JP5099385B2

JP5099385B2 - 振動片及び振動子

Info

Publication number: JP5099385B2
Application number: JP2010131924A
Authority: JP
Inventors: 隆山崎; 司舩坂; 剛夫舟川; 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2010246142A

Description

本発明は、振動片及び振動子の製造方法に関する。

従来、発振器などに使用される振動片の振動周波数を調整するために、レーザービームによって振動腕の金属膜の一部を除去することが知られている（特許文献１）。詳しくは、金属膜の一部を除去することで、その重さが減少して、振動周波数が調整される。しかしながら、重さによる調整では調整量が小さいために調整範囲に限界があった。

特開２００２−２５２５４６号公報

本発明は、振動周波数の調整範囲を拡大することを目的としている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に直交して並んで延びる複数の腕部を含む支持体であって、前記複数の腕部のそれぞれの前記第１の表面に下部電極膜が形成され、前記下部電極膜上に圧電膜が形成され、前記圧電膜上に上部電極膜が形成され、前記複数の腕部のそれぞれの少なくとも一部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングする工程を含み、
前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記複数の腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって振動周波数を調整することができる。腕部の厚みによる周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、振動周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例２］本適用例に係る振動片の製造方法において、
前記エッチングを行う前に、前記複数の前記腕部の前記第２の表面には錘金属膜が形成されており、
前記露出領域をエッチングする工程において、前記錘金属膜の表面もエッチングする。［適用例３］本適用例に係る振動片の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に直交して並んで延びる複数の腕部を含む支持体であって、前記複数の腕部のそれぞれの前記第１の表面に下部電極膜が形成され、前記下部電極膜上に圧電膜が形成され、前記圧電膜上に上部電極膜が形成され、前記複数の腕部のそれぞれの少なくとも一部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意し、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成する工程を含み、
前記補強金属膜によって、前記複数の腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする。本適用例によれば、腕部の厚みを調整し、曲げ剛性を調整することによって振動周波数を調整することができ、腕部の厚みによる周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、振動周波数の調整範囲を拡大することができる。
［適用例４］本適用例に係る振動片の製造方法において、
前記支持体は、圧電材料から構成されてなる。
［適用例５］本適用例に係る振動子の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に直交して並んで延びる複数の腕部を含む支持体であって、前記複数の腕部のそれぞれの前記第１の表面に下部電極膜が形成され、前記下部電極膜上に圧電膜が形成され、前記圧電膜上に上部電極膜が形成され、前記複数の腕部のそれぞれの少なくとも一部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意する工程と、
前記第２の表面の前記露出領域をエッチングし、前記エッチングによって前記厚みを減らして、前記複数の腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を低くする工程と、
前記振動片をパッケージの内部に収容する工程と、
蓋で前記パッケージを塞ぐ工程と、
を含む。
［適用例６］本適用例に係る振動子の製造方法は、
相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に直交して並んで延びる複数の腕部を含む支持体であって、前記複数の腕部のそれぞれの前記第１の表面に下部電極膜が形成され、前記下部電極膜上に圧電膜が形成され、前記圧電膜上に上部電極膜が形成され、前記複数の腕部のそれぞれの少なくとも一部に、前記第２の表面が露出している露出領域を有する支持体を用意する工程と、
前記第２の表面の前記露出領域に補強金属膜を形成し、前記補強金属膜によって、前記複数の腕部の前記厚み方向に関する曲げ剛性を高くする工程と、
前記振動片をパッケージの内部に収容する工程と、
蓋で前記パッケージを塞ぐ工程と、
を含む。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る振動子の製造方法を説明する図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係る製造方法により製造された振動子の動作を説明する断面図である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法の第１の変形例を説明する図である。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法の第２の変形例を説明する図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。図９は、腕部の曲げモーメントとたわみを表わす図である。図１０は、断面２次モーメントを説明する図である。

