JP2006033354A - 圧電振動子の周波数調整方法、圧電振動子および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動子の周波数を高精度に合わせ込みをすることができる、圧電振動子の周波数調整方法を提供する。
【解決手段】 音叉腕２、３と、音叉腕２、３の一方の端部を接続する音叉基部４とを備え、音叉腕２、３の中心線を挟んだ中央部であり厚さ方向に対向する上下面に溝部５、６を形成した音叉腕が屈曲振動を行う圧電振動子１において、溝部５、６の溝底部電極７ｂ、８ｂをレーザ光を照射して除去することにより周波数を調整する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、音叉腕が屈曲振動を行う圧電振動子の周波数調整方法および、圧電振動子、電子機器に関する。

近年、携帯用電子機器等の普及により、これらを構成する電子部品の小型化、高精度化の要求がある。携帯用電子機器の基準信号源として用いられる圧電振動子においても、小型化、高精度化が要求され、従来より様々な提案がされている。例えば、特許文献１に示すように、圧電振動子の音叉腕に溝部を設けることにより、振動等価回路における損失を発生させる直列抵抗を減少させ、圧電振動子の小型化を可能とする提案がされている。
また、音叉腕に溝部を形成した圧電振動子の周波数調整方法としては、特許文献１に開示されているように、圧電振動子の音叉腕先端に設けた金属膜にレーザ光を照射して、金属膜の一部を取り除くという一般的な手法により周波数調整が行われている。

特開昭５６−６５５１７号公報

一般に、圧電振動子の周波数調整においては、音叉腕先端に質量を付加するか、あるいは質量を除去して周波数調整を行っているが、質量変化に対する周波数の変化は圧電振動子が小さくなるに従い大きくなる。このため、小型化された圧電振動子の周波数を所望の値に合わせ込むためには、蒸着などで質量を付加する場合、微量の蒸着量制御が必要であり、また、レーザ光などを照射して質量を除去するには、レーザ光のスポット径を小さくするなどの方法が必要となる。しかしながら、微量の蒸着量制御やレーザ光のスポット径を小さくすることには限界があり、小型化された圧電振動子において、周波数を所望の値に精度よく合わせ込めないという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、特に小型化された圧電振動子の周波数を、高精度に合わせ込める圧電振動子の周波数調整方法を提供することにある。また、他の目的として、本発明の圧電振動子の周波数調整方法で周波数調整された圧電振動子および、その圧電振動子を備えた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、音叉腕と、前記音叉腕の一方の端部を接続する音叉基部と、を備え、前記音叉腕の中心線を挟んだ略中央部であり厚さ方向に対向する上下面に溝部を形成した前記音叉腕が屈曲振動を行う圧電振動子であって、前記溝部の質量を調整することにより周波数調整をすることを特徴とする。

このように、音叉腕に形成された溝部の質量を調整することにより、音叉腕の先端部の質量調整に比べて、質量変化に対する周波数の変化が小さく、精度の良い圧電振動子の周波数調整が可能となる。このことから、特に小型の圧電振動子において、高精度に周波数を合わせ込みをすることができる。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記溝部の底部および側面部に底部電極および溝側面電極を形成し、前記溝部の底部電極の質量を調整することにより周波数調整を行うことを特徴とする。

このように、音叉腕の溝部に設けられた底部電極は音叉腕の屈曲振動には直接関与しないため、底部電極に付加あるいは除去される質量は質量効果として周波数を変化させることができる。その結果、圧電振動子の振動特性に影響を与えず、良好に圧電振動子の周波数を調整することが可能となる。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記溝部の底部電極の一部を、レーザ光を照射して除去することを特徴とする。

このように、レーザ光を照射して容易に底部電極の一部を除去でき、精度の良い周波数調整を可能にする。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記音叉腕の開放された先端から前記音叉基部に向かう方向に順次レーザ光を照射して、前記溝部の底部電極の一部を除去することを特徴とする。

このように、音叉基部に近づくに従い、質量変化に対する周波数の変化は小さくなり、精度の良い周波数調整を可能にする。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記音叉腕は２つの音叉腕からなり、一方の前記音叉腕と他方の前記音叉腕における質量の調整量は、両音叉腕で略同量であることが望ましい。

