(57)【要約】【課題】小型で安定した周波数特性を有する水晶振動片及びその製造方法、振動子、発振器、電子機器を提供する。【解決手段】本発明の音叉型水晶振動片１は、基部１１０と基部１１０から互いに平行に延出された一対の音叉腕１２１，１２２とを有する振動片本体１０２と、音叉腕１２１，１２２の両主面に形成された励振電極１２３ａ，１２４ａと、音叉腕１２１，１２２の両側面に形成された駆動電極１２３ｂ，１２４ｂとを有し、音叉腕１２１，１２２に沿って延び、水晶とは異なる組織構造を有する変質部１５１，１５２が少なくとも音叉腕１２１，１２２の長さ方向全体に亘って形成されている。【選択図】図１
2010183137.tif 000002
【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出された一対の振動腕部とを有する振動片本体と、前記振動腕部の両主面に形成された励振電極と、前記振動腕部の両側面に形成された駆動電極とを有する水晶振動片であって、
前記振動腕部に沿って延び、水晶とは異なる組織構造を有する変質部が少なくとも前記振動腕部の長さ方向全体に亘って形成されている
ことを特徴とする水晶振動片。
【請求項２】
前記変質部が、前記振動腕部の先端から前記基部の端部にかけて形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の水晶振動片。
【請求項３】
前記変質部が、少なくともアモルファス、多結晶、水晶、空洞などが入り混じった状態である
ことを特徴とする請求項１または２記載の水晶振動片。
【請求項４】
前記変質部が前記振動腕部の幅方向中央に位置し、前記変質部の幅方向両側には単結晶部が存在している
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の水晶振動片。
【請求項５】
前記変質部が、前記振動腕部を厚さ方向に貫通して形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の水晶振動片。
【請求項６】
前記変質部の幅が、前記振動腕部の幅に対して１０％〜８０％の範囲である
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の水晶振動片。
【請求項７】
前記振動腕部の両主面に、前記振動腕部の長さ方向に沿って延びる溝がそれぞれ形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の水晶振動片。
【請求項８】
基部と前記基部から互いに平行に延出された一対の振動腕部とを有する振動片本体と、前記振動腕部の両主面に形成された励振電極と、前記振動腕部の両側面に形成された駆動電極とを有する水晶振動片の製造方法であって、
水晶基板をエッチングすることにより前記基部及び前記振動腕部を形成する工程と、
前記振動腕部に沿ってレーザーを照射し、少なくとも前記振動腕部の長さ方向全体に亘って水晶とは異なる組織構造の変質部を形成する工程と、
前記励振電極及び前記駆動電極を形成する工程と、を有する
ことを特徴とする水晶振動片の製造方法。
【請求項９】
前記振動腕部の先端から前記基部の端部にかけて前記レーザーを連続照射することによって前記変質部を形成する
ことを特徴とする請求項８記載の水晶振動片の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザーが、フェムト秒パルスレーザーである
ことを特徴とする請求項８または９記載の水晶振動片の製造方法。
【請求項１１】
前記レーザーの出力を、３００ｎＪ以上５００ｎＪ未満とする
ことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一項に記載の水晶振動片の製造方法。
【請求項１２】
前記変質部を形成する工程の前に、
前記振動腕部の両主面に溝を形成する工程を有する
ことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか一項に記載の水晶振動片の製造方法。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の水晶振動片が、パッケージ内に収容されていることを特徴とする振動子。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項７いずれかに記載の水晶振動片と、集積回路とが、パッケージ内に収容されることを特徴とする発振器。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項７いずれかに記載の水晶振動片がパッケージ内に収容されている振動子を有し、前記振動子を制御部に接続して用いることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動片及びその製造方法、振動子、発振器、電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水晶振動子が様々な電子機器の発振回路に周波数制御素子として採用されている。特に、小型で壊れにくく、正確に振動する省電力の水晶振動子として音叉型振動子が用いられている。このような音叉型振動子は、クロック源として時計を含む各種電子機器に発振回路とともに内蔵され、印加された電圧に伴って、逆圧電現象により振動する。
