音叉型屈曲振動子

【課題】製造時における音叉腕部や溝部の寸法ズレ等が生じた場合であっても、電界効率の向上及び等価直列抵抗の改善を図ることができるとともに、安定した周波数特性を得ることのできる小型の音叉型屈曲振動子を提供することである。
【解決手段】音叉基部２２と、この音叉基部２２から平行して延びる一対の音叉腕部２３，２４と、この音叉腕部２３，２４の表面を長手方向に凹設した溝部２５，２６とを備えた音叉型屈曲振動子２１において、前記溝部２５，２６には、長手方向に沿って前記音叉基部２２から延びる補強壁部３３を形成した。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効率の向上、振動漏れの抑制及び等価直列抵抗の低減化を図るための構造を備えた小型の音叉型屈曲振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の音叉型屈曲振動子は、図１５及び図１６に示すように、音叉基部１２から延びる一対の音叉腕部１３，１４を有し、この音叉腕部１３，１４の表面に励振電極１９，２０を形成することによって、所定の振動周波数を得るようになっている。また、前記音叉腕部１３，１４の表面に溝部１５，１６を形成し、この溝部１５，１６の内周面に励振電極１９，２０を形成することで、電界効率の向上及び等価直列抵抗（Ｒ１）の改善を図るようにした構造の音叉型の屈曲振動子１１も知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
通常、このような音叉型の屈曲振動子１１に備わる音叉腕部１３，１４の腕幅Ｗ１１は、８０〜１００μｍ程度であるため、前記溝部１５〜１８を形成した場合であっても、加工する際のエッチング残りや設計寸法からのズレによる振動姿態への影響も少なく、諸特性が大幅に悪化することはほとんどなかった。
【特許文献１】特開２００７−６０７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記音叉腕部１３，１４の腕幅Ｗ１１が７０μｍ以下の寸法になると、前記溝部１５，１６を形成することによって、電界効率の向上やＲ１の改善は図られるものの、Ｑ値が改善されなかったり、衝撃試験による周波数ズレが発生したりするなど特性が不安定になることがある。これは、単に前記腕幅の寸法が小さくなったことで、エッチング残りや設計寸法からのズレによる影響が大きくなっただけではなく、その製造後における各部の寸法によって、もはや音叉モードの振動を発生し得ない振動姿態になっていることに起因していることが考えられる。
【０００５】
これを証明するため、２つのサンプル（振動子Ａ，振動子Ｂ）を用いて比較実験を行った。ここで、振動子Ａは、音叉腕部１３，１４の腕幅Ｗ１１が１００μｍ、腕長Ｌ１１が１５５３μｍ、腕厚ｔ１１が１００μｍ、溝幅Ｗ１２が７６μｍ、溝長Ｌ１２が８６μｍ、溝厚ｔ１２が４５μｍである。また、振動子Ｂは、音叉腕部１３，１４の腕幅Ｗ１１が６０μｍ、腕長Ｌ１１が１１４０μｍ、腕厚ｔ１１が１００μｍ、溝幅Ｗ１２が５０μｍ、溝長Ｌ１２が８００μｍ、溝厚ｔ１２が４５μｍである。
【０００６】
前記屈曲振動子１１のメインの振動を発生する振動方向はＸ軸方向である。しかし、エッチング残りや設計寸法からのズレの影響でＸ軸方向に振動するとともに、不要方向の振動成分も発生する。この不要振動成分は、音叉基部全体にねじり方向の応力を発生させるため、振動エネルギーが漏れ、Ｑ値の低下や衝撃時の周波数ズレとなる。
【０００７】
以下の表１は、前記寸法ズレがＺ´／Ｘ振幅比に及ぼす影響を測定したものである。この測定は、ＡＮＳＹＳ１１を用いて行われた。ここでのＺ´／Ｘ振幅比とは、Ｘ軸方向屈曲振動単一モードにおけるＺ´軸方向成分のことであり、Ｘ軸方向屈曲モード（音叉メインモード）とＺ´軸方向屈曲モード（スプリアス）の振幅比のことではない。
【０００８】
