JP5500220B2 - 振動片、振動子、発振器、及びセンサー - Google Patents
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Description
図12は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図である。
このような圧電振動片1においては、駆動用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕3,4の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。
そして、この接着剤による固定支持後に、圧電振動片を構成する材料と、パッケージなどの材料の線膨張係数の相違などに起因して残る残留応力が、振動腕の屈曲振動を妨げないように、基部2に切り込み部9を形成するようにしている。
このような、圧電振動片1においては各部位の小寸法化を進め、これに対応して、基部の長さも小さな寸法とされることで、圧電振動片1の小型化が進められている。
すなわち、圧電振動片1を水晶で形成した場合に、その線膨張係数は13.8ppm/℃であるが、これを収容して接合するパッケージについては、アルミナセラミックパッケージで7.0ppm/℃である。
そして、圧電振動片1のパッケージへの接合工程(マウント工程)では、導電性接着剤を用いて約200℃で接着剤を硬化させており、硬化後常温に戻した際には、圧電振動片1とパッケージの各線膨張係数の相違に対応した応力が、接合部に働くことになる。
すなわち、マイナス50℃から100℃まで、温度環境を変化させてその特性を試験すると、マイナス50℃の際に上記接合部に働く応力のため、周波数はプラスにシフトしてしまう。また、マイナス55度(「摂氏」、以下、温度表示は全て「摂氏」)で1000H(時間)放置(32kHz(キロヘルツ)の圧電振動子の場合)すると、マイナス55度の最も大きな応力が作用した後で、その後常温に戻すことになり、応力状態が完全に元に戻らず周波数はマイナスにシフトしてしまう。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記金層の厚みが20nm以上50nm以下であることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記第2基部から前記第2方向に沿って延出されている延長部と、前記延長部に接続され、前記第2方向に沿って前記振動腕と並び、且つ、前記第1方向に沿って延出されている支持用アームと、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記振動片の前記第1方向に沿った長さをa、前記支持用アームの前記第1方向に沿った長さをuとしたとき、u/aが、60%以上80%以下であることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記振動腕には、前記第1方向に沿って延びている溝が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記振動腕の前記第1方向に沿った長さをL1、前記溝の前記第1方向に沿った長さをjとしたとき、j/L1が、0.5以上0.7以下であることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が搭載されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記支持用アームの前記第1方向に沿って並ぶ2つの部位が、接合剤を用いて前記パッケージに固定されていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る発振器は、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係るセンサーは、前記振動片を備えていることを特徴とする。
[適用例1]適用例1に係る圧電振動片は、圧電材料により形成された所定長さの基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部の一端側より所定距離だけ離れた他端側に接続される連結部と、前記連結部に接続され、圧電振動片の幅方向に延長される接続部と、前記接続部に接続され、かつ前記振動腕の外側において、前記振動腕と同じ方向に延びる支持用アームとを備え、前記基部の前記一端側から、前記圧電振動片の前記振動腕の反対側の一端までの長さ寸法hと、前記連結部を介して前記支持用アームが前記基部に接続されている接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hが、40%以下とされていることを特徴とする。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アームは、基部の他端から幅方向に延長され、振動腕の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また、適用例1に係る圧電振動片では、前記基部の長さ寸法hと、前記連結部を介して前記支持用アームが前記基部に接続されている接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hが、40%以下とされている。
