JP2007274610A - 水晶振動子及び水晶振動子パッケージ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＩ値が低い音叉型の水晶振動子及びこの水晶振動子を備えた水晶振動子パッケージを提供する。
【解決手段】音叉型水晶振動子に音叉振動を発生させるための励振電極４１、５１等の電極パターンの電極材料として、従来から使用されているＡｕ（金）よりも比重が小さく、剛性の低いシリコン材料を使用する。これにより水晶振動子が振動し易くなるので、電気エネルギーを音叉振動に変換する際の振動損失（ＣＩ値）を低くすることができる。
【選択図】図３
【解決手段】音叉型水晶振動子に音叉振動を発生させるための励振電極４１、５１等の電極パターンの電極材料として、従来から使用されているＡｕ（金）よりも比重が小さく、剛性の低いシリコン材料を使用する。これにより水晶振動子が振動し易くなるので、電気エネルギーを音叉振動に変換する際の振動損失（ＣＩ値）を低くすることができる。
【選択図】図３
Description
本発明は基部に振動腕部が２本伸び出した音叉型の水晶振動子及びこの水晶振動子を格納した水晶振動子パッケージに関する。
音叉型の水晶振動子は、小型、安価で低消費電力であることから、従来から腕時計の歩度を刻む信号源として使用されてきたが、近年では携帯型の電子機器に同期信号源として採用され、更にその用途が広がろうとしている。
音叉型水晶振動子の構成例を図１に示すと、音叉型の水晶振動子には基部１に一対の振動腕部２ａ及び２ｂが設けられ、各振動腕部２ａ、２ｂにおける両主面には溝部３１、３２が設けられている。これらの溝部３１、３２及び各振動腕部２ａ、２ｂの両側面等には、各振動腕部２ａ、２ｂの屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための励振電極が設けられている。この音叉型振動子に電荷を与えた際に一方の振動腕部２ａの側面及び他方の振動腕部２ｂの溝部３１、３２内が同電位となり、他方の振動腕部２ｂの側面及び一方の振動腕部２ａの溝部３１、３２内が前述の振動腕部２ａの側面等とは逆電位となるように励振電極は結線されている。
このような音叉型水晶振動子によれば、各振動腕部２ａ、２ｂの間で、両主面と両側面とに生じる電界方向が逆向きとなり、各振動腕部２ａ、２ｂにおける長手方向での屈曲振動も逆方向となって音叉振動を生じる。ここで、消費エネルギーを抑制する観点からは、音叉型水晶振動子に与えられた電気エネルギーを効率よく音叉振動に変換できることが望ましい。そこで、電気エネルギーを音叉振動に変換する際の振動損失（ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値）を低くする工夫がなされている。
例えば、図１に示した音叉型水晶振動子では、溝部３１、３２を設け、これらの溝部３１、３２において、Ｘ軸方向（振動腕部の幅方向）での電界強度を増加させることにより各振動腕部２ａ、２ｂの両側面間での屈曲振動を強励振させることによりＣＩ値を低くしている。
ところで、励振電極は、一般的にＡｕ（金）等により構成され、水晶振動子との密着性を向上させるためのＣｒ（クロム）膜等の上に、真空蒸着やスパッタリング等によって膜状に形成された構造となっている。しかし、Ａｕは比重が水晶の約７．３倍（１８．９）と大きく、剛性も高いため、電気機械結合係数（電気的エネルギーを機械的（音叉振動）エネルギーに変換する能力を表す係数）が小さく、ＣＩ値をより低くすることが可能な電極材料が求められていた。
なお、特許文献１に記載の水晶振動子パッケージは、ナトリウムイオン等の可動イオンを含むガラスからなるカバーとシリコン基板からなる実装基板とが陽極接合されており、本発明で用いるシリコン材料が記載されているが、その用途、目的が全く異なる。このため、特許文献１に記載の技術では上記の課題を解決することはできない。
特開２００４−１９３９０９号公報：第３頁第１８段落、第４頁第２４段落
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ＣＩ値が低い音叉型の水晶振動子を提供することを目的としている。また、他の目的は、この水晶振動子を備えた水晶振動子パッケージを提供することにある。
本発明に係る水晶振動子は、基部から振動腕部が２本伸び出して音叉型に形成されている水晶片の表裏両面に電極パターンが形成された水晶振動子において、
前記電極パターンはポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
前記電極パターンはポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
シリコン材料は、ｐ型またはｎ型の不純物をドープしたものが好適である。また、シリコン材料は、当該水晶振動子を構成する水晶のキューリー点よりも低い温度で前記振動腕部にデポシションされたものであるとよい。更に、前記振動腕部の先端部に前記シリコン材料よりも比重の大きい周波数調整用の金属膜が形成されていることが好ましい。
