JP7452039B2 - 振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents

振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体に関する。
例えば、特許文献１に記載されている音叉振動子は、振動腕の先端部に設けられている金属膜を有する。このような音叉振動子では、金属膜にレーザー光を照射し、金属膜の一部を除去することにより、共振周波数を調整することができる。
特開２００９－２３２３７６号公報
しかしながら、特許文献１の音叉振動子では、共振周波数を調整した後の状態で、金属膜に垂直な面を有する段差が形成されている。そのため、この段差を起点に金属膜が振動腕から剥離し易くなる。金属膜が剥離すると振動腕の質量が変化し、これにより音叉振動子の周波数が変化するおそれがある。
本適用例の振動素子は、基部と、
前記基部から延出する振動腕と、
前記振動腕に配置されている錘と、を有し、
前記錘は、
厚膜部と、
前記厚膜部よりも膜厚が薄い薄膜部と、
前記厚膜部と前記薄膜部との間に位置して前記厚膜部と前記薄膜部とを接続し、膜厚が前記厚膜部側から前記薄膜部側に向けて漸減するテーパー状をなす接続部と、を有することを特徴とする。
本適用例の振動素子では、前記薄膜部および前記接続部は、それぞれ、レーザー光の照射により薄膜化されたレーザー加工部であることが好ましい。
本適用例の振動素子では、前記薄膜部は、前記厚膜部に対して前記振動腕の先端側に位置することが好ましい。
本適用例の振動素子では、前記接続部の傾斜角は、６０°以下であることが好ましい。
本適用例の振動素子では、前記接続部の傾斜角は、２０°以上であることが好ましい。
本適用例の振動デバイスは、上述の振動素子を有することを特徴とする。
本適用例の電子機器は、上述の振動素子と、
前記振動素子から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を有することを特徴とする。
本適用例の移動体は、上述の振動素子と、
前記振動素子から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を有することを特徴とする。
本発明の第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図である。 図１の振動デバイスが有する振動素子を示す平面図である。 図２中のＡ－Ａ線断面図である。 図２の振動素子が有する錘を示す断面図である。 図２の振動素子が有する錘を示す断面図である。 図１の振動デバイスの製造工程を示す図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 レーザー光の強度分布を示す図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。 錘の変形例を示す断面図である。 図１の振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態に係る振動素子が有する錘を示す平面図である。 図１９中のＢ－Ｂ線断面図である。 錘の効果を説明するための断面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動素子を示す平面図である。 図２２に示す振動素子の動作を説明するための模式図である。 図２２に示す振動素子の動作を説明するための模式図である。 第４実施形態のスマートフォンを示す斜視図である。 第５実施形態の自動車を示す斜視図である。
以下、本発明の振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図である。図２は、図１の振動デバイスが有する振動素子を示す平面図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図４および図５は、それぞれ、図２の振動素子が有する錘を示す断面図である。図６は、図１の振動デバイスの製造工程を示す図である。図７は、図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。図８は、図１の振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。図９は、レーザー光の強度分布を示す図である。図１０ないし図１６は、それぞれ、図１の振動デバイスの製造方法を説明するための平面図である。図１７は、錘の変形例を示す断面図である。図１８は、図１の振動デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
なお、説明の便宜上、図６および図９を除く各図には、互いに直交する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す。また、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向とも言い、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向とも言い、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側をプラス側とも言い、反対側をマイナス側とも言う。また、Ｚ軸方向のプラス側を「上」とも言い、マイナス側を「下」とも言う。また、Ｚ軸方向からの平面視を、単に「平面視」とも言う。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、後述するように、水晶の結晶軸に相当する。
図１に示す振動デバイス１は、例えば、発振器として用いられる。このような振動デバイス１は、パッケージ３と、パッケージ３内に収納されている振動素子４および回路素子６と、を有する。
図１に示すように、パッケージ３は、上面に開口する凹部３１１を備えるベース３１と、凹部３１１の開口を塞ぐようにベース３１の上面に接合部材３３を介して接合されている板状のリッド３２と、を有する。パッケージ３の内側には、凹部３１１によって内部空間Ｓが形成され、内部空間Ｓに振動素子４および回路素子６が収納されている。