これにより、励振部である各振動腕から接合部となる各支持用アームにいたる構造において、パッケージなどへ直接固定される支持用アーム自体や、励振の影響を強く受ける振動腕、およびその形成基端にある前記基部以外の箇所において、適切に応力を集中できる箇所をつくることができ、この部分で支持用アームからの応力による影響が、前記振動腕に伝搬することを防止することができる。これにより、小型化を進める上で、温度特性が良好な圧電振動片を提供することができる。なお、40%を超えると、温度特性が極端に悪くなることが確認されている。
このような構成によれば、前記比率であるL3/hが、20%以上とすることで、充分な剛性が得られ、圧電振動片の組立工程で折れるという問題を解決する。
このような構成によれば、支持用アームからの応力による影響が、前記振動腕に伝搬することを防止するために設けられる部分的に剛性の低い構造を、適切に設定することができる。
このような構成によれば、前記連結部の幅寸法rと前記基部の幅寸法eの比率であるr/eが、40%以下とされている。このため、励振部である各振動腕が、接合部となる各支持用アームからの影響をきわめて受けにくくなる。
本発明の発明者らは、前記連結部の幅寸法rと前記基部の幅寸法eの比率であるr/eが、23%未満となると、落下衝撃などの外部からの衝撃により前記連結部が破断するおそれがあることを確認した。
したがって、前記連結部の幅寸法rと前記基部の幅寸法eの比率であるr/eが、23%以上40%以下とされることにより、励振部である各振動腕が、パッケージなどへの接合部を含む支持用アームからの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することのない圧電振動片を得ることができる。
このような構成によれば、ガラス製の蓋体を低融点ガラスのロウ材で接合する場合と比べて、金−ゲルマニウム合金のロウ材を用いることで、限られた大きさの封止代(しろ)であっても、十分接合強度を得ることができる。特に、封止孔を利用したガス出しにおいて、十分加熱しても蓋体の接合に影響することがなく、優れた気密性を実現できる。また、実装工程においてリフロー炉を通した場合にも、ロウ材が再溶融することなく、接合性能に優れている。
これらの図において、圧電デバイス30は、圧電振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、基体であるパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。
パッケージ57は、図1および図2に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されており、第1の基板54と、第2の基板55と、第3の基板56の3つの基板を積層して形成されており、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。
パッケージ57は、圧電振動片32を収容した後で、透明なガラス製の蓋体40が封止材58を用いて接合されることにより、気密に封止されている。これにより、蓋体40を封止した後で、外部からレーザ光を照射して圧電振動片32の電極などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。
この蓋封止後の周波数調整を行わない場合には、蓋体40として金属製の蓋体を用いることができ、例えば、コバール製の蓋体などを用いることで、後述するように、シーム溶接による蓋封止を行うことができる。
そして、貫通孔27には、封止材28が充填されることにより、パッケージ57内が気密状態となるように孔封止されている。
パッケージ57は、図2に示すように、第3の基板56の内側の材料を除去することで、内部空間Sのスペースを形成している。この内部空間Sが圧電振動片32を収容するための収容空間である。
パッケージ57の第2の基板55に形成した各電極部31−1,31−2の上には、導電性接着剤43を用いて、後述する圧電振動片32の支持用アーム61,62の後述する引出し電極形成箇所を載置して接合している。
このため、図1の圧電デバイス30よりも圧電振動片32を接合する接合強度に優れている。
各振動腕35,36の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、図1および図4に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極37,38が設けられている。
尚、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
そして、長溝33,34内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。
