(57)【要約】【課題】製造コストを上昇させることなくパッケージへの振動漏れを小さくする。【解決手段】圧電振動子２０は、セラミックからなる箱型のパッケージ４０の内部に音叉型圧電振動片２２が実装してある。音叉型圧電振動片２２は、一対の振動腕２４、２６と基部２８とが一体に形成してある。音叉型圧電振動片２２は、水晶から形成してあって、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが、水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している。そして、音叉型圧電振動片２２は、＋Ｚ側面がマウント面となっていて、基部２８の＋Ｚ側面にマウント材３０ａ、３０ｂが設けてあり、これらのマウント材３０ａ、３０ｂを介してパッケージ４０の底板部４２に設けたマウント電極に固着してある。【選択図】　　　図１
2004015562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している振動腕を有する圧電振動片が、その＋Ｚ側面を介してパッケージ内に固着してあることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
フォトリソグラフィ加工によりエッチング加工され、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している振動腕を有する圧電振動片が、その＋Ｚ側面を介してパッケージ内に固着してあることを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動腕を有する圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
時計などに用いる比較的低周波の発振器には、一般に圧電材料である水晶から形成した音叉型の圧電振動片を有する圧電振動子（圧電デバイス）が使用されている。水晶からなる音叉型圧電振動片は、通常水晶のいわゆるＺ板から形成され、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが、水晶のＹ軸（機械軸）方向、Ｘ軸（電気軸）方向、Ｚ軸（光軸）方向に対応し、振動腕が長手方向に沿って形成してある。この音叉型圧電振動片は、次のようにして形成される。
【０００３】
まず、Ｚ板からなる水晶基板に、例えばクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）との２層構造からなる耐食膜を形成する。次に、この耐食膜を音叉型にパターニングしたのち、フッ酸系のエッチング液を用いて水晶基板をエッチングし、水晶基板に多数の音叉型ブランクを形成し、耐食膜を除去する。さらに、水晶基板の全体に電極用の金属膜を形成し、この金属膜をエッチングして所定形状の電極を音叉型ブランクに形成する。その後、ブランクを水晶基板から折り取って音叉型圧電振動片にしている。図５は音叉型圧電振動片の一例を示す平面図であり、図６はその斜視図である。なお、これらの図において、音叉型圧電振動片に形成した電極は省略してある。
【０００４】
これらの図において、音叉型圧電振動片１０は、平行に形成した一対の振動腕１２（１２ａ、１２ｂ）を有していて、これらの振動腕１２が基部１４と一体になっている。また、音叉型圧電振動片１０は、長手方向、幅方向、厚さ方向がそれぞれ水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している。そして、音叉型圧電振動片１０は、図６に示したように、振動腕１２の先端面が＋Ｙ側面となっており、基部１４の振動腕１２が設けられている側と反対側の端面が−Ｙ側面となっている。さらに、音叉型圧電振動片１０は、図６における振動腕１２ｂの外側面（振動腕１２ａの振動腕１２ｂとの対向面）が＋Ｘ側面であり、振動腕１２ａの外側面（振動腕１２ｂの振動腕１２ａと対向した面）が−Ｘ側面、図６における表側面が＋Ｚ側面、裏側面が−Ｚ側面となっている。
【０００５】
