JP2006074273A - 圧電振動板及びこれを使用した圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術では指定された値に正確に合った値を有する負荷容量素子はなかなか手元にないばかりか入手が困難であるため、所望の負荷容量値と接続する負荷容量素子の容量値との間に誤差が生じてしまい、圧電振動子の精度の高い周波数調整を行うことが困難であった。
【解決手段】圧電振動板において、圧電振動領域部の表裏主面上に形成された励振用電極から引き出し補強部表裏主面に形成された引出電極のうち少なくとも一方の途中に、所望の容量値となるように、補強部の一部の容量領域の厚みが加工されており且つ厚み加工された容量領域の表裏主面に容量用電極が形成されており、一方の容量用電極が励振用電極に、他方の容量用電極が容器接続用電極に電気的に接続された形態の静電容量が形成されている圧電振動板及びそれを使用した圧電振動子の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動板及びこの圧電振動板を使用した圧電振動子の製造方法に関し、特にその圧電振動子における共振周波数の調整に優れた圧電振動板及びこの圧電振動板を使用した圧電振動子の製造方法に関する。

振動子では共振周波数の微調整や、共振周波数の温度特性を補償する目的で圧電振動子に静電容量（負荷容量と呼ばれる）素子を外部に直列接続して使用する場合が多い。したがって、負荷容量を接続した実使用状態での共振周波数を調整することは圧電振動子の製造業者とユーザにとっては重要な事である。

圧電材として水晶を使用した場合の圧電振動子と負荷容量素子との直列接続回路の等価回路は図４に示される。ここで、Ｌ１、Ｒ１、Ｃ１、及びＣ０はそれぞれ振動子の等価直列インダクタンス、等価直列抵抗、等価直列容量、および等価並列容量を表わし、ＣＬは負荷容量を表わす。明らかに、圧電振動子の共振周波数は負荷容量ＣＬによって変化する。

このような関係を利用した圧電振動子の周波数調整工程を具備する製造方法や圧電振動子に使用される圧電振動板については以下のような先行技術文献が開示されている。

特開平４−１９６６１０号公報 特開２００２−３７４１４６号公報

なお、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

負荷容量素子を外部に接続した形態で実際の使用状態を概略再現した共振周波数の調整においては、指定された容量値に合った負荷容量素子を圧電振動子に直列接続して測定できることが重要である。しかしながら、指定された値に正確に合った値を有する負荷容量素子はなかなか手元にないばかりか入手が困難であるため、所望の負荷容量値と接続する負荷容量素子の容量値との間に誤差が生じる。

従来では、圧電振動子の共振周波数と、圧電振動子を発振回路等に実装接続後の周波数との間で、オフセット値を設けた形で周波数調整を行うが、この方法では、実装側の発振回路の動作点の場所によっては、個々の圧電振動子でオフセット値にバラツキが生じ、高精度の周波数調整が困難な場合がある。

尚、従来は負荷容量素子としてトリマ・コンデンサを用い、これを調整して指定された値の負荷容量を得ていた。しかしながら、この方法では、トリマ・コンデンサを調整するのにある一定の練度を必要としたり、調整後に値がずれたりするといった問題があった。また従来では、圧電振動板と負荷容量を含む発振回路を構成する素子類とを容器の中に一緒に搭載して、その容器を金属製の蓋体で気密封止した圧電発振器が用いられているが、この場合では封止後に周波数を調整することは事実上不可能であった。

上記課題を解決するために本発明の圧電振動板は、所望する周波数を励振する矩形状の圧電振動領域部と、この圧電振動領域部の外周を囲うように圧電振動領域部の厚さよりも厚く且つ外周形状が矩形状の補強部が前記圧電振動領域部と一体形成されており、且つこの圧電振動領域部の表裏主面上に励振用電極と、この励振用電極から補強部の表裏主面を介して引き出した引出電極と、補強部の外周辺のうち一辺の表裏縁部近傍に形成した引出電極と電気的に接続した容器接続用電極とを具備する圧電振動板において、圧電振動領域部の表裏主面上に形成された励振用電極から引き出し補強部表裏主面に形成された引出電極のうち少なくとも一方の途中に、所望の容量値となるように、補強部の一部の容量領域の厚みが加工されており且つ厚み加工された容量領域の表裏主面に容量用電極が形成されており、一方の容量用電極が励振用電極に、他方の容量用電極が容器接続用電極に電気的に接続された形態の静電容量が形成されていることを特徴とする圧電振動板である。

