JP2009182555A - 圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計並びに圧電振動片の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 平行に配された一対の振動腕部8、9と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部10と、一対の振動腕部の両主面上に、振動腕部の基端部から先端部に向かって一定長さL形成された溝部17と、を有する圧電板11と、圧電板の外表面上に積層された下地金属層及び仕上金属層によって形成され、所定の電圧が印加されたときに一対の振動腕部を振動させる電極膜と、を備え、該電極膜は、少なくとも振動腕部の基端部から先端部に至る領域で、仕上金属層の一部或いは全部が除去されていること、を特徴とする圧電振動片2を提供すること。
【選択図】 図5
Description
ここで、音叉型の圧電振動片は、振動腕部が短くなると振動特性が悪化してしまう特徴がある。そのため、圧電振動片の小型化に伴って、R1値(直列共振抵抗値)が高くなってしまう不都合が生じてしまう。特に、このR1値は、実効抵抗値Reと比例関係にあるため、R1値が高くなってしまうと、圧電振動片を低電力で作動させることが難しいという不都合が生じてしまう。
このように、R1値の上昇を抑えながら圧電振動片の小型化を図るには、溝部を形成することが有効な手段である。
即ち、上述したように、圧電振動片の小型化に伴って上昇するR1値を抑えるためには、溝部を形成することが効果的ではあるが、小型化した振動腕部に溝部を形成するには加工上、どうしても限界がある。つまり、小型化を目指すほど、振動腕部自体も小さくなるので、溝部を形成することが非常に困難となってしまう。そのため、所望するR1値を確保できない場合があった。
このため、一定のR1値を確保するためには、圧電振動片のサイズをある程度の大きさにせざるを得なかった。
更に上記圧電振動片を有する圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計を提供することである。
本発明に係る圧電振動片は、平行に配された一対の振動腕部と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部と、前記一対の振動腕部の両主面上に、前記振動腕部の基端部から先端部に向かって一定長さ形成された溝部と、を有する圧電板と、前記圧電板の外表面上に積層された下地金属層及び仕上金属層によって形成され、所定の電圧が印加されたときに前記一対の振動腕部を振動させる電極膜と、を備え、該電極膜が、少なくとも前記振動腕部の基端部から先端部に至る領域で、前記仕上金属層の一部或いは全部が除去されていること、を特徴とするものである。
しかしながら、上述したように、振動腕部に被膜される電極膜の膜厚を薄くすることができるので、R1値を従来のものに比べて低減させることができる。従って、溝部の加工とは別の方法でR1値の低減化を図ることができる。
なお、振動腕部側を単層にするので、基部側の電極膜は、従来と同様に仕上金属層が残っている。そのため、マウント性や導電性は何ら変わりない。
特に、溝部が形成されている領域は、形状が複雑であるので、単なる平面に電極膜を形成する場合に比べて膜厚が均一にならず、ムラが生じやすい。そのため、膜応力がかかりやすく、歪みがたまりやすい。
しかしながら、溝部が形成されている領域に亘って部分的或いは全面的に電極膜を単層にするので、圧電板に作用する膜応力及び歪みの負荷を減らすことができる。よってR1値をより効果的に低減することができ、より一層の小型化を図ることができる。
特に、膜厚が不均一になりやすい溝部内を下地金属層だけの単層にするので、より効果的にR1値を低減することができる。
クロムは、硬度が高いため、下地金属層として用いることで圧電振動片自体を保護することができる。また、金は、軟らかい上に電気抵抗値が低いため、仕上金属層として用いることで、圧電振動片をマウントする際のマウント性や導電性を高めることができる。
即ち、下地金属層及び仕上金属層にそれぞれクロム及び金を用いることにより、圧電振動片を保護すると共に、電気導通性を安定に確保することができる。これにより、圧電振動片の高品質化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法によれば、上述した圧電振動片を効率良く製造することができ、低コスト化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動子を備えているので、高品質化及び小型化を図ることができる。
