JP2013165396A - 圧電振動片、圧電振動子の製造方法、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電振動片の振動腕部10,11の表面上の異なる位置に、単位面積当たりの質量が異なる少なくとも3種類の粗調膜21a及び粗微調膜21b及び微調膜21cからなる重り金属膜21を形成した。圧電振動片をパッケージ内に収容する前に重り金属膜21のうち粗調膜21aにレーザ光を照射して粗調膜21aの一部を除去する粗調工程を行ない、圧電振動片をパッケージ内に収容した後に、重り金属膜21のうち粗微調膜21bにレーザ光を照射して粗微調膜21bの一部を除去する粗微調工程と、微調膜21cにレーザ光を照射して微調膜21cの一部を除去する微調工程とを行なう。
【選択図】図11
Description
しかしながら、単に調整用金属膜の膜厚を増大させるだけでは、レーザ光の照射の1パルスあたりの周波数調整量が大きくなることによって、調整用金属膜を過剰に除去してしまい、歩留まりが低下してしまう虞がある。
しかしながら、微調による周波数調整は、音叉型振動片をパッケージ内に実装した後に実行することが望ましく、この実装後において微調による周波数調整量が大きくなることによって、パッケージ内でのガスの発生量が増大して、パッケージ内の真空度が低下してしまうという問題が生じる。
これにより、例えば、圧電振動片をパッケージ内に実装した後に周波数調整を行なう場合であっても、パッケージ内でのガスの発生量を最低限に抑制して、パッケージ内の真空度が低下してしまうことを防止することができる。
なお、図4において、後述する励振電極15と、引き出し電極19,20と、マウント電極16,17と、重り金属膜21との図示は省略されている。
この圧電板24は、平行に配置された一対の振動腕部10,11と、一対の振動腕部10,11の基端を一体的に固定する基部12と、を備えている。
溝部18は、例えば、振動腕部10,11の基端側からほぼ中央付近に至る間に形成されている。
より詳細には、例えば、第1の励振電極13は、主に、一方の振動腕部10の溝部18上と、他方の振動腕部11の両側面上とに設けられている。
また、第2の励振電極14は、主に、一方の振動腕部10の両側面上と、他方の振動腕部11の溝部18上とに設けられている。
これにより、圧電振動片4は、マウント電極16,17を介して電圧印加される。
なお、下地膜は、例えば、仕上膜と圧電振動片4との密着性を増大させるために設けられている。
重り金属膜21は、単位面積当たりの質量が異なる少なくとも3種類の金属膜(例えば、同一の金属材料による厚さが異なる金属膜など)として、例えば、周波数を粗く調整するための粗調膜21aと、粗調膜21aよりも厚さが薄く、より周波数を細かく調整するための粗微調膜21bと、粗微調膜21bよりも厚さが薄く、より周波数を細かく微小調整するための微調膜21cと、を備えている。
この周波数調整は、粗調膜21aと粗微調膜21bと微調膜21cとの重量調整によって行なわれ、一対の振動腕部10,11の周波数は所定の目標周波数の範囲内に収まるように調整される。
これにより、微調膜21cは、例えば、各電極15〜20と同時に形成可能とされている。
これにより、粗微調膜21bは、例えば、微調膜21cの形成後に、さらに、上層膜(図示略)を積層することによって形成可能とされている。
そして、粗調膜21aの上層膜(図示略)の厚さは、粗微調膜21bの上層膜(図示略)の厚さよりも厚く形成されている。
これにより、粗調膜21aは、例えば、粗微調膜21bの形成後に、さらに、上層膜(図示略)を積層することによって形成可能とされている。
より詳細には、例えば、振動腕部10,11の先端部は、振動腕部10,11の短手方向(幅方向)の全域に亘って重り金属膜21を備えていない回避領域Rとなっており、この回避領域Rよりも基端側において振動腕部10,11の長手方向に沿って並んで配置された粗調膜21a及び粗微調膜21b及び微調膜21cを備えている。
より詳細には、圧電振動片4の第1の励振電極13は、一方のマウント電極16及びバンプBを介して一方の引き回し電極36上にバンプ接合され、第2の励振電極14は、他方のマウント電極17及びバンプBを介して他方の引き回し電極37上にバンプ接合されている。
これにより、圧電振動片4はベース基板2の表面(リッド基板3に対向する表面)から浮いた状態で支持されるとともに、各マウント電極16,17と引き回し電極36,37とはそれぞれ電気的に接続されている。
この凹部3aは、両基板2,3が重ね合わされたときに、ベース基板2の表面(リッド基板3に対向する表面)とによって、圧電振動片4を収容するキャビティCを形成する。
接合材35は、例えばベース基板2との接合面および凹部3aの内面全体に亘って設けられている。
また、接合材35は、例えばドーピングなどにより低抵抗化されたSiバルク材によって形成されてもよい。