又、上記記載の圧電振動板を使用した圧電振動子の製造方法としては、平板形状の圧電材ウエハに、厚みすべり振動モードで所望する周波数を励振する厚みにまで該圧電材ウエハの一方の主面側から厚み加工した矩形状の圧電振動領域部を、フォトリソグラフィ法及びエッチングにより、この圧電振動領域部の周囲に圧電材ウエハの厚みを厚さとする外周形状を矩形状とする補強部が形成される位置に形成し、圧電振動領域部の表裏主面上に金属膜による励振用電極と、この励振用電極から圧電振動領域部の周囲に形成した補強部を介して、補強部のうち外周の一つの辺縁部まで延設した引出電極と、引出電極が延設した補強部の外周辺のうち一辺の表裏縁部近傍に引出電極と電気的に接続した容器接続用電極とを形成した圧電振動板を、容器内に搭載したのち周波数調整を行い、この周波数調整後蓋体で容器を気密封止する圧電振動子の製造方法において、
圧電材ウエハの主面上の引出電極が形成される部分と交差する任意の領域を、フォトリソグラフィ法、及びエッチング又はブラストにより、この圧電材ウエハの一方の主面上から所望の厚さに加工し、静電容量領域部を形成する工程Ａと、
圧電材ウエハの主面上に、該圧電振動領域部をその周囲に該補強部を形成する形態で形成する工程Ｂと、
この圧電振動領域部の表裏主面上に金属膜による励振用電極を、補強部表裏主面に引出電極及び容器接続用電極を、静電容量領域部の表裏主面上に容量用電極及び容量用電極より延設して引出電極と電気的に接続する電極間接続電極を形成し、この引出電極の途中に静電容量が形成された圧電振動板を成す工程Ｃと、
この圧電振動板を容器内に搭載した後、外部静電容量を容器を介して圧電振動板に接続し、励振用電極を構成する金属を増減させることで圧電振動領域部の共振周波数を調整する工程Ｄと、
容器上に光透過性を有する蓋体を被せ、容器内に搭載した圧電振動板を気密封止する工程Ｅと、
封止後、蓋体を通して圧電振動板に形成した静電容量の容量用電極にレーザを照射し容量用電極をトリミングすることで静電容量値を変化させ、更に圧電振動領域部の共振周波数を所望の周波数値まで微調整する工程Ｆとを具備することを特徴とする圧電振動子の製造方法である。

又、前段落項記載の工程Ａと工程Ｂとを、同時に同じフォトリソグラフィ法及びエッチングの工程で行うことを特徴とする前段落項に記載の圧電振動子の製造方法でもある。

上記記載の本発明の圧電振動板及びそれを使用した圧電振動子の製造方法によれば、圧電振動板に静電容量が形成されており、且つその静電容量を構成する容量用電極をトリミングすることで、最終的な負荷容量値を実際に指定された値に正確に合わせることが可能となる。

又、光透過性の有する蓋体を介して圧電振動板に形成した静電容量の容量用電極をトリミングして容量値を可変できるので、蓋体で封止後でも圧電振動子の負荷容量を微調整可能となる。更に、トリマ・コンデンサ等の容量素子を発振回路へ搭載することを省くことができるので、圧電振動子及び圧電振動子を使用する電子部品の小型化が可能となる。更に又、周波数調整に使用する装置における外部負荷容量等を接続したコンタクト治具の構造も簡素化できる。

