音叉型圧電振動子、圧電振動デバイス、及び圧電発振器
【課題】音叉又部の底面近傍の電極間における短絡・接触等の不具合を減少させた信頼性の高い音叉型圧電振動子、同振動子を用いた圧電振動デバイス、及び圧電振動デバイスを用いた圧電発振器を提供する。
【解決手段】外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部（１３）と、振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部（１１，１２）と、この振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、当該溝部に設けられた溝電極（１１ａｅ、１２ａｅ）と、振動子腕部の溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極（１１ｂｅ、１２ｂｅ）と、基部電極と側面電極若しくは溝電極とを接続する第一の接続用電極（１３ｅ５）と、溝電極と側面電極とを接続する第二の接続用電極（１３ｅ６）と、を含む音叉型圧電振動子において、側面電極を振動子基部の音叉又部の底面から所定の距離をおいて設ける。
【解決手段】外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部（１３）と、振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部（１１，１２）と、この振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、当該溝部に設けられた溝電極（１１ａｅ、１２ａｅ）と、振動子腕部の溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極（１１ｂｅ、１２ｂｅ）と、基部電極と側面電極若しくは溝電極とを接続する第一の接続用電極（１３ｅ５）と、溝電極と側面電極とを接続する第二の接続用電極（１３ｅ６）と、を含む音叉型圧電振動子において、側面電極を振動子基部の音叉又部の底面から所定の距離をおいて設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、水晶振動子等を用いた音叉型圧電振動子、当該振動子を用いた圧電振動デバイス、及び当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器における安定した周波数信号の供給素子として、従来からピエゾ圧電効果を利用した、例えば、水晶振動子などの圧電振動子が広く用いられている。特に、近年における電子機器の小型化・軽量化の要求に伴い、水晶振動子を音叉型に形成した音叉型水晶振動子が普及しつつある。水晶振動子の構造をこのような音叉型に形成することによって、その形状が小型で、しかもそのＣＩ値（クリスタルインピーダンス値；水晶振動子の等価直列抵抗値）の低い製品を実現することが出来る。
【０００３】
従来の一般的な音叉型水晶振動子の構造を図６（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、図６（ａ）は音叉型水晶振動子１００の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ’方向の断面図である。なお、これらの図面においては説明の便宜上、音叉型水晶振動子の各面上に設けられている励振用電極の表示を省略している。
【０００４】
図６（ａ）に示されるように、音叉型水晶振動子１００は、振動子基部１０３と、かかる基部から音叉状に突設された２本の振動子腕部１０１及び１０２より構成されている。また、振動子腕部１０１、１０２の表面及び裏面には、該腕部の長手方向に沿ってそれぞれ溝部１０１ａ、１０２ａが形成されている。したがって、振動子腕部１０１、１０２の断面形状は、図６（ｂ）の断面図に示されるように略Ｈ型となる。このような略Ｈ型断面の腕部を有する音叉型水晶振動子は、従来の平面型の水晶振動子に比べて、水晶振動片の大きさを小型化しても電気機械変換係数を高くすることができるので、そのＣＩ値を低く保つことができるというメリットを有している。
【０００５】
音叉型水晶振動子１００を所定の周波数で振動させるためには、振動子腕部１０１、１０２に励振用の電界を印加する必要がある。このため、溝部１０１ａ、１０２ａには、溝部の長手方向に沿ってそれぞれ溝電極が設けられており、また、溝部が設けられていない腕部の側面部１０１ｂ、１０２ｂには、腕部側面の長手方向に沿ってそれぞれ側面電極が設けられている（何れも図示せず）。
【０００６】
音叉型水晶振動子１００に励振用の電界を形成するには振動子の外部から励振用の駆動電流を供給する必要がある。このため、振動子基部１０３の面上には、外部電流源との接続を担う基部電極が設けられている。また、かかる基部電極と上記の溝電極或いは側面電極とを接続する接続用電極、及び溝電極と側面電極とを接続する接続用電極も振動子基部１０３等の面上に設けられている（何れも図示せず）。
【０００７】
外部電流源から音叉型水晶振動子１００に励振用の駆動電流が供給されると、以上に説明した各電極を介して、振動子腕部１０１、１０２のそれぞれの溝電極と側面電極に駆動電流が印加されて各電極間に励振電界が生じる。これによって、振動子腕部の略Ｈ型断面の左右壁部は圧電現象により互いに逆方向の伸縮を生じ、振動子腕部１０１、１０２は互いに反対方向の屈曲振動を為す。かかる屈曲振動によって、音叉型水晶振動子１００はＱ値（周波数選択度）の高い共振素子となり得るのである。
【０００８】
次に、音叉型水晶振動子１００における電極配置の一例を図７に示す。なお、同図は音叉型水晶振動子１００の表面のみを示すものであり、その裏面の表示については説明の重複を避けるため省略する。
【０００９】
図７において、１０３ｅ１及び１０３ｅ２は振動子基部１０３の表面に設けられた基部電極である。また、１０１ａｅは振動子腕部１０１の溝部１０１ａに設けられた溝電極であり、１０２ａｅは振動子腕部１０２の溝部１０２ａに設けられた溝電極である。また、１０１ｂｅ及び１０２ｂｅは、それぞれの腕部の側面部１０１ｂ、１０２ｂに設けられた側面電極である。なお、図７によれば側面電極１０１ｂｅ、１０２ｂｅは、それぞれの振動子腕部の溝部を有する面の音叉状先端部の近傍にも設けられているが、これは各腕部の両側面に設けられた側面電極同士を接続するためである。
【００１０】
基部電極１０３ｅ１は、接続用電極１０３ｅ３を介して側面電極１０１ｂｅに接続されており、同じく基部電極１０３ｅ１は、接続用電極１０３ｅ５を介して溝電極１０２ａｅに接続されている。一方、基部電極１０３ｅ２は、接続用電極１０３ｅ４を介して側面電極１０２ｂｅに接続されており、更に基部電極１０３ｅ２は、側面電極１０２ｂｅと接続用電極１０３ｅ６を介して溝電極１０１ａｅに接続されている。
【００１１】
ところで、上記の略Ｈ型断面を有する音叉型水晶振動子の大きさは極めて微小であり、例えば、振動子の共振周波数が３２．７６８ｋＨｚの場合は、振動子腕部１０１、１０２の横幅が０．１ｍｍ程度、溝部１０１ａ、１０２ａの横幅が０．０７ｍｍ程度にまで小型化されている。したがって、振動子腕部の面上に各種の電極を設ける際には、これらの電極の架設エリアは、例えば、０．０１５ｍｍの幅内に限定される場合もある。
【００１２】
一般に、良好な伝導状態を維持するため、電極幅としては０．０１ｍｍ程度の横幅が必要とされるので、例えば、溝電極と側面電極との間隔は僅か０．００５ｍｍ程度までしか許されない場合も生ずる。このため、実際の製造工程における誤差等を考慮すれば、これらの電極同士が接触・短絡する可能性が高く、これらの電極の形成処理が製造工程における製品歩留まり率を低下させる一要因となっていた。また、電極同士の接触・短絡を防止すべく、電極形成処理におけるエッチングの精度を高めた場合、マスクパターンの微細化などにより処理工程が複雑化して製造コストが著しく増大するという問題があった。
【００１３】
このよう問題を解決すべく、例えば、特許文献１乃至３に記載された発明が開示されている。因みに、特許文献１には各電極間の接触を防止すべく、側面電極用の接続電極と溝電極及び／又は溝電極用の接続電極との間にスペース部（接続電極配置部）を設けた発明が開示されている。
【００１４】
また、特許文献２には、例えば、溝電極の横幅にテーパを付して、溝電極と側面電極との分離距離を順次増大させて両電極の接触を防止する発明が開示されている。さらに、特許文献３には音叉型水晶振動子の音叉状腕部の付け根の部分（以下、「音叉又部」という）の底面に凸状隔壁を設けて、電極蒸着時のフォトエッチングの不良によって、両腕部の内側に成型されている側面電極同士が短絡・接触することを防止する発明が開示されている。
