KR100770826B1

KR100770826B1 - 압전 진동편 및 압전 디바이스

Info

Publication number: KR100770826B1
Application number: KR20060038040A
Authority: KR
Inventors: 히데오 다나야
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2007-10-26
Also published as: JP2006311088A; US20070024163A1; JP4415389B2; CN1855712A; EP1724919A3; CN100583627C; DE602006007194D1; KR20060113488A; EP1724919B1; EP1724919A2; US7675224B2

Abstract

진동 누설을 방지하여, 고정부의 악영향을 받지 않도록 하여 내충격성을 향상시키고, 고정 소형화를 진행시키는 데 있어서, 온도 특성이 양호한 압전 진동편(振動片)과, 압전 디바이스를 제공한다.

압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 기부(基部)(51)와, 상기 기부의 일단측으로부터 연장되는 복수의 진동 아암(35, 36)과, 상기 기부의 상기 일단측에서 상기 소정 거리만큼 떨어진 타단측으로 폭 방향으로 연장되고, 또한 상기 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 지지용 아암(61, 62)과, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 상기 압전 재료를 폭 방향으로 축소시켜 형성한 오목부(71, 72)를 구비하고, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 관통구멍(80)을 더 형성한 압전 진동편이다.

Description

압전 진동편 및 압전 디바이스{PIEZOELECTRIC OSCILLATOR PIECE AND PIEZOELECTRIC DEVICE}

도 1은, 본 발명의 압전 디바이스의 실시형태를 도시한 개략적 평면도.

도 2는, 도 1의 A-A선 절단 단면도.

도 3은, 도 1의 압전 디바이스에 사용되는 압전 진동편의 개략적 확대 평면도.

도 4는, 도 1의 진동 아암 부분의 B-B선 절단 단면도.

도 5는, 도 1의 압전 진동편을 사용한 발진 회로예를 도시한 회로도.

도 6은, 도 1의 압전 디바이스에 사용되는 압전 진동편의 온도-CI값 특성을 도시한 그래프.

도 7은, 도 1의 압전 디바이스의 제조 방법의 일례를 도시한 흐름도.

도 8은, 수정 Z판의 좌표축을 도시한 도면.

도 9는, 종래의 압전 진동편의 개략적 평면도.

도 10은, 도 9의 압전 진동편의 온도-CI값 특성을 도시한 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

30…압전 디바이스 32…압전 진동편

33, 34…긴 홈 35, 36…진동 아암

61, 62…지지용 아암 71, 72…오목부

80…관통구멍

본 발명은, 압전 진동편(振動片)과, 패키지나 케이스 내에 압전 진동편을 수용한 압전 디바이스의 개량에 관한 것이다.

HDD(하드 디스크 드라이브), 모바일 컴퓨터, 또는 IC 카드 등의 소형의 정보기기나, 휴대전화, 자동차 전화, 또는 페이징 시스템 등의 이동통신 기기나 압전 자이로 센서 등에 있어서, 압전 진동자나 압전 발진기 등의 압전 디바이스가 널리 사용되고 있다.

도 9는, 압전 디바이스에 종래부터 사용되고 있는 압전 진동편의 일례를 도시한 개략적 평면도이다.

도면에 있어서, 압전 진동편(1)은, 수정 등의 압전 재료를 에칭함으로써 도시하는 외형을 형성하는 것으로, 패키지(도시 생략) 등에 부착되는 직사각형의 기부(基部)(2)와, 기부(2)로부터 도면에서 윗쪽으로 연장된 1쌍의 진동 아암(3, 4)을 구비하고 있고, 이들 진동 아암의 주면(표리면)에 긴 홈(3a, 4a)을 형성함과 더불어, 필요한 구동용의 전극을 형성한 것이다(특허 문헌 1 참조).

이러한 압전 진동편(1)에 있어서는, 구동용 전극을 통해 구동 전압이 인가되면, 각 진동 아암(3, 4)의 선단부를 근접·이간되도록 하여 굴곡 진동함으로써, 소 정의 주파수의 신호가 취출되도록 되어 있다.

그런데, 이러한 압전 진동편(1)은, 기부(2)의 부호 5, 6으로 나타내는 부분에 인출 전극이 형성되고, 이 부분에 접착제(7, 8)를 도포하여, 예를 들면 패키지 등의 기체에 고정 지지된다.

그리고, 이 접착제에 의한 고정 지지 후에, 압전 진동편을 구성하는 재료와, 패키지 등의 재료의 선팽창 계수의 상이 등에 기인하여 남는 잔류 응력이, 진동 아암의 굴곡 진동을 방해하지 않도록, 기부(2)에 오목부(9, 9)를 형성하도록 하고 있다.

이러한 압전 진동편(1)에 있어서는, 소형화가 진행되어진 결과, 진동 아암(3, 4)의 아암 폭 W1, W1이 각각 100㎛ 정도, 이들 사이의 거리 MW1이 100㎛ 정도, 기부(2)의 폭 BW1이 500㎛ 정도이다. 그리고, 이들 부위의 소 치수화를 진행시켜, 이에 대응하여, 기부의 길이 BL1도 소 치수가 됨으로써, 압전 진동편(1)의 소형화가 진행되고 있다.

(특허 문헌 1) 일본 특허공개 2002-261575

그런데, 이렇게 소형화를 진행시킨 압전 진동편(1)에서는, 그 온도 특성에 있어서 이하와 같은 문제가 있다.

도 10은, 압전 진동편(1)의 온도 특성을 도시한 그래프이며, 온도-CI(크리스탈 임피던스)값 특성을 나타내고 있다.

도시하는 바와 같이, 종래의 구조의 압전 진동편(1)에서는, 온도-CI값 특성 에 있어서는 매우 불안정해지는 문제가 있다.

이 온도-CI값 특성의 악화는, 압전 진동편(1)에 있어서, 온도 변화에 의해, 기부(2)의 접착제(7, 8)에 의해 접합한 부분의 응력 상태가 변화한 것에 기인하여 발생한다고 생각되며, 동일한 영향이, 낙하 충격등을 받은 경우에, 기부(2)의 접착제(7, 8)에 의해 접합한 부분의 응력 상태가 변화해도 발생하는 것으로 생각된다.

특히, 진동 아암의 굴곡 진동의 기부(2)로의 누설을 보다 저감하여, CI값을 보다 효과적으로 억제하기 위해, 오목부(9, 9)를 중심 방향으로 보다 깊게 형성하는 구성으로 하면, 기부(2)의 강성이 크게 저하하여, 진동 상태가 불안정해 진다는 문제가 있다.

본 발명은, 이상의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 진동 누설을 방지하여, 고정부의 악영향을 받지 않도록 하여 내충격성을 향상시키고, 고정 소형화를 진행시키는 데 있어서, 온도 특성이 양호한 압전 진동편과, 압전 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 제1의 발명에 있어서는, 압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 기부와, 상기 기부의 일단측으로부터 연장되는 복수의 진동 아암과, 상기 기부의 상기 일단측에서 상기 소정 거리만큼 떨어진 타단측으로부터 폭 방향으로 연장되고, 또한 상기 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 지지용 아암과, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 상기 압전 재료를 폭 방향으로 축소시켜 형 성한 오목부를 구비하고, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 관통구멍을 더 형성한 압전 진동편에 의해 달성된다.

제1의 발명의 구성에 의하면, 기부의 일단으로부터 굴곡 진동하는 진동 아암이 신장하고 있고, 소정 길이의 상기 기부의 타단으로부터 지지용 아암이 연장되어 있다.

이 때문에, 지지용 아암이 패키지 등의 기체측에 접착 등에 의해 접합된 경우에는, 주위 온도의 변화나 낙하 충격 등이 원인이 되어, 그 접합 부분에 발생한응력 변화가, 지지용 아암의 접합 부분으로부터, 상기 기부의 타단까지의 거리를 두고, 또한 기부의 소정 길이의 거리를 두어서 진동 아암에 영향을 주는 일은 거의 없고, 이 때문에 특히 온도 특성이 양호해진다.

