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JP2019178904A - 振動素子、振動素子の製造方法、物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体 - Google Patents

振動素子、振動素子の製造方法、物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体 Download PDF

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Shogo Sasaki
奨悟 佐々木
匡史 志村
Tadashi Shimura
匡史 志村
啓一 山口
Keiichi Yamaguchi
啓一 山口
政宏 押尾
Masahiro Oshio
政宏 押尾
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Abstract

【課題】製造工数の削減が可能で製造が容易な振動素子およびその製造方法を提供すること、また、この振動素子を備える物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体を提供する。【解決手段】基部と、前記基部から延在し、前記基部側に位置して電気的に互いに絶縁された一対の電極膜が配置されている腕部および前記腕部より先端側に位置する錘部を有する振動腕と、前記錘部に配置されている錘膜と、を備え、前記振動腕は、表裏関係にある第1主面および第2主面を有しており、前記一対の電極膜および前記錘膜は、前記第1主面および前記第2主面に配置されており、前記第1主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、前記第1主面に配置された前記錘膜、前記第2主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、および前記第2主面に配置された前記錘膜の厚さが、それぞれ50nm以上500nm以下である振動素子。【選択図】図5

Description

本発明は、振動素子、振動素子の製造方法、物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体に関するものである。
従来、水晶振動子、振動型ジャイロセンサー等のデバイスに用いられる振動素子が知られている。このような振動素子の一例である、特許文献1に記載の音叉型水晶振動片は、基部と、基部から二股に別れて平行に延びる1対の振動腕と、を備えている。ここで、振動腕の表裏面には、励振電極および錘が形成されている。この励振電極に駆動電圧を入力することにより、振動腕に電界を生じさせ、振動させることができる。
また、特許文献1に記載の音叉型水晶振動片では、振動腕の先端領域の表面全体に励振電極が設けられている一方、先端領域の裏面には励振電極に加え、錘が積層されている。錘にレーザーが照射されると、質量が減少し、それによって振動の周波数を調整することができる。
特開2006−311444号公報
しかしながら、特許文献1に記載の音叉型水晶振動片では、励振電極と錘とが個別に設けられている。したがって、このような水晶振動片を製造する際には、励振電極を形成する工程と、錘を形成する工程と、を個別に行う必要がある。このため、製造工程数が多くなり、製造効率の低下や製造コストの上昇を招いている。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。
本適用例の振動素子は、基部と、
前記基部から延在し、前記基部側に位置して電気的に互いに絶縁された一対の電極膜が配置されている腕部および前記腕部より先端側に位置する錘部を有する振動腕と、
前記錘部に配置されている錘膜と、
を備え、
前記振動腕は、表裏関係にある第1主面および第2主面を有しており、
前記一対の電極膜および前記錘膜は、前記第1主面および前記第2主面に配置されており、
前記第1主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、前記第1主面に配置された前記錘膜、前記第2主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、および前記第2主面に配置された前記錘膜の厚さが、それぞれ50nm以上500nm以下であることを特徴とする。
本発明の第1実施形態に係る振動素子を示す平面図である。 図1中のA−A線断面図である。 振動素子の振動腕(駆動腕)の錘部近傍を拡大して示す平面図である。 図3中B−B線断面図である。 図3中C−C線断面図である。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法を示すフローチャートである。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法において、振動腕上に電極膜および錘膜を成膜する成膜工程を説明するための断面図である。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法において、振動腕上に電極膜および錘膜を成膜する成膜工程を説明するための断面図である。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法において、周波数調整工程を説明するための断面図である。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法の一部を変更した例において、周波数調整工程を説明するための断面図である。 第1実施形態に係る振動素子の製造方法の一部を変更した例において、周波数調整工程を説明するための断面図である。 本発明の第2実施形態に係る振動素子を示す平面図である。 本発明の第3実施形態に係る振動素子を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 本発明の慣性計測装置の実施形態を示す分解斜視図である。 図15に示す慣性計測装置が備える基板の斜視図である。 本発明の電子機器の実施形態(モバイル型のパーソナルコンピューター)を示す斜視図である。 本発明の電子機器の実施形態(携帯電話機)を示す平面図である。 本発明の電子機器の実施形態(デジタルスチールカメラ)を示す斜視図である。 本発明の移動体の実施形態(自動車)を示す斜視図である。
以下、本発明の振動素子、振動素子の製造方法、物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.振動素子およびその製造方法
<第1実施形態>
まず、第1実施形態に係る振動素子およびその製造方法について説明する。
(振動素子)
図1は、本発明の第1実施形態に係る振動素子を示す平面図である。図2は、図1中のA−A線断面図である。図3は、振動素子の振動腕(駆動腕)の錘部近傍を拡大して示す平面図である。図4は、図3中B−B線断面図である。図5は、図3中C−C線断面図である。各図では、必要に応じて各部の寸法を適宜誇張して図示しており、また、各部間の寸法比は実際の寸法比とは必ずしも一致しない。以下に説明する各部の位置、方向および大きさ等は、製造上の誤差等の範囲、例えば差が±1%以内も含み、各部の必要な機能を実現し得る限り、本願明細書に記載の位置、方向および大きさ等に限定されない。
なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する3軸であるx軸、y軸およびz軸を適宜用いて説明を行う。以下では、x軸に平行な方向を「x軸方向」、y軸に平行な方向を「y軸方向」、z軸に平行な方向を「z軸方向」と言い、図中、x軸、y軸およびz軸の各軸を示す矢印の先端側を「+」、基端側を「−」とする。また、+z軸方向側を「上」、−z軸方向側を「下」、+x軸方向側を「右」、−x軸方向側を「左」とも言う。また、z軸方向から見ることを「平面視」と言う。図1では、説明の便宜上、後述する電極膜4の図示を省略している。
図1に示す振動素子1は、z軸まわりの角速度を検出するセンサー素子である。この振動素子1は、振動片2(図1参照)と、振動片2上に配置されている電極膜4(図2参照)と、を有する。
振動片2は、図1に示すように、いわゆるダブルT型と呼ばれる構造を有する。具体的に説明すると、振動片2は、基部21と、基部21から延在した、1対の検出腕22、23、1対の駆動腕24、25および1対の駆動腕26、27と、を有する。つまり、振動片2は、基部21から延出した全6本の振動腕を有する。
ここで、基部21は、後述するパッケージ11に支持される基部本体211と、基部本体211から+x軸方向に沿って延在している連結腕212と、基部本体211から連結腕212の延在方向と反対方向の−x軸方向に沿って延在している連結腕213と、を有する。そして、検出腕22は、基部本体211から連結腕212、213の延在方向と交差する+y軸方向に沿って延在し、検出腕23は、基部本体211から検出腕22の延在方向とは反対方向の−y軸方向に沿って延在している。駆動腕24は、連結腕212の先端領域から+y軸方向に沿って延在し、駆動腕25は、連結腕212の先端領域から駆動腕24の延在方向と反対方向の−y軸方向に沿って延在している。同様に、駆動腕26は、連結腕213の先端領域から+y軸方向に沿って延在し、駆動腕27は、連結腕213の先端領域から駆動腕26の延在方向と反対方向の−y軸方向に沿って延在している。
