WO2005096493A1 - 水晶振動子の製造方法及び水晶振動子 - Google Patents

水晶振動子の製造方法及び水晶振動子 Download PDF

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Abstract

 水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定化させることができる水晶振動子の製造方法及び水晶振動子を提供する。  エッチング加工によって水晶振動片を所定形状に加工する水晶エッチング工程S1と、水晶振動片に電極を形成する電極膜形成工程S2と、水晶振動片を振動子パッケージに実装する水晶搭載工程S3と、実装された水晶振動片を駆動して漏れ振動を検出し、この検出された漏れ振動にもとづいて、水晶振動片の一部に対する除去加工を行なう漏れ振動調整工程S4と、除去加工の行なわれた水晶振動片を再度エッチングする再エッチング工程S6と、を有する方法としてある。

Description

明 細 書
水晶振動子の製造方法及び水晶振動子
技術分野
[0001] 本発明は、水晶振動子の製造方法及び水晶振動子に関し、特に、振動子パッケ一 ジに実装された水晶振動片に対して、その一部の除去加工が行なわれた水晶振動 片を、振動子パッケージに実装した状態で再度エッチングすることにより、除去加工 によって劣化した温度ドリフト特性を復元する水晶振動子の製造方法及び水晶振動 子に関する。
背景技術
[0002] 水晶振動子の一つである振動ジャイロは、航空機,車両等の移動体の姿勢制御装 置, 自動車のナビゲーシヨンシステム,ビデオカメラの手振れ検出装置等に使用され ている。
この振動ジャイロには、一般的に、二脚又は三脚の音叉型水晶ジャイロ (適宜、振 動ジャイロと略称する。 )がある。
二脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動用圧電素子の設けられた第一の振動体と、検 出用圧電素子の設けられた第二の振動体とからなつており、三脚の音叉型水晶ジャ イロは、駆動用圧電素子の設けられた第一および第二の振動体と、検出用圧電素子 の設けられた第三の振動体とからなつて 、る。
[0003] たとえば、二脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動電極の設けられた振動体 (駆動脚) を励振させることにより、検出電極の設けられた振動体 (検出脚)を励振方向と同一 方向に共振させる。この二脚音叉型水晶振動片をパッケージに収納して構成した水 晶振動子が回転すると、検出電極の設けられた振動体が回転により受けるコリオリカ によって、励振方向と直交する方向に振動し、この振動を検出電極で検出することに よって、水晶振動子が回転する角速度を検出することができる。
[0004] また、上記振動ジャイロは、角速度を積分することによって回転した角度を算出する ため、角速度の誤差が累積し、この累積された誤差が角度における誤差となる。した がって、振動ジャイロの測定精度を向上させるためには、角速度の誤差を低減する 必要がある。
角速度の誤差を生じる第一の要因として、水晶振動片の加工方法があげられる。 一般的に、水晶振動片は、耐食膜パターンを形成した平板状の水晶板にウエットエツ チング加工を施し、耐食膜パターンに一致した所望の形状の振動片を作るが、水晶 にはエッチング異方性があり、ウエットエッチングの際、耐食膜パターン通りの形状に は加工できず、エッチングされた端面の一部にはエッチング残渣が残ってしまう。音 叉型水晶振動子の場合は、このエッチング残渣が振動体の励振方向と一致する側 に残るため、振動体が励振方向へ振動するのを妨げてしまう。これにより、水晶振動 子が回転していない状態においては、振動体が励振方向に直線的に振動せず、楕 円軌跡を描きながら振動するため、この振動成分をコリオリカによる振動として検出し てしまうことがある。
上記要因に対して、振動体を一方向に振動させる技術が様々開発されてきた。
[0005] たとえば、特許文献 1には、振動ジャイロである角速度センサに、角速度を付与しな V、状態で、第一の振動体ある!/、は第二の振動体における駆動電極に交流電圧を印 加し、このときの検出電極力もの出力信号がほぼ零となるように、第一の振動体ある いは第二の振動体における稜線 (角部)に、研磨材を埋め込んだテープを摺動させ て研削部を設ける角速度センサの特性調整方法の技術が開示されている。
この技術を用いると、振動体の稜線に表面粗さが 2 m以下の研削部を設けること ができ、各振動体のバランスを厳密に釣り合わせることが可能となり、角速度を付与し ない状態での出力信号をほぼ零に近づけることができる。
[0006] また、角速度の誤差を生じる第二の要因としては、温度変化があげられる。水晶振 動子を回転させずに、所定の温度 (一般的に、常温)で各振動体のバランスを厳密に 釣り合わせ、各振動体を一方向に振動させたとしても、温度が変化すると、楕円軌跡 を描きながら振動し、この振動成分をコリオリカによる振動として検出してしまう。 なお、温度変化によって、出力値が変化する特性を温度ドリフト特性といい、上記 第二の要因は、水晶振動片に起因する温度ドリフト特性であり、この温度ドリフト特性 を安定させる必要がある。ただし、この温度ドリフト特性が発生するメカニズムは、技 術的に解明されておらず、また、温度ドリフト特性を向上させる技術も存在していなか つた o
