特許第6373669号(P6373669)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6373669
(24)【登録日】2018年7月27日
(45)【発行日】2018年8月15日
(54)【発明の名称】水晶振動子
(51)【国際特許分類】
   H03H 9/19 20060101AFI20180806BHJP
   H03H 9/215 20060101ALI20180806BHJP
【FI】
   H03H9/19 K
   H03H9/215
【請求項の数】1
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2014-141609(P2014-141609)
(22)【出願日】2014年7月9日
(65)【公開番号】特開2015-35804(P2015-35804A)
(43)【公開日】2015年2月19日
【審査請求日】2017年3月23日
(31)【優先権主張番号】特願2013-145956(P2013-145956)
(32)【優先日】2013年7月12日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000166948
【氏名又は名称】シチズンファインデバイス株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000001960
【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 秀紀
(72)【発明者】
【氏名】池田 智夫
【審査官】 竹内 亨
(56)【参考文献】
【文献】 特開2006−345519(JP,A)
【文献】 特開2009−060347(JP,A)
【文献】 特開2013−074519(JP,A)
【文献】 国際公開第2004/010577(WO,A1)
【文献】 特開2015−154289(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03H 9/00−9/76
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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)。
【0010】
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。
【0011】
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)。
【0012】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開2012−156873号公報
【特許文献2】特開2006−060727号公報
【特許文献3】特開2004−260249号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【課題を解決するための手段】
【0018】
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。
【発明の効果】
【0019】
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。
【0020】
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。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1】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
図2】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
図3】本発明の水晶振動子の電極形成工程を示した図
図4】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
図5】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
図6】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
図7】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
図8】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
図9】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
図10】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
図11】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
図12】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
【発明を実施するための形態】
【0022】
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。
【実施例1】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【実施例2】
【0041】
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。
【実施例3】
【0042】
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。
【0043】
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。
【実施例4】
【0044】
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。
【実施例5】
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【符号の説明】
【0060】
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
図1
図2
図3
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図5
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図12