JP2005277482A

JP2005277482A - 水晶振動子の製造方法および振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2005277482A
Application number: JP2004083751A
Authority: JP
Inventors: Masanori Takizawa; 真紀滝沢
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】駆動振動に面外成分を含まず、機械的な調整を必要としない振動ジャイロの製造方法を提供する。
【解決手段】Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する振動ジャイロの製造方法において、＋Ｚ軸側の主表面２１に形成する耐食膜パターン３１〜３３の端部位置と−Ｚ軸側の主表面２２に形成する耐食膜パターン３４〜３６の端部位置が一致しないように、一方の耐食膜パターン３１〜３３を所定の方向へ所定量ずらして形成した。つまり＋Ｚ軸側主表面２１の耐食膜パターン３１、３２、３３の端部位置が、−Ｚ軸側主表面２２の耐食膜パターン３４、３５、３６の端部位置と一致しないように、−Ｘ軸方向へ幅ｄだけずらして形成してある。これらの耐食膜パターン３１〜３６によって水晶振動子の外形形状を決めている。
【選択図】図１

Description

本発明はＺカット水晶板をウエットエッチング加工する振動ジャイロの製造方法に関するものである。

水晶振動子を用いた振動ジャイロは、圧電セラミックスを用いたものより温度特性に優れている、圧電特性の劣化が少ない、エネルギー損失が少なく振動が安定であるという特徴があり、さらにフォトリソグラフィーによる微細加工が可能であるため小型化に適している。

振動ジャイロの原理は、例えば音叉型水晶振動子の振動脚が面内振動で駆動振動しているときに、振動脚に角速度が加わって生じる面外振動を検出するというものである。高精度、高信頼性を備えた振動ジャイロを得るためには、角速度が発生していない時の振動脚の駆動振動が面内振動だけとなり、面外振動成分を持たないことが必要である。しかし、水晶にはエッチング異方性があり、ウエットエッチングの際、耐食膜パターン通りの形状には加工できず、エッチングされた振動脚の又部にはエッチング残渣が残るため、振動脚の断面形状は四角形ではなく異形となる。そのため、振動脚を振動させると、角速度が発生していないのに面内振動に面外振動成分が混在するので、このときは出力がゼロとなるはずなのに、面外振動成分の影響により角速度と無関係な出力を生じて、これがノイズやドリフトの原因となる。

このことを三脚音叉型水晶振動子を用いた振動ジャイロの平面図（図２−ａ）と三脚音叉型水晶振動子の脚先から基部を見た図（図２−ｂ）により説明する。

図２−ａ、図２−ｂにおいて三脚音叉型水晶振動子１０（振動ジャイロ）は、平行に配置された検出脚１１と二本の駆動脚１２、１３が、基部１４に結合した構造となっている（例えば特許文献１）。

ここで、各脚の伸びた方向（長手方向）をＹ軸方向とし、基部１４側が＋Ｙ軸方向で脚先端が−Ｙ軸方向である。また、三本の脚１１、１２、１３の並ぶ方向（各脚の幅方向）をＸ軸とし、−Ｘ軸方向側から＋Ｘ軸方向に向かって検出脚１１、駆動脚１２、１３が並んでいる。Ｘ軸およびＹ軸に直行する方向をＺ軸方向とし、図２−ａで見えている主表面が＋Ｚ軸方向である。

三本の脚１１、１２、１３および基部１４の＋Ｘ軸側には、水晶のエッチング異方性に起因するエッチング残渣として側面残渣１５、１６、１７、１８が生じる。側面残渣１５、１６、１７、１８は、三本の脚１１、１２、１３と基部１４のＹ軸方向に沿って三角柱の形状となっている。

また、検出脚１１と駆動脚１２の間および駆動脚１２と駆動脚１３の間の叉部にもエッチング残渣として叉部残渣１９、２０が生じる。叉部残渣１９、２０は＋Ｚ軸側の主表面２１から−Ｚ軸側の主表面２２にむかって駆動脚１２および１３の−Ｘ軸側に形成され、四角錐の形状となっている。

