JP2008157845A - 水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な工程で水晶振動片の周波数の値を制御し、個々の水晶振動片の離調度バラツキが小さい水晶振動子の製造方法を提供する。
【解決手段】基部と複数の振動脚とを有する複数の水晶振動片の外形を決める複数の耐食膜パターンを、水晶ウエハーの主表面に形成する耐食膜パターン形成工程と、エッチングにより前記水晶振動片の外形を形成するエッチング工程と、前記水晶振動片に電極を形成する電極成形工程と、を有する水晶振動子の製造方法において、前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーの形状特性に対応するために、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、それらの外形形状が異なることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、基部と一体の複数の振動脚を有する水晶振動片からなる水晶振動子の製造方法に関するものであり、特に駆動周波数と検出周波数の周波数差のバラツキが小さい水晶振動子の製造方法に関するものである。

水晶振動子の適用例の一つとして振動ジャイロがある。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ョンシステム，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、２脚又は３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。２脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動電極が設けられた第１の振動脚と、検出電極が設けられた第２の振動脚とからなっており、３脚の音叉型水晶ジャイロは、駆動電極が設けられた第１及び第２の振動脚と、検出電極が設けられた第３の振動脚とからなっている。

例えば、２脚の音叉型水晶ジャイロは、２脚音叉型水晶振動片をパッケージに収納した水晶振動子を用いて構成され、駆動電極を設けた振動脚（駆動脚）を励振することにより、検出電極を設けた振動脚（検出脚）を駆動脚の励振方向と同一方向に共振させ面内振動を発生させる。この水晶振動子が回転すると、検出電極が設けられた振動脚（検出脚）は、回転により受けるコリオリ力によって、励振方向と直交する面外方向に振動する。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。

駆動脚の励振周波数（駆動周波数）と検出脚の振動周波数（検出周波数）の差（離調度と称する）が小さいほど振動ジャイロの感度は高くなる。また、離調度が小さいほど離調度バラツキに対する感度バラツキは大きくなる。一定の性能を有する振動ジャイロを得るためには、離調度の値およびバラツキを制御しなければならない。

離調度を制御するためには、駆動周波数と検出周波数を制御する必要がある。駆動周波数は駆動脚幅に比例し駆動脚長の二乗に反比例する。検出周波数は検出脚厚に比例し検出脚長の二乗に反比例する。

離調度を制御する方法として、複数の水晶振動片が連結した状態で水晶ウエハーのウエットエッチングを行なった後に、一部の水晶振動片を抜き取って電極を形成し駆動周波数と検出周波数を測定して離調度を算出し、この離調度をもとに残りの連結した水晶振動片の追加のウエットエッチング時間を設定して、規格内の離調度を得るという方法がある。（例えば特許文献１）

特開２００３−２８６４５号公報（第４頁、図３）

特許文献１に示される水晶振動片の製造方法は、水晶エッチングの途中で一部の水晶振動片を抜き取り個別に電極を形成するため、工程が複雑であるという問題がある。また、抜き取った水晶振動片はエッチング時間不足で廃棄することになる可能性が高いので歩留が悪くなるという問題もある。

また、連結した水晶振動片は一律のウエットエッチング時間でエッチングされるので、駆動脚の幅すなわち駆動周波数は全ての水晶振動片で同じとなるが、検出周波数は考慮されていない。水晶ウエハーは通常中心部が厚く周縁部が薄いので、水晶ウエハーのどの位置にあるかによって水晶振動片の検出脚厚すなわち検出周波数に差ができて、これが離調度バラツキの原因となる。

そこで、本発明の目的は、簡素な工程で水晶振動片の周波数の値を制御し、個々の水晶振動片の離調度バラツキが小さい水晶振動子の製造方法を提供することである。

本発明の水晶振動子の製造方法は、基部と複数の振動脚とを有する複数の水晶振動片の外形を決めるために、複数の耐食膜パターンを水晶ウエハーの主表面に形成する耐食膜パターン形成工程と、エッチングにより前記水晶振動片の外形を形成するエッチング工程と、前記水晶振動片に電極を形成する電極成形工程と、を有する水晶振動子の製造方法において、前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーの形状特性に対応するために、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、それらの外形形状が異なることを特徴とする。

この構成によれば、水晶ウエハーの形状が一様でなく変化している場合でも、耐食膜パターンを水晶ウエハーの形状特性に合わせることができるため、簡素な工程で水晶振動片の周波数の値を制御し、個々の水晶振動片の離調度バラツキが小さい水晶振動子を製造することができる。

