JP5299645B2 - 屈曲振動片および屈曲振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、屈曲振動片および屈曲振動子の製造方法に関する。

一般に屈曲振動片は、振動する梁が備えられ、該梁を屈曲振動させて発振させて駆動される。屈曲振動片が駆動されたとき、梁には屈曲の変形が反復して生じる。ある瞬間において、梁が屈曲変形すると、該梁の変形方向側の側面付近の部位には、圧縮の変位が発生しており、その反対側の側面付近の部位には、伸張の変位が発生している。そのため、この瞬間には梁の圧縮された部位の温度は上昇し、伸張された部位の温度は下降する。そして、次の瞬間には、梁は、逆方向に変形して、圧縮部位と伸張部位とが入れ替わる。

ここで、圧縮伸張する部位に着目すると、該部位では、梁の振動にともなって、温度の上昇と下降が繰り返し生じている。したがって、圧縮伸張する部位と他の部位との間に、熱の出入りが生じると、梁の振動のエネルギーが熱エネルギーとして散逸してしまい屈曲振動片の振動のエネルギーの効率が悪化する。このようなエネルギーの損失は、屈曲振動片が小型化するほど顕著となり、屈曲振動片の小型化の際にＱ値が小さくなる原因の一つと考えられている。

このような問題に対して、たとえば、実開平０２−０３２２２９号公報には、圧縮伸張する部位を、構造的に独立させるための表裏で同じ開口面積を有する孔や、圧縮伸張する部位と他の部位との間の熱の出入りを遅延させるような溝が設けられた振動子が開示されている。

実開平０２−０３２２２９号公報

屈曲振動片の小型化の要求は高まっており、これに対応するために、梁を非常に細く形成するようになってきた。そのため、振動片の効率を高める目的で、従来のような溝を梁に設けることは非常に困難になってきている。すなわち、このような溝は、細くかつ深く形成することが必要であり、細くなるほど通常のエッチングによって形成することが難しくなるという課題がある。また、梁に表裏で同じ開口面積を有して貫通する孔を設けると、梁の機械的強度が低下してしまうという問題も生じていた。

さらに、梁を細く形成すると、梁に設けられる配線も微細に形成する必要があり、配線の断線や、不必要な短絡を起こしやすくなるというという問題があった。

本発明にかかるいくつかの態様の目的の一つは、エネルギーの損失が少なく、小型化されても製造が容易な、信頼性の高い屈曲振動片およびこれを有する屈曲振動子を提供することにある。

本発明にかかるいくつかの態様の目的の一つは、エネルギーの損失が少なく信頼性の高い屈曲振動片およびこれを有する屈曲振動子の、容易な製造方法を提供することにある。

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。

［適用例１］
本発明にかかる屈曲振動片の製造方法の一態様は、
基板を加工して、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面の一方に溝が形成され、前記溝の内面から前記Ｚ方向に垂直な面の他方の面まで貫通している貫通孔が形成された屈曲振動片を製造する方法であって、
前記梁の外形形状を形成する外形形成工程と、
前記溝および前記貫通孔を形成する工程と、
を含み、
前記溝および前記貫通孔を形成する工程は、
前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の両方に、マスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の一方の前記マスク層を、前記溝の形状の第１パターンにパターニングする第１パターニング工程と、
前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の他方の前記マスク層を、前記貫通孔となる穴の形状の第２パターンにパターニングする第２パターニング工程と、
前記第１パターンの前記マスク層、および前記第２パターンの前記マスク層により、少なくとも前記穴が前記溝と開通し前記貫通孔になるまで、前記基板をエッチングするエッチング工程と、
を有する。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面の一方に溝が形成され、前記溝の内面からＺ方向に垂直な面の他方の面まで貫通している貫通孔が形成された、小型な屈曲振動片を容易に製造することができる。すなわち、梁をエッチングして溝を形成する工程において、溝の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを抑制することができる。また、溝の深い位置に接続する貫通孔を介して、エッチャントを流通させることができる。そのため、溝を細くかつ深く形成することができる。したがって、本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、梁に、細く深い溝を容易に形成することができる。

［適用例２］
本発明にかかる屈曲振動片の製造方法の一態様は、
基板を加工して、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面のそれぞれに溝が形成され、前記梁の前記Ｚ方向に垂直な面のうち、一方の面に形成された前記溝の内面から他方の面に形成された前記溝の内面まで貫通している貫通孔が形成された屈曲振動片を製造する方法であって、
前記梁の外形形状を形成する外形形成工程と、
前記溝および前記貫通孔を形成する工程と、
を含み、
前記溝および前記貫通孔を形成する工程は、
前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の両方に、マスク層を形成するマスク層形成工程と、
前記マスク層を、前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の一方において、前記貫通孔となる穴の形状の第１パターンにパターニングする第１パターニング工程と、
前記第１パターンの前記マスク層により、前記基板を前記Ｚ方向の所定の厚みまでエッチングし前記穴を形成する第１エッチング工程と、
前記第１エッチング工程の後、前記マスク層を、前記基板のＺ方向に垂直な面の両方において、前記溝の形状の第２パターンにパターニングする第２パターニング工程と、
前記第２パターンの前記マスク層により、少なくとも前記穴が、前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面のうち前記他方の面に形成された前記溝と開通し前記貫通孔になるまで、前記基板をエッチングする第２エッチング工程と、
を有する。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面のそれぞれに、互いに反対を向く一対の溝が形成され、一方の前記溝の内面から他方の前記溝の内面まで貫通している貫通孔が形成された、小型な屈曲振動片を容易に製造することができる。すなわち、梁をエッチングして溝を形成する工程において、溝の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを抑制することができる。また、溝の深い位置に接続する貫通孔を介して、エッチャントを流通させることができる。そのため、溝を細くかつ深く形成することができる。したがって、本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、梁に、細く深い溝を容易に形成することができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２において、
前記溝には、前記貫通孔が複数形成されることができる。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、溝に貫通孔が複数形成される。そのため、溝の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを、さらに抑制することができる。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれか一例において、
前記梁には、前記溝が２つ形成されることができる。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、梁に溝が２つ形成された、エネルギーの損失が少ない小型の屈曲振動片を容易に製造することができる