例えば、ベース３１は、アルミナ等のセラミックスで構成することができ、リッド３２は、コバール等の金属材料で構成することができる。ただし、ベース３１およびリッド３２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されない。例えば、リッド３２は、光透過性を有するガラス材料で構成されていてもよい。
また、内部空間Ｓは、気密であり、減圧状態、好ましくは、より真空に近い状態となっている。これにより、粘性抵抗が減少して振動素子４の振動特性が向上する。ただし、内部空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、窒素またはＡｒ等の不活性ガスを封入した雰囲気であってもよく、減圧状態でなく大気圧状態または加圧状態となっていてもよい。
また、凹部３１１は、ベース３１の上面に開口する凹部３１１ａと、凹部３１１ａの底面に開口し、凹部３１１ａよりも開口幅が小さい凹部３１１ｂと、凹部３１１ｂの底面に開口し、凹部３１１ｂよりも開口幅が小さい凹部３１１ｃと、を有する。そして、凹部３１１ａの底面に導電性の接合部材２を介して振動素子４が接合され、凹部３１１ｃの底面に回路素子６が接合されている。
また、凹部３１１ａの底面には複数の内部端子３４１が配置され、凹部３１１ｂの底面には複数の内部端子３４２が配置され、ベース３１の下面には外部端子３４３が配置されている。複数の内部端子３４２の一部は、ベース３１内に形成されている図示しない内部配線を介して内部端子３４１と電気的に接続され、残りは、前記内部配線を介して外部端子３４３と電気的に接続されている。また、各内部端子３４２は、ボンディングワイヤーＢＷを介して回路素子６と電気的に接続されている。
振動素子４は、図２に示すように、振動体４１と、振動体４１に配置されている電極と、周波数調整用の金属膜としての錘４６と、を有する。
振動体４１は、音叉型の水晶振動素子である。振動体４１は、Ｚカット水晶板から形成され、水晶の結晶軸であるＸ軸（電気軸）およびＹ軸（機械軸）で規定されるＸＹ平面に広がりを有し、Ｚ軸（光軸）方向に厚みを有する。
ただし、振動体４１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、Ｚｎ２Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸ナトリウムカリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）等の各種圧電材料を用いてもよいし、例えば、シリコン基板等の圧電材料以外の材料を用いてもよい。
また、振動体４１は、基部４２と、基部４２からＹ軸方向プラス側に並んで延出する一対の振動腕４３、４４と、を有する。そして、基部４２において一対の接合部材２を介してベース３１に固定されている。
また、図３に示すように、振動腕４３は、上面に開口する溝４３２と、下面に開口する溝４３３と、を有する。同様に、振動腕４４は、上面に開口する溝４４２と、下面に開口する溝４４３と、を有する。したがって、振動腕４３、４４は、略Ｈ状の横断面形状を有する。
また、図２および図３に示すように、電極として、信号電極４８１と、接地電極４８２と、が配置されている。図３に示すように、信号電極４８１は、振動腕４３の上面および下面と、振動腕４４の両側面と、に配置されている。一方、接地電極４８２は、振動腕４３の両側面と、振動腕４４の上面および下面と、に配置されている。また、信号電極４８１は、一方の接合部材２を介して内部端子３４１と電気的に接続されており、接地電極４８２は、他方の接合部材２を介して別の内部端子３４１と電気的に接続されている。これにより、振動素子４と回路素子６とが電気的に接続される。そして、回路素子６が信号電極４８１に駆動信号を印加すると、図２中の矢印で示すように、振動腕４３、４４が接近、離間を繰り返すようにして屈曲振動する。
また、図２に示すように、振動腕４３、４４の先端部の上面には、それぞれ、錘４６が配置されている。錘４６は、振動素子４の共振周波数を調整したり、振動腕４３、４４の振動バランスを調整したりするためのものである。後述するように、振動素子４の製造工程に含まれる第１周波数調整工程において、レーザー光Ｌを錘４６に照射して錘４６の一部を除去し、振動腕４３、４４の質量を減少させることにより振動素子４の共振周波数を調整することができる。なお、錘４６の構成としては、特に限定されず、例えば、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）、および、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）を主成分とする合金を積層した金属被膜で構成することができる。本実施形態では、錘４６は、Ａｕ（金）で構成されている。
第１周波数調整工程を終えた後、すなわち、レーザー光Ｌが照射され、その一部が除去された状態の錘４６は、図４および図５に示す構成となっている。錘４６は、除去部４６１と、厚膜部４６２と、を有する。除去部４６１は、第１周波数調整工程においてレーザー光Ｌが照射されたレーザー加工部４６’であり、その一部が厚さ方向に除去されて薄膜化されている領域である。一方、厚膜部４６２は、第１周波数調整工程においてレーザー光Ｌが照射されなかった非レーザー加工部４６”であり、実質的にその一部も除去されなかった、すなわち、薄膜化されていない領域である。
また、除去部４６１および厚膜部４６２は、振動腕４３、４４の長手方向であるＹ軸方向に並んで配置され、本実施形態では、除去部４６１が厚膜部４６２に対して振動腕４３、４４の先端側すなわちＹ軸方向プラス側に位置する。このように、レーザー光Ｌで加工する領域である除去部４６１を厚膜部４６２よりも振動腕４３、４４の先端側に配置することにより、言い換えると、錘４６の先端側を除去することにより、除去した錘４６の単位質量あたりの周波数変化量をより大きくすることができる。そのため、第１周波数調整工程において、十分な周波数調整幅を確保することができる。ただし、除去部４６１および厚膜部４６２の配置は、特に限定されず、例えば、除去部４６１が、厚膜部４６２のＹ軸方向マイナス側に位置していてもよいし、除去部４６１のＹ軸方向両側に、厚膜部４６２が位置していてもよい。
