(57)【要約】【課題】  微小な圧電素子片をバレル研磨によりコンベックス形状に加工する方法を提供する。【解決手段】  所定の曲率の研磨加工面１３を有するポット４の内部に多数の重量０．１ｍｇ以下の微小な水晶素子片１１と研磨材１２とを投入し、ポットを２００ｒｐｍ超の、好ましくは２４０ｒｐｍ以上の回転数Ｎで公転させつつ、回転比ｎ／Ｎ＝−１に設定した回転数ｎで自転させ、水晶素子片を研磨加工面の曲率に合わせたコンベックス形状に研磨加工する。【選択図】  図２
2005260873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の曲率の研磨加工面を有するポットの内部に重量０．６ｍｇ以下の微小な圧電素子片と研磨材とを投入し、前記ポットを２００ｒｐｍ超の回転数Ｎで公転させつつ回転数ｎで自転させ、前記圧電素子片を前記ポットの前記研磨加工面との間で研磨加工することを特徴とする圧電素子片のコンベックス加工方法。
【請求項２】
圧電素子片の重量が０．１ｍｇ以下の場合に、前記公転回転数Ｎを２４０ｒｐｍ以上に設定したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子片のコンベックス加工方法。
【請求項３】
前記公転回転数Ｎと前記自転回転数ｎとを回転比ｎ／Ｎ＝−１に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子片のコンベックス加工方法。
【請求項４】
前記圧電素子片が水晶からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電素子片のコンベックス加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚みすべり振動の圧電振動子などの圧電デバイスに使用するために、水晶などの圧電材料からなる圧電素子片をコンベックス形状に加工するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に電子機器に広く採用されている圧電振動子などの圧電デバイスは、特に情報通信機器の分野において、より高い周波数特性及び周波数精度、より小型・薄型化が要求されている。更に、回路基板への実装に適していることから多く使用されている表面実装型の圧電デバイスは、矩形圧電薄板からなる圧電振動片をその基端部でパッケージに導電性接着剤で片持ちにマウントする。このとき、圧電振動片をその断面が中央部から端部に向けて徐々に薄くなるコンベックス形状にすると、該端部における振動変位の減衰量が大きくなるので、中央部に振動エネルギを閉じ込める効果が高くなる。それにより、Ｑ値等の周波数特性を向上させ、かつ比較的高い周波数でも通常の圧電振動片より振動子を小さくすることができる。
【０００３】
従来、このようなコンベックス形状の圧電素子片は、例えばバレル研磨装置を用いた機械的な研磨加工により形成されている。バレル研磨装置は、通常水晶ウエハ等の圧電材料から短冊状に切り出した数百〜数千個もの多数の圧電素子片と研磨材とをポットに入れ、このポットを所定の速度で公転させつつ自転させることにより、その遠心力で圧電素子片をポット内部の研磨加工面に押し付けながら相対運動させ、該研磨加工面の曲率に対応したコンベックス形状に研磨する（例えば、特許文献１、２を参照）。また、この種のバレル研磨加工では、ポットの公転回転数及び自転回転数の設定・調整を簡単にして研磨条件を広範に設定できるようにしたり、ポットを最初は自転のみ行った後、公転及び自転させることにより、硬脆な被加工物の欠け、割れ又はチッピングを防止するなど、様々な工夫がなされている（例えば、特許文献３、４を参照）。
【０００４】
