JP2011250225A - 圧電デバイス、および圧電デバイスの周波数調整方法 - Google Patents

圧電デバイス、および圧電デバイスの周波数調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 周波数を上昇させたり下降させたりすることができる圧電デバイスを提供する。
【解決手段】 第1観点の圧電デバイス(100)は、音叉型の圧電振動片(50)をパッケージ(PKG)内に収納する圧電デバイスである。音叉型の圧電振動片(50)は、圧電材料により形成された基部(23)と基部から所定方向に平行に伸びる一対の振動腕(21)と振動腕の先端側に形成される周波数調整部(26)とを備える。パッケージ(PKG)は、レーザ光(L)が照射されるパッケージの内側の面(BT)に第1金属膜(56)を有する。周波数調整部(26)は、所定方向に伸びる第2金属膜(28a)とレーザ光が透過するように所定方向に伸び第2金属膜が形成されていない電極非形成部(29a)とを有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、一対の振動腕を有する音叉型圧電振動片を備える圧電デバイス、またその周波数調整方法に関する。
従来、励振周波数の調整は音叉型の圧電振動片の振動腕の先端に形成した金属膜をレーザ光で昇華させることで、周波数の調整を行っていた。特許文献1によれば、所定の周波数より低い音叉型圧の電振動片に対して、振動腕の先端に形成した周波数の調整用の金属膜を昇華させることで振動腕を軽くして、励振周波数を上昇させていた。一方、所定の周波数より高い音叉型の圧電振動片に対して、振動腕の近傍のベースに形成された錘用金属膜を昇華させ、振動腕に金属を付着させて振動腕を重くして励振周波数を低下させていた。
特開2003−060470号公報
周波数を上昇させる際には、金属膜が振動腕の先端に形成されているため、金属膜を少し昇華させれば周波数を大きく上昇させることができる。しかし、周波数を下降させる際には、ベースに形成された錘用金属膜が振動腕の基部側の近傍に設けられているため多量の金属を昇華させなければ周波数を大きく下降させることができない。また、周波数を上昇させる場合と下降させる場合とでレーザ光の照射量又は照射時間を大きく変えなければいけない。このため、レーザ光の照射量などの調整が困難であり、音叉型の圧電振動片はその周波数の微調整が困難であった。
本発明は、レーザ光を照射する照射量又は照射時間を大きく変更することなく、周波数を上昇させたり下降させたりすることができる圧電デバイスを提供する。また、その圧電デバイスの調整方法を提供する。
第1観点の圧電デバイスは、音叉型の圧電振動片をパッケージ内に収納する圧電デバイスである。音叉型の圧電振動片は、圧電材料により形成された基部と基部から所定方向に平行に伸びる一対の振動腕と振動腕の先端側に形成される周波数調整部とを備える。パッケージは、レーザ光が照射されるパッケージの内側の面に第1金属膜を有する。周波数調整部は、所定方向に伸びる第2金属膜とレーザ光が透過するように所定方向に伸び第2金属膜が形成されていない電極非形成部とを有する。
第2観点の圧電デバイスにおいて、パッケージは、音叉型の圧電振動片に対向する底面を有するベースと音叉型の圧電振動片に対向する天井面を有しパッケージを封止する透明なリッドとを有し、ベースの底面に第1金属膜が形成されている。
第3観点の圧電デバイスにおいて、パッケージは、音叉型の圧電振動片に対向する底面を有する透明なベースと音叉型の圧電振動片に対向する天井面を有しパッケージを封止するリッドとを有し、リッドの天井面に第1金属膜が形成されている。
第4観点の圧電デバイスの第2金属膜は、所定方向と直交する直交方向に電極非形成部を挟むようにして周波数調整部に形成される。
第5観点の圧電デバイスの電極非形成部と第2金属膜とは、所定方向と直交する直交方向に並んで周波数調整部に形成される。
第6観点の圧電デバイスの周波数調整部の直交方向の幅は、振動腕の直交方向の幅よりも広い。
第7観点の圧電デバイスの周波数調整部の直交方向の幅は、振動腕から先端側になるに従い幅が広く形成されている。
第8観点の圧電デバイスの周波数調整部は、振動腕から幅が広くなり先端側まで同じ幅で形成されている。
第9観点の圧電デバイスの周波数調整方法は、圧電振動片をパッケージ内に収納する圧電デバイスの周波数調整方法である。そして、周波数調整方法は、基部から所定方向に平行に伸びる一対の振動腕と振動腕の先端側に一体に形成される周波数調整部とを有する圧電振動片をパッケージ内に載置する工程と、載置された圧電振動片の周波数を測定する測定工程と、測定工程で測定された周波数が目標周波数よりも高い場合には周波数調整部に形成された電極非形成部を介してパッケージ内に形成された第1金属膜にレーザ光を照射し、測定された周波数が目標周波数よりも低い場合には周波数調整部に形成された第2金属膜にレーザ光を照射する照射工程と、を備える。
本発明によれば、周波数を上昇させる場合と下降させる場合とでレーザ光の照射量又は照射時間を大きく変更することなく調整でき、製造工程における不良品の発生を抑制した圧電デバイスを提供できる。
(a)は、第1圧電デバイス100の平面図である。 (b)は、(a)に示した第1圧電デバイス100のA−A’断面図である。 (a)は、音叉型の第1音圧電振動片50の電極非形成部29aの説明図である。 (b)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜56の大きさを示す説明図である。 圧電デバイス100の周波数調整の工程を説明するフローチャートである。 (a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜56に照射されるレーザ光の照射スポットISを示す図である。 (b)は、第2金属膜28aに照射される照射スポットISを示す図である。 (a)は、第2圧電デバイス110の平面図である。 (b)は、(a)に示した第2圧電デバイス110のB−B’断面図である。 (a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜57に照射される照射スポットISを示す図である。 (b)は、第2金属膜28bに照射される照射スポットISを示す図である。 (a)は、第3圧電デバイス120の平面図である。 (b)は、(a)に示した第3圧電デバイス120のC−C’断面図である。 (a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜58に照射される照射スポットISを示す図である。 (b)は、第2金属膜28cに照射される照射スポットISを示す図である。 (a)は、音叉型の第4水晶振動片70の平面図である。 (b)は、音叉型の第5水晶振動片80の平面図である。 (c)は、音叉型の第6水晶振動片90の平面図である。 (a)は、第4圧電デバイス130の平面図である。 (b)は、(a)に示した第4圧電デバイス130のD−D’断面図である。 (a)は、第5圧電デバイス140の構成を示す斜視図である。 (b)は、(a)に示した第5圧電デバイス140のE−E’断面図である。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の各実施形態において、音叉型の水晶振動片が有する振動腕が伸びる方向をY軸方向とし、振動腕の腕幅方向をX軸方向とし、そのX軸およびY軸方向と直交する方向をZ軸方向とする。
<第1実施形態>
(第1圧電デバイス100の構成)
図1(a)は、リッド53が取り外された第1圧電デバイス100の平面図であり、(b)は、(a)に示した第1圧電デバイス100のA−A’断面図である。なお、図1(a)において、本来電極非形成部29aは透明であり下側が透けて見えるが、白く塗りつぶして下側が見えないように描いてある。
図1(a)に示されるように、音叉型の第1水晶振動片50は、水晶材料によりほぼ矩形に形成された基部23と、基部23からY軸方向に伸びる振動腕21とから構成されている。一対の振動腕21は、基部23より一定の幅(X軸方向)で、ほぼ平行にY軸方向に伸びている。振動腕21の表裏両面には、表面から凹んだ溝部24が形成されている。例えば、一本の振動腕21の表面には1本の溝部24が形成されており、振動腕21の裏面側にも同様に1本の溝部24が形成され、音叉型の第1水晶振動片50のCI値を低下させる効果がある。
振動腕21の先端側には振動腕幅広部26が形成される。振動腕幅広部26は、振動腕21の腕幅よりも広い幅を有しており、振動腕幅広部26の幅(X軸方向)は一定である。振動腕幅広部26は、周波数調整用に形成された第2金属膜28a及び電極(金属)が形成されていない電極非形成部29aを有している。電極非形成部29aは振動腕幅広部26の中央付近でY軸方向に長く形成されている。その電極非形成部29aの周囲に第2金属膜28aが形成される。図1(b)から理解されるように、第2金属膜28aは振動腕幅広部26の表裏両面に形成されているが、一方の面にのみ形成されていてもよい。つまり、電極非形成部29aは、水晶材料が現れた状態であり透明であるためレーザ光を透過させる。振動腕幅広部26は振動腕21に電圧をかけた際に振動しやすくさせ、音叉型の第1水晶振動片50の周波数調整をしやすくするために形成される。
図1(a)に示されるように、音叉型の第1水晶振動片50の振動腕21の側面には、振動腕21に電圧が印加されて振動するように第1励振電極33及び第2励振電極34が形成される。溝部24にも第1励振電極33及び第2励振電極34が形成される。基部23に第1励振電極33及び第2励振電極34と電気的に接続される第1基部電極31及び第2基部電極32が形成される。
第1基部電極31、第2基部電極32、第1励振電極33、第2励振電極34および第2金属膜28aは、ともに、100Å〜700Åのクロム(Cr)層の上に400Å〜2000Åの金(Au)層が形成された構成である。
第1圧電デバイス100はパッケージPKGのキャビティCAV内に音叉型の第1水晶振動片50を入れ、真空状態でリッド53とパッケージPKGとを封止材54により接合して形成される。
図1(b)に示されるように、パッケージPKGは、例えばセラミックからなるセラミックパッケージであり、複数枚のセラミックシートを積層して箱状に形成してある。パッケージPKGの外側の下面には不図示のプリント基板などと接続する外部電極51が設けられ表面実装できるタイプとなる。外部電極51は、タングステンペーストがスクリーン印刷で形成される。パッケージPKGはセラミックだけでなくガラスなどを使用することもできる。
パッケージPKGのキャビティCAVの底面BTには、一対の第1金属膜56(図2(b)参照)が備えられている。なお、図1(a)では、本来第1金属膜56が電極非形成部29aを通して透けて見える。しかし、電極非形成部29aの大きさを明確にするため第1金属膜56が描かれていない。
第1金属膜56は、振動腕21の先端に形成された振動腕幅広部26の電極非形成部29aの直下に配置されている。第1金属膜56は、タングステンメタライズで作成された電極上にニッケルメッキによる下地層を形成させ、その上に金層が形成された構成になっている。
パッケージPKGのキャビティCAVの底面BTには、第1接続電極41及び第2接続電極42が備えられている。第1接続電極41及び第2接続電極42は、パッケージPKGの底面に設けた外部電極51に接続されている。音叉型の第1水晶振動片50の第1基部電極31および第2基部電極32は、導電性接着剤25を介して第1接続電極41および第2接続電極42に接続している。
リッド53は、ガラス又は水晶材料などのレーザ光を透過する材料で形成されている。リッド53はパッケージPKGの側壁59の上部に塗布した封止材54で接合される。
図1(b)に示されるように、リッド53がパッケージPKGの側壁59に封止されている状態で、レーザ光Lはリッド53の外側からキャビティCAVに入射することができる。レーザ光Lは、そのX軸方向又はY軸方向の照射位置によって、リッド53および電極非形成部29aを透過させて第1金属膜56に照射されたり、リッド53を透過させて第2金属膜28aに照射されたりする。
図2は、振動腕21と振動腕幅広部26との大きさの関係を示した図である。また電極非形成部29aと周波数調整用の第1金属膜56との大きさの関係を示した図である。図2(a)は、音叉型の第1水晶振動片50の振動腕21の幅と電極非形成部29aの幅との説明図であり、(b)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜56と電極非形成部29aとの関係を示す説明図である。
