JP5170405B2 - 圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子の製造方法に関する。

従来、圧電振動片の振動腕の先端に金属膜からなる錘を形成し、金属膜をレーザービームによって蒸発させることで振動腕の重さを調整して周波数を調整することが知られている（特許文献１）が、蒸発した金属材料が再付着するという問題があり、部品の汚染や特性の変動をもたらすおそれがあった。また、完成した圧電振動子が高温下にさらされると、再付着した金属材料が蒸発して周波数変化が生じる可能性があった。ここで、レーザービームによる周波数粗調整後に、圧電振動片をパッケージに取り付けた後、金属膜をイオンビームエッチングによって除去して周波数微調整を行う製造方法が考えられる。しかし、イオンビームエッチングによる周波数調整レートは低いため、イオンビームエッチングの所要時間が長くなる。あるいは、圧電振動片をパッケージに取り付けた後、イオンビームエッチング前にレーザービームによる周波数微調整工程をさらに設ける必要があった。
特開２００３−１３３８７９号公報

本発明は、周波数変化を最小にとどめることができる圧電振動子の製造方法を提供することを目的とする。

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］本適用例に係る圧電振動子の製造方法は、
（ａ）振動腕を有し、前記振動腕に金属膜及び励振電極膜が形成された圧電振動片を用意する工程と、
（ｂ）前記金属膜にレーザービームで凹凸を形成することで、前記金属膜の表面積を拡大する工程と、
（ｃ）前記（ｂ）工程後に、前記圧電振動片をパッケージに取り付ける工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程後に、前記金属膜を、イオンビームによってエッチングする工程と、
（ｅ）前記（ｄ）工程後に、前記パッケージの内部空間を気密に封止する工程と、
を含む。本発明によれば、圧電振動片をパッケージに取り付けてからイオンビームで金属膜をエッチングするので、レーザービームで蒸発して再付着した金属材料を除去することができる。また、イオンビームによって周波数の微調整が可能になる。さらに、レーザービームで金属膜に凹凸を形成するので、イオンビームが照射される面積が大きくなって、イオンビームによるエッチング時間を短縮することができる。
［適用例２］本適用例に係る圧電振動子の製造方法において、
前記（ａ）工程で、複数の前記圧電振動片を、相互に連結された状態で用意し、
前記（ｂ）工程を、相互に連結された複数の前記圧電振動片に対して行い、
前記（ｂ）工程後、前記（ｃ）工程前に、複数の前記圧電振動片を個片に切断する工程をさらに含み、
前記（ｃ）工程で、個片の前記圧電振動片を前記パッケージに取り付ける。
［適用例３］本適用例に係る圧電振動子の製造方法において、
前記（ｂ）工程で、前記レーザービームで前記金属膜の材料を蒸発させて凹部を形成し、蒸発した前記材料を前記金属膜に再付着させて凸部を形成する。
［適用例４］本適用例に係る圧電振動子の製造方法において、
前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、マスクを介して、前記金属膜に照射する。
［適用例５］本適用例に係る圧電振動子の製造方法において、
前記パッケージは、開口及び貫通穴を有し、
前記（ｃ）工程で、前記開口から前記圧電振動片を前記パッケージに取り付け、前記開口に蓋を取り付け、
前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、前記貫通穴を介して、前記金属膜に照射し、
前記（ｅ）工程で、前記貫通穴を塞ぐ。
［適用例６］本適用例に係る圧電振動子の製造方法において、
前記パッケージは、開口を有し、
前記（ｃ）工程で、前記開口から前記圧電振動片を前記パッケージに取り付け、前記開口に蓋を取り付け、
前記蓋は、貫通穴を有し、
前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、前記貫通穴を介して、前記金属膜に照射し、
前記（ｅ）工程で、前記貫通穴を塞ぐ。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法で用意する圧電振動片の集合体の一部を示す平面図である。図２は、図１に示す圧電振動片のII−II線断面図である。図３は、図１に示す圧電振動片のIII−III線断面の一部を示す図である。図４〜７は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。

図１には、１つの圧電振動片１０が示されているが、本実施の形態では、複数の圧電振動片１０の集合体を用意する。集合体は、圧電材料（水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等）からなる。集合体は、複数の圧電振動片１０の連結部１２を有する。

圧電振動片１０は、基部１４と、基部１４から延びる振動腕１６と、を含む。図１に示す圧電振動片１０は、一対の振動腕１６を有するが、１本の振動腕だけを有していてもよいし、３本以上の振動腕を有していてもよい。振動腕１６には、表裏面に、長手方向に延びる溝１８（図８参照）がそれぞれ形成されていてもよい。溝１８によって振動腕１６が動きやすくなって効率的に振動するのでＣＩ値を下げることができる。

