JP2007306471A - 水晶振動子及びその製造方法ならびに物理量センサー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、生産効率に優れ、生産性の高い水晶振動子の製造方法を提供することにあり、さらには、小型で精度の高い水晶振動子の製造方法を提供することにある。さらに、小型で精度の高い水晶振動子と物理量センサーを提供することにある。
【解決手段】水晶ウェハーを加工して、基部と基部から突出してなる振動脚を備えた水晶片を形成する水晶片形成工程と、基部を固定し振動脚を振動させて共振周波数を測定する振動測定工程と、水晶片の表面をウェットエッチング法によってエッチングして所望の共振周波数になるよう調整する追加エッチング工程と、所望の共振周波数に調整された水晶片上に電極を形成する電極形成工程とを有する。
【選択図】図１

Description

所定の振動数で精度良く発振する小型の水晶振動子の製造方法に関し、さらにはこの水晶振動子を用いた高精度で小型の水晶デバイスに関する。

近年、携帯電話やウェアラブル機器に代表される小型携帯機器の需要が高まりつつある。こうした小型携帯機器には水晶振動子が必要不可欠であり、特に高精度で発振する水晶振動子の要求が高まってきている。

従来は、こうした所定の振動数で精度良く発振する信頼性の高い水晶振動子を製造するために以下に示すような製造方法が用いられていた（例えば特許文献１参照。）。

図６は従来の製造方法によって製造された水晶振動子の斜視図である。従来の水晶振動子１２は、基部１２２とこの基部１２２から突出して形成されている２本の振動脚１２１を有した水晶片１２０と、その水晶片１２０に電圧を加えるための電極２２０と、振動調整するための粗調用電極２５２と微調用電極２５１が、それぞれ配置されている。

この粗調用電極２５２と微調用電極２５１は、除去加工されることによって水晶振動子１２の周波数を例えば３２．７６８ｋＨｚに調整するための電極である。粗調用電極２５２はメッキ法等の成膜方法によって厚く形成され、微調用電極２５１はスパッタリング法や蒸着法等の成膜方法によって薄く形成される。粗調用電極２５２も微調用電極２５１も比重の大きいＡｕ（金）で形成されるのが一般的である。

具体的には、まず、粗調用電極２５２と微調用電極２５１を配置した状態で、水晶振動子１２を共振回路で発振させ、周波数を測定する。そして、この測定された周波数と目標周波数である３２．７６８ＫＨｚとの差を出す。このとき、水晶振動子１２の周波数は目標周波数より低くなるように粗調用電極２５２等が配置されている。

次に、この測定された周波数と目標周波数との差に基づき、粗調用電極２５２にＹＡＧレーザー６０を照射し、粗調用電極２５２を部分的に除去する。これにより、Ａｕからなる粗調用電極２５２の付加質量が減じ、水晶振動子１２の周波数が高くなるようになっている。

粗調用電極２５２には、比重の大きいＡｕが厚く形成されているので、一回のＹＡＧレーザー６０の照射による除去量（質量減少量）は大きく、速やかに周波数を上げることができ、具体的には周波数を３２．７６８ＫＨｚ近傍まで一気に近づけることができる。このようにして、３２．７６８ＫＨｚ近傍まで周波数を近づけた後、次に微調用電極２５１に対してＹＡＧレーザー６０を照射することにより、目標の周波数になるように水晶振動子１２の周波数を合わせ込む。

この時、微調用電極２５１は薄く形成されているので、一回のＹＡＧレーザー６０の照射では除去量（質量減少量）は小さく、その結果、より精密に周波数を調整することができるのである。

またさらに精度良く周波数を調整するために、微調用電極２５１を一定の間隔を設けた複数のパターンで形成し、且つ表面側の微調用電極２５１をレーザー加工した時に裏面側の微調用電極２５１（図６では隠れて表示されていない。）が一緒に加工されないように
、表面側の微調用電極２５１と裏面側の微調用電極２５１とを互い違いに配置していた。

