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JP2007212751A - 球状又は半球状の結晶体の製造方法及び球状sawデバイスの製造方法 - Google Patents

球状又は半球状の結晶体の製造方法及び球状sawデバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract


【課題】 球状又は半球状の結晶体を製造するにあたり、結晶軸を高精度に、簡易な作業で決定すること。
【解決手段】 Z軸と、このZ軸に直交するX軸とY軸とを含む結晶軸を備えた結晶体から、前記Z軸を一辺とし、製造しようとする球状の結晶体を包含する大きさの立方体3を切り出し、次いでこの立方体3に、前記立方体3の一辺31を基準として、前記Z軸方向に沿って伸びるZ軸基準孔32を形成する。この後、前記Z軸基準孔32の一部を包含するように、前記立方体3を球状に形成することにより、球状の結晶体を製造する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、電子機器に使用される圧電デバイス例えば球状SAWデバイスに用いられる圧電振動子や、デジタルスチールカメラに用いられる球状レンズ等として利用される球状又は半球状の結晶体の製造方法に関する。
圧電デバイスの一種であるSAWデバイスは、弾性体表面に伝わる表面弾性波(SAW:surface acoustic wave)を利用した素子であり、結晶基板表面を伝わる弾性振動は電磁波に比べて伝搬速度が10分の1と小さく、小型のフィルタや遅延素子を構成できるため、TV受信機や携帯電話、通信機などに広く使われている。このうちガスセンサ等に用いられている球状SAWデバイスは、例えば図10に示すように、基板10上に配置された、水晶やLiNbO(リチウムナイオベート)やLiTaO(リチウムタンタレート)等の圧電結晶の球状体11の表面に櫛型電極(IDT:インターディジタルトランスデューサ)12を配設し、電気信号と表面弾性波間の電気ー機械相互変換を行なって周波数選択(帯域フィルタ)特性を持たせるように構成されたものである。
ところで前記水晶等の結晶体は、Z軸(光軸)と、これに直交するX軸及びY軸との3本の結晶軸を備えている。一方、弾性表面波は前記X軸に沿って伝播するので、弾性表面波の伝播方向を知り、これに沿って球状体11の表面にIDT電極12を配設したり、球状体11を所定の位置関係で基板10に支持させるために、球状体11にIDT電極12を配設する前に、球状体11の光軸を把握する必要がある。
従来では、球状体11の光軸は、先ず水晶等の結晶体から球状体11を形成した後、偏光を利用して調べていた。具体的には、球状体11の下方側から光を当てる一方、球状体11を回しながら、光が透過しないポイントを見つけることにより、前記光軸を探す手法が用いられている。
しかしながらガスセンサに用いるときの球状SAWデバイスの大きさは、例えば直径が15mm程度であり、この小さな球状体11を回転させて偏光を調べるという手法は作業に時間と手間がかかり、誤差が発生しやすい。ここで、小さなパイプに球状SAWデバイスを組み込む等の用途の汎用性を広げるために、球状体11のさらなる小型化が図られており、ますます作業が困難になる傾向がある。
このように光軸の検出作業が困難であると、結果として球状SAWデバイスの製作に手間がかかり、製造コストの増大を招く。また球状SAWデバイスの結晶軸がばらつくと、反射係数などのばらつきが大きくなったり、球状SAWデバイスの弾性表面波が球状体11の表面をX軸に沿って周回するときの周回数や、信号のレスポンスにばらつきがでて、製品の特性が不揃いになってしまう。