また、除去部４６１は、膜厚Ｔが厚膜部４６２よりも薄い薄膜部４６３と、薄膜部４６３と厚膜部４６２との間に位置し、薄膜部４６３と厚膜部４６２とを接続する接続部４６４と、を有する。接続部４６４は、振動腕４３、４４の上面に対して傾斜しており、膜厚Ｔが厚膜部４６２側から薄膜部４６３側すなわちＹ軸方向マイナス側からプラス側に向けて漸減するテーパー状となっている。このように、接続部４６４をテーパー状とすることにより、厚膜部４６２と薄膜部４６３との境界に垂直な面を有する段差すなわち矩形の段差が形成されるのを抑制することができる。そのため、当該部分を起点とした錘４６の不本意な剥離を効果的に抑制することができる。
厚膜部４６２の膜厚Ｔ、言い換えると、第１周波数調整工程においてレーザー光Ｌが照射される前の膜厚Ｔとしては、特に限定されないが、例えば、３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上６μｍ以下であることがより好ましい。これにより、第１周波数調整工程において、十分な周波数調整幅を確保することができる。また、薄膜部４６３の膜厚Ｔ、言い換えると、第１周波数調整工程においてレーザー光Ｌが照射された後の膜厚Ｔとしては、特に限定されないが、例えば、０．５μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。これにより、薄膜部４６３が過度に薄くなり、振動腕４３、４４との密着性が低下してしまうのを効果的に抑制することができる。
また、接続部４６４の傾斜角θ、すなわち振動腕４３、４４の上面に対する傾きの平均値としては、特に限定されないが、例えば、６０°以下であることが好ましく、５５°以下であることがより好ましく、５０°以下であることがさらに好ましい。これにより、上述した効果すなわち錘４６の剥離抑制効果がより顕著なものとなる。一方、傾斜角θの下限値としては、特に限定されないが、例えば、２０°以上であることが好ましく、２５°以上であることがより好ましく、３５°以上であることがさらに好ましい。これにより、接続部４６４のＹ軸方向の長さを抑えることができる。そして、その分、薄膜部４６３の面積を十分に広く確保することができ、第１周波数調整工程において、十分な周波数調整幅を確保することができる。
ここで、図３および図４では、テーパー角θは、Ｙ軸方向に一定に表されているが、これに限定されず、接続部４６４は、Ｙ軸方向またはＸ軸方向にテーパー角θが変化する部分を有していてもよい。この場合、テーパー角θの平均値が上記値内であればよい。
本実施形態では、接続部４６４の上面が傾斜した平面で構成されており、膜厚Ｔの漸減率がＹ軸方向に沿って一定であるが、これに限定されない。例えば、接続部４６４の上面が凸湾曲面で構成されており、膜厚Ｔの漸減率がＹ軸方向プラス側に向けて漸増していてもよいし、反対に、接続部４６４の上面が凹湾曲面で構成されており、膜厚Ｔの漸減率がＹ軸方向プラス側に向けて漸減していてもよい。また、凸湾曲面や凹湾曲面に替えて、傾斜角が異なる複数の平面をＹ軸方向に並べて接続した構成としてもよい。
図１に示すように、回路素子６は、凹部３１１ｃの底面に固定されている。このような回路素子６には、例えば、外部のホストデバイスと通信を行うインターフェース部、振動素子４を発振させる発振回路等が含まれている。なお、回路素子６は、省略してもよいし、パッケージ３の外部に配置してもよい。
以上、振動デバイス１の構成について説明した。次に、振動デバイス１の製造方法について説明する。図６に示すように、振動デバイス１の製造方法は、振動素子４を準備する準備工程と、水晶ウエハ４０上で振動素子４の周波数を調整する第１周波数調整工程と、振動素子４をベース３１にマウントするマウント工程と、ベース３１上で振動素子４の周波数を調整する第２周波数調整工程と、ベース３１にリッド３２を接合する封止工程と、を含む。
［準備工程］
まず、図７に示すように、水晶ウエハ４０を準備し、フォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いて水晶ウエハ４０をパターニングすることにより、水晶ウエハ４０に複数の振動体４１を形成する。次に、スパッタリング等によって、振動体４１の表面に電極を形成し、さらに、蒸着等によって、振動腕４３、４４の先端部に錘４６を形成する。
［第１周波数調整工程］
次に、水晶ウエハ４０上で振動素子４の共振周波数を調整する。具体的には、図８に示すように、振動腕４３、４４に設けられた錘４６にレーザー光Ｌを照射し、錘４６の一部を除去して振動腕４３、４４の質量を減少させることにより振動素子４の共振周波数を調整して、振動素子４の共振周波数を目標値に合わせ込む。
レーザー光Ｌとしては、特に限定されず、例えば、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、エキシマレーザー等のパルス状レーザー光、炭酸ガスレーザー等の連続発振レーザー光を用いることができる。なお、本実施形態では、レーザー光Ｌとしてパルス状レーザー光を用いている。つまり、スポット状に集光されたレーザー光Ｌを連続して照射することにより、錘４６の加工を行う。このように、レーザー光Ｌとしてパルス状レーザー光を用いることにより、レーザー光Ｌの強度を変化させることなく一定としたまま、照射時間や照射ピッチを変更することにより、錘４６に対する単位面積当たりのレーザー光Ｌの照射量すなわちエネルギー量を制御することができる。そのため、レーザー光Ｌが安定し、本工程を精度よく行うことができる。
レーザー光Ｌのスポット径としては、特に限定されないが、例えば、２０μｍ以下であるのが好ましく、１５μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、錘４６に対する十分な微細加工が可能となる。
また、レーザー光Ｌとしては、特に限定されないが、ピコ秒レーザー光であることが好ましい。なお、ピコ秒レーザー光とは、レーザー光Ｌのパルス幅をピコ秒レベルまで短パルス化したものである。ピコ秒レーザーを用いることにより、例えば、一般的なＹＡＧレーザーと比べて高いピークパワーで錘４６を蒸発させることができる。そのため、熱影響の少ない加工が可能となる。また、蒸発した錘材料の錘４６上への再付着を効果的に抑制することができ、錘４６上にドロスが付着するのを効果的に抑制することができる。そのため、錘４６からドロスが剥がれ、それに伴って振動素子４の共振周波数が変化してしまうことを効果的に抑制することができる。そのため、振動素子４の信頼性が向上する。
