JP4001029B2 - 音叉型圧電振動片及びその製造方法、圧電デバイス - Google Patents

音叉型圧電振動片及びその製造方法、圧電デバイス Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な電子機器に使用される圧電振動子や圧電発振器、角速度センサとして用いられる圧電振動ジャイロ等の圧電デバイスに関し、より詳細に言えば、それらについて使用する音叉型圧電振動片及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、一般に時計や家電製品、各種情報・通信機器やOA機器等の民生・産業用電子機器には、その電子回路のクロック源として圧電振動子、圧電振動片とICチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが広く使用されている。また、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御や航行制御、ビデオカメラ等の手振れ防止・検出等における回転角速度センサとして、圧電振動ジャイロが広く利用され、3次元立体マウス等の回転方向センサにも応用されている。このような圧電振動ジャイロは、例えば特許文献1又は特許文献2に記載されたものが知られている。
【0003】
特に最近、これら圧電デバイスは、それを搭載する電子機器の小型化・薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されている。また、低いCI(クリスタルインピーダンス)値を確保して、高品質で安定性に優れた圧電デバイスが要求されている。CI値を低く保持するために、例えば特許文献3、特許文献4に記載されるような溝付き振動腕構造を有する音叉型圧電振動片が開発されている。
【0004】
この溝付き振動腕構造の音叉型圧電振動片は、図8に例示するように、基部1から平行に延長する1対の振動腕2a、2bの上下主面3a、3bに、その長手方向に沿って直線状に延長する溝4a、4bがそれぞれ形成されている。図9(A)及び(B)に示すように、各溝4a、4bの側面及び底面には第1電極5a、5bが成膜され、かつ振動腕2a、2bの各側面には第2電極6a、6bが成膜されている。一方の振動腕の第1電極5a(5b)と他方の振動腕の第2電極6b(6a)とが互いに電気的に接続されて、前記音叉型水晶振動片を振動させる駆動電極を構成している。この駆動電極に接続端子7、7から交流電圧を印加すると、隣接する第1電極5a、5bと第2電極6a、6bとの間で前記各主面に平行な電界E1、E2が発生し、その結果電界効率が大幅に向上してCI値を低く抑制することができる。
【0005】
この音叉型圧電振動片は、例えば水晶のような圧電単結晶材料からなるウエハを、フォトリソグラフィ技術を利用したウエットエッチングすることにより、所望の振動片の外形及び溝4a、4bを加工し、かつその表面に電極膜をパターニングして形成するのが通例である。より具体的には、水晶ウエハの両面に耐蝕膜を形成しかつその上にフォトレジストを塗布・乾燥させてレジスト膜を形成し、その上に所望の振動片外形に対応する同一のエッチングパターンを有する上下1対の第1フォトマスクを配置し、露光・現像して耐蝕膜表面を露出させ、これをエッチング液で除去して水晶ウエハ表面を露出させる。残存するレジスト膜を剥離した後、残存する耐蝕膜の上にフォトレジストを再度塗布・乾燥させて新たにレジスト膜を形成し、その上に振動腕の溝形状に対応するエッチングパターンを有する上下1対の第2フォトマスクを配置し、露光・現像して耐蝕膜表面を露出させる。
【0006】
次に、水晶ウエハの露出表面を水晶用エッチング液でエッチングし、振動腕を含む振動片の外形形状を加工する。更に、耐蝕膜の露出表面をエッチング液で除去して水晶ウエハ表面を露出させ、これを水晶用エッチング液で所定の深さまでハーフエッチングして、振動腕の上下主面にそれぞれ溝を形成する。このようにして形成した水晶素子片の、前記振動片の溝内面を含む全面に電極材料を蒸着、スパッタリング等により成膜して電極膜を形成し、これをフォトエッチングすることにより分極して、所望の駆動電極、引出電極及び配線を形成する。
【0007】
水晶ウエハは、例えば水晶をそのX軸周りにZ軸から所定の角度θ例えば約30′〜2°のカットアングルで切り出したものを使用する。音叉型圧電振動片は、図8に示すように振動腕2a、2bの長手方向、幅方向及び厚み方向を水晶の結晶構造の機械軸と呼ばれるY軸、電気軸と呼ばれるX軸及び光学軸と呼ばれるZ軸にそれぞれ対応させて配向される。従って、振動腕2a、2bの幅方向はX軸方向に一致するが、長手方向はY軸方向に関して角度θの傾きをなすY´方向、厚み方向はZ軸方向に関して角度θの傾きをなすZ´方向となる。
【0008】
【特許文献1】
特開平7−55479号公報
【特許文献2】
特開平10−170272号公報
【特許文献3】
特開昭56−65517号公報
【特許文献4】
特願2000−595424号明細書
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
図9(A)に示すように、通例振動腕2a(2b)の溝4a(4b)は、幅方向にその中心線C1を前記各振動腕の中心線C2と一致させるように配置する。ところが、多くの圧電振動片はエッチング異方性を有する水晶等の圧電単結晶材料で形成されるため、ウエットエッチングした前記振動腕及び溝の断面形状がその結晶配向によって中心線C1、C2に関して非対称になることが多い。特に水晶はそのエッチング速度が結晶軸依存性を有し、図8の実施例において振動腕の幅方向には+X方向にエッチングされ易いため、図9(B)に示すように溝4a(4b)の断面が図中想像線8で示す理想的な矩形ではなく、その左側面が図中右方向に傾斜し、また振動腕2a(2b)の右側面に突起9が形成される非対称な断面形状になる。
【0010】
このため、振動腕のスチフネスは中心線C2に関して左右で無視し得ない程度の差が生じ、励振時に振動腕の撓みが左右で即ち音叉の内側と外側とでアンバランスになり、振動が振動腕に閉じ込められずに圧電振動片のマウント部からパッケージ側に漏れて、歪みエネルギの損失を生じる虞がある。そして、この振動腕の左右における撓みのアンバランスが大きくなって圧電振動片の歪みエネルギの損失が大きくなると、その固有振動数即ち発振周波数が低下し、かつ固有振動数のばらつきが大きくなるという問題がある。
【0011】
