(57)【要約】      （修正有）【課題】金属電極膜が水晶片に及ぼす歪みを解消し、周波数シフトを生じさせない水晶振動子を提供する。【解決手段】水晶片２の一平面に金属電極膜３を備える水晶振動子であり、その金属電極膜３は、第１金属膜４、第２金属膜５、第３金属膜６を順次積層してなる積層構造とした。さらに、この第１金属膜４と第２金属膜５とは、加熱後における互いの応力を打ち消すように、その材質又は膜厚に基づく応力の向きが、互いに逆とし、水晶振動子の歪みの影響を無くす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶の一平面に電極膜を備える水晶振動子であって、
前記電極膜は、前記一平面から第１金属膜、第２金属膜、第３金属膜を順次積層してなる積層構造であり、
前記第１金属膜と前記第２金属膜とは、加熱後における互いの応力を打ち消すように、前記第１金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、前記第２金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、が逆である
ことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
加熱後における前記第１金属膜の応力の大きさと前記第２金属膜の応力の大きさとが、ほぼ等しくなるように、それぞれの膜厚を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記第１金属膜の膜厚と前記第２金属膜の膜厚とが、ほぼ同じ膜厚となるように、それぞれの膜厚を設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記第２金属膜の膜厚は、前記第１金属膜と前記第３金属膜との間の拡散を防止する膜厚である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子に関するものであり、特に高精度の時計に用いるための水晶振動子の電極構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶時計は、水晶振動子を時間の調速に用いた良く知られている時計であり、クォーツ時計などと称されるものである。
【０００３】
水晶時計は、現在では月差±１０秒程度のいわゆる月差時計が大半であり、一般的には使用者が生活する上で支障のない精度を有している。しかしながら、昨今、より精度の高い時刻報知が可能となる、月差時計ではなく年差の精度を有するいわゆる年差時計を望む声が強まってきた。
【０００４】
年差時計とは、一般には年差±数秒の精度を有する高精度な時計として知られているもので、１年の累積精度が数秒程度しか狂わないという定義の時計である。今までの年差時計は、年差±数秒の精度を達成するために、高振動を行う水晶振動子を用いたり、温度補償技術を備えている。
【０００５】
このような年差時計とは別に、高精度な時計が知られている。例えば、内蔵するアンテナで標準電波等を受信し、その時刻情報を基にして時刻を修正する、いわゆる電波修正時計である。
【０００６】
電波修正時計は、標準電波等を受信して時刻を修正している限り、実質的に原子時計と同等な精度となるが、使用者が標準電波等を受信できない環境にいる場合や、標準電波等の受信に失敗した場合は、一般的な水晶時計の精度で動作する。
【０００７】
このように、電波修正時計は、時計の精度が使用者の環境に左右されるという課題と、時計自体に電波を受信するための構成、特に大きな面積を有するアンテナが必要であるために、時計の小型軽量化がしにくいという課題と、があった。
【０００８】
更に、時計のうち特に腕時計は、傷がつきにくいなどの理由で古くから金属外装が好まれる傾向にある。また、時計は趣向品としての側面もあることから、時計としての機能がデザイン上の制約を受けることもある。例えば上記のように、標準電波等を受信するのに使用するアンテナを時計内部に設けることである。このような構成を有すると、時計内部に標準電波を到達させる必要が生じるが、金属外装を有する電波修正時計にあっては、金属外装が電波を遮断してしまうため、標準電波等を受信しにくいという課題もあった。
