JP2014027505A - 振動片、振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体及び振動片の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板を準備する工程と、前記側面をエッチングする工程を行い、前記X軸と交差する少なくとも一方の側面に、少なくとも4つ以上の結晶面133,134,135,136,137,138を形成する。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2には、厚み滑り振動の振動方向に生じる屈曲振動の腹の位置をメサ部の端縁と励振電極の端縁に合わせるように設計することにより屈曲振動を抑圧することができることが開示されている。
また更に、特許文献3には、水晶振動片のX軸方向の側面に水晶のエッチング異方性に起因した傾斜面が現出することが開示されている。
従って、本願発明において小型の振動片及びその製造方法を提供する際の課題は、第1に水晶基板の厚み滑り振動の振動方向に生じる厚み屈曲振動モードの影響の低減であり、第2にCI値の低減であり、第3に周波数温度特性を改善することである。
振動片1は、水晶基板10の中央部に振動部12を有しており、水晶基板10の厚み滑り振動の振動方向であるX軸方向を長辺とし、Z’軸方向を短辺とする矩形である。また、振動片1のX軸方向の−側の側面21cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面131cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。
次に、本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法について、図3の製造工程の水晶基板と振動片の概略断面図を参照しながら説明する。振動片1は量産性や製造コストを考慮し、大型基板から複数個の振動片1をバッチ処理方式で製造されるのが一般的である。ここでは、一個の振動片1の概略断面図で説明する。また、水晶基板10はATカット水晶基板を用いた例で説明する。
X軸方向を長辺、Z’軸方向を短辺、Y’軸方向を厚さとするように、振動片1を外形加工する。先ず、水晶基板にラッピングやポリッシュ加工等を施し、所望の平面及び厚さを有する水晶基板10を準備する。水晶基板10の表裏両主面に、例えば所定膜厚の下地層となるクロム(Cr)31及び耐食層となる金(Au)32をスパッタまたは蒸着により形成し、レジスト33を塗布後、フォトリソグラフィ技法とエッチング技法を使用して、マスク30a、30bを形成する(図3(a))。
エッチング量Mdは水晶基板10の振動部12の厚みを基準とし、下記式(1)で表すこととする。
Md=(T0−Tx)/T0 (%)・・・(1)
ここで、T0は厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚み、Tx(ここでxは1〜3である)は厚み調整エッチング後の水晶基板10の振動部12の厚みである。
つまり、Mdとは、厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みと厚み調整エッチング後の水晶基板10の振動部12の厚みとの差である除去する厚みの量を厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みに対する割合(%)で表したものである。
ウェットエッチングにより除去する厚みの量Md(以後、エッチング量Mdと称す)が10%未満の場合、振動片102のX軸方向の−側の側面21aは、傾斜角度約55°(55°±2°、つまり53°〜57°の範囲)の結晶面23、24から新たに傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26が生じ、2面の結晶面で構成された側面形状となることが分かった。また、X軸方向の+側の側面131aは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134の2面で構成された側面形状であり、厚み調整エッチング前の形状と同等の形状である(図3(e))。
つまり、エッチング量Mdが10%以上15%未満の場合には、振動片103のX軸方向の−側の側面21bは、傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26の2面の結晶面で構成された側面形状であり、エッチング量Mdが10%未満の場合と同等の形状である。しかし、X軸方向の+側の側面131bは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134と、新たに水晶基板10の+Y’側主面と結晶面133との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面135と、水晶基板10の−Y’側主面と結晶面134との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面136と、を含む4面の結晶面で構成された側面形状となる(図3(f))。
更に、X軸方向の+側の側面131cにおいて、新たに生じた結晶面137、138についても、水晶基板10の+Y’側主面と結晶面137とのなす角度、結晶面137と結晶面135とのなす角度、結晶面136と結晶面138とのなす角度、結晶面138と水晶基板10の−Y’側主面とのなす角度は、全て鈍角になっている。
なお、エッチング量Mdを30%以上施すことでX軸方向の側面に更なる新たな結晶面を形成し、X軸方向におけるエネルギー閉じ込め効果を高めることも可能と思われるが、振動片主面の表面にエッチピット(エッチチャンネルとも言う)等に起因した凹凸が生じることによるCI値劣化が予想されるので、エッチング量Mdの上限は30%程度と考えられる。
図5(a)、(b)、(c)は、エッチング量Mdに対する振動片102、103、104のZ’軸端部断面形状を示したものであり、図5(d)は、励振電極15を形成した振動片102、103、104のZ’軸方向における振動変位を示している。
Z’軸に交差する側面の形状は、振動片の断面となるY’Z’面の中心点に対し点対称構造となっている。
エッチング量Mdが10%未満の場合、Z’軸方向の両側面321は結晶面324と結晶面325とからなる2面の結晶面で構成された側面形状である(図5(a)。
次に、エッチング量Mdを10%以上15%未満とした場合、Z’軸方向の両側面322は、結晶面324と、結晶面325と、結晶面324と振動片102のY’側主面との間に生じた新たな結晶面327と、結晶面328と、を含む4面の結晶面で構成された側面形状となる(図5(b))。
