JP2001217677A

JP2001217677A - 音叉型圧電振動片及びその製造方法、その周波数調整加工装置、音叉型圧電振動子

Info

Publication number: JP2001217677A
Application number: JP2000023117A
Authority: JP
Inventors: Yasumitsu Ikegami; 恭光池上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【解決手段】２個の腕部を有する音叉形状の水晶素子
片２を準備し、両腕部の先端に水晶面が露出する重り部
９ａ、９ｂを設けるように、水晶素子片の表面に電極５
ａ〜７ａ、５ｂ〜７ｂを成膜する。反応性イオンエッチ
ング装置によりフレオン系ガスをイオン源として、反応
性のイオン化した粒子を重り部に照射することにより重
り部表面を部分的に除去して、その周波数を調整する。【効果】水晶振動片の材料自体の質量を減らして周波
数調整するので、重り部に電極膜を設ける必要が無く、
工数の大幅削減により生産効率が向上し、電極材料使用
量の大幅減少により製造コストが大幅に低減する。更
に、優れたエージング特性の高精度で高信頼性の音叉型
水晶振動子が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音叉型圧電振動子
に関し、特に音叉型圧電振動片の周波数調整を行う方法
及びそのための装置、並びにその方法を用いて製造され
る音叉型圧電振動片に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、音叉型水晶振動子が様々な電
子機器の発振回路に周波数制御素子として採用されてい
る。音叉型水晶振動子の振動数即ち周波数は、主として
水晶振動片の腕の長さ及び幅によって決定され、一般に
その腕の先端の質量を変えることによって調整されてい
る。従来から良く知られた周波数の調整方法では、その
製造工程において周波数を測定しながら、各腕の励振電
極より先端の重り部に、真空蒸着またはスパッタリング
により重り材を付着させて調整する。この方法では、電
極部分をマスキングして重り材を付着させるため、工数
が多くなって生産効率の向上が図れず、左右の腕で重り
にばらつきが生じ易く、品質を低下させたり、またマス
キングの際に膜ずれが生じて周波数ドリフトの原因とな
るなどの問題があった。

【０００３】そこで最近は、振動片の各腕の励振電極よ
り先端の重り部に予め金属膜重りを付着しておき、周波
数を測定しながらレーザビームにより重りを除去して調
整する方法が採用されている。この方法では、振動片の
各腕先端の重り部を電極膜と同じ薄膜の領域とその上に
更にＡｕ、Ａｇなどの金属を付着させて約１０倍程度の
膜厚にした厚膜の領域とで構成し、最初に厚膜領域をレ
ーザ除去して粗調整した後、薄膜領域をレーザ除去して
微調整する。更に最近では、例えば特開平７−４６０７
３号公報、特開平８−１８１５５８号公報に記載される
ように、レーザビームに代えてスパッタエッチング又は
イオンビームを用いて電極膜を除去することにより、圧
電素子の周波数調整を行う方法が開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のレーザビームによる周波数調整方法は、重り部
に薄膜領域と厚膜領域とを設けるため工数が多くなり、
生産効率が低下し、コストの低減を図れない。更に、熱
加工であるため、レーザ除去後に重り部のＡｇ膜が酸化
したり水分を吸着する虞があり、それにより周波数の長
期安定性（エージング特性）が低下し、経年変化率１pp
m ／年のような高精度の品質が要求される場合には不向
きである。また、スパッタエッチングやイオンビームエ
ッチングを用いた方法でも、同様に重り部に金属膜を形
成する必要があるため工数が多くなり、十分な生産効率
の向上及びコスト低減が図れないという問題がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、音叉型圧電振動
片の製造において、周波数調整工程を簡単にし、それに
より工数を削減して生産効率の向上及びコストの低減を
図ることができ、しかも精度良く周波数調整でき、製造
後も重り部の材質変化等で周波数が変化したりしない優
れたエージング特性を有し、高品質で高信頼性の音叉型
圧電振動片、振動子を提供することにある。

