている（図３）。脚部３の先端には、脚幅が広くなった錘部４が形成されている。錘部４の位置は、図１５にも示したような、振動子の固有振動モードの一つである、屈曲二次モードの振動の節の位置を含むように設計されている。屈曲二次モードの節は、脚の先端から脚長の約２０％近辺に位置しているが、これは有限要素法シミュレーションや実験などによって予め確認しておくとよい。本実施例の捩り振動子では、図３に示すように錘部４は脚部３から幅方向外側に張り出している。

振動子のサイズは、色々に設計できるが、狙い周波数が約２６２ｋＨｚである捩り振動子の一例として、脚幅Ｗ＝１６０μｍ、脚長Ｌ＝２３００ｍ、厚みｔ＝１００μｍなどである。

水晶は異方性の単結晶であり、その切り出し角によって性質が異なる。本実施例の捩り振動子は、ＺカットからＸ軸周りにθ度回転した方位の水晶ウェハから切り出したものが使用される。θは２５〜４５°の範囲にある。切り出しには、フォトリソエッチングなどの方法が利用される。

各脚部３の表面には励振電極５が形成されている。励振電極５は、脚部３の基部１側に近い側に形成されている。図８は、励振電極５が形成されている部分の断面であり、各電極のつながりを示している。一つの脚の中で対抗する面同士の電極は同極、表面と側面は異極となるようになっている。また、隣り合う脚同士は逆の極になるように配置されている。各電極は基部１において基部１に形成されている接続電極につながれている。本実施例では、各励振電極５は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚はクロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。以上の構成により、励振電極５に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚と両脇の脚は、逆の捩り方向となり、モーメントのつりあいを実現している。

捩りモードの周波数ｆａは、脚幅W、脚長L、厚みｔとすると、ｔ／Wに比例し、Lに反比例する。また、先端に錘部４を設けると、ｆａは小さくなる。また、面内屈曲二次モードの周波数ｆｂは、Ｗに比例し、ｔやＬや錘部４にはあまり影響を受けない。よって、同じｆａの振動子を得る場合、Ｗを細くし錘部４を付加した形状の振動子は、ｆaは同じままｆｂを下げることができ、両モードの周波数差δｆ（＝ｆａ−ｆｂ）が大きい振動子となる。図７は、先端部裏面にＡｇの蒸着膜を厚さ１μｍで付けた場合のＺＴＣ（周波数頂点温度）と、その膜をすべて除去した場合のＺＴＣの変化を示した図である。横軸をδｆの絶対値とｆａの比で表してある。ここでは原理を説明するために蒸着膜を付加した例を示すが、本実施例は調整膜６を付加しない例であることに注意されたい。差δｆが小さいと、先端部の質量の変化によってＺＴＣが変化しやすくなることがわかる。一方、δｆが大きな振動子は先端部の質量の変化によってＺＴＣが変化しにくい。つまり、Ｗを細くして先端近傍に錘部４をつけた捩り振動子は、δｆが大きく、捩り振動の温度特性は面内屈曲二次振動の影響を受け難く、安定している。特に、δｆの絶対値とｆａの比である｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しい、または大きくなる程度にδｆを大きくしておけば、温度特性が面内屈曲二次モードの影響を受けづらい。図７からも、ＺＴＣの変化が１０℃以下に収まっており、温度特性が安定していることがわかる。｜δｆ｜／ｆａが０．２以上であれば、ＺＴＣの変化が５℃以下に収まっていることから、さらによい。また錘部４は屈曲二次モードの節部を含んで形成されているので、製造時の錘部４の寸法ばらつきが生じた場合にも、質量変化がＺＴＣに影響を与え難く、温度特性の安定した振動子となる。

本実施例は、錘部４が脚部３の先端にはかからず、周波数調整をしていない場合の実施例である。図４は、本実施例の捩り振動子を正面から見た図である。

図１２は、主材が水晶である捩り振動子の水晶方位を説明する説明図である。図１４は捩り振動の振動形態を示す図であり、図１５は副振動である面内屈曲二次モードの振動形態を示す図である。なお、図１４、図１５では錘部は省いて描いてある。