さらに水晶振動子を用いた振動ジャイロにおいても、同様にレーザー加工による周波数調整が行われていた（例えば特許文献２参照。）。振動ジャイロはコリオリ力の利用した角速度センサーであり、詳しくは、一定の周波数で振動している振動脚に回転が加わると、振動している方向に対し垂直な方向にコリオリ力が働く原理を利用した角速度センサーである。

振動ジャイロでは、回転が加わっていない状態で振動脚を駆動させた時の振動モードを面内振動と呼び、回転が加わりコリオリ力を検出する時の振動モードを面外振動と呼ぶが、この面内振動の固有振動数と、面外振動の固有振動数を適度に離して設定するのが、振動ジャイロの感度と安定性を両立する上で重要である。

通常、面内振動の固有振動数と面外振動の固有振動数の差を離調度と称してその値を厳しく管理し、この離調度を数百Ｈｚ程度に設定するのが望ましいとされている。従来の場合、これら面内、面外振動の固有振動数を調整し、離調度を合わせ込む工程においても、レーザー加工法によって調整用電極を除去する方法が用いられていた。

特開２００３−１３３８８５号公報（第７頁、図１） 特開２００６−１０６５９号公報（第７頁）

従来の水晶振動子の製造方法によれば、本来、水晶振動子としての動作上、まったく使われることのない微調用電極２５１と粗調用電極２５２を周波数調整のためだけにわざわざ形成する必要があった。

微調用電極２５１は、精度の高い周波数調整を行うために、微細で精度良くパターニングしなくてはならず、一方、粗調用電極２５２は、厚く形成するために、メッキ工程を余計に行う必要がある。このように微調用電極２５１、粗調用電極２５２とも、それらを形成するのには、多くの手間と時間を労するものである。その結果、従来の水晶振動子の製造方法では生産効率が非常に悪かった。

また、従来は電極２２０が形成された後の状態でなければ、水晶振動子１２を発振させることはできず、周波数調整時に誤って電極２２０を断線させてしまうことが多々あった。その結果、不良が多発し生産性が悪化してしまうことがあった。

さらに従来の水晶振動子の製造方法では、ＹＡＧレーザー６０を微調用電極２５１、粗調用電極２５２に位置精度良く照射しないと、精度の高い周波数調整ができない。しかしながら水晶振動子１２が小型になると、必然的に微調用電極２５１、粗調用電極２５２も小さく形成されるため、ＹＡＧレーザー６０のビームスポットを正確に微調用電極２５１、粗調用電極２５２に照射することが難しくなる。よって、従来の方法では水晶振動子１２が小型化されればされるほど周波数調整し難くなる。

さらには、従来の水晶振動子の製造方法では、微調用電極２５１、粗調用電極２５２を形成するスペースが水晶片１２０の表面に必ず必要とされる。その一方で水晶振動子１２として優れた電気特性を得るためには、最低限の電極２２０を配置するスペースが必要である。このように従来の場合、これら電極（電極２２０、微調用電極２５１、粗調用電極
２５２）すべてを配置するスペースを確保しなければならないため、小型化が非常に難しかった。

本発明の目的は、生産効率に優れ、生産性の高い水晶振動子の製造方法を提供することにあり、さらには、小型で精度の高い水晶振動子の製造方法を提供することにある。また、小型で精度の高い水晶振動子と、その水晶振動子を用いた小型で精度の高い物理量センサーを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子の製造方法では、水晶ウェハーを加工し、振動する振動脚と振動しない基部とを有する所望の形状の水晶片を形成する水晶片形成工程と、水晶片を振動させ共振周波数を測定する振動測定工程と、水晶片の表面をウェットエッチング法によってエッチングして所望の共振周波数になるよう調整する追加エッチング工程と、追加エッチング工程の後に所望の共振周波数に調整された水晶片上に電極を形成する電極形成工程とを有することを特徴としている。

