JP2008078869A - 振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】調整範囲が広く、製造が容易であるとともに、調整精度が高い振動子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の振動子の製造方法は、振動子の一部を加工して質量除去することによって振動特性の調整を行う調整工程を有する振動子の製造方法であって、前記調整工程は、前記振動特性の測定を行いながら前記振動特性の調整を同時に行う工程を含むことを特徴とする。振動特性としては、周波数や等価直列抵抗値が好ましい。また、質量を除去する加工としては、フェムト秒レーザを用いて加工することが好ましい。これにより、周波数の調整範囲および等価直列抵抗値の調整範囲が広く、短時間で製造が容易であり歩留りの良い振動子の製造方法を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、時計や移動体通信機の基準信号源として用いられる振動子の製造方法に関する。

時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する振動脚を持った、音叉型の振動子が広く用いられている。音叉型の振動子１は、図５に示すように一つの基部４１と基部４１から伸びる２本の振動脚３１と基部４１から振動脚３１とは反対方向にあり振動子３１とパッケージ（図示せず）との固定に用いられる支持部４３および基部４１と支持部４３とをつなぐ縊れ部４５によって構成されている。図５では基部４１と支持部４３が縊れ部４５によって明確に分離されているが、縊れ部４５がなく基部４３と支持部４５が連続しているものもある。

音叉型の振動子１は振動脚３１の脚幅および脚長によってその共振周波数が決まるため、均一な脚幅と脚長を得るためにフォトリソグラフィの技術によって製造される。図６は水晶からなる振動子（水晶振動子）の製造工程の概略を示した流れ図である。水晶振動子は、水晶原石より切り出され研磨加工が施されて所定の厚みに調整された水晶ウエハを出発点として、順次フォトリソグラフィの技術を用いて形成される。

まず、振動子１の外形がエッチングにより形成される（外形エッチング工程）。続いて電極が形成される（電極形成工程）。この時、振動子１の共振周波数は目的の周波数（例えば３２．７６８ｋHz）より少し高い周波数となっている。次に周波数調整用の金属膜が振動脚３１の先端付近に蒸着やスパッタリングによって形成される（調整用金属膜形成工程）。

この周波数調整用の金属膜は調整のための充分な質量を持つ必要があるので、１μｍ〜数μｍの厚さがあり、他の電極用の金属膜の厚さが０．１μｍ前後であるのに比べて厚い金属膜である。振動子１の共振周波数は金属膜が錘となることによって低下し、目的の周波数以下となる。この様に水晶ウエハ上に多数個形成された振動子１は、次の工程で個々にその共振周波数を測定し、その後に金属膜をレーザ光等で除去することによって周波数調整が行われる（周波数調整工程）。

また、振動子１の2本の振動脚３１は加工誤差によるアンバランスがあるとＣＩ値（クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗）が大きくなってしまうので、これを調整するために2本の振動脚の一方のみの金属膜をレーザ光により除去し、2本の振動脚のバランスを調整してＣＩ値を低下させることも行われている。

さらに、特許文献１では振動脚１の先端にレーザ光を照射し水晶を直接切断してバランス調整によるＣＩ値低下、および周波数調整を行う技術が開示されている。
特開２０００−２７８０６６号公報（第２−３頁、図１）

しかしながら、上述した従来の技術では、金属膜を除去する方法では金属膜の面積と厚さによって調整範囲が制限されるので、振動子の出来上がり寸法次第では調整しきれない場合があるという課題があった。特に、ＣＩ値調整を行う場合には周波数調整で除去される金属膜に加えてＣＩ値調整で除去される金属膜が必要であり、同じ面積、同じ厚さの金
属膜を付着したのでは、周波数調整とＣＩ値調整のそれぞれの調整範囲が小さくなるため調整しきれない場合が多数生じるという課題があった。

また、特許文献１に示された方法では、レーザ光源として特に指定がないが、通常のＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザを用いたのでは、加工は主に熱歪みによる破壊を基に生じるため照射による加工量が大きく、微細な調整を行うことが出来ないという課題があった。さらに、加工量が大きいので加工時において発振が安定せず、ＣＩ値や共振周波数を測定しながら加工することが困難であるという課題があった。

また、特許文献１に示された調整方法では、振動脚部をレーザにて切断した後にＣＩ値や共振周波数を測定し、これらの値が所望値に近づくまでレーザでの切断とその後の測定とを繰り返して行う。そのため、所望値まで到達するのに時間がかかり、作業性が悪い。

