JP2022086056A - 圧電振動片、圧電振動子、発振器、および圧電振動片の製造方法 - Google Patents

圧電振動片、圧電振動子、発振器、および圧電振動片の製造方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2022086056000001
【課題】周波数調整後の周波数の変動が抑制され、振動特性に優れた高品質な圧電振動片を提供する。
【解決手段】圧電振動片３は、一対の振動腕部３１を有する圧電板３０と、電極膜４０と、周波数調整用の重り金属膜５０と、を備える。電極膜４０は、圧電板３０の表裏面に配置される。金属膜５０は、振動腕部３１の表面６４側で電極膜４０上に配置される。振動腕部３１の裏面６３は、圧電板３０が露出した裏側露出部６１を有する。振動腕部３１の表面６４は、重り金属膜５０および電極膜４０が除去されて圧電板３０が露出した表側露出部６２を有する。表側露出部６２の全体は、圧電板３０の厚さ方向から見て、裏面６３上の電極膜４０に対して間隔をあけて裏側露出部６１に重なっている。
【選択図】図８

Description

本発明は、圧電振動片、圧電振動子、発振器、および圧電振動片の製造方法に関するものである。
例えば、携帯電話や携帯情報端末機器等の電子機器には、時刻源や制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等に用いられるデバイスとして、水晶等を利用した圧電振動子が用いられる。この種の圧電振動子として、キャビティが形成されたパッケージ内に圧電振動片を気密封止したものが知られている。
上述した圧電振動片は、基部および基部から互いに平行に延設された一対の振動腕部を有する圧電板と、振動腕部の外表面に配置された励振電極と、を備えている。圧電振動片は、励振電極に電圧が印加されることで、各振動腕部が基端部（基部との連結部分）を起点にして互いに接近・離間する方向に所定の共振周波数で振動する。
ここで、圧電振動片（振動腕部）の周波数の調整方法として、振動腕部の先端部に重り金属膜を予め形成し、この重り金属膜を部分的に除去（トリミング）して重り金属膜の質量を調整することで、振動腕部の周波数が目標値となるように調整する方法がある。例えば下記特許文献１には、重り金属膜に対してレーザー光を照射して重り金属膜を部分的に除去して共振周波数の粗調整を行った後、重り金属膜に対してイオンビームを照射して共振周波数の微調整を行う構成が開示されている。
特開２０１３－１１８６５２号公報
しかしながら、振動腕部の外表面には、重り金属膜の他に、励振電極と同じ膜構造を有する電極膜が配置されている。このため、上述した特許文献１のようにレーザー光を用いて重り金属膜のトリミングを行うと、重り金属膜が除去されて圧電板に入射したレーザー光が圧電板を透過する。これにより、重り金属膜とは反対側に配置された電極膜にレーザー光が照射され、電極膜の被照射部が除去されるとともに電極膜の残存部の端縁にバリが発生するおそれがある。そして、上述したバリがパッケージに接触する等して脱落したり変形したりすると、トリミングにより調整した周波数が変動するという課題がある。
そこで本発明は、周波数調整後の周波数の変動が抑制され、振動特性に優れた高品質な圧電振動片、圧電振動子、発振器、および圧電振動片の製造方法を提供するものである。
本発明の圧電振動片は、一対の振動腕部を有する圧電板と、圧電板の表裏面に配置された電極膜と、前記振動腕部の表面側で前記電極膜上に配置された周波数調整用の重り金属膜と、を備え、前記振動腕部の裏面は、前記圧電板が露出した裏側露出部を有し、前記振動腕部の前記表面は、前記重り金属膜および前記電極膜が除去されて前記圧電板が露出した表側露出部を有し、前記表側露出部の全体は、前記圧電板の厚さ方向から見て、前記裏面上の前記電極膜に対して間隔をあけて前記裏側露出部に重なっている。
本発明によれば、周波数調整としてレーザーを用いて重り金属膜をその下層の電極膜とともに除去する過程で表側露出部が形成される際に、圧電板を透過したレーザー光は裏側露出部を通過する。このため、レーザー光は圧電板の裏面上の電極膜に照射されないので、裏面側の電極膜にバリが形成されることを抑制できる。よって、電極膜のバリの脱落や変形等に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動が抑制され、振動特性に優れた高品質な圧電振動片を提供できる。
上記の圧電振動片において、前記電極膜は、前記表側露出部の周囲で前記振動腕部の端面に配置されていてもよい。
本発明によれば、重り金属膜を成膜する際に、重り金属膜が振動腕部の端面側に回り込み得るが、振動腕部の端面が露出している場合と比べて、振動腕部の端面上の電極膜が重り金属膜の下地となって重り金属膜の密着性が高まる。このため、重り金属膜の脱落を抑制できる。よって、重り金属膜の脱落に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動を抑制できる。
上記の圧電振動片において、前記振動腕部の裏面は、前記振動腕部の先端側の先端縁、および前記先端縁から前記振動腕部の基端側に延びる一対の側縁を備え、前記裏側露出部は、前記振動腕部の前記裏面における前記先端縁および前記側縁を含んでいてもよい。