게다가, 이와는 반대로 굴곡 진동하는 진동 아암으로부터의 진동 누설은, 기부를 사이에 둔 지지용 아암에 달할 때까지 기부의 소정 길이를 사이에 두고 있으므로, 거의 미치는 일이 없다. 즉, 기부 길이가 극단적으로 짧으면, 굴곡 진동의 누설된 성분이 지지용 아암 전체에 확산되어, 제어가 곤란해지는 사태를 생각할 수 있으나, 본 발명에 있어서 그러한 우려가 없다.

그리고, 이러한 작용을 얻을 수 있고, 또한, 지지용 아암은, 기부의 타단으로부터 폭방향으로 연장되고, 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 구성으로 했으므로, 전체의 크기를 콤팩트하게 할 수 있다.

또, 상기 압전 재료를 폭 방향으로 축소시켜 형성한 오목부를 구비함으로써, 진동 아암의 굴곡 진동에 의한 진동 누설이 상기 기부를 통해, 지지용 아암의 접합부분에 미치는 것을 억제하여, CI값의 상승을 방지할 수 있다. 또한, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에 관통구멍을 형성함으로써, 오목부를 깊이 형성하는 것에 비해, 기부의 강성을 크게 저하시키지 않고, 보다 한층 진동 누설을 억제할 수 있다.

제2의 발명은, 제1의 발명의 구성에 있어서, 상기 오목부가, 상기 각 진동 아암의 베이스로부터 상기 아암 폭 W2의 치수의 1.2배 이상의 거리를 두고 상기 기부에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제2의 발명의 구성에 의하면, 음차(音叉)형 진동편의 진동 아암이 굴곡 진동할 때, 그 진동 누설이 전달되는 범위에 대해, 진동 아암의 아암 폭 치수 W2와 상관이 있는 것을 감안하여, 본 발명자들은, 종래의 압전 진동편의 오목부가, 적절한 위치에 설치되어 있지 않다는 지견을 가졌다. 그래서, 상기 오목부가 설치되는 위치에 대해, 상기 진동 아암의 베이스로부터, 상기 진동 아암의 아암 폭 치수 W2를 넘는 위치로 한 것이다. 이에 의해, 오목부는, 진동 아암으로부터의 진동 누설이 기부측으로 전파되는 것을, 보다 확실히 억제할 수 있는 구조로 할 수 있다. 이에 의해, 진동 아암측에서 기부측으로의 진동의 누설을 적절히 방지하여, 드라이브 레벨 특성이 양호한 압전 진동편을 제공할 수 있다.

특히, 상기 오목부의 위치가, 상기 베이스 부분로부터 상기 아암 폭 치수 W2×1.2 이상 떨어진 위치에 형성함으로써, 드라이브 레벨 특성을 정상적인 압전 진동편의 레벨에 적합하게 할 수 있는 것이 확인되어 있다.

제3의 발명은, 제1 또는 2 중 어느 한 발명의 구성에 있어서, 상기 각 진동 아암의 측면에, +X축(기계축) 방향으로 돌출하는 이형부(異形部)가 최소가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제3의 발명의 구성에 의하면, 압전 진동편의 외형 형성을 웨트 에칭에 의해 행하는 경우에, 에칭 이방성에 의해 생성되는 상기 이형부를 최소가 되도록 형성했으므로, 진동 아암의 굴곡 진동을 안정된 것으로 할 수 있다.

제4의 발명은, 제1 내지 3 중 어느 한 발명의 구성에 있어서, 상기 지지용 아암의 선단이, 상기 진동 아암의 선단보다도 상기 기부 근처가 되도록, 상기 지지용 아암의 길이가 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

제4의 발명의 구성에 의하면, 지지용 아암은, 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 구성으로 하는 것에 더해, 진동 아암의 선단보다도 지지용 아암의 선단이 기부 근처가 되도록 함으로써 전체를 소형화할 수 있다.

제5의 발명은, 제1 내지 4 중 어느 한 발명의 구성에 있어서, 상기 각 진동 아암의 길이 방향을 따라 형성된 긴 홈과, 상기 긴 홈에 형성한 구동용 전극을 구비하고 있고, 상기 각 진동 아암의 폭 치수가, 상기 기부측으로부터 선단측을 향해, 서서히 축소되는 협폭부(狹幅部)를 가짐과 더불어, 상기 선단측에는 상기 폭 치수가, 선단측을 향해 같은 치수로 연장되거나, 또는 증가로 바뀌는 폭 변화의 변경점 P가 있고, 상기 변경점 P를, 상기 긴 홈의 선단부보다도 더욱 진동 아암 선단측에 위치시키도록 한 것을 특징으로 한다.

제5의 발명의 구성에 의하면, 진동 아암에 형성한 상기 긴 홈에 구동용의 전 극(여진 전극)을 형성한 경우에, 그 아암 폭에 대해, 상기 기부측으로부터 선단측을 향해, 서서히 축소되도록 함과 더불어, 상기 선단측에는 상기 폭 치수가 증가로 바뀌는 폭 변화의 변경점 P를 설정함으로써, CI값을 억제하면서, 2차 고조파에 있어서의 발진을 방지할 수 있다. 이 경우, 진동 아암의 길이나, 아암 폭 등은 한결같지 않은 것을 전제로 하면, 압전 진동편에 따라서는, 또한 상기 변경점 P를, 상기 긴 홈의 선단부보다도 더욱 진동 아암 선단측에 위치시키도록 함으로써, CI값을 억제하고, 또한 진동 특성을 악화시키지 않는 압전 진동편을 제공할 수 있다.

제6의 발명은, 제5의 발명의 구성에 있어서, 상기 각 진동 아암의 폭 치수가, 상기 진동 아암의 상기 기부에 대한 베이스 부분에서, 선단측을 향해 급격하게 축소되는 제1 협폭부와, 이 제1 협폭부의 종단으로부터, 상기 협폭부로서, 더욱 선단측을 향해, 서서히 축소되는 제2 협폭부를 갖는 것을 특징으로 한다.

제6의 발명의 구성에 의하면, 제1 협폭부의 종단으로부터, 더욱 선단측을 향해, 상기 진동 아암의 아암 폭이 서서히 축소되도록 한 상기 제2 협폭부를 형성함과 더불어, 상기 선단측에는 상기 폭 치수가 증가로 바뀌는 폭 변화의 변경점 P를 설정함으로써, CI값을 억제하면서, 2차 고조파에 있어서의 발진을 방지할 수 있다.

게다가, 상기 진동 아암의 상기 기부에 대한 베이스 부분에서, 선단측을 향해 급격하게 축소되는 제1 협폭부를 갖고 있기 때문에, 진동 아암이 굴곡 진동할 때, 가장 큰 응력이 작용하여, 변형이 커지는 베이스 부분의 강성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 진동 아암의 굴곡 진동이 안정되어, 불필요한 방향으로의 진동 성분이 억제되기 때문에, 한층 더 CI값을 저감시킬 수 있다. 즉, 압전 진동편을 소형화하는 데 있어서, 안정된 굴곡 진동을 실현하여, CI값를 낮게 억제할 수 있다.

제7의 발명은, 제5 또는 6 중 어느 한 발명의 구성에 있어서, 상기 진동 아암의 폭 축소율로서의 최대폭/최소폭=M의 값이, 상기 진동 아암의 아암 길이에 대한 상기 긴 홈의 길이의 비율=N과의 관계로 결정되어 있는 것을 특징으로 한다.

제7의 발명의 구성에 의하면, 상기 진동 아암의 폭 축소율로서의 최대폭/최소폭=M의 값이, 상기 진동 아암의 아암 길이에 대한 상기 긴 홈의 길이의 비율=N과의 관계로 결정된 구조를 가지는 것에 의해, 전체를 소형화하는 데 있어서, CI값을 억제하고, 또한 진동 특성을 악화시키지 않는 압전 진동편을 제공할 수 있다.

