JPWO2014002891A1 - 音叉型水晶振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

加工寸法のばらつきによる共振周波数の変動が少ない音叉型水晶振動子を提供する。音叉型振動片２の基部３に振動アーム部４，５が連ねられており、振動アーム部４，５の先端に錘部６，７が設けられており、錘部６，７に、複数の貫通孔６ａ，７ａまたは凹部が設けられている、音叉型水晶振動子１。

Description

本発明は、水晶を用いた音叉型水晶振動子及びその製造方法に関し、特に、振動アーム部先端に錘部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広く用いられている。下記の特許文献１には、図３に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、音叉型振動片１００２を有する。音叉型振動片１００２は、基部１００３を有する。基部１００３に、振動アーム部１００４，１００５の一端が連ねられている。振動アーム部１００４，１００５の他端には、錘部１００６，１００７が連ねられている。振動アーム部１００４，１００５には、それぞれ、第１，第２の振動電極が設けられている。第１，第２の振動電極から交番電界を印加することにより、振動アーム部１００４，１００５が屈曲モードで振動する。

特許第４３５６３６６号

音叉型水晶振動子１００１では、錘部１００６，１００７を設けたことにより共振周波数を低めることができ、小型化を進めることが可能とされている。しかしながら、音叉型水晶振動子では、更なる小型化が求められている。

小型化に伴って、音叉型振動片１００２の外形を形成するためにエッチングによる加工方法が広く用いられている。すなわち、水晶基板をエッチングにより加工し、音叉型振動片の外形を形成する方法が一般的に用いられている。

しかしながら、更なる小型化を果たすために、音叉型振動片の外形寸法が小さくなると、加工寸法のばらつきによる共振周波数の変動が大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、加工寸法のばらつきによる共振周波数の変動が小さい音叉型水晶振動子及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る音叉型水晶振動子は、音叉型振動片と、振動電極とを備える。音叉型振動片は、基部と、振動アーム部と、錘部とを有する。振動アーム部は、第１の端部と第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する。振動アーム部は、第１の端部が基部に連ねられている。錘部は、振動アーム部の第２の端部に連ねられている。振動アーム部の第１，第２の端部を結ぶ方向を長さ方向とし、長さ方向と直交する方向を幅方向としたときに、錘部の幅方向の寸法が、振動アーム部の幅方向の寸法よりも大きい。振動電極は、振動アーム部に設けられている。錘部に、複数の貫通孔または凹部が設けられている。

本発明の音叉型水晶振動子のある特定の局面では、錘部が、対向し合う第１，第２の面を有し、複数の貫通孔または凹部の深さ方向が、第１の面と第２の面とを結ぶ方向である。この場合には、対向しあう第１，第２の面を有する錘部に、貫通孔または凹部を容易に形成することができる。

また、本発明に係る音叉型水晶振動子の他の特定の居面では、振動アーム部が、長さ方向及び幅方向と直交する厚み方向の両側に位置しており、互いに対向している第３及び第４の面を有し、第１の面と第３の面とは同一平面上にあり、第２の面と第４の面とは同一平面上にある。この場合には、１つの水晶基板からエッチング等により、錘部と振動アーム部とを一体的に容易に形成することができる。

本発明に係る音叉型水晶振動子の製造方法は、本発明にしたがって構成された音叉型水晶振動子の製造方法であり、水晶基板を用意する工程と、エッチングにより水晶基板を加工し、音叉型振動片の外形を形成する工程と、振動アーム部に振動電極を形成する工程とを備える。

本発明に係る音叉型水晶振動子では、錘部に複数の貫通孔または凹部が設けられているため、加工による外形寸法のばらつきが生じたとしても、共振周波数の変動を効果的に抑制することができる。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る音叉型水晶振動子の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、貫通孔が設けられている領域における第１の振動アーム部の横断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る音叉型水晶振動子及び比較例に係る音叉型水晶振動子における、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。 図３は、従来の音叉型水晶振動子の外観を示す斜視図である。

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、本発明の一実施形態に係る音叉型水晶振動子１の外観を示す斜視図である。

音叉型水晶振動子１は、音叉型振動片２と、第１，第２の振動電極８，９とを有する。

音叉型振動片２は、水晶基板をエッチング等により加工することにより形成されている。音叉型振動片２は、基部３を有する。基部３は略矩形板状の形状を有する。もっとも基部３の形状は特に限定されるものではない。

