JP2602215B2

JP2602215B2 - 圧電振動子の周波数調整方法

Info

Publication number: JP2602215B2
Application number: JP61298377A
Authority: JP
Inventors: 治良太田
Original assignee: 日本電波工業株式会社
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1986-12-15
Publication date: 1997-04-23
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: JPS63151103A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、イオンガンからのビーム状の不活性ガスイ
オン粒子をターゲットの表面に衝突させて周波数を調整
するガスイオン粒子エッチングによる圧電振動子の周波
数調整方法に関する。

［従来の技術］従来、たとえば水晶振動子等の圧電振動子の周波数微
調整工程では、先ず一次パターンを形成するために、洗
浄した圧電板の表裏板面に所定形状の電極マスクを配設
し、通常、真空中で金属蒸着法等により膜厚をモニタし
ながら寸法、厚みが高精度で、均一な膜を形成する。な
お、この一次パターンの形成では、共振周波数は所望値
に対してやや高くなるように膜圧を薄く制御している。
すなわち、共振周波数は膜厚に反比例することに起因し
ている。

そして、サポータに保持した振動子に周波数微調整用
のマスクを被せて、周波数微調整器にセットして、いわ
ゆる二次パターンを形成して周波数の微調整を行う。な
お、上記マスクには蒸着物質の上記が通過する窓を設け
ているが、その大きさは、二次パターンが上記一次パタ
ーンの外にはみださないように、一次パターンよりもや
や小さくしている。

周波数微調整器では、内部を真空にして、たとえば銀
等の金属物質の蒸気を発生させ、これを上記マスクの窓
を介して振動子の励振電極の上に直接蒸着して、質量付
加効果により、その共振周波数を低下させ予め設定した
基準周波数とのビート差をとりながら、上記窓の前面に
配設したシャッタを機械的に動作させて上記ビート差が
零になるように周波数を合せこむ。

尚、蒸着により振動子の周波数を低下させる速度は、
蒸着物質の蒸気圧と調整マスクの窓の大きさで決定され
るが、蒸発温度が低いほど、かつ調整マスクの窓の寸法
が小さい程遅くなり、一般にヒータ電流の加減および上
記マスク窓の径を予め設定して最適速度を求めて行な
う。

第８図は、従来の周波数微調整を行なう装置の一例を
示す図である。

この装置は、内部が真空なベルジャー、すなわち、容
器１内に、ヒータハウジング２を配設し、この内部に置
いた適宜な溶融金属３を、ヒータ４で加熱して溶融し、
金属蒸気を発生させるようにしている。

そして、ヒータハウジング２に連通するノズル５を設
け、この前面にシャッタ６を配設する。

一方、周波数調整を行なうべき圧電振動子７に周波数
調整マスク８を被せて、上記ノズル５の前面に上記シャ
ッタ６を介在して配設する。

なお、圧電振動子の周波数を調整する際には、ヒータ
４をヒータ電流制限回路９により所定のブログラムで制
御し、溶融金属３を加熱する。一方、圧電振動子７を発
振回路10に接続し、この発振周波数を基準周波数発振器
11の出力と比較器12で比較する。そしてこの比較出力に
よりシャッタ駆動回路13を介してシャッタ用プランジャ
14を駆動し、シャッタ６を開閉制御し周波数の微調整を
行なうようにしている。

なお、第８図では真空排気系を図示していない。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、従来の圧電振動子の板面に励振電極を形成
する手法では、励振電極（一次パターン）のみによる振
動子の周波数精度は、膜厚の１％〜５％の範囲内でバラ
ツキを有する。

このため、周波数の微調整は必須の工程となるが二次
パターンの形成中、蒸着物質は、連続して蒸発している
ため、調整の途中でなくなると作業を中断して補給しな
ければならず、一度に調整できる振動子の数を制限し、
かつ自動化を拒んできた。

周波数の調整精度は、上記シャッタの機械的な応答の
遅延に大きく依存し、５〜10msの範囲が実用上の応答限
界である。したがって、上記遅延時間に進行する周波数
低下分を見込んで、振動子の発振特性と仕様規格を勘案
し、圧電振動子の周波数が調整基準周波数よりも少し高
い周波数まで低下した時点で、少し早めにシャッタを閉
じるようにしている。

