(57)【要約】  【課題】本発明の目的は、移動体通信機器などに用いられるフィルタ、発振器、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供することである。また、そのような圧電振動子を生産効率よく製造する方法を提供することである。  【解決手段】本発明の圧電振動子１は、所望の共振周波数で振動させるための駆動用電極５ａ、５ｂを備えた圧電振動片２の上に絶縁体６ａ、６ｂを形成し、その質量を調整して共振周波数を合わせ込む。またこの圧電振動子の製造方法は、駆動用電極を備えた圧電振動片を形成する振動片形成工程と、絶縁体の原料微粒子をエアロゾル化して圧電振動片の表面に噴射し、原料微粒子径、ガス圧力、噴射角度等の選定により絶縁体を堆積あるいはエッチングして、所望の共振周波数になるよう調整する周波数調整工程を有する。【選択図】図１
2009055092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動片上に電極を備え所定の共振周波数で振動する圧電振動子において、圧電振動子表面にその質量によって前記共振周波数を調整する絶縁体を堆積させたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動子は、基部と、この基部から突出する２本以上の腕部とを備え、前記絶縁体は、前記圧電振動子の表面または裏面の少なくとも一方に形成してあることを特徴とする圧電振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片は、圧電単結晶材料であることを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記絶縁体の材質は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、または酸化シリコン（ＳｉＯ２）、または酸化チタン（ＴｉＯ２）、または窒化シリコン（ＳｉＮ）のいずれかであることを特徴とする圧電振動子。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電振動子の製造方法であって、
原材料から圧電振動片を形成し、該圧電振動片上に電極を形成する工程と、
前記圧電振動片上に絶縁体微粒子を噴射して絶縁体を堆積またはエッチングすることと、前記圧電振動片を振動させて振動周波数を測定することによって前記絶縁体の堆積量を制御し、所望の共振周波数になるよう調整する工程を有することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記絶縁体を堆積する方法は、パウダージェットデポジション法、またはエアロゾルデポジション法、またはコールドスプレー法のいずれかであることを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項７】
請求項５に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記絶縁体微粒子の噴射による絶縁体の堆積とエッチングの切り替えは、ノズルの噴射角または原料粒径を制御して行うことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
移動体通信機器などに用いられるフィルタ、発振器、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルネットワーク社会の急速な進歩に伴い、携帯電話に代表される移動体通信機器の小型化、高性能化が加速され、移動体通信機器に使用されているフィルタ、発振器、センサも小型化、高精度化が必要不可欠である。特に圧電振動子を使用するフィルタ、発振器、センサでは圧電振動子の小型化、さらに高精度に共振周波数を制御する要求がなされている。
【０００３】
高精度に共振周波数を制御する方法として、振動子の表面にＡｕなどの導電材料を周波数調整用膜として形成し、レーザー照射、機械加工、ドライエッチングなどにより周波数調整用膜を除去することによって、圧電振動子の質量を変化させ、所望の共振周波数に調整することが行われている。
【０００４】
図９はそのような従来の音叉型圧電振動子の例で、例えば下記の特許文献１に見られるものである。
【特許文献１】特開２００３−１３３８８５号公報（図１）
【０００５】
以下、これを圧電振動子１０１とする。圧電振動子１０１は、基部１０３と、この基部１０３から突出して形成されている２本の腕部１０４ａ、１０４ｂを有する圧電振動片１０２の表面に、駆動用電極１０５ａ、１０５ｂを形成してあり、これは電圧を印加して腕部１０４ａ、１０４ｂを振動させるためである。一方の腕部１０４ａの主面表裏と他方の腕部１０４ｂの側面両側に、駆動用電極１０５ａが配置され、一方の腕部１０４ａの側面両側と他方の腕部１０４ｂの主面表裏に、駆動用電極１０５ｂが配置されている。