［適用例５］
適用例４において、
２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の１つに形成されることができる。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、梁のＺ方向に垂直な面の１つに溝が２つ形成された、エネルギーの損失が少ない小型の屈曲振動片を容易に製造することができる

［適用例６］
適用例４において、
２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の２つに１つずつ形成されることができる。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、梁のＺ方向に垂直な面の２つにそれぞれ溝が１つずつ形成された、エネルギーの損失が少ない小型の屈曲振動片を容易に製造することができる

［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれか一例において、
前記基板は、水晶で形成されることができる。

本適用例の屈曲振動片の製造方法によれば、よりエネルギーの損失が少なく、小型の屈曲振動片を容易に製造することができる

［適用例８］
本発明にかかる屈曲振動子の製造方法の一態様は、
適用例１ないし適用例７のいずれか一例に記載の屈曲振動片の製造方法を用いる。

本適用例の屈曲振動子の製造方法によれば、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面に溝が形成され、前記溝の内面から前記梁の前記溝が形成された面の反対側の面側まで貫通している貫通孔が形成された、小型な屈曲振動片を容易に製造することができる。すなわち、梁をエッチングして溝を形成する工程において、溝の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを抑制することができる。また、溝の深い位置に接続する貫通孔を介して、エッチャントを流通させることができる。そのため、溝を細くかつ深く形成することができる。したがって、本適用例の屈曲振動子の製造方法によれば、梁に、細く深い溝を有する屈曲振動片を含む屈曲振動子を容易に製造することができる。

［その他の適用例］
本発明にかかる屈曲振動片は、
基体と、
溝および貫通孔が形成された梁と、
を有し、
前記梁は、前記基体からＹ方向に延出し、前記Ｙ方向に直交するＸ方向に屈曲振動し、
前記溝は、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面に形成され、
前記貫通孔は、前記溝の内面から前記梁の前記溝が形成された面の反対側の面側まで貫通している。

このような屈曲振動片は、エネルギーの損失が少なく、小型のものを容易に製造することができ、かつ、信頼性が高い。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記溝には、前記貫通孔が複数形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記梁には、前記溝が２つ形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の１つに形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の２つに１つずつ形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記貫通孔は、一方の前記溝の内面から他方の前記溝の内面まで貫通していることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記梁は、前記溝の内面に設けられた第１電極と、前記梁の前記Ｘ方向に垂直な面に設けられた第２電極と、前記貫通孔の内面に設けられたプラグと、を有することができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記基体および前記梁は、水晶で形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記梁は、前記基体から２本並列して延出した片持ち梁である、音叉型とすることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記基体は、基部および前記基部から互いに反対方向に延出した１対の連結部を有し、
前記基部から互いに反対方向に延出した１対の検出用の前記梁と、
各前記連結部から互いに反対方向に延出した２対の駆動用の前記梁と、
を有することができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記基体を２つ有することができ、
前記梁は、２つの前記基体により両端が支持され、２本並列して形成され、
各前記梁には、前記溝が４つ形成され、
４つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の２つに２つずつ形成されることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記基体は、周囲を枠部が取り囲んだ開口部を有するフレーム状の形状であり、
前記梁は、前記基体の前記枠部に両端が支持され、前記開口部の内側に、２本並列して形成された、双音叉型とすることができる。

本発明にかかる屈曲振動片において、
前記貫通孔は、互いに反対を向く一方の前記溝の内面から他方の前記溝の内面まで貫通していることができる。

本発明にかかる屈曲振動子は、
上述の屈曲振動片と、
前記屈曲振動片を収納するケース体と、
前記ケース体を封止する蓋体と、
を含む。

このような屈曲振動子は、エネルギーの損失が少なく、小型なものを容易に製造することができ、かつ信頼性が高い。

本発明の屈曲振動片は、溝および貫通孔が形成された梁を有するため、該溝の形成が容易であり、かつ、エネルギーの損失が少なく、小型化が容易である。

実施形態にかかる屈曲振動片１００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片１００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片１００の変形例を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片１００の変形例を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片２００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片２００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片２００の変形例を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片３００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片３００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片３００の変形例を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片４００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片４００を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片４００の変形例を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片４００の変形例を模式的に示す断面図。 屈曲振動片に印加される電界を説明する模式図。 実施形態にかかる屈曲振動片５００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片６００を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図。 実施形態にかかる屈曲振動子１０００を模式的に示す断面図。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。