제8의 발명은, 제7의 발명의 구성에 있어서, 상기 N을 61%정도로 한 경우에, 상기 M을 1.06 이상으로 한 것을 특징으로 한다.

제8의 발명의 구성에 의하면, 상기 N을 예컨대 61%로 한 경우에, 상기 M을 1.06 이상으로 함으로써, 기본파의 CI값을 충분히 억제하고, 동시에 2차 고조파에서 발진하기 어려운 압전 진동편을 얻을 수 있다.

또한, 상기 목적은, 제9의 발명에 있어서는, 패키지 또는 케이스 내에 압전 진동편을 수용한 압전 디바이스로서, 상기 압전 진동편이, 압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 기부와, 상기 기부의 일단측으로부터 연장되는 복수의 진동 아암과, 상기 기부의 상기 일단측에서 상기 소정 거리만큼 떨어진 타단측으로부터 폭방향으로 연장되고, 또한 상기 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 지지용 아암과 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있 는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 상기 압전 재료를 폭방향으로 축소시켜 형성한 오목부를 구비하고, 상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 관통구멍을 더 형성한 압전 디바이스에 의해 달성된다.

제9의 발명의 구성에 의하면, 제1의 발명과 같은 원리에 의해, 내충격성이 향상하여 온도 특성을 양호하게 할 수 있고, 전체를 콤팩트하게 구성하는 것이 가능하며, 게다가 CI값을 저감할 수 있는 압전 디바이스를 제공할 수 있다.

도 1 및 도 2는, 본 발명의 압전 디바이스의 실시형태를 도시하고 있고, 도 1은 그 개략적 평면도, 도 2는 도 1도의 A-A선 절단 단면도이다. 또, 도 3은 도 1의 압전 진동편(32)의 상세를 설명하기 위한 확대 평면도, 도 4는 도 1의 진동 아암 부분에 관한 B-B선 절단 단면도이다.

이들 도면에 있어서, 압전 디바이스(30)는, 압전 진동자를 구성한 예를 나타내고 있고, 이 압전 디바이스(30)는, 기체인 패키지(57) 내에 압전 진동편(32)을 수용하고 있다.

패키지(57)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들면 직사각형의 상자형으로 형성되어 있다. 구체적으로는, 패키지(57)는, 제1 기판(54)과, 제2 기판(55)과, 제3 기판(56)을 적층하여 형성되어 있고, 예를 들면 절연 재료로서, 산화알루미늄질의 세라믹 그린 시트를 성형하여 도시한 형상으로 한 후에, 소결하여 형성되어 있다.

패키지(57)의 저부에는, 제조 공정에 있어서 탈 가스하기 위한 관통구멍(27) 을 갖고 있다. 관통구멍(27)은, 제1 기판(54)에 형성된 제1 구멍(25)과, 제2 기판(55)에 형성되며, 상기 제1 구멍(25)보다도 작은 외경을 갖고, 제1 구멍(25)과 연통하는 제2 구멍(26)으로 형성되어 있다.

그리고, 관통구멍(27)에는, 밀봉재(28)가 충전됨으로써, 패키지(57) 내가 기밀(氣密) 상태가 되도록 구멍 밀봉되어 있다.

패키지(57)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 기판(56)의 내측의 재료를 제거함으로써 내부 공간(S)의 스페이스를 형성하고 있다. 이 내부 공간(S)이 압전 진동편(32)을 수용하기 위한 수용 공간이다. 그리고, 제2 기판(55)에 형성한 각 전극부(31-1, 31-2, 31-1, 31-2)의 위에, 도전성 접착제(43, 43, 43, 43)를 사용해, 압전 진동편(32)의 지지용 아암(61, 62)의 후술하는 인출 전극 형성 부분을 재치(載置)하여 접합하고 있다.

지지용 아암(61)과 지지용 아암(62)은 동일한 형상이므로, 지지용 아암(61)에 관해 도 3을 참조하면서 설명하면, 그 길이 치수 u는, 압전 진동편(32)의 전체길이 a에 대해 60 내지 80%로 하는 것이, 안정된 지지 구조를 얻기 위해 필요하다.

여기서 도시는 생략하지만, 지지용 아암(61)의 접합 부분과 기부(51)의 사이가 되는 부분의 일부에, 강성을 저하시킨 부분 내지 구조, 예를 들면 오목부 또는 협폭부 등을 형성하도록 해도 된다. 이에 의해, CI값의 저감 등을 기대할 수 있다.

또, 지지용 아암(61, 62)의 외측 코너부는, 각각 내측으로 볼록 또는 외측으로 볼록한 R형으로 모따기됨으로써, 결락되거나 하는 손상을 방지하고 있다.

지지용 아암과의 접합 부분은, 예를 들면 한쪽의 지지용 아암(61)에 대해, 압전 진동편(32) 길이 치수의 무게중심 위치 G에 상당하는 부분을 1개만 선택할 수도 있다. 그러나, 본 실시형태처럼, 상기 무게중심 위치를 사이에 두고 이 무게중심 위치로부터 등거리 떨어진 2점을 선택해 전극부(31-1, 31-2)를 설정하고 접합하면, 보다 접합 구조가 강화되어 바람직하다.

1개의 지지용 아암에 대해, 1점에서 접합하는 경우는, 접착제 도포 영역의 길이가, 압전 진동편(32)의 전체길이 a의 25% 이상을 확보하는 것이 충분한 접합 강도를 얻는 데 있어서 바람직하다.

본 실시형태처럼, 2점의 접합 부분을 형성하는 경우에는, 접합 부분끼리의 간격을 압전 진동편(32)의 전체길이 a의 25 %이상으로 하는 것이 충분한 접합 강도를 얻는 데 있어서 바람직하다.

또, 이 압전 진동편(32)의 도전성 접착제(43)에 의한 고정 지지 후에는, 압전 진동편(32)을 구성하는 재료와, 패키지(57)를 구성하는 재료의 선팽창 계수의 상이 등에 기인하여, 기부(51)에는 잔류 응력이 존재하고 있다.

또한, 각 전극부(31-1, 31-2, 31-1, 31-2) 중, 적어도 1조의 전극부(31-1, 31-2)는 패키지 이면의 실장 단자(41, 41)와 도전 스루홀 등으로 접속되어 있다. 패키지(57)는, 압전 진동편(32)을 수용한 뒤에, 진공 중에서 투명한 유리제의 덮개(40)가 밀봉재(58)를 사용해 접합됨으로써, 진공 중에서 기밀하게 밀봉되어 있다. 이에 의해, 덮개(40)를 밀봉한 후에, 외부로부터 레이저 광을 조사하여 압전 진동편(32)의 전극 등을 트리밍하여, 주파수 조정할 수 있도록 되어 있다.

또한, 덮개(40)는 투명한 재료가 아니라, 예를 들면 코발 등의 금속판체를 심(seam) 밀봉 등으로 접합하는 구조로 해도 된다.

압전 진동편(32)은, 예를 들면 수정으로 형성되어 있고, 수정 이외에도 탄탈산 리튬, 니오브산 리튬 등의 압전 재료를 이용할 수 있다.

본 실시형태에서는, 압전 진동편(32)은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면 수정의 단결정으로부터 잘라내어지게 된다.

이 압전 진동편(32)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 기부(51)와, 이 기부(51)의 일단(도면에서 우단)으로부터 우측을 향해, 두 갈래로 나뉘어 평행하게 연장되는 1쌍의 진동 아암(35, 36)을 구비하고 있다.