特許文献 1:特開 2002— 243451号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] しかしながら、特許文献 1に開示された角速度センサの特性調整方法の技術、すな わち、各振動体に対し研磨等の機械的な除去加工を行ない、各振動体のバランスを 厳密に釣り合わせる技術では、上記水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定 させることができな!/、と 、つた問題があった。
[0008] 本発明は、上記問題を解決すベぐ水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定 ィ匕させることができる水晶振動子の製造方法及び水晶振動子の提供を目的とする。
[0009] なお、本発明者らは、振動ジャイロの測定精度を高めることを目的として、鋭意研究 開発に取り組むことにより、水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定化させる 方法を、技術的に確立することに成功したものである。
課題を解決するための手段
[0010] この目的を達成するために、本発明の水晶振動子の製造方法は、エッチング加工 によって水晶振動片を所定形状に加工する外形エッチング工程と、所定形状に加工 した前記水晶振動片に電極を形成する電極形成工程と、前記電極を形成した水晶 振動片を振動子パッケージに実装する実装工程と、この実装工程にぉ 、て実装され た前記水晶振動片を駆動して漏れ振動を検出し、この検出された漏れ振動にもとづ いて、前記水晶振動片に対してその一部の除去加工を行なう漏れ振動調整工程と、 前記除去加工の行なわれた水晶振動片を再度エッチングする再エッチング工程と、 を有する方法としてある。
このようにすると、水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定化させることができ る。
[0011] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記再エッチング工程において、前記 水晶振動片を前記振動子パッケージとともにエッチング液に浸漬する方法としてある
[0012] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記漏れ振動調整工程において、前 記再エッチング工程における漏れ調整量を見込んで、目標値に達する前に機械的 除去加工を終了する一次漏れ調整を行ない、さらに、前記再エッチング工程におい て、前記目標値に達するまで前記水晶振動片をエッチングする二次漏れ調整を行な う方法としてある。
このよう〖こすると、再エッチング工程において、効率よく漏れ調整を行なうことができ 、また、目標値をオーバーしてエッチングしてしまうといった不具合を防止することが できる。
[0013] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記再エッチング工程において、前記二 次漏れ検出を行った後に、前記水晶振動片を微少量だけ更に除去加工する微少量 除去加工工程を有する方法としてある。
このように、再エッチング工程において、二次漏れ調整を行った後に、水晶振動片 を微少量だけ更に除去加工すると、水晶振動片のバランスを厳密につりあわせること ができる。
[0014] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記微少量除去加工を行った後に、前 記水晶振動片を洗浄するための洗浄工程を有する方法としてある。
このように、微少量除去加工を行った後に、水晶振動片を洗浄すると、除去加工時 に発生した除去屑を効果的に取り除くことができる。
[0015] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記漏れ振動調整工程において、前 記水晶振動片に対して機械的な除去加工を行なう方法としてある。
このように、機械的に除去すると効率的に除去作業を行うことができる。
[0016] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記漏れ振動調整工程において、前 記水晶振動片に対してレーザーによる除去加工を行なう方法としてある。
このように、レーザーを用いて除去力卩ェを行うと、微少な除去を行うことができ る。
[0017] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記漏れ振動調整工程における前記 水晶振動片に対する除去加工を、前記水晶振動片の駆動電極を備えた駆動脚に対 して行なうようにしてある。特に、前記除去加工を駆動脚の角部に対し行なうようにし てある。 このように、除去加工を駆動脚、特に、その角部に対して行うと、微調整が容易とな る。
