JP2003008378A - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】圧電振動子の製造工程において、バレル加工を
行なうことなく良好なエネルギー閉じ込めを行なった、
ばらつきの少ない圧電振動子を得る。 【解決手段】回り込み空間を設けたメッキゲージを用い
てスパッタ法による薄膜制作を施し、圧電基板１に山型
状の電極２を形成したので、圧電基板１の断面形状が凸
型になる。これによれば、べべリングと同様のエネルギ
ー閉じ込め特性を確保しつつ、加工によるばらつきを低
減することができるようになる。したがって、この製造
方法による圧電振動子は、振動特性がほぼ一定のものを
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動子とその
製造方法に関し、特に、従来のベベル加工に代わり、電
極による主振動エネルギーの閉じ込めを行なう技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電基板に電極を設け、その
電極を導電性接着剤（導電性材料）によりプリント基板
に固定して構成する圧電振動子がある。図７は、一般的
な圧電振動子の構造例を示す図であり、人工水晶軸基準
として切り出した外形方位（Ｘ、Ｙ’、Ｚ’）とする平
板状の圧電基板１の両Ｘ−Ｚ’平面に電極２を夫々設
け、該電極が圧電基板端部へ延長された点にて、導電性
材料３によりプリント基板上に形成されたリード４に導
通固定した圧電振動子である。また、ＡＴ、ＢＴ、或い
はＣＴカット等のように、厚み滑りモードを主振動とす
る圧電振動子にあっては、圧電基板に“面取り”と呼ば
れる輪郭研磨加工を施し、圧電基板の縁端部の厚みを薄
くすることでエネルギーを圧電基板中央部に閉じ込め、
発振動作が接着固定による悪影響を受けないようにして
いる。

【０００３】図８は、面取りを施した圧電基板の例を示
す図であり、Ｚ’軸方向から見た場合において、四隅が
削れている。べべル（削られた部分）の大きさは、幅；
Ｗと、角度；θで表わされる。即ち、圧電基板をＸ−
Ｙ’面に見て凸型とするのである。このような形状を一
般にべべリング形状と呼び、例えば、次の図９に示すバ
レル加工により加工が施される。図９に示すバレル加工
は、内壁面に細かな突起物５を設けた円筒状ドラム６に
圧電基板１を入れ、ドラム６を回転させることによって
圧電基板１を削る方法である。このような加工によっ
て、圧電基板１をべべリング形状とした圧電振動子を製
造していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の圧電振動子においては、以下に示すような問題
点があった。つまり、べべリング形状とするために行わ
れる従来のバレル加工では、圧電基板１の角を丸く削っ
てしまうことになるので、次の図１０に示す如く、Ｘ−
Ｚ’平面における四隅の角も削れてしまう。そのため導
電性材料を塗布して固定する面積が減少してしまい、固
定強度が低下してしまうことになる。更に、バレル加工
では、ベベルの大きさを所定のものにするための制御が
非常に困難であり、加工のばらつきが大きいものであ
る。この加工のばらつきは、振動子特性に大きく影響し
てしまうので振動子特性も一定のものを得ることは難し
かった。

【０００５】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、圧電振動子の製造工程におい
て、バレル加工を行なうことなく良好なエネルギー閉じ
込めを行なった、ばらつきの少ない圧電振動子を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係わる圧電振動子の請求項１の発明は、圧電
基板に一対の電極を形成した圧電振動子において、前記
電極を蒸着により凸型形成することで、圧電基板中央部
の厚みを圧電振動子周辺部よりも厚くし、主振動エネル
ギーの閉じ込め特性を向上させたことを特徴とする。

【０００７】また、本発明に係わる圧電振動子の製造方
法の請求項２の発明は、圧電基板に一対の電極を形成し
た圧電振動子を製造する方法であって、前記上板及び下
板と圧電基板との間に回り込み空間を設けたメッキゲー
ジを用いて前記電極をスパッタ法により圧電基板に蒸着
し、電極を凸型にするようにしたことを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係わる圧電振動子の製造方
法の請求項３の発明は、前記請求項２記載の圧電振動子
の製造方法において、電極の凸型を形成しようと大きさ
がそれぞれ異なる相似形マスクパターンを有する複数の
パターン板を組み合わせた上板又は下板とすることで、
前記回り込み空間を構成したことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図示した実施の形態例に基
づいて本発明を詳細に説明する。図１（１）は本発明に
係わる圧電振動子の製造方法の実施の工程におけるメッ
キゲージの構成例を示す断面図であり、図１（２）は、
その一部の拡大図である。この図に示すメッキゲージ
は、押え板１１の上に、上板８、中板１０、下板９を重
ね置き、これをネジ７にて貫通固定している。そして、
前記中板１０には、複数の圧電基板１がはめ込まれてい
る。この中板１０を挟む上板８及び下板９は、各圧電基
板１に対応する位置に電極のパターン状にくり貫かれた
マスクパターンを有している。このマスクパターンは、
図１（２）に示すように段階構造となっており、大きな
マスクパターンを持つパターン板１２が圧電基板１に密
接し、小さなマスクパターンを持つパターン板１３をそ
の外側に重ねている。なお、この図においては、パター
ン板１２とパターン板１３との組み合わせにより上板８
及び下板９を構成しているが、マスクパターン部分が段
階的になってさえいれば、パターン板を一体的にしたも
のでもよい。

