JP2003060481A

JP2003060481A - 圧電振動素子とその製造方法、および圧電デバイス

Info

Publication number: JP2003060481A
Application number: JP2001246860A
Authority: JP
Inventors: Akinori Kosaka; 小阪　　彰伯
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】１００ＭＨｚ以上で発振する水晶発振器など
において、一方の主面を凸レンズ形状に加工した水晶片
は副振動の対策に有用であるが、凸レンズ形状を加工済
みの水晶片を３５μｍ以下に薄く加工する時、加工中に
ワレたり、凸レンズ形状の変形など問題が発生し、凸レ
ンズ形状の品質を維持しつつ加工することが困難であ
る。【解決手段】凸レンズ形状の主面に保護膜を形成し、
凸レンズ形状を保護しつつ、水晶を溶解するエッチング
用液へ浸けるなどして、板厚を薄く加工することで副振
動対策のなされた薄板の圧電振動素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本出願は、テレビなど民生品
や、コンピュータなどのクロックや、光通信やギガビッ
トインサーネットなど高速、大容量通信などの周波数発
生源や、物質を感知したり、圧力や加速度などを感知す
るセンサーや、レンズ形状を設けた圧電体を動作し光路
などを変化させる光学素子など圧電性を利用する圧電デ
バイスに関するものである。特に１００ＭＨｚ以上の基
本波で発振する板厚の薄い水晶振動子において、副振動
などの不要な振動を極力に主振動へ影響しないようした
圧電振動素子とその製造方法、および圧電デバイスに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子は、通信機器にとり基準周波
数を供給する重要な部品である。近年高速、大容量通信
用機器の登場により各機器の高周波化が進み、同時に共
振周波数を直接高くし、ジッタなどノイズを軽減する水
晶振動子をより多く供給することが問われている（ＥＬ
ＥＣＴＲＯＮＩＣＤＥＳＩＧＮＭａｒｃｈ６２０
００ｐ１１２）。一般的にＰＬＬ回路によるてい倍よ
り振動子の基本波周波数を高くするほうがノイズを少な
くできるが、ＡＴカットなどの水晶振動子の共振周波数
を高くし、ＶＨＦ帯で取り扱うには、圧電体が主振動を
励振する励振部分の板厚を薄くするほど高くなるため薄
板化が課題となる。

【０００３】高周波化を進めるにあたり、特に電気的特
性の安定性が問われる周波数発生源として利用する場
合、基本波振動の共振周波数が１００ＭＨｚ以上にもな
る水晶板の板厚は約１７μｍ以下の薄板となり、加速度
や衝撃など外的衝撃の影響で共振周波数が変動する、薄
く製造時のハンドリングが悪いなど、薄板の弊害を生じ
る。一般的な水晶振動子は平板形であり、フラットな水
晶片を使用する。フラットとは、一方の主面と他方の主
面が並行で、伴に平坦である板状の形状の圧電体片をい
う。薄板の弊害の対策として薄板部の外周に薄板部より
板厚の厚い枠部を配する断面で見て凹形の水晶片を利用
する、凹形水晶振動子が考案された。初期の丸形をはじ
め、四角形のものなど１９７０年代から内外で発表され
ている（米国特許公報第３,６９４,６７７号）。ま
た、凹形水晶振動子の振動モードなども中澤らにより研
究されてきた（信学技報ＵＳ７６−１６,７昭和５
１年）さらに、Ｑ値を向上するために方形状凹形水晶振
動子の表面にコンベックス形状を形成し、周波数温度特
性について研究している（電気学会論文誌昭和５７−
２ｐ５９）。本明細書でいう凸レンズ形状は主に上述
のコンベックス形状やその他に光学用に利用するレンズ
形状を言う。ただし、外的衝撃の影響を受けるこの薄板
の弊害を利用すると、低周波で板厚の厚い圧電振動子よ
り敏感に電極表面の重量変化を感じることからガス検知
用など微量変化を検出する高性能センサーとして使用す
る用途もある。

【０００４】近年、研削加工や研磨加工などの技術力向
上により薄板にし、薄い板厚の圧電体片をハンドリング
する技術、封止器に支持する技術などが各種要素技術の
進展により向上され、ある一定の板厚であるならば、薄
板の弊害を解決して平板形が利用されている。１０μｍ
ほどの薄い平板の水晶片をバンプで実装したり、ＳＭＤ
パッケージに実装して表面実装型水晶振動子とするもの
も考案されている。同じ外形寸法の水晶振動子では、凹
形より平板形が次のような有利な場合がある。電圧制御
水晶発振器（以下、ＶＣＸＯ）などのために容量比など
を小さくし、周波数の可変幅を大きくするために、電極
の面積が重要な設計パラメータとなる場合。加圧センサ
ーなどの圧電デバイスでは電極を大きくした方が電荷を
拾いやすく、つまり感度を得るために電極を大きくした
り、電極を各種形状にするために大きな面積を必要とす
る場合。さらに板厚に対して広い主面の面積を取りたい
場合などである。

【０００５】凹形水晶振動子は凹形状を作成し、凹形状
で底の板厚などを制御する必要があることから、大量生
産することが一般的に困難である。また、現在一般的に
表面実装型水晶振動子または水晶発振器に広く搭載され
ているのは板厚で約３５μｍ以上であるが、平板形の水
晶片である。このため、従来の水晶振動子製造で利用さ
れてきた平板形の圧電体片を取り扱うほうが、従来設備
の流用なども容易である。このように、平板形振動子は
凹形振動子より有利な面も多いが、今後考えられる１０
μｍ未満の板厚を有する水晶片などでは前述の薄板の弊
害より凹形振動子に有利な面も多くなり、今後は使用す
る用途によりこれらを使い分ける可能性もある。

【０００６】本明細書で、圧電体片とは、結晶軸に対し
てある決められた幾何学的形状・寸法および角度に切断
した結晶片をいう。さらに圧電体片に電極を配して電荷
をかけ振動を得るなど圧電性を利用する素子を圧電振動
素子とよび、圧電振動素子を保持器に封入、つまり密封
して圧電デバイスとして使用する。ＡＴカットやＳＣカ
ットは電極を少なくとも表裏主面、それぞれに配する。
フィルターなどでは一方の主面に２つ以上の電極を配す
ることもある。圧電デバイスは圧電振動素子を保持器に
入れて封入したもので、振動子や発振器やセンサーや光
学素子などであり、圧電体の結晶には水晶の他にランガ
サイトやニオブ酸リチウムなどの圧電性を示す単結晶が
あげられる。水晶の場合には、圧電体片とは水晶片であ
り、圧電振動素子とは水晶片と水晶片に配した電極で構
成される素子であり、圧電デバイスとは、水晶振動子、
水晶発振器または水晶を利用するセンサー部品や光学用
素子などをいう。

【０００７】ＡＴカットの水晶振動子の場合、図1２で
示すとおり、利用したい主振動は厚み滑り振動（ｒ）だ
が、屈曲振動（ｕ）、伸長振動（ｖ）または輪郭すべり
振動（ｗ）などの高次の副振動が存在し、さらにこれら
水晶片１の輪郭寸法３０７をパラメータとする副振動だ
けでなく、厚みねじれ振動モード（ｓ）や、インハーモ
ニックモード（ｔ）などの基本振動または高次の副振動
も発生する。６０１は電荷のプラス領域、６０２は電荷
のマイナス領域を示し、図１２中の矢印は変位方向を示
す。副振動は、主振動の共振周波数の近傍に存在すると
影響を与え、例えば電極を加工して周波数調整する時に
調整精度を悪くしたり、容量により共振周波数を可変す
るのに主振動と結合したり、温度を変化させると主振動
と影響し合い主振動が不連続に周波数が変動する周波数
ジャンプなどをおこし、時に振動を停止するなどして圧
電デバイスの特性を非常に不安定にする。このため、副
振動を減衰させたり、主要振動の共振周波数から離して
結合を少なくするのに、べべリング加工やコンベックス
加工が一般的になされている。