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図6に示すように、圧電振動片2と、該圧電振動片2を内部に収納するケース3と、圧電振動片2をケース3内に密閉させる気密端子であるプラグ4と、を備えている。
この圧電振動片2は、図2及び図3に示すように、平行に配置された一対の振動腕部8、9と、該一対の振動腕部8、9の基端側を一体的に固定する基部10と、を有する圧電板11と、一対の振動腕部8、9の外表面上に形成されて一対の振動腕部8、9を振動させる第1の励振電極12と第2の励振電極13とからなる励振電極14と、第1の励振電極12及び第2の励振電極13に電気的に接続されたマウント電極15、16とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片2は、一対の振動腕部8、9の両主面上に、振動腕部8、9の基端部から先端部に向かって一定長さL形成された溝部17を備えている。この溝部17は、振動腕部8、9の基端部から略中間付近まで形成されている。なお、一対の振動腕部8、9の腕幅は共通であり、それぞれWとする。また、基部10において一対の振動腕部8、9の基端部と連結されている部分を股部10aとする。
即ち、励振電極14、マウント電極15、16及び引き出し電極19、20は、所定の電圧が印加されたときに一対の振動腕部8、9を振動させる電極膜18として機能している。
即ち、電極膜18は、振動腕部8、9の溝部17が形成されている領域を含む領域RA及び領域RBで、溝部17内を含めて全面的に下地金属層18aだけの単層膜になる。なお、以下では、領域RA及び領域RBを合わせた領域を単層領域Rとして説明する。
ステム30は、金属材料で環状に形成されたものである。また、充填材32の材料としては、例えば、ホウ珪酸ガラスである。また、リード端子31の表面及びステム30の外周には、それぞれ同材料の図示しないメッキが施されている。
リード端子31の直径は例えば約0.12mmであり、リード端子31の母材の材質としては、コバール(FeNiCo合金)が慣用されている。また、リード端子31の外表面及びステム30の外周に被膜させるメッキの材質としては、下地膜としてはCuが用いられ、仕上膜としては、耐熱ハンダメッキ(錫と鉛の合金で、その重量比が1:9)や、銀(Ag)や錫銅合金(SnCu)や金錫合金(AuSn)等が用いられる。
また、ステム30の外周に被膜された金属膜(メッキ層)を介在させながらケース3の内周に真空中で冷間圧接させることにより、ケース3の内部を真空状態で気密封止できるようになっている。
具体的には、まず水晶のランバート原石を所定の角度でスライスして一定の厚みのウエハSとする。続いて、このウエハをラッピングして粗加工した後、加工変質層をエッチングで取り除き、その後ポリッシュ等の鏡面研磨加工を行って、所定の厚みのウエハSとする(S10)。
始めに、ポリッシングが終了したウエハSを準備した後、図9に示すようにウエハSの両面にエッチング保護膜40をそれぞれ成膜する(S21)。このエッチング保護膜40としては、例えば、クロム(Cr)を数μm成膜する。次いで、エッチング保護膜40上に図示しないフォトレジスト膜を、フォトリソ技術によってパターニングする。この際、圧電振動片2の周囲を囲むようにパターニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとしてエッチング加工を行い、マスクされていないエッチング保護膜40を選択的に除去する。そして、エッチング加工後にフォトレジスト膜を除去する。これにより、図10及び図11に示すように、エッチング保護膜40を上述した形状にパターニングすることができる(S22)。つまり、圧電振動片2の外形形状、即ち、一対の振動腕部8、9及び基部10の外形形状に沿ってパターニングすることができる。またこの際、複数の圧電振動片2の数だけパターニングを行う。なお、図11から図16は、図10に示す切断線C−C線に沿った断面を示す図である。
まず、図13に示すように、エッチング保護膜40上にフォトレジスト膜41をスプレー塗布等により成膜する(S31)。そして、このフォトレジスト膜41を、フォトリソ技術によってパターニングする。この際、図14に示すように、溝部17の領域を空けた状態で圧電振動片2の外形形状に沿ってパターニングする(S32)。そして、パターニングされたフォトレジスト膜41をマスクとしてエッチング加工を行い、マスクされていないエッチング保護膜40を選択的に除去する。そして、エッチング加工後にフォトレジスト膜41を除去する。これにより、図15に示すように、既にパターニングされたエッチング保護膜40を、溝部17の領域を空けた状態でさらにパターニングすることができる(S33)。
