JP6373669B2

JP6373669B2 - 水晶振動子

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Publication number: JP6373669B2
Application number: JP2014141609A
Authority: JP
Inventors: 秀紀櫻井; 智夫池田; 池田　　智夫
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-07-09
Also published as: JP2015035804A

Description

本発明は、移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる振動特性が良好で信頼性の高い水晶振動子及びその製造方法に関する。詳しくは、振動脚に溝が形成され、その溝の内側に島状の壁を有する音叉型水晶振動子及びその製造方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振動子や発振器等の圧電振動デバイスが広く使われている。こうした圧電振動デバイスの中でも、特に圧電材料として水晶を用いた水晶振動子や水晶発振器は温度特性が良好で精度も高いことから需要も非常に多い。

水晶振動子の中でも、低域の周波数帯（数百ｋＨｚ以下）に用いられる屈曲振動や捩り振動を利用した音叉型の水晶振動子は用途が広く多くの製品に用いられている。なお、屈曲振動は振動モードの一つで、振動体の外形が屈曲運動する振動モードを言う。一方、捩り振動は振動体の外形が捩れ運動する振動モードを言う。

以下に、屈曲振動を利用した振動子で最も一般的な音叉型の水晶振動子の構造を説明する。図１０は従来の振動脚の主面に２本の溝を有する水晶振動子の斜視図である。

図１０に示すように、従来の振動脚の主面に２本の溝を有する音叉型の水晶振動子１３は、基部３３と基部３３から突出した２本の振動脚１６０、１７０からなる振動片２３上に、所望の形状でパターニングされ、それぞれ電位の異なる電極５６、５７が形成されている。

さらに水晶振動子１３のクリスタルインピーダンス値（一般に略してＣＩ値と称する。）を低く抑えるために、図１０に示すように、振動脚１６０、１７０の主面に２本の溝４３が形成され、溝４３の内側の側壁にも電極５６、５７が形成されている構造が広く知られている（例えば特許文献１参照）。溝４３の内側の側壁と振動脚１６０、１７０の外側の側壁の間に電圧を印加し、電位を交互に切り替えることによって、圧電材料である水晶からなる振動脚１６０、１７０は電歪作用により振動する。ちなみにＣＩ値とは、水晶振動子の発振しやすさの指標となる値であり、ＣＩ値が小さいほど発振しやすく振動特性が良好な水晶振動子とされている。

なお、特許文献１には、主面に３本の溝が形成されている構造も開示されている。

また振動脚に形成される溝の形状は、ＣＩ値や振動脚の剛性に大きく影響するので、これまでに様々な形状が提案されている。図１１は従来の振動脚の長手方向に複数の小溝を並べた水晶振動子の斜視図である。

図１１に示すように、従来の振動脚の長手方向に複数の小溝４４を並べた音叉型の水晶振動子１４は、基部３４と基部３４から突出した２本の振動脚１８０、１９０からなる振動片２４上に、所望の形状でパターニングされ、それぞれ電位の異なる電極５８、５９が形成されている。さらに、振動脚１８０、１９０の主面には、複数の小溝４４が振動脚１８０、１９０の幅方向と長手方向の二次元方向に並んで形成されている（例えば特許文献２参照）。

このように小溝４４を配置することで、長手方向に長く形成した図１０に示すような溝４３よりも、溝深さを制御しやすくなり、歩留まりが向上し、良好で安定した電界効率が得られる。

図１２は従来の複数の小溝を千鳥配置で並べた水晶振動子の斜視図である。図１２に示すように、従来から開示されている複数の小溝４４を千鳥配置で並べた音叉型の水晶振動子１４は、基部３４と基部３４から突出した２本の振動脚１８０、１９０からなる振動片２４上に、所望の形状でパターニングされ、それぞれ電位の異なる電極５８、５９が形成されている。さらに、振動脚１８０、１９０の主面には、複数の小溝４４が振動脚１８０，１９０の幅方向と長手方向の二次元方向に千鳥配置で形成されている（例えば特許文献２及び特許文献３参照）。

このように小溝４４を振動脚１８０，１９０の主面に千鳥配置で並べることにより、小溝４４に形成される電極５８、５９の有効面積は図１１に示す水晶振動子上に形成された電極５８、５９に比べて広くなり、電界効率が向上する。

