特許 7522678 音叉型水晶振動子

(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】

(24)【登録日】2024-07-17

(45)【発行日】2024-07-25

(54)【発明の名称】音叉型水晶振動子

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20240718BHJP

   H03H 3/02 20060101ALI20240718BHJP

   H03H 9/215 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

H03H9/19 J

H03H3/02 B

H03H9/215

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021023145

(22)【出願日】2021-02-17

(65)【公開番号】P2022125526

(43)【公開日】2022-08-29

【審査請求日】2023-08-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000232483

【氏名又は名称】日本電波工業株式会社

(72)【発明者】

【氏名】桑原 貴之

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１４６５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２２９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－００８３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０２７５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６５３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／１１７８９１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｈ ９／００－ ９／７４

Ｈ０３Ｈ ３／００７－３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、前記基部から互いに平行に延びている第１及び第２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、前記第１及び第２の振動腕に配置された第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、これら第１の励振用電極及び第２の励振用電極を外部と接続するため、前記支持腕の先端側に設けた第１の接続パッド及び前記支持腕の前記基部側に設けた第２の接続パッドと、前記支持腕の長手方向途中に幅方向に沿って両側から設けた少なくとも１対の切欠きと、を具える音叉型水晶振動子において、
前記１対の切欠きのうちの、水晶の結晶軸の－Ｘ側に位置する切欠きを、当該支持腕の厚さ方向に向かって２段の段差状となった切欠きとしてあり、
前記２段の段差状となった切欠きは、水晶のＸ面に当たる面を見たとき、水晶のＲ面と水晶のｒ面とが、水晶のＹ′軸に沿って連なる結晶面構造を含み、かつ、水晶のＺ軸方向に沿って垂壁が非連続で散在する結晶面構造を含むものであることを特徴とする音叉型水晶振動子。

【請求項2】

基部と、前記基部から互いに平行に延びている第１及び第２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、前記第１及び第２の振動腕に配置された第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、これら第１の励振用電極及び第２の励振用電極を外部と接続するため、前記支持腕の先端側に設けた第１の接続パッド及び前記支持腕の前記基部側に設けた第２の接続パッドと、前記支持腕の長手方向途中に幅方向に沿って両側から設けた少なくとも１対の切欠きであって、水晶の結晶軸の－Ｘ側に位置する切欠きは当該支持腕の厚さ方向に向かって２段の段差状となった切欠きとなっている１対の切欠きと、を具える音叉型水晶振動子を製造するに当たり、
水晶ウエハに、前記基部、前記第１及び第２の振動腕、前記支持腕並びに前記１対の切欠きの１段目の切欠きから成る当該音叉型水晶振動子の外形を形成する第１エッチング工程と、
前記第１エッチング工程が済んだ水晶ウエハに、前記２段の段差状となった切欠きの２段目の切欠きを形成するため、当該２段目の切欠きの平面的な大きさを、前記１段目の切欠きより大きくする第２エッチング工程と、
前記第２エッチング工程が済んだ水晶ウエハ全面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜をパターニングして、前記第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、前記第１の接続パッド及び第２の接続パッドを形成する工程と、
を含むことを特徴とする音叉型水晶振動子の製造方法。

【請求項3】

当該音叉型水晶振動子は、前記第１の振動腕及び第２の振動腕各々に、溝を備え、前記第２エッチング工程は、前記溝を形成するエッチング工程を兼ねるものとすることを特徴とする請求項２に記載の音叉型水晶振動子の製造方法。
以 上

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３本腕構造の音叉型水晶振動子に関する。

【背景技術】

【0002】

小型化に有利な音叉型水晶振動子として、いわゆる３本腕構造の音叉型水晶振動子がある。３本腕構造の音叉型水晶振動子の一例が、例えば特許文献１に開示されている。図６はこの音叉型水晶振動子１０の概要を説明する図である。特に図６（Ａ）は、この音叉型水晶振動子１０を配線の展開図の体裁で示した平面図、図６（Ｂ）は、音叉型水晶振動子１０の、図６（Ａ）中のＰ－Ｐ線に沿った断面図である。図６中に示したＸ，Ｙ′、Ｚは、水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ′軸、Ｚ軸である。なお、Ｙ′軸とは、音叉の設計に起因して決まる所定の切断角度分、本来のＹ軸からずれていることを示している。