また、検出腕22は、基部本体211から延在している腕部221(検出腕部)と、腕部221に対して先端側に設けられ、腕部221よりも幅の大きい錘部222(検出錘部)と、腕部221の上下面の各々に設けられている溝223と、を有する。同様に、検出腕23は、腕部231(検出腕部)と、錘部232(検出錘部)と、1対の溝233と、を有する。
また、駆動腕24は、連結腕212から延在している腕部241(駆動腕部)と、腕部241に対して先端側に設けられ、腕部241よりも幅の大きい錘部242(駆動錘部)と、腕部241の上下面に設けられている1対の溝243と、を有する。同様に、駆動腕25は、腕部251(駆動腕部)と、錘部252(駆動錘部)と、1対の溝253と、を有する。また、駆動腕26は、連結腕213から延在している腕部261(駆動腕部)と、腕部261に対して先端側に設けられ、腕部261よりも幅の大きい錘部262(駆動錘部)と、腕部261の上下面に設けられている1対の溝263と、を有する。同様に、駆動腕27は、腕部271(駆動腕部)と、錘部272(駆動錘部)と、1対の溝273と、を有する。
なお、腕部221、231、241、251、261、271とは、振動腕のうち、溝223、233、243、253、263、273が設けられている部分のことをいう。一方、錘部222、232、242、252、262、272は、振動腕のうち、腕部221、231、241、251、261、271以外のことをいう。具体的には、腕部221、231、241、251、261、271よりも幅の大きい部分と、溝223、233、243、253、263、273の先端(+y軸方向の端)と錘部222、232、242、252、262、272との間の部分と、を含む概念である。
なお、溝223、233、243、253、263、273が設けられない場合も考慮すると、錘部222、232、242、252、262、272は、相対的に幅の大きい部分と、その部分の基端を起点とし、そこから基端側に向かって、振動腕の全長の10%の範囲の部分と、を含む概念である。
ところで、例えば、駆動腕24としては基部である連結腕のy軸方向の中央から錘部242の先端までの長さが1.00mm、錘部のy軸方向の長さが0.33mm、錘部のx軸方向の大きさが0.26mm、腕部241のx軸方向の大きさが0.09mm、z軸方向の大きさである厚さが0.10mmの形状が適用でき、検出腕22としては、基部本体211のy軸方向の中央から錘部222の先端までの長さが1.00mm、錘部のy軸方向の長さが0.33mm、錘部のx軸方向の大きさが0.40mm、腕部221のx軸方向の大きさが0.08mmm、厚さが0.10mmの形状が適用できる。
なお、溝223、233、243、253、263、273は、それぞれ、上下1対のうちの少なくとも一方を省略してもよい。また、溝223、233、243、253、263、273は、それぞれ、上下1対が互いに連通していてもよい。すなわち、腕部221、231、241、251、261、271に、上下面に開口する貫通孔を設けてもよい。また、錘部222、232、242、252、262、272の幅は、腕部221、231、241、251、261、271の幅以下であってもよい。
ここで、腕部221は、検出腕22の振動時(検出振動時)に屈曲する部分であり、かつ、検出腕22の検出振動に伴って生じる電荷を検出する部分、すなわち後述する検出信号電極43および検出接地電極44が設けられている部分である。同様に、腕部231は、検出腕23の振動時(検出振動時)に屈曲する部分であり、かつ、検出腕23の検出振動に伴って生じる電荷を検出する部分、すなわち後述する検出信号電極43および検出接地電極44が設けられている部分である。また、腕部241は、駆動腕24の振動時(駆動振動時)に屈曲する部分であり、かつ、駆動腕24の駆動のための電界が印加される部分、すなわち後述する駆動信号電極41および駆動接地電極42が設けられている部分である。同様に、腕部251、261、271は、それぞれ、駆動腕25、26、27の振動時(駆動振動時)に屈曲する部分であり、かつ、駆動腕25、26、27の駆動のための電界が印加される部分、すなわち後述する駆動信号電極41および駆動接地電極42が設けられている部分である。また、錘部222は、腕部221よりも先端側に位置している。同様に、錘部232、242、252、262、272は、それぞれ、腕部231、241、251、261、271よりも先端側に位置している。
振動片2は、例えばZカット水晶板で構成されている。振動片2をZカット水晶板で構成することで、振動片2の振動特性、特に周波数温度特性を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度で振動片2を形成することができる。水晶は、三方晶系に属しており、結晶軸として互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸を有している。X軸、Y軸、Z軸は、それぞれ、電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。Zカット水晶板は、Y軸(機械軸)およびX軸(電気軸)で規定されるXY平面に広がりを有し、Z軸(光軸)方向に厚みを有する板状をなしている水晶基板である。ここで、振動片2を構成する水晶のX軸がx軸に平行であり、Y軸がy軸に平行であり、Z軸がz軸に平行である。
なお、振動片2は、水晶以外の圧電体材料で構成されていてもよい。水晶以外の圧電体材料としては、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。また、振動片2の構成によっては、振動片2をZカット以外のカット角の水晶板で構成してもよい。また、振動片2は、圧電体材料以外の材料、すなわち圧電性を有しない材料、例えば、シリコン等で構成されていてもよく、この場合、検出腕22、23および駆動腕24、25、26、27の各腕部上に圧電素子、例えばPZT等で構成された圧電体膜を1対の電極間に挟んだ構成の素子を配置すればよい。
このように構成された振動片2の表面のうち、駆動腕24、25、26、27(振動腕)の腕部241、251、261、271上には、電極膜4が設けられている。この電極膜4は、図2に示す駆動信号電極41、駆動接地電極42、検出信号電極43および検出接地電極44と、図1に示す検出信号電極45と、を有する。
駆動信号電極41は、駆動腕24、25、26、27の駆動振動を励起させるための電極である。図2に示すように、駆動信号電極41は、駆動腕24の表裏関係にある第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)のうち腕部241の上下面と、駆動腕26の腕部261の両側面(上面と下面とを接続する側面の双方)と、にそれぞれ設けられている。同様に、駆動信号電極41は、駆動腕25の表裏関係にある第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)のうち腕部251の上下面(図1参照)と、駆動腕27の腕部271の両側面(上面と下面とを接続する側面の双方)とにそれぞれ設けられている。
一方、駆動接地電極42は、駆動信号電極41に対して基準となる電位、例えばグランド電位を有する。図2に示すように、駆動接地電極42は、腕部241の両側面、すなわち上面と下面とを接続する側面の双方と、駆動腕26の腕部261の上下面にそれぞれ設けられている。同様に、駆動接地電極42は、腕部251の両側面、すなわち上面と下面とを接続する側面の双方と、駆動腕27の腕部271の上下面(図1参照)にそれぞれ設けられている。つまり、駆動腕24、25、26、27には、上下面に設けられ、かつ電気的に互いに絶縁された一対の電極膜4が設けられている。
検出信号電極43は、検出腕22の検出振動が励起されたときに、その検出振動によって発生する電荷を検出するための電極である。図2に示すように、検出信号電極43は、検出腕22の表裏関係にある第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)のうち腕部221の上下面に設けられている。
一方、検出接地電極44は、検出信号電極43に対して基準となる電位、例えばグランド電位を有する。図2に示すように、検出接地電極44は、腕部221の両側面、すなわち上面と下面とを接続する側面の双方に設けられている。
また、検出腕23の検出振動が励起されたときに、その検出振動によって発生する電荷を検出するための検出信号電極45は、検出腕23の表裏関係にある第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)のうち腕部231の上下面に設けられている(図1参照)。同様に、検出腕23の検出接地電極は、検出腕23の検出信号電極に対して基準となる電位(例えばグランド電位)を有し、検出腕23の腕部231の両側面(上面と下面とを接続する側面の双方)に設けられている(図示せず)。なお、検出腕22の検出信号電極43と検出腕23の検出信号電極45との差動信号によって振動検出してもよい。
