JP2005151423A - 圧電振動片と圧電デバイスおよびこれらの製造方法、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】温度の変化に対する周波数偏差の変化を小さくして、温度特性の優れた圧電振動片と圧電デバイスおよびこれらの製造方法、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器を提供すること。
【解決手段】基部51と、基部51から平行に延びる複数の振動腕34,35とを有しており、基部51には切り込み部100が設けられており、振動腕34,35の表面部200には第1溝部56A,57Aが形成され振動腕34,35の裏面部210には第2溝部56B,57Bが形成され、少なくとも溝部には、駆動用の電極54,55が設けられており、振動腕34,35の表面部200側の形状と振動腕34,35の裏面部210側の形状は、電極に通電して振動腕34,35が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
【選択図】図4
【解決手段】基部51と、基部51から平行に延びる複数の振動腕34,35とを有しており、基部51には切り込み部100が設けられており、振動腕34,35の表面部200には第1溝部56A,57Aが形成され振動腕34,35の裏面部210には第2溝部56B,57Bが形成され、少なくとも溝部には、駆動用の電極54,55が設けられており、振動腕34,35の表面部200側の形状と振動腕34,35の裏面部210側の形状は、電極に通電して振動腕34,35が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
【選択図】図4
Description
本発明は、圧電振動片と圧電デバイスおよびこれらの製造方法、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器に関する。
HDD(ハード・ディスク・ドライブ)、モバイルコンピュータ、あるいはIC(集積回路)カード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電振動片を収容した水晶振動子や水晶発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
従来の圧電デバイスに収容されている圧電振動片は、基部と、この基部から突出して形成されている一対の振動腕を有している構造のものが採用されている(特許文献1参照)。
この従来の圧電振動片の振動腕の表面部と裏面部には、溝部が形成されていると共に、基部には切り込み部が形成されている。
従来の圧電デバイスに収容されている圧電振動片は、基部と、この基部から突出して形成されている一対の振動腕を有している構造のものが採用されている(特許文献1参照)。
この従来の圧電振動片の振動腕の表面部と裏面部には、溝部が形成されていると共に、基部には切り込み部が形成されている。
ところが、従来の圧電振動片の構造は所謂溝付きの音叉型振動片であるが、この従来の振動腕の表面部側の溝部の位置と裏面部側の溝部の位置は、表裏対称になるように配置されている。つまり、振動腕の外形を形成する表面部側の溝部の中心線と裏面部側の溝部の中心線は一致するようになっている。このような圧電振動片の構造であるので、温度の変化に対する周波数偏差の変化の関係である温度特性(周波数)が2次関数的なカーブを示す。このために、温度の変化による周波数偏差の変化が大きくなってしまうという問題がある。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、温度の変化に対する周波数偏差の変化を小さくして、温度特性の優れた圧電振動片と圧電デバイスおよびこれらの製造方法、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器を提供することを目的としている。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、温度の変化に対する周波数偏差の変化を小さくして、温度特性の優れた圧電振動片と圧電デバイスおよびこれらの製造方法、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器を提供することを目的としている。
上記目的は、第1の発明によれば、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする圧電振動片により、達成される。
第1の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状は、電極に通電して振動腕を振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記振動腕の長手方向に対して交差する断面において、前記第1溝部の中心線と前記第2溝部の中心線は、反対方向にずれていることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、第1溝部の中心線と第2溝部の中心線は、反対方向にずれている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
第2の発明の構成によれば、第1溝部の中心線と第2溝部の中心線は、反対方向にずれている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
第3の発明は、第1の発明の構成において、前記電極は、下地層と前記下地層に形成された電極層を有し、前記振動腕の前記表面部側の前記電極の前記下地層の厚みは、前記振動腕の前記裏面部側の前記電極の前記下地層の厚みとは異なることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の電極の下地層の厚みは、振動腕の裏面部側の電極の下地層の厚みとは異なるようになっている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、下地膜によって生じる、振動腕の表面部側の応力と裏面部側の応力に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わり、斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
第3の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の電極の下地層の厚みは、振動腕の裏面部側の電極の下地層の厚みとは異なるようになっている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、下地膜によって生じる、振動腕の表面部側の応力と裏面部側の応力に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わり、斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
第4の発明は、第3の発明の構成において、前記下地層はCrであり、前記電極層はAuであることを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、下地層はCrであり、電極層はAuである。
これにより、下地層はCrを用いるので、Crは圧電振動片の下地層としては適した膜であり、Cr膜の成膜によって生じる応力の影響で温度特性が向上する。
第4の発明の構成によれば、下地層はCrであり、電極層はAuである。
これにより、下地層はCrを用いるので、Crは圧電振動片の下地層としては適した膜であり、Cr膜の成膜によって生じる応力の影響で温度特性が向上する。
上述の目的は、第5の発明によれば、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片は、基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする圧電デバイスにより達成される。
