JPH10163779A

JPH10163779A - 圧電部材の製造方法

Info

Publication number: JPH10163779A
Application number: JP32393496A
Authority: JP
Inventors: Minoru Imaeda; 美能留今枝; Takashi Yoshino; 隆史吉野; Kenji Kato; 賢治加藤; Takao Soma; 隆雄相馬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電単結晶の母材から所定の圧電部材を形成す
るのに際して、圧電部材の加工精度を保持しつつ、圧電
部材を量産しうる加工方法を提供する。【解決手段】圧電単結晶からなる母材に対してレーザー
光を照射し、光化学的な反応によって母材の分子を解離
および蒸発させ、母材から圧電単結晶を除去加工するの
に際して、圧電単結晶の光吸収領域を長波長側にシフト
させる処理を圧電単結晶に対して施す。好ましくは、圧
電単結晶中に遷移金属元素を３０ｐｐｍ以上、５重量％
以下添加することによって、または、圧電単結晶を酸素
濃度３％以下の雰囲気中で熱処理することによって、圧
電単結晶の光吸収領域を長波長側にシフトさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動子などの
単結晶圧電部材の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転系内の回転角速度を検出するための
角速度センサとして、圧電体を用いた振動型ジャイロス
コープが、航空機や船舶、宇宙衛星などの位置の確認用
として利用されてきた。最近では、民生用の分野として
カーナビゲーションや、ＶＴＲやスチルカメラの手振れ
の検出などに使用されている。

【０００３】このような圧電振動型ジャイロスコープ
は、振動している物体に角速度が加わると、その振動と
直角方向にコリオリ力が生じることを利用している。そ
して、その原理は力学的モデルで解析される（例えば、
「弾性波素子技術ハンドブック」、オーム社、第４９１
〜４９７頁）。そして、圧電型振動ジャイロスコープと
しては、これまでに種々のものが提案されている。例え
ば、スペリー音叉型ジャイロスコープ、ワトソン音叉型
ジャイロスコープ、正三角柱型音片ジャイロスコープ、
円筒型音片ジャイロスコープ等が知られている。

【０００４】圧電振動型ジャイロスコープについては、
「圧電形振動ジャイロスコープ角速度センサ」（電子情
報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ、Ｖｏｌ．Ｊ７８−Ｃ−Ｉ
Ｎｏ．１１第５４７〜５５６頁、１９９５年１１月発
行）にまとめられている。また、いわゆる音叉型の圧電
振動子は、例えば特開平８−１１４４５７号公報に記載
されている。

【０００５】しかし、圧電振動子を使用した振動型ジャ
イロスコープを更に新たな用途に展開するためには、そ
の量産技術が最も重要である。しかし、圧電単結晶から
なる振動子を、十分な精度を確保しつつ量産すること
は、極めて困難であった。現在、単結晶の加工方法とし
ては、エッチング加工が通常である。また、特開平８−
７８９８５号公報においては、圧電共振子をレーザービ
ームの照射によって形成する方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】エッチングによって単
結晶母材を加工する場合には、加工断面の形状が、単結
晶母材の表側と裏側とで非対称になり、加工精度が低い
という問題がある。このようにエッチング面の形状が母
材の表側と裏側とで非対称になると、これによってシミ
ュレーション値とは異なる不必要な振動モードが発生
し、ノイズ信号の増大の原因となる。

【０００７】また、特開平８−７８９８５号公報におい
ては、振動電極を設けた圧電体板に、レンズ等の集光手
段によって集光されたレーザービームを操作しながら照
射し、これによって、端面が傾斜面である圧電共振子を
切り出すことを提案している。圧電体の種類としてはＰ
ＺＴ、水晶、ＬｉＴａＯ₃が例示されており、レーザー
ビームの種類としてはヘリウム・ネオンレーザー、ＣＯ
₂レーザー、アルゴンレーザー、クリプトンイオンレー
ザー、キセノンレーザー等のガスレーザー、ルビーレー
ザー、ＹＡＧレーザー等の固体レーザーが挙げられてい
る。具体的には、板厚１．５ｍｍのマザーボードに、４
ワットの強度のＹＡＧレーザーを照射している。

【０００８】本発明者は、回転角速度センサー用の圧電
振動子を圧電単結晶板から切り出す目的で、特開平８−
７８９８５号公報の記載に従って、ニオブ酸リチウム基
板、タンタル酸リチウム基板、ランガサイト基板、水晶
基板から振動子を切り出す実験を行った。しかし、実際
にはこれらの圧電単結晶の基板から、振動子を良好な精
度で切り出すことは不可能であることが判明してきた。
具体的には、ＣＯ₂レーザーをこれらの基板に照射する
と、クラックが発生し、切断加工が不可能であった。ま
た、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを照射した場合には、加工が
ほとんど進行しなかった。このように、レーザービーム
を圧電単結晶の母材に照射しても、振動子の外形を精密
加工することは不可能であることが判明した。これらの
理由から、圧電単結晶の母材から振動子を一定の精度を
もって量産する技術が求められている。

【０００９】本発明の課題は、圧電単結晶の母材から所
定の圧電部材を形成するのに際して、圧電部材の加工精
度を保持しつつ、圧電部材を量産しうるような、新たな
加工方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電単結晶か
らなる圧電部材の製造方法であって、圧電単結晶からな
る母材に対してレーザー光を照射し、光化学的な反応に
よって母材の分子を解離および蒸発させ、母材から前記
圧電単結晶を除去加工するのに際して、圧電単結晶の光
吸収領域を長波長側にシフトさせる処理を圧電単結晶に
対して施すことを特徴とする、圧電部材の製造方法に係
るものである。