他方、上述したコンベックス形状の機械加工は比較的長時間を要することから、エッチング液を用いたウエットエッチングにより加工時間を短くしたコンベックス形状の化学的加工方法が知られている（例えば、特許文献５を参照）。更に、圧電素子片の主面を段階的にウエットエッチングしてコンベックス形状に近似した階段形状に加工したり、更にこの階段形状をサンドブラストや研磨機などの機械加工でコンベックス形状に整える加工方法が提案されている（例えば、特許文献６、７を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２０５４４９号公報
【特許文献２】特開平８−２１６０１４号公報
【特許文献３】特開昭６２−２５１０６６号公報
【特許文献４】特公平４−４０１５０号公報
【特許文献５】特開２００１−２８５０００号公報
【特許文献６】特開平１１−３５５０９４号公報
【特許文献７】特開２００３−１６８９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般にウエットエッチングによる化学的加工方法は、加工時間の短縮に加えて加工量が均一であるものの、圧電素子片の主面が上向き凸のコンベックス形状にならない、という問題がある。特に特許文献６、７に記載の方法は、加工が複雑で工数が多くかつ工程管理が困難であり、生産性の低下及びコストの増加を招く虞がある。
【０００７】
また、バレル研磨装置を用いた機械的加工方法は、圧電素子片がより小型化し、より軽量になるほど、加工時間が長くなるいう問題がある。更に圧電素子片の寸法が、例えば１０００×６００μｍ程度又はそれ以下に微小化すると、圧電素子片の寸法に対応して装置自体が小型になることに加えて、素子片個々の重量があまりに軽量化するために、従来の加工方法では、コンベックス加工がより一層困難に又は不可能になる虞がある。以下に詳細に説明する。
【０００８】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ圧電素子片のコンベックス加工に使用する一般的なバレル研磨装置の構成を概念的に示している。図１（Ａ）のバレル研磨装置は、フライホイール１がその回転軸１ａを中心に回転可能に支持され、かつ駆動モータ２のプーリとベルト３により駆動力伝達可能に連結されている。フライホイール１の外周近傍には、複数のポット４が周方向に等間隔で配置され、かつそれぞれ回転軸４ａを中心に回転可能に支持されている。各ポット４には、プーリ５が回転軸４ａと同軸にかつ一体回転するように設けられ、フライホイール１の回転軸１ａと同軸上に固設された固定プーリ６とベルト７で駆動力伝達可能に連結されている。駆動モータ２を駆動してフライホイール１を図中矢印の向きＡに回転させると、ポット４は回転軸１ａを中心に同じ向きＡに公転しつつ、ベルト７により駆動されて回転軸４ａを中心に公転方向Ａとは逆の向きＢに自転する。
【０００９】
図１（Ｂ）のバレル研磨装置は、ポット４の自転がベルト駆動式である図１（Ａ）の装置と異なり、高速回転に適したギヤ駆動式である。各ポット４には、プーリ５に代えて被動ギヤ８が回転軸４ａと同軸にかつ一体回転するように設けられ、フライホイール１の回転軸１ａと同軸上に固設された固定ギヤ９と中間ギヤ１０を介して駆動力伝達可能に連結されている。図１（Ａ）と同様に、駆動モータ２を駆動してベルト３でフライホイール１を図中矢印の向きＡに回転させると、ポット４は回転軸１ａを中心に同じ向きＡに公転しつつ、ギヤ列８〜１０により駆動されて回転軸４ａを中心に公転方向Ａとは逆の向きＢに自転する。
【００１０】
