(57)【要約】【課題】作製される圧電体振動子の小型化及び高周波化が図られた圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電体振動子１４の製造方法においては、振動部２６は、圧電体基板２０をエッチング加工して形成される。すなわち、振動部２６が圧電性を有するため、この振動部２６を挟むように配置された一対の電極２２間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この圧電体振動子１４の製造方法においては、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部２６を形成することができるため、研磨加工で振動部２６を形成する従来の製造方法で作製された圧電体振動子よりも小型で高周波の圧電振動子１４を作製することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に振動部を形成するステップと、
前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極を、前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置するステップとを有することを特徴とする圧電体振動子の製造方法。
【請求項２】
前記一対の電極を前記振動部から離間させて配置することを特徴とする請求項１に記載の圧電体振動子の製造方法。
【請求項３】
前記一対の電極と振動部との間の圧電体基板領域に、それぞれ溝部を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電体振動子の製造方法。
【請求項４】
前記圧電体基板の圧電体は水晶であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電体振動子の製造方法。
【請求項５】
前記圧電体の水晶の表面のうち、前記電極と対向する面をＡＴカット面にすることを特徴とする請求項４に記載の圧電体振動子の製造方法。
【請求項６】
圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に形成された振動部と、
前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置され、前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備えることを特徴とする圧電体振動子。
【請求項７】
圧電体基板をエッチング加工することにより前記圧電体基板に形成された振動部と、前記振動部を挟むように前記圧電体基板上に配置され、前記振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備える圧電体振動子と、
この圧電体振動子を封止する筐体とを有することを特徴とする共振器。
【請求項８】
前記圧電体振動子を真空封止することを特徴とする請求項７に記載の共振器。
【請求項９】
前記圧電体振動子を不活性ガス封止することを特徴とする請求項７に記載の共振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インピーダンス素子に利用される共振器の一つとして、水晶振動子を用いられたものが知られている。この水晶振動子は、支持された水晶片の両面（ＡＴ面）に一対の電極膜が取り付けられた構成となっている。この水晶振動子においては、電極膜間に所定の交流電圧を印加することで水晶片内に交番電界が発生し、水晶片が振動する。なお、このような水晶振動子に関する技術は、例えば下記特許文献１及び２に開示されているが、これらの文献以外にも多数の文献に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１８３７５９号公報
【特許文献２】
特開２００１−７６７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＡＴカット面を有する水晶片の振動は、振動周波数がその厚さに大きく依存する（厚みすべり振動モードである）ことが知られているが、前述した従来の共振器に用いられる水晶片は研磨加工により作製されているため、小型化及び薄型化には限界があった。そのため、従来の共振器は数百ＭＨｚ程度の周波数でしか利用することができず、それ以上の高周波に対応させることが困難であるという問題があった。なお、輪郭すべり振動モードや厚み縦振動モード等の厚みすべり振動モード以外の振動モードであっても、水晶等の振動部材のサイズを小さくすることにより、振動周波数が高周波になることが知られている。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、作製される圧電体振動子の小型化及び高周波化が図られた圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電体振動子の製造方法は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に振動部を形成するステップと、この圧電体基板に振動部を形成するステップと、振動部が振動する電界を発生する一対の電極を、振動部を挟むように圧電体基板上に配置するステップとを有することを特徴とする。
