JP2001317992A - 圧電素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来困難とされた、製造限界の厚みよりも薄
い圧電素子及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 圧電材料からなる筒状体の内部中央に、
薄肉の振動部が一体に形成された圧電素子。その製造方
法は、圧電材料からなる棒状体２０の両端表面に最終目
標のプロフィルの形状２０ａを形成した後、反応性イオ
ンエッチング加工により、前記棒状体２０の端面の表面
を、当該棒状体２０の周壁の厚み部分を残し当該棒状体
２０の中心方向に向かって均一に厚みが減少するように
エッチング加工し、筒状体になった棒状体の内部中央に
前記最終厚み及びプロフィルの振動部を形成する。振動
部の両面中央に一対の電極を蒸着し、各電極に金線の先
端を接着し、金線をリード線として引き出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固有振動数を飛躍
的に高めることのできる圧電素子及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子の一種である水晶振動子は、通
信機器や計測機器の基準周波数の発振源をはじめ、汎用
コンピュータ、ＯＡ情報機器、家電製品用のマイコンの
クロック発生など、その用途は多岐にわたっているが、
情報の処理・伝達能力の高性能化のため、振動子（共振
子）の厚さを薄くし、その固有振動周波数を、上昇させ
ることが求められている。また高品質の振動子を得る目
的で、レンズ形状に仕上げることが提案され、比較的低
い周波数領域では実績を上げている。

【０００３】水晶振動子は、通信機器やコンピュ−タな
どのデジタル機器には欠かすことのできない電子デバイ
スである。情報の処理・伝達能力の高性能化のため、振
動子（共振子）の厚さを薄くし、その固有振動周波数
を、上昇させることが求められている。しかも移動体通
信機器においては、小型化、省電力化のため、基本周波
数での高周波数化が求められている。

【０００４】水晶振動子の製作法としては、一般的に、
機械的ポリッシング加工と、化学的な、Wet エッチング
加工が利用されている。前者は、加工表面性状に優れる
が、３０μm以下の厚さにすることが出来ない。後者
は、原理的には加工変質層のない、薄片化に適する方法
であるが、Etch channelsの発生などで、この方法も、
薄片化に限界がある。一方、反応性イオンエッチングで
ある、Reactive Ion Etching（ＲＩＥ）、又はプラズマ
エッチング（略して、化学的な、Dry Etchingとする）
は、イオンダメージが導入されるものの、表面粗さの悪
化のない薄片化が可能である。

【０００５】高周波水晶振動子の製作法として、これら
の加工方法の長所を有効に活用することにより、量産可
能な製造方法を開発することが出来た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動子
（共振子）の厚さを薄くする場合の問題として、両面ラ
ップ盤による製造法では、現在３０．０μｍ（＝５５．
６ＭＨｚ）に製造の限界がある。

【０００７】また、振動子（共振子）をレンズ形状に仕
上げる場合では、薄片上に曲面を創成することは非常に
困難であり、今まで、安いコストで、多量生産すること
が出来る加工手段が存在しなかった。

【０００８】そこで本発明が解決しようとする課題は、
従来困難とされた、製造限界の厚みよりも薄い圧電素子
及びその製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めの本発明の圧電素子の製造方法は、最終厚みよりも厚
い圧電材料の両端表面に、最終目標のプロフィルの形状
を形成した後、反応性イオンエッチング加工により、前
記圧電材料の両端の表面を、当該圧電材料の中心方向に
向かって、均一に厚みが減少するようにエッチングし、
目的とする最終厚み及びプロフィルの振動部を形成する
ことを特徴とするものである。

【００１０】また、圧電材料からなる棒状体の両端表面
に最終目標のプロフィルの形状を形成した後、反応性イ
オンエッチング加工により、前記棒状体の端面の表面
を、当該棒状体の周壁の厚み部分を残し当該棒状体の中
心方向に向かって均一に厚みが減少するようにエッチン
グし、筒状体になった棒状体の内部中央に前記最終厚み
及びプロフィルの振動部を形成することを特徴とするも
のである。

【００１１】また、振動部の両面中央に一対の電極を蒸
着し、各電極に金線の先端を接着し、金線をリード線と
して引き出す。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の製造方法を示すも
のである。まず、人工水晶から厚さ５０μｍの水晶基板
１００（図１（ａ））をカットし、次いで同基板の片面
（上面）の一部をフッ化水素を使ったエッチングで溶か
して断面から見て凹形状のくぼみ１０１を作る（図１
（ｂ））。このくぼみ１０１の底面から水晶基板１００
の下面までの薄い部分が高周波を生み出す振動部、残り
の部分が電極を付けるフレーム部１０２となる。ここま
では従来の製法と同じである。

【００１３】続いて、水晶基板１００の下面全体をフッ
素ガスを利用したイオンエッチングで加工し、同基板を
さらに薄くする（図１（ｃ））。イオンエッチングと
は、プラズマ状態にして結合を切ったフッ素ガスの原子
に電圧をかけて加速、水晶基板１００にぶつけて表面の
二酸化ケイ素中ケイ素の原子をはじき出す加工法であ
る。

