JP2014039107A

JP2014039107A - 圧電振動子

Info

Publication number: JP2014039107A
Application number: JP2012179417A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Koyama; 光明小山; Takeshi Muto; 猛武藤; Manabu Ishikawa; 学石川; Shinichi Sato; 信一佐藤
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2014-02-27
Also published as: US20140041454A1; CN103595369A; TW201407954A

Abstract

【課題】副振動の発生を抑制した圧電振動子を提供すること。
【解決手段】厚みすべり振動を主振動とする水晶片１０の両面に夫々励振電極２１、２２が形成された水晶振動子１について、前記水晶片１０において輪郭すべり振動や屈曲振動などの副振動が発生する部位に、熱処理にて結晶軸の反転した副振動抑制部２５を形成する。副振動抑制部２５は点状に複数、励振電極２１に対して対称に設けられることが望ましい。これら副振動抑制部２５は当該部分において副振動の発振周波数を低周波側に移動させるので、水晶振動子１の主振動に対する悪影響を抑える。よって周波数特性の安定した水晶振動子１を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、副振動の発生を抑制する圧電振動子に関する。

圧電振動子は、電子機器、計測機器及び通信機器等、数々の分野において利用されているが、最近は、ユーザから小型化、及び低価格化の要求が著しく、小型化の面においては１．６ｍｍ×１．２ｍｍ四方の水晶振動子が登場している事実からも競争の激化が明らかである。

一方、圧電振動子においては周波数安定度についてもより一層の改善が要求されている。特にＡＴカットの厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子は周波数特性が良好なことから多用されているが、不要な副振動の発生が問題となっている。副振動の発生原因の一つに、例えば厚みすべり振動を主振動とする場合に、輪郭すべり振動や屈曲振動などによる副振動を挙げることができる。これらは、水晶振動子に対して連続した温度変化を加えたときに発生する共振周波数や直列抵抗等の急激な変化、いわゆるFrequency dipsやActivity dipsの発生要因となる。

副振動を起こす部位は、設計仕様によって決まってくる。従来、水晶振動子が大きいときには、副振動を起こす部位への接着剤の付着などが行われてきた。しかし、水晶振動子が小型化すると、接着剤の重量により直列抵抗が変化する問題が明らかとなった。その上小型化した水晶振動子に対して接着剤を付着させる工程は困難である。

他に挙げられる副振動対策として、圧電片の寸法を用途に応じて適切に選択する、圧電片の形状に変化を付ける（ベベル加工、コンベックス加工など）、ＭＥＭＳ技術により圧電片の構造をメサ構造に変化させる、などの方法があるが、圧電振動子の小型化、周波数安定及び大量生産への対応を迫られている現在、コストを掛けずに小型化と周波数安定の両立を可能にする技術が求められている。

特許文献１には、圧電片の主面に凹部を設ける構成が記載され、特許文献２には電極タブ部に孔を設けると同時に水晶ブランクにポケットを設ける構成が記載されている。さらに、特許文献３には、励振電極に開口部を形成する構造が、特許文献４には、水晶片において、副振動を抑制するために凹部を形成する構成が夫々記載されている。しかしながら、これらの技術を用いても、副振動の発振周波数を主振動に影響を与えない範囲まで移動させることはできず、本発明の課題の解決を図ることはできない。

特開昭６０−５８７０９号公報（第４図）特開平１−２６５７１２号公報（ＦＩＧ１、ＦＩＧ３）特開２００１−２５７５６０号公報（段落０００７、図１）特開平６−３３８７５５号公報（段落００１２、００１４）

本発明はこのような事情においてなされたものであり、その目的は、圧電振動子において副振動の発生を抑制することのできる技術を提供することにある。

本発明の圧電振動子は、
板状の水晶片と、
この水晶片の両面に設けられた励振電極と、
前記水晶片の主振動とは異なる周波数において発振する副振動を抑制するために、前記水晶片の結晶軸を反転させることにより形成した副振動抑制部と、を備えたことを特徴とする。
当該圧電振動子において、
前記副振動抑制部は、前記励振電極の中心部に対して対称に複数設けられていてもよく、また、
前記副振動抑制部は、前記励振電極直下または当該励振電極と接続された引き出し電極直下に設けられていてもよい。

