圧電振動子およびその製造方法
【課題】 脚を有する圧電振動子において、脚の先端付近に調整膜を成膜して、その一部を除去することで周波数を調整することができるが、調整膜の成膜においての製造工程のばらつきがあり、調整膜の成膜される長さがばらつき、その長さのばらつきが、温度特性曲線をいちじるしく変化させてしまう。
【解決手段】 脚に脚を振動させる励振電極を形成する工程と、脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、調整膜の一部を除去することで圧電振動子の共振周波数を調整する工程とを有する圧電振動子の製造方法とする。
【解決手段】 脚に脚を振動させる励振電極を形成する工程と、脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、調整膜の一部を除去することで圧電振動子の共振周波数を調整する工程とを有する圧電振動子の製造方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる圧電振動子に関する。詳しくは、圧電振動子の周波数調整膜の構造および周波数調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動子が広く用いられている。このような２脚音叉振動子は２本の脚が脚の並ぶ方向すなわち面内で、互いに反対方向に屈曲振動するような振動モード（面内振動）で使用される。その共振周波数ｆは温度によって変化し、最大周波数Ｆに対する変化の割合（ｆ−Ｆ）／Ｆ＝ΔＦ／Ｆは図１０の破線のような二次曲線を示す。温度に対する二次温度係数は約−３．５×１０Ｅ−２ｐｐｍ／℃＾２である。水晶は三方晶系に属する異方性単結晶であり、どのような角度に音叉を切り出すかによって性質が異なってくる。従来の２脚音叉振動子では、図９のように基部１の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸（電気軸）とし、脚３の長さ方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸（機械軸）およびＺ軸（光学軸）に一致させた状態からＸ軸を回転軸として０〜５°回転した方向とすることで、温度特性の二次曲線の頂点が室温付近となり、二次温度係数も最適値を得ている。
【０００３】
共振周波数の変化は時刻の精度に関わるため、様々な温度特性の向上が図られている。その一つに捩り振動モードの利用があり、いくつかの方式があるが、特許文献１には一つの基部と該基部から同一の方向に伸びる３本の脚を有し、該脚の各々が捩り振動モードで使用されることを特徴とする３脚捩りモード圧電振動子が提案されている。３脚捩りモード圧電振動子は、通常の音叉型振動子と異なる構造をしており、面内１次振動を抑制しつつ、捩りモードで発振しやすい特徴を持つ振動子である。
【０００４】
さらに特許文献１には、３脚捩りモード圧電振動子の電極構造に関し、面内２次振動を抑制する構造が提案されている。結果として捩りモードの共振周波数の二次温度係数は、前記２脚音叉振動子の温度係数の１／３程度の大きさとなる。図１０で実線で示した温度特性となる。このような温度特性を持つ３脚捩りモード圧電振動子を時計やそのほかの電子機器に使用すれば使用環境の温度が変化しても共振周波数の変化が少なく、時刻の精度が向上する効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、所望の共振周波数に調整する具体的手段の開示がなされていなかった。通常の音叉型振動子では、共振周波数を調整するためによく使われる手段には、脚の先端付近に質量となる金属膜を調整用の膜として成膜しておき、その調整用の膜を何らかの方法で一部除去をおこない、質量を調整することにより、共振周波数を調整する手段がある。
【０００７】
３脚捩りモード圧電振動子においても、脚の先端付近に調整膜を成膜して、その一部を除去することで周波数を調整することができるが、以下の課題が発生した。
【０００８】
調整膜の成膜においての製造工程のばらつきがあり、調整膜の成膜される長さがばらつき、その長さのばらつきが、温度特性曲線をいちじるしく変化させてしまうことがわかった。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の目的は、調整膜の長さばらつきによる温度特性曲線のばらつきを抑える手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
基部と、基部より延出する脚とを有する圧電振動子の製造方法であって、前記脚に前記脚を振動させる励振電極を形成する工程と、前記脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、前記調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、前記調整膜の一部を除去することで前記圧電振動子の共振周波数を調整する工程とを有する圧電振動子の製造方法とする。
【００１１】
前記調整膜は、前記脚の先端に形成され、前記調整膜の前記基部側端部を除去し、所定の形状とする圧電振動子の製造方法とする。
【００１２】
レーザービームを用いて前記調整膜を除去し、所定の形状とする圧電振動子の製造方法とする。
【００１３】
前記圧電振動子は、捩りモードで振動する圧電振動子の製造方法とする。
【００１４】
前記圧電振動子は、３本の脚を有する圧電振動子の製造方法とする。
【００１５】
前記圧電振動子は、水晶からなり、前記基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記脚の延出方向を水晶の結晶軸のＹ軸と一致させた状態から、結晶軸のＸ軸を中心に回転し、Ｙ軸より３１度〜３６度の範囲にある圧電振動子の製造方法とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって、調整膜を一定の長さに切り揃えるようにしたので、粗調膜の成膜時のばらつきによる共振周波数の温度特性にばらつきが生じていたのをばらつかないようにすることができる。共振周波数の温度特性の変化がほとんどなく共振周波数を調整することが可能となり、結果として共振周波数と共振周波数の温度特性をそれぞれ所望の状態にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による３脚捩りモード圧電振動子を示す図
【図２】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図３】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を一定の長さに切り揃えた後、共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図４】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を一次温度係数を調整するように長さを加減して切り揃えた後、共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図５】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の脚先端の側面方向から見た断面であり、レーザービームによる調整膜の除去の構成を示す図
【図６】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の圧電振動子を収納容器にて気密封止する工程を示す図
【図７】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の気密封止をする工程および一次温度係数および共振周波数を調整する工程を説明する図
【図８】３脚捩りモード圧電振動子の結晶方位を示す図
【図９】２脚音叉型圧電振動子の結晶方位を示す図
【図１０】２脚音叉型圧電振動子の共振周波数の温度特性および３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数の温度特性を示す図
