(57)【要約】【課題】振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片と圧電デバイスならびに圧電デバイスの製造方法を提供すること。【解決手段】圧電材料で形成した基部５１と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる複数の振動腕３４，３５と、前記各振動腕に形成された長さ方向に延びる長溝５６，５７および長溝に形成された駆動用電極とを備え、前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材４１が接合されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料で形成した基部と、
この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる複数の振動腕と、
前記各振動腕に形成された長さ方向に延びる長溝および長溝に形成された駆動用電極と
を備え、
前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材が接合されている
ことを特徴とする圧電振動片。
【請求項２】
前記蓋部材の材料が前記圧電材料と線膨張係数が近似したものであることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
【請求項３】
前記蓋部材の材料が水晶であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項４】
収容容器内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、
前記圧電振動片が、
圧電材料で形成した基部と、
この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる複数の振動腕と、
前記各振動腕に形成された長さ方向に延びる長溝および長溝に形成された駆動用電極と
を備え、
前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材が接合されている
ことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項５】
収容容器内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの製造方法であって、
エッチングにより、音叉型圧電振動片の外形を形成する外形形成工程と、
圧電基板に前記音叉型圧電振動片の振動腕の位置に対応して長溝を形成する溝形成工程と、
前記長溝内に駆動電極を形成する電極形成工程と、
前記長溝を挟む両側壁の端部に対して、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材を位置決めし、接合する蓋部材の接合工程と
を含んでいることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記蓋部材の接合工程が、陽極接合により行われることを特徴とする請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージまたはケースに収容するための圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージやケースに収容した圧電デバイスならびにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器やジャイロセンサなどの計測機器において、パッケージなどの内部に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図７は、このような圧電デバイスに使用される圧電振動片の公知の構成例（特許文献１参照）を簡略化して示す概略平面図である。
【０００３】
図において、圧電振動片１は、例えば水晶の単結晶から形成されており、幅広の基部２と、この基部から同じ方向に平行に延びる２本の振動腕３，４とを備えている。図８は図７のＡ−Ａ線切断端面図であり、振動腕３，４には、それぞれ、表裏面に長さ方向に延びる長溝５，６が形成されている。この長溝５，６には、図示しない駆動電極としての励振電極が形成されている。
これにより、外部から励振電極に駆動電圧が印加されることで、振動腕３，４内に効率よく電界が発生し、各振動腕３，４は、図７に示すように、その先端部を互いに接近・離間されるように屈曲振動するようになっている。そして、このような振動に基づく振動周波数を取り出すことにより、制御用のクロック信号等の基準信号に利用されるようになっている。
【０００４】
この圧電振動片１の各振動腕３，４と、これら振動腕３，４の溝５，６は、ウエハ状にした圧電材料でなる基板をエッチングすることにより形成されている。すなわち、一般的には、まず、ウエハ基板をエッチングして、図７のような音叉状の外形を形成し、その後図８で説明した溝５，６をハーフエッチングすることにより形成される。
【特許文献１】特開２００２―７６８０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このような圧電振動片１においては、その外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図７、図８に示した機械軸Ｘ、電気軸Ｙ、光学軸Ｚに関して、エッチングの進行スピードに相違が見られ、このようなエッチング異方性により、長溝５，６内には、平らな底面を形成することができない。
この結果、例えば、振動腕３について見ると、長溝５を挟んだ両側壁部の厚みが左右で相違し、この結果、振動腕３は図８に示す仮想の中心線ＣＥに関して、左右の側壁の剛性が相違する。すなわち、左側壁が剛性が高く、右側壁の剛性はこれより低くなる。
【０００６】
このため、図７のように各振動腕３，４が屈曲振動している状態では、それぞれ、水平方向に左右に屈曲する際の変形度が異なるため、左右の振動腕３，４の屈曲バランスが崩れてしまう。これにより、各振動腕３，４の変形によって基部２に伝えられる応力もＦ１，Ｆ２が均衡することがないので、打ち消すことができず、Ｚ方向変位や、Ｙ方向変位の原因となり、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増大を招くと考えられる。
