JP2004289237A - 水晶振動片とその加工方法および水晶デバイスと水晶デバイスを利用した携帯電話装置および水晶デバイスを利用した電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】水晶振動片３２の内部にレーザ光ＬＢ−Ｆを照射することで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片３２の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定する、水晶振動片の加工方法。
【選択図】 図４
【解決手段】水晶振動片３２の内部にレーザ光ＬＢ−Ｆを照射することで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片３２の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定する、水晶振動片の加工方法。
【選択図】 図４
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、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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定する、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。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記レーザ光の焦点位置を前記水晶振動片の内部に設定することを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、水晶振動片に照射されるレーザ光の焦点を水晶振動片の内部に設定するだけで、その結晶構造を変化させることができるため、従来のように電極面や水晶材料の表面の狭い範囲に精密なフォーカス調整を行う必要がなく、その分加工が容易である。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明のいずれかの構成において、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３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。
【００１６】
第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記水晶振動片としてＡＴカット振動片を使用することを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、この発明の手法を利用することで、振動片の表面付近で加熱する場合と比べて、材料内部に熱を閉じ込めることが可能なので、特に熱的影響を考慮する必要があるＡＴカット振動片に対して、その性能を損なうことのない加工を行うことができる。
【００１７】
また、上述の目的は、第５の発明によれば、パッケージ内に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、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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域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５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６の発明は、第５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６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７の発明によれば、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている、水晶振動片により、達成される。
第７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８の発明によれば、パッケージまたはケース内に水晶振動片を収容した水晶デバイスであって、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている、水晶デバイスにより、達成される。
第８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９の発明によれば、パッケージまたはケース内に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、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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１０の発明によれば、パッケージまたはケース内に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、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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。
【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、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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定する、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。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記レーザ光の焦点位置を前記水晶振動片の内部に設定することを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、水晶振動片に照射されるレーザ光の焦点を水晶振動片の内部に設定するだけで、その結晶構造を変化させることができるため、従来のように電極面や水晶材料の表面の狭い範囲に精密なフォーカス調整を行う必要がなく、その分加工が容易である。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明のいずれかの構成において、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３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。
【００１６】
第４の発明は、第１ないし第３の発明のいずれかの構成において、前記水晶振動片としてＡＴカット振動片を使用することを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、この発明の手法を利用することで、振動片の表面付近で加熱する場合と比べて、材料内部に熱を閉じ込めることが可能なので、特に熱的影響を考慮する必要があるＡＴカット振動片に対して、その性能を損なうことのない加工を行うことができる。
【００１７】
また、上述の目的は、第５の発明によれば、パッケージ内に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、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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域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５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６の発明は、第５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６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７の発明によれば、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている、水晶振動片により、達成される。
第７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８の発明によれば、パッケージまたはケース内に水晶振動片を収容した水晶デバイスであって、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている、水晶デバイスにより、達成される。
第８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９の発明によれば、パッケージまたはケース内に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、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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１０の発明によれば、パッケージまたはケース内に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、前記水晶振動片が、内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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。
Claims (10)
- 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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定する
ことを特徴とする、水晶振動片の加工方法。 - 前記レーザ光の焦点位置を前記水晶振動片の内部に設定することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片の加工方法。
- 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請求項１または２のいずれかに記載の水晶振動片の加工方法。
- 前記水晶振動片としてＡＴカット振動片を使用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の水晶振動片の加工方法。
- パッケージ内に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、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された箇所の結晶構造を変化させることにより、前記水晶振動片の振動領域を前記レーザ光の照射部位により区分される領域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。 - 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請求項５に記載の水晶デバイスの製造方法。
- 内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている
ことを特徴とする、水晶振動片。 - パッケージまたはケース内に水晶振動片を収容した水晶デバイスであって、
前記水晶振動片が、
内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域に限定されている
ことを特徴とする、水晶デバイス。 - パッケージまたはケース内に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、
前記水晶振動片が、
内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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。 - パッケージまたはケース内に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、
前記水晶振動片が、
内部にレーザ光が照射されることで、このレーザ光が照射された箇所の結晶構造を変化されることにより、振動領域が前記レーザ光の照射部位により区分される領域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。
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