【０００９】
上述の電波修正時計の３つの課題は、昨今の技術開発により多くの部分が解決されるようになってきている。しかし、標準電波等の受信の必要が無く、小型軽量化が見込め、デザインの制約を受けない時計も強く望まれている。
【００１０】
このような中で年差時計は、上記の要求を満足する時計であると共に、相当に高い精度をも有する時計であるので、大きな関心が持たれている。
【００１１】
すでに説明したように、年差時計は、年差±数秒の精度を達成しており、時計として相当に高い精度を有しているものの、使用者からはさらに高い精度が要求されており、近年、電波修正時計と同等な精度を欲する声も多くなってきた。
【００１２】
出願人はこのような要求に答えるべく、年差時計の改良に取り組み、使用する水晶振動子に着目した。そして、水晶振動子が時計の精度に与える影響の要因について検討したところ、水晶振動子の周波数がシフトすることが主な要因であることが分かった。そして、その周波数シフトは、水晶振動子を構成する水晶片が受ける歪みが関係していることが分かった。
【００１３】
水晶振動子は、構成する振動脚を励振するための金属電極膜と、振動脚の振動を検出するための金属電極膜とを有しているが、水晶片が受ける上述の歪みは、これら金属電極膜の構成が主な発生源であることが判った。
【００１４】
ところで、水晶振動子に用いる金属電極膜は、電気信号の送受信に適する上部金属電極膜と水晶との密着性がよい下地金属電極膜とを積層する、積層構造である場合が多い。例えば、水晶と接する下地金属電極膜はＣｒ（クロム）で、上部金属電極膜はＡｕ（金）で構成する例が知られている。
【００１５】
水晶振動子は、時計の電子回路の動作クロック信号の源振となる振動を発生する素子であるから、回路基板等に電子回路を内蔵したＩＣと共に実装される。この実装工程は、熱処理工程（リフロー工程）により印加される熱（例えば、２６０℃）で、例えばはんだを溶解させて回路基板等に水晶振動子を固定する。
【００１６】
しかし、この熱処理工程の熱により金属電極膜に応力が加わり、あるいは応力が解放されて、歪みが発生してしまう。すなわち、加熱により下地金属電極膜と水晶片との界面に歪みが発生するので、水晶振動子が周波数シフトを起こしてしまう。この周波数シフトは、時間が経つにつれ熱が通常の温度に戻るので、加熱以前の周波数に漸近してゆくが、熱が通常の温度に戻っても残留歪みとして残ってしまう。
【００１７】
また、印加された熱により、下地金属電極膜の原子が上部金属電極膜に移動する、いわゆる熱拡散と呼ばれる現象を起こし、双方の金属電極膜の応力が変化してしまうために周波数シフトを起こしてしまうのである。
【００１８】
このような２つの理由により、水晶振動子の周波数シフトが起き、その水晶振動子を時計に組み込まれた場合に歩度が変化し、時計の精度の低下をもたらしていた。
【００１９】
しかし、印加される熱による影響に対して対策を講じる提案もなされている。水晶振動子の金属電極膜を、上述の熱拡散を防止した構造とする提案である（例えば、特許文献１参照。）。
【００２０】
特許文献１に示した従来技術は、下地金属電極膜と上部金属電極膜との間に、双方の熱拡散を防止する拡散防止膜を設けるものであって、３層積層構造の金属電極膜が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００３−１７９７５号公報（第２頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
特許文献１に示した従来技術は、水晶からみて１層目の下地金属電極膜の上部に２層目の拡散防止膜を設け、拡散防止膜の上部に３層目の上部金属電極膜を設ける３層構造とす
ることで、１層目の下地金属電極膜と３層目の上部金属電極膜との間の熱拡散による応力変化は解消している。