第5の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状は、電極に通電して振動腕を振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電デバイスが得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電デバイスが得られる。
上述の目的は、第6の発明によれば、基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には駆動用の電極を備える圧電振動片を形成する圧電振動片の製造方法であって、圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する外形エッチング工程では、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状が、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されることを特徴とする圧電振動片の製造方法により達成される。
第6の発明の構成によれば、外形エッチング工程では、圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する。この外形エッチング工程では、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状が、電極に通電して振動腕が振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成される。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電振動片が得られる。
上述の目的は、第7の発明によれば、基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には駆動用の電極を備える圧電振動片を、パッケージ内に収容した圧電デバイスの製造方法であって、圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する外形エッチング工程では、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状が、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されることを特徴とする圧電デバイスの製造方法により達成される。
第7の発明の構成によれば、外形エッチング工程では、圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する。この外形エッチング工程では、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状が、電極に通電して振動腕が振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成される。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電デバイスが得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れた圧電デバイスが得られる。
上述の目的は、第8の発明によれば、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにした携帯電話装置であって、前記圧電振動片は、基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする携帯電話装置により達成される。
第8の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状は、電極に通電して振動腕を振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れたものが得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れたものが得られる。
上述の目的は、第9の発明によれば、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにした電子機器であって、前記圧電振動片は、基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする電子機器により達成される。
第9の発明の構成によれば、振動腕の表面部側の形状と振動腕の裏面部側の形状は、電極に通電して振動腕を振動する際に力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れたものが得られる。
これにより、電極に通電して振動腕を振動する際に、振動腕の表面部側に生じる電界と裏面部側に生じる電界に違いが出るために、屈曲振動に対してさらにその屈曲振動とは垂直な方向の振動成分が加わることで、屈曲振動とその垂直方向の振動に対して斜め方向の動きが生じる。これによって、温度特性曲線の2次係数をかなり小さく抑えて温度特性にはフラットな部分が得られ、温度変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、温度特性の優れたものが得られる。
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1及び図2は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図1はその概略平面図、図2は図1のB−B線概略断面図である。
図1と図2において、圧電デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、パッケージ36内に圧電振動片32を収容している。パッケージ36は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間S2を形成するようにされている。
この内部空間S2が圧電振動片を収容するための収容空間である。
すなわち、図2に示されているように、この実施形態では、パッケージ36は、例えば、下から第1の積層基板61、第2の積層基板64、第3の積層基板68を重ねて形成されている。
図1及び図2は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図1はその概略平面図、図2は図1のB−B線概略断面図である。
図1と図2において、圧電デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、パッケージ36内に圧電振動片32を収容している。パッケージ36は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間S2を形成するようにされている。
この内部空間S2が圧電振動片を収容するための収容空間である。
すなわち、図2に示されているように、この実施形態では、パッケージ36は、例えば、下から第1の積層基板61、第2の積層基板64、第3の積層基板68を重ねて形成されている。
パッケージ36の内部空間S2内の図において左端部付近において、内部空間S2に露出して内側底部を構成する第2の積層基板64には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキで形成した電極部31,31が設けられている。
この電極部31,31は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部31,31の上に導電性接着剤43,43が塗布され、この導電性接着剤43,43の上に圧電振動片32の基部51が載置されて、導電性接着剤43,43が硬化されるようになっている。なお、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
この電極部31,31は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部31,31の上に導電性接着剤43,43が塗布され、この導電性接着剤43,43の上に圧電振動片32の基部51が載置されて、導電性接着剤43,43が硬化されるようになっている。なお、導電性接着剤43,43としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
