JP3997526B2 - Quartz crystal resonator element, processing method thereof, crystal device, mobile phone device using crystal device, and electronic device using crystal device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動片およびその加工方法の改良と、この水晶振動片を使用した水晶デバイスおよびその製造方法、ならびに水晶デバイスを利用した携帯電話と電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
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、パッケージ内に水晶振動片を収容した水晶振動子や水晶発振器等の水晶デバイスが広く使用されている。
図8は、このような水晶デバイスの構成例を示す概略断面図である(特許文献1参照)。
図において、水晶デバイス1は、パッケージ2の内部に、水晶振動片3を収容している。パッケージ2はこの場合、絶縁材料を浅い箱状に形成したもので、内部に水晶振動片3を収容固定した後で、ガラス等の透明な蓋体4により封止されるようになっている。
【0003】
パッケージ2は、セラミックのグリーンシートでなる複数の基板2a,2bを成形して積層し、焼結することにより形成されており、基板2bの内側には、成形時に材料を除去して形成した孔を設けることにより、図示するように水晶振動片3を収容する空間S1を形成している。
【0004】
水晶振動片3は、例えば水晶をエッチングすることにより一端を基部として、この基部から一方に平行に延びる一対の振動腕を備える所謂音叉型振動片や、水晶を矩形にカットした所謂ATカット振動片で構成されており、その表面及び裏面には駆動用の励振電極6が形成されている。
この水晶振動片3は、基部3aの箇所がパッケージ2の内部空間S1で、パッケージ側に接合されて、片持ち式に支持されている。
【0005】
具体的には、パッケージ2の基板2aを基体として、基板2aの表面にパッケージ底面に設けた実装電極部(図示せず)と接続された電極部5が形成されており、この電極部5と水晶振動片3の基部3aに設けた上記励振電極6と接続されている引き出し電極6aが接合されている。
電極部5は、例えば、タングステンメタライズの上にニッケル及び金をメッキして形成されている。この電極部5の表面に対して、導電性接着剤7を塗布し、その上に水晶振動片3の基部3aを載置して、導電性接着剤7が硬化されることで、水晶振動片3が接合されるようになっている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−85963
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような水晶デバイス1に用いられる水晶振動片3は、圧電材料としての水晶から水晶振動片3自体を形成し、さらには、水晶振動片3をパッケージ2に収容して水晶デバイス1を形成する過程で、振動性能に関する種々の加工が行われる。
例えば、水晶振動片3を図8のように導電性接着剤7等を用いて接合する構造であると、水晶振動片3の振動が接合箇所を介してパッケージ2側に漏れ込むことから、水晶振動片3の振動領域を予め制限するために、接合箇所の近傍を研磨し、所謂コンベックスタイプの水晶振動片を形成する手法がある。
【0008】
また、水晶振動片3の励振電極6は蒸着またはスパッタリングにより形成されるが、この電極の厚みを厚くすることで、質量を増加させ、水晶振動片3の振動周波数を低くするように周波数調整される。
あるいは、水晶振動片3の形成後、パッケージ2に図8に示すように接合し、蓋体4を封止した後においては、透明な蓋体4を透過させるようにして外部からレーザ光LBを水晶振動片3の励振電極6の一部に照射して、電極材料の一部を蒸散させ、質量削減方式により、水晶振動片3の振動周波数を高くするようにして周波数調整がされる。
【0009】
さらには、蓋体4が金属材料で形成されている場合には、図8と同様に外部からレーザ光LBを蓋体4に照射し、ただしこの場合、蓋体4はレーザ光LBを透過しないから、このレーザ光LBは蓋体4の照射箇所を加熱し、気化された金属成分を水晶振動片3の表面に付着させて、水晶振動片3の振動周波数を高くするようにして周波数調整を行う場合もある。
【0010】
このような従来の種々の加工法においては、例えば、水晶振動片3について、上述のような振動領域を制限する加工を行う場合に、コンベックスタイプの水晶振動片を形成するには、特殊な研磨工程を設ける必要があり、作業が煩雑で長時間を要するものである。
また、上述の周波数調整加工においては、励振電極6を設ける際か、励振電極6を設けた後、もしくは電極とは別に周波数調整専用の金属膜を設けなければ、周波数調整することができない。
特に、質量削減方式の周波数調整では、周波数調整の分だけ余分の電極もしくは周波数調整専用の金属膜を形成する必要があり、材料の無駄が生じる。
【0011】
さらには、図8のようにして質量削減方式の周波数調整を行う手法は、水晶振動片3が音叉型の振動片である場合には、比較的容易であるが、ATカット振動片である場合には、レーザ光LBの熱的影響により品質を損なう可能性が大きい。このため、ATカット振動片を使用する水晶振動片3の周波数調整では、パッケージ2を蓋体4で封止する蓋封止前に、電極膜の形成時の膜厚調整により行うことが実際的である。
そして、水晶振動片3の周波数調整後、蓋体4で気密封止すると、内部空間S1の条件が変わるので、振動周波数が変化してしまう問題がある。
このように、従来の手法は、水晶振動片3の振動領域を制限する場合と、周波数調整を行う場合とでは、異なる加工方法を採用する必要があることから、製造工程を複雑化して、工程設計する上での自由度が限られる。また、水晶振動片の種類によっては、共通する周波数調整方法が採用できない等の種々の問題があった。
【0012】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、水晶振動片の振動領域の制限や周波数調整を行う際に、水晶振動片の種類にかかわらず、共通に採用でき、作業も容易な水晶振動片の加工方法と、この加工方法により形成される水晶振動片および水晶デバイスとその製造方法、ならびに水晶デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第1の発明によれば、厚みすべり振動タイプの水晶振動片の端部より内側の箇所における内部にレーザ光を集束することによって、当該水晶振動片の内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位を作成し、当該水晶振動片の振動領域を、前記部位よりも内側に限定する水晶振動片の加工方法により、達成される。
