JP2009284219A - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

圧電振動片および圧電デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 エッチングによる異形部を考慮した外形とすることで、エッチング後においても左右対称の音叉型圧電振動片を提供する。
【解決手段】 基部(23)の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕(41)と、一対の振動腕の間に形成される振動根元部(27)と、基部の一端側から且つ振動腕の両外側において所定方向に伸びる一対の支持腕(22)と、を備え、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部(26)は、振動根元部(27)と所定方向の位置(K1、K2)が同じである。
【選択図】図1

Description

本発明は例えば水晶からなる圧電基板を用いて、支持腕を持つ音叉型の圧電振動素子を製造する技術に関する。
従来、時計や家電製品、各種情報・通信機器やOA機器等の民生・産業用電子機器には、その電子回路のクロック源として圧電振動子、圧電振動片とICチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが広く使用されている。また、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御や航行制御、ビデオカメラ等の手振れ防止・検出等における回転角速度センサとして、圧電振動ジャイロが広く利用され、3次元立体マウス等の回転方向センサにも応用されている。
特に最近、これら圧電デバイスは、それを搭載する電子機器の小型化・薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されている。また、低いCI(クリスタルインピーダンス)値を確保して、高品質で安定性に優れた圧電デバイスが要求されている。圧電デバイスはCI値を低く保持するために、たとえば振動腕構造を有する音叉型圧電振動片が開発され、さらに小型化するために、基部の長さを短くし、支持腕を持つ音叉型圧電振動片が提供されている。
特許文献1によれば、音叉型圧電振動片200は図6に示すように基部223に振動腕221が設けられ、支持腕222は基部223の幅方向に延長し、さらに振動腕方向に伸びている。この支持腕222を形成することで、パッケージ外部の温度変化、又は落下などの衝撃からの影響を減少させ、特に温度特性が良好となる。また、支持腕222を形成することはパッケージ内部の振動腕221の振動漏れが外部に及ぼす影響が少なくなり、CI値を改善していた。
特開2006−148857
しかしながら、さらに小型化する需要に対して、基部の長さをさらに短くしようとすると、従来の支持腕を追加した形状だけでは十分に振動漏れを吸収することができずにCI値が劣化する。また、音叉型圧電振動片の外形を形成する際のエッチングにおいて、水晶の異方性により音叉型圧電振動片は異型部が発生する。このエッチングによる異形部は小型化するに従い、音叉型圧電振動片の特性に与える影響が大きくなる。エッチングの異型部は音叉型圧電振動片に歪みを発生させ、わずかな寸法の違いで左右の振動腕のバランスが不均一になり振動漏れがおきる。特に一対の振動腕の根元部などは小型になるにつれてエッチングの薬液が流れにくくなり、さらに水晶の異方性により加工が難しくなっている。
本発明の目的は、音叉型圧電振動片をさらに小型化するために、基部の長さを短くして支持腕を設け、またエッチングによる異形部を考慮した外形とすることで、エッチング後においても左右対称の音叉型圧電振動片を提供する。
第1の観点の圧電振動片は、基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、基部の一端側から且つ振動腕の両外側において所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、振動根元部と所定方向の位置が同じである。
この構成により、振動根元部と支持根元部の所定方向の位置が同じであるため、一対の振動腕の根元部が左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。このためCI値が改善しまた振動漏れも小さくできる。
第2の観点の圧電振動片は、基部の他端側から支持根元部までの距離と振動根元部までの距離とが等しい。
この構成により、エッチングを行っても左右対称に形成することができる。
第3の観点の圧電振動片は、基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、基部の一端側から且つ振動腕の両外側において、所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される間隔は一対の振動腕の間隔と同じである。