また、本発明に係る水晶振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた上述の特徴を有する水晶振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の電極パターンに電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、例えば励振電極等の電極パターンの電極材料として、従来利用されてきたＡｕよりも比重の小さいシリコン材料が使用されている。また、シリコン材料は、その剛性の値がＡｕに比べ、水晶の値に近いため、剛性の小さな材料ほど電気機械結合係数（電気的エネルギーを機械的（音叉振動）エネルギーに変換する能力を表す係数）が大きくなるので、ＣＩ値を低くすることが可能となる。この結果、Ａｕを電極材料として使用した従来型の水晶振動子と比較してＣＩ値が低くなるので、消費エネルギーの小さな水晶振動子やこれを備えた水晶振動子パッケージを製造することができる。
背景技術において説明した図１に示す音叉型の水晶振動子は、本実施の形態に係る水晶振動子にも適用することができる。この水晶振動子の形状について詳述すると、水晶振動子本体（水晶片）は、両側部の上部側が矩形に切り欠かれた切り欠き部１１を備えた概ね角型の基部１と、この基部１の上端側から各々互いに間隔をおいて平行に伸びだした２本の（一対の）振動腕部２（２ａ、２ｂ）とを備えていて全体の形状が音叉型の水晶片として構成されている。更に振動腕部２（２ａ、２ｂ）の表側及び裏側の主面には、各々これらの振動腕部２（２ａ、２ｂ）の基端部から先端側に向けて長さ方向に夫々二等分された溝部３１、３２が形成されている。溝部３１、３２は、この水晶振動子に電荷を与えた際に、振動腕部２ａ、２ｂに形成される電界強度を増し、各振動腕部２ａ、２ｂの屈曲振動を強める役割を果たしている。また、２つの溝部３１、３２の間に橋部が形成されていることにより、落下の際等に生じる衝撃に対する耐衝撃性が強化されている。なお、例示したものの他、例えば溝部を有していない水晶振動子や、溝部の数や形状が図示したものとは異なる水晶振動子を用いてもよい。
一対の振動腕部２ａ、２ｂの間における基部１の平面形状は湾曲しており、振動腕部２ａ、２ｂ夫々の基部１側にある各溝部３２は、この湾曲部（音叉又部）の最下部（振動腕部２の先端側を上方としている）２０よりも基部１の下方側に少し食い込んで形成されている。
図２は電極パターンを含めた平面図、図３は図１の水晶振動子を模式的に示す斜視図であり、これらの図を参照しながら励振電極及び引き出し電極に関して述べると、この水晶振動子には、一対をなす一方の電極と他方の電極とが存在する。先ず振動腕部２ａに着目すると、振動腕部２ａの２つの溝部３１、３２の内面全体とこれら溝部３１、３２の間とに一方の励振電極４１が形成されている。即ち溝部３１、３２の間に相当するいわば橋部に形成された励振電極４１により、振動腕部２ａの各溝部３１、３２内の励振電極４１同士が互いに接続されている。そしてこの振動腕部２ａの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表側及び裏側）における先端側の第２の溝部３１よりも上方部位と、には他方の励振電極５１が形成されている。更にまた振動腕部２ａにおける先端部には、その重量を調整することにより発振周波数を調整するための金属膜である調整用錘５０が設けられている。この調整用錘５０は励振電極５１の一部をなすものであるが、その他の部位の電極とは例えば膜厚や電極材料を変えている。なお図３において励振電極４１、５１は、図面を見やすくするために斜線と黒の点在領域とを使い分けて表している。従って、図３の斜線は断面を示すものではない。
また振動腕部２ｂに着目すると、振動腕部２ｂの２つの溝部３１、３２の内面全体と、これら溝部３１、３２の各々の間と、に他方の励振電極５１が形成されている。そしてこの振動腕部２ｂの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表側及び裏側）における先端側の第２の溝部３２よりも上方部位と、には一方の励振電極４１が形成されている。なお振動腕部２ａにおける先端部においても、同様にその重量を調整することにより発振周波数を調整するための調整用錘４０が設けられている。振動腕部２ａ、２ｂに設けられた電極の配置は、励振電極４１、５１が互いに逆の関係であることを除くと互いに同一である。そしてこれら一方の励振電極４１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極４２からなる電極パターンが形成されていると共に、他方の励振電極５１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極５２からなる電極パターンが形成されている。
