JP2007256068A - 圧電振動子およびその製造方法ならびに物理量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子の小型化に伴い、振動子上に形成する電極配線は微細化し、電気的特性の劣化を引き起こすという問題がある。
【解決手段】振動部と基部とを備え、前記振動部または前記基部に、電気的に配線した電極配線を設けた圧電振動子において、前記圧電振動子を貫通し、前記電極配線に用いるためのスルーホールを前記圧電振動子に設けた。これにより、電極配線は３次元的に簡素に構成することが可能となり、製造上においては平易かつ信頼性の高い、また圧電振動子の特性上では、電気抵抗、電気容量の低減等の効果により、電気的特性の高い圧電振動子を提供することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動部と基部を備えた圧電振動子の一平面より、その面に対向する平面まで貫通するスルーホールを設けた圧電振動子に関するものである。特にスルーホール電極配線を介した３次元的電極配線を有する圧電振動子に関する。

圧電振動子を用いた各種センサは小型化の一途を辿ってきており、これに伴い振動子上に配する電極配線も細線化、高集積化が進んでいる。振動子の特性を維持しつつ、上記の要求を満たすためには、電極配線の設計上および製造プロセス上の更なる工夫が必要となってきている。

圧電振動子の電極配線の形態を説明する上で、音叉型振動式角速度センサ（特許文献１参照）を例に取り上げる。圧電振動子１００の振動部１０１に励振電極１０２ａ、１０２ｂを配設し、圧電振動子１００の基部１０３に検出電極１０４を配設した特許文献１について図６を用いて説明する。

図６に示すように、圧電振動子１００の平面部１０７に形成された励振電極１０２ａ、１０２ｂと検出電極１０４は、それぞれ励振電極端子１０５、検出電極端子１０６を出発点として、ともに引き廻し配線１０９を経由して、側面部１０８へ引き廻されている。これら励振電極１０２ａ、１０２ｂと検出電極１０４は、平面部１０７と側面部１０８とが当接する稜線部１１０を通って平面部１０７から側面部１０８へ渡る構造になっている。

また、同様に側面部１０８に形成された励振電極１０２ａ、１０２ｂと検出電極１０４は、当接する稜線部１１１を通って、ともに側面部１０８から図面奥側の平面部（見えず）へ引き廻されている。

このように、圧電振動子１００の振動部１０１および基部１０３の至るところに電極配線を形成する場合、例えば、平面部１０７と側面部１０８の間にある引き廻し配線１０９のように、圧電振動子１００上のある一平面より隣接した別の平面に引き廻す配線が必要となる。励振電極１０２ａ、１０２ｂと検出電極１０４の場合を例にとると、それぞれ端子１０５、１０６のある平面（平面部１０５）と対向する平面（裏側につき見えず）まで配線する必要があるため、引き廻し配線は、それぞれ複数箇所で必要になる。

特開２００３−２２２５２２号公報

圧電振動子１００上に形成する電極配線は、その製造プロセス上、また、その電気的特性上、できるだけ簡素な設計であることが望ましい。振動子が小型化している状況では、尚更その点が重要となってきている。

図６に示す圧電振動子１００の電極配線では、その設計上の都合、引き廻し配線１０９を多く配置させるため、電極配線がその分長くなる。その結果、振動子の電極配線抵抗、ＣＩ値が増大する。特に、振動子が小型化した場合には、電気的特性が悪化する。

また、振動子上に占める電極配線の表面積が増え、異電極同士である、励振電極１０２と検出電極１０４の電極間距離が狭まる結果、圧電振動子１００の電気容量が増大する。
この点も、特に振動子が小型化した場合には、電気的な特性の悪化を引き起こす。

また、角速度センサの特性上の観点で捉えると、振動部１０１の音叉脚の両側面に形成される電極配線パターンは、対称性が良いほうが、センサの感度が良くなる。図６に示した圧電振動子１００の電極配線では、例えば、右側の脚に注目してみると、平面部１０７から引き廻されている励振電極配線１０２ａは、音叉脚の内側側面に向かって配線されているが、他方、対向する平面（見えず）より引き廻されているもう一つの励振電極配線１０２ｂは、音叉脚の外側側面に向かって配線されている。つまり、右脚の左右の側面の電極パターン形状は異なっており、センサの特性上、好ましいことではない。