前記水晶片は結晶軸が反転していない第１の領域と、結晶軸が反転した第２の領域と、を備え、
前記第１の領域に、前記励振電極及び前記副振動抑制部が設けられ、
前記第２の領域における水晶片の両面に、前記励振電極とは別の励振電極が設けられていてもよい。

本発明の圧電振動子は、圧電板上において励振電極による副振動の大きい位置を選択し、当該位置の表面に副振動抑制部を形成することによって、当該副振動抑制部位において発振周波数を低周波側に移動させる。従って、圧電振動子における副振動による悪影響が低減されるので、周波数特性の安定した圧電振動子を得ることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる水晶振動子の一例を示す平面図及び断面図である。前記水晶振動子の製造方法の一例を示す工程図である。本発明の第１の実施形態にかかる水晶振動子の変形例を示す平面図及び断面図である。水晶振動子において副振動の発生領域を示す説明図である。本発明の第２の実施形態にかかる水晶振動子の一例を示す平面図及び断面図である。前記水晶振動子の製造方法の一例を示す工程図である。本発明の第１の実施形態に係る水晶振動子を備えたエッチング量センサの一例を示す縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係る水晶振動子を応用した回路の一例の回路図である。圧電振動子における周波数とアドミッタンスとの関係を表したグラフである。圧電振動子における主振動と副振動について周波数と温度の相関を表したグラフである。本発明の圧電振動子を適用した回路の一例を図示した回路図である。実施例と比較例における周波数の温度特性を表したグラフである。従来の水晶振動子の一例を示す平面図及び断面図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の圧電振動子をなす水晶振動子の一実施の形態について説明する。この水晶振動子１は、図１に示すように、圧電体をなす水晶片１０の両面に、夫々励振電極２１、２２を備えて構成されている。前記水晶片１０は、例えばＡＴカットの基本波モードのものが用いられ、主振動である厚みすべり振動が３８．４ＭＨｚで発振するよう構成されている。本実施形態の一例としては、水晶片１０は、例えば平面形状が長方形などの矩形に形成され、寸法は縦１．０ｍｍ×横０．８ｍｍ、厚みは４３．２μｍに夫々設定されている。

励振電極２１、２２は、水晶片１０を励振させるために、当該水晶片１０の両面の中央部に、互いに対向するように形成されている。これら励振電極２１、２２は例えば正方形であり、一辺は例えば０．６ｍｍなど、用途に合わせ適宜設定されている。さらに、水晶片１０の一面側の励振電極２１の一端の中央部には、水晶片１０の周縁に向かって引き出された引き出し電極２３が接続され、水晶片１０の他面側の励振電極２２の一端には、引き出し電極２３と対向する方向の周縁に向かって引き出された引き出し電極２４が接続されている。これらの引き出し電極２３、２４が引き出される方向は、図１に示すように水晶片１０のＺ軸方向に沿っている。励振電極２１と引き出し電極２３、及び励振電極２２と引き出し電極２４は夫々一体に形成され、これらの電極は例えばクロム（Ｃｒ）や金（Ａｕ）などの積層膜により形成されている。
また、励振電極２１、２２の形状は適宜設定され、水晶片１０の外縁近傍まで励振電極２１、２２を形成してもよい。

さらに、水晶片１０には、後述する熱処理により水晶片１０の水晶の軸を反転させた副振動抑制部２５が例えば４箇所設けられている。図１を例にとり説明すると、励振電極２１の対角線の延長線上に、励振電極２１の中心から等間隔に副振動抑制部２５が各角部の外側に設けられている。

これら副振動抑制部２５は、主振動の発振周波数とは異なる周波数、この例では、輪郭すべり振動や屈曲振動などによる副振動の発生を抑制するために形成されている。このためこれら副振動抑制部２５は、励振電極２１における副振動を抑制する位置に、所定の大きさに形成される。ここで、副振動抑制とは、副振動の発生を完全に防ぐ場合の他、副振動のゲインを減衰させる場合も含まれる。
副振動抑制部２５の大きさはほとんど点であり、寸法の一例としては、水晶片１０内に形成される場合、半径は例えば２５μｍである。なお各図において、副振動抑制部２５については実際の大きさを無視し、認識しやすいように大きく図示している。