高い周波数精度の周波数偏差規格が数ppmである使用
の振動子を調整するには蒸着物質の溶融温度を低くし
て、調整マスクの径をできるだけ小さくし、蒸着物質と
振動子とを遠ざけて蒸着速度を可能な限り低くして蒸着
を行なうようにしているが、このようなことは振動子の
電気的な特性を別にしても生産性を著しく阻害する。

さらに、一旦蒸着が開始されると、ヒータおよび蒸着
物質の熱容量の影響、および真空中であることから、温
度を一定値に保持することが困難で、蒸着温度をヒータ
電流だけで一定温度に制御することは難しく、また熱容
量の慣性のために比較的ゆっくりした大きなうねりが観
察され、蒸着量を一定にすることは極めて困難である。

通常は、蒸着物質の減少とともに次第にヒータ温度は
上昇するので周波数の低下速度は速くなる。

また、蒸着物質の量的な制限を軽減するために、シャ
ッタが閉じているときはヒータ電流を少なくして蒸発量
をできるだけ抑えるこが行なわれているが、このように
すると前述の温度の脈動がさらに激しくなり、調整後の
振動子の周波数がより大きくバラつくことになる。

さらに調整すべき振動子の中に所望の周波数よりも低
い周波数のものが１個でもあるとゼロクロスが得られな
いため蒸着によって周波数差がますます広がり、この結
果、無駄な調整を続けることになり、この現象が発生す
ると、ヒータが連続的に加熱され、蒸着速度が異常に昴
進しやすく周波数のバラツキの原因となる。

振動電極膜、すなわち一次パターンの蒸着条件と、周
波数調整時の蒸着条件とを比較すると、後者は蒸着温度
の低温制御を行なうこと、および調整窓とターゲットの
圧電振動子電極面との間の間隙のために、二次パターン
の周辺がボケること等から必ずしも最適条件とはなら
ず、たとえば低温焼鈍等で周波数が変化することがあ
る。

また、蒸発源に比較的近い所に振動子が位置している
ので蒸発源からの輻射熱を受ける結果、振動子が加熱さ
れて周波数が変化し、正確な周波数調整が困難になる。

一次パターンの電気的特性を基準にして、調整後の電
気的特性を比較してみると二次パターン面を付加する
と、スプリアスが新たに多数発生し、あるいは既に存在
するスプリアスが助長されることがあり多くの場合、振
動子の等価回路定数が変化する。

以上のことから従来の蒸着調整方法では以下のような
問題点がある。

励振電極の蒸着工程だけでは、目的とする周波数偏差
を満足する振動子は製造できないので、周波数の微調整
を行なう必要があり工程を短縮できない。

二次パターンが存在することにより、エネルギー閉込
め理論に従ってスプリアスを抑圧するように一次パター
ンの膜厚と形状を設計しても、新たにスプリアスが発生
し、既存のスプリアスレベルも増大し品質の劣化を伴
う。

二次パターンは、振動変位領域を一次パターンの場合
よりも狭くするためにモーショナルキャパシタンスC1を
小さくする結果、電極間静電容量C0との比C0/C1が大き
くなり、振動子を実装して使用する場合、回路側の発振
周波数を変化させてしまい、調整時は規格を満たしてい
ても実際に使用すると問題を生じる。このような不具合
を避けるためには必要以上に厳しい規格で数回に別けて
調整を行なうなど、著しく生産性を阻害する。

さらに蒸着物質を度々供給する必要から連続した量産
工程を採用できない問題があり、蒸着速度の制御が困難
で、周波数の偏差を生じ易い。

また、シャッタの動作に遅れがあるために、調整時に
遅れた分だけ目的周波数を高くしているが、この遅れ分
は仕様毎に、調整装置毎に採録する必要があり、極めて
面倒である。

そして、シャッタは機械的に動作するので、正確な繰
り返し精度が補償できず周波数のバラツキを生じ易い。

蒸発温度は、周波数の低下速度を基にヒータ電流のみ
で制御するので熱容量の慣性のため制御遅れを生じ、自
動制御、主導制御に係わらず、蒸着温度を一定値に維持
することは殆ど不可能でバラツキの増大する原因とな
る。しかも、このような操作は、蒸着物質の補給ととも
に、装置毎にオペレータが手動操作により、経験的に微
細な調整を行なっているので極めて効率が悪い。