【０００６】
圧電振動子１０１の主面上に周波数調整用膜を形成する。これには、粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂがあって、粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂにより所望の周波数に速やかに近づけ、次いで微調整用膜１０７ａ、１０７ｂにより、所望の共振周波数に合わせ込む。また、基部に形成した電極パッドにより、圧電振動子１０１を振動させるための電源や発振回路に接続される。
【０００７】
周波数調整工程は、周波数調整用膜の粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを、レーザー、機械加工、ドライエッチングなどで部分的に除去することにより、圧電振動子１０１の質量を変化させ共振周波数を調整する。周波数調整前の圧電振動子１０１は、所望の周波数より低めの周波数に設計する。例えばＹＡＧレーザーを使用した場合は直径１０〜５０μｍ程度の膜が除去され、共振周波数が２から５ｐｐｍ程度高くなる。
【０００８】
粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂは、共振周波数の調整度合いにより使い分ける。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂはメッキ法等の成膜方法によって１．０μｍ程度に厚く形成され、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂはスパッタリング法や蒸着法等の成膜方法によって０．２μｍ程度に薄く形成される。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂも微調整用膜１０７ａ、１０７ｂも、比重の大きいＣｒ、Ａｕ、Ａｇなどで形成される。
【０００９】
発振回路により圧電振動子１０１を振動させ、共振周波数を測定する。共振周波数を観測しながら、レーザーで周波数調整用膜の粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを除去し、所望の共振周波数付近に調整する。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂは厚く形成されているので、レーザーの照射による質量減少量は大きく、速やかに共振周波数を高くすることができる。その後、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを除去し高精度に調整を行う。微調整用膜１０７ａ、１０７ｂは薄く形成されているので、レーザーの照射による質量減少量は小さく、精度良く周波数を調整することができる。さらに精度良く周波数調整を行うために、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを多数配置している。
【００１０】
圧電振動子は振動型ジャイロセンサに用いられている。一般に、単一振動をしている質点が回転するときに発生するコリオリ力Ｆｃは、次の式で表される。
Ｆｃ＝２ｍｖΩ
ここで、ｍは振動ジャイロの質量、ｖは振動ジャイロの振動速度、Ωは振動ジャイロのＺ軸回りの角速度である。そして、前記質量ｍ、振動速度ｖが既知であれば、角速度Ωを導出することが可能となる。振動ジャイロセンサでは、コリオリ力による圧電振動子の変形を、圧電振動子に発生する電荷で検出している。
【００１１】
圧電振動子で構成した振動型ジャイロセンサは次のようなものである。図９のような圧電振動子の腕部に駆動用電極を形成するとともに、コリオリ力を検出するための検出用電極を形成する。駆動用電極に駆動信号を入力することにより、両方の腕部を含む面の面内方向（Ｙ軸方向）に腕部が開閉するように屈曲振動している圧電振動子に、腕部と平行な軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部の振動方向が変化し、面外方向（Ｘ軸方向）へ屈曲振動する。この腕部の振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極から出力される。したがって、コリオリ力Ｆｃに対応した腕部の振動の変化に伴って、腕部に形成された電極から出力される信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。
【００１２】