更にエッチングを施し、エッチング量Mdを15%以上とした場合、Z’軸方向の両側面323は、結晶面324と結晶面328との間に新たな結晶面329が生じ、5面の結晶面で構成された側面形状となる(図5(c))。
図5(d)に示すように、Z’軸端面にも複数の面を形成することにより、主振動である厚み滑り振動モードのZ’軸方向の端部における振動変位が減衰され、エネルギー閉じ込め効果を向上することができ、CI値を改善することができる。
(振動片の構造)
振動片2は、回転Yカット水晶基板のX軸方向を長辺とし、Z’軸方向を短辺とする矩形である。振動片2のX軸方向の−側の側面121cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面231cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。また、振動片2は、厚肉中央部13を振動部12とし、厚肉中央部13の外縁に沿ってその周囲に薄肉周辺部14とを含むメサ型の構造を有している。
なお、厚肉中央部13である振動片2のY’軸の+側に形成されている突出部であるメサ部の側面は、X軸方向の−側が結晶面23で構成され、X軸方向の+側が結晶面133で構成されている。振動片2のY’軸の−側に形成されたメサの側面は、これとは線対称に、X軸方向の−側が結晶面24で構成され、X軸方向の+側が結晶面134で構成されている。
このメサ形状により、更に主振動である厚み滑り振動モードのエネルギー閉じ込め効果を向上させ、不要モードの影響をより一層抑制して周波数特性を改善することができる。
次に、本発明の一実施形態に係る振動片の別の製造方法について、一個の振動片2の概略断面図で説明する。また、水晶基板10はATカット水晶基板を用いた例で説明する。
図7は振動片の外形加工の製造工程における水晶基板と振動片の概略断面図であり、図8は振動片の外形加工後に施すメサ加工の製造工程における振動片の概略断面図である。
水晶基板10の露出面のエッチングを行い、マスクされていない水晶部分が完全に貫通し、X軸方向の−側の側面121に結晶面23、24からなる2面の結晶面で構成された側面形状と、+側の側面231に結晶面133、134からなる2面の結晶面で構成された側面形状が形成されるまでは、図3に示す本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法と同等である(図7(a)〜図7(d))。
その後、振動片201の表裏両主面に、所定膜厚の下地層となるクロム(Cr)31及び耐食層となる金(Au)32をスパッタまたは蒸着し、レジスト33を塗布後、フォトエッチングして、メサ形状パターンのマスク30c、30dを形成する(図8(e))。続いて、フッ化アンモニウム溶液等を用いてエッチングを行い、メサ形状を形成するが、このメサの段差を調整するエッチングは図3の製造工程における厚み調整エッチングと同等である。そのため、エッチング後のX軸方向の両側面の形状は前述した図3の本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法で形成された側面形状と同一となる。
その後、メサ形状パターンのマスク30c、30dのレジスト33を剥離し、クロム(Cr)31及び金(Au)32を全て除去するとメサ形状を有する振動片204が完成する(図8(i))。
よって、メサ形状を有する振動片202、203、204であっても、X軸方向の両側面は、エッチング量Mdに関連する2面以上の結晶面で構成することが可能である。
なお、エッチング量Mdを30%以上施すことでX軸方向の側面に更なる新たな結晶面を形成し、X軸方向におけるエネルギー閉じ込め効果を高めることも可能と思われるが、メサの段差が非常に大きくなることでメサの段差に係わる厚み滑り振動モードのエネルギー閉じ込め効果が減衰することが予想されるので、エッチング量Mdの上限は30%程度と考えられる。
振動素子3は、振動部12を有する振動片1と、振動片1の両主面(±Y’軸方向の表裏面)に夫々対向するように形成された励振電極15と、リード電極16と、パッド電極17と、接続電極18と、を備えている。
リード電極16は、励振電極15から延出されて水晶基板10の端部に形成されたパッド電極17に導通接続されている。
パッド電極17は、振動片1の両主面の端部に夫々対向して形成され、振動片1のZ’軸方向の両側面に形成された接続電極18により夫々導通接続されている。
なお、振動片1は、前述した図3の本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法で製造したもので、エッチング量Mdを15%以上とした場合のものである。従って、振動片1のX軸方向の−側の側面21cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面131cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。
パッケージ本体40は、図10に示すように、第1の基板41と、第2の基板42と、第3の基板43と、シールリング44と、実装端子45と、を積層して形成されている。実装端子45は、第1の基板41の外部底面に複数形成されている。第3の基板43は中央部が除去された環状体であり、第3の基板43の上部周縁に例えばコバール等のシールリング44が形成されている。
第3の基板43と第2の基板42とにより、振動素子3を収容する凹部(キャビティ)が形成される。第2の基板42の上面の所定の位置には、導体46により実装端子45と電気的に導通する複数の素子搭載パッド47が設けられている。素子搭載パッド47は、振動素子3を載置した際に振動素子3の端部に形成したパッド電極17に対応するように配置されている。
次に、導電性接着剤38を硬化させるために、所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。導電性接着剤38を硬化させた後、アニール処理を施し、励振電極15に質量を付加するか、又は質量を減じて周波数調整を行う。その後、パッケージ本体40の第3の基板43の上面に形成したシールリング44上に、蓋部材49を載置し、真空中、又は窒素ガスの雰囲気中で蓋部材49をシーム溶接して密封し、振動子5が完成する。
又は、パッケージ本体40の上面に塗布した低融点ガラスに蓋部材49を載置し、溶融して密着する方法もある。この場合もパッケージのキャビティ内は真空にするか、又は窒素ガス等の不活性ガスを充填して、振動子5が完成する。