【００１０】次に、上述のメッキゲージを用いての薄膜
制作について説明する。図２（１）は薄膜制作にスパッ
タ法を用いた場面を示す図であり、図２（２）は、本発
明に係る圧電振動子の製造方法における粒子の堆積の様
子を示す図である。図２（１）に示すスパッタ法の実施
例は、数十Ｖ〜数ｋＶの高電圧をかけるもので、陽極側
に電極材料１４を配置し、陰極側に圧電基板１を配置す
る。つまり、高いエネルギーの印加により電極材料１４
からイオン化した粒子が放出され、この粒子が圧電基板
１に堆積することで薄膜（電極）を形成するのである。
そして、図２（２）に示されるように、メッキゲージに
設けられた段階構造のマスクパターン（回り込み空間と
いう）が存在するため、マスク１５の近傍のマスクパタ
ーン部分に入り込んだ粒子１７は、マスク１５と被膜物
１６（ここでは圧電基板１）との間の空間において回折
（電子の波動性による電子回折に基づく）により回り込
みが生ずる。したがって、粒子１７は、被膜物１６上に
山型状に堆積することになる。

【００１１】図３（１）は、本発明に係る圧電振動子の
製造方法における電極（膜）の断面形状例を示す図であ
り、上述の如く圧電基板１上に堆積した膜１８を示して
いる。つまり、膜１８として形成した電極を有する圧電
基板１の断面は凸型となる。なお、膜１８において、上
部フラット面の大きさ（Ｗ１）、下部底面の大きさ（Ｗ
２）、及び斜面２４の曲率は、図３（２）に示す第１の
マスクパターンの大きさ（Ｄ１）、第２のマスクパター
ンの大きさ（Ｄ２）、及び空間の高さ（Ｈ１）の要因に
て決定することができる。このように、Ｄ１、Ｄ２、及
びＨ１を定めさえすれば、スパッタ法にて、印加する電
圧と蒸着時間の制御により、所望の凸型を形成加工する
ことができる。しかも、従来のバレル加工による精度が
“〜数百μｍ”であったのに対して、スパッタ法の精度
は“〜数十μｍ”を達成することができるので、加工の
ばらつきは極めて少なくなる。

【００１２】次に、本発明に係る圧電振動子の製造方法
によって電極を形成した圧電基板の凸型における主振動
エネルギーの閉じ込め特性の改善効果について、有限要
素法（ＦＥＭ）による解析を用いて以下に説明する。図
４は、有限要素法における短冊形解析モデルを示す図で
あり、この例では、Ｘ寸法：１６００μｍ、Ｙ’寸法：
８５μｍ、Ｚ’寸法：３２６μｍの短冊形状とし、更
に、Ｘ、Ｙ’、Ｚ’方向の分割数をそれぞれ１５２×８
×３１とする。そして、この短冊形状の中心部２０につ
いてＸ寸法：８００μｍ、Ｚ’寸法：２４２μｍの領域
を厚み方向（Ｙ’軸方向）に８分割した場合において、
最表裏の要素（前記８分割部分の上下両端）の密度は、
他の部分のα倍（α＝１．０３〜１．１９）に変化させ
ることで、実際の電極構造（体積形状）を置き換えるも
のとする。次の図５（Ａ１）及び（Ａ２）は、電極の膜
厚が一様にフラットな場合を想定したものであって、
（Ａ１）は、圧電基板に電極が膜厚（Ｔ０）にて積層さ
れているイメージ図であり、（Ａ２）は、これを置き換
えた解析モデル図である。即ち、電極の膜厚Ｔ０（＝約
１５０ｎｍ）に相当するパラメータとして、電極直下の
圧電基板の最表裏要素の密度をαで規格化して有限要素
法による数値解析を行なうものである。これを応用し
て、本発明に係る圧電振動子に適用すれば、次の図５
（Ｂ１）及び（Ｂ２）のようになる。即ち、（Ｂ１）
は、圧電基板に山型状電極を、例えば、Ｗ１＝７８０μ
ｍ、Ｗ２＝８２０μｍ、膜厚（Ｔ１）とし、この膜厚Ｔ
１は、一様にフラットなＴ０のときと同様の周波数とな
るよう設定する。そして、Ｔ１＞Ｔ０＞Ｔ１／２の関係
にあるものとすれば、図５（Ｂ２）のような解析モデル
とすることができ、この解析モデルにおいて、Ｗ１に対
応する中央付近の密度α’と、その両脇の密度α”との
間は、α’＞α”のようになる。