基部３に、第１，第２の振動アーム部４，５が連ねられている。第１の振動アーム部４は、第１の端部４ａと、第１の端部４ａとは反対側の第２の端部４ｂとを有する。第１の端部４ａ側において、第１の振動アーム部４は基部３に連ねられている。第２の振動アーム部５も同様に、第１，第２の端部５ａ，５ｂを有する。第２の振動アーム部５は、第１の端部５ａ側において、基部３に連ねられている。

第１，第２の振動アーム部４，５の変位を大きくするために、基部３には、平面視してＬ字状の切欠３ａ，３ｂが設けられている。切欠３ａ，３ｂは、基部３の第１，第２の振動アーム部４，５が連ねられている部分の外側に位置している。

第１の振動アーム部４は、基部３の端面３ｃ側から第２の端部４ｂ側に向かって延ばされている。第２の振動アーム部５は、基部３の端面３ｃ側から第２の端部５ｂ側に向かって延ばされている。第１，第２の振動アーム部４，５は棒状の形状を有する。

ここで、第１，第２の振動アーム部４，５の延びる方向を長さ方向とする。また、第１，第２の振動アーム部４，５の長さ方向と直交する方向であって、音叉型振動片２の厚み方向と直交する方向を幅方向とする。

第１の振動アーム部４には、第１，第２の振動電極８，９が設けられている。第２の振動アーム部５にも、第１，第２の振動電極８，９が設けられている。

また、第１，第２の振動アーム部４，５の先端には、錘部６，７が連ねられている。錘部６の幅方向の寸法は、第１の振動アーム部４の幅方向の寸法よりも大きくされている。錘部６による質量付加効果により、共振周波数が低められている。錘部６，７は、対向し合う第１，第２の面を有する。

加えて、本実施形態では、錘部６に、複数の貫通孔６ａが設けられている。複数の貫通孔６ａの形状は特に限定されるものではない。本実施形態では、複数の貫通孔６ａは、平面視して矩形の形状とされている。また、本実施形態では、複数の貫通孔６ａが設けられているが、貫通孔６ａに代えて、錘部６を貫通していない凹部が設けられていてもよい。

なお、錘部６に凹部が設けられている場合、凹部は錘部６の第１の面及び第２の面のいずれに設けられていてもよく、錘部６の双方の面に設けられていてもよい。いずれにしても、錘部６において、貫通孔や凹部の深さ方向は、上記第１の面と第２の面とを結ぶ方向であることが望ましい。それによって、エッチングにより貫通孔または凹部を容易に形成することができる。

錘部７にも、複数の貫通孔７ａが設けられている。本実施形態では、複数の貫通孔７ａは、平面視して矩形の形状とされている。錘部７においても、貫通孔７ａに代えて、錘部７を貫通していない凹部が設けられていてもよい。

第１，第２の振動アーム部４，５は、長さ方向及び幅方向と直交する厚み方向の両側に位置しており、互いに対向している第３及び第４の面を有する。錘部６，７の第１の面と、第１，第２の振動アーム部４，５の第３の面とは、同一平面上にある。錘部６，７の第２の面と、第１，第２の振動アーム部４，５の第４の面とは、同一平面上にある。

第１の振動アーム部４には、長さ方向に延びる貫通孔４ｃが設けられている。貫通孔４ｃは、上記第３の面から第４の面に向かって貫通しており、平面視して矩形の形状とされている。貫通孔４ｃには補強のために複数本の桟４ｄが設けられている。第１の振動アーム部４における貫通孔４ｃの幅方向両側に位置する部分は、図１（ｂ）に矢印で示す方向に分極軸が揃っている。また前述した第１の振動電極８は、第１の振動アーム部４における貫通孔４ｃに臨む内側面に設けられている。他方、第１の振動アーム部４における内側面とは反対側に位置している外側面に、第２の振動電極９が設けられている。従って、第１の振動電極８と第２の振動電極９との間に交番電界を印加することにより、貫通孔４ｃが設けられている第１の振動アーム部４を屈曲モードで容易に振動させることができる。

第２の振動アーム部５についても同様に、貫通孔と複数本の桟とが設けられている。また、第２の振動アーム部５における貫通孔の幅方向両側に位置する部分は、第１の振動アーム部４と同様に、分極軸が揃っている。また、第１の振動電極８が第２の振動アーム部５における貫通孔に臨む内側面に設けられており、第２の振動電極９が第２の振動アーム部５における内側面とは反対側に位置している外側面に設けられている。従って、第１の振動電極８と第２の振動電極９との間に交番電界を印加することにより、貫通孔が設けられている第２の振動アーム部５を屈曲モードで容易に振動させることができる。