【表１】

【０００９】
振動子Ｂにおいて、寸法ズレがある場合にＺ´／Ｘ振幅比が大きくなっているのは、腕幅Ｗ１１，Ｗ１２が小さく設計されているためと考えられる。また、振動子Ｂ程度の寸法の場合、腕幅Ｗ１１，Ｗ１２を小さくすることで電界効率を改善してＲ１値を低減しているため、腕幅Ｗ１１，Ｗ１２を大きくすることはできない。このため、腕幅Ｗ１１が６０μｍ程度の屈曲振動子を安定した特性で製造することは困難であった。
【００１０】
以上の実験結果からもわかるように、小型化によって音叉腕部自体の寸法が小さくなった場合、設計あるいは製造時における僅かな寸法ズレによって、振動漏れが発生しやすくなり、結果として電界効率や等価直列抵抗が悪化する。このため、小型化には限界があり、安定した製品を提供できないといった問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、製造時における音叉腕部や溝部の寸法ズレ等が生じた場合であっても、電界効率の向上及び等価直列抵抗の改善を図ることができるとともに、安定した周波数特性を得ることのできる小型の音叉型屈曲振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の音叉型屈曲振動子は、音叉基部と、この音叉基部から平行して延びる一対の音叉腕部と、この音叉腕部の表面を長手方向に凹設した溝部とを備えた音叉型屈曲振動子において、前記溝部には、長手方向に沿って前記音叉基部から延びる補強壁部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の音叉型屈曲振動子によれば、前記音叉腕部に溝部を設けるだけではなく、この溝部に補強壁部を設けることで、前記音叉腕部や溝部の僅かな寸法ズレが生じた場合であっても、従来どおりの電界効率の向上、等価直列抵抗（Ｒ１）及びＱ値を得ることができる。
【００１４】
また、前記補強壁部が音叉基部から音叉腕部の基端となる溝部内に突出するように形成されているため、音叉腕部の基端部が特に補強されることなり、Ｚ´軸方向などの本来の音叉振動では不要な方向の振動漏れが生じることがない。これによって、本来の音叉振動であるＸ軸方向の振動のみとなり、安定した周波数特性が得られる。
【００１５】
また、前記補強壁部は、エッチング加工などによって、前記溝部の形成と同時に行うことができるので、形成が容易で、溝長に応じて補強壁部の長さを設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の音叉型屈曲振動子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態の音叉型屈曲振動子は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系においてカットされた水晶板を音叉型に加工して形成されている。また、前記音叉型屈曲振動子では、ＸＹＺからなる三次元の直交座標系のＸ−Ｙ平面（Ｚ板）をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたＸＹ´Ｚ´の座標系の水晶板が用いられ、中心の振動周波数が３２．７６８ＫＨｚに設定されている。
【００１７】
図１及び図２は、本実施形態における音叉型屈曲振動子（以下、屈曲振動子という）２１の全体形状を示したものであり、図３及び図４は、前記屈曲振動子２１のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面を示したものである。この屈曲振動子２１は、図示しないケーシング内に固定される矩形状の音叉基部２２と、この音叉基部２２から平行に延びる一対の音叉腕部２３，２４とを備えている。また、前記音叉腕部２３，２４の外表面には、前記音叉基部２２から延びる極性の異なる励振電極２９，３０が形成されている。前記音叉腕部２３の表面及び裏面には励振電極２９が形成され、音叉腕部２４の表面及び裏面には励振電極３０が形成される。