【０００６】また、本発明の目的は、そのような周波数
調整工程をインライン化して音叉型圧電振動片を製造す
る方法、及びそれに適した音叉型圧電振動片の周波数調
整加工装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述し
た目的を達成するために、２個の腕部を有する音叉形状
の圧電体素子片を準備する工程と、両腕部の先端に圧電
体素子片の材料面が露出する重り部を設けるように、圧
電体素子片の表面に電極を成膜する工程と、反応性のイ
オン化した粒子を照射することにより重り部の表面を部
分的に除去して周波数を調整する工程とを備えることを
特徴とする音叉型圧電振動片の製造方法が提供される。

【０００８】このようにイオン流を用いた反応性イオン
エッチングにより圧電体素子片の材料自体の質量を減ら
して周波数を調整することによって、各腕部先端の重り
部に電極膜を形成する必要が無くなるので、工数が大幅
に削減され、かつ電極材料の使用量を大幅に低減するこ
とができる。しかも、加工後の重り部表面は、従来の電
極膜のように酸化したり水分を吸着するなどして劣化
し、周波数の経時変化に影響を与える虞がない。

【０００９】また、周波数の調整工程がドライエッチン
グであることから、圧電振動片の周波数をモニターしな
がら、周波数調整を行うことができる。従って、より精
度良くかつより短時間で周波数を調整することが可能に
なる。通常周波数の合わせ込みは、エッチング条件を変
化させることによって行うことができる。

【００１０】或る実施例では、重り部表面を部分的に除
去する加工レートを、モニターされる周波数に対応して
減少させることにより、例えば大まかな粗調整から最終
的な微調整へと段階的に又は連続的に変化させ、周波数
を目標値により高精度に合わせ込むことができる。

【００１１】反応性のイオン化した粒子を生成するため
のイオン材料としては、加工される素子片を形成する圧
電体材料により適当な反応ガスを選択することができ、
例えばフレオン系ガスを用いることができる。更に、フ
レオン系ガスに加えて酸素ガスを使用すると、照射され
た反応性イオン化粒子の寿命を長くして加工を促進かつ
安定させることができる。

【００１２】本発明の或る側面によれば、真空チャンバ
と、該真空チャンバ内において、音叉型圧電振動片の両
腕部先端に設けた圧電体素子片の材料面を露出させた重
り部に、反応性のイオン化した粒子を照射する手段と、
前記反応性のイオン化粒子を生成するためのイオン材料
の供給源と、音叉型圧電振動片の電極に接続してその周
波数を測定する手段とを備えることを特徴とする音叉型
圧電振動片の周波数調整加工装置が提供される。これに
より、音叉型圧電振動片の製造工程において、上述した
本発明の周波数調整を容易に、従来の音叉型圧電振動片
の製造工程にインライン化して実現することができる。

【００１３】更に、音叉型圧電振動片を真空チャンバ内
に搬入・搬出する搬送機構を備えると、従来の音叉型圧
電振動片の製造工程に連続して、圧電振動片の周波数調
整加工を自動化することができる。

【００１４】或る実施例では、搬送機構の搬送方向に沿
って、加工レートが異なる複数の反応性のイオン化した
粒子の照射手段を設けることにより、圧電振動片の周波
数を粗調整から最終的な微調整へと段階的に変化させな
がら、目標値により高精度に合わせ込むことができる。

【００１５】別の実施例では、反応性イオン化粒子の照
射手段とそれにより加工される音叉型圧電振動片との離
隔距離を変化させる加工レート調整手段を更に備える
と、同じ１つの反応性イオン化粒子の照射手段で粗調整
から微調整まで対応することができる。

【００１６】更に、周波数の測定手段がモニターする音
叉型圧電振動片の周波数に対応して、前記加工レート調
整手段を制御する手段を備えると、加工中の振動片の周
波数に応じて加工レートを制御することができるので、
より高精度に周波数を合わせ込むことができる。