また、振動片2の表面のうち、駆動腕24、25、26、27(振動腕)の錘部242、252、262、272上には、錘膜3が設けられている。この錘膜3は、図1に示すように、錘部222上に配置されている錘膜31と、錘部232上に配置されている錘膜32と、錘部242上に配置されている錘膜33と、錘部252上に配置されている錘膜34と、錘部262上に配置されている錘膜35と、錘部272上に配置されている錘膜36と、を有する。
錘膜31、32は、エネルギー線の照射により適量除去されることで、検出腕22、23の共振周波数を調整するのに用いることが可能な膜である。また、錘膜33、34、35、36は、エネルギー線の照射により適量除去されることで、駆動腕24、25、26、27の共振周波数を調整するのに用いることが可能な膜である。
錘膜33は、図4に示すように、駆動腕24の表裏関係にある第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)のうち錘部242の上下面と、錘部242の両側面と、に設けられている。つまり、錘膜33は、錘部242を取り囲むように配置されている。
したがって、駆動腕24の上下面のうち、腕部241には駆動信号電極41が配置され、錘部242には錘膜33が配置されている。そして、駆動腕24全体について見ると、腕部241から錘部242にかけて一体になった膜が設けられ、そのうち、腕部241に配置されている部分が電極膜4(駆動信号電極41)であり、錘部242に配置されている部分が錘膜3(錘膜33)になっている。
また、このような錘膜33と同様に、錘膜34、35、36についても、錘部252、262、272を取り囲むように配置されている。そして、駆動腕25、26、27のそれぞれの全体について見ると、腕部251、261、271から錘部252、262、272にかけてそれぞれ一体になった膜が設けられ、そのうち、腕部251、261、271上に配置されている部分が電極膜4(駆動信号電極41または駆動接地電極42)であり、錘部252、262、272に配置されている部分が錘膜3(錘膜34、35、36)になっている。
ここで、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、それぞれ50nm以上500nm以下になっている。電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さが前記範囲内であることにより、電極膜4と錘膜3を同一のプロセスで形成することが可能になる。このため、振動素子1の製造工数の削減を図ることができ、振動素子1を容易に製造することができる。したがって、かかる振動素子1は、製造効率が高く製造コストが低いものとなる。
また、特に、錘膜3の厚さが前記範囲内であることにより、錘膜3は、エネルギー線が照射されたときに十分な質量変化を生じ得る程度の厚さを有するものとなる。これにより、駆動腕24、25、26、27の周波数の調整幅を広く確保することができ、不良率の低減を図ることができる。加えて、厚さが適切に抑えられていることにより、膜応力の増大に伴って振動素子1に損傷等が発生するのを抑制することができる。
一方、電極膜4の厚さが前記範囲内であることにより、電極膜4は、十分な導電性を有するものとなる。これにより、振動素子1における消費電力の低減を図ることができる。加えて、厚さが適切に抑えられていることにより、駆動腕24、25、26、27の振動特性、例えば機械的特性の経時劣化等が低下するのを抑制することができる。
なお、錘膜3の厚さが前記下限値を下回ると、エネルギー線が照射されたとき、錘膜3において十分な質量変化を生じさせられないため、駆動腕24、25、26、27の共振周波数の調整幅が狭くなるおそれがある。一方、錘膜3の厚さが前記上限値を上回ると、膜応力が増大するため、振動素子1に損傷等が発生するおそれがある。
また、電極膜4の厚さが前記下限値を下回ると、電極膜4の導電性が低下するおそれがある。一方、電極膜4の厚さが前記上限値を上回ると、膜応力が増大するとともに、駆動腕24、25、26、27の振動特性が低下して振動素子1における検出特性が低下するおそれがある。
また、電極膜4は、図4および図5に示すように、下地側すなわち振動片2側に位置する第1膜4aと、第1膜4a上すなわち下地側とは反対側に位置する第2膜4bと、を有する。このような多層構造になっていることで、例えば第1膜4aについては下地との密着性が高い材料で構成し、第2膜4bについては導電性が高い材料で構成することができる。これにより、下地との密着性が高く、かつ導電性が良好な電極膜4を実現することができる。
同様に、錘膜3は、図4および図5に示すように、下地側すなわち振動片2側に位置する第1膜3aと、第1膜3a上すなわち下地側とは反対側に位置する第2膜3bと、を有する。このような多層構造になっていることで、例えば第1膜3aについては下地との密着性が高い材料で構成し、第2膜3bについてはエネルギー線による加工性が良好な材料で構成することができる。これにより、下地との密着性が高く、かつ駆動腕24、25、26、27の周波数調整を容易にする錘膜3を実現することができる。
第1膜4a、3aの構成材料としては、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)等の金属材料の単体もしくは合金、またはこれらを含む材料が挙げられる。これにより、例えば水晶を用いて形成された振動片2に対する密着性に優れた第1膜4a、3aを実現することができる。
第2膜4b、3bの構成材料としては、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料や、ITO、ZnO等の透明電極材料を用いることができ、中でも、金を主材料とする金属、例えば金、金合金など、または白金を用いるのが好ましい。
また、特に、錘膜3の構成材料としては、上記に加え、例えば、無機化合物、樹脂等を用いることもできる。
このうち、無機化合物としては、アルミナ(酸化アルミニウム)、シリカ(酸化シリコン)、チタニア(酸化チタン)、ジルコニア、イットリア、リン酸カルシウム等の酸化物セラミックス、窒化珪素、窒化アルミ、窒化チタン、窒化ボロン等の窒化物セラミックス、グラファイト、タングステンカーバイト等の炭化物系セラミックス、その他、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、PZT、PLZT、PEBZT等の強誘電体材料等が挙げられ、中でも、酸化シリコン(SiO)、酸化チタン(TiO)、酸化アルミニウム(Al)等の絶縁材料を用いるのが好ましい。
なお、第1膜4a、3aは、特にクロム(Cr)を含み、第2膜4b、3bは、特に金(Au)を含むことが好ましい。これにより、下地に対する密着性と導電性や加工性とを両立させることができる。
以上のように構成された振動素子1は、次のようにしてz軸まわりの角速度ωを検出する。まず、駆動信号電極41と駆動接地電極42との間に電圧(駆動信号)を印加することにより、図1中矢印aで示す方向に、駆動腕24と駆動腕26とを互いに接近と離間を繰り返すように屈曲振動(駆動振動)させるとともに、駆動腕25と駆動腕27とを上記屈曲振動と同方向に互いに接近と離間を繰り返すように屈曲振動(駆動振動)させる。このとき、振動素子1に角速度が加わらないと、駆動腕24、25と駆動腕26、27とは、重心Gを通るyz平面に対して面対称の振動を行っているため、基部本体211、連結腕212、213および検出腕22、23は、ほとんど振動しない。
このように駆動腕24〜27を駆動振動させた状態(駆動モード)で、振動素子1にその重心Gを通る法線まわり、すなわちz軸まわりの角速度ωが加わると、駆動腕24〜27には、それぞれコリオリ力が働く。これにより、連結腕212、213が図1中矢印bで示す方向に屈曲振動し、これに伴い、この屈曲振動を打ち消すように、検出腕22、23の図1中矢印cで示す方向の屈曲振動(検出振動)が励振される。そして、このような検出腕22、23の検出振動(検出モード)によって検出信号電極43と検出接地電極44との間に電荷が生じる。このような電荷に基づいて、振動素子1に加わった角速度ωを求めることができる。
以上のように、振動素子1は、基部21と、基部21から延在し、基部21側に位置する腕部241、251、261、271およびこれより先端側に位置する錘部242、252、262、272を有する駆動腕24、25、26、27(振動腕)と、腕部241、251、261、271上に配置されている電極膜4と、錘部242、252、262、272上に配置されている錘膜3と、を備えている。そして、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、それぞれ50nm以上500nm以下になっている。
このような振動素子1によれば、電極膜4と錘膜3を同一のプロセスで形成することが可能になる。このため、振動素子1の製造工数の削減を図ることができ、振動素子1を容易に製造することができる。また、駆動腕24、25、26、27の振動特性を低下させることなく、周波数の調整幅を十分に広く確保することができ、不良率の低減を図ることができる。
一方、前述した錘膜3の厚さも、平面視における錘部242、252、262、272の全域において前記範囲内である必要はないが、製造バラつきも考慮すると、錘膜3の全面積のうち50%以上の部分の厚さが前記範囲内であるのが好ましく、70%以上の部分の厚さが前記範囲内であるのがより好ましい。