また、上述した圧電振動片の外形加工において、水晶ウエハの上下各面にそれぞれ第1フォトマスクを位置合わせする際にずれがあると、それによって振動腕2a(2b)の上側主面3aと下側主面3bとが、図10において中心線C1、C2で示すように、幅方向にずれを生じ、振動腕の断面が厚み方向に上下で非対称になる虞がある。特に圧電振動片がより小型化されると、それだけフォトマスクの位置合わせが難しく、位置精度が低下するので、非対称になり易い。
【0012】
このような非対称断面を有する弾性体において、前記主面に垂直な幅方向即ちX方向の断面を厚み方向(Z´方向)に考えると、図10に示すように電界E1、E2の圧電逆効果による引張力及び圧縮力が上下にアンバランスに作用する。このため、振動腕2a、2bは、励振時に全体としてこれを厚み方向にねじるモーメントを受け、厚み方向に変位を生じながら幅方向に屈曲振動することになる。この結果、振動が漏れて歪みエネルギの損失を生じたり、振動特性が不安定になる虞がある。また、この歪みエネルギの損失が大きくなると、圧電振動片の固有振動数即ち発振周波数が低下し、かつ固有振動数のばらつきが大きくなるという問題がある。
【0013】
そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その第1の目的は、エッチング異方性を有する圧電材料から形成されかつ溝付き振動腕構造を有する音叉型圧電振動片において、振動腕の幅方向における左右のスチフネスを良好にバランスさせ又はそのバランスを改善して、安定した屈曲運動を確保し、CI値の抑制による高性能化と同時に高安定性を実現することにある。
【0014】
本発明の第2の目的は、溝付き振動腕構造を有する音叉型圧電振動片において、CI値の抑制による高性能化に加えて、振動腕の上下主面に生じる幅方向のずれに対してそれにより振動腕の屈曲振動に生じる厚み方向の変位を有効に解消又は抑制し、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を解消又は抑制しかつ安定した振動特性を確保することにある。
【0015】
また本発明の目的は、かかる音叉型圧電振動片を製造する方法を提供することにある。
更に本発明の目的は、このような音叉型圧電振動片を利用した高品質かつ高安定性の圧電デバイスを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の側面によれば、上記目的を達成するために、所定の向きにエッチング異方性を有する圧電材料で形成され、基部から延出する1対の振動腕と、各振動腕の表裏主面に設けられる第1電極及びその側面に設けられる第2電極からなる駆動電極とを有し、振動腕の少なくとも一方の主面には、該振動腕の長手方向に沿って延長する溝が、幅方向にその中心線を振動腕の中心線に関して前記エッチング異方性の所定の向きとは反対側にずらして設けられ、かつ、前記少なくとも一方の主面に設けられる第1電極が、前記溝の側面に形成される電極膜からなることを特徴とする音叉型圧電振動片が提供される。
【0017】
上述したようにエッチング異方性を有する圧電材料から音叉型圧電振動片の外形及び振動腕の溝を、従来から一般に用いられているウエットエッチングで加工すると、その幅方向に断面形状は非対称となり、振動腕の中心線に関してエッチング異方性の所定の向きとは反対側において振動腕のスチフネスが大きくなる虞があるが、本発明のように振動腕の溝を配置することによって、かかる断面形状の非対称によるスチフネスのアンバランスを解消又は改善することができる。従って、振動腕は左右の撓みが安定し、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止して、安定した屈曲運動を繰り返すことが可能になる。
【0018】
圧電材料としては、従来から一般に採用されている水晶が好ましい。その場合、振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向がそれぞれ水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応し、前記溝が、振動腕の中心線に関してその幅方向へ水晶の−X方向にずらして設けられると、水晶は+X方向のエッチングレートが高いので、振動腕の非対称な断面形状に拘わらず、その左右におけるスチフネスのバランスを良好に確保することができる。
【0019】
或る実施例では、振動腕の中心線に関する溝の中心線のずれ量が振動腕の幅の1〜5%、より好ましくは2〜4%の範囲内にあると、音叉型水晶振動片の発振周波数を高くでき、しかも製造上の誤差程度の範囲内で溝の位置が振動腕の幅方向にずれても、周波数の変動が少ないことが確認された。
【0020】
本発明の第2の側面によれば、基部から延出する1対の振動腕と、前記振動腕の上下主面にそれぞれその長手方向に沿って延長する溝と、前記各溝の側面に設けられる第1電極及び前記各振動腕の側面に設けられる第2電極からなる駆動電極とを有し、一方の前記溝が、他方の前記溝に関して前記振動腕の幅方向に、前記他方の溝を設けた前記主面に関する前記一方の溝を設けた前記主面のずれと同じ向きにずらして、かつ、前記振動腕の幅方向の断面において、その厚み方向に2等分される上側及び下側部分の各重心を前記主面に垂直な同一の直線上に整合させて配置されていることを特徴とする音叉型圧電振動片が提供される。この場合にも、圧電材料としては、従来から一般に採用されている水晶が好ましく、更に振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向がそれぞれ水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応して配向するのが好ましい。
【0021】
このように構成することにより、振動腕の上下主面間に幅方向の位置ずれがあっても、振動腕の断面全体として見れば、その厚み方向に2等分した上側及び下側部分における引張力及び圧縮力のアンバランスによるモーメントが相殺され、励振時における厚み方向の変位を解消又は改善することができる。従って振動腕は、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止し、安定して屈曲振動を繰り返すことが可能になる。
【0022】
別の実施例では、前記音叉型圧電振動片が、基部から前記1対の振動片とは逆向きに延出する別の1対の振動腕を更に有し、上記特許文献1又は特許文献2に記載される圧電振動ジャイロに使用することができる。
