JP2011030095A - 圧電振動子、圧電振動子の製造方法、発振器、電子機器および電波時計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一対の振動腕部10と、振動腕部10の基端部に形成された励振電極15と、振動腕部10の先端部に形成された重り金属膜21と、を有する音叉型の圧電振動片4と、圧電振動片4を内部に収容するパッケージと、を備え、振動腕部10の基端部と先端部との間の中間部には、レーザ照射疵が形成されたゲッタリング膜74が形成され、励振電極15に含まれる第1金属膜71と、重り金属膜21に含まれる第2金属膜73aと、ゲッタリング膜74とは、同一材料で形成されている圧電振動子を提供する。
【選択図】図10
Description
図21および図22に示すように、表面実装型の圧電振動子200として、ベース基板201とリッド基板202とでパッケージ209を形成し、パッケージ209の内部に形成されたキャビティCに、一対の振動腕部204を有する圧電振動片203を収納したものが提案されている。この圧電振動片203において、振動腕部204の先端部には、圧電振動子200の周波数を調整するための重り金属膜211が形成され、振動腕部204の基端部には、一対の振動腕部204を互いに接近または離間する方向に振動させる励振電極212が、重り金属膜211と異なる材料で形成されている。
等価抵抗値を抑えるための一般的な方法の一つとして、図21および図22に示すように圧電振動片203の封止されているキャビティC内を真空に近づけて、等価抵抗値と比例関係にある直列共振抵抗値(R1)を低下させる方法が知られている。そして、キャビティC内を真空に近づける方法として、振動腕部204上に形成されたゲッタリング膜220を外部よりレーザを照射して活性化させる方法(ゲッタリング)が知られている(下記特許文献1参照)。ゲッタリング膜220は、励振電極212と同一材料(例えば、アルミニウム)で、励振電極212から重り金属膜211側に向けて連続して形成されている。
本発明に係る圧電振動子は、一対の振動腕部と、前記振動腕部の基端部に形成された励振電極と、前記振動腕部の先端部に形成された重り金属膜と、を有する音叉型の圧電振動片と、前記圧電振動片を内部に収容するパッケージと、を備え、前記振動腕部の基端部と先端部との間の中間部には、レーザ照射疵が形成されたゲッタリング膜が形成され、前記励振電極に含まれる第1金属膜と、前記重り金属膜に含まれる第2金属膜と、前記ゲッタリング膜とは、同一材料で形成されていることを特徴とする。
しかも、第1金属膜と第2金属膜とゲッタリング膜とが、同一材料で形成されているので、ゲッタリング膜を中間部の全域にわたって形成しても、第1金属膜と第2金属膜とゲッタリング膜とが互いに拡散してしまうことがない。
また、本発明に係る電子機器は、前記本発明に係る圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る電波時計は、前記本発明に係る圧電振動子が、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。
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法によれば、圧電振動子を効率良く製造することができる。
図1〜図4に示すように、本実施形態の圧電振動子1は、音叉型の圧電振動片4と、圧電振動片4を内部に収容するパッケージ9と、を備えた表面実装型のものである。
なお図3および図4においては、図面を見易くするために、圧電振動片4の励振電極15、マウント電極16,17、絶縁膜20、重り金属膜21、およびゲッタリング膜74の図示を省略している。
図5〜図10に示すように、圧電振動片4は、水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料から形成された音叉型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動する。この圧電振動片4は、平行に配置された一対の振動腕部10、11と、該一対の振動腕部10、11の基端側を一体的に固定する基部12と、一対の振動腕部10、11の基端部の外表面上に形成されて一対の振動腕部10、11を振動させる第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15と、第1の励振電極13及び第2の励振電極14に電気的に接続されたマウント電極16,17とを有している。また圧電振動片4は、一対の振動腕部10、11の両主面上に、該振動腕部10、11の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部18を備えている。この溝部18は、振動腕部10、11の基端側から略中間付近まで形成されている。なお図7および図8は、圧電振動片4から絶縁膜20を取り除いた状態を示している。