本実施例の捩り振動子は一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる３本の脚部３で構成されている（図４）。脚部３には、脚幅が広くなった錘部４が形成されている。錘部４の位置は、図１５にも示したような、振動子の固有振動モードの一つである、屈曲二次モードの振動の節周辺の位置となるように設計されている。屈曲二次モードの節は、脚の先端から脚長の約２０％近辺に位置しているが、これは有限要素法シミュレーションや実験などによって予め確認しておくとよい。本実施例の捩り振動子では、図４に示すように錘部４は脚部３から幅方向外側に張り出している。また、脚部３先端部には幅広の錘部４はなく、屈曲二次モード節部を中心に錘部４が形成されている。

振動子のサイズは、色々に設計できるが、狙い周波数が約２６２ｋＨｚである捩り振動子の一例として、脚幅Ｗ＝１６０μｍ、脚長Ｌ＝２３００ｍ、厚みｔ＝１００μｍなどである。

水晶は異方性の単結晶であり、その切り出し角によって性質が異なる。本実施例の捩り振動子は、ＺカットからＸ軸周りにθ度回転した方位の水晶ウェハから切り出したものが使用される。θは２５〜４５°の範囲にある。切り出しには、フォトリソエッチングなどの方法が利用される。

各脚部３の表面には励振電極５が形成されている。励振電極５は、脚部３の基部１側に近い側に形成されている。図８は励振電極５が形成されている部分の断面であり、各電極のつながりを示している。一つの脚の中で対抗する面同士の電極は同極、表面と側面は異極となるようになっている。また、隣り合う脚同士は逆の極になるように配置されている。各電極は基部１において基部１に形成されている接続電極につながれている。本実施例では、各励振電極５は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚はクロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。以上の構成により、励振電極５に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚と両脇の脚は、逆の捩り方向となり、モーメントのつりあいを実現している。

捩りモードの周波数ｆａは、脚幅W、脚長L、厚みｔとすると、ｔ／Wに比例し、Lに反比例する。また、先端に錘部４を設けると、ｆａは小さくなる。また、面内屈曲二次モードの周波数ｆｂは、Ｗに比例し、ｔやＬや錘部４にはあまり影響を受けない。よって、同じｆａの振動子を得る場合、Ｗを細くし錘部４を付加した形状の振動子は、ｆaは同じままｆｂを下げることができ、両モードの周波数差δｆ（＝ｆａ−ｆｂ）が大きい振動子となる。図７は、先端部裏面にＡｇの蒸着膜を厚さ１μｍで付けた場合のＺＴＣ（周波数頂点温度）と、その膜をすべて除去した場合のＺＴＣの変化を示した図である。横軸をδｆの絶対値とｆａの比で表してある。ここでは原理を説明するために蒸着膜を付加した例を示すが、本実施例は調整膜６を付加しない例であることに注意されたい。が小さいと、先端部の質量の変化によってＺＴＣが変化しやすくなることがわかる。一方、δｆが大きな振動子は先端部の質量の変化によってＺＴＣが変化しにくい。つまり、Ｗを細くして先端近傍に錘部４をつけた捩り振動子は、δｆが大きく、捩り振動の温度特性は面内屈曲二次振動の影響を受け難く、安定している。特に、δｆの絶対値とｆａの比である｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しい、または大きくなる程度にδｆを大きくしておけば、温度特性が面内屈曲二次モードの影響を受けづらい。図７からも、ＺＴＣの変化が１０℃以下に収まっており、温度特性が安定していることがわかる。｜δｆ｜／ｆａが０．２以上であれば、ＺＴＣの変化が５℃以下に収まっていることから、さらによい。また錘部４は屈曲二次モードの節部に形成されているので、製造時の錘部４の寸法ばらつきが生じた場合にも、質量変化がＺＴＣに影響を与え難く、温度特性の安定した振動子となる。錘部４が先端にかからないので、特に温度特性が安定する。

錘部４の長さａは、脚長Ｌに対して、脚部長手方向において、面内屈曲二次モードの節の位置を中心として、先端側および根元側へ０．０５Ｌ〜０．２Ｌの長さをもつと、十分に｜δｆ｜を大きくでき、かつ温度特性も安定している。本実施例の振動子では、錘部４の長さａ＝３００μｍとしている。

本実施例は、調整膜６を形成し、周波数調整をする場合の実施例である。図２は、本実施例の捩り振動子を正面から見た図である。

図１２は、主材が水晶である捩り振動子の水晶方位を説明する説明図である。図１４は捩り振動の振動形態を示す図であり、図１５は副振動である面内屈曲二次モードの振動形態を示す図である。なお、図１４、図１５では錘部は省いて描いてある。