第1の発明の構成によれば、水晶振動片の内部にレーザ光を照射(集束)するようにし、照射箇所の結晶構造を変化、もしくは結晶構造の破壊を行う。これにより、当該領域で結晶構造が不連続になることから、水晶振動片の振動領域は、レーザ光の照射部位よりも内側等の区分された領域に限定されることになる。このため、従来のコンベックス加工と比べると特殊な研磨工程と長い研磨時間を必要としないので、きわめて加工が容易で、加工時間も短縮できる。
しかも、このように水晶振動片の振動領域を制限する加工と同様の手法で、電極もしくは金属膜の存在を前提としない周波数調整を行うことができる。つまり、水晶振動片の内部にレーザ光を照射するようにし、照射箇所の結晶構造を変化、もしくは結晶構造の破壊を行うことで、振動領域が狭い範囲となる結果、振動周波数が高くなる。このため、電極膜の形成工程の前後にかかわらず、また、水晶振動片の種類にかかわらず、共通の手法により周波数調整を行うことができる。
【0015】
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記レーザ光としてフェムト秒パルスレーザを使用することを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、水晶振動片の内部に照射するレーザ光としてフェムト秒パルスレーザを使用することで、目標の箇所だけの結晶構造を変化させることができ、特に、精密な構造の水晶振動片の場合にも、当該箇所以外の周辺に対する熱的影響を防止することが可能で、あらゆるタイプの水晶振動片に対して精密な加工が可能となる。
【0017】
また、上述の目的は、第3の発明によれば、パッケージ内に厚みすべり振動タイプの水晶振動片を収容した水晶デバイスの製造方法であって、前記水晶振動片を前記パッケージ内に接合する接合工程と、前記接合工程の後で、前記パッケージを蓋体により封止する蓋封止工程とを備えており、少なくとも、前記接合工程の後で、前記水晶振動片の端部より内側の箇所における内部にレーザ光を集束することによって、当該水晶振動片の内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位を作成し、当該水晶振動片の振動領域を、前記部位よりも内側に限定する工程を含む、水晶デバイスの製造方法により、達成される。
第3の発明の構成によれば、水晶デバイスの製造工程においては、水晶振動片の接合工程の後で、水晶振動片の内部にレーザ光を照射することで、このレーザ光が照射(集束)された箇所の結晶構造を変化させる加工を行えば、電極もしくは金属膜の存在を前提としない周波数調整を行うことができる。つまり、水晶振動片の内部にレーザ光を照射するようにし、照射箇所の結晶構造を変化、もしくは結晶構造の破壊を行うので、電極膜の形成工程の前後にかかわらず、また、水晶振動片の種類にかかわらず、同一の手法により必要とされるどの段階においても周波数調整を行うことができる。
【0018】
第4の発明は、第3の発明の構成において、前記蓋体として光を透過する材料で形成したものを使用し、前記蓋封止工程の後で、前記蓋体を透過させて前記パッケージ内の前記水晶振動片の内部に前記レーザ光を照射することを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、水晶デバイスの完成直前の段階で振動周波数の精密な合わせ込みを行うことができる。この場合、水晶振動片表面の電極を蒸散させる方法とは異なるので、形成した電極が無駄になることもない。
【0019】
また、上述の目的は、第5の発明によれば、厚みすべり振動タイプの水晶振動片であって、内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている、水晶振動片により、達成される。
第5の発明の構成によれば、従来のコンベックスタイプの水晶振動片と比較すると、水晶振動片の端部が研磨されていないため、端部の厚みが変化することがなくフラットな形態を保っているので、接着剤等を利用した接合において、水晶振動片の保持姿勢に関して、水平保持が確実で容易となる。
【0020】
さらにまた、上述の目的は、第6の発明によれば、パッケージまたはケース内に厚みすべり振動タイプの水晶振動片を収容した水晶デバイスであって、前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている
、水晶デバイスにより、達成される。
第6の発明の構成によれば、パッケージまたはケースに収容される水晶振動片が従来のコンベックスタイプの水晶振動片と比較すると、水晶振動片の端部が研磨されていないため、端部の厚みが変化することがなくフラットな形態を保っているので、接着剤等を利用した接合における水平保持が確実である。このため、従来構造においての水晶振動片を片持ち式にパッケージ内に収容した際に、傾斜接合され、その先端部がパッケージ等の内面に接近するようなことがない。したがって、外部から衝撃を受けたりして、先端部が僅かに変位することで、パッケージ等の内面に当該先端部が衝突して破損したりすることがなく、信頼性が向上する。また、このような場合に、衝突を回避するための凹部をパッケージ内面等に形成することが不要となるので、その分パッケージ等の厚みを小さくでき、低背化もしくは小型化に有利な構造となる。
【0021】
また、上述の目的は、第7の発明によれば、パッケージまたはケース内に厚みすべり振動タイプの水晶振動片を収容した水晶デバイスを利用した携帯電話装置であって、前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている水晶デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした、携帯電話装置により、達成される。
【0022】
また、上述の目的は、第8の発明によれば、パッケージまたはケース内に厚みすべり振動タイプの水晶振動片を収容した水晶デバイスを利用した電子機器であって、前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている水晶デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした、電子機器により、達成される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1及び図2は、本発明の水晶デバイスの第1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A−A線概略断面図である。
