JP2017079347A - 圧電振動片、圧電振動子、圧電振動子の製造方法、電子機器、および移動体 - Google Patents
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Abstract
Description
先ず、本発明の一実施形態に係る圧電振動片1として、基板の略中央部に凹陥部11を有する所謂逆メサ構造の圧電振動片を一例に挙げ、図1A、図1B、および図1Cを参照して説明する。
図1Aは、本発明の一実施形態に係る圧電振動片の構成を示す概略平面図である。図1Bは、図1AのA−A線概略断面図である。図1Cは、図1AのB−B線概略断面図である。
なお、第1の厚肉本体14a、第2の厚肉本体15a、および第3の厚肉本体16a(第1、第2および第3の厚肉本体14a,15a,16aとも称する)とは、Y’軸に平行な厚みが一定である領域をいう。
振動部12の一方の主面(第1主面20a)と、第1、第2および第3の厚肉部14,15,16の夫々の一方の面とは、同一平面上、即ち図1Aに示す座標軸のX−Z’平面上にあり、この面(図1Bの−Y’方向にある下面側)をフラット面(平坦面)といい、凹陥部11を有する反対側の面(図1Bの+Y’方向にある上面側)を凹陥面という。
なお、第1励振電極22aや第2励振電極22bは、第1リード電極27aや第2リード電極27bと接続している部分について、励振電極形状の外縁(外辺)に沿った延長線(仮想線)を境界として形状や面積として説明している。
図2は、ATカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図である。
水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、図2に示すように互いに直交する結晶軸X、Y、Zを有する。X軸、Y軸、Z軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。そして水晶基板は、XZ面をX軸の回りに所定の角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された「回転Yカット水晶基板」が圧電基板10として用いられる。例えば、ATカット水晶基板の場合は、角度θは略35°15’である。なお、Y軸およびZ軸もX軸の周りにθ回転させて、夫々Y’軸およびZ’軸とする。従って、ATカット水晶基板は、直交する結晶軸X,Y’,Z’を有する。ATカット水晶基板は、厚み方向がY’軸であって、Y’軸に直交するXZ’面(X軸およびZ’軸を含む面)が主面であり、厚み滑り振動が主振動として励振される。
なお、本実施形態例に係る圧電基板10は、角度θが略35°15’のATカットに限定されるものではなく、厚み滑り振動を励振するBTカット等の基板にも広く適用できる。
更に、振動部12の外縁に沿って厚肉の固定部を設けた例を用いて説明したが、これに限らず、振動部12の外縁全周に沿って厚肉の固定部を設けた基板や厚肉の固定部が設けられていない平板状の基板にも広く適用できる。
図3は、振動部と励振電極を構成する電極層との関係を説明する図1Bの部分拡大図である。
図3に示すように、第1励振電極22aは、振動部12の第1主面20a上に形成され、厚みT1の振動部12上に金(Au)以外の材質である例えばニッケル(Ni)を含む厚みtN1の第1下地電極層24aと、第1下地電極層24a上に材質が金(Au)である厚みtA1の第1上電極層25aと、を備えて構成されている。また、第2励振電極22bは、振動部12の第2主面20b上に形成され、厚みT1の振動部12上に第1下地電極層24aと同材質の厚みtN2の第2下地電極層24bと、第2下地電極層24b上に第1上電極層25aと同材質の厚みtA2の第2上電極層25bと、を備えて構成されている。
図4は、電極層の厚みとエージング特性との関係を示す図である。
エージング特性を評価したサンプルは、圧電基板10としてATカット水晶基板を用いセラミックパッケージに気密封止したATカット水晶振動子である。
ATカット水晶基板を用いた圧電振動片1は、基準周波数491MHzであり、第1下地電極層24aおよび第2下地電極層24bの材質はニッケル(Ni)で夫々厚み70Å(0.0007μm)とし、第1上電極層25aおよび第2上電極層25bの材質は金(Au)で夫々厚みを400Å(0.04μm)〜700Å(0.07μm)の範囲で100Å(0.01μm)間隔で変化させ、試作している。
次に、前述した圧電振動片1を適用した圧電振動子2(本発明の圧電振動子)について、図5Aおよび図5Bを参照し説明する。
図5Aは、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の構成を示す図であり、図5Aは蓋部材を省略した概略平面図である。図5Bは、図5Aの概略縦断面図である。
圧電振動子2は、圧電振動片1と、圧電振動片1を収容するために矩形の箱状に形成されている基板としてのパッケージ本体40と、金属、セラミック、ガラス等からなる蓋部材49と、で構成されている。
また、圧電振動片1の第2励振電極22bは、第2リード電極27b、第2端子29b、固定部材30、配線パターン47、および導体46bを介して、第1の基板41の下面に設けられている実装端子45と導通接続されている。
次に、本発明の一実施形態に係る圧電振動子2の製造方法(本発明の圧電振動子の製造方法)について、基板の略中央部に凹陥部11を有する所謂逆メサ構造の圧電振動片1を搭載した圧電振動子2を一例に挙げ、図6を参照し説明する。なお、圧電振動子2としてATカット水晶基板を用いた例について述べる。
図6は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を示す工程図である。