図2(a)に示されるように、音叉型の第1水晶振動片50の振動腕21の長さL1は、例えば1.00mm〜1.50mmで形成される。また振動腕21の幅W1は、例えば80μm〜100μmで形成される。振動腕21はその途中から幅W1よりも幅の広い幅W2となり、振動腕幅広部26が形成される。幅W2は幅W1の110%〜130%程度である。振動腕幅広部26の長さL2は、長さL1の10%〜30%である。
振動腕幅広部26の電極非形成部29aの幅W2は、振動腕21の幅W1と同じ幅もしくは振動腕幅広部26の幅W3の半分程度で形成される。電極非形成部29aの長さ(Y軸方向)L3は、振動腕幅広部26の長さ(Y軸方向)L2の60%〜90%で形成される。このため、電極非形成部29aはY軸方向に振動腕幅広部26の中央付近で細長い領域となる。一方、第2金属膜28aは、枠形状になり辺28a1〜辺28a4を有する。これらの辺はレーザ光L(図1参照)が照射される領域になるため、レーザ光Lの照射スポットIS(図4参照)の径と同等又はそれ以上の幅を有することが好ましい。また、第2金属膜28aの辺28a2及び辺28a3は、電極非形成部29aと並列(X軸方向)に形成されている。
図2(b)に示されるように、パッケージPKGの底面BTに形成される第1金属膜56の幅W4は、電極非形成部29aの幅W3より8%以上長く形成される。また、第1金属膜56の長さL4は、電極非形成部29aの長さL3より8%以上長く形成される。不図示の収納装置は、音叉型の第1水晶振動片50をパッケージPKGのキャビティCAVに収納する。その際に、収納装置はパッケージPKGの位置を画像処理し、その結果に基づいて、音叉型の第1水晶振動片50を吸着したハンドアームを移動させて、音叉型の第1水晶振動片50を収納する。画像処理の誤差、ハンドアームの移動誤差などによって、音叉型の第1水晶振動片50はキャビティCAVの所定位置からずれて収納される。しかしほとんどの音叉型の第1水晶振動片50は所定位置からプラスマイナス4〜6%ずれた範囲に収納される。このため、第1金属膜56の長さL4及び幅W4は電極非形成部29aの長さL3及び幅W3より8%以上大きめに形成される。第1金属膜56の長さL4又は幅W4は、電極非形成部29aの長さL3又は幅W3より8%以上長ければその上限はない。しかし、余りに大きな第1金属膜56を形成することは、コスト的に好ましくない。
(第1圧電デバイス100の周波数調整)
本実施形態では、音叉型の第1水晶振動片50がパッケージPKGに収納されリッド53で封止された後に、第1圧電デバイス100の周波数が調整される。
図3は、不図示の周波数調整装置が圧電デバイス100の周波数を調整する工程を説明するフローチャートである。
ステップS102において、第1圧電デバイス100は、周波数調整装置の台座に載置され、真空吸着などによってしっかりと固定される。
ステップS104において、台座に固定された第1圧電デバイス100は、周波数調整装置のCCDカメラ等により撮影される。そして音叉型の第1水晶振動片50の第2金属膜28a及び電極が形成されていない電極非形成部29aの位置が特定される。その特定された位置データは、周波数調整装置に送信される。
ステップS106において、外部電極51(図1を参照)にプローブ等が接触し、第1圧電デバイス100の発振周波数が測定される。そして、測定された発振周波数が周波数調整装置に送られる。
ステップS108では、周波数調整装置は予め設定された目標周波数と測定された発振周波数とが比較される。予め設定された目標周波数は32.768Hzである。そして、仮に完成品の発振周波数が目標周波数に対して±0.5Hzの範囲とする。この所定範囲に入った第1圧電デバイス100は周波数を調整することなく、本フローチャートを終了する。測定された発振周波数が目標周波数よりも高ければステップS110に進み、測定された発振周波数が目標周波数よりも低ければステップS112に進む。
ステップS110において、測定された発振周波数が目標周波数より高いため、音叉型の第1水晶振動片50の振動腕幅広部26を重くして発振周波数を低くする。このため周波数調整装置は、ガラス製のリッド53の外部からレーザ光Lを照射し、リッド53及び電極非形成部29aを透過させて、レーザ光Lを第1金属膜56に照射する。照射された第1金属膜56は、レーザ光Lで加熱されて金属が昇華し、真上もしくは真上に近い領域である振動腕幅広部26の下面に付着する。これにより、振動腕21の重量が増加して音叉型の第1水晶振動片50の振動周波数が低い方へ調整される。
その後、ステップS106に戻り、再び第1圧電デバイス100の発振周波数が測定され、発振周波数が所定範囲に入るまで繰り返される。
ステップS112では、測定された発振周波数が目標周波数より低いため、音叉型の第1水晶振動片50の振動腕幅広部26を軽くして発振周波数を高くする。このため周波数調整装置は、ガラス製のリッド53の外部からレーザ光Lを照射し、リッド53を透過させて、レーザ光Lを第2金属膜28aに照射する。照射された第2金属膜28aは、レーザ光Lで加熱されてその箇所の金属が昇華する。これにより、振動腕21の重量が軽減して、音叉型の第1水晶振動片50の振動周波数が高い方へ調整される。
その後、ステップS106に戻り、再び第1圧電デバイス100の発振周波数が測定され、発振周波数が所定範囲に入るまで繰り返される。
次に、ステップS110及びステップS112で行われた周波数調整について説明する。周波数調整装置は、測定された発振周波数と設定された目標周波数との差を変化させるのに必要な第1金属膜56の昇華量及びレーザ照射位置を求め、第2金属膜28aの昇華量及びレーザ照射位置を求める。
図4は、周波数調整装置が照射するレーザ光Lの照射スポットISについて説明する図である。レーザ光Lを照射するレーザ照射位置を示した図である。図4(a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜56に照射される照射スポットISを示す図である。図4(b)は、第2金属膜28aに照射されるレーザ光の照射スポットISを示す図である。
図2(b)で説明した通り、第1金属膜56の幅W4は電極非形成部29aの幅W3より長く、第1金属膜56の長さL4は電極非形成部29aの長さL3より長く形成されている。図4(a)では電極非形成部29aの中心が第1金属膜56の中心に一致した場合が描かれている。そのため照射スポットISは、第1金属膜56のX軸方向に3列、Y軸方向に5行の合計15個(X1,Y1)〜(X3,Y5)の座標点が重なり合わないように設定されている。