각 진동 아암(35, 36)의 주면의 표리에는, 바람직하게는, 각각 길이 방향으로 연장되는 긴 홈(33, 34)을 각각 형성하고, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 이 긴 홈 내에 구동용 전극인 여진 전극(37, 38)이 설치되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 각 진동 아암(35, 36)의 선단부는, 후술하는 바와 같이, 약간 테이퍼형으로 점차 폭이 넓어지게 됨으로써, 중량 증가되어, 추의 역할을 하도록 되어 있다. 이에 의해, 진동 아암의 굴곡 진동이 되기 쉽게 되어 있다.

또, 압전 진동편(32)은, 그 기부(51)의 진동 아암을 형성한 일단으로부터, 도 1에 있어서, 소정 거리 BL2(기부 길이) 떨어진 타단(도면에서 좌단)에 있어서, 기부(51)의 폭 방향으로 연장되고, 또한 진동 아암(35, 36)의 양 외측의 위치에서, 각 진동 아암(35, 36)이 연장되는 방향(도 1에서 우측 방향)으로, 이들 진동 아암(35, 36)과 평행하게 연장되어 있는 지지용 아암(61, 62)을 구비하고 있다.

이러한 압전 진동편(32)의 음차형의 외형과, 각 진동 아암에 형성하는 긴 홈은, 각각 예컨대 수정 웨이퍼 등의 재료를 불산 용액등으로 웨트 에칭하거나, 드라이 에칭함으로써 정밀하게 형성할 수 있다.

도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 여진 전극(37, 38)은, 긴 홈(33, 34) 내와, 각 진동 아암의 측면에 형성되어, 각 진동 아암에 대해 긴 홈 내의 전극과, 측면에 설치한 전극이 쌍이 되도록 되어 있다. 그리고, 각 여진 전극(37, 38)은, 각각 인출 전극(37a, 38a)으로서, 지지용 아암(61, 62)에 둘러 설치되어 있다. 이에 의해, 압전 디바이스(30)를 실장 기판 등에 실장한 경우에, 외부로부터의 구동 전압이, 실장 단자(41)로부터, 전극부(31, 31)(31-1 및/또는 31-2, 31-1 및/또는 31-2)를 통해 압전 진동편(32)의 각 지지용 아암(61, 62)의 인출 전극(37a, 38a)에 전달되어, 각 여진 전극(37, 38)에 전달되도록 되어 있다.

그리고, 긴 홈(33, 34) 내의 여진 전극에 구동 전압이 인가됨으로써, 구동시에 각 진동 아암의 긴 홈이 형성된 영역의 내부의 전계 효율을 높일 수 있도록 되어 있다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 각 여진 전극(37, 38)은 크로스 배선에 의해, 교류 전원에 접속되어 있고, 전원으로부터 구동 전압으로서의 교번 전압이, 각 진동 아암(35, 36)에 인가되도록 되어 있다.

이에 의해, 진동 아암(35, 36)은 서로 역상 진동이 되도록 여진되어, 기본 모드, 즉 기본파에 있어서, 각 진동 아암(35, 36)의 선단측을 서로 접근·이간시키 도록 굴곡 진동되도록 되어 있다.

여기서, 예를 들면 압전 진동편(32)의 기본파는, Q값 : 12000, 용량비(C0/C1) : 260, CI값 : 57kΩ, 주파수 : 32.768kHz("킬로헤르츠". 이하 동일)이다.

또, 2차 고조파는, 예를 들면 Q값 : 28000, 용량비(C0/C1) : 5100, CI값 : 77kΩ, 주파수 : 207kHz이다.

또, 바람직하게는, 기부(51)에는, 기부(51)의 진동 아암측의 단부로부터 충분히 떨어진 위치에서, 양측 가장자리에, 기부(51)의 폭 방향의 치수를 부분적으로 축소시켜 형성한 홈부 또는 오목부(71, 72)를 형성하고 있다. 오목부(71, 72)의 깊이(도 3의 치수 q)는, 예를 들면 각각 근접하는 진동 아암(35, 36)의 외측의 측가장자리와 일치하는 정도까지 축소되면 바람직하고, 예를 들면 30㎛ 정도로 할 수 있다.

이에 의해, 진동 아암(35, 36)이 굴곡 진동할 때 진동 누설이 기부(51)측으로 새어, 지지용 아암(61, 62)에 전파되는 것을 억제하여, CI값을 낮게 억제할 수 있다.

오목부(71, 72)의 깊이 치수를 크게 하면, 진동 누설의 저감에는 유효해도, 기부(51) 자체의 강성이 필요 이상으로 저하하여, 진동 아암(35, 36)의 굴곡 진동의 안정성을 해친다.

그래서, 본 실시형태에서는, 기부(51)의 폭 방향의 중심 부근이며, 지지용 아암(61, 62)이 기부(51)에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부(53)보다도 진동 아암(35, 36) 근처의 위치에 관통구멍(80)을 형성하도록 하고 있다.

관통구멍(80)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기부(51)의 표리로 관통 하는 직사각형의 구멍이며, 구멍 형상은 이것에 한정되지 않고, 원형이나 타원, 정방형 등이어도 된다.

이에 의해, 오목부(71, 72)를 깊게 형성하는 것에 비해, 기부(51)의 강성을 크게 저하시키지 않고, 보다 한층 진동 누설을 억제하여, CI값을 저감할 수 있다.

여기서, 관통구멍(80)의 기부(51) 폭 방향의 길이 r은 50㎛ 정도가 바람직한데, 관통구멍(80)의 치수 r과 상기 오목부(71)의 깊이 q의 치수 e에 대한 비율, 즉(r+q)/e는 30% 내지 80%가 됨으로써, 진동 누설 저감과, 지지용 아암(61)을 통한 접합 부분의 영향을 저감하는 데 있어서 효과가 있다.

또, 본 실시형태에서는, 패키지 치수를 소형으로 하기 위해서, 기부(51)의 측면과 지지용 아암(61, 62)의 간격(치수 p)을 30㎛ 내지 100㎛로 하고 있다.

또, 본 실시형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 상술한 지지용 아암(61, 62)이 연장되는 부분, 즉 기부(51)의 타단부(53)(접속부)는, 진동 아암(35, 36)의 베이스부(52)보다도 충분히 떨어진 거리 BL2를 갖도록 되어 있다.

이 거리 BL2는, 바람직하게는 진동 아암(35, 36)의 아암 폭 치수 W2의 크기를 넘는 치수로 되어 있다.

즉, 음차형 진동편의 진동 아암(35, 36)이 굴곡 진동할 때, 그 진동 누설이 기부(51)를 향해 전달되는 범위는, 진동 아암(35, 36)의 아암 폭 치수 W2와 상관이 있다. 본 발명자는 이 점에 착안하여, 지지용 아암(61, 62)의 기단이 되는 부분을 적절한 위치에 설치하지 않으면 안된다는 지견을 가졌다.

그래서, 본 실시형태에서는, 지지용 아암(61, 62)의 기단이 되는 부분(53)( 접속부)에 대해, 진동 아암의 베이스부(52)를 기점으로 해서, 진동 아암의 아암 폭 치수 W2의 크기에 대응한 치수를 넘는 위치를 선택함으로써, 진동 아암(35, 36)으로터의 진동 누설이, 지지용 아암(61, 62)측으로 전파되는 것을 보다 확실히 억제하는 구조로 할 수 있는 것이다. 따라서, CI값을 억제하고, 또한 후술하는 지지용 아암의 작용 효과를 얻기 위해서는, 53의 위치를 진동 아암(35, 36)의 베이스부(즉, 기부(51)의 일단부이다)(52)의 부분로부터 상기 BL2의 거리만큼 떨어지게 하는 것이 바람직하다.