１．屈曲振動片
本発明にかかる屈曲振動片の実施形態としては、単梁型、音叉型、双音叉型、またはこれらを組み合わせた型式（いわゆるダブルＴ型等）の屈曲振動片を例示することができる。以下、これらの実施形態のうち、音叉型の屈曲振動片、双音叉型の屈曲振動片、およびダブルＴ型の屈曲振動片の実施形態を例にとって順次説明する。

１．１．音叉型の屈曲振動片
図１〜図１４は、本実施形態にかかる屈曲振動片の例を示す模式図である。図１〜図１４は、屈曲振動片が、音叉型である場合について例示している。図１は、本実施形態にかかる屈曲振動片１００を模式的に示す平面図である。図２〜図４は、それぞれ屈曲振動片１００の梁の形状の例を模式的に示す断面図である。図５は、本実施形態にかかる屈曲振動片２００を模式的に示す平面図である。図６および図７は、それぞれ屈曲振動片２００の梁の形状の例を模式的に示す断面図である。図８は、本実施形態にかかる屈曲振動片３００を模式的に示す平面図である。図９および図１０は、それぞれ屈曲振動片３００の梁の形状の例を模式的に示す断面図である。図１１は、本実施形態にかかる屈曲振動片４００を模式的に示す平面図である。図１２〜図１４は、それぞれ屈曲振動片４００の梁の形状の例を模式的に示す断面図である。なお、各断面図は、対応する各平面図に描いたＡ−Ａ線の断面に相当する。また、各平面図、および各断面図における左側の梁の断面は、電極を省略して描いてある。図１５は、梁２０に印加される電界を説明する模式図である。

本実施形態の屈曲振動片は、基体１０と、梁２０と、を有する。各図に例示した屈曲振動片１００〜４００は、２本の梁２０を有している。２本の梁２０は、これらが互いに近づいたり離れたりする方向に振動する。

基体１０は、屈曲振動片１００〜４００の基部として機能することができる。基体１０は、屈曲振動片１００〜４００をパッケージに固定するための部分として、または梁２０に形成される電極を外部に取り出すためのパッドを形成する部分として機能することができる。基体１０は、梁２０と一体であることができる。基体１０の形状は、任意であり、図示のような略直方体の形状であってもよく、梁２０の周囲を取り囲むフレーム状の形状で、梁２０が該フレーム内に支持されるように形成されてもよい。基体１０は、Ｚ方向に厚みを有し、Ｚ方向に直交するＸＹ平面に平行な方向に展開された基板状の形状であってもよい（Ｚ方向およびＸＹ平面は、後述する梁２０の説明において定義するものと同様でもよい。）。基体１０の厚みは、梁２０と同じでも異なってもよい。基体１０は、圧電性を有していてもよい。基体１０の材質は任意であるが、後述する梁２０と一体的に形成される場合は、梁２０と同じ材質、たとえば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料で形成されることができる。

梁２０は、基体１０から延出している。本明細書では、梁２０の延出する方向をＹ方向とする。梁２０は、基体１０からＹ方向に延出し、Ｙ方向に直交するＸ方向に屈曲振動する。したがって、梁２０は、ＸＹ平面内で屈曲振動するといえる。また、本明細書では、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向と称する。梁２０は、屈曲振動片１００〜４００の振動部として機能することができる。梁２０は、柱状の形状を有し、たとえば、梁２０のＺＸ平面で切った断面の形状は、多角形、四角形等とすることができる。図示の例では、梁２０のＺＸ平面で切った断面の輪郭の包絡線の形状は、およそ正方形となっている。梁２０は、製造が容易となる点で、四角柱の形状を有することがより好ましい。梁２０は、電圧信号が印加されたときに屈曲振動可能な、圧電性を有する材質で形成される。梁２０の材質としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等を挙げることができる。梁２０は、いずれの材料で形成されても、該材料の結晶の方位や、梁２０に形成される電極の配置、駆動方法等を適宜選択して、Ｘ方向に屈曲振動するように形成される。梁２０を水晶で形成する場合には、梁２０は、たとえば、Ｚ板と称する法線方向が水晶の結晶のＺ軸近傍となっている基板をパターニングして形成することができる。

梁２０は、溝２２および貫通孔２４を有する。

溝２２は、梁２０のＺ方向に垂直な面に形成される。溝２２は、Ｚ方向に深さを有する有底での窪みである。溝２２の形状は任意であるが、溝２２の深さは梁のＺ方向の厚みの１０〜９０％であることが好ましい。また、溝２２の深さは、溝２２の中で分布を有していてもよい。溝２２の平面形状は、図１の例では、梁２０の長さ方向に延びた細長い矩形形状を有しているが、これに限定されず、円形、長円形、楕円形などであってもよい。溝２２の平面形状が細長い形状であれば、溝２２の両側の梁２０の部位間の熱伝導をより効率よく抑制することができる。溝２２の平面的な大きさは、たとえば、梁２０の長さに対して、１０〜８０％とすることができる。溝２２が設けられる位置は、梁２０の基体１０と接続している側に偏って設けられることが好ましい。このようにすれば、梁２０が屈曲したときに変形量の大きい領域に溝２２が形成されることができ、しかも梁２０の先端付近に質量を残存させることができる。また、電極の引き回し等の関係や、梁２０の先端に重りとなる材料を付着させ、屈曲振動片１００〜４００の周波数調整を行う必要がある場合には梁２０の長さ全体にわたって溝２２を設ける必要はない。