上記の課題を解決するために、本発明の目的は、周波数調整範囲およびＣＩ値調整範囲が広く、短時間で製造が容易であり歩留りの良い振動子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の振動子の製造方法は、
振動子の一部を加工して質量除去することによって振動特性の調整を行う調整工程を有する振動子の製造方法において、前記調整工程は、前記振動特性の測定を行いながら前記振動特性の調整を同時に行う工程を含むことを特徴とする。

これによって振動特性の調整範囲を広くすることが出来、短時間で製造が容易となるとともに振動特性の調整精度が向上するという効果がある。

また、前記振動特性は、周波数または等価直列抵抗値であることを特徴とする。

周波数および等価直列抵抗値は振動子における振動特性の中でも基本性能であり、振動特性を周波数または等価直列抵抗値にすることによって、良好な基本性能を持つ振動子を容易に得ることが出来るという効果がある。

また、前記周波数の調整は、前記等価直列抵抗値の調整の後に行うことを特徴とする。

これによって、等価直列抵抗値が定まってから周波数の調整が行えるので、等価直列抵抗値および周波数の双方を精度良く調整することが出来るという効果がある。また、一度調整した等価直列抵抗値を維持しながら周波数の調整を行うことが出来るという効果がある。

また、前記振動子は２本の振動脚を備えた音叉型の振動子であり、前記周波数の調整は２本の振動脚のそれぞれを略等量加工することによって行うことを特徴とする。

これによって、一度調整した２本の振動脚のバランスを保つことが出来るので、調整した値を維持しながら精度良く周波数の調整を行うことが出来るという効果がある。

また、前記２本の振動脚は、それぞれの周波数変化が等しくなるように前記周波数の調整を行うことを特徴とする。

これによって、周波数の調整における２本の振動子の加工量が等しくなるので、更に、精度良く周波数の調整を行うことができる。

また、前記振動子は２本の振動脚を備えた音叉型の振動子であり、前記等価直列抵抗値の調整は前記２本の振動脚のそれぞれを異量加工することによって行うことを特徴とする。

これによって、精度良く等価直列抵抗値の調整を行うことができる。

また、前記加工にはフェムト秒レーザを用いることを特徴とする。

フェムト秒レーザ加工を用いた加工は熱歪みを利用して破断する加工ではないので、加工量を小さく制御することが出来、加工しながらの測定が容易であり調整精度も向上するという効果がある。

また、前記振動子は水晶からなることを特徴とする。

本発明によれば、振動子における振動特性の調整範囲が広く、短時間で製造が容易であり、歩留りの良い振動子の製造方法を提供できる。

また、調整に用いるための厚い金属膜を形成する必要がないので、工程を簡略にすることが出来るという効果がある。また、金属膜が飛散することがないのでショートが発生することがないという効果がある。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は周波数の調整およびＣＩ値（水晶の場合の等価直列抵抗値）の調整を行うための調整工程に使用される調整装置の概略を示す説明図である。複数の振動子１が形成された水晶ウエハ３がＸＹＺステージ５上に固定されている。振動子１に設けられた電極はプローブ（図示せず）によって導通され、計測手段７に導かれる。計測手段７では振動子１を発振し、振動子１の共振周波数、ＣＩ値などが測定され、その結果がＰＣ９によってモニタされる。ＸＹＺステージ５はＸＹＺステージ駆動装置１１で駆動され、ＸＹＺステージ駆動装置１１に接続されたＰＣ９によって位置（Ｘ、Ｙ）と高さ（Ｚ）が制御される。

さらにＸＹＺステージ５は回転ステージ１３に乗せられており、ＸＹ面内で回転できる様になっている。回転ステージ１３は回転ステージ駆動装置１５に接続され駆動される。回転ステージ駆動装置１５はＰＣ９に接続され、制御される。この他、ＰＣ９にはレーザ照射装置１７、減光フィルタ１９が接続されており、それぞれを制御する。また、ＰＣ９、にはカメラ２１も接続されており、振動子１の画像がＰＣ９に送られている。

レーザ光２３はレーザ照射装置１７を出て、減光フィルタ１９を通って強度が調整された後、ミラー２５で方向が変えられてガルバノミラー２７を経てレンズ２９に導かれる。レンズ２９で集光されたレーザ光２３が、振動子１の振動脚３１の先端部の表面で焦点を結ぶようにＰＣ９によって位置決めされ加工が行われる。ＸＹＺステージ５、および回転ステージ１３は調整する振動子１を選択する際の粗い位置決めに用いられ、加工はガルバノミラー２７によってレーザ光２３を走査することで行われる。