【００１８】
前記音叉腕部２３，２４は、音叉基部２２の一端からＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に平行する一対の細長い四角柱体であり、表面側（＋Ｚ面）及び裏面側（−Ｚ面）にそれぞれのＹ軸方向に沿って溝部２５，２６が設けられる。この溝部２５，２６は音叉腕部２３，２４の＋Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向と−Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向に沿って設けられる。前記溝部２５，２６は、略同一の溝幅Ｗ２２、溝長Ｌ２２及び溝厚ｔ２２によって形成されている。
【００１９】
また、前記溝部２５，２６には、電界効率を高めるために、前記音叉腕部２３，２４の外側面の電極と対向する電極を溝部２５，２６の内側面に設けている。この溝部２５，２６は、前記音叉腕部２３，２４の縁部３２の幅が均一であるか、若しくは音叉基部２２に近づくにつれて太くあるいは音叉基部２２に近づくにつれて細くなるように凹設され、音叉腕部２３，２４の表面及び裏面の振動の中心である中立線３１を中心として左右対称となるように形成される。前記溝部２５，２６の溝幅Ｗ２２は約５０μｍで、溝厚ｔ２２は、表面及び裏面から形成した場合に貫通しないように、音叉腕部２３，２４の腕厚ｔ２１の１／２未満に設定される。また、励振電極２９，３０は、前記溝部２５，２６を設けた領域全体をカバーすると共に、溝部２５，２６の凹み面に沿うように形成される。
【００２０】
図５は、前記屈曲振動子２１の音叉振動をＹ軸側から見たときの理想的な振動姿態を示したものである。このように、音叉腕部２３，２４の往復振動がＸ軸方向成分のみとなった場合に、Ｒ１及びＱの改善効果が最大限に高まる。これに対して、図６（ａ），（ｂ）のように、音叉腕部２３，２４にＺ´方向成分の振動が生じたり、図６（ｃ），（ｄ）のように、音叉腕部２３，２４の中心部において、Ｚ´方向成分の歪みが生じたりすると、前記Ｒ１及びＱが悪化し、振動特性に影響を及ぼすものと考えられる。
【００２１】
本発明の特徴的なところは、前記溝部２５，２６内の一部に補強壁部３３を形成したことによって、図５に示したようなＸ軸方向成分のみの理想的な振動姿態を得ることにある。補強壁部３３は、前記音叉基部２２の一端から各溝部２５，２６内に突出し、中立線３１に沿って形成されている。このような補強壁部３３を前記各溝部２５，２６の音叉基部２２側に設けることで、音叉振動の基点となる部分のＺ’軸方向の屈曲剛性が高まり、振動ブレが生じなくなる。さらに、溝部２５，２６の内面電極と対向する音叉腕側面電極との間隔は補強部３３の有無にかかわらず一定となっているため、電界効率の低下を生じることがなく等価直列抵抗（Ｒ１）の改善効果が得られることとなる。
【００２２】
上記音叉腕部２３，２４の代表的な設計例は、腕幅Ｗ２１が６０μｍ、腕長Ｌ２１が１１４０μｍ、溝長Ｌ２２が８００μｍ、腕厚ｔ２１が１００μｍ、溝幅Ｗ２２が５０μｍ、溝厚ｔ２２が４０μｍに対して、壁幅Ｗ２３が１０μｍ、壁長Ｌ２３が４００μｍである。
【００２３】
以下、図１５及び図１６に示したような溝部１５，１６のみが形成された音叉腕部１３，１４を備えた屈曲振動子１１と、図１に示したような補強壁部３３を溝部２５，２６に有する音叉腕部２３，２４からなる屈曲振動子２１とを比較して説明する。なお、比較対象となる前記屈曲振動子１１，２１は、補強壁部３３以外の設計寸法は同一としている。前記補強壁部３３のない音叉腕部１３，１４を有する屈曲振動子１１であっても、各部の寸法を設計値どおりに誤差なく製造可能であるとするならば、図５に示したような理想的な振動姿態が得られ、諸特性に影響を及ぼすことがないが、実際には製造上のバラツキをなくすことは不可能である。