(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
この基部から延設された二本の振動腕部と、
これらの振動腕部に形成された励振電極と、
を備えた水晶振動素子において、
前記二本の振動腕部は、延設された方向の中心線に対して互いに対称になるようにそれぞれ内側振動腕部と外側振動腕部とに折り曲げられ、
前記外側振動腕部にのみ前記励振電極が形成され、
前記基部から第一方向へ延設された突出部を更に備え、
二本の前記振動腕部は、前記基部から前記突出部を介して延設され、
二本の前記内側振動腕部は、前記突出部の先端から互いに離れる方向へ延びてから前記第一方向の反対側へ延びるように延設され、
二本の前記外側振動腕部は、前記内側振動腕部の先端から互いに離れる方向へ延びてから前記第一方向と同一側へ延びるように延設された、
ことを特徴とする水晶振動素子。
【請求項２】
前記内側振動腕部及び前記外側振動腕部の前記延設された方向に直交する方向の寸法を幅とした場合、
前記内側振動腕部の幅は前記外側振動腕部の幅よりも短い、
請求項１記載の水晶振動素子。
【請求項３】
前記内側振動腕部及び前記外側振動腕部の前記延設された方向の寸法を長さとした場合、
前記内側振動腕部の長さは前記外側振動腕部の長さの半分以下である、
請求項１記載の水晶振動素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば基準信号源やクロック信号源に用いられる水晶振動素子に関する。以下、水晶振動素子の一例として、音叉型屈曲水晶振動素子（以下「振動素子」と略称する。）について説明する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、関連技術１の振動素子を示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【０００３】
本関連技術１の振動素子９００は、水晶のＺ板からなり、基部９１１と、基部９１１から平行に伸びる一対の振動腕部９１２ａ，９１２ｂと、を備えている。振動腕部９１２ａ，９１２ｂには、それぞれ溝部９１３ａ，９１３ｂが形成されている。
【０００４】
振動腕部９１２ａ，９１２ｂの側面と溝部９１３ａ，９１３ｂとには、励振電極９２１ａ，９２１ｂが形成されている。基部９１１には、二つのパッド電極９２２ａ，９２２ｂが形成されている。パッド電極９２２ａ，９２２ｂは、互いに絶縁されるように、分離された状態で配置されている。振動腕部９１２ａの側面及び振動腕部９１２ｂの溝部９１３ｂに形成された励振電極９２１ａと、基部９１１に形成されたパッド電極９２２ａとは、同じ極性同士になるように配線及び接続されている。振動腕部９１２ｂの側面及び振動腕部９１２ａの溝部９１３ａに形成された励振電極９２１ｂと、基部９１１に形成されたパッド電極９２２ｂとは、同じ極性同士になるように配線及び接続されている。
【０００５】
パッド電極９２２ａ，９２２ｂは、図示を略すが、パッケージ側のパッド電極に導電性接着剤を介して固定されると同時に電気的に接続される。パッド電極９２２ａ，９２２ｂに交番電圧が印加されると、発生した電界により振動腕部９１２ａ，９１２ｂに伸縮が生じ、これにより振動素子９００に所定の共振周波数の屈曲振動が生じる。
【０００６】
振動素子９００は、例えば携帯電話などの電子機器において、同期信号源として用いられている。近年の電子機器の小型化に伴い、そこに使われる振動素子９００にも小型化が求められている。振動素子９００の小型化にあたっては、振動素子９００の全長（長手方向の長さ）すなわち基部９１１又は振動腕部９１２ａ，９１２ｂの長さを短くする必要がある。
【０００７】
基部９１１の長さを短くすると、振動腕部９１２ａ，９１２ｂからの振動が、基部９１１内で十分に吸収されず、基部９１１の固定部分を介して、外部のパッケージなどに漏れてしまう問題（以下「振動漏れ」という。）が発生する。この振動漏れは、振動エネルギの損失となるため、振動素子９００に重要な特性値であるＣＩ（Crystal Impedance）を劣化すなわち増加させる要因となる。
【０００８】
また、振動腕部９１２ａ，９１２ｂの長さＬを短くすると、次式から明らかなように、所定の振動周波数ｆを得るために振動腕部９１２ａ，９１２ｂの幅Ｗを狭くする必要がある。そのため、幅Ｗを狭くすることにより、製造が困難になる、特性が劣化する等の問題を引き起こす。
ｆ＝Ｃ（Ｗ／Ｌ２）    ここで、Ｃは定数である。
【０００９】
一方、特許文献１〜３には、振動腕部をＵ字状に折り曲げることにより、基部を短くすることなく、かつ振動腕部の実質的な長さを短くすることなく、全長を短くしようとする振動素子が開示されている（以下「関連技術２」という。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１９９２８３号公報
【特許文献２】特開平０６−１１２７６１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１４３７７９号公報
【特許文献４】特開２０１１−１５１５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、関連技術２の振動素子は、その全長を短くできるものの、次のような問題があった。