この実施形態では、下地金属層として、クロム(Cr)層を成膜し、電極層として金(Au)層を成膜して、後述する製造工程において、フォトリソグラフィなどの手法により図1に示すような形状の電極に形成されている。
この場合、下地層と電極層(図示せず)の各成膜は、スパッタリングや蒸着により行われるが、水晶ウエハなどから多数の圧電振動片を形成するためのバッジ工程では、蒸着により成膜するのが好ましい。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
なお、強度が許す場合には、基部51の例えば中心付近に図示しない貫通孔を形成し、該貫通孔周縁近傍に応力を集中させるようにすることで、振動漏れが、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
図3に示すように、この切り込み部71,72に挟まれた部分が連結部73である。連結部73は、基部51の他端側において、両側方に延長された延長部である接続部74に一体に接続されている。すなわち、この最も外側で基部51の幅方向に延長された部分(接続部74)は、平行な一対の支持用アーム61,62とを繋ぐ部分であり、接続部として機能するものである。
ここで、図3において、連結部73の幅寸法をrとし、基部51の幅寸法をeとすると、連結部の幅rと前記基部の幅eの比率であるr/eが、40%以下とされており、さらに好ましくは、r/eが、23%以上とされている。
支持用アーム61と支持用アーム62は同一の形状であるから、支持用アーム61について図3を参照しながら説明すると、その長さ寸法uは、圧電振動片32の全長aに対して、60ないし80%とすることが、安定した支持構造を得るために必要である。
また、支持用アーム61,62の外側コーナ部61a,62aは、それぞれ内方に凸もしくは外方に凸となったR状に面取りされることにより、欠けたりする損傷を防止している。
ひとつの支持用アームについて、1点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片32の全長aの25%以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、2点の接合箇所(両方の支持用アームを合わせると4箇所)を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片32の全長aの25%以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。
尚、蓋体40は、透明な材料でなく、例えば、コバールなどの金属板体をシーム封止などで接合する構造としてもよい。
この距離BLは、好ましくは、振動腕35,36の腕幅寸法Wの大きさを超える寸法とされている。
すなわち、音叉型振動片の振動腕35,36が屈曲振動する際に、その振動漏れが基部51に向かって伝えられる範囲は、振動腕35,36の腕幅寸法Wと相関がある。本発明者はこの点に着目し、支持用アーム61,62の基端となる箇所を適切な位置に設けなければならないという知見を持った。
同様の理由により、切り込み部71,72が形成される箇所も、振動腕35,36の付け根部52の箇所から振動腕35,36の腕幅寸法Wの大きさを超える箇所とするのが好ましい。このため、切り込み部71,72は、支持用アーム61,62が基部51に対して一体に接続されている箇所を含んで、そこよりも振動腕寄りの位置に形成される。
尚、支持用アーム61,62は振動に関与しないので、その腕幅寸法Wに特別の条件はないが、支持構造を確実にするため、振動腕よりも大きな幅とすることが好ましい。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕35,36からの振動漏れは、基部51を隔てた支持用アーム61,62に達するまでに距離BLを超える基部51の所定長さを隔てていることから、ほとんど及ぶことがない。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アーム61,62は、図示したように、基部51の他端部53から幅方向に延長され、振動腕35,36の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また、この実施形態では、図1に示すように、支持用アーム61,62の先端が、振動腕35,36の先端よりも基部51寄りになるように形成されている。この点においても、圧電振動片32の大きさをコンパクトにすることができる。
これに対して、図1の圧電振動片32では、互いにパッケージ57の幅方向一杯に離れた支持用アーム61,62のそれぞれの中間付近に対応する電極部31−1,31−2に、導電性接着剤43,43を塗布すればよいので、上述のような困難さがほとんどなく、また、短絡の心配もないものである。
支持用アーム62と連結部73との間に一体に接続されている接続部の幅L3が60μm以上、100μm以下とされると好ましい。すなわち、この幅L3が60μm未満のものの製造は難しい。L3が100μmを超えると、圧電振動片の小型化の障害になるだけでなく、振動腕35、36が接続されている基部51の一端から、圧電振動片の振動腕35、36の反対側の一端までの長さ寸法hと、接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hが、20%以上40%以下とすることが困難になる。