因って、本発明による圧電振動板及びそれを使用した圧電振動子の製造方法を用いることにより、ユーザが所望する周波数で振動する圧電振動板を搭載した圧電振動子を効率よく製造できる効果を奏する。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。 図１は、本発明の圧電振動板の表側から示した斜視図である。図２は、図１記載の圧電振動板を裏側から示した場合の斜視図である。図３は、図１及び図２に図示した圧電振動板を圧電振動子に製造し、圧電振動板に形成した静電容量の容量用電極にレーザを照射し周波数調整を行う形態を示した断面図である。尚、この表及び裏の指定は圧電振動板の説明を明確にするために便宜上指定したものである。尚、各図において、本説明に必ずしも必要としない部品又は構造体は図示していない。又、各図を明確にするために一部部品又は構造体を誇張して図示しており、部品及び構造体の厚み寸法については特に誇張してある。

図１及び図２に示す圧電振動板１０は大略的に言って、圧電材の一つである水晶を外形加工し形成した平板矩形状の水晶ウエハに、所望の周波数で励振する矩形状の圧電振動領域部１１が形成されている。その周囲にこの圧電振動領域部１１と一体で形成され、且つ圧電振動領域部１１よりも厚みが厚く且つ外周形状が矩形状の補強部１２が形成され水晶素板１３を構成している。図１では、圧電振動領域部１１と補強部１２との厚み差を水晶素板１３の表側主面側のみで構成し、裏側主面側では圧電振動領域部１１と補強部１２との間に段差のない平板構造としている。尚、図１に開示の水晶素板１３では矩形状の圧電振動領域部１１の周囲に形成した補強部１２のうち、圧電振動領域部１１の一つの辺方向に形成した第１補強部１２ａのみ他の辺に形成した補強部よりその主面面積が大きくなっているが、この大きさは圧電振動領域部１１の励振形態に影響を与えない範囲で任意に決定される。

図１の水晶素板１３は水晶結晶体より所謂ＡＴカットで切り出され平板加工されたものであり、圧電振動領域部１１の振動モードは厚みすべり振動である。その周波数は圧電振動領域部１１の厚みに反比例ため、高周波化を図るには圧電振動領域部１１の厚さを薄くする必要がある。図１のように圧電振動領域部１１の周囲に、圧電振動領域部１１の厚みより厚い補強部１２を一体で形成したような水晶素板１３の場合は、圧電振動領域部１１の厚みが約５μｍ（基本波振動で約３５０ＭＨｚ）以下のものまで作成可能である。

このような形状に加工した圧電素板１３の第１補強部１２ａの後述する引出電極１５が形成される部分の途中で交差する任意の面積の領域は、第１補強部１２ａの表側主面から裏側主面に向かうように所望の厚さまでエッチングにより加工された静電容量領域部２０が形成されている。

圧電振動領域部１０の表裏主面上に円形状の励振用電極１４と、この励振用電極１４から補強部１２を介して引き出した引出電極１５と、補強部１２の外周辺のうち一辺（第１補強部１２ａ）の表裏縁部近傍に形成した引出電極１５と電気的に接続した容器接続用電極１６とを形成さえている。尚、静電容量領域部２０を通る引出電極１５は、その静電容量領域部２０のところで第１補強部１２ａの表裏に分断されている。この静電容量領域部２０の表裏主面上には容量用電極２１が形成されており、この容量用電極２１より延設して分断された各々引出電極１５と電気的に接続する電極間接続電極２２を形成した静電容量２３が形成され、圧電振動板１０を形成している。

次に上記のような圧電振動板１０を使用した圧電振動子３０を製造する方法としては、まず平板矩形状の水晶ウエハの主面の全面に保護膜を形成し、その後、水晶ウエハの表側主面の後述する引出電極１５が形成される部分と交差する任意の領域を、フォトリソグラフィ法、及びエッチング又はブラストにより、この水晶ウエハの一方の主面上から所望の厚さに減肉加工し、静電容量領域部２０を形成する。この静電容量領域部２０を形成する際には、所望の容量値の静電容量をこの静電容量領域部２０に形成するために、下記のような数式を用いる。

静電容量（負荷容量）ＣＬ＝ε０εｒ（Ｓ／ｄ）
ε０：水晶の誘電率 εｒ≒１
Ｓ：静電容量領域部２０両主面に形成する容量用電極２１の面積
ｄ：静電容量領域部２０の水晶の厚さ