【０００７】
この発明は、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片と圧電デバイスならびに圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、第１の発明によれば、圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕に形成された長さ方向に延びる長溝および長溝に形成された駆動用電極とを備え、前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材が接合されている圧電振動片により、達成される。
第１の発明の構成によれば、前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材が接合されていて、この蓋部材が前記圧電材料と近似した強度を備えるので、振動腕とこの蓋部材とが一体となり、前記圧電材料で中空に形成したパイプ状の振動腕となる。このため、振動腕の剛性が格段に向上され、振動腕の左右の合成バランスが改善される。これにより、振動腕の屈曲振動が、その屈曲バランスの点で改善されるので、Ｚ方向変位や、Ｙ方向変位を抑制し、ＣＩ値を低く抑えることができる。
これにより、本発明では、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片を提供することができる。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記蓋部材の材料が前記圧電材料と線膨張係数が近似したものであることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、周囲の温度変化により前記振動腕に前記蓋部材を接合した箇所が破断しにくく、丈夫な構造となる。
【００１０】
第３の発明は、第１または２の発明のいずれかの構成において、前記蓋部材の材料が水晶であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、前記蓋部材が、振動腕を構成する圧電材料の代表的な材料である水晶で形成されることにより、密度や重量、強度などの点で振動腕と同じになるから、蓋部材は振動腕とほぼ完全に一体の構造になる。
【００１１】
また、上記目的は、第４の発明にあっては、収容容器内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料で形成した基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕に形成された長さ方向に延びる長溝および長溝に形成された駆動用電極とを備え、前記各長溝を挟んだ両側壁の端部には、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材が接合されている圧電デバイスにより、達成される。
第４の発明によれば、第１の発明について説明したのと同じ原理により、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電デバイスを提供することができる。
【００１２】
また、上記目的は、第５の発明にあっては、収容容器内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの製造方法であって、エッチングにより、音叉型圧電振動片の外形を形成する外形形成工程と圧電基板に前記音叉型圧電振動片の振動腕の位置に対応して長溝を形成する溝形成工程と、前記長溝内に駆動電極を形成する電極形成工程と、前記長溝を挟む両側壁の端部に対して、前記圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材を位置決めし、接合する蓋部材の接合工程とを含んでいる圧電デバイスの製造方法により、達成される。
第５の発明の構成によれば、第１の発明において説明したのと同様の原理により、振動腕の左右の合成バランスが改善される。これにより、振動腕の屈曲振動が、その屈曲バランスの点で改善されるので、Ｚ方向変位や、Ｙ方向変位を抑制し、ＣＩ値を低く抑えることができる。
これにより、本発明では、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電デバイスの製造方法を提供することができる。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明の構成において、前記蓋部材の接合工程が、陽極接合により行われることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、前記蓋部材の接合においては、前記長溝内の駆動用電極を、この長溝を挟んだ両側壁の端部まで引き延ばすことで、この引き延ばした電極を陽極接合用の電極に利用することにより容易に蓋部材の接合を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１及び図２は、本発明の圧電デバイスの第１の実施の形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図である。
図において、圧電デバイス３０は、水晶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、収容容器としてのパッケージ３６内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３６は、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。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Ｓ２を形成するようにされている。この内部空間Ｓ２が圧電振動片３２を収容するための収容空間である。
