JP2006311230A

JP2006311230A - ラーメモード水晶振動子の製造方法

Info

Publication number: JP2006311230A
Application number: JP2005131559A
Authority: JP
Inventors: Tadataka Kamiyama; 忠孝上山; Masahiko Goto; 正彦後藤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に小型化と低ＣＩ値を満足するための振動部の加工方法を得ることを目的とする。
【解決手段】課題を解決するために本発明は、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板を用いた、矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子の製造方法において、前記矩形状の圧電素板全体に保護膜を施す工程と、振動部、支持部、接続部を得る工程と、更に振動部の板厚みを薄くする工程とを湿式エッチングで行うことを特徴とし、前述する湿式エッチング処理に用いるエッチング液は、酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）５５％〜７５％、フッ化水素酸（ＨＦ）４５％〜２５％、温度条件７０℃〜９５℃の下で処理する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化、低ＣＩ値を実現する振動子の製造方法に関するものである。

ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。

ラーメモード振動子は数十μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、振動の節を保持することが一般的である。図６に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続しパッケージに組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。

要するに、従来は振動子を作製する際にはＱ値の低下を避けるために振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けており、その関係で、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じてしまう。そのために支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値Ｒ１が大きくなってしまう。更に等価抵抗値Ｒ１を小さくすること及びＱ値の低下を軽減する目的で四隅からの支持部２の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。

上述のように、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子はＱ値の高い振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定しているのが現状である。

また、ラーメモード振動子のＣＩ値を低減する手法としては、例えばＬＱ２Ｔカットから得られるラーメモード水晶振動子の振動部を薄く加工することによって等価直列抵抗値（Ｒ１）などの電気的特性の改善効果があることは理論上確認されていおり広く知られていた。ところが、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法には向かない結晶方位を有し、その異方性により所望の形状に精密に加工することが困難であるとされてきた。そのためＬＱ２Ｔカット水晶基板をサンドブラスト（ソフトブラスト、パウダービームなど）を用いて加工し、特に振動部のみを薄板状に加工して電気的特性を改善する方法が選択されている。
特開２００３−１４２９７９号公報特開２００１−３１３５３７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。

上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。

しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるために、ラーメモード水晶振動子を容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の節から発生するモーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生してしまう。

従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがある。

加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的に小型化が難しくなっている現状にある。その一方で小型化を推進上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、Ｑ値を高く維持することはできるものの、従来のラーメモード振動子の構造上水晶振動子の持つインピーダンス（ＣＩ値）を低く抑えることが難しいのが現状である。

そこで、特許文献１に記載のあるような、振動部のみを薄くすることでＣＩ値を抑える技術が知られている。特許文献では振動子の厚み加工をパウダービームにより実現する記載があるが、パウダービームは機械的な加工処理であることから、製造工程におけるコストの低減が難しいことと、量産化する上でもまた、加工時間を考えても多大の処理時間がかかることが見込まれている。

そこで本発明は、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板を用いた、矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子の製造方法において、前記矩形状の圧電素板全体に保護膜を施す工程と、振動部、支持部、接続部を得る工程と、更に振動部の板厚みを薄くする工程とを湿式エッチングで行うことを特徴とし、前述する湿式エッチング処理に用いるエッチング液は、酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）５５％〜７５％、フッ化水素酸（ＨＦ）４５％〜２５％、温度条件７０℃〜９５℃の下で処理することに特徴を持たせたものである。

特許文献１に記載する技術は、従来技術に記載したようにソフトビームと言う手法を取っているが、そこに至る背景には同特許文献１の記載の中に「ＬＱ２Ｔカットの水晶基板は、ウェットエッチング法に向かない結晶方位が存在しているため、Ｘ軸あるいはＹ軸方向で、このような方向の加工を行わせようとすると多大な時間を要する。例えば、前記ＬＱ２Ｔカットの水晶基板をフッ酸で１００μｍエッチングする場合、最も早いＺ軸方向に加工した場合で約４時間、最も遅いＸ軸方向に加工した場合では４００時間以上となる。このように、エッチング速度は結晶方位により著しく異なる。」とあることから、従来では湿式エッチングでは処理ができないことが証明されている。

そこで本願発明者は、エッチングに用いる各種湿式エッチング溶液を実験で改善し、特許文献１に記載される欠点を解消した新たなエッチング溶液の処理条件を探し当てたものである。また、本願発明者は今日までのラーメモード振動子の支持構造の改善と共に、電気的な諸特性の維持向上と、機械的な強度、耐衝撃性強度を維持向上したラーメモード振動子の実現により従来の課題を改善した。

上述のように本発明のラーメモード水晶振動子製造方法で用いるエッチング溶液を改善することにより、ラーメモード振動子の構成要素である、支持部、接続部、振動部の内、振動部だけの板厚を薄くすることにより、電気的特性であるＣＩ値の改善を実現するした製造方法を確立することで、製造コストの低減と量産化時の時間短縮を実現することができた。また、化学処理でエッチング手法により、機械加工に比べて加工時に発生する素子外形形成時のクラックの発生と、素子の振動部を薄板化する際に表面に凹凸の発生を抑制するとができる。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板１を基板にし、その基板の辺比の一方の寸法を１としたとき、もう一方の寸法が整数比（１〜ｎ）を満たす板に無数に存在する振動モードをラーメモード振動子と呼んでいる。図１に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う２辺Ａが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の外方向に変位し、また向かい合う２辺Ａが正方形の外方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の中心方向に変位する振動形態である。従って、図１（ａ）と図１（ｂ）の動作を繰り返す形態で振動する。この図１は正方形板の最低次の振動モードと呼ぶ。また図１（ｃ）には振動板の寸法概念を示す。そして図２にはその振動モードの模式図を示している。