【0003】

この音叉型水晶振動子１０は、基部１１と、第１の振動腕１３ａ及び第２の振動腕１３ｂと、支持腕１５と、溝１３ｃ（図６（Ｂ）のみで図示）と、第１の励振用電極１７ａ及び第２の励振用電極１７ｂと、を具えている。
第１の振動腕１３ａ及び第２の振動腕１３ｂは、基部１１から互いに平行に延びている。支持腕１５は、第１の振動腕１３ａと、第２の振動腕１３ｂとの間に、基部１１から、これら振動腕１３ａ、１３ｂに平行な状態で延びている。溝１３ｃは、第１の振動腕１３ａ、第２の振動腕１３ｂ各々の表裏両面に、所定の深さで設けてある。溝１３ｃは、振動腕１３ａ、１３ｂに駆動信号の電界を効率的に印加するためのものである。

【0004】

第１の励振用電極１７ａ及び第２の励振用電極１７ｂは、各振動腕１３ａ、１３ｂａの合計８個の面に、所定関係で引き回してある。しかも、第１の励振用電極１７ａ及び第２の励振用電極１７ｂの一部を、支持腕１５に引き回してあり、この引き回した部分の一部分が、パッケージ（図示せず）と接続するための第１の接続パッド１７ａｘ、第２の接続パッド１７ｂｘとなっている。

【0005】

また、支持腕１５の長手方向の途中に、支持腕１５の幅方向に沿って支持腕の両側から一対の切欠き１５ｃ、１５ｄを設けてある。特許文献１の段落６８，７０，７１、７４等に、切欠き１５ｃ、１５ｄの機能が記載されている。
すなわち、励振用電極１７ａ，１７ｂや接続パッド１７ａｘ、１７ｂｘを形成する場合、音叉の外形形成が済んだウエハ全面に金属膜を形成し、そのウエハにレジストを塗布し、このレジストを所定のホトマスクを介して露光し現像してレジストパタンを得る。そして、金属膜の、レジストパタンで覆われていない部分を、除去して、上記励振用電極や接続パッドを形成する。ところが、支持腕の側面のレジストは露光されにくいため、支持腕側面の金属膜は除去できず残存し易い。支持腕側面に金属膜が残存した場合は、第１の接続パッド１７ａｘと第２の接続パッド１７ｂｘとを、分割できない。しかし、切欠き１５ｃ、１５ｄを設けてあると、切欠きの箇所に斜面が生じるためレジストは露光がされ易くなるため、上記短絡を防止できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１４－２０００４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載されている切欠きは、支持腕側面における金属膜の短絡を防止する効果を示すが、それでも改善の余地はまだある。
この出願はこの点に着目してなされたものであり、従ってこの発明の目的は、３本腕構造の音叉型水晶振動子の支持腕における電極分割が従来に比べ確実にできる新規な構造とその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

この目的の達成を図るため、この発明の音叉型水晶振動子は、基部と、前記基部から互いに平行に延びている第１及び第２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、前記第１及び第２の振動腕に配置された第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、これら第１の励振用電極及び第２の励振用電極を外部と接続するため、前記支持腕の先端側に設けた第１の接続パッド及び前記支持腕の前記基部側に設けた第２の接続パッドと、前記支持腕の長手方向途中に幅方向に沿って両側から設けた少なくとも１対の切欠きと、を具える音叉型水晶振動子において、
前記１対の切欠きのうちの、少なくとも水晶の結晶軸の－Ｘ側に位置する切欠きを、当該支持腕の厚さ方向に向かって２段以上の段差状となった複数段の切欠きとしてあることを特徴とするものである。

【0009】

この音叉型水晶振動子の発明を実施するに当たり、前記複数段の切欠きは、水晶のＸ面に当たる面を見たとき、水晶のＲ面と水晶のｒ面とが、水晶のＹ′軸に沿って連なる結晶面構造を含むものであることが好ましい。
この音叉型水晶振動子の発明を実施するに当たり、前記複数段の切欠きは、水晶のＸ面に当たる面を水晶のＺ軸方向に沿って見たとき、垂壁が非連続で散在する結晶面構造を含むものであることが好ましい。
上記のいずれの結晶面構造も、音叉型水晶振動子の側面に生じる垂壁の面積を減少させる効果を生むので、露光されにくい面を減少できるため、電極間短絡の危険性を低減できる。