続いて、水晶振動子１の作成方法について、図２を参照して説明する。
図２は、１枚の水晶基板の一部分に作成される水晶振動子１の作成方法の一例について説明したものである。先ず、切り出された一枚の水晶基板３１を研磨加工して洗浄する（図２（ａ））。この水晶基板３１上に、水晶の軸を点状に反転させることにより副振動抑制部２５を形成する。水晶の軸反転部形成法については熱によるもの、圧力と熱の併用によるものなどが知られているが、本実施形態では熱により副振動抑制部２５を形成する。

本実施形態の副振動抑制部２５の形成方法としては、熱源９２に接続された微小なプローブ９１を、水晶基板３１の予め決定した位置に刺突し、熱源９２から熱エネルギーを供給しプローブ９１の先端を加熱する。温度としては水晶基板３１のプローブ９１の刺突部が点状に軸反転する程度の温度であり、例としては６００℃である。加熱によって、例えば直径５０μｍの点状の副振動抑制部２５が形成される（図２（ｂ））。

副振動抑制部２５の形成が完了次第、水晶基板３１の両面に、例えばＣｒ層にＡｕ層を積層した電極膜（金属膜）３２を蒸着あるいはスパッタリングにより形成する（図２（ｃ））。次に金属膜３２上に、図示しないレジスト液塗布機構により、励振電極２１、２２並びに引き出し電極２３、２４の所望の形状に合わせてレジスト液を塗布する。そしてレジスト液を固化させレジスト膜３３を形成する（図２（ｄ））。

しかる後、水晶基板３１をＫＩ（ヨウ化カリウム）溶液３４に浸漬し、金属膜３２が露出した部分をウェットエッチングし、副振動抑制部２５、励振電極２１、２２並びに引き出し電極２３、２４を有した水晶基板３１を得る（図２（ｅ））。そして水晶基板３１をこれらの電極及び副振動抑制部２５等を一組として有するように切断して水晶振動子１を作成する（図２（ｆ））。

本実施形態の水晶振動子１によれば、一面側の励振電極２１における副振動が最も大きくなる位置に副振動抑制部２５を設けることにより、当該領域において発振する副振動のゲインが減衰する。また、副振動抑制部２５は、軸を反転させていない部分と弾性定数が異なることにより、主振動の発振周波数に比して約６３％と低い発振周波数を有していることが分かっている。従って、当該副振動の発振周波数が低周波側に移動する。一方、主振動の発振周波数は変化しないので、主振動の発振周波数と副振動の発振周波数との周波数差が大きくなる。さらに、副振動抑制部２５の当該副振動は主振動と弾性的に結合することはない。よって副振動による悪影響の発生、例えばFrequency dipsやActivity dipsを抑えることができる。

［第１の実施形態の変形例］
続いて、水晶振動子１の他の例について、図３を参照して説明する。図３に示すように水晶振動子１において、副振動抑制部２５は励振電極２１の範囲内に存在する。つまり副振動抑制部２５は励振電極２１に覆われている形を取っている。
当該変形例においては、副振動抑制部２５は励振電極２１の直下に形成されているが、副振動を抑制できる位置であれば、引き出し電極２３の直下であってもよい。また、当該変形例においても、水晶振動子１は図２に示した上述の方法によって作成することができる。

当該変形例においても、第１の実施形態と同様に、副振動によるゲインを減衰させることができ、また副振動の発振周波数が低周波側に移動することにより、副振動による悪影響の発生、例えばFrequency dipsやActivity dipsを抑えることができる。さらに励振電極２１直下の副振動を抑制することが可能であるため、励振電極２１に直接与えられる副振動の悪影響を効果的に低減させることができる。

ここで、実際の水晶振動子を用いて、副振動が発生する領域を特定する方法について述べておく。第１の方法として、Ｘ線の回折強度を測定する方法がある。先ず副振動を起こす周波数を調べておき、その周波数の交流電圧を水晶振動子に印加する。当該電圧を印加した状態において、水晶振動子の法線方向に対して所定の角度からＸ線を照射し、例えば水晶振動子を、前記角度を維持した状態においてＸ線の照射位置を変化させ、Ｘ線により水晶振動子の全面をスキャンする。そして照射位置毎にＸ線の回折強度を測定し、水晶振動子の表面における回折強度のマップを作成する。
図４（ａ）（ｂ）は、Ｘ線回折強度マップの一例であり、斜線によって示した領域１００にて副振動が発生する。