このようにすれば、２つの音叉腕の質量を同じくすることができ、安定した屈曲振動を得ることができる。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記音叉腕は２つの音叉腕からなり、一方の前記音叉腕と他方の前記音叉腕における質量の調整量は、両音叉腕で異なる量であっても良い。

このようにすれば、２つの音叉腕の質量が微量には異なるが、周波数調整量は、２つの音叉腕を調整した場合のほぼ半分となり、周波数調整の精度を上げることができる。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記溝部の前記底部電極に順次レーザ光を照射するピッチが、レーザ光のスポット径より小さいことを特徴とする。

このようにすれば、周波数調整におけるレーザ光の照射スポットが重なり合うことになる。つまり、前のレーザ光を照射して除去したスポットに、次のレーザ光の照射スポットが重なり、底部電極を除去する面積を小さくすることができる。このことから、除去する質量も小さくなり、振動子の周波数変化を小さくでき、精度の良い周波数調整が可能となる。

また、本発明の圧電振動子の周波数調整方法は、前記溝部の質量を調整することにより周波数調整をする周波数調整方法を、周波数の最終調整工程に用いたことを特徴とする。

このようにすれば、振動子の周波数を大きく調整しなければならないときには、従来のように音叉腕の先端部の質量をまず粗く調整して周波数調整を行い、最終の微量の周波数調整として溝部の質量を調整すれば、短時間に効率よく精度の良い周波数調整が可能となる。

また、本発明に係る圧電振動子は、上記の周波数調整方法で周波数調整されたことを特徴とする。

このように、本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法を用いれば、精度よく周波数調整された圧電振動子を提供できる。

また、本発明に係る電子機器は、上記圧電振動子を備えることを特徴とする。

このように、電子機器に精度良く周波数調整された圧電振動子を備えており、特性の優れた電子機器を提供できる。

以下、本発明の実施形態について図面に従って説明する。
（第１の実施形態）

図１（ａ）は、本発明に係る圧電振動子の構成を示す平面図、図１（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う断面図である。
水晶などの圧電材料からなる圧電振動子１は、２つの音叉腕２、３を有している。音叉腕２、３の一方の端部はそれぞれ音叉基部４に接続され、他方の端部は開放されている。
音叉腕２、３の幅方向の中心線を挟んだ中央部には溝部５、６が形成され、この溝部５、６は音叉腕２、３の厚さ方向に対向する上下面に設けられている。
また、圧電振動子１には励振電極７、８が設けられ、音叉腕２、３を屈曲振動できるように構成されている。さらに、音叉腕２、３の開放された先端部には重り９が設けられている。励振電極７、８はＡｕなどの金属膜で形成され、重り９はＡｇやＡｕなどの金属膜で形成されている。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ａ）に示す音叉腕２のＢ−Ｂ断線に沿う模式断面図であり、本発明に係る圧電振動子の振動原理を説明する説明図である。
音叉腕２の溝部５の側面には溝側面電極８ａおよび、溝底部には底部電極８ｂが設けられている。これらの溝側面電極８ａおよび、底部電極８ｂは、図１で示した励振電極８に含まれるものであり、励振電極８として同電極となるように構成されている。また、音叉腕２の側面には側面電極７ａ設けられている。側面電極７ａは、図１で示した励振電極７に含まれるもので、励振電極７として同電極となるように構成されている。そして、励振電極７、８はお互いに異なる電極となるように構成される。

次に、このような、音叉腕２の励振電極７、８の構成において、音叉腕２の動作について説明する。
図２（ａ）に示すように、側面電極７ａに正の電圧、溝側面電極８ａおよび溝底部電極８ｂに負の電圧が印加されると、側面電極７ａから溝側面電極８ａの向き（矢印に示す向き）に電界が働く。
また、図２（ｂ）に示すように、側面電極７ａに負の電圧、溝側面電極８ａおよび溝底部電極８ｂに正の電圧が印加されると、溝側面電極８ａから側面電極７ａの向き（矢印に示す向き）に電界が働く。