この構成により、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される間隔は一対の振動腕の間隔と同じであるため、一対の振動腕の根元部が左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。このためCI値が改善し、また振動漏れも小さくできる。
第4の観点の圧電振動片は、一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、振動根元部と所定方向の位置が同じである。
この構成により、エッチングを行っても左右対称に形成することができる。
第5の観点の圧電振動片の支持根元部は、振動根元部と同一形状である。
支持根元部と振動根元部とを曲線状又は直線状に同一すればよりエッチングで左右が同じバランスとなる。
第6の観点の圧電振動片の振動腕の幅は、一端側から所定方向に向かって縮減しその後第1幅で所定方向に伸び、さらに、第1幅より広い第2幅で先端まで伸びている。
このような振動腕の構成にすることにより、特に高調波のCI値及びQ値を制御できるため安定した振動周波数を得ることができる。
第7の観点の圧電振動片の振動腕の幅は、一端側から所定方向に向かって縮減しその後先端まで徐々に広がっている。
このような振動腕の構成にすることにより、特に高調波なCI値及びQ値を制御できるため安定した振動周波数を得ることができる。
第8の観点の圧電振動片は、振動腕は溝部を有し、この溝部に振動腕を励振させる励振電極が形成されている。
この構成により、振動腕を振動させ易くするとともにCI値を下げることができる。
第9の観点の圧電デバイスは、第1ないし第8の観点のいずれかに記載の圧電振動片と、この圧電振動片を覆う蓋部と、支持腕が接続されるとともに圧電振動片を支えるベースと、を備える。
第1ないし第8の観点のいずれかに記載の圧電振動片を使うことで、小型化しても安定した振動周波数を行うことができる圧電デバイスとなる。
本発明の圧電振動片は小型化してもCI値の劣化を低減できる。またその圧電振動片を使った圧電デバイスは小型化の要望に応えることができる。
本発明の音叉型水晶振動片は、例えば32.768kHzで信号を発信する振動片でY軸方向の長さが1.45mm程度、X方向の長さが0.5mm程度、Z方向の厚さが0.12mm前後の小型な形状となっている。この音叉型水晶振動片の外形を形成する工程のエッチングでわずかな寸法の違いが発生し、このわずかな寸法の違いは小型な形状であるために音叉型水晶振動片に与える影響は大きい。以下の実施例はCI値の劣化の少ない小型な音叉型水晶振動片の形状を示す。
<実施例1>
図1(a)は本実施例の第1音叉型水晶振動片100である。第1音叉型水晶振動片100は第1振動腕41を持ち、さらに支持腕22で構成されている。図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。
第1音叉型水晶振動片100は基部23に音叉型の一対の第1振動腕41を持ち、基部23の長さLKは0.20mm程度で、一対の第1振動腕41の長さは1.25mm程度の長さである。
第1振動腕41は基部よりほぼ平行に伸び、第1振動腕41の表裏両面には、溝部24が形成されている。例えば、一本の第1振動腕41の表面には1つの溝部24が形成されており、第1振動腕41の裏面側にも同様に1つの溝部24が形成されている。つまり、一対の第1振動腕41には4箇所の溝部24が形成される。図1(b)に示すように溝部24の断面は、略H型に形成され第1音叉型水晶振動片100のCI値を低下させる効果がある。
第1振動腕41の根元部分は幅広に形成されている。これは第1振動腕41の振動が根元部分に集中していた応力を第1くびれ部46の方に移動させ、基部への振動漏れを減少させることができる。なお本実施例では一対の振動腕に4箇所の溝部24を形成しているが、より多くの溝部24を形成してもよく、また溝部24を形成しない場合においても同様な効果がある。また、溝部24の形成は以下の実施例2及び実施例3についても同様である。
第1音叉型水晶振動片100の基部23は、その全体が略板状に形成されている。基部23の長さLKは第1音叉型水晶振動片100の全長を短くするために、できるだけ短いほうが望ましい。しかし、基部の長さLKを短くすると、第1振動腕41の振動がパッケージ外部へ振動漏れとして伝わるおそれがあり、またパッケージ外部の温度変化、又は衝撃の影響を受けやすくなる。このため、本実施例では第1音叉型水晶振動片100に支持腕22を形成することで、第1振動腕41の振動漏れや外部変化の影響を少なくしている。さらに、第1音叉型水晶振動片100とパッケージとの接合部25は基部より離れた支持腕22の端部に設置することで、振動漏れや外部変化の影響を少なくしている。さらに第1音叉型水晶振動片100の外形を以下に示すような構造にすることでエッチングの異形部の影響を抑え、左右均等でバランスのとれた第1音叉型水晶振動片100を形成することができる。