次に、水晶振動子を製造する工程について説明する。まず、Ｚカットで、例えば直径３インチ、厚さが１００μｍの水晶ウエハの両全面に、例えば密着性を向上させるためのＣｒ膜と、金属マスクとしてのＡｕ膜とを蒸着法等によって成膜する。このＡｕ膜状上にレジストを塗布してフォトリソグラフィにより、例えば数千個分の水晶振動子の外枠に相当する部分のＡｕ膜を露出させる。次に、ＫＩ溶液により、露出したＡｕ膜とＣｒ膜とを除去してこの部分の水晶を露出させ、この露出した水晶をフッ酸でエッチングして除去することにより、例えば図４に示した水晶振動子本体の原型６が溝部３１、３２等の形成されていない状態で製造される。ここでレジスト膜は、フッ酸により水晶面から剥離するため原型６の表面には、フッ酸に侵されないＡｕ膜とその下地のＣｒ膜とだけが残されている。
次いで、原型６の両面に再度、レジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィにより各水晶振動子の溝部３１、３２に相当する部分のＡｕ膜を露出させる。次に、ＫＩ溶液により、露出したＡｕ膜とＣｒ膜とを除去してこの部分の水晶を露出させ、この露出した水晶の一部をフッ酸でエッチングして除去することにより、図４に示すように原型６の各振動腕部２に相当する部分に溝部３１、３２が形成される。以上の工程により、電極パターンが形成されていない状態の原型６が製造される。
次いで、電極パターンを作成する工程では、前工程で製造された原型６の両面に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって、例えば不純物としてＰ（リン）をドープしたｎ型のアモルファスシリコン膜（以下、シリコン膜という）を形成する。ここで、ＣＶＤプロセスの温度を水晶のキューリー点（約５７３℃）よりも低めることにより、水晶の結晶を変態させることなく、その表面にシリコン膜を形成することが可能となる。次に、シリコン膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより電極パターンを形成しない部分のシリコン膜を露出させる。そして、露出したシリコン膜をＳＦ６等のガスを用いて、プラズマドライエッチングして除去することにより、電極パターンだけを残す。次いで、レジストを除去し、各振動腕部２の先端部（図３の調整用錘４０、５０に相当する部分）だけを露出させて金属マスクで原型６を覆い、例えば真空蒸着法により露出している部分にＡｕ膜を形成することにより、調整用錘４０、５０を形成する。これらの工程を経て、電極パターン等の形成された原型６が製造される。この原型６に対して発振周波数測定や発振周波数調整を行った後、各水晶振動子を分離する。分離された水晶振動子は、次のパッケージ工程へと送られる。なお、原型６表面に形成するシリコン膜は、ｎ型のアモルファスシリコンに限定されず、例えば不純物としてＢ（ホウ素）をドープしたｐ型であってもよい。また、アモルファスシリコンの代わりにポリシリコン膜を形成してもよく、これらのシリコン材料は電極としての機能を果たすことができる十分な導電性を有している。
電極パターン等が形成され、原型６から切り離された水晶振動子は、例えば図５に示すように、ＳＭＤ（Surface Mounted Device）構造のパッケージに格納され、水晶振動子パッケージとして出荷される。図５（ａ）は、水晶振動子パッケージの縦断側面図である。図５（ａ）において７は上述の水晶振動子が格納されるパッケージである。このパッケージ７は、上面が開口している例えばセラミック製のケース体７ａと、例えば金属製の蓋体７ｂとから構成される。ケース体７ａと蓋体７ｂとは、例えば溶接材からなるシール材７ｃを介してシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。製造された音叉型の水晶振動子７０は、このパッケージ７内の台座７１部分に基部１の引き出し電極４２、５２が導電性接着剤７ｄにより固定され、振動腕部２がパッケージ７内部の空間に伸び出した状態で横向きに配置される。引き出し電極４２、５２は、台座７１の表面に配線された導電路７２、７３（７３は紙面奥側の導電路である）により、ケース体７aの外部底面の長手方向に対向するように設けられた電極７４、７５に接続されている。この水晶振動子パッケージは、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に搭載され、これにより水晶発振器が構成される。また、水晶振動子パッケージは、ＳＭＤ構造に限られず、一端が絶縁材で封止された金属製のシリンダ内に水晶振動子を設け、前記絶縁材を貫通する一対の電極ピンの内端に夫々引き出し電極が接続された構造であってもよい。
次に、実施の形態に係る水晶振動子の作用について説明する。水晶振動子表面に形成された励振電極４１、５１や引き出し電極４２、５２の電極パターンは、シリコン材料から形成されている。シリコン材料の比重は、約２．４であり、一般的に電極として用いられているＡｕの比重（約１８．９）と比較して、約８分の１程度である。また、シリコン材料の比重は、水晶の比重（約２．６）にも近い。このため、電極材料としてシリコン材料を用いた水晶振動子は、Ａｕを用いたものと比較して、質量が小さくなって振動し易くなる。また、シリコン材料は、その剛性の値がＡｕに比べ、水晶の値に近いため、電気機械結合係数（電気的エネルギーを機械的（音叉振動）エネルギーに変換する能力を表す係数）が大きいので、振動のしにくさを表すＣＩ値は反対に低くなる。電極材料としてシリコン材料を用いることによるこれらの作用によって、例えばＡｕを電極材料とした従来の水晶振動子においてＣＩ値が５０ｋΩ〜１００ｋΩ程度であるのに対し、シリコン材料を用いた場合には、ＣＩ値をおよそ３５ｋΩ以下に低減することができると予想される。