【００１４】化学エッチングだけでは上述のように厚さ
を２０μｍにしかできない。その後、イオンエッチング
を経て１０．３μｍ程度に薄くする。目指す厚さは１０
μｍである。しかし、イオンエッチングを使ってもその
目標には届かない。イオンエッチングは薄くできる半
面、原子同士の衝突を利用することから単結晶の表面に
非結晶成分や原因不明の欠陥である「イオンダメージ
層」を残す弱点があるためである。同層は０．２〜０．
３μｍの厚さを持つ。

【００１５】そこで、機械研磨を行う。０．３μｍ程度
の削りしろを残し、最後の両面研磨（図１（ｄ））に移
る。両面研磨盤は遊星歯車機構と似た構造とする。ま
ず、遊星歯車に相当し、自転しながら公転する鋼製のキ
ャリア１０６に水晶基板１００を収め、下定盤１０４と
上定盤１０３との間に挟む。両定盤には発泡ポリウレタ
ンの研磨パッド１０５を貼り付ける。

【００１６】ここで水に溶かした酸化セリウムの砥粒を
流しながら、キャリア１０６で保持した水晶基板１００
を上下定盤１０３，１０４の間を自転させるとともに上
定盤１０３を回転すると、水晶基板１００の上下両面が
磨かれる。

【００１７】図１（ｅ）に示すように、この両面研磨工
程後の水晶基板１００は、下面が曲率を持って膨んで凸
状レンズの形となる。こうしたレンズ形状にすれば電子
機器が誤作動を起こす原因となる余分な振動（副振動）
をなくし、より安定した振動を得ることができることが
分かっている。

【００１８】なぜレンズ形状になるのか、その理由を図
２を参照して説明する。

【００１９】研磨量は研磨圧力に比例する。イオンエッ
チング後の凹形水晶基板１００は、フレーム部１０２が
上下両定盤１０３，１０４から大きな研磨圧力を受け、
振動部となる凹部１０１は下定盤１０４のみから小さな
研磨圧力を受ける。しかも、凹形構造だから凹部１０１
が受ける研磨圧力は中心部に向かうほど小さくなる〔図
２（ａ）〕。従って、研磨量は凹部１０１の中心で最
小、フレーム部１０２で最大となり、両部分の間の研磨
量は球面の一部のように曲率を持って変化する。その結
果、凸レンズ形状の水晶振動子ができあがる〔図２
（ｂ）〕。最も厚いレンズ中央部の厚さが１０μｍであ
る。

【００２０】理解できるように、両面研磨工程では０．
３μｍしか削っていない。このわずかな研磨量で、上記
のダメージ層を取り除き、凸レンズ形状に加工するので
ある。いわば、エッチングとイオンエッチングが粗加
工、両面研磨が仕上げ加工である。

【００２１】本発明は、これらの研磨方法を組み合わせ
ることにより、従来の技術の製造限界の厚みよりも薄い
圧電素子が製造でき、さらに、凸レンズ状の振動部によ
り、副振動のない安定した振動を得ることができる。

【００２２】

【実施例】Chemical Etching, Reactive Ion Etching
（略してＲＩＥとする）, プラズマEtching、Mechanica
l Polishingの長所を有効に活用した、高周波用水晶振
動子の製作方法を発明した。その結果、Single Inverte
d Mesa Typeの、Quartz Blankを加工素材とすることに
より、広く普及している、両面ラップ盤で、Plano-Conv
ex Typeの、高周波水晶振動子の製作が出来た。

【００２３】図３（ａ）に示しているのはＲＩＥ、イオ
ンミーリング、又はプラズマエッチング（略して、Dry
Etchingとする）で作られた、水晶振動子のリアクタン
ス周波数特性の例を示している。固有振動周波数を示し
ている、ピークに近接するところに、有害なピークが生
じている。これはＲＩＥの、イオンダメージによるもの
と考えられる。このＲＩＥ処理面を手研磨したところ、
図３（ｂ）に示しているように変化し、有害なピーク
は、解消されて特性の改善が図られた。

【００２４】このことから、ＲＩＥのイオンダメージ層
は０．３μｍ以下と、極く薄く、Mechanical Polishin
g で除去可能であることがわかった。

【００２５】図４に示しているのは、Chemical Etching
によるSingle Inverted Mesa Typeの、Quartz Blankの
作製、多量生産を考え、Quartz Waferにマスキングを行
ない、Chemical Etchingで作製したものを使用した。そ
の形状を、図４（ａ）に示す。７３．４μmのQuartz Wa
ferに、Chemical Etchingで振動部分の厚さを３２．６
８μmとした物であり、このEtchingの深さは、表面の粗
さを良好に保った、限界の深さである。

【００２６】この素材の Reactance-frequency Charact
eristicを、図４（ｂ）に示す。図３（ａ）のＲＩＥ加
工にて作成したものと似た、特性となっている。