特に小型の屈曲振動子の場合、表裏の外形パターニングのズレなどによって、図６（ａ）〜（ｄ）に示したような不規則な振動姿態となり、これによって、諸特性に大きな影響を及ぼすことが実験によって判明している。例えば、音叉腕部の腕幅は６０μｍが設計値であるが、＋Ｚ´方向からの腕幅が６０μｍで、−Ｚ´方向からの腕幅が５８μｍであった場合、Ｒ１及びＱの劣化が実験によって確認されている。図７は、音叉腕部における表裏の幅寸法のズレ｜ΔＷ｜に対するＲ１の劣化現象を示したものである。この実験結果から、ズレ量１．５μｍを閾値として、それ以上ではＲ１値の劣化が顕著となっている。
【００２４】
これに対して、補強壁部３３が設けられている音叉腕部２３，２４を有する屈曲振動子２１では、前記音叉腕部２３，２４における表裏の幅寸法のズレ｜ΔＷ｜に対するＲ１の関係を調査した結果、図８に示すように、Ｒ１値が大幅に改善されていることが確認された。このように改善された理由としては、製造誤差が生じた場合であっても、図６（ａ）〜（ｄ）に示したような、Ｚ´軸方向の不要な振幅が抑制され、図５に示したようなＸ軸成分のみの理想的な振動姿態が得られるようになったことにある。これは、本発明及び従来例のいずれにおいても、設計値どおりの寸法に加工されると、Ｚ´軸方向の振幅が抑えられることが判明されている。ＦＥＭ解析ソフトであるＡＮＳＹＳ１１を用いて、ΔＷ＝２μｍのときのＺ´振幅／Ｘ振幅比を本発明によるものと、従来例によるものとを比較した結果を次に示す。本発明の屈曲振動子２１では９．４％であるのに対し、従来例の屈曲振動子１１では５８．９％と大幅に悪化している。これは、後述する図１４に示すように、Ｚ´方向への振動成分が音叉基部２２からケース５２に伝わり、振動漏れとなって諸特性に影響を及ぼしているものと考えられる。
【００２５】
また、前述したように、製造誤差を有する場合にＺ´／Ｘ振幅比が大きくなる現象は、図９に示すように、音叉振動の主モード周波数と、スプリアス周波数が近接しているときに顕著となる。つまり、周波数差Δｆは、音叉腕部の厚みなどの設計寸法を変えることによって調整することは可能であるが、製造コストや製品価格などを考慮すると、厚みが１００μｍ前後の製造寸法が妥当であり、また、パッケージサイズも小型化される傾向にあることから大幅な変更は実現できないのが現状である。
【００２６】
前述したように、電界効率の向上化を図るために溝部を有して形成された音叉腕部にあっては、その溝部の加工寸法や加工精度によって、メインの音叉振動であるＸ軸方向からＺ´軸方向にシフトした方向の振動が生じる場合がある。このような不要な振動成分が発生すると、本来の音叉振動に影響を及ぼし等価直列抵抗が大きくなるといった問題があったが、本発明のように、前記溝部内の一部に補強壁部を設けることで、このような問題が解消され、良好且つ安定した振動特性を得ることが可能となった。
【実施例】
【００２７】
以下に、前記補強壁部３３を設けた場合の屈曲振動子２１の設計例を示す。補強壁部Ｌ２３、Ｗ２３の最適寸法は、Ｗ２１、Ｌ２１、Ｌ２２、ｔ２１、Ｗ２２、ｔ２２との関係で変わるため、その都度設計が必要になる。
（設計例１）
音叉腕部２３，２４の腕幅Ｗ２１が５０〜７０μｍ、腕長Ｌ２１が９００〜１２５０μｍ、腕厚ｔ２１が６０〜１２０μｍに形成された場合、
溝部２５，２６の溝幅Ｗ２２は、腕幅Ｗ２１より２〜２０μｍ細く、溝長Ｌ２２は腕長Ｌ２１の３０〜８０％、溝厚ｔ２２は腕厚ｔ２１の２０〜５０％であり、
補強壁部３３の壁幅Ｗ２３は３〜４０μｍ、壁長Ｌ２３は溝長Ｌ２２の１０％以上である。
（設計例２）
音叉腕部２３，２４の腕幅Ｗ２１が３０〜５０μｍ、腕長Ｌ２１が５００〜１０００μｍ、腕厚ｔ２１が３０〜８０μｍに形成された場合、
溝部２５，２６の溝幅Ｗ２２は、腕幅Ｗ２１より２〜２０μｍ細く、溝長Ｌ２２は腕長Ｌ２１の３０〜８０％、溝厚ｔ２２は腕厚ｔ２１の２０〜５０％であり、