仮に裏側露出部が振動腕部の裏面の先端縁および側縁を含まない場合、裏側露出部の外形線の全体が裏面上の電極膜の端縁に一致する。この場合には平面視で裏側露出部の外形線よりも内側で表面側の重り金属膜を除去しなければならない。本発明では、裏側露出部の外形線のうち振動腕部の裏面の先端縁および側縁に一致する部分には裏面上の電極膜の端縁が存在しない。このため、振動腕部の表面の先端縁および側縁上の重り金属膜を除去しても、透過したレーザー光が裏面上の電極膜に照射されることを抑制できる。よって、裏側露出部が裏面の先端縁および側縁を含まない場合と比べて、裏側露出部の面積に対する表側露出部の面積の比率を大きくすることが可能となる。よって、周波数の調整範囲を広く設定することができる。また、重り金属膜を振動腕部の先端から基端側に向かって順に除去できるので、周波数調整を効率よく行うことができる。
上記の圧電振動片において、前記電極膜のうち前記振動腕部の前記裏面に配置された部分は、前記厚さ方向から見て、前記重り金属膜における前記振動腕部の基端側の端縁を跨っていてもよい。
本発明によれば、重り金属膜よりも基端側に励振電極が設けられた圧電振動片において、励振電極に接続した配線を平面視で重り金属膜と重なるように電極膜で形成できる。このため、圧電振動片が小型化されるに従って重り金属膜が占める範囲の割合が大きくなっても、励振電極に接続した配線を確実に形成して信頼性を確保することができる。
本発明の圧電振動子は、上記の圧電振動片と、前記圧電振動片を気密封止するパッケージと、を備える。
本発明によれば、上述した圧電振動片を有しているので、動作信頼性に優れた高品質な圧電振動子とすることができる。
本発明の発振器は、上記の圧電振動子を備え、前記圧電振動子は、発振子として集積回路に電気的に接続されている。
本発明によれば、上述した圧電振動片を有しているので、動作信頼性に優れた高品質な発振器とすることができる。
本発明の圧電振動片の製造方法は、一対の振動腕部を有する圧電板の表裏面に電極膜を配置するとともに、前記振動腕部の裏面に前記圧電板が露出した裏側露出部を形成する電極膜形成工程と、前記振動腕部の表面側で前記電極膜上に、前記圧電板の厚さ方向から見て前記裏側露出部に少なくとも一部が重なるように重り金属膜を成膜する金属膜形成工程と、前記振動腕部の表面側で、前記厚さ方向から見て前記裏側露出部に重なり、かつ前記裏面上の前記電極膜に対して間隔をあけた範囲内で前記重り金属膜および前記電極膜をレーザーで除去するトリミング工程と、を備える。
本発明によれば、トリミング工程で圧電板を透過したレーザー光が裏側露出部を通過するので、振動腕部の裏面側の電極膜にレーザー光が照射されてバリが形成されることを抑制できる。よって、電極膜のバリの脱落や変形等に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動を抑制し、振動特性に優れた高品質な圧電振動片を製造できる。
上記の圧電振動片の製造方法において、前記トリミング工程で、ピコ秒レーザーまたはフェムト秒レーザーを用いてもよい。
本発明によれば、ナノ秒レーザーを用いる場合と異なり、振動腕部の表面側の電極膜および重り金属膜にバリが形成されることを抑制できる。
上記の圧電振動片の製造方法において、前記電極膜形成工程は、前記電極膜を成膜する電極膜成膜工程と、前記電極膜をパターニングして、励振電極および前記裏側露出部を形成するパターニング工程と、を備えていてもよい。
本発明によれば、励振電極と同様の加工精度で裏側露出部を形成できる。また、従来の製造方法から裏側露出部を形成するための工程の追加がないので、製造コストの上昇を抑制できる。
上記の圧電振動片の製造方法において、前記電極膜形成工程は、前記振動腕部の前記裏面の一部をマスクした状態で前記電極膜を成膜し、前記一部を前記裏側露出部としてもよい。
本発明によれば、電極膜の成膜時に裏側露出部を形成できる。よって、従来の製造方法から裏側露出部を形成するための工程の追加がないので、製造コストの上昇を抑制できる。
本発明によれば、周波数調整後の周波数の変動を抑制し、振動特性に優れた高品質な圧電振動片、圧電振動子、発振器、および圧電振動片の製造方法を提供することができる。
実施形態に係る発振器を示す図である。 実施形態に係る圧電振動子の外観斜視図である。 封口板を取り外した状態を示す圧電振動子の平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に相当する断面図である。 実施形態に係る圧電振動子の分解斜視図である。 第１実施形態に係る圧電振動片の平面図である。 図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿う断面図である。 図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図である。 第１実施形態に係る圧電振動片の製造方法を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図であって、図８に相当する断面図である。 第１実施形態に係る圧電振動片の製造方法を説明する図であって、図８に相当する断面図である。 第２実施形態に係る圧電振動片の平面図である。 図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線における断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。
（実施形態の発振器）
図１は、実施形態に係る発振器を示す図である。