【０００７】
この圧電体振動子の製造方法においては、振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成される。すなわち、振動部が圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この圧電体振動子の製造方法においては、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部を形成することができるため、研磨加工で振動部を形成する従来の製造方法で作製された圧電体振動子よりも小型で高周波の圧電振動子を作製することができる。
【０００８】
また、一対の電極を振動部から離間させて配置することが好ましい。この場合、電極の質量が振動部の高周波化に影響を及ぼさない。
【０００９】
また、一対の電極と振動部との間の圧電体基板領域に、それぞれ溝部を形成することが好ましい。この場合、圧電体振動子の高さを抑えつつ、振動部の伸長化を図ることができる。
【００１０】
また、圧電体基板の圧電体は水晶であることが好ましい。水晶は、従来から多用されている圧電体であるため、容易に入手することができる。
【００１１】
また、圧電体の水晶の表面のうち、電極と対向する面をＡＴカット面にすることが好ましい。水晶のＡＴカット面における振動は、広い温度範囲にわたって周波数変化が少ない（周波数温度係数が小さい）ので、この振動子を広範な用途に用いることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電体振動子は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に形成された振動部と、振動部を挟むように圧電体基板上に配置され、振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備えることを特徴とする。
【００１３】
この圧電体振動子においては、振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成されている。すなわち、振動部も圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この圧電体振動子は、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部が形成されるため、研磨加工で形成された振動部を有する圧電体振動子よりも小型にすることができると共に、高周波にすることができる。
【００１４】
本発明に係る共振器は、圧電体基板をエッチング加工することにより圧電体基板に形成された振動部と、振動部を挟むように圧電体基板上に配置され、振動部が振動する電界を発生する一対の電極とを備える圧電体振動子と、この圧電体振動子を封止する筐体とを有することを特徴とする。
【００１５】
この共振器においては、圧電体振動子の振動部は、圧電体基板をエッチング加工して形成されている。すなわち、振動部も圧電性を有するため、この振動部を挟むように配置された一対の電極間に交流電圧を印加することで振動部を振動させることができる。このように、この共振器の圧電体振動子は、精密な除去加工が可能なエッチング加工で微細な振動部が形成されるため、研磨加工で形成された振動部を有する圧電体振動子よりも小型にすることができると共に、高周波にすることができる。そのため、小型化及び高周波化が図られたこの圧電体振動子を用いることにより、この共振器の小型化及び高周波化を図ることができる。
【００１６】
また、圧電体振動子を真空封止することが好ましい。この場合、圧電体振動子の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【００１７】
また、圧電体振動子を不活性ガス封止することが好ましい。この場合、圧電体振動子の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る圧電体振動子の製造方法、圧電体振動子及びこれを用いた共振器の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１９】
図１に示すように、共振器１０は、上面開口のセラミクス製筐体１２を有しており、この筐体１２内部には圧電体振動子１４が収容されている。この圧電体振動子１４は、一対の電極（図示せず）を有しており、それぞれ筐体１２に内設された端子１２ａとリード線１６を介して接続されている。端子１２ａは、図示しない交流の外部電源と電気的に接続されており、圧電体振動子１４はこの外部電源から電力供給される。
【００２０】
また、筐体１２の上面開口は金属製の蓋１８で閉蓋されている。なお、この蓋１８と筐体１２の開口の縁とは、金属枠１９を介して溶接されており、密閉性の向上が図られている。したがって、所定の封止設備を用いて、筐体１２内を真空封止、あるいは不活性ガス封止することができる。このように真空封止（不活性ガス封止）することで、筐体１２内の圧電体振動子１４の表面に水滴や塵などが付着するのを防ぐことができる。