（第１の実施の形態）
図１（Ａ）〜図３は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、支持体１０を用意する。支持体１０は、水晶などの圧電材料（例えば、Ｚカット板、ＡＴカット板、Ｘカット板）から構成してもよいし、シリコンから構成してもよい。支持体１０は、相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面１２，１４を有する。支持体１０は、基部１６及び基部１６から厚み方向に直交して並んで延びる複数（奇数個）の腕部１８を含む。腕部１８の並ぶ方向において中間に位置する１つの腕部１８の幅は、残りの腕部１８の幅よりも広くてもよいし、同じであってもよい。ただし、全ての腕部１８は、同じ厚みになっている。この形状は、板材をエッチング（ウエットエッチング及びドライエッチングの少なくとも一方）することによって得ることができる。

図１（Ａ）に示すように、複数の腕部１８のそれぞれの第１の表面１２に下部電極膜２０を形成する。腕部１８の並ぶ方向において奇数番目（以下、単に「奇数番目」という。）の複数の腕部１８上の下部電極膜２０は、相互に電気的に接続されるように形成する。腕部１８の並ぶ方向において偶数番目（以下、単に「偶数番目」という。）の腕部１８が複数ある場合（図示せず）には、偶数番目の複数の腕部１８上の下部電極膜２０は、相互に電気的に接続されるように形成する。下部電極膜２０は、基部１６上に至るように形成し、基部１６上で下部電極膜２０を電気的に接続する。下部電極膜２０の形成は、スパッタリングによって導電膜を形成し、その後、導電膜をエッチングによってパターニングするプロセスを含んでもよい。あるいは、パターニングされたマスクを支持体１０に形成してから、支持体１０のマスクに覆われていない領域に導電膜を形成してもよい。

図１（Ｂ）に示すように、下部電極膜２０上に圧電膜２２を形成する。圧電膜２２は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴなどの水晶よりも圧電性の高い材料から形成する。圧電膜２２は、下部電極膜２０の、腕部１８上の部分の全体を覆っている。圧電膜２２は、下部電極膜２０の、基部１６上の部分に開口２４を有するように形成する。開口２４は、奇数番目（又は偶数番目）の腕部１８上にある下部電極膜２０を電気的に接続する部分に配置する。圧電膜２２の形成には、材料を除いて、下部電極膜２０を形成する技術を適用することができる。

図１（Ｃ）に示すように、圧電膜２２上に上部電極膜２６を形成する。奇数番目の複数の腕部１８上の上部電極膜２６は、相互に電気的に接続されるように形成されている。偶数番目の腕部１８が複数ある場合（図示せず）には、偶数番目の複数の腕部１８上の上部電極膜２６は、相互に電気的に接続されるように形成されている。上部電極膜２６は、基部１６上に至るように形成し、基部１６上で上部電極膜２６を電気的に接続する。また、上部電極膜２６は、圧電膜２２の開口２４を介して、下部電極膜２０と電気的に接続させる。詳しくは、奇数番目の腕部１８上にある下部電極膜２０と、偶数番目の腕部１８上にある上部電極膜２６とを電気的に接続し、偶数番目の腕部１８上にある下部電極膜２０と、奇数番目の腕部１８上にある上部電極膜２６とを電気的に接続する。上部電極膜２６の形成には、下部電極膜２０を形成する技術を適用することができる。

図２に示すように、複数の腕部１８の第２の表面１４には錘金属膜２８を形成する。錘金属膜２８は、腕部１８の、基部１６とは反対側の先端部に形成する。錘金属膜２８は、第２の表面１４において複数の腕部１８のそれぞれの少なくとも一部は露出領域３０を有するように形成する。第２の表面１４には、錘金属膜２８を除いて、電極膜が形成されていない。