【００１１】本発明者は、圧電単結晶からなる母材をレ
ーザー光で切断する実験に失敗した後、失敗の原因につ
いて更に詳細に検討した結果、次の知見を得た。即ち、
圧電単結晶の母材に対してレーザービームを照射して加
熱溶融させ、加工するときには、母材の照射部分で、局
所的に急熱と急冷とが起こる。

【００１２】しかし、圧電単結晶、特にニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウムなどは、熱衝撃に非常に弱い。
なぜなら、圧電単結晶の内部で急激な温度変化がある
と、温度が変化した部分とその周辺で急激に焦電が発生
し、クラックが不可避的に発生するからである。例え
ば、ＣＯ₂レーザービーム（波長１０．６μｍ）を照射
すると、こうした焦電に起因するものと見られるクラッ
クが多数発生し、これを抑制することはできず、実質上
加工は不可能であった。

【００１３】このため、本発明者は、いわゆるレーザー
アブレーション技術に着目し、圧電単結晶を切断して振
動子を製造するプロセスにレーザーアブレーション技術
を適用できないかを検討した。従来、圧電単結晶材料を
レーザーアブレーション技術によって切断加工すること
は、まったく類例がない。

【００１４】本発明者は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの４次
高調波やエキシマレーザーを使用することによって、ニ
オブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、水
晶からなる母材を切断加工しうることを発見した。

【００１５】しかし、この研究を更に進めていくうち
に、いまだ次の点で改善の余地が残されていることを発
見した。

【００１６】例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの４次高調
波を使用し、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、
ランガサイト等の圧電単結晶を加工した場合には、加工
断面の中心線平均表面粗さＲａが約４μｍ以下であり、
極めて高精度で加工することができた。これは、Ｎｄ−
ＹＡＧレーザーの４次高調波の波長が２６６ｎｍであ
り、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶の光吸収領域の端
部が３００〜３５０ｎｍ付近にあるために、完全なアブ
レーション加工となったものと思われる。

【００１７】しかし、一般に高次高調波の出力は小さ
い。例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの場合には、同一規
模のレーザー発振装置を使用したときに、第４次高調波
（２６６ｎｍ）の出力が約２５０ｍＷであり、第３次高
調波（３５５ｎｍ）の出力が約１〜１．５Ｗであり、第
２次高調波（５３２ｎｍ）の出力が約２〜３Ｗである。
また、アルゴンイオンレーザーの場合には、３００〜５
３０ｎｍの範囲内で各種の波長のレーザー光が発振され
ているが、やはり長波長側のレーザー光の方が出力が大
きい。

【００１８】このように、一般に波長２００〜６００ｎ
ｍの波長を有するレーザー光においては、波長が長いレ
ーザー光の出力の方が、波長が短いレーザー光の出力よ
りも大きい。従って、波長の長いレーザー光を使用して
圧電単結晶母材を加工することによって、一層圧電部材
を量産することが可能になる。このような点で、一層長
波長側のレーザー光を使用した場合でも、高い加工精度
をもって圧電単結晶母材を加工することが必要である。

【００１９】また、本発明者は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー
の４次高調波を使用して水晶母材の加工実験を行い、水
晶母材の切断加工が可能であることを発見した。この母
材の加工断面の形状を観察すると、エッチングの場合の
ような母材の表面と裏面との間での形状の相違はなく、
基本的には改善が見られた。ただし、母材の切断面の中
心線平均表面粗さＲａは約１２０μｍであり、ニオブ酸
リチウム等の母材を加工した場合と比較すると、加工精
度の点ではいまだ改善の余地があった。

【００２０】本発明者は、この原因についても検討し、
以下の知見を得た。即ち、水晶の光吸収領域の端部は約
１８０μｍであり、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの４次高調波
とは８０ｎｍ以上の差がある。このため、光吸収係数が
低いために、純粋に光化学的なアブレーション加工では
なく、多光子吸収過程によって圧電単結晶が切断されて
おり、熱的影響があるものと考えられる。これを擬似熱
的加工と呼ぶ。この熱的影響によって、圧電単結晶母材
の切断面の表面が荒れたものと考えられる。

【００２１】本発明者は、こうした知見に立ち、圧電単
結晶からなる母材に対してレーザー光を照射し、光化学
的な反応によって母材の分子を解離および蒸発させ、母
材から圧電単結晶を除去加工するのに先立って、圧電単
結晶の光吸収領域を長波長側にシフトさせる処理を圧電
単結晶に対して施すことを想到した。

【００２２】これによって、長波長側のレーザー光を使
用した場合でも、高い加工精度をもって圧電単結晶母材
を加工することが可能になった。このように長波長側の
レーザー光の出力は、短波長側のレーザー光の出力より
も大きいので、圧電単結晶母材の加工速度を向上させ、
量産することができるようになった。また、水晶のよう
に吸収波長端が２００ｎｍ以下の短波長側にある場合に
は、前記の処理によって２００ｎｍ以上の波長領域に光
の吸収領域の端部をシフトさせることができ、これによ
って光化学的な母材の分解過程を熱的な分解過程よりも
優先的に生じさせ、加工精度を一層向上させることがで
きる。

【００２３】以下、更に具体的な実施形態について述べ
る。レーザー光の波長は、加工するべき母材の吸収波長
領域によって決定するが、レーザー光の波長が母材の吸
収波長領域端よりも＋５０ｎｍ以下であることが好まし
く、レーザー光の波長が母材の吸収波長領域端以下であ
ることが一層好ましい。このためには、レーザー光の波
長は６００ｎｍ以下であることが特に好ましい。現実の
光源としては、エキシマレーザー光源、エキシマラン
プ、Ｎｄ−ＹＡＧの四次高調波（２６６ｎｍ）、Ｎｄ−
ＹＡＧの三次高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ−ＹＡＧの二
次高調波（５３２ｎｍ）、アルゴンイオンレーザーの４
８８ｎｍなどが、現在のところ実用的である。