さらに、振動脚は前記基部から突出しているのが望ましい。

さらに、水晶片形成工程において、水晶ウェハーをウェットエッチング法によって加工して水晶片を形成するのが望ましい。

さらに、振動測定工程において、水晶片を別の振動体で強制的に振動させるのが望ましい。

さらに、振動測定工程において、振動脚に照射したレーザーの反射光を利用して共振周波数を測定するのが望ましい。

さらに、振動測定工程において、基部を吸引して固定させるのが望ましい。

さらに、複数の水晶片が接続されて一つの水晶片基板を構成しているのが望ましい。

さらに、本発明の水晶振動子は上記の記載の水晶振動子の製造方法を用いて製造したことを特徴としている。

さらに、本発明の物理量センサーは上記記載の水晶振動子の製造方法を用いて製造した水晶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している。

さらに、物理量センサーは振動型ジャイロセンサーであるのが望ましい。

（作用）
本発明の上記手段では、まず水晶ウェハーを加工して所望の形状の水晶片を形成する（水晶片形成工程）。この水晶片の形状としてよく用いられる形状は、基部と基部から突出する振動脚とで構成された音叉型の形状であり、こういった形状の水晶振動子のことを音叉型水晶振動子と一般に称する。

このような基部から突出する振動脚を有する音叉型水晶振動子では、基部は振動しない固定部として、一方、振動脚は振動する振動部として、機能を完全に分離することが可能であり、安定した振動を得やすい構造とされている。すなわち、この音叉型水晶振動子において、共振周波数に大きく影響を及ぼす要因は、振動部である振動脚の形状であり、詳しくは振動脚の長さ、幅、厚みである。よって水晶片形成工程における水晶片の加工精度
は極めて重要である。

本発明では、数ある水晶片の加工方法の中でも、特に加工精度の優れたウェットエッチング法を利用している。このウェットエッチング法によれば、ミクロン以下の精度で加工できるだけでなく、水晶片内に加工歪み（加工による内部応力）がほとんど生じないという利点もある。なぜならこの加工歪みは振動特性を悪化させる要因の一つであるからである。

しかしながら、これほど優れた加工精度を有するウェットエッチング法を用いても、一回の加工で、水晶振動子に要求されるｐｐｍオーダーの共振周波数の規格に入るように加工することは非常に難しい。なぜなら、ウェットエッチング法で精度良く加工できるのは振動脚の長さと幅であり、厚みについては、もともとの水晶ウェハーの板厚のばらつきがそのまま振動脚の厚みのばらつきとして残ってしまうからである。

そこで本発明の水晶振動子の製造方法では、水晶片形成工程でできあがった水晶片の振動脚の共振周波数（固有振動数とも称する。）を実測して確認する工程（振動測定工程）を備えている。特に本発明では、共振周波数の測定にレーザー式振動測定機を用い、水晶片の振動は別の振動体で強制的に水晶片に振動を与える方法を採用している。別の振動体の振動数を低周波数から高周波数まで広範囲に変動させていくと、水晶片の振動脚は、それの持つ固有振動数のところで共振を始める。

その振動をレーザー式振動測定機で測定することによって振動脚の共振周波数を特定することができる。なおレーザー式振動測定機には、レーザードップラー方式や光へテロダイン方式など、その測定原理によっていろいろな方式のものがあるが、いずれもレーザーを測定物に照射してその反射光を検出することによって振動を測定している。こうしたレーザー式振動測定機の利点は、振幅が非常に少ない振動であっても正確に測定できる点にある。

なお、振動測定工程時に、水晶片の基部がしっかりと固定されていないと振動脚の振動を正確に測定することはできない。余計な振動モードが発生してしまうからである。故に実際の水晶振動脚が動作する時と同様に、水晶片の基部を固定しなくてはならないが、本発明の水晶振動子の製造方法において、振動測定工程はまだ途中の工程であり、接着剤等は汚れや破損が発生してしまうという点で使用することができない。