本実施例の捩り振動子は一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる３本の脚部３で構成されている（図２（ａ））。脚部３の先端には、脚幅が広くなった錘部４が形成されている。錘部４の位置は、図１５にも示したような、振動子の固有振動モードの一つである、屈曲二次モードの振動の節の位置を含むように設計されている。屈曲二次モードの節は、脚の先端から脚長の約２０％近辺に位置しているが、これは有限要素法シミュレーションや実験などによって予め確認しておくとよい。本実施例の捩り振動子では、図２に示すように錘部４は脚部３から幅方向外側に張り出している。

振動子のサイズは、色々に設計できるが、狙い周波数が約２６２ｋＨｚである捩り振動子の一例として、脚幅Ｗ＝１６０μｍ、脚長Ｌ＝２３００ｍ、厚みｔ＝１００μｍなどである。

水晶は異方性の単結晶であり、その切り出し角によって性質が異なる。本実施例の捩り振動子は、ＺカットからＸ軸周りにθ度回転した方位の水晶ウェハから切り出したものが使用される。θは２５〜４５°の範囲にある。切り出しには、フォトリソエッチングなどの方法が利用される。

各脚部３の表面には励振電極５が形成されている。励振電極５は、脚部３の基部１側に近い側に形成されている。図８は励振電極５が形成されている部分の断面であり、各電極のつながりを示している。一つの脚の中で対抗する面同士の電極は同極、表面と側面は異極となるようになっている。また、隣り合う脚同士は逆の極になるように配置されている。各電極は基部１において基部１に形成されている接続電極につながれている。本実施例では、各励振電極５は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚はクロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。以上の構成により、励振電極５に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚と両脇の脚は、逆の捩り方向となり、モーメントのつりあいを実現している。

図９は、周波数調整についての説明図である。図９（ｂ）に示すように、それぞれの脚部３の側面と裏面には、調整膜６が形成されている。調整膜６は、錘部４のみでもいいし、周囲に広げて形成してもよい。調整膜６は、クロム下地で銀の蒸着膜が形成されており、膜厚はクロムが２００Å、銀が裏面は１〜５μｍ程度、側面はその三分の一程度の厚みである。調整膜６をレーザービームなどにより一部を削っていくことにより質量が変化し、捩りモードの共振周波数を所望の値に調整することができる。図９（ａ）はレーザービームにより裏面にある調整膜６を削って共振周波数を調整するときの状態を示す図であり、脚部３をＹ’Ｚ’面で切ったときの断面図である。レーザービームは表面から入射させ、調整膜６を除去して質量調整を行う。質量が軽くなると周波数が高くなるため周波数調整をすることができる。本実施例と逆に調整膜６が表面にある場合は、裏面からレーザービームを照射して表面の調整膜を除去する。なお、側面に形成された調整膜６はレーザービームで削ることができないため周波数調整には寄与できないが、裏面（または表面）から連続的に形成することで、裏面（または表面）と側面との角部からの剥がれを防止することができる。このように調整膜６を形成する手法としては、水晶片を回転させながら蒸着をするなどといった方法が用いられる。なお、剥がれが問題とならない場合には、側面に調整膜６を形成せず、裏面（または表面）だけに形成してもよい。

捩りモードの周波数ｆａは、脚幅W、脚長L、厚みｔとすると、ｔ／Wに比例し、Lに反比例する。また、先端に錘部４を設けると、ｆａは小さくなる。また、面内屈曲二次モードの周波数ｆｂは、Ｗに比例し、ｔやＬや錘部４にはあまり影響を受けない。よって、同じｆａの振動子を得る場合、Ｗを細くし錘部４を付加した形状の振動子は、ｆaは同じままｆｂを下げることができ、両モードの周波数差δｆ（＝ｆａ−ｆｂ）が大きい振動子となる。図７は、先端部裏面にＡｇの蒸着膜を厚さ１μｍで付けた場合のＺＴＣ（周波数頂点温度）と、その膜を周波数調整としてすべて削った場合のＺＴＣの変化を示した図である。横軸をδｆの絶対値とｆａの比で表してある。δｆが小さいと、ＺＴＣが変化しやすくなることがわかる。一方、δｆが大きな振動子はＺＴＣが変化しにくい。つまり、Ｗを細くして先端近傍に錘部４をつけた捩り振動子は、δｆが大きく、捩り振動の温度特性は面内屈曲二次振動の影響を受け難く、安定している。特に、δｆの絶対値とｆａの比である｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しい、または大きくなる程度にδｆを大きくしておけば、温度特性が面内屈曲二次モードの影響を受けづらい。図７からも、ＺＴＣの変化が１０℃以下に収まっており、温度特性が安定していることがわかる。｜δｆ｜／ｆａが０．２以上であれば、ＺＴＣの変化が５℃以下に収まっていることから、さらによい。