【００２４】エキシマレーザーは、紫外線のパルス繰り
返し発振レーザーであり、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、
ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎ
ｍ）などの気体状の化合物が発振する紫外光を、光共振
機により方向性を揃えて取り出したものである。

【００２５】エキシマレーザーを用いたアブレーション
加工は、例えば、ポリイミド等の微細加工のために孔を
開けるのに使用されており、良好な形状の微細な孔の形
成が可能であることが報告されている。エキシマレーザ
ーの応用技術に関する文献としては、「Ｏｐｌｕｓ
Ｅ」１９９５年１１月号、第６４〜１０８頁の特集「実
用期に入ったエキシマレーザー」を挙げることができ
る。

【００２６】レーザー光の照射装置としては、いわゆる
一括露光方式の装置と多重反射方式の装置とが知られて
いる。多重反射方式の場合には、マスクの開孔率が小さ
い場合にも、光の利用率が高いという特徴を有してい
る。本発明においては、多重反射系による照射装置を使
用することが一層好ましい。

【００２７】圧電単結晶としては、水晶、ニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタ
ル酸リチウム固溶体、ランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ ₅Ｓｉ
Ｏ_{1 4}）が特に好ましく、ニオブ酸リチウム、タンタル
酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固
溶体またはランガサイトが一層好ましい。また、チタン
酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、リラクサ化合物（一般式：
Ｐｂ（Ａ_1/ ₃Ｂ_2/3）Ｏ₃：ここでＡはＣｄ、Ｚｎ、Ｍ
ｇなどであり、ＢはＮｂ、Ｔａ、Ｗなどである）、チタ
ン酸ジルコン酸鉛とリラクサ化合物との混晶系圧電単結
晶を例示できる。

【００２８】水晶の吸収波長端は約１８０ｎｍであり、
これ以下の波長を有する実用的なレーザーは少ない。こ
のため、水晶に遷移金属元素を３０ｐｐｍ以上、５重量
％以下添加することによって、水晶の光吸収領域を長波
長側にシフトさせる。これによって、使用するレーザー
光の波長を、水晶の吸収波長端の波長に近づけ、好まし
くはレーザー光の波長の方を短くする。この遷移金属元
素としては、鉄、コバルト、ニッケルが好ましく、鉄が
一層好ましい。

【００２９】水晶中に例えば鉄を含有させた場合には、
含有量が１ｐｐｍの場合には吸収波長端が１８０ｎｍで
あるが、含有量が１００ｐｐｍの場合には２６０ｎｍと
なり、３００ｐｐｍの場合には３２０ｎｍにシフトす
る。

【００３０】また、紫水晶（アメジスト）と呼ばれる水
晶は、１００ｐｐｍ程度の鉄を含有している水晶に対し
て、コバルト６０によるガンマ線を照射することによっ
て、水晶を紫色に着色させたものである。紫水晶の短波
長側の光吸収領域は、もとの水晶の光吸収領域と同じで
あるが、更に３５０ｎｍ付近と５５０ｎｍ付近との２つ
の吸収領域が新たに生成している。これは、電子移動に
よる着色中心ができたためと考えられるが、このような
吸収領域を有する紫水晶に対しても、本発明に従って、
レーザー光を照射して光化学的に加工することができ
た。

【００３１】また、例えばニオブ酸リチウム、タンタル
酸リチウム単結晶の吸収波長端は３２０ｎｍ程度である
が、これに鉄を添加することによって、吸収波長端を４
００ｎｍ以上まで長くすることができ、また５００〜６
００ｎｍにも新しい吸収領域が生ずる。これによって、
Ｎｄ−ＹＡＧの三次高調波（３５５ｎｍ）、Ｎｄ−ＹＡ
Ｇの二次高調波（５３２ｎｍ）、アルゴンイオンレーザ
ーの４８８ｎｍなどによって、光化学的な加工が可能に
なった。

【００３２】具体的には、通常のニオブ酸リチウム単結
晶の光の吸収波長端は３２０ｎｍであり、例えば波長５
３２ｎｍのレーザー光を照射しても、まったく光吸収は
起こらず、レーザー光が単結晶を透過する。このため、
加工のメカニズムとしては、炭酸ガスレーザーの場合と
同様に熱加工となるために、加工時にレーザー光から単
結晶に対して加わる熱のために、単結晶中にクラックが
発生し、また加工面が不均一になる。

【００３３】これに対して、ニオブ酸リチウム単結晶に
鉄を１％添加すると、光の吸収波長端が３７０ｎｍにシ
フトし、かつ、４５０〜５５０ｎｍに新しい光吸収領域
が生ずる。この新しい光吸収領域は、鉄イオンとニオブ
イオンとの間の電荷移動に基づく光吸収領域である。こ
れによって、３２０〜５５０ｎｍの範囲内のレーザー光
によって、ほぼ純粋な光化学的な加工が可能になった。

【００３４】このように遷移金属原子を単結晶中に含有
させた場合にも、含有量が５％以下であれば、圧電性能
への悪影響は少なかった。

【００３５】また、本発明の他の実施形態では、３％以
下の酸素含有雰囲気中で、または、還元性雰囲気中で、
圧電単結晶を熱処理することによって、圧電単結晶の光
吸収領域を長波長側にシフトさせる。これは特にニオブ
酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ
酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶に対して
有効である。こうした酸素不足雰囲気中での単結晶の熱
処理によって、単結晶中のニオブ原子の一部の価数が変
化し、これによってスペクトルが変化する。

