JP6689684B2 - 音叉型水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、２本の振動腕と、それらの間に設けた支持腕と、を具える音叉型水晶振動子に関する。

電子機器の小型化に伴い、音叉型水晶振動子に対する小型化の要求が益々高まっている。音叉型水晶振動子の小型化に有利な構造の一つとして、いわゆる３本腕構造の音叉型水晶振動子がある。基部と、基部から互いに平行して延びている２本の振動腕と、これら振動腕の間に前記基部から延びている支持腕と、を具えた音叉型水晶振動子である。

例えば特許文献１には、支持腕を２本の振動腕からほぼ等距離の位置に設け、かつ、支持腕の質量を振動腕の質量より大きくした３本腕構造の音叉型振動子が開示されている（例えば図４、段落２７）。また、特許文献２には、３本腕構造の音叉型水晶振動子において、耐衝撃性を高めるため、基部および支持腕の少なくとも一方の主面に溝部を設けることが開示されている（例えば要約）。これら３本腕構造の音叉型水晶振動子はフォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術を用いて量産される。

特開２００３−１６３５６８号公報 特開２０１０−２５９０２３号公報

ところで、２本腕構造の通常の音叉型水晶振動子に比べ、３本腕構造の音叉型水晶振動子は、支持腕が細いため支持部が強固とは言い難い。このため、特許文献２に開示された技術をはじめとして、耐衝撃性を高めるための検討が種々行われている。
この点に関し、この出願に係る発明者は以下のような検討を進めた。図２（Ａ）はその説明図であり、検討を進めた３本腕構造の音叉型水晶振動子の概略を示した平面図である。ただし、水晶片に着目した図であり、水晶片を収納する容器や水晶片に設けてある電極等の図示は省略してある。
この音叉型水晶振動子１０は、基部１１と、基部１１から互いは平行に延びている２本の振動腕１３ａ、１３ｂと、これら振動腕１３ａ、１３ｂ間に基部１１から延びている支持腕１５とを具える。なお、図２（Ａ）中、１３ｃで示したものは、電界効率を向上させるために振動腕の表裏に設けた溝である（詳細省略）。

このような３本腕構造の音叉型水晶振動子において、耐衝撃性を高める簡単な策は、支持腕１５の幅を広くすることである。しかし、支持腕の幅を単に広くした場合、いわゆる振動漏れの問題が生じる。すなわち、音叉型水晶片が収納・固定されている容器（図示せず）に振動腕１３ａ、１３ｂの振動エネルギーが支持腕１５を通して漏れること、逆に、容器側の外力が支持腕１５を通して振動腕１３ａ、１３ｂに影響することが生じ、振動子の特性低下という問題が生じる。

これを回避するため、この出願に係る発明者は支持腕１５の基部１１側の付け根に、支持腕１５の幅方向に沿って支持腕１５の中心側に窪んでいる窪み部１７を設けることで、上記の振動漏れの影響を軽減しようと試みた。ただし、支持腕１７の付け根部の幅Ｗが狭すぎる場合、及び、この窪み部１７の支持腕の長手方向に沿う寸法Ｌ（窪み部の長さＬともいう）が長すぎる場合は、耐衝撃性が低下するので、これらの適正化が必要である。現状、３本腕構造の音叉型水晶振動子に要求される最終パッケージ寸法が長辺１．６ｍｍ、短辺１．２ｍｍ、いわゆる１６１２サイズ以下の大きさであること、そして、これに内蔵する音叉型水晶片の寸法を考慮したとき、この出願に係る発明者の検討によれば、支持腕１５の付け根部の幅Ｗは０．０４〜０．０８ｍｍが良く、また、窪み部の長さＬは、このＷに対し、Ｗ≦Ｌ≦２Ｗが良い。また、支持腕１５の付け根部と各振動腕との間の隙間、すなわち窪み部１７の幅をＢ（図２（Ａ）参照）と表したとき、これが大きすぎては音叉型振動子の幅が広くなりすぎ、小さすぎてはウエットエッチングが良好に行えないので、このＢは、上記Ｗに対し、０．８Ｗ≦Ｂ≦２．６Ｗが良い。そこで、これら寸法範囲で音叉設計を進めた。