さて本発明の特徴としては、図３（ａ）に示す斜視図を一例とする、振動部を支持部や接続部より薄くした形態を持つラーメモード振動子である。具体的にはＬＱ２Ｔカットの水晶基板を用い、矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子の製造方法において、前記矩形状の圧電素板全体に保護膜を施す工程と、振動部、支持部、接続部を得る工程と、更に振動部の板厚みを薄くする工程とを湿式エッチングで行うことを特徴とし、前述する湿式エッチング処理に用いるエッチング液は、酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）５５％〜７５％、フッ化水素酸（ＨＦ）４５％〜２５％、温度条件７０℃〜９５℃の下で処理することで実現したものである。

上述の内容をもう少し詳細に説明すると、ＬＱ２Ｔカットの水晶振動子は、Ｘ軸を中心にＹ軸をＺ軸に向けて３６°〜４２°の範囲で傾斜させたＹ´軸からなるＸＹ´平面で切り出された水晶基板のうち、前記水晶基板をさらにＸ軸方向に４５°回転して切り出された水晶基板に対する振動部を薄く加工処理したものである。そして、その四隅の振動の節あるいはここでは図示しないが、高次のラーメモード振動子の場合にあっては、角部以外の無振動部でも支持する（図４参照）場合であっても良い。

図３（ｂ）と（ｃ）に示すのは振動部のみを薄く加工した形態を描画しているが、支持部までを薄くした格好で有っても問題は無い。なお、本実施例では例えば圧電素板１の厚みを６０μｍ程度とし、エッチング処理により振動部のみを２０μｍ程度の厚みにまで薄くしたものである。なお、図３（ｂ）は片側からエッチング処理して得た形状であり、図３（ｃ）は両側からエッチングして得た形状である。

本発明では、上述の高次の振動モードを支持するときに、従来では振動子の角部だけを支持していたものを振動子の無振動部全てを保持することに特徴をもたせたものである。その支持形態の一例としては、図６に示すように、振動子の無振動部である節部（各最低次数で振動するラーメモード振動子の頂点となる部分）は圧電素板１を基板にし、基板の振動部の側面の一方の辺の寸法を１とし、もう一方の辺の寸法との辺比が整数倍（１〜ｎ）を満たす矩形状の圧電素板１であって、前記矩形状の圧電素板１の一辺をＬとしたとき、もう一辺がＬの倍数の寸法関係にある。この場合でも図３と同様に振動部を薄くした形態が考えられるる。

図５は本発明のラーメモード振動子を得るための製造プロセスを示したフロー図である。圧電素板の外形加工や厚みを薄くする処理工程は全てエッチング処理で行われており、エッチング処理に用いられるエッチング溶液が、前述する湿式エッチング処理に用いるエッチング液は、酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）５５％〜７５％、フッ化水素酸（ＨＦ）４５％〜２５％、温度条件７０℃〜９５℃の下で処理するものである。

図３のＡ−Ａ断面図に注目して描画したもので、圧電素板１の表裏にエッチング処理に対する保護膜であるＡｕ膜とレジストを形成し、上述するエッチング液を用いてエッチング処理により外形を形成していく。図５（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の流れは圧電素板１の片面だけを薄くした場合の状態を描画し、図５（ａ）→（ｅ）→（ｆ）→（ｇ）→（ｈ）→（ｉ）は両面処理による外形形成を描画したものである。

ラーメモード水晶振動子の１次の形態を示す平面図である。図１に示す振動形態を解析するモードである。本発明のラーメモード水晶振動子の形状を模式した斜視図である。高次のモードを持つラーメモード振動子の形態を示した模式図である。本発明の製造工程の一例を示すフロー図である。従来例としたラーメモード水晶振動子の支持形態の概念図を示す平面図である。

符号の説明

１圧電素板
２支持部
３接続部

Claims

矩形状の圧電素板に電荷を加えた場合に前記圧電素板の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じるラーメモード水晶振動子の製造方法において、
前記矩形状の圧電素板全体に保護膜を施す工程と、振動部、支持部、接続部を得る工程と、更に振動部の板厚みを薄くする工程とを湿式エッチングで行うことを特徴とするラーメモード水晶振動子の製造方法。
請求項１記載の湿式のエッチング処理に用いるエッチング液は、酸性フッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ・ＨＦ）５５％〜７５％、フッ化水素酸（ＨＦ）４５％〜２５％、温度条件７０℃〜９５℃の下で処理することを特徴とするラーメモード水晶振動子の製造方法。
請求項１に記載する振動子は、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板であることを特徴とするラーメモード水晶振動子の製造方法。
請求項１に記載する湿式エッチング処理は、振動部の片面、あるいは両面いずれかの処理工程で行われることを特徴とするラーメモード水晶振動子の製造方法。