図1と図2に示す圧電振動片32は、後述する製造工程により、圧電材料として、例えば水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片32は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図3の概略斜視図で示す形状とされている。
図3の圧電振動片32は、図1と図2に示すパッケージ36側と固定される基部51と、この基部51を基端として、図において左方に向けて、二股に別れてY方向(機械軸)に沿って平行に延びる一対の振動腕34,35を備えている。この圧電振動片32としては、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。この一対の振動腕34,35は、複数の振動腕の一例である。図3にはX方向(電気軸)とY方向(機械軸)およびZ方向(光学軸)を示している。
図3の圧電振動片32は、図1と図2に示すパッケージ36側と固定される基部51と、この基部51を基端として、図において左方に向けて、二股に別れてY方向(機械軸)に沿って平行に延びる一対の振動腕34,35を備えている。この圧電振動片32としては、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。この一対の振動腕34,35は、複数の振動腕の一例である。図3にはX方向(電気軸)とY方向(機械軸)およびZ方向(光学軸)を示している。
図3に示す圧電振動片32の各振動腕34,35には、それぞれ長さ方向(Y方向)に延びる長い有底の第1溝部57(57A),56(56A)と第2溝部57(57B),56(56B)が形成されている。この第1溝部57(57A),56(56A)と第2溝部57(57B),56(56B)は、図3のC−C線切断端面図である図4に示されているように、各振動腕34,35の表面と裏面の両面にそれぞれ形成されている。振動腕34,35は、ほぼH形の断面を有している。
図3において、圧電振動片32の基部51の端部(図3では右端部)の幅方向両端付近には、引き出し電極52,53が形成されている。各引き出し電極52,53は、圧電振動片32の基部51の図示しない裏面にも同様に形成されている。
これらの各引き出し電極52,53は、上述したように図1に示されているパッケージ側の電極部31,31と導電性接着剤43,43により接続される部分である。そして、各引き出し電極52,53は、図示されているように、各振動腕34,35の溝56,57内に設けた励振電極(駆動用の電極)54,55と電気的に接続されている。
これらの各引き出し電極52,53は、上述したように図1に示されているパッケージ側の電極部31,31と導電性接着剤43,43により接続される部分である。そして、各引き出し電極52,53は、図示されているように、各振動腕34,35の溝56,57内に設けた励振電極(駆動用の電極)54,55と電気的に接続されている。
また、各励振電極54,55は、図4に示されているように各振動腕34,35の両側面にも形成されており、例えば、振動腕34に関しては、第1溝部57(57A)と第2溝部57(57B)内の励振電極54と、その側面部の励振電極55は互いに異極となるようにされている。振動腕35に関しては、第1溝部56(56A)と第2溝部56(56B)内の励振電極55と、その側面部の励振電極54は互いに異極となるようにされている。
図3と図4を参照して理解されるように、振動腕34と振動腕35の互いに向かい合う内側の側面に形成された側面電極部54aと55aは互いに異極となる。
図3に示す圧電振動片32は、例えばほぼ30KHzないしほぼ40KHzで発振する水晶で形成されている。
図3に示す圧電振動片32は、例えばほぼ30KHzないしほぼ40KHzで発振する水晶で形成されている。
ここで、図3に示す小型化された圧電振動片32の形状における寸法例について説明する。
図3に示す一対の振動腕34,35の長手方向の長さL1は、例えば1.644mmである。基部51のY方向に関する長さL2は、0.56mmである。
基部51は、その両側にそれぞれ切り込み部100,100を有している。この切り込み部100から基部51のもう一方の端部付近までの長さL3は例えば0.113mmである。
図3に示す振動腕34,35の幅Wは、好ましくは50μmないし150μmの範囲である。振動腕34,35の幅Wは、例えば0.1mmである。振動腕34,35の厚みDは、例えば0.1mmである。
図3に示す一対の振動腕34,35の長手方向の長さL1は、例えば1.644mmである。基部51のY方向に関する長さL2は、0.56mmである。
基部51は、その両側にそれぞれ切り込み部100,100を有している。この切り込み部100から基部51のもう一方の端部付近までの長さL3は例えば0.113mmである。
図3に示す振動腕34,35の幅Wは、好ましくは50μmないし150μmの範囲である。振動腕34,35の幅Wは、例えば0.1mmである。振動腕34,35の厚みDは、例えば0.1mmである。
図3における第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bの溝幅Eは、振動腕35,34の幅Wに比べて40%以上の幅を有している。第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bの溝の深さGは、振動腕34,35の厚みDに対して好ましくは30%以上50%未満である。溝幅Eが、振動腕の幅Wの好ましくは40%以上にするのは、振動腕34,35の剛性を少なくするための条件となる。
溝深さGが振動腕34,35の厚みDの好ましくは30%以上ないし50%未満にするのは、振動腕34,35の剛性を少なくするための条件となる。溝深さGが50%以上であると、表面側の溝と裏面側の溝がつながってしまう。
図3における第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bが、振動腕35,34にそれぞれ設けられているのは、振動腕35,34の剛性を少なくするためである。
溝深さGが振動腕34,35の厚みDの好ましくは30%以上ないし50%未満にするのは、振動腕34,35の剛性を少なくするための条件となる。溝深さGが50%以上であると、表面側の溝と裏面側の溝がつながってしまう。
図3における第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bが、振動腕35,34にそれぞれ設けられているのは、振動腕35,34の剛性を少なくするためである。
上述したように図3に示す切り込み部100,100が、基部51の一方と他方の端部に設けられている。この切り込み部100,100が基部51に設けられていないと、温度特性カーブが2次曲線とはならず直線的になってしまう可能性があり、この切り込み部100の存在により、温度特性カーブが直線的になるのを抑制していることが判明している。
この理由としては、切り込み部100が無い場合には、基部51が図2に示すように電極部31に対して導電性接着剤43を用いてマウントされる部分において、応力が振動腕35,34に影響して振動モード(振動特性)に影響を与えると考えられている。
この理由としては、切り込み部100が無い場合には、基部51が図2に示すように電極部31に対して導電性接着剤43を用いてマウントされる部分において、応力が振動腕35,34に影響して振動モード(振動特性)に影響を与えると考えられている。
図2に示すように、パッケージ36の底面のほぼ中央付近には、パッケージ36を構成する2枚の積層基板に連続する貫通孔37a,37bを形成することにより、外部に開口した貫通孔37が設けられている。この貫通孔37を構成する2つの貫通孔のうち、パッケージ内部に開口する第1の孔37bに対して、第2の孔である外側の貫通孔37aは、より大きな内径を備えるようにされている。これにより、貫通孔37は、図2において下向きの段部62を備える段つき開口とされている。この段部62の表面には、金属被覆部が設けられていることが好ましい。
ここで、貫通孔37に充填される金属製封止材38としては、例えば、鉛を含有しない封止材が選択されることが好ましく、例えば、銀ロウ、Au/Sn合金、Au/Ge合金等から選択される。これに対応して、段部62の表面の金属被覆部には、タングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキを形成することが好ましい。