図において、水晶デバイス30は、水晶振動子を構成した例を示しており、水晶デバイス30は、パッケージ36内に水晶振動片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。
【0024】
すなわち、この実施形態では、パッケージ36は、第1の基板61と第2の基板62および第3の基板63を積層して形成されており、第3の基板63の内側の材料を除去することで、内部空間S2のスペースを形成している。この内部空間S2が水晶振動片を収容するための収容空間である。
ここで、本実施形態では、箱状のパッケージ36を形成して、水晶振動片32を収容するようにしているが、例えば、基体である第1の基板61に水晶振動片32を接合し、厚みの薄い箱状のリッドないしは蓋体をかぶせて封止する構成として、平板な第1の基板61と蓋体とでパッケージを構成するようにしてもよい。
さらには、水晶振動片32を金属製の筒状のケース(図示せず)に収容して、シリンダータイプの水晶デバイスを形成するようにしてもよい。
【0025】
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の基板62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及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。具体的には、例えば、第1の基板61の底面に実装電極部を形成し(図示せず)、この実装電極部と電極部31,31を、第1の基板61の焼成前に金属ペーストを塗布して得られるタングステンメタライズ等を利用して形成した導電スルーホール等で接続することができる。
【0026】
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、水晶振動片32の一端部32aの幅方向両端部に設けた引き出し電極33,33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。引き出し電極33,33は水晶振動片32の表面及び裏面に形成されている。
【0027】
水晶振動片32は、光を透過する圧電材料である水晶で形成されており、水晶以外にも、ニオブ酸リチウム等の透明な圧電材料を利用して圧電振動片を形成するようにしてもよい。
本実施形態の場合、水晶振動片32は、水晶材料を板厚の薄い矩形形状にカットして、電極を形成する前の水晶素片としての水晶ブランク(図示せず)を形成し、この水晶ブランクに必要な電極を形成した所謂ATカット振動片とされている。
【0028】
水晶振動片32に設けた各引き出し電極33,33は、水晶振動片32の主面の表裏に形成した励振電極34,34と接続されている。表裏の励振電極34,34は互いに分離されて、異極として機能するようになっている。これにより、パッケージ36の外部から、電極部31,31を介して、駆動電圧が引き出し電極33,33に伝えられ、引き出し電極33,33から、励振電極34,34に駆動電圧が印加されることにより、水晶振動片32は内部に電界を生じて、所定の周波数で、厚みすべり振動を生じるようになっている。
この水晶振動片32もしくは電極形成前の水晶ブランクは、特に、後述するような加工方向によって加工されている。
【0029】
パッケージ36の開放された上端には、蓋体39が接合されることにより、気密に封止されている。
蓋体39は、金属製のものを利用する場合には、例えば、コバール等の蓋体39が、銀ロウ等のシームリング35を用いて、シーム溶接等により接合されている。
また、蓋体39を光を透過する材料で形成することもできる。この場合、蓋体39は、パッケージ36に封止固定した後で、後述するように、外部からレーザ光LB−Fを水晶振動片32の先端部の内部に照射して、照射領域の結晶構造を変化ないし破壊させることで、周波数調整されるようになっている。このために、蓋体39は、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。
【0030】
この実施形態では、パッケージ36には内部空間S2と外部とを連通する貫通孔37が設けられている。この貫通孔37は、2つの貫通孔37aと貫通孔37bが連通した形態で、外側の第1の孔37aは内部空間S2側に開く第2の孔37bよりも内径を大きく形成することで、第1の孔37aと第2の孔37bの間に外向きの段部37cを形成している。この貫通孔37には、後述するようにして封止材38が充填されることで、孔封止されるようになっている。
【0031】
(水晶デバイスの製造方法)
図3は、図1の水晶デバイス30の製造工程の一例を示すフローチャートである。
水晶デバイス30の製造方法のうち、水晶振動片32については、水晶ウエハをエッチングして、水晶ブランクを形成し、この水晶ブランクに必要な電極を形成して、既に説明したような形態としている。この場合、水晶ブランクの段階でも、また電極を形成した後においても、後述するような加工方法を適用することができる。
【0032】
パッケージ36は、例えば、溶液中にセラミックパウダとバインダを混練し、シート状に成形して得た、所謂グリーンシートを用いて、板状とした第1の基板61と第2の基板62を形成し、それぞれ図2で説明した第1の孔37aと第2の孔37bを形成することで貫通孔37を設けるようにする。その上に、内側の材料を一部除去した第3の基板63を重ねて、電極部31を形成する。
電極部31は、例えば、焼成前の第2の基板62上に、タングステンペーストを塗布して焼成することで、タングステンメタライズを形成し、このタングステンメタライズの上にニッケルメッキおよび金メッキを順次施すことで形成される。
蓋体39は、コバール等で金属材料に形成する場合と、透明な材料で形成する場合があり、ともに従来の製造方法と相違する点はない。
【0033】
そして、図3においてST11で示すように、上記した水晶ブランクに電極、すなわち、引き出し電極33,33と励振電極34,34を形成する。
この電極形成の前や電極形成後に後述する加工が行われる。
【0034】
(接合工程)
次いで、図1および図2で説明したように、例えば、パッケージ36の電極部31,31の上に接合手段としての導電性接着剤43,43を塗布する。そして、塗布された導電性接着剤43,43の上に水晶振動片32の一端部32aを載置し、上から荷重をかけてから、導電性接着剤43,43を硬化させる(ST12)。これにより、水晶振動片32が接合される。
接合された水晶振動片32に例えば、後述する加工方法により周波数調整を施す(ST13)。この周波数調整は封止前の粗調整である。
【0035】
(封止工程)
次いで、パッケージ36に蓋体39を載置して接合することにより、蓋封止を行う(ST14)。