このとき、駆動脚１２、１３を振動させると、叉部残渣１９、２０がなければ主表面２１および主表面２２に平行な面内振動となり、検出脚１１は静止した状態になる。しかし、叉部残渣１９、叉部残渣２０が駆動脚１２、駆動脚１３の振動を抑制する梁となり面外
振動成分が生じるため、駆動振動は図中両矢印で示すように斜め振動になる。さらには基部１４を通じて検出脚１１に斜め振動が伝わることにより、角速度を与えない状態であるにもかかわらず、検出信号が発生する。

駆動振動の面外振動成分を除去するために、従来は駆動脚１２、１３の根本の角部を面取りして振動方向の調整をおこなっていた。すなわち図３−ａの平面図および図３−ｂの脚部断面図に示すように、駆動脚１２、１３の主表面２１と＋Ｘ軸側の側面が交わる角部２３、２４を面取りすることにより、叉部残渣１９、２０による面内振動の妨げを緩和してバランスをとることにより、面外振動成分のない駆動振動を得ていた（例えば特許文献２）。

面取りの方法としては、従来は研磨剤を埋めこんだテープを脚１２、１３の角部２３、２４に接触させて脚を研削する方法が取られていた。
特開２００３−１５６３３７号公報（図１、図２、４頁〜７頁）特開２００２−２４３４５１号公報（図３、図９、図１０、３頁〜７頁）

しかし、機械的研削による調整では、必要な部分のみの正確な面取りが困難であるし、研削面が荒れたりクラックがはいったりするおそれがある。さらには根本を研削する必要があるため、脚が折れる可能性もあり、振動ジャイロの小型化に伴い難易度が高くなっていた。また、水晶の削りカスが残ることにより、振動ジャイロ特性が不安定になる可能性があった。

本発明の目的は、上記課題を解決するためのもので、機械的研削による調整をしなくても駆動振動に面外振動成分が生じない振動ジャイロの製造方法を提供することである。

本発明の水晶振動子の製造方法は、Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の前記主表面に形成する前記耐食膜パターンの端部位置と−Ｚ軸側の前記主表面に形成する前記耐食膜パターンの端部位置が一致しないように、一方の前記耐食膜パターンを所定の方向へ所定量ずらして形成したことを特徴とする。

また、Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンと−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンをほぼ同じ大きさに形成するとともに、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンを−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンよりも−Ｘ軸側の方向に所定量ずらして形成したことを特徴とする。

また、Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンと−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンをほぼ同じ大きさに形成するとともに、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンを−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンよりも−Ｙ軸側の方向に所定量ずらして形成したことを特徴とする。

また、前記水晶振動子は、基部に複数本の振動脚を有し、前記振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、前記振動脚の先端側が−Ｙ方向で前記基部側が＋Ｙ方向となることを特徴とする。

また、上記のいずれかの製造方法で作った水晶振動子を、振動ジャイロに用いると良い。

本発明による水晶振動子の製造方法によれば、従来のような機械的研削による調整をしなくても、水晶振動子の外形を形成するウェットエッチングによって、駆動振動に面外振動成分が生じない振動ジャイロを製造することができる。これにより、機械的研削による水晶振動子表面の荒れ、クラック、折れ、削りカスによる不具合などの問題を解消できる。

以下図面に基づいて、本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の製造方法により得られた三脚音叉型水晶振動子の脚部の断面図であり、Ｚカット水晶板で形成したものである。なお、図２、図３の構成と同じものには同じ番号をつけ、その説明を省略する。