【００１７】本発明の別の側面によれば、基端部から長
手方向に延長する２個の腕部を有する音叉形状の圧電体
素子片からなり、その表面に形成された電極パターン
と、両腕部の先端に圧電体素子片の材料面が露出する重
り部とを備え、該重り部が周波数調整のために部分的に
除去されていることを特徴とする音叉型圧電振動片が提
供される。特に、上述した本発明の方法を用いて、重り
部を部分的に除去した音叉型圧電振動片が提供される。

【００１８】本発明の更に別の側面によれば、このよう
な音叉型圧電振動片と、該圧電振動片をその基端部にお
いてマウントするプラグと、該プラグにマウントされた
前記圧電振動片を気密に収納するケースとを備えること
を特徴とする音叉型圧電振動子が提供される。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を適用した音叉型
水晶振動子１を示しており、音叉形状の水晶振動片２
が、その基端部においてプラグ３に片持ち式に支持され
ている。この水晶振動子は、後述するように周波数調整
を行った後、有底円筒状の金属ケース４内に気密に封止
されて完成する。

【００２０】水晶振動片２の表面には、平面電極５ａ、
５ｂと側面電極６ａ、６ｂと、前記電極から引き出され
た接続用のランド７ａ、７ｂとからなる電極パターンが
形成されている。前記電極パターンは、例えば先ず従来
工程に従って水晶原石からウェハを所定の寸法及び厚さ
に切り出しかつ研磨し、ウェットエッチングにより所定
の音叉形状を有する多数の水晶素子片を形成した後、そ
の表面に電極材料をスパッタリング又は蒸着することに
より形成される。前記各ランドには、プラグ３の２本の
リード線８の各上端部に接続され、該リード線と前記電
極とを電気的に接続している。水晶振動片２の左右腕部
の先端には、その表面に電極膜が形成されておらず、該
振動片を構成する材料の水晶面がそのまま露出した重り
部９ａ、９ｂが設けられている。本実施例では、これら
重り部表面の材料を、図２及び図３に示す加工装置を用
いてドライエッチングすることにより部分的に除去し
て、水晶振動片２の周波数を調整する。

【００２１】本実施例の加工装置は、真空チャンバ１０
の内部を矢印Ａで示す移動方向に沿って多数の水晶振動
片１を一定の間隔で搬送するコンベア装置１１などの搬
送機構を備える。真空チャンバ１０には、コンベア装置
の移動方向に沿って所定の間隔をおいて、該コンベア装
置上の水晶振動片１に向けてイオン流を照射するイオン
ガンからなる２個の反応性イオンエッチング装置１２
ａ、１２ｂが設けられている。前記イオンガンは、それ
ぞれ接地されたステンレス製円筒状外周部の中心に、該
外周部とは絶縁されかつ外部の交流電源（例えば、１
３．５６ＭＨｚ）１３ａ、１３ｂに接続されたステンレ
ス製電極棒を備える。反応性イオンエッチング装置１２
ａ、１２ｂと対向する水晶振動片１との間には、それぞ
れ駆動装置１４ａ、１４ｂによって開閉されるシャッタ
１５ａ、１５ｂが設けられている。更に図３に示すよう
に、前記各シャッタと水晶振動片１との間には、イオン
流の照射を規制するマスク１６ａ、１６ｂが配置されて
いる。

【００２２】コンベア装置１１の前記各反応性イオンエ
ッチング装置と反対側には、それぞれ駆動装置１７ａ、
１７ｂによって対応する水晶振動子１のリード線８と接
触・離反するように前後に駆動されるプローブ１８ａ、
１８ｂが設けられている。前記各プローブは、水晶振動
子の周波数測定系を構成するフィクスチャ即ちインピー
ダンス整合回路１９ａ、１９ｂと周波数カウンタ２０
ａ、２０ｂとにそれぞれ接続されている。

【００２３】更に真空チャンバ１０には、排気手段とし
てメカニカルブースタポンプ２１及びロータリポンプ２
２が接続され、かつ該真空チャンバ内にイオン源として
反応ガスを供給するためのガス供給源２３及びエッチン
グを促進するアシストガスを供給するためのガス供給源
２４とが接続されている。また、前記シャッタの駆動装
置１４ａ、１４ｂ、前記プローブの駆動装置１７ａ、１
７ｂ及び周波数カウンタ２０ａ、２０ｂは、共通の外部
演算処理装置２５に電気的に接続されている。