例えば真空雰囲気中で、パッケージ36の上端に例えば低融点ガラス等のロウ材35を適用して、蓋体39を固定することにより、パッケージ36に対して蓋体39による封止を行う(蓋封止)。
蓋封止後には、必要に応じて蓋体39が接合された状態のパッケージ36を真空雰囲気中で加熱し、例えば、導電性接着剤43等から加熱により生成されるガスを成分を、内部空間S2から、図2で説明した貫通孔37を介して外部に排出する(ST15)。
次いで、球形等でなる金属封止材を貫通孔37の段部37cに載置し、外部からレーザ光等を照射することで溶融した金属38を貫通孔37内に充填する(ST16)。
【0036】
(周波数調整工程)
さらに、図4に示すように、外部から光透過性の蓋体39を介して、水晶振動片32の励振電極34が設けられていない先端部にレーザ光LB−Fを照射し、その内部に集束させて、内部の結晶構造を変化させることによって、水晶振動片32の振動周波数を高くするように調整する(ST17)(微調整)。
次いで、必要な検査を経て、水晶デバイス30が完成する。
【0037】
ここで、上述の製造工程で好適に使用できる水晶振動片32の加工方法の実施形態について説明する。
図4は、本実施形態に使用されるレーザ光を利用したレーザ加工装置50を示している。
本実施形態の加工方法に使用されるレーザ光は、水晶振動片(「水晶ブランク」を含む。以下、同じ)32の結晶構造を変化、すなわち、破壊もしくは改質させ得る熱エネルギーを備えていること。当該変化させる領域の周囲の領域への熱的影響を極力低減できること。水晶振動片32の内部の当該変化させる領域へ効率よく集束させることができること等がもとめられる。このため、例えば、炭酸ガスレーザを利用したり、出力の高いYAGレーザの光ビームをビーム分割して用いたりしてもよく、あるいはYAGレーザの高調波等を工夫して使用してもよい。
【0038】
また、このような目的にパルスレーザを適合させるためには、使用されるレーザ光は、短波長もしくは超短波長のパルスを有し、ピークエネルギーが高いと好ましい。このような目的に適合する限り、あるいはこのような目的に適合するように加工等される限り、使用するレーザの種類は限定されない。このような目的に特に適しているのは、フェムト(1/1000兆)秒(fs)パルスレーザである。
加工装置50は、このようなフェムト秒パルスレーザ光を生成するもので、二種類のレーザ光生成手段Y,TSと、これらの生成するレーザ光の同期増幅手段54と、水晶振動片32の内部にレーザ光を集束させるための集束手段55とを備えている。
【0039】
加工装置50のレーザ光生成手段TSはチタン・サファイヤレーザもしくはチタン・サファイヤレーザと他のレーザ生成手段とを組み合わせたものである。チタン・サファイヤレーザは、きわめて広い発光スペクトルで発光することから、フェムト秒パルスレーザを生成する際に広く使用されている。レーザ光生成手段Yは例えばYAGレーザである。
同期増幅手段54は、レーザパルスの伸長手段51と、レーザパルスの増幅手段52と、レーザパルスの圧縮手段53とを備えている。集束手段55は光集束手段であり、対物レンズや光集束機能を持つホログラム素子等が利用され、矢印方向に可動されることでレーザ光を所定範囲に集束させることができるようになっている。
【0040】
加工装置50のレーザ光生成手段TSからのレーザパルスSLはレーザパルスの伸長手段51に入射される。レーザパルスの伸長手段51は、所定の光学素子、例えば、グレーティング(回折格子)を対構成にして形成されており、レーザパルスSLを周波数チャープすることで伸長して、パルス幅を広げる。パルス幅が広くなったレーザパルスSL−1は、レーザパルスの増幅手段52に入射する。レーザパルスの増幅手段52には、レーザ光生成手段YからのレーザパルスYLが入射されるようになっており、これを利用してモードロック(同期)を行い、ピークパワーを例えば10数GW程度まで増幅し、増幅したレーザパルスALをレーザパルスの圧縮手段53に入射させる。レーザパルスの圧縮手段53は、例えば、グレーティングを対構成にして形成されており、高いピークパワーを維持した状態で、レーザパルスALのパルス幅を圧縮して、例えば、100ないし200fs程度の超短波長のレーザパルスCLとして、集束手段である対物レンズ55に入射させる。対物レンズ55により集束作用を受けたレーザ光LB−Fは、水晶振動片32の電極が形成されていない先端付近の内部に結像される。
【0041】
図5は、加工装置50を用いて上述のようにして照射されたレーザ光LB−Fによる加工の様子を説明するための図である。
図5(a)は、加工前の水晶振動片32の概略斜視図であり、励振電極34、引き出し電極33,33が形成されているが、これらの電極を形成する前の水晶ブランクにおいても、この加工方法が適用できるし、その効果も同じである。
【0042】
図5(b)は、図5(a)の水晶振動片32を平面視してその振動領域A1を鎖線で区画して示したもので、図示されているように、加工が行われない状態では、水晶振動片32の全長にわたって振動に関与する領域が広がっている。
これに対して、図5(c)は、水晶振動片32にレーザ光LB−Fを照射する様子を示しており、レーザ光LB−Fの照射箇所P1は、水晶振動片32の表面ではなく、その内部である。これにより、図5(d)に示すように、振動領域はA2の領域に制限されることになる。このため、後述するように水晶振動片32の振動周波数は高く変化するように調整される。ここで、従来方法のように、レーザ光を水晶振動片32の表面に集束させると、表面の材料を蒸散させるとともに、材料の一部が飛散して、水晶振動片32に付着することがあり、振動性能を悪化させる等の悪影響がある。
【0043】
あるいは、他の従来例のように、水晶振動片32の表面の電極部等の金属被覆部にレーザ光を照射すると、その一部が蒸散するだけでなく、飛散して上述の不都合が生じる。さらに、レーザ光の熱が照射箇所の周囲に伝達されると、振動性能に大きく関与する水晶振動片の材料表面部分に重大な影響を与え、水晶振動片32の振動性能を損ないやすい。
これに対して、本実施形態では、水晶振動片32の内部にレーザ光LB−Fを集束させることで、振動性能に大きく関与する水晶振動片32の表面に損傷を与えることがほとんどなく、しかも超短波長レーザ、例えばフェムト秒パルスレーザを使用することにより、周囲への熱的影響をほとんど考慮する必要がない。
【0044】
図6は水晶振動片32の加工前と加工後の周波数変化を説明するための図であり、図6(a)は加工前の水晶振動片32−1を平面視してその振動領域がほぼ全長にわたって存在している様子を示している。図6(b)は加工前の水晶振動片32−1の長さ方向に対応して、その振動領域の分布と周波数を概略的に示すグラフである。図6(b)に示されているように、振動領域が長さ方向に大きいと、振動周波数は比較的低い。