図１に示すように、発振器１００は、基板１０１、電子部品１０２、集積回路１０３、および圧電振動子１を備える。電子部品１０２は、例えばキャパシタなどであり、基板１０１に実装されている。集積回路１０３は、発振器用であり、基板１０１に実装されている。集積回路１０３は、圧電振動子１と電子部品１０２のそれぞれと、図示略の配線を介して電気的に接続されている。圧電振動子１は、例えば、基板１０１において集積回路１０３の近傍に実装される。圧電振動子１は、発振子として機能する。圧電振動子１については後述する。発振器１００の少なくとも一部は、適宜、図示しない樹脂によりモールドされていてもよい。
発振器１００は、圧電振動子１に電力が供給されると、圧電振動子１の圧電振動片３（図５参照）が振動する。圧電振動片３の振動は、圧電振動片３が有する圧電特性により、電気信号へ変換される。この電気信号は、圧電振動子１から集積回路１０３へ出力される。集積回路１０３は、圧電振動子１から出力された電気信号に各種処理を実行することで、周波数信号を生成する。
発振器１００は、例えば、時計用の単機能発振器、コンピューターなどの各種装置の動作タイミングを制御するタイミング制御装置、時刻あるいはカレンダーなどを提供する装置などに応用できる。集積回路１０３は、発振器１００に要求される機能に応じて構成され、いわゆるＲＴＣ（リアルタイムクロック）モジュールを含んでいてもよい。
（実施形態の圧電振動子）
図２は、実施形態に係る圧電振動子の外観斜視図である。図３は、封口板を取り外した状態を示す圧電振動子の平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に相当する断面図である。図５は、実施形態に係る圧電振動子の分解斜視図である。
図２から図５に示すように、圧電振動子１は、いわゆるセラミックパッケージタイプの表面実装型振動子である。圧電振動子１は、内部に気密封止されたキャビティＣを有するパッケージ２と、キャビティＣ内に収容された圧電振動片３と、を備えている。なお、圧電振動子１は、直方体状を呈している。本実施形態では、平面視において圧電振動子１の長手方向を長手方向Ｌといい、短手方向を幅方向Ｗといい、これら長手方向Ｌおよび幅方向Ｗに対して直交する方向を厚さ方向Ｔという。
パッケージ２は、パッケージ本体５と、パッケージ本体５に接合されるとともに、パッケージ本体５との間にキャビティＣを形成する封口板６と、を備えている。
パッケージ本体５は、互いに重ね合わされた状態で接合された第１ベース基板１０および第２ベース基板１１と、第２ベース基板１１上に接合されたシールリング１２と、を備えている。
第１ベース基板１０は、厚さ方向Ｔから見た平面視で長方形状を呈するセラミックス製の基板とされている。第１ベース基板１０の上面は、キャビティＣの底部を構成する。第１ベース基板１０の下面には、一対の外部電極２１Ａ，２１Ｂが長手方向Ｌに間隔をあけて形成されている。外部電極２１Ａ，２１Ｂは、例えば蒸着やスパッタリング等で形成された単一金属による単層膜、または異なる金属が積層された積層膜により構成されている。
第２ベース基板１１は、平面視外形が第１ベース基板１０と同形状を呈するセラミックス製の基板であって、第１ベース基板１０上に重ねられた状態で焼結等によって一体的に接合されている。なお、各ベース基板１０，１１に用いられるセラミックス材料としては、例えばアルミナ製のＨＴＣＣ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）や、ガラスセラミックス製のＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ－Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）等を用いることが可能である。
図３から図５に示すように、第２ベース基板１１には、第２ベース基板１１を厚さ方向Ｔに貫通する貫通部１１ａが形成されている。貫通部１１ａは、平面視で角丸長方形状を呈している。貫通部１１ａの内側面において、幅方向Ｗの両側に位置する部分には、幅方向Ｗの内側に向けて突出する実装部１４Ａ，１４Ｂが各別に形成されている。なお、実装部１４Ａ，１４Ｂは、第２ベース基板１１における長手方向Ｌの中央部分に位置している。
実装部１４Ａ，１４Ｂ上には、圧電振動片３との接続電極である一対の電極パッド２０Ａ，２０Ｂが形成されている。電極パッド２０Ａ，２０Ｂは、上述した外部電極２１Ａ，２１Ｂと同様に、例えば蒸着やスパッタリング等で形成された単一金属による単層膜、または異なる金属が積層された積層膜により構成されている。電極パッド２０Ａ，２０Ｂおよび外部電極２１Ａ，２１Ｂは、各ベース基板１０，１１を厚さ方向Ｔで貫通する図示しない貫通配線を介して互いにそれぞれ導通している。
各ベース基板１０，１１の四隅には、平面視１／４円弧状の切欠部１５が、両ベース基板１０，１１の厚さ方向Ｔの全体に亘って形成されている。各ベース基板１０，１１は、例えばウエハ状のセラミックス基板を２枚重ねて接合した後、両セラミックス基板を貫通する複数のスルーホールを行列状に形成し、各スルーホールを基準としながら両セラミックス基板を格子状に切断することで作製される。その際、スルーホールが４分割されることで、上述した切欠部１５が構成される。
シールリング１２は、各ベース基板１０，１１の外形よりも一回り小さい導電性の枠状部材であって、第２ベース基板１１の上面に接合されている。具体的に、シールリング１２は、銀ロウ等のロウ材やはんだ材等による焼付けによって第２ベース基板１１上に接合、または第２ベース基板１１上に形成された金属接合層に対する溶着等によって接合されている。シールリング１２は、第２ベース基板１１（貫通部１１ａ）の内側面とともにキャビティＣの側壁を構成する。なお、図示の例において、シールリング１２の内側面は、第２ベース基板１１の内側面と面一に配置されている。