第1圧電デバイス100の発振周波数の変化量は、第1金属膜56に対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(X1,Y1)、(X2,Y1)、(X3、Y1)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が下がる変化量が最も大きく粗く調整する粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第5行(X1,Y5)、(X2,Y5)、(X3,Y5)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の下がる変化量が最も小さく微細に調整する微調整に用いられる。実験などによって第1行から第5行の1つの照射スポットISにレーザ光Lが照射されると何Hz発振周波数が下がるか計測し、その計測結果が周波数調整装置にデータとして記憶されている。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第1圧電デバイス100の発振周波数を下げる。
図4(b)では、照射スポットISは、基本的に第2金属膜28aのX軸方向に2列、Y軸方向に7行の合計14個(X11,Y11)〜(X12,Y17)の座標点が重なり合わないように設定されている。なお、第1行と第7行とにのみ、X軸方向に3列(X21,X22,X23)の照射スポットISがある。
第1圧電デバイス100の発振周波数の変化量は、第2金属膜28aに対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(X11,Y11)、(X12,Y11)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が上がる変化量が最も大きく粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第7行(X11,Y17)、(X12,Y17)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の上がる変化量が最も小さく微調整に用いられる。測定された発振周波数が目標周波数からかなり低い場合には、第1行の(X21,X22,X23)の照射スポットISに対してもレーザ光Lを照射してもよい。一方、測定された発振周波数が目標周波数と少し低い場合には、第7行の(X21,X22,X23)の照射スポットISにレーザ光Lを照射してもよい。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第1圧電デバイス100の発振周波数を上げる。
上記説明の通り、電極非形成部29aが第2金属膜28aの辺28a2及び辺28a3に並列に形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。また、電極非形成部29aが第2金属膜28aの辺28a1〜辺28a4からなる枠内にあるため、レーザ光Lが照射されて第1金属膜56から昇華した金属が振動腕幅広部26に付着し易い。
なお、図4(a)及び(b)では、各照射スポットISは座標点が重なり合わないように設定されていた。しかし、各照射スポットISが半分ほど互いに重なるように設定されてもよい。このように照射スポットISが一部重なるようにすれば、さらに発振周波数の微調整を行うことが可能となる。各照射スポットISは、第2実施形態以下、同様に各照射スポットISが半分ほど互いに重なるように設定することができる。
<第2実施形態>
(第2圧電デバイス110の構成)
図5(a)は、リッド53が取り外された第2圧電デバイス110の平面図であり、(b)は、(a)に示した第2圧電デバイス110のB−B’断面図である。第2圧電デバイス110と第1圧電デバイス100との違いは、第2圧電デバイス110がパッケージPKGに音叉型の第2水晶振動片60を搭載している点である。また、第2圧電デバイス110は、一対の第1金属膜56に代えて大きな1つの第1金属膜57を有している点である。
第2圧電デバイス110はパッケージPKGのキャビティCAV内に音叉型の第2水晶振動片60を入れ、真空状態でリッド53とパッケージPKGとを封止材54により接合して形成される。第2実施形態において、第1実施形態と同一符号を付した個所は、同一機能であるので重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図5(a)に示されるように、音叉型の第2水晶振動片60の一対の振動腕21は扇形の振動腕幅広部27を有する。扇形の振動腕幅広部27は振動腕21の先端付近のP点を過ぎると徐々に幅広になり扇形に形成される。振動腕幅広部27は、周波数調整用の第2金属膜28b及び電極が形成されていない電極非形成部29bを備えている。
電極非形成部29bの幅は振動腕21の幅と同等もしくはやや狭い一定幅で形成されている。また、電極非形成部29bはY軸方向に長く形成され、振動腕幅広部27の先端から後端まで伸びている。このため、第2金属膜28bは、三角形又は細長い梯形形状になり辺28b1,辺28b2を有する。第2金属膜28bの辺28b1及び辺28b2は、電極非形成部29bと並列(X軸方向)に形成されている。これらの辺はレーザ光L(図6(b)参照)が照射される領域になる。パッケージPKGのキャビティCAVの底面BTには、一つの大きな第1金属膜57が備えられている。なお、図5(a)では、本来第1金属膜57が電極非形成部29bを通して透けて見えるが、電極非形成部29bの大きさを明確にするため白く塗りつぶして下側が見えないように描いてある。
図5(a)、(b)に示されるように、パッケージPKGのキャビティCAVの底面BTに、1つの大きな第1金属膜57を備えている。第1金属膜57は、振動腕21の先端に形成された振動腕幅広部27の電極非形成部29bの下に形成される。第1金属膜57の幅は、1つの扇形の振動腕幅広部27の先端部幅の220%〜400%で形成され、第1金属膜57の長さは、振動腕幅広部27の長さの120%〜150%で形成される。画像処理の誤差、ハンドアームの移動誤差などによって、音叉型の第2水晶振動片60はキャビティCAVの所定位置からずれて収納されることがある。1つの第1金属膜57が電極非形成部29bよりも十分に大きければ、上記誤差が十分に吸収できる。