振動ジャイロの高性能化のために、面内方向の周波数と面外方向の周波数を管理する必要がある。面内方向の周波数と面外方向の検出周波数の差を離調度とする。離調度はセンサの感度を決定する重要な要素であり、離調度がばらつくとセンサの特性がばらつく。よって従来の音叉型圧電振動子と同様に周波数を調整する必要がある。従来の場合、これら面内、面外の周波数を調整し、離調度を合わせ込む工程においても、レーザー、機械加工、ドライエッチングによって周波数調整用膜を除去する方法が用いられていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の圧電振動子の構造は、圧電振動片に周波数調整用膜を形成するためのスペースが必要となる。また、同一の圧電振動片上に駆動用電極を形成する必要があり、周波数調整用膜を形成すると、その分、駆動用電極の面積が減少する。駆動用電極の面積が減ると電界効率の低下やインピーダンスの増加が起こり、振動特性が劣化する。駆動用電極の面積を減らさないで周波数調整用膜を設けようとすれば、余分のスペースが必要になって小型化に適さない。
【００１４】
従来の周波数調整用膜は、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇなどの膜で構成しているが、レーザー、機械加工、ドライエッチングにより除去された膜の破片が圧電振動片上に付着する。破片が電気的に分離されている電極を短絡すると、発振停止などの不良を引き起こす原因となる。
【００１５】
従来の圧電振動子の共振周波数調整工程は、レーザーの照射位置、機械加工の加工位置を高精度に制御しないと良好な周波数調整ができない。さらに、圧電振動子が小型になると周波数調整用膜の面積が減るため、高精度な周波数調整が困難になるとともに、周波数の調整可能範囲が狭くなる。
【００１６】
従来の周波数調整工程で、レーザーを用いて周波数調整を行う場合は、高出力のレーザーを使用するため、周波数調整用膜を除去するだけでなく圧電振動片に熱応力、表面変質などの影響を与え、振動特性が劣化する。機械加工を用いて周波数調整を行う場合は、圧電振動片の形状が設計形状から外れ、漏れ振動を生じて振動特性が劣化する。また加工歪などの応力が加わり圧電振動片に悪影響を与える。
【００１７】
従来の周波数調整工程は、周波数調整用膜を除去することにより、圧電振動子の共振周波数を高くする一方なので、調整条件や周波数調整用膜の特性のばらつきにより、共振周波数を所望の値より高くしてしまうことがある。周波数を低く調整することはできないため、高精度な調整ができない。
【００１８】
本発明の目的は、移動体通信機器などに用いられるフィルタ、発振器、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供することと、このような圧電振動子を効率よく製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記の課題を解決するために、本発明の圧電振動子には周波数調整膜を、従来のような電極と同種の導電材料でなく絶縁体で形成する。絶縁体であるから圧電振動片上の電極を短絡する恐れがなく、電極に重ねて設けることができ、圧電振動子の共振周波数を所望の値にする質量を形成する。
【００２０】
また、本発明の圧電振動子の製造方法には、圧電材料の基板から圧電振動片を形成し、これに駆動用電極を設ける工程と、圧電振動子が所望の共振周波数になるよう質量を調整しながら、圧電振動片上に絶縁体を形成する工程を含める。
【００２１】
絶縁体は、パウダージェットデポジション法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法等により堆積・エッチングし、膜厚を制御して質量を調整しながら形成する。これらは、微粒子を吹き付け、その衝撃力によって圧電振動片上に絶縁体を形成する方法であり、ノズルの噴射角、原料粒径の制御により、堆積・エッチングの度合いを調整する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、周波数調整用の絶縁体を圧電振動子の駆動用電極に重ねて形成することができ、従来のように駆動用電極とは別のスペースを設ける必要がなくて、圧電振動子の小型化に適する。これにより、高い機械的品質係数Ｑ、良好な共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが得られ、高精度で温度安定性が優れた圧電振動片を提供できる。特に圧電振動片を水晶で製作する場合は、水晶ウェハーをドライエッチングやウェットエッチングで容易に精度よく加工することができる。
【００２３】