【００２３】
しかしながら、１層目の下地金属電極膜及び２層目の拡散防止膜がそれぞれ有する応力に対する対策は何らなされていないため、金属電極膜が水晶片に及ぼす歪みは解消されていない。このため、特許文献１に示した従来技術を年差時計用の水晶振動子として適用しようとしても、周波数シフトは発生してしまい、年差時計としての精度向上を達成することはできなかった。
【００２４】
本発明の目的は、上記課題を解決するもので、金属電極膜が水晶片に及ぼす歪みを解消し、周波数シフトを生じさせない水晶振動子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子は下記記載の構成を採用する。
【００２６】
本発明の水晶振動子は、水晶の一平面に電極膜を備える水晶振動子であって、電極膜は、一平面から第１金属膜、第２金属膜、第３金属膜を順次積層してなる積層構造であり、第１金属膜と第２金属膜とは、加熱後における互いの応力を打ち消すように、第１金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、第２金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、が逆であることを特徴とする。
【００２７】
このような構成とすることにより、第１金属膜の応力と第２金属膜の応力とを打ち消すことができ、金属電極膜が水晶片に歪みを与えることはないので、水晶振動子は周波数シフトを起こすことがない。
【００２８】
また、加熱後における第１金属膜の応力の大きさと第２金属膜の応力の大きさとが、ほぼ等しくなるように、それぞれの膜厚を設定するようにしてもよい。
【００２９】
このような構成にすれば、膜厚の設定で互いの応力を殆ど打ち消すことができる。
【００３０】
また、第１金属膜の膜厚と第２金属膜の膜厚とが、ほぼ同じ膜厚となるように、それぞれの膜厚を設定するようにしてもよい。
【００３１】
このような構成にすれば、双方の応力を打ち消す効果を持ったまま膜厚をほぼ同じにできるから、成膜時に管理しやすくもなり、便利である。
【００３２】
また、第２金属膜の膜厚は、第１金属膜と第３金属膜との間の拡散を防止する膜厚としてもよい。
【００３３】
このような第２金属膜とすれば、第１金属膜の応力と第２金属膜の応力とを打ち消すと共に、第１金属膜と第３金属膜との間の熱による拡散も防止できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、第１の金属膜と第２の金属膜とは互いの応力を打ち消すように構成されているので、水晶振動子の歪みへの影響がなく周波数シフトを起こさないので高精度の水晶振動子を得ることができる。また、第２の金属膜は、熱により第１の金属膜が第３の金属膜に拡散することを防止する役割も有する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の金属電極膜の構造を説明するための断面図である。
【図２】膜厚に対する応力の平均変化量の関係を示すグラフであって、本発明の金属電極膜の構造における膜厚と応力を説明する図である。
【図３】水晶片の振動モードを説明するグラフであって、ねじり振動モード及び屈曲振動モードの周波数温度特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の水晶振動子は、その一平面に設ける電極膜を第１、第２、第３金属膜とした積層構造としている。第１金属膜と第２金属膜とは、加熱後における互いの応力を打ち消すように、その材質又は膜厚を選択されている。
【００３７】
すなわち、第１金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、第２金属膜の材質又は膜厚に基づく応力の向きと、が逆となる構成である。
【００３８】
以下、水晶振動子を、図面を用いて詳述する。図面は発明に関係のない部分を省略すると共に、説明しやすいように模式的に示すものである。なお、同一の構成には同一の番号を付与している。