また、前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、前記振動脚の脚幅に対応する脚幅パターンまたは前記振動脚の脚長に対応する脚長パターンの形状が異なることを特徴とする。

この構成により、容易に周波数を制御できるため、作業効率が良い。

また、前記脚幅パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部の方が幅広く形成されることを特徴とする。

水晶ウエハーは、その厚みが周縁部よりも中心部の方が厚く形成されているため、このような構成にすることで、形成される複数の水晶振動片における離調度の値を同じにすることができる。その結果、廃棄される水晶振動片が少なくなり歩留まりを向上できる。また、水晶振動片の周波数は、水晶振動片の脚幅を変えることで、容易に制御することができるため、作業効率が良い。

また、前記振動脚は、駆動電極が形成される駆動脚を有し、この駆動脚に対応する前記脚長パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部の方が短く形成されることを特徴とする。

この場合にも、上記したように水晶ウエハーは、その厚みが周縁部よりも中心部の方が厚く形成されているため、このような構成にすることで、形成される複数の水晶振動片における離調度の値を同じにすることができる。その結果、廃棄される水晶振動片が少なくなり歩留まりを向上できる。また、水晶振動片の周波数は、水晶振動片の脚長を変えることで、容易に制御することができるため、作業効率が良い。

また、前記振動脚は、検出電極が形成される検出脚を有し、この検出脚に対応する前記
脚長パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部のほうが長く形成されることを特徴とする。

この場合にも、上記したように水晶ウエハーは、その厚みが周縁部よりも中心部の方が厚く形成されているため、このような構成にすることで、形成される複数の水晶振動片における離調度の値を同じにすることができる。その結果、廃棄される水晶振動片が少なくなり歩留まりを向上できる。また、水晶振動片の周波数は、水晶振動片の脚長を変えることで、容易に制御することができるため、作業効率が良い。

また、前記水晶振動片は、前記振動脚を駆動するための駆動周波数と、前記振動脚から信号を検出するための検出周波数とを備え、前記電極形成工程後に、水晶振動片が連結した状態で前記駆動周波数と前記検出周波数とを測定する周波数測定工程と、前記水晶振動片が連結した状態でウエットエッチングを行なう再エッチング工程とを有することを特徴とする。

この構成により、連結した複数の水晶振動片を一括処理する簡素な工程で離調度の値を制御することができる。

また、前記電極形成工程後において、水晶振動片が連結した状態で駆動脚の一部を除去する漏れ振動調整工程と、水晶振動片が連結した状態でウエットエッチングを行なう再エッチング工程を有することを特徴とする。

この構成により製造される水晶振動子を用いることで、漏れ振動のない、精度の良いジャイロを得ることができる。

また、前記漏れ振動調整工程において、目標値に達する前に駆動脚の除去加工を終了することを特徴とする。

この構成により、その後の再エッチング工程で漏れ振動調整が進む分を考慮し、最終的な漏れ振動を規格内におさめることができる。

本発明の水晶振動子の製造方法によれば、簡素な工程で水晶振動片の周波数の値を制御し、個々の水晶振動片の離調度バラツキが小さい水晶振動子を製造することができる。また、本発明の製造方法により製造された水晶振動子を用いれば精度の良い振動ジャイロを得ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を説明する。図１は本発明の製造方法により得られた３脚音叉型水晶振動片の図面である。図１（ａ）は平面図であり電極形成前の状態を示している。図１（ｂ）は図１（ａ）に示す水晶振動片１０のＡ−Ａ断面を示した図であり、電極形成後の状態を示している。

３脚音叉型水晶振動片１０は、平行に配置された２本の駆動脚１１、１２と検出脚１３が、基部１４と一体に形成された構造となっている（図１（ａ））。駆動脚１１、１２には駆動電極１Ｌ、１Ｒ、１Ｄ、１Ｕ及び２Ｌ，２Ｒ，２Ｄ，２Ｕが形成され、検出脚１３にはアース電極３Ｇと検出電極３Ｄ，３Ｕが形成されている（図１（ｂ））。

振動脚１１、１２、１３の矢印は振動方向を表している。駆動脚１１、１２は駆動周波
数ｆｄにて面内振動しており、水晶振動子に角速度が加わると、検出脚１３は検出周波数ｆｓにて面外方向に振動する。このとき、駆動周波数ｆｄは駆動脚幅Ｗに比例し駆動脚長Ｌｄの二乗に反比例する。検出周波数ｆｓは検出脚厚Ｔに比例し検出脚長Ｌｓの二乗に反比例する。