そこで本発明では水晶片の基部を真空吸引して固定する手法を採用した。この固定方法であれば、水晶片を汚してしまったり、破損してしまったりする危険性はほとんどない。

このようにして水晶片の振動脚の共振周波数を正確に測定した後、その測定結果に基づき、目標の共振周波数に合わせ込む周波数調整を行う（追加エッチング工程）。水晶片の振動脚の共振周波数を精密に調整するには、振動脚の長さ、幅、厚みのいずれかをミクロンレベルのオーダーで追加工する必要がある。

そこで本発明ではこの調整のための追加工にもウェットエッチング法を利用した。ウェットエッチング法は上記でも述べたように加工精度の優れた加工方法であるからである。さらに本発明では、水晶をウェットエッチングする時に必ず起こるエッチング異方性という特性を利用している点が大きな特徴でもある。

水晶はその結晶構造上、エッチング速度が結晶面によって異なるという特性を有しており、この特性のことを一般にエッチング異方性と呼んでいる。このエッチング異方性があるために水晶片の振動脚をウェットエッチングすると、厚み方向に対して幅方向はほとん
どエッチングされないので、厚みだけが加工されているのとほぼ同じような状況で追加工される。すなわち厚み方向のエッチング量だけを管理すれば良いので、周波数調整が非常に容易であり、かつ調整の精度も高くすることができる。

このようにして周波数調整された水晶片に電極形成工程で必要な電極だけを形成すれば、所定の振動数で精度良く発振する水晶振動子を完成させることができる。本発明では、電極形成工程の前に周波数調整が完了するため、従来技術のようなわざわざ本来使われることのない微調用電極や粗調用電極を形成する必要はない。これにより従来よりも電極形成工程を大幅に簡略化させることができる。

さらに、本発明では、水晶片形成工程で形成した水晶片を一個一個に切り離さず、個々の水晶片を部分的に繋げた水晶片基板の状態で、以降の振動測定工程、追加エッチング工程、電極形成工程を行えるようにした。これにより複数の水晶片を同時に処理することができるため、全ての工程で生産効率が上がり、ついては本発明の最大の効果である生産性向上に寄与することとなる。

また、水晶振動子が小型化されても、一つの水晶片基板の大きさは変わらないため、各工程での取り扱いが難しくなると言うことはない。また、水晶振動子が小型化されればされるほど、一つの水晶片基板に接続する水晶片の個数は多くなるので、小型化と生産性向上を同時に達成することができる。

このように上記手段によれば、生産効率に優れ、生産性の高い水晶振動子の製造方法を提供できるようになった。

さらに、小型で精度の高い水晶振動子の製造方法を提供できるようになった。

さらに、小型で精度の高い水晶振動子と、その水晶振動子を用いた小型で精度の高い物理量センサーを提供できるようになった。

本発明によれば、生産効率に優れ、生産性の高い水晶振動子の製造方法を提供することができ、さらには、小型で精度の高い水晶振動子の製造方法を提供することができる。また、小型で精度の高い水晶振動子と、その水晶振動子を用いた小型で精度の高い物理量センサーを提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の水晶振動子の製造方法における水晶片の振動測定方法を示した図である。また、図２は本発明の水晶振動子の製造方法を示した図である。まず初めに、本発明の水晶振動子の製造方法における工程について以下に説明する。まず図２（ａ）に示すように、板厚が２１０μｍの水晶ウェハー１１０の平面上に、所望とする水晶振動子の外形形状をかたどったマスク層３００を形成する。