このようになっている音叉型圧電振動片１０は、パッケージ内に実装して圧電デバイスである圧電振動子にされる。音叉型圧電振動片１０は、圧電振動子に組み立てられる場合、機器の小型化、薄型化の要請に伴い、近年、箱状のセラミックパッケージ内の底部に、基部１４の厚さ方向の面を固着して実装されるようになってきた。この際、ブランクの折り取りのしやすさに伴うトレイへの配置などの作業工程上の都合から、従来は、音叉型圧電振動片１０の−Ｚ側面を固着面（マウント面）としてパッケージに実装していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、発明者らが近年の圧電デバイスに対する小型化、高周波数化、高性能化の要請を受けて鋭意研究をしたところ、音叉型圧電振動片１０の−Ｚ側面をマウント面とした圧電振動子と、＋Ｚ側面をマウント面とした圧電振動子とでは、音叉型圧電振動片１０からパッケージへの振動漏れに相違があることが見いだされた。そして、発明者らが詳細に検討したところ、この振動漏れの相違は、音叉型圧電振動片１０の振動腕１２をつなぐ股部に形成されるエッチング残り部１６に起因することが判明した。
【０００７】
このエッチング残り部１６は、水晶基板をエッチングして音叉型ブランクを形成する際に、水晶の異方性によりエッチングが均一に行なわれないことにより、振動腕１２の−Ｘ側面に形成される。そして、エッチング残り部１６の形状は、図６に示されているように、水晶のＸ軸方向とＺ軸方向とにおいて非対称となっている。このため、音叉型圧電振動片１０は、左右の振動腕１２ａ、１２ｂの剛性バランスが微妙にずれるばかりでなく、厚さ方向（Ｚ軸方向）における剛性も非対称となる。
【０００８】
音叉型圧電振動片１０の振動腕１２の振動は、本来、水晶のＸ軸方向（音叉型圧電振動片１０の幅方向）に沿った面内で屈曲するはずであるが、製造上の誤差などによって形状が完全に対称とならないため、振動腕１２の先端がわずかに楕円運動をするように振動する。このため、振動腕１２の振動がマウント部を介してパッケージに伝達され、振動漏れを生ずる。
【０００９】
従来は、音叉型圧電振動片１０が比較的大型であったため、振動腕１２の基端部（付け根部）に対する慣性モーメントが大きく、股部に形成されるエッチング残り部１６が音叉型圧電振動片１０全体の大きさに比較して十分に小さく、その影響を無視することができた。しかし、近年における圧電振動子の小型化、高周波数化による音叉型圧電振動片の小型化、振動腕１２の短小化に伴って、エッチング残り部１６が音叉型圧電振動片の全体に対する割合が相対的に大きくなり、エッチング残り部１６による影響を無視することができなくなってきた。そして、発明者らの研究によると、音叉型圧電振動片１０の−Ｚ側面をマウント面とした場合、＋Ｚ側面をマウント面としたときよりもパッケージへの振動漏れが大きくなり、大きなエネルギー損失を生じてクリスタルインピーダンス（ＣＩ）値が大きくなるなどの問題を生ずる。これは、エッチング残り部１６が、図６に示されているように、音叉型圧電振動片１０の−Ｚ側において屈曲振動方向であるＸ方向の幅が広くなっており、振動腕１２ｂの振動エネルギーが−Ｚ側面に伝達しやすくなっているためと考えられる。
【００１０】
このエッチング残り部１６は、音叉型ブランクを形成する際に、水晶基板を長時間エッチングすることによってなくすことができる。したがって、ブランク形成時のエッチング時間を長くすることによって、マウント面の違いによる振動漏れの相違をなくすことが可能である。しかし、エッチング残り部１６が消失するまで長時間エッチングすることは、音叉型圧電振動片１０の製造効率を著しく低下させ、製造コストを上昇させる。
そこで、本発明は、製造コストを上昇させることなくパッケージへの振動漏れを小さくすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電デバイスは、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している振動腕を有する圧電振動片が、その＋Ｚ側面を介してパッケージ内に固着してあることを特徴としている。
また、本発明に係る圧電デバイスは、フォトリソグラフィ加工によりエッチング加工され、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している振動腕を有する圧電振動片が、その＋Ｚ側面を介してパッケージ内に固着してあることを特徴としている。
【００１２】
このようになっている本発明は、圧電振動片の振動腕が水晶のＸ方向に屈曲振動する。そして、振動腕の股部に形成されるエッチング残り部は、圧電振動片の水晶の＋Ｚ軸方向に向いた＋Ｚ側面側において、水晶の＋Ｙ方向に長く、振動腕の屈曲振動方向であるＸ方向側にほとんど存在しない。したがって、振動腕がＸ方向に屈曲振動した場合に、振動腕の振動エネルギーの＋Ｚ側面に伝達される量が−Ｚ側面側より著しく小さくなる。このため、圧電振動片の＋Ｚ側面をマウント面とすることにより、パッケージへの振動漏れを小さくでき、エネルギー損失が小さくなってＣＩ値などを改善することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る圧電デバイスの好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る圧電デバイスである圧電振動子を説明する斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、図３は音叉型圧電振動片をマウント面側（＋Ｚ面側）から見た斜視図である。なお、図２と図３においては、音叉型圧電振動片に形成した電極パターンが省略してある。