[0018] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記水晶振動片及び前記振動子パッ ケージの一部を榭脂封止してから、前記エッチング液に浸漬する方法としてある。 このようにすると、エッチング液の浸漬カも効果的に保護することができるので、たと えば、上記部分がエッチング液に腐食されるといった不具合を防止することができる
[0019] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記エッチング液を、フッ化水素酸又 はフッ化水素酸を主成分とした液とした方法としてあり、このようにすると、水晶振動片 を効率よくエッチング成形することができる。
さらに、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記フッ化水素酸を主成分とした液 を、フッ化水素酸にフッ化アンモ-ゥムを混合した液とした方法としてあり、このように すると、エッチング液の能力(エッチングレート)を安定させることができる。
[0020] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記実装工程において、接着剤,ワイ ヤー,導電性接着剤及び Z又はボールバンプを使用して、前記水晶振動片を前記 振動子パッケージに実装する方法としてある。
このようにすると、水晶振動片を振動子パッケージに効率よく実装することができ、 かつ、再エッチングに耐えることができる。
[0021] また、本発明の水晶振動子の製造方法は、前記水晶振動片が、駆動電極を備えた 駆動脚と、検出電極を備えた検出脚とを有し、前記再エッチング工程において、前記 駆動脚の共振周波数と前記検出脚の共振周波数との差を所定値にする離調度調整 工程を有する方法としてある。特に、前記離調度調整工程において調整された離調 度が、 180士 30Hz又は 200士 50Hzとなるようにすることが好まし!/、。
このように、離調度を調整すると、水晶振動片間の離調度ばらつきを小さくすること ができるので、出力のばらつきも/ J、さくすることができる。
[0022] また、本発明の水晶振動子は、上記水晶振動子の製造方法を用いて製造した構 成としてある。このように、本発明は、水晶振動子としても有効であり、水晶振動子の 温度ドリフト特性を向上させることができる。 さらに、本発明の水晶振動子は、前記水晶振動子をジャイロとした構成としてあり、 このようにすると、水晶振動子がジャイロである場合には、角度の測定精度を向上さ せることができる。
発明の効果
[0023] 本発明の水晶振動子の製造方法及び水晶振動子によれば、水晶振動片を構成す る振動体の振動方向を一方向に規制できるので、ジャイロにした場合の漏れ出力を ほぼ零に近づけることができる。また、水晶振動片に起因する温度ドリフト特性を安定 ィ匕させることができる。さらに、離調度を調整することによって、出力のばらつきを小さ くすることがでさる。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]本発明の水晶振動子の製造方法を説明する概略フローチャート図を示している
[図 2]本発明の水晶振動子の製造方法における水晶エッチング工程を説明するため の、水晶ウェハーの概略平面図を示している。
[図 3]本発明の水晶振動子の製造方法における電極膜成形工程を説明するための、 要部の概略拡大上面図を示して 、る。
[図 4]本発明の水晶振動子の製造方法における水晶搭載工程を説明するための、振 動子パッケージの概略拡大図であり、(a)は平面図を、(b)は A— A断面図を示して いる。
[図 5]本発明の水晶振動子の製造方法における、漏れ調整を行なう前の状態を説明 するための振動体の概略上面図を示して 、る。
[図 6]本発明の水晶振動子の製造方法における漏れ振動調整工程を説明するため の振動体の概略断面図を示して 、る。
[図 7]本発明の水晶振動子の製造方法における、離調度と相対出力の特性図を示し ている。
[図 8]本発明の水晶振動子の製造方法における、漏れ振動調整工程力 再エツチン グ工程までの工程を説明するための概略フローチャート図を示している。
[図 9]本発明の水晶振動子の製造方法における、再エッチング時間に対する離調度 変化と CI値変化の特性図を示して 、る。
[図 10]本発明の水晶振動子の製造方法における、再エッチングが温度ドリフト特性に 及ぼす効果を説明するための温度ドリフト曲線を示す図である。
符号の説明
[0025] 1 水晶振動片
2 水晶ウェハー
4 振動子パッケージ
5 砥石
11a, l ib, 11c 振動体
12 基部
13 連結部
41 接続電極
42 ワイヤー
121 外部接続電極
1L, 1R, ID, 1U 駆動電極
2L, 2R, 2D, 2U 駆動電極
3G アース電極
3D, 3U 検出電極
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
[水晶振動子の製造方法]
図 1は、本発明の水晶振動子の製造方法を説明する概略フローチャート図を示し ている。
また、図 2は、本発明の水晶振動子の製造方法における水晶エッチング工程を説 明するための、水晶ウェハーの概略平面図を示している。