図２は、水晶ウエハーを示す図である。図２（ａ）は、水晶ウエハー２０を主表面から見た図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す水晶ウエハー２０のＢ−Ｂ断面を示した図である。水晶ウエハー２０は、厚みが一番厚く形成される中心部２１と、厚みが一番薄く形成される周縁部２２と、中心部２１及び周縁部２２を除く中間部２３とで構成されている。

水晶ウエハー２０は、通常、中心部２１の厚みが一番厚く形成され、周縁部２２に近づくほど薄く形成されている。この形状特性を考慮しないで、水晶振動片を形成すると、中心部２１の水晶振動片は検出脚厚Ｔが厚く形成されることになる。その結果、検出周波数ｆｓが大きくなってしまう。一方、周縁部２２の水晶振動片は検出脚厚Ｔが薄く形成されるため検出周波数ｆｓが小さくなる。

そこで、本発明では、この検出周波数ｆｓのバラツキによる離調度バラツキを補正するために、水晶ウエハー２０内で水晶振動片が形成される位置により水晶振動片の耐食膜パターンの外形形状を異なる形状とした。

図３は、連結した複数の水晶振動片１０の外形形状を決めるための耐食膜パターン３０が主表面に形成されている水晶ウエハー２０の一部を示す図である。耐食膜パターン３０は、水晶ウエハー２０の両主表面にクロムと金をスパッタリング法にて成膜し、レジスト塗布，マスク露光，現像，金エッチング、クロムエッチング及びレジスト剥離などの各操作を行なって水晶振動片の外形パターンを形成したものであり、両主表面に厳密に位置合わせをおこなって形成したものである（耐食膜パターン形成工程）。

図４は、水晶ウエハー２０内の位置により水晶振動片１０の耐食膜パターン３０の駆動脚幅を変化させた様子を示す図である。複数の水晶振動片の連結部は省略している。水晶ウエハー２０における中心部２１の水晶振動片の駆動足幅Ｗ１が一番広く、中間部２３から周縁部２２に近づくほど水晶振動片の駆動足幅が狭くなり、周縁部２２で駆動脚幅Ｗ３が一番狭くなるように耐食膜パターンの外形形状を異なる形状とする。

これにより中心部２１の水晶振動片の駆動周波数ｆｄが大きく、周縁部２２の水晶振動片の駆動周波数ｆｄが小さくなり、水晶ウエハー２０内の離調度バラツキを小さくすることができる。駆動脚幅の変化分は駆動脚の間隔で吸収できるので、駆動脚幅を変化させて離調度バラツキを小さくする場合、水晶振動片を搭載するときに必要な面積を一定とすることができる。

図５は、水晶ウエハー２０内の位置により水晶振動片１０の耐食膜パターン３０の駆動脚長を変化させた様子を示す図である。複数の水晶振動片の連結部は省略している。中心部２１の水晶振動片の駆動脚長Ｌｄ１が一番短く、中間部２３から周縁部２２に近づくほど水晶振動片の駆動脚長が長くなり、周縁部２２で駆動脚長Ｌｄ３が一番長くなるように耐食膜パターンの外形形状を異なる形状とする。

これにより中心部２１の水晶振動片の駆動周波数ｆｄが大きく、周縁部２２の水晶振動片の駆動周波数ｆｄが小さくなり、水晶ウエハー２０内の離調度バラツキを小さくすることができる。駆動脚長は駆動脚幅の１０倍以上であることから同じ変化量でも周波数への影響が小さくなるため、駆動脚長を変化させて離調度バラツキを小さくする場合、容易に
微妙な調整をすることができる。

図６は、水晶ウエハー２０内の位置により水晶振動片１０の耐食膜パターン３０の検出脚長を変化させた様子を示す図である。複数の水晶振動片の連結部は省略している。中心部２１の水晶振動片の検出脚長Ｌｓ１が一番長く、中間部２３から周縁部２２に近づくほど水晶振動片の検出脚長が短くなり、周縁部２２で検出脚長Ｌｓ３が一番短くなるように耐食膜パターンの外形形状を異なる形状とする。

これにより中心部２１の水晶振動片の検出周波数ｆｓと周縁部２２の水晶振動片の検出周波数ｆｓを一定にすることができるので、水晶ウエハー２０内の離調度バラツキを小さくすることができる。検出脚長を変化させて離調度バラツキを小さくする場合、駆動脚長を変化させる場合と同様に、容易に微妙な調整をすることができる。さらに、離調度だけではなく駆動周波数および検出周波数を一定にすることができる。