溝２２の断面形状は、図２、６、８、１２に例示するように、矩形の形状を有することができる。また、溝２２の断面形状は、図３、４、７、１０、１３、１４に例示するように、非対称な形状を有していてもよい。溝２２は、断面が例示した形状のいずれであっても熱伝導経路を長くする等の効果を奏することができる。

溝２２の作用機能の一つとしては、梁２０に発生する熱の移動を制限することが挙げられる。また、溝２２の他の作用機能の一つとしては、溝２２内に形成された電極を利用することによって、梁２０を構成する圧電材料に印加される電界の強度を大きくすることが挙げられる。さらに、溝２２の他の作用機能の一つとしては、有底であるため、梁２０の屈曲に対する機械的強度を維持できることが挙げられる。

溝２２は、梁２０に対して、１個または複数個形成されることができる。たとえば、溝２２は、図１〜図４に例示するように、１本の梁２０に１つ形成されることができる。また、溝２２は、図５〜図１４に例示するように、１本の梁２０に対して２つ形成されることができる。溝２２が１本の梁２０に対して２つ形成される場合は、梁２０のＺ方向に垂直な面の一方に２つ形成されてもよいし（図５〜７参照）、梁２０のＺ方向に垂直な面の両方に１つずつ形成されてもよい（図８〜図１４参照）。

貫通孔２４は、溝２２の内面から梁２０の溝２２が形成された面の反対側の面側まで貫通している。ここで貫通孔２４が、溝２２の内面から反対側の「面側」まで貫通するとは、該反対側の面が別の溝等が形成されるなどして凹凸を有する場合であっても、貫通孔２４が溝２２の内面から、その面に至るように形成されることをいう。したがって、貫通孔２４は、Ｚ軸に直交する面の凹んだ部位に貫通することを含み、溝２２の内面から反対側の「面」まで貫通するということには限定されない。

貫通孔２４は、１つの溝２２に対して１個または複数個設けられる。貫通孔２４は、溝２２の内面において、溝２２の深さ方向の深い位置に設けられることが好ましい。このようにすれば、溝２２の形成をより容易にすることができる（詳細は後述する。）。貫通孔２４の平面形状は、図示の例ではいずれも円形であるが、これに限定されない。また、貫通孔２４の平面的な大きさは、溝２２が有底となる限り任意である。もっとも、貫通孔２４の平面的な大きさは、梁２０の機械的強度を損なわない程度に小さいことがより好ましい。貫通孔２４が複数設けられる場合、各貫通孔２４は、溝２２を形成するときの効率を考慮して配置されることができる。貫通孔２４の内側の面には、導電性のプラグ３６が設けられてもよい。

貫通孔２４の作用機能の一つとしては、梁２０を加工して、溝２２を形成するときのエッチングの効率を高めることが挙げられる。すなわち、梁２０をウエットエッチングによって加工して溝２２を形成するとき、溝２２の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを抑制することができる。このとき、エッチャントは、貫通孔２４を介して流通することができるため、溝２２を細くかつ深く形成することができる。このような効果は、屈曲振動片１００〜４００が小型化され、各梁２０が細く形成されるほど顕著となる。したがって、貫通孔２４は、屈曲振動片１００〜４００の小型化を容易にするという効果を有する。

また貫通孔２４の他の作用機能の一つとしては、貫通孔２４の配置を選択することにより溝２２の断面形状を制御することができる点が挙げられる。このことについて、図３および図４を用いて説明する。図に示すように、梁２０の材質によっては、ウエットエッチングのエッチング速度が異方性を有する場合がある。このような場合としては、たとえば、梁２０が水晶で形成され、梁２０のＺ方向に、水晶のＺ軸近傍が向いている場合などがある。このようなとき、図３に示すように特定の方向のエッチング速度が他の方向よりも小さくなって、溝２２の断面形状が三角形に近づいた形状になることがある。このとき溝２２の形成が容易となるという貫通孔２４の効果は奏せられるが、さらに、貫通孔２４の形成される位置を選ぶことにより、溝２２の断面形状を矩形に近づけさせることができる。すなわち、図４に示すように、あらかじめ溝２２を形成するときのエッチングの異方性を考慮して、貫通孔２４を配置することによって、溝２２に断面形状を矩形に近づけることができる。これは、貫通孔２４により、エッチャントが流通するため、貫通孔２４付近のエッチング速度が他の部位より相対的に高くなることを利用している。図１３および図１４は、溝２２が対向して２つ形成された例であるが、貫通孔２４の配置を選択することにより、同様の効果を得ることができることを示す。

さらに、貫通孔２４の他の作用機能としては、貫通孔２４内にプラグ３６を形成することにより、溝２２の内側に形成された電極の剥がれを防止することができること、および貫通孔２４を介して梁２０の表裏面の電極を接続することができることが挙げられる。