図 1, 2において、水晶振動子である振動ジャイロの製造方法は、まず、振動ジャィ 口の主要部品である水晶振動片 1を製造する。水晶振動片 1は、水晶エッチング工程 にお 、て、一枚の水晶ウェハー 2から複数個製造される。 すなわち、水晶ウェハー 2に対して、 Crおよび Auの成膜,レジスト塗布,マスク露光 ,現像,エッチング,及び,レジスト剥離などの作業を行ない、水晶ウェハー 2の両面 に、水晶振動片 1の外形に応じた複数の CrZAu層を成形する。続いて、水晶を溶 解するフッ化水素酸を主成分とするエッチング液を用いて、水晶エッチングを行な ヽ 、水晶振動片 1の素子外形を所定形状に加工する(水晶エッチング工程:ステップ S1
) o
[0027] 本実施形態では、水晶振動片 1を三脚の音叉型水晶ジャイロとしてあり、水晶振動 片 1の所定形状は、図 2に示すように、三本の振動体 11a, l ib, 11cが四角柱状で あり、各振動体 11a, l ib, 11cを連結する基部 12が矩形板状である。ここで、振動 体 11aは、駆動電極 ID, 1U, 1L, 1Rが設けられる第一の振動体であり、振動体 11 bは、駆動電極 2D, 2U, 2L, 2Rが設けられる第二の振動体であり、振動体 11cは、 検出電極 3D, 3Uとアース電極 3Gの設けられる第三の振動体である(図 3参照)。 また、支持部 14は、水晶ウェハー 2と連結部 13によって連結され、表面には、外部 接続電極 121が設けられる(図 4参照)。
なお、図示してないが、振動ジャイロを二脚の音叉型水晶ジャイロとした場合には、 水晶振動片の所定形状は、二本の振動体が四角柱状であり、各振動体を連結する 基部が矩形板状である。
[0028] 次に、水晶エッチングを行なった各水晶振動片 1に対して、上面及び下面に形成し た CrZAu層を剥離し、続いて、各水晶振動片 1の全面に新たに CrZAu層を蒸着 などで成膜する。
次に、レジスト電着,露光,現像, Auエッチング, Crエッチング,及び,レジスト剥離 などの作業を行ない、水晶ウェハー 2に連結された状態の複数の水晶振動片 1に対 して、所定の電極膜を形成する(電極膜形成工程:ステップ S2)。続いて、各水晶振 動片 1は、水晶ウェハーから切り離される
[0029] 図 3は、本発明の水晶振動子の製造方法における電極膜成形工程を説明するた めの、要部の概略拡大上面図を示している。
同図において、水晶振動片 1は、振動体 (駆動脚) 11a, l ibに、駆動電極 1L, 1R , ID, 1U及び 2L, 2R, 2D, 2Uを形成し、振動体 (検出脚) 11cに、アース電極 3G と検出電極 3D, 3Uを形成してある。
なお、水晶振動片 1は、外部接続電極 121として、五つのパッドが形成されており、 電極 ID, 1U, 2L, 2Rは、第一のパッドと接続され、電極 1L, 1R, 2D, 2Uは、第二 のパッドと接続され、アース電極 3Gと検出電極 3D, 3Uは、それぞれ専用のパッドと 接続される。
[0030] 図 4は、本発明の水晶振動子の製造方法における水晶搭載工程を説明するための 、振動子パッケージの概略拡大図であり、(a)は平面図を、(b)は A— A断面図を示 している。
同図において、水晶振動片 1は、水晶振動片 1を収納可能な矩形箱状の振動子パ ッケージ 4に、支持部 14が接着剤(図示せず)によって固定される。したがって、各振 動体 11a, l ib, 11cは、振動子パッケージ 4と接触することなく振動することができる また、支持部 14に配設された五つの外部接続電極 121は、ワイヤーボンディング によって、振動子パッケージ 4に配設された五つの接続電極 41と、それぞれワイヤー (Au線) 42で接続される(水晶搭載工程:ステップ S3)。
[0031] また、水晶振動片 1を振動子パッケージ 4に実装する方法は、上記方法に限定され るものではなぐたとえば、導電性接着剤及び Z又はボールバンプなどを使用して、 外部接続電極 121を接続電極 41へ接続固定してもよい。このよう〖こすると、水晶振 動片 1を振動子パッケージ 4に効率よく実装することができ、かつ、再エッチングに耐 えることができる。
[0032] 次に、振動体 11a, l ib, 11cに対して、振動体特性の調整を行なう。
まず、振動体特性の調整を行なう前の状態について、図面を参照して説明する。 図 5は、本発明の水晶振動子の製造方法における、漏れ調整を行なう前の状態を 説明するための振動体の概略上面図を示している。
同図において、振動ジャイロにおける水晶振動片 1は、駆動振動と検出振動の共振 周波数が 300Hz程度の接近した構成を必要とするので、加工精度や水晶の結晶異 方性等に起因して、駆動振動 (X軸方向の振動)のほかに、水晶振動片 1が回転して いない状態において発生してはならない検出振動 (Ζ'軸方向の振動)が発生する。 そして、駆動振動に加え検出振動が発生すると、振動体 11a, l ibの先端の軌跡は 、 X軸方向への直線的な振動とならず、 X— 平面に平行な平面内で楕円軌道を描 くような振動となる。また、振動体 11cの先端の軌跡は、 軸方向への直線的な振動 となる。このとき、検出電極 3D, 3Uからはコリオリ出力と無関係な漏れ振動 (漏れ出 力)が発生しており、これがノイズゃドリフトの原因となる。