【００２１】
次に、圧電体振動子１４について、図２及び図３を参照しつつ詳細に説明する。図２は、圧電体振動子１４を示した斜視図であり、図３は、図２の圧電体振動子１４のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【００２２】
図２に示すように、圧電体振動子１４は、水晶製の圧電体基板２０と一対の電極２２とで構成されている。圧電体基板２０は、基板部２４と振動部２６とで構成されている。基板部２４は、外形が直方体形状をしており、その上面２４ａには、上面２４ａの一辺２４ｂに沿う方向に矩形状の穴２５が形成されている。以下、説明の便宜上、この穴２５が沿う一辺２４ｂの方向をＸ方向、上記上面２４ａにおいてこの穴２５と直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向をＺ方向とする。
【００２３】
平板状の振動部２６は、１１μｍ（厚さ：ｄ）×４００μｍ（高さ：ａ）×６００μｍ（幅：ｂ）であり、基板部２４に形成された穴２５の底面に立設され、その上端２６ａの位置は基板部２４の上面２４ａよりも高くなっている。すなわち、振動部２６の周囲には環状の溝部２５Ａ（溝幅：約０．３μｍ）が形成されている。また、振動部２６の両面２６ｂはいわゆるＡＴカット面となっており、その法線方向はＹ方向となっている。なお、振動部２６の周囲に形成された溝部２５の周辺のうち、振動部２６の両面に対応する縁の２辺の中央付近には、それぞれ平板状電極２２（２００μｍ×１５０μｍ）が設けられている。このように振動部２６は、その一部が基板部２４の上面より下に埋まっている。基板部２４及び振動部２６をこのような構造にすることで、振動部が平面上に通常に形成された圧電体振動子（図３の二点鎖線参照）に比べて、圧電体振動子１４の高さの低減が図られると同時に、振動部２６の伸長化が図られる。
【００２４】
なお、電極２２の対向方向はＹ方向であり、それぞれの電極２２は振動部２６の面（ＡＴカット面）と対向している。そのため、電極２２間に交流電圧を印加すると、振動部２６を貫通するような交流電界が発生する。すなわち、この交流電界の電極２２間における方向は振動部２６の両面に直交する方向（Ｙ方向）である。なお、振動部２６の両面にＡＴカット面を採用することで、広い温度範囲にわたって周波数変化を抑制することができため、この圧電体振動子１４を多様な用途に用いることができる。
【００２５】
従来より、水晶などの圧電体は、交流電界（交番電界）中で振動することが知られており、また、ＡＴカット面を有する水晶片の振動モードは厚さすべりモードであるため、水晶片はその厚さ方向に振動することが知られている。したがって、外部電源を用いて電極２２間に交流電界を発生させると、振動部２６は厚さ方向（Ｙ方向）に振動する。この振動部２６の共振は、振動部２６内に交番電界が発生して、いわゆる逆圧電効果により振動部２６が膨張と圧縮を繰り返すことに起因している。また、その交流周波数を振動部２６の固有周波数に対応させることにより、振動部２６を共振させることが可能である。
【００２６】
なお、厚さすべりモードの場合、水晶片の厚さが薄いほど高周波化されることが知られている。また、厚さすべりモード以外の振動モード（輪郭すべり振動モードや厚み縦振動モードなど）であっても、振動部の小型化に伴って振動周波数が高周波化されることが知られている。
【００２７】
次に、圧電体振動子１４の振動部２６及び基板部２４を形成する方法について、図４を参照しつつ説明する。図４は、振動部２６及び基板部２４を形成する手順を示したフロー図である。
【００２８】
まず、圧電体基板２０のうち、振動部２６となるべき領域２０ａにＺｎＯ層３０及びＡｕ層３２をＺｎＯ層３０、Ａｕ層３２の順番に積層した後、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、この２層３０，３２を振動部２６の断面形状と同じ形状に成形する（図４（ａ））。次に、Ａｕ層３２をマスクとして、ＣＦ４又はＣＦ４／Ｏ２ガスを用いたＲＩＥプラズマエッチングをおこない、Ａｕ層３２でマスクされた領域以外の基板上面２４ａを低下させる（図４（ｂ））。ＲＩＥエッチングにより低下した基板上面２４ａに、フォトリソグラフィ及びエッチング処理によってＡｕ電極層３４を形成する（図４（ｃ））。次に、Ａｕ電極層３４をマスクとして、再びＣＦ４／Ｏ２ガスを用いたＲＩＥプラズマエッチングをおこない、振動部２６の周囲に溝部２５Ａを形成する（図４（ｄ））。そして、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、Ａｕ電極層３４から電極２２を形成すると共に、振動部２６上のＺｎＯ層３０及びＡｕ層３２をエッチング除去する（図４（ｅ））。このように、精密加工が可能なエッチング加工を除去加工に採用することで精度のよい振動部２６が形成される。
【００２９】