なお、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、それぞれ前述したように50nm以上500nm以下とされるが、100nm以上400nm以下であるのが好ましく、200nm以上300nm以下であるのがより好ましい。
また、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、前記範囲内であれば、互いに同じであっても異なっていてもよい。互いに同じである場合、成膜時に厚さを制御する必要がないため、電極膜4および錘膜3をより容易に形成することができる。なお、厚さが同じとは、その差が30nm以下である状態をいう。一方、互いに異なる場合、例えば錘膜3の厚さを電極膜4の厚さよりも厚くした場合、錘部242、252、262、272と錘膜3の合計質量を、腕部241、251、261、271と電極膜4の合計質量よりも、さらに大きくすることができる。このため、振動素子1の振動特性、例えば検出感度等を高めたり、駆動腕24、25、26、27の長さを短くして振動素子1の小型化を図ったりすることができる。
また、前述した電極膜4の厚さは、平面視における腕部241、251、261、271の全域において前記範囲内である必要はなく、少なくとも腕部241、251、261、271の先端部、すなわち腕部241、251、251、271のうち錘部242、252、262、272に連続する領域における電極膜4の厚さは、錘膜3の厚さと同じであることが好ましい。これにより、電極膜4と錘膜3との境界を意識することなく、電極膜4と錘膜3を同一のプロセスで容易に成膜することができる。
なお、腕部241、251、261、271の先端部とは、錘部242、252、262、272の基端を起点とし、そこから基部21側に向かって、腕部241、251、261、271の全長の10%の長さにあたる範囲のことをいう。
また、下地膜である第1膜4aおよび第1膜3aの厚さは、それぞれ5nm以上50nm以下であるのが好ましく、10nm以上40nm以下であるのがより好ましい。これにより、密着性を高めるという下地膜としての機能が担保されるとともに、下地膜が厚すぎることが防止され、第2膜4bおよび第2膜3bの機能、例えば導電性および質量調整能等が阻害されてしまうのを避けることができる。
なお、検出腕22、23に設けられた電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さについては、前記50nm以上500nm以下の範囲内であっても、前記範囲外であってもよい。前記範囲内であれば、検出腕22、23に設けられた電極膜4および錘膜3についても、駆動腕24、25、26、27に設けられた電極膜4および錘膜3と同一のプロセスで形成することが可能になる。
また、電極膜4や錘膜3は、上下面のうち、いずれか一方のみに設けられていてもよい。このような場合であっても、電極膜4と錘膜3を同一のプロセスで形成し得るという効果を得ることができる。
また、駆動腕24、25、26、27が、前述したように、表裏関係にある第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)を有しているとき、電極膜4は、下面および上面の双方に配置されているのが好ましい。そして、このとき、下面に配置されている電極膜4の厚さは、特に限定されないが、上面に配置されている電極膜4の厚さの50%以上200%以下であるのが好ましく、75%以上150%以下であるのがより好ましい。これにより、上下面に配置されている電極膜4の厚さが互いに同程度になるため、上面側と下面側との質量バランスを均等に近づけやすくなる。すなわち、電極膜4とそれが設けられた腕部241、251、261、271とで構成される構造体の重心を、腕部241、251、261、271の厚さの中心面に近づけることができる。これにより、駆動腕24および駆動腕26ならびに駆動腕25および駆動腕27をそれぞれ互いに接近または離間する方向、すなわち面内方向に振動させるとき、駆動腕24、25、26、27に厚さ方向、すなわち面外方向の方向成分を含む振動が生じてしまうのを抑制することができる。したがって、このような厚さ方向の振動成分が基部21を介して振動素子1側に漏れ、振動素子1の外部にとってのノイズ振動を抑制することができる。
また、駆動腕24、25、26、27が、前述したように、表裏関係にある第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)を有しているとき、錘膜3は、下面および上面の双方に配置されているのが好ましい。そして、このとき、下面に配置されている錘膜3の厚さは、特に限定されないが、上面に配置されている錘膜3の厚さの50%以上200%以下であるのが好ましく、75%以上150%以下であるのがより好ましい。これにより、上下面に配置されている錘膜3の厚さが互いに同程度になるため、錘膜3の一部を除去して周波数を調整した後においても、上面側と下面側との質量バランスを均等に近づけやすくなる。すなわち、錘膜3とそれが設けられた錘部242、252、262、272とで構成される構造体の重心を、錘部242、252、262、272の厚さの中心面に近づけることができる。これにより、駆動腕24および駆動腕26ならびに駆動腕25および駆動腕27をそれぞれ互いに接近または離間する方向、すなわち面内方向に振動させるとき、駆動腕24、25、26、27に厚さ方向、すなわち面外方向の方向成分を含む振動が生じてしまうのを抑制することができる。したがって、このような厚さ方向の振動成分が基部21を介して振動素子1側に漏れ、振動素子1の外部にとってのノイズ振動が生じるのを抑制することができる。
一方、駆動腕24、25、26、27が、それぞれ、第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)とを接続する側面2c(図4および図5参照)を有しているとき、錘膜3は、側面2cにも配置されているのが好ましい。これにより、錘膜3は、上下面に加え、側面2cにも成膜されるため、側面2cへの成膜を防ぐ手間が不要になる。このため、振動片2の製造工数のさらなる削減を図ることができる。
また、側面2cに配置されている錘膜3の厚さは、特に限定されないが、上面に配置されている錘膜3の厚さの50%以上200%以下であるのが好ましく、75%以上150%以下であるのがより好ましい。これにより、上下面に配置されている電極膜4の厚さが互いに同程度になるため、錘膜3をより形成しやすくなる。
なお、電極膜4についても、側面2cに配置されていてもよい。
また、錘膜31〜36の位置、大きさおよび範囲等は、図示の位置、大きさおよび範囲等に限定されない。例えば、錘膜3は、錘部222、232、242、252、262、272の長さ方向(y軸方向)での全域にわたって設けられていてもよいが、一部に設けられていてもよい。同様に、錘膜3は、錘部222、232、242、252、262、272の幅方向(x軸方向)での全域にわたって設けられていてもよいが、一部に設けられていてもよい。
また、腕部241、251、261、271は、それぞれ、厚さ方向の中心面について面対称の形状を有することが好ましい。これにより、駆動腕24、25、26、27の形状による厚さ方向での振動を低減することができる。
錘部242、252、262、272の幅Wは、図3に示すように、錘部242の厚さ方向からの平面視で、腕部241、251、261、271の幅W0よりも大きいことが好ましい。これにより、錘膜33、34、35、36を形成可能な錘部242、252、262、272の面積を大きくすることができる。また、駆動腕24、25、26、27の長さを短くすることができ、その結果、振動素子1の小型化を図ることもできる。
また、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、図4および図5では均一であるが、前述した範囲内において、互いに厚さの異なる複数の部分を有していてもよい。すなわち、錘膜3は、相対的に厚い部分と相対的に薄い部分とを有していてもよい。この場合、錘膜3の一部にエネルギー線を照射することによって除去し、駆動腕24、25、26、27の共振周波数の調整を行う際に微調および粗調を容易に行うことができる。すなわち、厚さの厚い部分は、単位面積当たりの質量が大きく、駆動腕24、25、26、27の共振周波数の粗調整に適している。一方、厚さの薄い部分は、単位面積当たりの質量が小さく、駆動腕24、25、26、27の共振周波数の微調整に適している。
(振動素子の製造方法)
次に、第1実施形態に係る振動素子の製造方法について、前述した振動素子1を製造する場合を例に説明する。なお、以下では、1つの駆動腕について代表的に説明するが、他の駆動腕や検出腕についても同様である。
図6は、第1実施形態に係る振動素子の製造方法を示すフローチャートである。図7および図8は、第1実施形態に係る振動素子の製造方法において、振動腕上に電極膜および錘膜を成膜する成膜工程を説明するための断面図である。図9は、第1実施形態に係る振動素子の製造方法において、周波数調整工程を説明するための断面図である。
振動素子1の製造方法は、図6に示すように、成膜工程S10と、周波数調整工程S20と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
−成膜工程S10−
まず、図7に示す振動片2を用意する。