【００３９】
［水晶振動子の電極膜の構造の説明：図１］
まず、図１を用いて、水晶振動子を構成する水晶片に成膜された金属膜の構造を説明する。図１は、水晶片の一平面に設ける電極膜を説明するための断面図である。
【００４０】
図１は、水晶振動子の一部の断面を表した断面図であって、水晶振動子の複数ある振動脚のうち、１つの振動脚１の断面を表した断面図である。このような水晶振動子は、水晶片２と金属電極膜３より成る。金属電極膜３は、水晶片２側から第１金属膜４、第２金属膜５、第３金属膜６で構成しており、第１金属膜４は水晶片２と接しており、その上部に第２金属膜５を設けている。さらにその上部に第３金属膜６を設ける３層の積層構造である。
【００４１】
金属電極膜３は、水晶振動子を構成する振動脚１を励振するためや、振動脚１の振動を電気信号として検出するための金属膜である。このため、水晶片２と密着性が高いことと、電気信号の送受のために低抵抗である必要とがある。
【００４２】
したがって、第１金属膜４は、水晶片２との密着性を上げる材質の金属を用いることが重要で、例えば、Ｃｒ（クロム）を用いる。第３金属膜６は、抵抗率が低い金属を用いることが重要で、例えば、Ａｕ（金）を用いる。そして、これらの間に設ける第２金属膜５は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）を用いる。
【００４３】
このような材質で構成し、かつ後述するような第１金属膜４の膜厚と第２金属膜５の膜厚とにすることで、第１金属膜４の応力の向きと、第２金属膜５の応力の向きとを逆にすることができる。
【００４４】
それにより、水晶振動子を実装する工程で印加される熱を印加された後における、第１金属膜４と第２金属膜５との応力を打ち消すことができ、金属電極膜３と水晶片２との界面に歪みを発生させてしまうことによる周波数シフトを防止することができる。
【００４５】
［金属膜の膜厚を選択することで応力を打ち消す例の説明：図２］
次に、第１金属膜４及び第２金属膜５の、互いの膜厚を選択することで応力を打ち消すことについて説明する。
【００４６】
まず、図２を用いて応力の大きさと金属膜の膜厚との関係について説明する。
図２は、金属膜の膜厚に対する応力の平均変化量を示すグラフである。図２において、符号４ａは第１金属膜４の特性であり、符号５ａは第２金属膜５の特性である。上述のように、第１金属膜４はＣｒを、第２金属膜５はＮｉをそれぞれ用いる。
【００４７】
図２の横軸は膜厚ｄ（Å）である。縦軸は応力の平均変化量Ｓ（ＭＰａ）を示すものであって、例えば、ある平面に対して押し込まれるような向きの応力を正の応力、引かれるような向きの応力を負の応力と定義したとき、０（ゼロ）は正の応力も負の応力も掛っていない状態を示すものである。
【００４８】
本出願人は、金属膜によってその膜厚に対して応力の大きさが変化することを実験で見出した。そこで、第１金属膜４と第２金属膜５とについて、その膜厚に対する応力の平均変化量を調査したところ、図２のような関係を導き出したのである。
【００４９】
すなわち、金属膜は、常に同じ応力の大きさや応力の向きを有するのではなく、膜厚により正の応力の大きさを有したり、負の応力の大きさを有したりするのである。
【００５０】
図２の特性４ａに示すように、第１金属膜４を構成するＣｒは、その膜厚が３００Åのときに応力の大きさがほぼゼロとなっているが、膜厚が厚くなるにしたがって、負の応力の大きさとなり、その量が増加する傾向を示す。
【００５１】
また、図２の特性５ａに示すように、第２金属膜５を構成するＮｉは、正の応力の大きさを有しているが、その膜厚が３００Åから５００Åまでは膜厚の増加と共に応力の大きさが減少し、膜厚が５００Åを超えると緩やかに増加する傾向がある。
【００５２】
このように、第１金属膜４と第２金属膜５とは、互いに応力の向きが逆になる金属を選択することで、応力を打ち消し合うことができるのである。これにより、図１に示す、金属電極膜３と水晶片２との界面に歪みを発生させてしまうことによる周波数シフトを防止することができる。