【００１３】次に、図６は、上述の（Ａ２）及び（Ｂ
２）の解析モデルにおける厚み滑りモードのＸ軸方向の
エネルギー閉じ込め特性を示したグラフ図であり、横軸
はＸ方向における圧電基板中心からの距離を、縦軸は横
軸上の各ポイントにおける変位量を中心点での最大変位
で基準化したときのエネルギーとして示している。この
図から明らかなように、中心から離れるにしたがって、
（Ｂ２）の方が（Ａ２）よりも変位量が小さくなり、エ
ネルギー閉じ込め特性良好であることがわかる。

【００１４】以上のように、本発明に係わる圧電振動子
とその製造方法は、回り込み空間を設けたメッキゲージ
を用いてスパッタ法による薄膜制作を施し、圧電基板に
電極を形成することで、山型状の電極としたので、圧電
基板の断面形状が凸型になる。これによれば、Ｘ−Ｚ’
平面における四隅の角が削られることがないので、固定
強度が低下することはない。更には、べべル加工と同様
のエネルギー閉じ込め特性を確保しつつ、加工によるば
らつきを低減することができるようになる。したがっ
て、この製造方法による圧電振動子は、振動特性がほぼ
一定のものを得ることができる。

【００１５】

【発明の効果】以上のように本発明に係わる圧電振動子
の製造方法は、前記上板及び下板と圧電基板との間に回
り込み空間を設けたメッキゲージを用いて前記電極をス
パッタ法により圧電基板に蒸着し、電極を山型状に形成
するようにしたので、加工精度を向上させ、ばらつきを
低減することができる。更に、これにより得られる圧電
振動子は、充分な固定強度を有し、且つ、振動特性がほ
ぼ一定のものを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（１）は、本発明に係る圧電振動子の製造方法
の実施の工程におけるメッキゲージの構成例を示す断面
図。（２）は、その一部の拡大図である。

【図２】（１）は本発明に係る製造方法の工程の薄膜制
作にスパッタ法を用いた場面を示す図。（２）は、本発
明に係る圧電振動子の製造方法における粒子の堆積の様
子を示す図である。

【図３】（１）は、本発明に係る圧電振動子の製造方法
における電極（膜）の断面形状例を示す図。（２）は、
断面形状に対応するマスクパターンの要因を示す図であ
る。

【図４】有限要素法における短冊形解析モデルを示す図
である。

【図５】（Ａ１）及び（Ａ２）は、電極の膜厚が一様に
フラットな場合を想定した図。（Ｂ１）及び（Ｂ２）
は、本発明に係る山型状電極の膜厚の場合を想定した図
である。

【図６】（Ａ２）及び（Ｂ２）の解析モデルにおける厚
み滑りモードのＸ軸方向のエネルギー閉じ込め特性を示
したグラフ図である。

【図７】一般的な圧電振動子の構造例を示す図である。

【図８】面取り（ベベリング）を施した圧電基板の例を
示す図である。

【図９】バレル加工を説明するためのイメージ図。

【図１０】従来の製造方法における固定強度低下の原因
を説明するための図である。

【符号の説明】

１・・・圧電基板 ２・・・電極 ３・・・導電性材料 ４・・・リード ５・・・突起物 ６・・・ドラム ７・・・ネジ ８・・・上板 ９・・・下板 １０・・・中板 １１・・・押え板 １２・・・パターン板（マスクパターン大） １３・・・パターン板（マスクパターン小） １４・・・電極材料 １５・・・マスク １６・・・被膜物（圧電基板） １７・・・粒子 １８・・・膜（電極） １９・・・斜面 ２０・・・中心部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電基板を挟んで対向する一対の電極を形
   成した圧電振動子において、 前記電極を蒸着により山型状に形成することで、圧電基
   板中央部の厚みを圧電振動子周辺部よりも厚くし、主振
   動エネルギーの閉じ込め特性を向上させたことを特徴と
   する圧電振動子。
2. 【請求項２】圧電基板に一対の電極を形成した圧電振動
   子を製造する方法であって、 前記上板及び下板と圧電基板との間に回り込み空間を設
   けたメッキゲージを用いて前記電極をスパッタ法により
   圧電基板に蒸着し、 電極を山型状に形成するようにしたことを特徴とする圧
   電振動子の製造方法。
3. 【請求項３】電極の山型状を形成するために、大きさが
   それぞれ異なる相似形マスクパターンを有する複数のパ
   ターン板を組み合わせた上板又は下板とすることで、前
   記回り込み空間を構成したことを特徴とする前記請求項
   ２記載の圧電振動子の製造方法。