【0023】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の音叉型圧電振動片と、該音叉型圧電振動片をその基部において固定支持して内部に封止するパッケージとを備える圧電デバイスが提供される。更に、本発明によれば、前記パッケージに搭載されるIC素子を更に備えた圧電デバイスが提供される。
【0024】
また、本発明の或る側面によれば、所定の向きにエッチング異方性を有する圧電材料のウエハに、基部及び該基部から延出する1対の振動腕を有する音叉型圧電素子片の外形を加工し、振動腕の表裏主面の少なくとも一方をウエットエッチングすることにより、該振動腕の長手方向に沿って延長する溝を、幅方向にその中心線を振動腕の中心線に関して前記エッチング異方性の所定の向きとは反対側にずらして形成し、振動腕の主面及び側面、前記溝の内面に電極膜を形成しかつパターニングして、駆動電極を形成する過程を含むことを特徴とする音叉型圧電振動片の製造方法が提供される。
【0025】
これにより、溝付き振動腕の非対称な断面形状によるスチフネスのアンバランスを解消又は改善し、振動腕の左右の撓みを安定させかつ振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止して、安定した屈曲運動を繰り返すことが可能な音叉型圧電振動片を、従来の工程に従って製造することができる。
【0026】
或る実施例では、圧電材料として従来から一般に採用されている水晶を使用することができる。その場合、振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応させて配向し、前記溝を振動腕の中心線に関して幅方向へ水晶の−X方向にずらして設けると、水晶は+X方向のエッチングレートが高いので、振動腕の非対称な断面形状において、左右のスチフネスのバランスを良好に確保することができる。
【0027】
別の実施例では、振動腕の中心線に関する前記溝の中心線のずれ量を振動腕の幅の1〜5%、より好ましくは2〜4%の範囲内にすると、音叉型水晶振動片の発振周波数を高くでき、しかも製造上の誤差程度の範囲内で溝の位置が振動腕の幅方向にずれても、周波数の変動が少ないので好ましい。
【0028】
本発明の更に別の側面によれば、圧電材料のウエハに基部及び該基部から延出する1対の振動腕を有する音叉型圧電素子片の外形を加工し、前記振動腕の上下主面にその長手方向に沿って延長する溝をフォトエッチングにより形成し、前記素子片の主面及び側面、前記溝の内面に電極膜を形成しかつパターニングする過程を含み、前記溝のフォトエッチングにおいて、前記素子片の外形加工により前記振動腕の幅方向にその一方の前記主面に関してその他方の前記主面に生じるずれに対応して、前記一方の主面に形成しようとする一方の前記溝に関して他方の前記溝を、前記ずれと同じ向きにずらし、かつ、前記振動腕の幅方向の断面において、その厚み方向に2等分される上側及び下側部分の各重心を前記主面に垂直な同一の直線上に整合させることを特徴とする音叉型圧電振動片の製造方法が提供される。この場合にも、圧電材料として従来から一般に採用されている水晶を使用することができ、更に振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応させて配向するのが好ましい。
【0029】
このように音叉型圧電振動片の製造過程において、振動腕の一方の主面に形成する溝の位置を調整する工程を追加することにより、振動片の外形加工時に起こり得る振動腕の上下主面間の幅方向の位置ずれに即座に対応して、これに起因する厚み方向の変位を解消又は抑制することができる。このため、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止し、かつ安定した振動特性を発揮する音叉型圧電振動片を、従来の工程に従って製造することができる。
【0030】
或る実施例では、前記溝のフォトエッチングにおいて、他方の溝をそれを形成しようとする主面の幅方向中央位置に整合させ、かつそれに合わせて一方の溝を位置決めすることにより、比較的簡単に溝位置の調整を行うことができる。
【0031】
また、本発明の音叉型圧電振動片の製造方法において、音叉型圧電素子片が基部から前記1対の振動片とは逆向きに延出する別の1対の振動腕を更に有するように、その外形を加工することにより、上記特許文献1又は特許文献2に記載される圧電振動ジャイロに使用するのに適した音叉型圧電振動片が得られる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図1は、本発明を適用した水晶振動子の好適な実施例を概略的に示している。この水晶振動子10は、絶縁材料からなるベース11と蓋12とを有するパッケージ13を備え、その内部に音叉型水晶振動片14が気密に封止されている。ベース11は、複数のセラミックス薄板を積層した概ね矩形の箱状に構成され、その内部に画定される空所底部に音叉型水晶振動片14がマウントされている。蓋12は、ガラス又はセラミックス等の絶縁材料からなる矩形薄板で形成され、ベース11の上端面に低融点ガラスで気密に接合されている。周波数調整のためにパッケージの外側からレーザビームを照射できるように、蓋12は透明なガラス製が好ましい。
【0033】
第1実施例の音叉型水晶振動片14は、図2(A)に示すように、例えば上記特開昭56−65517号公報に記載されているような構造を有し、基部15から平行に延長する1対の振動腕16a、16bの表裏各主面17a、17bに、その長手方向に沿って直線状に溝18a、18bがそれぞれ形成されている。各溝18a、18bには、その側面及び底面に成膜した電極膜からなる第1電極19a、19bが設けられ、かつ各振動腕16a、16bの側面には第2電極20a、20bが設けられ、これらは互いに一方の振動腕の第1電極19a(19b)が他方の振動腕の第2電極20b(20a)に電気的に接続されて、音叉型水晶振動片14を振動させる駆動電極を構成している。基部15には前記駆動電極からの引出電極21、21が設けられ、かつそれぞれベース11底面の対応する接続端子22、22に導電性接着剤23、23で固着され、音叉型水晶振動片14を片持ちにかつ略水平に支持している。
【0034】