本実施形態では、真空成膜法の一つであるスパッタリング法を用いて、水晶ウェハー１１０上にクロム（Ｃｒ）膜を成膜し、さらにそのＣｒ膜上に金（Ａｕ）膜を成膜した後、フォトリソグラフィー法とエッチング法を用いて水晶振動子の外形形状にパターニングした。フォトリソグラフィー法とエッチング法を用いたパターニング方法は一般にＬＳＩ分野で広く用いられており、ミクロン以下の非常に高い精度でのパターニングが可能であることが一般にも知られている。

なお本実施形態では、下層がＣｒ膜で上層がＡｕ膜からなる二層構造のマスク層３００を形成したが、Ｃｒ膜は水晶ウェハー１１０とＡｕ膜との密着性を高めることを目的としたものであり、一方、Ａｕ膜はこの後のエッチング工程で水晶ウェハー１１０をフッ酸やフッ化アンモニウム等のエッチング液から保護することを目的としている。

ただし、必ずしもＣｒ膜とＡｕ膜を使う必要はない。水晶ウェハー１１０との密着性が良好なニッケル（Ｎｉ）膜やチタン（Ｔｉ）膜を密着層として使ってもかまわないし、エッチング液に対して耐食性の高い材料であればＡｕ膜以外の膜を使用してもかまわない。

なお本実施形態では、マスク層３００の成膜にスパッタリング法を用いたが成膜方法に関してもスパッタリング法だけに限られるわけではない。この他にも、蒸着法やＣＶＤ法、さらにはメッキ法やスプレーコーティング法など、多様な成膜方法が利用可能である。

さらにパターニング方法に関しても、フォトリソグラフィー法とエッチング法の組合せに限られるわけではなく、インクジェット法やレーザープリント法やナノインプリント法など、いかなるパターニング法を用いてもかまわない。

次に、図２（ｂ）に示すように、水晶ウェハー１１０のマスク層３００に覆われていない部分をウェットエッチング法によってエッチングして、水晶片１０５を形成する。ウェットエッチング法は、ミクロン以下の精度で加工できるという利点だけでなく、水晶片１０５内に加工歪み（加工による内部応力）をほとんど発生させないという利点もある。

この加工歪みは振動特性を悪化させる要因の一つであり、できる限り無い方が好ましいとされている。なお本発明の水晶振動子の製造方法では、図２（ｂ）に示すこのエッチング工程を水晶片形成工程と称している。

なお本実施形態では、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合物からなるバッファードフッ酸をエッチング液として用い、ウェットエッチングを行った。

次に、図２（ｃ）に示すように、マスク層３００が取り除かれた水晶片１０５を振動させ共振周波数ｆ０′を測定する。本発明の水晶振動子の製造方法では、本工程を振動測定工程と称している。

本発明では、図１に示す方法によって水晶片１０５の共振周波数ｆ０′を測定している。図１（ａ）は振動測定工程時の各部の構成を示した図である。また図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示した図である。

図１（ａ）に示すように、まだ電極も何も形成されていない水晶片１０５は、基部と基部から突出した二本の振動脚を有する音叉型の形状をしており、基部の部分のみが固定台４００上に配置される。固定台４００は図１（ｂ）からもわかるように、その内部に真空吸引用の配管が形成されており、この配管で真空吸引することで水晶片１０５の基部は固定台４００にしっかりと固定される。

なお本発明において、基部とは水晶片のうち振動しない部分であり、振動脚とは所定の共振周波数で振動する部分である。一般に、基部から突出する振動脚を有する音叉型水晶振動子では、基部は振動しない固定部として、一方、振動脚は振動する振動部として、機能を完全に分離することが可能であり、安定した振動を得やすい構造とされている。

固定台４００の下部には圧電材料等の振動体からなる振動台６００が構成されており、この振動台６００を振動させることでその上部にある固定台４００と水晶片１０５も振動
させることができる。

このような構成で振動台６００を徐々に周波数ｆを変えながら振動させていくと、水晶片１０５は固有振動数の時点で共振し始めるので、その共振振動を検出できれば水晶片１０５の固有振動数すなわち共振周波数ｆ０′を測定することができる。