【００２４】次に、図２及び図３の加工装置を用いて、
水晶振動子１の周波数を調整する工程について説明す
る。先ず、両ポンプ２１、２２を駆動して真空チャンバ
１０内部を１３３×１０^-3Pa程度まで真空排気した後、
各ガス供給源２３、２４から所定の反応ガス及びアシス
トガスを供給する。本実施例では、反応ガスとしてＣＦ
４またはＣ２Ｆ６のようなフレオン系ガスを使用し、か
つアシストガスとして酸素を導入する。この状態で交流
電源１３ａ、１３ｂから所定の電圧を反応性イオンエッ
チング装置１２ａ、１２ｂに印加すると、前記イオンガ
ンの電極棒と外周部との間でプラズマが発生し、それに
よりフッ素ラジカル及び酸素ラジカル等のイオン化され
た粒子が生成される。この反応性のイオン化された粒子
は、イオン流となって、前方の水晶振動子に向けて照射
される。

【００２５】コンベア装置１１は、各水晶振動子１がそ
れぞれ対応する反応性イオンエッチング装置１２ａ、１
２ｂの正面の所定の照射位置に来ると停止する。次に、
駆動装置１７ａ、１７ｂを駆動して各プローブ１８ａ、
１８ｂをそれぞれ対応する水晶振動子のリード線８に接
続させる。次に、駆動装置１４ａ、１４ｂを駆動してシ
ャッタ１５ａ、１５ｂを開くと、図４に示すように前記
各反応性イオンエッチング装置から照射されるイオン流
２６がマスク１６ａ、１６ｂを通過して水晶振動子の重
り部に照射される。これにより、前記マスクで選択され
た各水晶振動子の重り部９ａ、９ｂ表面の領域の材料が
物理的かつ化学的にエッチングされ、部分的に除去され
る。このとき、酸素をアシストガスとして導入したこと
により、イオン流中のフッ素プラズマの寿命を長くし
て、加工を安定させることができ、しかも分離した炭素
原子を二酸化炭素にして排出することができる。

【００２６】本実施例では、予め第１の反応性イオンエ
ッチング装置１２ａと第２の反応性イオンエッチング装
置１２ｂとで加工レートが異なるように、即ちコンベア
移動方向Ａに沿って下流側の加工レートが小さくなるよ
うに設定されている。イオン流照射中の各水晶振動子の
周波数は、プローブ１８ａ、１８ｂからフィクスチャ１
９ａ、１９ｂを介してそれぞれ周波数カウンタ２０ａ、
２０ｂにより計測され、演算処理装置２５に送られる。

【００２７】加工レートが高い第１の反応性イオンエッ
チング装置では、目的の周波数に対して或る一定の範囲
まで近付ける周波数の粗調整が行われ、加工レートの低
い第２のエッチング装置では、目的の周波数に合わせ込
む微調整が行われる。演算処理装置２５は、各周波数カ
ウンタ２０ａ、２０ｂから送られる加工中の周波数デー
タに基づいて、それが所定の目的値に達すると駆動装置
１４ａ、１４ｂを動作させ、シャッタ１５ａ、１５ｂを
閉じてイオン流を遮断することにより、各水晶振動子の
周波数調整加工を制御する。

【００２８】別の実施例では、前記各反応性イオンエッ
チング装置と対向する水晶振動子との距離を、適当な駆
動手段を用いて段階的に又は連続的に変化させることに
より、加工レートを制御することができる。この場合、
第１及び第２の反応性イオンエッチング装置の加工レー
トを同一にし、同時に２個の水晶振動子の周波数調整を
行うこともできる。