[0033] 上記楕円軌道の振動や、 軸方向への直線的な振動は、水晶振動片 1の一部を 面取り加工することによって修正することができる。例えば、振動体 (駆動脚) 11a, 1 lbと振動体 (検出脚) 1 lcの一方又は両方の稜線 (角部)を面取り加工して除去する ことによって、修正することができる。特に、振動体 (駆動脚) 11a, l ibの角部を面取 りすることによって除去すると、効果的に修正を行うことができる。
面取り加工(除去加工)は、研削装置などを用いて機械的に行う方法、レーザーな どを用いて電気的に行う方法、溶融剤などを用いて化学的に行う方法等を採用する ことができる。
[0034] 上記面取り加工の一例として、研削装置を用いた機械的な方法について、図面を 参照して説明する。
図 6は、本発明の水晶振動子の製造方法における漏れ振動調整工程を説明する ための振動体の概略断面図を示して 、る。
同図における機械的な面取り加工は、たとえば、板状の砲石 5を片持ち支持した状 態で往復振動させる研削装置(図示せず)を使用して、検出振動方向 (Ζ'軸方向)の 振動成分に起因する出力をモニターしながら、漏れ出力が小さくなるように行なわれ る (漏れ振動調整工程:ステップ S4)。
[0035] 上記漏れ振動調整工程では、研削し過ぎないように、段階的に面取りが行なわれ、 その都度、面取り量 (研削距離)と漏れ出力とを対比させている。したがって、漏れ振 動調整工程の最終段階においては、漏れ出力を目標値に入るために、あと、どのくら V、研削すればょ 、かを推定することができる。
ここで、好ましくは、後述する再エッチング工程における漏れ出力の減少量を考慮 して、上記研削加工を終了するとよい。このようにすると、再エッチングした際、研削し て粗くなつた水晶面が他の面よりも多く溶力されて面取りされるので、漏れ出力を目 標値のほぼ中央に入れることができる。
[0036] なお、レーザーを用いて漏れ調整を行う場合は、例えば、レーザー発生装置から、 振動体 11a, l ibのいずれかの稜線 (角部)にレーザー光を照射して面取りを行う。レ 一ザ一を用いた方法によると、微少量の除去を行うことができるので、振動体 11a, 1 lb, 11cのバランスを厳密につりあわせることができる。これにより、角速度を付与し ない状態で、振動体 (検出脚) 11cに設けた検出電極 3D, 3Uからの出力信号がほ ぼ零となるように調整することができる。
[0037] 次に、離調度を測定する (離調度測定工程:ステップ S5)。
離調度とは、駆動振動の共振周波数と検出振動の共振周波数との差で定義される ものであり、振動ジャイロの出力を決定する要素である。この離調度は、ジャイロの出 力にほぼ反比例し、その僅かな変化によりジャイロの出力を大きく変化させるため、 正確に値を設定する必要がる。
なお、駆動振動の共振周波数は、図 3に示した駆動電極 1L, 1R, ID, 1U, 2L, 2 R, 2D, 2Uを用いて振動体 11a, l ibを自励発振させることにより測定することがで き、また、検出振動の共振周波数は、検出電極 3D, 3Uを用いて振動体 11cを自励 発振させることにより測定することができる。そして、両者の共振周波数の差から離調 度を求めることができる。
[0038] ところで、現在の水晶の加工精度では、上記離調度を、小さ!/、方では、温度特性が 劣化したり、振動に対する擬似出力を出さない範囲で設定するのは難しぐまた、大 きい方では、所望の出力を最大限に発揮できる設定値の範囲に設定するのも難しい といった状況にある。また、駆動振動の周波数だけの調整ならば、一般の発振器用 音叉に用いられるように、振動脚先端部の質量を変化させる周波数調整方法等で調 整することも可能だが、この方法では、駆動振動と検出振動の双方の共振周波数が ほぼ同じ量だけ変わってしまうので、離調度の調整は困難である。
[0039] しかしながら、実際には、次の理由により、離調度調整の必要性が高まっている。す なわち、現在のプロセスで作製した水晶振動片の離調度のばらつきは、一枚のゥェ ハー(水晶振動片 60個)で ± 80Hzである。さらに、ワンロット(ウェハー 30枚)のうち では ± 150Hzのばらつきがある。出力が小さくてもよい場合には、離調度を大きくし て離調度を調整することなく製造することもできる。しかし、大きな出力が必要で離調 度を小さくしたい場合は、出力のばらつきを抑えるため、離調度調整は必須となる。
[0040] ここで、離調度は、図 7に示すように絶対値が小さいほど出力は大きくなるが、離調度 変化に対する出力変化も大きくなる。したがって、離調度のばらつきが小さくなるよう に調整する必要がある。
図 7に示すように、離調度を調整すると、離調度ばらつきを ± 30Hzに抑えることがで きるので、離調度 180± 30Hz、相対出力 1. 7±0. 2となり、高い出力で、し力も出 力のばらつきを 0. 4とすることができる。離調度 200± 50Hzとしても、相対出力 1. 6 ±0. 3を得ることができる。