【０００３】
近年では、各種電子機器の小型化に対応すべく音叉型振動子の小型化の要求が高まってきている。しかしながら、音叉型振動子を小型化していった場合、Ｑ値が著しく低下するという課題が存在する。
そこで、例えば振動片の一対の振動腕部の両主面に溝を設けて、熱弾性によるＱ値の低下を抑える構造が提案されている（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平２−３２２２９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、振動片をさらに小型化した場合、溝を形成しただけではＱ値の低下を抑えることができないという問題を有している。Ｑ値が大きいほど発振が安定することから、小型化した場合であっても適正なＱ値を得られる構造が求められている。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、小型で安定した周波数特性を有する水晶振動片及びその製造方法、振動子、発振器、電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水晶振動片は、上記課題を解決するために、基部と基部から互いに平行に延出された一対の振動腕部とを有する振動片本体と、振動腕部の両主面に形成された励振電極と、振動腕部の両側面に形成された駆動電極とを有する水晶振動片であって、振動腕部に沿って延び、水晶とは異なる組織構造を有する変質部が少なくとも振動腕部の長さ方向全体に亘って形成されている。
【０００８】
本発明によれば、水晶とは異なる組織構造を有する変質部が少なくとも振動腕部の長さ方向全体に亘って形成されているので、振動腕部の振動に起因する熱弾性等の影響によってＱ値が低下してしまうのを防止することができる。これにより、小型であっても適正なＱ値が得られ、発振周波数が安定した高性能な水晶振動片が得られる。
【０００９】
また、変質部が、振動腕部の先端から基部の端部にかけて形成されていることが好ましい。
本発明によれば、変質部が振動腕部の先端から基部の端部にかけて形成されているので、振動に起因する熱弾性等の影響を最小限に抑えることができ、水晶振動片の特性が劣化してしまうのをより効果的に防止することができる。
【００１０】
また、変質部が、少なくともアモルファス、多結晶、水晶、空洞などが入り混じった状態であることが好ましい。
本発明によれば、変質部が少なくともアモルファス、多結晶、水晶、空洞などが入り混じった状態であるため、水晶よりも熱伝導性及び熱膨張率が低くなり、Ｑ値の低下を効率よく抑えることが可能である。
【００１１】
また、変質部が振動腕部の幅方向中央に位置し、変質部の幅方向両側には単結晶部が存在していることが好ましい。
本発明によれば、変質部の幅方向両側に単結晶部（水晶）が存在するように変質部を設けることで、水晶振動片の圧電性及び機械的強度を確保しつつ性能劣化防止機能を得ることができるので信頼性が向上する。
【００１２】
また、変質部が、振動腕部を厚さ方向に貫通して形成されていることが好ましい。
本発明によれば、変質部が振動腕部の厚さ方向に亘って形成されているので、熱伝導性及び熱膨張率をより低下させることができ、Ｑ値の改善効果が向上する。
【００１３】
また、変質部の幅が、振動腕部の幅に対して１０％〜８０％の範囲であることが好ましい。
本発明によれば、変質部の幅が振動腕部の幅に対して１０％未満の場合、水晶と略同じような性質であるためＱ値を改善する効果があまり期待できない。また、８０％以上の場合には、圧電機能を確保できなくなったり機械的強度が低下するおそれがある。よって、振動腕部の幅を上記範囲内で設定することで、圧電機能及び機械的強度を確保しつつ従来よりもＱ値を改善することが可能である。
【００１４】
また、振動腕部の両主面に、振動腕部の長さ方向に沿って延びる溝がそれぞれ形成されていることが好ましい。
本発明によれば、振動腕部の振動損失を低くすることができ、振動効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明の水晶振動子の製造方法は、上記課題を解決するために、基部と基部から互いに平行に延出された一対の振動腕部とを有する振動片本体と、振動腕部の両主面に形成された励振電極と、振動腕部の両側面に形成された駆動電極とを有する水晶振動片の製造方法であって、水晶基板をエッチングすることにより基部及び振動腕部を形成する工程と、振動腕部に沿ってレーザーを照射し、少なくとも振動腕部の長さ方向全体に亘って水晶とは異なる組織構造の変質部を形成する工程と、励振電極及び駆動電極を形成する工程と、を有する。