【００１５】
このパッケージ３６の内部に圧電振動片３２をマウントし、蓋体３９で気密に封止するようにされている。ここで、蓋体３９は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。
蓋体３９が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高い利点がある。パッケージ３６との熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。
また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体３９は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。
【００１６】
パッケージ３６の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成する積層基板には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。この電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部３１，３１の上に導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤４３，４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
【００１７】
圧電振動片３２は、後述する製造工程により、圧電材料として、例えば水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図３の概略斜視図および図４で示す図３のＣ−Ｃ線切断端面図で示す構造とされている。
すなわち、圧電振動片３２は、パッケージ３６側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において斜め右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
【００１８】
圧電振動片３２の各振動腕３４，３５には、図３および図４を参照して理解されるように、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝５６，５７が形成されている。この各長溝５６，５７は、図３のＣ−Ｃ線切断端面図である図４に示されているように、各振動腕３４，３５の表裏両面に形成されている。
さらに、図３において、圧電振動片３２の基部５１の端部（図３では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極５２，５３が形成されている。各引き出し電極５２，５３は、圧電振動片３２の基部５１の図示しない裏面にも同様に形成されている。
【００１９】
これらの各引き出し電極５２，５３は、上述したように図１に示されているパッケージ側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分である。そして、各引き出し電極５２，５３は、図３および図４に示されているように、各振動腕３４，３５の長溝５６，５７内に設けた励振電極５４，５５とそれぞれ一体に接続されている。また、各励振電極５４，５５は、図４に示されているように各振動腕３４，３５の両側面にも形成されており、例えば、振動腕３４に関しては、長溝５６内の励振電極５４と、その側面部の励振電極５５は互いに異極となるようにされている。また、振動腕３５に関しては、長溝５７内の励振電極５５と、その側面部の励振電極５４は互いに異極となるようにされている。
【００２０】
圧電振動片３２の基部５１と振動腕３４，３５との間には、基部５１の幅方向に縮幅して設けた切欠き部もしくはくびれ部（図示せず）を設けてもよい。
これにより、基部５１側への圧電振動片３２の振動の漏れを防止して、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低減することができる。
しかも、圧電振動片３２は、全体として、きわめて小型に形成されていて、図３において、例えば、全長が、１３００μｍ程度、振動腕の長さが１０４０μｍ程度、腕幅が４０μｍないし５５μｍ程度とされている。
【００２１】
さらに、図４に示すように、各振動腕３４，３５の長溝５６，５７をそれぞれ挟む位置の両側壁の端部には、符号４１で示す蓋部材が接合されていることによって、長溝５６，５７が塞がれている。
振動腕３４と３５は同じ構造であるから、振動腕３４について説明すると、長溝５６を挟む両側壁の上端と下端には、それぞれ接合用の電極４２，４２が形成され、これを利用して、蓋部材４１，４１が、例えば図４に示すように、陽極接合により固定されている。
このような構造は、図７，図８で説明した不都合を回避するものである。
すなわち、各振動腕３４，３５に長溝５６，５７を形成する際に、長溝内の底部が平らに形成されず、長溝を挟む両側の壁の厚みが相違することにより、振動腕３４，３５がそれぞれ左右の剛性バランスが悪くなることを改善することができる。
【００２２】
このため、蓋部材４１として選択される材料としては、これを接合することにより、振動腕の圧電材料と一体となって、左右の剛性バランスを改善できることが必要であり、そのためには、例えば、上記圧電材料、この実施形態の場合には、水晶と強度や密度が近似したものが好ましい。また、圧電材料と線膨張係数が近似したものが、使用されることにより、熱応力による破壊を防止できる。
このような点から、蓋部材４１として最も好ましいのは、水晶の薄板である。
【００２３】
本実施形態の圧電デバイス３０は以上のように構成されており、圧電振動片３２の各振動腕３４，３５の各長溝５６，５７を挟んだ両側壁の端部には、圧電振動片３２を構成する圧電材料と強度が近似した材料でなる蓋部材４１が接合されていて、この蓋部材４１が前記圧電材料と近似した強度を備えるので、振動腕３４，３５とこの蓋部材４１とが一体となり、前記圧電材料で中空に形成したパイプ状の振動腕となる。このため、振動腕３４，３５の剛性が格段に向上され、振動腕の左右の合成バランスが改善される。これにより、振動腕の屈曲振動が、その屈曲バランスの点で改善されるので、Ｚ方向変位や、Ｙ方向変位を抑制し、ＣＩ値を低く抑えることができる。