パウダージェットデポジション法、エアロゾルデポジション法は、微粒子を吹き付けて、その衝撃力によって圧電振動片上に絶縁体を形成する方法で、ノズルの噴射角、原料粒径の制御によって堆積量と、逆にエッチング量を制御でき、簡便かつ高精度に周波数調整を行える。従来用いられてきたレーザーや機械加工による共振周波数の調整方法は、過度の除去などにより周波数が所望より高くなった場合に修正が困難であったが、本発明では
堆積とエッチングの両方が可能なので、短時間で高精度に共振周波数を所望の値に合わせ込むことがでる。
【００２４】
また、絶縁体の形成速度が速く、短時間で厚く形成できて生産性がよい上、スパッタ法やＣＶＤ 法に比べて低温で形成できるので、駆動用電極や圧電振動片に熱的損傷を与えることが少なく、特性の劣化を防いで高精度な圧電振動子が得られる。本発明によれば、外部から印加された物理量を検出するセンサ、例えば移動体通信機器などに用いられるフィルタ、発振器、センサや、振動型ジャイロセンサなどの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供でき、また、生産効率の優れた小型で高性能な圧電振動子の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の圧電振動子の一例を示す斜視図である。圧電振動子１は、圧電振動片２を構成する直方体状の基部３を含む。２本の腕部４ａ、４ｂが基部３から互いに間隔を隔てて伸び、音叉型の形状をなしている。このように基部３と腕部４ａ、４ｂを備えた圧電振動片２は、圧電単結晶である水晶片から製作される。
【００２６】
腕部４ａ、４ｂの主面上及び側面上に、それぞれ駆動用電極５a、５ｂを配置する。駆動用電極５a、５ｂがつながる基部３上のバッドには、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのワイヤが接続され、このワイヤを介して電源や発振回路に接続される。駆動用電極５a、５ｂは電気的に分離されており、互いに異なる電圧を与えることによって、水晶片の内部に電界を生じる。水晶片は圧電単結晶材料なので、内部に生じる電界の方向に応じて伸縮し、この伸縮運動によって腕部４ａ、４ｂが屈曲振動する。腕部４ａ、４ｂは、Ｙ軸方向に開閉するよう励振される。また、駆動用電極および圧電振動片２の上に、周波数を調整するために絶縁体６ａ、６ｂを形成する。
【００２７】
図２は、図１に示す圧電振動子１のＡ−Ａ断面図である。腕部４ａ、４ｂ上のそれぞれに駆動用電極５ａ、５ｂを形成し、さらに絶縁体６ａ、６ｂを形成してある。なお、この実施形態では、絶縁体６ａ、６ｂを腕部４ａ、４ｂの表面に相当する上面だけに設けており、実用上それで十分目的を達するが、一層のバランス向上を目指して、絶縁体６ａ、６ｂを腕部４ａ、４ｂの表裏両面に設けてもよい。
【００２８】
図３は上記の圧電振動子１の製造方法を示す図で、図２と同様の断面である。以下、本発明の圧電振動子の製造方法を説明する。
【００２９】
図３（ａ）は水晶基板１０を示し、水晶片７の上下面に、電極膜８と感光性材料からなるレジスト層９を積層してある。水晶片７は、上下面が水晶の結晶方向のＺ軸に対してほぼ垂直、すなわち上下面がＺ軸に対して８５度〜９５度の角度をなす基板であり、一般的にＺ板と呼ばれる水晶基板である。なお、ここでいう結晶学上のＺ軸は、図１に示す圧電振動子の形状に関連して定めた座標系のＺ軸とは別物である。電極膜８は水晶のエッチングに対して耐食性を有する。本実施形態では電極膜８として、水晶片７上に０．０５μｍの厚みで密着層として成膜したクロム（Ｃｒ）膜と、そのＣｒ膜上に０．１５μｍの厚みで成膜した金（Ａｕ）膜とからなる積層膜を使用した。電極膜８はスパッタリング法を用いて形成したが、それ以外にも蒸着法やＣＶＤ法、メッキ法などにより成膜することができる。
【００３０】
電極膜は、チタン（Ｔｉ）膜を密着層とし、その上にプラチナ（Ｐｔ）などを成膜しても構成可能である。水晶片７との密着性とエッチング液に対する耐食性を考慮した材料で
あれば、ＣｒとＡｕ以外の膜を使用してかまわない。
【００３１】
図３（ｂ）は、水晶基板１０の上下両面にマスク１１を用いて、圧電振動片２（図１参照）の輪郭を形成する方法を示す。両面のレジスト層９を所定の波長の紫外線ＵＶで露光し、レジスト層９のパターンを形成する。
【００３２】
図３（ｃ）では、まず、マスク１１をレジストパターンとして使用して、レジスト層９をエッチングする。これで、マスク１１と同じ形状のレジスト層パターンが得られる。この図は、レジストパターン形成後に、電極膜８をエッチングした状態を示す。例えば王水によってＡｕ膜をエッチングし、硝酸系のエッチング液によってＣｒ膜をエッチングし、圧電振動片２の形状を形成する。
【００３３】