【００１２】
関連技術２の振動素子は、Ｕ字状に折り曲げられた振動腕部の複数の棒状部分がそれぞれ伸縮するように励振電極が形成されている。この場合、振動腕部を屈曲振動モードで振動させようとすると、その折り曲げ箇所を中心に対称な伸縮が発生するので、その折り曲げ箇所が振動の節になりやすい。つまり、振動腕部は、基部に固定された基端側と折れ曲げ箇所との二点で支持されることにより、一次振動ではなく、二次振動等の高次振動モードで振動するおそれがあった。このことは、振動腕部をＵ字状に折り曲げることにより、振動腕部の実効的な長さを短くしてしまうことを意味する。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、振動腕部を折り曲げて振動素子の全長を短くした場合でも、振動腕部の実効的な長さを保持し得る、振動素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る振動素子は、
基部と、
この基部から延設された二本の振動腕部と、
これらの振動腕部に形成された励振電極と、
を備えた水晶振動素子において、
前記二本の振動腕部は、延設された方向の中心線に対して互いに対称になるようにそれぞれ内側振動腕部と外側振動腕部とに折り曲げられ、
前記外側振動腕部にのみ前記励振電極が形成され、
前記基部から第一方向へ延設された突出部を更に備え、
二本の前記振動腕部は、前記基部から前記突出部を介して延設され、
二本の前記内側振動腕部は、前記突出部の先端から互いに離れる方向へ延びてから前記第一方向の反対側へ延びるように延設され、
二本の前記外側振動腕部は、前記内側振動腕部の先端から互いに離れる方向へ延びてから前記第一方向と同一側へ延びるように延設された、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、二本の振動腕部が互いに対称になるようにそれぞれ内側振動腕部と外側振動腕部とに折り曲げられ、外側振動腕部にのみ励振電極が形成されたことにより、外側振動腕部のみが伸縮して屈曲振動し、これに内側振動腕部が付勢されて屈曲振動するので、内側振動腕部と外側振動腕部との折り曲げ箇所が振動の節になりにくい。したがって、振動腕部を折り曲げて振動素子の全長を短くした場合でも、振動腕部の実効的な長さを保持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１の振動素子を示す平面図である。
【図２】図２［Ａ］は図１におけるII−II線断面図であり、図２［Ｂ］は図１の振動素子を素子搭載部材に実装した状態を示す概略断面図である。
【図３】関連技術１の振動素子を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
【００１８】
図１は、実施形態１の振動素子の平面図である。図２［Ａ］は図１におけるII−II線断面図であり、図２［Ｂ］は図１の振動素子を素子搭載部材に実装した状態を示す概略断面図である。以下、図１及び図２に基づき説明する。
【００１９】
本実施形態１の振動素子１０は、基部１１と、基部１１から延設された二本の振動腕部１２ａ，１２ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂに形成された励振電極２１ａ，２１ｂとを、基本的に備えている。二本の振動腕部１２ａ，１２ｂは、延設された方向１００の中心線１０１に対して互いに対称になるように、それぞれ内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂと外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂとに折り曲げられている。すなわち、振動腕部１２ａは内側振動腕部１２１ａと外側振動腕部１２２ａとを有し、振動腕部１２ｂは内側振動腕部１２１ｂと外側振動腕部１２２ｂとを有する。そして、外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂにのみ励振電極２１ａ，２１ｂが形成されている。
【００２０】
詳しく言えば、振動素子１０は、基部１１から第一方向としての方向１００へ延設された突出部１４を更に備えている。二本の振動腕部１２ａ，１２ｂは、基部１１から突出部１４を介して延設されている。二本の内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂは、突出部１４の先端から互いに離れる方向へ延びてから、方向１００の反対側へ延びるように、延設されている。二本の外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂは、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの先端から互いに離れる方向へ延びてから、方向１００と同一側へ延びるように、延設されている。
【００２１】
内側振動腕部１２１ａ及び外側振動腕部１２２ａの延設された方向に直交する方向の寸法を幅とした場合、内側振動腕部１２１ａの幅Ｗ１は外側振動腕部１２２ａの幅Ｗ２よりも短い。内側振動腕部１２１ｂ及び外側振動腕部１２２ｂについても同様である。