【０００８】べべリング加工とは、圧電体片の輪郭を段
にしたり面取りする加工である。コンベックス加工と
は、表面の形状を凸レンズ形状にし、片側凸または両側
凸にするものである。水晶片の主面を凸レンズ形状にす
ると、輪郭からの反射によって生じる多種のモードを減
衰し、温度特性が改善されると同時に、厚み滑り振動の
振動エネルギーをレンズ形状の中央付近に集中し、高い
Ｑ値が得られる（岡野庄太郎著「水晶周波数制御デバ
イス」ｐ６７）。本明細書ではコンベックス形状を凸
レンズ形状、コンベックス加工を凸レンズ形状加工に含
めて言う。特に３０ＭＨｚ以下の水晶振動子で問題にな
る輪郭からの反射によって生じる屈曲振動、縦振動また
は輪郭滑り振動などの副振動対策には効果があることが
知られ、凸レンズ形状の直径や、高さ寸法や曲率半径、
さらに輪郭寸法についても十分検討されてきた。凸レン
ズ形状の加工は、研削機械や研磨機械などの専用の装置
を使用して作成され、従来から高安定を目指すＳＣカッ
ト水晶振動子など高性能の圧電デバイスに対して一定の
数量を製造され続けている。だが、これら従来の加工方
法で水晶片の板厚を３５μｍ以下まで薄板化した後に、
水晶片の主面を凸レンズ形状に加工するのは、板厚方向
に研磨するだけでもワレ易く、凸レンズ形状に加工する
のは特に困難である。ＡＴカットの水晶振動子におい
て、３５μｍの板厚は電極の厚みにもよるが、約５０Ｍ
Ｈｚの共振周波数で基本波を振動し、一般に大量に製造
するのは難しい。

【０００９】主にＶＣＸＯ用などでは、凸レンズ形状に
すると逆に容量比を大きくする傾向や、周波数可変幅の
減少につながる傾向もあることから、極力なだらかに凸
レンズ形状を調整する必要もある。極力なだらかとは、
光干渉計を使用しニュートン稿で凸レンズ形状であるの
を初めて確認可能なほど微小のなだらかさも含む。圧電
体の薄板化には研磨加工の他、ウエットエッチングまた
はドライエッチングの方法がある。研磨加工による薄板
化は、薄板化するほど割れやすく困難になり、ドライエ
ッチングによる薄板化は、微量の加工や微調整には良い
が、加工速度が数百Å／分程度と遅く外形を大きく変化
させるような加工には実用的でない。ウエットエッチン
グによる薄板化は、一般的に溶解用のエッチング用液に
圧電体を浸けると、前もって加工した凸レンズ形状も大
きく変形する。例えば、極力なだらかな凸レンズ形状を
有する圧電体の板をそのままウエットエッチングで板厚
を９０μｍから１０μｍへ薄板化すると光干渉計で凸レ
ンズ形状を確認できなくなるなど、凸レンズ形状を維持
できない。本発明での保護膜形成部分を除いて加工と
は、薄板化を含み、特に３５μｍ程度の板厚の薄板に加
工することをいう。また、圧電体片の輪郭の加工も含
む。

【００１０】長浦らは、凹形水晶振動子を研磨加工する
ことにより、凹形状の厚い部分と薄い部分の研磨圧力の
違いにより、コンベックス形状を水晶に形成する加工方
法を考案している。これにより、主振動への副振動の影
響を軽減またはなくすことに成功し、従来より周波数の
高い、ＡＴカットのＶＨＦ帯の凹形水晶振動子などにお
いても主振動より高い周波数側に存在する副振動対策に
コンベックス形状が有効な事を示している（特開２００
１−０４４５２６号公報「圧電素子及びその加工方
法」）。しかし、これらは、従来のコンベックス加工方
法を利用せず、薄板となった状態で加工をするにおいて
コンベックス形状に加工されるなど、薄板化と凸レンズ
形状加工を同じ工程で加工するので、それぞれの制御性
に制約が生じる。また、個別にコンベックス加工すると
生産性が悪く、同時に複数にコンベックス加工すると個
々の形状にバラツキが出るなど品質において、治具や加
工装置や加工条件の管理が困難である。また、加工圧力
のかからない部分でコンベックス加工するため品質の良
い局面を作成したり、凹形水晶振動子で一定の曲率半径
でなおかつ、大きな曲率半径でなだらかな凸レンズ形状
を形成するのは困難である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、圧電振
動素子において、高い周波数帯においても凸レンズ形状
は副振動対策に有用な形状であるが、凸レンズ形状を有
する平板形振動子や凹形振動子を容易に板厚を薄く加工
し、さらに凸レンズ形状を変形させずに形状を維持しつ
つ薄板化するのは困難である。また、一方向にのみ枠部
を有する圧電体片を製作する場合、容易に凸レンズ形状
加工をおこったり、薄板化するのは困難であある。さら
に凸レンズ形状を有する圧電体片の薄板化において、特
に、従来からある方法を含め実績有る凸レンズ形状加工
技術で加工した凸レンズ形状を有する圧電体の板を利用
し、平板形や凹形や一方向にのみ枠部をもつ圧電振動素
子を容易にかつ柔軟に製造することは重要な課題であ
る。

【００１２】本発明は前記問題点を顧みてなされたもの
で、副振動対策がなされ主振動が安定して発振し、特性
の安定性に優れた凸レンズ形状を有する圧電振動素子と
圧電デバイスを提供することを目的とする。また、本出
願は、実績ある凸レンズ形状加工技術を流用して薄板化
を実現した圧電振動素子の製造方法を提供することを他
の目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】一方の主面に凸レンズ形
状を有する圧電体片に電極を配して利用する圧電振動素
子において、前記圧電体片は、一方の主面の全面をまた
は部分を凸レンズ形状に加工した後、少なくとも前記凸
レンズ形状である主面に保護膜を形成し、前記凸レンズ
形状を維持しつつ前記保護膜を形成してある保護膜形成
部分を除いて加工し、保護膜により保護された凸レンズ
形状の品質を維持しつつ、特に板厚を薄くすることを実
現する。

【００１４】

【発明の実施の形態】(実施例１) 図１は本例の圧電振
動子の構成を示す図である。大容量高速度通信用機器に
おいて、より高周波数で発振し、ノイズ発生の少ない圧
電デバイスを必要とするが、周波数発生源に利用される
ＡＴカット水晶振動子などは１００ＭＨｚ以上の基本波
で発振するには、板厚を５０μｍ以下にまで薄くする必
要がある。一方、このような周波数帯においても凸レン
ズ形状は副振動対策に有用な形状であるが、薄板化した
後に凸レンズ形状に加工するのはワレ易く特に５０μｍ
以下まで薄板化するのは難しい。本明細書ではコンベッ
クス形状や光学用レンズを凸レンズ形状と呼ぶ。さら
に、凸レンズ形状を有する平板形振動子や凹形振動子を
容易に板厚を薄く加工し、凸レンズ形状を変形させずに
形状を維持しつつ薄板化するのは困難である。また、一
方向にのみ枠部を有する圧電体片への加工は特に形状を
作りづらく、容易に凸レンズ形状に加工するのは困難で
あり、さらに凸レンズ形状を有する圧電体片を薄板化す
る場合、特に、従来からある方法を含め実績有る凸レン
ズ形状加工技術で主面を凸レンズ形状に加工した圧電体
の板を利用し、平板形や凹形や一方向にのみ枠部をもつ
圧電振動素子を容易にかつ柔軟に製造することは重要な
課題である。このため、本発明は前記問題点を顧みてな
されたもので特性の安定性に優れた圧電振動素子を提供
することを目的とする。また、本出願は、実績ある凸レ
ンズ形状加工技術を流用して薄板化を実現した圧電振動
素子の製造方法を提供することを他の目的とする。