このように、音叉腕２の中央から見ると、音叉腕２の右側と左側では電界の方向が逆であるため、左右の一方が伸びの歪を生ずれば、他の一方では縮みの歪が生じ、音叉腕２は屈曲する。そして、側面電極７ａと溝側面電極８ａおよび溝底部電極８ｂ（励振電極７と励振電極８）に交番電圧を印加すれば、音叉腕２が屈曲振動をする。
また、この音叉腕２に働く電界は対向する側面電極７ａと溝側面電極８ａに垂直な成分のみとなる。このため、上記のような構成にすれば、音叉腕２を効率よく励振させることができ、圧電振動子の小型化を可能にする。
なお、上記の説明では溝底部電極８ｂを設けた形態にて説明したが、対向する側面電極７ａと溝側面電極８ａを異なる電極として構成すれば、溝底部電極８ｂは音叉腕２の屈曲振動には直接関与しないため、溝底部電極８ｂを設けない構成としても良い。

次に、本実施形態の圧電振動子の周波数調整方法について説明する。
図３は圧電振動子の周波数調整工程を説明するフローチャートである。
ステップＳ１では、図１に示したように、圧電振動子１の音叉腕２、３先端部にＡｕやＡｇを蒸着やスパッタにより、重り９を形成する。

次に、圧電振動子１を収容容器に固定するマウント工程に進む（ステップＳ２）。図６（ａ）は圧電振動子を収容容器にマウントした状態を示す平面図である。
セラミックスなどで形成した収容容器２１は、一面が開放されて凹部が設けられている。凹部には台座２２が形成され、この台座２２に圧電振動子１が導電性接着剤２３にて接着固定される。また、図示しないが、圧電振動子１の励振電極と収容容器２１に配置された回路配線とが、導電性接着剤２３を介して電気的な接続がなされている。

次に、ステップＳ３に進み、封止工程となる。図６（ｂ）は封止工程後の状態を示す概略断面図である。収容容器２１の上部から、透明なガラス材で形成されたリッド２４を配置し、収容容器２１内を真空雰囲気に保持して封止され、圧電振動子１がパッケージされた状態となる。

その後、ステップＳ４からステップＳ６で圧電振動子の周波数調整が行われる。これらの周波数調整では、図６（ｂ）に示したパッケージされた圧電振動子１の透明なリッド２４ごしにレーザ光を照射して、音叉腕に形成した重りや電極を除去して行う。
周波数調整前の圧電振動子１の周波数は、重り９の付加により、所望の周波数より低く設定されており、重りや電極を除去することにより、周波数を高くする方向で周波数調整が行われる。
図４は圧電振動子の周波数の調整方法を説明する平面図であり、図４（ａ）は周波数調整１、図４（ｂ）は周波数調整２、図４（ｃ）は周波数調整３の工程に対応する平面図である。

ステップＳ４の周波数調整１の工程では、図４（ａ）に示すように、圧電振動子１の音叉腕２、３先端に形成された重り９にレーザ光スポット１０ａを照射して、重り９の一部を除去する。
この工程では、圧電振動子１の周波数が周波数調整１として決められた所定の値になるまで、数回、音叉腕２、３の重り９にレーザ光スポット１０ａを照射して、重り９の一部を除去する。また、重り９の一部の除去は、振動のバランスを考慮して音叉腕２、３でほぼ同量になるように設定されている。
周波数調整１の工程での調整では、除去した重り９の質量効果により、圧電振動子１の周波数変化は大きく、周波数を粗く調整する。

次にステップＳ５の、周波数調整２の工程に進む。周波数調整２の工程では、図４（ｂ）に示すように、音叉腕２、３の先端から少し音叉基部４に近づいた部分にレーザ光スポット１０ｂを照射する。この部分には、圧電振動子１表面に引き回された励振電極７、８の一部が配設されており、レーザ光スポット１０ｂを照射することにより、励振電極７、８の一部を除去する。
この工程では、圧電振動子１の周波数が周波数調整２として決められた所定の値になるまで、数回、音叉腕２、３の励振電極７、８にレーザ光スポット１０ｂを照射して、励振電極７、８の一部を除去する。また、励振電極７、８の一部の除去は、振動のバランスを考慮して音叉腕２、３でほぼ同量になるように設定されている。
周波数調整２の工程での調整では、除去した励振電極７、８の質量効果により、圧電振動子１の周波数を調整できる。励振電極７、８の厚みは重り９の厚みに比べて充分に薄く形成されており、１回のレーザ光スポットの照射における周波数の変化は、周波数調整１に比べて小さい。このように、周波数調整２は周波数調整１に比べて、精度の高い調整が可能である。
次に、小型化された圧電振動子など、さらに精度の高い周波数調整が必要な場合には、本発明の要旨であるステップＳ６の周波数調整３を行う。