これに対して、図6(c)は水晶振動片の両端部P2,P3にレーザ光LB−Fを照射し、その加工後の水晶振動片32−2を平面視し、その振動領域が両端部P2,P3より内側に区画された領域に限定された様子を示している。図6(d)は加工後の水晶振動片32−2の長さ方向に対応して、その振動領域の分布と周波数を概略的に示すグラフである。図6(d)に示されているように、振動領域が両端部より内側の領域に限定されると、振動周波数は高くなる。
【0045】
このように、上述の実施形態によれば、水晶振動片32の内部にレーザ光を照射するようにし、照射箇所の結晶構造を変化、もしくは結晶構造の破壊もしくは改質を行うようにしている。このため、水晶振動片32について、励振電極34もしくは金属膜の存在を前提としない周波数調整を行うことができる。つまり、水晶振動片32の内部にレーザ光を照射するようにし、照射箇所の結晶構造を変化、もしくは結晶構造の破壊や改質を行うことで、振動領域が狭い範囲となる結果、振動周波数が高くなる。
したがって、振動周波数を高くする方向への周波数調整であれば、水晶振動片の形成する前の水晶ブランクの状態でも、図3のST13、ST17のどの段階でも、全く同様の加工方法により簡単に周波数調整を行うことができる。
【0046】
しかも、例えば、図6(d)に示すように、振動領域を水晶振動片32の端部より内側の領域に限定する加工が容易となるので、従来のコンベックス加工と比べると特殊な研磨工程と長い研磨時間を必要としないで、コンベックスタイプと同等に振動領域を限定した水晶振動片を形成することができ、きわめて加工が容易で、加工時間も短縮できる。
【0047】
さらに、このようにして形成した水晶振動片32は、従来のコンベックスタイプの水晶振動片と比較すると、水晶振動片32の端部が研磨されていないため、端部の厚みが変化することがなくフラットな形態を保っているので、接着剤等を利用した接合における水平保持が確実である。このため、従来にみられるような、水晶振動片を片持ち式にパッケージ内に収容した場合において、傾斜した接合がされている場合のように、その先端部がパッケージ等の内面に接近することがない。したがって、外部から衝撃を受けたりして、先端部が僅かに変位することで、パッケージ等の内面に当該先端部が衝突して破損したりすることがなく、信頼性が向上する。また、このような場合に、衝突を回避するための凹部をパッケージ内面等に形成することが不要となるので、その分パッケージ等の厚みを小さくでき、低背化もしくは小型化に有利な構造となる。
尚、上述の加工装置50により水晶振動片32または水晶ブランクを加工した場合には、その結晶破壊もしくは変化がされた領域は、外観上、周囲よりも白色に変化する状態がしばしば視認された。また、本実施形態の加工方法による結晶構造の変化は、X線解析により容易に発見することができる。
【0048】
図7は、本発明の上述した実施形態に係る水晶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CPU(CentralProcessing Unit)301を備えている。
CPU301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,ROM等でなる情報記憶手段303の制御を行うようになっている。このため、CPU301には、水晶デバイス30が取り付けられて、その出力周波数をCPU301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CPU301に取付けられる水晶デバイス30は、水晶デバイス30単体でなくても、水晶デバイス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。
【0049】
CPU301は、さらに、温度補償水晶発振器(TCXO)305と接続され、温度補償水晶発振器305は、送信部307と受信部306に接続されている。これにより、CPU301からの基本クロックが、環境温度が変化した場合に変動しても、温度補償水晶発振器305により修正されて、送信部307及び受信部306に与えられるようになっている。
【0050】
このように、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、上述した実施形態に係る水晶振動片32と、この水晶振動片32を有する水晶デバイス30を利用することにより、簡単かつ精密に周波数を調整することができるので、正確なクロック信号を生成することができる。
【0051】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、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、ケースやパッケージあるいは蓋体に被われるようにして、内部に水晶振動片を収容するものであれば、ジャイロ(センサ)、水晶振動子、水晶発振器等の名称にかかわらず、全ての水晶デバイスに適用することができる。
さらに、この発明は上述したATカット振動片だけでなく、所謂音叉型の水晶振動片等にも適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の水晶デバイスの実施形態を示す概略平面図。
【図2】 図1のA−A線概略断面図。
【図3】 本発明の実施形態の水晶デバイスの製造工程の一例に対応したフローチャート。
【図4】 本発明の実施形態による加工方法に使用される加工装置の概略構成図。
【図5】 図4の加工装置を用いて照射されたレーザ光による加工の様子を説明するための図。
【図6】 本発明の実施形態の水晶振動片の加工前と加工後の周波数変化を説明するための図。
【図7】 本発明の実施形態に係る水晶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。
【図8】 従来の水晶デバイスの一例を示す概略断面図。
【符号の説明】
30・・・水晶デバイス、32・・・水晶振動片、33,33・・・引き出し電極、34・・・励振電極、50・・・加工装置、54・・・同期増幅手段。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a crystal vibrating piece and a processing method thereof, a crystal device using the crystal vibrating piece, a manufacturing method thereof, and a mobile phone and an electronic apparatus using the crystal device.