以上の工程を実施することで、電極形成工程が終了する。
次いで、ステム30内に、リード端子31及び充填材32をそれぞれセットするセット工程を行う(S62)。まず、作製したステム30を、図示しない専用の治具にセットした後、予めリング状に焼結された充填材32をステム30の内部にセットすると共に、充填材32を貫通するようにリード端子31をセットする。
このように、下地膜及び仕上膜からなる金属膜を被膜させることで、インナーリード31aと圧電振動片2との接続を可能にすることができる。また、圧電振動片2の接続だけでなく、ステム30の外周に被膜された金属膜が柔らかく弾性変形する特性を有しているので、ステム30とケース3との冷間圧接を可能にすることができ、気密接合を行うことができる。
なお、バンプ接続する際に、加熱・加圧を行ってマウントしたが、超音波を利用してバンプ接続を行っても構わない。
なお、この工程を行う前に、圧電振動片2、ケース3及びプラグ4を十分に加熱して、表面吸着水分等を脱離させておくことが好ましい。
スクリーニング終了後、内部の電気特性検査を行う(S79)。即ち、圧電振動片2の共振周波数、共振抵抗値、ドライブレベル特性(共振周波数及び共振抵抗値の励振電力依存性)等を測定してチェックする。また、絶縁抵抗特性等を併せてチェックする。そして、最後に圧電振動子1の外観検査を行って、寸法や品質等を最終的にチェックする。この結果、図1に示す圧電振動子1を製造することができる。
しかしながら、上述したように、振動腕部8、9に被膜される電極膜18の膜厚を薄くすることができるので、R1値を従来のものに比べて低減させることができる。従って、溝部17の加工とは別の方法でR1値の低減化を図ることができる。
特に、溝部17が形成されている領域は、形状が複雑であるので、単なる平面に電極膜18を形成する場合に比べて膜厚が均一にならず、ムラが生じやすい。そのため、膜応力がかかりやすく、歪みがたまりやすい。
しかしながら、溝部17が形成されている領域に亘って全面的に電極膜18を単層にするので、圧電板11に作用する膜応力及び歪みの負荷を減らすことができる。よってR1値をより効果的に低減することができ、より一層の小型化を図ることができる。
特に、膜厚が不均一になりやすい溝部17内を下地金属層18aだけの単層にするので、より効果的にR1値を低減することができる。
特に、股部10aは、溝部17と同様に形状が複雑であるので、単なる平面に電極膜18を形成する場合に比べて膜厚が均一にならず、ムラが生じやすい。そのため、膜応力がかかりやすく、歪みがたまりやすい。
しかしながら、少なくとも股部の電極膜18を全面的に単層にするので、圧電板11に作用する膜応力及び歪みの負荷を減らすことができる。よってR1値をより効果的に低減することができ、より一層の小型化を図ることができる。
なお、振動腕部8、9側及び股部10a近傍を単層にするので、マウント電極15、16は、従来と同様に仕上金属層18bが残っている。そのため、マウント性や導電性は何ら変わりない。
クロムは、硬度が高いため、下地金属層18aとして用いることで圧電振動片2自体を保護することができる。また、金は、軟らかい上に電気抵抗値が低いため、仕上金属層18bとして用いることで、圧電振動片2をリード端子31とのマウント性や導電性を高めることができる。
即ち、下地金属層18a及び仕上金属層18bにそれぞれクロム及び金を用いることにより、圧電振動片2を保護すると共に、電気導通性を安定に確保することができる。これにより、圧電振動片2の高品質化を図ることが可能になる。
本実施形態の発振器100は、図22に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
本実施形態の電波時計130は、図24に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
そして、上記した電極膜の構成以外の点において条件を合わせた状態で、従来の圧電振動片と本発明に係る圧電振動片とを用いた。具体的に、電極膜の材料及び厚さについては、両者とも、下地金属層は、材料がクロムで、厚みが600Åのものを用いた。そして、仕上金属層は、材料が金で、厚みが1500Åのものを用いた。
上記条件を満たす従来の圧電振動片と本発明に係る圧電振動片とを、それぞれ振動腕部の腕幅の異なる4種類(90μm、100μm、110μm、130μm)ずつ用意した。そして、それぞれに所定の電圧を印加し、R1値の比較を行った。
この結果によれば、いずれの腕幅の圧電振動片を比較した場合であっても、本発明に係る圧電振動片のR1値は、従来の圧電振動片のR1値より10%程度低いことが確認できた。従って、膜厚の調整だけでR1値が低くなるということが確認できた。つまり、溝部加工とは別の手段でR1値を低減させられることが実際に確認できた。