【００１４】
これらの図において、圧電振動子２０は、音叉型圧電振動片２２を備えている。音叉型圧電振動片２２は、一対の振動腕２４、２６を有する。これらの振動腕２４、２６は、基部２８と一体に形成してある。この音叉型圧電振動片２２は、圧電材料である水晶のいわゆるＺ板から従来と同様にして形成される。すなわち、音叉型圧電振動片２２の形成は、まず、水晶基板（図示せず）の表面に金属耐食膜をスパッタリングや蒸着によって形成する。さらに、耐食膜の表面にフォトレジストを塗布してレジスト膜を形成し、このレジスト膜をフォトリソグラフィ法によって露光、現像して音叉型にパターニングする。その後、音叉型のレジスト膜をマスクとして耐食膜をエッチングして水晶基板の表面を露出させ、水晶基板をフッ酸系のエッチング液によって音叉型にエッチングすることにより、音叉型圧電振動片を得ることができる。このようにしてフォトリソグラフィ加工によって形成した音叉型圧電振動片２２は、長手方向、幅方向、厚さ方向のそれぞれが、図３に示したように水晶のＹ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対応している。
【００１５】
そして、音叉型圧電振動片２２は、振動腕２４、２６の先端面が＋Ｙ側面、基部２８の振動腕２４、２６が設けられている側と反対側の端面が−Ｙ側面となっている。また、音叉型圧電振動片２２は、この実施形態の場合、振動腕２４の外側の面（図３の右側の面）が＋Ｘ側面、振動腕２６の外側の面（図３の左側の面）が−Ｘ側面であって、図１、図３における下側の面が＋Ｚ側面、上側の面が−Ｚ側面となっている。さらに、音叉型圧電振動片２２は、後述するように、＋Ｚ側面がマウント面となっていて、基部２８の＋Ｚ側面の端部に、銀ペーストなどからなる一対のマウント材３０（３０ａ、３０ｂ）が設けてある。ここで、振動腕２４を基部２８につなぐ股部（基部）に形成されるエッチング残り部１６は、マウント面となる下側面においてＹ方向に長く、振動腕２４、２６の屈曲振動方向であるＸ方向においてほとんど存在せず、反対の上側面において振動腕２４、２６の屈曲振動方向であるＸ方向に長くなっている。
【００１６】
音叉型圧電振動片２２の表面には、図１に示したように、電極パターン３２が形成してある。電極パターン３２は、例えばＣｒ膜からなる下地にＡｕ膜を設けた２層構造によって形成してある。ただし、アルミニウム（Ａｌ）膜などによる単層構造であってもよい。そして、電極パターン３２は、図１の上面と下面とで対称に形成してある。
【００１７】
電極パターン３２は、各振動腕２４、２６の上下の面に形成した表面励振電極部３４ａ、３６ａと、各振動腕２４、２６のそれぞれの両側面に形成した側面励振電極部３６ｂ、３４ｂと、基部２８の上下面に形成したマウント電極部３４ｃ、３６ｃとを有している。また、各振動腕２４、２６の両側面の側面励振電極部３６ｂ、３４ｂは、接続電極部３６ｇ、３４ｇによって接続されている。そして、上面の各マウント電極部３４ｃ、３６ｃは、側面電極部３４ｄ、３６ｄ（側面電極部３４ｄは図示せず）を介して下面側の対応するマウント電極部３４ｃ、３６ｃ（図示せず）に電気的に接続してある。
【００１８】
さらに、振動腕２４の表面励振電極部３４ａは接続電極部３４ｅを介してマウント電極部３４ｃに接続してあり、振動腕２６の両側面に設けた側面励振電極部３４ｂは接続電極部３４ｆ、３４ｅを介してマウント電極部３４ｃに接続してある。また、振動腕２６に設けた表面励振電極部３６ａは接続電極部３６ｅによってマウント電極部３６ｃに接続してあり、振動腕２４の両側面に設けた側面励振電極部３６ｂは下側面に形成した接続電極部３６ｆ、接続電極部３６ｅ（図示せず）を介してマウント電極部３６ｃに接続してある。そして、下側面の各マウント電極部３４ｃ、３６ｃには、図３に示したように、マウント材３０が設けてある。このマウント材３０は、図２に示したように、パッケージ４０の底板部４２に形成したマウント電極４４に音叉型圧電振動片２２を固着し、音叉型圧電振動片２２のマウント電極部３４ｃ、３６ｃとパッケージ４０のマウント電極４４とを電気的に接続する。
【００１９】