図1(a)で示すように、第1音叉型水晶振動片100の基部23は同じ基部の長さLKで幅方向に伸び、その伸びた基部23から支持腕22が伸びた形状である。また、第1音叉型水晶振動片100の第1振動腕41と第1振動腕41との距離である第2幅W2は第1振動腕の幅である第1幅W1と同じであり、また第1振動腕41と支持椀22との距離である第3幅W3も第1幅W1と同じ長さで形成されている。つまり第1音叉型水晶振動片100は第1幅W1と、第2幅W2と、第3幅W3とを同一幅で設計する。
第1幅W1と、第2幅W2と、第3幅W3と、を同一幅で設計することはエッチング工程でエッチング液の流れが同一となり、左右でバランスがとれた第1音叉型水晶振動片100を形成することができる。
基部23と一対の第1振動腕41とで成す振動根元部26の形状は角ばった(直線的な)U字形状をしている。また、基部23と第1振動腕41と支持腕22とで成す2箇所の支持根元部27の形状も同一の角ばった(直線的な)U字形状をしている。また、第1音叉型水晶振動片100の基部23は同じ基部の長さLKで幅方向に伸ばして設計するため、振動根元部26の最深部の第1基部の長さK1と、2箇所ある支持根元部27の最深部の第2基部の長さK2と、が同じ長さで形成される。
振動根元部26と支持根元部27との形状と、第1基部の長さK1と第2基部の長さK2との長さと、を同一にすることで、水晶の異方性によるエッチングの異型部は同一形状となるため、全体で均一な形状となる。つまり、第1音叉型水晶振動片100は上記の各幅と、各根元部形状と、各基部の長さとを揃えることで、エッチングを行っても左右対称に形成することができ、左右でバランスがとれた構造となる。
支持腕22の長さは第1振動腕41の長さより短く形成し、第1振動腕41の先端には電極と同時に金属被膜を形成する。また、振動腕の先端の金属被膜は圧電デバイスとして搭載した第1音叉型水晶振動片100の周波数調整をしやすくするために形成される。これらの第1音叉型水晶振動片100の外形と溝部24との形成は公知のフォトリソ・エッチング技術で形成されている。以下は外形及び溝部24のエッチングによる形成方法の概略を示す。
(外形の形成)
外形のエッチングは、丸型又は角型の水晶ウエハより同時に多数の第1音叉型水晶振動片100の外形を形成する。第1音叉型水晶振動片100の外形は図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、マスクから露出した水晶ウエハに対して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、第1音叉型水晶振動片100の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属被膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。
エッチング進行上の異方性はこれらのエッチング工程でおこり、図1に示された結晶軸(XYZ)のX軸を第1音叉型水晶振動片100の幅、Y軸を長さ、Z軸を厚さZに関して発生する。
すなわち、第1音叉型水晶振動片100に関するエッチングレートは、Z軸方向が大きく、次にプラスX軸方向が大きく、次にマイナスX軸方向が大きく、Y軸方向が一番小さい。
このようなエッチング進行上の異方性により、第1音叉型水晶振動片100には、各振動腕及び各支持腕の外側側面に、ヒレ状に突出した異形部(図示しない)が形成される。
(溝形の形成)
次に、溝形成用レジストにより、各溝部24を挟む両側の壁部を残す様にして、溝部24を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、第1振動腕41の表面と裏面とを、それぞれウエットエッチングすることにより溝部24を形成する。溝部24の深さは厚みに対して、30ないし45パーセント程度とで形成する。
なお、上記の外形エッチングおよび溝エッチングは、その一方もしくは両方をドライエッチングにより形成してもよい。その場合には、例えば、水晶ウエハ上に、第1音叉型水晶振動片100の外形や、外形形成後には、溝部24に相当する領域を、その都度メタルマスクを配置して覆う。この状態で、例えば、図示しないチャンバ内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングすることができる。つまり、真空チャンバ(図示せず)には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
真空チャンバ内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。
(電極の形成)
電極は、図1(a)で示すように基部電極31と励振電極32とで形成され、励振電極32においては図1(b)で示すように第1振動腕41の側面にも形成されている。基部電極31と励振電極32とは例えばNi膜からなる下地にAu膜を設けた2層構造で形成されている。