しかしながら、３本腕構造の音叉型振動子は、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術によって形成されるため、窪み部１７の箇所で、水晶の結晶軸のエッチング異方性に起因する特異形状によって耐衝撃性が低下する場合があると考えられる。これについて、図２（Ｂ）を参照して説明する。

図２（Ｂ）は、発明者が試作した３本腕構造の音叉型水晶振動子の基部１１、振動腕１３ａ、１３ｂ及び支持腕１５付近に着目したＳＥＭ（走査型顕微鏡）写真である。なお、図２（Ｂ）には水晶の結晶軸も示してある。
この図２（Ｂ）から分かるように、支持腕１５と左振動腕１３ａとの間の股部（左側股部とも言う）１９ａと、支持腕１５と右振動腕１３ｂとの間の股部（右側股部とも言う）１９ｂは、いずれもＶ字状の形状を有するが、両者の形状は異なることが分かる。具体的には、左側股部１９ａの方が右側股部１９ｂに比べ、Ｖ字の底が鋭角になることが分かる。このように股部形状に差異が生じる理由は、窪み部１７を設けたことで水晶の結晶軸異方性の影響度が大きくなったためである。詳細は省略するが、水晶のＸ軸に直交する面ではプラス方向の面とマイナス方向の面とでウエットエッチング時のエッチング速度に差が生じ、この影響を受けて、支持腕１５両側の各々の窪み部１７のエッチング形状に差が生じ、結果的に左側股部１９ａと右側股部１９ｂのＶ字形状に差が生じる。そして、この左側股部１９ａのＶ字の鋭角部分は、振動子に衝撃が加わった際に、水晶片の破損の起点になり易いと考えられる。従って、何らかの策を講じないと窪み部１７を設ける利点が減じてしまうという問題がある。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従ってこの出願の目的は、支持腕に窪み部を設けても耐衝撃性の改善が期待できる３本腕構造の音叉型水晶振動子を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この発明によれば、基部と、基部から互いに平行して延びている２本の振動腕と、これら振動腕間に前記基部から延びている支持腕と、この支持部の付け根に設けられ支持腕の幅方向に沿って中心側に窪んでいる窪み部と、を具え、前記振動腕の幅方向が水晶結晶軸のＸ軸方向かつ長さ方向が水晶結晶軸のＹ軸方向である音叉型水晶振動子において、
前記Ｘ軸方向での前記２本の振動腕間の中心位置に対し、前記Ｘ方向での支持腕の中心位置を、プラスＸ方向に所定寸法ずらしてあることを特徴とする。
この発明を実施するに当たり、前記Ｘ軸方向での２本の振動腕の中心間距離をａと表し、前記支持腕をずらす前記所定寸法をｂと表したとき、この所定寸法ｂを下記（１）を満たす寸法とするのが好適である。
０．０１≦ｂ／ａ≦０．１ ・・・（１）
より好ましくは、所定寸法ｂを、０．０３≦ｂ／ａ≦０．１を満たす寸法とするのが良い。

この発明の音叉型水晶振動子では、支持腕の位置を所定寸法だけプラスＸ軸側にずらしてあるため、支持腕と振動腕の間の股部のうちのプラスＸ側の窪み部（図２（Ｂ）の左側股部）ではウエットエッチング時のエッチング残渣の量が増え、プラスＸ側の股部のＶ字が補強される。この結果、振動子に衝撃が及んだ場合でもＶ字の先端を起点とする破損の発生を軽減できると期待できる。

（Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の音叉型水晶振動子３０の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は課題を含めた発明者の検討結果を説明する図である。