音叉型水晶振動片14は、従来と同様にフォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをウエットエッチングすることにより、所望の外形及び各振動腕の溝18a、18bを加工し、かつその表面にスパッタリング等で被着させた電極膜をパターニングして、前記駆動電極、引出電極及びそれらを接続する配線を形成する。接続端子22、22から前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、隣接する第1電極19a、19bと第2電極20a、20bとの間で電界E1、E2が交互に発生し、振動腕16a、16bが互いに逆向きに屈曲運動を繰り返し行う。電界E1、E2は、図2(C)に示すように前記各主面に平行なため、電界効率が大幅に向上し、CI値を低く抑制することができる。
【0035】
前記水晶ウエハから音叉型水晶振動片14を製造する際、振動腕16a、16bの長手方向、幅方向及び厚み方向は、それぞれ水晶結晶軸のY軸、X軸及びZ軸に対応させて配向する。本実施例では、図8乃至図10の従来技術に関連して上述したように、水晶をそのX軸周りにZ軸から所定の角度θ例えば約30′〜2°のカットアングルで切り出した水晶ウエハを使用する。従って、本実施例の各振動腕16a、16bは、幅方向が水晶のX軸方向に一致し、長手方向はY軸方向に関して前記角度θの傾きをなすY´方向、厚み方向はZ軸方向に関して前記角度θの傾きをなすZ´方向となる。
【0036】
水晶のエッチング速度は結晶軸依存性を有し、本実施例では振動腕16a、16bの幅方向において+X方向にエッチングされ易いので、前記振動腕及び溝の断面形状は振動腕の中心線C2に関して非対称に、図2(C)に示すように溝18a、18bはその側面が+X方向に傾斜し、振動腕16a(16b)の+X方向側面には突起24が形成される。本実施例では、溝18a、18bがその中心線C1を振動腕16a(16b)の中心線C2に対して−X方向にずらして配置される。
【0037】
このずれ量Δxは、フォトリソグラフィ技術を利用して振動腕の主面に前記溝を加工する際に通常起こり得る誤差の範囲より十分に大きく、振動腕16a(16b)のスチフネスが中心線C2に関して左右で実質的にバランスするように決定する。これにより、励振時に各振動腕16a、16bの撓みが左右で即ち音叉の内側外側で均等になり、振動が振動腕に有効に閉じ込められるので、歪みエネルギの損失を生じる虞がなく、固有振動数即ち発振周波数の低下やそのばらつきを防止又は抑制することができる。
【0038】
図2の音叉型水晶振動片14について、各振動腕16a、16bの幅を104μm、厚さを100μmとし、各溝18a、18bの幅を70μm、深さを42μmとし、+/−X方向に溝のずれ量Δxを様々に変化させたものを製造した。これらの固有振動数を公知のFEM解析により計算したところ、溝位置のずれ量に関する固有振動数の変化を示す図3の結果が得られた。
【0039】
同図において、ずれ量Δxが約−3μmのときに固有振動数は最も高く、そこから中心位置が+又は−X方向に多少、例えば溝の加工時に通常起こる誤差程度ずれても、固有振動数の変化は緩やかなことが確認された。更に同図から分かるように、ずれ量Δxは、固有振動数の変化が比較的緩やかである約−1〜−5μm程度に、即ち−X方向に振動腕の幅の1〜5%の範囲に設定すると、特に約−2〜−4μm程度に、即ち−X方向に振動腕の幅の2〜4%の範囲に設定すると、実質的に固有振動数の低下及びそのばらつきを防止又は抑制するという点で好ましく、音叉型水晶振動片14を量産する場合にも固有振動数の調整が簡単になる。
【0040】
図4は、本発明による圧電振動ジャイロに使用するための音叉型水晶振動片を示している。この音叉型水晶振動片25は、例えば上記特許文献2に記載される従来のものと同様に、内部に空腔を有する中央の基部26と、該基部から一方の側に延出する1対の振動腕27a、27bと、それとは反対側に延出する1対の検出腕28a、28bとを有する。更に基部26には、振動腕27a、27b及び検出腕28a、28bの間にそれぞれ突出する支持部29a、29bが設けられ、この部分を接着固定することにより、音叉型水晶振動片25は所定のパッケージ(図示せず)内にマウントされて圧電振動ジャイロを構成する。
【0041】
振動腕27a、27bには、図2の音叉型水晶振動片14と同様に、その表裏主面30a、30bに溝31a、31bが長手方向に沿って直線状にそれぞれ形成されている。各溝31a、31bには、その側面及び底面に成膜した電極膜からなる駆動用第1電極32a、32bが設けられ、かつ各振動腕27a、27bの側面には駆動用第2電極33a、33bが設けられ、これらは互いに一方の振動腕の駆動用第1電極32a(32b)が他方の振動腕の駆動用第2電極33b(33a)に電気的に接続されて、音叉型水晶振動片25を振動させる駆動電極を構成している。一方の支持部29aには駆動用の電極パッド34が設けられ、配線パターンを介して前記駆動電極と電気的に接続されている。他方、検出腕28a、28bには、その側面に2対の検出用電極35a、35bが設けられ、同様に配線パターンを介して他方の支持部29bに設けられた検出用の電極パッド36と電気的に接続されている。
【0042】
音叉型水晶振動片25は、音叉型水晶振動片14と同様に、フォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをウエットエッチングすることにより、所望の外形及び各振動腕の溝31a、31bを加工し、かつその表面にスパッタリング等で被着させた電極膜をパターニングして前記各電極、電極パッド及びそれらを接続する配線パターンを形成する。本実施例において、水晶ウエハは、水晶をそのX軸及びY軸がなす面に沿って切り出したものを使用し、振動腕27a、27bの長手方向、幅方向及び厚み方向を、それぞれ水晶結晶軸のY軸、X軸及びZ軸に一致させて配向する。
【0043】
前記振動腕及び溝の断面形状は、水晶のエッチング速度の結晶軸依存性により、振動腕の中心線C2に関して非対称であり、溝31a、31bの側面が+X方向に傾斜し、振動腕27a(27b)の+X方向側面には突起37が形成される。本実施例においても、溝31a、31bは、図4(C)に示すように、その中心線C1を振動腕27a(27b)の中心線C2に対して−X方向にずらして配置される。このずれ量Δxを適当に、フォトリソグラフィ技術を利用した溝31a、31bの加工に通常起こり得る誤差の範囲より十分に大きく設定することにより、中心線C2に関して各振動腕27a、27bの撓みが左右均等になりかつそのスチフネスが左右で実質的にバランスする。