図３（ｄ）は、レジスト層９を除去した状態である。レジスト層９はアセトンなどの有機溶媒によって容易に除去できる。
【００３４】
図３（ｅ）は、水晶片７をエッチングして圧電振動片の外形を形成した状態を示す。この時、水晶片７のエッチングされない部分はマスク１１とほぼ同じ形状になる。このエッチングされなかった部分が本発明の圧電振動子の外形形状である。本実施形態では、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合物からなるバッファードフッ酸をエッチング液として用い、ウェットエッチングを行った。７０℃のエッチング液によって、４時間のエッチング処理を行い、圧電振動片の外形形状を形成した。これらのパターニング方法は一般に半導体製造で使用されている方法で、高い精度でのパターニングが可能である。
【００３５】
図３（ｆ）は、駆動用電極５ａ、５ｂを形成した状態を示す。形成方法は、図３（ａ）から図３（ｅ）に示すのと同様な手順で、駆動用電極５a、５ｂを所望の形状にパターニングする。なお、駆動用電極５ａ、５ｂの一部は、Ａｕ膜とＣｒ膜とで構成される電極膜８を再度パターニングして形成することも可能であるが、本実施形態では、電極膜８をエッチング法によって除去した後、水晶片７上に０．１５μｍ厚のＡｕ膜（上層）と０．０３μｍ厚のＣｒ膜（下層）をもう一度スパッタ法により成膜して、その膜にフォトリソグラフィー法を施して駆動用電極５ａ、５ｂを形成し、圧電振動片２を製作する。
【００３６】
圧電振動片２の材料は水晶に限定されるものでなく、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶を用いることができる。またウェットエッチングだけではなくドライエッチングや機械加工により形成することができる。
【００３７】
図３（ｇ）は、圧電振動片２上に共振周波数調整用の絶縁体６ａ、６ｂを形成した状態を示す。本実施形態では絶縁体６ａ、６ｂはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法によって成膜し、アルミナは粒径が０．５μｍから１．０μｍの微粒子を用いる。
【００３８】
エアロゾルデポジション法とは、微細化された０．１μｍから１０μｍ程度の乾燥した微粒子をガスと混合してエアロゾル化し、気体中に拡散させてガスとともにノズルから基板上に噴射して堆積させる方法である。反応室内の圧力を調整することにより、原料微粒子を加速する。加速された原料微粒子が圧電振動片２に衝突する運動エネルギーが熱エネルギーなどに変換され圧電振動片２上に堆積する。
【００３９】
図４は、本発明に用いたエアロゾルデポジション法の装置構成の一例を示す模式図である。エアロゾルデポジション法の装置１２は、細い搬送用管１３で接続されたエアロゾル発生器１４と圧電振動片２を設置する反応室１５から構成され、反応室１５はロータリーポンプ、油拡散ポンプなどの真空ポンプ１６で２０から２ｋＰａ程度に減圧する。乾燥し
た微粒子をエアロゾル発生器１４でガスと混合してエアロゾル化し、エアロゾル発生器１４と反応室１５の圧力差により生じるガスの流れを利用して、反応室１５にエアロゾル化した原料を搬送し、スリット状のノズル１７を通して圧電振動片２に噴射する。
【００４０】
エアロゾルの濃度は透過式光センサを利用した粒子ビーム濃度測定器１８によって管理し、マスフローコントローラー１９によってガスボンベ２０から供給されるガス流量を制御している。形成速度は使用する微粒子の粒径や乾燥状態や凝集状態などに依存するため、エアロゾル発生器１４と反応室１５の間に製粉装置を設置して堆積条件の最適化を行う。
【００４１】
堆積状態を制御するパラメータとして原料微粒子の粒径、ガスの種類、加速ガスの圧力、搬送ガスの流量、ノズルと圧電振動片２との距離、ノズルと圧電振動片２との噴射角、ノズルの間隙、ステージの移動速度などがある。特に原料微粒子の粒径を考慮したパラメータ設定が重要である。
【００４２】
例えばガスの種類を窒素ガス、加速ガス圧力を８Ｐａとする条件で原料微粒子の粒径が０．１μｍ以下であると、原料微粒子が基板に衝突する運動エネルギーが小さくなって圧粉体となりやすく、基板に密着しない。原料微粒子の粒径が５μｍ以上であると、原料微粒子が基板に衝突する運動エネルギーが大きくなってエッチング作用を生じ、基板に堆積しない。絶縁体６ａ、６ｂを堆積させるには原料粒子の径が０．１μｍから５μｍ程度が望ましい。
【００４３】
原料粒子の径により堆積状態が異なる。原料粒子の径以外の堆積条件が同じであっても原料粒子の径が大きくなるとエッチング効果が大きくなる傾向がある。たとえば原料粒子の平均径が１μｍで堆積速度が１０μｍ／ｍｉｎである堆積条件で、原料粒子の平均径が５μｍを使用すると約１μｍ／ｍｉｎで絶縁体をエッチングすることができる。よって原料粒子の径を制御することにより堆積とエッチングを切り替えて、絶縁体６ａ、６ｂの堆積量を高精度に調整することが可能である。