【００１６】
本発明によれば、少なくとも振動腕部の長さ方向全体に亘ってレーザーを照射して水晶とは異なる組織構造の変質部を形成するので、振動腕部の振動に起因する熱弾性等の影響によってＱ値が低下してしまうのを防止することができる。これにより、小型であっても適正なＱ値が得られ、発振周波数が安定した高性能な水晶振動片が得られる。
【００１７】
また、振動腕部の先端から基部の端部にかけてレーザーを連続照射することによって変質部を形成することが好ましい。
本発明によれば、振動腕部の先端から基部の端部にかけて変質部を形成することができる。
【００１８】
また、レーザーが、フェムト秒パルスレーザーであることが好ましい。
本発明によれば、透過性を有する水晶基板に対して変質部を確実に形成することができる。また、変質部（レーザー照射領域）の周囲に損傷を及ぼすおそれがない。また、少なくともアモルファス、多結晶、水晶、空洞などが入り混じった状態の変質部を形成することができる。
【００１９】
また、レーザーの出力を、３００ｎＪ以上５００ｎＪ未満とすることが好ましい。
本発明によれば、変質部分を目視で確認できるので、変質部を所定の領域に確実且つ容易に形成することができる。また、レーザー照射後、水晶基板に亀裂等が入ることを防止できる。
【００２０】
また、変質部を形成する工程の前に、振動腕部の両主面に溝を形成する工程を有することが好ましい。
本発明によれば、振動腕部の両主面に溝を形成することによって振動効率を良くすることができる。
【００２１】
本発明の振動子は、先に記載の水晶振動片がパッケージ内に収容されてなるものである。
本発明によれば、変質部を有した水晶振動片を備えているので小型化しても安定した周波数発振特性を確保することができ、振動子としての信頼性が向上する。
【００２２】
本発明の発振器は、先に記載の水晶振動片と、集積回路とが、パッケージ内に収容されてなるものである。
本発明によれば、変質部を有した水晶振動片を備えているので小型化しても安定した周波数発振特性を確保することができ、発振器としての信頼性が向上する。
【００２３】
本発明の電子機器は、先に記載の水晶振動片がパッケージ内に収容されている振動子を有し、振動子を制御部に接続して用いることを特徴とする電子機器。
本発明によれば、変質部を有した水晶振動片を備えているので小型化しても安定した周波数発振特性を確保することができ、電気機器としての信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態における音叉型水晶振動片を示す平面図。
【図２】図１のＥ’−Ｅ断面図。
【図３】第１実施形態における振動片本体を示す平面図。
【図４】第１実施形態における音叉型水晶振動片の製造工程図。
【図５】第１実施形態における音叉型水晶振動片の製造工程図。
【図６】レーザー照射装置の概略構成図。
【図７】第２実施形態における音叉型水晶振動片を示す平面図。
【図８】図７のＦ’−Ｆ断面図。
【図９】第２実施形態における振動片本体を示す平面図。
【図１０】第２実施形態における音叉型水晶振動片の製造工程図。
【図１１】第２実施形態における音叉型水晶振動片の製造工程図。
【図１２】本発明に係る振動子であるセラミックパッケージ音叉型振動子を示す図。
【図１３】本発明に係る発振器である音叉水晶発振器を示す図。
【図１４】本発明に係る振動子であるシリンダータイプ音叉振動子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２６】
（音叉型水晶振動片の第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る水晶振動片である音叉型水晶振動片１の概略構成を示す図、図２は、図１のＥ’−Ｅ断面図、図３は、振動片本体１０２を示す平面図である。
音叉型水晶振動片１は、図１および図２に示すように、基部１１０と、この基部１１０から図において上方（ｙ方向）に延出された一対の音叉腕１２１，１２２（振動腕部）とを備えた振動片本体１０２を有している。本実施形態における音叉型水晶振動片１は、音叉腕１２１，１２２の幅Ｗが５０μｍから１００μｍ、厚さｔが５０μｍから１００μｍと極めて小さく、例えば３２．７６８ｋＨｚで発信する小型振動片となっている。
【００２７】
基部１１０は、音叉型水晶振動片１を例えばパッケージ等に固定する際に実装領域として機能するもので、その主面に基部電極１２５ａ、１２５ａが設けられている。基部電極１２５ａは、外部部品との電気的導通を図るための薄膜電極であって、導電性材料、例えば、Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ等の金属層、あるいはこれらを積層させた薄膜により形成されている。