【００１５】図１は、本発明の一例である主振動に厚み
滑り振動を利用する共振周波数１００ＭＨｚのＡＴカッ
トの水晶振動子を示す。一方の主面である表側主面２全
体を凸レンズ形状４に加工し、裏側主面３に垂直な方向
から見て円形の水晶片１と、表側主面２に配される表側
電極５と、他方の主面である裏側主面３に配される裏側
電極６と、から構成される圧電振動素子である。図８の
ように保持器５０１に封入して水晶振動子、つまり本明
細書でいう圧電デバイスとして使用する。通常は水晶片
を電極と共に保持し、保持器に封入した物を水晶振動子
という（水晶デバイスの解説と応用日本水晶デバイス
工業会技術委員会編１９９６年１０月）圧電体片に利用
する結晶には他にランガサイトやニオブ酸リチウムなど
の圧電性を示す単結晶があげられ、特に水晶は現在一般
的に周波数発生源として利用されている。ランガサイト
は水晶と同様に安定した周波数発生源として期待されて
いる。図中で下の３方向の矢印は水晶片１の幾何学的な
方位を示す結晶軸を示す。本例はＡＴカットの水晶片１
であり、Ｙ軸に垂直なＹカット水晶片をＸ軸回りに回転
した位置で切断してえられる。このため、正規の結晶軸
方向から回転しているためにＺ’とＹ’と表示してい
る。また、矢印の方向を＋としている。

【００１６】表側電極５と裏側電極６にはさまれた領域
で水晶片１は主に振動するため、ここで支持することを
避けるために、一般的に表側引出し電極２０１、裏側引
出し電極２０３を形成し、さらに支持や導通を確実にす
るためより広い面積の表側パット２０２、裏側パット２
０４を配する。表側電極５と表側引出し電極２０１と表
側パット２０２は通常同時に形成され連続した膜であ
る。また、裏側電極６と裏側引出し電極２０３と裏側パ
ット２０４も通常同時に形成され連続した膜である。別
々に形成されても導通が取れているのは必要である。こ
の電極の構造は振動領域が支持領域より距離を持つ音叉
形振動子をはじめとして、水晶振動子では一般的に使用
されている。

【００１７】図２は図１をｘ軸回りに回転して斜めから
見た図である。図３は表側主面３に垂直な方向から見た
図である。図４は水晶片１の凸レンズ形状４を維持しつ
つ薄板化するために表側主面２の全面に保護膜７を形成
した図である。図５は図４の断面図である。図６は凸レ
ンズ形状４の形状を決定する寸法値を示した断面図であ
る。図７は凸レンズ形状４を維持しつつ水晶片１を薄板
化するプロセスの概要である。図８は凸レンズ形状４を
有する圧電振動素子を利用した圧電デバイスの例であ
る。図９は水晶片１の輪郭の形状例である。図１０は凸
レンズ形状４を維持して薄板化し、さらに複数の形の圧
電振動素子へ加工するよう保護膜を形成した例である。
図１４は、ウエハー４０５に凸レンズ形状４を加工し、
その後水晶片１に分離する加工プロセスの概要である。
図１と図７を中心に図２、図３、図４、図５、図６、図
８、図９、図１０、図１４により説明する。

【００１８】図１の符号１は水晶片であり、ＡＴカット
でｚ’方向が直径４ｍｍの輪郭寸法３０７で形成したも
のである。輪郭寸法３０７は、周波数が決定される屈曲
振動や伸長振動や輪郭滑り振動などの高次の副振動を避
けたり、支持の影響を主振動がなるべく受けない値で決
定する。板厚は約１７μｍであり、本明細書での一方の
主面を凸レンズ形状に加工する圧電体片の板厚とは、図
６における中心厚み３０４をいう。表側主面２の端と裏
側主面３の端の距離を端厚３０３いう。図１０の
（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）など凸レンズ
形状４を一方の主面の部分に加工した場合は、表側主面
２の平坦な面と裏側主面３の距離とする。本明細書の部
分とは全体の一つに区分された領域をいい、領域は全体
の中に複数存在てもよい。表側主面２と凸レンズ形状と
中心軸２０５の交点との距離を凸レンズ高さ寸法３０２
とする。ＡＴカットの他にＺカット、ＳＣカットなどが
ある。Ｚカットは音さ形振動子で屈曲振動などに使用さ
れ光学用フィルターなど光学素子としても使用する。Ｓ
Ｃカットは高安定の水晶振動子として使用する。特にＳ
Ｃカットは特性が高安定の周波数発生源として利用さ
れ、本明細書のように平板形の水晶片１に凸レンズ形状
を設けるのは一般的になされている。

【００１９】水晶片１は輪郭寸法３０７が４．０ｍｍ、
つまり直径４ｍｍの円形である。水晶片１の形状は各種
あり、主面に垂直な方向より見た主な輪郭形状の例を図
９に示す。長方形（ａ）や、正方形（ｂ）や、円形
（ｄ）でも、軸方向を決めるため一箇所がカッッティン
グされた（ｅ）や（ｆ）でも、角のカケを避けるためあ
らかじめ角取りした八角形（ｆ）や３角形（ｃ）でもよ
い。その外、多角形の（ｇ）のような多角形の輪郭形状
でもよい。本発明でいう、任意の寸法の圧電体片は、こ
れらの形状においてそれぞれ輪郭寸法が決められる。Ａ
Ｔカットの水晶振動子では、副振動が主振動へ極力影響
しないような値で決定され、長方形（ａ）では、例えば
ｘ方向の輪郭寸法は４．０ｍｍ、ｚ’方向の輪郭寸法は
４．５ｍｍと決められる。また、ｙ’方向の板厚は周波
数と電極厚みとから決定され例えば、１７μｍと決めら
れる。長方形（ａ）、円形（ｄ）、カッティングされた
円形（ｅ）、音叉形（ｇ）は一般的に使用されている。
（ａ）は短冊形と呼ばれて特に表面実装型水晶振動子で
多用されており、円形（ｄ）や（ｅ）は製造容易で古く
から一般的に使用されている形であり、３角形（ｃ）は
水晶などの３回対称軸を利用し輪郭が形成しやすく、安
定した寸法精度を得られる。これら輪郭形状の一方の主
面の全面または部分が凸レンズ形状４に加工してある。

【００２０】２は表側主面であり、主面とは水晶片１ま
たはウエハー４０５で最も面積の広い面を言い、本例で
はＡＴカットの切断面と平行な面であり、図１で示すと
ころのｙ’軸に垂直な一方の主面である表側主面２さら
に他方の主面である裏側主面３に相当する。本例での表
側主面２は凸レンズ形状４のため平坦ではない。また表
とは図１でいう正面であり、裏とは逆側に位置する。一
方と他方は、どちらになる場合もある。表側主面２に
は、図２のように凸レンズ形状を設けてあり、図１のよ
うに正面から見ると円であり、図２でいう凸レンズ直径
寸法３０６は水晶の輪郭寸法と同じく約４ｍｍであり、
凸レンズ高さ寸法３０２は約０．００００５ｍｍであ
る。凸レンズ高さ寸法３０２は水晶片１の表面をレーザ
ー干渉計によリ測定した。ニュートン稿より円状に凸と
なっていることを確認できる。図ではわかりやすくする
ために曲率半径３０６を小さくし強調して示している。
また、振動子の輪郭寸法図３、図７、図８、図９ではわ
かりやすくするためにウエハー５の板厚を厚く示してい
る。また、図１、図５、図６ではわかりやすくするため
に凸レンズ形状４と平板部の境界を線ではっきりと示し
ている。