図１において、３１、３２、３３は、検出脚１１、駆動脚１２、１３の＋Ｚ軸側主表面２１上に形成された耐食膜パターンである。３４、３５、３６は、検出脚１１、駆動脚１２、１３の−Ｚ軸側主表面２２上に形成された耐食膜パターンである。＋Ｚ軸側主表面２１の耐食膜パターン３１と−Ｚ軸側主表面２２の耐食膜パターン３４は、その大きさ（サイズ）がほぼ同じ大きさである。同様に耐食膜パターン３２と耐食膜パターン３５の大きさ、耐食膜パターン３３と耐食膜パターン３６の大きさ（サイズ）は、それぞれほぼ同じ大きさである。但し、耐食膜パターン３１、３２、３３は、耐食膜パターン３４、３５、３６に対して−Ｘ軸側に幅ｄずらして形成されている。つまり＋Ｚ軸側主表面２１の耐食膜パターン３１、３２、３３の端部位置が、−Ｚ軸側主表面２２の耐食膜パターン３４、３５、３６の端部位置と一致しないように、−Ｘ軸方向へ幅ｄだけずらして形成してある。これらの耐食膜パターン３１〜３６によって水晶振動子の外形形状を決めている。

この耐食膜パターンを形成してからウェットエッチングすると、ウエットエッチング後の検出脚１１と振動脚１２、１３の−Ｘ軸側側面は、−Ｚ軸側主表面２２の耐食膜パターン３４、３５、３６の端部にあわせて切り立った状態になる。一方＋Ｘ軸側の側面は、＋Ｚ軸側主表面２１と−Ｚ軸側主表面２２それぞれの耐食膜パターン３１〜３６の端部位置に応じてエッチングが進行した結果、Ｚ軸方向（厚さ方向）中央から−Ｚ軸側主表面２２に掛けた部分が＋Ｘ軸方向に迫り出した状態になる。この＋Ｘ軸方向に迫り出した部分が、叉部残渣１９、２０による振動抑制効果と釣り合うように幅ｄを決めることにより、面外振動成分を含まない面内振動だけの駆動振動を得ることができる。

また、＋Ｚ軸側主表面２１上に形成された耐食膜パターン３１、３２、３３を、−Ｚ軸側主表面２２上に形成された耐食膜パターン３４、３５、３６に対して−Ｙ軸方向にずらすと、叉部残渣１９、２０が＋Ｚ軸側主表面２１から駆動脚１２、１３の−Ｘ軸側側面に梁を形成する際、相対的に＋Ｙ軸方向が短くなり、面内振動を妨げる効果が小さくなるので、最適なずらし量を決めることにより、面外振動を含まない駆動振動を得ることができる。

なお本発明におけるＺ軸は、水晶の結晶軸であるＺ軸から任意の角度θだけ傾けた軸であってもかまわない。このときＹ軸もＺ軸の傾きに応じて角度θ傾くことになる。また、
本発明は三脚音叉型水晶振動子に限定されるものではなく、２脚音叉型水晶振動子にも適用できるし、このようにして製造した水晶振動子を振動ジャイロに用いても良い。

次に、上記の三脚音叉型水晶振動子を振動ジャイロに適用した場合の実施例を説明する。厚さ２００μｍのＺカット水晶板の両主表面に耐食膜としてクロムと金をスパッタにて成膜した。さらに両面にポジ型フォトレジストを塗布し、三脚音叉型ジャイロのマスクを露光、現像して、耐食膜をエッチングすることにより、水晶板上に耐食膜パターンを形成した。脚の長さは３０５０μｍ、検出脚の幅は１１５μｍ、駆動脚の幅は１９２μｍ、各脚の間隔は３８４μｍとした。このとき、＋Ｚ軸側の耐食膜パターンを−Ｚ軸側の耐食膜パターンに対して、−Ｘ軸方向に０、１、２、３、４μｍずらして形成した５種類のサンプルを作製した。これをフッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合エッチング液にてエッチングし、電極形成した後、実装基板に固定して、電極と実装基板の配線を金線で接続した。それぞれのサンプルの、角速度を与えない状態での駆動発振時の検出信号、すなわち漏れ信号の出力の大きさを測定したところ、耐食膜パターンを２μｍずらしたサンプルは漏れ信号は観測されなかったが、ずらし量が２μｍから離れるほど漏れ信号が大きくなった。すなわち、＋Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンを−Ｚ軸側の耐食膜パターンに対して−Ｘ軸方向に２μｍずらして形成することにより、駆動振動に面外振動成分を含まず、機械的な調整を必要としない振動ジャイロを得ることができた。