シールリング１２の材料としては、例えばニッケル基合金等が挙げられ、具体的にはコバール、エリンバー、インバー、４２－アロイ等から選択すれば良い。特に、シールリング１２の材料としては、セラミックス製とされている各ベース基板１０，１１に対して熱膨張係数が近いものを選択することが好ましい。例えば、ベース基板１０，１１として熱膨張係数６．８×１０－６／℃のアルミナを用いる場合には、シールリング１２として熱膨張係数５．２×１０－６／℃のコバールや、熱膨張係数４．５～６．５×１０－６／℃の４２－アロイを用いることが好ましい。
封口板６は、導電性基板からなり、シールリング１２上に接合されてパッケージ本体５内を気密に封止している。そして、シールリング１２、封口板６、および各ベース基板１０，１１により画成された空間は、気密封止されたキャビティＣを構成する。
圧電振動片３は、気密封止されたパッケージ２のキャビティＣ内に収容されている。圧電振動片３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圧電板３０を備える。圧電板３０は、一対の振動腕部３１，３２および一対の支持腕部３３，３４を有する。圧電振動片３は、キャビティＣ内において、導電性接着剤により支持腕部３３，３４がパッケージ２の実装部１４Ａ，１４Ｂに支持されることで、パッケージ２に実装されている。これにより、圧電振動片３は、キャビティＣ内において振動腕部３１，３２がベース基板１０，１１から浮いた状態で支持される。振動腕部３１，３２の外表面には、所定の電圧が印加されたときに一対の振動腕部３１，３２を振動させる２系統の励振電極４１，４２（図６参照）が配置されている。
圧電振動子１を作動させるには、外部電極２１Ａ，２１Ｂ（図２参照）に所定の電圧が印加する。すると、励振電極４１，４２に電流が流れ、励振電極４１，４２間に電界が発生する。各振動腕部３１，３２は、励振電極４１，４２間に発生する電界による逆圧電効果によって例えば互いに接近・離間する方向（幅方向Ｗ）に所定の共振周波数で振動する。そして、各振動腕部３１，３２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等に用いられる。
（第１実施形態の圧電振動片）
第１実施形態の圧電振動片３について詳述する。
図６は、第１実施形態に係る圧電振動片の平面図である。
図６に示すように、圧電振動片３は、圧電板３０と、圧電板３０の表裏面を含む外表面に配置された電極膜４０と、周波数調整用の重り金属膜５０と、を備える。なお、本実施形態では、圧電振動子１の長手方向Ｌ、幅方向Ｗおよび厚さ方向Ｔは、圧電振動片３の長手方向、幅方向および厚さ方向それぞれと一致している。したがって、以下の圧電振動片３に係る説明では、圧電振動子１の長手方向Ｌ、幅方向Ｗおよび厚さ方向Ｔを用いる。
圧電板３０は、基部３５と、基部３５から長手方向Ｌに延びる一対の振動腕部３１，３２（第１振動腕部３１および第２振動腕部３２）と、基部３５に対して幅方向Ｗの両側に位置する一対の支持腕部３３，３４（第１支持腕部３３および第２支持腕部３４）と、を備えている。圧電板３０は、長手方向Ｌに沿う中心軸Ｏに対して、厚さ方向Ｔから見た平面視形状が略対称となるように形成されている。なお、本実施形態では、圧電板３０を形成する圧電材料として水晶を例に挙げて説明する。
第１振動腕部３１および第２振動腕部３２は、幅方向Ｗに並んで平行に配置されている。各振動腕部３１，３２は、基部３５側の基端を固定端とし、先端を自由端として互いに接近・離間する方向（幅方向Ｗ）に振動する。各振動腕部３１，３２は、各振動腕部３１，３２の基端から先端に向けて延びる本体部３６と、各振動腕部３１，３２の先端に位置する錘部３８と、を有している。
図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線に沿う断面図である。
図６および図７に示すように、本体部３６には、溝部３７が形成されている。溝部３７は、本体部３６の両主面上において、厚さ方向Ｔに凹むとともに、長手方向Ｌに沿って延在している。溝部３７は、各振動腕部３１，３２の基端近傍から、本体部３６の先端近傍に亘って形成されている。
図６に示すように、錘部３８は、それぞれ本体部３６の先端部から長手方向Ｌに延びている。錘部３８は、平面視矩形状であって、本体部３６よりも幅方向Ｗに幅広に形成されている。これにより、各振動腕部３１，３２の先端部の質量および振動時の慣性モーメントを増大させることができ、錘部３８を有しない圧電振動片３と比較して各振動腕部３１，３２の長さを短縮できる。
各支持腕部３３，３４は、平面視でＬ字状を呈し、基部３５および振動腕部３１，３２（本体部３６）を幅方向Ｗの外側から囲んでいる。具体的に、各支持腕部３３，３４は、基部３５における幅方向Ｗの両端面から幅方向Ｗの外側に向けて突設された後、長手方向Ｌに沿って各振動腕部３１，３２と平行に延在している。第１支持腕部３３は、中心軸Ｏに対して第１振動腕部３１と同じ側に配置されている。第２支持腕部３４は、中心軸Ｏに対して第２振動腕部３２と同じ側に配置されている。
電極膜４０は、例えば、クロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）との積層膜であり、水晶と密着性の良いクロム膜を下地として成膜した後に、クロム膜上に金の薄膜を積層したものである。ただし、電極膜４０の膜構成はこれに限定されず、例えば、クロムとニクロム（ＮｉＣｒ）との積層膜上にさらに金の薄膜を積層しても構わないし、クロムやニッケル、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等の単層膜でも構わない。