パッケージ36の開放された上端には、蓋体39が、封止材33により接合されることにより封止されている。蓋体39は、好ましくは、パッケージ36に封止固定した後で、図2に示すように、外部からレーザ光L2を圧電振動片32の後述する金属被覆部に照射して、質量削減方式により周波数調整を行うために、光を透過する材料,特に、薄板ガラスにより形成されている。
蓋体39として適するガラス材料としては、例えば、ダウンドロー法により製造される薄板ガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスが使用される。
蓋体39として適するガラス材料としては、例えば、ダウンドロー法により製造される薄板ガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスが使用される。
さらに、図2において、第2の基板64の内側の一部を除去することにより、凹部42が設けられている。これにより、圧電デバイス30に外部から衝撃が加えられた場合に、圧電振動片32の先端が矢印D1方向に変位しても、この圧電振動片32の先端がパッケージ36の内側底部に衝突して破損することが有効に防止されている。
次に、図3と図4および図5を参照しながら、振動腕34,35の断面形状例と励振電極54,55の構造例について説明する。図4に示す振動腕34,35の端面は、図3におけるX方向(電気軸)とZ方向(光学軸)で形成される平面にある。
まず図4と図5に例示する振動腕34,35の断面形状例について詳しく説明する。
図4では、振動腕34,35のそれぞれの図3のC−C線における端面とM方向の振動方向の例などを示している。図5では、図4に示す振動腕34,35の端面形状例および一部拡大した励振電極の積層構造例を示している。振動腕34,35は、同様の断面形状を有している。
まず図4と図5に例示する振動腕34,35の断面形状例について詳しく説明する。
図4では、振動腕34,35のそれぞれの図3のC−C線における端面とM方向の振動方向の例などを示している。図5では、図4に示す振動腕34,35の端面形状例および一部拡大した励振電極の積層構造例を示している。振動腕34,35は、同様の断面形状を有している。
図4に示すように、振動腕34は、表面部200と裏面部210を有している。同様にして振動腕35は、表面部200と裏面部210を有している。この表面部200は、振動腕34,35の中央軸300に関して図4の上側に位置している部分である。裏面部210は、振動腕34,35の中央軸300に関して図4の下側に位置している部分である。中央軸300は、X方向(水平方向)と平行な線であり、振動腕34,35の断面形状の中央を通過している。
振動腕34,35は、それぞれ突起350を有している。この突起350は、表面部200と裏面部210にわたって、+X方向に突出して形成されている部分である。
振動腕34の表面部200と振動腕34の裏面部210には、第1溝部57Aと第2溝部57Bが形成されている。振動腕35の表面部200と振動腕35の裏面部210には、第1溝部56Aと第2溝部56Bが形成されている。振動腕34側の第1溝部と第2溝部は、区別するために第1溝部は57Aで示し第2溝部は57Bで示している。振動腕35側の第1溝部と第2溝部は、区別するために第1溝部は56Aで示し、第2溝部は56Bで示している。
振動腕34の表面部200と振動腕34の裏面部210には、第1溝部57Aと第2溝部57Bが形成されている。振動腕35の表面部200と振動腕35の裏面部210には、第1溝部56Aと第2溝部56Bが形成されている。振動腕34側の第1溝部と第2溝部は、区別するために第1溝部は57Aで示し第2溝部は57Bで示している。振動腕35側の第1溝部と第2溝部は、区別するために第1溝部は56Aで示し、第2溝部は56Bで示している。
図5に示す第1溝部57A,56Aはほぼ同じ形状であり、第2溝部57B,56Bもほぼ同じであるので、第1溝部57A,第2溝部57Bの形状を代表して説明する。
図5に示すように第1溝部57Aは、傾斜面501,502,503,504を有している。同様にして第2溝部57Bは、傾斜面601,602,603,604を有している。これらの傾斜面501ないし504が、有底の第1溝部57Aを形成している。同様にしてこれらの傾斜面601ないし604が、有底の第2溝部57Bを形成している。
図5に示すように第1溝部57Aは、傾斜面501,502,503,504を有している。同様にして第2溝部57Bは、傾斜面601,602,603,604を有している。これらの傾斜面501ないし504が、有底の第1溝部57Aを形成している。同様にしてこれらの傾斜面601ないし604が、有底の第2溝部57Bを形成している。
図4に示すように第1溝部57Aと第2溝部57Bが表面部200と裏面部210にそれぞれ形成されているのであるが、特徴的なのは次の点である。
図4に示す中心線CL1は、振動腕34の表面部200側の第1溝部57Aの中心を示す線である。同様にして中心線CL2は振動腕34の裏面側210の第2溝部57Bの中心を示す線である。これらの中心線CL1,CL2は、Z方向と平行な方向である。
また図4に示す中心線CL3は、振動腕35の表面部200側の第1溝部56Aの中心を示す線である。中心線CL4は、振動腕35の裏面部210側の第2溝部56Bの中心を示す線である。
図4に示す中心線CL1は、振動腕34の表面部200側の第1溝部57Aの中心を示す線である。同様にして中心線CL2は振動腕34の裏面側210の第2溝部57Bの中心を示す線である。これらの中心線CL1,CL2は、Z方向と平行な方向である。
また図4に示す中心線CL3は、振動腕35の表面部200側の第1溝部56Aの中心を示す線である。中心線CL4は、振動腕35の裏面部210側の第2溝部56Bの中心を示す線である。
図4に示すように、中心線CL1と中心線CL2は、X方向に関して互いに反対方向にずれるようにして平行に位置している。同様にして中心線CL3と中心線CL4は、X方向に関して互いに反対方向にずれるようにして平行に位置している。つまり第1溝部57Aと第2溝部57Bは、X方向に関して反対方向にずれて平行に形成されている。また第1溝部56Aと第2溝部56Bは、やはりX方向に関して反対方向にずれて平行に形成されている。
このように中心線CL1と中心線CL2が反対方向にずれるようにして平行に位置されていることにより、次のようなことも言える。
このように中心線CL1と中心線CL2が反対方向にずれるようにして平行に位置されていることにより、次のようなことも言える。
図4に示すように、表面部200側の突出部分360の幅W1は、突出部分361の幅W3に比べて小さく設定されている。また裏面部210側の突出部分362の幅W4は、突出部分363の幅W2に比べて小さく設定されている。
同様にして、振動腕35においても表面部200側の突出部分460の幅W1は、突出部分461の幅W3に比べて小さく設定されている。裏面部210側の突出部分462の幅W4は、突出部分463の幅W2に比べて小さく設定されている。
このように、振動腕34,35における表面部200側の第1溝部57A,56Aと裏面部210側の第2溝部57B,56Bの形状は、中央軸300に関して非対称形状に形成している。
同様にして、振動腕35においても表面部200側の突出部分460の幅W1は、突出部分461の幅W3に比べて小さく設定されている。裏面部210側の突出部分462の幅W4は、突出部分463の幅W2に比べて小さく設定されている。
このように、振動腕34,35における表面部200側の第1溝部57A,56Aと裏面部210側の第2溝部57B,56Bの形状は、中央軸300に関して非対称形状に形成している。
次に、図3ないし図5に示す励振電極54,55の形成例について説明する。
図3に示すように、励振電極54,55は、駆動用電極であるが、励振電極54,55は、図4に示すように少なくとも第1溝部56A,57Aと第2溝部56B,57Bに設けられている。
上述したように図3ないし図5に示す励振電極54,55は、電気的に異極になっている。図5に示すように、励振電極54,55はそれぞれ下地層75Aと電極層75Bの積層構造体である。下地層75Aは、例えばCr層である。電極層75Bは、Au層である。下地層75Aは、Cr層に代えてNi層であってもTi膜であっても構わない。電極層75Bは、Au層に限らずAg層であっても構わない。Cr層は圧電振動片の下地層としては適した膜であり、Cr層の成膜によって生じる応力の影響で温度特性が向上する。