以上詳細に説明したように、圧電体振動子１４においては、圧電体基板２０の振動部２６となるべき領域２０ａのまわりにエッチング加工が施されて微細な振動部２６が形成されているため、従来の研磨加工で形成される振動部よりも小型の振動部を作製することができる。そのため、圧電体振動子１４及び共振器１０においては、振動部２６を微小化したことに伴う小型化を図ることができると共に、振動部２６を薄型化したことに伴う高周波化を図ることができる。また、従来の圧電体振動子（水晶共振器）のように、振動部（水晶片）に電極を取り付けないため、電極の質量は高周波化に悪影響を及ぼさない。そのため、電極２２を必要以上に薄型化及び小型化する必要がなく、電極抵抗の増大に伴って増大する共振器損失を抑制することができる。また、振動部表面に膜状の電極（電極膜）を形成する場合、電極膜の形成過程において発生する歪み応力が振動部に悪影響を及ぼすが、この圧電体振動子１４は振動部２６と電極２２とが非接触であるため、そのような問題とは無関係である。
【００３０】
次に、上述した圧電体振動子１４とは異なる態様の圧電体振動子について、図５〜図８を参照しつつ説明する。
【００３１】
図５に示した圧電体振動子１４Ａは、振動部２６の周囲に溝部２５Ａが形成されていない点、電極２２が振動部２６に沿ってせり上がっている点でのみ、上述した圧電体振動子１４と異なる。すなわち、振動部２６は、平坦面である基板部上面２４ａに立設し、この振動部を挟むように電極２２が配置されている。この圧電体振動子１４Ａにおいても、一対の電極２２間にはＹ方向の交流電界を発生させることができるため、振動部２６はＹ方向に振動する。また、この振動部２６もエッチング加工により作製されている。すなわち、まず圧電体基板２０上の振動部２６となるべき領域２０ａにＺｎＯ層３０及びＡｕ層３２をＺｎＯ層３０、Ａｕ層３２の順番に積層した後、フォトリソグラフィ及びエッチング処理により、この２層３０，３２を振動部２６の断面形状と同じ形状に成形する（図６（ａ））。次に、Ａｕ層３２をマスクとして、ＣＦ４／Ｏ２ガスを用いたＲＩＥプラズマエッチングをおこない、Ａｕ層３２でマスクされた領域２０ａ以外の基板上面２４ａを低下させる（図６（ｂ））。ＲＩＥエッチングにより低下した基板上面２４ａに、フォトリソグラフィにより所定パターン（電極のせり上がり部分の残余領域パターン）のレジスト層３６及びＡｕ電極層３８を形成した後、リフトオフエッチングにより振動部２６に沿う部分の電極２２を形成する（図６（ｃ））。次に、所定パターン（電極の下敷部分の残余領域パターン）のレジスト層４０をフォトリソグラフィにより基板上に積層した後、Ａｕ電極層４２を積層する（図６（ｄ））。そして、リフトオフエッチングにより電極２２を形成すると共に、振動部２６上のＺｎＯ層３０及びＡｕ層３２をエッチング除去する（図６（ｅ））。
【００３２】
以上詳細に説明したように、圧電体振動子１４Ａにおいても上述した圧電体振動子１４同様、圧電体基板２０の振動部２６となるべき領域２０ａのまわりにエッチング加工を施して微細な振動部２６が形成されているため、従来の研磨加工で形成される振動部よりも小型の振動部を作製することができる。そのため、圧電体振動子１４Ａ及びこれを用いた共振器１０においては、振動部２６を微小化したことに伴う小型化を図ることができると共に、振動部２６を薄型化したことに伴う高周波化を図ることができる。
【００３３】
図７に示した圧電体振動子１４Ｂは、振動部２６と基板部２４との高さが同じ点、振動部２６のＸ方向の両端部２６ｃが基板部２４と連結している点、電極２２が溝部２５Ａの底面まで下垂している点でのみ、上述した圧電体振動子１４と異なる。すなわち、この圧電体振動子１４Ｂは、平行な２つの溝部２５Ａを有する直方体形状の圧電体基板２０と一対の電極２２とにより構成されており、この圧電体振動子１４Ｂにおいては、２つの溝部２５Ａに挟まれた部分が振動部２６となっている。この圧電体振動子１４Ｂにおいても、一対の電極２２間にはＹ方向の交流電界を発生させることができ、振動部２６にこの交流電界が印加されるため、振動部２６の中央付近が大きくたわんで振動部２６がＹ方向に振動する。なお、この圧電体振動子１４Ｂにおいても上述した圧電体振動子１４，１４Ａ同様、所定のエッチング処理により振動部２６が形成される。また、電極２２は、所定のフォトリソグラフィ及びエッチング処理により形成される。したがって、圧電体振動子１４Ｂ及びこれを用いた共振器１０においては、前述の圧電体振動子１４，１４Ａ同様、小型化及び高周波化を図ることができる。なおここでは、振動部２６のＸ方向の両端部２６ｃが基板部２４と連結している例を示しているが、この両端部２６ｃのうち一方の端部のみが基板部２４と連結している態様であってもよい。
【００３４】
図８に示した圧電体振動子１４Ｃは、基板部上面２４ａが傾斜している点、電極２２の面積が大きい点でのみ、図５に示した圧電基板１４Ａと異なる。この圧電体振動子１４Ｃにおいても、電極２２間に交流電圧を印加した場合には、振動部２６を貫通するＹ方向の交流電界が発生し、振動部２６がＹ方向に振動する。また、この圧電体振動子１４Ｃは、上述した圧電体振動子１４，１４Ａ，１４Ｂ同様、所定のエッチング処理により振動部２６が形成される。したがって、圧電体振動子１４Ｃ及びこれを用いた共振器１０においては、前述の圧電体振動子１４，１４Ａ，１４Ｂ同様、小型化及び高周波化を図ることができる。