【００５３】
［応力の大きさを等しくして応力を殆ど打ち消す例］
第１金属膜４と第２金属膜５とは、双方の膜厚を適宜選択することにより、第１の金属膜４と第２の金属膜５とによる応力を殆ど打ち消すことができる。
【００５４】
例えば、図２の特性４ａに示すように、第１金属膜４を構成するＣｒの膜厚が、５１０Åのときの応力の大きさは、−４０ＭＰａである（負の応力の大きさを示すのでマイナス）。
一方、特性５ａに示すように、第２の金属膜５を構成するＮｉの膜厚は、３５０Åのときにその応力の大きさが＋４０ＭＰａとなる（正の応力の大きさを示すのでプラス）。
【００５５】
このことから、第１金属膜４を構成するＣｒの膜厚を５１０Åとし、第２金属膜５を構成するＮｉの膜厚を３５０Åとすれば、互いの応力の大きさがほぼ等しくなり、応力の向きのみが異なるから、双方の応力を殆ど打ち消すことができる。なお、このときの第１金属膜４と第２金属膜５との合計の膜厚は、８６０Åである。
【００５６】
別の膜厚の例としては、第１金属膜４を構成するＣｒの膜厚が、５００Åのときの応力の大きさは、約−３５ＭＰａである（負の応力の大きさを示すのでマイナス）。
一方、第２の金属膜５を構成するＮｉの膜厚は、７００Åのときにその応力の大きさが＋３５ＭＰａとなる（正の応力の大きさを示すのでプラス）。
【００５７】
このことから、第１金属膜４を構成するＣｒの膜厚を５００Åとし、第２金属膜５を構
成するＮｉの膜厚を７００Åとすれば、互いの応力の大きさがほぼ等しくなり、双方の応力を殆ど打ち消すことができる。なお、このときの第１金属膜４と第２金属膜５との合計の膜厚は、１２００Åである。
【００５８】
このように、第１金属膜４と第２金属膜５との膜厚を適宜選択することにより、双方の応力を殆ど打ち消すことができる。第１金属膜４と第２金属膜５とのそれぞれの膜厚をどのように選択するかは、水晶振動子の形状や大きさ、欲する特性により自由に選ぶことができる。
【００５９】
もちろん、双方の膜厚を薄くする方が金属膜を形成するための材料が減るためコストダウンになる。このため、水晶振動子やこれを組み込む装置やシステムのコストを考慮して膜厚を決めてもよい。
【００６０】
［膜厚を等しくして応力を打ち消す例］
第１金属膜４と第２金属膜５とは、互いの膜厚をほぼ同じにすることでも応力を打ち消すことができる。
【００６１】
すなわち、図２の特性４ａに示すように、第１金属膜４を構成するＣｒの膜厚は、５００Åのときの応力の大きさが、約−３５ＭＰａである（負の応力の大きさを示すのでマイナス）。
一方、特性５ａに示すように、第２の金属膜５を構成するＮｉの膜厚が５００Åのときの応力の大きさは、約＋２５ＭＰａとなる（正の応力の大きさを示すのでプラス）。
【００６２】
双方の応力の大きさに若干の差があるものの、図２に示すように、双方をその他の膜厚にする倍に比べて応力差が小さく、このことから、第１金属膜４及び第２の金属膜５のそれぞれの膜厚を５００Åとすれば、双方の応力を打ち消し、そもそも第１金属膜４と第２の金属膜５とによる応力を、大きく低減することができるのである。
【００６３】
この例のように、第１金属膜４及び第２の金属膜５の膜厚を同じにすると、これらの金属膜を形成するときに、金属膜を成膜し易くなるというメリットもある。
例えば、双方の金属膜の成膜速度が同じになるようにしておけば、成膜工程で時間管理だけで欲する膜厚を得ることができるからである。
【００６４】
［熱による拡散防止の説明：図１］
図１に示す水晶振動子の特徴は、金属電極膜３を構成する第２金属膜５が、第１金属膜４と第３金属膜６との熱拡散を防止する役目を兼ねているという点である。
【００６５】
すでに説明したように、水晶振動子を回路基板等に実装するとき、その実装工程の熱処理工程（リフロー工程）により、熱（例えば、２６０℃）が印加される。
第２金属膜５を設けていないと、第１金属膜４と第３金属膜６との間で熱拡散と呼ばれる原子の移動が発生し、双方の金属電膜の応力が変化してしまうのである。このため水晶振動子は、周波数シフトを起こしてしまう。