電極の形成は蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、電極を形成する。その後、第1振動腕24の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極(金属被膜)が形成される。錘付け電極は周波数調整に利用される。
以下の実施例では同様に電極を配線するため、電極の図を省いている。
(圧電デバイスの形成)
図2(a)は圧電デバイス50の概略上面図を示し、図2(b)に図2(a)の概略断面図を示す。圧電デバイス50は真空チャンバ内で窪みを持つパッケージPKGに第1音叉型水晶振動片100入れ、真空状態で蓋体53とパッケージPKGとを封止材54により接合する。蓋体53は硼珪酸ガラスなどで形成することで圧電デバイスを構築した後でも周波数の調整をすることができる。
パッケージPKGは例えばセラミックからなるセラミックパッケージであり、複数枚のセラミックシートを積層して箱状に形成してある。パッケージPKGの底部には外部電極51が形成され表面実装(SMD:Surface Mount Device)できるタイプとなる。
第1音叉型水晶振動片100は支持腕22の接合部25で圧電デバイス50のパッケージPKGと接合している。例えば、接合部25はパッケージPKGの電極(図示しない)に塗布した導電性接着剤の上に載置して、導電性接着剤を仮硬化させる。次に、硬化炉で導電性接着剤を本硬化することで接合部25は第1音叉型水晶振動片100とパッケージPKGとで導電性を持たせたまま接合されパッケージ外部の外部電極51と電気的に接続される。
圧電振動デバイス50は第1音叉型水晶振動片100の第1振動腕41の先端にレーザー光を照射して、錘の金属被膜の一部を蒸散・昇華させ、質量削減方式による周波数の調整を行う。また圧電振動デバイス50は駆動特性などの検査を行うことで完成する。
第1音叉型水晶振動片100は第1振動腕41の形状を変えることで、さらにCI値の劣化が少ない圧電デバイス50を製造することができる。以下の実施例2と実施例3とはさらにCI値の劣化が少ない振動腕形状の具体例を示す。
<実施例2>
図3はCI値の劣化が少ない第2振動腕42を持つ第2音叉型水晶振動片110を示す。本実施例の第2音叉型水晶振動片110における第2振動腕42以外の構成部分は実施例1と同様なため同一部分の説明を省く。また、図を分かりやすくするために電極を図示しない。
図3に示すように基部23から延びる第2振動腕42は根元部分から徐々に幅狭になり第1くびれ部46を形成している。さらに、第2振動腕42は第1くびれ部46から徐々に幅狭になり第2振動腕42の先端付近で第2くびれ部47を形成している。次に第2振動腕42は第2くびれ部47から第2振動腕42の先端にかけて、振動腕同士が互いに衝突しない幅で徐々に幅広に形成される。
第2振動腕42の幅広な根元部分から第1くびれ部46、又は第2くびれ部47にかけて2段階で細くなるため、根元部分に集中していた応力が第2振動腕42の先端方向に移動することで、基部への振動漏れが減少する。また、第2振動腕42の先端の幅W4、又は第2くびれ部47の幅W5を調節することでCI値を抑制しつつ、2次の高調波における発振の防止をすることができ、安定した基本波を発振することができる。
本実施例も実施例1と同様に圧電デバイス50として第2音叉型水晶振動片110をパッケージPKGに封入することができる。また封入された後に周波数の調整を行うことができる。
<実施例3>
図4はCI値の劣化が少ない第3振動腕43を持つ第3音叉型水晶振動片120を示す。本実施例の第3音叉型水晶振動片120の構成部分も第3振動腕43以外は実施例1と同様なため説明を省く。また、図を分かりやすくするために電極を図示しない。
図4に示すように実施例2と同様に基部23から延びる第3振動腕43は根元部分から徐々に幅狭になり第1くびれ部46を形成し、第2くびれ部47に向かい徐々に幅狭になっている。第3振動腕43は第2くびれ部47で急激に幅広になり、振動腕同士が互いに衝突しない幅でハンマー型の形状をしている。
本実施例においても第3振動腕43の幅広な根元部分から第1くびれ部46、又は第2くびれ部47にかけて2段階で細くなるため、根元部分に集中していた応力が第3振動腕43の先端方向に移動することで、基部23への振動漏れが減少する。またハンマー型の幅であるハンマー幅HW、及びハンマー型の長さであるハンマー長HL、及び基部からハンマー型までの長さである基部ハンマー長KHを調整することでCI値を抑制しつつ、2次の高調波における発振の防止をすることができ、安定した基本波を発振することができる。
本実施例も実施例1と同様に圧電デバイス50として第3音叉型水晶振動片120をパッケージPKGに封入することができる。また封入された後に周波数の調整を行うことができる。
実施例1及び実施例2及び実施例3では振動根元部26と支持根元部27との形状とが角ばったU字形状をしているが、それぞれ図5(a)及び図5(b)及び図5(c)で示すように滑らかなU字形状をしていても良い。また、実施例1及び実施例2及び実施例3では2箇所の第1接合部でパッケージと固定されていたが図5(a)及び図5(b)及び図5(c)で示すように、2箇所の第2接合部を追加して形成してもよい。第2接合部を設けることで支持腕22を支える剛性が増し、各振動腕からの振動漏れがパッケージPKGに伝わりにくく、また温度変化などに起因するパッケージ外部からの応力の変化が各振動腕に伝わりにくい構造となる。なお図5では電極及び溝部24を図示していない。