本実施の形態に係る水晶振動子では、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料を電極材料として使用することにより水晶振動子のＣＩ値を低くすることができる。これにより、電荷を音叉振動に変換する効率が向上し、消費エネルギーを小さくすることが可能となる。
１ 基部
２、２ａ、２ｂ 振動腕部
６ 原型
７ パッケージ
７ａ ケース体
７ｂ 蓋体
７ｃ シール材
７ｄ 導電性接着剤
１１ 切り欠き部
３１、３２ 溝部
２０ 最下部
２１ 側面
２２ 主面
４０ 調整用錘
４１ 励振電極（一方の励振電極）
４２ 引き出し電極
５０ 調整用錘
５１ 励振電極（他方の励振電極）
５２ 引き出し電極
７０ 水晶振動子
７１ 台座
７２、７３ 導電路
７４、７５ 電極
２、２ａ、２ｂ 振動腕部
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７ｂ 蓋体
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５１ 励振電極（他方の励振電極）
５２ 引き出し電極
７０ 水晶振動子
７１ 台座
７２、７３ 導電路
７４、７５ 電極
本発明に係る水晶振動子は、基部から振動腕部が２本伸び出して音叉型に形成されている水晶片の表裏両面に電極パターンが形成された水晶振動子において、
前記電極パターンのうち少なくとも励振電極はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
前記電極パターンのうち少なくとも励振電極はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
また、本発明に係る水晶振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた上述の特徴を有する水晶振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の電極パターンに電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。そして、本発明に係る水晶発信器は、上記に記載した水晶振動子を備えたことを特徴とする。
本発明に係る水晶振動子は、基部から振動腕部が２本伸び出して音叉型に形成されている水晶片の表裏両面に電極パターンが形成された水晶振動子において、
前記電極パターンのうち少なくとも励振電極はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
前記電極パターンのうち少なくとも励振電極はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする。
また、本発明に係る水晶振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた上述の特徴を有する水晶振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の電極パターンに電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。そして、本発明に係る水晶発振器は、上記に記載した水晶振動子を備えたことを特徴とする。
Claims (5)
- 基部から振動腕部が２本伸び出して音叉型に形成されている水晶片の表裏両面に電極パターンが形成された水晶振動子において、
前記電極パターンはポリシリコンまたはアモルファスシリコンであるシリコン材料からなることを特徴とする水晶振動子。 - 前記シリコン材料は、ｐ型またはｎ型の不純物をドープしたものであることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
- 前記シリコン材料は、当該水晶振動子を構成する水晶のキューリー点よりも低い温度で前記振動腕部にデポジションされたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の水晶振動子。
- 前記振動腕部の先端部に前記シリコン材料よりも比重の大きい周波数調整用の金属膜が形成されていることを特徴とする請求項1ないし３のいずれか一つに記載の水晶振動子。
- パッケージと、
このパッケージの中に設けられた請求項１ないし４のいずれか一つに記載の水晶振動子と、
前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の電極パターンに電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする水晶振動子パッケージ。
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