先ず、圧電振動片外形形成工程(Step1)において、フォトリゾグラフィ法により、圧電基板10内に凹陥部11とスリット17とを形成する。なお、大型基板を用いて圧電振動片1を多数個取りする場合には、圧電基板10を貫通するスリット17を形成する際に、圧電基板10の外形パターンも同時に形成する。
圧電基板10を準備し、エッチング加工する際に保護膜となる金属膜を圧電基板10の両主面である第1主面20aおよび第2主面20b上にスパッタ又は蒸着法により成膜する。なお、金属膜としてはクロム(Cr)を下地膜として成膜後、下地膜上に金(Au)を成膜する。次に、金属膜上にレジストをスピンコーターなどにより塗布し乾燥後、露光装置により第2主面20b側に凹陥部11パターンを露光し、レジストを現像する。その後、露出した金属膜である金とクロムとを順番にエッチングし凹陥部11パターンを形成する。圧電基板10が露出した凹陥部11パターン領域をフッ酸系のエッチャントでハーフエッチングし、圧電基板10内に凹陥部11を形成する。なお、ハーフエッチング量は凹陥部11内の振動部12が所望の周波数に相当する厚みになる量である。
下地電極層形成工程(Step2)において、逆メサ構造の圧電基板10の両主面(第1主面20aおよび第2主面20b)上に、金(Au)以外の材質である例えばニッケル(Ni)などの第1下地電極層24aおよび第2下地電極層24bをスパッタ又は蒸着法により成膜する。なお、第1下地電極層24aの厚みtN1と第2下地電極層24bの厚みtN2とは等しく、70Å(0.0007μm)となるように成膜する。
次に、上電極層形成工程(Step3)において、圧電基板10の両主面(第1主面20aおよび第2主面20b)に成膜された第1下地電極層24aおよび第2下地電極層24b上に、材質が金(Au)である第1上電極層25aおよび第2上電極層25bをスパッタ又は蒸着法により成膜する。なお、第1上電極層25aの厚みtA1と第2上電極層25bの厚みtA2とは等しく、振動部12の厚みT1との比tA1/T1およびtA2/T1が1.4%以上2.4%以下の範囲内となるように成膜する。
その後、励振電極形成工程(Step4)において、フォトリゾグラフィ法により、圧電基板10上に励振電極22a,22b、リード電極27a,27b、および端子29a,29bの電極パターンを形成する。
先ず、圧電基板10の両主面(第1主面20aおよび第2主面20b)の上電極層25a,25b上にレジストをスピンコーターなどで塗布し乾燥する。次に、両面露光装置により両主面に電極パターンを露光し、レジストを現像する。その後、上電極層25a,25bをエッチングするエッチャントで上電極層25a,25bの電極パターンをエッチングし形成する。次に、下地電極層24a,24bをエッチングするエッチャントで下地電極層24a,24bの電極パターンをエッチングし形成する。ここで、励振電極22a,22b、リード電極27a,27b、および端子29a,29bの電極パターンが形成された圧電振動片1が完成する。
次に、載置工程(Step5)において、パッケージ本体40のキャビティ内の第2の基板42上に設けられている配線パターン47上に、導通性を有する導電性接着剤などの固定部材30を塗布し、固定部材30上に圧電振動片1の第2端子29bを位置合わせして載置し荷重をかける。その後に、所定の温度の高温炉に所定の時間入れ固定部材30を硬化させる。これにより、パッケージ本体40のキャビティ内に圧電振動片1が固定し、且つ圧電振動片1の第2端子29bと第2の基板42上に設けられている配線パターン47とが導電性の固定部材30を介して導通接続する。
ワイヤーボンディング工程(Step6)において、パッケージ本体40のキャビティ内に載置された圧電振動片1の第1端子29aと第2の基板42上に設けられている配線パターン48とをワイヤーボンディング装置などにより、ボンディングワイヤー31を介して導通接続する。
次に、周波数調整工程(Step7)において、アニール処理を施した後、第1励振電極22aを逆スパッタ等によりに第1上電極層25aの厚みを薄くし、周波数を上昇させて所望の周波数に調整する。従って、第1励振電極22aの第1上電極層25aの厚みは第2励振電極22bの第2上電極層25bの厚みよりも薄くなる。なお、本実施形態では、圧電振動片1をパッケージ本体40へ載置後に、周波数調整を行っているが、これに限定されず、圧電振動片1をパッケージ本体40へ載置前、又は、圧電振動片1をパッケージ本体40へ載置前後の2回、周波数調整を行う方法でも構わない。パッケージ本体40への載置前であれば、大型基板に形成された多数の圧電振動片1を一括して行うことができるため圧電振動子2の低コスト化を図ることができる。また、パッケージ本体40への載置前後に行う方法では、載置前に粗調整し、載置後に微調整をすることにより、より高精度の周波数調整を行うことができるため、より周波数偏差の小さい圧電振動子2を得ることができる。
また、周波数を調整する方法としては、蒸着やスパッタなどにより第1上電極層25aと同じ材質の金(Au)を付着させ周波数を低下させて、所望の周波数へ調整する方法でも構わない。
その後、封止工程(Step8)において、パッケージ本体40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、減圧雰囲気中、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、圧電振動子2が完成する。なお、本実施形態では、第3の基板43の上面にシールリング44が設けられているパッケージ本体40を用いて説明しているが、これに限定されず、パッケージ本体40の第3の基板43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でも構わない。この場合もパッケージのキャビティ内は減圧雰囲気にするか、又は窒素ガス等の不活性ガスで充填して、圧電振動子2が完成する。