【００２８】
音叉腕１２１には、その両主面に励振電極１２３ａ，１２３ａが対向配置され、両側面に駆動電極１２３ｂ，１２３ｂが対向配置されている。また、音叉腕１２２の両主面には励振電極１２４ａ，１２４ａが対向配置され、両側面に駆動電極１２４ｂ，１２４ｂが対向配置されている。これら励振電極１２３ａ，１２４ａおよび駆動電極１２３ｂ，１２４ｂは、上述した基部電極１２５ａと同じ材料からなる。さらに、各音叉腕１２１，１２２の先端部分には、給電を行う電極１２５ｂも形成されている。
【００２９】
そして、各音叉腕１２１，１２２において、励振電極１２３ａ，１２４ｂに印加される励振電圧が同位相となり、駆動電極１２３ｂ、１２４ａに印加される駆動電圧が励振電極１２３ａ，１２４ｂとは逆位相となるよう負図示の駆動回路に結線される。
【００３０】
本実施形態における音叉型水晶振動片１の内部には、図１〜図３に示すように変質部１５１，１５２が部分的に形成されている。これら変質部１５１，１５２は、水晶基板のうちレーザーが照射された結晶内部に形成されたもので、音叉型水晶振動片１の圧電振動にはあまり寄与しない領域であって各音叉腕１２１，１２２の延在方向全体に亘ってそれぞれライン状に形成されている。
【００３１】
具体的にこれら変質部１５１，１５２は、音叉腕１２１，１２２における幅方向（ｘ方向）中央に位置し、音叉腕１２１，１２２の先端から基部１１０の端部にかけて各音叉腕１２１，１２２の長さ方向に延びている。
【００３２】
ここで、本実施形態における変質部１５１，１５２とは、レーザーが照射された部分が溶解した後に再結晶化した非結晶状態、少なくともアモルファス、多結晶、水晶、空洞などが入り混じった部分であって、微小な空洞や穴ができたりして水晶の結晶性が変化している状態を指す。つまり、変質部１５１，１５２は、空隙や単結晶が一部に含まれるなどして水晶とは異なる組織構造を有している。
【００３３】
レーザーが照射されたことにより多結晶化が進むと、熱伝導率が低下するのと同時に熱膨張係数も低下することが予想される。一般的に、アモルファスの熱伝導率および熱膨張係数が単結晶より当然に低いことは明らかである。このため、多結晶化およびアモルファス化が進むと熱伝導率および熱膨張係数が低下するというのは、単結晶との差異を明確に示すものであると言える。そこで、アモルファスの特性、すなわち本実施形態における変質部１５１，１５２の特性を調べた結果を表１に示し、単結晶との違いを明らかにする。
【００３４】
表１には、レーザーが照射されたことによって水晶の結晶性が変化した本実施形態における変質部と単結晶部（水晶単結晶）とにおける熱膨張係数（ｐｐｍ/Ｋ）、弾性率（Ｎ/ｍ２）、密度（ｇ/ｃｍ３）、熱容量（Ｊ/Ｋｇ）、および熱伝導率（Ｗ/ｍＫ）の評価が示されている。
【００３５】
【表１】
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表１に示すように、単結晶部と変質部との比較において、弾性率、密度および熱容量に大きな違いは見受けられないが、熱膨張係数、熱伝導率に関しては単結晶部に比べて変質部の値が大幅に低下しており物性が大きく変化している。単結晶部の熱膨張数が１３．７ｐｐｍ／Ｋであるのに対して、変質部の熱膨張係数は０．５６ｐｐｍ／Ｋ程度である。一方、単結晶部の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫであるのに対して、変質部の熱伝導率は１．４Ｗ／ｍＫである。このことから、本実施形態における変質部は、レーザーが照射されたことによって水晶の結晶構造が変質してアモルファス化したと考えられる。
【００３６】
なお、本実施形態において変質部１５１，１５２は、上述したように音叉腕１２１，１２２の幅全体に形成されているのではなく、変質部１５１，１５２の両側に水晶の結晶性が変化していない側部１２１ａ，１２２ａ（単結晶部）が存在しているため、上記特性を有する変質部１５１，１５２を有していても圧電機能および機械的強度が確保された構成となっている。
【００３７】
図２に示すように、本実施形態における変質部１５１，１５２の幅Ｗ１は、音叉腕１２１，１２２の幅Ｗの３０％以上５０％以下の範囲内で形成されていることが望ましい。例えば変質部１５１，１５２の幅Ｗ１が小さすぎると熱伝導が水晶とあまり変わらなくなってしまい、逆に音叉腕１２１，１２２の側面まで変質部１５１，１５２を設けてしまうと圧電性がなくなってしまう。また、変質部１５１，１５２の幅Ｗ１が大きすぎると音叉腕１２１，１２２にクラックが生じる場合もあることから、音叉腕１２１，１２２の幅Ｗにもよるが変質部１５１，１５２の幅Ｗ１を上記範囲内で形成するようにする。なお、振動片の温度特性や周波数の安定性を考慮して範囲を設定することが望ましい。
【００３８】