같은 이유에 의해, 오목부(71, 72)가 형성되는 부분도, 진동 아암(35, 36)의 베이스부(52)의 부분로부터 진동 아암(35, 36)의 아암 폭 치수 W2의 크기를 넘는 부분으로 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 오목부(71, 72)는, 지지용 아암(61, 62)이 기부(51)에 대해 일체로 접속되어 있는 부분을 포함해, 거기보다도 진동 아암 근처의 위치에 형성된다. 또, 바람직하게는, 오목부(71, 72)의 위치가, 상기 베이스(뿌리)의 부분로부터 상기 아암 폭 치수 W2×1.2 이상 떨어진 위치에 형성 됨으로써, 드라이브 레벨 특성을 정상적인 압전 진동편의 레벨에 적합하게 할 수 있는 것이 확인되어 있다.

또한, 지지용 아암(61, 62)은 진동에 관여하지 않기 때문에, 그 아암 폭에 특별한 조건은 없지만, 지지 구조를 확실하게 하기 위해서, 진동 아암보다도 큰 폭으로 하는 것이 바람직하다.

이렇게 해서, 본 실시형태에서는, 진동 아암의 아암 폭 W2가 40 내지 60㎛ 정도, 진동 아암끼리의 간격 MW2가 50내지 100㎛ 정도, 지지용 아암(61, 62)의 폭 을 100㎛ 정도로 함으로써, 기부(51)의 폭 BW2를 500㎛로 할 수 있어, 이것은 도 9의 압전 진동편(1)의 폭과 거의 같고, 길이는 짧아, 종래와 같은 크기의 패키지에 충분히 수용할 수 있는 것이다. 본 실시형태는, 그러한 소형화를 도모하면서, 이하와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.

도 1의 압전 진동편(32)에 있어서는, 지지용 아암(61, 62)이 패키지(57)측에 도전성 접착제(43)에 의해 접합되어 있으므로, 주위 온도의 변화나, 낙하 충격 등이 원인이 되어, 그 접합 부분에 발생한 응력 변화가, 지지용 아암(61, 62)의 접합부분으로부터, 기부(51)의 타단부(53)까지의 굴곡한 거리와, 또한 거리 BL2를 넘는 기부(51)의 길이만큼의 거리를 사이에 두어 진동 아암(35, 36)에 영향을 주는 일은 거의 없고, 이 때문에 특히 온도 특성이 양호해진다.

게다가, 이와는 반대로 굴곡 진동하는 진동 아암(35, 36)으로부터의 진동 누설은, 기부(51)를 사이에 둔 지지용 아암(61, 62)에 달할 때까지 거리 BL2를 넘는 기부(51)의 소정 길이를 사이에 두고 있으므로, 거의 미치는 일이 없다.

여기서, 기부(51)의 길이가 극단적으로 짧으면, 굴곡 진동의 누설된 성분이 지지용 아암(61, 62)의 전체로 확산되어, 제어가 곤란해지는 사태를 생각할 수 있으나, 본 실시형태에서는 그러한 사태가 충분히 회피된다.

그리고, 이러한 작용을 얻을 수 있고, 또한, 지지용 아암(61, 62)은, 도시한 바와 같이, 기부(51)의 타단부(53)(접속부)로부터 폭 방향으로 연장되고, 진동 아암(35, 36)의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 구성으로 했으므로, 전체의 크기를 콤팩트하게 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 지지용 아암(61, 62)의 선단이, 진동 아암(35, 36)의 선단보다도 기부(51) 근처가 되도록 형성되어 있다. 이 점에서도, 압전 진동편(32)의 크기를 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 도 9의 구성과 비교해 용이하게 알 수 있듯이, 도 9에서는, 서로 접근한 인출 전극(5)과 인출 전극(6)에, 도전성 접착제(7, 8)를 도포하여 접합하는 구조이므로, 이들이 접촉하지 않도록, 단락을 피해 대단히 좁은 범위에 접착제를 도포(패키지측)하거나, 접합 후에도 경화 전에 접착제가 흘러 단락하지 않도록 하면서 접합 공정을 실행하지 않으면 안되어, 용이한 공정은 아니었다.

이에 비해, 도 1의 압전 진동편(32)에서는, 서로 패키지(57)의 폭 방향 전체만큼 떨어진 지지용 아암(61, 62)의 각각의 중간 부근에 대응하는 전극부(31-1, 31-2)에 도전성 접착제(43, 43)를 도포하면 되므로, 상술한 바와 같은 곤란함이 거의 없고, 또한 단락의 염려도 없는 것이다.

도 6은, 본 실시형태의 압전 진동편(32)의 온도 특성으로서, 온도-CI값 특성을 도시하고 있다.

도시한 바와 같이, 도 6의 온도-CI값 특성에 대해서는, 도 10과 비교하면 용이하게 알 수 있듯이, 대단히 양호해져 있다.

다음에, 본 실시형태의 압전 진동편(32)의 바람직한 상세 구조에 관해, 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명한다.

도 3에 도시한 압전 진동편(32)의 각 진동 아암(35, 36)은 같은 형상이므로, 진동 아암(36)에 관해 설명하면, 기부(51)로부터 각 진동 아암이 연장되는 기 단부(T)에서는 진동 아암 폭이 가장 넓다. 그리고, 진동 아암(36)의 베이스부인 이 T의 위치로부터 진동 아암(36)의 선단측으로 약간의 거리만큼 떨어진 U의 부분의 사이에서, 급격하게 폭이 축소되는 제1 협폭부(TL)가 형성되어 있다. 그리고 제1 협폭부(TL)의 종단인 U의 위치로부터, 진동 아암(36)의 더욱 선단측을 향해서 P의 위치까지, 즉 진동 아암에 대해, CL의 거리에 걸쳐, 서서히 연속적으로 폭이 축소되는 제2 협폭부가 형성되어 있다.

이 때문에, 진동 아암(36)은 기부에 가까운 베이스 부근이, 제1 협폭부(TL)를 형성함으로써, 높은 강성을 구비하도록 되어 있다. 또, 제1 협폭부의 종단 U로부터 선단을 향함에 따라, 제2 협폭부(CL)를 형성함으로써, 연속적으로 강성이 낮아지도록 되어 있다. P의 부분은 아암 폭의 변경점 P이고, 진동 아암(36)의 형태 상 잘록한 위치이므로, 잘록한 위치 P로 표현할 수도 있다. 진동 아암(36)에 있어서는, 이 아암 폭의 변경점 P보다도 더욱 선단측은, 아암 폭이 같은 치수로 연장되거나, 바람직하게는 도시한 바와 같이 서서히 약간 확대되고 있다.

여기서, 도 3의 긴 홈(33, 34)이 길수록, 진동 아암(35, 36)을 형성하는 재료에 대해 전계 효율이 향상한다. 여기서, 진동 아암의 전체길이 b에 대해, 긴홈(33, 34)의 기부(51)로부터의 길이 j가, 적어도 j/b=0.7 정도까지는, 길게 할 수록 음차형 진동편의 CI값은 내려가는 것을 알 수 있다. 이 때문에, j/b=0.5 내지 0.7인 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 도 3에 있어서, 진동 아암(36)의 전체길이 b는, 예컨대 1200㎛ 정도이다.

또, 긴 홈의 길이를 적절히 길게 하여, 충분히 CI값의 억제를 도모하도록 한 경우, 다음에 압전 진동편(32)의 CI값 비(고조파의 CI값/기본파의 CI값)가 문제가 된다. 즉, 기본파의 CI값이 저감됨과 동시에, 고조파의 CI값도 억제되어, 이 고조파의 CI값이 기본파의 CI값보다도 작아지면, 고조파에 의해 발진하기 쉬워진다.

그래서, 긴 홈을 길게 하여 CI값을 낮게 할 뿐만 아니라, 또한, 아암 폭의 변경점 P에 대해서도 진동 아암의 선단 근처에 설치함으로써, CI값을 저감하면서, 또한 CI값 비(고조파의 CI값/기본파의 CI값)를 크게 할 수 있다.