これらバレル研磨装置による研磨加工のメカニズムは、図１（Ａ）及び（Ｂ）いずれの場合も同じであり、図２（Ａ）及び（Ｂ）の加工モデルを用いて説明する。ポット４内に多数の圧電素子片１１及び所定量の研磨材１２を投入し、前記バレル装置を作動させてポット４を公転及び自転させると、その遠心力で圧電素子片１１及び研磨材１２は、常に最外周の位置でポット内壁面に押し付けられた状態となる。このポット内壁面が、所定の曲率を有する球面状の研磨加工面１３であり、圧電素子片１１との相対運動により、これをその曲率に対応したコンベックス形状に研磨加工する。
【００１１】
かかる研磨加工に要する加工エネルギＥは、その加工量により、プレストンの経験則に従って次のように表すことができる。
【００１２】
Ｅ＝ｋＰＶｔ      …（１）
ここで、ｋ：比例定数、Ｐ：圧電素子片を研磨加工面に押し付ける圧力、Ｖ：圧電素子片と研磨加工面との相対速度、ｔ：加工時間である。尚、比例定数ｋは、研磨材の大きさ・性状・量、研磨材が圧電素子片に付着保持される状態、加工屑の排除・付着状態などの加工条件によって変化する。
【００１３】
ところが、実際のバレル研磨加工では、上記式（１）で表される全加工エネルギＥが圧電素子片の研磨に消費されるわけではない。圧電素子片と研磨加工面との間に介在する研磨材との摩擦エネルギや流動損失などの内部損失が存在し、これを式（１）の加工エネルギＥから差し引いた残りの正味加工エネルギが研磨加工に使用される。従って、この正味加工エネルギが、圧電素子片の材質によって予め決まった一定の値即ち加工閾値を超えないと、圧電素子片を研磨加工することはできない。
【００１４】
特に圧電素子片がより一層小型化、更に微小化すると、その寸法が小さくなるに伴い、その体積に対する表面積の割合が大きくなるから、研磨材との摩擦が増え、これが抵抗となって内部損失が増加する。そのため、正味加工エネルギが更に減少して、圧電素子片の研磨加工が困難になる。
【００１５】
回転軸１ａから最外周のポット内壁面即ち研磨加工面１３までの公転半径をＲ、ポット４の公転角速度をω、圧電素子片１１と研磨材１２との合計質量をＭとすると、圧電素子片１１全体に作用する遠心力Ｆは、
Ｆ＝ＭＲω２
となる。この遠心力が圧電素子片を研磨加工面に押し付ける圧力Ｐは、圧電素子片と研磨加工面との接触面積をＳとすると、
Ｐ＝Ｆ／Ｓ＝ＭＲω２／Ｓ      …（２）
である。ポット４の自転角速度をω´＝ｃω（ここで、ｃは公転角速度との比）、回転軸４ａから研磨加工面１３までの自転半径をｒとすると、圧電素子片と研磨加工面との相対速度Ｖは、
Ｖ＝ｒω´＝ｃｒω      …（３）
となる。従って、上記式（１）は式（２）及び（３）から、次のように書き換えられる。
【００１６】
Ｅ＝ｋｃＭＲｒω３ｔ／Ｓ      …（４）
更に、ポット４内に投入した圧電素子片１１の個数をｉとした場合、研磨材が個々の圧電素子片に均等に作用し、かつ個々の圧電素子片と研磨加工面とが均等に接触すると仮定すると、圧電素子片と研磨材との合計質量はｍ＝Ｍ／ｉ、圧電素子片と研磨加工面との接触面積はｓ＝Ｓ／ｉとなる。従って、個々の圧電素子片に作用する加工エネルギｅは、次式となる。
【００１７】
ｅ＝Ｅ／ｉ＝ｋｃｍＲｒω３ｔ／ｓ      …（５）
圧電素子片が微小化すると、各個片の重量ｍが大幅に減少するだけでなく、その寸法も大幅に小さくなるので、それに対応して所望のコンベックス形状を得るためには、ポット４の研磨加工面１３の曲率、即ち自転半径ｒを小さくしなければならない。そのため、式（５）から分かるように、上述した内部損失の増加だけでなく、加工エネルギｅ自体が減少するという問題がある。
【００１８】
ところが、上記式（４）及び（５）を精査すると、加工エネルギｅには、圧電素子片の重量ｍ及びポットの自転半径ｒの変化が、これらを合わせて２乗で比例するように作用するのに対して、ポットの公転角速度ωの変化が３乗で比例するように作用する。従って、圧電素子片の微小化に対応してポットの公転角速度をそれ以上に高くすることによって、加工エネルギｅを加工閾値及び内部損失の増加よりも大きくすれば、圧電素子片のバレル研磨加工が可能である。