【００３６】例えば、ニオブ酸リチウム単結晶を、酸素
１％、残部窒素の雰囲気中で１１５０℃で２時間熱処理
したところ、新しい光吸収領域が５００ｎｍ付近に現れ
た。また、ニオブ酸リチウム単結晶を、一層低い酸素濃
度の雰囲気中での熱処理に供したり、一層高温での熱処
理に供したり、あるいは一層長時間の熱処理に供するこ
とによって、ニオブ酸リチウム単結晶の全体を黒色化さ
せることができた。この熱処理の温度は、１０５０〜１
２５０℃とすることが好ましい。

【００３７】また、本発明においては、各単結晶に鉄、
コバルト、ニッケル等の遷移金属原子を添加すると共
に、この単結晶を酸素濃度３％以下の酸素含有雰囲気ま
たは還元性雰囲気中で熱処理することができる。

【００３８】本発明において、レーザー光によって圧電
単結晶を切断加工する加工方法としては、いわゆるスポ
ットスキャン加工、一括転写加工、スリットスキャン加
工を挙げることができる。

【００３９】本発明の好ましい実施形態においては、振
動子が回転角速度センサ用の振動子であり、振動子の駆
動振動と検出振動とが所定平面内で行われるものであ
る。この実施形態について更に詳細に説明する。

【００４０】本発明者は、振動子の振動アームが回転軸
に対して垂直方向に延びるように振動子を設置した場合
にも、振動子から回転軸の方向に向かって一定重量の突
出部を設けることなく、十分に高い感度で回転角速度を
検出できるような振動子を作製する実験を行ってきた。
こうした振動子は、例えば、自動車の車体回転速度フィ
ードバック式の車両制御システムに用いる回転速度セン
サーに使用できる。このシステムにおいては、操舵輪の
方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。こ
れと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動
ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の
方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この
差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることに
よって、安定した車体制御を実現する。

【００４１】本発明者は、このために、振動子の駆動振
動と検出振動とが所定平面内で行われるような圧電単結
晶製の振動子を、本発明の方法によって製造することに
成功した。単結晶薄板からなる母材に、本発明に従って
レーザー光を照射し、母材を切断加工することによっ
て、この振動子の全体を形成できる。

【００４２】このような振動子は、温度変化に対して特
に鈍感であるため、温度安定性を必要とする車載用セン
サーの振動子として好適である。この点について更に説
明する。音叉型の振動子を使用した角速度センサとして
は、例えば特開平８−１２８８３３号公報に記載された
圧電振動型ジャイロスコープがある。しかし、こうした
振動子において、振動子が２つの方向に向かって振動す
る。つまり、振動子がＸ−Ｙ平面内で振動するのと共
に、Ｚ方向にも振動する。このため、振動子を特に前記
したような単結晶によって形成した場合には、単結晶の
２方向の特性を合わせる必要がある。

【００４３】一方、一般に圧電振動型ジャイロスコープ
では、測定感度を良好にするために、駆動の振動モード
の固有周波数と検出の振動モードの固有周波数との間
に、一定の振動周波数差を保つことが要求されている。
しかし、単結晶は異方性を持っており、結晶面が変化す
ると、振動周波数の温度変化の度合いが異なる。例え
ば、ある特定の結晶面に沿って切断した場合には、振動
周波数の温度変化がほとんどないが、別の結晶面に沿っ
て切断した場合には、振動周波数が温度変化に敏感に反
応する。

【００４４】ここで、振動子が２つの方向に向かって振
動すると、２つの振動面のうち少なくとも一方の面は、
振動周波数の温度変化が大きい結晶面になる。

【００４５】これに対して、振動子の全体を所定平面内
で振動するように、振動子を形成することで、前記した
単結晶の異方性の影響を受けないようにし、圧電単結晶
の最も特性の良い結晶面のみを振動子において利用でき
るようになった。

【００４６】具体的には、振動子の振動が単一平面内で
すべて行われていることから、圧電単結晶のうち、振動
周波数の温度変化がほとんどない結晶面のみを利用して
振動子を製造することができる。これによって、きわめ
て温度安定性の高い振動型ジャイロスコープを提供でき
る。

【００４７】こうした振動子を例示する。まず、一対の
振動片を所定平面内で基部により結合してなる音叉型振
動子と、この音叉型振動子を外部の固定部材に所定平面
内において固定するための支持体とからなる振動子であ
って、所定平面内において、支持体に支持体の固定部材
と接続した固定部分を支点とする屈曲運動が生じるよう
構成できる。

【００４８】図１は、この実施形態に係る振動子１を示
す斜視図である。振動子１は、音叉型振動子と、支持体
２とを備えている。音叉型振動子は、一対の振動片３
Ａ、３Ｂを備えており、各振動片３Ａ、３Ｂは、それぞ
れ、Ｘ−Ｙ平面内で支持体２の先端部分に対して接続部
５、基部４を介して接続されている。支持体２の他端部
が、外部の固定部材６に対してＸＹ平面内において固定
されている。一対の振動片３Ａ、３Ｂは、互いにほぼ平
行であり、かつ支持体２に対して平行に延びている。各
接続部５は、支持体２に対して略垂直方向に延びてい
る。

【００４９】図示しない励振手段により、各振動片３
Ａ、３Ｂに、Ｘ─Ｙ平面内において位相が完全に逆にな
るように、矢印Ｂで示すような振動を励起する。この状
態で、Ｚ軸を中心として振動子１の全体を回転角速度ω
で回転させると、コリオリの力により、各振動片３Ａ、
３Ｂには、矢印Ｄで示すように、Ｙ軸に沿って互いに逆
向きの力が作用する。その結果、音叉型振動子におい
て、基部４および接続部分５の両端側で、基部４を中心
とする互いに同じ向きのモーメントＣ１、Ｃ２が働く。
このモーメントＣ１、Ｃ２により、支持体２に、その固
定部分７を中心とするＸＹ平面内の屈曲振動Ａが生じ
る。この屈曲振動Ａを、図示しない屈曲信号検出手段に
より検出することで、回転角速度ωを測定することがで
きる。

