JP2000269765A - 水晶振動子の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 量産製品の全数に対してカット角の検査を行
い、抜取り検査では潜在することが免れない、カット角
の誤差の大きい水晶片の混入を根絶する。また常温での
特性検査を同時に行い、両種の検査から得られた情報を
相補的に利用して高度の品質管理を行うことができる検
査方法および装置を提供すること。 【解決手段】 電極未形成の水晶片の検査工程であっ
て、個々の水晶片のカット角を個別に検出する検査工程
と、同じ水晶片の周波数を含む電気的特性を測定する検
査工程とを含み、前記両工程を通った水晶片を前記カッ
ト角の測定データと前記電気的特性の測定データとに基
づいて分類することを特徴とする水晶振動子の検査方法
および装置。またそのための整列供給手段を包む雰囲気
に湿度と導電性を与えること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水晶振動子の検査方
法および装置に関する。更に詳しくは、水晶振動子を構
成する主要部品である水晶片（容器内端子にマウントさ
れていない状態の振動体）における、異質な検査を組み
合わせた検査方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子（完成品）は最終的にはその
使用される環境条件における電気的特性が問題となる。
従って製品に対しては電気的特性に関する検査がなされ
る。最も重要な電気的特性は常温での発振周波数（Ｆ）
およびＣＩ（直列共振時の等価抵抗値で、振動子の発振
し易さや品質の良さの目安となる）であって、これらの
両特性、殊に周波数は水晶振動子の全数について測定さ
れることが多い。他の重要な特性は周波数ＦおよびＣＩ
の温度特性であるが、これは多数の試料に温度変化を与
えつつ測定することが困難なので、普通は抜取検査によ
り、少数の試料を恒温槽に入れて数時間以上をかけてゆ
っくりと雰囲気の温度を変え、特性を調べる。

【０００３】高い周波数精度を要求される水晶振動子は
その周波数温度特性が平坦でなければならない。温度特
性が平坦であることで代表的なＡＴ板水晶振動子の周波
数温度特性は温度に関する３次曲線を描き、そのカーブ
は水晶板のカット角に極めて敏感であり、わずか数秒〜
１０数秒の角度差が温度特性に影響を与える。従って水
晶原石から水晶ウェハーを切り出す際にカット角はＸ線
で精密に測定し制御される。しかし水晶ウェハーをラッ
プ加工する過程で表面が傾斜しあるいはだれるため、ウ
エハー間のカット角の差に加えて、同じウェハー面内で
も場所によって面の傾斜が異なることが起こり得る。

【０００４】水晶ウェハーは完成後板面を縦横に裁断さ
れて多数の矩形板状の水晶片に分割される。その結果、
ウェハー間およびウェハー内のカット角誤差があるの
で、単体の水晶片相互間にはかなりの（例えば数秒〜数
十秒）の差が出ることが避けられない。これは製品の周
波数温度特性に影響を与えるバラツキを生じる程度に達
している。個々の製品の周波数温度特性は他の要因の影
響が強く現われない限り主として用いられた単体水晶片
のカット角で決定されるからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特別に周波数温度特性
の要求水準の厳しい水晶振動子を除いて、水晶振動子の
製造工程中で行われる検査の一貫として、電極未形成の
状態の水晶片の個々のカット角を全数検査することは、
従来事実上行われて来なかったと考えられる。また小ロ
ットの製品の場合仮に行われたことがあったとしても、
ウェハーのカット工程とラップ工程の品質管理の確認用
データ採取のためであって、他の特性試験とは普通切り
離して行われていた。しかし水晶振動子における品質向
上とコスト低減の要求は益々熾烈となり、この要請に答
えうる更に合理的な新しい検査方法が求められるように
なってきた。

【０００６】本発明の目的は、大量生産される製品の全
数に対してカット角の検査と電気的特性の検査を同時的
に行うことにより、水晶振動子の製造における、より高
度の品質管理を行うことができる検査方法および装置を
提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の検査方法は次の特徴を備える。 （１）電極未形成の水晶片の検査工程であって、個々の
水晶片のカット角を個別に検出する検査工程と、同じ水
晶片の周波数を含む電気的特性を測定する検査工程とを
含み、前記両工程を通った水晶片を前記カット角の測定
データと前記電気的特性の測定データとに基づいて分類
すること。