【００１９】
本願発明者は、かかる知見に基づいて本発明を案出するに至ったものである。即ち、本発明の目的は、上述した従来技術の問題点に鑑み、微小な圧電素子片を所望のコンベックス形状に加工し得る圧電素子片のコンベックス加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本願発明者は、後述するように、従来使用されている重量０．６ｍｇの小型水晶素子片と、その僅か約１／５程度の大きさしかない寸法１０００×６００×７０μｍ、重量０．１ｍｇの矩形平板からなる微小水晶素子片とについて、バレル研磨によるコンベックス形状の加工試験を行った。微小水晶素子片には、その寸法に対応して、バレル研磨装置には、直径２５mmの球状曲面からなる研磨加工面を有するポットを使用した。ポットの公転回転数Ｎに対する自転回転数ｎは、従来最適とされているｎ／Ｎ＝−１に設定し、互いに逆向きかつ同一の回転数とした。
【００２１】
このポットに前記微小水晶素子片１０００個と研磨材１ｇとを投入し、１８０ｒｐｍの回転数で公転させ、６００時間連続して加工したが、水晶素子片は全くコンベックス形状に研磨できなかった。更に、公転回転数Ｎを２００ｒｐｍ以上に設定し、かつ他の加工条件を代えずに加工試験を行った。その結果、公転回転数Ｎ＝２００ｒｐｍでは同様に全くコンベックス加工できなかったが、後述するように、２００ｒｐｍ超の回転数Ｎで公転させると、微小水晶素子片をコンベックス形状に研磨加工でき、かつ公転回転数Ｎを高くするほど、その加工時間を短縮できることが確認された。
更に、従来の前記小型水晶素子片については、２００ｒｐｍ超の公転回転数で、コンベックス形状への研磨加工時間を従来より大幅に短縮できることが確認された。
【００２２】
そこで、本発明によれば、所定の曲率の研磨加工面を有するポットの内部に重量０．１ｍｇ以下の微小な、例えば特に従来から広く採用されている水晶からなる圧電素子片と研磨材とを投入し、該ポットを２００ｒｐｍ超の回転数Ｎで公転させつつ回転数ｎで自転させ、圧電素子片をポットの研磨加工面との間で研磨加工する圧電素子片のコンベックス加工方法が提供される。
【００２３】
このように圧電素子片の大きさに対応して従来より大幅に高い公転回転数を設定することによって、バレル研磨を用いた機械加工による微小な圧電素子片のコンベックス加工が可能となると共に、加工時間を短縮でき、かつ大量生産が可能となって、大幅な生産性の向上及び製造コストの低減を実現することができる。
【００２４】
更に、重量０．１ｍｇ以下の微小圧電振動片では、公転回転数Ｎを２４０ｒｐｍ以上に設定すると、従来使用されている前記小型水晶素子片をバレル研磨加工する場合と略同程度の加工時間で、圧電素子片をコンベックス加工することができるので、好都合である。
【００２５】
また、公転回転数Ｎと自転回転数ｎとを回転比ｎ／Ｎ＝−１に設定すると、最適に効率良くバレル研磨加工することができるので、好都合である。
【実施例】
【００２６】
寸法１０００×６００×７０μｍ、重量０．１ｍｇの矩形平板からなるサンプルＡの微小な水晶素子片について、図１に関連して上述した一般的な構造のバレル研磨装置を用いてコンベックス形状の加工試験を行った。バレル研磨装置は、サンプルＡの寸法に対応して直径２５mmの球状曲面からなる研磨加工面を有するポットを使用し、その回転軸４ａをフライホイール１の回転軸１ａから２５ｃｍの位置に配置し、ポットの公転回転数Ｎに対する自転回転数ｎ即ち回転比はｎ／Ｎ＝−１に設定した。研磨材として、ＧＣ（グリーンカーバイト）粒度＃１０００（平均粒径１０．５μｍ）を使用した。