【００５０】また、基部と、基部から基部の長さ方向に
対して交差する方向に延びる少なくとも一本の屈曲振動
片とを備えており、基部と屈曲振動片とが実質的に所定
平面内に延びるように形成されており、振動子の基部の
一方の端部が固定されている振動子について例示する。

【００５１】図２は、この振動子９を示す正面図であ
る。振動子９においては、基部１０が固定部材６から垂
直に延びており、基部１０の一方の端部１０ａが固定部
材６に固定されている。基部１０内に所定の励振手段１
４Ａ、１４Ｂが設けられている。基部１０の他方の端部
１０ｂ側に、基部１０に対して垂直方向に延びる２本の
屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂが設けられている。

【００５２】この振動子９の振動のモードについて説明
する。励振手段１４Ａ、１４Ｂに対して駆動電圧を印加
し、基部１０を、固定部材６への固定部分７を中心とし
て、矢印Ｅに示すように屈曲振動させる。この屈曲振動
に伴い、振動子９の基部１０だけでなく、各屈曲振動片
１２Ａ、１２Ｂの各点も、矢印Ｅのように振動する。

【００５３】Ｚ軸を回転軸とし、振動子９をｚ軸を中心
として回転させる。基部１０を、矢印Ｅに示すように屈
曲振動させているときに、振動子９の全体をＺ軸を中心
として回転させると、矢印Ｆで示すようにコリオリ力が
作用する。この結果、各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂが、
それぞれ基部１０の他方の端部１０ｂとの接続部分１１
を中心として、矢印Ｆで示すように屈曲振動する。

【００５４】このように、基部１０の屈曲振動によっ
て、各屈曲振動片１２Ａ、１２ＢにおいてＸ−Ｙ平面内
に発生するコリオリ力を、各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂ
の接続部分１１を中心とする屈曲振動に変換し、その屈
曲振動から回転角速度を求めることができる。これによ
って、振動子の振動アームが回転軸Ｚに対して垂直方向
に延びるように振動子を設置しても、回転角速度を高感
度で検出できる。

【００５５】本発明においては、振動子を圧電単結晶に
よって形成するので、励振手段（検出手段）１４Ａ、１
４Ｂ、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄとしては、電極
を使用する。励振手段（または検出手段）１４Ａと１４
Ｂとの一方があれば、少なくとも励振（または検出）を
行うことが可能である。また、検出手段（または励振手
段）１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄのうちの一つがあ
れば、少なくとも検出（または励振）を行うことが可能
である。

【００５６】また、前記のような振動子を、いわゆるＨ
型の形態の振動子に対して適用することができる。例え
ば、両端が固定されている固定片部と、固定片部の一方
の側に設けられている基部と、基部から基部の長さ方向
に対して交差する方向に延びる少なくとも一本の屈曲振
動片と、固定片部の他方の側に設けられている共振片と
を備えており、固定片部、基部、屈曲振動片および共振
片が実質的に所定平面内に延びるように形成されている
振動子を製造できる。

【００５７】図３は、この実施形態に係る振動子１８を
示す正面図である。振動子１８では、固定片部１９によ
って励振手段側と検出手段側とを分離している。固定片
部１９の両端を固定部材１７によって固定する。固定片
部１９の一方の側に細長い基部２４を設け、基部２４の
端部２４ｂから、基部２４の長さ方向に対して直交する
方向に延びる２本の屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂを設けて
いる。

【００５８】固定片部１９の他方の側に、共振片４０が
設けられている。共振片４０は、固定片部１９から垂直
方向に延びる長方形の支持部２０を備えており、支持部
２０内に所定の励振手段２１Ａ、２１Ｂが設けられてい
る。支持部２０の他方の端部２０ｂ側に、支持部２０に
対して垂直方向に延びる２本の振動片２３Ａ、２３Ｂが
設けられている。基部２４の端部２４ａと共振片４０の
端部２０ａとが、固定片部１９に対して連続している。

【００５９】この振動子１８の振動のモードについて説
明する。励振手段２１Ａ、２１Ｂに対して駆動電圧を印
加し、共振片４０を、固定片部１９との接続部分２２を
中心として、矢印Ｇのように振動させる。この振動に対
する共振によって、基部２４および一対の屈曲振動片２
７Ａ、２７Ｂが、固定部材１９との接続部分２５を中心
として、矢印Ｈのように振動する。

【００６０】この振動子１８の全体が、回転軸Ｚを中心
として回転すると、各屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂにコリ
オリ力が作用する。この結果、各屈曲振動片２７Ａ、２
７Ｂが、それぞれ接続部分２６を中心として、矢印Ｉで
示すように振動する。この屈曲振動を、検出手段２８
Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄによって検出する。

【００６１】このように、共振片４０の接続部分２２を
中心とする屈曲振動によって、各屈曲振動片２７Ａ、２
７ＢにおいてＸ−Ｙ平面内に発生するコリオリ力を、各
屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂの接続部分２６を中心とする
屈曲振動に変換し、その屈曲振動から回転角速度を求め
ることができる。これによって、振動子の振動アームが
回転軸Ｚに対して垂直方向に延びるように振動子を設置
しても、回転角速度を高感度で検出できる。

【００６２】また、図４（ａ）、（ｂ）は、三脚音叉型
の振動子２５を示す正面図である。この振動子の動作
は、「日本音響学会平成８年春季研究発表会講演論
文集ＩＩ」社団法人日本音響学会１９９６年３月
第１０７１〜１０７２頁「水平横置き・振動ジャイロス
コープセンサを目的とした三脚音さ共振子」に記載され
ている。振動子２５は、外部の固定部材に固定されるべ
き基部２９と、基部２９から突出している３本の音叉型
の振動片２６、２７、２８を備えている。両端の振動片
２６、２８は、基部２９から細長く突出している本体部
分２６ａ、２８ａと、各本体部分２６ａ、２８ａから垂
直方向に向かって延びている質量部２６ｂ、２８ｂとを
備えている。