【図１１】３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数の温度特性が調整膜の除去状態により変化する様子を示す図
【図１２】３脚捩りモード圧電振動子の調整膜の除去部位と一次温度係数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１３】３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を調整膜先端から連続的に除去する長さと一次温度係数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１４】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜の除去部位と共振周波数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１５】３脚捩りモード圧電振動子の脚先端の側面方向から見た断面であり、レーザービームによる調整膜の除去の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明を実施する形態を図面を参照しながら、３脚捩りモード圧電振動子を例に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、３脚捩りモード圧電振動子を示す図である。基部１から同一方向へ平行に３本の脚２、３、４が連結されている。脚３が中央の脚である。本実施例においては、基部及び脚は、水晶で作られている。結晶方位は、図８に示すように、Ｘ軸周りにθ１度回転させたＸＹ平面内にある。θ１は、３１度〜３６度の範囲にある。圧電振動子の表面は、−Ｚ側を表面と定義する。したがって裏面は、＋Ｚ側である。各脚の先端は、水晶エッチングの異方性より垂直でない端面となり、表面のほうが裏面より短くなるような斜めの端面１６、１９、２２がそれぞれ脚２、３、４に形成される。
【００２０】
各脚の表面には、励振電極が形成されている。励振電極は、脚２の基部側に近い表面に表面電極７、脚３の基部側に近い表面に表面電極８、脚４の基部側に近い表面に表面電極９が長方形に形成されている。同様に脚２の裏面には、裏面電極１０、脚３の裏面には裏面電極１１、脚４の裏面には、裏面電極１２が形成されている。脚２の第一の側面１７と第二の側面１８には、側面電極１３が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成され、脚３の第一の側面２０と第二の側面２１には、側面電極１４が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成され、脚４の第一の側面２３と第二の側面２４には、側面電極１５が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成されている。
【００２１】
表面電極７と９および裏面電極１０と１２及び側面電極１４は、基部１において基部１に形成されている接続電極６につながれている。一方、表面電極８と裏面電極１１および側面電極１３と１５は、基部１において基部１に形成されている接続電極５につながれている。本実施例では、それぞれの励振電極は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚は、クロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。
【００２２】
以上の構成により、励振電極に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚３と両脇の脚２、４は、逆の捩り方向となり、モーメントの
つりあいを実現している。
【００２３】
脚２、３、４のそれぞれの先端よりの第一の側面、第二の側面と裏面には、調整膜２５、２６、２７が形成されている。調整膜は、クロム下地で銀の蒸着膜が形成されており、膜厚は、クロムが２００Å、銀が１〜５μｍ程度である。
【００２４】
調整膜をレーザービームなどにより一部を削っていくことにより、質量が変化するので、捩りモードの共振周波数を所望の値に調整することができる。図５はレーザービームにより裏面にある調整膜を削って共振周波数を調整するときの状態を示す図であり、脚の表面に垂直な面で切ったときの断面図である。
【００２５】
本実施例では、調整膜は裏面に形成されており図５の方法で調整膜を除去する。レーザービームは表面から入射させ、調整膜２５、２６、２７を除去して質量調整を行う。レーザービーム径は、１０μｍ〜５０μｍ程度であり、ほぼ丸いスポットで調整膜を除去する。レーザービームの照射位置を変えながら調整膜の除去を繰り返す。本実施例と逆に調整膜が表面にある場合は、図１５のように裏面からレーザービームを照射して表面の調整膜を除去する。ここで図１５の断面図では、表面が下に示されている。この場合、脚先端部の端面が斜めになっているので、そこにレーザービームが照射されると脚先端部の端面で反射して脚の表面、裏面で反射をして、予期せぬ部位の調整膜や電極膜にダメージを与えたり、除去したりすることがあり、製品の品質を著しく損なう危険性がある。一方、本実施例では、脚先端部の斜めの端面にレーザービームを照射しても脚の内部への反射は発生せず、予期せぬダメージは、発生しない。
【００２６】
図２は、本実施例における調整膜をレーザービームで除去した後の状態の一例を示す図である。３つの脚それぞれ、調整膜を均等に除去している。除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図２におけるＡ部とＣ部を除去している。除去する長さは、３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の周波数調整除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。
【００２７】
上記の部位を除去するように選択した理由を説明する。図１４は、調整膜の除去部位を変えて、調整膜を除去したときの除去前後での共振周波数の変化の相対比率を示す図である。脚は３脚あり、除去部位は、常に３脚とも同じ部位を除去することにした。座標設定は、脚の幅方向がｘ方向で幅中心をゼロとし、脚の長手方向をｙ方向とし、脚先端をゼロとした。値は、調整膜全体を１と規格化した数値で表している。たとえば、図中点Ｐ（ｘｐ、ｙｐ）の調整膜をレーザーにて除去したときの共振周波数の変化を相対比率としてｇ（ｘｐ、ｙｐ）とすると、場所により異なる変化量となることが分かった。これは捩りモードの振動であるので、捩りモーメントに相関があるため、幅中心付近で変化は少なく、幅方向端部で変化が最大となる。脚長手方向（ｙ方向）でも若干の差があり、脚先端部に近いほど変化が大きいことがわかった。
【００２８】
共振周波数の温度特性は、図１０に示すように概略二次曲線をしており、常温付近に頂点を持ち、低温部、高温部で共振周波数が低くなる。調整膜を除去すると、共振周波数が変化するとともに、一次温度係数が変化することが分かった。頂点の温度つまり頂点温度が、変化していくことが分かった。さらに温度特性の概略二次曲線は、三次曲線の一部分であることがわかった。頂点温度の変化は、三次曲線の一次温度係数の変化により発生し、実際には、頂点温度が無くなる、つまり、頂点のない三次曲線となる場合も発生する。
【００２９】
共振周波数の相対値ΔＦ／Ｆの温度特性を温度Ｔの関数で表すと、
ΔＦ／Ｆ（Ｔ）＝Ａ３×（Ｔ−Ｔ０）＾３＋Ａ１（Ｔ−Ｔ０）＋Ａ０
と表わされる。Ａ３は、３次曲線の鋭さを表し、Ａ１は一次の傾きを表す。Ｔ０は、変曲点温度である。頂点温度が存在するときの頂点温度Ｚは、
Ｚ= Ｔ０−√（−Ａ１／３／Ａ３）という関係となる。
【００３０】