2 圧電振動片
8 振動腕部
9 振動腕部
10 基部
11 圧電板
17 溝部
18 電極膜
18a 下地金属層
18b 仕上金属層
100 発振器
101 発振器の集積回路
110 携帯情報機器(電子機器)
113 電子機器の計時部
130 電波時計
131 電波時計のフィルタ部
S ウエハ
L 一定長さ
Claims (12)
- 平行に配された一対の振動腕部と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部と、前記一対の振動腕部の両主面上に、前記振動腕部の基端部から先端部に向かって一定長さ形成された溝部と、を有する圧電板と、
前記圧電板の外表面上に積層された下地金属層及び仕上金属層によって形成され、所定の電圧が印加されたときに前記一対の振動腕部を振動させる電極膜と、を備え、
該電極膜は、少なくとも前記振動腕部の基端部から先端部に至る領域で、前記仕上金属層の一部或いは全部が除去されていること、
を特徴とする圧電振動片。 - 請求項1に記載の圧電振動片において、
前記電極膜は、前記基端部から前記一定長さ以上離間した位置まで、前記仕上金属層の一部或いは全部が除去されていること、
を特徴とする圧電振動片。 - 請求項2に記載の圧電振動片において、
前記電極膜は、前記圧電板の両主面及び前記溝部内において、前記仕上金属層が除去されていること、
を特徴とする圧電振動片。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片において、
前記下地金属層は、クロムで形成され、
前記仕上金属層は、金で形成されること、
を特徴とする圧電振動片。 - 圧電材料からなるウエハを利用して圧電振動片を一度に複数製造する方法であって、
前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、平行に配された一対の振動腕部と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部と、を有する圧電板を、前記ウエハに複数形成するように外形形状をパターニングする外形形成工程と、
複数の前記圧電板の前記一対の振動腕部の両主面上に、前記振動腕部の基端部から先端部に向かって一定長さ溝部を形成する溝部形成工程と、
複数の前記圧電板の外表面上に下地金属層及び仕上金属層を積層して、所定の電圧が印加されたときに前記一対の振動腕部を振動させる電極膜を形成する電極形成工程と、
複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、
前記電極形成工程の際に、少なくとも前記振動腕部の基端部から先端部に至る領域で、前記仕上金属層の一部或いは全部を除去すること、
を特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項5に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記電極形成工程の際に、前記基端部から前記一定長さ以上離間した位置まで、前記仕上金属層の一部或いは全部を除去すること、
を特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項6に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記電極形成工程の際に、前記圧電板の両主面及び前記溝部内において、前記仕上金属層を除去すること、
を特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項5から7のいずれか1項に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記電極形成工程の際、前記下地金属層を、クロムを用いて形成し、前記仕上金属層を、金を用いて形成すること、
を特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電振動片を有することを特徴とする圧電振動子。
- 請求項9に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
- 請求項9に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項9に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
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