一方、製造プロセス上の観点で捉えると、電極配線の引き廻しが平面部１０５と側面部１０６に多岐に及ぶため、平面部の電極形成プロセスと側面部の電極形成プロセスの双方を行う必要が生じる。例えば、フォトリソグラフィー技法は、圧電振動子１００のような電子デバイスの製造でよく用いられている技法であるが、平板状ではない異形の成形物に対して、複数の面の電極パターニングを施す用途としては不向きである。振動子の小型化により、平面部１０５ならびに側面部１０６に配置する電極配線が微細化した場合、その製造プロセスは難しくなるため、振動子製造の歩留が悪化する。

本発明の目的は上記課題を解決し、圧電振動子の小型化に伴い、配線される電極の形状がより微細化しても、平易に製造することが可能で、かつ、高精度で信頼性の高い圧電振動子およびその製造方法を提供するものである。

本発明は、振動部と基部とを備え、前記振動部または基部に、電気的に配線した電極配線を設けた圧電振動子において、前記圧電振動子を貫通し、前記電極配線に用いるためのスルーホールを設けたことを特徴とする。

この構成により、電極端子の位置に関わらず、各電極端子から振動部の音叉脚まで、電極配線を簡素かつ効率良く引き廻すことが可能になる。その結果、基部に引き廻す電極配線抵抗、ＣＩ値を小さく抑えることができるため、信頼性の高い良好な電極パターニングが形成できる。

スルーホールは、前記圧電振動子の一平面より前記平面と対向する平面まで貫通する場合がある。この場合には、圧電体平面より隣接する側面を経由して、電極配線を迂回させる必要性が無くなり、電極配線は、３次元的に簡素な構成にすることが可能となる。また、製造プロセス的に圧電体側面の配線パターニングを行う必要が無くなるため、電極形成工程の歩留が改善され、信頼性の高い良好な電極パターニングが形成できる。

また、前記スルーホールは、前記基部に設置することを特徴とする。

圧電振動子にスルーホールを形成すると、圧電振動子の形状が変化するため、圧電振動子の電気的特性は変化するが、このようにスルーホールを基部に設けることで、圧電振動子の電気的特性に与える悪影響を少なくすることができる。

また、振動部に引き廻す電極配線についても、音叉脚の側面部に引き廻し配線を設ける必要性が無くなることにより、音叉脚の両側面に対称的な電極配線パターンを形成させることができる。特に、圧電振動子を角速度センサとして用いる場合においては、その電気的特性上、好ましいといえる。

また、前記スルーホールは、前記振動子の電極配線仕様に合わせて、複数個設置するこ
とを特徴とする。この構成により、電極配線全体が簡素化されるため、振動子全体の電気抵抗および電気容量の低減に寄与し、電気的特性を改善する効果がある。特に圧電振動子を小型化する場合においては有効である。

また、前記スルーホールに形成する電極配線は、無電解ニッケルめっきにより形成することを特徴とする。

また、前記スルーホールは、フェムト秒レーザを用いて形成することを特徴とする。

フェムト秒レーザの加工は、その加工穴の位置精度、外径精度等に極めて優れ、加工時間に関してもエッチング技法と比較して極めて短く済むという長所がある。例えば、ウェットエッチング技法では、圧電体母材そのものの性質にもよるが、加工する圧電基板の厚みに対して、充分小さい径の開口穴を開けることは技術的に不可能である。また、ドライエッチング技法では、これも圧電体母材によるが、酸化物系圧電体の加工は、その加工速度が遅いものが多く、生産的、コスト的な面に問題がある。

この構成によれば、前述のウェットエッチング技法、ドライエッチング技法で懸念される製造的な課題を解決することができる。

前記圧電振動子は、外部から印加された物理量を検出する物理量センサとして用いることもできる。また、物理量センサは、ジャイロセンサであることを特徴とする。これにより、小型で高精度及び信頼性の高い物理量センサを実現できる。

本発明は、振動部と基部とを備え、前記振動部または前記基部に、電気的に配線した電極配線を設けた圧電振動子の製造方法において、圧電基板をワイヤーソウ加工またはエッチング加工により、振動部と基部を有する圧電振動子の外形を形成する振動子加工工程と、前記スルーホールを、フェムト秒レーザを用いて形成するスルーホール加工工程と、前記スルーホール内部に電極を形成するめっき工程と前記振動子上に電極を配線する電極パターニング工程とを有することを特徴とする。