図11に示すように、振動子5a、5bは、振動素子3と、温度センサー(感温素子)として機能するサーミスター70と、振動素子3及びサーミスター70が搭載(収納)された容器としてのパッケージ40a、40bと、を備えている。
図11(a)は、第3の基板43と第2の基板42aとにより、形成された凹部(キャビティ)に振動素子3とサーミスター70が搭載(収納)された構造である。
また、図11(b)は、第3の基板43と第2の基板42bとにより、形成された凹部(キャビティ)に振動素子3が搭載(収納)され、第1の基板41bと第2の基板42bとにより、形成された凹部(キャビティ)にサーミスター70が搭載された構造である。
サーミスター70には、例えば、温度の上昇に対して抵抗が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスターと呼ばれるサーミスターが用いられている。NTCサーミスターは、温度の変化に対する抵抗値の変化が比例関係にあるため、温度センサーとして多用されている。
サーミスター70は、パッケージ40a、40bに収納(搭載)され、振動素子3近傍の温度を検出し、図示しない温度補償回路に出力することにより、温度センサーとして振動素子3の温度変化に伴う周波数変動の補正に資する機能を果たしている。
電子デバイス7は、パッケージ本体50と、蓋部材49と、振動素子3と、振動素子3を励振する発振回路を搭載したIC部品51と、電圧により容量が変化する可変容量素子、温度により抵抗が変化するサーミスター、インダクター等の電子部品52の少なくとも1つと、を備えている。
第1の基板61と、第2の基板62と、第3の基板63と、により、振動素子3、IC部品51、及び電子部品52等を収容する凹部(キャビティ)が形成される。第2の基板62の上面の所定の位置には、導体46により実装端子45と電気的に導通する複数の素子搭載パッド47が設けられている。素子搭載パッド47は、振動素子3を載置した際に水晶基板10の端部に形成したパッド電極17に対応するように配置されている。
図13は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルター、共振器、基準クロック等の少なくとも1つとして機能する振動素子3が内蔵されている。
デジタルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部100に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このデジタルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター(PC)1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなデジタルカメラ1300には、フィルター、共振器等として機能する振動素子3が内蔵されている。
自動車2106には本発明に係る振動素子を有する振動子や電子デバイスが搭載されており、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)2108に広く適用できる。
Claims (15)
- 水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板を準備する工程と、
前記X軸と交差する少なくとも一方の側面に少なくとも4つの面が形成されるように前記側面をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする振動片の製造方法。 - 請求項1において、
前記エッチングする工程は、
前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上薄くすることを特徴とする振動片の製造方法。 - 請求項1又は2において、
前記エッチングする工程は、
前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上15%未満の範囲で薄くすることを特徴とする振動片の製造方法。 - 請求項1乃至3の何れか一項において、
前記エッチングは、ウェットエッチングであることを特徴とする振動片の製造方法。 - 請求項4において、
前記エッチングする工程は、
前記回転Yカット水晶基板の+Y’軸側の主面に第1マスクを配置し、−Y’軸側の主面に第2マスクを配置し、前記第1マスク及び前記第2マスクを介して前記回転Yカット水晶基板をウェットエッチングすることによって、振動片の外形を形成する工程と、
前記第1マスク及び前記第2マスクを除去する工程と、
前記マスクを除去された振動片をウェットエッチングすることによって、前記側面に少なくとも4つの面を形成する工程と、
を含むことを特徴とする振動片の製造方法。 - 水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板の前記X軸と交差する少なくとも一方の側面が、少なくとも4つの面を含むことを特徴とする振動片。
- 請求項6において、
前記一方の側面が6つの面を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項6又は7において、
前記回転Yカット水晶基板のX軸と交差する他方の側面が、2つの面を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項6乃至8の何れか一項において、
+Y’軸側の第1主面、−Y’軸側の第2主面、及び前記4つの面或いは前記6つの面において、
端部が互いに接続されている2つの面がなす角度が鈍角であることを特徴とする振動片。 - 請求項6乃至9の何れか一項において、
前記回転Yカット水晶基板の少なくとも一方の主面に突出部が設けられていることを特徴とする振動片。 - 請求項6乃至10の何れか一項に記載の振動片の表裏の主面に励振電極を含むことを特徴とする振動素子。
- 請求項11に記載の振動素子と、
前記振動素子を収容しているパッケージと、
を備えていることを特徴とする振動子。 - 請求項11に記載の振動素子と、
電子部品と、
前記振動素子及び前記電子部品が搭載されているパッケージと、
を備えていることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項11に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項11に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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