【００２１】凸レンズ形状４は水晶片１の輪郭までいっ
ぱいに形成してもよいが、共振周波数、輪郭寸法、電極
寸法、副振動の主振動への影響、支持からの影響または
電気的特性への影響により寸法を調整する必要がある。
電気的特性とは圧電デバイスの等価直列抵抗Ｒ１、等価
直列容量Ｃ１、等価直列インダクタンスＬ１、並列容量
Ｃ０またはこれらをパラメータとする値のことである。
凸レンズ形状４の寸法は、凸レンズ直径３０６と曲率半
径３０１などで表される。曲率半径が大きいほど、凸レ
ンズ形状４はなだらかになり本例の凸レンズ高さ寸法３
０２は小さくなる。凸レンズ形状４の曲率半径を小さく
すると、凸レンズ直径３０６は小さくなるとともに凸レ
ンズ高さ寸法３０２は大きくなり、電気的特性にも影響
し、例えば一般的に容量比（Ｃ０／Ｃ１）は大きくな
る。このため、ＶＣＸＯ用では、凸レンズ形状４で副振
動対策を行なうが、極力、凸レンズ形状４の曲率半径３
０１を大きくして、凸レンズ直径３０６が大きく、凸レ
ンズ高さ寸法３０２の小さいなだらかな形状となるよう
に形成し、容量比を抑えたり、周波数をシフトしやすく
なる。

【００２２】凸レンズ形状４は、図３のように水晶片１
を球面研削機で加工して設ける。凸レンズ形状の加工方
法は各種有るが、研削、砂かけ、研磨、心取り、化学処
理の手順で処理し形成した。（光学技術ハンドブック
朝倉書店）また、凸レンズ形状を有する水晶片は市販も
されており、最低、曲率半径３０１と凸レンズ高さ寸法
３０２と面精度を指定すればよい。凸レンズ高さ寸法３
０２のかわりに曲率半径３０１で指定しても良い。面精
度はニュートン稿の本数、面積当りの凹凸荒さなどで指
定する。その他に窓の開いた支持板に水晶片１をはり支
持板と逆側の主面を研磨することで凸レンズ形状４に加
工したり、レーザー加工機など物理的な加工方法やドラ
イエッチング機などの化学的な加工方法で凸レンズを加
工しても良い。

【００２３】５は表側電極であり、６は裏側電極であ
る。振動は水晶片１の中央付近に配す表側電極５と、対
向して裏側主面３に配する裏側電極６との間で主におこ
る。電極とは水晶片１に電荷を与えたり、水晶片１に存
在する電荷を受け取ったりし、電荷の交換を水晶片外の
発振回路または動作回路と行なうために水晶片１に配す
る導電性の膜をいう。図８で示すとおり、振動領域で保
持器５０１に支持する支持では主振動に大きな影響を及
ぼすために、主面の平板領域に保持器５０１と導通を取
るための表側引き出し電極２０１と表側パット電極２０
２で構成される引き出し領域を形成し、引き出し領域で
支持する。引き出し領域での圧電体片１との電荷の交換
は考慮していない。表側パット電極２０２では接着剤や
バンプやワイヤなどを接続し導通さらに支持するために
充分な面積を必要とし、表側引き出し電極２０１より幅
を広くとる。このような引き出し領域を形成するのは音
叉形水晶振動子ではごく一般的に行なわれている。表側
電極５の引き出し領域は、表側主面２から裏側主面３に
輪郭の側面をまわし込んで配してもよく、保持器５０１
への支持方法と導通の取り方で決定する。

【００２４】表電極は、主に、金、銀、アルミニウム、
ニッケル、クロム、またはこれらの合金や、これらを積
層したものである。Ａｕは耐腐食性にすぐれ長期間安定
した特性を持続する。アルミニウムは金より軽量で板厚
が１７μｍなどと非常に薄い場合に重力による余分な変
形を与えないが、逆に周波数調整における調整量が少な
く板厚４０４をより精密に加工し合わせこむ必要から製
造が困難になる。また板厚４０４は金より厚くなる。本
例ではクロムを２０Å、金を６００Åの２層構造にし、
クロムは金と水晶の緩衝材的役割で密着性を上げるのに
利用する。クロムをニッケルにしてもよく、ニッケルと
クロムの合金であるニクロムと金の２層膜もよく使用さ
れる。同じ周波数で発振するには、表側電極５または裏
側電極６を厚くすると重くなるため板厚４０４を薄く
し、薄くすると板厚４０４を厚くする必要がある。本例
では表側電極５と表側引き出し電極２０１と表側パット
電極２０２は、貫通穴の電極形状パターンを配した形状
マスクを通して蒸着し、同時に形成しているが、一旦、
主面全体に金属膜をつけフォトリソ技術で微細なパター
ンを作成しても良い。

【００２５】電極は、一体の膜として形成されるが、部
分的に別に形成してもよく、部分的に膜の厚みを変えて
もよい。例えば、表側電極５と表側引き出し電極２０１
は水晶片１の重量の影響を軽減するために薄くしたい
が、表側パット電極２０２はバンプに充分接合させるた
め厚くしたい場合などが挙げられる。裏側主面３も同様
に裏側電極６と裏側引き出し電極２０３と裏側パット電
極２０４を配する。本例では表側電極５を裏側電極６よ
り面積を小さくして設ける。これは、面積の小さい電極
に電気的特性が影響されるため、小さい面積の電極を凸
レンズ形状４の中心部分に正確に配する必要があり、凸
レンズ形状４の中心位置を測定しやすい表側主面２に設
けた。寸法精度良く形成するのには平坦である裏側電極
６に小さい面積の電極を配し、例えば、フォトリソ技術
などを利用して精密に形成してもよい。図１２の（ｔ）
で示すような副振動では横方向に適当な寸法で電極を配
すると電荷的にうち消される。このためフォトリソ技術
を利用することで十分な寸法精度を確保できる。表側電
極５にフォトリソ技術を利用し、面積の広い裏側電極６
に蒸着マスクを利用してパターンを形成しても、両方の
電極を同じ方法でパターンを形成しても良い。ただし、
少なくとも表側電極５、裏側電極６のどちらかは水晶片
１の板厚４０４に微調整を終了してから配する。

【００２６】図７は本例の圧電振動素子の製造方法の一
例を示している。本例の圧電振動素子は（ｅ）のように
水晶片１と表側電極５と裏側電極６とで主に構成され
る。（ａ）は、切り出し工程と、圧電体片形成工程であ
る。切り出し工程は、ランバートと呼ばれる結晶板をバ
ンドソーやワイヤソーなど物理的な衝撃により加工する
物理的加工で板状に板厚０．８ｍｍ程度で切断した。切
り出し角度は水晶のＡＴカットでｘｚ面をｘ軸回りに３
５°１５′回転した面で切り出した。圧電体片形成工程
では、さらに板厚を０．９ｍｍに研磨し、輪郭を直径４
ｍｍの円形に加工した。板厚はこの工程で０．５〜２ｍ
ｍくらいにしておくのがエッチング工程（ｄ）での手間
や表面荒れなど品質を考えて現実的である。