【０００８】また本発明の検査方法は更に以下の特徴の
少なくとも１つを備えることがある。 （２）前記第１の検査工程が第２の検査工程に先行して
いること。

【０００９】（３）前記第１の検査工程の前に多数の水
晶片を整列させて順次供給する整列供給工程を備えてお
り、該整列供給工程の要部は少なくとも湿度を制御され
た雰囲気内に置かれること。

【００１０】（４）前記雰囲気には更にイオンを付加さ
れること。

【００１１】また本発明の検査装置は次の特徴を備え
る。 （５）多数の電極未形成の水晶片を整列させて順次送出
する供給手段と、前記水晶片のカット角を個別に検出す
るＸ線測定手段を有する第１の検査ステージと、同じ水
晶片の周波数あるいは他の電気的特性を測定する電気的
測定手段を有する第２の検査ステージと、前記両検査ス
テージを通った水晶片を前記両ステージでの検査データ
に基づいて分類する分類手段とを備えたこと。

【００１２】また本発明の検査装置は更に以下の特徴の
少なくとも１つを備えることがある。 （６）前記第１の検査ステージを第２の検査ステージの
前に設けたこと。

【００１３】（７）前記供給手段の要部は覆いで覆われ
ており、該覆いの内部の雰囲気の少なくとも湿度を制御
する制御手段を備えたこと。

【００１４】（８）前記覆いの内部の雰囲気を導電性に
するためのイオン生成手段を更に備えたこと。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の１例
である水晶振動子の検査装置を示し、（ａ）はその平面
的な模式図、（ｂ）は側面的な部分模式図である。
（ａ）、（ｂ）両図において、２は公知の整列供給装置
であって、摺鉢状をなしていて斜面に螺旋状の斜路を有
し、底部に多数の水晶片（図示せず）が投入されてい
る。整列供給装置２には振動が与えられ、水晶片１は斜
路を登って上端の整列ゲート２ａに達し、正しい向きの
ものだけが整列ゲート２ａを通過し、順次カット角検査
ステージ３上の所定位置に正しい向きで押し出される
（平行移動的に押し出す機構は図示省略）。

【００１６】カット角検査ステージ３は平坦な台であ
り、その上部に配置されたＸ線源４およびＸ線検出器５
（これらは（ａ）には図示を省略した）を備える。Ｘ線
源４より発するＸ線ビーム４ａは所定の角度で水晶片１
に当たり、水晶の結晶格子で特定の方向に反射される。
反射ビーム４ｂはＸ線検出器５によってその反射角度が
精密に検出される。反射ビーム４ｂがおよそ所定の方向
に向くためには、矩形版状水晶片の辺の方位が正しいこ
とと、水晶材料の結晶軸（Ｘ軸）が一定の向きであるこ
とが必要である。前者の辺の方位に関しては、整列供給
装置２の整列ゲートでほぼ揃えられ、更にカット角検査
ステージ３上に枠状部材など（図示せず）を設けて水晶
片１が納まるよう誘導することで正確に規制できる。

【００１７】また整列供給された水晶片の結晶軸の方向
は、反対向きのものが半分の確率で混じって来る。そこ
でもし結晶軸（Ｘ軸）が逆向きのため最初のＸ線照射で
は反射ビームが捕らえられない場合、カット角検査ステ
ージ３に設けられ、その上に水晶片が置かれたターンテ
ーブル３ａをステージ下に設けた反転モータ３ｃによっ
て、鉛直軸の回りに１８０°回転し、再度Ｘ線照射すれ
ば反転ビーム４ｂを捕らえてその精密な方向を測定する
ことができる。また反転モータ３Ｃは吸引機能も有し、
ターンテーブル３ａに設けた複数の吸引孔３ｂによって
水晶片１をターンテーブル３ａの基準面に吸着し、測定
の際に水晶片がずれることを防止している。

【００１８】水晶片のカット角の測定データは制御装置
２０に記憶される。この検査ステージにおける水晶片の
停留時間（測定時間）は反転再測定する場合を考慮して
も、約１秒程度である。