【0010】

また、この発明の音叉型水晶振動子の製造方法は、基部と、前記基部から互いに平行に延びている第１及び第２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、前記第１及び第２の振動腕に配置された第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、これら第１の励振用電極及び第２の励振用電極を外部と接続するため、前記支持腕の先端側に設けた第１の接続パッド及び前記支持腕の前記基部側に設けた第２の接続パッドと、前記支持腕の長手方向途中に幅方向に沿って両側から設けた少なくとも１対の切欠きであって、少なくとも水晶の結晶軸の－Ｘ側に位置する切欠きは当該支持腕の厚さ方向に向かって２段以上の段差状となった複数段の切欠きとなっている１対の切欠きと、を具える音叉型水晶振動子を製造するに当たり、
水晶ウエハに、前記基部、前記第１及び第２の振動腕、前記支持腕並びに前記複数段の切欠きの１段目の切欠きから成る当該音叉型水晶振動子の外形を形成する第１エッチング工程と、
前記第１エッチング工程が済んだ水晶ウエハに、前記複数段の切欠きの２段目の切欠きを形成する第２エッチング工程と、
前記第２エッチング工程が済んだ水晶ウエハ全面に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜をパターニングして、前記第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、前記第１の接続パッド及び第２の接続パッドを形成する工程と、
を含むことを特徴とする。

【0011】

この音叉型水晶振動子の製造方法を実施するに当たり、前記２段目の切欠きの平面的な大きさは、前記１段目の切欠きより大きくすることが好ましい。

【0012】

この音叉型水晶振動子の製造方法を実施するに当たり、当該音叉型水晶振動子は、前記第１の振動腕及び第２の振動腕各々に、溝を備え、前記第２エッチング工程は、前記溝を形成するエッチング工程を兼ねるものとすることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

音叉型水晶振動子の分野では小型化や複雑化が著しい。そのため、音叉型水晶振動子を製造する際は、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチングが使用される。従って、ウエットエッチングに対する水晶の結晶異方性が顕著になり、外形エッチングが済んだ音叉の特に水晶の－Ｘ面に当たる部分が垂壁になり、露光光が当たりにくくなる。これに対し、この発明の音叉型水晶振動子の場合、１対の切欠きのうちの少なくとも水晶の結晶軸の－Ｘ側に位置する切欠きを、複数段の切欠きとしてあるため、単純な切欠きを設ける場合に比べ、垂壁を減少でき、切欠きでの露光を促進できる。このため、第１の接続パッドと第２の接続パッドとの短絡を、従来に比べ、低減できる。
また、この発明の音叉型水晶振動子の製造方法によれば、複数段の切欠きを容易に製造できるため、複数段の切欠きを備えた音叉型水晶振動子を容易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、実施形態の音叉型水晶振動子１００の説明図である。

【図2】図２は実施例の説明図である。

【図3】図３は比較例の説明図である。

【図4】実際の製品例を説明する図である。

【図5】製造方法の発明の実施形態の説明図である。

【図6】従来技術及び課題の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照してこの発明の音叉型水晶振動子及びその製造方法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れら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、また従来図に対し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。

【0016】

１．音叉型水晶振動子の構造
図１は、実施形態の音叉型水晶振動子１００の説明図であり、特に（Ａ）図はその平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＰ－Ｐ線に沿った断面図である。
実施形態の音叉型水晶振動子１００は、基部１１と、第１の振動腕１３ａ及び第２の振動腕１３ｂと、支持腕１５と、溝１３ｃ（（Ｂ）図のみで図示）と、第１の励振用電極１７ａ及び第２の励振用電極１７ｂと、第１の接続パッド１７ａｘ及び第２の接続パッド１７ｂｘとを具えている。これらは構成成分は、図６を用いて説明した既知の音叉型水晶振動子のものと同様であるので、その説明は省略する。