【特許文献１】特開２００２―０７６８２７号公報
【特許文献２】特開２００５―２２９１４３号公報
【特許文献３】特開平１１―１６００７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
一般に、水晶振動子の面上に各種の電極を形成する場合には、先ず、水晶振動子の面上に、例えば、真空蒸着などの手法によって金属皮膜を形成する。次に、かかる金属皮膜上にフォトレジストを塗布し、これに所定のフォトエッチング処理を施して所望の電極パターンを形成する。
【００１６】
音叉型水晶振動子の場合は、その外形を形成する際に音叉状の２本の腕部の間を素子の表・裏の両面からエッチングを行っている。このため、その音叉又部はエッチングの異方性により複雑な形状が表裏反転して形成される。ところで、かかる外形形成が為された素子に各種の電極を形成する際に、音叉又部の複雑な構造から音叉又部の底面近傍にはフォトレジストが堆積され易く、また、その複雑な形状からエッチング処理の露光時における紫外線の感光が不十分になりがちである。このため、音叉又部においては、本来エッチング処理によって除去されるべき不要な金属皮膜が残留し易い傾向があり、音叉又部近傍の電極間において電極パターンの接触・短絡が生じ易いという問題があった。
【００１７】
ところで、前述の特許文献１及び２に開示された発明は、音叉型水晶振動子の表面若しくは裏面における電極間のスペースを広げて電極間の短絡を防止するものであるため、かかる音叉又部の底面近傍における不具合問題については適切な解決手段を示すものではない。また、特許文献３に開示された発明は、音叉又部の底面近傍における短絡不具合について一つの解決手段を示すものであるが、音叉型水晶振動子の外形エッチングの際に、音叉又部の底面形状に特殊加工を施す必要があるので、製造時の処理工程が複雑となり製造コストの上昇を招くという欠点がある。
【００１８】
本発明は、上述したような問題を解決することを目的とするものであり、具体的には、音叉又部の底面近傍においてエッチング処理の不良による電極間の短絡・接触不具合の発生を防止して、信頼性の高い音叉型圧電振動子を提供することを目的とする。さらに、本発明は、当該音叉型振動子を用いた圧電振動デバイス、並びに当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の観点による音叉型圧電振動子は、外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部と、この振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部と、振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、この溝部に設けられた溝電極と、振動子腕部の溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極と、基部電極と側面電極若しくは溝電極とを接続する第一の接続用電極と、溝電極と側面電極とを接続する第二の接続用電極と含み、側面電極は振動子基部における音叉又部の底面から所定の距離をおいて設けられている。
【００２０】
上記の構成によれば、振動子腕部の側面に設けられた側面電極が音叉又部の底面から所定の距離だけ隔離されているため、エッチング不良などによって音叉又部の底面近傍に金属皮膜が残留しても、かかる残留金属皮膜によって側面電極が他の電極と短絡・接触することを防ぐことができる。これによって、信頼性の高い音叉型圧電振動子を従来と同様の製造処理工程と製造コストによって実現することができる。
【００２１】
本発明の第２の観点による音叉型圧電振動子は、上記第１の観点において、所定の距離の最適値が、音叉型圧電振動子の製造工程における製品歩留り率を該距離決定のパラメータの一つとして決定される。
【００２２】
音叉型圧電振動子の製造工程における製品の歩留り率は、上記所定の距離（側面電極端部と音叉又部の底面からの距離）と相関関係を有している。すなわち、かかる距離が長ければ、側面電極の端部と音叉又部の底面とが確実に分離されるので、残留金属皮膜による短絡の可能性が低下して製品の歩留まり率が増加する。一方、かかる距離が短ければ、残留金属皮膜による短絡不具合の可能性が増大して製品の歩留まり率が減少する。したがって、上記の構成によれば、製造工程における製品の歩留り率を所望の値以上に維持しつつ、信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２３】
本発明の第３の観点による音叉型圧電振動子は、上記第１の観点において、所定の距離の最適値が、音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値の増加率を該距離決定のパラメータの一つとして決定される。
【００２４】
音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗の値は、上記所定の距離（側面電極端部と音叉又部の底面からの距離）と相関関係を有している。かかる距離が長ければ、即ち、側面電極を短くすれば、振動子腕部に対する励振電界の印加範囲面積が減少するため振動子固有の等価直列抵抗の値が上昇して振動子としての性能の低下を招く。一方、かかる距離を短くすれば、即ち、側面電極を伸ばせば、上記と反対の理由から等価直列抵抗の値は減少して振動子としての性能向上を図ることができる。したがって、上記の構成によれば、音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値を所望の値以下に維持しつつ、信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２５】
本発明の第４の観点による音叉型圧電振動子では、上記第１の観点において、圧電振動子が水晶振動子で構成される。かかる構成によれば、技術的に実績の豊富な水晶振動子を用いて信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２６】
本発明の第５の観点による音叉型圧電振動子では、上記第１の観点において、圧電振動子がセラミック振動子で構成される。かかる構成によれば、比較的に低コストのセラミック振動子を用いて信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２７】
本発明の第６の観点による圧電振動デバイスは、上記第１の観点における音叉型圧電振動子を所定のパッケージの内部に備え、かつ、該音叉型圧電振動子の基部電極がパッケージの外部出力端子に接続されている。かかる構成によれば、上記第１の観点における音叉型圧電振動子を内蔵した圧電振動デバイスを、電子機器等のプリント基板等に実装可能な電気部品として実現することができる。
【００２８】
本発明の第７の観点による圧電発振器は、増幅回路と、この増幅回路の入出力間に設けられた帰還回路とを含み、帰還回路は、該帰還ループ中における共振周波数を特定する共振素子として上記第６の観点による圧電振動デバイスを備えている。このような構成によれば、発振器の発振周波数を決定するデバイスとして上記第６の観点による圧電振動デバイスを用いられるため、信頼性の高い圧電発振器を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、新たな製造処理工程の追加や製造コストの上昇を招くことなく、音叉又部の底面近傍における電極間の短絡・接触を防止した音叉型圧電振動子、当該振動子を用いた圧電振動デバイス、及び当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器を実現することができる。以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態である音叉型水晶振動子１０において、励振用の各電極や、各電極間の接続用電極の配置の一例を示す説明図である。因みに、本発明による音叉型水晶振動子１０の構造は、前述の図６に示されたものと同様であるため、その構造を示す振動子全体の斜視図や振動子腕部の断面図は省略する。すなわち、図１に示される音叉型水晶振動子１０は、振動子基部１３と、かかる振動子基部から音叉状に突設された２本の振動子腕部１１及び１２から構成されているものとする。
【００３１】
また、振動子腕部１１、１２の表面及び裏面には、該腕部の長手方向に沿ってそれぞれ溝部１１ａ、及び１２ａが形成されている。したがって、振動子腕部１１、１２の断面形状は、前述の図６（ｂ）に示されるＡ−Ａ’方向断面図と同様に略Ｈ型となっている。因みに、このような略Ｈ型断面の腕部を有する音叉型水晶振動子は、従来の平面型の水晶振動子に比べて、水晶振動片自体の大きさを小型化しても電気機械変換係数を高くすることができるので、その性能の一指標であるＣＩ値を低く保つことができるというメリットを有している。