また第２の方法として、探針法と呼ばれる手法がある。具体的には、先ず副振動を起こす周波数の交流電圧を水晶振動子の励振電極間に印加する。この状態において水晶片の表面に、接地した探針を接触させ（励振電極が存在する部分については探針が励振電極を貫通した状態において水晶片の表面に接触させ）、探針とアースとの間の電圧を電圧計にて測定する。この測定にて水晶片表面の各部位の電荷分布を求めることによって、第１の方法と同様のマップを作成することができる。

更に第３の方法として、レーザ光を用いた手法がある。具体的には、水晶片をＸＹテーブル上に載置し、水晶片に対しレーザ光をスポット照射し、照射箇所における水晶片の発振周波数を測定する。そしてレーザ光を水晶片全面に亘ってスキャンし、発振周波数測定を各スポット位置に対して行う。この測定にて水晶片表面の各部位の発振周波数を測定することによって、第１の方法と同様のマップを作成することができる。
こうして副振動の振動領域を把握し、当該振動領域において既述の副振動抑制部２５を形成する。

図４に示すように、副振動領域は水晶片１０の中心に対して対称な場合が多く、このため副振動抑制部２５は、水晶片１０の中心に対して対称に形成することが好ましい。第１の実施形態および変形例においても、図１及び図３に示すように副振動抑制部２５は水晶片１０の中心に対して対称に位置している。
このように水晶片１０の中心に対して対称に副振動抑制部２５を設ければ、左右のバランスが取れていることから、左右のバランスが取れていない状態と比して、長期的に見て主振動の周波数を安定させることができる。

また、本実施形態において、副振動抑制部２５の作成方法に、熱による水晶の双晶化を用いている理由について説明する。
水晶は常温においてはα−石英と呼ばれる三方晶系の圧電性を有する構造をとっているが、５７３℃に加熱すると、相転移と呼ばれる現象が発生し、β−石英と呼ばれる六方晶系の圧電性のない構造へと変化する。この相転移は可逆的現象であるが、加熱により水晶をβ−石英に変化させた後、水晶を冷却しても一様にβ−石英からα−石英への再転移は起こらず、一部はβ−石英としてとどまるため、当該部位で双晶が発生する。このため双晶化された部位では双晶化されていない部位に比して圧電性が低下し、水晶片を圧電振動子として用いた場合、当該双晶部位では発振周波数による振動が抑制される。
この効果を用いて、本実施形態では副振動抑制部２５の形成方法として水晶片１０の副振動部位における双晶化を選択している。
ここで、本実施形態の水晶振動子１について、副振動抑制部２５形成は電極２１〜２４形成前に行っているが、熱や圧力を集中させることによって電極形成後においても副振動抑制部２５を形成することが可能である。

［第２の実施形態］
以下、本発明の圧電振動子をなす水晶振動子の別の一実施の形態について図５を用いて説明する。この図５に示す水晶振動子１ａを例に取り本実施形態の水晶振動子１ａを説明すると、水晶振動子１ａに用いられる水晶片１０は、例えばＡＴカットの基本波モードのものが用いられ、主振動である厚みすべり振動が３８．４ＭＨｚで発振するよう構成されている。本実施形態の一例としては、水晶片１０は例えば平面形状が長方形などの矩形に形成され、寸法は縦１．０ｍｍ×横１．６ｍｍ、厚みは４３．２μｍに夫々設定されている。

本実施形態は、この水晶片１０において帯状の一部分について軸反転を行い双晶化させたものである。この水晶振動子１ａにおいては軸反転した帯状の部分を軸反転部１１と、軸反転を行っていない部分（つまり軸非反転部）を、ＡＴカット部１２と夫々呼称する。水晶片１０において、軸反転部１１は例えば水晶片１０のＺ軸方向の中央軸から右側に、Ｘ軸方向に沿って形成されるが、水晶片１０の右半分全てが軸反転部１１とならないよう、水晶片１０の右端にある程度の幅を持ってＡＴカット部１２ｂがＸ軸方向に沿って存在するように、軸反転部１１を形成している。一方、水晶片１０の中央軸から左側は軸反転を起こしていないＡＴカット部１２ａである。
なお、軸反転部１１及びＡＴカット部１２との判別をし易くするため、図５において軸反転部１１にはハッチングを付してある。