またデジタルスチールカメラの光学デバイスである球状レンズは、例えば水晶等の結晶体により構成されており、この場合においても、モアレの発生を防止するために、光軸方向を精密に決定することが要求されている。ところで球状SAWデバイスについて先行技術文献を調査したが見付けることができず、精度の高い手法で光軸を決定することについては何らの具体的な手法は確立されていないといえる。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、球状又は半球状の結晶体を製造するにあたり、結晶軸を高精度に、簡易な作業で決定することにより、球状又は半球状の結晶体の製造コストを低減する技術を提供することである。またこの球状の結晶体を球状SAWデバイスとして利用する場合には、光のエネルギーばらつきを低減できる技術を提供することにある。さらにこの球状又は半球状の結晶体を球状レンズ又は凸状レンズとして利用する場合には、モアレの発生を防止できる技術を提供することにある。
このため本発明は、Z軸と、このZ軸に直交するX軸とY軸とを含む結晶軸を備えた球状又は半球状の結晶体を製造する方法において、
前記Z軸、X軸、Y軸のいずれか一つの結晶軸方向に伸びる一辺を持ち、製造しようとする球状又は半球状の結晶体を包含する大きさの多面体を切り出す工程と、
次いで前記多面体に、前記多面体の結晶軸方向に伸びる一辺を基準として、前記結晶軸方向に沿って伸びる結晶軸基準孔を形成する工程と、
次いで前記結晶軸基準孔の全部又は一部を包含するように、前記多面体を球状又は半球状に形成する工程と、を含むことを特徴とする。
ここで前記結晶軸方向に沿って伸びる結晶軸基準孔は、結晶軸方向と同じ方向に伸びるものの他、結晶軸方向に対して所定の方向で伸びるものも含まれる。
前記球状又は半球状の結晶体の例を挙げると、圧電振動子、球状レンズや凸状レンズがあり、これら結晶体は、例えば水晶、リチウムナイオベート、リチウムタンタレートのいずれかより形成される。また前記結晶軸基準孔の孔径は、球状又は半球状の結晶体の直径に対して0.1%〜5%の大きさに設定されることが好ましい。
また本発明の球状SAWデバイスの製造方法は、前記Z軸、X軸、Y軸のいずれか一つの結晶軸方向に伸びる一辺を持ち、製造しようとする球状の結晶体を包含する大きさの多面体を切り出す工程と、次いで前記多面体に、前記結晶軸方向に沿って伸びる結晶軸基準孔を形成する工程と、次いで前記結晶軸基準孔の全部又は一部を包含するように、前記結晶体を球状に形成する工程と、を行なうことにより製造された球状の結晶体に、前記結晶軸基準孔を基準にして、前記X軸と平行にIDT電極を取り付けることを特徴とする。
本発明によれば、Z軸とX軸とY軸とを含む結晶軸を備えた球状又は半球状の結晶体を製造するにあたり、前記Z軸、X軸、Y軸のいずれか一つの結晶軸方向に伸びる一辺を持つ多面体に対して、前記一辺を基準として、前記結晶軸方向に沿って伸びる結晶軸基準孔を形成しているので、結晶軸を高精度に、簡易な作業で決定することができる。そして球状又は半球状の結晶体は、前記結晶軸基準孔が形成された多面体を球状又は半球状に形成することによって製造されるので、この製造作業に要する手間や時間が少なくて済み、製造コストを低減することができる。
またこの球状の結晶体を球状SAWデバイスの圧電振動子として利用する場合には、精度の高い結晶軸を基準にしてX軸に平行にIDT電極が取り付けられるので、IDT電極の位置精度が高く、これにより光のエネルギーばらつきを低減することができる。さらこの球状又は半球状の結晶体を球状レンズ又は凸状レンズとして利用する場合には、モアレの発生を防止することができる。
本発明の実施の形態について、球状SAWデバイスを形成する場合を例にして説明する。図1は、Z軸(光軸)と、これに直交する2本の軸であるX軸とY軸とを含む結晶軸を備えた結晶体の一例として、人工水晶の結晶体2を示す模式図である。ここでZ軸とX軸とY軸を含む結晶軸を備えた結晶体としては、水晶の他、LiNbO、LiTaO等の偏光作用のある圧電結晶の結晶体を用いることができる。