このような構成の音叉型水晶振動片１は、各音叉腕１２１，１２２の両主面と両側面との間で生じる互いに逆向きの電界によって屈曲振動を生じ、最終的に、音叉振動を生じることになる。例えば、音叉腕１２１において、中央部から両側面に向かうｘ方向の電界が印加されることにより、図２において右側の部分がｙ方向に伸びるとすると左側部分が収縮し、音叉腕１２２と対向する方向に変位する。
【００３９】
一方、音叉腕１２２において、両側面から中央部に向かう方向にｘ方向の電界が印加されることにより、図２において左側の部分がｙ方向に伸びるとすると右側部分が収縮し、他方の音叉腕１２１と対向する方向に変位する。また、電界をそれぞれ上記の場合と逆にする電圧が電極１２３ａ，１２４ａ，１２３ｂ，１２４ｂに印加されることにより、音叉腕１２１，１２２は離間する方向に振動し、一対の音叉腕１２１，１２２は互いに逆向きの水平方向に振動して、音叉振動を生じることになる。
【００４０】
ところが、音叉型水晶振動片を小型化していった場合に、音叉腕１２１，１２２の振動に伴う水晶内部の熱の流れが振動を阻害して、その特性、すなわち音叉型水晶振動片１のＱ値が著しく低下するおそれがあった。音叉型水晶振動片１のＱ値は熱伝導率および熱膨張係数によって決定されるもので、その値が１００００以上あることが望ましく、Ｑ値を改善する対策が必要であった。
【００４１】
このため、本実施形態においては音叉型水晶振動片１の内部に水晶の結晶構造が変質した変質部１５１，１５２を設けることによって、小型化に伴うＱ値の低下を大幅に改善できるようにした。すなわち、レーザー照射によって変質を加えられた変質部１５１，１５２は結晶構造が崩れて粗な状態となるため、熱の伝導が遮断されるとともに熱膨張係数が小さくなる（表１）。このように、内部に変質部１５１，１５２を形成することで振動に起因する熱弾性等の影響を最小限にし、振動に起因する熱移動の影響を抑えることができる。したがって、変質部１５１，１５２を有した音叉型水晶振動片１は、Ｑ値が改善されて発振周波数が安定し、小型で高性能なものとなる。また、さらに小型化した場合にも、Ｑ値を大きくすることができる。
【００４２】
本実施の形態に係る音叉型水晶振動片１は以上のように構成されるが、以下、その製造方法の一例について、図４，５に示す工程図、および図６に示すレーザー照射装置２０を参照して説明する。
【００４３】
先ず、図４（ａ）に示すような水晶基板３０を用意する。水晶基板３０は、水晶ブロックからウェハ状に切り出されて研磨され、平坦な平板形状をなす。このような水晶基板３０の表面に、Ｃｒ膜およびＡｕ膜をこの順で積層してなる保護膜３１を形成する。
【００４４】
次に、図４（ｂ）に示すように保護膜３１の表面にレジストＲｅをコーティングし、フォトリソ工程を経て図４（ｃ）に示すような所望形状にパターン化したレジストマスク３２を形成する。このレジストマスク３２は、音叉型水晶振動片の外形形状に対応している。
【００４５】
次に、図４（ｄ）に示すように、レジストマスク３２の形状に従って保護膜３１をＡｕ膜、Ｃｒ膜の順にエッチングする。保護膜３１をパターニングした後、図５（ｅ）に示すように、水晶基板３０を音叉型水晶振動片の外形の形状にエッチングすることによって、基部１１０（図３）および音叉腕１２１，１２２を有した振動片本体１０２が得られる。そして、この振動片本体１０２を図６に示すレーザー照射装置２０にセットする。
【００４６】
本実施形態の製造方法に用いるレーザー照射装置２０は、図６に示すように、レーザー光源２３、光学系、多軸ステージ２８を基本として構成されており、レーザー光源２３から発せられたレーザー光が、ハーフミラー２６を経て対物レンズ２７に入射されて水晶基板３０に照射されるようになっている。
【００４７】
そして、照射装置２０の多軸ステージ２８上に載置した振動片本体１０２（音叉腕１２１，１２２）の所定領域に対してフェムト秒レーザー照射を行い、図５（ｆ）に示すようにレーザー照射部分の結晶内部に変質部１５１，１５２を形成する。レーザー光を照射すると、その熱エネルギーによって水晶基板３０の結晶の相転移などが生じて変質部１５１，１５２が形成される。
【００４８】
ここで、フェムト秒レーザーとは、パルス幅がフェムト秒（ｆｓ：１０−１５秒）台のパルスレーザーであって、極めて短時間に高エネルギーが照射部位に集中するためその周囲に熱伝導が生じる前に加工が進行し、集光領域のみの加工が誘起される。このため、照射部位の周辺には影響が殆ど及ばない。また、フェムト秒レーザーを使用することで、水晶のような透明部材に対しても集光照射が可能である。
【００４９】
本実施形態では、フェムト秒レーザーとして、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１３０ｆｓ、周波数５ｋＨｚのチタン−サファイヤレーザーを使用する。レーザー光線の集光スポット径は０．５〜１μｍ程度である。
【００５０】