【００２７】（ｂ）は、一方の主面を凸レンズ形状に加
工する凸レンズ形状加工工程で、少なくとも切り出し工
程で主面を形成してから加工した。本例では、０．９ｍ
ｍの板厚で４ｍｍの円形の輪郭を形成した後、球面研削
機により凸レンズ形状に加工した。その後、表面粗さ、
面精度を良くするために必要に応じて砂かけ、研磨、心
取り、化学的処理を行なう。本例では、研磨はにより凸
レンズを形成後、さらに研磨による破砕層をなくすため
に化学的処理をおこなった。化学的処理は後のエッチン
グ工程（ｄ）ほど数１０μｍも薄板化するのでなく、球
面加工、研磨による加工層をなだらかにするため数μｍ
行なえばよい。本例ではフッ酸を使用し表側主面３の球
面研削時の加工層を取り除くため２μｍほどエッチング
した。化学処理はリアクティブイオンエッチング
（以下ＲＩＥ）でＣＦ４やＣ２Ｆ６やＣＨＦ３などガス
を利用したドライエッチングなどの化学的な反応により
水晶主面を溶かす方法を利用してもよい。

【００２８】（ｃ）は、保護膜形成工程である。保護膜
７は、クロム、金の２層膜で構成した。図４のように凸
レンズ形状４の表面つまり、本例では表側主面２の全面
に保護膜７を形成して保護する。断面では図５のように
なる。クロムの厚みは２００Å、金の厚みは２０００Å
である。２層膜の他に３層膜、４層膜であっても良い
が、保護膜７は（ｄ）で使用するエッチング用液への耐
性があればよい。クロムはニクロムであっても良く金と
水晶の緩衝材として使用する。この緩衝材がないとこす
る程度でも金は剥離する。金は白金であってもよく、後
に板厚の加工に利用するエッチング用液を遮断し、水晶
を溶解されない様にする。他の化学的加工法、物理的加
工方法でもそれぞれ適した保護膜を形成し使用すれば良
い。その他にレジストなどの有機物の膜を利用しても良
い。保護膜７は蒸着、スパッタの他気相合成法で形成し
てもよい。

【００２９】（ｄ）は、（ｃ）で保護膜７を形成した水
晶片１をエッチング用液に浸けて水晶片１を溶かして板
厚４０４まで薄板化する。本例では溶解部分４０１を溶
かし加工して１７μｍにした。この時、保護膜７を配し
た表側主面２はエッチング用液を遮断し加工されない。
つまり、保護膜のない裏側表面３が溶解部分４０１に示
すとおりエッチング用液に溶解し加工される。実際に
は、輪郭側面４１０も同時にエッチングされるが、輪郭
寸法３０７が４ｍｍに対して。本例では特に重要でない
ため記載しないが、例えば側面を全周囲において同一形
状に揃える場合、断面を台形や任意の輪郭にする場合は
保護膜７を任意のパターンで形成すればよい。エッチン
グ用液は水晶を溶解し、フッ酸、フッ化アンモニウム、
純水で構成され、必要に応じて界面活性剤などの添加物
を含有させる。さらに、エッチング用液は２μｍ／ｍｉ
ｎと早いエッチングレートのため、０．０５μｍ／ｍｉ
ｎと遅いエッチングレートの微調整用の第２のエッチン
グ用液としてフッ化アンモニウムの水溶液を使用して板
厚４０４を微調整しても良い。この時、同様に遅いエッ
チングレートであるドライエッチングのＲＩＥなどを併
用して微調整しても良い。

【００３０】微調整量は微量であり板厚で測定するのは
困難なのでネットワークアナライザーで水晶片１の周波
数を測定し、目標に調整する。任意の板厚４０４に微調
整するのは電極による周波数調整幅は、数百〜数千Å程
度と有限である電極の厚み分しか調整できないため、電
極を成膜する前に水晶片１の板厚を、電極による周波数
調整の限界範囲以内にまで調整しておくことを考慮す
る。特に９０μｍから２０μｍ付近までエッチング用液
で２０分程度で複数の水晶片１の薄板化の加工すると板
厚が１μｍ程度でバラつく。同程度の板厚の水晶片１を
まとめ微調整すると効率よく任意の板厚４０４に合わせ
込める。各ウエットエッチングは一般的にフォーク形の
輪郭を形成したり、ＡＴカットの水晶片の板厚調整など
水晶の加工では一般的に使用されており、ＲＩＥはシリ
コンやＳｉＯ２などの半導体や、マイクロマシンや、光
導波路のの加工に使用され、表面弾性波デバイス（ＳＡ
Ｗデバイス）などの水晶の板厚調整にも使用されてい
る。例えば両面研磨から化学的加工、両面研磨から化学
的加工、さらに両面研磨を行ってもよく、少なくともエ
ッチング用液で短時間で任意の板厚付近まで薄板化し、
これらの加工方法を組み合わせて任意の板厚に均一に加
工すればよい。

【００３１】（ｅ）は、電極形成であり、表側電極５と
裏側電極６は対向して形成する。表側電極５と表側引出
し電極２０１と表側パット２０２は通常同時に形成され
連続した膜である。また、裏側電極６と裏側引出し電極
２０３と裏側パット２０４も通常同時に形成され連続し
た膜である。別々に形成しても、導通が取れてればよ
い。本例ではスパッタにより金属源と水晶片１の間に電
極の形状の穴のあいたマスクを挟み、厚み２０Åのクロ
ムと厚み６００Åの金の２層膜で形成した。クロムは水
晶と金の密着性を強めるために必要であるが、密着性を
向上するのに真空中で加熱してから電極形成してもよ
い。スパッタの他に抵抗加熱やイオンビームなどで形成
してもよい。表側電極５と裏側電極６は一回の工程で形
成するのに素子を電極形成中に回転させて同時に形成し
てもよい。また、表側主面５と裏側主面６の全面にニク
ロムと金の２層膜を形成した後、フォトリソ技術を利用
して電極の形状に加工してもよい。この場合、レジスト
を２層膜上に塗り、光源と水晶片１の間に電極の形状の
パターンを配したマスクを挟み露光し、さらに現像液に
浸けて電極の形状にレジストを現像し、金を溶解する液
とニクロムを溶解する液とにそれぞれ浸けてレジストの
存在しない部分の２層膜を溶解して電極の形状に加工し
てもよい。電極の形状とは、表側主面２においては表側
電極５、表側引き出し電極２０１、表側パット電極２０
３を含んで良い。ただし、ポジレジストを利用した場合
であり、ネガレジストを利用してもよい。

【００３２】図１０に示すとおり、凸レンズ形状によ
り、また保護膜７、８の保護膜形成部分により、溶解部
分４０１は決定され、水晶片１の形状も各種になる。
（ａ）は水晶片１の表側主面２の全面を凸レンズ形状４
に加工し、裏側主面３全体を溶解部分４０１とし、板厚
４０４を薄く加工する。（ｂ）は凸レンズを表側主面２
の部分に形成する。（ｃ）は端厚３０３の厚み分すべて
溶解部分４０１とする。同様に凸レンズ形状加工工程時
に端厚３０３がほぼ０である水晶片１を形成しても同様
な形状となる。（ｄ）と（ｅ）は裏側主面３の一部を除
いて保護膜８を形成し、裏側主面３の中心辺りの前記一
部を溶解部分４０１とした。これは逆メサ形といわれる
凹形の水晶片１となる。１７μｍの板厚４０４の薄板部
４０２と９０μｍの厚みの枠部４０３とからなる。保護
膜８は保護膜７と同時に形成してもよく、別に形成して
もよい。（ｆ）と（ｇ）は表側主面２に垂直な中心線か
ら見て４方向を考えた場合、一方向の輪郭に接する一部
を除いて逆方向の輪郭に接する部分に保護膜８を形成
し、前記一部を溶解部分４０１とする。特に（ｆ）と
（ｇ）のように一方向に枠部４０３を持つコンベックス
形状の圧電振動素子を従来技術で薄板化するのは、ワレ
たり、枠部４０３と支持用ジグの誤差などにより困難で
ある。本発明での保護膜形成部分を除いて加工とは、本
例のような薄板化を含み、特に３５μｍ程度の板厚の薄
板に加工することをいう。また、（ｈ）と（ｉ）のよう
な輪郭側面を加工することも含み、輪郭寸法３０７を揃
えたり、ウエハー４０５を個々の水晶片１に分離する場
合に相当する。