図６は上述の調整膜６をＹ方向の削り位置を変えて削った場合、削り量単位長さ当りのＺＴＣ変化を示したグラフである。先端から約５００μｍの位置で変化がなくなるのが分かる。この位置は、面内屈曲二次モードの節の位置に一致している。また、節の位置から離れた場所を削った場合にも、δｆが大きいものはδｆが小さいものにくらべてＺＴＣが変わりにくいことも分かる。よって、δｆが大きい振動子において、節を中心にした質量の増減は、ＺＴＣに影響を与え難いことがわかる。捩りモードの温度特性には、カップリングしている面内屈曲二次モードが影響しているが、節を削る場合には、面内屈曲二次モードの振動形状は変化せず、よって捩り振動の温度特性も変化しないためである。

また、調整膜６を削った場合の捩りモードの周波数変化は、削り位置によって異なる。幅方向（Ｘ方向）の違いでは、幅方向外側の方が変化量が大きく、中心に寄るにしたがって変化量が少ない。錘部４は面内屈曲二次モードの節部近傍で幅方向に広がりを持ち、幅方向外側（調整済み領域１４）を重点的に削ることで周波数調整量も確保できるため、削ってもＺＴＣが変わり難くかつ十分な周波数調整量を確保することが可能となった（図２（ｂ））。

本実施例は、錘部４が脚３の先端にはかからず調整膜６を形成し、周波数調整をする場合の実施例である。図１は、本実施例の捩り振動子を正面から見た図である。

図１２は、主材が水晶である捩り振動子の水晶方位を説明する説明図である。図１４は捩り振動の振動形態を示す図であり、図１５は副振動である面内屈曲二次モードの振動形態を示す図である。なお、図１４、図１５では錘部は省いて描いてある。

本実施例の捩り振動子は一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる３本の脚部３で構成されている（図１（ａ））。脚部３には、脚幅が広くなった錘部４が形成されている。錘部４の位置は、図１５にも示したような、振動子の固有振動モードの一つである、屈曲二次モードの振動の節周辺の位置となるように設計されている。屈曲二次モードの節は、脚の先端から脚長の約２０％近辺に位置しているが、これは有限要素法シミュレーションや実験などによって予め確認しておくとよい。本実施例の捩り振動子では、図１に示すように錘部４は脚部３から幅方向外側に張り出している。また、脚部３先端部には幅広の錘部４はなく、屈曲二次モード節部を中心に錘部４が形成されている。

振動子のサイズは、色々に設計できるが、狙い周波数が約２６２ｋＨｚである捩り振動子の一例として、脚幅Ｗ＝１６０μｍ、脚長Ｌ＝２３００ｍ、厚みｔ＝１００μｍなどである。

水晶は異方性の単結晶であり、その切り出し角によって性質が異なる。本実施例の捩り振動子は、ＺカットからＸ軸周りにθ度回転した方位の水晶ウェハから切り出したものが使用される。θは２５〜４５°の範囲にある。切り出しには、フォトリソエッチングなどの方法が利用される。

各脚部３の表面には励振電極５が形成されている。励振電極５は、脚部３の基部１側に近い側に形成されている。図８は励振電極５が形成されている部分の断面であり、各電極のつながりを示している。一つの脚の中で対抗する面同士の電極は同極、表面と側面は異極となるようになっている。また、隣り合う脚同士は逆の極になるように配置されている。各電極は基部１において基部１に形成されている接続電極につながれている。本実施例では、各励振電極５は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚はクロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。以上の構成により、励振電極５に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚と両脇の脚は、逆の捩り方向となり、モーメントのつりあいを実現している。