また、レーザー出力は１５０ｎＪ〜４５０ｎＪ、好ましくは２００ｎＪ〜４００ｎＪであって、本実施形態では３００ｎＪに設定する。なお、レーザー出力を１００ｎＪとした場合には変質部分を目視で確認することができず、出力を３００ｎＪにすることで変質部分を目視で確認することが可能となる。また、出力を５００ｎＪまで高めた場合には、変質部分を目視で確認できるものの、多軸ステージ２８の移動方向に亀裂が入ってしまう。
【００５１】
水晶基板３０に対するレーザー光の照射位置の走査は、水晶基板３０を載置した多軸ステージ２８を移動させることによって行う。この多軸ステージ２８は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のいずれにも移動できるように構成されている。この多軸ステージ２８は、ドライバ９を介してコンピューター装置１０によって制御されて移動する。すなわち、コンピューター装置１０は、多軸ステージ２８を所定のプログラムに従って駆動させることにより、水晶基板３０において、レーザー光の集光点が任意の予定された軌跡上を走査されるようにする。さらに、多軸ステージ２８の上方には、多軸ステージ２８上に載置される水晶基板３０のアライメントの整合をとるためのＣＣＤカメラ２１が備えられており、このＣＣＤカメラ２１の映像に基づいて水晶基板３０に対するレーザー光の照射位置等定めることとする。
【００５２】
本実施形態では、多軸ステージ２８を例えば一方向に移動させることで、水晶基板３０に対してその音叉腕１２１，１２２の延在方向に沿った直線状の変質部１５１，１５２を形成する。このとき、上述したように多軸ステージ２８の移動速度を毎秒２．５ｍｍ、レーザー光の照射間隔を５ｋＨｚとすることで隣り合う照射ラインの間隔、所謂スポット間隔を０．５μｍにし、照射ライン同士が繋がるように加工する。さらに、板厚１００μｍの水晶基板３０の厚み方向に焦点距離を５μｍずつ変えて、図５（ｆ）に示すように、水晶基板３０の厚み方向全体に変質部１５１，１５２を形成する。
なお、図示してはいないが、振動片本体１０２の表面にレーザー照射領域に対応したマスクパターンを形成しておくことが好ましい。
【００５３】
次に、図５（ｇ）に示すように、変質部１５１，１５２を有した水晶基板３０の表面全体にＡｕ膜，Ｃｒ膜を成膜して電極膜３３を形成する。そして、電極膜３３上に形成したレジストマスク３４のパターン形状に従ってＣｒ膜，Ａｕ膜をこの順にエッチングすることによって、図５（ｈ）に示すように、励振電極１２３ａ，１２４ａ、駆動電極１２３ｂ、１２４ｂ、基部電極１２５ａ，１２５ａ（図２）および電極１２５ｂ（図２）を形成する。その後、レジストマスク３４を剥離することにより、内部に変質部１５１，１５２を有した本実施形態の音叉型水晶振動片１が得られる。
【００５４】
このような製造方法によれば、音叉型水晶振動片１における所定領域にのみ変質部１５１，１５２を形成することが可能である。また、フェムト秒レーザーを用いることによって、必要な箇所に必要な数だけ確実且つ容易に変質部１５１，１５２を形成することができる。
なお、各図において変質部１５１，１５２は、連続的に描かれているが、レーザー照射スポットの集まり（規則的、ランダム）であっても構わない。
また、音叉型水晶振動片１はＺカット水晶片からなっていてもよい。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の音叉型水晶振動片２について説明する。図７は、第２実施形態の音叉型水晶振動片の概略構成を示す平面図、図８は、図７のＦ−Ｆ’断面図、図９は、第２実施形態における振動片本体を示す平面図である。以下の説明では、先の実施形態と異なる構造について詳しく説明し、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図１〜図６と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。
【００５６】
本実施形態の音叉型水晶振動片２は、図７に示すように音叉腕１２１，１２２の両主面における一部に音叉腕１２１，１２２の延在方向に延びる溝１４１，１４２が形成されている。この溝１４１，１４２は、音叉腕１２１，１２２の両主面に同様に形成されていることから、図８に示す断面図では略Ｈ型となっている。溝１４１，１４２の長さは、音叉腕１２１，１２２の長さＬに対して５０％〜７０％の長さに設定されている。
【００５７】
各音叉腕１２１，１２２に形成されている溝１４１，１４２には、図７，８に示すように励振電極１２３ａ，１２４ａが形成されている。
また、各音叉腕１２１，１２２の両側面には駆動電極１２３ｂ，１２４ｂが配置され、基部１１０には基部電極１２５ａ，１２５ａが配置されている。
【００５８】