特開２０１２−１５６８７３号公報特開２００６−０６０７２７号公報特開２００４−２６０２４９号公報

上記に示すように、従来から振動脚の主面に複数の溝を形成することで電界効率を向上させ、クリスタルインピーダンス値（ＣＩ値）を低く抑えられることが知られている。しかしながら、近年、水晶振動子の小型化が進み、それにともない振動脚が細くなるにつれて、振動脚の主面の面積も狭くなるので、従来のように多数の溝を形成すると、必然的に溝幅が狭くなってしまう。

溝の内側の側壁には電極を所定の厚みで形成しなくてはならないが、その電極は蒸着法やスパッタリング法等の真空成膜法によって成膜されるため、溝幅が狭くなり開口部が狭まると、溝の奥深くまで電極膜材料が入り難くなり、その結果、溝の内側の側壁に電極が成膜されないという不良が多く発生していた。電極が成膜されないと、いくら溝形状を最適化しても、良好な電界効率は得られない。

特に図１１及び図１２に示すような小溝になると、より一段と開口部が狭くなるので、小溝の内側の側壁に電極を形成するのは非常に難しい。

以上の結果、従来の水晶振動子は小型化すればするほど、電界効率が悪化しＣＩ値が上昇するため、振動特性が悪く、信頼性の低い水晶振動子になっていた。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子は、振動脚に溝を有する振動片上に電極が形成される水晶振動子であって、水晶振動子は、中央脚と、中央脚の両隣に配置される振動脚と、中央脚の一端と振動脚とを接続する接続部と、中央脚の他端に形成された支持部とを備え、支持部と中央脚とで固定され、振動脚は、中央脚との接続部から突出方向に向かって縮幅する第一振動脚部と一定の幅を有する第二振動脚部とを備え、溝の内側に形成される少なくとも一つの島状の内壁が、第一振動脚部と第二振動脚部との境界部分に形成されている水晶振動子とする。

本発明の水晶振動子は、溝の内側に島状突起（内壁）を設けることにより、複数の溝を形成した時と同じように電界効率に優れた溝形状を得られ、かつ、島状に形成することにより、電極形成時に、広い開口面積が得られるので、電極材料を溝の奥深くまで成膜させることができる為、連続した電極膜を形成でき、より一層の電界効率の向上効果が得られる。その結果、ＣＩ値を低下させることができ、振動特性が良好で、信頼性の高い水晶振動子を提供できる。

さらに、溝の奥深くまで電極を形成し易くなるので、電極形成不良が少なくなり、生産性も向上する。

本発明の溝の内側に島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の斜視図本発明の島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の断面図本発明の水晶振動子の電極形成工程を示した図本発明の溝の内側に島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の斜視図本発明の溝の内側に島状突起を有する水晶振動子の斜視図本発明の溝の内側に島状突起を有する水晶振動子の正面図本発明の溝の内側に島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の斜視図本発明の溝の内側に島状に二列に並んだ内壁を有する中央脚を備えた水晶振動子の平面図本発明の島状に二列に並んだ内壁を有する中央脚を備えた水晶振動子の断面図従来の振動脚の主面に２本の溝を有する水晶振動子の斜視図従来の振動脚の長手方向に複数の小溝を並べた水晶振動子の斜視図従来の複数の小溝を千鳥配置で並べた水晶振動子の斜視図

以下に本発明を実施する形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の溝の内側に島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の斜視図である。図１に示すように、本発明の水晶振動子１０は、基部３０と基部３０から突出した２本の振動脚１００、１１０からなる振動片２０上に、所望の形状でパターニングされた異なる電位の電極５０、５１が形成される構造をなしている。また振動脚１００、１１０には、表裏の主面に振動脚の長手方向に沿って溝４０が形成されており、その溝４０の内側には、溝４０を幅方向に仕切る内壁７０が、振動脚の長手方向に沿って島状に一列に並んで形成されている。

なお振動脚１００の溝４０の内側の側面には電極５０が形成されており、振動脚１００の外側の側面には電極５０とは異なる電位の電極５１が形成されている。一方、振動脚１１０の溝４０の内側の側面には電極５１が形成されており、振動脚１１０の外側の側面には電極５１とは異なる電位の電極５０が形成されている。このようにして振動脚１００、１１０の外側の側面と溝４０の内側の側面との間に電圧を印加し、電位を交互に切り替えることによって、圧電材料である水晶からなる振動脚１００、１１０は電歪作用により振動する。