シャッタの動作の応答性を改善するために、調整マス
クの近くに軽質量のアルミ羽根をおいて低インピーダン
スのプランジャーで駆動しているが、このようにしても
前記限界値以上の高速応答は不可能である。

蒸着温度が低過ぎるとターゲット上で蒸着膜が再結晶
できず、結晶体に比して密度も低い。したがって、この
ようなものでは、ポーラス状の表面はガス吸着によりエ
ージング効果で周波数が変化しやすい。

蒸着膜に厚みの傾斜部分、すなわちボケが有ると、膜
厚の薄い周辺で電気導電が失われ易く、この結果静電容
量および等価回路定数が変化して周波数が不安定になる
ことがあり、低温度焼鈍などで大きく変化する。二次パ
ターンが少しでも一次パターンよりはみだすとこの現象
が顕著になる。

圧電振動子はATカット、あるいはGTカットなど一部の
カットを除き、大部分の温度周波数特性は二次関数で表
されるので、短時間であっても真空中で熱輻射を受ける
と昇温して周波数が変化し、周波数調整バラツキの原因
となっている。

モノリシック・クリスタル・フイルタ（MCF）として
の圧電振動子（以下MC振動しとする）の調整では、二次
パターンの影響で隣合う電極対の音響結合が変化し、通
過帯域幅が設計値から外れるので、一次パターンに調整
マスクを正確に合わせることが重要になる。このため、
音響結合の調整は隣り合う電極対の間隙に第３のパター
ンを設けて専らこの上に蒸着してフイルタの通電帯域幅
を調整し、周波数調整とは別に行なうので、工程が増加
し生産性が低下する。また、スプリアスの問題は、単一
モードを利用する単一周波数の発振子に比して多重モー
ドを利用するMC振動子では一層重要で有ることは勿論で
ある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、上述
した真空蒸着による欠点を除去し、高精度、高品質、高
安定を得られ、電極面を正常に保って、量産性に優れた
圧電振動子の周波数調整方法を提供することを目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］本発明はイオンガンからのビーム状の不活性ガスイオ
ン粒子を圧電振動子の励振電極表面に照射し、その表面
の全面をエッチングさせて質量負荷効果により共振周波
数を所定の値に合せ込むのにそれよりも低い周波数から
調整するものである。以下本発明の一実施例を作用とと
もに説明する。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

第１図は本発明のイオンガン調整法による圧電振動子
の周波数調整を示す。

すなわち、表面に引き出し電極15を持った励振電極16
を有すう圧電振動子17のリード線17aは支持部材18の接
続端子19に挿入接続される。前記圧電振動子17の励振電
極16に対向してイオンガン20が配置される。このイオン
ガン20は圧電振動子17の励振電極16に対するイオンビー
ムの入射角が60゜〜80゜になるようにターンテーブルと
同一内面に適当な高さに固定し配置される。前記支持部
材18の接続端子19は第１のスイッチS1を介して発振器21
に接続される。前記イオンガン20にはフィラメント電極
端子22.22が設けられると共に、イオンガン20のアノー
ド電極にはアノード電源23の正極が接続され、イオンガ
ン20の加速電極には第３スイッチS3を介して加速電源24
の負極が接続される。この加速電源24の正極とアノード
電源23の負極は共通に接続されて第２のスイッチS2を介
して接続端子19に接続される。

すなわち、先ず第３のスイッチS3と第２のスイッチS2
を開き、第１のスイッチS1を閉じて圧電振動子17の共振
周波数を確認する。この場合周波数は低めに設定されて
いる。次に、第１のスイッチS1を開き、第２のスイッチ
S2と第３のスイッチS3を閉じてイオンガン20のアノード
電極ヘアノード電圧V1を加えると共に加速電極へ加速電
圧V2を加えてイオンガン20よりイオンビームを発射して
圧電振動子17の励振電極16の表面に照射してイオンビー
ムエッチングを行なう。すなわち、イオンビームを圧電
振動子17の励振電極16の表面に衝突させ、この表面の全
面をエッチングする。この場合イオンガン20のアノード
電圧V1、加速電圧V2を適当な値に設定して、イオンビー
ムがターゲットの振動調整電極の表面部分のみに照射さ
れるように絞り、エッチング速度が最適になるようにす
る。次に、第３のスイッチS3と第２のスイッチS2を開
き、第１のスイッチS1を閉じて圧電振動子17を含む共振
周波数を確認する。これを繰り返すことにより、質量負
荷効果により共振周波数を所定の値にそれよりも低い周
波数から微調整する。