【００２７】図５に示しているのは、ＲＩＥによる薄片
化、さらに、高い周波数のために、薄片化にＲＩＥを利
用した。しかし、次の工程の、両面ラップ盤によるMech
anical Polishingで、イオンダメージ層を除去するため
に、ＲＩＥ処理面は、SingleInverted Mesa Typeの、Qu
artz Blankの平面側とした。このＲＩＥ処理条件は、通
常の条件で処理した。ＲＦpowerを下げる、Pressuerを
上昇させることで、イオンダメージを少なくすることが
可能である。しかし、 Etching Rateを下げてしまうこ
とに繋がり、first ＲＩＥでは高能率、third ＲＩＥで
はダメージの少ない条件と、３つの条件で処理した。な
お、除去量の調節はfirst ＲＩＥの処理時間で行なっ
た。この一連の、処理により、得られた加工素材の Rea
ctance-frequency Characteristic を、図５に示す。

【００２８】こうした結果、Chemical Etchingのみによ
るもの、１種類と、これをＲＩＥ加工の加工手段にて加
工したもの３種類、合計４種類の加工素材を作製した。

【００２９】図６に示しているのは、Polishing Condit
ionsと、Mechanical Polishingの結果で、前述の加工方
法で得られた、加工素材とする、Single Inverted Mesa
Typeの、 Quartz Blankを、Dual-face Lapping Machin
eで研磨加工を行なう。このときの研磨加工の条件は、
一般的な、加工条件にて研磨加工を行なった。ただし、
薄い振動部分の破損、形状への影響を調べるため、Uppe
r Lapping Plateを、鉄とアルミのものの、２種類を使
用した。鉄のUpper Lapping Plateを用いた場合の、水
晶に加わる荷重は、アルミに対し１．８倍となる。

【００３０】両面研磨加工機械を使用して、Mechanical
Polishing 研磨加工を、実施した結果、第１点の、薄
い振動部分の破損については、全く発生せず、加工可能
であった。第２点の、形状形成についても大きな成果を
得た。その結果を図６に示す。この図６は、Single Inv
erted Mesa Type の、Quartz Blankの、平面側の振動部
分を、干渉顕微鏡で形状を測定したものである。これか
ら、振動部分は、凸レンズ形状に飛び出した、形状が形
成されていることがわかる。非常にきれいな球形状をし
ており、この反対側は、基本的には、平面が維持されて
いる。このことから、平面を形成するための、Dual-fac
e Lapping Machineであっても、SingleInverted Mesa T
ype の、Quartz Blankを加工素材とすれば、Plano-Conv
ex Typeの、Quartz Oseillatorが作製できると言える。

【００３１】この形状形成の原理は、次の通りである。
振動部分だけが、薄い構造となっている、Single Inver
ted Mesa Type は、研磨圧力を受けることにより、空洞
部分の方向に、たわみを生じ、あまり研磨されずに、加
工が進行していく。加工が終了し、研磨圧力を除去する
と、今度は、反対方向に復元し、飛び出した、凸レンズ
形状となるものである。

【００３２】図７は、４種類の加工素材と、２種類の加
工圧力で、研磨を実施したものの、Reactance-frequenc
y Characteristicを示している。研磨前に対し、電気的
特性は、飛躍的に向上した上で、高周波化が図られてい
る。研磨前に、みられたSpurious Resonanceは、研磨加
工により解消され、Sharp Resonance Curveを描いてい
る。しかし、厚さが薄くなる、あるいは研磨圧力を大き
くすると、ResonanceCurveの鋭さは、維持されるもの
の、Sprious Resonanceを、生じるようになる。適正な
研磨圧力ならびに口径／厚さの比がある。

【００３３】図８は、振動部分の厚さが、Form及びSurf
ace Roughnessに与える影響、振動部分の厚さによる、
振動部の中心部分の１．４４×１．３１ｍｍの範囲で、
peakto valley（Ｐ−Ｖ）の変化を調べた結果を示す。
又、形成された、凸レンズ形状の、曲率半径の逆数の変
化を、図９に示す。アルミの定盤を用いた場合、両図と
も同じ変化であるが、鉄製定盤の場合には、変化が異な
っていることから、アルミの場合、きれいな球形状に対
し、鉄の場合は、歪んだ球形状と思われる。一方、Sing
le Inverted Mesa Type の、Concave側は、厚さの変化
により、凹面の度合いが増していった。これは、平面側
に、凸レンズ形状が、形成される時の、加工歪みの、度
合いを示すものと考えられる。最適研磨条件の選定、熱
処理などにより、改善が可能であると考えられ、電気的
特性の改善にも、繋がるものと期待している。

【００３４】Concave側の中心部分の、表面の粗さの変
化を、図１０に示す。Polishing padの接しない部分に
対しても、遊離砥粒は作用し、表面粗さに変化を与えて
いる。Chemical Etchingのものは、Ｒａ２．６ｎｍであ
ったものが、研磨により、Chemical Etching特有の、縞
状の、凹凸が顕在化し、Ｒａ７ｎｍまで、悪化してく
る。表面粗さが、悪化しない、ＲＩＥでConcave（Singl
e Inverted Mesa Type 、又はDouble Inverted Mesa Ty
pe）を形成後、０．３μｍから０．４μm程度を、Mecha
nical Polishingで、イオンダメージ層を除去すること
により、この改善が可能である。