補強壁部３３の壁幅Ｗ２３は３〜４０μｍ、壁長Ｌ２３は溝長Ｌ２２の１０％以上である。
【００２８】
前記補強壁部３３は、前記音叉基部２２から溝部２５，２６内に突出して設けられることが重要な要素であり、Ｗ２１、Ｌ２１、Ｌ２２、ｔ２１、Ｗ２２、ｔ２２の設計寸法によっては、図１０に例示するように、壁長Ｌ２３は溝長Ｌ２２の少なくとも１／１０程度以上あれば、ブレや不要な振動を抑えることが可能である。
したがって、図１１に示す屈曲振動子４１のように、溝部４５，４６の溝長Ｌ２２と同じ壁長を有するように補強壁部４７を形成することもできる。このように、前記補強壁部４７を溝部４５，４６の長手方向の一端から他端までの間に連続して形成することで、音叉腕部４３，４４の強度が増し、Ｚ´軸方向の不要な振動モードを大幅に低減させることが可能となるとともに、溝の幅が略一様となるため溝加工時のエッチング深さ管理が容易になるという利点がある。
【００２９】
また、図１２に示すように、前記補強壁部３３は溝部２５，２６内に形成されていればよく、その高さ（壁厚）ｔ２３は、それぞれの溝部２５，２６の溝厚ｔ２２と同じでなく、それ以下であっても諸特性に影響を及ぼすようなブレや不要な振動を抑える効果が得られる。なお、上記実施形態では、音叉腕部２３，２４の上面及び下面の両方に溝部２５，２６を設けたが、より薄型化及び小型化に対応するため、図１３に示したように、音叉腕部２３，２４の上面側あるいは下面側のいずれか一方の面に溝部２５，２６及び補強壁部３３を設けることによっても、従来のような溝部のみで補強壁部のないタイプの屈曲振動子に比べて、ブレや不要な振動の発生を抑えることができる。
【００３０】
図１４は、上記構造の音叉腕部２３，２４を有する音叉型の屈曲振動子５１を気密封止可能なケース５２内に封止したデバイス５０の実装例を示したものである。前記屈曲振動子５１は、図１〜図４に示した音叉基部２２及び一対の音叉腕部２３，２４と、前記音叉基部２２から延びる一対の支持腕部５３を有して構成されている。前記支持腕部５３は、その先端部分で前記音叉基部２２及び音叉腕部２３，２４をケース５２内に支持するとともに、ケース５２内に設けられている端子電極部５４との導通を図っている。このように、前記支持腕部５３を長く延ばすことによって、前記ケース５２が受ける衝撃が直接音叉腕部２３，２４に伝わらないようにするとともに、この音叉腕部２３，２４で生じた音叉振動の漏れを防止することができる。特に、前記音叉腕部２３，２４の腕幅を細くすることによって、小型化を図る構造の屈曲振動子５１の場合に大きな効果が得られる。
【００３１】
上記構造の屈曲振動子２１は、水晶原石から所定のカット角の水晶基板を切り出す水晶基板形成工程、前記水晶基板の表面及び裏面に耐エッチング用の金属被膜を形成する金属レジスト形成工程、前記金属被膜の上に感光樹脂を塗布するフォトレジスト形成工程、前記感光樹脂の上に屈曲振動子の外形となるフォトマスクを装着し、露光・現像を行うフォトリソグラフィー工程、前記金属被膜をエッチングする金属エッチング工程、前記フォトマスクパターンに沿って水晶基板をエッチングする水晶エッチング工程を経ることによって形成され、最後に溝部や補強壁部の側面を含む屈曲振動子の表面に励振電極加工が施される。
【００３２】
前記フォトマスクは、音叉基部２２と、この音叉基部２２から平行に延びる一対の音叉腕部２３，２４とによって形成される音叉型外形部と、前記音叉腕部２３，２４に形成される溝部２５，２６及び補強壁部３３がパターン化されており、一回のフォトリソグラフィー工程において、前記音叉腕部２３，２４の外形形状と溝部２５，２６及び補強壁部３３とが同時にパターニングされるか、音叉腕部２３，２４の外形形状が第一の加工となり溝部２５，２６及び補強壁部３３とが第二の加工という２段階に加工される。
【００３３】