図２は本発明の島状に一列に並んだ内壁を有する水晶振動子の断面図である。図２（ａ）は図１における内壁７０が存在する領域の溝４０の断面（Ａ−Ａ断面）を示した図であり、図２（ｂ）は図１における内壁７０が存在しない領域の溝４０の断面（Ｂ−Ｂ断面）を示した図である。なお、本発明の内容をわかりやすく説明するために、電極５０、５１は省略して記載していない。

図２（ａ）に示すように、内壁７０が存在するＡ−Ａ断面では、溝４０ａは内壁７０によって、振動脚１００ａ、１１０ａの幅方向に２分割されており、２溝と同じような断面形状になっている。その結果、溝４０ａは溝幅が狭く、深さが深い形状で形成されるので、溝４０ａの内側の側壁４００ａは垂直に近い形状で形成されることとなる。

このように、溝４０ａの内側の側壁４００ａが垂直に近い形状で形成されることで、振動脚１００ａ、１１０ａの側壁３００との距離は、溝４０ａの開口部側から溝４０ａの底部側まで、ほぼ一定の距離にすることができ、側壁３００と側壁４００ａの間に無駄なく電位をかけることができる。これにより、非常に良好な電界効率が得られる。

一方、図２（ｂ）に示すように、内壁７０が存在しないＢ−Ｂ断面では、溝４０ｂは１本の溝の断面と同じような形状になっている。その結果、溝４０ｂは溝幅が広く、開口面積が非常に広くなっている。

このように、部分的に内壁７０を無くし、溝４０ｂの開口面積を広くしたことで、電極材料をスパッタリング法や蒸着法で成膜する工程において、電極材料が溝４０ｂの奥深くまで届くので、良好な電界効率を得るのに必要な膜厚を溝４０ｂの奥深くまで成膜することが可能となる。その結果、良好な電界効率が得られる。

なお、本発明のように所定の間隔で溝４０の内側に島状の内壁７０を形成して、電極材料を成膜すると、内壁７０と内壁７０の隙間から、電極材料は回り込んで成膜されるため、内壁７０が存在する領域（図２（ａ）の領域）においても、良好な電界効率を得るのに必要な膜厚を溝４０ａの奥深くまで成膜することが可能となる。

よって本発明では、内壁７０が存在する領域においては、溝形状の最適化による電界効率の向上効果と、電極５０、５１を溝４０ａの奥深くまで必要な膜厚で成膜できることによる電界効率の向上効果の両方を得ることができるのである。

本発明は、製造工程において、不良の発生を抑え信頼性の高い水晶振動子１０を製造することができるという利点も有している。図３は本発明の水晶振動子の電極形成工程を示した図である。なお、図３では、一方の振動脚１００の内壁７０が存在する領域の断面を用いて説明されているが、内壁７０が存在しない領域においても同じ製造方法で電極５０、５１が形成される。さらには、他方の振動脚１１０においても同じ製造方法で電極５０、５１が形成される。

まず始めに、図１における本発明の水晶振動子１０は、エッチング法によって振動片２０を形成した後に、図３（ａ）に示すように、スパッタリング法や蒸着法等の真空成膜法を用いて、振動脚１００ａの全面に電極膜５００を成膜する。図１に示す本発明の構成のように、溝４０の内側に島状に内壁７０を並べ、各々の内壁７０の間に隙間を設けることで、上述のように図３（ａ）に示す溝４０ａの側壁にも所望の膜厚で電極膜５００を成膜することができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、電極膜５００上に電着法によってレジスト２００を形成する。電着法は電流の流れる表面にのみレジストをコーティングすることができる方法で、本製造方法のように導電性を有する電極膜５００に電気を流せば、容易に電極膜５００上にレジストをコーティングすることができるので、非常に生産効率が良い。

その一方で、電流が流れる表面の導電膜が不均一な膜厚であったり、絶縁されているような場合、これらの欠陥を挟んだ２点間の膜間抵抗値は、正常な導電膜の膜間抵抗値よりも悪くなる場合が多い。その様な欠陥を有する導電膜に対して電着法でレジストを成膜すると、電流が流れ難い部分ではレジスト２００を所望の厚さに成膜できないという欠点があった。従って、図７に示す溝４３や図８に示す溝４４の内側には電極膜５００が薄く成膜されてしまい均一な厚さでレジスト２００をコーティングすることができなかった。