図９は、周波数調整についての説明図である。図９（ｂ）に示すように、それぞれの脚部３の側面と裏面には、調整膜６が形成されている。調整膜６は、錘部４のみでもいいし、周囲に広げて形成してもよい。調整膜６は、クロム下地で銀の蒸着膜が形成されており、膜厚はクロムが２００Å、銀が裏面は１〜５μｍ程度、側面はその三分の一程度の厚みである。調整膜６をレーザービームなどにより一部を削っていくことにより質量が変化し、捩りモードの共振周波数を所望の値に調整することができる。図９（ａ）はレーザービームにより裏面にある調整膜６を削って共振周波数を調整するときの状態を示す図であり、脚部３をＹ’Ｚ’面で切ったときの断面図である。レーザービームは表面から入射させ、調整膜６を除去して質量調整を行う。質量が軽くなると周波数が高くなるため周波数調整をすることができる。本実施例と逆に調整膜６が表面にある場合は、裏面からレーザービームを照射して表面の調整膜を除去する。なお、側面に形成された調整膜６はレーザービームで削ることができないため周波数調整には寄与できないが、裏面（または表面）から連続的に形成することで、裏面（または表面）と側面との角部からの剥がれを防止することができる。このように調整膜６を形成する手法としては、水晶片を回転させながら蒸着をするなどといった方法が用いられる。なお、剥がれが問題とならない場合には、側面に調整膜６を形成せず、裏面（または表面）だけに形成してもよい。

捩りモードの周波数ｆａは、脚幅W、脚長L、厚みｔとすると、ｔ／Wに比例し、Lに反比例する。また、先端近傍に錘部４を設けると、ｆａは小さくなる。また、面内屈曲二次モードの周波数ｆｂは、Ｗに比例し、ｔやＬや錘部にはあまり影響を受けない。よって、同じｆａの振動子を得る場合、Ｗを細くし錘部を付加した形状の振動子は、ｆaは同じままｆｂを下げることができ、両モードの周波数差δｆ（＝ｆａ−ｆｂ）が大きい振動子となる。図７は、先端部裏面にＡｇの蒸着膜を厚さ１μｍで付けた場合のＺＴＣ（周波数頂点温度）と、その膜を周波数調整としてすべて削った場合のＺＴＣの変化を示した図である。横軸をδｆの絶対値とｆａの比で表してある。δｆが小さいと、ＺＴＣが変化しやすくなることがわかる。一方、δｆが大きな振動子はＺＴＣが変化しにくい。つまり、Ｗを細くして先端近傍に錘部をつけた捩り振動子は、δｆが大きく、捩り振動の温度特性は面内屈曲二次振動の影響を受け難く、安定している。特に、｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しい、または大きくなる程度にδｆを大きくしておけば、温度特性が面内屈曲二次モードの影響を受けづらい。図７からも、ＺＴＣの変化が１０℃以下に収まっており、温度特性が安定していることがわかる。｜δｆ｜／ｆａが０．２以上であれば、ＺＴＣの変化が５℃以下に収まっていることから、さらによい。

図６は上述の調整膜６を削り位置を変えて削った場合、削り量単位長さ当りのＺＴＣ変化を示したグラフである。先端から約５００μｍの位置で変化がなくなるのが分かる。この位置は、面内屈曲二次モードの節の位置に一致している。また、節の位置から離れた場所を削った場合にも、δｆが大きいものはδｆが小さいものにくらべてＺＴＣが変わりにくいことも分かる。よって、δｆが大きい振動子において、節を中心にした質量の増減は、ＺＴＣに影響を与え難いことがわかる。捩りモードの温度特性には、カップリングしている面内屈曲二次モードが影響しているが、節を削る場合には、面内屈曲二次モードの振動形状は変化せず、よって捩り振動の温度特性も変化しないためである。

また、調整膜６を削った場合の捩りモードの周波数変化は、削り位置によって異なる。幅方向（Ｘ方向）の違いでは、幅方向外側の方が変化量が大きく、中心に寄るにしたがって変化量が少ない。また、長さ方向（Ｙ’方向）の違いでは、先端へいくほど変化量が多く、根元へ近づくほど変化量が少ない。面内屈曲二次モードの節部付近に限定して錘部を設けた本実施例の振動子は、先端部を削る場合よりも周波数調整量としては不利であるが、節部近傍で幅方向に広がりを持つため幅方向外側（調整済み領域１４）を重点的に削ることで周波数調整量も確保できるため、脚部３の先端まで錘部４が形成されている場合に比べて、削ってもＺＴＣがさらに変わり難くかつ十分な周波数調整量を確保することが可能となった（図１（ｂ））。