[0002]
[Prior art]
Quartz that contains a crystal resonator element in a small information device such as a hard disk drive (HDD), mobile computer, or IC card, or mobile communication device such as a mobile phone, a car phone, or a paging system Crystal devices such as vibrators and crystal oscillators are widely used.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of such a crystal device (see Patent Document 1).
In the figure, a
[0003]
The
[0004]
The quartz
The quartz
[0005]
Specifically, an
The
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-85963 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The quartz
For example, when the
[0008]
The
Alternatively, after the
[0009]
Further, when the
[0010]
In such various conventional processing methods, for example, when the quartz
In the frequency adjustment processing described above, the frequency cannot be adjusted when the
In particular, in the frequency adjustment of the mass reduction method, it is necessary to form an extra electrode or a metal film dedicated to frequency adjustment corresponding to the frequency adjustment, resulting in waste of materials.
[0011]
Furthermore, the method of adjusting the frequency of the mass reduction method as shown in FIG. 8 is relatively easy when the quartz
When the
As described above, the conventional method needs to adopt different processing methods for the case where the vibration region of the
[0012]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be used in common regardless of the type of crystal resonator element when the vibration region of the crystal resonator element is limited or the frequency is adjusted. An object of the present invention is to provide a method for processing a quartz crystal resonator element, a crystal resonator element and a crystal device formed by the processing method, a manufacturing method thereof, and a mobile phone and an electronic apparatus using the crystal device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved according to the first invention. By concentrating the laser light inside the end portion of the thickness-shear vibration type crystal resonator element, a portion where the crystal structure is changed or broken is created inside the crystal resonator element. The vibration region is limited to the inside of the part This is achieved by the processing method of the crystal vibrating piece.
According to the configuration of the first invention, the inside of the quartz crystal vibrating piece is irradiated with the laser light. (Focusing) Thus, the crystal structure of the irradiated part is changed or the crystal structure is destroyed. Thereby, since the crystal structure becomes discontinuous in the region, the vibration region of the quartz crystal vibrating piece is limited to a divided region such as an inner side of the laser light irradiation site. For this reason, since a special polishing process and a long polishing time are not required as compared with conventional convex processing, processing is extremely easy and processing time can be shortened.
In addition, frequency adjustment that does not assume the presence of an electrode or a metal film can be performed by a method similar to the processing for limiting the vibration region of the quartz crystal resonator element. In other words, by irradiating the inside of the quartz crystal vibrating piece with laser light and changing the crystal structure of the irradiated portion or destroying the crystal structure, the vibration region becomes narrow and the vibration frequency becomes high. For this reason, frequency adjustment can be performed by a common method regardless of before and after the electrode film forming step and regardless of the type of the crystal vibrating piece.
[0015]
The second invention is the configuration of the first invention, A femtosecond pulse laser is used as the laser light.
According to the configuration of the second invention, By using a femtosecond pulse laser as the laser light that irradiates the inside of the quartz crystal vibrating piece, the crystal structure only at the target location can be changed, especially in the case of a quartz crystal vibrating piece with a precise structure. It is possible to prevent thermal influences on the periphery other than the location, and it is possible to perform precise processing on all types of crystal vibrating pieces.
[0017]
The above-mentioned purpose is According to the third invention, In the package Thickness sliding vibration type A method of manufacturing a quartz crystal device containing a quartz crystal vibrating piece, a joining step for joining the quartz crystal vibrating piece in the package, and a lid sealing step for sealing the package with a lid after the joining step And at least after the joining step, By focusing the laser beam inside the portion inside the end portion of the quartz crystal vibrating piece, a portion where the crystal structure is changed or destroyed inside the quartz crystal vibrating piece is created, and the vibration region of the quartz crystal vibrating piece is , Limited to the inside of the part This is achieved by a method of manufacturing a quartz crystal device including a process.
According to the configuration of the third invention, In the manufacturing process of crystal devices, after the crystal vibrating piece is joined, the laser beam is irradiated to the inside of the crystal vibrating piece. (Focusing) If the process of changing the crystal structure of the formed portion is performed, frequency adjustment that does not assume the presence of an electrode or a metal film can be performed. In other words, the laser beam is irradiated inside the crystal vibrating piece, and the crystal structure of the irradiated portion is changed or the crystal structure is destroyed. Regardless of the type, frequency adjustment can be performed at any stage required by the same method.