なお、図3において幅寸法L3は、やや広い接続部74の本来の幅寸法L3−1よりも縮幅した縮幅とされ、該縮幅部の幅寸法がL3とされている。
これは、以下の理由による。
しかしながら、種々試行してみると、支持用アーム61,62の接合箇所以外の箇所に、切り込み等を形成することはある程度の効果は期待できるものの、支持するための該支持用アーム自体の全体の剛性が低下し、振動腕側からの振動漏れの影響が出て必ずしも満足できる結果とならない。
また、後述するように切り込み部71,72を深くして、連結部73を小さくすることは、かなり良い効果が期待できるものの、振動腕にやや近すぎることで、単に連結部73の幅寸法rを小さくすることだけでは、満足する結果が得られなかった。
そこで、振動腕35、36が接続されている基部51の一端から、圧電振動片の振動腕35、36の反対側の一端までの長さ寸法hと、接続部の幅寸法L3との比率であるL3/hに関して、これを40%以下とすることで、後述するように、きわめてよい効果が得られることを見出したものである。
なお、基部51において、幅寸法L3は、やや広い接続部74の本来の幅寸法L3−1よりも縮幅した縮幅とされ、該縮幅部の幅寸法がL3とされているのは、上記のとおりであるが、製造工程の都合などにより、該縮幅部を形成しない場合には、L3=L3−1となる。
図3に示す圧電振動片32の各振動腕35,36は同じ形状であるから、振動腕36について説明すると、基部51から各振動腕が延びる基端部Tでは、振動腕幅が最も広い。そして、振動腕36の付け根部であるこのTの位置から振動腕36の先端側に僅かな距離だけ離れたUの箇所の間において、急激に縮幅する第1の縮幅部TLが形成されている。そして第1の縮幅部TLの終端であるUの位置から、振動腕36のさらに先端側に向かってPの位置まで、すなわち、振動腕に関して、CLの距離にわたって、徐々に連続的に縮幅する第2の縮幅部が形成されている。
すなわち、基本波のCI値が低減されると同時に、高調波のCI値も抑制され、該高調波のCI値が、基本波のCI値よりも小さくなると、高調波により発振しやすくなってしまう。
そこで、長溝を長くしてCI値を低くするだけでなく、さらに、腕幅が縮小から拡大に変更する変更点Pについても振動腕の先端よりに設けることで、CI値を低減しつつ、さらにCI値比(高調波のCI値/基本波のCI値)を大きくすることができる。
すなわち、振動腕36ではその根本部分、つまり、付け根付近が、第1の縮幅部TLにより、剛性が強化されている。これにより、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができ、CI値の抑制をはかることができる。
このため、2次の高調波における振動の際の振動の「節」を、振動腕36のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝34を長くして圧電材料の電界効率を上げ、CI値を上昇させても、基本波のCI値を抑制しながら、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。このことから、図3に示すように、好ましくは腕幅の変更点Pを長溝の先端部よりも、振動腕の先端側に設けることで、ほぼ確実にCI値比を大きくして、高調波による発振を防止できる。
そして、上記j/L1=61.5%とした場合、振動腕36の最大幅/最小幅の値である腕幅縮幅率Mを1.06よりも大きくすることにより、CI値比を1より大きくすることができ、高調波による発振を防止することができることが確認されている。
かくして、全体を小型化しても、基本波のCI値を低く抑えることができ、ドライブ特性が悪化することがない圧電振動片を提供することができる。
図4の寸法xで示すウエハ厚み、すなわち、圧電振動片を形成する水晶ウエハの厚みは、70μmないし130μmが好ましい。
図3の寸法aで示す圧電振動片32の全長は、1300μmないし1600μm程度である。振動腕の全長である寸法L1は、1100ないし1400μmとし、圧電振動片32の全幅dは、400μmないし600μmとすることが、圧電デバイスの小型化の上で好ましい。このため、音叉部分の小型化のためには、基部51の幅寸法eは200ないし400μm、支持用アームの幅fは、30ないし100μmとすることが支持効果を確実にする上で必要である。
さらに、図4の振動腕35(振動腕36も同じ)における長溝33の外縁と振動腕の外縁との寸法m1,m2は、ともに3ないし15μmとするとよい。寸法m1,m2は15μm以下とすることで、電界効率が向上し、3μm以上とすることで、電極の分極が確実に行われるのに有利である。
図3の振動腕36において、腕幅の変更点Pよりも先端側が拡幅している拡幅度合いが、振動腕36の腕幅が最小とされている箇所である該腕幅の変更点Pの箇所の幅に対して、0ないし20μm程度の増加とするのが好ましい。これを超えて拡幅されると、振動腕36の先端部が重くなりすぎて、屈曲振動の安定性を損なうおそれがある。
