JP2007251762A

JP2007251762A - 水晶振動子の製造方法

Info

Publication number: JP2007251762A
Application number: JP2006074569A
Authority: JP
Inventors: Masanori Takizawa; 真紀滝沢
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】角速度が発生していないとき、振動脚に面外振動を生じない振動ジャイロ用の水晶振動子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水晶振動子の製造方法において、水晶振動子を構成する水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを−Ｚ軸側の主表面のみに形成し、＋Ｚ軸側の主表面は全面を耐食膜で被覆する。水晶振動片は、基部に複数の振動脚を有し、振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、振動脚の先端側が−Ｙ方向で基部側が＋Ｙ方向となることを特徴とする。また前記のＹ、Ｚ軸に関する＋−の符号を逆転した構成も可能である。
【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して得られる振動ジャイロの製造方法に関するものである。

水晶振動子の適用例の一つとして振動ジャイロがある。振動ジャイロは、航空機，車両等の移動体の姿勢制御装置，自動車のナビゲーションシステム，ビデオカメラの手振れ検出装置等に使用されている。

この振動ジャイロには、一般的に、二脚又は三脚の音叉型水晶ジャイロ（適宜、振動ジャイロと略称する）がある。二脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動用圧電素子が設けられた第１の振動脚と、検出用圧電素子が設けられた第２の振動脚とからなっており、三脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動用圧電素子が設けられた第１及び第２の振動脚と、検出用圧電素子が設けられた第３の振動脚とからなっている。

例えば、二脚の音叉型水晶ジャイロは、二脚音叉型水晶振動片をパッケージに収納した水晶振動子を用いて構成され、駆動電極を設けた振動脚（駆動脚）を励振することにより、検出電極を設けた振動脚（検出脚）を駆動脚の励振方向と同一方向に共振させる。この水晶振動子が回転すると、検出電極が設けられた振動脚（検出脚）は、回転により受けるコリオリ力によって、励振方向と直交する方向に振動する。この振動を検出電極で検出することによって、水晶振動子が回転する角速度を検出することができる。

また、上記振動ジャイロは、角速度を積分することによって回転した角度を算出することができる。そのため、角速度に誤差が含まれると、この誤差が累積して角度誤差となる。したがって、振動ジャイロの測定精度を向上させるためには、角速度の誤差を低減することが重要である。

水晶振動片を製造する一般的な方法は、水晶板の両主表面に水晶振動片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、ウエットエッチング加工を行い、その後電極を形成するという方法である。この方法では、両主表面に形成する耐食膜パターンの位置を厳密に合わせることが困難であるため、ウエットエッチング加工後の水晶振動片の形状がばらつき、周波数等の特性を安定させることができない。振動ジャイロの場合、両主表面の耐食膜パターンの位置がずれると振動脚の断面形状にゆがみが生じ、駆動脚を振動させると角速度が生じていなくても面外振動が生じるという問題がある。

また、振動脚側面や、振動脚が基部と連結している部分（叉部）には、水晶の結晶異方性に起因するエッチング残渣が残る。叉部のエッチング残渣により振動脚の面内振動が妨げられ、面外振動の原因となるという問題がある。これらの面外振動が、角速度とは無関係な出力（漏れ出力）を生じ、ノイズやドリフトの原因となって、振動ジャイロの精度を悪化させる。

両主表面に形成する耐食膜パターンの位置ずれに起因する不具合を解決する方法として、耐食膜パターンを一方の主表面のみに形成し、他方の主表面は全体を耐食膜で被覆した状態でウエットエッチング加工を行うという方法がある（例えば特許文献１）。
特開昭５２−０３５５９２号公報（第４図）

特許文献１に示される水晶振動片の製造方法は、耐食膜パターンを片方の主表面のみに形成するため耐食膜パターンの位置合わせは不要になり、水晶振動片の形状のばらつきを小さくすることができる。両主表面の耐食膜パターンの位置ずれによる振動脚の断面形状のゆがみもなくすことができる。しかし、叉部のエッチング残渣は形成されるので、駆動脚を振動させると、角速度が発生していなくても面内振動だけではなく面外振動が生じるという問題が残る。