先ず図2(a)に示すように、前記水晶の結晶体2から、一辺31が前記Z軸方向に沿って伸びる多面体例えば立方体3を切り取る。この際、球状SAWデバイスに用いられる球状の結晶体(圧電振動子)として、直径10mmのものを形成する場合には、例えば立方体3は一辺が15mm程度の大きさに設定される。ここで水晶の結晶体2から立方体3を切り出す工程は、例えばワイヤーソーを用いて行なわれるが、この際前記Z軸方向は例えばX線によりその位置が高精度に把握されており、このZ軸方向に立方体3の一辺31が平行な状態で立方体3が切り出される。なお多面体の形状は、一辺がZ軸方向に沿って伸び、形成しようとする球状の結晶体を包含する大きさものであれば、前記立方体には限られない。
次いで図2(b)に示すように、この立方体3に前記Z軸方向に伸びる一辺31を基準として、前記Z軸方向に沿って伸び、その孔径が球状SAWデバイスに用いられる球状の結晶体の直径よりも極めて小さい孔であるZ軸基準孔(結晶軸基準孔)32を形成する。このZ軸基準孔32を形成する工程は、例えば超音波加工機により行なわれる。ここで前記Z軸基準孔32の孔径は、加工を容易にするため前記球状の結晶体の直径の0.1%〜5%程度の大きさに設定され、長さは前記球状の結晶体の直径は10mmであるので、例えば前記直径よりも短い9.8mm程度に設定される。
続いて図3に示すように、前記Z軸基準孔32を包含するように、直径10mmの球状の結晶体(圧電振動子)33を形成する。この球状の結晶体33を形成する工程は、例えば研磨又は研剤を用いて行なわれる。こうしてZ軸基準孔32によりZ軸方向が明示された球状の圧電振動子が形成される。ここでZ軸基準孔32の一部を包含するように圧電振動子33を形成し、こうして図4(a)に示すように、Z軸基準孔32を圧電振動子33を貫通するように構成してもよいし、図4(b)に示すように、Z軸基準孔32の全部を包含するように圧電振動子33を形成して、Z軸基準孔32を圧電振動子33を貫通しないように構成してもよいが、球状SAWデバイスのように圧電振動子33の表面に弾性波を伝送させる場合には、伝送に影響を与えないために、Z軸基準孔32は圧電振動子33を貫通しないように形成することが好ましい。
続いて図5(a)に示すように、前記Z軸基準孔32により示されるZ軸方向を基準にして、これに直交するX軸又はY軸を検出し、この後図5(b)に示すように、前記Z軸基準孔32やX軸又はY軸を基準にして、基板34に圧電振動子33を取り付ける。この例では基板34が前記X軸方向に平行になるように圧電振動子33が取り付けられる。また検出されたX軸と平行に、圧電振動子33の表面にIDT電極35を配設し、こうして球状SAWデバイスが形成される。
以上において、本発明は、従来から水晶の結晶体2から多面体を切り出すときに、一辺31が結晶軸方向(この例ではZ軸方向)に沿って伸びるように位置合わせられた多面体を切り出していることに着目して成されたものであり、前記一辺31を基準にして多面体にZ軸基準孔32を形成しているので、容易に、かつ高い位置精度でZ軸基準孔32を形成することができる。つまり前記一辺31は、この例ではZ軸方向に精度よく位置合わせが行なわれた状態で結晶体2から切り出されており、Z軸基準孔32はこの一辺31を基準にして当該一辺31に対して平行な位置関係を維持するように多面体に形成すればよいので、容易に形成できる。また基準となる一辺31の精度が高いので、Z軸基準孔32は精密に位置合わせされた状態で形成されることになる。
従って立方体3の一辺31を基準として、これに平行なZ軸基準孔32を形成してから、これを包含するように球状の結晶体33を形成するという極めて簡易な手法で、かつ高い精度で前記球状の結晶体33にZ軸方向のマークとなるZ軸基準孔32を形成することができる。これによりこの球状の結晶体(圧電振動子)33を球状SAWデバイスの圧電振動子に利用したときには、前記圧電振動子33には予めZ軸方向のマークが形成されているので、このZ軸基準孔32を基準として基板34への設置やIDT電極35の配設を行なえばよく、球状SAWデバイスの製造を容易に行うことができる。これにより製造作業に時間や手間がかからないので、製造コストを安価にすることができる。