この耐食膜パターン３０が形成された水晶ウエハー２０をバッファードフッ酸に浸漬してウエットエッチングをおこない、連結した複数の水晶振動片１０の外形を所定形状に形成する（エッチング工程）。このとき、初期の離調度が規格の離調度よりも大きめになるように、すなわち駆動周波数が小さめ、駆動脚幅が細めになるようにウエットエッチング時間を調整する。

次に、耐食膜パターンである金およびクロムを剥離した後、連結した状態のまま各水晶振動片１０の全面に新たにクロム、金を蒸着するなどによって成膜する。 そして、レジスト電着，露光，現像，金エッチング，クロムエッチング，及びレジスト剥離などの操作を行ない、連結された状態の複数の水晶振動片１０に対して所定の電極を形成する（電極形成工程）。

次に、連結した複数の水晶振動片のうち必要数の水晶振動片の駆動周波数ｆｄと検出周波数ｆｓを測定し、初期の離調度を算出する（周波数測定工程）。初期の離調度から、規格内の離調度を得るために検出周波数ｆｓをどれだけ低減すればよいか、すなわち検出脚厚Ｔをどれだけ薄くすればよいかを見積もり、再エッチング時間を設定する。

そして、電極形成後の連結した複数の水晶振動片を、バッファードフッ酸に設定した時間だけ再度浸漬し、規格の離調度をもつ連結した複数の水晶振動片を得ることができる（再エッチング工程）。

検出脚厚Ｔを変化させることができるのは、水晶の異方性を利用したウエットエッチングをおこなうためである。水晶ウエハーの厚み方向のウエットエッチングレートが、水平方向のウエットエッチングレートを無視できるほど速いので、駆動脚幅Ｗは変化させずに検出脚厚Ｔを薄くすることができるのである。

このように、一部の水晶振動片を抜き取ったり個々に電極を形成したりせずに、連結した複数の水晶振動片を一括処理する簡素な工程で、離調度の値を制御し、離調度バラツキが小さい水晶振動子を得ることができる。

（第２の実施形態）
２脚音叉型水晶振動片の場合は、第１の実施形態と同様に、水晶ウエハー内の位置により水晶振動片の耐食膜パターンの振動脚幅（駆動脚幅と検出脚幅）を変化させて駆動周波数を制御し、離調度バラツキを小さくすることができる。

ただし、振動バランスを考慮すると、２脚の場合には駆動脚幅と検出脚幅は同一幅で変
化させることになる。２脚音叉型水晶振動片では１本の駆動脚と１本の検出脚が互いに同等の動きをするため、駆動脚と検出脚は一般的に同じ幅、同じ長さとなる。

また、両者とも長くすれば駆動周波数も検出周波数も小さくなり、両者とも短くすれば駆動周波数も検出周波数も大きくなる。従って、２脚音叉型水晶振動片の場合は、駆動脚長、および検出脚長を変化させて離調度バラツキを小さくすることはできない。

（第３の実施形態）
図１（ｂ）において、角速度が加わらないときは検出脚１３は静止している状態が理想であるが、加工精度や水晶の異方性等が原因となり、角速度が加わらないときにも検出脚１３が面外方向に振動する場合がある。この面外振動（漏れ振動）が、角速度とは無関係な出力を生じ、ノイズやドリフトの原因となって、振動ジャイロの精度を悪化させる。そこで、漏れ振動を低減し精度の良い振動ジャイロを得るために、漏れ振動調整工程をおこなう。

第１の実施形態と同様に耐食膜パターン形成工程、エッチング工程、電極形成工程を経て得られた連結された状態の複数の水晶振動片個々の漏れ振動による漏れ出力を測定する。漏れ出力が規格よりも大きい場合には、水晶振動片の駆動脚の稜線部の一部を機械研磨により除去することで漏れ出力を規格内におさめ、漏れ振動をなくすことができる（漏れ振動調整工程）。

その後、第１の実施形態と同様に周波数測定工程、再エッチング工程をおこなう。再エッチング工程では離調度調整だけでなく、機械研磨で粗面になった水晶面を滑らかにしたり、付着した水晶屑を溶解除去することができる。

また、漏れ振動調整工程において、漏れ振動がなくなるまで機械研磨をおこなわず、漏れ出力が目標値に達する前に駆動脚の除去加工を終了する。その後の再エッチング工程で、機械研磨で粗面になった水晶面が他の面よりも多く溶かされて漏れ振動調整が進む分を考慮することにより、最終的な漏れ振動を規格内におさめることができる。