そこで、本発明の目的は、角速度が発生していないときに駆動脚を振動させても、面外振動を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。

本発明の発明者は、耐食膜パターンを水晶板の一方の主表面のみに形成し、他方の主表面の全面を耐食膜で被覆した状態でウエットエッチング加工を行うとき、特定のカット角に切り出した水晶板を使用し、特定の軸方向に水晶振動片の外形形状を合わせ、耐食膜パターンを特定の軸方向の主表面に形成することにより、叉部のエッチング残渣が面内振動を妨げない形状となり、面外振動の生じない振動ジャイロが得られることを見出した。

本発明の水晶振動子の製造方法は、Ｚカット水晶板の一方の主表面に水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成し、他方の主表面は全面を耐食膜で被覆した状態でウエットエッチング加工を行い水晶振動片の外形を形成するとき、前記Ｚカット水晶板の水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成する主表面は−Ｚ軸側の主表面であり、水晶振動片は、基部に複数の振動脚を有し、振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、振動脚の先端側が−Ｙ方向で基部側が＋Ｙ方向となることを特徴とする。

または、Ｚカット水晶板の一方の主表面に水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成し、他方の主表面は全面を耐食膜で被覆した状態でウエットエッチング加工を行って水晶振動片の外形を形成するとき、前記Ｚカット水晶板の水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成する主表面は＋Ｚ軸側の主表面であり、水晶振動片は、基部に複数の振動脚を有し、振動脚の長手方向がＹ軸と平行に形成されるとともに、振動脚の先端側が＋Ｙ方向で基部側が−Ｙ方向となることを特徴とする。前記のいずれかの製造方法で作った水晶振動子は、振動ジャイロに好適である。

本発明の水晶振動子の製造方法によれば、角速度が発生していないとき、振動脚に面外振動を生じない振動ジャイロを製造することができる。

以下図面に基づいて、本発明の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二脚音叉型水晶振動片の図面で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は前記二脚音叉型振動片の脚先から基部の方向を見た図で、振動脚１１、１２の先端面に描いた矢印は振動方向を表している。

図１（ａ）、（ｂ）において、二脚音叉型水晶振動片１０は、平行に配置された駆動脚１１と検出脚１２が、基部１３と一体に形成された構造となっている。各脚の伸びる方向（長手方向）はＹ軸と平行であり、基部１３側が＋Ｙ軸方向で、脚先端が−Ｙ軸方向である。図１（ａ）で見えている主表面は＋Ｚ軸方向であり、ウエットエッチング加工のとき、この主表面は全面を耐食膜で被覆した状態で、水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンは、反対側である−Ｚ軸側の主表面に形成したものである。

二本の脚１１、１２が基部１３と連結している部分（叉部）は、＋Ｘ軸側、−Ｘ軸側両方に、水晶の結晶異方性に起因するエッチング残渣として１４、１５、１６、１７が生じる。これらのエッチング残渣１４、１５、１６、１７は二本の脚１１、１２のそれぞれの両側に対称に生じるため、駆動脚１１を励振したときにどちらの振動脚にも面外振動を生じない。

また、図２は本発明の別の実施形態である。図１の構成と同じものには同じ番号をつけている。図２（ａ）で見えている主表面は＋Ｚ軸方向であり、ウエットエッチング加工のとき、この主表面に水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成し、反対側である−Ｚ軸側の主表面は全面を耐食膜で被覆したものである。

図１と同様に、二本の脚１１、１２が基部１３と連結している部分（叉部）は、＋Ｘ軸側、−Ｘ軸側両方に、水晶の結晶異方性に起因するエッチング残渣として１４、１５、１６、１７が生じる。これらのエッチング残渣１４、１５、１６、１７は二本の脚１１、１２のそれぞれの両側に対称に生じるため、駆動脚１１を励振したときにどちらの脚にも面外振動を生じない。