この数式より、後の工程で形成する容量用電極２１の面積との関係で最終的に所望の静電容量になるような厚みまで静電容量領域部２０の厚みを加工する。又、静電容量領域部２０の主面面積の大きさは、後の工程で形成する容量用電極２１の面積と同じかそれよりも若干大きめに形成する。

次に、水晶ウエハの主面に形成した保護膜を剥離し、再度宣伝容量領域２０のみに保護膜を形成する、その後水晶ウエハの表側主面に、厚みすべり振動モードで所望する周波数を励振する厚さの矩形状の圧電振動領域部１１を、フォトリソグラフィ法及びエッチングにより、圧電振動領域部１１の周囲に圧電材ウエハの厚みを厚さとする外周形状を矩形状とする補強部１２が形成される位置に形成し、水晶素板１３を形成する。尚、圧電振動領域１１と前記静電容量領域部２０との形成する厚み寸法が同じ場合（エッチング加工量が同じ場合）、本工程と静電容量領域部２０を形成する前段落項（００２８）記載の工程とを同時に同じ工程で行うこともできる。この場合は保護膜の形成は１回で済む。

次に、上記のような外形加工を施した水晶素板１３の圧電振動領域部１１の表裏主面上に円形状の励振用電極１４と、励振用電極１４から圧電振動領域部１１の周囲に形成した補強部１２を介して、補強部１２のうち外周の一つの辺縁部まで延設した引出電極１５と、引出電極が延設した第１補強部１２ａの外周辺のうち第１辺３１の表裏縁部近傍に引出電極１５と電気的に接続した容器接続用電極１６を形成する。尚、静電容量領域部２０を通る引出電極１５は、その静電容量領域部２０のところで第１補強部１２ａ主面の表裏に分断されている。同時に静電容量領域部２０の表裏主面上には前記数式から導き出された面積Sの容量用電極２１を形成されており、この容量用電極２１より延設して分断された各々引出電極１５と電気的に接続する電極間接続電極２２を形成した静電容量２３を形成し圧電振動板１０を成す。尚、容量用電極２１を形成する際には、所望する容量値よりも少し大きめの値になるように電極の面積を大きめに作成する。

次に、この圧電振動板１０を絶縁性の容器２４内に搭載した後、外部静電容量を容器２４の外部接続用電極パッド２５を介して圧電振動板１０に接続し、励振用電極１４を構成する金属を増減させることで圧電振動領域部１１の共振周波数を調整する。このとき、容器２４を蓋体２６で気密封止した際に生じる周波数変化量を考慮して、共振周波数は若干低めに調整する。

次に、容器２４上に光透過性を有する蓋体２６を被せ、容器２４と蓋体２６とを密着させることで容器２４内に搭載した圧電振動板１０を気密封止する。本実施例では蓋体２６の構造材としてはガラスを使用しているが、所望する光透過性能を有し且つ蓋体としての機能を同時に有するのであれば、他の素材で形成された蓋体でも良い。

次に、図３のように、封止後、蓋体２６を通して圧電振動板１０に形成した静電容量２３の容量用電極２１にレーザを照射し容量用電極２１をトリミングすることで容量用電極２１の面積Ｓを変化させ、静電容量値ＣＬを所望の容量値となるよう加工することにより、圧電振動領域部１１の共振周波数を所望の周波数値まで微調整する。

尚、本実施例において圧電振動板を構成する圧電材料として水晶を使用したものを開示したが、圧電材で且つその圧電材を使用した圧電振動子の構造中に本発明のような構造の静電容量を形成した場合に所望の容量値が得られるのであれば、圧電材を水晶に限定するものではない。

図１は、本発明の圧電振動板の表側から示した斜視図である。 図２は、図１記載の圧電振動板を裏側から示した場合の斜視図である。 図３は、図１及び図２に図示した圧電振動板を圧電振動子に製造し、圧電振動板に形成した静電容量の容量用電極にレーザを照射し周波数調整を行う形態を示した断面図である。 図４は、圧電材として水晶を使用した場合の圧電振動子の等価回路及び負荷容量（静電容量）ＣＬとの接続形態である。