そして、リッド基板3は、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に対して接合材35を介して陽極接合され、キャビティCを気密封止している。
ベース基板2は、厚さ方向に貫通するとともにキャビティC内にて開口する一対のスルーホール30,31を備えている。
また、他方のスルーホール31は、振動腕部10,11の先端部に臨む位置に形成されている。
また、これらのスルーホール30,31は、ベース基板2の一方の表面から他方の表面(リッド基板3に対向する表面)に向かって漸次径が縮径した断面テーパ状に形成されている。
貫通電極32,33は、焼成によってスルーホール30,31に対して一体的に固定された筒体6及び芯材部7によって形成され、スルーホール30,31を塞いでキャビティC内の気密を維持するとともに、後述する外部電極38,39と引き回し電極36,37とを導通させる。
より詳細には、例えば、一方の貫通電極32は、外部電極38と基部12との間で引き回し電極36に臨んで配置され、他方の貫通電極33は、外部電極39と振動腕部11との間で引き回し電極37に臨んで配置されている。
より詳細には、例えば、筒体6は、平坦な両端およびベース基板2とほぼ同じ厚みを有する円筒状に形成されている。
そして、筒体6は、筒体6を厚さ方向に貫通する中心孔に挿入された芯材部7を固定している。
また、本実施形態ではスルーホール30,31の形状に合わせて、筒体6の外形は円錐状(断面テーパ状)となるように形成されている。そして、この筒体6は、スルーホール30,31内に埋め込まれた状態で焼成されており、これらスルーホール30,31に対して強固に固着されている。
なお、製造後の貫通電極32,33において、上述したように芯材部7は円柱状かつ
ベース基板2の厚みとほぼ同じ厚さを有しているが、製造過程においては、芯材部7の長さは、製造過程の当初のベース基板2の厚さよりも所定長さ(例えば、0.02mm)だけ短く設定されている。
そして、貫通電極32,33は、導電性の芯材部7によって電気導通性が確保されている。
一対の引き回し電極36,37は、一対の貫通電極32,33のうち、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ともに、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。
また、他方の引き回し電極37は、一方の引き回し電極36に隣接した位置から、振動腕部10,11に沿って振動腕部10,11の先端側に引き回された後、他方の貫通電極33に臨むように設けられている。
一方の外部電極38は、一方の貫通電極32及び一方の引き回し電極36を介して圧電振動片4の第1の励振電極13に電気的に接続されている。
また、他方の外部電極39は、他方の貫通電極33、及び他方の引き回し電極37を介して、圧電振動片4の第2の励振電極14に電気的に接続されている。
この一対の振動腕部10,11の振動は、時刻源、制御信号のタイミング源やリファレンス信号源などとして用いられる。
次に、上述した圧電振動子1の製造方法について説明する。
以下には、例えば、複数のベース基板2からなるベース基板用ウエハ40と、複数のリッド基板3からなるリッド基板用ウエハ50との間に、複数の圧電振動片4を封入してウエハ接合体60を形成し、各ウエハ接合体60を切断することにより複数の圧電振動子1を同時に製造する方法について説明する。
なお、圧電振動片作製工程(S10)と、リッド基板用ウエハ作製工程(S20)と、ベース基板用ウエハ作製工程(S30)とは、並行して実行可能である。
以下に、例えば図9および図10に示すように、圧電振動片作製工程(S10)を実行して圧電振動片4を作製する圧電振動片4の製造方法について説明する。
この圧電振動片作製工程(S10)では、先ず、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(図示略)とする。
次に、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、この後、ポリッシュなどの鏡面加工を行なって所定の厚みとする(S110)。
なお、外形パターンは、ポリッシングが終了したウエハの両面に一対の振動腕部10,11および基部12の外形形状に倣って金属膜をパターニングすることによって形成される。
この際、ウエハに形成する複数の圧電振動片4の数と同一数だけ一括してパターニングを行なう。
これにより、外形パターンでマスクされていない領域が選択的に除去され、外形パターンによってパターニングされたウエハは圧電板24の外形形状に形成される。
次に、一対の振動腕部10,11の両主面上に溝部18を形成する溝部形成工程(S140)を実行する。
なお、溝部18は、振動腕部10,11にエッチング加工を施すことにより形成される。