【００４４】
また、ノズル１７と圧電振動片２との噴射角によって堆積状態が異なる。図５は、圧電振動片２の表面に対するノズル１７の噴射角と堆積量・エッチング量の関係を示す図である。縦軸の符号の正方向が堆積量を示し、符号の負方向がエッチング量を示す。前述のように、ガス圧力は８Ｐａ、原料粒子径は０．１μｍから５μｍで、噴射角９０度（圧電振動片がノズルに対して垂直方向）のときの堆積量を基準として、７０度、５０度、４０度、３０度、２０度の堆積比率を示す。原料微粒子は圧電振動片とノズルの噴射角が５０度以上の条件では絶縁体が堆積するが、４０度以下では、堆積されずにエッチングされる。よってノズルと圧電振動片の噴射角を制御することにより堆積とエッチングを切り替えて、絶縁体６ａ、６ｂの堆積量を高精度に調整することが可能である。絶縁体６ａ、６ｂの組成、粒子径などにより堆積・エッチングのための噴射角条件は異なる。
【００４５】
圧電振動片２を振動させ、所望の共振周波数に調整する周波数調整工程について説明する。駆動用電極５ａ、５ｂに電圧を印加して、腕部４ａ、４ｂを振動させ、共振周波数を測定する。共振周波数を決定する要素として腕部４ａ、４ｂの長さ、幅、厚みなどの形状、駆動用電極５ａ、５ｂの質量などが大きく寄与する。圧電振動片２の形成に高精度の加工が可能なウェットエッチング法を使っているため、腕部４ａ、４ｂの幅と長さについては精度良く加工できているが、厚みについては加工前のウェハーの厚みのばらつきが大きく影響する。また駆動用電極５ａ、５ｂの質量を制御することは困難である。そこで本発明では、適宜、共振周波数の測定を挟み、これに応じて絶縁体６ａ、６ｂの堆積とエッチングを切り替えて堆積量を制御し、所望の共振周波数になるように調整する。
【００４６】
従来に用いられてきたレーザーや機械加工による共振周波数の調整方法は、過度の除去
などにより周波数を所望より高く調整した場合は修正が困難であったが、本発明の製造方法によれば、堆積とエッチングを任意に使い分けられるので、共振周波数を所望の周波数に短時間で合わせ込みでき、高精度な圧電振動子を作製できる。
【００４７】
このようにして本実施形態では、ＡＤ法によってＡｌ２Ｏ３の絶縁体６ａ、６ｂを厚さ約２μｍに形成し、所望の周波数±０．２Ｈｚ程度の精度で調整することが可能である。
【００４８】
なお、本発明では、ＡＤ法を用いて絶縁体６ａ、６ｂの形成を行ったが、これ以外にもパウダージェットデポジション法、コールドスプレー法などにより形成してもよい。
【００４９】
また、本実施形態では絶縁体６ａ、６ｂをＡｌ２Ｏ３で形成したが、他の絶縁体、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）等で形成してもよい。
【００５０】
従来は、周波数調整用の微調整用膜と粗調整用膜を、駆動用電極を短絡しないよう、腕部に電極と別のスペースを設けて形成していたが、本発明では、周波数調整用に絶縁体を使用するので短絡の恐れがないから電極上に形成することができ、圧電振動片の表面に余分のスペースを必要とせず、小型化に適している。また、従来は、周波数調整用の微調整用膜と粗調整用膜を除去して共振周波数を調整していたが、本発明では絶縁体の形成時に厚さを精密に制御することにより共振周波数を調整している点が異なる。
【００５１】
本発明の構成により、高い機械的品質係数Ｑ、良好な共振周波数の温度特性ＴＣ−ｆｒが得られ、高精度で温度安定性が優れた圧電振動片を提供できる。特に圧電振動片を水晶で構成すれば、水晶ウェハーをドライエッチングやウェットエッチングで容易に精度よく加工することが可能で、圧電振動子の小型化に適している。
【００５２】
パウダージェットデポジション法、エアロゾルデポジション法は、微粒子を吹き付けて、その衝撃力によって圧電振動片上に絶縁体を形成する方法である。特徴として形成速度が速いため絶縁体を短時間で厚く形成することができるので、周波数調整時間を短くでき、生産性が良好である。また、スパッタ法やＣＶＤ 法で形成する場合に比べて、低温で形成することができるため、駆動用電極や圧電振動片に熱的損傷を与えることが少なく、特性の劣化を防ぐことができ、高品質な圧電振動子を作製することができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の別の実施形態として、圧電振動子を振動型ジャイロセンサに適用したものを説明する。図６の圧電振動子３１は、形状的には図１と同様の２脚音叉型の圧電振動子で、基部３３と２本の腕部３４ａ、３４ｂを備え、圧電単結晶である水晶片で形成される。圧電振動子３１のＢ−Ｂ断面図を図７に示す。