【００３３】薄板化の他に圧電体片の輪郭を加工して
も、これらを同時に加工して良いが、凸レンズ形状４を
保護膜７で保護し、形状を維持しつつ加工すれば良い。
また、水晶片１にしてから保護膜形成部分を除いて加工
しても、ウエハー４０５の状態で保護膜形成部分を除い
て加工してもよいが、後者では、加工後に個々の水晶片
１に分離する圧電体片形成工程が必要である。保護膜形
成部分を除いて加工する手段も本例のウエットエッチン
グの他に次ぎのものもある。ウエットエッチングやＲＩ
Ｅなどのドライエッチングの水晶結晶を溶解して加工す
る化学的加工や、サンドブラスト、レーザー、超音波な
どを使用した物理的衝撃で加工する物理的加工などがあ
る。ＲＩＥはエッチング速度が遅く時間がかかりコスト
が高くなるが、面粗さはよい。物理的加工はエッチング
速度が速いが、面粗さは一般的に悪い。保護膜７を少な
くとも形成することで、化学的加工方法でも、物理的加
工方法でも、凸レンズ形状４は保護され形状を変化させ
ずに水晶片１を加工することが可能となる。

【００３４】図１４は、圧電振動素子の製造方法の他の
例で、図７は個々に分離したら凸レンズ形状４を特願
平１１―３２４４９２のように１インチや２インチ程度
のウエハーに同時に凸レンズ形状を複数形成したウエハ
ー４０５を薄板化した後に、個々の水晶片１に分離する
プロセスの概要である。（ａ）は、切断工程としてＡＴ
カットの切断面で切りだし、ウエハー形成工程として外
形も加工し１インチのウエハー４０５を形成する。
（ｂ）は、凸レンズ形状加工工程として、表側主面２に
凸レンズ形状４を複数個形成する。（ｃ）は、保護膜形
成工程としてクロムと金からなる保護膜７をスパッタ
し。その後フォトリソ工程としてレジストを塗布し、露
光し、現像し、保護膜７を溶解して水晶片１の形状以外
を取り除き、輪郭のパターンに加工する。（ｄ）は、エ
ッチング工程としてエッチング用液に浸けるとウエハー
４０５は溶解部分４０１が溶解して薄板化され、同時に
圧電体片加工工程として、表側輪郭寸法４０８と裏側輪
郭寸法４０９の水晶片１に加工され個々の水晶片１に分
離する。この時、輪郭側面４１０も溶解されるため、保
護膜７を形成した表側主面２の輪郭付近も溶解し、アン
ダーカット部４０７が生じる。また、保護膜７の存在で
表側主面２は溶解されにくく、表側側面輪郭寸法４０８
が裏側輪郭寸法４０９より大きくなり台形となる。これ
は、べべリング加工と同じように輪郭の副振動を抑え
る。水晶片１同士の間隔を詰めより取れ数を多くする
と、目標の板厚４０４に到達しても水晶片１が個々に分
離されない場合があるが、水晶片１の分離手段として、
物理的加工または化学的加工などがある。物理的加工は
レーザーなどを使用する光学加工で作業が容易であり、
その他にカッターやワイヤーソーやサンドブラストなど
の物理的加工は実績ある切断方法である。物理的加工に
は破砕加工として輪郭周辺で折る方法も簡易的となる。
化学的加工はウエットエッチングによる分離は液中で水
晶片１がばらばらになり回収困難なのに比べ、ＲＩＥな
どドライエッチングによる分離は水晶片１は散乱せず回
収が容易となる。（ｅ）で電極を形成する。

【００３５】図８は保持器５０１に封入した水晶振動子
である。本明細書の封入とは、圧電振動素子を保持器の
内部で支持し封止する事をいう。図７の（ｅ）の圧電振
動子が支持工程、さらに周波数調整工程、さらに封止工
程をへて図８のような圧電デバイスとなる。保持器５０
１は水晶片１と電極５、６からなる水晶振動子及び支持
系を保護すると伴に、電極５、６と外部回路とを電気的
に接続させる容器を言う。支持工程は、平坦な裏側主面
３で保持器５０１に支持するために、裏側主面３を保持
器５０１側へ向けて固定する。ワイヤボンディングを平
坦な裏側主面３でおこなう場合は、表側主面２を保持器
５０１側へ向けて固定してもよい。保持器５０１への水
晶片１の支持は支持剤５０４、５０５により支持する
が、支持材５０４には導電性のものを利用し裏側電極５
と端子５０２との導通と、支持とを兼ねている。表側主
面２を保持器５０１側に向けて支持してもよい。表側電
極５はワイヤボンディリングによるワイヤ５０６を利用
して端子５０３まで導通をとる。支持剤５０４、５０５
はバンプ、接着剤などがある。導通とは、電流的に接続
していることを言う。

【００３６】周波数調整工程は、リッド５０７により蓋
をする前に保持器５０１の開口側を向いている表側電極
５を加工することで行なう。本例では保持器５０７に支
持後に、表側電極５の表面をＡｒイオンのイオンガンを
利用したエッチング方式により削る。調整量は共振周波
数を端子５０２、５０３をネットワークアナライザーな
ど周波数測定装置に接続して、周波数を測定しつつ調整
し、本例では目的の共振周波数である１００．０ＭＨｚ
の±２ｐｐｍに調整する。周波数調整における電極の加
工手段は、電極を削るエッチング方式と、電極に重量を
つける加重方式がある。エッチング方式はイオンガンや
レーザーやスパッタや研磨などでおこなわれ、電極を削
ることで主振動の共振周波数は高くなる。加重方式で
は、スパッタや蒸着や塗布などにより電極表面に積層
し、表側電極５の金を積層することで主振動の共振周波
数は低くなる。一般的にはＡｕやＡｌなどを積層する
が、ただ加重するのなら他の材料でも良い。

【００３７】封止工程は、保持器５０１に蓋をして封
止、つまり密封する工程である。蓋であるリッド５０７
を保持器５０１に載せ真空中で加熱し、金とスズの合金
が融解することで封止する。保持器５０１は水晶片１を
外気から遮断しつつ圧電振動素子を回路上で利用するた
めに使用する。セラミックや、圧電体や、金属などの材
料からなる。セラミックは表面実装型の圧電デバイスで
一般的に利用され、圧電体は圧電体片と同じ材料を利用
することで温度変化による共振周波数の変化などを防
ぐ。金属は外壁を薄くしやすくセラミックより小型なパ
ッケージを作りやすい。本例では、セラミックのＳＭＤ
型の保持器５０１であり、平板とロ形板を積層構造にし
て凹構造を形成し、凹構造内に圧電振動素子を収める２
層積層形である。保持器５０１の内側と外側の端子５０
２、５０３をそれぞれ導通とるためにビアホールという
導通線を配している。