また、第1の励振電極13及び第2の励振電極14はそれぞれ、基部12の両主面上においてマウント電極16,17に電気的に接続されており、圧電振動片4には、このマウント電極16,17を介して電圧が印加される。
なお図示の例では、第3重り層73cは、第2重り層73bにおける振動腕部10,11の先端側かつ両主面側に積層されている。そして第2重り層73bの一部は、キャビティC内に露出している。
ゲッタリング膜74は、振動腕部10,11の中間部の外表面に形成され、キャビティC内に露出した状態となっている。
また図5および図6に示すように、レーザ照射疵75は、ゲッタリング膜74における振動腕部10,11の両主面側に形成されている。レーザ照射疵75は、ゲッタリング膜74にレーザを照射して、ゲッタリング膜74が蒸発して除去されることで形成される。例えば、ゲッタリング膜74の一点にレーザを照射(点照射)すると、レーザ照射疵75は椀状に形成される。またレーザを走査しながら点照射を短距離間隔で繰り返すと、レーザ照射疵75は溝状に形成される。なお図10では、図面の見易さのため、レーザ照射疵75の図示を省略している。
さらに本実施形態では、ゲッタリング膜74は、前記中間部の全域にわたって形成されている。つまりゲッタリング膜74は、励振電極15と重り金属膜21との間に連続して形成されるとともに、金属層71および第1重り層73aと一体的に形成されている。
また図示の例では、絶縁膜20は、例えば二酸化珪素で形成され、重り金属膜21の第3重り層73cは、例えば金で形成されている。
図1〜図4に示すように、パッケージ9は、間にキャビティCを形成するように重ね合わされたベース基板2およびリッド基板3を備えている。
リッド基板3は、ガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明の絶縁基板であり、図1、図3及び図4に示すように、板状に形成されている。そして、リッド基板3の下面(内面、ベース基板2が接合される接合面)には、圧電振動片4が収まる矩形状の凹部3aが形成されている。この凹部3aは、両基板2、3が重ね合わされたときに、圧電振動片4を収容するキャビティCとなるキャビティ用の凹部である。そして、リッド基板3は、この凹部3aをベース基板2側に対向させた状態でベース基板2に陽極接合されている。
図2および図3に示すように、このベース基板2には、該ベース基板2を貫通する一対のスルーホール(貫通孔)30,31が形成されている。一対のスルーホール30,31は、キャビティCの対角線の両端部に形成されている。そして、これら一対のスルーホール30,31には、該スルーホール30,31を埋めるように形成された一対の貫通電極32,33が形成されている。これら貫通電極32,33は、Agペースト等の導電材料によって構成されている。ベース基板2の下面(外面)には、一対の貫通電極32,33に対してそれぞれ電気的に接続される一対の外部電極38,39が形成されている。
一対の引き回し電極36、37は、例えばクロムを下層、金を上層とする二層構造の電極膜である。また、図2から図4に示すように、一対の引き回し電極36、37は、一方の引き回し電極36が、一方の貫通電極32と圧電振動片4の一方のマウント電極16とを電気的に接続すると共に、他方の引き回し電極37が、他方の貫通電極33と圧電振動片4の他方のマウント電極17とを電気的に接続するようにパターニングされている。
次に、上述した圧電振動子1を、図11及び図12に示すフローチャートを参照しながら、ベース基板用ウエハ(ベース基板)40とリッド基板用ウエハ(リッド基板)50とを利用して一度に複数製造する製造方法について以下に説明する。なお、本実施形態では、ウエハ状の基板を利用して圧電振動子1を一度に複数製造するが、これに限られたものではなく、例えば予めベース基板2及びリッド基板3の外形に寸法を合わせたものを加工して、一度に一つのみ製造する等しても構わない。
具体的には、図13に示すように、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とする。次に、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)。
次いで、第2成膜工程として、マウント電極16,17の仕上層72bと、重り金属膜21の第2重り層73bとなる第2膜82を第1膜81に積層するように成膜する(S34)。本実施形態では、金を例えばスパッタリングすることで第2膜82を成膜する。