【００１９】第１の検査工程であるカット角検査を終え
た水晶片１は、先端に真空吸着装置を有し２つのステー
ジ間を往復する揺動レバー６によりピックアップされて
移動し、第２の検査工程である電気的特性検査ステージ
７上に落とされる。電気的特性検査ステージ７は小型の
摺鉢状の台で、中央底部に円盤状の固定電極７ａ、上部
に円盤状の可動電極７ｂを備え、両電極はネットワーク
アナライザー７ｃに接続されている。上から落とされた
水晶片１は斜面を滑って固定電極７ａ上に水平に落ちつ
く。その間上方の点線位置に退避していた可動電極７ｂ
は降りてきて水晶片１の上面と所定の僅かな隙間を保っ
て停止し、電気的測定が開始される。

【００２０】検査される電気的特性は普通、周波数Ｆと
ＣＩである（その他の等価回路定数を求めることも不可
能ではない）。両特性を求めるために要する時間は約２
秒である。もし周波数だけでよしとする場合は７ｃにネ
ットワークアナライザーの代わりに発振器を接続して半
分の約１秒で測定できる。測定データは制御装置１００
に送って記憶させる。測定が終わると可動電極７ｂは再
び退避し、吸着機能付きの揺動レバー８が電気的特性検
査ステージ７上の水晶片１を取り出し、多数の仕切で区
分けされている容器である分類装置９の中の１つの区画
内に落とす（揺動レバー８、分類装置９の図示は（ｂ）
については省略した）。

【００２１】制御装置２０は個々の水晶片のカット角検
査データと電気的特性検査データとを全数記憶し、各水
晶片がそれぞれ所定の区画に落ちるように分類装置９の
回転角度を制御する。例えばカット角を数種に区分し、
それぞれの区分に対してＦとＣＩとをそれぞれ数段階設
定してそれらの項目を組み合わせ、分類装置９に多数区
分けされた区画容器を設けて細かく分類することができ
る。

【００２２】また１０は少なくとも整列供給装置２の水
晶片貯蔵部分を水晶片１の出口を除いて覆う覆いまたは
囲いである。覆いには内部雰囲気の湿度を制御できる加
湿器１１と、内部空気にイオンを供給して導電性を付与
するためのイオン化装置１２が接続されている。これは
水晶片が極めて薄型軽量であるため、静電気で互いにく
っついてしまう現象（検査測定が不能になってしまう）
を避けるためである。経験的に湿度が５０％以下になる
と水晶片同士が吸着し易くなる。また雰囲気を導電性に
するのは発生した静電気を速やかに除去するためであ
る。

【００２３】本発明の上述の実施の形態において、整列
供給装置２の直後にカット角検査ステージ３、次いで電
気的特性検査ステージ７が配置されているが、この順序
が最も合理的である。その理由はカット角の検査は試料
水晶片の一辺をＸ線ビーム４ａに対して毎回正しい方向
に設定する必要があるが、そのために既に確立されてい
る整列供給技術を用いることができるからである。これ
に対し、カット角検査を終わった水晶片が揺動レバー６
によって拾い上げられ、電気的特性測定ステージに落と
されると反跳などのため方向が安定しない（それを考慮
して電気的特性測定ステージは円形摺鉢状に作られてい
る）。もし検査を逆順にすると最初の整列供給装置の特
徴が生かされず、後になったカット角検査ステージの前
に再度整列装置を挿入せねばならない。

【００２４】カット角検査工程の所要時間は前述のよう
に電気的特性検査工程の所要時間より少ない（ＦとＣＩ
を測定の場合）か、等しい（Ｆのみ測定の場合）ので、
個々の水晶片は電気的特性検査工程の所要時間にほぼ等
しいタクトで２か所のステージを次々に通過するから、
従来のように電気的特性だけが全数検査される場合と比
較しても、カット角検査工程の追加による実質的な検査
工数（時間）の増加はないことになる。

【００２５】このように個々の水晶片について、電気的
特性と同時にカット角を検査することにより、検査工数
の増加なく全数の振動片（従って全数の完成水晶振動
子）についてのカット角情報が得られる。従って従来の
抜取り検査では合格したロットの中に低率ながら潜在し
ていたかも知れないカット角の良品規格に不適合な製品
を、本発明では電気的特性の不合格品と共に完全に排除
することができる。また完全なカット角情報により、前
工程のカット工程、ラップ工程に関する詳細な情報のフ
ィードバックを行うことができ、高度の品質管理が実現
できる。