なお、離調度を調整しないときは、上記のように ± 150Hzのばらつきの中で出力を調 整しなければならないので、出力のばらつきを 0. 5以内とするには、図 7に示すように 、離調度を 400± 150Hzとし、相対出力を 1. 1 ±0. 2としなければならない。
[0041] そこで、本実施形態では、離調度の調整を行うようにしている。具体的には、振動子 パッケージ 4に水晶振動片 1が実装された状態で、振動子パッケージ 4ごと水晶振動 片 1を再エッチングする(再エッチング工程:ステップ S6)ことにより、検出振動の共振 周波数を変化させて離調度と漏れ振動を調整するようにして ヽる。
[0042] 次に、漏れ振動調整工程 (ステップ S4)から再エッチング工程 (ステップ S6)までの 工程を、図面を参照して詳細に説明する。
図 8は、本発明の水晶振動子の製造方法における、漏れ振動調整工程から再エツ チング工程までの工程を説明するための概略フローチャート図を示している。
同図において、まず、水晶振動片 1が実装された振動子パッケージ 4は、漏れ出力 測定用の測定装置(図示せず)にセットされ、振動子パッケージ 4に角速度を与えな い状態で発生している漏れ出力を測定し、その漏れ出力のレベルが所定値を超えて いる力否かを判断する(ステップ S41)。
[0043] そして、漏れ出力のレベルが所定値を超えていた場合は、漏れ出力が目標値にな るまで振動体 11a, l ibの稜線 (角部)を研削する (ステップ S42)。この目標値は、上 述したように再エッチング工程によっても漏れ出力が減少する分を考慮して適宜決定 される。 また、漏れ出力が所定値を超えていなカゝつた場合は、上述した離調度測定工程 (ス テツプ S 5)へ移動する。
[0044] 次に、離調度測定工程 (ステップ S5)において、上述したように駆動振動の共振周 波数と検出振動の共振周波数をそれぞれ測定し、その離調度が所定範囲に入って いる力否かを判断する。
そして、離調度が所定範囲に入っている場合は、ステップ S61へと移行し、離調度 が所定範囲に入っていな力つた場合は、ステップ S62へ移行する。
ステップ S61では、ステップ S41において、振動体 11a, l ibを研削したか否かを判 断する。研削しなカゝつたものは、測定調整が全て終了となる。
また、ステップ S61では、離調度が所定範囲に入っていた場合であっても、振動体 11a, l ibを研削したものは、ステップ S62へ移行する。
[0045] ステップ S62では、離調度のズレ量及び漏れ出力に応じて再エッチング工程が実 施される。すなわち、ステップ S5において、離調度が所定範囲に入っていな力つたも のについては、離調度が所定範囲にはいるまで、再エッチングが実施される。
なお、本実施形態では、振動ジャイロに用いる水晶振動片 1を用いているので、ここ では、離調度を優先して調整するようにしている。たとえば、水晶振動片 1が通常発 振子の場合は、漏れ出力だけを考慮すればよい。
[0046] この再エッチングは、上述した水晶エッチング工程 (ステップ S1)とほぼ同じもので あるが、水晶振動片 1はすでに振動子パッケージ 4に実装されているので、振動子パ ッケージ 4ごと水晶振動片 1を再エッチングする。
ここで、エッチング液で腐食されるのは、各電極が形成されていない水晶素地の部 分であり、し力も水晶厚み方向である 軸方向(図 5参照)のエッチング速度が速ぐ X軸方向のエッチング速度はそれよりも遅 、ので、 X軸方向に振動方向を持つ駆動 振動の共振周波数はほとんど変化せずに、 軸方向に振動方向を持つ検出振動の 共振周波数だけが低くなるように調整することができる。すなわち、この再エッチング 時間によって、駆動振動の共振周波数と検出振動の共振周波数の差を調整すること ができる。
なお、振動子パッケージ 4は、セラミックスのパッケージで構成されている力 再エツ チング時間はあまり長くな 、ので、エッチング液によるダメージはほとんどな 、。
[0047] さらに、ステップ S62では、再エッチングすることにより、除去して粗面となった水晶 表面を腐食して滑らかな状態にできる。水晶振動片 1は、除去によって水晶面が粗く なると、周波数—温度特性が劣化することがあるが、この再エッチングによって粗面を 腐食して滑らかにすると、漏れ出力を小さくすることができるとともに、劣化した水晶振 動片 1の周波数 温度特性を復活することができる。
また、ステップ S62では、離調度測定工程 (ステップ S5)で離調度が所定範囲内に 入っているものであっても、振動体 11a, l ibを研削したものを再エッチングするよう にしている。これは、上述したように除去した水晶面が粗面となっていると、水晶振動 片 1の周波数 温度特性に影響するので、離調度と漏れ出力の変化を起こさない程 度で再エッチングすることにより、除去した面を滑らかにして周波数 温度特性を回 復している。
[0048] 次に、再エッチングした水晶振動片 1を有する振動子パッケージ 4を、再度、漏れ出 力測定用の測定装置(図示せず)にセットする。そして、振動子パッケージ 4に角速度 を与えて!/、な 、状態で発生して!/、る二次漏れ出力を測定し、発生して!/、る二次漏れ 出力の値が所定値を超えて 、るか否かを判断する (ステップ S63)。