なお、本実施形態では、第１，第２の振動アーム部４，５に貫通孔が設けられている構造であるが、第１，第２の振動アーム部４，５は第３の面と第４の面のそれぞれに凹部が設けられおり、断面はＨ型である構造であってもよく、第３の面と第４の面が平坦な直方体形状の構造であってもよい。

本実施形態の音叉型水晶振動子１では、上記錘部６，７に貫通孔６ａ，７ａが設けられているため、共振周波数のばらつきを低減することができる。これを以下において詳述する。

音叉型水晶振動子１の共振周波数をＦ、第１，第２の振動アーム部４，５の長さ方向の寸法をＬ、幅方向の寸法をＷとする。この場合、Ｆ、Ｌ及びＷとの間には、下記の式（１）が成り立つ。

Ｆ＝ａ（Ｗ／ Ｌ^２）×（Ｃ′_２２／ρ）^１／２ …（１）
Ｃ´_２２は弾性スティフネス定数、ρは水晶の密度、ａは比例定数を示す。

上記錘部６，７が設けられている音叉型水晶振動子１では、錘部６，７による質量付加効果によって共振周波数Ｆが式（１）に表わされる値よりも低くなる。

他方、エッチングなどにより水晶基板を加工し、音叉型振動片２の外形を形成した場合、加工の際に寸法ずれが生じる。第１，第２の振動アーム部４，５では、長さ方向の寸法Ｌよりも幅方向の寸法Ｗの方が小さい。従って、長さ方向の寸法Ｌのずれよりも幅方向の寸法Ｗの寸法ずれの影響が大きい。

一般に、水晶基板をエッチングして音叉型振動片を得るにあたっては、所望のエッチング量よりもエッチング量が多くなったり、少なくなったりしがちである。エッチング量が多くなりすぎると、幅方向の寸法Ｗ及び長さ方向の寸法Ｌのいずれもが、目標の値よりも小さくなり、共振周波数は所望の周波数よりも低くなる。これに対して、エッチング量が少なすぎた場合には、幅方向の寸法Ｗ及び長さ方向の寸法Ｌがいずれも目標値よりも大きくなり、共振周波数は所望の周波数よりも高くなる。

図２は、上記実施形態に係る音叉型水晶振動子１及び下記の比較例に係る音叉型水晶振動子における加工寸法ずれと、共振周波数の変動量との関係を示す図である。

図２の破線Ｘは、上記錘部６，７に貫通孔６ａ，７ａが設けられていないことを除いては、上記実施形態に係る音叉型水晶振動子１と同様にして構成した比較例に係る音叉型水晶振動子における結果を示す。すなわち、図２において、横軸はエッチングによる加工寸法ずれの大きさを示し、縦軸は周波数変動の量、すなわち、共振周波数の所望の周波数からの変動量を示す。破線Ｘから明らかなように、加工寸法ずれが負の値で絶対値が大きくなるほど、すなわち、エッチング量が増大し、幅方向の寸法Ｗ及び長さ方向の寸法Ｌが小さくなるほど、共振周波数は低くなる。これに対して、加工寸法ずれが正の値で絶対値が大きくなるほど、すなわち、エッチング量が不足し、幅方向の寸法Ｗ及び長さ方向の寸法Ｌが大きくなるほど、共振周波数が高くなる。

図２の実線Ｙは、上記実施形態に係る音叉型水晶振動子１における結果を示す。図２の実線Ｙで示すように、エッチング量が変化して加工寸法ずれが生じたとしても、本実施形態に係る音叉型水晶振動子１では、共振周波数の変動が小さいことがわかる。これは、以下の理由による。

本実施形態のように錘部６，７に貫通孔６ａ，７ａが設けられている構造では、錘部６，７による質量付加効果もエッチング量によって変化する。そのため、共振周波数の変動を小さくすることができる。より詳しくは、エッチング量が増大すると、幅方向の寸法Ｗや長さ方向の寸法Ｌが小さくなり、共振周波数が低くなるように作用する。しかしながら、錘部６，７に設けられている貫通孔６ａ，７ａは大きくなり、錘部６，７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、共振周波数の変動は小さくなる。これに対して、エッチング量が不足すると、幅方向の寸法Ｗや長さ方向の寸法Ｌが大きくなり、共振周波数は高くなるように作用する。しかしながら、錘部６，７に設けられている貫通孔６ａ，７ａが小さくなり、錘部６，７による質量付加効果が大きくなり、共振周波数が低くなるように作用する。従って、共振周波数の変動は小さくなる。