梁２０は、電極を有することができる。たとえば、梁２０は、各断面図の右側の図に示したように、溝２２の内面に第１電極３２、および梁２０のＸ方向に垂直な表面に第２電極３４を有することができる。第１電極３２および第２電極３４は、梁２０のＺ方向に垂直な面に及んで形成されていてもよい。第１電極３２および第２電極３４は、図示せぬ外部回路素子等に接続されることができる。第１電極３２および第２電極３４は、駆動用電極および／または検出用電極として機能することができる。たとえば、第１電極３２および第２電極３４に交流信号を入力したとき、第１電極３２が第２電極３４よりも電位が高い瞬間には、図１５に示すように、梁２０のＸ方向の両端付近に互いに反対方向に電界が印加され梁２０が屈曲し、第１電極３２が第２電極３４よりも電位が低い瞬間には、逆方向に梁２０が屈曲することができる。溝２２は、このような電極の配置を可能にし、対向する電極間の距離を小さくすることができ、梁２０を構成する圧電材料に印加される電界の強度を大きくすることができる。第１電極３２および第２電極３４は、たとえば、ＣｒおよびＡｕの積層構造とすることができる。

プラグ３６は、貫通孔２４の内面に形成されることができる。プラグ３６は、導電性を有することができ、たとえば、Ａｕ等の金属で形成される。プラグ３６は、図示の例のように、貫通孔２４内を埋めるように形成されてもよい。また、プラグ３６は、図示の例のように第１電極３２と接触していない側の面にはみ出すように形成されてもよい。

溝２２が梁２０のＺ方向に垂直な面の一方のみに形成される場合（図２〜４、６、７）であって、貫通孔２４の内面にプラグ３６が形成されるとき、第１電極３２およびプラグ３６は、接続されてもよい。このようにすれば、第１電極３２が溝２２の内面から剥がれることを抑制する効果が得られる。この場合、プラグ３６が第１電極３２と接触していない側の面に、はみ出すように形成されると、該はみ出した部分が、アンカーとなって前記効果をさらに高めることができる。

溝２２が梁２０のＺ方向に垂直な面の両方に形成される場合（図９、１０、１２〜１４）であって、貫通孔２４の内面にプラグ３６が形成されるとき、第１電極３２およびプラグ３６は、接続されてもよい。このようにすれば、第１電極３２が溝２２の内面から剥がれることを抑制することができるとともに、第１電極３２の配線の引き回しを容易化することができる。すなわち、梁２０の両面の第１電極３２を同電位としたいとき、振動片の表面に形成される配線を、プラグ３６を利用することによって簡略化することができる。したがって、プラグ３６を配線に利用することにより、配線の断線や短絡等の不具合を低減することができる。

以上のように、本実施形態の音叉型の屈曲振動片１００〜４００は、梁２０に溝２２が形成されているためエネルギーの損失が少なく、梁２０に貫通孔２４が形成されているため小型のものを容易に製造することができる。また、本実施形態の音叉型の屈曲振動片１００〜４００は、貫通孔２４の内壁にプラグ３６を設けることにより、電極の剥がれ、断線、短絡等の不具合が抑制され、信頼性が向上する。音叉型の屈曲振動片１００〜４００は、たとえば、基準信号を発生させることができ、時計や情報通信機器などに利用することができる。

１．２．ダブルＴ型の屈曲振動片
図１６は、本実施形態にかかる屈曲振動片の一例である屈曲振動片５００を例示する平面図である。図１６は、屈曲振動片が、ダブルＴ型である場合について例示している。

屈曲振動片５００は、基体１０と溝２２および貫通孔２４が形成された梁２０と、を有する。

梁２０は、屈曲振動片１００〜４００の梁２０と同様であり、形成される溝２２および貫通孔２４も、既に説明した溝２２および貫通孔２４と同様である。よって、屈曲振動片５００は、基体１０の構成、並びに梁２０の設けられる位置および機能が、屈曲振動片１００〜４００の基体１０および梁２０と異なる以外は、屈曲振動片１００〜４００と同様であるため、重複する内容については説明を省略する。

屈曲振動片５００の基体１０は、基部１２および１対の連結部１４を有する。基部１２は、屈曲振動片５００の重心位置を含んで形成される。基部１２は、屈曲振動片５００を支持する機能を有することができる。基部１２は、図示の例では矩形の平面形状を有しているが、これに限定されない。

１対の連結部１４は、基部１２から互いに反対方向に延出している。連結部１４は、梁２０の延出する方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に延出している。連結部１４は、駆動用の梁２０を支持する機能を有する。連結部１４は、図示の例では矩形の平面形状を有しているが、これに限定されない。

屈曲振動片５００は、基部１２から互いに反対方向に延出した１対の検出用の梁２６（２０）と、連結部１４から互いに反対方向に延出した２対の駆動用の梁２８（２０）と、を有する。屈曲振動片５００が有する梁２０は、いずれもＹ方向に延出しＸ方向に屈曲振動する。なお、ダブルＴ型とは、駆動用の梁２８（２０）が連結部１４から延出した形状がアルファベットのＴの形状となり、このようなＴの形状が２つ連結した形状であることに由来した型式を称している。ダブルＴ型の名称によっては、本実施形態の屈曲振動片５００の形状はなんら限定されない。

以上説明した屈曲振動片５００は、屈曲振動片１００〜４００と同様に、梁２０に溝２２が形成されているためエネルギーの損失が少なく、梁２０に貫通孔２４が形成されているため小型のものを容易に製造することができる。また、屈曲振動片５００は、貫通孔２４の内壁にプラグ３６を設けることにより、電極の剥がれ、断線、短絡等の不具合が抑制され、信頼性が向上する。屈曲振動片５００は、たとえば、加速度や角加速度を検出することができ、デジタルカメラや自動車などに利用することができる。