第２図〜第７図は本発明の他の異なる実施例を示し、
イオンガン調整法によるMC振動子の周波数調整を示す。

すなわち、第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれMC振動子
31のMC電極の異なる種類を示し、Ａ、Ｂ、Ｃは電極端子
を示す。

第３図はMC振動子31を各周波数を説明するための図を
示す。すなわち、MC振動子31の各端子をT1、T2、T3、T4
とすると、Fsは端子T1＋T2と端子T3＋T4の周波数。Fs1
は端子T1と端子T3の周波数（このときT2−T4は開放）。
Fs2は端子T2と端子T4の周波数（このときT1−T3は開
放）。Faは端子T1と端子T2又は端子T3と端子T4の周波数
（T1−T2の時はT3−T4は開放、以下同じ）。

バランス周波数dF＝Fs1−Fs2。セパレーションΔＦ＝
Fa−Fsである。なお、第２図（ａ）を第３図に対応させ
ると、端子ＢはT3＋T4、端子ＡはT1、端子ＣはT2とな
り、第２図（ｂ）を第３図に対応させると端子ＡはT1、
端子ＢはT2＋T3、端子ＣはT4となる。

すなわち、MCM振動子31の周波数の種類は以上の通り
であり最終的にはdF＝ＯでFsとΔＦが規格値偏差以内に
あるように目的周波数に調整する。

第４図は調整システム概念図を示し、第５図はその斜
視図を示す。すなわち、MC振動子31に対向してイオンガ
ン32が配置され、このイオンガン32とMC振動子31との間
にはマスク33が矢印方向に移動自在にして介在される。
前記MC振動子31の引出リード線34は支持部材35の接続端
子36に挿入接続され、この接続端子36は複数のスイッチ
よりなる外部端子接続切換器37に接続される。前記イオ
ンガン32は第６図に示すように発射されるイオンビーム
38がMC振動子31の引き出し電極39aを持った励振電極39
の面に対して60゜〜80゜になるように配置する。前記MC
振動子31は第４図に示すようにその端子T1は第３のスイ
ッチS3を介して第４のスイッチS4の可動端子に接続され
ると共に発振器40に接続される。MC振動子31の端子T2は
第２のスチッチS2を介してスイッチS4の固定端子に接続
されると共に第６のスイツチS6の固定端子に接続され
る。MC振動子31の端子T3とT4は共通に接続されて第５の
スイッチS5を介してスイッチS6の可動端子に接続される
と共に発振器40に接続され、この発振器40は加速電源41
に接続される。前記イオンガン32は電子シャツタ用スイ
ッチS7を介し加速電源41に接続される。

前記各スイッチS2〜S6と各周波数Fs1、Fs2、Fs、Fa、
ΔＦ、dFとの関係は第７図のように成る。第７図でFs
1、Fs2は周波数の調整をするが、Fs、Fa、ΔＦ、dFはチ
ェックのみをする。第７図中○はスイッチが閉を示し、
各スイッチは全てノーマルオフを示す。

すなわち、各スイッチS2〜S6を開閉動作して周波数Fs
1、Fs2、Fs、Faを確認する。次に、スイッチS3、S5を動
作して周波数FS1を調整する。その後スイツチS2、S4、S
5を動作して周波数Fs2を調整する。次に、周波数Faを調
整する第３の無接続電極が電極T1−T2,又はT3−T4の間
に在ってこれをエッチングして周波数Faをある程度自由
に調整できるが複雑になるので省略している。