【００３２】
図１において、１３ｅ１及び１３ｅ２は振動子基部１３の表面に設けられた基部電極である。また、１１ａｅは振動子腕部１１の溝部１１ａに設けられた溝電極であり、１２ａｅは振動子腕部１２の溝部１２ａに設けられた溝電極である。また、１１ｂｅ及び１２ｂｅは、それぞれの腕部の側面部１１ｂ、１２ｂに設けられた側面電極である。なお、側面電極は、振動子腕部の両側面（音叉状腕部の内側と外側）、及び溝部が有る面の音叉状腕頂部近傍に設けられている。
【００３３】
次に、各電極間の接続関係を説明すれば以下のとおりである。先ず、基部電極１３ｅ１は、接続用電極１３ｅ３を介して側面電極１１ｂｅに接続されており、同じく基部電極１３ｅ１は、接続用電極１３ｅ５を介して溝電極１２ａｅに接続されている。一方、基部電極１３ｅ２は、接続用電極１３ｅ４を介して側面電極１２ｂｅに接続されており、更に基部電極１３ｅ２は、側面電極１２ｂｅ及び接続用電極１３ｅ６を介して溝電極１１ａｅに接続されている。
【００３４】
外部の電流源から基部電極１３ｅ１及び１３ｅ２を介して、音叉型水晶振動子１０に励振用の駆動電流が供給されると、以上に説明した各電極を経由して振動子腕部１１、１２のそれぞれの溝電極と側面電極に駆動電流が印加され、電極間の各々に励振電界が生じる。これによって、腕部の略Ｈ型断面の左右壁部は圧電現象により互いに逆方向の伸縮を生じ、振動子腕部１１、１２は互いに反対方向の屈曲振動を為し、Ｑ値（周波数選択度）の高い振動子を実現することが出来る。
【００３５】
次に、音叉型水晶振動子１０の面上に上記の各電極が形成される工程を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００３６】
先ず、所定の水晶基板をエッチングすることにより、その表面に電極が設けられていない状態の音叉型水晶振動片の外形が形成される。なお、以下の記述においては、主に腕部１１及び１２における電極の形成工程を中心に説明を行う。また、両腕部の構造は同一であるので、腕部１１の場合を例に採って説明を行う。
【００３７】
図２は、腕部１１に各電極が形成される際の工程の概略を示す説明図である。先ず、図２（ａ）は、上記のエッチング処理によってその外形が形成された音叉型水晶振動片の腕部１１の断面図を示す。前述のように、腕部１１の表面並びに裏面には溝部１１ａが形成される。次に、腕部１１を含む音叉型水晶振動片の面全体に、例えば、真空蒸着等の技術によって金属皮膜１１０が形成される。この状態を図２（ｂ）に示す。
【００３８】
かかる金属皮膜は、その下層がクロム（Ｃｒ）で構成されており、その厚さは、例えば、１００オングストローム乃至１０００オングストロームに形成される。また、その上層は金（Ａｕ）で構成されており、その厚さは、例えば、５００オングストローム乃至１０００オングストロームに形成される。なお、これらの金属皮膜の材質並びに膜厚数値は、あくまでも本発明の一実施例を示すものであり、本発明の実施がかかる事例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３９】
音叉型水晶振動片の表面全体に金属皮膜１１０が形成された後、音叉型水晶振動片の全面にフォトレジストが塗布されて、金属皮膜１１０の上面に図２（ｃ）に示すフォトレジスト膜１１１が形成される。因みに、かかるフォトレジストは、紫外線に対して感光感度を有する樹脂部材をベースとした化合物であり、微細粒子による流動性を有するため、スプレー等により霧状に噴霧して塗布することが好ましい。なお、フォトレジスト膜１１１の厚さは、例えば、１μｍ乃至６μｍ程度にすることが好ましい。
【００４０】
続いて、フォトレジストパターンの形成処理が行われる。先ず、音叉型水晶振動片の面上において各電極の形成部を除く部分を覆うようなマスクパターン（図示せず）を介して紫外線がフォトレジスト膜１１１全体に照射される。かかる露光処理の終了後、マスクパターンに覆われた部分以外の余分なフォトレジストが現像液によって除去され、加熱処理等の工程を経て残ったフォトレジスト膜１１１が固化される。これによって、電極形成部に対応する形状のフォトレジストパターン１１２が形成される（図２（ｄ））。その後、フォトレジストパターン１１２をマスクとしてエッチング処理が施され、電極の形成部を除く余分な金属皮膜が除去されて電極部の金属皮膜１１３が形成される（図２（ｅ））。
【００４１】
それ故、上記のフォトエッチング処理において、紫外線の露光が不十分でありマスクパターン以外の余分なフォトレジストが残留した場合は、かかるレジストの下にある金属皮膜が除去されず、これによって電極間の接触・短絡が生ずることになる。
【００４２】
ところで、図１からも明らかなように、本発明においては、音叉状腕部内側の側面電極１１ｂｅ、１２ｂｅのそれぞれの端部と、音叉又部の底面との間に所定の距離ｄが設けられている。この様子を更に明瞭に表したものが図３に示す音叉又部付近の拡大斜視図である。
【００４３】
本発明の第１の実施の形態による音叉型水晶振動子１０では、側面電極１１ｂｅ、及び１２ｂｅが図３に示されるような構造となっており、音叉状腕部の内側の各側面電極が音叉又部の底面から十分に隔離されている。したがって、フォトレジストパターンの形成処理時における露光不足によって、音叉又部の底面に余分な金属皮膜が残留しても、かかる残留金属皮膜によって側面電極が他の電極と接触・短絡することを防ぐことができる。
【００４４】
なお、距離ｄを長くするほど、即ち、側面電極の端部を音叉又部の底面から隔離するほど、電極間の接触・短絡の可能性が減少するため音叉型水晶振動子の製品歩留まり率は向上する。しかしながら、かかる距離ｄを長くすれば、側面電極の電極面積が減少するため振動子腕部に印加される励振電界範囲の減少を招き、音叉型水晶振動子としての性能低下を惹起する。そして、かかる性能の低下は、例えば、音叉型水晶振動子固有の等価直列抵抗値（ＣＩ値）の増加として表れる。
【００４５】
したがって、上記の距離ｄは、一義的にその最適値が決定されるものではなく、上記の製品歩留まり率や等価直列抵抗の増加率等を距離ｄ決定のパラメータの一つとして用いて、その最適値が導出されるものである。すなわち、製品歩留まり率のある程度の低下は許容しても、ＣＩ値の低い高性能の音叉型水晶振動子の製造を目的とするのであれば、距離ｄを短めに設定すれば良い。一方、ある程度のＣＩ値の増加を許容しても製品歩留まり率を向上させるのであれば、上記の距離ｄを長めに設定するようにすれば良い。
【００４６】
なお、以上に説明した実施の形態では、音叉型圧電振動子の部材として水晶振動子を例にとって説明を行ったが、本発明の実施はかかる事例に限定されるものではなく、例えば、セラミック振動子やその他の圧電振動部材を用いて、本発明の第１の実施の形態である音叉型圧電振動子を構成するようにしても良い。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態による圧電振動デバイスの構造を示す断面模式図である。先ず、図４（ａ）は、本実施形態の第１の実施例に係るセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ａの構造を示す断面図である。圧電振動デバイス４０ａのセラミックパッケージ４１は、ベース部４１ａ及び掩蓋部４２から構成されており、その内部に上述の実施形態を有する音叉型水晶振動子１０が内蔵されている。音叉型水晶振動子１０は、ボンディング部４３を介してベース部４１ａに電気的に接続され、かつ機械的にもベース部４１ａによって担持される。また、セラミックパッケージ４１のベース部４１ａと掩蓋部４２とは、シール部４４によって密封・封止されている。
【００４８】
次に、本実施形態の第２の実施例によるセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ｂの構造を図４（ｂ）の断面図に示す。この圧電振動デバイス４０ｂは、上述のセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ａと多くの部分でその構成が共通している。したがって、圧電振動デバイス４０ａと音叉型水晶振動子１０の構成、作用等については、同一符号を付する等して、その説明を省略する。
【００４９】
図４（ｂ）に示す圧電振動デバイス４０ｂは、図４（ａ）に示すセラミック製パッケージの圧電振動デバイス４０ａにおいて、音叉型水晶振動子１０の下方で、ベース部４１ａの上に複数の集積回路４５を配置したものである。すなわち、圧電振動デバイス４０ｂでは、その内部に配置された音叉型水晶振動子１０からの出力信号が一旦集積回路４５に供給され、かかる集積回路４５において種々の処理が施された後に、所定の周波数信号として圧電振動デバイス４０ｂから外部に出力される。