本発明ではこの共振振動の検出にどのような方法を用いても本発明の本質に直接関わるものではないが、レーザー光によって検出する方法が精度的には最も優れている。その理由はレーザー光を利用した振動測定機では、振幅が非常に少ない振動であっても正確に検出できるからである。

本実施形態では、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、レーザー振動測定機５００からのレーザー光５０を振動脚に向けて照射し、その反射光を利用して振動脚の共振振動を検出し、共振周波数ｆ０′を測定する方式を採用した。なお、この時に使用したレーザー振動測定機５００は振動検出の原理に光ヘテロダイン法を用いた測定機であったが、振動検出の原理にレーザードップラー法を用いた測定機であっても同様に共振振動の検出は可能である。

このようにして水晶片１０５の共振周波数ｆ０′を測定するわけであるが、この時点での共振周波数ｆ０′が設計通りの共振周波数ｆ０でできていることは非常にまれである。なぜなら共振周波数には振動脚の形状が大きく起因しており、振動脚の長さ、幅、厚みのすべてが設計通りに作られていないと設計通りの共振周波数にはならないからである。

本実施形態では水晶片１０５の形成に高精度の加工が可能なウェットエッチング法を使っているため、振動脚の幅と長さについては非常に精度良く加工できているが、厚みについては水晶ウェハー１１０の厚みのばらつきが、そのまま水晶片１０５の振動脚の厚みのばらつきとして残ってしまうため、水晶振動子に要求されるｐｐｍオーダーの共振周波数の規格に入れることは難しい。

そこで本発明では、図２（ｄ）に示すように、再度ウェットエッチングを行い、水晶片１００が設計通りの共振周波数ｆ０になるように微調整する。本発明の水晶振動子の製造方法では、本工程を追加エッチング工程と称している。

この追加エッチング工程では、水晶特有のエッチング異方性を利用して共振周波数の微調整を行っているのが大きな特徴と言える。水晶はその結晶構造上、エッチング速度が結晶面によって異なるという特性を有しており、このエッチング異方性があるために水晶片の振動脚をウェットエッチングすると、厚み方向のエッチング速度の方が幅方向及び長さ方向のエッチング速度よりも格段に速く、その結果、厚みだけが加工されているのとほぼ同じような状況で追加工がなされる。すなわち厚み方向のエッチング量だけを管理すれば良いので、周波数調整が非常に容易であり、かつ調整の精度も高くすることができるのである。

本実施形態では、先の振動測定工程（図２（ｃ））で測定した水晶片１０５の共振周波数ｆ０′の結果と目標とする設計上の共振周波数ｆ０の差が約１００Ｈｚであったので、追加エッチングの時間を１分間に設定したところ、設計通りの共振周波数ｆ０を有する水晶片１００に合わせ込むことができた。

その後、図２（ｅ）に示すように電極２００を形成して、設計通りの共振周波数ｆ０を有する水晶振動子１０が完成する。なお電極２００は、フォトリソグラフィー法やインクジェット法やレーザープリント法など、どのような方法で形成してもかまわない。

図３は本発明の製造方法によって製造された水晶振動子の斜視図である。図３に示すように、本発明によって製造された水晶振動子１０には、図６に示す従来の水晶振動子１２にあった微調用電極２５１と粗調用電極２５２をわざわざ形成する必要がなくなった。従来はこれら微調用電極２５１、粗調用電極２５２を形成するために多くの手間と時間を労しており、本発明ではこれらの形成工程がなくなったことで非常に生産性が上がった。

また、本発明では共振周波数の調整が完了した後に電極２００を形成し、それで完成に至る。よって従来の製造方法のように、電極２００を形成した後、何らかの加工がなされるわけではない。よって、従来多く発生していた電極２００の断線等の不良はほとんど発生しなくなった。