１．３．双音叉型の屈曲振動片
図１７は、本実施形態にかかる屈曲振動片の一例である屈曲振動片６００を例示する平面図である。図１７は、屈曲振動片が、双音叉型である場合について例示している。

屈曲振動片６００は、基体１０を２つ有する。屈曲振動片６００の各基体１０は、屈曲振動片１００〜４００の基体１０と実質的に同様である。屈曲振動片６００の基体１０は、図１７の破線で示すように、周囲を枠部１６が取り囲んだ開口部１８を有するフレーム状（額縁状）の形状を有していてもよい。図示の例では、枠部１６は矩形であるが、これに限定されない。枠部１６を設ける場合、２つの基体１０は、互いに枠部１６によって一体化される。またこの場合、梁６２０は、基体１０の枠部１６に両端が支持され、開口部１８の内側に、２本並列して架橋するように形成されることができる。枠部１６は、基体１０と同じ材質で形成することができる。基体１０が枠部１６を有すると、屈曲振動片６００の強度を向上させることができ、屈曲振動片６００の取り扱い等を容易にすることができる。

屈曲振動片６００は、並列して形成された２本の梁６２０を有する。各梁６２０は、２つの基体１０により両端が支持される。図示の例では、各梁６２０には、溝２２が４つ形成され、４つの溝２２は、Ｚ方向に垂直な面の２つに２つずつ形成されている。

屈曲振動片６００の２本の梁６２０は、屈曲振動片１００〜４００の梁２０が２本ずつ互いに対向して接続されている態様と考えることができる。各梁６２０の延出する方向および振動する方向は、梁２０と実質的に同様である。

梁６２０は、基体１０からＹ方向に延出しＸ方向に屈曲振動する。また、梁６２０は、溝６２２および貫通孔６２４を有する。

屈曲振動片６００では、図１７に示すように、各梁６２０には、溝６２２が４つ形成され、４つの溝６２２は、Ｚ方向に垂直な面の２つに２つずつ形成される。４つの溝６２２の平面的な大きさの合計は、たとえば、梁６２０の長さに対して、１０〜８０％とすることができる。各溝６２２が設けられる位置は、梁６２０の基体１０と接続している側に偏って設けられることが好ましい。このようにすれば、梁６２０が屈曲したときに変形量の大きい領域に溝６２２が形成されることができ、梁６２０の中央付近に質量を残存させることができる。また、電極の引き回し等の関係や、梁６２０の先端に重りとなる材料を付着させ、屈曲振動片６００の周波数調整を行う必要がある場合には梁６２０の長さ全体にわたって溝６２２を設ける必要はない。

溝６２２の断面形状および作用機能については、屈曲振動片１００〜４００の梁２０が有する溝２２と実質的に同様である。

貫通孔６２４は、溝６２２の内面から梁６２０の溝６２２が形成された面の反対側の面側まで貫通しており、屈曲振動片１００〜４００の梁２０が有する溝２４と機能、作用および効果は同様であるため、説明を省略する。

以上説明した屈曲振動片６００は、屈曲振動片１００〜４００と同様に、梁６２０に溝６２２が形成されているためエネルギーの損失が少なく、梁６２０に貫通孔６２４が形成されているため小型のものを容易に製造することができる。また、屈曲振動片６００は、貫通孔６２４の内壁にプラグを設けることにより、電極の剥がれ、断線、短絡等の不具合が抑制され、信頼性が向上する。屈曲振動片６００は、たとえば、Ｙ方向の応力を検出することができ、圧力センサーなどに利用することができる。

２．屈曲振動片の製造方法
本実施形態の屈曲振動片は、たとえば以下のように製造されることができる。図１８〜図２７は、本実施形態の屈曲振動片の製造工程を模式的に示す断面図である。以下は、製造方法の一例である。

図１８に示すように、まず、水晶のＺ板の基板１を準備する。この水晶のＺ板は、上述したように、水晶の単結晶から切り出す際、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｘ軸回りに、Ｘ軸とＹ軸とからなるＸＹ平面を反時計方向に１〜５度程度傾けたものとすることができる。

次に、基板１の表面および裏面に図示しないスパッタ装置でＣｒ（クロム）、Ａｕ（金）の積層構造の金属膜２を形成する。そして、このように形成した金属膜２をフォトリソグラフィーにてレジスト層３等によりパターニングする（図１８参照）。このパターニングは、製造しようとする屈曲振動片の外形形状になっている。

次に、図１９に示すように、金属膜２のパターンによって、上述した各平面図に示す屈曲振動片の外形を形成する。このとき、基板１のエッチングは、たとえばフッ化水素水溶液を用いて行うことができる。図１９には、この状態の梁２０または梁６２０の断面を示した。