【0044】
駆動用の電極パッド34を介して前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、図2の実施例と同様に、隣接する第1電極32a、32bと第2電極33a、33bとの間で電界E1、E2が交互に発生し、振動腕27a、27bはその共振振動数で屈曲振動する。電界E1、E2は、図4(C)に示すように前記各主面に平行なため、電界効率が大幅に向上し、CI値を低く抑制することができる。
【0045】
この状態で圧電振動ジャイロ即ち音叉型水晶振動片25が図4(A)のY軸38を中心に回転すると、その回転角速度ωに対して、その振動方向と直交する向きに働くコリオリ力により、振動腕27a、27bはZ軸方向に応力を受けて、Z方向に振動する。この振動が基部26を介して伝達されて、検出腕28a、28bをその共振振動数で振動させるので、これを電気信号として検出用の電極パッド36から検出することにより、音叉型水晶振動片25の回転角速度及びその回転方向等を求められる。本実施例では、上述したように各振動腕27a、27bの撓みが左右均等で、固有振動数の低下やそのばらつきを防止又は抑制できるので、より高精度で高信頼性の圧電振動ジャイロをより低価格で提供することができる。
【0046】
図5は、図1に示す本発明の水晶振動子に使用する第2実施例の音叉型水晶振動片14を概略的に示している。図5(A)に示すように、音叉型水晶振動片14は、図2の第1実施例と基本的に同じ構造を有し、振動腕16a、16bの上下各主面17a、17bにその長手方向に沿って直線状に溝18a、18bがそれぞれ形成されて、各溝18a、18bの側面及び底面には第1電極19a、19bが設けられ、かつ各振動腕16a、16bの側面には第2電極20a、20bが設けられて、音叉型水晶振動片14を振動させる駆動電極を構成している。
【0047】
本実施例の音叉型水晶振動片14は、図5(B)によく示すように、振動腕16a、16bの上下主面17a、17b間に幅方向の位置ずれx1が+X方向に生じている。一方の溝18aは、その中心線C1が対応する上側主面17aの幅方向中央に整合させて配置されている。他方の溝18bは、その中心線C2が対応する下側主面17bの幅方向中央から+X方向にx2だけずらして配置されている。溝18bのずれ量x2は、図5(B)に示す振動腕16a(16b)の幅方向の断面において、これを厚み方向(Z´方向)に水平線Hで2等分したとき、その上側部分及び下側部分の各重心M1、M2が前記主面に垂直な同一の直線L上に整合するように、主面位置のずれ量x1に対応して決定される。
【0048】
このように振動腕の上下主面17a、17b間に幅方向の位置ずれがあると、その厚み方向に上側と下側とで引張力及び圧縮力にアンバランスが生じる。本実施例によれば、振動腕の断面を全体として見たとき、前記主面に垂直な直線L上に重心位置M1、M2を合わせることによって、そのような引張力及び圧縮力のアンバランスによるモーメントが相殺されるので、励振時における前記振動腕の厚み方向の変位を解消又は抑制することができる。従って振動腕は、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止して、固有振動数即ち発振周波数の低下やそのばらつきを防止又は抑制でき、かつ安定した屈曲振動を確保することができる。
【0049】
本実施例の音叉型水晶振動片14も、図2の第1実施例と同様に、水晶をそのX軸周りにZ軸から例えば約30′〜2°のカットアングルθで切り出した水晶ウエハを使用するので、各振動腕16a、16bの幅方向が水晶のX軸方向に、長手方向がY軸方向に関して角度θで傾くY´方向に、厚み方向がZ軸方向に関して角度θで傾くZ´方向になる。水晶のエッチング速度の結晶軸依存性により、振動腕16a、16bの幅方向において+X方向にエッチングされ易いので、前記振動腕及び溝の断面は、図5(B)に示すように溝18a、18bの側面が+X方向に傾斜し、振動腕16a(16b)の+X方向側面に突起24が形成された幅方向に非対称な形状になる。
【0050】
この音叉型水晶振動片14について、接続端子22、22から前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、隣接する第1電極19a、19bと第2電極20a、20bとの間で電界E1、E2が交互に発生し、振動腕16a、16bが互いに逆向きに屈曲運動を繰り返し行う。電界E1、E2は、図5(B)に示すように前記各主面に平行なため、電界効率が大幅に向上し、CI値を低く抑制することができる。
【0051】
音叉型水晶振動片14は、従来と同様にフォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをウエットエッチングすることによりその外形及び振動腕の溝18a、18bを加工し、更にその表面に成膜した電極膜をパターニングして前記駆動電極等を形成する。先ず、前記水晶ウエハの両面に例えばAu膜及びCr膜からなる耐蝕膜を形成し、かつその上にフォトレジストを塗布・乾燥させてレジスト膜を形成し、その上に水晶振動片14の外形に対応する同一のエッチングパターンを有する上下1対の第1フォトマスクを配置し、露光・現像して前記耐蝕膜表面を露出させ、これをエッチング液で除去して水晶ウエハ表面を露出させる。残存するレジスト膜を剥離した後、残存する耐蝕膜の上にフォトレジストを再度塗布・乾燥させて新たにレジスト膜を形成し、その上に溝18a、18bの形状に対応するエッチングパターンを有する上下1対の第2フォトマスクを配置し、露光・現像して前記耐蝕膜の表面を露出させる。
【0052】
次に、露出している前記水晶ウエハの表面をフッ酸等の適当な水晶用エッチング液でエッチングし、振動腕16a、16bを含む水晶振動片14の外形形状を加工する。更に、前記耐蝕膜の露出表面をエッチング液で除去して水晶ウエハ表面を露出させ、これを水晶用エッチング液で所定の深さまでハーフエッチングして、振動腕の上下主面17a、17bにそれぞれ溝18a、18bを形成する。
【0053】
振動腕16a、16bの上下主面17a、17b間に幅方向の+X方向に生じた位置ずれ及びそのずれ量x1は、前記第1フォトマスクを用いてエッチングすることにより水晶振動片14の外形に対応して水晶ウエハ両面に残存する前記耐蝕膜から確認することができる。この結果に応じて、前記第2フォトマスクは、一方の溝18aについてその中心線C1が対応する上側主面17aの幅方向中央に整合し、かつ他方の溝18bについてその中心線C2が対応する下側主面17bの幅方向中央から+X方向にx2だけずれるように位置合わせする。このずれ量x2は、振動腕16a、16bの幅及び厚み、溝18a、18bの幅及び深さ等の断面寸法、並びに断面形状が予め分かっているので、予想される主面位置のずれ量x1に対して適正な溝18b位置のずれ量x2を事前に計算しておくことができる。