図3に示すように、励振電極54,55は、駆動用電極であるが、励振電極54,55は、図4に示すように少なくとも第1溝部56A,57Aと第2溝部56B,57Bに設けられている。
上述したように図3ないし図5に示す励振電極54,55は、電気的に異極になっている。図5に示すように、励振電極54,55はそれぞれ下地層75Aと電極層75Bの積層構造体である。下地層75Aは、例えばCr層である。電極層75Bは、Au層である。下地層75Aは、Cr層に代えてNi層であってもTi膜であっても構わない。電極層75Bは、Au層に限らずAg層であっても構わない。Cr層は圧電振動片の下地層としては適した膜であり、Cr層の成膜によって生じる応力の影響で温度特性が向上する。
図5に示す励振電極54,55の下地層75Aは、振動腕35,34の表面に直接形成されている。電極層75Bは、下地層75Aの上に積層して形成されている。図4に示す振動腕34の励振電極54ともう一方の励振電極55の間には、短絡防止用の間隔180が形成されている。同様にして、振動腕35の励振電極55ともう一方の励振電極54の間にも、短絡防止用の間隔180が形成されている。
この短絡防止用間隔180の付近には、好ましくはSiO2のような酸化膜を設けることにより、励振電極54,55の短絡を確実に防止することができる。図4に示すように、一方の振動腕34では、励振電極54が第1溝部57Aと第2溝部57B側に形成されており、励振電極55は側面部側の電極として形成されている。同様にして、他方の振動腕35においては、励振電極55が第1溝部56Aと第2溝部56B側に形成されており、励振電極54は側面部側の電極として形成されている。
この短絡防止用間隔180の付近には、好ましくはSiO2のような酸化膜を設けることにより、励振電極54,55の短絡を確実に防止することができる。図4に示すように、一方の振動腕34では、励振電極54が第1溝部57Aと第2溝部57B側に形成されており、励振電極55は側面部側の電極として形成されている。同様にして、他方の振動腕35においては、励振電極55が第1溝部56Aと第2溝部56B側に形成されており、励振電極54は側面部側の電極として形成されている。
図4に示す一対の振動腕34,35には矢印を用いて電界E1,E2を示している。励振電極54,55に対して駆動電圧が加わることにより、矢印で例示するような電界が振動腕34,35に生じる。つまり、電極に所定の交流電圧を印加すると、隣接する励振電極54,55の間で電界E1,E2が交互に発生し、振動腕34,35が互いに逆向きに屈曲運動を繰り返し行う。
上述したように、各振動腕34,35では、表面部200と裏面部210にはそれぞれ中心線のずれた第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bを設ける構造を採用している。つまり突出部分360と361の幅について大小関係を設けて、突出部分362と363の幅についても大小部分を設ける。同様にして突出部分460と突出部分461についても幅に関して大小関係を設けて、突出部分462と突出部分463についても幅について大小関係を設ける。
図4に示す励振電極54,55に対して通電することで、図4に示すような電界E1と電界E2が振動腕34,35に生じる。図4に示すように突出部分360側の電界の大きさは突出部分361の電界の大きさに比べて小さい。突出部分362の電界は突出部分363側の電界に比べて小さい。このことは振動腕35においても同様である。
図4に示す励振電極54,55に対して通電することで、図4に示すような電界E1と電界E2が振動腕34,35に生じる。図4に示すように突出部分360側の電界の大きさは突出部分361の電界の大きさに比べて小さい。突出部分362の電界は突出部分363側の電界に比べて小さい。このことは振動腕35においても同様である。
このようにすることで、振動腕34,35はX方向(水平方向)に屈曲振動する際に、この水平方向の屈曲振動に加えてZ方向(垂直方向)の成分の振動が加わり、結果として斜め方向であるM方向の振動成分が生じる。
これは、表面部200側と裏面部210側ではそれぞれ大きさの異なる電界が生じるからである。このように電界E1,E2について部分に応じて電界の大きさが違ってくると、音叉腕部である振動腕34,35の伸び、縮みの力学的バランスが崩れて、X方向の屈曲振動に対してZ方向の振動成分が加わりM方向の振動成分が生じるのである。
これは、表面部200側と裏面部210側ではそれぞれ大きさの異なる電界が生じるからである。このように電界E1,E2について部分に応じて電界の大きさが違ってくると、音叉腕部である振動腕34,35の伸び、縮みの力学的バランスが崩れて、X方向の屈曲振動に対してZ方向の振動成分が加わりM方向の振動成分が生じるのである。
本発明者は、上述のように、表面部側の第1溝部と裏面部側の第2溝部の中心線を互いに反対方向にずれるようにして平行に配置することにより、圧電振動片の温度特性の2次係数が小さくなる現象を見出した。
図6は、温度特性(周波数)の例を示している。
図6では、本発明の実施形態と従来の通常の音叉型圧電振動片の例を示している。通常の音叉型圧電振動片は、頂点温度を有する上に凸の2次関数的な温度特性カーブ640を示した。
図6は、温度特性(周波数)の例を示している。
図6では、本発明の実施形態と従来の通常の音叉型圧電振動片の例を示している。通常の音叉型圧電振動片は、頂点温度を有する上に凸の2次関数的な温度特性カーブ640を示した。
図6に示す本発明の実施形態の圧電振動片の温度特性カーブ700は、左右対称型の2次関数的な温度特性カーブにはならず、ほぼフラットな部分750が得られ、本発明の実施形態の温度特性カーブ700は、2次関数的なカーブではなく、3次関数的なカーブとなった。本発明の実施形態の温度特性カーブ700のフラットな部分750は、例えば摂氏マイナス20度ないし摂氏プラス50度の範囲である。
このようなフラットな部分750を有する本発明の実施形態の温度特性カーブ700を得ることにより、温度変化による周波数偏差の変化の小さい高精度な温度特性カーブを得ることができる。
このようなフラットな部分750を有する本発明の実施形態の温度特性カーブ700を得ることにより、温度変化による周波数偏差の変化の小さい高精度な温度特性カーブを得ることができる。
図2に示すように、圧電振動片の基部51は、例えばSiのAgペーストのような導電性接着剤43でマウントしているが、このマウントで生じる応力も圧電振動片の振動モードに影響して、温度特性に影響すると思われる。温度が高温側か低温側に移っていくと、導電性接着剤による応力の影響は大きく、このことが低温側の温度特性カーブに影響していると思われる。同じSi系の導電性接着剤であっても、温度特性カーブの2次係数には差がある。
また、図3に示すように基部51には、たとえば切り込み部100,100が設けられていることから、CI(クリスタルインピーダンス)値が変わる。切り込み部100が基部51に設けられていることから、この切り込み部の存在により温度特性カーブが直線的にはならず2次曲線になるようにし、温度特性カーブが直線的になるのを抑制していることが分かっている。この理由としては、切り込み部が無い場合には、マウント部の応力が振動腕に影響して振動モードに影響を与えると考えられる。
各振動腕34,35には第1溝部と第2溝部が形成されていることから、振動腕34,35の剛性を小さくして、図6に示すような温度特性カーブ700を得ている。図3に示す溝深さGが、振動腕の厚みに対して30%以上50%未満に形成されていることにより、振動腕の剛性を少なくして、図6に示すような温度特性カーブ700を得ることができる。図3に示す溝幅Eは、振動腕の幅Wの40%以上とすることにより、剛性を少なくすることにより図6に示す温度特性カーブ700を得ることができる。
図3に示す圧電振動片32が発振する周波数は、ほぼ30KHzないし40KHzである。これによって、図6に示す温度特性カーブ700が得られる。
図3に示す圧電振動片32が発振する周波数は、ほぼ30KHzないし40KHzである。これによって、図6に示す温度特性カーブ700が得られる。