本実施形態の音叉型水晶振動片２には、各音叉腕１２１，１２２に図８，９に示すような変質部１６１，１６２が形成されている。変質部１６１，１６２は、振動片の厚さ方向全体に亘って形成されている。したがって、平面視において溝１４１，１４２と重なる領域の厚みは腕部先端側よりも薄くなっている。溝１４１，１４２では、変質部１６１，１６２が溝１４１，１４２の底壁を構成している。
【００５９】
次に、図１０及び図１１を参照して本実施形態の音叉型水晶振動片２の製造方法の一例について説明する。なお、水晶基板３０を音叉型水晶振動片２の外形形状に形成することについては先の実施形態と同様である。
本実施形態では、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ｅ）を終えた後、水晶基板３０上からレジストマスク３２および保護膜３１を剥離して図１０（ｉ）に示すような状態にする。
次に、図１０（ｊ）に示すように水晶基板３０の表面全体にＣｒ膜およびＡｕ膜からなる保護膜４１を形成し、さらにこの保護膜４１上にパターン化されたレジストマスク４２を形成する。このレジストマスク４２は各音叉腕１２１，１２２に形成する溝パターンに対応している。
【００６０】
次に、図１０（ｋ）に示すように、レジストマスク４２を介してエッチングを行うことによって保護膜４１をパターン形成し、水晶基板３０の一部を露出させる。その後、この水晶基板３０に対して所定時間、エッチング処理を行うことにより、図１０（ｌ）に示すように音叉腕１２１，１２２の表面および裏面のそれぞれに溝１４１，１４２が複数形成される。本実施形態においては、水晶基板３０をエッチングすることによって音叉腕１２１，１２２の両主面のそれぞれに溝１４１，１４２を形成する。ここで、エッチング処理において、所望の溝の深さになるように処理時間を調整する。
【００６１】
次に、図１１（ｍ）に示すように、レーザー照射装置２０により音叉腕１２１，１２２の先端から基部１１０の端部にかけてライン状にフェムト秒レーザーを照射し、基板の厚み方向全体に変質部１６１，１６２を形成する。
【００６２】
次に、図１１（ｎ）に示すように、変質部１６１，１６２を有した水晶基板３０の表面全体にＡｕ膜，Ｃｒ膜を成膜して電極膜３３を形成する。そして、図１１（ｏ）に示すように、電極膜３３上に形成したレジストマスク３４のパターン形状に従ってＣｒ膜，Ａｕ膜をこの順にエッチングすることによって、図１１（ｐ）に示すような励振電極１２３ａ，１２４ａ、駆動電極１２３ｂ、１２４ｂ、基部電極１２５ａ，１２５ａ（図２）および電極１２５ｂ（図２）を形成する。その後、レジストマスク３４を剥離することにより、内部に変質部１６１，１６２を有した本実施形態の音叉型水晶振動片２が得られる。
【００６３】
このようにして製造された本実施形態の音叉型水晶振動片２は、溝１４１、１４２と、各溝１４１、１４２の底部を含む音叉腕１２１，１２２の延在方向に亘って変質部１６１，１６２を有している。これら変質部１６１，１６２によってＱ値の低下を防止することが可能であるとともに、溝１４１，１４２によって振動効率の向上や電力損失を抑えることが可能である。したがって、これらの相乗効果によって、振動片全体を小型化した場合にもより安定した周波数特性を得ることができて信頼性に優れたものとなる。
【００６４】
なお、先に記載の各実施形態においては、音叉型水晶振動片１，２の長さ方向全体、すなわち音叉腕１２１，１２２から基部１１０にかけて変質部１５１，１５２，１６１，１６２を形成したが、音叉腕１２１，１２２にのみ変質部を設けるようにしても良い。この場合、少なくとも音叉腕１２１，１２２の長さ方向全体に亘って変質部が延在する構成とする。
【００６５】
（実施例１）
次に、本発明に係る変質部を有する音叉型水晶振動片と、変質部を有しない従来の音叉型水晶振動片との性能の違いについて調べた。各振動片がそれぞれ、音叉腕１２１，１２２の幅Ｗ１が５０μｍ、腕の長さＬが１１００μｍ、発振周波数が３２ｋＨｚとされた溝付き音叉型水晶振動片であって、一方の振動片に変質部が音叉腕の長さに亘って形成されている場合、変質部を有しない音叉型水晶振動片のＱ値が１５０００であるのに対して、変質部を有する音叉型水晶振動片のＱ値は２４０００程度にまで大幅に向上した。これにより、変質部がＱ値の改善に寄与していることを確認できた。
また、音叉腕の長さ方向の一部に変質部が形成されている場合のＱ値が２１０００であったことから、変質部を音叉腕の長さに亘って設けることでＱ値の改善効果が向上することが分かった。よって、振動片の長さに亘って変質部を設けることでより高いＱ値が得られると考えられる。
【００６６】
（振動子）
図１２は、本発明に係る振動子であるセラミックパッケージ音叉型振動子２００を示す図である。このセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、音叉型水晶振動片１００として上述の第１、第２実施形態のいずれかの振動片を用いている。したがって、音叉型水晶振動片１，２の構成、作用等については、同一符号を用いてその説明を省略する。