電極膜４０は、励振電極４１，４２と、マウント電極４３，４４と、接続配線４５と、を備える。
励振電極４１，４２は、振動腕部３１，３２の本体部３６の外表面上に２系統設けられている。各励振電極４１，４２は、互いに電気的に絶縁されるようにパターニングされている。励振電極４１，４２は、第１励振電極４１および第２励振電極４２を有する。第１励振電極４１は、第１振動腕部３１の本体部３６における幅方向Ｗを向く両側面上と、第２振動腕部３２の溝部３７上と、に形成されている。第２励振電極４２は、第１振動腕部３１の溝部３７上と、第２振動腕部３２の本体部３６の両側面上と、に形成されている。励振電極４１，４２は、励振電極４１，４２間に所定の駆動電圧が印加されたときに、各振動腕部３１，３２を幅方向Ｗに振動させる。
マウント電極４３，４４は、圧電振動片３をパッケージ２に実装する際のマウント部として設けられている。マウント電極４３，４４は、支持腕部３３，３４の先端部における主面（裏面）上に設けられている。具体的に、マウント電極４３，４４は、第１支持腕部３３に配置された第１マウント電極４３と、第２支持腕部３４に配置された第２マウント電極４４と、を備える。第１マウント電極４３は、第１励振電極４１に電気的に接続されている。第２マウント電極４４は、第２励振電極４２に電気的に接続されている。マウント電極４３，４４は、導電性接着剤を介してパッケージ２の電極パッド２０Ａ，２０Ｂに電気的に接続されている。
接続配線４５Ａ，４５Ｂは、振動腕部３１，３２の先端側で励振電極４１，４２同士を接続している。接続配線４５は、第１励振電極４１に接続された第１接続配線４５Ａと、第２励振電極４２に接続された第２接続配線４５Ｂと、を有する。第１接続配線４５Ａは、第１振動腕部３１の両側面上の第１励振電極４１同士を電気的に接続している。第２接続配線４５Ｂは、第２振動腕部３２の両側面上の第２励振電極４２同士を電気的に接続している。第１接続配線４５Ａおよび第２接続配線４５Ｂは、互いに同様に形成されているので、以下の説明において第１接続配線４５Ａおよび第２接続配線４５Ｂを区別しない場合は単に接続配線４５と表記する。
各接続配線４５は、側部４６と、表部４７と、裏部４８と、を備える。側部４６は、振動腕部３１，３２における溝部３７よりも先端側で、振動腕部３１，３２の端面全体に配置されている。なお端面は、主面同士を接続する面であって、長手方向Ｌを向く先端面、および幅方向Ｗを向く側面を含む。表部４７は、振動腕部３１，３２における溝部３７よりも先端側で、振動腕部３１，３２の表面６４に配置されている。表部４７は、励振電極４１，４２に対して長手方向Ｌに間隔をあけて配置されている。表部４７は、振動腕部３１，３２における本体部３６と錘部３８との境界を跨ぐように延びている。表部４７の側縁は、側部４６に接続している。裏部４８は、振動腕部３１，３２における溝部３７よりも先端側で、振動腕部３１，３２の裏面６３に配置されている。裏部４８は、励振電極４１，４２に対して長手方向Ｌに間隔をあけて配置されている。裏部４８は、振動腕部３１，３２における本体部３６と錘部３８との境界を跨ぐように延びている。裏部４８の側縁は、側部４６に接続している。
図８は、図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図である。
図６および図８に示すように、接続配線４５の裏部４８は、振動腕部３１，３２の裏面６３の一部を露出するように配置されている。これにより、振動腕部３１，３２の裏面６３は、圧電板３０が露出した裏側露出部６１を有する。裏側露出部６１は、錘部３８の裏面のみに設けられている。裏側露出部６１は、振動腕部３１，３２の裏面６３の先端縁６３ｔを含むように形成されている。さらに、裏側露出部６１は、振動腕部３１，３２の裏面６３における先端縁６３ｔから振動腕部３１，３２の基端側に延びる一対の側縁６３ｓを含むように形成されている。裏側露出部６１は、矩形状に形成されている。
重り金属膜５０は、振動腕部３１，３２の表面６４側で電極膜４０上に配置されている。重り金属膜５０は、各振動腕部３１，３２の先端部における質量を増加させ、各振動腕部３１，３２の長さの短縮に伴う周波数の上昇を抑制する。重り金属膜５０は、例えばＡｕやＡｇ等からなり、厚さが１～１０μｍ程度になっている。重り金属膜５０は、電極膜４０の接続配線４５の表部４７上に配置されている。重り金属膜５０は、幅方向Ｗ両側の側縁が接続配線４５の表部４７の側縁に一致するように形成されている。重り金属膜５０における振動腕部３１，３２の基端側の端縁は、幅方向Ｗに延び、接続配線４５の表部４７における振動腕部３１，３２の基端側の端縁よりも先端側に位置している。重り金属膜５０における基端側の端縁には、平面視で接続配線４５の裏部４８が跨っている。
接続配線４５の表部４７および重り金属膜５０は、振動腕部３１，３２の表面６４の一部を露出するように配置されている。これにより、振動腕部３１，３２の表面６４は、圧電板３０が露出した表側露出部６２を有する。接続配線４５の表部４７および重り金属膜５０それぞれの端縁は、平面視で表側露出部６２の外形線上で互いに一致している。表側露出部６２は、振動腕部３１，３２の表面６４の先端縁６４ｔを含むように形成されている。さらに、表側露出部６２は、振動腕部３１，３２の表面６４における先端縁６４ｔから振動腕部３１，３２の基端側に延びる一対の側縁６４ｓを含むように形成されている。表側露出部６２の全体は、平面視で裏側露出部６１に重なっている。表側露出部６２の全体は、平面視で振動腕部３１，３２の裏面６３上における電極膜４０（接続配線４５の裏部４８）に対して間隔をあけて配置されている。