【００２２】
内側振動腕部１２１ａ及び外側振動腕部１２２ａの延設された方向の寸法を長さとした場合、内側振動腕部１２１ａの長さＬ１は外側振動腕部１２２ａの長さＬ２の半分以下である。内側振動腕部１２１ｂ及び外側振動腕部１２２ｂについても同様である。
【００２３】
突出部１４の先端と内側振動腕部の１２１ａ，１２１ｂの基端との連結部分をそれぞれ内側折り曲げ箇所１２３ａ，１２３ｂと呼び、内側振動腕部の１２１ａ，１２１ｂの先端と外側振動腕部の１２２ａ，１２２ｂの基端との連結部分をそれぞれ外側折り曲げ箇所１２４ａ，１２４ｂと呼ぶ。
【００２４】
内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂ及び外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの延設方向は、方向１００に平行となっているが、中心線１０１に対して互いに対称であれば、方向１００に非平行としてもよい。内側折り曲げ箇所１２３ａ，１２３ｂ及び外側折り曲げ箇所１２４ａ，１２４ｂは、直線状になっているが、曲線状や折れ線状などとしてもよい。
【００２５】
基部１１は、平面視略四角形状の平板であり、その一辺に突出部１４が設けられている。突出部１４も、平面視略四角形状の平板であり、その先端に内側折り曲げ箇所１２３ａ，１２３ｂを介して内側振動腕部の１２１ａ，１２１ｂの基端が連結されている。
【００２６】
次に、振動素子１０の構成について更に詳しく説明する。
【００２７】
図１及び図２［Ａ］に示すように、振動素子１０は、水晶振動片１５と、水晶振動片１５に設けられた励振電極２１ａ，２１ｂ、パッド電極２２ａ，２２ｂ、周波数調整用金属膜２３ａ，２３ｂ及び配線パターン２４ａ，２４ｂとから、主に構成されている。
【００２８】
水晶振動片１５は、例えば成膜技術、フォトリソグラフィ技術、化学エッチング技術によりＺ板から音叉状に加工され、基部１１、突出部１４、振動腕部１２ａ，１２ｂなどにより概略構成される。振動腕部１２ａ，１２ｂには、水晶を挟んで対向する平面同士に同極となるように励振電極２１ａ，２１ｂがそれぞれ設けられている。
【００２９】
水晶の結晶は三方晶系である。水晶の頂点を通る結晶軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直な平面内の稜線を結ぶ三つの結晶軸をＸ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する座標軸をＹ軸とする。ここで、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる座標系をＸ軸を中心として±５度の範囲で回転させたときの回転後のＹ軸及びＺ軸を、それぞれＹ’軸及びＺ’軸とする。この場合、本実施形態１では、二本の外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの延設方向がＹ’軸の方向であり、二本の外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの並ぶ方向がＸ軸の方向である。
【００３０】
図２［Ａ］に基づき詳しく説明すると、外側振動腕部１２２ａには、水晶を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極２１ａが設けられ、表裏面の溝部１３ａに励振電極２１ｂが設けられる。同様に、外側振動腕部１２２ｂには、水晶を挟んで対向する平面同士に同極となるように、両側面に励振電極２１ｂが設けられ、表裏面の溝部１３ｂに励振電極２１ａが設けられる。したがって、外側振動腕部１２２ａにおいては両側面に設けられた励振電極２１ａと溝部１３ａ内に設けられた励振電極２１ｂが異極同士となり、外側振動腕部１２２ｂにおいては両側面に設けられた励振電極２１ｂと溝部１３ｂ内に設けられた励振電極２１ａが異極同士となる。このとき、外側振動腕部１２２ａにおいては両側面の励振電極２１ａと溝部１３ａ内の励振電極２１ｂとが平行平板電極となり、それらの電極間で大きな電界強度が得られる。外側振動腕部１２２ｂにおいても同様である。
【００３１】
外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの長手方向には、それぞれ溝部１３ａ，１３ｂが設けられている。溝部１３ａ，１３ｂの本数は、特に制限はなく、例えば外側振動腕部１２２ａの表裏面に二本ずつ及び外側振動腕部１２２ｂの表裏面に二本ずつ設けてもよいし、外側振動腕部１２２ａの表裏面に一本ずつ及び外側振動腕部１２２ｂの表裏面に一本ずつ設けてもよい。なお、溝部１３ａ，１３ｂは、外側振動腕部１２２ａの表裏面のどちらか一方にのみ設けてもよいし、外側振動腕部１２２ｂの表裏面のどちらか一方にのみ設けてもよい。
【００３２】
励振電極２１ａは、外側振動腕部１２２ａの両側面及び外側振動腕部１２２ｂの表裏面の溝部１３ａに設けられている。励振電極２１ｂは、外側振動腕部１２２ｂの両側面及び外側振動腕部１２２ａの表裏面の溝部１３ｂに設けられている。
【００３３】