즉, 진동 아암(36)에서는 그 뿌리 부분, 즉 베이스 부근이, 제1 협폭부(TL)에 의해 강성이 강화되어 있다. 이에 의해, 진동 아암의 굴곡 진동을 한층 더 안정시킬 수 있어, 관통구멍(80)을 형성한 것과 더불어, CI값의 억제를 도모할 수 있다.

게다가, 제2 협폭부(CL)를 형성함으로써, 진동 아암(36)은, 그 베이스 부근으로부터 선단측을 향해, 아암 폭의 변경점인 잘록한 위치 P까지, 서서히 강성이 저하하여 잘록한 위치 P로부터 더욱 선단측에서는, 긴 홈(34)이 없고, 아암 폭을 서서히 확대시키고 있으므로, 강성은 선단측으로 감에 따라 높아지고 있다.

이 때문에, 2차 고조파에 있어서의 진동시의 진동의 「절(節)」을, 진동 아암(36)의 보다 선단측에 위치시킬 수 있는 것으로 생각되며, 이에 의해, 긴 홈(34)을 길게 하여 압전 재료의 전계 효율을 올려 CI값을 상승시켜도, 기본파의 CI값을 억제하면서, 2차 고조파의 CI값의 저하를 초래하는 일이 없도록 할 수 있다. 이것으로부터, 도 3에 도시한 바와 같이, 바람직하게는 아암 폭의 변경점 P를 긴 홈의 선단부보다도, 진동 아암의 선단측에 설치함으로써, 거의 확실하게 CI값 비를 크게 하여, 고조파에 의한 발진을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명자의 연구에 의하면, 진동 아암의 전체길이 b에 대해, 긴 홈(33, 34)의 기부(51)로부터의 길이를 j로 했을 때의, 상기 j/b와, 진동 아암(36)의 최대폭/최소폭의 값인 아암 폭 축소율 M과, 이들에 대응한 CI값 비(=제2 고조파의 CI값/기본파의 CI값)와는 상관이 있다.

상기 j/b= 61.5%로 한 경우, 진동 아암(36)의 최대폭/최소폭의 값인 아암 폭 축소율 M을 1.06보다도 크게 함으로써, CI값 비를 1보다 크게 할 수 있어, 고조파에 의한 발진을 방지할 수 있는 것이 확인되어 있다.

이렇게 하여, 전체를 소형화하더라도, 기본파의 CI값을 낮게 억제할 수 있어, 드라이브 특성이 악화하지 않는 압전 진동편을 제공할 수 있다.

다음에, 압전 진동편(32)의 더욱 바람직한 구조에 관해 설명한다.

도 4의 치수 x로 나타내는 웨이퍼 두께, 즉 압전 진동편을 형성하는 수정 웨이퍼의 두께는 70㎛ 내지 130㎛가 바람직하다.

도 3의 치수 a로 나타내는 압전 진동편(32)의 전체길이는 1300㎛ 내지 1600㎛ 정도이다. 진동 아암의 전체길이인 치수 b는 1100 내지 1400㎛로 하고, 압전 디바이스(30)의 전체 폭 d는 400㎛ 내지 600㎛로 하는 것이, 압전 디바이스의 소형화에 있어서 바람직하다. 이 때문에, 음차 부분의 소형화를 위해서는, 기부(51)의 폭 치수 e는 200 내지 400㎛, 지지 아암의 폭 f는 30 내지 100㎛로 하는 것이 지지효과를 확실히 하는 데 있어서 필요하다.

또, 도 3의 진동 아암(35와 36) 사이의 치수 k는, 50 내지 100㎛로 하는 것 이 바람직하다. 치수 k가 50㎛보다 적으면, 압전 진동편(32)의 외형을, 후술하는 바와 같이, 수정 웨이퍼를 웨트 에칭에 의해 관통시켜 형성하는 경우에, 에칭 이방성에 의한 이형부, 즉 도 4의 부호 81로 나타낸 진동 아암 측면에 있어서의 +X축 방향으로의 필레(fillet)형 볼록부를 충분히 작게 하는 것이 곤란해진다. 치수 k가 1OO㎛ 이상이 되면, 진동 아암의 굴곡 진동이 불안정해질 우려가 있다.

또한, 도 4의 진동 아암(35)(진동 아암(36)도 동일)에 있어서의 긴 홈(33)의 외측 가장자리와 진동 아암의 외측 가장자리의 치수 m1, m2는, 모두 3 내지 15㎛로 하면 된다. 치수 m1, m2는 15㎛ 이하로 함으로써 전계 효율이 향상하고, 3㎛ 이상으로 함으로써 전극의 분극이 확실히 행해지는 데 유리하다.

도 3도의 진동 아암(36)에 있어서, 제1 협폭부(TL)의 폭 치수 n이 11㎛ 이상이면, CI값의 억제에 확실한 효과를 기대할 수 있다.

도 3의 진동 아암(36)에 있어서, 아암 폭의 변경점 P보다도 선단측이 확대되어 있는 확대 정도가, 진동 아암(36)의 아암 폭이 최소로 되어 있는 부분인 이 아암 폭의 변경점 P의 부분의 폭에 대해, 0내 지 20㎛ 정도의 증가로 하는 것이 바람직하다. 이것을 초과해 폭이 확대되면, 진동 아암(36)의 선단부가 너무 무거워져, 굴곡 진동의 안정성을 손상시킬 우려가 있다.

또, 도 4에 있어서의 진동 아암(35)(진동 아암(36)도 동일)의 외측의 일측면에, +X축 방향으로 필레형으로 돌출하는 이형부(81)가 형성되어 있다. 이것은, 압전 진동편을 웨트 에칭하여 외형 형성할 때, 수정의 에칭 이방성에 의해 에칭 나머지로서 형성되는 것인데, 바람직하게는 불산과 불화암모늄에 의한 에칭액 중에서 9 시간 내지 11시간 에칭함으로써, 이 이형부(81)의 돌출량 v를 5㎛ 이내로 저감하는 것이, 전계 효율을 향상시켜 낮은 CI값으로 하는 데 있어서 바람직하다.

도 4의 치수 g로 나타낸 긴 홈의 폭 치수는, 진동 아암의 이 긴 홈이 형성되어 있는 영역에서, 진동 아암의 아암 폭 C에 대해, 60 내지 90% 정도로 하는 것이 바람직하다. 진동 아암(35, 36)에는, 제1 및 제2 협폭부가 형성되어 있으므로, 아암 폭 C는 진동 아암의 길이 방향의 1보다 다르지만, 진동 아암의 최대 폭에 대해, 긴 홈의 폭 g는 60 내지 90% 정도가 된다. 이것보다 긴 홈의 폭이 작아지면, 전계 효율이 내려가서 CI값의 상승으로 연결된다.

또, 긴 홈(33, 34)의 기부(51)측 단부의 위치는, 도 3에 있어서 진동 아암(35, 36)의 베이스, 즉 T의 위치와 같거나, 그것보다 약간 진동 아암 선단측으로서, 제1 협폭부(TL)가 존재하는 범위 내인 것이 바람직하고, 특히 T의 위치보다도 기부(51)의 기단측으로 들어가지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 도 4의 기부(51)의 전체길이 h는, 압전 진동편(32)의 전체길이 a에 대해, 종래 30% 정도였던 것이, 본 실시형태는, 오목부의 채용 등에 의해 15 내지 25 % 정도로 할 수 있어, 소형화를 실현하고 있다.

도 5는, 본 실시형태의 압전 진동편(32)을 이용하여 압전 발진기를 구성하는 경우의 발진 회로의 예를 도시한 회로도이다.

발진 회로(91)는, 증폭 회로(92)와 귀환 회로(93)를 포함하고 있다.

증폭 회로(92)는, 증폭기(95)와 귀환 저항(94)을 포함하여 구성되어 있다. 귀환 회로(93)는 드레인 저항(96)과, 콘덴서(97, 98)와, 압전 진동편(32)을 포함하 여 구성되어 있다.