レーザ光Lは、リッド53がパッケージPKGの側壁59に封止されている状態で、リッド53の外側からキャビティCAVに入射することができる。レーザ光Lは、そのX軸方向又はY軸方向の照射位置によって、リッド53および電極非形成部29bを透過させて第1金属膜57に照射されたり、リッド53を透過させて第2金属膜28bに照射されたりする。電極非形成部29bの長さは、Y軸方向に長く形成されていることにより粗調整から微調整まで幅広く周波数を調整することができる。
(第2圧電デバイス110の周波数調整)
図6は、周波数調整装置が照射するレーザ光Lの照射スポットISについて説明する図であり、レーザ光Lを照射するレーザ照射位置を示した図である。図6(a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜57に照射される照射スポットISを示す図である。図6(b)は、第2金属膜28bに照射される照射スポットISを示す図である。
図5で説明した通り、第1金属膜57は、振動腕21の先端に形成された振動腕幅広部27の電極非形成部29bの下に形成されている。第1金属膜57の幅は、1つの扇形の振動腕幅広部27の先端部幅の220%〜400%で形成され、第1金属膜57の長さは、振動腕幅広部27の長さの120%〜150%で形成されているので、図6(a)では、電極非形成部29bの下の一部が描かれている。そのため照射スポットISは、第1金属膜57のX軸方向に2列、Y軸方向に5行の合計10個(X1,Y1)〜(X2,Y5)の座標点が重なり合わないように設定されている。
第2圧電デバイス110の発振周波数の変化量は、第1金属膜57に対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(X1,Y1)、(X2,Y1)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が下がる変化量が最も大きく粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第5行(X1,Y5)、(X2,Y5)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の下がる変化量が最も小さく微調整に用いられる。実験などによって第1行から第5行の1つの照射スポットISにレーザ光Lが照射されると何Hz発振周波数が下がるか計測し、その計測結果が周波数調整装置にデータとして記憶されている。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第2圧電デバイス110の発振周波数を下げる。
図6(b)では、照射スポットISは、基本的に第2金属膜28bのX軸方向に2列、Y軸方向に6行の合計12個(X12,Y11)〜(X13,Y16)の座標点が重なり合わないように設定されている。なお、第1行にのみ、X軸方向に2列(X11,X14)の照射スポットISがある。
第2圧電デバイス110の発振周波数の変化量は、第2金属膜28bに対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(X12,Y11)、(X13,Y11)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が上がる変化量が最も大きく粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第6行(X12,Y16)、(X13,Y16)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の上がる変化量が最も小さく微調整に用いられる。測定された発振周波数が目標周波数からかなり低い場合には、第1行の(X11,X14)の照射スポットISに対してもレーザ光Lを照射してもよい。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第2圧電デバイス110の発振周波数を上げる。
上記説明の通り、電極非形成部29bが第2金属膜28bの辺28b1及び辺28b2に並列に形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。
<第3実施形態>
(第3圧電デバイス120の構成)
図7(a)は、リッド53が取り外された第3圧電デバイス120の平面図であり、(b)は、(a)に示した第3圧電デバイス120のC−C’断面図である。第3圧電デバイス120と第2圧電デバイス110との違いは、第3圧電デバイス120がパッケージPKGに音叉型の第3水晶振動片65を搭載している点である。また、第3圧電デバイス120は、大きな1つの第1金属膜57に代えて扇状の一対の第1金属膜58を有している点である。
第3圧電デバイス120はパッケージPKGのキャビティCAV内に音叉型の第3水晶振動片65を入れ、真空状態でリッド53とパッケージPKGとを封止材54により接合して形成される。第3実施形態において、第2実施形態と同一符号を付した個所は、同一機能であるので重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図7(a)に示されるように、一対の振動腕21は扇形の振動腕幅広部27を有する。扇形の振動腕幅広部27は振動腕21の先端付近のP点を過ぎると徐々に幅広になり扇形に形成される。振動腕幅広部27は、周波数調整用の第2金属膜28c及び電極非形成部29cを備えている。図7(a)では、本来第1金属膜58が電極非形成部29cを通して透けて見えるが、電極非形成部29cの大きさを明確にするため白く塗りつぶして下側が見えないように描いてある。
電極非形成部29cの幅は、Q点で振動腕21の幅と同等もしくはやや狭く、徐々に幅広になり扇形に形成されている。電極非形成部29cの長さは、振動腕幅広部27の長さの60%〜90%で形成される。一方、第2金属膜28cは、枠形状になり辺28c1〜辺28c4を有する(図8参照)。これらの辺はレーザ光Lが照射される領域になるため、レーザ光Lの照射スポットIS(図8参照)の径と同等又はそれ以上の幅を有することが好ましい。また、第2金属膜28cのY軸方向に述べる辺は、電極非形成部29aとほぼ並列に形成されている。