【００３５】尚、図１０に示している結果から、ＲＩＥ
加工の加工手段により作製した、Double Inverted Mesa
Typeでも、Single Inverted Mesa Typeと同じく、両面
研磨加工機械を使用して、特性の改善が、出来ることが
証明された。

【００３６】これらの結果から、口径に対する厚さの比
（ｄ／ｔ）を１０から３５０とする、最適の比率は３０
から８０程度にすることにより、電気的特性に優れた、
３３４MHｚ以上の、高周波水晶振動子の作製が可能にな
ることが判明した。

【００３７】次に、本発明の圧電素子の応用例として、
音響−電気変換器について説明する。従来の、地震探査
・予知には、現在、海洋観測、地下構造探査、地球磁気
観測、ＧＰＳによる観測、２点間の距離のレーザ測定に
よる、地核の移動測定などが行われているが、地震や津
波による、空気の振動を観測することも、一つの予知方
法である。

【００３８】空気の振動を、記録や分析が、容易な電気
信号に変換する手段として、集音マイクがあるが、雑音
を拾いやすく、目的の振動数の音波を検出することが困
難である。

【００３９】図１１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の圧電素
子を利用した音響−電気変換器の、各実施例を示すもの
である。図において、円筒２１及び５４は、水晶又はニ
オブ酸リチウム又はその他の単結晶、又は、チタン酸バ
リウム又はその他のセラミックスなどの圧電効果を有す
る材質からなる。この円筒２１及び５４の中央部に受圧
面２２を形成し、その受圧面２２に一対の電極２３，２
４を金属蒸着等により形成し、金線２６を電極２３，２
４に導電性接着剤などで接着し、電極２３，２４間の誘
起電圧を測定するための増幅器２５を接続している。
（電極２３，２４及び増幅器２５は図１１（ａ）のみ図
示している）。図１１（ａ）は両凸レンズ(bi-convex)
型、（ｂ）は両凹レンズ型、（ｃ）は平面型、（ｄ）は
片凸片凹レンズ型、（ｅ）は片凸(plano-convex)型を示
している。図１１（ａ）に示しているように、栓５５を
２個使用して円筒２１内部を密封して、A室を形成し、
円筒５４内部を密封してＢ室を形成する。Ａ室内部も、
Ｂ室内部も、ともに減圧（出来れば真空状態、又は不活
性ガスを封入）した構造の、左右の円筒２１及び円筒５
４が、横軸方向及び縦軸方向の振動をキャッチする構造
とすることで、受圧面２２を円筒２１及び円筒５４を形
成しない場合に比較すると、受圧面２２が、より強く振
動をキャッチする。なお、上記の理由から、円筒２１及
び円筒５４の直径が小さく、長さが長いほど、外部から
の振動を受圧面２２が受けやすくなるので、精度の高
い、圧力センサーが出来ることになる。

【００４０】尚、Ａ室及びＢ室内部を減圧させない場合
には、不活性ガスを注入するとよい。

【００４１】図１２は、図１１（ａ）及び（ｅ）に示し
ている音響−電気変換器の上面図であり、穴又は空間部
分４７が受圧面２２に形成されている。こうすると、左
右の円筒２１及び円筒５４を振動させた振動が、図１１
（ａ）及び（ｅ）に示している、Aの部分からBの部分
に、又は、Bの部分からAの部分に、両端から自由に移動
することで、Ａの部分を振動させた振動と、Bの部分を
振動させた振動が、中心部分において共鳴して共鳴現象
を起すことで、穴又は空間部分４７を形成しない場合に
比較すると、より強く中心部分に形成している受圧面２
２を振動させることができる。なお、穴又は空間部分４
７を形成しないでよい場合もある。

【００４２】次に、受圧面２２の機械的形成方法につい
て、本願出願人が先に提案した方法をまず説明する。基
本的には、図１３に示すように、水晶又は、チタン酸バ
リウム又は、ニオブ酸リチウム又は、その他のセラミッ
クスなどの、圧電効果を有する材質からなる材質の丸棒
３０を、旋盤などの加工機械のチャック３１で把持し、
また金属球の表面にダイヤモンド砥粒を付着させた砥石
３２を先端に回転自在に設けた加工工具３３を、ツール
保持具３４で把持する。砥石３２は、図１４に示すよう
に、対向面がカットされた球体であり、支持アーム３５
の先端に、軸受け３６を介して回転自在に取り付けられ
ている。砥石３２の周面には、図１５（ａ）及びそのＡ
−Ａ拡大断面図である、図１５（ｂ）に示すように、Ｖ
字状溝３２ａが形成されており、溝３２ａの内壁の一方
が、砥石３２の中心を通る面に含まれるような方向性を
有している。この砥石３２は、エアノズル４０から、砥
石３２の周面に対して、接線方向に噴射される、空気の
ジェット流により高速回転（好ましくは８．０００〜５
０．０００ｒｐｍ）され、被研削面をゆっくりと時間を
掛けて（例えば毎分１μｍ）削っていく。この研削時
に、噴水ノズル４１から水を噴射して、砥石３２の冷却
と、削り屑の排出を行う。丸棒３０は、砥石３２が回転
駆動されるとき、図１３に示すように、軸心の回りに回
転駆動され、従って砥石３２により、円形形状又は、円
筒形状の穴が形成される。