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。たとえば、本発明の圧電振動片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
(a)は、第1音叉型圧電振動片100の上面図である。 (b)は、(a)に示した音叉型圧電振動片100のA−A断面図である。 (a)は、圧電デバイス50の上面図である。 (b)は、(a)に示した圧電デバイス50の概略断面図である。 第2音叉型圧電振動片110の上面図である。 第3音叉型圧電振動片120の上面図である。 (a)は、第1音叉型圧電振動片100の変形例を示す上面図である。 (b)は、第2音叉型圧電振動片110の変形例を示す上面図である。 (c)は、第3音叉型圧電振動片120の変形例を示す上面図である。 従来の支持腕を持つ音叉型圧電振動片200の上面図である。
符号の説明
22 … 支持腕
23 … 基部
24 … 溝部
25 … 接合部
26 … 振動根元部
27 … 支持根元部
41 … 第1振動腕
42 … 第2振動腕
43 … 第3振動腕
46 … 第1くびれ部
47 … 第2くびれ部
50 … 圧電デバイス
53 … 蓋体
54 … 封止材
100 … 第1音叉型水晶振動片
110 … 第2音叉型水晶振動片
120 … 第3音叉型水晶振動片
HW … ハンマー幅
HL … ハンマー長
K1 … 第1基部の長さ
K2 … 第2基部の長さ
KH … 基部ハンマー長
LK … 基部の長さ
W1 … 第1幅
W2 … 第2幅
W3 … 第3幅
PKG … パッケージ

Claims (9)

  1. 基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、
    前記一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、
    前記基部の前記一端側から且つ前記振動腕の両外側において前記所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、
    前記一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、前記振動根元部と前記所定方向の位置が同じであることを特徴とする圧電振動片。
  2. 前記基部の他端側から前記支持根元部までの距離と前記振動根元部までの距離とが等しいことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
  3. 基部の一端側から所定方向に伸びる少なくとも一対の振動腕と、
    前記一対の振動腕の間に形成される振動根元部と、
    前記基部の前記一端側から且つ前記振動腕の両外側において前記所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備え、
    前記一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される間隔は、前記一対の振動腕の間隔と同じであることを特徴とする圧電振動片。
  4. 前記一対の振動腕と一対の支持腕との間に形成される支持根元部は、前記振動根元部と前記所定方向の位置が同じであることを特徴とする請求項3に記載の圧電振動片。
  5. 前記支持根元部は、前記振動根元部と同一形状であることを特徴とする請求項1、請求項2又は請求項4に記載の圧電振動片。
  6. 前記振動腕の幅は、前記一端側から所定方向に向かって縮減しその後第1幅で所定方向に伸び、さらに前記第1幅より広い第2幅で先端まで伸びていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の圧電振動片。
  7. 前記振動腕の幅は、前記一端側から所定方向に向かって縮減しその後先端まで徐々に広がっていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の圧電振動片。
  8. 前記振動腕は溝部を有し、この溝部に振動腕を励振させる励振電極が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の圧電振動片。
  9. 前記請求項1ないし請求項8のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
    この圧電振動片を覆う蓋部と、
    前記支持腕が接続されるとともに、前記圧電振動片を支えるベースと、
    を備えることを特徴とする圧電デバイス。
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