【００２６】またそればかりでなく、更に高度な検査判
断も得られる。図２は本発明の検査方法あるいは装置を
用いた場合の更なる作用効果を説明する図であり、
（ａ）はＡＴ板水晶振動子の周波数温度特性を、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は周波数温度特性の型と常温に
おける許容周波数範囲を図示している。

【００２７】各図は横軸に環境温度、縦軸に周波数偏差
をとったグラフである。（ａ）において各曲線は温度に
関する３次曲線状をなすＡＴ板の周波数特性を示す。曲
線はほぼ一定の曲率を有する３次曲線（変曲点は常温、
約２７〜２８°Ｃあるいはその近辺にある）に１次直線
が加算された形状を有する。水晶片のカット角が僅か変
化すると１次直線の傾斜が変わり、水晶振動子によって
Ａ、Ｂ、Ｃのような異なる周波数偏差の温度特性が得ら
れる。３種の温度特性は常温２５°Ｃで偏差ゼロとなる
ように基準化して図示してある。

【００２８】ここで周波数偏差の温度特性の許容範囲を
例えば−５°Ｃ〜４５°Ｃにおいて±１０ｐｐｍである
とすると、曲線が温度の全域でグラフの図示範囲内にあ
れば良品、上下範囲をはみ出せば不良品であることにな
る。これを（ａ）図と対比すれば、曲線ＡあるいはＣに
対応するカット角はその良品規格のほぼ両端に当り、曲
線Ｂに対応するカット角は良品に許容されるバラツキの
ほぼ中央に当る。

【００２９】（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は各曲線に対応す
る水晶振動子の常温における周波数偏差の許容範囲をグ
ラフ上に示したものである。曲線Ａ1 、Ｂ1 、Ｃ1 は許
容周波数偏差のそれぞれ上限となるものを、Ａ2 、Ｂ2
、Ｃ2 は許容周波数偏差のそれぞれ下限となるものを
示している。また太い矢印で示した範囲、ΔＡ、ΔＢ、
ΔＣは各特性を持つ水晶振動子に許容される常温での周
波数偏差の上、下限間の幅を示している。各図によれ
ば、周波数偏差の許容範囲は振動子の温度特性によって
かなり異なっていることがわかる。例えば（ｂ）の曲線
Ｃ１、Ｃ２の場合許容偏差は幅で約３ｐｐｍ、（ｃ）の
曲線Ａ１、Ａ２の場合許容偏差は幅で約８ｐｐｍ、カッ
ト角のバラツキ範囲の中央に近い（ｄ）の曲線Ｂ１、Ｂ
２の場合許容偏差は最も大きく幅で約１４ｐｐｍもとる
ことができる。

【００３０】従来は水晶振動子の周波数偏差の良品規格
は常温での偏差と、周波数の温度変化の２つが独立して
定められる場合が多かった。従って常温における許容偏
差は温度特性のバラツキを考慮すると図３（ｂ）、
（ｃ）からわかるように厳しく設定せねばならなかっ
た。故に従来の規格設定法では（ｄ）のような平坦な温
度特性を有する振動子の内で本来良品とみなして差し支
えないものでも不良となる場合があることがわかる。
（逆に常温周波数偏差の許容値をゆるくすれば温度特性
における不合格品が潜在することになる。）

【００３１】本発明においてはカット角の全数検査によ
って各水晶振動子の周波数温度特性をあらかじめ推測す
ることができ、常温周波数も電極形成前とはいえかなり
の精度で推定できるので、測定されたカット角に従って
常温周波数の検査測定値の許容範囲を個々の水晶片毎に
フレキシブルに設定することができ、良品として差し支
えない製品は漏れなく救済することが可能となる。また
同時に不良となる可能性のある製品も高率で排除され
る。

【００３２】以上本発明の実施の形態の例について述べ
たが、カット角検査の細目や電気的特性の範囲、分類に
おけるそれらの組み合わせ方、また装置の各部分等の構
成に関しては上記具体例に限らず種々の変更が本発明の
技術的範囲において可能であることは勿論である。例え
ばカット角に関する不良品が出たら、電気的特性検査ス
テージに移さず直ちに不良品として分類するように構成
してもよい。また水晶片供給装置の構造も図示例に限定
されない。