このように、一部の水晶振動片を抜き取ったり個々に電極を形成したりせずに、連結した複数の水晶振動片を一括処理する簡素な工程で、離調度の値を制御し、離調度バラツキが小さい水晶振動子を得ることができ、さらには漏れ振動の小さい精度の良い振動ジャイロにすることができる。

本発明の水晶振動子の製造方法を第１、２、３の実施形態を用いて説明したが、水晶ウエハーの形状、耐食膜パターン形成工程における耐食膜の種類やパターン形成方法、エッチング工程におけるエッチング方法、電極形成工程における電極膜の種類や電極形成方法、漏れ振動調整工程における駆動脚除去方法等は自由に選択することができる。エッチング工程における水晶振動片の外形形成はドライエッチングも可能である。

また、外形形状を決める耐食膜パターンの脚幅や脚長は、水晶ウエハーの厚み分布で決めるだけでなく、耐食膜パターン形成工程の露光条件等を考慮して変化させることもできる。

本発明の製造方法で製造した水晶振動子は、振動ジャイロに適用することができ、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ョンシステム，ビデオカメラの手振れ検出装置等に利用することができる。

本発明の水晶振動子を構成する水晶振動片を示す図であり、（ａ）は水晶振動片の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の水晶ウエハーを示す図であり、（ａ）は水晶ウエハーの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の水晶振動子の製造方法における水晶ウエハーに耐食膜パターンを形成した状態を示す図である。 本発明の水晶振動子の製造方法における水晶ウエハーに耐食膜パターンを形成した状態を示す図であり、水晶振動片の駆動脚幅を変化させた状態を示す図である。 本発明の水晶振動子の製造方法における水晶ウエハーに耐食膜パターンを形成した状態を示す図であり、水晶振動片の駆動脚長を変化させた状態を示す図である。 本発明の水晶振動子の製造方法における水晶ウエハーに耐食膜パターンを形成した状態を示す図であり、水晶振動片の検出脚長を変化させた状態を示す図である。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ、１Ｄ、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
１０ ３脚音叉型水晶振動片
１１、１２ 駆動脚
１３ 検出脚
１４ 基部
２０ 水晶ウエハー
２１ 水晶ウエハーの中心部
２２ 水晶ウエハーの周縁部
２３ 水晶ウエハーの中間部
３０ 耐食膜パターン

Claims (9)

1. 基部と複数の振動脚とを有する複数の水晶振動片の外形を決めるために、複数の耐食膜パターンを水晶ウエハーの主表面に形成する耐食膜パターン形成工程と、エッチングにより前記水晶振動片の外形を形成するエッチング工程と、前記水晶振動片に電極を形成する電極成形工程と、を有する水晶振動子の製造方法において、
   前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーの形状特性に対応するために、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、それらの外形形状が異なることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
2. 前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、前記振動脚の脚幅に対応する脚幅パターンの形状が異なることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
3. 前記脚幅パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部の方が幅広く形成されることを特徴とする請求項２に記載の水晶振動子の製造方法。
4. 前記複数の耐食膜パターンは、前記水晶ウエハーに配置される位置によって、前記振動脚の脚長に対応する脚長パターンの形状が異なることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
5. 前記振動脚は、駆動電極が形成される駆動脚を有し、この駆動脚に対応する前記脚長パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部の方が短く形成されることを特徴とする請求項４に記載の水晶振動子の製造方法。
6. 前記振動脚は、検出電極が形成される検出脚を有し、この検出脚に対応する前記脚長パターンは、前記水晶ウエハーの周縁部よりも中心部の方が長く形成されることを特徴とする請求項４に記載の水晶振動子の製造方法。
7. 前記水晶振動片は、前記振動脚を駆動するための駆動周波数と、前記振動脚から信号を検出するための検出周波数とを備え、前記電極形成工程後に、水晶振動片が連結した状態で前記駆動周波数と前記検出周波数とを測定する周波数測定工程と、前記水晶振動片が連結した状態でウエットエッチングを行なう再エッチング工程とを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法。
8. 前記電極形成工程後において、前記水晶振動片が連結した状態で前記駆動脚の一部を除去する漏れ振動調整工程を有することを特徴とする請求項７に記載の水晶振動子の製造方法。
9. 前記漏れ振動調整工程において、目標値に達する前に前記駆動脚の除去加工を終了することを特徴とする請求項８に記載の水晶振動子の製造方法。
   

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