【００６６】
しかし、第２の金属膜５を、第１金属膜４と第３金属膜６との間で熱拡散が発生しないような金属及び膜厚とすることで、これを防止できるのである。
つまり、第２金属膜５を、第１金属膜４との応力を打ち消すような金属及びその膜厚とし、かつ第１金属膜４と第３金属膜６との間の熱による熱拡散を防止できる金属及び膜厚とすることで、水晶振動子としての周波数シフトを抑え、精度の良い水晶振動子を提供することを可能とした。
【００６７】
なお、金属電極膜３を構成する第３金属膜６は、すでに説明したように、抵抗率が低い金属を用いることが重要であり、例えば、Ａｕ（金）を用いている。Ａｕは他の金属に比べて展延性が大きいので、下地の膜に対して影響は小さい。このため、水晶片２に対する歪みの影響は無視できる。
【００６８】
［水晶片の説明：図３］
以上説明したように、本発明の水晶振動子は、金属電極膜から水晶片への歪みへの影響がないから、熱の印加があっても周波数シフトを起こさない。次に、このような水晶振動子をさらに周波数シフトを起こしにくくする手法を説明する。すなわち、水晶振動子を構成する水晶片を、ねじり振動モードと呼ばれる振動モードの水晶片を選択するのである。
【００６９】
図３は、水晶片の振動モードとしては代表的な、ねじり振動モード及び屈曲振動モードの周波数温度特性を示すグラフであって、水晶振動子が置かれる周囲温度（周囲の環境温度）を示す温度Ｔ（℃）に対する周波数の変化率Δｆ／ｆ（ｐｐｍ）を表す図である。符号５１は、ねじり振動モードの水晶片の特性であり、符号５２は、屈曲振動モードの水晶片の特性である。
【００７０】
屈曲振動モードの水晶片を用いる水晶振動子は、現在一般的な水晶時計等に使用されている。
【００７１】
図３に示すように、ねじり振動モードの水晶片の特性５１は、−３０℃から＋７０℃の温度Ｔの範囲に亘り、周波数の変化率が緩やかである。一方、屈曲振動モードの水晶片の特性５２は、同じ温度Ｔの範囲で、周波数の変化率が急峻である。
【００７２】
この特性５１と特性５２とを比較をすると明らかなように、ねじり振動モードの水晶片を用いて水晶振動子を構成する方が、周囲温度による周波数シフトが少ないことがわかる。
【００７３】
したがって、本発明の水晶振動子に、周波数の変化率が緩やかなねじり振動モードの水晶片を用いれば、周囲温度による周波数シフトをさらに小さく抑えられることができ、高精度の水晶時計に用いる水晶振動子として有利である。
【００７４】
上述の通り、屈曲振動モードの水晶片を用いた水晶振動子は、水晶時計に広く用いられており、水晶振動子にどのような水晶片を用いるかは、他の特性や加工のし易さ、コストなどに鑑みて選択されるものである。
【００７５】
以上説明したように、金属電極膜３を構成する第１金属膜４と第２金属膜５とは、その材質又は膜厚に基づく応力の向きが逆となるような金属であり、膜厚を選択することで、双方の応力を打ち消すことができる。また、第２金属膜５は、第１金属膜４と第３金属膜６との間の熱による拡散を防止する役を果たす金属及び膜厚を有している。
【００７６】
例示した金属は、第１金属膜４がＣｒ、第２金属膜５がＮｉであるが、もちろんこれらの金属に限定するものではなく、他の金属を用いてもよいことは、無論である。例えば、第１金属膜４にはＴｉ（チタン）、第２金属膜５にはＡｇ（銀）、第３金属膜６にはＣｕ（銅）などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の水晶振動子は、回路基板等に組み込んでも周波数シフトが発生しないので、高精度な時計に好適である。
【符号の説明】
【００７８】
１  水晶振動子の振動脚
２  水晶片
３  金属電極膜
４  第１金属膜
４ａ  Ｃｒの特性
５  第２金属膜
５ａ  Ｎｉの特性
６  第３金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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