また、レーザー光Ｌのパルス幅としては、特に限定されないが、錘４６の構成材料の格子イオン温度を融点まで加熱したときの時間である衝突緩和時間よりも短いことが好ましい。これにより、上述の効果がより顕著なものとなる。本実施形態では、錘４６がＡｕ（金）で構成されており、Ａｕの衝突緩和時間が約２５ピコ秒である。そのため、レーザー光Ｌのパルス幅としては、２５ピコ秒以下であることが好ましく、２０ピコ秒以下であることがより好ましく、１０ピコ秒以下であることがさらに好ましい。
また、図９に示すように、レーザー光Ｌの強度は、ガウシアン分布を持ち、スポットの中央部から外周部に向けて漸減している。このような強度分布を有するレーザー光Ｌを用いることにより、スポットの外周部での加工が抑えられて、スポット径よりも小さい加工、すなわち微細加工が可能となる。また、接続部４６４の傾斜面をより滑らかに形成することもできる。
また、本工程では、レーザー光Ｌを図１０に示す順で錘４６に照射する。すなわち、レーザー光Ｌを振動腕４３、４４の幅方向であるＸ軸方向に沿って主走査すると共に、振動腕４３、４４の基端側から先端側すなわち厚膜部４６２側から除去部４６１側に向けて副走査する。具体的には、まず、レーザー光Ｌを除去部４６１の最も基端側に位置するラインＬ１に沿って走査し、次に、レーザー光ＬをラインＬ１と隣り合うラインＬ２に沿って走査し、次に、レーザー光ＬをラインＬ２と隣り合うラインＬ３に沿って走査し、これを除去部４６１の先端に位置するラインＬｎまで順に繰り返して行う。
なお、前述したように、錘４６には、レーザー光Ｌを照射しない厚膜部４６２と、厚膜部４６２の先端側に位置し、レーザー光Ｌを照射する除去部４６１と、を形成する必要があるため、ラインＬ１は、錘４６の基端と重ならず、当該基端よりも先端側に位置している。このように、レーザー光Ｌを厚膜部４６２側から除去部４６１側に向けて副走査することにより、言い換えると、錘４６に対して、厚膜部４６２に近い側から遠い側に向けて順にレーザー光Ｌを照射することにより、蒸散した錘材料が厚膜部４６２に付着し難くなり、厚膜部４６２へのドロスの付着を効果的に抑制することができる。
また、この際、薄膜部４６３を形成する領域では、各部へのレーザー光Ｌの照射量を等しくする。これにより、膜厚Ｔがほぼ一定な薄膜部４６３を形成することができる。一方で、接続部４６４を形成する領域では、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側すなわちＹ軸方向マイナス側からプラス側に向けて、レーザー光Ｌの照射量を漸増させている。前記「照射量」とは、単位面積当たりの照射量すなわちエネルギー量とも言える。これにより、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて徐々に錘４６の除去量が増加し、これらの間にテーパー状の接続部４６４が形成される。また、厚膜部４６２側ほど錘４６の除去量が少なくなるため、厚膜部４６２へのドロスの付着を効果的に抑制することができる。
次に、接続部４６４において、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けてレーザー光Ｌの照射量を漸増させるいくつかの方法について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に沿ってレーザー光Ｌを照射することにより、接続部４６４が形成されることとする。
第１の方法として、レーザー光Ｌの照射ピッチを厚膜部４６２側よりも薄膜部４６３側で狭くする方法、特に、レーザー光Ｌの照射ピッチを厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて徐々に狭くする方法が挙げられる。具体的には、レーザー光Ｌの強度およびパルス幅を一定とし、ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上でのレーザー光Ｌの移動速度を一定とした上で、図１１に示すように、ラインＬ１、Ｌ２の離間距離Ｄ１と、ラインＬ２、Ｌ３の離間距離Ｄ２と、ラインＬ３、Ｌ４の離間距離Ｄ３と、をＤ１＞Ｄ２＞Ｄ３とする。このような方法によれば、簡単な方法で、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けてレーザー光Ｌの照射量を漸増させることができる。
特に、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の変化率、すなわち、Ｄ１／Ｄ２、Ｄ２／Ｄ３を等しくすることにより、接続部４６４の傾斜面をより滑らかな平面とすることができる。
なお、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれ、レーザー光ＬのスポットＳＰの径よりも小さく、ラインＬ２上のスポットＳＰがラインＬ１上のスポットＳＰと重なり、ラインＬ３上のスポットＳＰがラインＬ２上のスポットＳＰと重なり、ラインＬ４上のスポットＳＰの一部がラインＬ３上のスポットＳＰと重なっている。また、ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上では、それぞれ、Ｘ軸方向に隣り合うスポットＳＰ同士が重なっている。このように、Ｙ軸方向およびＸ軸方向の両方向において隣り合うスポットＳＰ同士が重なるように加工することにより、精度のよい加工が可能となる。
第２の方法として、レーザー光Ｌの移動速度を厚膜部４６２側よりも薄膜部４６３側で遅くする方法、特に、レーザー光Ｌの移動速度を厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて徐々に遅くする方法が挙げられる。具体的には、レーザー光Ｌの強度およびパルス幅を一定とした上で、図１２に示すように、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を等しくし、さらには、ラインＬ１上のレーザー光Ｌの移動速度Ｓ１と、ラインＬ２上のレーザー光Ｌの移動速度Ｓ２と、ラインＬ３上のレーザー光Ｌの移動速度Ｓ３と、ラインＬ４上のレーザー光Ｌの移動速度Ｓ４と、をＳ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４とする。このような方法によれば、簡単な方法で、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けてレーザー光Ｌの照射量を漸増させることができる。