図7(a)、(b)に示されるように、パッケージPKGのキャビティCAVの底面BTに、一対の扇形の第1金属膜58を備えている。第1金属膜58は、振動腕幅広部27の電極非形成部29cの直下に形成される。扇形の第1金属膜58の幅は、扇形の電極非形成部29cの先端幅の110%−130%で、且つ後端幅の110%−130%で形成される。第1金属膜58の長さは、電極非形成部29cの長さの110%〜130%で形成される。
レーザ光Lは、リッド53がパッケージPKGの側壁59に封止されている状態で、リッド53の外側からキャビティCAVに入射することができる。レーザ光Lは、そのX軸方向又はY軸方向の照射位置によって、リッド53および電極非形成部29cを透過させて第1金属膜58に照射されたり、リッド53を透過させて第2金属膜28cに照射されたりする。
(第3圧電デバイス120の周波数調整)
図8は、周波数調整装置が照射するレーザ光Lの照射スポットISについて説明する図であり、レーザ光Lを照射するレーザ照射位置を示した図である。図8(a)は、パッケージの底面BTに形成された第1金属膜58に照射される照射スポットISを示す図である。図8(b)は、第2金属膜28cに照射される照射スポットISを示す図である。
図7(b)で説明した通り、第1金属膜58の幅は、扇形の電極非形成部29cの先端幅の110%−130%で、且つ後端幅の110%−130%で形成され、第1金属膜58の長さは、電極非形成部29cの長さの110%〜130%で形成されている。図8(a)では電極非形成部29cの中心が第1金属膜58の中心に一致した場合が描かれている。そのため照射スポットISは、第1金属膜58のX軸方向に2列(X11,X12)と3列(X1〜X3),Y軸方向に5行(Y1〜Y5)の合計12個(X1,Y1)〜(X3,Y2)、(X11,Y3)〜(X12,Y5)の座標点が重なり合わないように設定されている。
第3圧電デバイス120の発振周波数の変化量は、第1金属膜58に対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(X1,Y1)、(X2,Y1)、(X3、Y1)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が下がる変化量が最も大きく粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第5行(X11,Y5)、(X12,Y5)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の下がる変化量が最も小さく微調整に用いられる。実験などによって第1行から第5行の1つの照射スポットISにレーザ光Lが照射されると何Hz発振周波数が下がるか計測し、その計測結果が周波数調整装置にデータとして記憶されている。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第3圧電デバイス120の発振周波数を下げる。
図8(b)では、照射スポットISは、基本的に第2金属膜28cの斜めに傾いた方向に2列、Y軸方向に7行の合計14個(XX11,Y11)〜(XX12,Y17)の座標点が重なり合わないように設定されている。さらに、第1行に4列、第7行に1列の合計5個の照射スポットISがある。
第3圧電デバイス120の発振周波数の変化量は、第2金属膜28cに対するレーザ照射位置によって異なってくる。レーザ光Lが第1行(XX1,Y11)、(X21,Y11)、X22,Y11)、(X23,Y11)、(X24,Y11)、(XX2,Y11)の照射スポットISに照射されると、発振周波数が上がる変化量が最も大きく粗調整に用いられる。また、レーザ光Lが第7行(XX1,Y17)、(XX2,Y17)、(X25,Y17)の照射スポットISに照射されると、発振周波数の上がる変化量が最も小さく微調整に用いられる。周波数調整装置は、測定された発振周波数と目標周波数との差に基づいて、各行に対するレーザ照射回数を組み合わせてレーザ光Lを照射し、第3圧電デバイス120の発振周波数を上げる。
上記説明の通り、電極非形成部29cが第2金属膜28cのように振動腕幅広部27の先端付近まで形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。また、電極非形成部29cが第2金属膜28cの枠内にあるため、レーザ光Lが照射されて第1金属膜56から昇華した金属が振動腕幅広部27に付着し易い。
<音叉型の水晶振動片の変形例>
図9は、音叉型の水晶振動片の振動腕21の先端に形成された第2金属膜と電極非形成部の変形例を示す図である。(a)は、音叉型の第4水晶振動片70の平面図であり、(b)は、音叉型の第5水晶振動片80の平面図であり、(c)は、音叉型の第6水晶振動片90の平面図である。当変形例において、音叉型の第1水晶振動片50と同一符号を付した個所は、同一機能であるので重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図9(a)に示されるように、音叉型の第4水晶振動片70の外形は、音叉型の第1水晶振動片50と同一に形成されている。音叉型の第4水晶振動片70と音叉型の第1水晶振動片50との違いは、音叉型の第4水晶振動片70の振動腕幅広部26の第2金属膜28d及び電極非形成部29dの形状が異なる点である。第2金属膜28dの幅(X軸方向)及び電極非形成部29dの幅(X軸方向)は、夫々振動腕幅広部26の幅(X軸方向)の半分で形成される。第2金属膜28dの長さ(Y軸方向)及び電極非形成部29dの長さ(Y軸方向)は、振動腕幅広部26の長さ(Y軸方向)と同一に形成される。また、一対の第2金属膜28dは両方とも+X側に形成されている。電極非形成部29dが第2金属膜28dと並列に形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。
図9(b)に示されるように、音叉型の第5水晶振動片80の一対の振動腕21は、基部23からY軸方向に先端まで同一幅で伸びている。振動腕21の先端には、錘部19を有し、第2金属膜28e及び電極非形成部29eを備えている。第2金属膜28eの幅及び電極非形成部29eの幅は、夫々振動腕21の幅の半分で形成される。第2金属膜28eの長さ及び電極非形成部29eの長さは、錘部19の長さと同一に形成される。また、一対の第2金属膜28eは一対の振動腕21の両外側(+-X軸側)に形成されている。電極非形成部29eが第2金属膜28eと並列に形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。振動腕21は基部23から先端まで同一幅であり、錘部19は図9(a)と比べて広い範囲で周波数調整し難いが、一対の振動腕21の錘部19の間隔が広いため衝撃に強い。