【0017】

実施形態の音叉型水晶振動子１００において特徴となるものは、支持腕１５に設けた１対の切欠き１０１、１５ｄのうち水晶のＸ軸の－Ｘ側に当たる位置にする切欠き１０１である。すなわち、支持腕１５に設けた切欠きのうち水晶のＸ軸の－Ｘ側に当たる位置にする切欠き１０１は、支持腕１５の厚さ方向、すなわち水晶のＺ軸方向に向かって２段以上の段差状となった複数段の切欠き１０１としてあることが特徴である。
複数段の切欠き１０１での切欠きの段数は、２段以上の任意で良いが、本発明の目的や製造の容易さを考量すれば、２段又は３段が好ましい。実施形態の場合は、複数段の切欠き１０１は、１段目の切欠き１０１ａと２段目の切欠き１０１ｂとの２段構成としてある。また、この実施形態の場合、水晶の＋Ｘ側に位置する切欠きは、従来と同様に通常の切欠き１５ｄとしてあるが、水晶の＋Ｘ側に位置する切欠きも、複数段の切欠き１０１で構成する場合があっても良い。

【0018】

また、この実施形態の場合、複数段の切欠き１０１と切欠き１５ｄとは、Ｘ方向に直線状に並ぶように支持腕１５に設けているが、複数段の切欠き１０１と切欠き１５ｄとを、Ｙ′方向に沿ってずらして設ける場合があっても良い。また、切欠きは１対以上設ける場合があっても良い。
また、図１に示した例では、複数段の切欠きの平面形状を、１段目が右向き三角形状、２段目が左空きのコの字形状としてあるが、平面形状は、短絡防止効果が図り易い任意の形状に変更できる。

【0019】

２．実施例及び比較例
次に、実施例及び比較例により、本発明の音叉型水晶振動子における複数段の切欠き１０１について詳細に説明する。
図２は実施例の説明図である。具体的には、図２（Ａ）は、本発明の思想に従い試作した音叉型水晶振動子の支持腕１５の１対の切欠きの部分に着目して、上方から撮影したＳＥＭ写真である。図２（Ｂ）は、複数段の切欠き１０１に着目して側面から撮影したＳＥＭ写真であって、各面の状態や結晶面を補足をしたものである。図２（Ｃ）は、複数段の切欠き１０１に着目して上方から撮影したＳＥＭ写真であって、各面の状態や結晶面を補足をしたものである
図３は比較例の説明図である。具体的には、複数段の切欠きを設けない従来の音叉型水晶振動子の支持腕１５の切欠き１５ｃ、１５ｄに着目して上方から撮影したＳＥＭ写真である。図３（Ｂ）は、切欠き１５ｃに着目して側面から撮影したＳＥＭ写真であって、各面の状態や結晶面をしたものである。図３（Ｃ）は、切欠き１５ｃに着目して上方から撮影したＳＥＭ写真であって、各面の状態や結晶面を補足をしたものである。

【0020】

図２及び図３を比較することで明らかなように、実施例と比較例とでは、垂壁Ｖの位置、形状および面積に違いがあり、然も、水晶のｒ面及び水晶のＲ面の配置や形状に違いがあることが分かる。以下、具体的に説明する。
図２（Ａ）～（Ｃ）のＳＥＭ写真及び結晶面の補足から理解できるように、実施例の音叉型水晶振動子の複数段の切欠き１０１の場合は、垂壁Ｖは、連続する面積が比較的狭く、かつ、散在していることが分かる。しかも、特に、図２（Ｃ）から理解できるように、水晶のｒ面およびＲ面は、水晶のＹ′軸方向に連なる結晶面構造を有していることが分かる。
すなわち、複数段の切欠き１０１は、水晶のＸ面に当たる面を水晶のＺ軸方向に沿って見たとき、垂壁Ｖが非連続で散在する結晶面構造を含むものとなっている。従って、本発明に係る複数段の切欠き１０１によれば、露光されにくい垂壁の面積を減少でき、かつ、連続性を低減できる効果が得られる。
これに対し、比較例の場合は、図３（Ａ）～（Ｃ）のＳＥＭ写真及び結晶面の補足から理解できるように、特に、図３（Ｃ）から理解できるように、垂壁Ｖは、支持腕１５の側面を支持腕の表裏に渡って広い面積で存在している。しかも、水晶のｒ面およびＲ面は、垂壁Ｖによって分断されて、互いに離れた位置に存在していて、かつ、面積も比較的狭い。