振動片2は、例えば水晶基板のような母材、例えば水晶ウエハーに対し、フォトリソグラフィー技術やエッチング技術等を利用してパターニングを施すことにより、目的とする平面視形状を切り出すことによって製造される。また、併せて、溝243等を形成することができる。
なお、ウエハーからは、複数の振動片2を同時に製造するようにしてもよい。その場合、振動片2は、ウエハーから完全に切り離すのではなく、例えば幅および厚さの少なくとも一方が小さく脆弱に形成された折り取り部を介してウエハーに連結された状態で製造されてもよい。これにより、後述する工程において、複数の振動片2を一括して取り扱うことができ、製造効率を高めることができる。
次いで、図8に示すように、駆動腕24の第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)のうち、腕部241上に電極膜4を成膜するとともに、錘部242上に錘膜3を成膜する。駆動腕24以外の駆動腕25、26、27および検出腕22、23についても同様に、電極膜4および錘膜3を成膜する。
これらの電極膜4および錘膜3は、それぞれ、例えばスパッタリング等によって金属膜を一様に形成した後、この金属膜を、フォトリソグラフィー技術やエッチング技術によって所定の形状にパターニングすることにより形成される。
ここで、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さは、それぞれ前述したように50nm以上500nm以下になっている。電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さが前記範囲内であることにより、電極膜4と錘膜3を、例えばスパッタリング等によって同一のプロセスで同時に形成することが可能になる。このため、振動素子1の製造工数の削減を図ることができ、振動素子1を容易に製造することができる。したがって、振動素子1を効率よく低コストで製造することができる。
また、スパッタリング等の気相成膜法であれば、比較的等方的に成膜されるため、駆動腕24の第1主面2a(下面)と第2主面2b(上面)とで成膜される金属膜に膜厚の差が生じにくい。このため、上下面に配置されている電極膜4の厚さや錘膜3の厚さを互いに同程度に近づけることを容易に行うことができ、上面側と下面側との質量バランスを均等に近づけやすいという利点がある。
−周波数調整工程S20−
続いて、図9に示すように、錘膜3の一部をエネルギー線EBにより除去する。より具体的には、駆動腕24〜27の共振周波数が互いに等しくなるように、錘膜33〜36の一部を除去して、駆動振動の周波数、すなわち駆動腕24〜27の共振周波数を調整する。なお、錘膜3の除去に代えて、または錘膜3の除去に加えて、電極膜4の一部を除去するようにしてもよい。さらには、錘膜3や電極膜4が設けられていない部分、すなわち振動片2の表面にエネルギー線EBを照射することにより、振動片2の一部を除去し、それによって周波数を調整するようにしてもよい。
また、必要に応じて、錘膜31、32の一部を除去して、検出振動の周波数、すなわち検出腕22、23の共振周波数を調整する。
なお、これらの処理、例えばエネルギー線EBの照射処理は、必要に応じて行えばよく、周波数の調整が不要であれば省略可能である。
また、電極膜4の厚さおよび錘膜3の厚さが前記範囲内であることにより、錘膜3は、エネルギー線EBが照射されたとき、十分な質量変化を生じさせ得る程度の厚さを有するものとなる。これにより、検出腕22、23や駆動腕24、25、26、27の周波数の調整幅を広く確保し、不良率の低減を図ることができる。
エネルギー線EBとしては、例えば、YAG、YVO、エキシマレーザー等のパルスレーザー、炭酸ガスレーザー等の連続発振レーザー、FIB(Focused Ion Beam)や、IBF(Ion Beam Figuring)等のイオンビーム等を用いることができる。
また、このような周波数調整工程S20は、ウエハー状態で行ってもよいし、後述するパッケージ11に搭載した状態で行ってもよい。また、周波数調整工程S20は、複数回に分けて行ってもよく、例えば、ウエハー状態で1回目の調整として粗調整を行い、パッケージ11に搭載した状態で2回目の調整として微調整を行ってもよい。
以上のように、振動素子1の製造方法は、基部21と、基部21から延在し、基部21側に位置する腕部241および腕部241より先端側に位置する錘部242を有する駆動腕24(振動腕)と、腕部241上に配置され、厚さが50nm以上500nm以下である電極膜4と、錘部242上に配置され、厚さが50nm以上500nm以下である錘膜3と、を形成する工程と、エネルギー線EBを照射して錘膜3の一部および電極膜4の一部の少なくとも一方を除去することにより、駆動腕24の共振周波数を調整する工程と、を有する。
このような振動素子1の製造方法によれば、電極膜4と錘膜3を同一のプロセスで同時に形成することが可能になる。このため、振動素子1の製造工数の削減を図ることができ、振動素子1を容易に製造することができる。したがって、振動素子1を効率よく低コストで製造することができる。
また、前述したように、駆動腕24は、表裏関係にある第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)を有しており、電極膜4および錘膜3は、それぞれ上面および下面の双方に配置されている。また、駆動信号電極41および駆動接地電極42は、互いに絶縁されている。そして、駆動腕24の共振周波数を調整する工程は、下面に配置されている電極膜4の一部および錘膜3の一部の少なくとも一方を除去するとともに、上面に配置されている電極膜4の一部および錘膜3の一部の少なくとも一方を除去する工程であることが好ましい。すなわち、本工程は、下面側と上面側の双方において、電極膜4または錘膜3を除去する工程であるのが好ましい。
このような工程を行うことにより、上面側と下面側との質量バランスを均等に近づけやすくなる。すなわち、電極膜4とそれが設けられた腕部241、251、261、271とで構成される構造体の重心を、腕部241、251、261、271の厚さの中心面に近づけることができる。また、錘膜3とそれが設けられた錘部242、252、262、272とで構成される構造体の重心を、錘部242、252、262、272の厚さの中心面に近づけることができる。これにより、駆動腕24および駆動腕26ならびに駆動腕25および駆動腕27をそれぞれ互いに接近または離間する方向、すなわち面内方向に振動させるとき、駆動腕24、25、26、27に厚さ方向、すなわち面外方向の方向成分を含む振動が生じてしまうのを抑制することができる。したがって、このような厚さ方向の振動成分が基部21を介して振動素子1側に漏れ、振動素子1の外部にとってのノイズ振動の発生を抑制することができる。
なお、本工程において、下面側および上面側の双方において、電極膜4または錘膜3を除去する場合には、エネルギー線EBとして特にレーザーが好ましく用いられる。レーザーでは、照射された部位の下面側と上面側の双方において同時に、電極膜4または錘膜3を除去することができる。このため、下面側と上面側の双方において除去される質量を同程度にすることができ、その結果、下面側と上面側との質量バランスをより均等に近づけやすくなる。このため、駆動腕24、25、26、27において、面外方向の方向成分を含む振動が生じてしまうのを容易に抑制することができる。
なお、従来の振動素子では、下面または上面のいずれかのみに錘膜が設けられている場合がある。このような場合、そもそも下面側と上面側の質量不均衡が存在しているため、そのような振動素子にレーザーが照射されると、下面側と上面側の双方で同程度の質量が減少するため、照射前に存在していた質量不均衡がさらに悪化することになる。
これに対し、本実施形態によれば、前述したように照射前において質量バランスが良好であるため、レーザーの照射によって下面側と上面側の双方において同程度の質量を除去することにより、照射後においても引き続き質量バランスが良好に維持されることとなる。その結果、エネルギー線EBの照射の有無にかかわらず、下面側と上面側との質量バランスが良好で、面外方向の方向成分を含む振動が生じるのを効果的に抑制することができる。
(変更例)
図10および図11は、それぞれ、第1実施形態に係る振動素子の製造方法の一部を変更した例において、周波数調整工程を説明するための断面図である。
以下、変更例について説明するが、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図10および図11において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。また、以下では、1つの駆動腕について代表的に説明するが、他の駆動腕や検出腕についても同様である。
本変更例は、周波数調整工程が異なる以外、第1実施形態と同様である。
すなわち、前述した第1実施形態では、振動片2の駆動腕24の下面側と上面側の双方において同時に、錘膜3の一部、または電極膜4の一部を除去するのに対し、本変更例では、駆動腕24の第1主面2a(下面)に配置されている錘膜3の一部、または電極膜4の一部を除去した後、振動片2をパッケージ11に搭載し、駆動腕24の第2主面2b(上面)に配置されている錘膜3の一部、または電極膜4の一部を除去する。