なお、上記基部51の全長hの寸法は、例えば、150μmないし300μmとすることができる。
また、好ましくは、基部51には、図1の実施形態と同様に、基部51の両側縁に、凹部もしくは切り込み部71,72を設けてあり、その深さ(図3の寸法q)は、例えば80μm程度とすることができる。
さらに、本実施形態では、基部の長さ寸法hと、連結部73を介して支持用アーム61,62が基部51に接続されている接続部74の幅寸法L3との比率であるL3/hが、40%以下とされている。この場合、上記比率L3/hは20%以上とされるのが好ましい。
これにより、後述する作用を発揮することができる。
図4に示すように、圧電振動片32の各励振電極37,38はクロス配線により、交流電源に接続されており、電源から駆動電圧としての交番電圧が、各振動腕35,36に印加されるようになっている。
ここで、例えば、圧電振動片32の基本波は、Q値:12000、容量比(C0/C1):260、CI値:57kΩ、周波数:32.768kHz(「キロヘルツ」、以下同じ)である。
また、2次の高調波は、例えば、Q値:28000、容量比(C0/C1):5100、CI値:77kΩ、周波数:207kHzである。
発振回路91は、増幅回路92と帰還回路93を含んでいる。
増幅回路92は、増幅器95と帰還抵抗94を含んで構成されている。帰還回路93は、ドレイン抵抗96と、コンデンサ97,98と、圧電振動片32とを含んで構成されている。
ここで、図5の帰還抵抗94は、例えば10MΩ(メガオーム)程度、増幅器95はCMOSインバータを用いることができる。ドレイン抵抗96は、例えば200ないし900kΩ(キロオーム)、コンデンサ97(ドレイン容量)と、コンデンサ98(ゲート容量)は、それぞれ10ないし22pF(ピコファラド)とすることができる。
既に説明したように、本実施形態の圧電振動片32においては、図3において、振動腕35、36が接続されている基部51の一端から、圧電振動片の振動腕35、36の反対側の一端までの長さ寸法hと、連結部73を介して支持用アーム61,62が基部51にそれぞれ接続されている接続部74の幅寸法L3との比率であるL3/hが、40%以下とされていることによって、図6に示すような効果が期待できる。
図において、L3/hが40%以下の領域では、周波数シフトが極端に小さくなる。また、L3/hが35%以下の領域では、周波数シフトがさらに小さくなる。そして、L3/hの下限は、20%程度であり、下限値を超えて小さくなると、組立工程での折れという弊害がある。
この比率であるr/eが、23%未満となると、落下衝撃などの外部からの衝撃により前記連結部が破断するおそれがあることが確認されている。
このため、比率r/eが、23%以上あることで、しかも40%以下とされることにより、励振部である各振動腕が、パッケージなどへの接合部を含む支持用アームからの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することのない圧電振動片を得ることができる。
丸は図7に示すように、最も結果がよく、低温領域で周波数のバラツキが非常に小さいもの、三角はわずかにバラツキがあるが、結果としてほぼ良好であるもの、バツは好ましい結果とは言えない場合を示している。
つまり、クロム層が30nm以下とされることで、低温における電極部のヤング率が大きくなりすぎることがない。また、金層の膜厚が50nm以下とされることで、電極の形成コストの上昇を抑えることができる。これによって、圧電振動片32を小型に形成しても、低温時に屈曲振動の妨げとなるCI値を抑制し、低温における周波数ひずみを防止するとともに、十分な導通性能を発揮して、温度特性が良好な圧電振動片を提供することができる。
すなわち、クロム層の膜厚を20nm以下に抑制すると、金層の膜厚を40nm以下として十分な膜厚とし、導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
すなわち、クロム層の膜厚を10nm以下に抑制すると、金層の膜厚を50nm以下として十分な膜厚とし、さらに導通性能を向上させても低温における周波数ひずみを防止することができる。
次に、図10のフローチャートを参照しながら、上述の圧電デバイスの製造方法の一例を説明する。
(蓋体およびパッケージの製造方法)
圧電デバイス30の圧電振動片32と、パッケージ57と、蓋体40は、それぞれ別々に製造される。
蓋体40は、例えば、所定の大きさのガラス板、例えば、硼珪酸ガラスの板ガラスを切断し、パッケージ57を封止するのに適合する大きさの蓋体として用意される。
パッケージ57は、上述したように、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Sを形成する。
先ず、圧電基板を用意し、ひとつの圧電基板から所定数の圧電振動片について、同時にその外形をエッチングにより形成する(外形エッチング)。