【００６３】この三脚音叉を振動ジャイロとして用いる
場合の駆動振動モードは、対称−水平一次共振モード
（ＨＳ−ＭＯＤＥ）とし、検出用振動モードは、非対称
−水平１次共振モード（ＨＡ−ＭＯＤＥ）とする。これ
らの２つのモードは、理想的には、互いに縮退させてお
く。角速度を検出する際には、予めＨＳ−ＭＯＤＥを駆
動させておく。図４（ａ）は、ＨＳ−ＭＯＤＥの駆動状
態を示すものであり、音叉型振動片２６が、矢印Ｋで示
すように振動し、音叉型振動片２８が矢印Ｌで示すよう
に、振動片２６とは反対側に振動する。

【００６４】角速度ωが振動子に加わると、各振動片２
６、２８の先端部分にある負荷質量部２６ｂ、２８ｂ
に、駆動振動の方向Ｋ、Ｌに対して垂直な方向に向かっ
てコリオリ力が発生する。コリオリ力が負荷質量部２６
ｂ、２８ｂに対して加わると、駆動振動の方向に向かっ
てモーメントが働き、図４（ｂ）に示すように、ＨＡ−
ＭＯＤＥが励起される。即ち、各振動片２６、２８が矢
印Ｍ、Ｎで示すように、互いに同じ方向へと向かって振
動する。これと同時に、中央の振動片２７が、矢印Ｐで
示すように、各振動片２６、２８とは反対側へと向かっ
て振動する。このＨＡ−ＭＯＤＥの振動を検出すること
によって、角速度ωを測定する。なお、前記した駆動振
動と検出振動とは互いに可逆的である。

【００６５】一般に圧電振動型ジャイロスコープでは、
測定感度を良好にするために、駆動の振動モードの固有
周波数と検出の振動モードの固有周波数との間に、一定
の振動周波数差を保つことが要求されている。なぜな
ら、駆動の振動モードの固有周波数と検出の振動モード
の固有周波数とが近くなると、感度は良くなるが、応答
速度が悪化し、この差が大きくなると、応答速度は良く
なるが、感度が悪化するからである。

【００６６】この問題を解決するために、本発明の好適
な実施形態においては、母材を除去加工して振動子を形
成した後、振動子の駆動振動の周波数と検出振動の周波
数とを調整するために、レーザー光を振動子の表面に照
射して、振動子を構成する圧電単結晶の少なくとも表面
領域を昇華させ、除去することができる。

【００６７】具体的には、図１の振動子１においては、
各音叉型振動子の各振動片３Ａ、３Ｂと接続部分５との
境界に、張出部分３５Ａ、３５Ｂを形成する。そして、
いったんこの平面形状を有する振動子１を圧電単結晶母
材から切り出した後、張出部分３５Ａ、３５Ｂに対して
レーザー光を照射し、質量を除去する加工を施す。これ
によって、各振動片３Ａ、３Ｂの振動Ｂの振動モードの
固有周波数を変化させる。

【００６８】また、図２に示す振動子９においては、基
部１０の他方の端部１０ｂ側に、屈曲振動片１２Ａ、１
２Ｂから突出する突出部３６が設けられている。そし
て、突出部３６から質量を除去する加工を施すことによ
って、基部１０の振動Ｅの振動モードの固有周波数を変
化させる。また、各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂの各先端
側の３７Ａ、３７Ｂから質量を除去する加工を行うこと
によって、各屈曲振動片の振動Ｆの振動モードの固有周
波数を、それぞれ独立して変化させることができる。

【００６９】また、図３に示す振動子１８においては、
基部２４の他方の端部２４ｂ側に、屈曲振動片２７Ａ、
２７Ｂから突出する突出部３６が設けられている。そし
て、突出部３６から質量を除去する加工を施すことによ
って、基部２４の振動Ｈの振動モードの固有周波数を変
化させる。また、各屈曲振動片２７Ａ、２７Ｂの各先端
側の３７Ａ、３７Ｂから質量を除去する加工を行うこと
によって、各屈曲振動片の振動Ｉの振動モードの固有周
波数を、それぞれ独立して変化させることができる。

【００７０】これらの場合、通常は振動子から取り去る
べき質量は僅かであるので、振動子を構成する圧電単結
晶を切断するに至る必要はなく、圧電単結晶の表面部分
のみを除去して凹部を形成するのみで良い。本発明の方
法、特にパルスレーザー光を所定時間照射する方法は、
こうした一定質量の除去に特に適している。

【００７１】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。（実施例１）鉄を０．３％含有しているニオブ酸リチウ
ム単結晶から、厚さ２００μｍ、直径３インチのウエハ
ーからなる母材を切り出した。この母材の短波長側の光
吸収領域の端部は４００ｎｍであり、更に４５０〜５５
０ｎｍに、鉄イオンとニオブイオンとの間の電荷移動に
基づく光吸収領域が認められた。

【００７２】この母材に、図４に示すように電極を形成
した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの２次高調波（波長５３
２ｎｍ）のパルスレーザーを母材に照射し、図４に示す
ような平面形状となるように母材を切断加工した。母材
の表面におけるレーザー光のパワーを３０００ｍＷと
し、レーザー光の走査速度を１．０ｍｍ／秒とし、パル
スの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パルスの幅を４５
ｎｓｅｃとした。