この工程では、まず、エッチング加工の際のマスクとなるフォトレジスト膜(図示せず)を、スプレーコート等により第2膜82の外側から成膜した後、フォトリソ技術でパターニングする。この際、励振電極15、マウント電極16,17、重り金属膜21およびゲッタリング膜74の形成領域にフォトレジスト膜が残るようにパターニングする。次いで、フォトレジスト膜をマスクとして、第1膜81および第2膜82をエッチング加工して、励振電極15、マウント電極16,17、重り金属膜21およびゲッタリング膜74の形成領域とは異なる領域に位置する部分を除去する。
この工程では、まず、エッチング加工の際のマスクとなるフォトレジスト膜(図示せず)を、スプレーコート等により第2膜82の外側から成膜した後、フォトリソ技術でパターニングする。この際、マウント電極16,17および重り金属膜21の形成領域にフォトレジスト膜が残るようにパターニングする。次いで、フォトレジスト膜をマスクとして、第2膜82をエッチング加工して、マウント電極16,17および重り金属膜21の形成領域とは異なる領域に位置する部分を除去する。
また、第2重り層73bに金を例えば蒸着させることによって第3重り層73cを形成して重り金属膜21を形成する(S60)。
以上で、圧電振動片作製工程が終了する。
この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
なお図17においては、図面を見易くするために、ウエハ体60を分解した状態を図示しており、点線Mは、後に行う切断工程で切断する切断線を図示している。
以上で接合工程が終了する。
なお、切断工程(S150)を行って個々の圧電振動子1に小片化した後に、微調工程(S140)を行う工程順序でも構わない。但し、上述したように、微調工程(S140)を先に行うことで、ウエハ体60の状態で微調を行うことができるので、複数の圧電振動子1をより効率良く微調することができる。よって、スループットの向上化を図ることができるので好ましい。
しかも、本実施形態では、仕上層72bおよび第2重り層73bが金で形成されているので、耐食性を具備させて長期間にわたって安定した性能を発揮させることが可能になり、当該圧電振動子1の高品質化を図ることができる。特に、本実施形態のように仕上層72bおよび第2重り層73bがキャビティC内に露出している場合には、耐食性を具備させることによる高品質化の効果が顕著なものとなる。
しかも、金属層71と第1重り層73aとゲッタリング膜74とが、同一材料で形成されているので、ゲッタリング膜74を中間部の全域にわたって形成しても、金属層71と第1重り層73aとゲッタリング膜74とが互いに拡散してしまうことがない。
しかも、励振電極15を絶縁膜20によって保護することができ、励振電極15への外部からの直接的な接触を抑えることができる。
さらに本実施形態では、励振電極15における金属層71がクロムで形成されているので、クロムの金属層71上に、クロムと密着性が高い二酸化珪素で絶縁膜20が成膜されることとなり、励振電極15と絶縁膜20とを強固に密着させて絶縁膜20の剥離を抑制することができる。
そのため、本実施形態のように、クロムからなる金属層71、第1重り層73aおよびゲッタリング膜74を振動腕部10,11の外表面に形成することで、励振電極15、重り金属膜21およびゲッタリング膜74をそれぞれ振動腕部10,11に強固に密着させるとともに、ゲッタリングによるキャビティC内の真空度の向上を効率良くかつ確実なものとした上で、前述の作用効果を奏功させることができる。
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について、図18を参照しながら説明する。
本実施形態の発振器100は、図18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。
次に、本発明に係る電子機器の一実施形態について、図19を参照して説明する。なお電子機器として、上述した圧電振動子1を有する携帯情報機器110を例にして説明する。始めに本実施形態の携帯情報機器110は、例えば、携帯電話に代表されるものであり、従来技術における腕時計を発展、改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在の時刻等を表示させることができるものである。また、通信機として利用する場合には、手首から外し、バンドの内側部分に内蔵されたスピーカ及びマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信を行うことが可能である。しかしながら、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化及び軽量化されている。
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。
次に、本発明に係る電波時計の一実施形態について、図20を参照して説明する。
本実施形態の電波時計130は、図20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(圧電振動片)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。