図３に示すように、第２の表面１４の露出領域３０をエッチングする。エッチングには、ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６などのプラズマガスを使用したドライエッチングを適用することができる。露出領域３０をエッチングするときに、腕部１８の側面（第１及び第２の表面１２，１４を接続する面）もエッチングされてもよい。また、露出領域３０をエッチングするときに、錘金属膜２８の表面がエッチングされるとしても、錘金属膜２８を残すようにエッチングを止める。錘金属膜２８がマスクになるので、支持体１０（腕部１８）の錘金属膜２８にて覆われた部分は、表面がエッチングされず、錘金属膜２８にて覆われた部分の表面と、エッチングされた部分の表面とで段が形成される。支持体１０の錘金属膜２８にて覆われた部分（腕部１８の先端部）は、エッチングされた部分よりも厚くなっているので錘としての効果がある。

本実施の形態によれば、第２の表面１４の露出領域３０をエッチングするので、腕部１８の厚みが減り、複数の腕部１８を厚み方向に曲がりやすくすることができる。そして、複数の腕部１８の厚みを調整することによって、腕部１８の厚み方向の曲がりやすさを調整し、振動周波数を調整することができる。複数の腕部１８の厚みによる周波数調整は重さによる調整よりも調整量が大きいので、振動周波数の調整範囲を拡大することができる。

複数の腕部１８の曲がりにくさ・曲がりやすさの指標として、厚み方向に関する曲げ剛性ＥＩを用いる。図９のように腕部１８（広義には、梁）に曲げモーメントＭ（Ｓは中立面を指す。）が加わった際に、腕部１８が曲率１／ρ（＝ｄθ／ｄｘ）で静的にたわんでいる場合は、
１／ρ＝Ｍ／ＥＩ
の関係を有する。曲げ剛性ＥＩが高いほど曲がりにくい。

なお、Ｅは材料固有のヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。

断面２次モーメントＩは、微小断面要素ｄＡに、曲げた際に引張応力が０である中立軸ＡＸからの距離ｙの２乗を、掛けた値の総和であり、式で表わすと次のように定義される。

Ｉ＝∫_Ａｙ^２ｄＡ
図１０のように、中立軸ＡＸに平行な辺の長さ（幅）ｂ、中立軸ＡＸに垂直な辺の長さ（厚み）ｔの長方形の断面を有する腕部１８の断面２次モーメントＩ_ｔは、Ｉ_ｔ＝ｂｔ^３／１２となる。したがって、厚み方向に関する断面２次モーメントおよび曲げ剛性は、腕部１８の厚みｔの３乗に比例するため、厚みを調整することで、厚み方向の曲がりやすさを大きく制御することができる。

なお、腕部の厚み方向の振動周波数Ｆ、腕部１８の長さＬ、腕部１８の厚み（振動する方向の厚み）ｔは、
Ｆ＝ｋ・ｔ／Ｌ^２（ｋ：比例定数）
の関係を有する。

なお、腕部１８の厚みの変化は、幅方向の振動周波数に影響しない。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る振動子の製造方法を説明する図である。本実施の形態では、上述したプロセスによって、第２の表面１４の露出領域３０をエッチングし、エッチングによって厚みを減らして、複数の腕部１８が厚み方向に曲がりやすくなった振動片１を得る。

振動子の製造方法では、パッケージ３２を用意する。パッケージ３２は、振動片１を固定するための底部３４と、底部３４を囲む枠壁部３６と、を含む。パッケージ３２は、その全体を金属で形成してもよいが、主としてセラミックス等の非金属で形成する場合には、枠壁部３６の上端面はメタライズされている。底部３４には、真空引きを行うための通気孔３８が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の内面には固定電極４０が形成されている。パッケージ３２（底部３４）の外面には外部端子４２が形成されている。固定電極４０と外部端子４２は図示しない配線で電気的に接続されている。外部端子４２は、ハンダなどによって回路基板の配線パターン（図示せず）に実装される。パッケージ３２の枠壁部３６には、ロウ接合によってリング４４を固定しておく。