図３に、比較例の二脚音叉型水晶振動片を示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は脚先から基部の方向を見た図である。図１の構成と同じものには同じ番号をつけてある。結晶軸に対する水晶振動片の脚の方向は図１と同じであるが、水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを、図１とは逆に＋Ｚ軸側の主表面に形成してウエットエッチングしたものである。

図３（ａ）、（ｂ）では、二本の脚１１、１２が基部１３と連結している部分（叉部）は、駆動脚１１の−Ｘ軸側と、二本の脚１１、１２の間にエッチング残渣１８、１９が生じる。駆動脚１１は両側に対称にエッチング残渣が生じるので面外振動は生じないが、検出脚１２は−Ｘ方向の片側のみにエッチング残渣が生じるため、駆動脚１１を励振したときに振動のバランスがくずれて、先端面の矢印に見るように面外振動を生じる。

図４は別の比較例で、水晶振動片の脚の結晶軸に対する方向は図１と同じで、水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを両方の主表面に形成し、ウエットエッチング加工が水晶板の両側から進んだときの状態を示す。図１の構成と同じものには同じ番号をつけている。

図４（ａ）、（ｂ）では、二本の脚１１、１２が基部１３と連結している部分（叉部）で、どちらも−Ｘ軸側にエッチング残渣２０、２１が生じる。脚の片側のみにエッチング残渣が生じるため、駆動脚１１を励振したときに振動のバランスがくずれて、両振動脚とも先端面の矢印に見るように面外振動を生じる。

なお、以上の説明におけるＺカット水晶板の主平面または振動脚の長手方向を、水晶の結晶軸であるＹ軸、Ｚ軸からそれぞれ若干傾けて製造しても構わない。傾ける角度は一般的にはプラスマイナス５°以内である。

本発明の水晶振動子は、振動ジャイロに適用することができ、航空機，車両等の移動体の姿勢制御装置，自動車のナビゲーションシステム，ビデオカメラの手振れ検出装置等に利用することができる。

本発明の水晶振動子を構成する水晶振動片で、（ａ）は平面図、（ｂ）は脚先から基部の方向を見た端面図である。本発明の水晶振動子を構成する別の水晶振動片で、（ａ）は平面図、（ｂ）は脚先から基部の方向を見た端面図である。比較例の水晶振動子を構成する水晶振動片で、（ａ）は平面図、（ｂ）は脚先から基部の方向を見た端面図である。別の比較例の水晶振動子を構成する水晶振動片で、（ａ）は平面図、（ｂ）は脚先から基部の方向を見た端面図である。

符号の説明

１０二脚音叉型水晶振動片
１１駆動脚
１２検出脚
１３基部
１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１叉部残渣

Claims

水晶振動子を構成する水晶振動片であって基部と一体の複数の振動脚を有する水晶振動片を製造するに当たり、Ｚカット水晶板の一方の主表面に水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成し、他方の主表面は全面を耐食膜で被覆した状態でウエットエッチング加工を行って外形を形成する製造方法において、
振動脚の長手方向を前記Ｚカット水晶板のＹ軸と平行に形成して、振動脚の先端側を−Ｙ方向、基部側を＋Ｙ方向とし、
前記Ｚカット水晶板の−Ｚ軸側の主表面に水晶振動片の外形形状を決めるための耐食膜パターンを形成してエッチングすることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
請求項１における前記Ｚカット水晶板のＹ、Ｚ軸に関する＋−の符号を逆転したことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
請求項１または請求項２に記載の水晶振動子の製造方法において、
前記Ｚカット水晶板の主表面または振動脚の長手方向を、水晶の結晶軸であるＹ、Ｚ軸に対し最大±５°までの範囲で傾斜させることを特徴とする水晶振動子の製造方法。