基部１１にはパッド電極２２ａ，２２ｂが設けられる。基部１１、突出部１４及び振動腕部１２ａ，１２ｂの表裏面及び側面には、配線パターン２４ａ，２４ｂが設けられる。配線パターン２４ａはパッド電極２２ａと励振電極２１ａとを電気的に接続し、配線パターン２４ｂはパッド電極２２ｂと励振電極２１ｂとを電気的に接続する。ただし、不要な振動の発生を避けるために、配線パターン２４ａ，２４ｂによるＸ軸方向への電界強度が無視できる程度になるように、配線パターン２４ａ，２４ｂを配置する。励振電極２１ａ、パッド電極２２ａ、周波数調整用金属膜２３ａ及び配線パターン２４ａは互いに電気的に導通し、励振電極２１ｂ、パッド電極２２ｂ、周波数調整用金属膜２３ｂ及び配線パターン２４ｂは互いに電気的に導通している。
【００３４】
励振電極２１ａ，２１ｂ、パッド電極２２ａ，２２ｂ、周波数調整用金属膜２３ａ，２３ｂ及び配線パターン２４ａ，２４ｂは、例えば成膜技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術により形成され、例えばＴｉ層の上にＰｄ又はＡｕ層が設けられた積層構造となっている。
【００３５】
振動素子１０は、パッド電極２２ａ，２２ｂを介して、図２［Ｂ］に示すように、導電性接着剤３１によって素子搭載部材３２側のパッド電極３３に固定されると同時に電気的に接続される。
【００３６】
振動素子１０を動作させるには、パッド電極２２ａ，２２ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、外側振動腕部１２２ａの表裏面の溝部１３ａ内に設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、外側振動腕部１２２ａの両側面に設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、互いに対向する励振電極２１ｂと励振電極２１ａとの間でプラスからマイナスに電界が生じる。このとき、外側振動腕部１２２ｂの表裏面の溝部１３ｂ内に設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、外側振動腕部１２２ｂの両側面に設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、外側振動腕部１２２ａに生じた極性とは反対の極性となり、互いに対向する励振電極２１ｂと励振電極２１ａとの間でプラスからマイナスに電界が生じる。この交番電圧で生じた電界によって、外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂに伸縮現象が生じ、これに内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂが付勢され、振動腕部１２ａ，１２ｂの形状で設定された共振周波数の屈曲振動モードが得られる。
【００３７】
次に、振動素子１０の作用及び効果について説明する。
【００３８】
（１）本実施形態１によれば、二本の振動腕部１２ａ，１２ｂが互いに対称になるようにそれぞれ内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂと外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂとに折り曲げられ、外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂにのみ励振電極２１ａ，２１ｂが形成されたことにより、外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂのみが伸縮して屈曲振動し、これに内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂが付勢されて屈曲振動するので、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂと外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂとを連結する外側折り曲げ箇所１２４ａ，１２４ｂが振動の節になりにくい。したがって、振動腕部１２ａ，１２ｂを折り曲げて振動素子１０の全長を短くした場合でも、振動腕部１２ａ，１２ｂの実効的な長さを保持できる。
【００３９】
（２）内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの幅Ｗ１を外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの幅Ｗ２よりも短くした場合は、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの剛性を小さくできるので、より共振周波数を下げることができる。
【００４０】
（３）振動素子の長手方向の振動腕部側の端を振動素子の先端としたとき、関連技術２の振動素子は、振動素子の先端において振動腕部を折り曲げる構造である。そのため、振動素子の先端で振動腕部が二重になっていることにより、振動素子の先端の重量が大きい。その結果、振動素子が落下などの衝撃を受けた場合に、振動腕部と基部との接続部分が破損しやすいなど、耐衝撃性が低下する。また、振動腕部の重心が振動素子の先端側にあるため、不要な振動が生じてＣＩが増大したり、実装時に振動素子の先端がパッケージの底面に接触してＣＩが増大したりする可能性がある。