ここで、圧電基板は、圧電材料のうち、例えば、圧電振動片32を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハが使用される。この圧電基板は工程の進行により図3の圧電振動片32(図1の圧電振動片32なども同様に製造される)を形成するので、図1あるいは図4に示すX軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光学軸となるように、圧電材料、例えば水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述の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(図11のθ)の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られる。
ここで、外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図3に示した機械軸X、電気軸Y、光学軸Zに関して、エッチングの進行上、次のようなエッチング異方性を示す。
すなわち、圧電振動片32に関して、そのX−Y平面内におけるエッチングレートについては、プラスX方向で、このX軸に対して120度の方向、およびマイナス120度の方向の面内においてエッチングの進行が速く、マイナスX方向でX軸に対してプラス30度の方向、およびマイナス30度の方向の内面のエッチングの進行が遅くなる。
同様に、Y方向のエッチングの進行は、プラス30度方向およびマイナス30度方向が速くなり、プラスY方向で、Y軸に対してプラス120度方向、およびマイナス120度方向が遅くなる。
しかしながら、この実施形態では、エッチング液として、フッ酸および、フッ化アンモニウムを用いて、十分な時間、すなわち、9時間ないし11時間という十分な時間をかけて、エッチングを行うことにより、図4で説明した異形部81の突出量vが5μm以内と、きわめて小さくすることができる(ST11)。
この工程において、圧電振動片32の切り込み部71,72を含む外形が同時に形成され、終了時には、水晶ウエハに対して、それぞれ細い一体部で基部51付近を接続された多数の圧電振動片32の外形完成状態のものが得られる。
次に、図示しない溝形成用レジストにより、図4で示した形態となるように、各長溝を挟む両側の壁部を残す様にして、溝を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、各振動腕35,36の表面と裏面を、それぞれウエットエッチングすることにより長溝に対応した底部を形成する(ST12)。
ここで、図4を参照すると、符号tで示す溝深さは、全体厚みxに対して、30ないし45%程度とされる。tに関して、全体厚みxの30%以下だと、電界効率を十分向上させることができない場合がある。45%以上だと、剛性が不足して、屈曲振動に悪影響を与えたり、強度が不足する場合がある。
真空チャンバー内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。
次に、蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属、例えば、金を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、図1で示した駆動用の電極を形成する(ST13)。
その後、各振動腕35,36の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極(金属被膜)21,21が形成される(ST14)。錘付け電極21,21は通電されて圧電振動片32の駆動に用いられるのではなく、後述する周波数調整に利用される。
続いて、上記したウエハに対する細い一体部を折り取り、圧電振動片32を個々に形成する個片にする(ST16)。
次に、図1で説明したように、パッケージ57の各電極部31−1,31−2,31−1,31−2に導電性接着剤43,43,43,43を塗布し、その上に支持用アーム61,62を載置して、接着剤を加熱・硬化させることにより、パッケージ57に対して、圧電振動片32を接合する(ST17)。
なお、この導電性接着剤43としては、例えば、合成樹脂などを利用したバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接続とを同時に行うことができるものである。
パッケージ57を透明な蓋体40で封止する場合には、圧電振動片32のST17における接合後において、該蓋体40をパッケージ57に接合する(ST18−2)。
この場合、例えば、低融点ガラスなどを加熱して、蓋体40をパッケージ57に接合する加熱工程が行われるが、この際に、低融点ガラスや導電性接着剤などからガスが生成される。
そこで、加熱により、このようなガスを図2で説明した貫通孔27から排出し(脱ガス)、その後、真空中で段部29に、好ましくは、金すずなどでなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図2の封止材(金属充填材)28が貫通孔27を気密に封止する(ST19−2)。