【００２９】前記各シャッタが閉じてイオン流の照射が
遮断され、周波数調整が終了すると、駆動装置１７ａ、
１７ｂを駆動して各プローブ１８ａ、１８ｂを水晶振動
子のリード線８から解除する。最後に、コンベア装置１
１を駆動して、加工済みの水晶振動子を真空チャンバ１
０内から搬出し、又は次の照射位置に移動させる。この
工程を繰り返すことにより、多数の音叉型水晶振動子を
自動的にモニターしながら所望の値又は範囲に周波数調
整することができる。

【００３０】（実施例）図１に示す音叉型水晶振動子に
ついて、以下のエッチング条件で周波数調整を行った。反応ガス及び流量：ＣＦ₄ ０．０１〜０．２ L/min Ｏ_1/2 ０．００１〜０．０５ L/min 放電時の真空度：１．３３〜１３３ Pa 使用電源及び出力：高周波交流電源１３．５６ＭＨｚ粗調時：１００〜４００Ｗ微調時：２０〜２００Ｗ

【００３１】上記条件に従って本発明の方法により周波
数調整した水晶振動子の周波数と、比較例として従来の
レーザ加工による周波数調整を行った水晶振動子の周波
数について、その経時変化をそれぞれ測定したところ、
図５に示すような結果が得られた。同図から分かるよう
に、本発明を適用した水晶振動子は、周波数の経時変化
が大幅に小さくなっており、良好なエージング特性を示
すことが分かる。

【００３２】以上本発明の好適な実施例について詳細に
説明したが、本発明の上記実施例に様々な変更・変形を
加えて実施することができる。例えば、エッチング条件
は真空チャンバの容積やイオンガンと水晶振動子との距
離等の要件によって様々に適当に設定される。イオン流
によるエッチングにおけるイオン源としての反応ガス
は、フレオン系ガス以外にＡｒ等の不活性ガスを用いる
ことができる。また、反応性イオンエッチング装置は、
上記以外の様々な構造のものを使用でき、真空チャンバ
にコンベア装置の移動方向に沿って３つ以上の多数の装
置を配設することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の音叉型圧
電振動片の製造方法によれば、反応性イオンエッチング
により圧電体素子片の材料自体の質量を減らして周波数
を調整することにより、圧電振動片の各腕部先端の重り
部に電極膜を形成する必要が無いので、工数が大幅に削
減して生産効率が向上し、かつ電極材料の使用量を大幅
に減少しかつ重り部を成膜するためのマスク等が不要に
なるので、製造コストを大幅に低減することができる。
更に、従来のような加工後の重り部表面の劣化による周
波数の経時変化が無く、優れたエージング特性の高精度
で安定した高信頼性の音叉型圧電振動片、及び振動子が
得られる。

【００３４】また、本発明の周波数調整加工装置によれ
ば、音叉型圧電振動片の製造工程にインライン化して、
上述した本発明の周波数調整を容易に実現でき、高品質
の音叉型圧電振動片を効率良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による音叉型水晶振動片の実施例を示す
平面図。

【図２】本発明による周波数調整加工装置の実施例の構
成を示す概略ブロック図。

【図３】図２の周波数調整加工装置を示す概略斜視図。

【図４】振動片の周波数調整を行う工程を示す概略図。

【図５】本発明による水晶振動子のエージング特性を従
来例と比較して示す線図。

【符号の説明】

１音叉型水晶振動子２水晶振動片３プラグ４金属ケース５ａ、５ｂ平面電極６ａ、６ｂ側面電極７ａ、７ｂランド８リード線９ａ、９ｂ重り部１０真空チャンバ１１コンベア装置１２ａ、１２ｂ反応性イオンエッチング装置１３ａ、１３ｂ交流電源１４ａ、１４ｂ駆動装置１５ａ、１５ｂシャッタ１６ａ、１６ｂマスク１７ａ、１７ｂ駆動装置１８ａ、１８ｂプローブ１９ａ、１９ｂフィクスチャ２０ａ、２０ｂ周波数カウンタ２１メカニカルブースタポンプ２２ロータリポンプ２３、２４ガス供給源２５演算処理装置２６イオン流