【００３３】

【発明の効果】本発明の検査方法および検査装置におい
てはカット角の検査を電気的特性検査と直列にして全数
行うように構成したので、次の効果を有する。 （１）カット角検査工程を加えても電気的特性検査にお
ける場合とほぼ等しいタクトで同時に両検査が行われ
る。従って実質的な検査工数の増大は全くなく、むしろ
抜取り検査を不要化し、極めて能率的に検査が自動的に
進行する。

【００３４】（２）水晶片全数に対してカット角検査が
行われるので、抜取り検査では潜在したカット角の不良
品が徹底的に除かれ、製品の温度特性の信頼性を向上さ
せることができる。

【００３５】（３）また多数のカット角に関する検査デ
ータが得られるので、前工程の水晶片の加工に関する詳
細な情報を得てフィードバックし、高度な品質管理を実
行することができる。

【００３６】（４）カット角検査データと周波数測定デ
ータとを組合わせて製品を分類することにより、製品の
周波数温度特性の合否判定を真に合理的に行うことがで
きるようになった。

【００３７】（５）カット角検査工程を最初に、電気的
特性の検査工程を次に置くことにより、整列供給技術を
生かした合理的な検査方法および装置を構成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である検査装置を示
す模式図であり、（ａ）は平面的部分模式図、（ｂ）は
側面的部分模式図である。

【図２】本発明の検査方法あるいは装置を用いた場合に
得られる更なる作用効果を説明する図であり、（ａ）は
水晶振動子の周波数温度特性を、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）は周波数温度特性の型と常温における許容周波数
範囲を図示じている。

【符号の説明】

１ 水晶片 ２ 整列供給装置 ２ａ 整列ゲート ３ カット角検査ステージ ３ａ ターンテーブル ３ｂ 吸引孔 ３ｃ 反転モータ ４ Ｘ線源 ４ａ Ｘ線ビーム ４ｂ 反射ビーム ５ Ｘ線検出器 ６ 揺動レバー ７ 電気的特性測定ステージ ７ａ 固定電極 ７ｂ 可動電極 ７ｃ ネットワークアナライザー ８ 揺動レバー ９ 分類装置 １０ 覆い １１ 加湿器 １２ イオン化装置 ２０ 制御装置

フロントページの続き (72)発明者 岩橋 裕輔 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 (72)発明者 柳沢 勝則 長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番 地５ ミヨタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5J108 MM08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極未形成の水晶片の検査工程であっ
   て、個々の水晶片のカット角を個別に検出する検査工程
   と、同じ水晶片の周波数を含む電気的特性を測定する検
   査工程とを含み、前記両工程を通った水晶片を前記カッ
   ト角の測定データと前記電気的特性の測定データとに基
   づいて分類することを特徴とする水晶振動子の検査方
   法。
2. 【請求項２】 前記第１の検査工程が第２の検査工程に
   先行していることを特徴とする請求項１の水晶振動子の
   検査方法。
3. 【請求項３】 前記第１の検査工程の前に多数の水晶片
   を整列させて順次供給する整列供給工程を備えており、
   該整列供給工程の要部は少なくとも湿度を制御された雰
   囲気内に置かれることを特徴とする請求項１あるいは２
   の水晶振動子の検査方法。
4. 【請求項４】 前記雰囲気には更にイオンを付加される
   ことを特徴とする請求項３の水晶振動子の検査方法。
5. 【請求項５】 多数の電極未形成の水晶片を整列させて
   順次送出する供給手段と、前記水晶片のカット角を個別
   に検出するＸ線測定手段を有する第１の検査ステージ
   と、同じ水晶片の周波数あるいは他の電気的特性を測定
   する電気的測定手段を有する第２の検査ステージと、前
   記両検査ステージを通った水晶片を前記両ステージでの
   検査データに基づいて分類する分類手段とを備えたこと
   を特徴とする水晶振動子の検査装置。
6. 【請求項６】 前記第１の検査ステージを第２の検査ス
   テージの前に設けたことを特徴とする請求項５の水晶振
   動子の検査装置。
7. 【請求項７】 前記供給手段の要部は覆いで覆われてお
   り、該覆いの内部の雰囲気の少なくとも湿度を制御する
   制御手段を備えたことを特徴とする請求項５あるいは６
   の水晶振動子の検査装置。
8. 【請求項８】 前記覆いの内部の雰囲気を導電性にする
   ためのイオン生成手段を更に備えたことを特徴とする請
   求項７の水晶振動子の検査装置。