【００４３】また、図１６に示しているような、受圧面
２２の研磨面が凸状の場合は、図１７（（ａ）は正面
図、（ｂ）は平面図）に示すように、鼓型の砥石３２'
を使用する。受圧面２２の研磨面がフラットな場合は、
図１７（ｃ）に示すような、フラットな砥石３２"を使
用する。あるいは、図１８に示すように、穴径よりもず
っと小さい径の砥石３２を用い、図１４に示すものと同
じ加工工具３３を、ＮＣ装置などで受圧面２２の曲面に
沿って移動させながら、砥石３２を回転させる。同時
に、チャック３１を回転させて丸棒３０を回転させなが
ら受圧面を加工する。又、穴又は空間部分４７を形成す
る手段としては、図１７（ｄ）に示すような形状の砥石
３２"を使用すると、保持部分４７を残して、容易に穴
又は空間部分４７を加工することが出来る。又、穴又は
空間部分４７を形成する手段としては、通常のダイヤモ
ンドを電着したドリルを使用しても、穴又は空間部分４
７を形成することは、可能である。

【００４４】尚、円形形状の穴の加工には、通常の軸の
回りに回転する工具も使用でき、図１９に示すような球
面形状の砥石や、図２０に示す円板面形状の砥石も使用
できる。又、砥石３２を使用して、研削加工が終了した
ならば、砥石３２と同じ構造をした研磨用の研磨用砥石
３２""を、フェルト又はバフなどの素材を使用して製作
し、研磨用砥石３２""と砥石３２を取り換えて、研磨用
砥石３２""を使用して研磨加工すると、仕上加工が出来
る。フェルト又はバフで出来ている研磨用砥石３２""の
回転駆動の手段も、砥石３２を回転駆動させる手段と同
じく、フェルト又はバフに溝３２（ａ）を形成して、エ
アノズル４０を使用しての回転駆動とすると、容易に研
磨加工を行うことが出来る。

【００４５】図２１及び図２２に示しているのは、図１
４に示している構造をした、研削及び研磨装置の製作図
である。実際に製作した砥石３２の直径は２０ｍｍで、
溝３２（ａ）の深さは１ｍｍで、溝の数を１６個形成し
た構造の、研削及び研磨装置に、エアノズル４０から、
砥石３２の周面に対して接線方向に噴射したときの空気
圧と、砥石３２の回転数を実測した実測値の数字を以下
に示す。

【００４６】空気圧が０．５気圧の場合の砥石３２の
回転数は、約１２，２００ｒｐｍである。

【００４７】空気圧が１．０気圧の場合の砥石３２の
回転数は、約２２，０００ｒｐｍである。

【００４８】空気圧が２．０気圧の場合の砥石３２の
回転数は、約３７，５００ｒｐｍである。

【００４９】空気圧が３．０気圧の場合の砥石３２の
回転数は、約４７，８００ｒｐｍである。

【００５０】空気圧が４．０気圧の場合の砥石３２の
回転数は、ベアリングが耐えることが出来る限界であ
る、約５０，０００ｒｐｍである。

【００５１】なお、図２１及び図２２に示している構造
の研削及び研磨装置に取り付ける研削用の砥石３２の代
わりに、鉄、アルミニウム、銅などの金属又は、バフ又
はフェルト又は、ガラス又はプラスチック又はセラミッ
クス又は、その他の研磨用材質で製作された、図１７
（ｅ）に示している研磨用砥石３２""を使用することが
できる。この研磨用砥石３２""と、ダイヤモンドペース
ト又は酸化セリウム又はアルミナ又はＧＣ又は、その他
の研磨剤を使用して、図１３に示している加工方法によ
り、図１１に示しているような各種形状に、水晶などの
圧電素材の研削及び研磨加工を同時に行う構成とする。

【００５２】研削と研磨を同時に行うことが出来る理由
としては、図１７（ｅ）に示す研磨用砥石３２""の回転
数を、ベアリングが耐えることが出来る限界である５
０，０００ｒｐｍまでの回転数で容易に駆動させること
が出来るためである。研磨加工だけでも、極く短い時間
に、能率よく行うことができるため、極く薄い、水晶な
どの圧電素材であれば、フェルト、バフ、鉄などで出来
ている、研磨用砥石３２""を使用して、研削と研磨加工
の、２つの加工を、同時に行うことが出来る。

【００５３】以上は、先の本願出願人により提案された
製造方法の説明であるが、新たに発明した方法について
説明する。

【００５４】まず、図１１（ａ）に示す、円筒形状の圧
電材料の中心部に凸レンズ形状の受圧面２２を形成する
方法を、図２３に基づいて説明する。

【００５５】（ａ）円柱形状の圧電材料２０の両端部分
を、機械的な研磨加工やエッチング加工その他の手段を
使用して、目的とする凸レンズ形状２０ａに形成し、第
１加工品を製作する。