これにより、本実施形態では、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができる。
【００２４】
（圧電デバイスの製造方法）
（蓋体およびパッケージの製造方法）
次に、圧電デバイス３０の製造方法の実施形態を説明する。
図５は、本実施形態の圧電デバイス３０の製造方法の実施形態を説明するための簡単なフローチャートである。
圧電デバイス３０の圧電振動片３２と、パッケージ３６と、蓋体３９は、それぞれ別々に製造される。
蓋体３９は、例えば、所定の大きさのガラス板を切断し、パッケージ３６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３６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Ｓ２を形成する。
【００２５】
（圧電振動片の製造方法）
図６は、本実施形態の圧電振動片３２について、ひとつの振動腕の断面に相当する部分だけを示すことで、製造方法の実施形態の主要な工程を示す工程図である。主として図５および図６を参照して以下説明する。
【００２６】
基板７１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。この基板７１は工程の進行により音叉型の圧電振動片３２とした際には、図３に示すＸ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光軸となるように、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２度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。
【００２７】
（外形形成工程）
図６（ａ）では、圧電基板としての上記水晶ウエハを、図３により説明した基部５１や各振動腕３４，３５を含む圧電振動片３２の音叉形状の外形となるように所定のマスクパターン（図示せず）を、例えば耐蝕膜により形成し、フッ酸溶液等を用いたウエットエッチングにより、形成する（ＳＴ１１）。
【００２８】
（溝形成工程）
次に、図６（ｂ）において、基板７１の表面（表裏面）に必要な耐蝕膜（図示せず）を設けて、マスクとし、フッ酸溶液等を用いて、振動腕の長溝５６の部分をハーフエッチングで形成する（ＳＴ１２）。
この場合、水晶のエッチング異方性により、図示されているように、各長溝５６の底部は水平にならない。
【００２９】
（電極形成工程）
次に、駆動電極としての励振電極を形成する（ＳＴ１３）。
すなわち、図６（ｃ）に示すように、基板７１の表裏両面に電極となる金属膜を成膜する。この金属膜は、例えば、クロムを下地として金を蒸着またはスパッタリング等の手法により成膜する。
その後フォトリソグラフィの手法により、上記金属膜をエッチングして、図３で説明したような励振電極５４，５５を形成する。
【００３０】
（蓋部材の接合工程）
次に、図６（ｄ）に示すように、例えば、水晶薄板でなる蓋部材４１，４１を用意する。蓋部材４１となる水晶薄板には、接合すべき領域に電極４２を予め設けておく。
そして、図示のように、電極４２側を基板７１側に向けて、各長溝５６を挟む両側壁の端部、すなわち、図において上下の端部に、接合用の電極４２，４２を当接させることができるように位置決めする。
次いで、図６（ｅ）に示すように、各長溝５６を挟む両側壁の端部、すなわち、図において上下の端部に、接合用の電極４２，４２を当接させ、図４で説明したように陽極接合することによって、蓋部材を固定する（ＳＴ１５）。
以上により、図３の圧電振動片３２が完成する。
【００３１】
ここで、電極形成工程において、長溝５６を挟む両側壁の端部に、各長溝内の励振電極５４を延長しておくことにより、この延長した部分が蓋部材４１と基板７１に当接するようにすれば、励振電極５４を利用して陽極接合することができる。これにより、接合用の電極４２を予め蓋部材４１側に設ける必要がないので、有利である。
【００３２】
完成した圧電振動片３２は、図１および図２に示すように、導電性接着剤４３を用いて、電極部３１，３１に接合される（ＳＴ１６）。次いで、真空雰囲気下において、蓋体３９を所定のロウ材によりパッケージ３６の端部に気密に接合することにより封止し（ＳＴ１７）、必要な検査を実行する（ＳＴ１８）ことにより、圧電デバイス３０が完成する。
【００３３】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
また、上述の実施形態では、パッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等の収容容器に圧電振動片を収容するものであれば、いかなるパッケージやケースを伴うものについても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。
【図２】図１の圧電デバイスのＢ−Ｂ線における概略断面図。
【図３】図１の圧電デバイスに使用される圧電振動片の概略斜視図。
【図４】図３の圧電振動片のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図５】図１の圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャート。
【図６】図３の圧電振動片の製造方法の実施形態の要部を示す工程図。
【図７】従来の圧電振動片の概略平面図。
【図８】図７のＡ−Ａ線切断端面図。
【符号の説明】
【００３５】
３０・・・圧電デバイス、３６・・・パッケージ、３２・・・圧電振動片、３４，３５・・・振動腕、４１・・・蓋部材、５１・・・基部、５４，５５・・・励振電極、５６，５７・・・長溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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