図１２は、調整膜の除去部位を変えて、調整膜を除去したときの除去前後での共振周波数の一次温度係数Ｂの変化の相対比率を示す図である。脚は３脚あり、除去部位は、常に３脚とも同じ部分を除去することにした。座標設定は、脚の幅方向がｘ方向で幅中心をゼロとし、脚の長手方向をｙ方向とし、脚先端をゼロとした。値は、調整膜全体を１と規格化した数値で表している。たとえば、図中点Ｐ（ｘｐ、ｙｐ）の調整膜をレーザーにて除去したときの共振周波数の一次温度係数Ｂの変化を相対比率としてｋ（ｘｐ、ｙｐ）とすると、場所により異なる変化量となることが分かった。幅中心付近での変化が最も大きく、幅方向端部で変化が最小となる。脚長手方向（ｙ方向）で、脚先端からある一定の距離の点までは、変化の方向がマイナスであり、それより長い距離の点では、変化の方向がプラスとなることがわかった。
【００３１】
一次温度係数Ａ１が変化すると頂点温度Ｚが変化し、振動子の仕様で決められている頂点温度の範囲を逸脱してしまうと、不良品となる。したがって、共振周波数を調整するために調整膜を除去する際には、なるべく頂点温度Ｚが変化しないように調整膜を除去する部位を選ぶ必要がある。
【００３２】
図１４の共振周波数の変化と図１２の一次温度係数の変化とを総合して考えると、共振周波数の変化が大きく、かつ一次温度係数の変化が小さい部位として、図２に示した部位、すなわち、脚の先端に近いほうで、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端を除去するのが最適であることが分かる。
【００３３】
図１３は、調整膜を調整膜先端から連続的に除去する長さと共振周波数の頂点温度の変化の相対比率の関係を示す図である。除去する長さの値は、調整膜全体の長さを１と規格化した数値で表している。図２で示すように脚の幅方向中央１／３ほどの部分をＢとし、残り幅方向両端をＡ及びＣ部として、３つ脚２、３、４とも除去していくと、それぞれＢのみを除去した場合の変化が破線であり、Ａ及びＣ部を除去した場合の変化が実線となる。この図に示すように、先端部付近のＡ及びＣ部を除去するときがもっとも頂点温度の変化が少ない。Ａ及びＣ部であっても脚の長手方向基部に近いほうを除去すると変化が大きくなっていく。ただし、長手方向で頂点温度の変化の方向が逆転する点Ｅがあるので、その逆転する点付近を除去する場合がもっとも変化が少ない結果であった。以上が、図２に示す調整膜を除去する部位を決定した理由である。
【００３４】
図２の変形としては、Ａ部とＣ部の部位を除去する方法はそのままにして、脚の先端からすこし残しておいて、先端に近い部位を除去する方法でもよい。つまり、長手方向で頂点温度の変化の方向が逆転する点、図１３における点Ｅを中心に脚先端側と根元側に均等に調整膜を除去するようにして、共振周波数を調整すれば、より一次温度係数の変化を少なくしつつ、共振周波数を調整することができる。
【００３５】
調整膜の除去部位によって、一次温度係数に変化があることは、逆に、調整膜を付けるときにも一次温度係数を変化させることを意味する。実際に、調整膜を蒸着するときに、一定の長さ分を３つの脚に蒸着するようにマスキングをして、蒸着装置によって蒸着させるが、マスキング治具と圧電振動子の位置合わせがずれると調整膜の長さが変わってしまい、長さがばらつくことになる。長さがばらついた結果、一次温度係数もばらつくことになる。
【００３６】
上記問題を解決するため、図３に示すように、３つの脚のそれぞれの調整膜２５、２６，２７の根元に近いＤ部をレーザービームで除去し、調整膜の蒸着時にばらついた調整膜の長さを一定の長さに切り揃える工程を設ける。切り揃える長さは、調整膜の蒸着時にばらつく長さを考慮して、ばらつきの中で最小の長さとなるときの長さとする。たとえば長さばらつきが、１．０ｍｍ±０．１ｍｍあるとすると、切り揃える長さは、０．９ｍｍとなる。捩りモード圧電振動子の設計においては、この切り揃えた長さにおいて、共振周波数の温度特性が所望の値になるように設計をしておく。手段としては圧電振動子の結晶方位を調整しておくことで実現できる。切り揃える工程の後に共振周波数調整のための調整膜を除去する工程を行うようにする。すなわち、除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図２におけるＡ部とＣ部を除去している。除去する長さは、３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。このようにすることで、調整膜の長さのばらつきによる一次温度係数のばらつきを抑えることができる。
【００３７】
調整膜の長さを一定の長さに切り揃える工程を説明したが、単に長さを切り揃えるだけではなく、後工程の共振周波数の調整や、一次温度係数の調整に合わせて、調整膜を凸形状や凹形状にしても良い。
【００３８】
これまで述べてきたように、３脚捩りモード圧電振動子の一次温度係数は、調整膜の長さや除去量、結晶方位に依存するが、ほかにも温度特性に影響を与えるパラメータは、多数存在する。３脚捩りモード圧電振動子の脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔもその例であり、影響も大きな部類に属する。本実施例では、これら脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極の厚みｔの温度特性の影響を低減する方策を実現する。
【００３９】
まず、３脚捩りモード圧電振動子の製造工程において、上記、脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔを測定し、測定された脚の幅Ｗと脚の厚みＨと励振電極膜の厚みｔを用いて一次温度係数を推定する。このとき、脚の幅Ｗの変化や脚の厚みＨの変化、励振電極の厚みｔの変化が一次温度係数をどのように変化させるかは、あらかじめ実験をして構築しておいた関係式を使う。推定した一次温度係数と所望の一次温度係数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する長さと一次温度係数の変化量との関係は、あらかじめ実験で構築しておいた関係式を使う。
【００４０】
次に、各脚の裏面にあり基部に近い側の脚の幅方向中心部の調整膜を除去量分だけ除去する。図３におけるＦ部を除去する。一次温度係数を調整するための除去量は、このＦ部の長さであり、この部分は、図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化する部位でありかつ図１４に示すように調整膜の除去前後で共振周波数が最も変化しない部位に相当する。したがって、一次温度係数は変化し、共振周波数は変化しない。
【００４１】
次に、一次温度係数を調整するための除去量を除去した状態の３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図４におけるＡ部とＣ部を除去する。除去する長さは、共振周波数を調整するための除去量である。Ａ部とＣ部は、図１４に示すように共振周波数の変化が最も大きい部位であり、かつ図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化しない部位に相当する。したがって、共振周波数は、変化し、一次温度係数は、変化しない。
【００４２】
共振周波数を調整した後、３脚捩りモード圧電振動子は、図６に示す収納容器内に気密封止する工程を経て、３脚捩りモード圧電振動子が完成する。図６の（ａ）から（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順番で工程が実施される。図６の（ａ）では、３脚捩りモード圧電振動子１００をセラミックパッケージ１０１へ導電性接着材１０２を用いて接着固定する。図６の（ｂ）は、接着固定後の状態である。次に図６の（ｃ）ではイオンガン１０３にてイオンビームを発生させ、イオンビームによって、３脚捩りモード圧電振動子の電極をうすく削って、共振周波数を微調整を行う。３脚捩りモード圧電振動子の調整膜で共振周波数を調整してきたが、さらに微調整をおこなって、所望の周波数に近づける工程である。図６の（ｃ）の工程は、真空中で行われる。図６の（ｄ）の工程は、金属のリッド１０４を用いて、セラミックパッケージ１０１とで、振動片を気密封止するように、金すずのロウ材１０５を真空中で溶融させてロウ付けする工程である。図６の（ｅ）は、気密封止した後の状態を示す図である。このようにして、３脚捩りモード圧電振動子が完成する。