具体的には、図10に示すように、駆動腕24は、表裏関係にある第1主面2a(下面)および第2主面2b(上面)を有しており、電極膜4および錘膜3は、それぞれ上面および下面の双方に配置されている。そして、駆動腕24の共振周波数を調整する工程では、まず、図10に示すように、パッケージ11に搭載する前の状態、例えばウエハー状態(振動片2がウエハーWAの余白に接続されている状態)において、駆動腕24の下面に配置されている電極膜4の一部および錘膜3の一部の少なくとも一方、すなわち図10では錘膜3の一部を除去する。このときの除去量は、上面側における除去量とのバランスを踏まえて適宜設定される。すなわち、最終的に、上面側における除去量と同程度になるように、下面側における除去量を決定する。換言すれば、必要とする全ての除去量のうち、半分程度を下面側に振り分け、残る半分程度を上面側に振り分けるようにすればよい。これにより、上面側と下面側との質量バランスを均等に近づけることができる。
また、ウエハー状態であれば、複数の振動片2に対し、連続して処理を行うことができるので、処理効率を高めることができる。さらに、エネルギー線EBとしてイオンビームを用いた場合には、上面側または下面側のいずれか一方のみ処理することができるが、本実施形態では、下面側と上面側を順次処理するため、イオンビームも好適に用いることができる。イオンビームによれば、単位時間当たりの除去量をより精度よく制御することができるため、駆動腕24の周波数をより精密に調整することができる。
次に、駆動腕24(振動腕)を含む振動片2をウエハーWAの余白から折り取り、図11に示すように、パッケージ11に搭載する。
次に、パッケージ11に搭載した状態において、駆動腕24の上面に配置されている電極膜4の一部および錘膜3の一部の少なくとも一方、すなわち図11では錘膜3の一部を除去する(図11参照)。これにより、上面側と下面側との質量バランスが均等な振動素子1を製造することができる。また、パッケージ11を搭載した状態では、駆動腕24の上面側にしかイオンビームを照射することができないものの、本変更例によれば、あらかじめ下面側を処理しているため、この制約の影響を受けることなく、イオンビームによる精密な質量調整を行うことができる。
<第2実施形態>
図12は、本発明の第2実施形態に係る振動素子を示す平面図である。
以下、第2実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図12において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態は、いわゆるH型の振動素子に本発明を適用したこと以外は、前述した第1実施形態と同様である。
図12に示す振動素子1Dは、y軸まわりの角速度を検出するセンサー素子である。この振動素子1Dは、振動片2Dと、振動片2D上に設けられた電極膜(図示せず)および錘膜3Dと、を備える。
振動片2Dは、基部21Dと、1対の駆動腕24D、25Dと、1対の検出腕22D、23Dと、を有している。これらは、一体で構成されており、Zカット水晶板を用いて形成される。なお、水晶の結晶軸とx軸、y軸およびz軸との対応関係は、前述した第1実施形態と同様である。
基部21Dは、後述するパッケージ11に支持される。
駆動腕24D、25Dは、それぞれ、基部21Dからy軸方向(+y方向)に延在している。駆動腕24D、25Dは、前述した第1実施形態の駆動腕と同様に構成されている。この駆動腕24D、25Dには、それぞれ、図示しないが、前述した第1実施形態の駆動腕24〜27と同様に、通電により駆動腕24D、25Dをx軸方向に屈曲振動させる1対の駆動電極(駆動信号電極および駆動接地電極)が設けられている。この1対の駆動電極は、図示しない配線を介して、基部21D上の端子(図示せず)に電気的に接続されている。
検出腕22D、23Dは、それぞれ、基部21Dからy軸方向(−y方向)に延在している。この検出腕22D、23Dには、それぞれ、図示しないが、検出腕22D、23Dのz軸方向での屈曲振動に伴って生じる電荷を検出する1対の検出電極、すなわち検出信号電極および検出接地電極が設けられている。この1対の検出電極は、図示しない配線を介して、基部21D上の端子(図示せず)に電気的に接続されている。
錘膜3Dは、検出腕22D、23Dの先端部(錘部)に配置されている錘膜31D、32Dと、駆動腕24D、25Dの先端部(錘部)上に配置されている錘膜33D、34Dと、を有する。
このように構成された振動素子1Dでは、1対の駆動電極間に駆動信号が印加されることにより、図12中矢印A1、A2で示すように、駆動腕24Dと駆動腕25Dとが互いに接近と離間を繰り返すように屈曲振動(駆動振動)する。
このように駆動腕24D、25Dを駆動振動させた状態で、振動素子1Dにy軸まわりの角速度ωが加わると、駆動腕24D、25Dは、コリオリ力により、図12中矢印B1、B2で示すように、z軸方向に互いに反対側に屈曲振動する。これに伴い、検出腕22D、23Dは、図12中矢印C1、C2で示すように、z軸方向に互いに反対側に屈曲振動(検出振動)する。
そして、このような検出腕22D、23Dの屈曲振動によって1対の検出電極間に生じた電荷が1対の検出電極から出力される。このような電荷に基づいて、振動素子1Dに加わった角速度ωを求めることができる。
以上のような本実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様、電極膜(図示せず)と錘膜3Dを同一のプロセスで形成することが可能になるため、振動素子1Dの製造工数の削減を図ることができ、振動素子1Dを容易に製造することができる。
<第3実施形態>
図13は、本発明の第3実施形態に係る振動素子を示す平面図である。
以下、第3実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図13において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態は、いわゆる二脚音叉型の振動素子に本発明を適用したこと以外は、前述した第1実施形態と同様である。
図13に示す振動素子1Eは、y軸まわりの角速度を検出するセンサー素子である。この振動素子1Eは、振動片2Eと、振動片2E上に設けられた電極膜(図示せず)および錘膜33E、34Eと、を備える。
振動片2Eは、基部21Eと、1対の振動腕24E、25Eと、を有し、これらは、一体で構成されており、Zカット水晶板を用いて形成される。なお、水晶の結晶軸とx軸、y軸およびz軸との対応関係は、前述した第1実施形態と同様である。
基部21Eは、振動腕24E、25Eが接続されている第1基部214と、第1基部214に対して振動腕24E、25Eとは反対側に配置されている第2基部216と、第1基部214と第2基部216とを連結する連結部215と、を含んでいる。連結部215は、第1基部214と第2基部216との間に位置していて、第1基部214よりも幅、すなわちx軸方向の長さが小さい。これにより、基部21Eのy軸方向に沿った長さを小さくしつつ、振動漏れを小さくすることができる。ここで、第2基部216は、例えば、後述するパッケージ11に支持される。
振動腕24E、25Eは、それぞれ、基部21Eからy軸方向(+y方向)に延在している。振動腕24E、25Eは、前述した第1実施形態の駆動腕と同様に構成されている。この振動腕24E、25Eには、それぞれ、図示しないが、前述した第1実施形態の駆動腕24〜27と同様に、通電により振動腕24E、25Eをx軸方向に屈曲振動させる1対の駆動電極、すなわち駆動信号電極および駆動接地電極が設けられている。この1対の駆動電極は、図示しない配線を介して、基部21E上の端子(図示せず)に電気的に接続されている。
また、振動腕24E、25Eには、それぞれ、前述した1対の駆動電極の他に、図示しないが、振動腕24E、25Eのz軸方向での屈曲振動に伴って生じる電荷を検出する1対の検出電極、すなわち検出信号電極および検出接地電極が設けられている。この1対の検出電極は、図示しない配線を介して、基部21E上の端子(図示せず)に電気的に接続されている。
錘膜33E、34Eは、振動腕24E、25Eの先端部(錘部)上に配置されている。
このように構成された振動素子1Eでは、1対の駆動電極間に駆動信号が印加されることにより、振動腕24Eと振動腕25Eとが互いに接近と離間を繰り返すように屈曲振動(駆動振動)する。
このように振動腕24E、25Eを駆動振動させた状態で、振動素子1Eにy軸まわりの角速度ωが加わると、振動腕24E、25Eには、コリオリ力により、z軸方向に互いに反対側に屈曲する振動が励振される。そして、このように励振された振動によって1対の検出電極間に生じた電荷が1対の検出電極から出力される。このような電荷に基づいて、振動素子1Eに加わった角速度ωを求めることができる。
以上のような本実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様、電極膜(図示せず)と錘膜33E、34Eを同一のプロセスで形成することが可能になるため、振動素子1Eの製造工数の削減を図ることができ、振動素子1Eを容易に製造することができる。
2.物理量センサー
図14は、本発明の実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
図14に示す物理量センサー10は、z軸まわりの角速度を検出する振動ジャイロセンサーである。この物理量センサー10は、振動素子1または1D、1E、と、支持部材12と、回路素子13(集積回路チップ)と、これらを収納するパッケージ11と、を有している。