パッケージ４０は、実施形態の場合、パッケージ本体４６がセラミックからなるいわゆるセラミックパッケージであって、複数枚（実施形態の場合、３枚）のセラミックシートを積層して箱状に形成してある。そして、パッケージ４０は、底板部４２の下面に一対の外部電極４８が設けてある（図２参照）。これらの外部電極４８は、底板部４２に形成した貫通孔５０を介してマウント電極４４に電気的に接続してある。したがって、一対の外部電極４８間に電圧を印加することにより、マウント電極４４、マウント材３０を介して電極パターン３２に電圧を印加することができ、各振動腕２４、２６の表面励振電極部と側面励振電極部との間に電圧が印加され、各振動腕２４、２６が水晶のＸ方向に屈曲振動を行なう。
【００２０】
パッケージ４０は、図１、図２に２点鎖線で示したように、蓋板５２を有する。この蓋板５２は、例えばガラス板から形成してあって、パッケージ本体４６の上面に配置される。そして、蓋板５２は、パッケージ本体４６に固着され、音叉型圧電振動片２２を実装したパッケージ４０のキャビティ５４を気密に封止し、パッケージ４０の内部を真空状態に保持する。
【００２１】
このようになっている実施形態に係る圧電振動子２０は、音叉型圧電振動片２２の＋Ｚ側面をマウント面としたことにより、音叉型圧電振動片２２からパッケージ４０側への振動の漏れを小さくすることができる。すなわち、音叉型圧電振動片２２の振動腕２４の股部に形成されるエッチング残り部１６は、図３に示されているように、マウント面である＋Ｚ側面においてＹ軸方向に長く、振動腕２４の屈曲方向であるＸ軸方向にほとんど存在しない。したがって、振動腕２４がＸ軸方向に屈曲振動した場合に、振動腕２４の振動エネルギーはあまり＋Ｚ側面に伝達されず、＋Ｚ側面をマウント面とすることにより、パッケージ４０への振動漏れを非常に小さくすることができ、ＣＩ値の改善などが図れて圧電振動子２０の特性を向上することができる。このため、実施形態の圧電振動子２０は、音叉型ブランクを形成する際に、エッチング時間を長くしてエッチング残り部１６を除去する必要がなく、圧電振動子の特性を向上することができ、製造コストの上昇を避けることができる。
【００２２】
図４は、音叉型圧電振動片の−Ｚ側面をマウント面とした従来の圧電振動子と、＋Ｚ側面をマウント面とした実施形態に係る圧電振動子（実施例）との振動漏れの状態を比較したものである。発明者らの研究によると、音叉型圧電振動片を用いた圧電振動子におけるパッケージへの振動漏れは、フリーとみなしてよい状態に支持したときの音叉型圧電振動片の周波数と、マウント面を固着したときの音叉型圧電振動片の周波数との差として求めることができる。そして、両者の周波数の差が大きいほど、音叉型圧電振動片からパッケージへの振動漏れが大きいことを示している。図４は、その周波数差の大きさ（絶対値）を比較したものである。図４に示されているように、＋Ｚ側面をマウント面とした実施例に係る圧電振動子は、−Ｚ側面をマウント面とした従来の圧電振動子に比較して、振動漏れを大幅に小さくすることができる。
なお、前記実施形態においては、振動腕が一対の音叉型圧電振動片２２を用いた圧電振動子について説明したが、圧電振動片は、振動腕を３本以上有するものであってもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、圧電振動片の水晶の＋Ｚ側面をマウント面としたことにより、振動腕の股部に形成されるエッチング残り部が、マウント面側において振動腕の屈曲振動方向である水晶のＸ軸方向にほとんど存在しないため、パッケージへの振動漏れを小さくでき、エネルギー損失が小さくなってＣＩ値などを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電振動子を説明する斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】実施形態における音叉型圧電振動片のマウント面側から見た斜視図である。
【図４】従来の圧電振動子と実施例に係る圧電振動子との振動漏れの状態を比較した図である。
【図５】音叉型圧電振動片の平面図である。
【図６】音叉型圧電振動片の斜視図である。
【符号の説明】
２０………圧電デバイス（圧電振動子）、２２………音叉型圧電振動片、２４、２６………振動腕、２８………基部、３０ａ、３０ｂ………マウント材、３２………電極パターン、４０………パッケージ、４６………パッケージ本体、５２………蓋板。
【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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