여기서 도 5의 귀환 저항(94)은, 예를 들면 10MΩ(메가옴) 정도, 증폭기(95)는 CMOS 인버터를 사용할 수 있다. 드레인 저항(96)은, 예를 들면 200 내지 900kΩ(킬로옴), 콘덴서(97)(드레인 용량)와, 콘덴서(98)(게이트 용량)는 각각 10내지 22 pF(피코패러드)로 할 수 있다.

(압전 디바이스의 제조 방법)

다음에, 도 7의 흐름도를 참조하면서, 상술한 압전 디바이스의 제조 방법의 일례를 설명한다.

압전 디바이스(30)의 압전 진동편(32)과, 패키지(57)와, 덮개(40)는 각각 따로따로 제조 된다.

(덮개 및 패키지의 제조 방법)

덮개(40)는, 예를 들면 소정의 크기의 유리판을 절단하여, 패키지(57)를 밀봉하기에 적합한 크기의 덮개로서 준비된다.

패키지(57)는, 상술한 바와 같이, 산화알루미늄질의 세라믹 그린 시트를 성형하여 형성되는 복수의 기판을 적층한 뒤, 소결하여 형성되어 있다. 성형시에는, 복수의 각 기판은, 그 내측에 소정의 구멍을 형성함으로써, 적층한 경우에 내측에 소정의 내부 공간(S)을 형성한다.

(압전 진동편의 제조 방법)

우선, 압전 기판을 준비하고, 1개의 압전 기판으로부터 소정 수의 압전 진동편에 대해, 동시에 그 외형을 에칭에 의해 형성한다(외형 에칭).

여기서, 압전 기판은, 압전 재료 중 예를 들면 압전 진동편(32)을 복수 또는 다수 분리할 수 있는 크기의 수정 웨이퍼가 사용된다. 이 압전 기판은 공정의 진행에 따라 도 3의 압전 진동편(32)을 형성하므로, 도 3에 도시한 X축이 전기축, Y축이 기계축 및 Z축이 광축이 되도록, 압전 재료, 예를 들면 수정의 단결정으로부터 잘라내어지게 된다. 또, 수정의 단결정으로부터 잘라낼 때, 상술한 X축, Y축 및 Z축으로 이루어지는 직교 좌표계에 있어서, Z축을 중심으로 시계 방향으로 0도 내지 5도(도 8의 θ)의 범위에서 회전하여 잘라낸 수정 Z판을 소정의 두께로 절단 연마하여 얻어진다.

외형 에칭에서는, 도시 생략한 내식막(耐蝕膜) 등의 마스크를 사용해, 압전 진동편의 외형으로부터 외측의 부분으로서 노출된 압전 기판에 대해, 예를 들면 불산 용액을 에칭액으로 해서, 압전 진동편의 외형의 에칭을 행한다. 내식막으로서는, 예를 들면 크롬을 하지(下地)로 해서, 금을 증착한 금속막 등을 사용할 수 있다. 이 에칭 공정은, 웨트 에칭으로, 불산 용액의 농도나 종류, 온도 등에 따라 변화한다.

여기서, 외형 에칭 공정에서의 웨트 에칭에서는, 도 3에 도시한 기계축 X, 전기축 Y, 광학축 Z에 대해, 에칭의 진행 상 다음과 같은 에칭 이방성을 나타낸다.

즉, 압전 진동편(32)에 대해, 그 X-Y 평면 내에서의 에칭 레이트에 대해서는, +X 방향에서 이 X축에 대해 120도의 방향, 및 -120도의 방향의 면 내에서 에칭의 진행이 빠르고, -X 방향에서 X축에 대해 +30도의 방향, 및 -30도의 방향의 내면의 에칭의 진행이 늦어진다.

동일하게, Y방향의 에칭의 진행은, +30도 방향 및 -30도 방향이 빨라지고, +Y 방향에서, Y축에 대해 +120도 방향, 및 -120도 방향이 늦어진다.

이러한 에칭 진행 상의 이방성에 의해, 압전 진동편(32)에서는, 도 4의 부호81로 표시되어 있는 바와 같이, 각 진동 아암의 외측 측면에, 필레형으로 돌출한 이형부가 형성된다.

그러나 본 실시형태에서는, 에칭액으로서, 불산 및 불화암모늄을 사용해, 충분한 시간, 즉 9시간 내지 11시간이라는 충분한 시간에 걸쳐 에칭을 행함으로서, 도 4에서 설명한 이형부(81)를 대단히 작게 할 수 있다(ST11).

이 공정에서, 압전 진동편(32)의 오목부(71, 72)를 포함하는 외형 뿐만 아니라, 관통구멍(80)도 동시에 형성되어, 종료시에는 수정 웨이퍼에 대해, 각각 가는 연결부로 기부(51) 부근이 접속된 다수의 압전 진동편(32)의 외형 완성 상태의 것이 얻어진다.

(홈 형성을 위한 하프 에칭 공정)

다음에, 도시 생략한 홈 형성용 레지스트에 의해, 도 4에 도시한 형태가 되도록, 각 긴 홈을 사이에 끼는 양측의 벽부를 남기도록 하여, 홈을 형성하지 않는 부분에 내식막을 남기고, 외형 에칭과 같은 에칭 조건으로, 각 진동 아암(35, 36)의 표면과 이면을, 각각 웨트 에칭함으로써 긴 홈에 대응한 저부를 형성한다(ST12).

여기서 도 4를 참조하면, 부호 t로 나타낸 홈 깊이는, 전체 두께 x에 대해 30 내지 45% 정도가 된다. t에 대해, 전체 두께 x의 30% 이하이면, 전계 효율을 충분히 향상시킬 수 없는 경우가 있다. 45% 이상이면, 강성이 부족하여 굴곡 진동에 악영향을 주거나, 강도가 부족한 경우가 있다.

또한, 상기 외형 에칭 및 홈 에칭은, 그 한쪽 또는 양쪽을 드라이 에칭에 의해 형성해도 된다. 그 경우에는, 예를 들면 압전 기판(수정 웨이퍼) 상에, 압전 진동편(32)의 외형이나, 외형 형성 후에는 긴 홈에 상당하는 영역을, 그 때마다 메탈 마스크를 배치하여 덮는다. 이 상태에서, 예를 들면 도시 생략한 챔버 내에 수용하여, 소정의 진공도로 에칭 가스를 공급하여, 에칭 플라즈마를 생성해 드라이 에칭할 수 있다. 즉, 진공 챔버(도시 생략)에는, 예를 들면 프레온 가스 봄베와 산소 봄베가 접속되고, 또한 진공 챔버에는 배기관이 설치되어, 소정의 진공도로 진공화되도록 되어 있다.

진공 챔버 내가, 소정의 진공도로 진공 배기되어, 프레온 가스와, 산소 가스가 보내어지고, 그 혼합 가스가 소정의 기압이 될 때까지 충전된 상태에서, 직류 전압이 인가되면 플라즈마가 발생한다. 그리고, 이온화된 입자를 포함하는 혼합 가스는, 메탈 마스크로부터 노출된 압전 재료에 접촉한다. 이 충격에 의해, 물리적으로 깎아내어지고 비산하여 에칭이 진행된다.

(전극 형성 공정)

다음에, 증착 또는 스퍼터링 등에 의해, 전극이 되는 금속, 예를 들면 금을 전체면에 피복하고, 이어서 전극을 형성하지 않는 부분을 노출한 레지스트를 사용해, 포토리소그래피 수법에 의해, 도 1 및 도 4에서 설명한 구동용 전극을 형성한다(ST13). 그 후, 각 진동 아암(35, 36)의 선단부에는, 스퍼터링이나 증착에 의 해, 추 부착 전극(금속 피막)(21, 21)이 형성된다(ST14). 추 부착 전극(21, 21)은 통전되어 압전 진동편(32)의 구동에 사용되는 것이 아니라, 후술하는 주파수 조정에 이용된다.