（第１実施形態の圧電振動片の製造方法）
第１実施形態の圧電振動片３の製造方法について説明する。
図９は、第１実施形態に係る圧電振動片の製造方法を示すフローチャートである。
図９に示すように、第１実施形態の圧電振動片３の製造方法は、外形形成工程Ｓ１０と、電極膜形成工程Ｓ２０と、金属膜形成工程Ｓ３０と、トリミング工程Ｓ４０と、を備える。
まず外形形成工程Ｓ１０を行う。外形形成工程Ｓ１０では、圧電材料のウエハに圧電板３０を形成する。最初に、フォトリソグラフィ技術によってウエハの両面に、圧電板３０の平面視形状に対応する形状のマスクを形成する。次いで、ウエハをウェットエッチング加工する。これにより、ウエハにおけるマスクされていない領域が選択的に除去されて、ウエハが圧電板３０の平面視形状に成形される。
続いて、各振動腕部３１，３２の両主面（表裏面）に溝部３７を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ技術によってウエハの両主面上に溝部３７の形状に対応する形状のマスクを形成する。次いで、ウェットエッチング加工により、溝部３７がウエハを貫通しない程度にウエハに対してハーフエッチングを行う。これにより、ウエハには溝部３７を有する圧電板３０が形成される。
続いて電極膜形成工程Ｓ２０を行う。電極膜形成工程Ｓ２０では、圧電板３０の表裏面に電極膜４０を配置するとともに、圧電板３０の振動腕部３１，３２の裏面に裏側露出部６１を形成する。本実施形態では、電極膜形成工程Ｓ２０は、電極膜４０を成膜する電極膜成膜工程Ｓ２１と、電極膜４０をパターニングして、励振電極４１，４２および裏側露出部６１を形成するパターニング工程Ｓ２２と、を備える。
電極膜成膜工程Ｓ２１は、ウエハの表裏面上および端面上にスパッタリングや蒸着などにより電極膜４０を成膜する。
パターニング工程Ｓ２２は、電極膜４０をパターニングして、圧電板３０に対して２系統の電極４１～４４および接続配線４５Ａ，４５Ｂを形成する。まず、フォトリソグラフィ技術によって、電極膜４０の外表面に各電極４１～４４および接続配線４５Ａ，４５Ｂの外形形状に対応する形状のレジスト材料からなるマスクを形成する。この際、表側露出部６２に対応する部分も覆うようにマスクを形成する。次いで、電極膜４０をエッチング加工し、マスクされていない領域の電極膜４０を選択的に除去する。これにより、圧電板３０に各励振電極４１，４２、各マウント電極４３，４４および各接続配線４５Ａ，４５Ｂが形成される。また、図１０に示すように、圧電板３０の振動腕部３１，３２の裏面６３に裏側露出部６１が形成される。なお、本工程では、圧電板３０の振動腕部３１，３２の表側露出部６２に対応する部分には電極膜４０が配置された状態となる。
続いて金属膜形成工程Ｓ３０を行う。図１１に示すように、金属膜形成工程Ｓ３０では、各振動腕部３１，３２の表面６４側の電極膜４０上に周波数調整用の重り金属膜５０を形成する。この際、重り金属膜５０の少なくとも一部が平面視で裏側露出部６１に重なるように重り金属膜５０を成膜する。重り金属膜５０は、例えばメタルマスクを用いた蒸着等により形成することができる。
続いてトリミング工程Ｓ４０を行う。トリミング工程Ｓ４０では、各圧電振動片３に対して共振周波数を粗調整する。トリミング工程Ｓ４０では、共振周波数の調整量に応じて、重り金属膜５０をその下層の電極膜４０（接続配線４５の表部４７）とともに振動腕部３１，３２の表面６４上から部分的に除去（トリミング）する。トリミング工程Ｓ４０では、パルスレーザーを用いて重り金属膜５０および電極膜４０を除去する。パルスレーザーとしては、ピコ秒レーザーまたはフェムト秒レーザーが好適であり、ピコ秒レーザーが最適である。
トリミング工程Ｓ４０では、重り金属膜５０に表面側からレーザー光を照射することで、重り金属膜５０の被照射部をその直下の電極膜４０とともに溶融除去する。この際、振動腕部３１，３２の表面６４側で、平面視で裏側露出部６１に重なり、かつ裏面６３上の電極膜４０に対して間隔をあけた範囲内で重り金属膜５０および電極膜４０をレーザーで除去する。共振周波数の調整量に応じてレーザー光の照射範囲を調整することで、上述した裏側露出部６１が形成される。そして、重り金属膜５０がトリミングされ、振動腕部３１，３２の慣性モーメントが変化することで振動腕部３１，３２の周波数が変化する。
以上に説明したように、本実施形態の圧電振動片３は、圧電板３０の表裏面に配置された電極膜４０と、振動腕部３１，３２の表面６４側で電極膜４０上に配置された周波数調整用の重り金属膜５０と、を備える。振動腕部３１，３２の裏面６３は、圧電板３０が露出した裏側露出部６１を有する。振動腕部３１，３２の表面６４は、重り金属膜５０および電極膜４０が除去されて圧電板３０が露出した表側露出部６２を有する。そして、表側露出部６２の全体は、平面視で振動腕部３１，３２の裏面６３上の電極膜４０（接続配線４５の裏部４８）に対して間隔をあけて裏側露出部６１に重なっている。この構成によれば、周波数調整としてレーザーを用いて重り金属膜５０をその下層の電極膜４０とともに除去する過程で表側露出部６２が形成される際に、圧電板３０を透過したレーザー光は裏側露出部６１を通過する。このため、レーザー光は圧電板３０の裏面６３上の電極膜４０に照射されないので、裏面６３側の電極膜４０にバリが形成されることを抑制できる。よって、電極膜４０のバリの脱落や変形等に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動を抑制し、振動特性に優れた高品質な圧電振動片３を提供できる。