【００５０】
集積回路４５は、例えば、周波数の分周回路や、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路であっても良いし、或いは、所定の温度センサー等を含んだ温度補償回路であっても良い。なお、図４（ｂ）に示される集積回路４５の個数や形状等は、本実施形態の一例を示すものに過ぎず、本実施形態がかかる事例に限定されるものでないことは言うまでない。
【００５１】
次に、本実施形態の第３の実施例によるシリンダータイプによる圧電振動デバイス４０ｃの構造を図４（ｃ）に示す。この圧電振動デバイス４０ｃは、上述の音叉型水晶振動子１０を、例えば、金属製のキャップ（シリンダー）部４６の内部に納めたものである。このキャップ部４６の開口端には、ステム部４７が圧入されており、キャップ４６部の内部が真空状態に保持されるようになっている。
【００５２】
また、キャップ４６部の内部に格納された音叉型水晶振動子１０を保持し、かつ音叉型水晶振動子１０との電気的な接続を図るため、ステム部４７を貫通して２本の外部出力端子４８が設けられている。そして、外部出力端子４８の各々は、音叉型水晶振動子１０の基部電極１３ｅ１及び１３ｅ２に接続されている（図示せず）。外部出力端子４８並びに基部電極１３ｅ１、１３ｅ２を介して、外部の電流源から、駆動電流が音叉型水晶振動子１０に供給されると、音叉型水晶振動子１０は所定の周波数で励振される。
【００５３】
本発明の第２の実施の形態による各実施例の圧電振動デバイスは、以上に説明したような構成を有し、上記の第１の実施の形態による音叉型圧電水晶振動子１０を圧電振動子として内蔵するため、周波数の安定度が高く、かつ信頼性の高い圧電振動デバイスを実現することができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による圧電発振器５０の構成を示す回路ブロック図である。同図において増幅回路５１は、例えば、トランジスタやオペアンプ、或いはインバータ等の能動増幅素子から構成された増幅回路である。また、帰還回路５２は、増幅回路５１の出力を増幅回路の入力側に帰還させる帰還回路であり、一般に、発振器の発振周波数を決定する共振素子をその帰還ループ中に含む回路網から構成されている。因みに、帰還回路５２は、前述の第２の実施の形態による圧電振動デバイス４０を、かかる共振素子として使用するものである。それ故、圧電振動デバイス４０の構成並びに作用等に関しては、第２の実施の形態と同一の符号を付する等して、その説明を省略する。
【００５５】
なお、図５（ａ）に示される圧電発振器５０は、増幅回路の出力をＣＬ１及びＣＬ２の２つのキャパシタで分割して増幅回路の入力側に帰還する、いわゆるコルピッツ（Ｃｏｌｐｉｔｔｓ）発振回路を構成している。しかしながら、図５（ａ）に示される圧電発振器の回路構成は、本発明の第３の実施形態の一実施例を示すものに過ぎず、本発明の実施の形態である発振器の回路構成が、かかる発振回路の形式に限定されるもので無いことは言うまでもない。
【００５６】
次に、圧電発振器５０の発振周波数について言及する。いま、圧電振動デバイス４０の等価回路を図５（ｂ）に示す。同図において、Ｃ０は圧電振動デバイス４０の並列キャパシタ、Ｌ１はその等価直列インダクタ、Ｃ１はその等価直列キャパシタ、そして、Ｒ１はその等価直列抵抗を表している。
【００５７】
ここで、圧電振動デバイス４０の直列共振周波数、すなわち、圧電振動デバイス４０の２端子間におけるインピーダンスが最も小さくなる周波数をｆｒとすると、直列共振周波数ｆｒは
【数１】
として表すことができる。
【００５８】
一方、図５（ａ）の回路において、圧電振動デバイス４０の負荷となるキャパシタＣＬ１、ＣＬ２の合成値をＣＬとおくと
ＣＬ＝ＣＬ１×ＣＬ２／（ＣＬ１＋ＣＬ２）
となる。したがって、圧電発振器５０の発振周波数ｆ０は、通常のコルピッツ発振回路における発振周波数の場合と同様に
【数２】
として求めることができる。
【００５９】
通常、圧電振動デバイス４０の等価直列キャパシタＣ１は、他のキャパシタＣ０、ＣＬの容量値に比べて一桁以上小さいので、圧電発振器５０は、直列共振周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ０で発振することになる。また、負荷キャパシタＣＬ１、並びにＣＬ２の値を調整することによって発振周波数ｆ０の値を微調整することも可能である。
【００６０】
本発明の第３の実施の形態による圧電発振器は、以上に説明したような構成を有し、帰還路中における発振周波数を定める共振デバイスとして、上記第２の実施の形態による圧電振動デバイスを備えている。これによって、高性能で発振周波数の安定度が高く、かつ信頼性の高い圧電発振器を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上に説明した、本発明の実施による音叉型圧電振動子、圧電振動デバイス、及び圧電発振器は、圧電振動子を高精度周波数信号の供給源として用いる各種の通信機器や制御機器等の全ての電子機器において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一つの実施形態である音叉型水晶振動子における電極配置例を示す図である。
【図２】図１に示す音叉型水晶振動子の振動子腕部におけるエッチング処理の工程を説明する図である。
【図３】図１に示す音叉型水晶振動子において、振動子腕部の音叉又部の内側に設けられた側面電極の状態を説明する図である。
【図４】本発明の一つの実施形態である圧電振動デバイスの各実施例による構造の概略を説明する図である。
【図５】本発明の一つの実施形態である圧電発振器の回路構成ブロックを説明する図である。
【図６】従来の音叉型水晶振動子の構造を説明する図である。
【図７】図６に示す音叉型水晶振動子における電極配置例を説明する図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０、１００ …音叉型水晶振動子
１１、１２、１０１、１０２ …振動子腕部
１３、１０３ …振動子基部
１１ａ、１２ａ、１０１ａ、１０２ａ … 振動子腕部溝部
１１ｂ、１２ｂ、１０１ｂ、１０２ｂ … 腕部側面部
１１ａｅ、１２ａｅ、１０１ａｅ、１０２ａｅ … 溝部電極
１１ｂｅ、１２ｂｅ、１０１ｂｅ、１０２ｂｅ … 側面電極
１３ｅ１、１３ｅ２、１３ｅ３、１３ｅ４、１３ｅ５、１３ｅ６、１０３ｅ１、
１０３ｅ２、１０３ｅ３、１０３ｅ４、１０３ｅ５、１０３ｅ６ … 接続用電極
１１０ … 金属皮膜
１１１ … フォトレジスト膜
１１２ … フォトレジストパターン
１１３ … 電極部金属皮膜
４０ａ、４０ｂ … セラミックパッケージ製圧電振動デバイス
４０ｃ … シリンダータイプ圧電振動デバイ
４１ … セラミックパッケージ
４１ａ … ベース部
４２ … 掩蓋部
４３ … ボンディング部
４４ … シール部
４５ … 集積回路
４６ … キャップ部
４７ … ステム部
４８ … 外部端子
５０ … 圧電発振器
５１ … 増幅回路
５２ … 帰還回路
Ｃ０ … 並列キャパシタ
Ｌ１ … 等価直列インダクタ
Ｃ１ … 等価直列キャパシタ
Ｒ１ … 等価直列抵抗
ＣＬ１、ＣＬ２ … 負荷キャパシタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、水晶振動子等を用いた音叉型圧電振動子、当該振動子を用いた圧電振動デバイス、及び当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子機器における安定した周波数信号の供給素子として、従来からピエゾ圧電効果を利用した、例えば、水晶振動子などの圧電振動子が広く用いられている。特に、近年における電子機器の小型化・軽量化の要求に伴い、水晶振動子を音叉型に形成した音叉型水晶振動子が普及しつつある。水晶振動子の構造をこのような音叉型に形成することによって、その形状が小型で、しかもそのＣＩ値（クリスタルインピーダンス値；水晶振動子の等価直列抵抗値）の低い製品を実現することが出来る。
【０００３】
従来の一般的な音叉型水晶振動子の構造を図６（ａ）、（ｂ）に示す。ここで、図６（ａ）は音叉型水晶振動子１００の斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＡ−Ａ’方向の断面図である。なお、これらの図面においては説明の便宜上、音叉型水晶振動子の各面上に設けられている励振用電極の表示を省略している。
【０００４】