特に、移動速度Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の変化率、すなわち、Ｓ１／Ｓ２、Ｓ２／Ｓ３、Ｓ３／Ｓ４をほぼ等しくすることにより、接続部４６４の傾斜面をより滑らかな平面とすることができる。
移動速度Ｓ１は、ラインＬ１上でのスポットＳＰのピッチと、移動速度Ｓ２は、ラインＬ２上でのスポットＳＰのピッチと、移動速度Ｓ３は、ラインＬ３上でのスポットＳＰのピッチと、移動速度Ｓ４は、ラインＬ４上でのスポットＳＰのピッチと、それぞれ、言い換えることができる。そして、各ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上でのピッチがそれぞれスポットＳＰの径よりも小さく、各ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上において、Ｘ軸方向に隣り合うスポットＳＰ同士が重なるように移動速度Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が設定される。
第３の方法として、レーザー光Ｌの照射回数を厚膜部４６２側よりも薄膜部４６３側で多くする方法、特に、レーザー光Ｌの照射回数を厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて徐々に多くする方法が挙げられる。具体的には、レーザー光Ｌの強度およびパルス幅を一定とし、ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上でのレーザー光Ｌの移動速度Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を一定とし、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を等しくした上で、図１３に示すように、ラインＬ１に沿ったレーザー光Ｌの走査回数Ｎ１と、ラインＬ２に沿ったレーザー光Ｌの走査回数Ｎ２と、ラインＬ３に沿ったレーザー光Ｌの走査回数Ｎ３と、ラインＬ４に沿ったレーザー光Ｌの走査回数Ｎ４と、をＮ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４とする。このような方法によれば、簡単な方法で、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けてレーザー光Ｌの照射量を漸増させることができる。
特に、レーザー光Ｌの強度、各ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上での移動速度、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を一定に保ったままで、すなわち、より多くの条件を一定に保ったままで錘４６の加工を行うことができるため、その作業がより簡単なものとなる。また、例えば、Ｎ１＝１、Ｎ２＝２、Ｎ３＝３、Ｎ４＝４とし、Ｎ２－Ｎ１、Ｎ３－Ｎ２、Ｎ４－Ｎ３を等しくすることにより、接続部４６４の傾斜面をより滑らかな平面とすることができる。
この方法では、例えば、図１４に示すように、まず、ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に沿ってレーザー光Ｌを１回ずつ走査し、次に、ラインＬ２、Ｌ３、Ｌ４に沿ってレーザー光Ｌを１回ずつ走査し、次に、ラインＬ３、Ｌ４に沿ってレーザー光Ｌを１回ずつ走査し、最後に、ラインＬ４に沿ってレーザー光Ｌを１回走査してもよい。また、図１５に示すように、まず、ラインＬ１に沿ってレーザー光Ｌを１回走査し、次に、ラインＬ２に沿ってレーザー光Ｌを２回走査し、次に、ラインＬ３に沿ってレーザー光Ｌを３回走査し、最後に、ラインＬ４に沿ってレーザー光Ｌを４回走査してもよい。
第４の方法として、レーザー光Ｌの強度を厚膜部４６２側よりも薄膜部４６３側で高くする方法、特に、レーザー光Ｌの強度を厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて徐々に高くする方法が挙げられる。具体的には、各ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４上でのレーザー光Ｌの移動速度Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を一定とし、離間距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を等しくした上で、図１６に示すように、ラインＬ１上でのレーザー光Ｌの強度ＬＰ１と、ラインＬ２上でのレーザー光Ｌの強度ＬＰ２と、ラインＬ３上でのレーザー光Ｌの強度ＬＰ３と、ラインＬ４上でのレーザー光Ｌの強度ＬＰ４と、をＬＰ１＜ＬＰ２＜ＬＰ３＜ＬＰ４とする。このような方法によれば、簡単な方法で、厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けてレーザー光Ｌの照射量を漸増させることができる。
特に、強度ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３、ＬＰ４の変化率、すなわち、ＬＰ１／ＬＰ２、ＬＰ２／ＬＰ３、ＬＰ３／ＬＰ４を等しくすることにより、接続部４６４の傾斜面をより滑らかな平面とすることができる。
このように、水晶ウエハ４０上で、すなわち、振動素子４をベース３１に搭載する前に周波数を調整することにより、調整時に蒸散した錘４６がベース３１に付着することによる悪影響を抑制することができる。
なお、例えば、図１４に示した方法において、４回目のレーザー光Ｌの照射をラインＬｎまで行わないうちに振動素子４の共振周波数が目標値となった場合には、そこでレーザー光Ｌの照射を終了すればよい。この場合は、図１７に示すように、薄膜部４６３の先端部に、基端部よりも膜厚Ｔが厚い部分４６３０が形成される。この部分４６３０は、例えば、マウント工程後の振動素子４の共振周波数の微調に用いられる。