レーザ光２３としてはパルス幅が１００ｆｓｅｃ程度の、いわゆるフェムト秒レーザを用いると良い。フェムト秒レーザはパルス幅が１００ｆｓｅｃという極短時間なので、熱的なダメージを与えることなく加工ができるという特徴がある。このため、熱歪みにより割れが生じて大きな加工量が生じることがなく、微細な加工を行うことが出来るため、Ｃ
Ｉ値、周波数等の測定も安定に行うことが出来る。よって、加工しながらの測定が容易であり、調整精度も向上する。

調整工程の手順は次の様である。最初に調整前の周波数、ＣＩ値がＰＣ９に記憶される。周波数、ＣＩ値がそれぞれ所定の範囲外の値だった場合、調整が不可能または長時間を要するため調整を中止して不良品と判定する。

周波数、ＣＩ値の値が所定範囲内だった場合は調整が開始される。最初にＣＩ値の調整が行われる。ＣＩ値の調整にはまず、２本ある振動脚３１の一方を少量加工しＣＩ値の変化を見る。そして、ＣＩ値が最初の値と比較して減少した時には、そのまま同じ振動脚３１の加工を続ける。ＣＩ値が増加した時にはバランスが初期状態より悪くなったので、他方の振動脚３１の加工を行う。このとき、振動脚のそれぞれの加工量を異なるようにすることで、精度良くＣＩ値の調整を行うことができる。

そして、本発明の特徴的な部分である、ＣＩ値をモニタ（測定）しならが加工を行って行くと、あるところでＣＩ値がほとんど変化しない様になる。この点が最良のバランス状態なので、加工を中止して次工程の周波数の調整に移る。このように、振動子のＣＩ値を測定しながら加工を行うため、ＣＩ値の目標値に到達するまでに要する時間を短くでき、更に、ＣＩ値の調整範囲を広くできる。図２は実際の加工によりＣＩ値がどのように変化して行くかを示した図であり、加工によってＣＩ値が最小値をとる領域が存在することがわかる。

周波数の調整は以下のように行われる。周波数の調整は、周波数を測定しながら２本の振動脚３１を等量づつ加工することによって行われる。ここで２本の振動脚３１の加工量を等量にするのは、前工程においてＣＩ値の調整をすることによって得た、良好なバランスを崩さないためである。加工位置はＣＩ値の調整を行った部分とは別の部分を加工することが望ましい。これは一方の振動脚ではＣＩ値の調整を行った部分を再度加工し、他方の振動脚では初めて加工する部分を加工したのでは２本の振動脚の加工量に差が生じてバランスが崩れる恐れがあるためである。

以上のように、ＣＩ値及び周波数の調整は、それぞれにＣＩ値と周波数を測定しながら、ＣＩ値と周波数の調整を行うので、ＣＩ値および周波数の調整範囲を広くでき、短時間で良好な振動子を製造できる。また、最初にＣＩ値の調整を行い、その後に周波数の調整を行うことで、ＣＩ値が定まってから周波数の調整が行えるので、ＣＩ値および周波数の双方を精度良く調整することが出来るという効果がある。

また、周波数の調整は２本の振動脚３１を等量ずつ加工することによって行われるため、一度調整した２本の振動脚のバランスを保つことが出来るので、調整したＣＩ値を維持しながら周波数の調整を行うことが出来るという効果がある。

この時点では最終の目的周波数より少し低い周波数を目標に調整が行われる。これは、この時点で最終の目的周波数まで加工を進めてしまうと、この後行われるパッケージへのマウント工程や真空封止の工程により周波数がずれた場合、周波数が低い側にずれた場合には後からさらに加工を進めることによって調整が可能だが、高い側にずれた場合には調整が出来なくなるためである。

振動脚を等量づつ加工するには、それぞれの振動脚３１でのレーザ光の走査距離を等しくすれば良いが、加工面の微小な違いや、加工面の傾きなどにより、走査距離を等しくしただけでは等量の加工ができるとは限らないので、それぞれの振動脚における加工による周波数変化量を等しくするように制御することで行った方が好ましい。