以上の動作を繰返して、目的の周波数FsにdF＝０であ
るようにして調整し、最終的にdF＝０でFsとΔＦが規格
値偏差以内にあるように目的周波数に調整する。

次に、本発明の特徴について説明する。

本発明はイオンエッチングを用いるので、従来のよう
な調整用マスクによる２次パターンがなく特性の劣化、
すなわち等価定数の変化、スプリアスの新たな発生や既
にあるスプリアスレベルの成長等がない。また．圧電圧
振動子の振動電極面上を理想的な清浄さに保っことがで
き良好なエージング効果がある。さらに、圧電振動子の
励振電極面上を平滑にでき振動変位中心を安定させるこ
とができ変動が少なくなる。

また、MC振動子を構成する個別励振電極をほぼ選択的
に調整出来例えば、周波数のバランス調整等が出来る。
さらに、調整蒸着物質の量的制限が本質的にないので、
イオンビームエッチング調整は大量生産に適しており、
運続した工程が実現できる。このとき振動子を予め周波
数群別に分類してから、一度に目的とする周波数に出来
るだけ近付けるように別のイオンエッチング工程で粗調
整しておき、次に各振動子を１個づつ順に微調整するこ
ともでき、更に量産向きな工程とすることができる。

また、イオンビーム経路上でイオン源とターゲットあ
るいはマスク33の間に電界あるいは磁界を作用させる
と、ビームのコントロールが自在にでき．応答の速い電
子シヤツタとすることができ、このように電子シャッタ
制御のためバラツキが少なくなる。

また、周波数を高める方向に調整でき、従って従来の
蒸着調整方法と組合わせると周波数を所定の値を中心に
して高低自由に精度よく真空を破ることなく同一工程で
微調整出来る。この場合、励振電極膜蒸着形成におい
て、目的とする周波数がほぼ中心に来るように設定する
と、周波数微調整を行なわなくても仕様偏差規格に合格
している振動子を多く得ることができ、周波数微調整作
業量を少なくできる。さらに、目的とする仕様偏差規格
近傍に多く振動子の周波数はあるので、周波数調整量が
少なく、従って高めにある周波数を二次パターンで蒸着
調整しても、従来と比べて電気的特性に変化を与えるこ
とが少ない。

また、イオンビームエッチング調整と蒸着による調整
とを組合わせて行なう場合、真空を破ることなく仕様偏
差規格内に高低どちらからでも調整できるので、従来の
工程では低く調整し過ぎたものは、再生工程を経てから
励振電極膜蒸着から再度加工し直さなければならなかっ
た工程の短縮が出来るばかりでなく、特性および品質的
に好ましく歩留りを向上できる。

さらに、調整作業者の心理として、調整した周波数が
マイナスに行き過ぎないようにどうしても目的とする周
波数中心を仕様偏差規格内で高めにして調整する傾向が
あり、このため周波数分布の中央値が偏っているばかり
か周波数偏差規格をプラス側に超過する不良が多かった
が、この点は大きく改善され周波数分布の優れた周波数
微調整結果が得られる。

［発明の効果］以上述べたように本発明によれば，高精度，高品質，
高安定が得られ，励磁電極面を清浄に保て，量産性に優
れた圧電振動子の周波数調整方法を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図〜
第７図は本発明の他の異なる実施例を示す構成説明図、
第８図は従来の周波数微調整装置を示す構成説明図であ
る。 16,39……励振電極． 17……圧電振動子． 31……MC振動子 18,35……支持部材． 19,36……接続端子． 20,32……イオンガン 21……発振器．

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０３Ｈ 9/02 Ｈ０３Ｈ 9/02 Ｍ (56)参考文献特開昭58−190112（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−51685（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−86187（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−112497（ＪＰ，Ａ) 日本学術振興会第132委員会編「電子・イオンビームハンドブック」（Ｓ 50．７．25）日刊工業新聞社発行Ｐ. 439〜443

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子の主面に形成された励振電極の
ほぼ全面に、イオンガンからビーム状の不活性ガスイオ
ン粒子を照射させ、前期励振電極のほぼ全面をエッチン
グするとともに、前記圧電振動子の共振周波数を測定し
ながら、前記圧電振動子の共振周波数を低い周波数から
高い周波数に調整して目的の周波数を得ることを特徴と
する圧電振動子の周波数調整方法。