【００７３】約６０秒で、図４に示す圧電振動子を１個
形成した。前記ウエハーの全体について、この加工を施
した。加工面の直角度は９０±０．１°であり、中心線
平均表面粗さＲａは５μｍであった。

【００７４】（実施例２）鉄を１０００ｐｐｍ含有して
いるタンタル酸リチウム単結晶から、厚さ２００μｍ、
直径３インチのウエハーからなる母材を切り出した。こ
の母材の短波長側の光吸収領域の端部は３６０ｎｍであ
った。

【００７５】この母材に、図４に示すように電極を形成
した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの３次高調波（波長３５
５ｎｍ）のパルスレーザーを母材に照射し、図４に示す
ような平面形状となるように母材を切断加工した。母材
の表面におけるレーザー光のパワーを１０００ｍＷと
し、レーザー光の走査速度を０．７ｍｍ／秒とし、パル
スの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パルスの幅を４５
ｎｓｅｃとした。

【００７６】約９０秒で、図４に示す圧電振動子を１個
形成した。前記ウエハーの全体について、この加工を施
した。加工面の直角度は９０±０．１°であり、中心線
平均表面粗さＲａは３μｍであった。

【００７７】（実施例３）鉄を１００ｐｐｍ含有してい
るニオブ酸リチウム単結晶を、不活性雰囲気下で、１１
５０℃で２時間熱処理した。この単結晶から、厚さ２０
０μｍ、直径３インチのウエハーからなる母材を切り出
した。この母材の短波長側の光吸収領域の端部は３３０
ｎｍであり、かつ３５０ｎｍ〜７００ｎｍの全体にわた
って光の吸収が認められた。

【００７８】この母材に、図４に示すように電極を形成
した。アルゴンイオンレーザーのマルチライン（波長４
５８ｎｍ〜５１５ｎｍ）を母材に照射し、図４に示すよ
うな平面形状となるように母材を切断加工した。母材の
表面におけるレーザー光のパワーを５０００ｍＷとし、
レーザー光の走査速度を１．２ｍｍ／秒とした。

【００７９】約５０秒で、図４に示す圧電振動子を１個
形成した。前記ウエハーの全体について、この加工を施
した。加工面の直角度は９０±０．１°であり、中心線
平均表面粗さＲａは８μｍであった。

【００８０】（比較例１）厚さ０．２ｍｍのＬｉＴａＯ
₃単結晶のＺ板からなる母材を準備した。これにＣＯ₂
レーザー（波長１０６００ｎｍ）のパルスレーザーを照
射し、母材の切断加工を試みた。母材の表面におけるレ
ーザー光のパワーを１００ｍＷとし、レーザー光の走査
速度を０．２ｍｍ／秒とし、パルスの繰り返し周波数を
２ｋＨＺとし、パルスの幅を２００μｓｅｃとした。し
かし、母材に微細なクラックが無数に発生したため、切
断加工はできなかった。

【００８１】（比較例２）厚さ０．２ｍｍのＬｉＴａＯ
₃単結晶のＺ板からなる母材を準備した。これにＹＡＧ
レーザー（波長１０６０ｎｍ）のパルスレーザーを照射
し、母材の切断加工を試みた。母材の表面におけるレー
ザー光のパワーを３０００ｍＷとし、レーザー光の走査
速度を１．０ｍｍ／秒とし、パルスの繰り返し周波数を
２ｋＨＺとし、パルスの幅を４５ｎｓｅｃとした。しか
し、母材はレーザー光を吸収しにくいために、母材を切
断するまでに至らなかった。

【００８２】（比較例３）ニオブ酸リチウム単結晶か
ら、厚さ２００μｍ、直径３インチのウエハーからなる
母材を切り出した。この母材の短波長側の光吸収領域の
端部は３２０ｎｍであった。この母材に、図４に示すよ
うに電極を形成した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの２次高
調波（波長５３２ｎｍ）のパルスレーザーを母材に照射
した。母材の表面におけるレーザー光のパワーを３００
０ｍＷとし、レーザー光の走査速度を１．０ｍｍ／秒と
し、パルスの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パルスの
幅を４５ｎｓｅｃとした。しかし、母材はレーザー光を
吸収しにくいために、母材を切断するまでに至らなかっ
た。

【００８３】（実施例４）鉄を３００ｐｐｍ含有してい
る水晶から、厚さ２００μｍ、直径３インチのウエハー
からなる母材を切り出した。この材料の光吸収領域の吸
収波長端は３２０ｎｍであった。この母材に、図４に示
すように電極を形成した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの４
次高調波（波長２６６ｎｍ）のパルスレーザーを母材に
照射し、図４に示すような平面形状となるように母材を
切断加工した。母材の表面におけるレーザー光のパワー
を２５０ｍＷとし、レーザー光の走査速度を０．５ｍｍ
／秒とし、パルスの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パ
ルスの幅を４５ｎｓｅｃとした。

【００８４】約２分で、図４に示す圧電振動子を、１個
形成した。前記のウエハーの全体について、この加工を
施した。加工面の直角度は９０°±０．１°であり、中
心線平均表面粗さＲａは３μｍであった。

【００８５】（実施例５）鉄を１００ｐｐｍ含有してい
る水晶に対して、コバルト６０ガンマ線を照射し、紫水
晶を得た。この紫水晶の短波長側の光吸収領域の端部は
３００ｎｍであり、更に３５０ｎｍ付近と５５０ｎｍ付
近とに２つの光吸収領域が認められた。この紫水晶か
ら、厚さ２００μｍ、直径３インチのウエハーからなる
母材を切り出した。

【００８６】この母材に、図４に示すように電極を形成
した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの３次高調波（波長３５
５ｎｍ）のパルスレーザーを母材に照射し、図４に示す
ような平面形状となるように母材を切断加工した。母材
の表面におけるレーザー光のパワーを１０００ｍＷと
し、レーザー光の走査速度を０．７ｍｍ／秒とし、パル
スの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パルスの幅を４５
ｎｓｅｃとした。