【００４３】
以上のように調整膜を除去する部位を使い分けて、温度特性のみ調整したり、共振周波数のみ調整したりすることができ、一次温度係数と共振周波数との両方を所望の値に調整することができる。
【実施例２】
【００４４】
実施例１では一次温度係数を３脚捩りモード圧電振動子の脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔから推定し、推定値を用いて一次温度係数を調整するための除去量を決定した。本実施例では、一次温度係数を直接測定して、所望の一次温度係数との差から除去量を決定する方法を行う。
【００４５】
図７は本実施例における３脚捩りモード圧電振動子の気密封止をする工程および一次温度係数および共振周波数を調整する工程を説明する図である。図１３にそって本実施例を説明する。
【００４６】
図７の（ａ）から（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順番で工程が実施される。図７の（ａ）では、３脚捩りモード圧電振動子２００をパッケージ２０１へ導電性接着材２０２を用いて接着固定する。図７の（ｂ）は、接着固定後の状態である。
【００４７】
つぎに図７の（ｃ）の工程は、レーザー光が透過するリッド２０４を用いて、パッケージ２０１とで、振動片を気密封止するように、金すずのロウ材１０５を真空中で溶融させてロウ付けする工程である。本実施例では、パッケージにガラスあるいはセラミックを使用し、リッドにはガラスを使用し、金すずのロウ材を使用したが、パッケージ２０１とリッド２０４の材料をシリコンを用いて製作する場合は、ロウ材に何も使わず、表面活性化接合法で真空中にて接合する方法も可能である。あるいは、パッケージ２０１とリッド２０４をガラスかシリコンを使用し、それぞれの接合面に金などの薄膜を形成して、表面活性化接合などの方法によって接合する方法も可能である。あるいは、シリコンのパッケージとガラスのリッドなどの組合せも可能である。図６の（ｄ）は、気密封止した後の状態を示す図である。このようにして、３脚捩りモード圧電振動子の気密封止された状態が完成する。
【００４８】
つぎに図７の（ｅ）は、レーザービームを用いて３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を除去する工程である。リッド２０４にガラスを用いている場合は、ガラスを透過するいろいろな波長のレーザービームが使用できる。たとえば、ＹＶＯ４といった材料を用いたグリーンレーザーで波長５３２ｎｍや、半導体レーザー１０６４ｎｍでも良い。リッド２０４にシリコンを使用している場合は、可視光レーザーではなく、赤外線領域のレーザーを利用することができる。
【００４９】
図７の（ｅ）の工程の詳細を説明する。まず、３脚捩りーモード圧電振動子の一次温度係数の測定をするために、本実施例では、３脚捩りモード圧電振動子を収納容器にて気密封止し、３脚捩りモード圧電振動子に完成させた後に温度を変えながら共振周波数を測定できる温度特性測定装置を使って一次温度係数を測定する。
【００５０】
測定した一次温度係数と所望の一次温度係数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する長さと一次温度係数の変化量との関係は、あらかじめ実験で構築しておいた関係式を使う。
【００５１】
次に、各脚の裏面にあり基部に近い側の脚の幅方向中心部の調整膜を除去量分だけ除去する。図３におけるＦ部を除去する。一次温度係数を調整するための除去量は、このＦ部の長さであり、この部分は、図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化する部位でありかつ図１４に示すように調整膜の除去前後で共振周波数が最も変化しない部位に相当する。したがって、一次温度係数は変化し、共振周波数は変化しない。
【００５２】
除去には、前述したレーザービームを用いてレーザー光が透過するリッド２０４を通して、調整膜にレーザービームを照射し、除去を行う。レーザービームは、図示しない光学系を用いて、調整膜の上で焦点が合うようにかつ、リッド２０４では、焦点にならないように構成してリッド２０４の中でレーザー光のエネルギーが集中しないようにすることでレーザービームによるリッド２０４の損傷を防ぐようにすることも可能である。
【００５３】
次に、一次温度係数を調整するための除去量を除去した状態の３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。
【００５４】
除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図４におけるＡ部とＣ部を除去する。除去する長さは、前記周波数調整除去量である。Ａ部とＣ部は、図１４に示すように共振周波数の変化が最も大きい部位であり、かつ図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化しない部位に相当する。したがって、共振周波数は、変化し、一次温度係数は、変化しない。
【００５５】
以上のように調整膜を除去する部位を使い分けて、一次温度係数のみ調整したり、共振周波数のみ調整したりすることができ、一次温度係数と共振周波数との両方を所望の値に調整することができる。本実施例では、３脚圧電モード捩り振動子の気密封止を完成させた後に、一次温度係数の測定結果から一次温度係数の調整が可能となり、および共振周波数の調整が可能となり、３脚捩りモード圧電振動子の所望の一次温度係数や共振周波数にすることを高精度に実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる。とくに、時刻精度が高く要求される分野において有効である。たとえば時計で言うと年差１０秒の精度を誇るいわゆる年差時計に利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 基部
２、３、４ 脚
５、６ 接続電極
７、８、９ 表面電極
１０、１１、１２ 裏面電極
１３、１４、１５ 側面電極
１６、１９、２２ 斜めの端面
２５、２６、２７ 調整膜
１００ ３脚捩りモード圧電振動子
１０１ セラミックパッケージ
１０２ 導電性接着材
１０３ イオンガン
１０４ 金属のリッド
１０５ 金すずのロウ材
２００ ３脚捩りモード圧電振動子
２０１ パッケージ
２０２ 導電性接着材
２０４ リッド
２０５ 金すずのロウ材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる圧電振動子に関する。詳しくは、圧電振動子の周波数調整膜の構造および周波数調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動子が広く用いられている。このような２脚音叉振動子は２本の脚が脚の並ぶ方向すなわち面内で、互いに反対方向に屈曲振動するような振動モード（面内振動）で使用される。その共振周波数ｆは温度によって変化し、最大周波数Ｆに対する変化の割合（ｆ−Ｆ）／Ｆ＝ΔＦ／Ｆは図１０の破線のような二次曲線を示す。温度に対する二次温度係数は約−３．５×１０Ｅ−２ｐｐｍ／℃＾２である。水晶は三方晶系に属する異方性単結晶であり、どのような角度に音叉を切り出すかによって性質が異なってくる。従来の２脚音叉振動子では、図９のように基部１の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸（電気軸）とし、脚３の長さ方向および厚み方向を、それぞれ水晶の結晶軸のＹ軸（機械軸）およびＺ軸（光学軸）に一致させた状態からＸ軸を回転軸として０〜５°回転した方向とすることで、温度特性の二次曲線の頂点が室温付近となり、二次温度係数も最適値を得ている。
【０００３】