錘部４の長さａは、脚長Ｌに対して、脚部長手方向において、面内屈曲二次モードの節の位置を中心として、先端側および根元側へ０．０５Ｌ〜０．２Ｌの長さをもつと、周波数調整量を十分に確保でき、温度特性も安定している。本実施例の振動子では、錘部４の長さａ＝３００μｍとしている。

本実施例は、別の錘部形状の捩り振動子に関するものである。図５は、本実施例の捩り振動子を正面から見た図である。

図１２は、主材が水晶である捩り振動子の水晶方位を説明する説明図である。図１４は捩り振動の振動形態を示す図であり、図１５は副振動である面内屈曲二次モードの振動形態を示す図である。なお、図１４、図１５では錘部は省いて描いてある。

本実施例の捩り振動子は一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる３本の脚部３で構成されている（図５（ａ））。脚部３には、脚幅が広くなった錘部４が形成されている。錘部４の位置は、図１５にも示したような、振動子の固有振動モードの一つである、屈曲二次モードの振動の節周辺の位置となるように設計されている。屈曲二次モードの節は、脚の先端から脚長の約２０％近辺に位置しているが、これは有限要素法シミュレーションや実験などによって予め確認しておくとよい。本実施例の捩り振動子では、図１に示すように錘部４は脚部３から幅方向外側に張り出している。また、脚部３先端部には幅広の錘部４はなく、屈曲二次モード節部を中心に錘部４が形成されている。さらに、錘部４の幅は、面内屈曲二次モードの節に近いほど幅が大きく、節から離れるほど幅が小さくなっている。

振動子のサイズは、色々に設計できるが、狙い周波数が約２６２ｋＨｚである捩り振動子の一例として、脚幅Ｗ＝１６０μｍ、脚長Ｌ＝２３００ｍ、厚みｔ＝１００μｍなどである。

水晶は異方性の単結晶であり、その切り出し角によって性質が異なる。本実施例の捩り振動子は、ＺカットからＸ軸周りにθ度回転した方位の水晶ウェハから切り出したものが使用される。θは２５〜４５°の範囲にある。切り出しには、フォトリソエッチングなどの方法が利用される。

各脚部３の表面には励振電極５が形成されている。励振電極５は、脚部３の基部１側に近い側に形成されている。図８は励振電極５が形成されている部分の断面であり、各電極のつながりを示している。一つの脚の中で対抗する面同士の電極は同極、表面と側面は異極となるようになっている。また、隣り合う脚同士は逆の極になるように配置されている。各電極は基部１において基部１に形成されている接続電極につながれている。本実施例では、各励振電極５は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚はクロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。以上の構成により、励振電極５に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚と両脇の脚は、逆の捩り方向となり、モーメントのつりあいを実現している。

図９は、周波数調整についての説明図である。図９（ｂ）に示すように、それぞれの脚部３の側面と裏面には、調整膜６が形成されている。調整膜６は、錘部４のみでもいいし、周囲に広げて形成してもよい。調整膜６は、クロム下地で銀の蒸着膜が形成されており、膜厚はクロムが２００Å、銀が裏面は１〜５μｍ程度、側面はその三分の一程度の厚みである。調整膜６をレーザービームなどにより一部を削っていくことにより質量が変化し、捩りモードの共振周波数を所望の値に調整することができる。図９（ａ）はレーザービームにより裏面にある調整膜６を削って共振周波数を調整するときの状態を示す図であり、脚部３をＹ’Ｚ’面で切ったときの断面図である。レーザービームは表面から入射させ、調整膜６を除去して質量調整を行う。質量が軽くなると周波数が高くなるため周波数調整をすることができる。本実施例と逆に調整膜６が表面にある場合は、裏面からレーザービームを照射して表面の調整膜を除去する。なお、側面に形成された調整膜６はレーザービームで削ることができないため周波数調整には寄与できないが、裏面（または表面）から連続的に形成することで、裏面（または表面）と側面との角部からの剥がれを防止することができる。このように調整膜６を形成する手法としては、水晶片を回転させながら蒸着をするなどといった方法が用いられる。なお、剥がれが問題とならない場合には、側面に調整膜６を形成せず、裏面（または表面）だけに形成してもよい。