この軸反転部１１と、水晶片１０左側のＡＴカット部１２ａの夫々に励振電極が形成される。ＡＴカット部１２ａにかかる水晶片１０の両面には励振電極２１ａ及び２２ａが形成され、軸反転部１１にかかる水晶片１０の両面には励振電極２１ｂ及び２２ｂが形成される。励振電極２１ａ及び２２ａ、並びに２１ｂ及び２２ｂは例えば共に正方形であり、一辺は共に例えば０．６ｍｍなど、用途に合わせ適宜設定されている。図５の例では励振電極２１ａと２２ａの組、及び励振電極２１ｂと２２ｂの組は同一の大きさで同一の形状をしているが、組毎に異なった大きさでもよい。

励振電極２１ａからは、軸反転部１１にかからない方向に、例えば水晶振動子１のＸ軸方向に沿って、引き出し電極２３ａが接続され、励振電極２２ａからは、引き出し電極２３ａと対向する方向の周縁に向かって引き出された引き出し電極２４ａが接続されている。
一方、励振電極２１ｂからは、ＡＴカット部１２ａおよび１２ｂにかからない方向に、例えば水晶振動子１のＸ軸方向に沿って、引き出し電極２３ｂが接続され、励振電極２２ｂからは、引き出し電極２３ｂと対向する方向の周縁に向かって引き出された引き出し電極２４ｂが接続されている。

また、ＡＴカット部１２ａには、例えば前述した熱処理によりＡＴカット体２ａの水晶の軸を反転させた副振動抑制部２５が例えば４箇所設けられている。図５の水晶振動子１ａでは、励振電極２１ａの対角線の延長線上に、励振電極２１ａの中心から等間隔に副振動抑制部２５が各角部の外側に設けられている。これら副振動抑制部２５がＡＴカット部１２ａにおける副振動抑制部に相当する。

続いて、水晶振動子１ａの作成方法について、図６を参照して簡単に説明する。
先ず研磨加工して洗浄した水晶基板３１（図６（ａ））上に、軸反転部１１を形成する。形成の方法としては、例えば帯状のヒータ９３によって軸反転させたい部分を、例えば６００℃に加熱する（図６（ｂ））。加熱の方法としてはヒータに限らず、レーザ光や赤外線などでもよく、圧力と熱を併用してもよい。その後、軸反転部１１を形成した水晶基板３１上においてＡＴカット部１２の所望の部分に、例えば第１の実施形態と同様に、熱源９２に接続されたプローブ９１を刺突し、水晶基板３１を加熱することによって副振動抑制部２５を形成する（図６（ｃ））。

軸反転部１１及び副振動抑制部２５を形成した後、第１の実施形態と同様に水晶基板３１の両面に金属膜３２を形成する（図６（ｄ））。そして金属膜３２上に、励振電極２１ａ、２１ｂ、２２ａ及び２２ｂ並びに引き出し電極２３ａ、２３ｂ、２４ａ及び２４ｂの所望の形状に合わせてレジスト膜３３を形成し（図６（ｅ））、この水晶基板３１を例えばウェットエッチングすることによりこれらの電極を形成する（図６（ｆ））。最後に水晶基板３１を、これらの電極及び副振動抑制部２５を一組として有するように切断して水晶振動子１ａを得る（図６（ｇ））。

本実施形態の水晶振動子１ａによれば、軸反転部１１の発振周波数は、弾性定数が異なることにより、ＡＴカット部１２の発振周波数の周波数の６３％程度であることが分かっている。よって、軸反転部１１における発振周波数とＡＴカット部１２の発振周波数とは全く異なり、また二つの振動が弾性的に結合することもないため、ＡＴカット部１２ａ上の励振電極２１ａ及び２２ａを中心とした振動子と、軸反転部１１上の励振電極２１ｂ及び２２ｂを中心とした振動子とは、互いに異なる用途に利用することができる。つまり１枚の水晶片上に複数の水晶振動子部が実現できる。
ここで、軸反転部１１は本実施形態では帯状だが、例えば水晶片１０上に正方形状に形成されるなど、他の形状を取ってもよい。