また、本発明では、ウェットエッチング法で共振周波数の調整をするので、ミクロン以下の微小量の加工が可能であるのに加え、どのような大きさの水晶振動子であっても対応可能であるので水晶振動子の小型化に非常に適している。さらには、従来の水晶振動子にあった微調用電極２５１、粗調用電極２５２を形成するスペース必要ないので、その点でも小型化に適している。

（第２の実施形態）
図４は複数個の水晶片が接続されてできた一枚の水晶片基板を示した図である。本実施形態では、切り離されていない複数個の水晶片１０５が接続されてできた一枚の水晶片基板１５０を振動測定工程、追加エッチング工程、電極形成工程に流した。通常の水晶振動子の製造工程では、水晶振動子一つ一つを加工するわけではない。一枚の水晶ウェハーから多数の水晶振動子を製造する。こうすることにより、大量生産が可能になり、安価な水晶振動子が得られる。本発明でもこのようなウェハーごとの処理が可能である。

水晶片形成工程（図２（ｂ））で水晶ウェハー１１０をエッチングして水晶片１０５を形成する時に、マスク層３００のパターンをそれぞれが切り離されないよう一部接続させておくと、図４に示すような複数個の水晶片１０５が接続された一枚の水晶片基板１５０を形成することができる。この時できた水晶片１０５は、いずれも同時に同じ条件でウェットエッチングされてできたものであるので、各々の寸法のばらつきは非常に少ない。よって、各々の水晶片１０５の共振周波数ｆ０′もそれほど大差なく作ることができる。

そこで、本実施形態での振動測定工程（図２（ｃ））では、任意に選んだ数個の水晶片１０５の共振周波数ｆ０′を測定して、その結果の平均値をもとに、次の追加エッチング工程でのエッチング時間を決定した。

このようにして決めたエッチング時間で水晶片基板１５０を追加エッチングしたところ、どの水晶片１０５もほぼ設計上の共振周波数ｆ０で形成することができた。

その後、水晶片基板１５０の状態で水晶片１０５に所定の電極を形成した後、水晶片１０５を分離して水晶振動子を完成させた。

（第３の実施形態）
本実施形態では、本発明により製造された水晶振動子を用いて物理量センサーの一つである振動型ジャイロセンサーを作製した。図５は本発明の製造方法によって製造された振動型ジャイロセンサー用の水晶振動子の斜視図である。

ここでは振動型ジャイロセンサーに利用する水晶振動子１１として、図５に示すように、基部１１２から三本の振動脚（１１１ａ、１１１ｂ）が突出してなる三脚構造の水晶振
動子１１を用いた。なお、三本の振動脚の内の両脇の二本は駆動用振動脚１１１ａであり、真ん中の一本は検出用振動脚１１１ｂである。

このような三脚構造の振動型ジャイロセンサーでは、通常状態で駆動用振動脚１１１ａを図５に示すように水晶片１１０の平面方向に沿って振動させる。一般にこのような振動モードを面内振動ｆｘと呼んでいる。この状態で、水晶振動子１１に回転が加わるとコリオリ力によって検出用振動脚１１１ｂが面内振動ｆｘと垂直な方向に振動し始める。この回転が加わった時の検出用振動脚１１１ｂの振動モードを、一般に面外振動ｆｙと呼んでいる。

振動型ジャイロセンサーではこの面外振動ｆｙを検出することによってコリオリ力を調べ、回転中の角速度を測定している。通常、振動型ジャイロセンサーにおいて、測定の感度と測定の安定性を両立するため、面内振動ｆｘの共振周波数と面外振動ｆｙの共振周波数を適度に離してやる（一般には数百Ｈｚ程度）のが好ましいとされており、面内振動ｆｘの共振周波数と面外振動ｆｙの共振周波数の差を厳しく管理している。なお一般的には面内振動ｆｘの共振周波数と面外振動ｆｙの共振周波数の差のことを離調度と称している。