また、前記水晶エッチング工程では、パターニングされた前記音叉腕部２３，２４の外形形状と溝部２５，２６及び補強壁部３３とを同一のウェットエッチングプロセス条件の下で厚み方向に侵食を施すか、音叉腕部２３，２４の外形形状が第一の加工となり溝部２５，２６及び補強壁部３３とが第二の加工という２段階に加工される。この水晶エッチング工程において、前記音叉腕部２３，２４の外形部は水晶基板の厚み方向を完全に抜き加工し、前記補強壁部３３を残した溝部２５，２６は音叉腕部の厚みの１／２未満の範囲で表面及び裏面から侵食させる。
【００３４】
前記水晶エッチング工程によって形成された音叉腕部２３，２４の側面、前記補強壁部３３を含む溝部２５，２６の内側面には、加熱蒸着法やスパッタ法等によって励振電極が形成される。
【００３５】
本実施形態では、水晶基板のエッチングに化学的なウェットエッチングを用いたが、水晶基板のカット角や厚み等に応じてプラズマなどの物理現象を利用したドライエッチングやパウダービームを用いて行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の音叉型屈曲振動子の斜視図である。
【図２】上記音叉型屈曲振動子の平面図である。
【図３】図１の音叉型屈曲振動子のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１の音叉型屈曲振動子のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】音叉腕部における理想的な振動成分による振動姿態を示す説明図である。
【図６】音叉腕部における不要な振動成分を含む振動姿態を示す説明図である。
【図７】従来の音叉型屈曲振動子のＲ１特性を示すグラフである。
【図８】本発明の補強壁部を有した音叉型屈曲振動子のＲ１特性を示すグラフである。
【図９】音叉のメイン振動とその周辺のスプリアス振動の振幅比を表すグラフである。
【図１０】補強壁部が溝部内に最小の壁長を有して形成された音叉型屈曲振動子の斜視図である。
【図１１】補強壁部が溝部の長手方向の一端から他端までの間に連続して形成された音叉型屈曲振動子の斜視図である。
【図１２】補強壁部が溝部の深さより低く形成された音叉腕部の断面図である。
【図１３】溝部及び補強壁部が上面の一方にのみ有する構造の音叉腕部の断面図である。
【図１４】本発明の音叉型屈曲振動子を収容したデバイスの平面図である。
【図１５】従来の音叉型屈曲振動子の斜視図である。
【図１６】上記従来の音叉型屈曲振動子のＣ−Ｃ断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
２１音叉型屈曲振動子
２２音叉基部
２３，２４音叉腕部
２５，２６溝部
２９，３０励振電極
３１中立線
３２縁部
３３補強壁部
４１屈曲振動子
４２音叉基部
４３，４４音叉腕部
４５，４６溝部
４７補強壁部
５０デバイス
５１屈曲振動子
５２ケース
５３支持腕部
５４端子電極部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉基部と、この音叉基部から平行して延びる一対の音叉腕部と、この音叉腕部の表面を長手方向に凹設した溝部とを備えた音叉型屈曲振動子において、
前記溝部には、長手方向に沿って前記音叉基部から延びる補強壁部が形成されていることを特徴とする音叉型屈曲振動子。
【請求項２】
前記溝部が前記一対の音叉腕部のそれぞれの上面及び下面に形成され、これら溝部の全てに前記補強壁部が形成される請求項１記載の音叉型屈曲振動子。
【請求項３】
前記補強壁部は、前記溝部の長手方向と直交する溝幅の略中央部に設けられる請求項１又は２に記載の音叉型屈曲振動子。
【請求項４】
前記補強壁部は、前記溝部の長手方向の一端から他端までの間に連続して形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の音叉型屈曲振動子。

【図１】