【００３８】保持器５０１のその他の構造としては、平
板とロ形板の間にもう１枚はさんで段を形成し、ここで
厚電デバイス素子を支持する３層積層形や、平板だけの
１層形もある。３層積層形は圧電振動素子の下に空間が
できるためにそこに発振回路を含むＩＣチップを設置し
て圧電振動素子と接続し、圧電体が水晶の場合、水晶発
振器や、さらに電圧による周波数可変機能を付加して電
圧制御型水晶発振器または周波数変動による加速度検知
などのセンサーにしてもよい。水晶発振器や電圧制御型
水晶発振器は本発明の圧電振動素子の安定度が増す特徴
を生かし、信頼性ある小型な表面実装型圧電デバイスで
ある。この場合、パッケージの外側にある端子５０２、
５０３の他に電源電圧入力端子や、出力端子や、アース
端子及び周波数制御入力端子などを備えてＩＣチップと
接続する必要がある。リッド５０７は平板形や、ドーム
形などがあるがコストや製造方法により選択すればよ
い。蓋をすることを封止するといい、封止方法は抵抗溶
接封止、ガラス封止、ハンダ封止及びＡｕ−Ｓｕ封止な
どがある。封止方法により封止剤も決める。密封である
ことから、保持器内部５０８は真空に保たれたり、窒素
など不活性な気体の雰囲気で保たれて電極などの劣化を
防ぐ。

【００３９】(実施例２) 図１１は、主振動の共振周波
数が２００ＭＨｚの輪郭形状が長方形のＡＴカットの水
晶振動子である。図１１を中心に、図１３により説明す
る。表側主面２のうち部分を凸レンズ形状した。裏側主
面３の一部の厚みを薄くして凹形状を作成し、凹形状の
底である薄板部４０２に裏側電極６を配し、それに対向
して表側主面２に表側電極５を配する。薄板部４０２
は、板厚が約９μｍであり、薄板部４０２の周辺の枠部
４０３は板厚４０４が５０μｍ程度とした。ＡＴカット
では周波数定数＝薄板部の厚さ×主振動周波数で示さ
れ、利用する共振周波数により薄板部４０２の板厚４０
４は３５μm以下で変更する。製造方法は図７とほぼ同
じであるが、図１３に示す。表側主面２の一部を除いて
保護膜８を形成した後に、水晶片１を溶解するエッチン
グ用液に浸けて、裏側主面２の前記一部を加工すると凹
形状が形成される。つまり薄板部４０２とその周辺に厚
みの厚い枠部４０３が形成する。

【００４０】この凹形状にすることで外的衝撃に強く製
造上のハンドリングを良くし、さらに凸レンズ形状を有
することで副振動が主振動に影響を及ぼすことを極力防
止した品質の高い水晶振動子を容易に製造できる。図
（ｃ）で保護膜８を形成し、（ｄ）で保護膜８上にポジ
レジスト４０４を塗布し、（ｅ）で裏側主面３における
溶解部分４０１に相当する一部分のパターンを配した露
光マスクを光源と水晶片１と裏側主面３の間に挟んで露
光し、現像することでポジレジストを加工し、保護膜８
の金を溶かす液とクロムを溶かす液に浸けて、エッチン
グ用液に浸けて溶解部分４０１を溶かす。

【００４１】本例で枠部４０３は軸方向でいう薄板部の
４方向に存在するが、３方向でも、２方向でも、１方向
でもよく、３方向と１方向に枠部４０３がある圧電振動
素子は薄板部４０２だけで構成される圧電振動素子より
も強度的に強く、さらに４方向に枠部４０３のあるもの
よりも電極を大きく設計する場合に使用する。本例では
凸レンズ形状４を形成し、その後凸レンズ形状４に保護
膜３を形成し、さらに凹形状に加工するため、３方向と
１方向に枠部４０３を有する水晶片１でも凸レンズ容易
に凸レンズ形状４を設けられる。３方向と１方向に枠部
４０３を有する水晶片１は、片側のみで保持器に支持す
るため熱ひずみも緩和する。図１１の圧電振動素子は保
持器へ封入して圧電デバイスである水晶振動子として使
用する。

【００４２】薄板部４０２の両主面である表側主面２に
表側電極５を、さらに裏側主面３に裏側電極６を対向し
て配していることで主振動を得る。主振動とは本例では
厚み滑り振動であり、特に厚み滑り振動の基本波振動で
あるが、オーバートーンを利用してもよく、従来の平板
形の水晶振動子よりさらに高い周波数を実現可能とな
る。また、周波数発生源で利用する場合には凸レンズ形
状４を有することで、主振動の振動エネルギーを集中し
Ｑ値をあげ、周波数変動の少ない非常に周波数安定度の
優れた水晶振動子を得ることが可能となる。

【００４３】（実施例３）図１５は水晶片１に圧電現
象により加わるゆがみにより凸レンズ形状４が変形する
ことで光線６０１の集光６０２の焦点位置が変化する光
学部品である。伸長振動や屈曲振動や輪郭滑り振動や表
面波振動などの超音波を水晶片１中に一定方向に進行さ
せ、光の屈折率の周期的変動を生じさせることで水晶片
１を通る光の進行方向を変化させ周波数をシフトさせる
音響光学素子などとして利用してもよい。また、凸レン
ズ形状４やそれに対向する裏側主面３に積層金属膜を形
成しＩＲカットフィルターなどを配したり、副屈折板な
ど光学用部品として使用しても良い。音さ形の水晶片１
はＺカットで切り出されたウエハーに凸レンズ形状加工
を行ない、これに輪郭形状のパターンで保護膜を配し、
水晶片１が溶解するエッチング用液に浸けて輪郭を加工
する。図９でいう（ｈ）で示す形の輪郭である。保護膜
７、８は図１０の（ｈ）のように形成する。この状態で
エッチング用液に浸けると溶解部分４０２が溶け音叉形
の形状ができる。

【００４４】図１４に示す工程図で（ｃ）において保護
膜７の他に保護膜３を対向させて形成すれば輪郭は主面
２、主面３ほぼ同形状に加工される。この時、アンダー
カットとして過剰な溶解がなされ、保護膜７、８を形成
した部分も端付近で多少溶解されるが、その量は数十μ
ｍ程度であり輪郭寸法に対しては誤差である。このよう
に保護膜７、８のパターンを変更することで、凸レンズ
形状４を表側主面２に有する音さ形水晶振動子など、凸
レンズ形状４を有する各種の圧電振動素子を作成可能で
ある。輪郭形成後に、表側主面２と裏側主面３とさら
に、輪郭の側面にも電極４、５を形成し、図１５のよう
な２種類の電極を形成する。電極５と、電極６に＋また
は−の電流を交互に入力すると矢印６０３のように屈曲
振動する。２本の棒が離れる場合と、近づく場合に、凸
レンズ形状４の領域にもひずみが生じ、水晶片１中の屈
折率も変化し、平行光線９０８の集光９０９による焦点
位置も変化する。

