JP2001085970A - 高安定圧電発振器用振動子 - Google Patents

高安定圧電発振器用振動子

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JP2001085970A
JP2001085970A JP25658999A JP25658999A JP2001085970A JP 2001085970 A JP2001085970 A JP 2001085970A JP 25658999 A JP25658999 A JP 25658999A JP 25658999 A JP25658999 A JP 25658999A JP 2001085970 A JP2001085970 A JP 2001085970A
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electrodes
dip
piezoelectric
resonator
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JP25658999A
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Toshio Sugiyama
利夫 杉山
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Toyo Communication Equipment Co Ltd
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Toyo Communication Equipment Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 高安定圧電発振器用振動子の使用温度範囲からCIディ
ップを除外する手段を得る。 【課題】 【解決手段】 厚み振動をする圧電基板に上下対向する
電極を配置した圧電振動子であって、前記電極の少なく
とも一方を除いて圧電基板をエッチングし、そのエッチ
ング量はCIディップを温度軸上でどの位移動させるか
に依存する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高安定圧電発振器用
振動子に関し、特に使用温度範囲内に存在するCIディ
ップを範囲外に除外した高安定圧電発振器用振動子に関
する。
【0002】
【従来の技術】高安定圧電発振器、特に高安定水晶発振
器は周囲の温度変化、経年変化に対して周波数安定度、
周波数精度が優れていることから、計測器から携帯電話
等の基地局まで広く用いられている。高安定水晶発振器
は、高安定水晶発振器用振動子(以下、高安定水晶振動
子と称す)と発振回路の一部とを小型恒温槽の中に収容
し、全体を金属ケースで覆った発振器で、その周波数温
度特性は、例えば−10℃〜+60℃の温度範囲にて10
-8から5×10-9であり、エージング特性も年に±2×10
-8程度のものが要求される。このように極めて高い周波
数安定度とエージング特性を満たす高安定水晶振動子に
は、周知のように、(1)Q値が極めて高いこと、
(2)使用温度範囲にて周波数温度特性が良好であるこ
と、(3)経時変化(エージング特性)が極めて小さい
こと等が挙げられる。
【0003】以上のような条件を満たす高安定水晶振動
子は、通常の振動子と異なって3次、あるいは5次の高
調波モードを用いて、水晶基板の一方の主面をレンズ状
に、他方の面を平面状に加工したプラノコンベックス基
板とするか、両主面をレンズ状に加工したバイコンベッ
クス基板とし、金の電極膜を高温中で付着し、膜歪みを
小さくする等の工夫が施されているのが一般的である。
また、基板の支持箇所も圧力−周波数感度の小さい所を
支持している。尚、基板の主面をレンズ状に加工するの
は、振動エネルギを基板中央部に閉じ込めて、支持によ
る振動損失を小さくし、Q値を高くするためである。
【0004】ところで、Q値に関しては、水晶結晶の内
部損失とQ値との関係に関するワーナーの理論、即ち縦
軸をQ値、横軸を周波数(MHz)(両軸とも対数目盛)
とすると、Q値は周波数の増加と共に右下がり45度の
直線となることが知られている。従って、高Q水晶振動
子を実現するには周波数を低く設定することが望ましい
が、周波数を低くすると水晶基板そのものが大きくなる
とという問題が生ずる。これを解決するため、前述のよ
うに水晶基板の主面をレンズ状に加工し、支持の影響を
少なくした振動子とすることが望ましい。
【0005】図5(a)、(b)はそれぞれ従来の高安
定水晶振動子の構成を示す平面図と、Q−Qにおける断
面図である。一方の主面を球面状に、他方の主面を平面
状に加工した、所謂プラノコンベックス基板21の両面
に対向する電極22a、22bを配置すると共に、該電
極22a、22bから基板21端部に向けてリード電極
23a、23bを延在して、高安定水晶振動素子Yを形