이어서, 웨이퍼 상에서, 주파수의 러프한 조정이 행해진다(ST15). 러프한 조정은, 추 부착 전극(21, 21)의 일부를 레이저 광 등의 에너지 빔을 조사함으로써, 부분적으로 증산(蒸散)시켜, 질량 삭감 방식에 의한 주파수 조정이다.

계속해서, 상기한 웨이퍼에 대한 가는 연결부를 부러뜨려, 압전 진동편(32)을 개개로 형성하는 개편으로 한다(ST16).

다음에, 도 1에서 설명한 바와 같이, 패키지(57)의 각 전극부(31-1, 31-2, 31-1, 31-2)에 도전성 접착제(43, 43, 43, 43)를 도포하고, 그 위에 지지용 아암(61, 62)을 재치하고 접착제를 가열·경화시킴으로써, 패키지(57)에 대해 압전 진동편(32)을 접합한다(ST17).

또한, 이 도전성 접착제(43)로서는, 예를 들면 합성수지 등을 이용한 바인더 성분에, 은 입자 등의 도전 입자를 혼입한 것으로, 기계적 접합과 전기적 접속을 동시에 행할 수 있는 것이다.

계속해서, 덮개(40)가 금속제 등의 불투명한 재료로 형성되어 있는 경우에는, 도 2에서 설명한 관통구멍(27)은 형성되어 있지 않다. 그리고, 압전 진동편(32)에 대해 구동 전압을 인가하여, 주파수를 보면서, 예를 들면 레이저 광을 압전 진동편(32)의 진동 아암(35) 및/또는 진동 아암(36)의 추 부착 전극(21)의 선단측에 조사하여, 질량 삭감 방식에 의해 미세 조정으로서의 주파수 조정을 행한다 (ST18-1).

이어서, 진공 중에서 행하는 심 용접 등에 의해 덮개(40)를 패키지(57)에 접합하고(ST19-1), 필요한 검사를 거쳐 압전 디바이스(30)가 완성된다.

또는, 패키지(57)를 투명한 덮개(40)로 밀봉하는 경우에는, 압전 진동편(32)의 ST17에 있어서의 접합 후에, 당해 덮개(40)를 패키지(57)에 접합한다(ST18-2).

이 경우, 예를 들면 저융점 유리 등을 가열하여, 덮개(40)를 패키지(57)에 접합하는 가열 공정이 행해지는데, 이 때 저융점 유리나 도전성 접착제 등으로부터 가스가 생성된다. 그래서, 가열에 의해 이러한 가스를 도 2에서 설명한 관통구멍(27)으로부터 배출하고(탈 가스), 그 후 진공 중에서 단부(段部)(29)에 금 주석, 보다 바람직하게는, 금 게르마늄 등으로 이루어지는 금속 구체나 팰릿을 배치하여, 레이저 광 등을 조사함으로써 용융한다. 이에 의해 도 2의 금속 충전재(28)가 관통구멍(27)을 기밀하게 밀봉한다(ST19-2).

이어서, 도 2에서 도시한 바와 같이, 붕규산 유리 등으로 이루어지는 투명한 덮개(40)를 투과시키도록 외부로부터 레이저 광을 압전 진동편(32)의 진동 아암(35) 및/또는 진동 아암(36)의 추 부착 전극(21)의 선단측에 조사하여, 질량 삭감 방식에 의해 미세 조정으로서의 주파수 조정을 행한다(ST20-2). 이어서, 필요한 검사를 거쳐 압전 디바이스(30)가 완성된다.

본 발명은 상술하는 실시형태에 한정되지 않는다. 실시형태나 변형예의 각 구성은 이들을 적절하게 조합하거나 생략하여, 도시 생략한 다른 구성과 조합할 수 있다.

또, 본 발명은, 상자형의 패키지에 압전 진동편을 수용한 것에 한정되지 않고, 실린더형의 용기에 압전 진동편을 수용한 것, 압전 진동편을 자이로 센서로서 기능하도록 한 것, 또한, 압전 진동자, 압전 발진기 등의 명칭에 관계없이, 압전 진동편을 이용한 모든 압전 디바이스에 적용할 수 있다. 또한, 압전 진동편(32)에서는, 1쌍의 진동 아암을 형성하고 있는데, 이에 한정되지 않고, 진동 아암은 3개여도, 4개 이상이어도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 진동 누설을 방지하여, 고정부의 악영향을 받지 않도록 하여 내충격성을 향상시키고, 고정 소형화를 진행시키는 데 있어서, 온도 특성이 양호한 압전 진동편과, 압전 디바이스를 얻을 수 있다.

Claims

압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 기부(基部)와,

상기 기부의 일단측으로부터 연장되는 복수의 진동 아암과,

상기 기부의 상기 일단측에서 소정 거리만큼 떨어진 부분으로부터 폭방향으로 연장되고, 또한 상기 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 지지용 아암과,

상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에서, 상기 압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 상기 기부의 양측면에, 상기 기부의 폭 방향을 축소시켜 형성한 오목부를 구비하고,

상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 관통구멍을 더 형성한 것을 특징으로 하는 압전 진동편(振動片).
청구항 1에 있어서, 상기 오목부가, 상기 각 진동 아암의 베이스로부터 상기 아암 폭 치수의 1.2배 이상의 거리를 두고 상기 기부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 각 진동 아암의 측면에, +X축(기계축) 방향으로 돌출하는 이형부(異形部)가 최소가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 지지용 아암의 선단이, 상기 진동 아암의 선단보다도 상기 기부 근처가 되도록, 상기 지지용 아암의 길이가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 각 진동 아암의 길이 방향을 따라 형성된 긴 홈과,

상기 긴 홈에 형성한 구동용 전극을 구비하고 있고,

상기 각 진동 아암의 폭 치수가, 상기 기부측으로부터 선단측을 향해, 서서히 축소되는 협폭부를 가짐과 더불어,

상기 선단측에는 상기 폭 치수가, 선단측을 향해 같은 치수로 연장되거나, 또는 증가로 바뀌는 폭 변화의 변경점 P가 있고,

상기 변경점 P를, 상기 긴 홈의 선단부보다도 더욱 진동 아암 선단측에 위치시키도록 한 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 5에 있어서, 상기 각 진동 아암의 폭 치수가, 상기 진동 아암의 상기 기부에 대한 베이스 부분에서, 선단측을 향해 급격하게 축소되는 제1 협폭부와, 이 제1 협폭부의 종단으로부터, 상기 협폭부로서, 더욱 선단측을 향해, 서서히 폭이 축소되는 제2 협폭부를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 5에 있어서, 상기 진동 아암의 폭 축소율로서의 최대폭/최소폭=M의 값이, 상기 진동 아암의 아암 길이에 대한 상기 긴 홈의 길이의 비율=N과의 관계로 결정되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
청구항 7에 있어서, 상기 N을 61% 정도로 한 경우에, 상기 M을 1.06 이상으로 한 것을 특징으로 하는 압전 진동편.
패키지 또는 케이스 내에 압전 진동편을 수용한 압전 디바이스로서,

상기 압전 진동편이,

압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 기부와,

상기 기부의 일단측으로부터 연장되는 복수의 진동 아암과,

상기 기부의 상기 일단측에서 소정 거리만큼 떨어진 부분으로부터 폭방향으로 연장되고, 또한 상기 진동 아암의 외측에서, 이 진동 아암과 같은 방향으로 연장되는 지지용 아암과,

상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에서, 상기 압전 재료에 의해 형성된 소정 길이의 상기 기부의 양측면에, 상기 기부의 폭 방향을 축소시켜 형성한 오목부를 구비하고,

상기 지지용 아암이 상기 기부에 대해 일체로 접속되어 있는 접속부보다도 상기 진동 아암 근처의 위치에, 관통구멍을 더 형성한 것을 특징으로 하는 압전 디바이스.