【００５４】
腕部３４ａ、３４ｂの主面上及び側面上に、駆動用電極３５ａ、３５ｂを配置する。駆動用電極３５ａ、３５ｂはそれぞれ、基部３３上に形成されるＶＤＤ電極パッド３６ａとＶＳＳ電極パッド３６ｂと接続されている。これらのパッドにはＡｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのワイヤが接続され、このワイヤを介して電源や発振回路に接続される。駆動用電極３５ａ、３５ｂは電気的に分離されており、互いに異なる電圧を与えることによって、水晶片の内部に電界を生じさせる。水晶片は圧電単結晶材料なので、内部に生じる電界の方向に応じて伸縮し、この伸縮運動によって腕部３４ａ、３４ｂが屈曲振動する。これにより腕部３４ａ、３４ｂは、Ｙ軸方向に開閉するよう励振される。
【００５５】
腕部３４ｂ上に、検出用電極３７ａ、３７ｂを配置する。これらの電極はそれぞれ検出用電極パッド３８ａ、３８ｂに接続されている。腕部３４ａ、３４ｂと平行なＺ軸を中心
として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部３４ａ、３４ｂの振動方向が変化し、Ｘ軸方向へ屈曲振動する。腕部３４ａ、３４ｂの振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極３７ａ、３７ｂから出力される。これらの信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。
【００５６】
また、腕部３４ａ、３４ｂ上に、駆動用電極３５ａ、３５ｂ、検出用電極３７ａ、３７ｂに重ねて、周波数を調整するために絶縁体３９ａ、３９ｂを形成する。
【００５７】
振動ジャイロの高性能化のために、Ｙ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数を管理する必要がある。Ｙ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数は、インピーダンスアナラナイザーやネットワークアナライザーにより容易に測定できる。
【００５８】
本実施形態の共振周波数の調整は、前述したＡＤ法を用い、絶縁体３９ａ、３９ｂを堆積・エッチングして行う。絶縁体３９ａ、３９ｂはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を使用した。
【００５９】
図８に、上記の圧電振動子３１を用いて構成した振動型ジャイロセンサの模式図を示す。ＶＤＤ電極パッド３６ａとＶＳＳ電極パッド３６ｂ間に、発振回路４０を接続する。発振回路４０は、例えば増幅回路と位相補正回路とを含み、ＶＤＤ電極パッド３６ａから出力される信号を増幅し、位相補正してＶＳＳ電極パッド３６ｂに与える。これにより、音叉状の２本の腕部３４ａ、３４ｂが開閉するようにしてＹ軸方向に屈曲振動する。ＶＳＳ電極パッド３６ｂは電気的に接地されている。
【００６０】
一方、検出用電極パッド３８ａ、３８ｂは、差動回路４１に接続される。差動回路４１は、オペアンプや抵抗などによって構成される。さらに、差動回路４１の出力端は、同期検波回路４２に接続される。同期検波回路４２では、発振回路４０の信号に同期して、差動回路４１の出力信号が検波される。同期検波回路４２の出力信号は、積分回路４３で直流信号に変換される。さらに、積分回路４３の出力信号は、直流増幅回路４４で増幅される。
【００６１】
圧電振動子３１には共振周波数に相当する駆動信号が与えられ、圧電振動子３１の２本の腕部３４ａ、３４ｂは、分極方向に対して同じ状態で振動するため、検出用電極パッド３８ａ、３８ｂから出力される信号は同じである。そのため、差動回路４１からは、信号が出力されない。
【００６２】
圧電振動子３１の腕部３４ａ、３４ｂが開閉するように屈曲振動している状態で、腕部３４ａ、３４ｂに平行な方向のＺ軸を中心として回転角速度Ωが加わると、Ｙ軸に直交するＸ軸方向にコリオリ力Ｆｃが働く。したがって、このコリオリ力Ｆｃによって腕部３４ａ、３４ｂは、開閉する向きに加わる駆動力とコリオリ力Ｆｃとが合成された向きに振動する。
【００６３】
このような振動による腕部３４ａ、３４ｂの変形により、一方の検出用電極３７ａの形成面が長手方向に伸びたとき、他方の検出用電極３７ｂの形成面は長手方向に縮む。逆に、検出用電極３７ａが縮んだとき、検出用電極３７ｂの形成面は伸びる。
【００６４】