【0054】
このようにして形成した水晶素子片の、前記振動片の溝内面を含む全面に電極材料を蒸着、スパッタリング等により成膜して電極膜を形成する。この上にフォトレジストを塗布・乾燥させてレジスト膜を形成し、その上に所望の電極及び配線パターンに対応するエッチングパターンを有する上下1対の第3フォトマスクを配置し、露光・現像して前記電極膜の表面を露出させる。この電極膜露出面をエッチングして水晶ウエハ表面を露出させることにより分極して、所望の駆動電極、引出電極及び配線を形成する。
【0055】
図5の音叉型水晶振動片14について、各振動腕16a、16bの幅を104μm、厚さを100μmとし、各溝18a、18bの幅を70μm、深さを42μmとし、突起24の幅方向(X方向)及び厚み方向(Z´方向)寸法を14μm、60μmとした場合に、+X方向に主面位置のずれ量x1を様々に変化させ、かつそれに対応して本発明に従って下側主面17bの溝18b位置を調整したものを製造した。更に比較のため、主面位置のずれ量x1を様々に変化させ、かつ従来と同様に溝18bの位置を調整せずに下側主面17bの幅方向中央に配置したものを製造した。そして、これら双方の振動片の各振動腕における励振時の厚み方向変位を公知のFEM解析法により計算したところ、図6の結果が得られた。
【0056】
同図から、本発明の音叉型水晶振動片は、主面位置のずれ量x1が増加しても、全くずれがない場合と略同じ厚み方向変位を維持していることが分かる。これに対し、従来構造の比較例では、主面位置のずれによって前記厚み方向変位が大幅に増加していることが分かる。従って、本発明によれば、励振時における振動腕の厚み方向変位を防止又は抑制でき、安定した振動特性を得られることが確認された。
【0057】
図7は、本発明の第2実施例を適用した圧電振動ジャイロ用の音叉型水晶振動片を示している。この音叉型水晶振動片25は、基本的に図4の実施例と同様の構成を有し、中央の基部26から延出する1対の振動腕27a、27bと、それとは反対側に延出する1対の検出腕28a、28bとを有する。振動腕27a、27bには、図5の音叉型水晶振動片14と同様に、上下主面30a、30bに長手方向の溝31a、31bが形成され、その側面及び底面には駆動用第1電極32a、32bが設けられ、かつ各振動腕27a、27bの側面には駆動用第2電極33a、33bが設けられて、音叉型水晶振動片25を振動させる駆動電極を構成している。
【0058】
音叉型水晶振動片25は、図5の第2実施例と同様に、振動腕27a、27bの上下主面30a、30bの位置が幅方向即ち+X方向にずれx1を生じている。一方の溝31aは、その中心線C1が対応する上側主面30aの幅方向中央に整合させて配置され、他方の溝31bは、その中心線C2が対応する下側主面30bの幅方向中央から+X方向にx2だけずらして配置されている。溝31bのずれ量x2は、図7(B)に示す振動腕27a(27b)の幅方向の断面において、これを厚み方向(Z´方向)に水平線Hで2等分したとき、その上側部分及び下側部分の各重心M1、M2が前記主面に垂直な同一の直線L上に整合するように、主面位置のずれ量x1に対応して決定される。
【0059】
振動腕27a、27bの主面位置に幅方向の位置ずれがあっても、このように重心位置M1、M2を整合させることによって、その断面を全体として見たとき、その厚み方向に上側と下側とで生じる引張力及び圧縮力のアンバランスによるモーメントが相殺されるので、励振時における前記振動腕の厚み方向の変位が解消又は抑制される。従って振動腕27a、27bは、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止して、固有振動数即ち発振周波数の低下やそのばらつきを防止又は抑制し、かつ安定した屈曲振動を確保できる。
【0060】
一方の支持部29aに設けた駆動用の電極パッド34を介して前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、図5の実施例と同様に、隣接する第1電極32a、32bと第2電極33a、33bとの間で電界E1、E2が交互に発生し、振動腕26a、26bはその共振振動数で屈曲振動する。電界E1、E2は、図7(B)に示すように前記各主面に平行なため、電界効率が大幅に向上し、CI値を低く抑制することができる。
【0061】
この状態で圧電振動ジャイロ即ち音叉型水晶振動片25が図7(A)のY軸38を中心に回転すると、その回転角速度ωに対して、その振動方向と直交する向きに働くコリオリ力により、振動腕27a、27bはZ軸方向に応力を受けてZ方向に振動する。この振動が検出腕28a、28bをその共振振動数で振動させ、これを電気信号として検出用の電極パッド36から検出して、音叉型水晶振動片25の回転角速度及びその回転方向等を求める。上述したように各振動腕27a、27bの撓みが厚み方向に変位しないので、固有振動数の低下やそのばらつきを防止又は抑制でき、振動特性が安定したより高精度で高い信頼性の圧電振動ジャイロをより低価格で提供できる。
【0062】
音叉型水晶振動片25は、音叉型水晶振動片14と同様に、フォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをウエットエッチングすることにより、所望の外形及び各振動腕の溝31a、31bを加工して水晶素子片を形成する。水晶のX軸及びY軸がなす面に沿って切り出した水晶ウエハを使用し、振動腕27a、27bの長手方向、幅方向及び厚み方向を、それぞれ水晶結晶軸のY軸、X軸及びZ軸に一致させて配向する。先ず、前記水晶ウエハの両面に耐蝕膜を形成しかつその上にレジスト膜を形成し、その上に配置する上下1対の第1フォトマスクを用いて、前記耐蝕膜に水晶振動片25の外形を転写し、水晶ウエハ表面を露出させる。この水晶ウエハ両面に残存する耐蝕膜から、振動腕27a、27bの上下主面30a、30b間に幅方向に生じた+X方向の位置ずれ及びそのずれ量x1を確認する。残存する前記耐蝕膜の上に新たにレジスト膜を形成し、その上に配置する上下1対の第2フォトマスクを用いて溝31a、31bの形状を転写し、前記耐蝕膜の表面を露出させる。このとき、前記第2フォトマスクは、一方の溝31aについてその中心線C1が対応する上側主面30aの幅方向中央に整合し、かつ他方の溝31bについてその中心線C2が対応する下側主面30bの幅方向中央から+X方向に、主面位置のずれ量x1によって決定されるx2だけずれるように位置合わせする。