また、ＡＴカット部１２ａ上の励振電極２１ａの周囲には、副振動が大きくなる位置を選択した上、当該部分に副振動抑制部２５が複数形成されているので、ＡＴカット部１２ａ上の前記振動部については、副振動が低周波側に移動する。よって第１の実施形態の水晶振動子１と同様に、主振動の発振周波数と副振動の発振周波数との周波数差が大きくなり、副振動による悪影響の発生、例えばFrequency dipsやActivity dipsの発生を抑制することができる。さらに、第１の実施形態において述べた変形例は、当該第２の実施形態においても適用可能である。

このように一枚の水晶片に複数の励振電極を形成可能であることにより、水晶振動子を多数用いる製品について部品の集約化が可能となり、小型化やコストダウンなどが期待できる。

続いて、第１の実施形態の水晶振動子１の適用例として、エッチング量センサに用いる場合について図７を用いて説明する。このエッチング量センサ８は、収納容器８１に圧電振動子をなす水晶振動子１を収納して構成されている。水晶振動子１の構成は、上述の図３に示すものと同様であり、抑制対象となる副振動は主振動よりも高い周波数で発振するものである。前記収納容器８１は例えばベース体８２と蓋体８３とにより構成され、ベース体８２のほぼ中央部には凹部８４が形成されて、水晶振動子１の他面側の励振電極２２が凹部８４により形成された気密な空間に臨むように、前記水晶振動子１が収納容器８１にて保持されるようになっている。

一方、蓋体８３は、ベース体８２上に載置された水晶振動子１に対して、上方側から覆うように設けられており、水晶振動子１が設けられた領域の外側において、ベース体８２と気密に接続されている。また、蓋体８３には水晶振動子１の一面側の励振電極２１及び一面側の水晶片１０の一部のみがエッチング液と接触するように、開口部８５が形成されている。つまり、開口部８５は、励振電極２１の周囲にエッチング領域を形成するために、励振電極２１よりも５ｍｍ程度外側の領域を囲むように形成されている。また、蓋体８３はエッチング液に接触するため、水晶片１０よりもエッチング液に対してエッチング速度が小さい材質例えばポリテトラフルオロエチレンにより構成される。

さらに、収納容器８１には、前記引き出し電極２３、２４と夫々接続される配線電極２６、２７が、例えばベース体８２と蓋体８３との間に形成され、引き出し電極２３と配線電極２６、引き出し電極２４と配線電極２７とが夫々電気的に接続されている。そして、例えば一方の配線電極２６は、信号線２８を介して発振回路８６に接続され、他方の配線電極２７は接地されている。この発振回路８６の後段には、周波数測定部８７を介して制御部９が接続されている。前記周波数測定部８７は例えば入力信号である周波数信号をディジタル処理して水晶振動子１の発振周波数を測定する役割を果たす。

前記制御部９は、予め発振周波数の変化分とエッチング量とを対応付けたデータを取得してメモリに格納され、オペレータが入力したエッチング量の目標値に対応する発振周波数の変化分の設定値を求める機能と、測定時に水晶振動子１の発振周波数の変化分を求める機能と、前記発振周波数の変化分が前記設定値になったときに所定の制御信号を出力する機能と、を備えている。また、例えば測定時に得られる発振周波数の変化分が所定値になったときに、対応するエッチング量を表示画面上に表示する機能を備えるように構成される。

このようなエッチング量センサ８は、収納容器８１の一面側のみがエッチング液に接触するように、エッチング容器７１に接続され、こうして、水晶振動子１の一面側の励振電極２１及び、水晶片１０の一面側の一部のみが、エッチング容器７１中のエッチング液７２に接触することになる。なおエッチング容器７１には被処理体は記載していないが、実際にはエッチング容器７１にはエッチング対象となる被処理体が所定位置に配置されている。この所定位置とは、被処理体の被処理面と、エッチング量センサ８の一面側の水晶片１０とが同じタイミングでエッチング液に接触する位置である。