以下、貫通孔が、溝の内面と梁の反対側の面とを接続する場合、および、貫通孔が、溝の内面と、反対側の面に形成された他の溝の内面とを接続する場合に分けて説明する。

貫通孔が、溝の内面と梁の反対側の面とを接続する場合は、図２０に示すように、溝および貫通孔の形状に対応するように、金属膜２をパターニングする。このパターニングは、あらかじめ金属膜２上にパターニングされたレジストマスクを形成して行ってもよい。このパターニングは、梁２０（６２０）の溝２２（６２２）を形成する側の面に、溝２２（６２２）のパターンを形成し、反対側の面に貫通孔２４（６２４）のパターンを形成するようにする（図２２参照）。

次に、図２１、図２２に示すように、溝２２（６２２）および貫通孔２４（６２４）をエッチングして形成する。このエッチングは、フッ化水素等によるウエットエッチングによって行うことができる。ウエットエッチングによれば、エッチング速度が大きく、エッチング時間を短縮することができる。この工程のエッチング途中の様子を図２１に示した。本工程のエッチングによって、図２１に示すように、溝のエッチング先端と貫通孔のエッチング先端が梁の途中で出会うことになる。この例では、溝および貫通孔のエッチングを同時に行っているが、貫通孔２４（６２４）となる穴を先に形成しておいてもよい。このようにして、図２２に示すような、貫通孔が、溝の内面と梁の反対側の面とを接続する態様の屈曲振動片を製造することができる。

一方、貫通孔が、溝の内面と、反対側の面に形成された他の溝の内面とを接続する場合は、図１９のように屈曲振動片の外形が形成された後、図２３に示すように、梁２０（６２０）のＺ方向に直交する面の片方の金属膜２をパターニングする。このパターニングは、貫通孔２４（６２４）が形成される位置に対応している。このパターニングは、あらかじめ金属膜２上にパターニングされたレジストマスクを形成して行ってもよい。

次に、図２４に示すように、金属膜２をマスクとして、貫通孔２４（６２４）となる穴を形成する。ここで形成される穴の深さは、たとえば、梁２０（６２０）のＺ方向の厚みの５〜９５％とすることができる。この工程は、ドライエッチングまたはウエットエッチングによって行うことができる。本工程をドライエッチングにより行うと、エッチング速度の異方性が小さいため、より等方的な穴を形成することができる。ドライエッチングの方法としては、たとえば、プラズマエッチングが挙げられる。

続いて、図２５に示すように、溝２２（６２２）を形成するために、金属膜２をさらにパターニングする。そして、図２６、図２７に示すように、溝２２（６２２）をエッチングして形成する。このエッチングは、フッ化水素等によるウエットエッチングによって行うことができる。ウエットエッチングによれば、エッチング速度が大きく、エッチング時間を短縮することができる。この工程のエッチング途中の様子を図２６に示した。この工程では、先に形成した貫通孔２４（６２４）となる穴は、その形状を保つようにして同時にエッチングされることができる。したがって、本工程のエッチングによって、図２６に示すように、溝のエッチング先端と貫通孔となる穴のエッチング先端が梁の途中で出会うことになる。このようにして、図２７に示すような、貫通孔が、溝の内面と、反対側の面に形成された他の溝の内面とを接続する態様の屈曲振動片を製造することができる。

なお、上述の例において、貫通孔２４（６２４）となる穴の深さは、溝２２（６２２）のエッチングのときに、エッチャントの停滞を生じる深さとなったときに、該穴が接続するように設計することができる。このようにすれば、貫通孔２４（６２４）となる穴を形成するために要する時間と、溝２２（６２２）を形成するために要する時間との合計の時間を最適化（最短化）することができる。

以上例示した方法により、本実施形態の屈曲振動片を製造することができる。本実施形態の屈曲振動片の製造方法は、必要に応じて、電極を形成する工程を含むことができる。電極は、たとえば、屈曲振動片の全面に金属層をスパッタ等で形成し、これをパターニングして形成することができる。

本実施形態の屈曲振動片の製造方法は、以下の特徴を有する。梁２０（６２０）をウエットエッチングして溝２２（６２２）を形成する工程において、溝２２（６２２）の深い位置にエッチャントが停滞してエッチングの効率が低下することを抑制することができる。すなわち、溝２２（６２２）の深い位置に接続する貫通孔２４（６２４）を介して、エッチャントを流通させることができる。そのため、溝２２（６２２）を細くかつ深く形成することができる。したがって、本実施形態の屈曲振動片の製造方法によれば、梁に、細く深い溝を容易に形成することができる。よって、本実施形態の屈曲振動片の製造方法によれば、小型の屈曲振動片を容易に製造することができる。

３．屈曲振動子
図２８は、本実施形態にかかる屈曲振動子の例である屈曲振動子１０００を模式的に示す断面図である。本実施形態の屈曲振動子１０００は、上述の屈曲振動片のいずれか１つと、ケース体７００と、蓋体８００と、を有する。図示の例では、屈曲振動子１０００は、屈曲振動片１００を有している。

ケース体７００は、屈曲振動片を収容することができる容器状の形状を有する。ケース体７００の平面的な形状は、限定されない。ケース体７００の上部は、屈曲振動子をケース体７００の内部に入れることができる程度の開口を有している。ケース体７００の開口は、蓋体８００によって気密封止されることができる。ケース体７００は、図示のように、内側および外側の面に外部接続用の配線５０を有してもよい。またケース体７００は、図示のようにスルーホール６０を有してもよく、ケース体７００の内部と外部とをスルーホール６０を介して電気的に接続することができるようにしてもよい。ケース体７００の材質は、セラミック、ガラス等の無機材料であることができる。