また、電極膜４０は、表側露出部６２の周囲で振動腕部３１，３２の端面に配置された接続配線４５の側部４６を有する。この構成によれば、重り金属膜５０を成膜する際に、重り金属膜５０が振動腕部３１，３２の端面側に回り込み得るが、振動腕部３１，３２の端面が露出している場合と比べて、接続配線４５の側部４６が重り金属膜５０の下地となって重り金属膜５０の密着性が高まる。このため、重り金属膜５０の脱落を抑制できる。よって、重り金属膜５０の脱落に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動を抑制できる。
また、裏側露出部６１は、振動腕部３１，３２の裏面６３における先端縁６３ｔおよび側縁６３ｓを含む。仮に裏側露出部６１が裏面６３の先端縁６３ｔおよび側縁６３ｓを含まない場合、裏側露出部６１の外形線の全体が裏面６３上の電極膜４０の端縁に一致する。この場合には平面視で裏側露出部６１の外形線よりも内側で表面６４側の重り金属膜５０を除去しなければならない。本実施形態では、裏側露出部６１の外形線のうち裏面６３の先端縁６３ｔおよび側縁６３ｓに一致する部分には裏面６３上の電極膜４０の端縁が存在しない。このため、表面６４の先端縁６４ｔおよび側縁６４ｓ上の重り金属膜５０を除去しても、透過したレーザー光が裏面６３上の電極膜４０に照射されることを抑制できる。よって、裏側露出部６１が裏面６３の先端縁６３ｔおよび側縁６３ｓを含まない場合と比べて、裏側露出部６１の面積に対する表側露出部６２の面積の比率を大きくすることが可能となる。よって、周波数の調整範囲を広く設定することができる。また、重り金属膜５０を振動腕部３１，３２の先端から基端側に向かって順に除去できるので、周波数調整を効率よく行うことができる。
また、接続配線４５の裏部４８は、平面視で重り金属膜５０における振動腕部３１，３２の基端側の端縁を跨っている。この構成によれば、重り金属膜５０よりも基端側に励振電極４１，４２が設けられた圧電振動片３において、励振電極４１，４２に接続した接続配線４５を平面視で重り金属膜５０と重なるように電極膜４０で形成できる。このため、圧電振動片３が小型化されるに従って重り金属膜５０が占める範囲の割合が大きくなっても、接続配線４５を確実に形成して信頼性を確保することができる。
本実施形態の圧電振動片３の製造方法は、トリミング工程Ｓ４０において、振動腕部３１，３２の表面６４側で、平面視で裏側露出部６１に重なり、かつ裏面６３上の電極膜４０に対して間隔をあけた範囲内で重り金属膜５０および電極膜４０をレーザーで除去する。これにより、トリミング工程で圧電板３０を透過したレーザー光が裏側露出部６１を通過するので、裏面６３側の電極膜４０にレーザー光が照射されてバリが形成されることを抑制できる。よって、電極膜４０のバリの脱落や変形等に起因した周波数の変動を抑制できる。したがって、周波数調整後の周波数の変動を抑制し、振動特性に優れた高品質な圧電振動片３を製造できる。
トリミング工程Ｓ４０では、ピコ秒レーザーまたはフェムト秒レーザーを用いる。これにより、ナノ秒レーザーを用いる場合と異なり、表面６４側の電極膜４０および重り金属膜５０にバリが形成されることを抑制できる。
電極膜形成工程Ｓ２０は、電極膜４０を成膜する電極膜成膜工程Ｓ２１と、電極膜４０をパターニングして、励振電極４１，４２および裏側露出部６１を形成するパターニング工程Ｓ２２と、を備える。これにより、励振電極４１，４２と同様の加工精度で裏側露出部６１を形成できる。また、従来の製造方法から裏側露出部６１を形成するための工程の追加がないので、製造コストの上昇を抑制できる。
そして、本実施形態の圧電振動子１および発振器１００は、上述した圧電振動片３を有しているので、動作信頼性に優れた高品質な圧電振動子１および発振器１００とすることができる。
なお上記実施形態において、裏側露出部６１をパターニング工程Ｓ２２で形成しているが、裏側露出部６１の形成方法はこれに限定されない。電極膜形成工程では、振動腕部３１，３２の裏面６３の一部をマスクした状態で電極膜４０を成膜し、マスクされた一部を裏側露出部６１としてもよい。この方法によれば、電極膜４０の成膜時に裏側露出部６１を形成できる。よって、従来の製造方法から裏側露出部６１を形成するための工程の追加がないので、製造コストの上昇を抑制できる。
［第２実施形態］
次に、図１２および図１３を参照して、第２実施形態について説明する。第１実施形態では、表側露出部６２は振動腕部３１，３２の表面６４の先端縁６４ｔを含むように形成されている。これに対して第２実施形態では、表側露出部６２Ａは振動腕部３１，３２の表面６４の先端縁６４ｔよりも基端側に形成されている点で、第１実施形態とは異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第１実施形態と同様である。
図１２は、第２実施形態に係る圧電振動片の平面図である。図１３は、図１２のＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線における断面図である。