【００５６】（ｂ）第１加工品の、円柱形状に形成して
いる凸レンズ形状の部分だけがＲＩＥエッチング加工さ
れ、凸レンズ形状の部分以外はエッチング加工されない
ようにする。その方法は、ガラス、石英、水晶、タング
ステン・シーサイト、純鉄又はその他の素材でできてい
るリング状のマスクを円柱形状の圧電材料２０の端部に
取り付けることで行うことができる。

【００５７】（ｃ）これを、図２３（ｃ）に示すよう
に、圧電材料２０の中央部に達するまで行う。

【００５８】（ｄ）エッチング加工が進んで、中央部の
所定の長さに達したら、圧電材料２０の反対面から同様
にＲＩＥエッチング加工を行う。実際には、ＲＩＥ加工
設備は動かさず、圧電材料２０を反転させて加工する。

【００５９】（ｅ）図２３（ｅ）に示すように、圧電材
料２０の中央部付近に凸レンズ形状が形成されたら、Ｒ
ＩＥ加工により発生した０．２μｍ〜０．３μｍ程のイ
オンダメージ層を、機械的な研磨加工手段を使用して除
去することにより、図２３（ｆ）に示すように、電気的
な特性が良好なレンズ形状を円筒形状の中心部に形成し
た共振子を製作することができる。

【００６０】図２４は、片面が凸レンズ形状、他の面が
フラットな形状の受圧面を加工する場合の工程を示して
いる。

【００６１】図２５は、片面が凸レンズ形状、他の面が
凹レンズ形状の受圧面を加工する場合の工程を示してい
る。

【００６２】図２６は、両面ともフラットな形状の受圧
面を加工する場合の工程を示している。

【００６３】図２７は、筒型共振子の他の製造方法を示
すものである。工程順に説明する。 （ａ）円柱形状の圧電材料２０の両端部分の中央部に、
機械的な研磨加工やエッチング加工その他の手段を使用
して、目的とする凸レンズ形状２０ａを形成し、第１加
工品を製作する。

【００６４】（ｂ）第１加工品の、円柱形状に形成して
いる凸レンズ形状の部分だけがＲＩＥエッチング加工さ
れ、凸レンズ形状の部分以外はエッチングされないよう
にする。その方法は、圧電材料２０の外径よりも小さい
径の、ガラス、石英、水晶、タングステン・シーサイ
ト、純鉄又はその他の素材でできている筒５２を円柱形
状の圧電材料２０の端部に当てる。次いで、ＲＩＥ加工
を、圧電材料２０の筒５２の内部と外部に同時に行う。
同時に、筒５２の端面も削られていく。

【００６５】（ｃ）これを、図２７（ｃ）に示すよう
に、圧電材料２０の中央部に達するまで行う。

【００６６】（ｄ）エッチング加工が進んで、中央部の
所定の長さに達したら、圧電材料２０の反対面から同様
にＲＩＥエッチング加工を行う。実際には、ＲＩＥ加工
設備は動かさず、圧電材料２０を反転させて加工する。

【００６７】（ｅ）図２７（ｅ）に示すように、圧電材
料２０の中央部付近に凸レンズ形状が形成されたら、Ｒ
ＩＥ加工により発生した０．２μｍ〜０．３μｍ程のイ
オンダメージ層を、機械的な研磨加工手段を使用して除
去することにより、図２７（ｆ）に示すように、電気的
な特性が良好なレンズ形状を円筒形状の中心部に形成し
た共振子を製作することができる。

【００６８】なお、図２７では、両凸レンズ形状を加工
する例を示したが、他の形状に置いても同様に初期の形
状を保ったまま、加工を行うことで、所望の形状の共振
子を製造することができる。

【００６９】次に、リング状の保持部の内部に凸レンズ
状振動部を極く薄い連結部を介して形成する加工方法に
ついて説明する。

【００７０】図２８は、その加工方法を示すものであ
り、順に説明を行う。

【００７１】（１）厚板形状の圧電材料２０の両端部分
を、機械的な研磨加工やエッチング加工その他の手段を
使用して、目的とする凸レンズ形状２０ａに形成し、第
１加工品を製作する。このときの圧電材料の厚みは、目
的とする厚みよりも、相当厚い。

【００７２】（２）第１加工品の、円柱形状に形成して
いる凸レンズ形状の部分だけがエッチング加工され、凸
レンズ形状の部分以外はエッチング加工されないように
する。その方法は、第１加工品の真上にガラス、石英、
水晶、タングステン・シーサイト、純鉄又はその他の素
材でできている円筒形状の加工補助具５０を置き、ＲＩ
Ｅ加工により、第１加工品の両側を同時に、または一方
ずつ（本例では一方ずつ）、エッチング加工により加工
補助具５０も同時に表面を一様に蝕刻していく。これに
より、円筒形状の中心部分に極く薄い、凸レンズ形状に
加工した後、ＲＩＥ加工により発生した０．２μｍ〜
０．３μｍ程のイオンダメージ層を、機械的な研磨加工
手段を使用して除去することにより、電気的な特性が良
好なレンズ形状を円筒形状の中心部に形成した振動部を
製作することができる。