ステップＳ６の周波数調整３の工程では、図４（ｃ）に示すように、音叉腕２、３に設けられた溝部５、６にレーザ光スポット１０ｃを照射する。この部分には、圧電振動子１表面に引き回された励振電極７、８の一部である溝底部電極７ｂ、８ｂが配設されており、レーザ光スポット１０ｃを照射するすることにより、溝底部電極７ｂ、８ｂの一部を除去する。
この工程では、圧電振動子１の周波数が周波数調整３として決められた所定の値（所望の最終周波数）になるまで、音叉腕２、３の溝底部電極７ｂ、８ｂにレーザ光スポット１０ｃを照射して、溝底部電極７ｂ、８ｂの一部を除去する。このとき、複数回のレーザ光スポット１０ｃを照射する必要があるときには、音叉腕２、３の先端から音叉基部４に向かう方向に、順次レーザ光スポット１０ｃを照射していく。
また、溝底部電極７ｂ、８ｂの一部の除去は、振動のバランスを考慮して音叉腕２、３でほぼ同量であることが望ましい。

周波数調整３の工程での調整では、除去した溝底部電極７ｂ、８ｂの質量効果により、圧電振動子１の周波数を調整できる。溝底部電極７ｂ、８ｂの厚みは周波数調整２で除去する励振電極７、８と同じであるが、周波数調整３で除去する位置が、音叉基部４に近いため、１回のレーザ光スポットの照射における周波数の変化は小さい。このように、周波数調整３は周波数調整２に比べて、精度の高い調整が可能である。
また、周波数調整３では、音叉腕２、３の先端から音叉基部４に向かう方向に、順次レーザ光スポット１０ｃを照射することに従い、レーザ光スポット１０ｃの照射位置は音叉基部４に近づいていく。このことは、微量ではあるが、１回のレーザ光スポットの照射における周波数の変化は小さくなっていく。このことからも、精度の高い周波数調整が可能となる。
また、溝底部電極７ｂ、８ｂは音叉腕２、３の屈曲振動には直接影響を与えないため、溝底部電極７ｂ、８ｂを除去しても圧電振動子１の特性には影響を与えず、周波数の調整ができる。

上記の実施形態で説明したレーザ光としては、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ₄レーザ、ＹＬＦレーザなどのレーザ光を利用できる。また、レーザ光スポット径はφ１５μｍからφ５μｍ程度のものが使用される。
なお、上記実施形態では、周波数調整前の圧電振動子１の周波数を、所望の周波数より低く設定しておき、重りや電極などの質量を除去することにより、周波数を高くする方向で周波数調整を行ったが、周波数調整前の圧電振動子１の周波数を、所望の周波数より高く設定しておき、質量を除去する位置と同様な位置に質量を付加して、周波数を低くする方向で周波数調整をすることもできる。

以上のように、音叉腕２、３に形成された溝部５、６の質量を調整することにより、音叉腕２、３の先端部の質量調整に比べて、質量変化に対する周波数の変化が小さく、精度の良い圧電振動子の周波数調整が可能となる。このことから、特に小型の圧電振動子において、周波数調整の最終調整工程にこの方法を用いれば、高精度に周波数を合わせ込みをすることができる。
（変形例）

図５は、本発明の実施形態の変形例を示す説明図である。
図５（ａ）では、周波数調整３の工程において、音叉腕２の底部電極８ｂには２回のレーザ光スポット１０ｃを照射し、音叉腕３の底部電極７ｂには１回のレーザ光スポット１０ｃを照射して周波数調整を終了している。つまり、音叉腕２と３では異なる質量で圧電振動子１の周波数が調整されている。
２つの音叉腕２、３の質量は微量には異なるが、周波数調整量は２つの音叉腕を同質量で調整した場合のほぼ半分となり、周波数調整の精度を上げることができる。
特に最終の周波数調整であれば、音叉腕の質量差は微量であり、圧電振動子１の振動に対して特性に影響をすることはない。

図５（ｂ）では、周波数調整３の工程において、音叉腕２、３の底部電極７ｂ、８ｂに順次レーザ光スポット１０ｃを照射するピッチが、レーザ光のスポット径より小さく設定されている。このようにすると、レーザ光スポット１０ｃが重なり合い、２回目のレーザ光スポット１０ｃ照射以降、底部電極７ｂ、８ｂを除去する面積を小さくすることができる。このことから、除去する質量が少なくなり、圧電振動子１の周波数変化を小さくでき、精度の良い周波数調整が可能となる。