続いて、本発明のエッチング量センサ８の作用について説明する。先ず、エッチング容器７１に被処理体を搬入すると共に、エッチング容器７１にエッチング量センサ８を既述のように取り付け、所定のエッチング液７２をエッチング容器７１内に供給する。また、オペレータがエッチング量の目標値を制御部９の表示画面に入力しておく。こうして、被処理体をエッチング液７２に接触させることにより被処理面のエッチングを進行させる。一方、エッチング量センサ８では、水晶振動子１の一面側の励振電極２１及び、水晶片１０の一面側の一部のみがエッチング液７２に接触し、水晶片１０の一面側のエッチング液７２と接触する領域がエッチングされていく。こうして、エッチングが進行して水晶片１０の外形寸法が小さくなっていくと、主振動の発振周波数は高周波側に移動していく。

この際、エッチング量センサ８では、水晶振動子１の周波数信号の周波数が測定され、この測定された周波数がメモリに格納される。そして、例えば測定時に得られる発振周波数の変化分が前記設定値になったときに制御信号を出力し、例えば図示しない治具により被処理体をエッチング液内から搬出し、エッチング処理を終了させる。

本実施の形態によれば、水晶振動子１には副振動抑制部２５が形成されているため、副振動の発振周波数が低周波側に移動すると共に、副振動のゲインが減少している。従って、水晶片１０のエッチングが進んで、主振動の発振周波数が高周波側に移動したとしても、主振動の発振周波数と副振動の発振周波数とが重なることがなく、周波数ジャンプを防ぐことができるため、大きな計測レンジを確保できる。

さらに、例えば第２の実施形態の水晶振動子１ａは、図８に示すような温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）として利用することができる。図８について簡単に説明すると、ＡＴカット部１２を含む水晶振動子部分を２Ａ、軸反転部１１を含む水晶振動子部分を２Ｂとすると、水晶振動子１ａは独立して振動する２つの振動領域を備えているため、図８のように便宜上２つの水晶振動子２Ａ、２Ｂを含むものとみなせる。

このＴＣＸＯ３は、外部に設定周波数ｆ_０の信号を出力するための主発振部４１と、温度補償用の信号を発振させるための補助発振部５１と、補助発振部５１から出力される温度補償用の信号に基づいて主発振部４１に入力する制御電圧Ｖ_ｃを算出するために、これらの主発振部４１及び補助発振部５１の間に設けられた制御電圧供給部６１と、を備えている。図８中５０は、補助発振部５１の制御電圧Ｖ_１０の入力端であり、４０はＴＣＸＯ３の出力端である。

主発振部４１は、水晶振動子２Ａとこの水晶振動子２Ａに接続された主発振回路４２と、を備えている。補助発振部５１は水晶振動子２Ｂとこの水晶振動子２Ｂに接続された補助発振回路５２と、を備えている。上記の主発振部４１の前段側（入力側）には、既述の制御電圧供給部６１が接続されており、この制御電圧供給部６１からバリキャップダイオード４３を介して、主発振部４１に制御電圧Ｖ_ｃが印加されるように構成されている。この制御電圧供給部６１は、主発振部４１の基準電圧Ｖ_０から温度補償電圧ΔＶを減算することにより、上記の制御電圧Ｖ_ｃが生成されるように構成されている。

ここで圧電振動子における主振動と副振動の関係について考察する。
圧電振動子における振動は、主振動（厚みすべり振動）のみを考えると、発振周波数とアドミッタンスとの関係においては図９（ａ）に示すような曲線によって表される。しかし実際には、上述してきたように振動子上に副振動を起こす部位が存在するため、例えば主振動の他に副振動として例えば輪郭すべり振動または屈曲振動を考慮すると、発振周波数とアドミッタンスとの関係は図９（ｂ）において示すように変化し、周波数ｆ_１においてアドミッタンスの値が突出している。圧電振動子においてこの周波数ｆ_１の振動は副振動のひとつである。周波数ｆ_１の値は、図１０に示す、周波数と時間経過との関係のグラフにおいて、主振動の周波数と温度との関係により描かれる曲線と、副振動の周波数と温度との関係により描かれる直線との交点の、周波数の値ｆ_１から求めることができる。