［マウント工程］
次に、振動素子４を水晶ウエハ４０から切り取って、切り取った振動素子４をベース３１に接合する。
［第２周波数調整工程］
前述のマウント工程において、振動素子４をベース３１に固定することにより、振動素子４の共振周波数が水晶ウエハ４０上での共振周波数から変動するおそれがある。そのため、本工程では、イオンビームを用いて錘４６の一部を除去して、振動素子４の共振周波数を調整する。具体的には、真空状態とし、図１８に示すように、振動腕４３、４４の錘４６の全域にイオンビームＩＢを照射して、錘４６の表層全体を薄く除去する。このようにして錘４６の一部を除去することにより、振動素子４の共振周波数を目標値に合わせ込む。なお、本工程は、必要がなければ省略してもよい。
［封止工程］
次に、真空状態で、例えば、シームリングからなる接合部材３３を介してリッド３２をベース３１の上面にシーム溶接する。これにより、内部空間Ｓが気密封止され、振動デバイス１が得られる。
以上、振動デバイス１について説明した。このような振動デバイス１が有する振動素子４は、基部４２と、基部４２から延出する振動腕４３、４４と、振動腕４３、４４に配置されている錘４６と、を有する。また、錘４６は、厚膜部４６２と、厚膜部４６２よりも膜厚Ｔが薄い薄膜部４６３と、厚膜部４６２と薄膜部４６３との間に位置して厚膜部４６２と薄膜部４６３とを接続し、膜厚Ｔが厚膜部４６２側から薄膜部４６３側に向けて漸減するテーパー状をなす接続部４６４と、を有する。このように、厚膜部４６２と薄膜部４６３との間にテーパー状をなす接続部４６４を設けることにより、厚膜部４６２と薄膜部４６３との境界に垂直な面を有する段差すなわち矩形の段差が形成されるのを抑制することができる。そのため、当該部分を起点とした錘４６の剥離を効果的に抑制することができる。その結果、より適正な周波数の振動素子４を得ることができる。
また、前述したように、薄膜部４６３および接続部４６４は、それぞれ、レーザー光Ｌの照射により薄膜化されたレーザー加工部４６’である。これにより、振動素子４の共振周波数を調整することができる。
また、前述したように、薄膜部４６３は、厚膜部４６２に対して振動腕４３、４４の先端側に位置している。このように、レーザー加工部４６’である除去部４６１を厚膜部４６２よりも振動腕４３、４４の先端側に配置することにより、言い換えると、錘４６の先端側を除去することにより、除去した錘４６の単位質量あたりの周波数変化量をより大きくすることができる。そのため、第１周波数調整工程において、十分な周波数調整幅を確保することができる。
また、前述したように、接続部４６４の傾斜角θは、６０°以下であることが好ましい。これにより、錘４６の剥離抑制効果がより顕著なものとなる。一方、接続部４６４の傾斜角θは、２０°以上であることが好ましい。これにより、接続部４６４のＹ軸方向の長さを抑えることができる。そして、その分、薄膜部４６３の面積を十分に広く確保することができ、第１周波数調整工程において、十分な周波数調整幅を確保することができる。
また、前述したように、振動デバイス１は、振動素子４を有する。これにより、振動素子４の効果を享受することができ、信頼性の高い振動デバイス１となる。
＜第２実施形態＞
図１９は、本発明の第２実施形態に係る振動素子が有する錘を示す平面図である。図２０は、図１９中のＢ－Ｂ線断面図である。図２１は、錘の効果を説明するための断面図である。
本実施形態に係る振動デバイス１では、錘４６の構成、具体的には除去部４６１の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の振動デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態の振動デバイス１に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１９ないし図２１では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図１９および図２０に示すように、本実施形態の振動素子４が有する錘４６では、除去部４６１のＹ軸方向マイナス側のみならずＸ軸方向両側にも厚膜部４６２が配置されている。つまり、厚膜部４６２は、除去部４６１のＹ軸方向マイナス側に位置する第１部分４６２ａと、除去部４６１のＸ軸方向プラス側に位置する第２部分４６２ｂと、除去部４６１のＸ軸方向マイナス側に位置する第３部分４６２ｃと、を有する。
また、除去部４６１では、薄膜部４６３のＹ軸方向マイナス側のみならずＸ軸方向両側にもテーパー状の接続部４６４が配置されている。つまり、接続部４６４は、薄膜部４６３のＹ軸方向マイナス側に位置し、薄膜部４６３と厚膜部４６２の第１部分４６２ａとを接続する第１部分４６４ａと、薄膜部４６３のＸ軸方向プラス側に位置し、薄膜部４６３と厚膜部４６２の第２部分４６２ｂとを接続する第２部分４６４ｂと、薄膜部４６３のＸ軸方向マイナス側に位置し、薄膜部４６３と厚膜部４６２の第３部分４６２ｃとを接続する第３部分４６４ｃと、を有する。
例えば、前述した第１実施形態のように、除去部４６１が錘４６のＸ軸方向両側に開放していると、図２１に示すように、振動腕４３上の錘４６のＸ軸方向マイナス側の角部にレーザー光Ｌ（Ｌ’）が照射されると、当該部分から蒸散した錘材料４６０が隣の振動腕４４に向けて飛散され易くなる。反対に、振動腕４４上の錘４６のＸ軸方向プラス側の角部にレーザー光Ｌ（Ｌ”）が照射されると、当該部分から蒸散した錘材料４６０が隣の振動腕４３に向けて飛散され易くなる。そのため、隣の錘４６から蒸散した錘材料４６０によって錘４６にドロスが付着し易くなるおそれがある。
そこで、本実施形態のように、除去部４６１のＸ軸方向両側にも厚膜部４６２を配置し、錘４６のＸ軸方向両側の角部にレーザー光Ｌが照射されない構成とすることにより、前述したようなドロスの付着を効果的に抑制することができる。
以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、振動腕４３上の錘４６からは、第２部分４６２ｂおよび第２部分４６４ｂを省略してもよく、振動腕４４上の錘４６からは、第３部分４６２ｃおよび第３部分４６４ｃを省略してもよい。