図５（ｃ）では、周波数調整３の工程において、音叉腕２、３の底部電極７ｂ、８ｂにレーザ光スポット１０ｃを照射するピッチを音叉基部４に向かい、順次大きくなるよう設定されている。
このように、音叉基部４に近くなるに従い、１回のレーザ光スポット１０ｃの照射における周波数の変化は小さくなるため、精度の良い周波数調整が可能となる。
（第２の実施形態）

次に、本発明に係る圧電振動子の実施形態について説明する。
図６（ｂ）はパッケージされた圧電振動子の構成を示す概略断面図である。収容容器２１内には圧電振動子１が接着固定され、収容容器２１内を真空雰囲気に保持し、リッド２４により封止され、パッケージされた圧電振動子２０となる。パッケージされた圧電振動子２０の周波数は第１の実施形態で述べた、周波数調整方法を用いて、精度よく調整されている。
このように、第１の実施形態の圧電振動子の周波数調整方法を用いて、周波数を高精度に合わせ込んだ圧電振動子２０を提供できる。
（第３の実施形態）

次に、本発明に係る電子機器の実施形態について説明する。
図７は電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器３０には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２０を備えている。
上記の実施形態の圧電振動子２０を用いた電子機器３０として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器３０において圧電振動子２０は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２０を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。

（ａ）は第１の実施形態の圧電振動子の平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う断面図。 圧電振動子の動作原理を説明する模式断面図。 周波数調整工程を説明するフローチャート。 圧電振動子の周波数調整の調整方法を説明する平面図であり、（ａ）は周波数調整１、（ｂ）は周波数調整２、（ｃ）は周波数調整３に対応する平面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は第１の実施形態の変形例を示す平面図。 （ａ）は圧電振動子を収容容器に配置した平面図、（ｂ）はパッケージされた圧電振動子の概略断面図。 電子機器の構成を示す構成図。

符号の説明

１…圧電振動子、２、３…音叉腕、４…音叉基部、５、６…溝部、７、８…励振電極、７ａ…側面電極、７ｂ…溝底部電極、８ａ…溝側面電極、８ｂ…溝底部電極、９…重り、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…レーザ光スポット、２０…パッケージされた圧電振動子、３０…電子機器。

Claims (10)

1. 音叉腕と、前記音叉腕の一方の端部を接続する音叉基部と、を備え、前記音叉腕の中心線を挟んだ略中央部であり厚さ方向に対向する上下面に溝部を形成した前記音叉腕が屈曲振動を行う圧電振動子であって、前記溝部の質量を調整することにより周波数調整をすることを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
2. 前記溝部の底部および側面部に底部電極および溝側面電極を形成し、前記溝部の底部電極の質量を調整することにより周波数調整を行うことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の周波数調整方法。
3. 前記溝部の底部電極の一部を、レーザ光を照射して除去することを特徴とする請求項２記載の圧電振動子の周波数調整方法。
4. 前記音叉腕の開放された先端から前記音叉基部に向かう方向に順次レーザ光を照射して、前記溝部の底部電極の一部を除去することを特徴とする請求項３記載の圧電振動子の周波数調整方法。
5. 前記音叉腕は２つの音叉腕からなり、一方の前記音叉腕と他方の前記音叉腕における質量の調整量は、両音叉腕で略同量であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の周波数調整方法。
6. 前記音叉腕は２つの音叉腕からなり、一方の前記音叉腕と他方の前記音叉腕における質量の調整量は、両音叉腕で異なる量であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子の周波数調整方法。
7. 前記溝部の前記底部電極に順次レーザ光を照射するピッチが、レーザ光のスポット径より小さいことを特徴とする請求項３および４記載の圧電振動子の周波数調整方法。
8. 請求項１記載の振動子の周波数調整方法を、周波数の最終調整工程に用いたことを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
9. 請求項１乃至８いずれか一項記載の周波数調整方法を用い、周波数調整されたことを特徴とする圧電振動子。
10. 請求項９記載の圧電振動子を備えることを特徴とする電子機器。
    
    
    

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