図６（ａ）に示されるように、音叉型水晶振動子１００は、振動子基部１０３と、かかる基部から音叉状に突設された２本の振動子腕部１０１及び１０２より構成されている。また、振動子腕部１０１、１０２の表面及び裏面には、該腕部の長手方向に沿ってそれぞれ溝部１０１ａ、１０２ａが形成されている。したがって、振動子腕部１０１、１０２の断面形状は、図６（ｂ）の断面図に示されるように略Ｈ型となる。このような略Ｈ型断面の腕部を有する音叉型水晶振動子は、従来の平面型の水晶振動子に比べて、水晶振動片の大きさを小型化しても電気機械変換係数を高くすることができるので、そのＣＩ値を低く保つことができるというメリットを有している。
【０００５】
音叉型水晶振動子１００を所定の周波数で振動させるためには、振動子腕部１０１、１０２に励振用の電界を印加する必要がある。このため、溝部１０１ａ、１０２ａには、溝部の長手方向に沿ってそれぞれ溝電極が設けられており、また、溝部が設けられていない腕部の側面部１０１ｂ、１０２ｂには、腕部側面の長手方向に沿ってそれぞれ側面電極が設けられている（何れも図示せず）。
【０００６】
音叉型水晶振動子１００に励振用の電界を形成するには振動子の外部から励振用の駆動電流を供給する必要がある。このため、振動子基部１０３の面上には、外部電流源との接続を担う基部電極が設けられている。また、かかる基部電極と上記の溝電極或いは側面電極とを接続する接続用電極、及び溝電極と側面電極とを接続する接続用電極も振動子基部１０３等の面上に設けられている（何れも図示せず）。
【０００７】
外部電流源から音叉型水晶振動子１００に励振用の駆動電流が供給されると、以上に説明した各電極を介して、振動子腕部１０１、１０２のそれぞれの溝電極と側面電極に駆動電流が印加されて各電極間に励振電界が生じる。これによって、振動子腕部の略Ｈ型断面の左右壁部は圧電現象により互いに逆方向の伸縮を生じ、振動子腕部１０１、１０２は互いに反対方向の屈曲振動を為す。かかる屈曲振動によって、音叉型水晶振動子１００はＱ値（周波数選択度）の高い共振素子となり得るのである。
【０００８】
次に、音叉型水晶振動子１００における電極配置の一例を図７に示す。なお、同図は音叉型水晶振動子１００の表面のみを示すものであり、その裏面の表示については説明の重複を避けるため省略する。
【０００９】
図７において、１０３ｅ１及び１０３ｅ２は振動子基部１０３の表面に設けられた基部電極である。また、１０１ａｅは振動子腕部１０１の溝部１０１ａに設けられた溝電極であり、１０２ａｅは振動子腕部１０２の溝部１０２ａに設けられた溝電極である。また、１０１ｂｅ及び１０２ｂｅは、それぞれの腕部の側面部１０１ｂ、１０２ｂに設けられた側面電極である。なお、図７によれば側面電極１０１ｂｅ、１０２ｂｅは、それぞれの振動子腕部の溝部を有する面の音叉状先端部の近傍にも設けられているが、これは各腕部の両側面に設けられた側面電極同士を接続するためである。
【００１０】
基部電極１０３ｅ１は、接続用電極１０３ｅ３を介して側面電極１０１ｂｅに接続されており、同じく基部電極１０３ｅ１は、接続用電極１０３ｅ５を介して溝電極１０２ａｅに接続されている。一方、基部電極１０３ｅ２は、接続用電極１０３ｅ４を介して側面電極１０２ｂｅに接続されており、更に基部電極１０３ｅ２は、側面電極１０２ｂｅと接続用電極１０３ｅ６を介して溝電極１０１ａｅに接続されている。
【００１１】
ところで、上記の略Ｈ型断面を有する音叉型水晶振動子の大きさは極めて微小であり、例えば、振動子の共振周波数が３２．７６８ｋＨｚの場合は、振動子腕部１０１、１０２の横幅が０．１ｍｍ程度、溝部１０１ａ、１０２ａの横幅が０．０７ｍｍ程度にまで小型化されている。したがって、振動子腕部の面上に各種の電極を設ける際には、これらの電極の架設エリアは、例えば、０．０１５ｍｍの幅内に限定される場合もある。
【００１２】
一般に、良好な伝導状態を維持するため、電極幅としては０．０１ｍｍ程度の横幅が必要とされるので、例えば、溝電極と側面電極との間隔は僅か０．００５ｍｍ程度までしか許されない場合も生ずる。このため、実際の製造工程における誤差等を考慮すれば、これらの電極同士が接触・短絡する可能性が高く、これらの電極の形成処理が製造工程における製品歩留まり率を低下させる一要因となっていた。また、電極同士の接触・短絡を防止すべく、電極形成処理におけるエッチングの精度を高めた場合、マスクパターンの微細化などにより処理工程が複雑化して製造コストが著しく増大するという問題があった。
【００１３】
このよう問題を解決すべく、例えば、特許文献１乃至３に記載された発明が開示されている。因みに、特許文献１には各電極間の接触を防止すべく、側面電極用の接続電極と溝電極及び／又は溝電極用の接続電極との間にスペース部（接続電極配置部）を設けた発明が開示されている。
【００１４】
また、特許文献２には、例えば、溝電極の横幅にテーパを付して、溝電極と側面電極との分離距離を順次増大させて両電極の接触を防止する発明が開示されている。さらに、特許文献３には音叉型水晶振動子の音叉状腕部の付け根の部分（以下、「音叉又部」という）の底面に凸状隔壁を設けて、電極蒸着時のフォトエッチングの不良によって、両腕部の内側に成型されている側面電極同士が短絡・接触することを防止する発明が開示されている。
【特許文献１】特開２００２―０７６８２７号公報
【特許文献２】特開２００５―２２９１４３号公報
【特許文献３】特開平１１―１６００７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
一般に、水晶振動子の面上に各種の電極を形成する場合には、先ず、水晶振動子の面上に、例えば、真空蒸着などの手法によって金属皮膜を形成する。次に、かかる金属皮膜上にフォトレジストを塗布し、これに所定のフォトエッチング処理を施して所望の電極パターンを形成する。
【００１６】
音叉型水晶振動子の場合は、その外形を形成する際に音叉状の２本の腕部の間を素子の表・裏の両面からエッチングを行っている。このため、その音叉又部はエッチングの異方性により複雑な形状が表裏反転して形成される。ところで、かかる外形形成が為された素子に各種の電極を形成する際に、音叉又部の複雑な構造から音叉又部の底面近傍にはフォトレジストが堆積され易く、また、その複雑な形状からエッチング処理の露光時における紫外線の感光が不十分になりがちである。このため、音叉又部においては、本来エッチング処理によって除去されるべき不要な金属皮膜が残留し易い傾向があり、音叉又部近傍の電極間において電極パターンの接触・短絡が生じ易いという問題があった。
【００１７】
ところで、前述の特許文献１及び２に開示された発明は、音叉型水晶振動子の表面若しくは裏面における電極間のスペースを広げて電極間の短絡を防止するものであるため、かかる音叉又部の底面近傍における不具合問題については適切な解決手段を示すものではない。また、特許文献３に開示された発明は、音叉又部の底面近傍における短絡不具合について一つの解決手段を示すものであるが、音叉型水晶振動子の外形エッチングの際に、音叉又部の底面形状に特殊加工を施す必要があるので、製造時の処理工程が複雑となり製造コストの上昇を招くという欠点がある。
【００１８】
本発明は、上述したような問題を解決することを目的とするものであり、具体的には、音叉又部の底面近傍においてエッチング処理の不良による電極間の短絡・接触不具合の発生を防止して、信頼性の高い音叉型圧電振動子を提供することを目的とする。さらに、本発明は、当該音叉型振動子を用いた圧電振動デバイス、並びに当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の観点による音叉型圧電振動子は、外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部と、この振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部と、振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、この溝部に設けられた溝電極と、振動子腕部の溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極と、基部電極と側面電極若しくは溝電極とを接続する第一の接続用電極と、溝電極と側面電極とを接続する第二の接続用電極と含み、側面電極は振動子基部における音叉又部の底面から所定の距離をおいて設けられている。
【００２０】
上記の構成によれば、振動子腕部の側面に設けられた側面電極が音叉又部の底面から所定の距離だけ隔離されているため、エッチング不良などによって音叉又部の底面近傍に金属皮膜が残留しても、かかる残留金属皮膜によって側面電極が他の電極と短絡・接触することを防ぐことができる。これによって、信頼性の高い音叉型圧電振動子を従来と同様の製造処理工程と製造コストによって実現することができる。