【００３５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、圧電体基板の除去加工はＲＩＥエッチングに限定されず、レーザ加工、イオンビーム加工等であってもよい。また、振動部の形状は平板形状に限定されず、図９に示すようなＸ―Ｙ断面形状でもよい。すなわち、（ａ）４つの角部が曲面状に面取りされた形状、（ｂ）面の中央付近が電極方向に突出した形状、（ｃ）楕円形状、（ｅ）円形状等であってもよい。さらに、振動部の下部をテーパ状にして、振動部の安定度の向上を図ってもよい。また、振動部と電極との位置関係は、電極間の交流電界が振動部を通過する範囲で適宜変更することができ、例えば、電極の高さを上下にずらすことも可能である。さらに、圧電体振動子を作製するエッチングの手順及び材料は、上述したものに限定されず、製造時間の短縮や生産性向上のために適宜変更してもよい。
【００３６】
また、振動部が水晶製である場合、振動部の両面はＡＴカット面に限らず、例えば、ＣＴカット面やＸカット面であってもよい。すなわち、振動部の振動モードは、厚みすべりモードに限らず、例えば、輪郭すべりモードや厚み縦振動モードであってもよい。さらに、圧電体は、天然あるいは人工の水晶に限定されず、例えば、ＬｉＮｂＯ３結晶や圧電セラミクス材料（ＢａＴｉＯ３等）でもよい。
【００３７】
【実施例】
発明者らは、実際に圧電体振動子を作製して、その共振特性を測定した。以下、測定した結果を示す。
【００３８】
（第１の実施例）
水晶製の圧電体基板をエッチング加工すると共に一対の電極を取り付けて、図２に示した圧電体振動子１４と略同様の圧電体振動子を作製した。エッチングの条件は、ＣＦ４ガス雰囲気中、圧力は２Ｐａ、ＲＦパワーは３００Ｗとした。このようにして作製した圧電体振動子の振動部は、厚さ（ｄ）が１１μｍ、高さ（ａ）が６００μｍ、幅（ｂ）が６００μｍであった。また、長方形状の電極の大きさは、１００μｍ×２０μｍであった。これら振動部及び電極の距離は、０．３μｍであった。この圧電体振動子を表面実装型のセラミクス筐体で封止し、３ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍの共振器を作製して、この共振器の共振周波数及びＱ値を測定した。その結果、共振周波数は１５０ＭＨｚ、Ｑ値は７８００となり、良好な共振特性が得られた。
【００３９】
（第２の実施例）
水晶製の圧電体基板をエッチング加工すると共に一対の電極を取り付けて、
図２に示した圧電体振動子１４と略同様の圧電体振動子を作製した。エッチングの条件は、ＣＦ４ガス雰囲気中、圧力は２Ｐａ、ＲＦパワーは３００Ｗとした。このようにして作製した圧電体振動子の振動部は、厚さ（ｄ）が１μｍ、高さ（ａ）が１００μｍ、幅（ｂ）が１００μｍであった。また、長方形状の電極の大きさは、５０μｍ×１０μｍであった。これら振動部及び電極の距離は、０．１μｍであった。この圧電体振動子を表面実装型のセラミクス筐体で封止し、３ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍの共振器を作製して、この共振器の共振周波数及びＱ値を測定した。その結果、共振周波数は１．６ＧＨｚ、Ｑ値は８５０となり、良好な共振特性が得られた。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、作製される圧電体振動子の小型化及び高周波化が図られた圧電体振動子の製造方法、圧電振動子及びこれを用いた共振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る共振器を示した図である。
【図２】図１の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図３】図２の圧電体振動子のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図２の圧電体振動子を作製する手順を示したフロー図である。
【図５】図２の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図６】図５の圧電体振動子を作製する手順を示したフロー図である。
【図７】図２の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図８】図２の圧電体振動子とは異なる態様の圧電体振動子を示した斜視図である。
【図９】圧電体振動子の振動部の断面の変形態様を示した図である。
【符号の説明】
１０…共振器、１２…筐体、１４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…圧電体振動子、２０…圧電体基板、２０ａ…領域、２２…電極、２４…基板部、２５Ａ…溝部、２６…振動部、２６ｂ…面。
【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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【図９】
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