【００７３】なお、図２８では両凸レンズ形状の加工方
法を示したが、圧電材料２０の両面の初期の形状をフラ
ット、凹レンズ形状等に加工することにより、初期の形
状を保ったままＲＩＥ加工により厚みを薄くすること
で、片凸レンズ、両フラット形状、片凸片凹形状等の形
状に加工することができる。

【００７４】図２９は、リング状の保持部の内部に凸レ
ンズ状振動部を極く薄い連結部を介して形成する別の加
工方法を示すものである。順に説明する。

【００７５】（１）円板形状の圧電材料２０の両端部分
に、先に機械的な研磨加工やエッチング加工その他の手
段を使用して、目的とする凸レンズ形状に加工した補助
型材５１を密着させて取り付ける。なお、補助型材５１
の材質としては、ガラス、石英、水晶、純鉄などの素材
を使用する。

【００７６】（２）補助型材５１の凸レンズ形状の部分
だけがエッチングされ、凸レンズ形状の部分以外はエッ
チング加工されないように、補助型材５１の真上に、ガ
ラス、石英、水晶、タングステン・シーサイト、純鉄又
はその他の素材でできている円筒形状の加工補助具５０
を置き、ＲＩＥ加工により、加工補助具５０も同時に表
面を一様に蝕刻していく。これにより、最初は補助型材
５１の表面が蝕刻されていき、次いで、圧電材料２０の
表面が蝕刻されて、円筒形状の中心部分に極く薄い、凸
レンズ形状が加工される。、その後、ＲＩＥ加工により
発生した０．２μｍ〜０．３μｍ程のイオンダメージ層
を、機械的な研磨加工手段を使用して除去することによ
り、電気的な特性が良好なレンズ形状を円筒形状の中心
部に形成した振動部を製作することができる。

【００７７】なお、図２９では圧電材料２０の両面に凸
レンズ形状の補助型材５１を密着させて取り付け、エッ
チング加工を行ったが、補助型材５１の形状を凹レンズ
形状等に加工することにより、初期の形状を保ったまま
ＲＩＥ加工により厚みを薄くすることで、片凸レンズ、
両フラット形状、片凸片凹形状、またはその他の形状に
加工することができる。

【００７８】以上のようにして製造した振動部の両面
に、図３０に示すように、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ等の金属を
蒸着して電極２３，２４を形成する。さらに、ボンデイ
ングマシンあるいは導電性接着剤を使用して、極く細い
金線２６（例えば、１８μｍ程度）を電極に接着する。
通常であれば、蒸着だけを使用して電極及びリードを形
成するのであるが、円筒形状部の直径が小さくて長さが
長いため、蒸着だけでは電極及びリードの形成ができな
いので、電極のみを蒸着で形成し、その後に金線を電極
に接着するようにした。

【００７９】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば下記の
効果を奏する。

【００８０】（１）円柱形状の段階にて、最終的に必要
とする目的のレンズ形状、片面凸レンズ形状、片面凹レ
ンズ形状、平板形状等の形状を円柱形状の両端に最初に
形成しておけば、ＲＩＥ加工により端部から厚みを円形
に均等に削っていくことにより、最終段階で所定の厚み
の振動部を筒状の圧電素子の内部に形成することができ
る。

【００８１】（２）出来上がりの表面精度は、最初に円
柱形状の両端に形成した表面精度と同じ精度で出来上が
る。ただし、ＲＩＥ加工にて発生するイオンダメージ層
を除去しなければ、圧電素子本来の特性は回復しない。

【００８２】（３）円柱形状に機械的な加工手段だけを
使用して円筒形状を加工すると、厚みが限りなく薄く、
また掘削の深さが非常に深い穴を加工するには限界があ
る。

【００８３】（４）ＲＩＥ加工を使用して、円柱形状の
材料に円筒形状を形成するのであれば、穴径が１０ｍｍ
以下で、穴の長さが１５ｃｍ以上で、肉厚が１ｍｍ程度
の円筒形状の中心部分に、レンズ形状の振動子（共振
子）を加工することができる。

【００８４】（５）機械加工では、円筒を形成する際
に、肉厚の厚さを薄くするのにある一定の限界がある
が、ＲＩＥを使用した本発明の方法を使用することによ
り、限りなく薄い、肉厚の竹の筒形状を加工すること
で、限りなく感度の良い共振子を製作することができ
る。

【００８５】（６）竹の筒形状の外周部分も、竹の筒形
状の内部をＲＩＥ加工するときに、同時に加工すること
ができることにより、竹の筒形状を構成している肉厚部
分の厚さを限りなく薄く加工することが可能となる。

【００８６】（７）ＲＩＥ加工により発生するイオンダ
メージ層を考慮しなければ、最初に円柱形状の両端に形
成した加工精度にて、両端から厚みを減少させることが
できる。

【００８７】（８）極く肉厚が薄くて、穴径の直径が小
さくて、さらに、穴の長さが長い竹の筒形状で、中心部
分に凸または凹レンズ形状を形成した受圧面を形成して
いる形状の構造の共振子の製作ができるので、音波をキ
ャッチする性能が高くなる。