成する。該振動素子Yをホルダー(図示しない)の支持
部に取り付け、金属ケースで気密封止して高安定水晶振
動子を構成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高安定
水晶振動子はQ値を高くするために振動エネルギを閉じ
込めた中央部から支持するための基板端部を遠ざける必
要がある。そのため、通常の水晶振動子と比べて水晶基
板の寸法が大きくなり、励振すべき厚み振動が輪郭振動
(屈曲振動、面すべり振動等)と結合して使用温度範囲
内でクリスタルインピーダンス(CI)の急激な変動現
象(CIディップ)を引き起こし、これを原因として厚
み振動の共振周波数が急激に変動することがある。図6
はATカット水晶基板径Dが14mmφ、球面の曲率半径
Rが230mm、3次高調波10MHzの水晶基板に直径
6.5mmφで片面800Åの金の電極を形成した高安定
水晶振動子のCI温度特性を示す図である。23℃近辺
に大きなCIディップが生じている。このようなCIデ
ィップが生ずると、この近傍の温度で発振周波数が急激
に変化し、高安定水晶発振器を用いる装置に誤動作を生
じさせるおそれがあり、CIディップの大きさが仕様で
厳しく規定されている。高安定振動子を製作する際に、
使用温度内でCIディップが生ずる率は、設計(水晶基
板径D、曲率半径R等)、加工ロットの曲率半径Rのバ
ラツキにより異なるが10〜50%と高い割合で発生し
ている。
【0007】不良となった高安定振動子については廃棄
するしかないため、水晶基板を加工する最初の工程から
再製作が必要である。通常は不良率を予測して歩留まり
を大きく設定するため、価格が高くなるという問題があ
った。本発明は上記問題を解決するためになされたもの
であって、規格の温度内、例えば−20℃から95℃の
範囲に亘ってCIディップの存在しない、あるいは発生
度合いを抑圧した高安定水晶振動子を提供することを目
的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る高安定圧電発振器用振動子の請求項1記
載の発明は、圧電基板の両主面に対向する電極を配置し
て厚み振動を励起する圧電振動子において、前記電極で
被覆されない前記圧電基板の露出部分をエッチングした
ものであることを特徴とする高安定圧電発振器用振動子
である。請求項2記載の発明は、前記圧電基板がATカ
ット水晶基板であることを特徴とする請求項1記載の高
安定圧電発振器用振動子である。請求項3記載の発明
は、前記圧電基板の形状がプラノコンベックスまたはバ
イコンベックスであることを特徴とする請求項1または
2記載の高安定圧電発振器用振動子である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図1(a)、(b)は
それぞれ本発明に係る高安定水晶振動子の構成を示す平
面図と、Q−Qにおける断面図である。図1の例はプラ
ノコンベックス基板1に対向電極2a、2bを配置する
と共に、該電極2a、2bから基板1端部に向けてリー
ド電極3a、3bを延在して、高安定水晶振動素子Yを
形成する。そして、高安定水晶振動素子YのCI温度特
性を測定し、使用温度範囲内にCIディップが存在する
振動素子Yについては、酸性フッカアンモニウム(NH4H
F2)溶液、例えば10%溶液、に浸漬しエッチングす
る。電極2a、2b、リード電極3a、3b部は金(A
u)電極膜で覆われているためエッチングされず、図1
(b)に示すように、電極2a、2bの境界、リード電
極3a、3bの境界(図示しない)で段差を有する形状
の水晶基板1となる。
【0010】上述したように、高安定水晶振動子YのC
Iディップを完全に除外することは極めて難しい。とこ
ろが、CIディップは水晶基板1の輪郭振動が原因であ
り、基板1の外形形状によって出現する温度が変化する
という性質がある。そこで、曲率半径Rのバラツキを光
学系測定器にて測定して、水晶基板1を選別し、予め不
良品を除外することも考えられるが、現在の測定器の測
定精度では曲率半径Rを精度よく分類することができな
い。そこで、金(Au)の対向電極を形成した高安定水晶
振動素子Yを酸性フッカアンモニウム溶液に浸し、電極
が付着していない基板露出部をエッチングしてCIディ
ップの出現する温度点が変化する様子を調べた。その結
果、エッチング時間、即ちエッチング量が増大すると共
にCIディップが出現する温度が高温側へ移動すること
を見出した。
【0011】図2は、エッチャントに常温の10%酸性
フッカアンモニウム溶液を用い、ATカット水晶の3次
高調波10MHz、水晶基板1径D14mmφ、曲率R230m
m、金(Au)電極径6.5mmφの水晶振動素子を用いて
実験した場合である。エッチング時間(min)に対し、
エッチング前後のCIディップが出現した温度差(℃)
をプロットした図である。図2からエッチング時間(mi
n)とエッチング前後でCIディップが出現する温度差
(℃)がほぼ比例していることが判明した。なお、横軸