本発明の実施形態のような所謂溝付きの圧電振動片32では、図6に示すような温度特性カーブ700において2次係数をかなり小さくしてフラットな部分750を得ることができる。これによって温度の変化による周波数偏差の変化を小さくすることができ、高精度な圧電振動片および圧電デバイスを得ることができるのである。
また、本発明の圧電振動片では、実際には溝の形成部分(振動モードや特性を決める重要な部分)のAu膜は剥離して、SiO2コーティング(電極間ショートの防止用絶縁物)が施してある。
また、本発明の圧電振動片では、実際には溝の形成部分(振動モードや特性を決める重要な部分)のAu膜は剥離して、SiO2コーティング(電極間ショートの防止用絶縁物)が施してある。
次に、図7ないし図9は、本実施形態の圧電振動片32の製造方法の一例を説明するための工程図であり、図7ないし図9の各工程は、図4に対応した部分の切断端面図にて示した振動腕34,35の切断面に対応した領域について工程順に示されている。
図7〜図9(k)は外形エッチング工程を示し、図9(l)は電極形成工程で得られた励振電極の例を示している。
図7〜図9(k)は外形エッチング工程を示し、図9(l)は電極形成工程で得られた励振電極の例を示している。
図7(a)において、圧電振動片32を複数もしくは多数分離することができる大きさの圧電材料でなる基板71を用意する。このとき基板71は、工程の進行により音叉型の圧電振動片32とした際には、図3に示すX軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光学軸となるように、圧電材料、例えば水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述の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平面を時計方向に約マイナス5度ないしプラス5度傾けて形成される。
(耐蝕膜の形成工程)
図7(a)に示すように、基板71の表面(表裏面)に、スパッタリングもしくは蒸着等の手法により、耐蝕膜72を形成する。図示されているように、水晶でなる基板71の表裏両面に耐蝕膜72が形成され、耐蝕膜72は、例えば、下地層としてのクロム層と、その上に被覆される金の被覆層で構成される。
なお、以下の工程では、基板71の上下両面に同一の加工が行われるので、煩雑さを避けるため、上面についてだけ説明する。
図7(a)に示すように、基板71の表面(表裏面)に、スパッタリングもしくは蒸着等の手法により、耐蝕膜72を形成する。図示されているように、水晶でなる基板71の表裏両面に耐蝕膜72が形成され、耐蝕膜72は、例えば、下地層としてのクロム層と、その上に被覆される金の被覆層で構成される。
なお、以下の工程では、基板71の上下両面に同一の加工が行われるので、煩雑さを避けるため、上面についてだけ説明する。
(外形のパターニング工程)
次いで、図7(b)に示すように、基板71の表裏の耐蝕膜72の全面にレジスト73を塗布する(レジストの塗布工程)。そして、外形パターニングのためにレジスト73を塗布する。レジスト73としては、例えば、ECA系、PGMEA系のポジ型レジストが好適に使用できる。
次いで、図7(b)に示すように、基板71の表裏の耐蝕膜72の全面にレジスト73を塗布する(レジストの塗布工程)。そして、外形パターニングのためにレジスト73を塗布する。レジスト73としては、例えば、ECA系、PGMEA系のポジ型レジストが好適に使用できる。
(エッチング工程)
そして、図7(c)に示すように、外形パターニングのために所定のパターン幅のマスク(図示せず)を配置し、露光後、感光したレジスト73を除去して、除去したレジスト部分に対応して、Au,Crの順に耐蝕膜72も除去する。
次に、図7(d)に示すように、圧電振動片32の外形から外側の部分を露出させて、図7(e)に示すように、全面にレジスト74を塗布する。
そして、図7(c)に示すように、外形パターニングのために所定のパターン幅のマスク(図示せず)を配置し、露光後、感光したレジスト73を除去して、除去したレジスト部分に対応して、Au,Crの順に耐蝕膜72も除去する。
次に、図7(d)に示すように、圧電振動片32の外形から外側の部分を露出させて、図7(e)に示すように、全面にレジスト74を塗布する。
次いで、図7(f)に示すように、圧電振動片32の外形から外側の部分と、各振動腕の溝部分のレジスト74を除去する。
そして、図8(g)に示すように、圧電振動片32の外形から外側の部分として露出した基板71に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う(エッチング工程)。このエッチング工程は、2時間ないし3時間で、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。この実施形態では、エッチング液として、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いて、その濃度として容量比1:1、温度65度±1度(摂氏)の条件により、2時間半程度でエッチング工程が完了する。
そして、図8(g)に示すように、圧電振動片32の外形から外側の部分として露出した基板71に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う(エッチング工程)。このエッチング工程は、2時間ないし3時間で、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。この実施形態では、エッチング液として、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いて、その濃度として容量比1:1、温度65度±1度(摂氏)の条件により、2時間半程度でエッチング工程が完了する。
(ハーフエッチング工程)
次に図8(h)に示すように、振動腕の溝部の耐蝕膜72を除去する。
耐蝕膜72を除去して露出した基板71について、さらに、図8(i)に示すように、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の溝部のハーフエッチングを行う。
この実施形態では、エッチング液として、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いて、その濃度として容量比1:1、温度65度±1度(摂氏)の条件により、30分ないし60分程度でエッチング工程が完了する。
これにより、振動腕34,35の第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bが形成される。
次に図8(h)に示すように、振動腕の溝部の耐蝕膜72を除去する。
耐蝕膜72を除去して露出した基板71について、さらに、図8(i)に示すように、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の溝部のハーフエッチングを行う。
この実施形態では、エッチング液として、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いて、その濃度として容量比1:1、温度65度±1度(摂氏)の条件により、30分ないし60分程度でエッチング工程が完了する。
これにより、振動腕34,35の第1溝部57A,56Aと第2溝部57B,56Bが形成される。
次に、図8(j)に示すように、耐蝕膜72からレジスト74を除去し、耐蝕膜72も除去して図9(k)の状態とする。この状態は図3の圧電振動片32の電極が形成されていない状態である。
続いて、図9(l)に示す電極形成工程では、全面に電極を形成するための金属膜75を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。この金属膜75は、励振電極54,55であり、耐蝕膜と同じ下地層75Aとしてのクロム層と、その上に被覆される電極層(金被覆層)75Bで構成する。
続いて、図9(l)に示す電極形成工程では、全面に電極を形成するための金属膜75を蒸着またはスパッタリング等の手法により形成する。この金属膜75は、励振電極54,55であり、耐蝕膜と同じ下地層75Aとしてのクロム層と、その上に被覆される電極層(金被覆層)75Bで構成する。