【００８８】（９）竹の筒形状の外形の直径が、例えば
１／２インチ以下の、直径が極く小さい共振子を製作す
ることができるので、石油、またはメタンガスなどの、
極く深い地下層を掘削している、例えば地下５０００ｍ
以上の深さのパイプの内部に挿入して、地中深く吊り下
げて、石油、メタンガスなどの圧力又は温度を、同時
に、常時測定することができるようになる。

【００８９】なお、現在使用している圧力センサ（別名
クオーツセンサ）は、直径が３／４インチと大きいもの
が使用されているので、石油、メタンガスの地層を掘削
しているパイプなどの内部に常時入れることができな
い。

【００９０】（１０）圧力センサの性能が向上するほど
に、地中深くにある石油、メタンガス等の地下資源の探
査をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の製造工程を示す流れ図である。

【図２】 本発明による圧電素子の凸レンズ形状が形成
される説明図である。

【図３】 表材はＡＴカットで、厚みが厚い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。

【図４】 表材はＡＴカットで、厚みが厚い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図と、それを発振させた、Si
ngle Inverted Mesa Typeの、水晶振動子の、上面図
と、縦断面図である。

【図５】 表材はＡＴカットで、厚みが薄い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。

【図６】 水晶振動子を、干渉顕微鏡で形状を測定し
た、形状測定図である。

【図７】 表材はＡＴカットで、厚みが薄い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。

【図８】 Peak to Valley（Ｐ−Ｖ）の変化を示した、
グラフである。

【図９】 Single Inverted Mesa Typeに形成された、
凸レンズ形状の、曲率半径の、逆数の変化を示した、グ
ラフである。

【図１０】 Single Inverted Mesa Typeの、Concave側
の中心部分の、表面粗さの変化を示した、グラフであ
る。

【図１１】 本発明の音響−電気変換器の実施例を示す
断面図である。

【図１２】 先の提案による実施例を示す上面図であ
る。

【図１３】 先の提案によるによる加工方法を示す断面
図である。

【図１４】 先の提案による実施例における加工工具を
示す側面図である。

【図１５】 先の提案による実施例における砥石の実施
例を示す側面図及びそのＡ−Ａ断面図である。

【図１６】 先の提案による実施例における加工された
実施例を示す断面図である。

【図１７】 先の提案によるの実施例における砥石の他
の例を示す側面図及び平面図である。

【図１８】 先の提案による実施例における加工工具の
他の例を示す断面図である。

【図１９】 先の提案による実施例における加工工具の
他の例を示す断面図である。

【図２０】 先の提案による実施例における加工工具の
他の例を示す断面図である。

【図２１】 先の提案による実施例における加工工具
の、実際の製作図を示す側面図及び上面図である。

【図２２】 先の提案による実施例における加工工具
の、実際の製作図を示す拡大図の断面図及び側面図であ
る。

【図２３】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２４】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２５】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２６】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２７】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２８】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図２９】 本発明の音響−電機変換器に使用する共振
子の製造工程を示す断面図である。

【図３０】 本発明により振動部に電極及び金線リード
を形成した状態の正面図である。

【符号の説明】

２１，５４ 円筒 ２２ 受圧面 ２３，２４ 電極 ２５ 増幅器 ２６ 金線 ５０ 加工補助具 ５１ 補助型材 １００ 水晶基板 １００（図１（ａ））をカットし、次いで同基板の片面
（上面）の一部をフッ化 １０１ くぼみ １０２ フレーム部 １０２となる。ここまでは従来の製法と同じである。 １０３ 上定盤 １０４ 下定盤 １０５ 研磨パッド １０６ キャリア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/187 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｚ 41/22 41/18 １０１Ａ Ｈ０３Ｈ 3/02 １０１Ｂ 9/19 41/22 Ｚ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電材料からなるリング状の保持部の内
   部に、薄肉の振動部が一体に形成された圧電素子。
2. 【請求項２】 圧電材料からなる筒状体の内部中央に、
   薄肉の振動部が一体に形成された圧電素子。
3. 【請求項３】 振動部の両面中央に一対の電極が蒸着さ
   れ、各電極に金線がリード線として引き出されているこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の圧電素子。
4. 【請求項４】 最終厚みよりも厚い圧電材料の両端表面
   に、最終目標のプロフィルの形状を形成した後、反応性
   イオンエッチング加工により、前記圧電材料の両端の表
   面を、当該圧電材料の中心方向に向かって、均一に厚み
   が減少するようにエッチング加工し、目的とする最終厚
   み及びプロフィルの振動部を形成することを特徴とする
   圧電素子の加工方法。
5. 【請求項５】 圧電材料からなる棒状体の両端表面に最
   終目標のプロフィルの形状を形成した後、反応性イオン
   エッチング加工により、前記棒状体の端面の表面を、当
   該棒状体の周壁の厚み部分を残し当該棒状体の中心方向
   に向かって均一に厚みが減少するようにエッチング加工
   し、筒状体になった棒状体の内部中央に前記最終厚み及
   びプロフィルの振動部を形成することを特徴とする圧電
   素子の製造方法。
6. 【請求項６】 振動部の両面中央に一対の電極を蒸着
   し、各電極に金線の先端を接着し、金線をリード線とし
   て引き出すことを特徴とする請求項４または５記載の圧
   電素子の製造方法。