[0018]
A fourth invention is the configuration of the third invention, wherein The lid made of a material that transmits light is used, and after the lid sealing step, the lid is transmitted to irradiate the inside of the crystal vibrating piece in the package with the laser light. It is characterized by that.
According to the configuration of the fourth invention, Precise adjustment of the vibration frequency can be performed immediately before the completion of the quartz device. In this case, since the method is different from the method of evaporating the electrode on the surface of the crystal vibrating piece, the formed electrode is not wasted.
[0019]
Moreover, the above-mentioned object is according to the fifth invention. This is a thickness-shear vibration type quartz crystal vibrating piece, in which a laser beam is focused inside to create a part where the crystal structure has been changed or destroyed inside, and the vibration region is located inside the part. This is achieved by means of a limited crystal resonator element.
According to the configuration of the fifth invention, Compared with the conventional convex type crystal vibrating piece, since the end of the crystal vibrating piece is not polished, the thickness of the end does not change and the flat shape is maintained. In joining, horizontal holding is surely and easily performed with respect to the holding posture of the crystal vibrating piece.
[0020]
Furthermore, the above object is achieved according to the sixth invention in a package or case. Thickness sliding vibration type A quartz crystal device containing a quartz crystal vibrating piece, comprising: A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside, and the vibration region is located inside the portion. Limited
Achieved by a quartz device.
According to the configuration of the sixth invention, Compared with the conventional convex-type quartz crystal resonator element, the crystal resonator element housed in the package or case is not polished, so the thickness of the end part does not change and the shape is flat. Therefore, the horizontal holding in the joining using an adhesive or the like is reliable. For this reason, when the quartz crystal vibrating piece in the conventional structure is housed in the package in a cantilever manner, the tip is not inclined and the tip portion does not approach the inner surface of the package or the like. Therefore, when the impact is received from the outside and the tip is slightly displaced, the tip does not collide with the inner surface of the package or the like and is damaged, and the reliability is improved. Further, in such a case, it is not necessary to form a recess for avoiding a collision on the inner surface of the package, etc., and accordingly, the thickness of the package or the like can be reduced, and the structure is advantageous for reducing the height or size. Become.
[0021]
The above-mentioned purpose is According to the seventh invention, In package or case Thickness sliding vibration type A mobile phone device using a crystal device containing a crystal resonator element, wherein the crystal resonator element A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside, and the vibration region is located inside the portion. This is achieved by a portable telephone device that obtains a clock signal for control by a limited crystal device.
[0022]
The above-mentioned purpose is According to the eighth invention, In package or case Thickness sliding vibration type An electronic apparatus using a quartz crystal device containing a quartz crystal vibrating piece, wherein the quartz crystal vibrating piece A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside, and the vibration region is located inside the portion. This is achieved by an electronic device adapted to obtain a clock signal for control by a limited crystal device.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show a first embodiment of a quartz crystal device according to the present invention. FIG. 1 is a schematic plan view thereof, and FIG. 2 is a schematic sectional view taken along line AA of FIG.
In the drawing, the
[0024]
That is, in this embodiment, the
Here, in the present embodiment, the box-shaped
Furthermore, the
[0025]
In the inner space S2 of the
The
[0026]
[0027]
The quartz
In the case of the present embodiment, the
[0028]
The
The
[0029]
A
When the
The
As a glass material suitable for the
[0030]
In this embodiment, the
[0031]
(Quartz device manufacturing method)
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a manufacturing process of the
Of the manufacturing method of the
[0032]
The
The
The
[0033]
Then, as shown by ST11 in FIG. 3, electrodes, that is,
Processing described later is performed before or after the electrode formation.
[0034]
(Joining process)
Next, as described with reference to FIGS. 1 and 2, for example,
For example, the frequency adjustment is performed on the bonded
[0035]
(Sealing process)
Next, the
For example, in a vacuum atmosphere, a
After sealing the lid, the
Next, a metal sealing material having a spherical shape or the like is placed on the stepped
[0036]
(Frequency adjustment process)
Further, as shown in FIG. 4, the laser beam LB-F is irradiated from the outside to the tip portion where the
Next, the
[0037]
Here, an embodiment of a processing method of the
FIG. 4 shows a
The laser beam used in the processing method of the present embodiment has thermal energy that can change, that is, destroy or modify the crystal structure of the crystal vibrating piece (including a “crystal blank”, hereinafter the same) 32. thing. The thermal influence on the area surrounding the area to be changed can be reduced as much as possible. For example, it can be efficiently focused on the region to be changed inside the
[0038]
In order to adapt the pulse laser to such a purpose, it is preferable that the laser beam used has a short wavelength or ultrashort wavelength pulse and has a high peak energy. The type of laser to be used is not limited as long as it fits such purpose or is processed so as to fit such purpose. Particularly suitable for such purposes are femto (1/1000 trillion) second (fs) pulsed lasers.
The
[0039]
The laser beam generation means TS of the
The synchronous amplification means 54 includes a laser pulse extension means 51, a laser pulse amplification means 52, and a laser pulse compression means 53. The focusing means 55 is a light focusing means, and an objective lens, a hologram element having a light focusing function, or the like is used, and the laser light can be focused within a predetermined range by being moved in the arrow direction.