以下、図面を参照してこの発明の音叉型水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

図１（Ａ）は実施形態の音叉型水晶振動子３０を示した平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＭ部分を拡大して示した平面図である。ただし、図１は、水晶片に着目した図であり、水晶片を収納・固定する容器や水晶片に設けてある電極等の図示は省略してある。
この音叉型水晶振動子３０は、基部３１と、２本の振動腕３３ａ、３３ｂと、支持腕３５と、窪み部３７ａ、３７ｂと、溝３９と、を具えている。
２本の振動腕３３ａ、３３ｂは、基部３１から互いに平行に延びている。また、この場合の振動腕３３ａ、３３ｂ各々は、先端部の幅が他の部分より広くしてある。また、支持腕３５は、詳細は後述するが、２本の振動腕３３ａ、３３ｂ間に、振動腕に平行に基部から延びている。また、窪み部３７ａ、３７ｂは、詳細は後述するが、支持部３５の付け根の両側に設けられていて、かつ、支持腕３５の幅方向に沿って支持腕の中心側に窪んでいる。また、溝３９は、振動腕３３ａ、３３ｂ各々の表裏両面に所定の深さで設けてある。この音叉型水晶振動子３０では、振動腕３３ａ、３３ｂの幅方向が水晶の結晶軸のＸ軸となっており、振動腕３３ａ、３３ｂの長さ方向が水晶の結晶軸のＹ軸となっている。この音叉型水晶振動子３０は、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術により製造される。

次に、この発明の特徴である支持腕３５と窪み部３７ａ、３７ｂの実施形態について、主に図１（Ｂ）を参照して説明する。
支持腕３５は、窪み部３７ａ、３７ｂを設けてある箇所の幅（支持部の付け根部の幅）がＷであり、付け根部以外の部分の幅がＷＸとなっている。ここで、支持部の付け根部の幅Ｗは、既に説明したように、０．０４ｍｍ〜０．０８ｍｍが良い。また、支持腕３５の窪み部３７以外の部分の幅ＷＸは、支持腕３５の付け根部の幅Ｗより大きい値である。具体的には水晶片を容器に固定する必要面積等を考慮して決める値である。これに限られないが、ＷＸの下限値は、支持部３５の付け根部の幅Ｗに対し、１．５Ｗ程度が良く、ＷＸの上限値は２本の振動腕３３ａ、３３ｂの内側の距離よりやや小さな値である。
また、窪み部３７ａ、３７ｂの幅Ｂ１，Ｂ２（図１（Ｂ）参照）は、上述したＢ（図２（Ｂ）参照）と同様な寸法が良く、従って０．８Ｗ≦Ｂ１、Ｂ２≦２．６Ｗが良い。ただし、支持腕３５を後述する通り水晶のＸ軸においてプラスＸ方向にずらしてあるので、水晶のＸ軸に沿ったプラスＸ側の窪み部の幅Ｂ１、マイナスＸ側の窪み部の幅Ｂ２は、実際は、０．８Ｗ≦Ｂ１≦２．４Ｗ、１．２Ｗ≦Ｂ２≦２．６Ｗが良い。