その後、電極形成におけるレジストの塗布工程を行い、電極が形成されるべき領域(図3参照)とそうでない領域とを分けるマスキング(図示せず)がなされて、露光され、不要なレジストを除去して、取り除くべき金属膜75を露出させる。次いで、露出した金属膜を、例えば、ヨウ化カリウム等のエッチング液を用いて、ウエットエッチングにより除去する。これにより、取り除くべき金属膜75がエッチングにより全て除去される。最後に、不要となったレジストを全て剥離する。
以上により、図3と図4で説明した構造の圧電振動片32が完成する。
以上により、図3と図4で説明した構造の圧電振動片32が完成する。
図3のように完成した圧電振動片32は、図1及び図2に示すように、パッケージ36の内部に、導電性接着剤43を利用して接合される。その後で、このパッケージ36にロウ材(例えば、低融点ガラス)を用いて蓋体39を接合する。さらに、真空中でパッケージ36を加熱して貫通孔37を介してパッケージ36内を脱ガスし、この貫通孔37を封止材38で真空封止することで、圧電デバイス30を完成することができる。
本実施形態の圧電デバイス30は図1と図2に示す構成であるが、この圧電デバイス30の製造方法の一例を、主に図10を参照しながら説明する。
図10は、圧電デバイス30の製造方法の一例を示すフローチャートである。
(形成工程)
まず、図1および図2のパッケージ36を形成(ステップST11)して用意しておき、これとは別に、蓋体39の形成(ステップST211)をする。
図10は、圧電デバイス30の製造方法の一例を示すフローチャートである。
(形成工程)
まず、図1および図2のパッケージ36を形成(ステップST11)して用意しておき、これとは別に、蓋体39の形成(ステップST211)をする。
次いで、圧電振動片を形成する形成工程の第1段階であるステップST111において、例えば、水晶ウエハに貫通孔を穿孔またはエッチングによって圧電振動片の外形を形成する。そして、その水晶ウエハを所定の方位に従って矩形にカットして図1に示す圧電振動片32を得る。この圧電振動片32は、図7、図8および図9(k)に示す製造工程により外形がエッチングされて形成される。
次いで、形成工程の第2段階であるステップST112において、図3に示す圧電振動片32には、上述した励振電極54,55と引出し電極52,53を形成する。励振電極54,55および引出し電極部52,53は、例えばクロム等による下地層(下地金属層)と、銀(Ag)または金(Au)層の電極層を積層したもので、順次スパッタリングにより成膜し、マスクを用いたフォトプロセスにより形成する。
次いで、図10のステップST113において、圧電振動片32に駆動電圧を印加して周波数を測定し、電極膜を付加したり、その一部をレーザ光などでトリミングすることで、周波数の粗調整を行う。
次いで、図10のステップST12において、用意したパッケージ36内に圧電振動片32をマウントする。
次いで、図10のステップST12において、用意したパッケージ36内に圧電振動片32をマウントする。
(封止工程)
次に、封止工程である図10のステップST13において、真空中もしくは窒素等の不活性ガス雰囲気下において、図2のパッケージ36に封止材33を使用して蓋体39を封止することにより、パッケージ36を気密に封止する。
次いで、図10のステップST14において、図2で説明したように、周波数調整を行い、圧電振動子である圧電デバイス30が完成する(ステップST15)。
次に、封止工程である図10のステップST13において、真空中もしくは窒素等の不活性ガス雰囲気下において、図2のパッケージ36に封止材33を使用して蓋体39を封止することにより、パッケージ36を気密に封止する。
次いで、図10のステップST14において、図2で説明したように、周波数調整を行い、圧電振動子である圧電デバイス30が完成する(ステップST15)。
図11は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン308及び受信内容を音声出力とするためのスピーカ309を備えており、さらに、送受信信号の変調及び復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるコントローラ(CPU)301を備えている。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン308及び受信内容を音声出力とするためのスピーカ309を備えており、さらに、送受信信号の変調及び復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるコントローラ(CPU)301を備えている。
コントローラ301は、送受信信号の変調及び復調の他に画像表示部としてのLCD(液晶表示装置)や情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部302や、RAM(ランダムアクセスメモリ),ROM(リードオンリーメモリ)等でなる情報記憶手段(メモリ)303の制御を行うようになっている。このため、コントローラ301には、圧電デバイス30が取り付けられて、その出力周波数をコントローラ301に内蔵された所定の分周回路(図示せず)等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このコントローラ301に取付けられる圧電デバイス30は、圧電デバイス30単体でなくても、圧電デバイス30と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
制御部を備えたデジタル式携帯電話装置300のような電子機器に、上述した本発明の実施形態に係る圧電デバイス30やその他の変形例の圧電デバイスを利用することができる。この場合、温度特性カーブにはフラットな部分があるので、温度変化による周波数偏差変化が小さくなり、電子機器の動作精度が向上する。
図12は、本発明の別の実施形態を示している。図12に示すのは、図3の圧電振動片の振動腕のC−C線における別の断面構造例である。
図12では、表面部200と裏面部210側の第1溝部57Aと56Aおよび裏面部210側の第2溝部57B,56Bの形状が、ほぼ矩形状になっている。図12の実施形態は、その他の点については図4の実施形態とほぼ同じであるのでその説明を用いることにする。
図12では、表面部200と裏面部210側の第1溝部57Aと56Aおよび裏面部210側の第2溝部57B,56Bの形状が、ほぼ矩形状になっている。図12の実施形態は、その他の点については図4の実施形態とほぼ同じであるのでその説明を用いることにする。
図13は、本発明のさらに別の実施形態を示している。
図13の実施形態では、振動腕34,35のいずれの場合においても、表面部200側と裏面部210側において励振電極の厚みが異なるように設定されているのが特徴的である。
図13の例では第1溝部57Aと第2溝部57Bの中心線は一致している。同様にして、第1溝部56Aと第2溝部56Bの中心線も一致している。
振動腕34,35の中央軸300に関して、表面部200側の励振電極54,55の厚みRが、裏面部210側の励振電極54,55の厚みR1に比べて大きく設定されている。
図13の実施形態では、振動腕34,35のいずれの場合においても、表面部200側と裏面部210側において励振電極の厚みが異なるように設定されているのが特徴的である。
図13の例では第1溝部57Aと第2溝部57Bの中心線は一致している。同様にして、第1溝部56Aと第2溝部56Bの中心線も一致している。
振動腕34,35の中央軸300に関して、表面部200側の励振電極54,55の厚みRが、裏面部210側の励振電極54,55の厚みR1に比べて大きく設定されている。
表面部200側の励振電極54,55は、下地層75Aと電極層75Bの積層構造体である。表面部200側の下地層75Aの厚みVは、裏面部210側の下地層75Aの厚みV1に比べて大きく設定されている。下地層75Aとしては、たとえばCrやNiやTiを使用することができる。電極層75Bとしては、AuやAgを用いることができる。
このようにして、表面部200側の下地層75A厚みVが、裏面部210側の下地層75Aの厚みV1に比べて大きく設定することにより、次のようなことが生じる。