より詳細には、例えば、粗調膜21a及び粗微調膜21b及び微調膜21cの形成領域にクロム(Cr)などからなる下地膜を形成した後、さらに、金(Au)などからなる仕上膜を下地膜に積層して形成する。
そして、仕上膜における粗調膜21a及び粗微調膜21bの形成領域上に金(Au)又は銀(Ag)などからなる上層膜を形成する。
この際、振動腕部10,11における先端部の回避領域Rよりも基端側に重り金属膜21を形成する。
また、本実施形態では、励振電極13,14と、引き出し電極19,20と、マウント電極16,17の電極部と、重り金属膜21とを、それぞれ別工程で形成するとしたが、これに限定されず、同一工程で一括して形成してもよい。
詳細には、先ず、ウエハに形成された全ての振動腕部10,11の周波数をまとめて測定し、測定された周波数と予め定められた目標周波数との差に応じて、トリミング量を算出する。
そして、例えば図11(A)に示す振動腕部10,11の先端から基端に向かい照射位置を移動させつつ重り金属膜21の粗調膜21a(つまり、重り金属膜21のうち単位面積当たりの質量が最大の金属膜)にレーザ光を照射して、例えば図11(B)に示すように粗調膜21aの一部(例えば、図11(B)に示す領域α)を蒸発させ、トリミング量に応じて粗調膜21aを除去(トリミング)する。
なお、共振周波数をより高精度に調整する粗微調および微調は、例えば実装後に行なう。
これにより、1枚のウエハから、音叉型の圧電振動片4を一度に複数製造する。
以上により、圧電振動片作製工程(S10)は終了する。
次に、図9,図12に示すように、後にリッド基板3となるリッド基板用ウエハ50を、陽極接合を行う直前の状態まで作製するリッド基板用ウエハ作製工程(S20)を行う。
詳細には、ソーダ石灰ガラスを所定の厚さまで研磨加工して洗浄した後に、エッチングなどにより最表面の加工変質層を除去した円板状のリッド基板用ウエハ50を形成する(S21)。
そして、後述するベース基板用ウエハ40との間の気密性を確保するために、ベース基板用ウエハ40との接合面となるリッド基板用ウエハ50の裏面50a側を少なくとも研磨する研磨工程(S23)を行い、裏面50aを鏡面加工する。
このように、接合材35をリッド基板用ウエハ50の裏面50a全体に形成することで、接合材35のパターニングを不要とし、製造コストを低減することができる。
なお、接合材35の形成は、スパッタやCVDなどの成膜方法によって行う。
また、接合材形成工程(S24)の前に接合面を研磨しているので、接合材35の表面の平面度を確保し、ベース基板用ウエハ40との安定した接合を実現することができる。
以上により、リッド基板用ウエハ作製工程(S20)は終了する。
上述した工程と同時または前後のタイミングで、後にベース基板2となるベース基板用ウエハ40を、陽極接合を行う直前の状態まで作製するベース基板用ウエハ作製工程(S30)を行う。
先ず、ソーダ石灰ガラスを所定の厚さまで研磨加工して洗浄した後に、エッチングなどにより最表面の加工変質層を除去した円板状のベース基板用ウエハ40を形成する(S31)。
詳細には、プレス加工などによりベース基板用ウエハ40の裏面40bから凹部を形成した後、少なくともベース基板用ウエハ40の表面40a側から所定厚さまで研磨することで、凹部を貫通させ、スルーホール30,31を形成する。
これにより、芯材部7は、スルーホール30,31内において、ベース基板用ウエハ40の両面40a,40bに対して面一な状態で保持される。
以上により、貫通電極32,33の形成は終了する。
以上により、ベース基板用ウエハ製作工程(S30)は終了する。
次に、ベース基板用ウエハ作製工程(S30)で作成されたベース基板用ウエハ40の各引き回し電極36,37上に、圧電振動片作成工程(S10)で作成された圧電振動片4を、それぞれ金などのバンプBを介してマウントするマウント工程(S40)を実行する。
詳細には、図示しない基準マークなどを指標としながら、両ウエハ40,50を所定位置に配置調整する。
これにより、ベース基板用ウエハ40にマウントされた圧電振動片4は、リッド基板用ウエハ50に形成された凹部3aとベース基板用ウエハ40とで囲まれるキャビティC内に収容される。
詳細には、接合材35とリッド基板用ウエハ50との間に所定の電圧を印加することによって、接合材35とリッド基板用ウエハ50との界面に電気化学的な反応を発生させ、接合材35とリッド基板用ウエハ50とを強固に密着して陽極接合させる。
以上により、ベース基板用ウエハ40とリッド基板用ウエハ50との接合によって圧電振動片4をキャビティC内に封止したウエハ接合体60を得る。
この工程により、外部電極38,39を用いてキャビティC内に封止された圧電振動片4を作動させることができる。
詳細には、リッド基板用ウエハ50を透過させて外部からレーザ光を照射し、例えば図11(C)に示すように重り金属膜21の粗微調膜21bの一部(例えば、図11(C)に示す領域β)を蒸発させる。
詳細には、先ず、外部電極38,39に電圧を印加して圧電振動片4を振動させる。