[0040]
The laser pulse SL from the laser beam generation means TS of the
[0041]
FIG. 5 is a diagram for explaining a state of processing by the laser beam LB-F irradiated as described above using the
FIG. 5A is a schematic perspective view of the
[0042]
FIG. 5B is a plan view of the quartz
On the other hand, FIG. 5C shows a state in which the
[0043]
Alternatively, as in other conventional examples, when a laser beam is irradiated on a metal coating portion such as an electrode portion on the surface of the quartz
On the other hand, in the present embodiment, the laser beam LB-F is focused inside the
[0044]
FIG. 6 is a diagram for explaining the frequency change before and after the processing of the
On the other hand, in FIG. 6C, both ends P2 and P3 of the crystal vibrating piece are irradiated with the laser beam LB-F, and the crystal vibrating piece 32-2 after the processing is viewed in a plan view. It shows a state limited to the area partitioned inside the parts P2 and P3. FIG. 6D is a graph schematically showing the distribution and frequency of the vibration region corresponding to the length direction of the crystal vibrating piece 32-2 after processing. As shown in FIG. 6D, when the vibration region is limited to the region inside the both ends, the vibration frequency becomes high.
[0045]
As described above, according to the above-described embodiment, the laser beam is irradiated to the inside of the
Therefore, if the frequency adjustment is to increase the vibration frequency, the frequency can be easily adjusted by the same processing method at any stage of ST13 and ST17 in FIG. 3 even in the state of the crystal blank before the crystal vibrating piece is formed. Adjustments can be made.
[0046]
In addition, for example, as shown in FIG. 6 (d), the processing for limiting the vibration region to the region inside the end portion of the quartz
[0047]
Furthermore, the
In addition, when the
[0048]
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a digital mobile phone device as an example of an electronic apparatus using the crystal device according to the above-described embodiment of the present invention.
In the figure, a
In addition to modulation and demodulation of transmission / reception signals, the
[0049]
The
[0050]
As described above, by utilizing the
[0051]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with other configurations not shown.
In addition, the present invention is not limited to names of gyroscopes (sensors), crystal resonators, crystal oscillators, etc., as long as the crystal resonator element is accommodated inside a case, package, or lid. It can be applied to all crystal devices.
Further, the present invention can be applied not only to the above-described AT-cut vibrating piece but also to a so-called tuning fork type quartz vibrating piece.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a quartz crystal device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a flowchart corresponding to an example of a manufacturing process of the quartz crystal device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a processing apparatus used in a processing method according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a state of processing with laser light irradiated using the processing apparatus of FIG. 4; FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining a frequency change before and after the processing of the crystal vibrating piece according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a digital cellular phone device as an example of an electronic apparatus using a crystal device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional crystal device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
当該水晶振動片の振動領域を、前記部位よりも内側に限定する
ことを特徴とする水晶振動片の加工方法。 By focusing the laser beam inside the location inside the end of the thickness-shear vibration type crystal vibrating piece, create a site where the crystal structure is changed or destroyed inside the crystal vibrating piece,
The vibration area of the quartz crystal resonator element is limited to the inside of the part.
A method for processing a quartz crystal vibrating piece.
前記水晶振動片を前記パッケージ内に接合する接合工程と、
前記接合工程の後で、前記パッケージを蓋体により封止する蓋封止工程と
を備えており、
少なくとも、前記接合工程の後で、
前記水晶振動片の端部より内側の箇所における内部にレーザ光を集束することによって、当該水晶振動片の内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位を作成し、当該水晶振動片の振動領域を、前記部位よりも内側に限定する工程を含む
ことを特徴とする、水晶デバイスの製造方法。A method of manufacturing a crystal device in which a thickness-shear vibration type crystal resonator element is housed in a package,
A bonding step of bonding the crystal vibrating piece into the package;
A lid sealing step of sealing the package with a lid after the joining step;
At least after the joining step,
By focusing the laser beam inside the portion inside the end portion of the quartz crystal vibrating piece, a portion where the crystal structure is changed or destroyed inside the quartz crystal vibrating piece is created, and the vibration region of the quartz crystal vibrating piece is The manufacturing method of the crystal device characterized by including the process limited to an inner side rather than the said site | part .
内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている
ことを特徴とする、水晶振動片。 Thickness sliding vibration type crystal vibrating piece,
A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside, and the vibration region is limited to the inside of the portion. Piece.
前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている
ことを特徴とする、水晶デバイス。A crystal device that houses a thickness-shear vibration type crystal resonator element in a package or case,
A portion where the crystal structure is changed or broken is created by focusing the laser beam inside the quartz crystal vibrating piece, and the vibration region is limited to the inside of the portion. And crystal device.
前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている水晶デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、携帯電話装置。A mobile phone device using a crystal device containing a thickness-shear vibration type crystal resonator element in a package or case,
A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside the quartz vibrating piece, and the vibrating region is limited to the inside of the portion by the quartz crystal device. A cellular phone device characterized in that a clock signal for control is obtained.
前記水晶振動片の内部にレーザ光が集束されることによって、内部において結晶構造が変化あるいは破壊された部位が作成されており、振動領域が、前記部位よりも内側に限定されている水晶デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、電子機器。An electronic device using a crystal device that houses a thickness-shear vibration type crystal resonator element in a package or case,
A portion where the crystal structure is changed or destroyed is created by focusing the laser beam inside the quartz vibrating piece, and the vibrating region is limited to the inside of the portion by the quartz crystal device. An electronic device characterized in that a clock signal for control is obtained.
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