図３はＣＩ値の調整および周波数の調整後における加工済領域を示す図であり、振動脚３１の先端部分の拡大図である。領域Ａ３３がＣＩ値の調整における加工済領域であり、領域Ｂ３５が周波数の調整における加工済領域である。領域Ｂ３５は２本の振動脚３１の両方に存在し、それぞれの領域Ｂ３５の位置はほぼ等しい。

領域Ａ３３は図３では一方の振動脚３１だけにあるが、場合によってはどちらの振動脚３１にもある場合がある。例えば、振動脚３１の一方を最初に加工してＣＩ値が増加した時にはもう一方の振動脚３１を加工して調整するようにする。。

水晶ウエハ上で調整された振動子１は、図４に示すようにセラミックス等で出来たパッケージ３７に接合される（マウント工程）。パッケージ３７にマウントされた振動子１は再度周波数の調整が行われる。この際の周波数の調整は前述した技術と同様に図１に示すようなフェムト秒レーザを用いた調整装置を用いて水晶を直接加工することによっても良いし、イオンミリングやレーザ光によって、別途設けられた調整用の金属膜を加工することによっても良いが、好ましくはイオンミリングにより２本の振動脚の金属膜を同時に加工する方法が望ましい。

これは２本の振動脚を同時に加工することによって前工程までに調整された良好なバランスを維持するためである。なお、水晶ウエハで周波数はおおまかには調整されており、この時点での調整は少量なので加工に用いる金属膜は特に厚い必要はなく。電極３９と同様な厚さで構わない。続いて真空中で封止カバー（図示せず）で気密に真空封止され、完成する。

周波数およびＣＩ値は振動子の基本性能を表す振動特性であるが、以上述べた様に本発明の調整工程によれば周波数およびＣＩ値の調整を短時間で精度良く行うことが出来るので、良好な基本性能を持つ振動子を容易に得ることが出来る。

本実施の形態では音叉型の振動子を例として説明したが、ＡＴ板振動子などの別の振動子においても本発明を同様に用いることができることは明白である。

また、本実施の形態では水晶を材料とした振動子を例として説明したが、これに限らず、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト、ほう酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体などの圧電性単結晶やチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックスを材料とした振動子に本発明が適用できるのは言うまでもないことである。

本発明による調整工程に使用される調整装置の概略を示す説明図である。 本発明によるＣＩ値調整における加工量とＣＩ値の関係を説明する図である。 本発明による調整後の加工済領域を示す図であり、振動脚の先端部分の拡大図である。 本発明による振動子がパッケージにマウントされた様子を示す図である。 音叉型の振動子の構造を説明する図である。 従来の技術における水晶振動子の製造工程を示す流れ図である。

符号の説明

１ 振動子
３ 水晶ウエハ
５ ＸＹＺステージ
７ 計測手段
９ ＰＣ
１１ ＸＹＺステージステージ駆動装置
１３ 回転ステージ
１５ 回転ステージ駆動装置
１７ レーザ照射装置
１９ 減光フィルタ
２１ カメラ
２３ レーザ光
２５ ミラー
２７ ガルバノミラー
２９ レンズ
３１ 振動脚
３３ 領域Ａ
３５ 領域Ｂ
３７ パッケージ
３９ 電極
４１ 基部
４３ 支持部
４５ 縊れ部

Claims (8)

1. 振動子の一部を加工して質量除去することによって振動特性の調整を行う調整工程を有する振動子の製造方法において、
   前記調整工程は、前記振動特性の測定を行いながら前記振動特性の調整を同時に行う工程を含むことを特徴とする振動子の製造方法。
2. 前記振動特性は、周波数または等価直列抵抗値であることを特徴とする請求項１に記載の振動子の製造方法。
3. 前記周波数の調整は、前記等価直列抵抗値の調整の後に行うことを特徴とする請求項２に記載の振動子の製造方法。
4. 前記振動子は２本の振動脚を備えた音叉型の振動子であり、前記周波数の調整は、前記２本の振動脚のそれぞれを略等量加工することによって行うことを特徴とする請求項２または３に記載の振動子の製造方法。
5. 前記２本の振動脚は、それぞれの周波数変化が等しくなるように前記周波数の調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の振動子の製造方法。
6. 前記振動子は２本の振動脚を備えた音叉型の振動子であり、前記等価直列抵抗の調整は、前記２本の振動脚のそれぞれを異量加工することによって行うことを特徴とする請求項２に記載の振動子の製造方法。
7. 前記加工にはフェムト秒レーザを用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。
8. 前記振動子は水晶からなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の振動子の製造方法。

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