パッケージ11は、振動素子1を収納する凹部を有する箱状のベース111と、ベース111の凹部の開口を塞ぐようにベース111に接合部材113を介して接合された板状のリッド112と、を有する。パッケージ11内は、真空状態も含む減圧状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
ベース111の凹部は、開口側に位置する上段面と、底部側に位置する下段面と、これらの面の間に位置する中段面と、を有する。このベース111の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスや、各種ガラス材料を用いることができる。また、リッド112の構成材料としては、特に限定されないが、ベース111の構成材料と線膨張係数が近似する部材であるとよい。例えば、ベース111の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。また、本実施形態では、接合部材113としてシームリングを用いるが、接合部材113は、例えば、低融点ガラス、接着剤等を用いて構成されたものであってもよい。
ベース111の凹部の上段面および中段面には、それぞれ、複数の接続端子14、15が設けられている。中段面に設けられている複数の接続端子15のうち、一部は、ベース111に設けられた配線層(図示せず)を介して、ベース111の底面に設けられた端子16に電気的に接続され、残部は、上段に設けられている複数の接続端子14に配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。これら接続端子14、15は、導電性を有していれば特に限定されないが、例えば、Cr(クロム)、W(タングステン)等のメタライズ層(下地層)に、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)等の各被膜を積層した金属被膜で構成されている。
回路素子13は、ベース111の凹部の下段面に接着剤19等によって固定されている。接着剤19としては、例えば、エポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系の接着剤を用いることができる。回路素子13は、図示しない複数の端子を有し、この各端子が導電性ワイヤーによって、前述した中段面に設けられている各接続端子15と電気的に接続されている。この回路素子13は、振動素子1を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに振動素子1に生じる検出振動を検出する検出回路と、を有する。
また、ベース111の凹部の上段面に設けられている複数の接続端子14には、導電性接着剤17を介して、支持部材12が接続されている。支持部材12は、導電性接着剤17に接続されている配線パターン122と、配線パターン122を支持している支持基板121と、を有する。導電性接着剤17としては、例えば、金属フィラーなどの導電性物質が混合された、エポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系などの導電性接着剤を用いることができる。
支持基板121は、中央部に開口を有しており、その開口内には、配線パターン122が有する複数の長尺状のリードが延びている。これらリードの先端部には、導電性のバンプ123を介して振動素子1が接続されている。
なお、本実施形態では、回路素子13がパッケージ11の内部に設けられているが、回路素子13は、パッケージ11の外部に設けられていてもよい。
以上のように、物理量センサー10は、振動素子1と、振動素子1を収納しているパッケージ11と、を備える。このような物理量センサー10によれば、振動素子1の優れた特性や製造容易性を利用して、物理量センサー10のセンサー特性、例えば検出精度や低コスト化を向上させることができる。
3.慣性計測装置
図15は、本発明の慣性計測装置の実施形態を示す分解斜視図である。図16は、図15に示す慣性計測装置が備える基板の斜視図である。
図15に示す慣性計測装置(IMU:Inertial Measurement Unit)2000は、いわゆる6軸モーションセンサーであり、例えば、自動車、ロボット等の計測対象物である移動体に装着して用いられ、当該移動体の姿勢および挙動、例えば慣性運動量を検出する。
この慣性計測装置2000は、アウターケース2100と、接合部材2200と、センサーモジュール2300と、を備え、センサーモジュール2300がアウターケース2100内に接合部材2200を介在させた状態で篏合または挿入されている。
アウターケース2100は、箱状をなしており、このアウターケース2100の対角にある2つの角部には、計測対象物に対するネジ止めのためのネジ孔2110が設けられている。
センサーモジュール2300は、インナーケース2310と、基板2320と、を備え、インナーケース2310が基板2320を支持した状態で、前述したアウターケース2100の内部に収納されている。ここで、インナーケース2310は、アウターケース2100に対して、接合部材2200、例えばゴム製のパッキンを介して、接着剤等により接合されている。また、インナーケース2310は、基板2320上に実装される部品の収納空間として機能する凹部2311と、基板2320上に設けられているコネクター2330を外部に露出するための開口部2312と、を有する。基板2320は、例えば、多層配線基板であり、インナーケース2310に対して接着剤等により接合されている。
図16に示すように、基板2320には、コネクター2330、角速度センサー2340X、2340Y、2340Z、加速度センサー2350および制御IC2360が実装されている。
コネクター2330は、図示しない外部装置に電気的に接続され、当該外部装置と慣性計測装置2000との間で電力、計測データ等の電気信号の送受信を行うのに用いられる。
角速度センサー2340Xは、X軸まわりの角速度を検出し、角速度センサー2340Yは、Y軸まわりの角速度を検出し、角速度センサー2340Zは、Z軸まわりの角速度を検出する。ここで、角速度センサー2340X、2340Y、2340Zは、それぞれ、前述した物理量センサー10である。また、加速度センサー2350は、例えば、MEMS技術を用いて形成された加速度センサーであり、X軸、Y軸およびZ軸の各軸方向での加速度を検出する。
制御IC2360は、MCU(Micro Controller Unit)であり、不揮発性メモリーを含む記憶部、A/Dコンバーター等を内蔵しており、慣性計測装置2000の各部を制御する。ここで、記憶部には、加速度および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラム、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータ等が記憶されている。
以上のように、慣性計測装置2000は、物理量センサー10と、物理量センサー10に電気的に接続されている回路である制御IC2360と、を備える。このような慣性計測装置2000によれば、物理量センサー10の優れたセンサー特性および製造容易性を利用して、慣性計測装置2000の特性、例えば計測精度を向上させるとともに低コスト化を図ることができる。
4.電子機器
図17は、本発明の電子機器の実施形態であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。
この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、前述した振動素子1を含む慣性計測装置2000が内蔵されている。
図18は、本発明の電子機器の実施形態である携帯電話機を示す平面図である。
この図において、携帯電話機1200は、アンテナ(図示せず)、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。このような携帯電話機1200には、前述した振動素子1を含む慣性計測装置2000が内蔵されている。
図19は、本発明の電子機器の実施形態であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。
デジタルスチールカメラ1300におけるケース1302の背面には表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側、すなわち図中裏面側には、撮像光学系である光学レンズやCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。そして、撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押すと、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。このようなデジタルスチールカメラ1300には、前述した振動素子1を含む慣性計測装置2000が内蔵されており、この慣性計測装置2000の計測結果は、例えば、手振れ補正に用いられる。
以上のような電子機器は、振動素子1を備える。このような電子機器によれば、振動素子1の優れた特性および製造容易性を利用して、電子機器の特性、例えば信頼性を向上させるとともに低コスト化を図ることができる。