【００４５】圧電振動素子とは、結晶軸に対してある決
められた幾何学的形状・寸法および角度に切断した圧電
体片に電極を配して電荷をかけ振動を得る素子である。
圧電振動素子を保持器に封入して圧電デバイスとして使
用する。主に圧電体片に水晶やランガサイトやニオブ酸
リチウムを利用した振動子や発振器やセンサーや光学素
子などである。水晶においては主にＡＴカット、Ｚカッ
ト、またはＳＣカットなどの水晶片１である。主面に垂
直な方向より見た圧電体片の輪郭は、４角形、３角形、
円形、フォーク形などがあり、断面では平板形や主面の
一部がへこんだ凹形状などの形があり、凸レンズ形状は
少なくとも一部に加工されている。ウエハーに複数個の
凸レンズ形状を同時に形成した場合は、水晶体片１の輪
郭は凸レンズ形状を設けてから、凸レンズ形状を保護膜
で保護した後に目的の輪郭や板厚に加工するが、物理的
加工方法または化学的加工方法でも保護膜により凸レン
ズ形状が変化されない。電極は金、銀、アルミニウム、
クロム、またはニッケルやそれらの合金で形成され、層
状になっていてもよく、この電極を加工して周波数を精
密に調整する。また、ＶＣＸＯ用では、凸レンズ形状で
副振動対策を行なうが、極力、凸レンズ形状の曲率半径
を大きくして、容量比を抑える。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、凸レンズ形状を有する
圧電体片の薄板化を容易にする事で、従来の凸レンズ形
状形成技術を流用し実績と信頼性ある凸レンズ形状を維
持しつつ薄板の圧電振動素子を実現する。また、平板形
振動子、凹形振動子の作り分けが凸レンズ形状を有する
ことで、副振動を減衰または主振動の共振周波数より離
し、振動が安定して発振する。また、主振動の振動エネ
ルギーが集中しＱ値が向上する。凸レンズ形状を同時に
形成したウエハーなどを、バッチ処理で薄板化し圧電振
動素子を製造するため、従来の個々に作成する加工方法
と比較して安価に提供する。一部分に板厚の厚い部分を
有し、さらに凸レンズ形状を有する圧電体片を容易に薄
板化できる。特に一方向にのみ板厚の厚い圧電体片の薄
板化には有用である。また、保護膜を形成するパターン
を変更することで凸レンズ形状を有する複数の輪郭、複
数の板厚の圧電振動素子を容易に製作する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本例の圧電振動素子の構成図である。

【図２】本例の圧電振動素子の構成図である。

【図３】本例の圧電振動素子の構成図である。

【図４】本発明の圧電振動素子の加工途中の図である。

【図５】本発明の圧電振動素子の加工途中の断面図であ
る。

【図６】本例の凸レンズ形状の断面図である。

【図７】本発明の圧電振動素子の製作方法の例である。

【図８】本例の圧電デバイスの構成図である。

【図９】本発明の圧電体片の輪郭の例である。

【図１０】本発明の圧電振動素子の加工途中の例であ
る。

【図１１】本例の圧電振動素子の構成図である。

【図１２】本例の圧電デバイスの主振動と副振動の概念
図である。

【図１３】本発明の圧電振動素子の製作方法の例であ
る。

【図１４】本発明の圧電振動素子の製作方法の例であ
る。

【図１５】本例の圧電振動素子の構成図である。

【符号の説明】

１水晶片２表側主面３裏側主面４凸レンズ形状５表側電極６裏側電極７表側保護膜８裏側保護膜９板厚２０１表側引き出し電極２０２表側パット電極２０３裏側引き出し電極２０４裏側パット電極２０５中心３０１曲率半径３０２凸レンズ高さ寸法３０３端厚３０４中心厚み３０５境界線３０６凸レンズ直径３０７輪郭寸法４０１溶解部分４０２薄板部４０３枠部４０４板厚４０５ウエハー４０６レジスト４０７アンダーカット部分４０８表側輪郭寸法４０９裏側輪郭寸法４１０輪郭側面５０１表面実装パッケージ５０２端子５０３端子５０４支持材５０５支持材５０６ワイヤ５０７リッド５０８真空６０１プラス領域６０２マイナス領域７０１光線７０２光線７０３変位方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の主面に凸レンズ形状を有する圧電
体片に電極を配して利用する圧電振動素子において、前
記圧電体片は、一方の主面の全面をまたは部分を凸レン
ズ形状に加工した後、少なくとも前記凸レンズ形状であ
る主面に保護膜を形成し、前記凸レンズ形状を維持しつ
つ前記保護膜を形成してある保護膜形成部分を除いて加
工したことを特徴とする圧電振動素子。
【請求項２】一方の主面に凸レンズ形状を有する圧電
体片に電極を配して利用する圧電振動素子において、前
記圧電体片は、一方の主面の全面をまたは部分を凸レン
ズ形状に加工した後、両方の主面に保護膜を形成し、少
なくとも前記凸レンズ形状を維持しつつ前記保護膜を形
成してある保護膜形成部分を除いて加工したことを特徴
とする圧電振動素子。
【請求項３】前記圧電体片は、他方の主面における一
部を除いて保護膜を形成し、前記一部を加工したことを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動素
子。
【請求項４】前記圧電体片は、板厚を３５μｍ以下に
まで薄く加工したＡＴカットの水晶片であることを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動素子。
【請求項５】前記圧電体片は、フッ化アンモニウムと
フッ酸のうちの少なくとも一方を含有するエッチング用
液を利用して前記板厚を加工したことを特徴とする請求
項４に記載の圧電振動素子。
【請求項６】前記圧電体片は、主面に垂直な方向から
見て、三角形、四角形、八角形または丸型であることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動素
子。
【請求項７】前記保護膜は、クロム、ニッケル、金、
白金、有機物またはこれらを積層した膜であることを特
徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動素
子。
【請求項８】請求項１から請求項７のいずれか一に記
載の圧電振動素子を、窒素もしくは不活性ガスで満たし
てまたは真空にして、密封容器へ封入した圧電デバイ
ス。
【請求項９】一方の主面に凸レンズ形状を有する圧電
体片に電極を配して利用する圧電振動素子の製造方法に
おいて、圧電結晶を任意の角度で切り出す切断工程と、
任意の寸法の圧電体片へ加工する圧電体片形成工程と、
少なくとも前記切断工程後に一方の主面の全面的または
部分を凸レンズ形状に加工する凸レンズ形状加工工程
と、少なくとも凸レンズ形状である主面に保護膜を形成
する保護膜形成工程と、前記保護膜を形成してある保護
膜形成部分を除いて加工するエッチング工程とからなる
ことを特徴とする圧電振動素子の製造方法。
【請求項１０】一方の主面に凸レンズ形状を有する圧
電体片に電極を配して利用する圧電振動素子の製造方法
において、圧電結晶を任意の角度で切り出す切断工程
と、任意の寸法の圧電体片へ加工する圧電体片形成工程
と、少なくとも前記切断工程後に一方の主面の全面また
は部分を凸レンズ形状に加工する凸レンズ形状加工工程
と、両方の主面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜を形成してある保護膜形成部分を除いて加工
するエッチング工程とからなることを特徴とする圧電振
動素子の製造方法。
【請求項１１】一方の主面に凸レンズ形状を有する圧
電体片に電極を配して利用する圧電振動素子の製造方法
において、圧電結晶を任意の角度で切り出す切断工程
と、任意の寸法の圧電体片へ加工する圧電体片形成工程
と、少なくとも前記切断工程後に一方の主面の全面また
は部分を凸レンズ形状に加工する凸レンズ形状加工工程
と、両方の主面に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜の一部を取り除くフォトリソ工程と、前記保
護膜を形成した保護膜形成部分を除いて加工するエッチ
ング工程とからなることを特徴とする圧電振動素子の製
造方法。
【請求項１２】前記フォトリソ工程は、他方の主面に
おける一部に形成した保護膜を取り除き、前記エッチン
グ工程は、前記一部を加工することを特徴とする請求項
１１に記載の圧電振動素子の製造方法。
【請求項１３】前記凸レンズ形状加工工程は、研磨で
凸レンズ形状にした圧電体片をさらにリアクティブイオ
ンエッチングで凸レンズ形状の主面を加工することを特
徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一に記載の
圧電振動素子の製造方法。
【請求項１４】前記保護膜は、クロム、ニッケル、
金、白金、有機物またはこれらを積層した膜であること
を特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか一に記
載の圧電振動素子の製造方法。
【請求項１５】前記エッチング工程は、フッ化アンモ
ニウムとフッ酸のうちの少なくとも一方を含有するエッ
チング用液を利用して加工すること特徴とする請求項９
から請求項１４のいずれか一に記載の圧電振動素子の製
造方法。