上記のように、エッチング量の変化による幅方向の寸法Ｗや長さ方向の寸法Ｌの変化、特には幅方向の寸法Ｗ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に基づく質量付加効果による共振周波数の変動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。

また、上記実施形態では、水晶基板をエッチングすることにより、音叉型振動片２の外形すなわち貫通孔６ａ，７ａの形状を含む外形を形成しているため、上記のとおり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、水晶基板をエッチングにより加工することにより音叉型振動片２が得られている。従って、本実施形態では、錘部６，７の第１の面と第１，第２の振動アーム部４，５の第３の面とが同一平面上にあり、錘部６，７の第２の面と第１，第２の振動アーム部４，５の第４の面とが同一平面上にあるため、１枚の水晶基板を加工することにより、同じ厚みの第１，第２の振動アーム部４，５及び錘部６，７を有する音叉型振動片２を容易に得ることができる。

なお、本発明においては、錘部６，７の厚みは、第１，第２の振動アーム部４，５の厚みと異なっていてもよい。もっとも、上記のようにエッチングにより錘部６，７を第１，第２の振動アーム部４，５と同時に形成する場合には、貫通孔６ａ，７ａを同じエッチング工程により同時にかつ容易に形成することができる。従って、第１の面と第３の面とが同一平面上にあり、第２の面と第４の面とが同一平面上にあることが好ましい。

上記音叉型水晶振動子１の製造法については、特に限定されないが、以下の方法を好適に用いることができる。まず、水晶基板を用意する。しかる後、この水晶基板をエッチングにより加工し、音叉型振動片２の外形を形成する。この場合、上記のとおり、エッチング量にばらつきが生じ、音叉型振動片２の外形が目的とする寸法からずれたとしても、本発明にしたがって共振周波数の変動を抑制することができる。

上記音叉型振動片２の外形を形成した後、第１，第２の振動アーム部４，５に第１，第２の振動電極８，９を蒸着法、めっき法もしくはスパッタリング法などの周知の方法を用いて形成する。このようにして、音叉型水晶振動子１を得ることができる。なお、音叉型水晶振動子１の音叉型振動片２の外形はエッチング以外の方法より形成されていてもよい。

１…音叉型水晶振動子
２…音叉型振動片
３…基部
３ａ，３ｂ…切欠
３ｃ…端面
４…第１の振動アーム部
４ａ…第１の端部
４ｂ…第２の端部
４ｃ…貫通孔
４ｄ…桟
５…第２の振動アーム部
５ａ…第１の端部
５ｂ…第２の端部
６，７…錘部
６ａ，７ａ…貫通孔
８…第１の振動電極
９…第２の振動電極

Claims (4)

1. 基部と、第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部が前記基部に連ねられている振動アーム部と、前記振動アーム部の前記第２の端部に連ねられており、前記振動アーム部の第１，第２の端部を結ぶ方向を長さ方向とし、長さ方向と直交する方向を幅方向としたときに、前記幅方向の寸法が、前記振動アーム部の幅方向の寸法よりも大きい錘部とを有する音叉型振動片と、
   前記振動アーム部に設けられている振動電極とを備え、
   前記錘部に、複数の貫通孔または凹部が設けられている、音叉型水晶振動子。
2. 前記錘部が、対向し合う第１，第２の面を有し、前記複数の貫通孔または凹部の深さ方向が、前記第１の面と第２の面とを結ぶ方向である、請求項１に記載の音叉型水晶振動子。
3. 前記振動アーム部が、前記長さ方向及び前記幅方向と直交する厚み方向の両側に位置しており、互いに対向している第３及び第４の面を有し、前記第１の面と前記第３の面とは同一平面上にあり、前記第２の面と前記第４の面とは同一平面上にある、請求項２に記載の音叉型水晶振動子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子の製造方法であって、
   水晶基板を用意する工程と、
   エッチングにより水晶基板を加工し、前記音叉型振動片の外形を形成する工程と、
   前記振動アーム部に前記振動電極を形成する工程とを備える、音叉型水晶振動子の製造方法。

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