なお、本発明の電子機器は、図17のパーソナルコンピューター、図18の携帯電話機、図19のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチを含む時計、インクジェット式吐出装置、例えばインクジェットプリンター、HMD(ヘッドマウントディスプレイ)等のウェアラブル端末、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、通信機能付も含む電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、携帯端末用の基地局、フライトシミュレーター等に適用することができる。
5.移動体
図20は、本発明の移動体の実施形態である自動車を示す斜視図である。
自動車1500には、前述した振動素子1を含む慣性計測装置2000が内蔵されており、例えば、慣性計測装置2000によって車体1501の姿勢を検出することができる。慣性計測装置2000の検出信号は、車体姿勢制御装置1502に供給され、車体姿勢制御装置1502は、その信号に基づいて車体1501の姿勢を検出し、検出結果に応じてサスペンションの硬軟を制御したり、個々の車輪1503のブレーキを制御したりすることができる。
その他、このような姿勢制御は、二足歩行ロボットやラジコンヘリコプター、ドローンで利用することができる。以上のように、各種移動体の姿勢制御の実現にあたって、慣性計測装置2000が組み込まれる。
以上のように、移動体である自動車1500は、振動素子1を備える。このような自動車1500によれば、振動素子1の優れた特性および製造容易性を利用して、自動車1500の特性、例えば信頼性を向上させるとともに低コスト化を図ることができる。
以上、本発明の振動素子、振動素子の製造方法、物理量センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、振動素子は、いわゆるダブルT型、H型または二脚音叉型の形状をなしているが、面内方向に振動する振動腕を有する素子であれば、これに限定されず、例えば、三脚音叉、直交型、角柱型等の種々の形態であってもよい。
1…振動素子、1D…振動素子、1E…振動素子、2…振動片、2D…振動片、2E…振動片、2a…第1主面、2b…第2主面、2c…側面、3…錘膜、3D…錘膜、3a…第1膜、3b…第2膜、4…電極膜、4a…第1膜、4b…第2膜、10…物理量センサー、11…パッケージ、12…支持部材、13…回路素子、14…接続端子、15…接続端子、16…端子、17…導電性接着剤、19…接着剤、21…基部、21D…基部、21E…基部、22…検出腕、22D…検出腕、23…検出腕、23D…検出腕、24…駆動腕、24D…駆動腕、24E…振動腕、25…駆動腕、25D…駆動腕、25E…振動腕、26…駆動腕、27…駆動腕、31…錘膜、31D…錘膜、32…錘膜、32D…錘膜、33…錘膜、33D…錘膜、33E…錘膜、34…錘膜、34D…錘膜、34E…錘膜、35…錘膜、36…錘膜、41…駆動信号電極、42…駆動接地電極、43…検出信号電極、44…検出接地電極、45…検出信号電極、111…ベース、112…リッド、113…接合部材、121…支持基板、122…配線パターン、123…バンプ、211…基部本体、212…連結腕、213…連結腕、214…第1基部、215…連結部、216…第2基部、221…腕部、222…錘部、223…溝、231…腕部、232…錘部、233…溝、241…腕部、242…錘部、243…溝、251…腕部、252…錘部、253…溝、261…腕部、262…錘部、263…溝、271…腕部、272…錘部、273…溝、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1108…表示部、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1208…表示部、1300…デジタルスチールカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1310…表示部、1500…自動車、1501…車体、1502…車体姿勢制御装置、1503…車輪、2000…慣性計測装置、2100…アウターケース、2110…ネジ孔、2200…接合部材、2300…センサーモジュール、2310…インナーケース、2311…凹部、2312…開口部、2320…基板、2330…コネクター、2340X…角速度センサー、2340Y…角速度センサー、2340Z…角速度センサー、2350…加速度センサー、2360…制御IC、A1…矢印、A2…矢印、B1…矢印、B2…矢印、C1…矢印、C2…矢印、EB…エネルギー線、G…重心、S10…成膜工程、S20…周波数調整工程、WA…ウエハー、a…矢印、b…矢印、c…矢印、ω…角速度

Claims (13)

  1. 基部と、
    前記基部から延在し、前記基部側に位置して電気的に互いに絶縁された一対の電極膜が配置されている腕部および前記腕部より先端側に位置する錘部を有する振動腕と、
    前記錘部に配置されている錘膜と、
    を備え、
    前記振動腕は、表裏関係にある第1主面および第2主面を有しており、
    前記一対の電極膜および前記錘膜は、前記第1主面および前記第2主面に配置されており、
    前記第1主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、前記第1主面に配置された前記錘膜、前記第2主面に配置された前記一対の電極膜の少なくとも一方の厚さ、および前記第2主面に配置された前記錘膜の厚さが、それぞれ50nm以上500nm以下であることを特徴とする振動素子。
  2. 前記第1主面および前記第2主面の少なくとも一方において、
    前記腕部のうちの前記錘部に連続する領域における前記一対の電極膜の前記少なくとも一方の厚さは、前記錘膜の厚さと同じである請求項1に記載の振動素子。
  3. 前記第1主面に配置されている前記一対の電極膜の前記少なくとも一方の厚さは、前記第2主面に配置されている前記一対の電極膜の前記少なくとも一方の厚さの50%以上200%以下である請求項1または2に記載の振動素子。
  4. 前記第1主面に配置されている前記錘膜の厚さは、前記第2主面に配置されている前記錘膜の厚さの50%以上200%以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の振動素子。
  5. 前記電極膜および前記錘膜は、それぞれ振動腕側に位置する第1膜と、前記第1膜の前記振動腕側とは反対側に位置し前記第1膜より厚い第2膜と、を有する請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子。
  6. 前記第1膜は、Crを含み、前記第2膜は、Auを含む請求項5に記載の振動素子。
  7. 基部と、前記基部から延在し、前記基部側に位置する腕部および前記腕部より先端側に位置する錘部を有して表裏関係にある第1主面および第2主面を有する振動腕と、前記第1主面および前記第2主面のそれぞれの前記腕部上に配置され、厚さが50nm以上500nm以下であり電気的に絶縁された一対の電極膜と、前記第1主面および前記第2主面のそれぞれの前記錘部上に配置され、厚さが50nm以上500nm以下である錘膜と、を形成する工程と、
    エネルギー線を照射して前記錘膜の一部および前記電極膜の一部の少なくとも一方を除去することにより、前記振動腕の共振周波数を調整する工程と、
    を有することを特徴とする振動素子の製造方法。
  8. 前記振動腕の共振周波数を調整する工程は、前記第1主面に配置されている前記一対の電極膜の少なくとも一方の一部および前記錘膜の一部の少なくとも一方を除去するとともに、前記第2主面に配置されている前記一対の電極膜の少なくとも一方の一部および前記錘膜の一部の少なくとも一方を除去する工程である請求項7に記載の振動素子の製造方法。
  9. 前記振動腕の共振周波数を調整する工程は、前記第1主面に配置されている前記一対の電極膜の少なくとも一方の一部および前記錘膜の一部の少なくとも一方を除去した後、前記振動腕をパッケージに収納し、前記第2主面に配置されている前記一対の電極膜の少なくとも一方の一部および前記錘膜の一部の少なくとも一方を除去する工程である請求項7に記載の振動素子の製造方法。
  10. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の振動素子と、
    前記振動素子を収納しているパッケージと、
    を備えることを特徴とする物理量センサー。
  11. 請求項10に記載の物理量センサーと、
    前記物理量センサーに電気的に接続されている回路と、
    を備えることを特徴とする慣性計測装置。
  12. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の振動素子と、
    前記振動子に対して駆動信号を出力する回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  13. 請求項1ないし6のいずれか1項に記載の振動素子と、
    前記振動素子を備える物理量センサーを搭載したボディーと、
    を備えることを特徴とする移動体。
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