図１２および図１３に示すように、表側露出部６２Ａは、振動腕部３１，３２の表面６４における一対の側縁６４ｓそれぞれの中間部のみを含むように形成されている。これにより接続配線４５の表部４７Ａは、振動腕部３１，３２の表面６４の先端縁６４ｔを覆い、表面６４の先端縁６４ｔ上で側部４６に接続している。重り金属膜５０Ａは、表側露出部６２Ａを挟んで長手方向Ｌの両側で、接続配線４５の表部４７Ａ上に配置されている。接続配線４５の表部４７Ａおよび重り金属膜５０Ａそれぞれの端縁は、平面視で表側露出部６２Ａの外形線上で互いに一致している。本実施形態においても、表側露出部６２Ａの全体は、平面視で振動腕部３１，３２の裏面６３上における電極膜４０に対して間隔をあけて裏側露出部６１に重なっている。
以上に説明したように、本実施形態では、表側露出部６２Ａの全体が平面視で振動腕部３１，３２の裏面６３上の電極膜４０に対して間隔をあけて裏側露出部６１に重なっている。このため、本実施形態の圧電振動片３Ａによれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、圧電振動片３は、各支持腕部３３，３４が各振動腕部３１，３２の外側に配置された、いわゆるサイドアーム型の振動片であった。しかしながらこれに限定されず、圧電振動片は、例えば１つの支持腕部が一対の振動腕部の間に配置された、いわゆるセンターアーム型の振動片や、支持腕部を備えていない振動片であってもよい。また、各振動腕部に溝部が形成されていない構成であってもよい。また、各振動腕部に錘部が形成されていない構成であってもよい。
また、図６および図１２に示す例では、重り金属膜５０，５０Ａにおける表側露出部６２，６２Ａに沿う端縁は、幅方向Ｗに直線状に延びているが、端縁の形状はこれに限定されない。例えば、重り金属膜における表側露出部に沿う端縁は、重り金属膜の内側に窪むように凹状に延在していてもよい。
また、上記実施形態では、接続配線４５の裏部４８が平面視で重り金属膜５０における基端側の端縁を跨っている。しかし、接続配線の裏部の全体は、平面視で重り金属膜５０よりも基端側に配置されていてもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
１…圧電振動子 ２…パッケージ ３，３Ａ…圧電振動片 ３０…圧電板 ３１…第１振動腕部（振動腕部） ３２…第２振動腕部（振動腕部） ４０…電極膜 ４１，４２…励振電極 ５０，５０Ａ…重り金属膜 ６１…裏側露出部 ６２，６２Ａ…表側露出部 ６３…裏面 ６３ｓ…側縁 ６３ｔ…先端縁 ６４…表面 １００…発振器 １０３…集積回路 Ｓ２０…電極膜形成工程 Ｓ２１…電極膜成膜工程 Ｓ２２…パターニング工程 Ｓ３０…金属膜形成工程 Ｓ４０…トリミング工程

Claims (10)

  1. 一対の振動腕部を有する圧電板と、
    圧電板の表裏面に配置された電極膜と、
    前記振動腕部の表面側で前記電極膜上に配置された周波数調整用の重り金属膜と、
    を備え、
    前記振動腕部の裏面は、前記圧電板が露出した裏側露出部を有し、
    前記振動腕部の前記表面は、前記重り金属膜および前記電極膜が除去されて前記圧電板が露出した表側露出部を有し、
    前記表側露出部の全体は、前記圧電板の厚さ方向から見て、前記裏面上の前記電極膜に対して間隔をあけて前記裏側露出部に重なっている、
    圧電振動片。
  2. 前記電極膜は、前記表側露出部の周囲で前記振動腕部の端面に配置されている、
    請求項１に記載の圧電振動片。
  3. 前記振動腕部の裏面は、前記振動腕部の先端側の先端縁、および前記先端縁から前記振動腕部の基端側に延びる一対の側縁を備え、
    前記裏側露出部は、前記振動腕部の前記裏面における前記先端縁および前記側縁を含む、
    請求項１または請求項２に記載の圧電振動片。
  4. 前記電極膜のうち前記振動腕部の前記裏面に配置された部分は、前記厚さ方向から見て、前記重り金属膜における前記振動腕部の基端側の端縁を跨っている、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電振動片。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電振動片と、
    前記圧電振動片を気密封止するパッケージと、
    を備える圧電振動子。
  6. 請求項５に記載の圧電振動子を備え、
    前記圧電振動子は、発振子として集積回路に電気的に接続されている、
    発振器。
  7. 一対の振動腕部を有する圧電板の表裏面に電極膜を配置するとともに、前記振動腕部の裏面に前記圧電板が露出した裏側露出部を形成する電極膜形成工程と、
    前記振動腕部の表面側で前記電極膜上に、前記圧電板の厚さ方向から見て前記裏側露出部に少なくとも一部が重なるように重り金属膜を成膜する金属膜形成工程と、
    前記振動腕部の表面側で、前記厚さ方向から見て前記裏側露出部に重なり、かつ前記裏面上の前記電極膜に対して間隔をあけた範囲内で前記重り金属膜および前記電極膜をレーザーで除去するトリミング工程と、
    を備える圧電振動片の製造方法。
  8. 前記トリミング工程で、ピコ秒レーザーまたはフェムト秒レーザーを用いる、
    請求項７に記載の圧電振動片の製造方法。
  9. 前記電極膜形成工程は、
    前記電極膜を成膜する電極膜成膜工程と、
    前記電極膜をパターニングして、励振電極および前記裏側露出部を形成するパターニング工程と、
    を備える、
    請求項７または請求項８に記載の圧電振動片の製造方法。
  10. 前記電極膜形成工程は、前記振動腕部の前記裏面の一部をマスクした状態で前記電極膜を成膜し、前記一部を前記裏側露出部とする、
    請求項７または請求項８に記載の圧電振動片の製造方法。
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