また、窪み部３７ａ、３７ｂの支持腕３５の長手方向に沿う寸法をＬ（窪み部の長さＬともいう）と表したとき、この窪み部の長さＬは、既に説明したように、Ｗ≦Ｌ＜２Ｗから選ばれる値とするのが良い。
そして、支持腕３５は、そのＸ軸方向での中心位置Ｐが、２本の振動腕３３ａ、３３ｂ間の中心位置Ｏに対し、所定寸法ｂだけ水晶のプラスＸ方向にずれるように、基部３１に設けてある。具体的には、２本の振動腕３３ａ、３３ｂ間の寸法をａと表した場合、上記の所定寸法ｂは、この発明者の検討によれば、０．０１≦ｂ／ａ≦０．１ を満たす値とするのが良い。これより小さすぎると、支持腕３５と水晶のプラスＸ軸方向の振動腕３３ａとの間の股部のＶ字をウエットエッチング時のエッチング残渣で補強するという効果が得られず、逆に、大きすぎると２本の振動腕のバランスが悪くなって振動子の特性を低下させることになるからである。
支持腕３５を水晶のプラスＸ軸方向に所定の寸法ｂだけずらして位置させると、図１（Ｂ）の例であれば、支持腕３５と振動腕３３ａとの間が狭くなるので、支持腕３５の左側の窪み部３７ａのエッチング残渣により、支持腕３５と振動腕３３ａとの間の股部のＶ字が補強されて、耐衝撃性の向上が期待できると共に左右の振動腕３３ａ、３３ｂのバランスを損ねるまでには至らない。この所定の寸法ｂは、上記の通り、０．０１≦ｂ／ａ≦０．１ を満たす値とするのが良いが、より好ましくは、０．０３≦ｂ／ａ≦０．１を満たす値とするのが良い。
この実施形態の３本腕構造の音叉型水晶振動子によれば、振動漏れを低減でき、かつ、窪み部にウエットエッチング時の恩恵を与えて対衝撃性の低下も防止できるという効果が期待できる。

３０:実施形態の音叉型水晶振動子、 ３１：基部、 ３３ａ，３３ｂ：振動腕、
３５：支持腕、 ３７ａ、３７ｂ：窪み部、 ３９：溝
ａ：２本の振動腕の中心間距離、 ｂ：支持腕をずらす所定寸法、
Ｏ：２本の振動腕間の中心位置、 Ｐ：支持腕の中心位置
Ｗ：支持腕の付け根部の幅、
ＷＸ：支持腕の付け根部以外の部分の幅、 Ｌ：窪み部の長さ、
Ｂ１，Ｂ２：窪み部の幅

Claims (4)

1. 基部と、該基部から互いに平行して延びている２本の振動腕と、これら振動腕間に前記基部から延びている支持腕と、該支持腕の付け根に設けられ該支持腕の幅方向に沿って中心側に窪んでいる窪み部と、を具え、前記振動腕の幅方向が水晶結晶軸のＸ軸方向かつ長さ方向が水晶結晶軸のＹ軸方向であり、前記Ｘ軸方向での前記２本の振動腕間の中心位置に対し、前記Ｘ軸方向での前記支持腕の中心位置を、プラスＸ方向に所定寸法ずらしてある音叉型水晶振動子であって、
   前記Ｘ軸方向での２本の振動腕の中心間距離をａと表し、前記支持腕をずらす前記所定寸法をｂと表したとき、該所定寸法ｂを下記（１）を満たす寸法としてあることを特徴とする音叉型水晶振動子。
   ０．０１≦ｂ／ａ≦０．１ ・・・（１）
2. 請求項１に記載の音叉型水晶振動子において、
   前記所定寸法ｂを、下記（２）を満たす寸法としてあることを特徴とする音叉型水晶振動子。
   ０．０３≦ｂ／ａ≦０．１ ・・・（２）
3. 請求項１又は２に記載の音叉型水晶振動子において、
   前記支持腕の付け根部の幅Ｗが、０．０８〜０．１２ｍｍであり、
   前記窪み部の前記支持腕の長手方向に沿う寸法Ｌが、Ｗ≦Ｌ≦２Ｗであり、
   水晶のＸ軸に沿ったプラスＸ側の窪み部の幅Ｂ１と，マイナスＸ側の窪み部の幅Ｂ２が、０．８Ｗ≦Ｂ１≦２．４Ｗ、１．２Ｗ≦Ｂ２≦２．６Ｗである
   ことを特徴とする音叉型水腫振動子。
4. 請求項３に記載の音叉型水晶振動子において、
   前記支持腕の付け根部以外の幅をＷＸと表したとき、このＷＸを、１．５Ｗ≦ＷＸ
   を満たす値としてあることを特徴とする音叉型水晶振動子。
   −以上−
   

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