【００６７】
図１２に示すようにセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、その内側に空間を有する箱状のパッケージ２１０を有している。このパッケージ２１０には、その底部にベース部２１１を備えている。このベース部２１１は、例えばアルミナ等のセラミックス等で形成されている。
【００６８】
ベース部２１１上には、封止部２１２が設けられており、この封止部２１２は、ベース部２１１と同様の材料から形成されている。また、封止部２１２の上端部には、蓋体２１３が載置され、これらベース部２１１、封止部２１２及び蓋体２１３で、中空の箱体を形成することになる。このように形成されているパッケージ２１０のベース部２１１上にはパッケージ側電極２１４が設けられている。
【００６９】
パッケージ側電極２１４の上には導電性接着剤等を介して音叉型水晶振動片１の基部１１０が固定されている。音叉型水晶振動片１００は、上述したように第１、第２実施形態のいずれかの構成であるため、小型で周波数特性が安定しているので、この振動片を搭載したセラミックパッケージ音叉型振動子２００も小型で周波数特性が安定した高性能な振動子となる。
【００７０】
図１３は、本発明に係る発振器である音叉水晶発振器４００を示す図である。この音叉水晶発振器４００は、先に記載のセラミックパッケージ音叉型振動子２００と多くの部分で構成が共通していることから、セラミックパッケージ音叉型振動子２００と同等の構成、作用等については、同一符号を用いてその説明を省略する。
【００７１】
図１３に示す音叉水晶発振器４００は、図１２に示すセラミックパッケージ音叉型振動子２００における音叉型水晶振動片１の下方、かつベース部２１１の上に、図１３に示すように集積回路４１０を配置したものである。すなわち、音叉水晶発振器４００では、その内部に配置された音叉型水晶振動片１００が振動すると、その振動は、集積回路４１０に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。すなわち、音叉水晶発振器４００に収容されている音叉型水晶振動片１００は、第１および第２のいずれかの構成であるため、小型で発振周波数が安定しているので、この振動片を搭載したデジタル音叉水晶発振器４００も小型で発振周波数が安定した高性能な発振器となる。
【００７２】
図１４は、本発明に係る振動子であるシリンダータイプ音叉振動子５００を示す図である。このシリンダータイプ音叉振動子５００は、上述の第１実施形態または第２実施形態の音叉型水晶振動片１，２を使用している。したがって、音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。図１４は、シリンダータイプ音叉振動子５００の構成を示す概略図である。図１４に示すようにシリンダータイプ音叉振動子５００は、その内部に音叉型水晶振動片１を収容するための金属製のキャップ５３０を有している。このキャップ５３０は、ステム５２０に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。
【００７３】
また、キャップ５３０に収容された略Ｈ型の音叉型水晶振動片１を保持するためのリード５１０が２本配置されている。このようなシリンダータイプ音叉振動子５００に外部より電流等を印加すると音叉型水晶振動片１００の音叉腕１２１，１２２が振動し、振動子として機能することになる。このとき、音叉型水晶振動片１００は、第１、第２実施形態のいずれかの構成であるため、小型で発振周波数が安定しているので、この振動片を搭載したシリンダータイプ音叉振動子５００も小型で発振周波数が安定した高性能な振動子となる。
【００７４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもなく、上記各実施形態を組み合わせても良い。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００７５】
例えば、先の実施形態に係る音叉型水晶振動片１、２は、上述の例のみならず、他の電子機器、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１、２…音叉型水晶振動片（水晶振動片）、１２１，１２２…音叉腕（振動腕部）、１１０…基部、１２３ａ、１２４ａ…励振電極、１２３ｂ，１２４ｂ…駆動電極、１２５ａ、１２５ａ…基部電極、１２５ｂ…電極、１５１，１５２，１６１，１６２…変質部、１４１，１４２…溝、２００…セラミックパッケージ音叉型振動子、４００…音叉水晶発振器（発振器）、５００…シリンダータイプ音叉振動子（振動子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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