【００４１】
これに対し、本実施形態１において、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂが突出部１４の先端から互いに離れる方向へ延びてから方向１００の反対側へ延びるように延設され、外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂが内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの先端から互いに離れる方向へ延びてから方向１００と同一側へ延びるように延設され、かつ、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの長さＬ１が外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂの長さＬ２の半分以下である場合は、振動腕部１２ａ，１２ｂの基部１１側において振動腕部１２ａ，１２ｂを折り曲げる構造を採用したことになり、振動素子１０の全長を短くできるとともに、関連技術２に比べて振動素子１０の先端側を軽量化できるので、振動腕部１２ａ，１２ｂと基部１１との接続部分における耐衝撃性を向上できる。また、関連技術２に比べて振動腕部１２ａ，１２ｂの重心が基部１１側にあるため、不要な振動が生じてＣＩが増大したり、実装時に振動素子１０の先端がパッケージの底面に接触してＣＩが増大したりする可能性を抑制できる。
【００４２】
（４）なお、突出部１４及び内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの長さを図示する長さよりも長くすることにより、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂの剛性が更に下がるので、共振周波数を更に下げることができる。また、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂと外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂとの間隔、又は、内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂと突出部１４との間隔を広げることにより、共振周波数を下げることも可能である。基部１１又は突出部１４に切れ込みを設けることにより、基部１１側に伝わる漏れ振動を削減し、ＣＩの増大を防ぐこともできる。更に、内側折り曲げ箇所１２３ａ，１２３ｂ及び外側折り曲げ箇所１２４ａ，１２４ｂは、その幅を任意に変更してよく、エッチング残渣を考慮して面取りをしてもよい。
【００４３】
次に、振動素子１０の寸法の一例について説明する。ここでは、振動素子１０の長手方向を「長さ」、短手方向を「幅」とする。
【００４４】
内側振動腕部１２１ａ，１２１ｂは、長さＬ１が２００μｍ、幅Ｗ１が２５μｍである。外側振動腕部１２２ａ，１２２ｂは、長さＬ２が５５０μｍ、幅Ｗ２が３１μｍである。突出部１４は、長さが２５０μｍ、幅が５０μｍである。溝部１３ａ，１３ｂの幅は５．３μｍである。周波数調整領域の幅は４５μｍである。振動素子１０の厚みは、使用する水晶ウェハの厚みと同程度であり、１００μｍである。このとき、振動素子１０は３５ｋＨｚ付近で共振する。
【００４５】
なお、突出部１４の先端に、図示しないがスリット付きの第二突出部を設けてもよい。このスリットは、スパッタ技術及びフォトリソグラフィ技術を用いたリフトオフ法によって電極を形成する際に、電極を電気的に切り離す役割を果たす（特許文献４参照）。
【００４６】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【符号の説明】
【００４７】
＜実施形態１＞
１０  振動素子
１００  方向（第一方向）
１０１  中心線
１１  基部
１２ａ  振動腕部
１２１ａ  内側振動腕部
１２２ａ  外側振動腕部
１２３ａ  内側折り曲げ箇所
１２４ａ  外側折り曲げ箇所
１２ｂ  振動腕部
１２１ｂ  内側振動腕部
１２２ｂ  外側振動腕部
１２３ｂ  内側折り曲げ箇所
１２４ｂ  外側折り曲げ箇所
１３ａ，１３ｂ  溝部
１４  突出部
１５  水晶振動片
２１ａ，２１ｂ  励振電極
２２ａ，２２ｂ  パッド電極
２３ａ，２３ｂ  周波数調整用金属膜
２４ａ，２４ｂ  配線パターン
３１  導電性接着剤
３２  素子搭載部材
３３  パッド電極
Ｌ１，Ｌ２  長さ
Ｗ１，Ｗ２  幅
＜関連技術１＞
９００  振動素子
９１１  基部
９１２ａ，９１２ｂ  振動腕部
９１３ａ，９１３ｂ  溝部
９２１ａ，９２１ｂ  励振電極
９２２ａ，９２２ｂ  パッド電極
Ｌ  長さ
Ｗ  幅
【図１】
0006419491.tif 000002
【図２】
0006419491.tif 000003
【図３】
0006419491.tif 000004