図9(c)に示されるように、音叉型の第6水晶振動片90の一対の振動腕21は、先端付近でP点を過ぎると振動腕同士が互いに衝突しない幅で徐々に幅広になり扇形の振動腕幅広部27が形成される。振動腕幅広部27は、周波数調整用の第2金属膜28f及び電極非形成部29fを備えている。第2金属膜28fの幅及び電極非形成部29fの幅は、夫々振動腕幅広部27の幅の半分で形成される。第2金属膜28fの長さ及び電極非形成部29fの長さは、振動腕幅広部27の長さと同一に形成される。また、一対の第2金属膜28fは両方とも+X側に形成されている。電極非形成部29fが第2金属膜28fと並列に形成されているため、発振周波数を上昇させる粗調整及び微調整と同様に、発振周波数を下降させる粗調整及び微調整も可能となる。また図9(a)と比べて先端が扇状に広いため粗調整が容易になる。
以上、図9に水晶振動片の複数の変形例を示した。図示されていないが、パッケージの底面BTに形成される第1金属膜は、電極非形成部29d〜29fの形状に応じて形成される。
<第4実施形態>
(第4圧電デバイス130の構成)
図10は、音叉型の第7水晶振動片30Aを備えた第4圧電デバイス130の概略図を示している。図10(a)は、分割した状態の第4圧電デバイス130を、リッド10のリッド部側からみた斜視図であり、図10(b)は、(a)のD−D’断面で第4圧電デバイス130の接合前の状態を示す断面構成図である。
図10(a)、(b)に示されるように、第4圧電デバイス130は、最上部のリッド10、第1水晶フレーム20A及びベース40から構成される。リッド10、第1水晶フレーム20A及びベース40は水晶材料から形成される。第1水晶フレーム20Aは、エッチングにより形成された音叉型の第7水晶振動片30Aを有している。
第4圧電デバイス130は、音叉型の第7水晶振動片30Aを備えた第1水晶フレーム20Aを中心に挟んで、その第1水晶フレーム20Aの上にリッド10が接合され、第1水晶フレーム20Aの下にベース40が接合されてパッケージが形成されている。つまり、リッド10は第1水晶フレーム20Aに、ベース40は第1水晶フレーム20Aにシロキサン結合(Si−O−Si)により接合され、スルーホールTHを封止材75により真空中で封止されている。
第1水晶フレーム20Aは、基部23及び振動腕21からなる音叉型の第7水晶振動片30Aと外枠部22と支持腕35とから構成され、音叉型の第7水晶振動片30Aと外枠部22との間には空間部37が形成されている。音叉型の第7水晶振動片30Aの外形を規定する空間部37は水晶エッチングにより形成されている。音叉型の第7水晶振動片30Aは、外枠部22とおなじ厚さである。音叉型の第7水晶振動片30Aは、基部23と基部23から伸びる一対の振動腕21とを有し、基部23と外枠部22と支持腕35とは一体に形成されている。基部23及び外枠部22並びに支持腕35には、第1、第2主面に第1基部電極31と第2基部電極32とが形成されている。
振動腕21の先端付近は、一定幅で幅広となり振動腕幅広部26が形成される。振動腕幅広部26は、周波数調整用の第2金属膜28d及び電極非形成部29d(図9(a)参照)を備えている。第2金属膜28dの幅及び電極非形成部29dの幅は、夫々振動腕幅広部26の幅の半分で形成されている。第2金属膜28dの長さ及び電極非形成部29dの長さは、振動腕幅広部26の長さと同一に形成され振動腕幅広部26の先端まで伸びている。
図10(a),(b)に示されるように、リッド10は、第1水晶フレーム20A側にリッド側凹部17を備える。ベース40は、第1水晶フレーム20A側にベース側凹部47を備える。ベース40はスルーホールTH及び段差部49を形成する。段差部49には、スルーホールTHと接続する第1接続電極41及び第2接続電極42を形成する。ベース40の底部BTには、一対の第1金属膜56が形成され、ベース40の外面には外部電極51が形成されている。スルーホールTHは、その内面に金属膜が形成される。スルーホールTHの金属膜は、第1接続電極41及び第2接続電極42並びに外部電極51と同時にフォトリソグラフィ工程で作成される。
リッド10、第1水晶フレーム20Aおよびベース40が接合された後であっても、第4圧電デバイス130は、レーザ光Lをリッド10の外側からキャビティCAVに入射することができる。レーザ光Lは、そのX軸方向又はY軸方向の照射位置によって、リッド10および電極非形成部29dを透過させて第1金属膜56に照射されたり、リッド10を透過させて第2金属膜28dに照射されたりすることにより、周波数を上昇させたり下降させたりすることができる。
<第5実施形態>
(第5圧電デバイス140の構成)
図11(a)は、リッド10が取り外された第5圧電デバイス140の平面図であり、(b)は、(a)に示した第5圧電デバイス140のE−E’断面で第5圧電デバイス140の接合前の状態を示す断面構成図である。第5圧電デバイス140は、最上部のリッド10、第2水晶フレーム20B及びベース40から構成される。リッド10、第2水晶フレーム20B及びベース40は水晶材料から形成される。第2水晶フレーム20Bは、エッチングにより形成された音叉型の第8水晶振動片30Bを有している。
第5圧電デバイス140は、水晶材料から成るリッド10とベース40とで第2水晶フレーム20Bの外枠部22を挟みこんでシロキサン結合されている。第5圧電デバイス140と第4圧電デバイス130との違いは、第5圧電デバイス140の第2水晶フレーム20Bに形成された音叉型の第8水晶振動片30Bの電極非形成部29aの形状と第4圧電デバイス130の電極非形成部29dの形状との違いである。さらに、第5圧電デバイス140のリッド10に第1金属膜56が形成されている点で、第4圧電デバイス130と異なっている。第4圧電デバイス130と同一符号を付した個所は、同一機能であるので重複する説明を省略し、相違点を中心に説明する。