蓋体８００は、ケース体７００の上部の開口を封止する平板形状を有する。蓋体８００の平面形状は、ケース体７００の開口を封止できるかぎり任意である。蓋体８００の材質としては、セラミック、ガラス、金属等が挙げられる。ケース体７００と蓋体８００との接着は、たとえば、プラズマ溶接、シーム溶接、超音波接合、または接着剤等を用いて行われることができる。ケース体７００および蓋体８００によって形成される空洞７０は、屈曲振動片が動作するための空間となる。また、空洞７０は、密閉されることができるため、屈曲振動片を減圧空間や不活性ガス雰囲気に設置することができる。

屈曲振動片は、ケース体７００および蓋体８００によって形成される空洞７０内に備えられる。屈曲振動片は、空洞７０内の壁面（図示の例では、ケース体７００の底面）に、たとえば、接着剤、ペースト、ロウ材等によって固定されることができる。図示の例では、屈曲振動片は、ケース体７００の底面に、接着剤層８０によって固定されている。図示の例では、屈曲振動片は、基体１０が固定され、片持ち梁状に支持されている。

以上のような屈曲振動子１０００は、本実施形態にかかる屈曲振動片を有している。そのため、エネルギーの損失が少なく、小型のものを容易に製造することができる。また、屈曲振動子１０００は、本実施形態にかかる屈曲振動片を有しているため、信頼性が高い。屈曲振動子１０００は、広範な分野の製品に利用することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本発明にかかる屈曲振動片は、エネルギーの損失が少なく、信頼性が高く、しかも小型化が容易である。したがって、広範な分野の製品に搭載することで、より小型で高性能な製品を提供できる。

１…基板、２…金属膜、３…レジスト層、１０…基体、１２…基部、１４…連結部、
１６…枠部、１８…開口部、２０，２６，２８…梁、２２…溝、２４…貫通孔、
３０…電極、３２…第１電極、３４…第２電極、３６…プラグ、５０…配線、
６０…スルーホール、７０…空洞、８０…接着剤層、
１００，２００，３００，４００，５００，６００…屈曲振動片、６２０…梁、
６２２…溝、６２４…貫通孔、７００…ケース体、８００…蓋体、１０００…屈曲振動子

Claims (8)

1. 基板を加工して、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面の一方に溝が形成され、前記溝の内面から前記Ｚ方向に垂直な面の他方の面まで貫通している貫通孔が形成された屈曲振動片を製造する方法であって、
   前記梁の外形形状を形成する外形形成工程と、
   前記溝および前記貫通孔を形成する工程と、
   を含み、
   前記溝および前記貫通孔を形成する工程は、
   前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の両方に、マスク層を形成するマスク層形成工程と、
   前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の一方の前記マスク層を、前記溝の形状の第１パターンにパターニングする第１パターニング工程と、
   前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の他方の前記マスク層を、前記貫通孔となる穴の形状の第２パターンにパターニングする第２パターニング工程と、
   前記第１パターンの前記マスク層、および前記第２パターンの前記マスク層により、少なくとも前記穴が前記溝と開通し前記貫通孔になるまで、前記基板をエッチングするエッチング工程と、
   を有する、屈曲振動片の製造方法。
2. 基板を加工して、Ｘ方向に屈曲振動し前記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる梁を有し、前記梁の前記Ｘ方向および前記Ｙ方向に直交するＺ方向に垂直な面のそれぞれに溝が形成され、前記梁の前記Ｚ方向に垂直な面のうち、一方の面に形成された前記溝の内面から他方の面に形成された前記溝の内面まで貫通している貫通孔が形成された屈曲振動片を製造する方法であって、
   前記梁の外形形状を形成する外形形成工程と、
   前記溝および前記貫通孔を形成する工程と、
   を含み、
   前記溝および前記貫通孔を形成する工程は、
   前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の両方に、マスク層を形成するマスク層形成工程と、
   前記マスク層を、前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面の一方において、前記貫通孔となる穴の形状の第１パターンにパターニングする第１パターニング工程と、
   前記第１パターンの前記マスク層により、前記基板を前記Ｚ方向の所定の厚みまでエッチングし前記穴を形成する第１エッチング工程と、
   前記第１エッチング工程の後、前記マスク層を、前記基板のＺ方向に垂直な面の両方において、前記溝の形状の第２パターンにパターニングする第２パターニング工程と、
   前記第２パターンの前記マスク層により、少なくとも前記穴が、前記基板の前記Ｚ方向に垂直な面のうち前記他方の面に形成された前記溝と開通し前記貫通孔になるまで、前記基板をエッチングする第２エッチング工程と、
   を有する、屈曲振動片の製造方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記溝には、前記貫通孔が複数形成される、屈曲振動片の製造方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項において、
   前記梁には、前記溝が２つ形成される、屈曲振動片の製造方法。
5. 請求項４において、
   ２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の１つに形成される、屈曲振動片の製造方法。
6. 請求項４において、
   ２つの前記溝は、前記Ｚ方向に垂直な面の２つに１つずつ形成される、屈曲振動片の製造方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項において、
   前記基板は、水晶で形成された、屈曲振動片の製造方法。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の屈曲振動片の製造方法を用いた、屈曲振動子の製造方法。

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