捩りモードの周波数ｆａは、脚幅W、脚長L、厚みｔとすると、ｔ／Wに比例し、Lに反比例する。また、先端近傍に錘部４を設けると、ｆａは小さくなる。また、面内屈曲二次モードの周波数ｆｂは、Ｗに比例し、ｔやＬや錘部にはあまり影響を受けない。よって、同じｆａの振動子を得る場合、Ｗを細くし錘部を付加した形状の振動子は、ｆaは同じままｆｂを下げることができ、両モードの周波数差δｆ（＝ｆａ−ｆｂ）が大きい振動子となる。図７は、先端部裏面にＡｇの蒸着膜を厚さ１μｍで付けた場合のＺＴＣ（周波数頂点温度）と、その膜を周波数調整としてすべて削った場合のＺＴＣの変化を示した図である。横軸をδｆの絶対値とｆａの比で表してある。δｆが小さいと、ＺＴＣが変化しやすくなることがわかる。一方、δｆが大きな振動子はＺＴＣが変化しにくい。つまり、Ｗを細くして先端近傍に錘部をつけた捩り振動子は、δｆが大きく、捩り振動の温度特性は面内屈曲二次振動の影響を受け難く、安定している。特に、｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しい、または大きくなる程度にδｆを大きくしておけば、温度特性が面内屈曲二次モードの影響を受けづらい。図７からも、ＺＴＣの変化が１０℃以下に収まっており、温度特性が安定していることがわかる。｜δｆ｜／ｆａが０．２以上であれば、ＺＴＣの変化が５℃以下に収まっていることから、さらによい。

図６は上述の調整膜６をＹ方向の削り位置を変えて削った場合、削り量単位長さ当りのＺＴＣ変化を示したグラフである。先端から約５００μｍの位置で変化がなくなるのが分かる。この位置は、面内屈曲二次モードの節の位置に一致している。また、節の位置から離れた場所を削った場合にも、δｆが大きいものはδｆが小さいものにくらべてＺＴＣが変わりにくいことも分かる。よって、δｆが大きい振動子において、節を中心にした質量の増減は、ＺＴＣに影響を与え難いことがわかる。捩りモードの温度特性には、カップリングしている面内屈曲二次モードが影響しているが、節を削る場合には、面内屈曲二次モードの振動形状は変化せず、よって捩り振動の温度特性も変化しないためである。

また、調整膜６を削った場合の捩りモードの周波数変化は、削り位置によって異なる。幅方向（Ｘ方向）の違いでは、幅方向外側の方が変化量が大きく、中心に寄るにしたがって変化量が少ない。また、長さ方向（Ｙ’方向）の違いでは、先端へいくほど変化量が多く、根元へ近づくほど変化量が少ない。面内屈曲二次モードの節部付近に限定して錘部を設けた本実施例の振動子は、先端部を削る場合よりも周波数調整量としては不利であるが、節部近傍で幅方向に広がりを持つため幅方向外側（調整済み領域１４）を重点的に削ることで周波数調整量も確保できるため、脚部３の先端まで錘部４が形成されている場合に比べて、削ってもＺＴＣがさらに変わり難くかつ十分な周波数調整量を確保することが可能となった（図５（ｂ））。さらに、本実施例の捩り振動子の錘部４の幅は、面内屈曲二次モードの節に近いほど幅が大きく、節から離れるほど幅が小さくなっている。削ってもＺＴＣが変わりにくい部分で重点的に周波数調整ができ、温度特性がより安定化する。

錘部４の長さａは、脚長Ｌに対して、脚部長手方向において、面内屈曲二次モードの節の位置を中心として、先端側および根元側へ０．０５Ｌ〜０．２Ｌの長さをもつと、周波数調整量を十分に確保でき、温度特性も安定している。本実施例の振動子では、ａ＝３００μｍとしている。

次に、本発明における捩り振動子の製造方法の実施例について説明する。これらは、実施例１〜５に示す捩り振動子共通の製造方法である。図１０は、捩り振動子のエッチング工程を示す断面図である。図１１は、電極形成工程を示す断面図である。