実施例１と同じ三脚音叉型ジャイロのマスクを使用した。＋Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンを−Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンに対して、−Ｙ軸方向に３、９、１２、１５、１８μｍずらして形成した５種類のサンプルを作製した。実施例１と同様に漏れ信号の出力の大きさを測定したところ、＋Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンを１２μｍずらしたサンプルは漏れ信号は観測されなかったが、ずらし量が１２μｍから離れるほど漏れ信号が大きくなった。すなわち、＋Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンを−Ｚ軸側の耐食膜パターンに対して−Ｙ軸方向に１２μｍずらして形成することにより、駆動振動に面外振動成分を含まず、機械的な調整を必要としない振動ジャイロを得ることができた。

実施例１と実施例２を組合せて、＋Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンを−Ｚ軸側主表面の耐食膜パターンに対して、−Ｘ軸側に１μｍと−Ｙ軸側に１５μｍ同時にずらした場合も、駆動振動に面外振動成分を含まない振動ジャイロを得ることができた。このように同じ形状の振動ジャイロでも、耐食膜パターンをずらす方向とずらし量において最適解が複数存在する。

振動ジャイロの形状を変更するときには、耐食膜パターンのずらし量と漏れ信号の出力の大きさの関係を確認して、最適なずらし量で振動ジャイロを作製することができる。

本発明の三脚音叉型水晶ジャイロの脚部の断面図である。三脚音叉型水晶ジャイロの平面図である。三脚音叉型水晶ジャイロの脚先から基部を見た端面図である。面取りした三脚音叉型水晶ジャイロの平面図である。面取りした三脚音叉型水晶ジャイロの脚部の断面図である。

符号の説明

１０三脚音叉型水晶ジャイロ
１１検出脚
１２、１３駆動脚
１４基部
１５検出脚の側面残渣
１６、１７駆動脚の側面残渣
１８基部の側面残渣
１９、２０叉部残渣
２１、２２主表面
２３、２４面取り部
３１、３２、３３主表面２１上の耐食膜
３４、３５、３６主表面２２上の耐食膜

Claims

Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の前記主表面に形成する前記耐食膜パターンの端部位置と−Ｚ軸側の前記主表面に形成する前記耐食膜パターンの端部位置が一致しないように、一方の前記耐食膜パターンを所定の方向へ所定量ずらして形成したことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンと−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンをほぼ同じ大きさに形成するとともに、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンを−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンよりも−Ｘ軸側の方向に所定量ずらして形成したことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
前記水晶振動子は、基部に複数本の振動脚を有し、前記振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、前記振動脚の先端側が−Ｙ方向で前記基部側が＋Ｙ方向となることを特徴とする請求項２記載の水晶振動子の製造方法。
Ｚカット水晶板の主表面に、水晶振動子の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してから、前記Ｚカット水晶板をウエットエッチング加工する製造方法において、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンと−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンをほぼ同じ大きさに形成するとともに、＋Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンを−Ｚ軸側の主表面に形成した前記耐食膜パターンよりも−Ｙ軸側の方向に所定量ずらして形成したことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
前記水晶振動子は、基部に複数本の振動脚を有し、前記振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、前記振動脚の先端側が−Ｙ方向で前記基部側が＋Ｙ方向となることを特徴とする請求項４記載の水晶振動子の製造方法。
請求項１〜請求項５のいずれか一つの製造方法で作った水晶振動子を有する振動ジャイロ。