ここで圧電振動子の基本波の周波数は図９（ａ）の一番左側のピークの周波数であるとし、この周波数の値をｆ_０とする。副振動の性質が変化すると図１０における副振動を表す直線が移動し、従って主振動を表す曲線との交点が移動することからｆ_１の値が変化する。そして図９（ｂ）にてｆ_１がｆ_０と等しくなると、主振動と副振動が結合し、いわゆる周波数ジャンプと呼ばれる現象が生じ、圧電振動子全体として異常な挙動を示す。

本発明による副振動抑制部、つまり軸反転部の生成は、副振動によるゲインの減衰や副振動そのものの抑制作用を有し、例えば上述の実施形態においては水晶振動子におけるFrequency dipsやActivity dipsの抑制効果を示している。さらには上述した、周波数ジャンプを抑制する方法としても有効である。よって、圧電振動子における副振動による悪影響を抑制する手段として有用な効果を示すといえる。

本発明は水晶片の他にセラミックス等の圧電体にも適用できる。また主振動は、厚みすべり振動だけでなく、厚みたて振動、厚みねじれ振動等であってもよい。また、本発明の抑制対象となる副振動は、輪郭すべり振動または屈曲振動に限らず、インハーモニクスオーバートーンに起因する振動等も含まれる。また、圧電片の形状は矩形に限らず、円形状等であってもよい。また、圧電片として水晶片を用いる場合は、ＡＴカットに限るものでなく、ＢＴカットなどであってもよい。

実施例として、第１の実施形態にかかる水晶振動子について、発振周波数の温度特性を測定した。比較例として図１３に示す、第１の実施形態にかかる水晶振動子から副振動抑制部２５を取り除いた形態である、従来の水晶振動子について発振周波数の温度特性を測定し、これを比較例とした。

測定に使用した水晶振動子にはＡＴカットの基本波モードで発振し、主振動の発振周波数はｆ_０＝３８．４ＭＨｚである水晶片を用いた。実施例の水晶発振子及び比較例の水晶発振子について、図１１に示す水晶発振回路にて水晶振動子１として用い、発振周波数を測定し、ｆ_０との誤差Δｆの温度特性を求めた。図１１においてＣ１〜Ｃ４はコンデンサ、Ｒ１〜Ｒ３は抵抗、Ｌ１はインダクタ、Ｔ１はトランジスタ、Ｄ１はダイオードである。

結果として得られた周波数特性を図１２に示す。図１２（ａ）のグラフは実施例の周波数特性、図１２（ｂ）のグラフは比較例の周波数特性である。図１２において横軸は温度（℃）、縦軸は周波数偏差、すなわちΔｆ／ｆ_０（ｐｐｍ）である。
図１２（ａ）のグラフより、実施例においては、温度変化に伴う発振周波数の変化、いわゆるFrequency dipsが観察されない。一方図１２（ｂ）のグラフより、比較例においては、７０℃付近においてFrequency dipsが観察される。
よって本実施例については水晶振動子１における副振動抑制部２５の形成により、Frequency dipsの発生が抑制されたものと推考できる。

また、第１の実施形態の水晶振動子１の変形例においても同様の結果が得られた。よって副振動抑制部２５は励振電極の直下に形成しても、励振電極の範囲外に形成したときと同様の副振動抑制効果を示すと考えられる。

１水晶振動子
１０水晶片
２１、２２励振電極
２３、２４引き出し電極
２５副振動抑制部
３１水晶基板

Claims

板状の水晶片と、
この水晶片の両面に設けられた励振電極と、
前記水晶片の主振動とは異なる周波数において発振する副振動を抑制するために、前記水晶片の結晶軸を反転させることにより形成した副振動抑制部と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
前記副振動抑制部は、前記励振電極の中心部に対して対称に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
前記副振動抑制部は、前記励振電極直下または当該励振電極と接続された引き出し電極直下に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子。
前記水晶片は結晶軸が反転していない第１の領域と、結晶軸が反転した第２の領域と、を備え、
前記第１の領域に、前記励振電極及び前記副振動抑制部が設けられ、
前記第２の領域における水晶片の両面に、前記励振電極とは別の励振電極が設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
前記軸反転部の両面に設けられた励振電極と、前記軸反転部以外の両面に設けられた励振電極は互いに独立して動作することを特徴とする請求項４記載の圧電振動子。
前記主振動は厚みすべり振動であり、前記副振動は輪郭すべり振動または屈曲振動であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の圧電振動子。