ここでは、漏れ出力を所定値まで追い込んでいるのであまり大きなずれはないが、 もし、所定値を超えていた場合は、ステップ S64において、漏れ出力が零になるまで 振動体 11a, l ibの稜線 (角部)を除去する。なお、所定値を超えてないものは、測定 調整が全て終了となる。
[0049] なお、二次漏れ調整は、例えば、レーザー発生装置から、振動体 11a, l ibのいず れかの稜線 (角部)にレーザー光を照射して微少量除去(面取り)することによって行 う。二次漏れ調整において、レーザーを用いると、微少量の除去を容易に行うことが できるので、振動体 11a, l ib, 11cのバランスを厳密につりあわせることができる。こ れにより、角速度を付与しない状態で、振動体 (検出脚) 11cに設けた検出電極 3D, 3Uからの出力信号がほぼ零となるように調整することができる。
[0050] 次に、ステップ S64においては、微少量の除去が行われた水晶振動片 1に対して、 水晶表面を洗浄する目的で、所定の短時間だけ再々エッチングが実施される (ステツ プ S65)。
このステップ S65は、除去屑を取り除くのに効果がある。なお、この再々エッチング 工程は、必要に応じて省略することもできる。これで、再エッチングの工程を終了する
[0051] 「実験例」
次に、上記再エッチングの実験例について図面を参照して説明する。
図 10は、本発明の水晶振動子の製造方法における、再エッチングが温度ドリフト特 性に及ぼす効果を説明するための温度ドリフト曲線を示す図である。
同図において、再エッチングを行なわない振動ジャイロは、約 20°Cにおいて、漏れ 出力が約— 1. 2degZsecであったが、 40°Cから 100°Cまでの範囲で温度を変化 させると、漏れ出力が約 2. 5degZsecから— 2degZsecまで変化し、約 4. 5deg/s ecの温度ドリフトが発生した。
これに対し、上記振動ジャイロに再エッチングを約 60秒間行ない、同様の項目につ いて測定を行なった。再エッチングを行なった振動ジャイロは、約 20°Cにおいて、漏 れ出力が約 OdegZsecであったが、 40°Cから 100°Cまでの範囲で温度を変化さ せると、漏れ出力が約 0. IdegZsecから 0. 2degZsecの範囲で変化し、約 0. 3d egZsecの温度ドリフトが発生した。すなわち、温度ドリフト特性を大幅に向上させるこ とができた。これにより、振動ジャイロにおいては、測定精度を大幅に向上させること ができる。
[0052] なお、再エッチングの条件を変えたり、微調整することによって、再エッチングを行 なった振動ジャイロは、約 20°Cにおいて、漏れ出力が約 OdegZsecに調整すること ができた。
[0053] ここで、再エッチング工程における条件の一例を次に示す。
エッチング液
50%フッ化水素酸と 40%フッ化アンモ-ゥムの 1: 1の混合液。
エッチング温度
55°C
エッチング時間 30〜250秒
図 10に示すように、漏れ調整工程で振動体 11a, l ibの除去力卩ェを行った後に再ェ ツチングを実施すると、温度ドリフト (漏れ出力)は約 OdegZsecに調整することができ る。このとき、この温度ドリフト (漏れ出力)を約 OdegZsecとするためには、エッチング 時間は 30秒以上でなければならな 、。 30秒未満であると、温度ドリフトをなくすことが できない。
また、図 9の特性図に示すように、エッチング時間を長くすると CI値 (等価直列抵抗値 )が高くなることが分かる。 CI値が高すぎると振動体の振れる量 (振幅)が小さくなつて しまい、その結果、出力値が下がり S/N比が低下する。そこで、 CI値が劣化しない ようにするための、 CI値の範囲を考慮するとエッチング時間は 250秒以下になる。 上記の点から、再エッチング時間は 30〜250秒とすることが好ましい。
なお、離調度は、水晶振動片によってばらつきがあるので、離調度を目標値に調整 する際には、その都度、離調度調整量に応じて再エッチング時間を個別に決める必 要がある。このとき、図 9に示したように、離調度は、再エッチング時間 1秒につきほぼ 1Hz小さくなるので、容易にエッチング時間を求めることができる。
[0054] また、本実施形態では、水晶振動片 1とともに振動子パッケージ 4をエッチング液に 浸漬したが、振動子パッケージ 4などに、エッチング液への浸漬が好ましくない部分 がある場合には、この部分を榭脂封止して力も再エッチングを行なうとよい。このよう にすると、エッチング液の浸漬力 効果的に保護することができるので、たとえば、上 記部分がエッチング液に腐食されるといった不具合を防止することができる。
[0055] 次に、水晶振動片 1は、真空引きされた状態で、振動子パッケージ 4に収納され、力 バーが取り付けられる(カバー取付け工程:ステップ S7)。
続いて、振動子パッケージは、図示してないが、 IC搭載工程にて IC等の電子部品 が実装された基板と接合され、完成組立工程 (ステップ S8)を経て振動ジャイロが製 造される。