共振周波数の変化は時刻の精度に関わるため、様々な温度特性の向上が図られている。その一つに捩り振動モードの利用があり、いくつかの方式があるが、特許文献１には一つの基部と該基部から同一の方向に伸びる３本の脚を有し、該脚の各々が捩り振動モードで使用されることを特徴とする３脚捩りモード圧電振動子が提案されている。３脚捩りモード圧電振動子は、通常の音叉型振動子と異なる構造をしており、面内１次振動を抑制しつつ、捩りモードで発振しやすい特徴を持つ振動子である。
【０００４】
さらに特許文献１には、３脚捩りモード圧電振動子の電極構造に関し、面内２次振動を抑制する構造が提案されている。結果として捩りモードの共振周波数の二次温度係数は、前記２脚音叉振動子の温度係数の１／３程度の大きさとなる。図１０で実線で示した温度特性となる。このような温度特性を持つ３脚捩りモード圧電振動子を時計やそのほかの電子機器に使用すれば使用環境の温度が変化しても共振周波数の変化が少なく、時刻の精度が向上する効果を発揮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１１８４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、所望の共振周波数に調整する具体的手段の開示がなされていなかった。通常の音叉型振動子では、共振周波数を調整するためによく使われる手段には、脚の先端付近に質量となる金属膜を調整用の膜として成膜しておき、その調整用の膜を何らかの方法で一部除去をおこない、質量を調整することにより、共振周波数を調整する手段がある。
【０００７】
３脚捩りモード圧電振動子においても、脚の先端付近に調整膜を成膜して、その一部を除去することで周波数を調整することができるが、以下の課題が発生した。
【０００８】
調整膜の成膜においての製造工程のばらつきがあり、調整膜の成膜される長さがばらつき、その長さのばらつきが、温度特性曲線をいちじるしく変化させてしまうことがわかった。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の目的は、調整膜の長さばらつきによる温度特性曲線のばらつきを抑える手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
基部と、基部より延出する脚とを有する圧電振動子の製造方法であって、前記脚に前記脚を振動させる励振電極を形成する工程と、前記脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、前記調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、前記調整膜の一部を除去することで前記圧電振動子の共振周波数を調整する工程とを有する圧電振動子の製造方法とする。
【００１１】
前記調整膜は、前記脚の先端に形成され、前記調整膜の前記基部側端部を除去し、所定の形状とする圧電振動子の製造方法とする。
【００１２】
レーザービームを用いて前記調整膜を除去し、所定の形状とする圧電振動子の製造方法とする。
【００１３】
前記圧電振動子は、捩りモードで振動する圧電振動子の製造方法とする。
【００１４】
前記圧電振動子は、３本の脚を有する圧電振動子の製造方法とする。
【００１５】
前記圧電振動子は、水晶からなり、前記基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記脚の延出方向を水晶の結晶軸のＹ軸と一致させた状態から、結晶軸のＸ軸を中心に回転し、Ｙ軸より３１度〜３６度の範囲にある圧電振動子の製造方法とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって、調整膜を一定の長さに切り揃えるようにしたので、粗調膜の成膜時のばらつきによる共振周波数の温度特性にばらつきが生じていたのをばらつかないようにすることができる。共振周波数の温度特性の変化がほとんどなく共振周波数を調整することが可能となり、結果として共振周波数と共振周波数の温度特性をそれぞれ所望の状態にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による３脚捩りモード圧電振動子を示す図
【図２】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図３】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を一定の長さに切り揃えた後、共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図４】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を一次温度係数を調整するように長さを加減して切り揃えた後、共振周波数を調整するために調整膜を除去した状態を示す図
【図５】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の脚先端の側面方向から見た断面であり、レーザービームによる調整膜の除去の構成を示す図
【図６】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の圧電振動子を収納容器にて気密封止する工程を示す図
【図７】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の気密封止をする工程および一次温度係数および共振周波数を調整する工程を説明する図
【図８】３脚捩りモード圧電振動子の結晶方位を示す図
【図９】２脚音叉型圧電振動子の結晶方位を示す図
【図１０】２脚音叉型圧電振動子の共振周波数の温度特性および３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数の温度特性を示す図
【図１１】３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数の温度特性が調整膜の除去状態により変化する様子を示す図
【図１２】３脚捩りモード圧電振動子の調整膜の除去部位と一次温度係数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１３】３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を調整膜先端から連続的に除去する長さと一次温度係数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１４】本発明による３脚捩りモード圧電振動子の調整膜の除去部位と共振周波数の変化の相対比率の関係を示す図
【図１５】３脚捩りモード圧電振動子の脚先端の側面方向から見た断面であり、レーザービームによる調整膜の除去の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明を実施する形態を図面を参照しながら、３脚捩りモード圧電振動子を例に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、３脚捩りモード圧電振動子を示す図である。基部１から同一方向へ平行に３本の脚２、３、４が連結されている。脚３が中央の脚である。本実施例においては、基部及び脚は、水晶で作られている。結晶方位は、図８に示すように、Ｘ軸周りにθ１度回転させたＸＹ平面内にある。θ１は、３１度〜３６度の範囲にある。圧電振動子の表面は、−Ｚ側を表面と定義する。したがって裏面は、＋Ｚ側である。各脚の先端は、水晶エッチングの異方性より垂直でない端面となり、表面のほうが裏面より短くなるような斜めの端面１６、１９、２２がそれぞれ脚２、３、４に形成される。
【００２０】
各脚の表面には、励振電極が形成されている。励振電極は、脚２の基部側に近い表面に表面電極７、脚３の基部側に近い表面に表面電極８、脚４の基部側に近い表面に表面電極９が長方形に形成されている。同様に脚２の裏面には、裏面電極１０、脚３の裏面には裏面電極１１、脚４の裏面には、裏面電極１２が形成されている。脚２の第一の側面１７と第二の側面１８には、側面電極１３が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成され、脚３の第一の側面２０と第二の側面２１には、側面電極１４が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成され、脚４の第一の側面２３と第二の側面２４には、側面電極１５が脚表面および裏面の中央付近を介し導通するように形成されている。