まず、水晶ウェハ７を準備する（図１０（ａ））。水晶ウェハ７の表裏両面に金属耐食膜８を成膜する。金属耐食膜８は下地にＣｒのＡｕスパッタ膜などが利用される。その上に、フォトレジスト９を成膜する（図１０（ｂ））。捩り振動子音叉形状が形成されたフォトマスク１０を用いてフォトレジスト９を露光（図１０（ｃ））、現像する。音叉形状には、先端付近に錘部４が形成されており、実施例１〜５に示した形状などの捩り振動子である。得られたフォトレジストパターンをマスクとしてＡｕ、Ｃｒ膜をエッチングする（図１０（ｄ））。エッチングされたＡｕ、Ｃｒパターンをマスクとして、マスクに覆われていない部分の水晶をフッ酸などを含むエッチング液でエッチングし、水晶の音叉形状を得る（図１０（ｅ））。金属耐食膜８、フォトレジスト９を剥離し、電極形成工程に進む（図１１（ａ））。なお、フォトレジスト９は水晶のエッチング前にあらかじめ剥離しておいてもよい。

表面用および裏面用フォトマスクに形成されている振動脚形状には、先端付近に脚幅よりも幅広になった錘部４が設けられている。この周波数調整部は、屈曲二次モードの節の部分になる場所に設定されている。屈曲二次モードの節となる位置は、有限要素法シミュレーションで予測し、実験的にも確認をするとよい。

得られた音叉形状の水晶片に電極膜となる金属膜１１をスパッタなどで形成する。電極膜となる金属膜１１は、下地にＣｒやＮｉ、上層にＡｕ膜などが利用される。この上に、フォトレジスト１２を形成し（図１１（ｂ））、電極マスク１３を用いて露光（図１１（ｃ））、現像する。得られたフォトレジストパターンをマスクとして金属膜１１をエッチングし、脚部３に形成された励振電極５およびその他の部分の電極が形成される（図１１（ｄ））。

ここから先は、実施例３〜５の捩り振動子に限って行う工程であり、実施例１および２の捩り振動子を製造する場合には行なわない工程である。錘部４付近にＡｇなどの金属膜を調整膜６として、蒸着、スパッタなどで形成する。次に、捩り振動子の共振周波数を測定する。測定は、基部１に設けられた電極パッドにプローブを当てることで行われる。共振周波数が所望の周波数でない場合、錘部４に形成された調整膜６をレーザーで一部分削ることによって周波数を調整する。調整膜６を取り除くと共振周波数は上がるため、調整膜６を削る前の状態では所望の周波数よりも少し低くなるように設定しておき、測定した周波数と所望の周波数の差分だけ周波数が高くなり、調整後所望の周波数になるように調整膜６を除去する。測定を都度行いながら調整膜６を除去してもよい。このときの削り位置は、前述の屈曲二次モードの節付近にある錘部４上にある。これでも足りない場合は錘部４だけでなく、先端側や根元側を削っても良い。また、周波数調整は本実施例のように水晶上に形成した調整膜６を削ることによってもよいが、水晶自体を削っても良いし、膜やその他質量を付加してもよい。質量を付加する場合は、周波数は下がる方向に調整される。

移動体通信機、スマートメーターなど電子機器や時計の基準信号源として用いられる。特に時刻精度が高く要求される分野におうて有効である。例えば時計で言うと年差１０秒の精度を誇るいわゆる年差時計に利用できる。

１ 基部
３ 脚部
４ 錘部
５ 励振電極
６ 調整膜
７ 水晶ウェハ
８ 金属耐食膜
９、１２ フォトレジスト
１０ フォトマスク
１１ 金属膜
１３ 電極マスク
１４ 調整済み領域

Claims (6)

1. 基部と、該基部からの捩りモードで振動する脚部を有し、脚部長手方向で面内屈曲二次モードの節部にあたる位置に脚部より幅広の錘部を有し、前記捩りモードと前記面内屈曲二次モードの周波数差δｆの絶対値と、前記捩りモードの周波数ｆａとの比｜δｆ｜／ｆａが、０．１と等しいか、またはそれより大きいことを特徴とする捩り振動子。
2. 前記錘部は前記脚部の先端にはかからないことを特徴とする請求項１に記載の捩り振動子。
3. 前記錘部で捩りモードの周波数調整を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の捩り振動子。
4. 前記錘部は、前記脚部の長さをＬとしたとき、脚部長手方向において、面内屈曲二次モードの節の位置を中心として、先端側および根元側へ０．０５Ｌ〜０．２Ｌの長さをもつことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の捩り振動子。
5. 前記脚部を３本有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の捩り振動子。
6. 前記錘部は前記面内屈曲二次モードの節に近いほど幅が大きく、節から離れるほど幅が小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の捩り振動子。

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