また前記Z軸基準孔32のZ軸方向を示す位置精度が高いことから、X軸に平行に配設するIDT電極35の取り付けの際の位置精度が高くなる。前記表面弾性波は、圧電振動子33の表面をX軸に沿って伝播するので、このIDT電極35をX軸に平行に、高精度な位置関係で配設することにより、表面弾性波を効率よく伝播させることができる。これにより光のエネルギーのばらつきが少なくなり、エネルギーロスを小さくすることができる。
以上において本発明の製造方法は、球状の結晶体のみならず、半球状の結晶体の製造方法にも適用でき、この半球状の結晶体には直径で切断したものと、直径からずれた位置で切断したものも含まれる。また本発明は、例えばデジタルスチールカメラの光学デバイスである球状レンズ又は凸状レンズの製造にも適用できる。この球状レンズ又は凸状レンズを製造する場合には、既述の球状SAWデバイスの球状の結晶体33と同様の手法にて、球状の結晶体(球状レンズ)又は半球状レンズが例えば直径が5.0mm程度の大きさで形成され、この際Z軸基準孔は孔部の直径が0.1mm、長さが0.1mm程度に形成される。なおSAWデバイスについても球状に限らず半球状のものについても適用できる。
この場合においては、球状レンズ又は凸状レンズには予めZ軸方向のマークが形成されているので、このZ軸基準孔を基準として、球状レンズや凸状レンズの基板への取り付けを行うことができ、これにより球状レンズの製造や、取り付け作業に時間や手間がかからないので、製造コストを安価にすることができる。
また前記Z軸基準孔のZ軸方向を示す位置精度が高いことから、球状レンズや凸状レンズの電極への取り付けの際の位置精度が高くなる。このためZ軸方向(光学方向)の位置合わせを正確に行なうことができ、モアレの発生を抑制できる。
以下に本発明方法の確認のために行った実験例について説明する。
(実施例1)
上述の手法により直径10mmの球状の圧電振動子を形成した。このとき、多面体は一辺が15mmの立方体とし、Z軸基準孔32は、孔部の直径が0.2mm、長さが0.1mmとし、Z軸基準孔32が球状の圧電振動子33を貫通しないように形成した。この圧電振動子33に、Z軸基準孔32を基準としてIDT電極35を取り付けて球状SAWデバイスを形成し、400kzの周波数の信号が圧電振動子33の表面を周回する回数を測定した。この結果を図8に示す。図中縦軸は個数、横軸は前記信号が周回する回数を、夫々示している。つまりこの図は周回数n個のものが、あるロットの中でいくつあるかを示すものであり、周回数のばらつきが少ない程、前記分布が揃っていて、良好なデータであることを意味する。
(比較例1)
直径10mmの球状の圧電振動子を形成した後、背景技術の項で記載した偏光を利用する手法により、圧電振動子のZ軸(光軸)を求め、これを基準にしてIDT電極を取り付けて球状SAWデバイスを形成し、実施例1と同様の実験を行なった。この結果を図9に示す。
(考察)
これらの実験結果より、本発明手法により形成した球状SAWデバイスでは、従来の手法により形成した球状SAWデバイスに比べて周回回転の分布が揃っており、ばらつきの程度がかなり小さくなることが認められた。これにより本発明の手法では、Z軸の位置精度が高く、これを基準にすることにより、IDT電極をかなり高い位置精度で圧電振動子に配設することができ、球状SAWデバイスの光のエネルギーのロスを低減できることが理解される。
以上において本発明では、Z軸基準孔32を備えた前記球状の結晶体33を形成した後、例えば図6に示すように、Z軸基準孔32と直交する面を残すように球状の結晶体33の一部を切欠してもよい。このようにすると、この切欠により形成された面が水晶の結晶体2のZ軸に直交する平面(XY面)に相当する基準面4となるので、この基準面4に基づいて圧電振動子33を基板34に取り付けたり、圧電振動子33の表面にIDT電極35を配設するようにしてもよい。