【００２１】
表面電極７と９および裏面電極１０と１２及び側面電極１４は、基部１において基部１に形成されている接続電極６につながれている。一方、表面電極８と裏面電極１１および側面電極１３と１５は、基部１において基部１に形成されている接続電極５につながれている。本実施例では、それぞれの励振電極は、クロム下地で金のスパッタ膜が形成されている。膜厚は、クロムが２００Å程度、金が１２００Å程度である。
【００２２】
以上の構成により、励振電極に発振回路を接続して捩りモードの振動を発振させることが可能となる。中央の脚３と両脇の脚２、４は、逆の捩り方向となり、モーメントの
つりあいを実現している。
【００２３】
脚２、３、４のそれぞれの先端よりの第一の側面、第二の側面と裏面には、調整膜２５、２６、２７が形成されている。調整膜は、クロム下地で銀の蒸着膜が形成されており、膜厚は、クロムが２００Å、銀が１〜５μｍ程度である。
【００２４】
調整膜をレーザービームなどにより一部を削っていくことにより、質量が変化するので、捩りモードの共振周波数を所望の値に調整することができる。図５はレーザービームにより裏面にある調整膜を削って共振周波数を調整するときの状態を示す図であり、脚の表面に垂直な面で切ったときの断面図である。
【００２５】
本実施例では、調整膜は裏面に形成されており図５の方法で調整膜を除去する。レーザービームは表面から入射させ、調整膜２５、２６、２７を除去して質量調整を行う。レーザービーム径は、１０μｍ〜５０μｍ程度であり、ほぼ丸いスポットで調整膜を除去する。レーザービームの照射位置を変えながら調整膜の除去を繰り返す。本実施例と逆に調整膜が表面にある場合は、図１５のように裏面からレーザービームを照射して表面の調整膜を除去する。ここで図１５の断面図では、表面が下に示されている。この場合、脚先端部の端面が斜めになっているので、そこにレーザービームが照射されると脚先端部の端面で反射して脚の表面、裏面で反射をして、予期せぬ部位の調整膜や電極膜にダメージを与えたり、除去したりすることがあり、製品の品質を著しく損なう危険性がある。一方、本実施例では、脚先端部の斜めの端面にレーザービームを照射しても脚の内部への反射は発生せず、予期せぬダメージは、発生しない。
【００２６】
図２は、本実施例における調整膜をレーザービームで除去した後の状態の一例を示す図である。３つの脚それぞれ、調整膜を均等に除去している。除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図２におけるＡ部とＣ部を除去している。除去する長さは、３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の周波数調整除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。
【００２７】
上記の部位を除去するように選択した理由を説明する。図１４は、調整膜の除去部位を変えて、調整膜を除去したときの除去前後での共振周波数の変化の相対比率を示す図である。脚は３脚あり、除去部位は、常に３脚とも同じ部位を除去することにした。座標設定は、脚の幅方向がｘ方向で幅中心をゼロとし、脚の長手方向をｙ方向とし、脚先端をゼロとした。値は、調整膜全体を１と規格化した数値で表している。たとえば、図中点Ｐ（ｘｐ、ｙｐ）の調整膜をレーザーにて除去したときの共振周波数の変化を相対比率としてｇ（ｘｐ、ｙｐ）とすると、場所により異なる変化量となることが分かった。これは捩りモードの振動であるので、捩りモーメントに相関があるため、幅中心付近で変化は少なく、幅方向端部で変化が最大となる。脚長手方向（ｙ方向）でも若干の差があり、脚先端部に近いほど変化が大きいことがわかった。
【００２８】
共振周波数の温度特性は、図１０に示すように概略二次曲線をしており、常温付近に頂点を持ち、低温部、高温部で共振周波数が低くなる。調整膜を除去すると、共振周波数が変化するとともに、一次温度係数が変化することが分かった。頂点の温度つまり頂点温度が、変化していくことが分かった。さらに温度特性の概略二次曲線は、三次曲線の一部分であることがわかった。頂点温度の変化は、三次曲線の一次温度係数の変化により発生し、実際には、頂点温度が無くなる、つまり、頂点のない三次曲線となる場合も発生する。
【００２９】
共振周波数の相対値ΔＦ／Ｆの温度特性を温度Ｔの関数で表すと、
ΔＦ／Ｆ（Ｔ）＝Ａ３×（Ｔ−Ｔ０）＾３＋Ａ１（Ｔ−Ｔ０）＋Ａ０
と表わされる。Ａ３は、３次曲線の鋭さを表し、Ａ１は一次の傾きを表す。Ｔ０は、変曲点温度である。頂点温度が存在するときの頂点温度Ｚは、
Ｚ= Ｔ０−√（−Ａ１／３／Ａ３）という関係となる。
【００３０】
図１２は、調整膜の除去部位を変えて、調整膜を除去したときの除去前後での共振周波数の一次温度係数Ｂの変化の相対比率を示す図である。脚は３脚あり、除去部位は、常に３脚とも同じ部分を除去することにした。座標設定は、脚の幅方向がｘ方向で幅中心をゼロとし、脚の長手方向をｙ方向とし、脚先端をゼロとした。値は、調整膜全体を１と規格化した数値で表している。たとえば、図中点Ｐ（ｘｐ、ｙｐ）の調整膜をレーザーにて除去したときの共振周波数の一次温度係数Ｂの変化を相対比率としてｋ（ｘｐ、ｙｐ）とすると、場所により異なる変化量となることが分かった。幅中心付近での変化が最も大きく、幅方向端部で変化が最小となる。脚長手方向（ｙ方向）で、脚先端からある一定の距離の点までは、変化の方向がマイナスであり、それより長い距離の点では、変化の方向がプラスとなることがわかった。
【００３１】
一次温度係数Ａ１が変化すると頂点温度Ｚが変化し、振動子の仕様で決められている頂点温度の範囲を逸脱してしまうと、不良品となる。したがって、共振周波数を調整するために調整膜を除去する際には、なるべく頂点温度Ｚが変化しないように調整膜を除去する部位を選ぶ必要がある。
【００３２】
図１４の共振周波数の変化と図１２の一次温度係数の変化とを総合して考えると、共振周波数の変化が大きく、かつ一次温度係数の変化が小さい部位として、図２に示した部位、すなわち、脚の先端に近いほうで、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端を除去するのが最適であることが分かる。
【００３３】
図１３は、調整膜を調整膜先端から連続的に除去する長さと共振周波数の頂点温度の変化の相対比率の関係を示す図である。除去する長さの値は、調整膜全体の長さを１と規格化した数値で表している。図２で示すように脚の幅方向中央１／３ほどの部分をＢとし、残り幅方向両端をＡ及びＣ部として、３つ脚２、３、４とも除去していくと、それぞれＢのみを除去した場合の変化が破線であり、Ａ及びＣ部を除去した場合の変化が実線となる。この図に示すように、先端部付近のＡ及びＣ部を除去するときがもっとも頂点温度の変化が少ない。Ａ及びＣ部であっても脚の長手方向基部に近いほうを除去すると変化が大きくなっていく。ただし、長手方向で頂点温度の変化の方向が逆転する点Ｅがあるので、その逆転する点付近を除去する場合がもっとも変化が少ない結果であった。以上が、図２に示す調整膜を除去する部位を決定した理由である。
【００３４】
図２の変形としては、Ａ部とＣ部の部位を除去する方法はそのままにして、脚の先端からすこし残しておいて、先端に近い部位を除去する方法でもよい。つまり、長手方向で頂点温度の変化の方向が逆転する点、図１３における点Ｅを中心に脚先端側と根元側に均等に調整膜を除去するようにして、共振周波数を調整すれば、より一次温度係数の変化を少なくしつつ、共振周波数を調整することができる。
【００３５】
