JP2008226869A - 水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエットエッチング加工で製作する振動ジャイロ用水晶振動子の振動脚の側面残渣は、角速度が発生していないときも振動脚に面外振動を生じる原因となるが、そのような面外振動を生じない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１００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１０１、１０２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１０３で被覆する。ある程度エッチングが進んだら、＋Ｚ軸側の耐食膜を除去した後、さらにウエットエッチング加工を行って振動脚の側面残渣の発生部分を除去する。
【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（面内振動）。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（面外振動）。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、駆動脚を振動させたときに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５２−３５５９２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、今度は振動脚側面に残渣を生じ、これがなくなるまでウエットエッチングを行うことが非常に困難になる。耐食膜パターンが片方の主表面のみに形成されており、反対側の主表面は完全に耐食膜に覆われていて、エッチングが片側からのみ進行する状態では、水晶板が貫通してもエッチング液が通り抜けることができないため、ある程度エッチングが進むとそれ以上はなかなか進まなくなるからである。振動脚側面に本来除去すべき部分の残渣が残っていると、振動のバランスがくずれて、駆動脚を振動させたとき、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ある。

そこで、本発明の目的は、耐食膜パターンを片方の主表面のみに形成してウエットエッチングを行う際に、振動脚側面に生じる残渣を簡便な方法で除去し、角速度が発生していないときには、駆動脚が面外振動を生じないで振動する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って外形を形成するとき、ある程度エッチング加工が進行した段階で一方の主表面の耐食膜または両主表面の耐食膜を除去して、その後さらにウエットエッチング加工を行うことを特徴とする。

一方の主表面の耐食膜を除去する場合、除去するのは主表面の全面に被覆した方の耐食膜であることを特徴とする。

さらに、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。

本発明の水晶振動子の製造方法によれば、振動脚側面に生じる残渣を簡便な方法で除去し、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は本発明の水晶振動子を構成する水晶振動片の製造方法を示した図で、原材料の水晶板を、二脚型音叉振動片の脚先となる側から基部に向かって見た図である。

図１（ａ）に示すように、Ｚカット水晶板１００の−Ｚ側の主面上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１０１、１０２を形成し、＋Ｚ側の主表面は全面を耐食膜１０３で被覆した状態とする。耐食膜パターン１０１は脚部パターンであり振動脚の長手方向を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方向としている。耐食膜パターン１０２は基部パターンである。

次に図１（ｂ）に示すように、Ｚカット水晶板１００の耐食膜パターン１０１、１０２で被覆されてない部分をウエットエッチング加工によりエッチングする。このとき、水晶の結晶異方性により、振動脚１１、１２および基部１３の＋Ｘ側の側面には側面残渣１０４が生じる。側面残渣１０４は、耐食膜１０３側に生じ、ウエットエッチング時間を長くすれば徐々に小さくなる。しかし、耐食膜パターン１０１の細いすき間に入り込んだエッチング液が通り抜けられないため、側面残渣１０４がなくなるまでウエットエッチング加工を行うのは困難である。側面残渣１０４が残った状態では、振動脚の断面形状が非対称となり、角速度が発生していないときでも振動脚の振動に面外振動の成分が混入してしまう。

そこで、図１（ｃ）に示すように、ある程度ウエットエッチング加工が進行した段階で、一度ウエットエッチング加工を中断して耐食膜１０３を除去する。

そして再びウエットエッチング加工を行うと、水晶の結晶異方性により水晶板の厚み方向（Ｚ軸方向）のエッチングが急速に進行するため、図１（ｄ）に示すように、水晶振動片１０の厚みが薄くなると同時に側面残渣１０４を生じている部分がなくなる。その結果、振動脚の断面形状が対称となるので、角速度が発生していないときに振動脚に面外振動を生じない。

その後、図１（ｅ）に示すように耐食膜パターン１０１、１０２を除去して、駆動脚１１と検出脚１２と基部１３からなる水晶振動片の外形が完成する。

図１（ｃ）において、耐食膜１０３だけでなく、耐食膜パターン１０１、１０２も除去して、再びウエットエッチング加工を行うこともできるが、この場合は水晶板の厚みの減少が２倍になることを考慮に入れて、もとの水晶板の厚みを決める必要がある。

図２は、図１に示す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２（ａ）は平面図、図２（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２（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３は本発明の別の実施形態である。図２の構成と同じものには同じ番号をつけている。図３（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２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４に、比較例の二脚音叉型水晶振動片を示す。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は脚先から基部の方向を見た図である。図２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２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２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）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。

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。また、以上の説明では、二脚の振動ジャイロについて実施形態を示したが、三脚の振動ジャイロにも本発明を用いることができるのはいうまでもない。

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の製造方法を示した図である。 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。

符号の説明

１００ Ｚカット水晶板
１０１ 脚部耐食膜パターン
１０２ 基部耐食膜パターン
１０３ 耐食膜
１０４ 側面残渣
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 (5)

1. 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、
   ある程度エッチング加工が進行した段階で、一方の主表面の耐食膜または両主表面の耐食膜を除去して、さらにウエットエッチング加工を行うことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
2. 請求項１に記載の水晶振動子の製造方法において、
   一方の主表面の耐食膜を除去する場合、除去するのは主表面の全面に被覆した方の耐食膜であることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
3. 請求項１に記載の水晶振動子の製造方法において、
   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。
4. 請求項３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。
5. 請求項３または請求項４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。
   

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