図11(a)に示されるように、第2水晶フレーム20Bは、振動腕21の先端側に振動腕幅広部26が形成される。振動腕幅広部26は、周波数調整用に形成された第2金属膜28a及び電極非形成部29aを有している。電極非形成部29aは振動腕幅広部26の中央付近でY軸方向に長く形成され、その電極非形成部29aの周囲に第2金属膜28aが形成されている。
図11(b)に示されるように、リッド10は、音叉型の第8水晶振動片30Bの振動腕21の振動腕幅広部26の電極非形成部29aに対抗する天井面に、一対の第1金属膜56を備えている。第5圧電デバイス140は、リッド10、第1水晶フレーム20Aおよびベース40が接合された後、ベース40の底部側からレーザ光Lが照射される。レーザ光Lはベース40の外側からキャビティCAVに入射される。レーザ光Lは、そのX軸方向又はY軸方向の照射位置によって、ベース40および電極非形成部29aを透過させて第1金属膜56に照射されたり、ベース40を透過させて第2金属膜28aに照射されたりすることにより周波数を調整することができる。
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。上述したようにリッドが光を透過する材料で形成されている場合は、リッドが接合された後でも、レーザ光Lは、電極非形成部を透過して第1金属膜に照射される。また、リッドが光を透過しない材料(例えば、コバール合金板)で形成されている場合は、パッケージにリッドを接合する前にレーザ光Lを電極非形成部を透過させ第1金属膜に照射することができる。
また上記実施形態では、圧電デバイスには発振回路等が搭載されていないが、発振回路を組み込んだICなどをパッケージ内に配置させた圧電発振器にも適用できる。
10、53 … リッド
17 … リッド側凹部
19 … 錘部
20(A,B) … 第1水晶フレーム、第2水晶フレーム
21 … 振動腕
22 … 外枠部
23 … 基部
24 … 溝部
25 … 導電性接着剤
26 … 振動腕幅広部
27 … 扇形の振動腕幅広部
28(a,b、c,d,e,f) … 第2金属膜
29(a,b,c,d,e,f) … 電極非形成部
30(A,B) … 音叉型の第7水晶振動片、音叉型の第8水晶振動片
31,32 … 基部電極
33,34 … 励振電極
35 … 支持腕
37 … 空間部
40 … ベース
41、42 … 接続電極
47 … ベース側凹部
49 … 段差部
50 … 音叉型の第1水晶振動片
51 … 外部電極
54、75 … 封止材
56,57,58 … 第1金属膜
59 … 側壁
60,65 … 第2圧電デバイス、第3圧電デバイス
70、80 … 音叉型の第4水晶振動片、音叉型の第5水晶振動片
90 … 音叉型の第6水晶振動片
100、110 … 第1圧電デバイス、第2圧電デバイス
120、130,140 …第3圧電デバイス、第4圧電デバイス、第5圧電デバイス
BT … 底面
CAV … キャビティ
IS … 照射スポット
L … レーザ光
L1 … 振動腕の長さ、L2 … 振動腕幅広部の長さ
L3 … 電極非形成部の長さ、L4 … 第1金属膜の長さ
W1 … 振動腕21の幅、W2 … 電極非形成部29aの幅
W3 … 第2金属膜の幅、W4 … 第1金属膜の幅
PKG … パッケージ
TH … スルーホール

Claims (9)

  1. 音叉型の圧電振動片をパッケージ内に収納する圧電デバイスであって、
    前記音叉型の圧電振動片は、圧電材料により形成された基部と、前記基部から第1方向に平行に伸びる一対の振動腕と、前記振動腕の先端側に形成される周波数調整部と、を備え、
    前記パッケージは、レーザ光が照射される前記パッケージの内側の面に第1金属膜を有し、
    前記周波数調整部は、前記第1方向に伸びる第2金属膜と、前記第2金属膜と並列に前記第1方向に伸び且つ前記レーザ光が透過する電極非形成部とを有する圧電デバイス。
  2. 前記パッケージは、前記音叉型の圧電振動片に対向する底面を有するベースと、前記音叉型の圧電振動片に対向する天井面を有し前記パッケージを封止する透明なリッドとを有し、
    前記ベースの前記底面に前記第1金属膜が形成されている請求項1又は請求項2に記載の圧電デバイス。
  3. 前記パッケージは、前記音叉型の圧電振動片に対向する底面を有する透明なベースと、前記音叉型の圧電振動片に対向する天井面を有し前記パッケージを封止するリッドとを有し、
    前記リッドの前記天井面に前記第1金属膜が形成されている請求項1又は請求項2に記載の圧電デバイス。
  4. 前記第2金属膜は、前記第1方向と直交する第2方向に前記電極非形成部を挟むようにして前記周波数調整部に形成される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
  5. 前記周波数調整部の前記第2方向の幅は、前記振動腕の前記第2方向の幅よりも広い請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
  6. 前記周波数調整部の前記第2方向の幅は、前記振動腕から先端側になるに従い幅が広く形成されている請求項5に記載の圧電デバイス。
  7. 前記周波数調整部は、その前記第2方向の幅は一定であり、かつ、前記振動腕より幅広である請求項5に記載の圧電デバイス。
  8. 圧電振動片をパッケージ内に収納する圧電デバイスの周波数調整方法であって、
    基部から第1方向に平行に伸びる一対の振動腕と前記振動腕の先端側に一体に形成される周波数調整部とを有する圧電振動片をパッケージ内に載置する工程と、
    載置された前記圧電振動片の周波数を測定する測定工程と、
    前記測定工程で測定された周波数が目標周波数よりも高い場合には前記周波数調整部に前記第1方向に伸びて形成された電極非形成部を介して前記パッケージ内に形成された第1金属膜にレーザ光を照射し、測定された周波数が目標周波数よりも低い場合には前記電極非形成部に並列して形成された第2金属膜にレーザ光を照射する照射工程と、
    を備える圧電デバイスの周波数調整方法。
  9. 前記照射工程は、
    前記周波数を粗く調整する際には前記レーザ光を前記電極非形成部の前記先端側に又は前記第2金属膜の先端側に照射し、
    前記周波数を微細に調整する際には前記レーザ光を前記電極非形成部の前記基部側に又は前記第2金属膜の基部側に照射する請求項8に記載の圧電デバイスの周波数調整方法。

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