また、上記実施形態では、圧電振動片4をバンプ接合したが、バンプ接合に限定されるものではない。例えば、導電性接着剤により圧電振動片4を接合しても構わない。但し、バンプ接合することで、圧電振動片4をベース基板2の上面から浮かすことができ、振動に必要な最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。よって、バンプ接合することが好ましい。
また、上記実施形態では、ゲッタリング膜74が、振動腕部10,11の中間部の全域にわたって形成されているものとしたが、これに代えて、振動腕部10,11の中間部の一部に形成されていても良い。なお、ゲッタリング工程において、ベース基板用ウエハ40側やリッド基板用ウエハ50側からレーザ照射する場合には、ゲッタリング膜74は、振動腕部10,11の中間部における両主面に形成されていることが好ましく、振動腕部10,11の中間部における両主面の全域にわたって形成されていることがより好ましい。
また、励振電極15の金属層71と、重り金属膜21の第1重り層73aと、ゲッタリング膜74とを形成する材料は、同一材料であれば上記実施形態に示したものでなくても良い。
さらに、例えばマウント電極16,17が仕上層72bを備えずに、第2重り層73bおよび第3重り層73cを局所的に形成することで重り金属膜21を形成する場合などには、上記本実施形態に係る圧電振動子の製造方法において、第2成膜工程と第2除去工程とを行わなくても良い。この場合、第1成膜工程と第1除去工程とを行うことで、金属層71と第1重り層73aとゲッタリング膜74とを振動腕部10,11に同時に形成することができる。
1…圧電振動子
4…圧電振動片
9…パッケージ
15…励振電極
21…重り金属膜
40…ベース基板用ウエハ(ベース基板)
50…リッド基板用ウエハ(リッド基板)
71…金属層(第1金属膜)
73a…第1重り層(第2金属膜)
74…ゲッタリング膜
75…レーザ照射疵
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
Claims (8)
- 一対の振動腕部と、前記振動腕部の基端部に形成された励振電極と、前記振動腕部の先端部に形成された重り金属膜と、を有する音叉型の圧電振動片と、
前記圧電振動片を内部に収容するパッケージと、を備え、
前記振動腕部の基端部と先端部との間の中間部には、レーザ照射疵が形成されたゲッタリング膜が形成され、
前記励振電極に含まれる第1金属膜と、前記重り金属膜に含まれる第2金属膜と、前記ゲッタリング膜とは、同一材料で形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1記載の圧電振動子であって、
前記ゲッタリング膜は、前記中間部の全域にわたって形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1又は2記載の圧電振動子であって、
前記励振電極は、絶縁膜によって覆われていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1から3いずれか1項に記載の圧電振動子であって、
前記第1金属膜と前記第2金属膜と前記ゲッタリング膜とは、クロム、チタン、バナジウムもしくはジルコニウムのうちの1つで形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 一対の振動腕部と、前記振動腕部の基端部に形成された励振電極と、前記振動腕部の先端部に形成された重り金属膜と、を有する音叉型の圧電振動片と、
前記圧電振動片を内部に収容するパッケージと、を備え、
前記振動腕部の基端部と先端部との間の中間部には、レーザ照射疵が形成されたゲッタリング膜が形成された圧電振動子を製造する圧電振動子の製造方法であって、
前記励振電極に含まれる第1金属膜と、前記重り金属膜に含まれる第2金属膜と、前記ゲッタリング膜とは、同一材料で形成され、
前記第1金属膜と前記第2金属膜と前記ゲッタリング膜とを前記振動腕部に同時に形成する工程を備えていることを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項1から4いずれか1項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1から4いずれか1項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1から4いずれか1項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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