として実際の工程で使い易いように、エッチング時間
(min)を用いて表現したが、汎用的にはエッチング量
に換算して制御することが望ましい。図3は、図2と同
じ条件でエッチング時間(min)をエッチング量(μ
m)に換算するための図の一例である。
【0012】実際には、まず高安定水晶振動素子YのC
I温度特性を個別に測定し、所定の温度範囲、例えば−
20℃から90℃の範囲に規格以上のCIディップが存
在した振動素子Yのみを、CIディップが生じた温度t
℃毎に分類する。温度t℃に生じたCIディップを規格
で定められた使用温度範囲の上限である90℃以上に移
動させるには、図2の縦軸の図中○印で示す(90−
t)℃の点を横軸に沿って平行移動し、直線Eと交わっ
た点を垂直に下ろし、横軸と交わった時間T(min)以
上エッチングすればよい。
【0013】図2はエッチャントとして10%の酸性フ
ッカアンモニウム溶液を用いた場合の例であるが、エッ
チャントの濃度はもとより、高調波次数、周波数、曲率
半径R、電極径等により直線Eが変化することは当然で
あり、予めそれぞれに応じたグラフを用意してこれに対
処すればよい。
【0014】図4はCIディップが23℃に出現した高
安定振動素子を、常温の10%の酸性フッカアンモニウ
ム溶液中で5時間エッチングした場合の例であり、CI
ディップの出現温度が118℃まで移動していることが
分かる。
【0015】エッチングした高安定水晶振動素子Yのエ
ッチング前後における周波数変化量を測定したが、周波
数上昇量は水晶基板1の製作規格である1kHz以内で
あった。プラノコンベックス状の水晶基板1に形成され
る段差部が水晶振動子の電気的定数、即ちQ値、インダ
クタンス値、CI値等に及ぼす影響を振動子を製作して
測定したが、電気的定数の変化量は通常の製造バラツキ
の範囲内であることが判明した。
【0016】以上の説明では圧電基板として水晶ATカ
ットのプラノコンベックス基板を例として説明したが、
コンベックス基板だけではなく、平板であっても同様な
効果をもたらすことができる。また、本発明は水晶基板
に限定するものではなく、ランガサイト等の圧電材料に
適用できることは云うまでもない。また、エッチングし
た際の溶液の残渣が高安定振動子のエージング特性に影
響するおそれがある場合には、一旦、金電極膜を剥離
し、基板を洗浄した上で再製作してもよい。更に、上記
実施例では化学液を用いたエッチングを例示したが、イ
オンビームによるドライエッチングや、その他の部分的
にエッチングする手段によって電極以外の部分をエッチ
ングしてもよい。イオンビームによるドライエッチング
技術については公知であるので詳細説明するのは省略す
る。
【0017】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ので、従来の手法では10%から50%の不良を想定し
て製作していたが、不良となった振動素子にエッチング
を施すだけでCIディップを抑圧した振動子が製作でき
るので、製造に要する金額が節約できるという優れた効
果を奏す。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る高安定水晶振動素子の(a)は平
面図、(b)はQ−Qにおける断面図である。
【図2】エッチャントに常温の10%酸性フッカアンモ
ニウム溶液を用いた場合、ATカット3次高調波10M
Hz振動子のエッチング時間(min)とエッチング前後
のCIディップが生じる温度差との関係を示す図であ
る。
【図3】エッチャントに常温の10%酸性フッカアンモ
ニウム溶液を用いた場合、ATカット3次高調波10M
Hz振動子のエッチング時間(min)とエッチング量
(μm)との関係を示す図である。
【図4】本発明の水晶基板をエッチングした場合のCI
温度特性を示す図である。
【図5】従来の高安定水晶振動子の(a)は平面図、
(b)はQ−Qにおける断面図である。
【図6】従来の高安定水晶振動子のCI温度特性を示す
図である。
【符号の説明】
1・・水晶基板 2a、2b・・電極 3a、3b・・リード電極 Y・・高安定振動素子

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電基板の両主面に対向する電極を配置
    して厚み振動を励起する圧電振動子において、前記電極
    で被覆されない前記圧電基板の露出部分をエッチングし
    たものであることを特徴とする高安定圧電発振器用振動
    子。
  2. 【請求項2】 前記圧電基板がATカット水晶基板であ
    ることを特徴とする請求項1記載の高安定圧電発振器用
    振動子。
  3. 【請求項3】 前記圧電基板の形状がプラノコンベック
    スまたはバイコンベックスであることを特徴とする請求
    項1または2記載の高安定圧電発振器用振動子。
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