圧電振動片１０は、一対の支持腕２０を有してもよい。一対の支持腕２０は、基部１４から振動腕１６が延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、基部１４から振動腕１６が延びる方向に屈曲してさらに延びる。屈曲することで、支持腕２０は小型化される。支持腕２０は、パッケージ４０（後述）に取り付けられる部分であり、支持腕２０での取り付けによって、振動腕１６及び基部１４は浮いた状態になる。

基部１４には、振動腕１６の表裏面と同じ側の面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向に一対の切り込み２２が形成されている。一対の切り込み２２は、それぞれ、一対の支持腕２０が基部１４から延びて屈曲する方向の側で一対の支持腕２０に隣接して基部１４に形成されている。切り込み２２によって、振動腕１６の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１４や支持腕２０を介して外部に伝わること（振動漏れ）を抑制し、ＣＩ値の上昇を防止することができる。切り込み２２の長さ（深さ）は、基部１４の強度を確保できる範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果は大きい。

振動腕１６には、励振電極膜２４が形成されている。励振電極膜２４は、下地のＣｒ膜とその上に形成されたＡｕ膜を含む多層構造であってもよい。Ｃｒ膜は水晶との密着性が高く、Ａｕ膜は電気抵抗が低く酸化し難い。励振電極膜２４によって、第１及び第２の励振電極２６，２８が構成される。

第１の励振電極２６は、溝１８に形成されている。表裏面の一方（例えば表面）の溝１８に形成された第１の励振電極２６と、表裏面の他方（例えば裏面）の溝１８に形成された第１の励振電極２６とは電気的に接続されている。すなわち、表裏面それぞれに形成された一対の第１の励振電極２６は電気的に接続されている。また、一方の振動腕１６に形成された一対の第１の励振電極２６は、基部１４上の表裏面それぞれに形成された引き出し電極３０に接続されている。これらの引き出し電極３０は、他方の振動腕１６の第２の励振電極２８に接続されることで電気的に接続される。

第２の励振電極２８は、振動腕１６の側面（表裏面に接続する面）に形成されている。振動腕１６の相互に反対を向く両側面に形成された第２の励振電極２８は電気的に接続されている。その電気的接続は、振動腕１６の溝１８が形成されていない部分において、表裏面の少なくとも一方（あるいは両方）上に形成された接続電極３２によってなされている。

一方の振動腕１６に形成された第１の励振電極２６と、他方の振動腕１６に形成された第２の励振電極２８と、は基部１４上の引き出し電極３０で電気的に接続されている。引き出し電極３０は、第２の励振電極２８が形成される振動腕１６の隣に並ぶ支持腕２０上に至るまで形成されている。引き出し電極３０は、支持腕２０の表裏面（あるいはさらに側面）に形成されている。支持腕２０上で、引き出し電極３０を外部との電気的接続部にすることができる。

振動腕１６には、表裏面の少なくとも一方（詳しくはその先端部）上に、金属膜３４が形成されている。金属膜３４は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどから形成する。金属膜３４は、振動腕１６を構成する材料の面に直接形成されている。金属膜３４は、励振電極膜２４を避けて（非接触で）形成されている。金属膜３４は、振動腕１６の錘の役割を果たしており、その一部を除去することで錘の重さを調整することができる。錘が重いほど振動腕１６の振動周波数が小さくなり、軽いほど振動腕１６の振動周波数が大きくなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。

圧電振動子の製造方法は、上述した圧電振動片１０の形成プロセスを含んでもよい。圧電振動片１０は、その構成材料のウエハから形成する。例えば、圧電振動片１０を水晶から構成する場合、水晶ウエハは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板であって所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。１つのウエハから複数の圧電振動片１０を連結された状態で切り出す。また、圧電振動片１０には、励振電極膜２４及び金属膜３４を形成する。

図２及び図３に示すように、本実施の形態では、レーザービームで金属膜３４の材料を蒸発させて凹部３６を形成する。凹部３６は、さらに進行させて貫通穴にしてもよい。レーザービームによって、金属膜３４の一部を除去する（凹部３６を形成する）ことで、振動腕１６を軽くして振動しやすくし、周波数調整を行うことできる。なお、金属膜３４に対して行う周波数調整プロセスは、おおまかな調整を目的としたもので粗調整ということができる。

また、凹部３６の形成時に蒸発した材料を金属膜３４に再付着させて凸部３８を形成する。凹部３６及び凸部３８の形成により、金属膜３４に凹凸を形成し、金属膜３４の表面積を拡大させる。この工程は、相互に連結された複数の圧電振動片１０に対して同時に行う。凸部３８は凹部３６の周囲に形成される。したがって、図２における凸部３８の輪郭（点線）はII−II線断面から±Ｙ軸方向にずれている。同様に、図３における凸部の輪郭（点線）はIII−III線断面から±Ｘ軸方向にずれている。