しかしながら、本発明の構造の水晶振動子１０では、溝４０ａの内側の側壁にも電流が流れるのに十分な膜厚で電極膜５００が成膜されているので、溝４０ａの内側にも、均一にレジスト２００を形成することができる。

次に図３（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー法によって、レジスト２００を電極５０、５１と同様の形状にパターニングする。

その後、図３（ｄ）に示すように、レジスト２００で覆われていない電極膜５００が露出している部分をエッチングによって除去し、電極膜５００を電極５０、５１の形状にパターニングする。

最後に、図３（ｅ）に示すように、レジスト２００を剥離して、電極５０、５１の形成が完了する。

以上のように、本発明によれば、溝４０ａの内側にもレジスト２００を均一にしっかりと形成することができるので、溝４０ａの内側の電極５０も所望の形状で安定してパターニングすることができる。その結果、電極５０のパターニング不良の発生を減少させることができ、生産性が向上する。

図４は実施例１に示した水晶振動子の変形例斜視図である。図４に示すように、溝４０の一端を、基部３０より突出する振動脚１００、１１０と基部３０の境界部分より形成しても良いし、基部に溝の一端を形成してもよい。ここで示す境界部分とは基部３０から振動脚１００、１１０が延伸している場所であり、図４では線分ＣＣにて示される。

図５は本発明の島状の内壁を有する水晶振動子の斜視図である。図６は水晶振動子の上面図である（電極不図示）。溝４１内に島状の内壁７１を１か所有する形状となっている。基部３１より延伸した振動脚１２０、１３０は印加された電圧による電歪作用による屈曲振動を行う。振動脚１２０、１３０は、基部３１との境界部分から、振動脚の延伸方向に向かって縮幅する第一振動脚部と一定の幅を有する第二振動脚部とを備え、第一振動脚部と第二振動脚部との境界近傍、つまり図６に示す線分ＤＤ近傍に変曲点を生じる。

図６に示すように、境界線ＤＤ上の振動脚１２０、１３０に形成した溝４１に内壁７１を設けることで、溝４１の側壁と内壁７１との間において、溝４１は深さ方向に均一な厚さが得られ、振動脚１２０、１３０による屈曲振動の変曲点近傍で最も電界効率の良い形状となり、更に振動脚が延伸する方向では溝４１内に形成される電極膜の均一性を優先させることができる。

図７は実施例３に示した水晶振動子のさらなる変形斜視図である。図７に示すように、溝４１の内側に島状に一列に並んだ内壁７１を形成している。

また、内壁は、複数列形成しても良く、図８は本発明の溝の内側に島状に二列に並んだ内壁を有する中央脚を備えた水晶振動子の平面図である。本実施例は小型化に適した中央脚８１を備えた水晶振動子１２に本発明を適用した例である。

図８に示すように、本実施例に示す水晶振動子１２は２本の振動脚１４０、１５０の間に中央脚８１を配置し、その中央脚８１の先端に支持部８０があり、支持部８０と中央脚８１とで水晶振動子１１を固定する構造となっている。このような構造にすることで、図１に示すような基部３０から振動脚１００、１１０が突出する構造の水晶振動子１０に比べて、全長を短くすることができるため、小型化に適している。

そうした理由から、中央脚８１を備えた水晶振動子１２は、小型化を目的として利用されることが多い。しかしながら、水晶振動子１２は小型化されればされるほど、ＣＩ値が高くなって悪化することが知られており、その結果、振動特性が悪くなるのが一般的であった。

本実施例に示す本発明の形態は、小型化した水晶振動子１２であってもＣＩ値が低く振動特性が良好であるのが利点である。

本発明の中央脚８１を備える水晶振動子１２は、中央脚８１の両隣に配置される振動脚１４０、１５０からなる振動片２２上に、所望の形状でパターニングされた異なる電位の電極５４、５５が形成される構造をなしている。また振動脚１４０、１５０には、表裏の主面に振動脚の長手方向に沿って溝４２が形成されており、その溝４２の内側には、溝４２を幅方向に仕切る内壁７２が、振動脚の長手方向に沿って島状に二列に並んで形成されている。

なお振動脚１４０の溝４２の内側の側面には電極５４が形成されており、振動脚１４０の外側の側面には電極５４とは異なる電位の電極５５が形成されている。一方、振動脚１５０の溝４２の内側の側面には電極５５が形成されており、振動脚１５０の外側の側面には電極５５とは異なる電位の電極５４が形成されている。このようにして振動脚１４０、１５０の外側の側面と溝４２の内側の側面との間に電圧を印加し、電位を交互に切り替えることによって、圧電材料である水晶からなる振動脚１４０、１５０は電歪作用により振動する。

