[EPSONの独自技術]水晶製品の小型化、高性能化の仕組み

[EPSONの独自技術]水晶製品の小型化、高性能化の仕組み

水晶製品のリーディング企業であるEPSON社の高性能ジャイロセンサや小型HFF水晶製品には、EPSON社がこれまで水晶開発で培ってきた技術によって実現しています。
水晶メーカーの中でも内製化を行っているEPSONの強みでもあります。
当ページでは独自技術の仕組みとメリットを紹介します。

EPSONの独自技術QMEMS

QMEMSとは

高安定・高精度などのすぐれた特性を持つ水晶素材である「QUARTZ」と、「MEMS」(微細加工技術)を組み合わせた造語です。半導体を素材としたMEMSに対して、水晶素材をベースに精密微細加工を施し、小型・高性能を提供する水晶デバイスを「QMEMS」と呼びます。

電子デバイスを小型化すると、一般的に性能が劣化します。しかし、市場が求めているのは、小型化しても性能が変わらない電子デバイスです。小型や低消費電流、高安定、高周波、高精度といった、市場ニーズに対応した水晶デバイス、それが「QMEMS」です。

QMEMSの特長

QMEMSとは従来の機械加工ではなく、フォトリソにて加工された水晶ウェハを組み込んだ製品です。
フォトリソ加工にて以下メリットが生まれ、これがEPSON水晶製品の強みです。
①小型化が容易にできる
②形状バラツキを抑えることができ、特性のバラツキも抑えることができる
③複雑な形状加工が可能

フォトリソ加工のメリット

1.小型化が容易
2.低バラツキ
 機械加工に比べ、形状バラツキ を小さく抑えられます。
 機械加工に比べ、特性バラツキ も小さく抑えられます。
3.複雑な形状加工が可能
 高周波でも抵抗値を低く抑えることが可能です。

QMEMSとEPSON内製ICのシナジー効果

EPSON水晶の二つ目の特長といたしまして、水晶メーカーで唯一内製ICを使用しているという点です。
先に紹介させていただいたQMEMSとEPSON内製ICを組み合わせたことによるシナジー効果にて

  • 高性能で競争力のある製品
  • 高周波、高精度発振器ニーズへの対応
  • 顧客ニーズに合わせた製品の提供

といった製品ラインナップを継続して提供して参ります。

EPSONのQMEMS、内製ICの製品

音叉型水晶製品<フォトリソ技術による振動片の3次元立体加工>

従来構造(左図)のまま小型化すると、電極(赤い部分)の面積が小さくなります。QMEMS技術により、H状の溝構造を形成することで、電極面積を確保し電解効率をアップしました。これにより小型でも従来サイズと同レベルの低CI値を実現できました。

振動アームの断面図
振動アームの長さに対するCI値の変化

HFF水晶製品

水晶チップの板厚を薄くするほど高周波を発振する振動子となりますが、機械加工では薄く加工するのに限界があります。フォトリソ加工により、水晶チップの励振部のみを数ミクロンという極薄な構造(逆メサ構造)にすることで、チップの強度を保ちながら、高周波での基本波発振を可能にしました。

水晶チップの板厚と周波数の関係
逆メサチップの構造

フォトAT水晶製品

従来の機械加工ではいったん水晶を個片にしてからベベル加工を施します。そのため、水晶チップ毎の形状にばらつきがあります。一方フォトリソ加工ではウェハ単位で微細加工を施します。そのため形状のばらつきを比較的小さく抑えることができます。形状のばらつきは、水晶デバイスの特性ばらつきとなります。
※QMEMSのメリット参照

ジャイロセンサ

音叉型水晶振動子のチップ構造を応用。フォトリソ加工技術をフル活用し、2mm x 2mmの超小型素子を実現しました。EPSONジャイロセンサ素子はダブルT構造となっており、駆動アームと検出アームがセパレートな構造であるが故に高性能を実現しております。

GYRO素子(水晶チップ)の構造
ダブルT構造の役割

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