このようにして、表面部200側の下地層75A厚みVが、裏面部210側の下地層75Aの厚みV1に比べて大きく設定することにより、次のようなことが生じる。
励振電極54,55に通電することにより、振動腕34,35はX方向である水平方向に振動する際に、その水平方向の振動に加えてZ方向の垂直方向の成分の振動が加わる。この結果として、斜め方向であるM方向の振動が生じる。これは、水平方向であるX方向を境にして表面部200側と裏面部210側では下地層の厚みによる応力の大きさの違いが出るためである。
水平方向の屈曲振動とするためには、この電界によって生じる振動腕34,35の伸びと縮みの力学的バランスが表面部200側と裏面部210側でとれている必要があるが、表面部200側と裏面部210側での応力の大きさが違ってくると、振動腕34,35の伸び、縮みの力学的バランスが崩れて、X方向の屈曲振動に対してZ方向の振動成分が加わりM方向の振動が生じるのである。
水平方向の屈曲振動とするためには、この電界によって生じる振動腕34,35の伸びと縮みの力学的バランスが表面部200側と裏面部210側でとれている必要があるが、表面部200側と裏面部210側での応力の大きさが違ってくると、振動腕34,35の伸び、縮みの力学的バランスが崩れて、X方向の屈曲振動に対してZ方向の振動成分が加わりM方向の振動が生じるのである。
このようにして、表面部200側の電極の厚みと裏面部210側の電極の厚みを変えて、中央軸300に関して厚みを非対称にすることにより、2次温度係数の小さい図6に示すようなフラットな部分を有する温度特性カーブを得ることができ、圧電振動片の温度特性が良好になる。
なお、図4あるいは図12に示すような断面構造の振動腕34,35に対して、図13に示すような電極の厚みを変えることを組み合わせても勿論構わない。
なお、図4あるいは図12に示すような断面構造の振動腕34,35に対して、図13に示すような電極の厚みを変えることを組み合わせても勿論構わない。
本発明の各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、一部を省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージまたは箱状の蓋体内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
また、この発明は、パッケージまたは箱状の蓋体内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
また、上述の実施形態では、パッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等のものに圧電振動片を収容するものであれば、いかなるパッケージやケースを伴うものについても本発明を適用することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
30・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、34,35・・・振動腕、51・・・基部、54,55・・・励振電極、56A,57A・・・第1溝部、56B,57B・・・第2溝部、75A・・・下地層、75B・・・電極層、100・・・切り込み部、200・・・表面部、210・・・裏面部、640・・・従来の温度特性カーブ、700・・・本発明の実施形態の温度特性カーブ、750・・・温度特性カーブのフラットな部分
Claims (9)
- 基部と、
前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、
前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、
少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、
前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする圧電振動片。 - 前記振動腕の長手方向に対して交差する断面において、前記第1溝部の中心線と前記第2溝部の中心線は、反対方向にずれていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 前記電極は、下地層と前記下地層に形成された電極層を有し、前記振動腕の前記表面部側の前記電極の前記下地層の厚みは、前記振動腕の前記裏面部側の前記電極の前記下地層の厚みとは異なることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 前記下地層はCrであり、前記電極層はAuであることを特徴とする請求項3に記載の圧電振動片。
- パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、
前記圧電振動片は、
基部と、
前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、
前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、
少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、
前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする圧電デバイス。 - 基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には駆動用の電極を備える圧電振動片を形成する圧電振動片の製造方法であって、
圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する外形エッチング工程では、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状が、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されることを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 基部と、前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、少なくとも前記溝部には駆動用の電極を備える圧電振動片を、パッケージ内に収容した圧電デバイスの製造方法であって、
圧電材料でなる基板をエッチングすることにより外形を形成する外形エッチング工程では、前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状が、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 - パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにした携帯電話装置であって、
前記圧電振動片は、
基部と、
前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、
前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、
少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、
前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されていることを特徴とする携帯電話装置。 - パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにした電子機器であって、
前記圧電振動片は、
基部と、
前記基部から平行に延びる複数の振動腕とを有しており、
前記基部には切り込み部が設けられており、前記振動腕の表面部には第1溝部が形成され前記振動腕の裏面部には第2溝部が形成され、
少なくとも前記溝部には、駆動用の電極が設けられており、
前記振動腕の前記表面部側の形状と前記振動腕の前記裏面部側の形状は、前記電極に通電して前記振動腕が振動する際に伸びと縮みの力学的なバランスを崩すように非対称に形成されている
ことを特徴とする電子機器。
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