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年２月３日（２０００．２．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】（実施例）図１に示す音叉型水晶振動子に
ついて、以下のエッチング条件で周波数調整を行った。反応ガス及び流量：ＣＦ₄ ０．０１〜０．２ L/min Ｏ₂ ０．００１〜０．０５ L/min 放電時の真空度：１．３３〜１３３ Pa 使用電源及び出力：高周波交流電源１３．５６ＭＨｚ粗調時：１００〜４００Ｗ微調時：２０〜２００Ｗ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２個の腕部を有する音叉形状の圧電体
素子片を準備する工程と、前記両腕部の先端に前記圧電
体素子片の材料面が露出する重り部を設けるように、前
記圧電体素子片の表面に電極を成膜する工程と、反応性
のイオン化した粒子を照射することにより前記重り部の
表面を部分的に除去して周波数を調整する工程とを備え
ることを特徴とする音叉型圧電振動片の製造方法。
【請求項２】前記周波数をモニターしながら調整す
ることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動片
の製造方法。
【請求項３】モニターされる前記周波数に対応し
て、前記重り部表面を部分的に除去する加工レートを減
少させることを特徴とする請求項２に記載の音叉型圧電
振動片の製造方法。
【請求項４】前記加工レートを段階的に変化させる
ことを特徴とする請求項３に記載の音叉型圧電振動片の
製造方法。
【請求項５】前記反応性のイオン化した粒子を生成
するイオン材料がフレオン系ガスであることを特徴とす
る請求項１乃至４のいずれかに記載の音叉型圧電振動片
の製造方法。
【請求項６】更に酸素ガスを使用することを特徴と
する請求項５に記載の音叉型圧電振動片の製造方法。
【請求項７】真空チャンバと、前記真空チャンバ内
において、音叉型圧電振動片の両腕部先端に設けた圧電
体素子片の材料面を露出させた重り部に、反応性のイオ
ン化した粒子を照射する手段と、前記反応性のイオン化
した粒子を生成するイオン材料の供給源と、前記音叉型
圧電振動片の電極に接続してその周波数を測定する手段
とを備えることを特徴とする音叉型圧電振動片の周波数
調整加工装置。
【請求項８】前記音叉型圧電振動片を前記真空チャ
ンバ内に搬入・搬出する搬送機構を更に備えることを特
徴とする請求項７に記載の音叉型圧電振動片の周波数調
整加工装置。
【請求項９】前記搬送機構の搬送方向に沿って、加
工レートが異なる複数の前記反応性のイオン化した粒子
を照射する手段を備えることを特徴とする請求項８に記
載の音叉型圧電振動片の周波数調整加工装置。
【請求項１０】前記反応性のイオン化した粒子を照射
する手段とそれにより加工される前記音叉型圧電振動片
との離隔距離を変化させる加工レート調整手段を更に備
えることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載
の音叉型圧電振動片の周波数調整加工装置。
【請求項１１】前記周波数を測定する手段によりモニ
ターされる前記音叉型圧電振動片の周波数に対応して、
前記加工レート調整手段を制御する手段を備えることを
特徴とする請求項１０に記載の音叉型圧電振動片の周波
数調整加工装置。
【請求項１２】基端部から長手方向に延長する２個の
腕部を有する音叉形状の圧電体素子片からなり、その表
面に形成された電極パターンと、前記両腕部の先端に前
記圧電体素子片の材料面が露出する重り部とを備え、前
記重り部が周波数調整のために部分的に除去されている
ことを特徴とする音叉型圧電振動片。
【請求項１３】請求項１乃至６のいずれかに記載の方
法により前記重り部が部分的に除去されていることを特
徴とする音叉型圧電振動片。
【請求項１４】請求項１２又は１３に記載の音叉型圧
電振動片と、前記圧電振動片を前記基端部においてマウ
ントするプラグと、前記プラグにマウントされた前記圧
電振動片を気密に収納するケースとを備えることを特徴
とする音叉型圧電振動子。