調整膜の除去部位によって、一次温度係数に変化があることは、逆に、調整膜を付けるときにも一次温度係数を変化させることを意味する。実際に、調整膜を蒸着するときに、一定の長さ分を３つの脚に蒸着するようにマスキングをして、蒸着装置によって蒸着させるが、マスキング治具と圧電振動子の位置合わせがずれると調整膜の長さが変わってしまい、長さがばらつくことになる。長さがばらついた結果、一次温度係数もばらつくことになる。
【００３６】
上記問題を解決するため、図３に示すように、３つの脚のそれぞれの調整膜２５、２６，２７の根元に近いＤ部をレーザービームで除去し、調整膜の蒸着時にばらついた調整膜の長さを一定の長さに切り揃える工程を設ける。切り揃える長さは、調整膜の蒸着時にばらつく長さを考慮して、ばらつきの中で最小の長さとなるときの長さとする。たとえば長さばらつきが、１．０ｍｍ±０．１ｍｍあるとすると、切り揃える長さは、０．９ｍｍとなる。捩りモード圧電振動子の設計においては、この切り揃えた長さにおいて、共振周波数の温度特性が所望の値になるように設計をしておく。手段としては圧電振動子の結晶方位を調整しておくことで実現できる。切り揃える工程の後に共振周波数調整のための調整膜を除去する工程を行うようにする。すなわち、除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図２におけるＡ部とＣ部を除去している。除去する長さは、３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。このようにすることで、調整膜の長さのばらつきによる一次温度係数のばらつきを抑えることができる。
【００３７】
調整膜の長さを一定の長さに切り揃える工程を説明したが、単に長さを切り揃えるだけではなく、後工程の共振周波数の調整や、一次温度係数の調整に合わせて、調整膜を凸形状や凹形状にしても良い。
【００３８】
これまで述べてきたように、３脚捩りモード圧電振動子の一次温度係数は、調整膜の長さや除去量、結晶方位に依存するが、ほかにも温度特性に影響を与えるパラメータは、多数存在する。３脚捩りモード圧電振動子の脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔもその例であり、影響も大きな部類に属する。本実施例では、これら脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極の厚みｔの温度特性の影響を低減する方策を実現する。
【００３９】
まず、３脚捩りモード圧電振動子の製造工程において、上記、脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔを測定し、測定された脚の幅Ｗと脚の厚みＨと励振電極膜の厚みｔを用いて一次温度係数を推定する。このとき、脚の幅Ｗの変化や脚の厚みＨの変化、励振電極の厚みｔの変化が一次温度係数をどのように変化させるかは、あらかじめ実験をして構築しておいた関係式を使う。推定した一次温度係数と所望の一次温度係数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する長さと一次温度係数の変化量との関係は、あらかじめ実験で構築しておいた関係式を使う。
【００４０】
次に、各脚の裏面にあり基部に近い側の脚の幅方向中心部の調整膜を除去量分だけ除去する。図３におけるＦ部を除去する。一次温度係数を調整するための除去量は、このＦ部の長さであり、この部分は、図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化する部位でありかつ図１４に示すように調整膜の除去前後で共振周波数が最も変化しない部位に相当する。したがって、一次温度係数は変化し、共振周波数は変化しない。
【００４１】
次に、一次温度係数を調整するための除去量を除去した状態の３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図４におけるＡ部とＣ部を除去する。除去する長さは、共振周波数を調整するための除去量である。Ａ部とＣ部は、図１４に示すように共振周波数の変化が最も大きい部位であり、かつ図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化しない部位に相当する。したがって、共振周波数は、変化し、一次温度係数は、変化しない。
【００４２】
共振周波数を調整した後、３脚捩りモード圧電振動子は、図６に示す収納容器内に気密封止する工程を経て、３脚捩りモード圧電振動子が完成する。図６の（ａ）から（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順番で工程が実施される。図６の（ａ）では、３脚捩りモード圧電振動子１００をセラミックパッケージ１０１へ導電性接着材１０２を用いて接着固定する。図６の（ｂ）は、接着固定後の状態である。次に図６の（ｃ）ではイオンガン１０３にてイオンビームを発生させ、イオンビームによって、３脚捩りモード圧電振動子の電極をうすく削って、共振周波数を微調整を行う。３脚捩りモード圧電振動子の調整膜で共振周波数を調整してきたが、さらに微調整をおこなって、所望の周波数に近づける工程である。図６の（ｃ）の工程は、真空中で行われる。図６の（ｄ）の工程は、金属のリッド１０４を用いて、セラミックパッケージ１０１とで、振動片を気密封止するように、金すずのロウ材１０５を真空中で溶融させてロウ付けする工程である。図６の（ｅ）は、気密封止した後の状態を示す図である。このようにして、３脚捩りモード圧電振動子が完成する。
【００４３】
以上のように調整膜を除去する部位を使い分けて、温度特性のみ調整したり、共振周波数のみ調整したりすることができ、一次温度係数と共振周波数との両方を所望の値に調整することができる。
【実施例２】
【００４４】
実施例１では一次温度係数を３脚捩りモード圧電振動子の脚の幅Ｗ、脚の厚みＨ、励振電極膜の厚みｔから推定し、推定値を用いて一次温度係数を調整するための除去量を決定した。本実施例では、一次温度係数を直接測定して、所望の一次温度係数との差から除去量を決定する方法を行う。
【００４５】
図７は本実施例における３脚捩りモード圧電振動子の気密封止をする工程および一次温度係数および共振周波数を調整する工程を説明する図である。図１３にそって本実施例を説明する。
【００４６】
図７の（ａ）から（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の順番で工程が実施される。図７の（ａ）では、３脚捩りモード圧電振動子２００をパッケージ２０１へ導電性接着材２０２を用いて接着固定する。図７の（ｂ）は、接着固定後の状態である。
【００４７】
つぎに図７の（ｃ）の工程は、レーザー光が透過するリッド２０４を用いて、パッケージ２０１とで、振動片を気密封止するように、金すずのロウ材１０５を真空中で溶融させてロウ付けする工程である。本実施例では、パッケージにガラスあるいはセラミックを使用し、リッドにはガラスを使用し、金すずのロウ材を使用したが、パッケージ２０１とリッド２０４の材料をシリコンを用いて製作する場合は、ロウ材に何も使わず、表面活性化接合法で真空中にて接合する方法も可能である。あるいは、パッケージ２０１とリッド２０４をガラスかシリコンを使用し、それぞれの接合面に金などの薄膜を形成して、表面活性化接合などの方法によって接合する方法も可能である。あるいは、シリコンのパッケージとガラスのリッドなどの組合せも可能である。図６の（ｄ）は、気密封止した後の状態を示す図である。このようにして、３脚捩りモード圧電振動子の気密封止された状態が完成する。
【００４８】
つぎに図７の（ｅ）は、レーザービームを用いて３脚捩りモード圧電振動子の調整膜を除去する工程である。リッド２０４にガラスを用いている場合は、ガラスを透過するいろいろな波長のレーザービームが使用できる。たとえば、ＹＶＯ４といった材料を用いたグリーンレーザーで波長５３２ｎｍや、半導体レーザー１０６４ｎｍでも良い。リッド２０４にシリコンを使用している場合は、可視光レーザーではなく、赤外線領域のレーザーを利用することができる。
【００４９】
図７の（ｅ）の工程の詳細を説明する。まず、３脚捩りーモード圧電振動子の一次温度係数の測定をするために、本実施例では、３脚捩りモード圧電振動子を収納容器にて気密封止し、３脚捩りモード圧電振動子に完成させた後に温度を変えながら共振周波数を測定できる温度特性測定装置を使って一次温度係数を測定する。