【0021】

支持腕の側面において、垂壁が連続したり、垂壁の面積が広いと、支持腕１５の側面に金属膜が残存し易くなり、その分、第１の接続パッド１７ａｘと第２の接続パッド１７ｂｘ（図１参照）とが短絡する危険が増す。また、水晶のｒ面及びＲ面が散在したり、面積が狭いと、支持腕側面の斜面の面積が少なくなり、露光がされにくくなるから、支持腕１５の側面に金属膜が残存し易くなり、その分、第１の接続パッド１７ａｘと第２の接続パッド１７ｂｘ（図１参照）とが短絡する危険が増す。
このような短絡のメカニズムを考えた場合、実施例の音叉型水晶振動子のような複数段の切欠き１０１の構造は、第１の接続パッド１７ａｘと第２の接続パッド１７ｂｘ（図１参照）との短絡不良の軽減に好ましいことが分かる。

【0022】

３．実製品の例
次に、この発明の理解を深めるための一例として、本発明の音叉型水晶振動子１００を用いた実製品２０の例を説明する。図４はそのための図であり、特に図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）中のＰ－Ｐ線断面図、図４（Ｃ）は背面図である。
実製品２０は、音叉片を収容する凹部２１ａを有したセラミック製容器２１を用いた例である。凹部２１ａの底面に、容器側の接着パッド２１ｂを具えている。容器２１の外側底面に、外部実装端子２１ｃを具えている。接着パッド２１ｂと外部実装端子２１ｃとは、図示しないビア配線によって接続されている。
音叉型水晶振動子１００は、容器２１に、支持腕１５の第１の接着パッド１７ａｘ及び第２の接着パッド１７ｂｘと、容器側の接着パッド２１ｂとの位置で、導電性接着剤２３によって接続固定してある。容器２１の天面に蓋部材２５が接合されて、音叉型水晶振動子１００を容器２１内に封止してある。

【0023】

４．製造方法の実施形態
次に、この出願の製造方法の発明の実施形態について説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）はそのための説明図である。
本願の音叉型水晶振動子の製造方法の発明では、先ず、図５（Ａ）に示したように、水晶ウエハＷ１に、上記の基部、第１及び第２の振動腕、支持腕並びに前記複数段の切欠きの１段目の切欠き１０１ｘ、１５ｘから成る当該音叉型水晶振動子の外形１１ａを形成する第１エッチング工程を実施する。具体的には、ウエハＷ１の全面に金属膜を形成し、次に、このウエハ上に、外形１１ａと桟となる部分とは被覆するレジストパタンを形成し、次いで、このレジストパタンをマスクとして金属膜を選択的にエッチングする。その後、このウエハをフッ酸系のエッチャントに浸漬して、外形１１ａに対応する音叉片がマトリクス状に配置されたウエハを得る。

【0024】

次に、図５（Ｂ）に示したように、第１エッチングが済んだ水晶ウエハに、前記複数段の切欠きの２段目の切欠きを形成する第２エッチング工程を実施する。具体的には、第１エッチングが済んだ水晶ウエハＷ２に、その残存する金属膜の２段目の切欠きに当たる領域を露出する窓１０１ｙを有したレジストパタンを形成し、その後、このウエハをフッ酸系のエッチャントに浸漬する。この工程は、振動腕に溝を形成するための窓１３ｃａを形成する工程と併せて行うことが好ましく、この実施形態ではそうしている。第２エッチング工程が済むと、図１、図２等に示した複数段の切欠き１０１を有した音叉型水晶片の要部が完成する。なお、第２段目の切欠きを形成するためのパタンは、第１の切欠きより少なくとも水晶のＸ軸方向においては平面的に大きい方が好ましい。
次に、第２エッチング工程が済んだ水晶ウエハ全面に励振用電極形成用の金属膜を形成し、次いで、この金属膜をパターニングして、第１の励振用電極及び第２の励振用電極と、第１の接続パッド及び第２の接続パッドを形成する。
上記した実施形態の製造方法によれば、複数段の切欠き１０１を容易に形成できる。しかも、振動腕の溝を形成する工程で同時に形成できるので、好ましい。

【符号の説明】

【0025】

１００:実施形態の音叉型水晶振動子 １１：基部
１３ａ：第１の振動腕 １３ｂ：第２の振動腕
１３ｃ：溝 １５：支持腕
１７ａ：第１の励振用電極 １７ｂ：第２の励振用電極
１７ａｘ：第１の接続パッド １７ｂｘ：第２の接続パッド
１０１：１５ｃ：１対の切欠き １０１：複数段の切欠き
Ｖ：垂壁 ｒ：水晶のｒ面
Ｒ：水晶のＲ面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】