【0063】
次に、露出している前記水晶ウエハの表面をフッ酸等の適当な水晶用エッチング液でエッチングし、振動腕27a、27bを含む水晶振動片25の外形形状を加工する。更に、前記耐蝕膜の露出表面をエッチング液で除去して水晶ウエハ表面を露出させ、これを同様に水晶用エッチング液で所定の深さまでハーフエッチングして、前記振動腕の上下主面30a、30bにそれぞれ溝31a、31bを形成する。
【0064】
このようにして形成した水晶素子片の、前記振動片の溝内面を含む全面に電極材料を蒸着、スパッタリング等により成膜して電極膜を形成する。この上にフォトレジストを塗布・乾燥させてレジスト膜を形成し、その上に所望の電極及び配線パターンに対応するエッチングパターンを有する上下1対の第3フォトマスクを配置し、露光・現像して前記電極膜の表面を露出させ、これをエッチングして水晶ウエハ表面を露出させることにより分極して、前記各電極、電極パッド及びそれらを接続する配線パターンを形成する。
【0065】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、本発明の音叉型圧電振動片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。また、図1と同様のパッケージ内に音叉型水晶振動片14に加えて、その駆動回路等を構成するICを搭載することにより、圧電発振器やリアルタイムクロックのような圧電デバイスを構成することができる。
【0066】
本発明の音叉型圧電振動片によれば、従来から一般に行われているように、エッチング異方性を有する圧電材料から音叉型圧電振動片の外形及び振動腕の溝をウエットエッチングで加工したとき、振動腕の少なくとも一方の主面にその長手方向に沿って延長する溝を、幅方向にその中心線を振動腕の中心線に関してエッチング異方性の向きとは反対側にずらして設けることにより、その幅方向に断面形状が非対称となって振動腕のスチフネスがその中心線に関して左右でアンバランスになる虞が解消されるため、振動腕の左右の撓みが安定し、振動の漏れによる歪みエネルギの損失が防止されて、その安定した屈曲運動を確保することができるので、CI値の抑制による高性能化に加えて、高い安定性を実現することができる。
【0067】
また、本発明の音叉型圧電振動片によれば、振動腕の上下主面間に生じた幅方向の位置ずれに対して、振動腕の幅方向の断面においてその厚み方向に2等分した上側及び下側部分がその重心を前記主面に垂直な同一の直線上に整合させるように、溝の位置を調整することにより、励振時における厚み方向の変位を解消又は抑制できるため、振動の漏れによる歪みエネルギの損失が防止され、安定した屈曲振動を確保できるので、CI値の抑制による高性能化に加えて、非常に安定した振動特性を実現することができる。
【0068】
更に、本発明の音叉型圧電振動片の製造方法によれば、エッチング異方性を有する圧電材料から外形を加工した音叉型圧電素子片の振動腕の少なくとも一方の主面をウエットエッチングして、該振動腕の長手方向に沿って延長する溝を、幅方向にその中心線を振動腕の中心線に関してエッチング異方性の向きとは反対側にずらして形成することにより、溝付き振動腕の非対称な断面形状によるスチフネスのアンバランスを解消又は改善し、振動腕の左右の撓みを安定させかつ振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止して、安定した屈曲運動を繰り返すことが可能な音叉型圧電振動片を、従来の工程に従って歩留まり良く製造でき、製造コストを低減することができる。
【0069】
また、本発明の音叉型圧電振動片の製造方法によれば、従来の工程に振動腕の一方の主面に形成する溝の位置を調整する工程を追加することによって、振動片の外形加工により生じた振動腕の上下主面間の幅方向の位置ずれに対応して、これに起因する厚み方向の変位を解消又は抑制できるので、振動の漏れによる歪みエネルギの損失を防止し、かつ安定した振動特性を発揮する音叉型圧電振動片を歩留まり良く、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A)図は本発明による水晶振動子の好適な実施例を示す縦断面図、(B)図はその平面図。
【図2】 (A)図は図1の水晶振動子に使用する音叉型水晶振動片の第1実施例の平面図、(B)図はその振動腕の部分拡大平面図、(C)図はそのII−II線における断面図。
【図3】 図2の水晶振動片における振動腕の溝位置のずれ量に関する固有振動数(発振周波数)の変化を示す線図。
【図4】 (A)図は、図2の第1実施例を適用した本発明による圧電振動ジャイロ用音叉型水晶振動片の平面図、(B)図はその駆動用振動腕の部分拡大平面図、(C)図はそのIV−IV線における断面図。
【図5】 (A)図は図1の水晶振動子に使用する音叉型水晶振動片の第2実施例の平面図、(B)図はそのV−V線における振動腕の断面図。
【図6】 図5の水晶振動片について振動腕の上下主面間における幅方向の位置のずれ量に関する固有振動数(発振周波数)の変化を、本発明により溝の位置を調整した場合とそうでない場合とで比較して示す線図。
【図7】 (A)図は、図5の第2実施例を適用した本発明による圧電振動ジャイロ用音叉型水晶振動片の平面図、(B)図はそのVII−VII線における駆動用振動腕の断面図。
【図8】 従来の音叉型水晶振動片の平面図。
【図9】 (A)図は図8の振動腕の部分拡大平面図、(B)図はそのIX−IX線における断面図。
【図10】 別の従来の音叉型水晶振動片における図9と同様の振動腕の断面図。
【符号の説明】
1、15、26 基部;2a、2b、16a、16b、27a、27b 振動腕;3a、3b、17a、17b、30a、30b 主面;4a、4b、18a、18b、31a、31b 溝;5a、5b、19a、19b 第1電極;6a、6b、20a、20b 第2電極;7、22 接続端子;8 想像線;9、24、37 突起;10 水晶振動子;11 ベース;12 蓋;13 パッケージ;14、25 音叉型水晶振動片;21 引出電極;23 導電性接着剤;28a、28b 検出腕;29a、29b 支持部;32a、32b 駆動用第1電極;33a、33b 駆動用第2電極;34、36 電極パッド;35a、35b 検出用電極;38 Y軸