【００２１】
本発明の第２の観点による音叉型圧電振動子は、上記第１の観点において、所定の距離の最適値が、音叉型圧電振動子の製造工程における製品歩留り率を該距離決定のパラメータの一つとして決定される。
【００２２】
音叉型圧電振動子の製造工程における製品の歩留り率は、上記所定の距離（側面電極端部と音叉又部の底面からの距離）と相関関係を有している。すなわち、かかる距離が長ければ、側面電極の端部と音叉又部の底面とが確実に分離されるので、残留金属皮膜による短絡の可能性が低下して製品の歩留まり率が増加する。一方、かかる距離が短ければ、残留金属皮膜による短絡不具合の可能性が増大して製品の歩留まり率が減少する。したがって、上記の構成によれば、製造工程における製品の歩留り率を所望の値以上に維持しつつ、信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２３】
本発明の第３の観点による音叉型圧電振動子は、上記第１の観点において、所定の距離の最適値が、音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値の増加率を該距離決定のパラメータの一つとして決定される。
【００２４】
音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗の値は、上記所定の距離（側面電極端部と音叉又部の底面からの距離）と相関関係を有している。かかる距離が長ければ、即ち、側面電極を短くすれば、振動子腕部に対する励振電界の印加範囲面積が減少するため振動子固有の等価直列抵抗の値が上昇して振動子としての性能の低下を招く。一方、かかる距離を短くすれば、即ち、側面電極を伸ばせば、上記と反対の理由から等価直列抵抗の値は減少して振動子としての性能向上を図ることができる。したがって、上記の構成によれば、音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値を所望の値以下に維持しつつ、信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２５】
本発明の第４の観点による音叉型圧電振動子では、上記第１の観点において、圧電振動子が水晶振動子で構成される。かかる構成によれば、技術的に実績の豊富な水晶振動子を用いて信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２６】
本発明の第５の観点による音叉型圧電振動子では、上記第１の観点において、圧電振動子がセラミック振動子で構成される。かかる構成によれば、比較的に低コストのセラミック振動子を用いて信頼性の高い音叉型圧電振動子を実現することができる。
【００２７】
本発明の第６の観点による圧電振動デバイスは、上記第１の観点における音叉型圧電振動子を所定のパッケージの内部に備え、かつ、該音叉型圧電振動子の基部電極がパッケージの外部出力端子に接続されている。かかる構成によれば、上記第１の観点における音叉型圧電振動子を内蔵した圧電振動デバイスを、電子機器等のプリント基板等に実装可能な電気部品として実現することができる。
【００２８】
本発明の第７の観点による圧電発振器は、増幅回路と、この増幅回路の入出力間に設けられた帰還回路とを含み、帰還回路は、該帰還ループ中における共振周波数を特定する共振素子として上記第６の観点による圧電振動デバイスを備えている。このような構成によれば、発振器の発振周波数を決定するデバイスとして上記第６の観点による圧電振動デバイスを用いられるため、信頼性の高い圧電発振器を実現することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、新たな製造処理工程の追加や製造コストの上昇を招くことなく、音叉又部の底面近傍における電極間の短絡・接触を防止した音叉型圧電振動子、当該振動子を用いた圧電振動デバイス、及び当該圧電振動デバイスを用いた圧電発振器を実現することができる。以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態である音叉型水晶振動子１０において、励振用の各電極や、各電極間の接続用電極の配置の一例を示す説明図である。因みに、本発明による音叉型水晶振動子１０の構造は、前述の図６に示されたものと同様であるため、その構造を示す振動子全体の斜視図や振動子腕部の断面図は省略する。すなわち、図１に示される音叉型水晶振動子１０は、振動子基部１３と、かかる振動子基部から音叉状に突設された２本の振動子腕部１１及び１２から構成されているものとする。
【００３１】
また、振動子腕部１１、１２の表面及び裏面には、該腕部の長手方向に沿ってそれぞれ溝部１１ａ、及び１２ａが形成されている。したがって、振動子腕部１１、１２の断面形状は、前述の図６（ｂ）に示されるＡ−Ａ’方向断面図と同様に略Ｈ型となっている。因みに、このような略Ｈ型断面の腕部を有する音叉型水晶振動子は、従来の平面型の水晶振動子に比べて、水晶振動片自体の大きさを小型化しても電気機械変換係数を高くすることができるので、その性能の一指標であるＣＩ値を低く保つことができるというメリットを有している。
【００３２】
図１において、１３ｅ１及び１３ｅ２は振動子基部１３の表面に設けられた基部電極である。また、１１ａｅは振動子腕部１１の溝部１１ａに設けられた溝電極であり、１２ａｅは振動子腕部１２の溝部１２ａに設けられた溝電極である。また、１１ｂｅ及び１２ｂｅは、それぞれの腕部の側面部１１ｂ、１２ｂに設けられた側面電極である。なお、側面電極は、振動子腕部の両側面（音叉状腕部の内側と外側）、及び溝部が有る面の音叉状腕頂部近傍に設けられている。
【００３３】
次に、各電極間の接続関係を説明すれば以下のとおりである。先ず、基部電極１３ｅ１は、接続用電極１３ｅ３を介して側面電極１１ｂｅに接続されており、同じく基部電極１３ｅ１は、接続用電極１３ｅ５を介して溝電極１２ａｅに接続されている。一方、基部電極１３ｅ２は、接続用電極１３ｅ４を介して側面電極１２ｂｅに接続されており、更に基部電極１３ｅ２は、側面電極１２ｂｅ及び接続用電極１３ｅ６を介して溝電極１１ａｅに接続されている。
【００３４】
外部の電流源から基部電極１３ｅ１及び１３ｅ２を介して、音叉型水晶振動子１０に励振用の駆動電流が供給されると、以上に説明した各電極を経由して振動子腕部１１、１２のそれぞれの溝電極と側面電極に駆動電流が印加され、電極間の各々に励振電界が生じる。これによって、腕部の略Ｈ型断面の左右壁部は圧電現象により互いに逆方向の伸縮を生じ、振動子腕部１１、１２は互いに反対方向の屈曲振動を為し、Ｑ値（周波数選択度）の高い振動子を実現することが出来る。
【００３５】
次に、音叉型水晶振動子１０の面上に上記の各電極が形成される工程を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００３６】
先ず、所定の水晶基板をエッチングすることにより、その表面に電極が設けられていない状態の音叉型水晶振動片の外形が形成される。なお、以下の記述においては、主に腕部１１及び１２における電極の形成工程を中心に説明を行う。また、両腕部の構造は同一であるので、腕部１１の場合を例に採って説明を行う。
【００３７】
図２は、腕部１１に各電極が形成される際の工程の概略を示す説明図である。先ず、図２（ａ）は、上記のエッチング処理によってその外形が形成された音叉型水晶振動片の腕部１１の断面図を示す。前述のように、腕部１１の表面並びに裏面には溝部１１ａが形成される。次に、腕部１１を含む音叉型水晶振動片の面全体に、例えば、真空蒸着等の技術によって金属皮膜１１０が形成される。この状態を図２（ｂ）に示す。
【００３８】
かかる金属皮膜は、その下層がクロム（Ｃｒ）で構成されており、その厚さは、例えば、１００オングストローム乃至１０００オングストロームに形成される。また、その上層は金（Ａｕ）で構成されており、その厚さは、例えば、５００オングストローム乃至１０００オングストロームに形成される。なお、これらの金属皮膜の材質並びに膜厚数値は、あくまでも本発明の一実施例を示すものであり、本発明の実施がかかる事例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３９】
音叉型水晶振動片の表面全体に金属皮膜１１０が形成された後、音叉型水晶振動片の全面にフォトレジストが塗布されて、金属皮膜１１０の上面に図２（ｃ）に示すフォトレジスト膜１１１が形成される。因みに、かかるフォトレジストは、紫外線に対して感光感度を有する樹脂部材をベースとした化合物であり、微細粒子による流動性を有するため、スプレー等により霧状に噴霧して塗布することが好ましい。なお、フォトレジスト膜１１１の厚さは、例えば、１μｍ乃至６μｍ程度にすることが好ましい。