符号の説明

１０・・・圧電振動板
１１・・・圧電振動領域部
１２・・・補強部
１２ａ・・第１補強部
１３・・・水晶素板
１４・・・励振用電極
１５・・・引出電極
１６・・・容器接続用電極
２０・・・静電容量領域部
２１・・・容量用電極
２２・・・電極間接続用電極
２３・・・静電容量（負荷容量）
２４・・・容器
２６・・・蓋体

Claims (3)

1. 所望する周波数を励振する矩形状の圧電振動領域部と、該圧電振動領域部の外周を囲うように該圧電振動領域部の厚さよりも厚く且つ外周形状が矩形状の補強部が該圧電振動領域部と一体形成されており、且つ該圧電振動領域部の表裏主面上に励振用電極と、該励振用電極から該補強部の表裏主面を介して引き出した引出電極と、該補強部の外周辺のうち一辺の表裏縁部近傍に形成した該引出電極と電気的に接続した容器接続用電極とを具備する圧電振動板において、該圧電振動領域部の表裏主面上に形成された励振用電極から引き出した補強部表裏主面に形成されて該引出電極のうち少なくとも一方の途中に、所望の容量値となるように、該補強部の一部の静電容量領域部の厚みが加工されており且つ厚み加工された該静電容量領域部の表裏主面に容量用電極が形成されており、一方の容量用電極が該励振用電極に、他方の容量用電極が該容器接続用電極に電気的に接続された形態の静電容量が形成されていることを特徴とする圧電振動板。
2. 平板形状の圧電材ウエハに、厚みすべり振動モードで所望する周波数を励振する厚みにまで該圧電材ウエハの一方の主面側から厚み加工した矩形状の圧電振動領域部を、フォトリソグラフィ法及びエッチングにより、該圧電振動領域部の周囲に圧電材ウエハの厚みを厚さとする外周形状を矩形状とする補強部が形成される位置に形成し、該圧電振動領域部の表裏主面上に金属膜による励振用電極と、該励振用電極から該圧電振動領域部の周囲に形成した該補強部を介して、該補強部のうち外周の一つの辺縁部まで延設した引出電極と、該引出電極が延設した該補強部の外周辺のうち一辺の表裏縁部近傍に該引出電極と電気的に接続した容器接続用電極とを形成した圧電振動板を、容器内に搭載したのち周波数調整を行い、蓋体で容器を気密封止する圧電振動子の製造方法において、
   該圧電材ウエハの主面上の該引出電極が形成される部分と交差する任意の領域を、フォトリソグラフィ法、及びエッチング又はブラストにより、該圧電材ウエハの一方の主面上から所望の厚さに加工し、静電容量領域部を形成する工程Ａと、
   該圧電材ウエハの主面上に、該圧電振動領域部をその周囲に該補強部を形成する形態で形成する工程Ｂと、
   該圧電振動領域部の表裏主面上に金属膜による励振用電極を、該補強部に該引出電極及び該容器接続用電極を、該静電容量領域部の表裏主面上に容量用電極及び容量用電極より延設して該引出電極と電気的に接続する電極間接続電極を形成し、該引出電極の途中に静電容量が形成された圧電振動板を成す工程Ｃと、
   該圧電振動板を容器内に搭載した後、外部静電容量を容器を介して該圧電振動板に接続し、該励振用電極を構成する金属を増減させることで該圧電振動領域部の共振周波数を調整する工程Ｄと、
   容器上に光透過性を有する蓋体を被せ、容器内に搭載した該圧電振動板を気密封止する工程Ｅと、
   封止後、蓋体を通して該圧電振動板に形成した静電容量の容量用電極にレーザを照射し容量用電極をトリミングすることで静電容量値を変化させ、更に該圧電振動領域部の共振周波数を所望の周波数値まで微調整する工程Ｆと
   を具備することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
3. 請求項２に記載の工程Ａと工程Ｂとを、同時に同じフォトリソグラフィ法及びエッチングの工程で行うことを特徴とする請求項２に記載の圧電振動子の製造方法。

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