この構成により、高精度かつ信頼性の高い良好な電極パターニングを形成した圧電振動子を平易に製造できる。

本発明によれば、圧電振動子がより小型化しても、圧電振動子を貫通する電極配線用のスルーホールを設置することにより、信頼性の高い良好な電極パターニングが形成できるため、高精度の圧電振動子及び圧電振動子の製造方法ならびに物理量センサを提供できるという効果を有するものである。

以下に本発明を実施するための最良の形態を図１〜図５を用いて説明する。

（第１の実施形態）
以下に、図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態における圧電振動子及び圧電振動子の製造方法について説明する。

まず、振動子加工工程として図１に示すように、圧電基板1をワイヤ−ソウ加工、エッチング加工等により、圧電振動子として圧電振動子２に加工する。なお、以下の説明において、圧電振動子２の２脚音叉部位を振動部４、音叉部以外の部位を基部３と称する。また、スルーホールを形成する圧電基板１の上下面を平面部５、平面部に接する基板側面を
側面部６と称する。

次に、スルーホール加工工程として図２に示すように、フェムト秒レーザ７を用いて、基部３の所定位置にレーザ光８を照射し、必要に応じて１個または複数個のスルーホール９を形成する。スルーホール９の開口径の調整は、フェムト秒レーザ７の出力を制御することにより適宜行う。

電極配線の制約が特に無い限り、スルーホール９の配置は、基部３に設置し、更に、振動部４から遠く離れた圧電振動子２の振動子支持部付近に設けることが望ましい。これは、前記圧電振動子を物理量センサとして用いる場合、振動部４ならびにその付近の穴加工による振動子の形状変化が電気的特性に重大な影響を及ぼすためである。振動部付近に設置する場合は、振動子の励振、検出振動に影響を与えない程度に、音叉脚から遠ざけることが求められる。

その後、スルーホール電極形成工程として図３に示すように、スルーホール９に無電解ニッケルめっきによりスルーホール電極１０を形成する。スルーホール電極１０は、スルーホール内部壁面、開口部稜線ならびに開口部近傍にのみ形成される。

スルーホール電極形成工程において、スルーホール内部壁面にめっき電極を確実に形成するため、フェムト秒レーザ７で加工する開口部の径を１００μｍ以上にする。作製する振動子のサイズ、スルーホール位置に合わせて、開口径を適宜決める。

最後に、電極配線形成工程として図４に示すように、圧電振動子２の平面部５、あるいは側面部６に電極配線１１を形成する。なお、図４（ａ）は、圧電振動子２の斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の振動子の裏面側の電極配線を示した透視図である。電極配線１１に用いる電極膜は、圧電基板１との密着性を考慮して、真空蒸着法あるいはスパッタリング法等により形成される。

以上、図１より図４を用いて本発明の圧電振動子及び圧電振動子の製造方法を説明したが、圧電振動子２に電極配線用のスルーホール９、およびスルーホール電極１０を形成し、振動子の電極配線を３次元的に簡素化した構造にすることが重要である。これにより、従来技術の図６で示したような、平面部１０７から側面部１０８への電極配線である引き廻し配線１０９を配置する必要がなくなる。

これにより、引き廻し配線１０９を形成するために必要であった側面部１０８の電極パターニングプロセスを省くことができるので、製造上、平易で歩留の良い、信頼性の高い電極配線が形成できる。また、電極配線の簡素化により、圧電振動子２の電気抵抗あるいは電気容量の低減に効果があるため、電気的特性上においても、高感度な圧電振動子を製造できる。

（第２の実施形態）
図５は本発明の第２の実施形態における圧電振動子を説明したものである。図５（ａ）は、圧電振動子２の斜視図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の振動子の裏面側の電極配線を示した透視図である。本実施形態における圧電振動子の製造方法は、前述した第１の実施形態と同様であるため説明は省略し、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。

本実施形態で第１の実施形態と異なる部分は、圧電振動子２の振動部４にスルーホール１２が位置しているところである。なお、圧電振動子の音叉脚の根元部の加工は、電気的特性に重大な影響を与えるため、振動部４にスルーホールを設ける場合、出来れば、図５のように振動子の先端を加工することが望ましい。スルーホール１２に形成されるスルー
ホール電極１３は、水晶音叉の上下平面上に展開する電極配線どうしを結びつける役割を有する。