図９は本発明の島状に二列に並んだ内壁を有する中央脚を備えた水晶振動子の断面図である。図９（ａ）は図８における内壁７２が存在する領域の溝４２の断面（Ｅ−Ｅ断面）を示した図であり、図９（ｂ）は図８における内壁７２が存在しない領域の溝４２の断面（Ｆ−Ｆ断面）を示した図である。なお、本発明の内容をわかりやすく説明するために、電極５４、５５は省略して記載していない。

図９（ａ）に示すように、内壁７２が存在するＥ−Ｅ断面では、溝４２ａは内壁７２によって、振動脚１４０ａ、１５０ａの幅方向に３分割されており、３溝と同じような断面形状になっている。その結果、溝４２ａは溝幅が狭く、深さが深い形状で形成されるので、溝４２ａの内側の側壁４２０ａは垂直に近い形状で形成されることとなる。

このように、溝４２ａの内側の側壁４２０ａが垂直に近い形状で形成されることで、振動脚１４０ａ、１５０ａの外側の側壁３２０と内側の側壁４２０ａとの距離（壁の厚さ）は、溝４２ａの開口部側から溝４２ａの底部側まで、ほぼ一定の距離にすることができ、側壁３２０と側壁４２０ａの間に無駄なく電位をかけることができる。これにより、非常に良好な電界効率が得られる。

さらに、振動脚１４０ａ、１５０ａを内壁７２によって幅方向に３分割し３溝と同じような断面形状にすることで、振動脚１４０ａ、１５０ａの柔軟性が増し振動しやすくなるので、２分割にした場合よりもさらにＣＩ値を低下させることができる。

一方、図９（ｂ）に示すように、内壁７２が存在しないＦ−Ｆ断面では、溝４２ｂは１本の溝の断面と同じような形状になっている。その結果、溝４２ｂは溝幅が広く、開口面積が非常に広くなっている。

このように、部分的に内壁７２を無くし、溝４２ｂの開口面積を広くしたことで、電極材料をスパッタリング法や蒸着法で成膜する工程において、電極材料が溝４２ｂの奥深くまで届くので、良好な電界効率を得るのに必要な膜厚を溝４２ｂの奥深くまで成膜することが可能となる。その結果、良好な電界効率が得られる。

なお、本発明のように一定の間隔で部分的に内壁７２を形成して、電極材料を成膜すると、内壁７２と内壁７２の隙間から、電極材料は回り込んで成膜されるため、内壁７２が存在する領域（図９（ａ）の領域）においても、良好な電界効率を得るのに必要な膜厚を溝４２ｂの奥深くまで成膜することが可能となる。

よって本発明では、内壁７２が存在する領域においては、溝形状の最適化による電界効率の向上効果と、電極５４、５５を溝４２ａの奥深くまで必要な膜厚で成膜できることによる電界効率の向上効果の両方を得ることができるのである。

以上のように、本発明は小型化に適した中央脚８１を備えた水晶振動子１２であっても、ＣＩ値を低くすることができるので、小型で振動特性に優れた水晶振動子１２を提供することができる。

１０、１１、１２、１３、１４水晶振動子
２０、２１、２２、２３、２４振動片
３０、３１、３２、３３、３４基部
４０、４１、４２、４３溝
４４小溝
５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９電極
７０、７１、７２内壁
８０支持部
８１中央脚
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０振動脚
１６０、１７０、１８０、１９０振動脚
２００レジスト
３００、３２０、４００ａ、４００ｂ、４２０ａ、４２０ｂ側壁
５００電極膜

Claims

振動脚に溝を有する振動片上に電極が形成される水晶振動子であって、前記水晶振動子は、中央脚と、前記中央脚の両隣に配置される前記振動脚と、前記中央脚の一端と前記振動脚とを接続する接続部と、前記中央脚の他端に形成された支持部とを備え、前記支持部と前記中央脚とで固定され、前記振動脚は、前記中央脚との接続部から突出方向に向かって縮幅する第一振動脚部と一定の幅を有する第二振動脚部とを備え、前記溝の内側に形成される少なくとも一つの島状の内壁が、前記第一振動脚部と前記第二振動脚部との境界部分に形成されていることを特徴とする水晶振動子。