そして、周波数を計測しながらリッド基板用ウエハ50を透過させて外部からレーザ光を照射し、例えば図11(D)に示すように重り金属膜21の微調膜21cの一部(例えば、図11(D)に示す領域γ)を蒸発させる。
これにより、一対の振動腕部10,11の先端側の重量を変化させ、圧電振動片4の周波数を、公称周波数の所定範囲内に収まるように微調整する。
詳細には、例えば圧電振動子1の共振周波数や共振抵抗値、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)などを検査する。また、絶縁抵抗特性や圧電振動子1を落下させて行う衝撃特性なども併せて検査する。そして、圧電振動子1の外観検査を行って、寸法や品質などを最終的に検査する。
以上により、圧電振動子1の製造は終了する。
また、例えばパッケージ5内において微調膜21cのみにレーザ光を照射する場合に比べて、レーザ光の照射回数を低減することによって、パッケージ5内でのガスの発生量を抑制して、パッケージ5内の真空度が低下してしまうことを防止することができる。
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について説明する。
本実施形態の発振器100は、図13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、発振器用の上述した集積回路101と、コンデンサなどの電子部品102と、集積回路101の近傍に配置された圧電振動子1の圧電振動片4とを、基板103上に備えている。
これら電子部品102と、集積回路101と、圧電振動子1とは、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。
この振動は、圧電振動片4の圧電特性により電気信号に変換されて、集積回路101に電気信号として入力される。入力された電気信号は、集積回路101による各種処理の実行後に周波数信号として出力される。これにより、圧電振動子1は発振子として機能する。
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)モジュールなど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などの他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダーなどを提供したりする機能を付加することができる。
さらにこれに加え、長期にわたって安定した高精度な周波数信号を得ることができる。
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。
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など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。しかも、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。
次に、本実施形態の携帯情報機器110の構成について説明する。
この携帯情報機器110は、図14に示すように、圧電振動子1と、電力を供給するための電源部111とを備えている。
電源部111は、例えば、リチウム二次電池から構成されている。
そして、各種制御を行う制御部112と、時刻などのカウントを行う計時部113と、外部との通信を行う通信部114と、各種情報を表示する表示部115と、それぞれの機能部の電圧を検出する電圧検出部116とは、電源部111に並列に接続されている。
そして、電源部111から各機能部に電力が供給される。
また、制御部112は、予めプログラムが書き込まれたROMと、このROMに書き込まれたプログラムを読み出して実行するCPUと、このCPUのワークエリアとして使用されるRAMなどと、を備えている。
圧電振動子1に電圧が印加されると圧電振動片4は振動し、この振動は水晶の有する圧電特性により電気信号に変換されて、発振回路に電気信号として入力される。発振回路の出力は二値化され、レジスタ回路とカウンタ回路とにより計数される。
そして、インターフェース回路を介して、制御部112と信号の送受信が行われ、表示部115に、現在時刻や現在日付或いはカレンダー情報などが表示される。
無線部117は、音声データなどの各種データを、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などからなり、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、これら番号キーなどを押下することにより、通話先の電話番号などが入力される。