図４に示すように、複数の圧電振動片１０を個片に切断する。例えば、連結部１２を切断する。この工程は、上述したレーザービーム加工を行った後に行う。

図５に示すように、個片の圧電振動片１０をパッケージ４０に取り付ける。パッケージ４０は、圧電振動片１０が固定される底部４２と、底部４２を囲む枠壁部４４と、を含み、枠壁部４４の内側が開口になっている。圧電振動片１０は底部４２に固定する。

図６に示すように、金属膜３４を、イオンビームによってエッチングする。イオンとしてアルゴンイオンを使用してもよい。イオンビームは、マスク４３を介して、金属膜３４に照射する。マスク４３を使用することで、イオンビームが励振電極膜２４に照射されるのを防ぐ。

本実施の形態によれば、圧電振動片１０をパッケージ４０に取り付けてからイオンビームで金属膜３４をエッチングするので、レーザービームで蒸発して再付着した金属材料を除去することができる。また、イオンビームによって周波数の微調整が可能になる。さらに、レーザービームで先に金属膜３４に凹凸を形成しておくので、金属膜３４の、イオンビームが照射される面積が大きくなって、イオンビームによるエッチング時間を短縮することができる。

図７に示すように、パッケージ４０の内部空間を気密に封止する。例えば、パッケージ４０の枠壁部４４と蓋４６を、シーム溶接によって接合する。こうして、パッケージ４０の開口を蓋４６によって塞ぐ。パッケージ４０の開口を蓋４６によって塞いだ後に、パッケージ４０に形成された貫通穴４８を介して、蓋４６によって塞がれたパッケージ４０内を真空にし、その後、ロウ材５０で貫通穴４８を塞ぐ。

図７は、本発明の実施の形態に係る方法で製造された圧電振動子を示す図でもある。圧電振動子に組み込まれた圧電振動片１０では、金属膜３４に凹部３６が形成されている。凹部３６が貫通穴であって振動腕１６の表裏面が露出していてもよい。

圧電振動子は、パッケージ４０を有する。パッケージ４０は、圧電振動片１０が固定される底部４２と、底部４２を囲む枠壁部４４と、を含む。底部４２には、真空引きを行うための貫通穴４８が形成され、貫通穴４８は、ロウ材５０（ＡｕＧｅ等）で塞がれている。

パッケージ４０の底部４２に圧電振動片１０が固定されている。支持腕２０が底部４２に固定されて、振動腕１６がパッケージ４０から浮いた状態になっている。底部４２は、振動腕１６の先端部と対向する領域が低くなっており、振動腕１６が曲がっても底部４２に接触し難いようになっている。導電性接着剤５２を使用して、支持腕２０上の引き出し電極３０（図１参照）と、底部４２に形成された配線５４と、が電気的に接続されている。配線５４は、パッケージ４０の底面の外部電極５６に電気的に接続されている。なお、圧電振動片１０は２つの支持腕２０を有し、パッケージ４０には２つの外部電極５６が形成され、一方の支持腕２０上の引き出し電極３０が一方の外部電極５６に電気的に接続され、他方の支持腕２０上の引き出し電極３０が他方の外部電極５６に電気的に接続されている。外部電極５６は、ハンダによって、電気的に接続されて回路基板（図示せず）に実装される。

パッケージ４０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４４の上端面はメタライズされている。例えば、枠壁部４４の非金属部上に、Ｍｏ（又はＷ）膜、Ｎｉ膜及びＡｕ膜が順に積層されて、上端面はＡｕからなる。上端面は、底部４２の上方を囲む形状をなしている。

図８は、本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。本実施の形態では、振動腕１６の一方の側端を伸ばし、他方の側端を縮ませて振動腕１６を屈曲させて振動させる。詳しくは、一方の振動腕１６の第１及び第２の励振電極２６，２８に電圧を印加し、他方の振動腕１６の第１及び第２の励振電極２６，２８に電圧を印加する。ここで、一方（左側）の振動腕１６の第１の励振電極２６と他方（右側）の振動腕１６の第２の励振電極２８が同じ電位（図８の例では＋電位）となり、一方（左側）の振動腕１６の第２の励振電極２８と他方（右側）の振動腕１６の第１の励振電極２６が同じ電位（図８の例では−電位）となるように、第１の励振電極２６及び第２の励振電極２８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。印加電圧によって、図８に矢印で示すように電界が発生し、これにより、振動腕１６は、互いに逆相振動となるように（振動腕１６の先端側が互いに接近・離間するように）励振されて屈曲振動する。また、基本モードで振動するように交番電圧が調整されている。