＜第３実施形態＞
図２２は、本発明の第３実施形態に係る振動素子を示す平面図である。図２３および図２４は、それぞれ、図２２に示す振動素子の動作を説明するための模式図である。
本実施形態に係る振動デバイス１では、振動素子４の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の振動デバイス１と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態の振動デバイス１に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図２２では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
本実施形態の振動素子４は、物理量センサー素子として、Ｚ軸を検出軸とする角速度ωｚを検出することのできる角速度センサー素子である。図２２に示すように、振動素子４は、振動体４１と、振動体４１に配置されている電極と、周波数調整用の金属膜としての錘４６と、を有する。
また、振動体４１は、Ｚカット水晶基板から構成されており、中央部に位置する基部４５１と、基部４５１からＹ軸方向の両側に延出する振動腕としての一対の検出腕４５２、４５３と、基部４５１からＸ軸方向の両側に延出する一対の連結腕４５４、４５５と、連結腕４５４の先端部からＹ軸方向の両側に延出する振動腕としての一対の駆動腕４５６、４５７と、連結腕４５５の先端部からＹ軸方向の両側に延出する振動腕としての一対の駆動腕４５８、４５９と、を有する。
また、電極は、駆動信号電極４８３と、駆動接地電極４８４と、第１検出信号電極４８５と、第１検出接地電極４８６と、第２検出信号電極４８７と、第２検出接地電極４８８と、を有する。
駆動信号電極４８３は、駆動腕４５６、４５７の両側面と、駆動腕４５８、４５９の上面および下面と、に配置されている。一方、駆動接地電極４８４は、駆動腕４５６、４５７の上面および下面と、駆動腕４５８、４５９の両側面と、に配置されている。
また、第１検出信号電極４８５は、検出腕４５２の上面および下面に配置され、第１検出接地電極４８６は、検出腕４５２の両側面に配置されている。一方、第２検出信号電極４８７は、検出腕４５３の上面および下面に配置され、第２検出接地電極４８８は、検出腕４５３の両側面に配置されている。
また、駆動腕４５６、４５７、４５８、４５９および検出腕４５２、４５３の先端部には、それぞれ、錘４６が配置されている。そして、これら各錘４６は、前述した第１実施形態と同様の構成となっており、厚膜部４６２と、薄膜部４６３と、接続部４６４と、を有する。
このような振動素子４は、次のようにして角速度ωｚを検出する。まず、駆動信号電極４８３および駆動接地電極４８４の間に駆動信号を印加すると、駆動腕４５６～４５９が、図２３の矢印で示すように屈曲振動する。以下、この駆動モードを駆動振動モードと言う。そして、駆動振動モードで駆動している状態で、振動素子４に角速度ωｚが加わると、図２４に示す検出振動モードが新たに励振される。検出振動モードでは、駆動腕４５６～４５９にコリオリの力が作用して矢印ｂに示す方向の振動が励振され、この振動に呼応して、検出腕４５２、４５３が矢印ａに示す方向に屈曲振動による検出振動が生じる。このような検出振動モードによって検出腕４５２に発生した電荷を第１検出信号電極４８５および第１検出接地電極４８６の間から第１検出信号として取り出し、検出腕４５３に発生した電荷を第２検出信号電極４８７および第２検出接地電極４８８の間から第２検出信号として取り出し、これら第１、第２検出信号に基づいて角速度ωｚを検出することができる。
回路素子６には、例えば、外部のホストデバイスと通信を行うインターフェース部、振動素子４を駆動させる駆動回路、振動素子４からの検出信号に基づいて角速度ωｚを検出する検出回路等が含まれている。
以上のような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。なお、本実施形態では、６つの錘４６の全てに接続部４６４が形成されているが、これに限定されず、少なくとも１つの錘４６に接続部４６４が形成されていればよい。
＜第４実施形態＞
図２５は、第４実施形態のスマートフォンを示す斜視図である。
図２５に示すスマートフォン１２００は、本発明の電子機器を適用したものである。このようなスマートフォン１２００は、振動素子４が搭載され、発振器として用いられる振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１２１０と、を有する。演算処理回路１２１０は、例えば、画面１２０８から入力された入力信号に基づいて、表示画面を変化させたり、特定のアプリケーションを立ち上げたり、警告音や効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させたりすることができる。なお、振動素子４を備える振動デバイス１としては、例えば、前述した第１、第２実施形態のいずれかのものを適用することができる。
このような電子機器としてのスマートフォン１２００は、振動素子４と、振動素子４から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１２１０と、を備える。そのため、スマートフォン１２００は、前述した振動素子４の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、振動素子４を備える電子機器は、前述したスマートフォン１２００の他にも、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、タブレット端末、時計、スマートウォッチ、インクジェットプリンター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、スマートグラス、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ドライブレコーダー、ページャー、電子手帳、電子辞書、電子翻訳機、電卓、電子ゲーム機器、玩具、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、車両、鉄道車輌、航空機、ヘリコプター、船舶等の各種計器類、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。