本実施形態では、水晶音叉の上下平面上に展開する電極配線１４どうしが、振動部４の先端部にあるスルーホール電極１３によって、電気的に接続されているため、図５（ａ）で示したように、振動部４の根元部の表面側から引き廻される電極配線を省くことができる。

このため、図４（ａ）Ａ部のような複数の異なる電極配線が込み入るような配線パターニングを回避することができるので、製造プロセス上において、互いに異極である配線間の電気的短絡の問題が解決され、より信頼性の高い振動子を提供することができる。

以上、第１〜第２の実施形態を、２脚音叉型水晶振動子を用いて説明したが、脚の本数には限定されるものではなく、多脚型の構造の振動子にも適用できる。また、第１〜第２の実施形態で用いた圧電振動子を振動ジャイロセンサに用いれば、小型で製造プロセスにおいて信頼性の高い振動ジャイロセンサを実現できる。

以上のように、本発明による圧電振動子の製造方法によれば、圧電基板にスルーホールを設け、スルーホール部を電極配線に用いることにより、電極配線は３次元的に構成することが可能となるため、製造プロセス的に平易で信頼性の高い圧電振動子を提供することができる。その上、電極配線を簡素化した結果、電気抵抗、あるいは電気容量の低減等により、電気的特性を高めるという効果を有するものである。特に、圧電振動子を小型化する場合には効果的である。

したがって、従来技術である図６を参照して前述したような、引き廻し配線１０９を多く配置させるために、圧電振動子１００の励振電極１０２と検出電極１０４等の電極配線抵抗ならびに相互間の電気容量の増大し、それにより引き起こされる特性劣化や、また、製造プロセスの煩雑さ、困難さより生じる製造プロセス上の歩留悪化等の従来の問題は、本発明の場合には生じることがない。

圧電振動子の外形形状を示した斜視図である。 圧電振動子にフェムト秒レーザを用いて、電極配線用のスルーホールを形成したことを説明する斜視図である。 めっきによりスルーホール内部および開口部近傍に電極配線を形成したことを説明する斜視図である。 本発明を用いて第１の実施形態の電極パターンを形成した圧電振動子を示す斜視図である。（ａ）は振動子の全体斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の振動子の裏面側の電極配線を示した透視図である。 本発明を用いて第２の実施形態の電極パターンを形成した圧電振動子を示す斜視図である。（ａ）は振動子の全体斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の振動子の裏面側の電極配線を示した透視図である。 特許文献１における電極パターンを形成した圧電振動子を示す斜視図である。

符号の説明

１ 圧電基板
２、１００ 圧電振動子
３、１０１ 振動部
４、１０３ 基部
５、１０７ 平面部
６、１０８ 側面部
７ フェムト秒レーザ
８ レーザ光
９、１２ スルーホール
１０、１３ スルーホール電極
１１、１４ 電極配線
１０２ａ、１０２ｂ 励振電極
１０４ 検出電極
１０５ 励振電極端子
１０６ 検出電極端子
１０９ 引き廻し配線
１１０、１１１ 稜線部

Claims (8)

1. 振動部と基部とを備え、前記振動部または前記基部に、電気的に配線した電極配線を設けた圧電振動子において、前記圧電振動子を貫通し、前記電極配線に用いるためのスルーホールを設けたことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記スルーホールは、前記基部に設置することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記スルーホールは、前記振動子の電極配線仕様に合わせて、複数個設置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動子。
4. 前記スルーホールに形成する電極配線は、無電解ニッケルめっきにより形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
5. 前記スルーホールは、フェムト秒レーザを用いて形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電振動子。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電振動子を用いて外部から印加された物理量を検出することを特徴とする物理量センサ。
7. 前記物理量センサは、ジャイロセンサであることを特徴とする請求項６に記載の物理量センサ。
8. 振動部と基部とを備え、前記振動部または前記基部に、電気的に配線した電極配線を設けた圧電振動子の製造方法において、
   前記圧電振動子は、圧電基板をワイヤーソウ加工またはエッチング加工により、前記振動部と前記基部を有する前記圧電振動子の外形を形成する振動子加工工程と、
   フェムト秒レーザを用いて前記圧電振動子にスルーホールを形成するスルーホール加工工程と、
   前記スルーホール内部に無電解ニッケルめっきにより電極を形成するスルーホール電極形成工程と、
   前記圧電振動子の平面、または側面上に電極を配線する電極パターニング工程と、を有することを特徴とする圧電振動子の製造方法。

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