Claims (17)

  1. エッチング異方性を有する圧電材料で形成され、
    基部から前記圧電材料の結晶のY軸方向に沿って延出する1対の振動腕と、
    前記各振動腕の表裏主面に設けられる第1電極及びその側面に設けられる第2電極からなる駆動電極とを有し、
    前記各振動腕が、その外形を異方性エッチングすることにより前記側面から前記圧電材料の結晶の+X軸方向に突出する突起を有し、
    前記振動腕の少なくとも一方の前記主面には、該振動腕の長手方向に沿って延長する溝が該振動腕の前記少なくとも一方の主面の中心線を含む領域に形成され、かつ該振動腕の前記少なくとも一方の主面においてその前記中心線に関して前記溝がその中心線を−X軸方向にずらして設けられ、かつ、
    前記少なくとも一方の前記主面に設けられる前記第1電極が、前記溝の側面に形成される電極膜からなることを特徴とする音叉型圧電振動片。
  2. 前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項1に記載の音叉型圧電振動片。
  3. 前記振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向がそれぞれ前記水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応し、前記溝が、前記振動腕の中心線に関してその幅方向へ前記水晶の−X方向にずらして設けられていることを特徴とする請求項2に記載の音叉型圧電振動片。
  4. 前記振動腕の中心線に関する前記溝の中心線のずれ量が前記振動腕の幅の1〜5%であることを特徴とする請求項3に記載の音叉型圧電振動片。
  5. 前記振動腕の中心線に関する前記溝の中心線のずれ量が前記振動腕の幅の2〜4%であることを特徴とする請求項4に記載の音叉型圧電振動片。
  6. 所定の向きにエッチング異方性を有する圧電材料で形成され、
    基部から延出する1対の振動腕と、
    前記振動腕の上下主面にそれぞれ1本ずつ、その長手方向に沿って延長するように設けられた溝と、
    前記各溝の側面に設けられる第1電極及び前記各振動腕の側面に設けられる第2電極からなる駆動電極とを有し、
    前記振動腕において前記上下主面が互いにその幅方向にずれて配置され、前記上下主面の溝が、互いに前記主面の幅方向にかつ前記上下主面のずれと同じ向きにずらして、前記振動腕の幅方向の断面においてその厚み方向に2等分される前記振動腕の上側部分の重心と下側部分の重心とが前記主面に垂直な同一の直線上に整合するように、配置されていることを特徴とする音叉型圧電振動片。
  7. 前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項6に記載の音叉型圧電振動片。
  8. 前記振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向がそれぞれ前記水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応して配向されていることを特徴とする請求項7に記載の音叉型圧電振動片。
  9. 前記基部から前記1対の振動片とは逆向きに延出する別の1対の振動腕を更に有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の音叉型圧電振動片。
  10. 請求項1乃至9のいずれかに記載の音叉型圧電振動片と、前記音叉型圧電振動片を前記基部において固定支持してその内部に封止するパッケージとを備えることを特徴とする圧電デバイス。
  11. 前記パッケージに搭載されるIC素子を更に備えることを特徴とする請求項10に記載の圧電デバイス。
  12. エッチング異方性を有する圧電材料のウエハに、基部及び該基部から前記圧電材料の結晶のY軸方向に沿って延出する1対の振動腕を有する音叉型圧電素子片の外形を加工し、それにより前記各振動腕の側面から前記圧電材料の結晶の+X軸方向に突出する突起を形成され、
    前記振動腕の表裏主面の少なくとも一方をウエットエッチングすることにより、該振動腕の長手方向に沿って延長する溝を、該振動腕の前記少なくとも一方の主面の中心線を含む領域に形成し、かつ該振動腕の前記少なくとも一方の主面においてその前記中心線に関して前記溝をその中心線を−X軸方向にずらして設け、
    前記振動腕の前記主面及び側面、前記溝の内面に電極膜を形成しかつパターニングして、駆動電極を形成する過程を含むことを特徴とする音叉型圧電振動片の製造方法。
  13. 前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項12に記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
  14. 前記振動腕の長手方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ前記水晶のY軸方向、X軸方向及びZ軸方向に対応させて配向し、前記溝を前記振動腕の中心線に関して幅方向へ前記水晶の−X方向にずらして設けることを特徴とする請求項13に記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
  15. 前記振動腕の中心線に関する前記溝の中心線のずれ量を前記振動腕の幅の1〜5%にすることを特徴とする請求項14に記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
  16. 前記振動腕の中心線に関する前記溝の中心線のずれ量を前記振動腕の幅の2〜4%にすることを特徴とする請求項15に記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
  17. 前記音叉型圧電素子片が前記基部から前記1対の振動片とは逆向きに延出する別の1対の振動腕を更に有するように、その外形を加工することを特徴とする請求項12乃至16のいずれかに記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
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