そのため、回転時には、一方の検出用電極３７ａからの出力が増加したとき、他方の検出用電極３７ｂからの出力が減少するか、または、その逆の動作が生じる。したがって、差動回路４１で検出用電極パッド３８ａ、３８ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した信号を得ることができる。
【００６５】
差動回路４１の出力信号は、同期検波回路４２で、発振回路４０の信号に同期して検波
される。後述のように、回転角速度Ωの方向に応じて、出力信号の正部分のみまたは負部分のみが検波される。同期検波回路４２の出力信号は積分回路４３で直流信号に変換され、さらに直流増幅回路４４で増幅される。
【００６６】
検出用電極パッド３８ａ、３８ｂからの出力信号のレベルは、圧電振動子３１の腕部３４ａ、３４ｂの変位の大きさによって決まるため、大きいコリオリ力Ｆｃが働くと、出力信号のレベルは大きくなる。したがって、直流増幅回路４４の出力信号のレベルから、回転角速度Ωの大きさを検出できる。
【００６７】
また、回転角速度Ωが加わる方向によって、圧電振動子３１の二つの腕部３４ａ、３４ｂにかかるコリオリ力Ｆｃの方向が変わる。そのため、二つの検出用電極パッド３８ａ、３８ｂから出力される信号の位相も変わり、差動回路４１からは、回転角速度Ωの方向によって、逆位相の信号が出力される。
【００６８】
これに応じて、同期検波回路４２では、左右二つの回転方向のうち、一方の方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の正部分が検波されるとすると、反対方向に回転角速度Ωが加わったとき信号の負部分が検波される。そのため、回転角速度Ωの加わる方向によって、直流増幅回路４４の出力信号の極性が変わる。つまり、直流増幅回路４４の出力信号の極性から、回転角速度の加わった方向を知ることができる。
【００６９】
本発明による、圧電振動子の腕部に設ける絶縁体の周波数調整用膜の堆積量・エッチング量を調整する方法により、Ｙ軸方向の共振周波数とＸ軸方向の共振周波数を所望の周波数に合わせる調整を短時間で行うことができ、高精度で感度の安定性に優れた振動型ジャイロセンサを提供することができる。
【００７０】
本発明は上記の構成に限定されず、請求の範囲を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。例えば、絶縁体は、前記の実施形態のように腕部の一面だけに設けるのでなく、両面に設けてもよい。また、腕部が２本以上の、例えば三叉型の圧電振動子にも本発明を適用できることはいうまでもないし、逆に音叉状でなく直線状の、いわゆるフリー・フリー・バーにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の圧電振動子の一例を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電振動子の断面図である。
【図３】図１の圧電振動子の製造方法を示す図である。
【図４】本発明に用いたＡＤ法の装置構成の一例を示す模式図である。
【図５】本発明のノズルと圧電振動片との噴射角と堆積量・エッチング量の関係を示す図である。
【図６】本発明の振動型ジャイロセンサに用いる圧電振動子を示す斜視図である。
【図７】本発明の振動型ジャイロセンサに用いる圧電振動子の断面図である。
【図８】本発明の振動型ジャイロセンサの構成を示す模式図である。
【図９】従来の圧電振動子の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、３１、１０１  圧電振動子
２、３２、１０２  圧電振動片
３、３３、１０３  基部
４ａ、４ｂ、３４ａ、３４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ  腕部
５ａ、５ｂ、３５ａ、３５ｂ、１０５ａ、１０５ｂ  駆動用電極
６ａ、６ｂ、３９ａ、３９ｂ  絶縁体
７  水晶片
８  電極膜
９  レジスト層
１０  水晶基板
１１  マスク
１２  エアロゾルデポジション法の装置
１３  搬送用管
１４  エアロゾル発生装置
１５  反応室
１６  真空ポンプ
１７  ノズル
１８  粒子ビーム濃度測定器
１９  マスフローコントローラー
２０  ガスボンベ
３６ａ  ＶＤＤ電極パッド
３６ｂ  ＶＳＳ電極パッド
３７ａ、３７ｂ  検出用電極
３８ａ、３８ｂ  検出用電極パッド
４０  発振回路
４１  差動回路
４２  同期検波回路
４３  積分回路
４４  直流増幅回路
１０６ａ、１０６ｂ  粗調整用金属膜
１０７ａ、１０７ｂ  微調整用金属膜
【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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