【００４０】
続いて、フォトレジストパターンの形成処理が行われる。先ず、音叉型水晶振動片の面上において各電極の形成部を除く部分を覆うようなマスクパターン（図示せず）を介して紫外線がフォトレジスト膜１１１全体に照射される。かかる露光処理の終了後、マスクパターンに覆われた部分以外の余分なフォトレジストが現像液によって除去され、加熱処理等の工程を経て残ったフォトレジスト膜１１１が固化される。これによって、電極形成部に対応する形状のフォトレジストパターン１１２が形成される（図２（ｄ））。その後、フォトレジストパターン１１２をマスクとしてエッチング処理が施され、電極の形成部を除く余分な金属皮膜が除去されて電極部の金属皮膜１１３が形成される（図２（ｅ））。
【００４１】
それ故、上記のフォトエッチング処理において、紫外線の露光が不十分でありマスクパターン以外の余分なフォトレジストが残留した場合は、かかるレジストの下にある金属皮膜が除去されず、これによって電極間の接触・短絡が生ずることになる。
【００４２】
ところで、図１からも明らかなように、本発明においては、音叉状腕部内側の側面電極１１ｂｅ、１２ｂｅのそれぞれの端部と、音叉又部の底面との間に所定の距離ｄが設けられている。この様子を更に明瞭に表したものが図３に示す音叉又部付近の拡大斜視図である。
【００４３】
本発明の第１の実施の形態による音叉型水晶振動子１０では、側面電極１１ｂｅ、及び１２ｂｅが図３に示されるような構造となっており、音叉状腕部の内側の各側面電極が音叉又部の底面から十分に隔離されている。したがって、フォトレジストパターンの形成処理時における露光不足によって、音叉又部の底面に余分な金属皮膜が残留しても、かかる残留金属皮膜によって側面電極が他の電極と接触・短絡することを防ぐことができる。
【００４４】
なお、距離ｄを長くするほど、即ち、側面電極の端部を音叉又部の底面から隔離するほど、電極間の接触・短絡の可能性が減少するため音叉型水晶振動子の製品歩留まり率は向上する。しかしながら、かかる距離ｄを長くすれば、側面電極の電極面積が減少するため振動子腕部に印加される励振電界範囲の減少を招き、音叉型水晶振動子としての性能低下を惹起する。そして、かかる性能の低下は、例えば、音叉型水晶振動子固有の等価直列抵抗値（ＣＩ値）の増加として表れる。
【００４５】
したがって、上記の距離ｄは、一義的にその最適値が決定されるものではなく、上記の製品歩留まり率や等価直列抵抗の増加率等を距離ｄ決定のパラメータの一つとして用いて、その最適値が導出されるものである。すなわち、製品歩留まり率のある程度の低下は許容しても、ＣＩ値の低い高性能の音叉型水晶振動子の製造を目的とするのであれば、距離ｄを短めに設定すれば良い。一方、ある程度のＣＩ値の増加を許容しても製品歩留まり率を向上させるのであれば、上記の距離ｄを長めに設定するようにすれば良い。
【００４６】
なお、以上に説明した実施の形態では、音叉型圧電振動子の部材として水晶振動子を例にとって説明を行ったが、本発明の実施はかかる事例に限定されるものではなく、例えば、セラミック振動子やその他の圧電振動部材を用いて、本発明の第１の実施の形態である音叉型圧電振動子を構成するようにしても良い。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態による圧電振動デバイスの構造を示す断面模式図である。先ず、図４（ａ）は、本実施形態の第１の実施例に係るセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ａの構造を示す断面図である。圧電振動デバイス４０ａのセラミックパッケージ４１は、ベース部４１ａ及び掩蓋部４２から構成されており、その内部に上述の実施形態を有する音叉型水晶振動子１０が内蔵されている。音叉型水晶振動子１０は、ボンディング部４３を介してベース部４１ａに電気的に接続され、かつ機械的にもベース部４１ａによって担持される。また、セラミックパッケージ４１のベース部４１ａと掩蓋部４２とは、シール部４４によって密封・封止されている。
【００４８】
次に、本実施形態の第２の実施例によるセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ｂの構造を図４（ｂ）の断面図に示す。この圧電振動デバイス４０ｂは、上述のセラミック製パッケージによる圧電振動デバイス４０ａと多くの部分でその構成が共通している。したがって、圧電振動デバイス４０ａと音叉型水晶振動子１０の構成、作用等については、同一符号を付する等して、その説明を省略する。
【００４９】
図４（ｂ）に示す圧電振動デバイス４０ｂは、図４（ａ）に示すセラミック製パッケージの圧電振動デバイス４０ａにおいて、音叉型水晶振動子１０の下方で、ベース部４１ａの上に複数の集積回路４５を配置したものである。すなわち、圧電振動デバイス４０ｂでは、その内部に配置された音叉型水晶振動子１０からの出力信号が一旦集積回路４５に供給され、かかる集積回路４５において種々の処理が施された後に、所定の周波数信号として圧電振動デバイス４０ｂから外部に出力される。
【００５０】
集積回路４５は、例えば、周波数の分周回路や、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路であっても良いし、或いは、所定の温度センサー等を含んだ温度補償回路であっても良い。なお、図４（ｂ）に示される集積回路４５の個数や形状等は、本実施形態の一例を示すものに過ぎず、本実施形態がかかる事例に限定されるものでないことは言うまでない。
【００５１】
次に、本実施形態の第３の実施例によるシリンダータイプによる圧電振動デバイス４０ｃの構造を図４（ｃ）に示す。この圧電振動デバイス４０ｃは、上述の音叉型水晶振動子１０を、例えば、金属製のキャップ（シリンダー）部４６の内部に納めたものである。このキャップ部４６の開口端には、ステム部４７が圧入されており、キャップ４６部の内部が真空状態に保持されるようになっている。
【００５２】
また、キャップ４６部の内部に格納された音叉型水晶振動子１０を保持し、かつ音叉型水晶振動子１０との電気的な接続を図るため、ステム部４７を貫通して２本の外部出力端子４８が設けられている。そして、外部出力端子４８の各々は、音叉型水晶振動子１０の基部電極１３ｅ１及び１３ｅ２に接続されている（図示せず）。外部出力端子４８並びに基部電極１３ｅ１、１３ｅ２を介して、外部の電流源から、駆動電流が音叉型水晶振動子１０に供給されると、音叉型水晶振動子１０は所定の周波数で励振される。
【００５３】
本発明の第２の実施の形態による各実施例の圧電振動デバイスは、以上に説明したような構成を有し、上記の第１の実施の形態による音叉型圧電水晶振動子１０を圧電振動子として内蔵するため、周波数の安定度が高く、かつ信頼性の高い圧電振動デバイスを実現することができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態による圧電発振器５０の構成を示す回路ブロック図である。同図において増幅回路５１は、例えば、トランジスタやオペアンプ、或いはインバータ等の能動増幅素子から構成された増幅回路である。また、帰還回路５２は、増幅回路５１の出力を増幅回路の入力側に帰還させる帰還回路であり、一般に、発振器の発振周波数を決定する共振素子をその帰還ループ中に含む回路網から構成されている。因みに、帰還回路５２は、前述の第２の実施の形態による圧電振動デバイス４０を、かかる共振素子として使用するものである。それ故、圧電振動デバイス４０の構成並びに作用等に関しては、第２の実施の形態と同一の符号を付する等して、その説明を省略する。
【００５５】
なお、図５（ａ）に示される圧電発振器５０は、増幅回路の出力をＣＬ１及びＣＬ２の２つのキャパシタで分割して増幅回路の入力側に帰還する、いわゆるコルピッツ（Ｃｏｌｐｉｔｔｓ）発振回路を構成している。しかしながら、図５（ａ）に示される圧電発振器の回路構成は、本発明の第３の実施形態の一実施例を示すものに過ぎず、本発明の実施の形態である発振器の回路構成が、かかる発振回路の形式に限定されるもので無いことは言うまでもない。
【００５６】
次に、圧電発振器５０の発振周波数について言及する。いま、圧電振動デバイス４０の等価回路を図５（ｂ）に示す。同図において、Ｃ０は圧電振動デバイス４０の並列キャパシタ、Ｌ１はその等価直列インダクタ、Ｃ１はその等価直列キャパシタ、そして、Ｒ１はその等価直列抵抗を表している。
【００５７】
ここで、圧電振動デバイス４０の直列共振周波数、すなわち、圧電振動デバイス４０の２端子間におけるインピーダンスが最も小さくなる周波数をｆｒとすると、直列共振周波数ｆｒは
【数１】
として表すことができる。
【００５８】