またZ軸基準孔32は図7に示すように、球状の結晶体33の中央近傍領域ではなく、中央から周縁側に寄った位置に設けるようにしてもよい。また本発明では、水晶の結晶体2からZ軸の代わりに、X軸方向(又はY軸方向)のいずれか一つに沿って伸びる一辺を持つ多面体を切り出し、この一辺が示すX軸方向(又はY軸方向)を基準としてこの軸に直交するように多面体にZ軸基準孔32を形成するようにしてもよい。
さらに本発明の結晶基準孔は、Z軸基準孔32以外に、結晶のX軸方向に沿って伸びるX軸基準孔であってもよいし、結晶のY軸方向に沿って伸びるY軸基準孔であってもよい。球状SAWデバイスを製造する場合には、IDT電極35をX軸方向に平行に設置すればよいので、これらX軸基準孔やY軸基準孔を基準にしても高い位置精度でIDT電極35を設置することができる。
さらに多面体から球状の結晶体を形成するときに、Z軸基準孔(X軸基準孔、Y軸基準孔)が見えなくなることもあるので、これを防止するために、複数のZ軸基準孔(X軸基準孔、Y軸基準孔)を形成するようにしてもよいし、Z軸基準孔、X軸基準孔、Y軸基準孔のいずれかを2つ以上組み合わせて形成してもよい。またこれら2つ以上の結晶軸基準孔を形成する場合には、夫々の長さは同じであっても良いし、異なっていてもよい。
本発明で用いられる人工水晶の結晶体の一例を示す斜視図である。 本発明の球状SAWデバイスの製造工程を示す斜視図である。 本発明の球状SAWデバイスの製造工程を示す斜視図である。 本発明の球状の結晶体の他の例を示す側面図である。 本発明の球状SAWデバイスの製造工程を示す斜視図である。 本発明の球状の結晶体のさらに他の例を示す側面図である。 本発明の球状の結晶体のさらに他の例を示す側面図である。 本発明方法の効果を確認するために行なった実施例の結果を示す特性図である。 本発明方法の効果を確認するために行なった比較例の結果を示す特性図である。 球状SAWデバイスを説明するための側面図である。
符号の説明
2 人工水晶の結晶体
3 多面体(立方体)
31 Z軸方向に沿って伸びる一辺
32 Z軸基準孔
33 球状の結晶体
34 基板
35 IDT電極

Claims (6)

  1. Z軸と、このZ軸に直交するX軸とY軸とを含む結晶軸を備えた球状又は半球状の結晶体を製造する方法において、
    前記Z軸、X軸、Y軸のいずれか一つの結晶軸方向に伸びる一辺を持ち、製造しようとする球状又は半球状の結晶体を包含する大きさの多面体を切り出す工程と、
    次いで前記多面体に、前記多面体の結晶軸方向に伸びる一辺を基準として、前記結晶軸方向に沿って伸びる結晶軸基準孔を形成する工程と、
    次いで前記結晶軸基準孔の全部又は一部を包含するように、前記多面体を球状又は半球状に形成する工程と、を含むことを特徴とする球状又は半球状の結晶体の製造方法。
  2. 前記球状又は半球状の結晶体は圧電振動子であることを特徴とする請求項1記載の球状又は半球状の結晶体の製造方法。
  3. 前記球状又は半球状の結晶体は球状又は半球状のレンズであることを特徴とする請求項1記載の球状又は半球状の結晶体の製造方法。
  4. 前記結晶体は、水晶、リチウムナイオベート、リチウムタンタレートのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一に記載の球状又は半球状の結晶体の製造方法。
  5. 前記結晶軸基準孔の孔径は、球状又は半球状の結晶体の直径に対して0.1%〜5%の大きさであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一に記載の球状又は半球状の結晶体の製造方法。
  6. 請求項1の方法により製造された球状の結晶体に、前記結晶軸基準孔を基準にして、前記X軸と平行にIDT電極を取り付けることを特徴とする球状SAWデバイスの製造方法。
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