電圧検出部116から電圧降下の通知を受けた制御部112は、無線部117、音声処理部118、切替部119及び着信音発生部123の動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部117の動作停止は、必須となる。さらに、表示部115に、通信部114が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。
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15を参照して説明する。
本実施形態の電波時計130は、図15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、上述した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。
CPU136では、現在の年、積算日、曜日、時刻などの情報を読み取る。読み取られた情報は、RTC137に反映され、正確な時刻情報が表示される。
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。
例えば、上述した実施形態では、パッケージ5の内部に圧電振動片4を封入して圧電振動子1を製造したが、パッケージ5の内部に圧電振動片4以外の電子部品を封入して、圧電振動子1以外のデバイスを製造することも可能である。
また、上述した実施形態では、音叉型の圧電振動片4を用いた圧電振動子1を例に挙げて本発明を説明したが、これに限らず、例えばATカット型の圧電振動片(厚み滑り振動片)を用いた圧電振動子などに、本発明を適用してもよい。
21…重り金属膜 21a…粗調膜 21b…粗微調膜 21c…微調膜 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 C…キャビティ
Claims (8)
- 一対の振動腕部と、前記一対の振動腕部の延在方向の基端を接続する基部と、前記振動腕部の表面上に形成された重り金属膜と、を備える圧電振動片であって、前記重り金属膜は、前記振動腕部の表面上の異なる位置に形成された単位面積当たりの質量が異なる少なくとも3種類の金属膜であることを特徴とする圧電振動片。
- 前記重り金属膜は、前記振動腕部の基端から先端に向かうことに伴い、単位面積当たりの質量が増大傾向に変化することを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 圧電材料からなる圧電体の表面上に形成された導電性材料からなる電極を備え、
前記3種類の金属膜は、前記電極と同一の単位面積当たりの質量を有する微調膜と、該微調膜よりも単位面積当たりの質量が大きい粗微調膜と、該粗微調膜よりも単位面積当たりの質量が大きい粗調膜と、であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電振動片。 - 請求項1に記載の圧電振動片を、気密封止されたパッケージ内に備える圧電振動子の製造方法であって、前記圧電振動片を前記パッケージ内に収容する前に前記3種類の金属膜のうち単位面積当たりの質量が最大の金属膜にレーザ光を照射して該金属膜の一部を除去する粗調工程と、前記圧電振動片を前記パッケージ内に収容した後に前記重り金属膜のうち単位面積当たりの質量が最大の金属膜以外の金属膜にレーザ光を照射して該金属膜の一部を除去する工程と、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
- 請求項1に記載の圧電振動片を、気密封止されたパッケージ内に備えることを特徴とする圧電振動子。
- 請求項5に記載の圧電振動子を備え、該圧電振動子は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5に記載の圧電振動子を備え、該圧電振動子は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5に記載の圧電振動子を備え、該圧電振動子は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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JP2012027470A Withdrawn JP2013165396A (ja) | 2012-02-10 | 2012-02-10 | 圧電振動片、圧電振動子の製造方法、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計 |
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- 2012-02-10 JP JP2012027470A patent/JP2013165396A/ja not_active Withdrawn
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