上述した圧電振動子を使用して、発振器又はセンサを構成することができる。圧電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、圧電振動子を使用したセンサは、物理量に応じて圧電振動片１０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２の実施の形態）
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電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、上述したパッケージ４０を使用し、圧電振動片１０は開口からパッケージ４０に取り付ける。パッケージ４０の開口に蓋１４６を取り付ける。蓋１４６は、貫通穴１４８を有している。貫通穴１４８は金属膜３４（特に凹部３６及び凸部３８）に対向させる。そして、イオンビームを、貫通穴１４８を介して、金属膜３４に照射する。すなわち、蓋１４６の貫通穴１４８をマスクとして利用する。その後、貫通穴１４８は塞ぐ。その他の詳細は、第１の実施の形態で説明した内容が該当する。

（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。本実施の形態で使用するパッケージ２４０は、開口の他に貫通穴２４８を有する。圧電振動片１０は、開口からパッケージ２４０に取り付ける。なお、この例では、第１及び第２の実施の形態とは異なり、圧電振動片１０を、金属膜３４がパッケージ２４０を向くように取り付ける。詳しくは、金属膜３４（特に凹部３６及び凸部３８）を、貫通穴２４８に対向させる。そして、開口に蓋４６を取り付ける。そして、イオンビームを、パッケージ２４０の貫通穴２４８を介して、金属膜３４に照射する。すなわち、パッケージ２４０の貫通穴２４８をマスクとして利用する。その後、貫通穴２４８を塞ぐ。その他の詳細は、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。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法で用意する圧電振動片の集合体の一部を示す平面図である。 図２は、図１に示す圧電振動片のII−II線断面図である。 図３は、図１に示す圧電振動片のIII−III線断面の一部を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。 図８は、本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１０…圧電振動片、 １２…連結部、 １４…基部、 １６…振動腕、 １８…溝、 ２０…支持腕、 ２２…切り込み、 ２４…励振電極膜、 ２６…第１の励振電極、 ２８…第２の励振電極、 ３０…引き出し電極、 ３２…接続電極、 ３４…金属膜、 ３６…凹部、 ３８…凸部、 ４０…パッケージ、 ４２…底部、 ４３…マスク、 ４４…枠壁部、 ４６…蓋、 ４８…貫通穴、 ５０…ロウ材、 ５２…導電性接着剤、 ５４…配線、 ５６…外部電極、 １４６…蓋、 １４８…貫通穴、 ２４０…パッケージ、 ２４８…貫通穴

Claims (5)

1. （ａ）振動腕を有し、前記振動腕の表裏面の少なくとも一方の面に金属膜及び励振電極膜が形成された圧電振動片を用意する工程と、
   （ｂ）前記金属膜にて覆われた前記振動腕の面の一部を露出させるように前記金属膜の一部を、レーザービームを用いて除去する工程と、
   （ｃ）前記（ｂ）工程後に、前記圧電振動片をパッケージに取り付ける工程と、
   （ｄ）前記（ｃ）工程後に、前記金属膜を、イオンビームによってエッチングする工程と、
   （ｅ）前記（ｄ）工程後に、前記パッケージの内部空間を気密に封止する工程と、
   を含み、
   前記（ｂ）工程で、前記レーザービームで前記金属膜の材料を蒸発させて前記金属膜の一部を除去し、蒸発した前記材料を残された前記金属膜に再付着させて凸部を形成し、
   前記（ｄ）工程で、前記凸部が形成された前記金属膜を、前記イオンビームによってエッチングする圧電振動子の製造方法。
2. 請求項１に記載された圧電振動子の製造方法において、
   前記（ａ）工程で、複数の前記圧電振動片を、相互に連結された状態で用意し、
   前記（ｂ）工程を、相互に連結された複数の前記圧電振動片に対して行い、
   前記（ｂ）工程後、前記（ｃ）工程前に、複数の前記圧電振動片を個片に切断する工程をさらに含み、
   前記（ｃ）工程で、個片の前記圧電振動片を前記パッケージに取り付ける圧電振動子の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載された圧電振動子の製造方法において、
   前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、マスクを介して、前記金属膜に照射する圧電振動子の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載された圧電振動子の製造方法において、
   前記パッケージは、開口及び貫通穴を有し、
   前記（ｃ）工程で、前記開口から前記圧電振動片を前記パッケージに取り付け、前記開口に蓋を取り付け、
   前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、前記貫通穴を介して、前記金属膜に照射し、
   前記（ｅ）工程で、前記貫通穴を塞ぐ圧電振動子の製造方法。
5. 請求項１又は２に記載された圧電振動子の製造方法において、
   前記パッケージは、開口を有し、
   前記（ｃ）工程で、前記開口から前記圧電振動片を前記パッケージに取り付け、前記開口に蓋を取り付け、
   前記蓋は、貫通穴を有し、
   前記（ｄ）工程で、前記イオンビームを、前記貫通穴を介して、前記金属膜に照射し、
   前記（ｅ）工程で、前記貫通穴を塞ぐ圧電振動子の製造方法。