そして、振動片１をパッケージ３２の内部に収容する。振動片１は、第１の表面１２を底部３４に向けて、上部電極膜２６が固定電極４０に対向するように配置する。振動片１は、腕部１８が基部１６から枠壁部３６に向かって延びるように固定する。基部１６を底部３４に固定して、腕部１８をパッケージ３２から浮かす。底部３４は、腕部１８の先端部と対向する領域が低くなっており、腕部１８が曲がっても底部３４に接触し難いようになっている。

パッケージ３２と振動片１の固定は接合部材４６によって図る。接合部材４６は、導電性樹脂材料やハンダ等の金属材料であってもよい。金属材料は加熱してもガスが出ないので好ましい。接合部材４６は、基部１６とパッケージ３２を接合し、腕部１８をパッケージ３２から浮いた状態に保持する。接合部材４６は、基部１６にある上部電極膜２６と固定電極４０を電気的及び機械的に接合する。

リング４４には、蓋４８を固定する。蓋４８は、振動片１が固定されるパッケージ３２とオーバーラップしてパッケージ３２の開口を塞ぐ。蓋４８は、表面及び裏面を貫通する貫通穴５０を有する。貫通穴５０は、円形の開口形状をなしている。蓋４８は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材５２を含む。光透過性部材５２は、貫通穴５０の内面に密着してなる。

パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後に、パッケージ３２に形成された通気孔３８を介して、蓋４８によって塞がれたパッケージ３２内を真空にし、その後、ロウ材５４で通気孔３８を塞ぐ。

振動子の製造方法は、腕部１８の先端部にある錘金属膜２８の一部を除去する工程をさらに含む。この工程は、パッケージ３２の開口を蓋４８によって塞いだ後（例えばさらに真空引き工程後）に行う。この工程は、光透過性部材５２を通して、錘金属膜２８に対してレーザービームを照射して行う。こうすることで、錘金属膜２８を軽くすることができる。錘金属膜２８が形成された腕部１８の先端部の重さが重いほど腕部１８の振動周波数が低くなり、軽いほど腕部１８の振動周波数が高くなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。上述した腕部１８のエッチングによる周波数調整を粗調といい、錘金属膜２８のトリミングによる周波数調整を微調ということができる。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係る製造方法により製造された振動子の動作を説明する断面図である。本実施の形態により製造される振動子は、上記プロセスから自明な構成を含む。

本実施の形態では、上部電極膜２６と下部電極膜２０は、クロス配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。奇数番目の腕部１８の上部電極膜２６と偶数番目の腕部１８の下部電極膜２０が同電位であり、奇数番目の腕部１８の下部電極膜２０と偶数番目の腕部１８の上部電極膜２６が同電位である。上部電極膜２６と下部電極膜２０の間に電圧を印加し、圧電膜２２を伸縮させることで、支持体１０の腕部１８を屈曲振動させる。腕部１８は、第１又は第２の表面１４が向く方向に屈曲する。基本波モードの固有振動周波数で駆動すると、奇数番目の腕部１８と偶数番目の腕部１８は、互いに逆相振動となるように励振されて屈曲振動する。

振動子を使用して、発振器又はセンサを構成することができる。振動子を含む発振回路で発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。また、振動子を使用したセンサは、物理量に応じて振動片の周波数が変動することを利用してその物理量を検出するセンサである。例えば、温度、加速度によって発生する応力、角速度によって発生するコリオリ力などを検出するセンサが例に挙げられる。

（第１の変形例）
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法の第１の変形例を説明する図である。この変形例では、下部電極膜（図示せず）、圧電膜１２２及び上部電極膜１２６を有する第１の表面１１２に錘金属膜１２８を形成し、第２の表面（図６の裏面）には錘金属膜を形成しない。腕部１１８の第２の表面の全体が、支持体１１０の材料が露出する露出領域であってもよい。この支持体１１０の第２の表面の露出領域に対してエッチングを行う。この場合、エッチング後の第２の表面は平坦になる。その他の内容は、上記実施の形態で説明した内容を適用することができる。この変形例でも、腕部１１８の厚みを減らして周波数調整を行うことができる。