次いで、図2で示すように、ガラスなどでなる透明な蓋体40を透過させるように外部からレーザ光を圧電振動片32の振動腕35および/または振動腕36の錘付け電極21の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う(ST20−2)。次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス30が完成する。
蓋体の接合前には、パッケージに圧電振動片32を接合した状態で通電し、振動腕35,36の錘付け電極21,21の一部をレーザ光などのエネルギービームを照射することにより、部分的に蒸散させて、質量削減方式による周波数の微調整をする(ST18−1)。
次に蓋封止を行う。
図9は、蓋体40の接合状態を説明する部分切断端面図である。
この場合、蓋体40としてはコバルトと鉄の合金であるコバールが好適に使用される。 パッケージ57の上端には、予めメタライズ部82が形成される。パッケージ側に形成されるメタライズ部82としては、例えば、下から上へ順に、タングステン(W)82a、ニッケル(Ni)82b、金(Au)82cの各層が形成される。あるいは、モリブデン(Mo)82a、ニッケル(Ni)82b、金(Au)82cの層構造としてもよい。
つまり、金ゲルマニウムのロウ材84を用いて、加熱チャンバー内等に収容して加熱しロウ材を溶融させて接合する(ST19−1)。
そこで、ST19−2と同様に、例えば真空チャンバー内などに収容して加熱し、上記した蓋体接合の際などに生じたガスを、図2で説明した貫通孔27から排出し(脱ガス)、その後、真空中で段部29に好ましくは、金−ゲルマニウム(Au−Ge)合金でなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図2の封止材(金属充填材)28が貫通孔27を気密に封止する(ST20−1)。
次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス30が完成する。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサーとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。さらに、圧電振動片32では、一対の振動腕を形成しているが、これに限らず、振動腕は3本でも、4本以上でもよい。
Claims (10)
- 第1基部、第1方向に沿って前記第1基部と並んで配置されている第2基部、及び前記第1基部と前記第2基部との間に配置され前記第1基部と前記第2基部とを連結している連結部、を含む基部と、
前記第1基部から前記第1方向に向って延出されている振動腕と、
前記振動腕に設けられ、クロム層に金層が積層されている励振電極と、
を含み、
前記クロム層の厚みが10nm以上30nm以下であり、
平面視で、前記第1方向と交差する第2方向に沿って、前記連結部の幅をr、前記第1基部の幅をeとしたとき、
r/eが、23%以上40%以下であり、
前記第2基部は、
前記第1方向に沿って第1幅を有する第1領域と、
前記第1方向に沿って前記第1幅よりも幅の狭い第2幅を有する第2領域と、
を含み、
前記第1基部の前記第1方向に沿った長さ、前記連結部の前記第1方向の沿った長さ、及び前記第1幅の和をh、
前記第2幅をL3としたとき、
L3/hが、20%以上40%以下であることを特徴とする振動片。 - 請求項1において、
前記金層の厚みが20nm以上50nm以下であることを特徴とする振動片。 - 請求項1又は2において、
前記第2基部から前記第2方向に沿って延出されている延長部と、
前記延長部に接続され、前記第2方向に沿って前記振動腕と並び、且つ、前記第1方向に沿って延出されている支持用アームと、
を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項3において、
前記振動片の前記第1方向に沿った長さをa、
前記支持用アームの前記第1方向に沿った長さをuとしたとき、
u/aが、60%以上80%以下であることを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記振動腕には、前記第1方向に沿って延びている溝が設けられていることを特徴とする振動片。 - 請求項5において、
前記振動腕の前記第1方向に沿った長さをL1、
前記溝の前記第1方向に沿った長さをjとしたとき、
j/L1が、0.5以上0.7以下であることを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片が搭載されているパッケージと、
を備えていることを特徴とする振動子。 - 請求項7において、
前記支持用アームの前記第1方向に沿って並ぶ2つの部位が、接合剤を用いて前記パッケージに固定されていることを特徴とする振動子。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とするセンサー。
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