次いで、本発明の一実施形態に係る圧電振動片1を適用した電子機器(本発明の電子機器)について、図7〜図10を参照し説明する。
図7は、本発明の電子機器の第1例であるモバイル型(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、振動子や基準クロック等として機能する圧電振動片1が内蔵されている。
デジタルスチールカメラ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。
なお、本発明の一実施形態に係る圧電振動片1は、図7のパーソナルコンピューター1100(モバイル型パーソナルコンピューター)、図8の携帯電話機1200、図9のデジタルスチールカメラ1300、図10の光伝送装置1600の他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等に適用することができる。
次に、本発明の一実施形態に係る圧電振動片1を有する圧電振動子2を備えた移動体(本発明の移動体)について、図11を参照し説明する。
図11は、圧電振動子2を備える移動体としての自動車1400を概略的に示す斜視図である。自動車1400には本発明の一実施形態係る圧電振動子2を含んで構成されたジャイロセンサーが搭載されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車1400には、タイヤ1401を制御する該ジャイロセンサーを内蔵した電子制御ユニット1402が搭載されている。また、他の例として、圧電振動子2は、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)、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)に広く適用できる。
Claims (9)
- 振動部と固定部とを有する圧電基板の前記振動部の第1主面に第1励振電極を、前記第1主面に対して裏側の第2主面に第2励振電極を形成することにより250MHz以上の基本波振動を得る圧電振動片であって、
前記第1励振電極は、前記振動部上に金以外の材質である第1下地電極層と、前記第1下地電極層上に材質が金である第1上電極層と、を備え、
前記第2励振電極は、前記振動部上に前記第1下地電極層と同材質の第2下地電極層と、前記第2下地電極層上に材質が金である第2上電極層と、を備え、
前記第2励振電極の面積が、前記第1励振電極の面積よりも小さく、
前記主面を平面視した場合、前記第2励振電極が、前記第1励振電極の外周よりも内側にあり、
前記第2上電極層の厚みtA2と前記振動部の厚みT1との比tA2/T1が、1.4%以上2.4%以下の範囲内であることを特徴とする圧電振動片。 - 前記固定部の厚みは、前記振動部の厚みより厚いことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 前記第1上電極層の厚みは、前記第2上電極層の厚みより薄いことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電振動片。
- 前記圧電基板は、ATカット水晶基板であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の圧電振動片。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片が載置されている基板と、を備え、
前記第2励振電極が前記基板に向かって配置され、
前記固定部と前記基板との間に固定部材があり、前記固定部が前記固定部材を介して前記基板に固定されていることを特徴とする圧電振動子。 - 前記基板には配線パターンがあり、
前記固定部における前記第2主面側には、前記第2励振電極と導通している第2端子が配置されており、
前記固定部材が導電性であり、前記第2端子と前記配線パターンとが前記固定部材を介して導通し、
前記固定部における前記第1主面側には、前記第1励振電極と導通している第1端子が配置されており、
前記第1端子は前記配線パターンとボンディングワイヤーによって導通していることを特徴とする請求項5に記載の圧電振動子。 - 振動部と固定部とを有する圧電基板の前記振動部の第1主面に金以外の材質である第1下地電極層と、前記第1主面に対して裏側の第2主面に前記第1下地電極層と同材質の第2下地電極層と、を形成する下地電極層形成工程と、
前記第1下地電極層の上に第1上電極層の厚みtA1と前記振動部の厚みT1との比tA1/T1が、1.4%以上2.4%以下の範囲内で材質が金である第1上電極層と、前記第2下地電極層の上に第2上電極層の厚みtA2と前記振動部の厚みT1との比tA2/T1が、1.4%以上2.4%以下の範囲内で前記第1上電極層と同材質の第2上電極層と、を形成する上電極層形成工程と、
前記第1上電極層の厚みを変えて前記振動部の共振周波数を調整する周波数調整工程と、
前記上電極層形成工程の後であり、前記周波数調整工程の前又は後に前記固定部を基板に固定して、前記圧電基板を前記基板に載置する載置工程と、
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乃至請求項4のいずれか一項に記載の圧電振動片を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の圧電振動片を備えていることを特徴とする移動体。
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