（第２の変形例）
図７は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法の第２の変形例を説明する図である。この変形例では、第２の表面２１４に錘金属膜が形成されない支持体２１０を用意し、第２の表面２１４の露出領域２３０に対してエッチングを行い、その後、第２の表面２１４に錘金属膜２２８を形成する。その他の内容は、上記実施の形態で説明した内容を適用することができる。この変形例でも、腕部２１８の厚みを減らして周波数調整を行うことができる。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る振動片の製造方法を説明する図である。本実施の形態で用意する支持体３１０は、第２の表面３１４に錘金属膜が形成されない点を除き、第１の実施の形態で用意する支持体１０と同じである。腕部３１８の第２の表面３１４の全体が、支持体３１０の材料が露出する露出領域３３０であってもよい。

本実施の形態では、第２の表面３１４の露出領域３３０に補強金属膜３５６を形成する。例えば、ＳｉＯ_２、Ａｕ、Ｃｒ、Ａｌ等で成膜することで補強金属膜３５６を形成する。補強金属膜３５６によって、複数の腕部３１８を厚み方向に曲がりにくくする。つまり、腕部３１８及び補強金属膜３５６からなる部分が、元々の腕部３１８よりも厚くなるので剛性が高まる。これにより、周波数を上げることができる。本実施の形態によれば、腕部３１８を曲がりにくくすることによって振動周波数を調整することができる。その後、上記振動片１を使用して振動子を製造する方法には、第１の実施の形態で説明した内容が該当する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…振動片、１０…支持体、１２…第１の表面、１４…第２の表面、１６…基部、１８…腕部、２０…下部電極膜、２２…圧電膜、２４…開口、２６…上部電極膜、２８…錘金属膜、３０…露出領域、３２…パッケージ、３４…底部、３６…枠壁部、３８…通気孔、４０…固定電極、４２…外部端子、４４…リング、４６…接合部材、４８…蓋、５０…貫通穴、５２…光透過性部材、５４…ロウ材、１１０…支持体、１１２…第１の表面、１１８…腕部、１２６…上部電極膜、１２８…錘金属膜、２１０…支持体、２１４…第２の表面、２１８…腕部、２２８…錘金属膜、２３０…露出領域、３１０…支持体、３１４…第２の表面、３１８…腕部、３３０…露出領域、３５６…補強金属膜

Claims

相互に反対を向いて厚みを定義する第１及び第２の表面を有し、基部及び前記基部から前記厚み方向に直交して並んで延びる複数の腕部を含む支持体と、
前記複数の腕部のそれぞれの前記第１の表面に形成された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に形成された圧電膜と、
前記圧電膜上に形成された上部電極膜と、
前記複数の腕部のそれぞれの前記第２の表面の先端部分に形成された錘金属膜と、
を備え、
前記複数の腕部のそれぞれの前記第２の表面には、前記錘金属膜以外の金属膜は形成されておらず、
前記第１の表面および前記第２の表面によって定義される前記腕部の厚みは、前記錘金属膜が形成された部分のほうが、前記錘金属膜が形成されていない部分よりも大きい、振動片。
請求項１に記載の振動片と、
パッケージと、
を含み、
前記パッケージ内の底部に、前記振動片の前記基部が固定され、
前記振動片の前記腕部は、前記パッケージ内で片持ち梁状に支持された、振動子。
請求項２において、
前記振動片の前記第１の表面側が、前記パッケージの底部と対向するように固定された、振動子。
請求項３において、
前記パッケージは、前記錘金属膜が外部から視認可能に設けられた光透過性部材を有する、振動子。
請求項２ないし請求項４のいずれか一項において、
前記パッケージの底部と前記振動片との間の距離は、前記振動片の基部が固定される領域よりも、前記腕部の先端部と対向する領域のほうが大きい、振動子。