【００８７】約９０秒で、図４に示す圧電振動子を１個
形成した。前記ウエハーの全体について、この加工を施
した。加工面の直角度は９０±０．１°であり、中心線
平均表面粗さＲａは５μｍであった。

【００８８】（実施例６）鉄を１００ｐｐｍ含有してい
る水晶に対して、コバルト６０ガンマ線を照射し、紫水
晶を得た。この紫水晶の短波長側の光吸収領域の端部は
３００ｎｍであり、更に３５０ｎｍ付近と５５０ｎｍ付
近とに２つの光吸収領域が認められた。この紫水晶か
ら、厚さ２００μｍ、直径３インチのウエハーからなる
母材を切り出した。

【００８９】この母材に、図４に示すように電極を形成
した。Ｎｄ−ＹＡＧのレーザーの２次高調波（波長５３
２ｎｍ）のパルスレーザーを母材に照射し、図４に示す
ような平面形状となるように母材を切断加工した。母材
の表面におけるレーザー光のパワーを３０００ｍＷと
し、レーザー光の走査速度を１．０ｍｍ／秒とし、パル
スの繰り返し周波数を２ｋＨｚとし、パルスの幅を４５
ｎｓｅｃとした。

【００９０】約６０秒で、図４に示す圧電振動子を１個
形成した。前記ウエハーの全体について、この加工を施
した。加工面の直角度は９０±０．１°であり、中心線
平均表面粗さＲａは１５μｍであった。

【００９１】（比較例４）水晶から、厚さ２００μｍ、
直径３インチのウエハーからなる母材を切り出した。水
晶の光吸収領域の吸収波長端は１８０ｎｍであった。こ
の母材に、図４に示すように電極を形成した。Ｎｄ−Ｙ
ＡＧのレーザーの３次高調波（波長３５５ｎｍ）のパル
スレーザーを母材に照射した。しかし、母材はレーザー
光を吸収しにくいために、母材を切断するまでに至らな
かった。

【００９２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、圧
電単結晶の母材から圧電部材を形成するのに際して、圧
電部材の外形の加工精度を向上させ、かつ量産しうるよ
うな、新たな加工方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法で製造できる振動子の一形態を示
す斜視図である。

【図２】本発明の方法で製造できる振動子の一形態を示
す正面図である。

【図３】本発明の方法で製造できる振動子の一形態を示
す正面図である。

【図４】本発明の方法で製造できる振動子の一形態を示
す正面図である。

【符号の説明】

１、９、１８、２５振動子２支持体３Ａ、
３Ｂ一対の振動片６、１７外部の固定部材
７振動子の固定部材６への固定部分１０、２４
基部１２Ａ、１２Ｂ、２７Ａ、２７Ｂ基部に対し
て垂直方向に延びる２本の屈曲振動片１３Ａ、１３
Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ
２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ励振手段（検出手
段）１９固定片部４０共振片Ａ支持
体２の屈曲振動Ｂ各振動片３Ａ、３Ｂの振動Ｃ１、Ｃ２回転の
モーメントＥ基部１０の固定部分７を中心とする
屈曲振動Ｆ各屈曲振動片１２Ａ、１２Ｂの接続
部分１１を中心とする屈曲振動Ｇ共振片４０の接
続部分２２を中心とする振動Ｈ基部２４の接続部
分２５を中心とする振動Ｉ屈曲振動片２７Ａ、２
７Ｂの接続部分２６を中心とする振動Ｘ、Ｙ振
動子が振動する所定平面Ｚ回転軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相馬隆雄愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電単結晶からなる圧電部材の製造方法で
あって、前記圧電単結晶からなる母材に対してレーザー
光を照射し、光化学的な反応によって前記母材の分子を
解離および蒸発させ、前記母材から前記圧電単結晶を除
去加工するのに際して、前記圧電単結晶の光吸収領域を
長波長側にシフトさせる処理を前記圧電単結晶に対して
施すことを特徴とする、圧電部材の製造方法。
【請求項２】前記圧電単結晶中に遷移金属元素を３０ｐ
ｐｍ以上、５重量％以下添加することによって前記圧電
単結晶の光吸収領域を長波長側にシフトさせることを特
徴とする、請求項１記載の圧電部材の製造方法。
【請求項３】前記遷移金属元素が鉄であることを特徴と
する、請求項２記載の圧電部材の製造方法。
【請求項４】前記圧電単結晶を酸素濃度３％以下の雰囲
気中で熱処理することによって、前記圧電単結晶の光吸
収領域を長波長側にシフトさせることを特徴とする、請
求項１記載の圧電部材の製造方法。
【請求項５】前記圧電単結晶が、水晶、ニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル
酸リチウム固溶体およびランガサイトからなる群より選
ばれた一種以上の圧電単結晶であることを特徴とする、
請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の圧電部材
の製造方法。
【請求項６】前記母材が平板形状の母材であり、この母
材の主面に対して前記レーザー光を照射して前記母材を
切断することによって、平板形状の振動子を製造するこ
とを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項
に記載の圧電部材の製造方法。
【請求項７】前記振動子が回転角速度センサ用の振動子
であり、前記振動子の駆動振動と検出振動とが所定平面
内で行われるものであることを特徴とする、請求項６記
載の圧電部材の製造方法。
【請求項８】前記母材を除去加工して前記振動子を形成
した後、前記振動子の前記駆動振動の周波数と前記検出
振動の周波数とを調整するために、前記レーザー光を前
記振動子の表面に照射して前記圧電単結晶を削除するこ
とを特徴とする、請求項６または７記載の圧電部材の製
造方法。