本実施形態では、本発明の製造方法を用いて、水晶振動子１１の離調度を目標の値になるように調整した。以下に簡単に説明する。まずウェットエッチング法によって水晶片１１０を形成し、本発明の振動測定工程にしたがって、面内振動ｆｘの共振周波数と面外振動ｆｙの共振周波数をそれぞれ調べた。その結果、調整前の離調度は目標値よりも１００Ｈｚ大きかった。そこで、この水晶片１１０に対し追加エッチングを１分間行ったところ、離調度を１００Ｈｚ下げることができ、ほぼ目標値通りの離調度に調整することができた。

本発明の製造方法のように、水晶片１１０に追加エッチングを行うと、駆動用振動脚１１１ａと検出用振動脚１１１ｂの両方の振動脚の幅と厚みが変化する。ただし水晶エッチングの場合、エッチング異方性によって幅よりも厚みの方が、変化量が多くなる。すなわち幅と厚みの関係が変わるため、幅方向に振動する面内振動ｆｘの周波数変化と厚み方向に振動する面外振動ｆｙの周波数変化は同じではない。その結果、面内振動ｆｘの共振周波数と面外振動ｆｙの共振周波数の差である離調度を変えることができたのである。

最後に、このようにして離調度を調整した後、電極２１０を形成して振動型ジャイロセンサー用の水晶振動子１１を完成させることができた。

このように本発明は水晶を振動させて動作するあらゆる水晶デバイスに利用可能である。例えば他に加速度センサーやＱＣＭセンサー、さらにはマイクロタス等に利用できる。

本発明の水晶振動子の製造方法における水晶片の振動測定方法を示した図である。 本発明の水晶振動子の製造方法を示した図である。 本発明の製造方法によって製造された水晶振動子の斜視図である。 複数個の水晶片が接続されてできた一枚の水晶片基板を示した図である。 本発明の製造方法によって製造された振動ジャイロ用の水晶振動子の斜視図である。 従来の製造方法によって製造された水晶振動子の斜視図である。

符号の説明

１０、１１、１２ 水晶振動子
５０ レーザー光
６０ ＹＡＧレーザー
１００、１０５、１１０、１２０ 水晶片
１０１、１２１ 振動脚
１０２、１１２、１２２ 基部
１１１ａ 駆動用振動脚
１１１ｂ 検出用振動脚
１５０ 水晶片基板
２００、２１０、２２０ 電極
２５１ 微調用電極
２５２ 粗調用電極
３００ マスク層
４００ 固定台
５００ レーザー振動測定機
６００ 振動台

Claims (10)

1. 水晶ウェハーを加工し、振動する振動脚と振動しない基部とを有する所望の形状の水晶片を形成する水晶片形成工程と、
   前記水晶片を振動させ共振周波数を測定する振動測定工程と、
   前記水晶片の表面をウェットエッチング法によってエッチングして所望の共振周波数になるよう調整する追加エッチング工程と、
   前記追加エッチング工程の後に、前記共振周波数に調整された前記水晶片上に電極を形成する電極形成工程と、
   を有することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
2. 前記振動脚は前記基部から突出していることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
3. 前記水晶片形成工程において、前記水晶ウェハーをウェットエッチング法によって加工して前記水晶片を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水晶振動子の製造方法。
4. 前記振動測定工程において、前記水晶片を、別の振動体で強制的に振動させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法。
5. 前記振動測定工程において、前記振動脚に照射したレーザーの反射光を利用して共振周波数を測定したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法。
6. 前記振動測定工程において、前記基部を吸引して固定させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法。
7. 複数の水晶片が接続されて一つの水晶片基板を構成していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の水晶振動子の製造方法を用いて製造したことを特徴とする水晶振動子。
9. 請求項８に記載の水晶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ー。
10. 前記物理量センサーは、振動型ジャイロセンサーであることを特徴とする請求項９に記載の物理量センサー。
    

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