【００２７】
このサンプルＡの水晶素子片１０００個と研磨材１ｇとをポットに投入し、公転回転数を１８０ｒｐｍ乃至３６０ｒｐｍの範囲で変えて水晶素子片を研磨加工し、所望のコンベックス形状を得るのに要する加工時間を測定した。その結果を図３に示す。尚、公転回転数３６０ｒｐｍでは、図１（Ａ）のベルト駆動式のバレル研磨装置はポット４を駆動するベルト７に滑りが生じたため、図１（Ｂ）のギヤ駆動式のバレル研磨装置を使用した。
【００２８】
比較例として、従来使用されている寸法２２００×１５３０×７０μｍ、重量０．６ｍｇの矩形平板からなるサンプルＢの小型水晶素子片について、同様にバレル研磨装置を用いてコンベックス形状の加工試験を行った。バレル研磨装置のポットには、サンプルＢの寸法に対応して直径８０mmの球状曲面からなる研磨加工面を有するものを使用した。このポットにサンプルＢの水晶素子片１０００個と研磨材１ｇとを投入し、公転回転数に関するコンベックス加工の所要時間を測定した。その結果を併せて図３に示す。
【００２９】
この試験結果から分かるように、従来使用されているサンプルＢの公転回転数に比して概ね２倍又はそれ以上の高速である公転回転数Ｎ＝２４０ｒｐｍ以上において、サンプルＡの微小水晶素子片はコンベックス形状に加工できた。また、その加工時間は、サンプルＢと略同程度であった。
【００３０】
特にＮ＝３６０ｒｐｍでは、加工時間が３６時間であり、図４（Ａ）に示すような良好なコンベックス形状が得られた。このサンプルＡの水晶素子片の表面高さを長手方向の断面に沿って測定し、その結果を図４（Ｂ）に示す。同図において、ポット４の研磨加工面１３の曲率に対応する直径２５cmの基準線を破線で示す。この測定結果から、ポットの研磨加工面が十分かつ良好に転写され、所望のコンベックス形状を得られたことが分かる。
【００３１】
また、公転回転数Ｎ＝２４０ｒｐｍ以下では、より低速になるに従って加工時間が非常に長くなった。そして、Ｎ＝２００ｒｐｍでは、水晶素子片を全くコンベックス形状に加工できなくなった。更に、従来の公転回転数Ｎ＝１８０ｒｐｍでは、６００時間連続して加工したにも拘わらず、水晶素子片を全くコンベックス加工できなかった。これに対し、サンプルＢは、比較的短時間でコンベックス加工することができた。
【００３２】
このように、本発明によれば、従来よりも大幅に小型・軽量化した微小水晶素子片についても、公転回転数Ｎを２００ｒｐｍ以上、好ましくは２４０ｒｐｍ以上の高速に設定することによって、バレル研磨によるコンベックス加工が可能になることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（Ａ）図はポットがベルト駆動式である一般的なバレル研磨装置の構成を示す概念図、（Ｂ）図はギヤ駆動式であるものの構成を示す概念図。
【図２】（Ａ）図はバレル研磨装置による加工の力学モデルを示す説明図、（Ｂ）図はポット内部における加工の力学モデルを示す説明図。
【図３】公転回転数に関する加工時間の変化を水晶素子片の大きさ別に示す線図。
【図４】（Ａ）図は本発明の方法によりコンベックス加工した水晶素子片を示す概略斜視図、（Ｂ）図はその加工結果を計測した水晶素子片の縦断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１…フライホイール、１ａ，４ａ…回転軸、２…駆動モータ、３，７…ベルト、４…ポット、５…プーリ、６…固定プーリ、８…被動ギヤ、９…固定ギヤ、１０…中間ギヤ、１１…圧電素子片、１２…研磨材、１３…研磨加工面。
【図１】
2005260873.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005260873.tif 000006