＜第５実施形態＞
図２６は、第５実施形態の自動車を示す斜視図である。
図２６に示す移動体としての自動車１５００は、エンジンシステム、ブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステム等のシステム１５０２を含んでいる。また、自動車１５００は、振動素子４が搭載され、発振器として用いられる振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作し、システム１５０２を制御する演算処理回路１５１０と、を有する。なお、振動素子４としては、例えば、前述した第１、第２実施形態のいずれかのものを適用することができる。
このように、移動体としての自動車１５００は、振動素子４と、振動素子４から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１５１０と、を備える。そのため、自動車１５００は、前述した振動素子４の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、振動素子４を備える移動体は、自動車１５００の他、例えば、ロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等であってもよい。
以上、本発明の振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１…振動デバイス、２…接合部材、３…パッケージ、３１…ベース、３１１、３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ…凹部、３２…リッド、３３…接合部材、３４１、３４２…内部端子、３４３…外部端子、４…振動素子、４０…水晶ウエハ、４１…振動体、４２…基部、４３…振動腕、４３２、４３３…溝、４４…振動腕、４４２、４４３…溝、４５１…基部、４５２、４５３…検出腕、４５４、４５５…連結腕、４５６、４５７、４５８、４５９…駆動腕、４６…錘、４６’…レーザー加工部、４６”…非レーザー加工部、４６０…錘材料、４６１…除去部、４６２…厚膜部、４６２ａ…第１部分、４６２ｂ…第２部分、４６２ｃ…第３部分、４６３…薄膜部、４６４…接続部、４６４ａ…第１部分、４６４ｂ…第２部分、４６４ｃ…第３部分、４８１…信号電極、４８２…接地電極、４８３…駆動信号電極、４８４…駆動接地電極、４８５…第１検出信号電極、４８６…第１検出接地電極、４８７…第２検出信号電極、４８８…第２検出接地電極、６…回路素子、１２００…スマートフォン、１２０８…画面、１２１０…演算処理回路、１５００…自動車、１５０２…システム、１５１０…演算処理回路、ＢＷ…ボンディングワイヤー、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…離間距離、ＩＢ…イオンビーム、Ｌ、Ｌ’、Ｌ”…レーザー光、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌｎ…ライン、ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ３、ＬＰ４…強度、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４…走査回数、Ｓ…内部空間、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４…移動速度、ＳＰ…スポット、Ｔ…膜厚、ａ…矢印、ｂ…矢印、θ…傾斜角、ωｚ…角速度

Claims (8)

  1. 基部と、
    前記基部から延出する振動腕と、
    前記振動腕に配置されている錘と、を有し、
    前記錘は、
    厚膜部と、
    前記厚膜部よりも膜厚が薄い薄膜部と、
    前記厚膜部と前記薄膜部との間に位置して前記厚膜部と前記薄膜部とを接続し、膜厚が前記厚膜部側から前記薄膜部側に向けて漸減するテーパー状をなす接続部と、を有し、
    前記薄膜部は、
    前記薄膜部の前記接続部と反対側の端部に位置し、前記薄膜部の前記接続部側の端部よりも膜厚が厚い部分と、
    前記膜厚が厚い部分よりも前記接続部側に位置し、前記膜厚が厚い部分よりも膜厚が薄く、かつ、膜厚が一定である膜厚一定部と、
    前記膜厚が厚い部分と前記膜厚一定部との間に位置して前記膜厚が厚い部分と前記膜厚一定部とを接続し、膜厚が前記膜厚が厚い部分側から前記膜厚一定部側に向けて漸減するテーパー状をなす先端部側接続部と、を有することを特徴とする振動素子。
  2. 前記薄膜部および前記接続部は、それぞれ、レーザー光の照射により薄膜化されたレーザー加工部である請求項１に記載の振動素子。
  3. 前記薄膜部は、前記厚膜部に対して前記振動腕の先端側に位置する請求項２に記載の振動素子。
  4. 前記接続部の傾斜角は、６０°以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子。
  5. 前記接続部の傾斜角は、２０°以上である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動素子。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子を有することを特徴とする振動デバイス。
  7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子と、
    前記振動素子から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を有することを特徴とする電子機器。
  8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子と、
    前記振動素子から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を有することを特徴とする移動体。
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