[0056] 上述したように、本実施形態に力かる水晶振動片の製造方法によれば、漏れ振動 調整工程において、研削加工されることにより低下した温度ドリフト特性を、再エッチ ングすることにより、向上させることができ、振動ジャイロの測定精度を向上させること ができる。
[0057] また、本発明は、水晶振動子の発明としても、有効であり、水晶振動片 1の表面を 再エッチングにより滑らかに成形した振動ジャイロは、温度ドリフト特性が大幅に改善 される。
また、再エッチングにより温度ドリフト特性の改善された水晶振動子をジャイロとする ことにより、振動ジャイロの測定精度を大幅に向上させることができる。
[0058] 以上、本発明の水晶振動子の製造方法及び水晶振動子について、好ましい実施 形態を示して説明したが、本発明に係る水晶振動子の製造方法及び水晶振動子は 、上述した実施形態にのみ限定されるものではなぐ本発明の範囲で種々の変更実 施が可能であることは言うまでもない。
産業上の利用可能性
[0059] 本発明の水晶振動子の製造方法及び水晶振動子は、振動ジャイロに限定されるも のではなぐ水晶振動子を使用する装置およびその製造方法としても、本発明を適 用することが可能である。

Claims

請求の範囲
[1] エッチング加工によって水晶振動片を所定形状に加工する外形エッチング工程と、 所定形状に加工した前記水晶振動片に電極を形成する電極形成工程と、 前記電極を形成した水晶振動片を振動子パッケージに実装する実装工程と、 前記実装工程において実装された前記水晶振動片を駆動して漏れ振動を検出し、 この検出された漏れ振動にもとづいて、前記水晶振動片に対し、その一部の除去カロ ェを行う漏れ振動調整工程と、
前記除去加工の行なわれた水晶振動片を再度エッチングする再エッチング工程と を有することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
[2] 前記再エッチング工程にぉ 、て、前記水晶振動片を前記振動子パッケージととも にエッチング液に浸漬することを特徴とする請求項 1記載の水晶振動子の製造方法
[3] 前記漏れ振動調整工程において、前記再エッチング工程における漏れ調整量を 見込んで、目標値に達する前に機械的除去加工を終了する一次漏れ調整を行ない 、さらに、前記再エッチング工程において、前記目標値に達するまで前記水晶振動 片をエッチングする二次漏れ調整を行なうことを特徴とする請求項 1又は 2記載の水 晶振動子の製造方法。
[4] 前記再エッチング工程において、前記二次漏れ調整を行った後に、前記水晶振動 片を微少量だけ更に除去加工する微少量除去加工工程を有することを特徴とする請 求項 3記載の水晶振動子の製造方法。
[5] 前記微少量除去加工を行った後に、前記水晶振動片を洗浄するための洗浄工程 を有することを特徴とする請求項 4記載の水晶振動子の製造方法。
[6] 前記漏れ振動調整工程において、前記水晶振動片に対して機械的な除去加工を 行なうことを特徴とする請求項 1〜5のいずれかに記載の水晶振動子の製造方法。
[7] 前記漏れ振動調整工程において、前記水晶振動片に対してレーザーによる除去 加工を行なうことを特徴とする請求項 1〜5のいずれかに記載の水晶振動子の製造 方法。
[8] 前記漏れ振動調整工程における前記水晶振動片に対する除去加工が、前記水晶 振動片の駆動電極を備えた駆動脚に対するものであることを特徴とする請求項 1〜7 の!、ずれかに記載の水晶振動子の製造方法。
[9] 前記除去加工が、前記駆動脚の角部に対して行われることを特徴とする請求項 8 記載の水晶振動子の製造方法。
[10] 前記水晶振動片及び前記振動子パッケージの一部を榭脂封止してから、前記エツ チング液に浸漬することを特徴とする請求項 2〜9のいずれかに記載の水晶振動子 の製造方法。
[11] 前記エッチング液を、フッ化水素酸又はフッ化水素酸を主成分とした液としたことを 特徴とする請求項 2〜10のいずれかに記載の水晶振動子の製造方法。
[12] 前記フッ化水素酸を主成分とした液を、フッ化水素酸にフッ化アンモニゥムを混合 した液としたことを特徴とする請求項 11記載の水晶振動子の製造方法。
[13] 前記実装工程において、接着剤,ワイヤー,導電性接着剤及び Z又はボールバン プを使用して、前記水晶振動片を前記振動子パッケージに実装することを特徴とす る請求項 1〜12のいずれかに記載の水晶振動子の製造方法。
[14] 前記水晶振動片は、駆動電極を備えた駆動脚と、検出電極を備えた検出脚とを有 し、
前記再エッチング工程において、前記駆動脚の共振周波数と前記検出脚の共振 周波数との差を所定値にする離調度調整工程を有することを特徴とする請求項 1〜1
3の 、ずれかに記載の水晶振動子の製造方法。
[15] 前記離調度調整工程において調整された離調度力 180± 30Hz又は 200± 50
Hzであることを特徴とする請求項 14に記載の水晶振動子の製造方法。
[16] 上記請求項 1〜15のいずれかに記載の水晶振動子の製造方法を用いて製造した ことを特徴とする水晶振動子。
[17] 前記水晶振動子がジャイロであることを特徴とする請求項 16記載の水晶振動子。
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