一方、図５（ａ）の回路において、圧電振動デバイス４０の負荷となるキャパシタＣＬ１、ＣＬ２の合成値をＣＬとおくと
ＣＬ＝ＣＬ１×ＣＬ２／（ＣＬ１＋ＣＬ２）
となる。したがって、圧電発振器５０の発振周波数ｆ０は、通常のコルピッツ発振回路における発振周波数の場合と同様に
【数２】
として求めることができる。
【００５９】
通常、圧電振動デバイス４０の等価直列キャパシタＣ１は、他のキャパシタＣ０、ＣＬの容量値に比べて一桁以上小さいので、圧電発振器５０は、直列共振周波数ｆｒよりも高い周波数ｆ０で発振することになる。また、負荷キャパシタＣＬ１、並びにＣＬ２の値を調整することによって発振周波数ｆ０の値を微調整することも可能である。
【００６０】
本発明の第３の実施の形態による圧電発振器は、以上に説明したような構成を有し、帰還路中における発振周波数を定める共振デバイスとして、上記第２の実施の形態による圧電振動デバイスを備えている。これによって、高性能で発振周波数の安定度が高く、かつ信頼性の高い圧電発振器を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上に説明した、本発明の実施による音叉型圧電振動子、圧電振動デバイス、及び圧電発振器は、圧電振動子を高精度周波数信号の供給源として用いる各種の通信機器や制御機器等の全ての電子機器において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一つの実施形態である音叉型水晶振動子における電極配置例を示す図である。
【図２】図１に示す音叉型水晶振動子の振動子腕部におけるエッチング処理の工程を説明する図である。
【図３】図１に示す音叉型水晶振動子において、振動子腕部の音叉又部の内側に設けられた側面電極の状態を説明する図である。
【図４】本発明の一つの実施形態である圧電振動デバイスの各実施例による構造の概略を説明する図である。
【図５】本発明の一つの実施形態である圧電発振器の回路構成ブロックを説明する図である。
【図６】従来の音叉型水晶振動子の構造を説明する図である。
【図７】図６に示す音叉型水晶振動子における電極配置例を説明する図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０、１００ …音叉型水晶振動子
１１、１２、１０１、１０２ …振動子腕部
１３、１０３ …振動子基部
１１ａ、１２ａ、１０１ａ、１０２ａ … 振動子腕部溝部
１１ｂ、１２ｂ、１０１ｂ、１０２ｂ … 腕部側面部
１１ａｅ、１２ａｅ、１０１ａｅ、１０２ａｅ … 溝部電極
１１ｂｅ、１２ｂｅ、１０１ｂｅ、１０２ｂｅ … 側面電極
１３ｅ１、１３ｅ２、１３ｅ３、１３ｅ４、１３ｅ５、１３ｅ６、１０３ｅ１、
１０３ｅ２、１０３ｅ３、１０３ｅ４、１０３ｅ５、１０３ｅ６ … 接続用電極
１１０ … 金属皮膜
１１１ … フォトレジスト膜
１１２ … フォトレジストパターン
１１３ … 電極部金属皮膜
４０ａ、４０ｂ … セラミックパッケージ製圧電振動デバイス
４０ｃ … シリンダータイプ圧電振動デバイ
４１ … セラミックパッケージ
４１ａ … ベース部
４２ … 掩蓋部
４３ … ボンディング部
４４ … シール部
４５ … 集積回路
４６ … キャップ部
４７ … ステム部
４８ … 外部端子
５０ … 圧電発振器
５１ … 増幅回路
５２ … 帰還回路
Ｃ０ … 並列キャパシタ
Ｌ１ … 等価直列インダクタ
Ｃ１ … 等価直列キャパシタ
Ｒ１ … 等価直列抵抗
ＣＬ１、ＣＬ２ … 負荷キャパシタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部と、
前記振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部と、
前記振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、
前記溝部に設けられた溝電極と、
前記振動子腕部の前記溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極と、
前記基部電極と前記側面電極若しくは前記溝電極とを接続する第一の接続用電極と、
前記溝電極と前記側面電極とを接続する第二の接続用電極と、を含む音叉型圧電振動子であって、
前記側面電極は、前記振動子基部における音叉又部の底面から所定の距離をおいて設けられていることを特徴とする音叉型圧電振動子。
【請求項２】
前記所定の距離は、前記音叉型圧電振動子の製造工程における製品歩留り率を該距離決定のパラメータの一つとして、その最適値が決定されることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項３】
前記所定の距離は、前記音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値の増加率を該距離決定のパラメータの一つとして、その最適値が決定されることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項５】
前記圧電振動子は、セラミック振動子であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項６】
請求項１に記載の音叉型圧電振動子を所定のパッケージの内部に備え、かつ、該音叉型圧電振動子の基部電極が前記パッケージの外部出力端子に接続されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
【請求項７】
増幅回路と、
前記増幅回路の入出力間に設けられた帰還回路と、を含む圧電発振器であって、
前記帰還回路は、該帰還ループの共振周波数を特定する共振素子として請求項６項に記載の圧電振動デバイスを備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項１】
外部接続用の基部電極が設けられた振動子基部と、
前記振動子基部から音叉状に突設された振動子腕部と、
前記振動子腕部の表面および裏面の少なくとも一方に形成された溝部と、
前記溝部に設けられた溝電極と、
前記振動子腕部の前記溝部が形成されていない側面に設けられた側面電極と、
前記基部電極と前記側面電極若しくは前記溝電極とを接続する第一の接続用電極と、
前記溝電極と前記側面電極とを接続する第二の接続用電極と、を含む音叉型圧電振動子であって、
前記側面電極は、前記振動子基部における音叉又部の底面から所定の距離をおいて設けられていることを特徴とする音叉型圧電振動子。
【請求項２】
前記所定の距離は、前記音叉型圧電振動子の製造工程における製品歩留り率を該距離決定のパラメータの一つとして、その最適値が決定されることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項３】
前記所定の距離は、前記音叉型圧電振動子固有の等価直列抵抗値の増加率を該距離決定のパラメータの一つとして、その最適値が決定されることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項５】
前記圧電振動子は、セラミック振動子であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
【請求項６】
請求項１に記載の音叉型圧電振動子を所定のパッケージの内部に備え、かつ、該音叉型圧電振動子の基部電極が前記パッケージの外部出力端子に接続されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
【請求項７】
増幅回路と、
前記増幅回路の入出力間に設けられた帰還回路と、を含む圧電発振器であって、
前記帰還回路は、該帰還ループの共振周波数を特定する共振素子として請求項６項に記載の圧電振動デバイスを備えたことを特徴とする圧電発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−９８７４８（Ｐ２００８−９８７４８Ａ）
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２７５１９３（Ｐ２００６−２７５１９３）
【出願日】平成１８年１０月６日（２００６．１０．６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月２４日（２００８．４．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月６日（２００６．１０．６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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