【００５０】
測定した一次温度係数と所望の一次温度係数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。除去する長さと一次温度係数の変化量との関係は、あらかじめ実験で構築しておいた関係式を使う。
【００５１】
次に、各脚の裏面にあり基部に近い側の脚の幅方向中心部の調整膜を除去量分だけ除去する。図３におけるＦ部を除去する。一次温度係数を調整するための除去量は、このＦ部の長さであり、この部分は、図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化する部位でありかつ図１４に示すように調整膜の除去前後で共振周波数が最も変化しない部位に相当する。したがって、一次温度係数は変化し、共振周波数は変化しない。
【００５２】
除去には、前述したレーザービームを用いてレーザー光が透過するリッド２０４を通して、調整膜にレーザービームを照射し、除去を行う。レーザービームは、図示しない光学系を用いて、調整膜の上で焦点が合うようにかつ、リッド２０４では、焦点にならないように構成してリッド２０４の中でレーザー光のエネルギーが集中しないようにすることでレーザービームによるリッド２０４の損傷を防ぐようにすることも可能である。
【００５３】
次に、一次温度係数を調整するための除去量を除去した状態の３脚捩りモード圧電振動子の共振周波数を測定し、所望の共振周波数との差から調整膜の除去量すなわち調整膜を除去する長さを決定する。
【００５４】
除去する箇所は、脚の先端に近いほうから行われ、脚の幅方向中央１／３ほどの部分を残して、幅方向両端すなわち図４におけるＡ部とＣ部を除去する。除去する長さは、前記周波数調整除去量である。Ａ部とＣ部は、図１４に示すように共振周波数の変化が最も大きい部位であり、かつ図１２に示すように調整膜の除去前後で一次温度係数が最も変化しない部位に相当する。したがって、共振周波数は、変化し、一次温度係数は、変化しない。
【００５５】
以上のように調整膜を除去する部位を使い分けて、一次温度係数のみ調整したり、共振周波数のみ調整したりすることができ、一次温度係数と共振周波数との両方を所望の値に調整することができる。本実施例では、３脚圧電モード捩り振動子の気密封止を完成させた後に、一次温度係数の測定結果から一次温度係数の調整が可能となり、および共振周波数の調整が可能となり、３脚捩りモード圧電振動子の所望の一次温度係数や共振周波数にすることを高精度に実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる。とくに、時刻精度が高く要求される分野において有効である。たとえば時計で言うと年差１０秒の精度を誇るいわゆる年差時計に利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 基部
２、３、４ 脚
５、６ 接続電極
７、８、９ 表面電極
１０、１１、１２ 裏面電極
１３、１４、１５ 側面電極
１６、１９、２２ 斜めの端面
２５、２６、２７ 調整膜
１００ ３脚捩りモード圧電振動子
１０１ セラミックパッケージ
１０２ 導電性接着材
１０３ イオンガン
１０４ 金属のリッド
１０５ 金すずのロウ材
２００ ３脚捩りモード圧電振動子
２０１ パッケージ
２０２ 導電性接着材
２０４ リッド
２０５ 金すずのロウ材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、基部より延出する脚とを有する圧電振動子の製造方法であって、
前記脚に前記脚を振動させる励振電極を形成する工程と、
前記脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、
前記調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、
前記調整膜の一部を除去することで前記圧電振動子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圧電振動子の製造方法。
【請求項２】
前記調整膜は、前記脚の先端に形成され、
前記調整膜の前記基部側端部を除去し、所定の形状とすることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項３】
レーザービームを用いて前記調整膜を除去し、所定の形状とすることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項４】
前記圧電振動子は、捩りモードで振動することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項５】
前記圧電振動子は、３本の脚を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項６】
前記圧電振動子は、水晶からなり、
前記基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記脚の延出方向を水晶の結晶軸のＹ軸と一致させた状態から、結晶軸のＸ軸を中心に回転し、Ｙ軸より３１度〜３６度の範囲にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項１】
基部と、基部より延出する脚とを有する圧電振動子の製造方法であって、
前記脚に前記脚を振動させる励振電極を形成する工程と、
前記脚に共振周波数を調製する調整膜を形成する工程と、
前記調整膜の少なくとも一部を除去し所定の形状とする工程と、
前記調整膜の一部を除去することで前記圧電振動子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圧電振動子の製造方法。
【請求項２】
前記調整膜は、前記脚の先端に形成され、
前記調整膜の前記基部側端部を除去し、所定の形状とすることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項３】
レーザービームを用いて前記調整膜を除去し、所定の形状とすることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項４】
前記圧電振動子は、捩りモードで振動することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項５】
前記圧電振動子は、３本の脚を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項６】
前記圧電振動子は、水晶からなり、
前記基部の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸とし、前記脚の延出方向を水晶の結晶軸のＹ軸と一致させた状態から、結晶軸のＸ軸を中心に回転し、Ｙ軸より３１度〜３６度の範囲にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の圧電振動子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−７８０４５（Ｐ２０１３−７８０４５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７６８８（Ｐ２０１１−２１７６８８）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００１６６９４８）シチズンファインテックミヨタ株式会社 (438)
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００１６６９４８）シチズンファインテックミヨタ株式会社 (438)
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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