JP3330266B2 - 圧電振動子及びその共振周波数調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振周波数の調整
作業が容易で大量生産に適し、良好な共振特性を得るこ
とのできる圧電振動子及びその共振周波数調整方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近時、種々の電子機器では周波数の基準
として種々の圧電体が用いられ、特に電気的な共振特性
が良好で、長期間にわたって高安定度を得ることができ
る水晶振動子が多用されている。このため、高性能な水
晶振動子を大量かつ安価に製造でき、かつこれらの水晶
振動子が電子機器に用いられた状態で長期間安定に動作
できることが求められている。

【０００３】ところで、このような水晶振動子を製造す
る場合、水晶振動子の共振先鋭度、すなわちＱを高く、
良好な状態に維持するためには水晶片の板面を注意深く
研磨し、さらにエッチング等の化学処理を行なって加工
歪、微細なひび、割れ等の残留する表面層を除去し、板
面にゴミ、油分等が付着しないように清浄な状態に保つ
ために細心の注意を払う必要がある。しかしながら水晶
片を励振するためには励振電界を印加する必要があり、
最近製造される水晶振動子では、ほとんどの振動子が真
空蒸着等によって水晶片の板面に導電性の薄膜からなる
励振電極を形成した構造となっている。

【０００４】すなわち、良好な振動特性の水晶片を得る
ためには板面を清浄な状態に保つ必要があり、一方、圧
電振動を励振するためには板面に励振電極を形成する必
要があり、この励振電極の存在は、板面に巨大な導電膜
が付着することになり、種々の悪影響をもたらしてい
た。特に、導電性の薄膜を形成する蒸着工程において
は、銀、アルミ等の導電膜の材料が微小な粒となって水
晶片の板面に付着することがあり、このような場合、著
しく共振特性を損ない、極端な場合は発振が停止するこ
ともあり製造工程における重大な問題となっていた。

【０００５】また電極金属が空気中の酸素によって酸化
されて質量が僅かに変化しても、それによって共振周波
数は変化して使用できなくなることもある。このため長
期間、安定な共振周波数を維持するためには、気密性の
良好な容器を用いて、水晶片を真空雰囲気に封止した
り、気密容器内に不活性ガス、窒素ガスとともに封止す
る必要がある。このため水晶片の封止作業は極めて面倒
で、高価な装置を必要とし、コストの上昇する要因であ
り、また気密性の欠陥のため使用できなくなる水晶振動
子もあり、信頼性を低下させる原因となっていた。

【０００６】また、水晶片の板面に励振電極を形成する
構造が一般化する以前には、たとえば図６に示すような
空隙式振動子と言われる振動子が広く用いられたことも
ある。この、空隙式振動子では所定の厚みに加工した水
晶片１の両側板面に所定の厚みのスペーサ２を介して金
属板材からなる電極３を相対面して配設して板面に垂直
な方向に力を加えて固定し、この電極３に励振電界を印
加することによって水晶片１に圧電振動を励振させるよ
うにしている。

【０００７】このような空隙式振動子で共振周波数の調
整を行う場合、水晶片１の厚みを研磨して薄くしていく
ことによって周波数を高める方向に祖調整を行い、さら
にスペーサ２を研磨してその厚みを薄くしていくことに
よって水晶片１の板面と電極３との間隙を次第に狭くし
て周波数を低める方向に微調整を行うようにしていた。
しかしながらこのようなものでは、共振周波数の微調整
のためにスペーサ２を少しずつ研磨する必要があり、そ
の都度スペーサ２を取り出すために分解組立を繰り返す
ことになり、組立作業の手際によって水晶片と電極との
空隙は容易に変化してしまうために高精度に共振周波数
を合わせ込むことはできなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、共振周波数を連続的に正確に合
わせ込むことができ、水晶片の板面を清浄に保つことが
でき、それによって良好な共振特性を得ることができる
水晶振動子及びその共振周波数調整方法を提供すること
を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電振動を励
振される圧電片に所定の間隙を存して相対面して光透過
性の電極板を配設し、この電極板の上記圧電片に対面す
る板面に励振電極を形成し、この励振電極の面積を外側
から照射した光によって漸減して共振周波数を調整した
圧電振動子および共振周波数の調整方法を特徴とするも
のである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に示す側断面
図、図２に示す励振電極を示す平面図を参照して詳細に
説明する。図中１１は圧電片で、たとえばＡＴカットの
水晶片の場合、人工水晶の結晶を結晶軸に対して所定角
度に切断して板状に成形し、所望の共振周波数に対応し
た厚みに研磨するようにしている。

【００１１】そして水晶片１１の両側板面に、周縁部に
配設した所定の厚みのスペーサ１２を介在して電極板１
３を配設している。この電極板１３は光透過性の、たと
えばガラス等を用いている。そして水晶片１１の両側板
面にそれぞれ平行にスペーサ１２の厚みに相当する間隙
を存して電極板１３を配設するようにしている。したが
って、スペーサ１２は、たとえば水晶片１１と同じ形の
所定の厚みの金属薄板の周縁部を枠状に切り出したもの
でもよい。このスペーサ１２を水晶片１１の両側板面に
介在して電極板１３を設けて接着剤等で固定して、空気
中で大気圧で封止し、外部のゴミ等の侵入を防止するよ
うにしてもよい。なお一般的にはスペーサの厚みは１ｍ
ｍ以下であり、かつ水晶片は空気中で大気圧で封止すれ
ばよいので、エポキシ樹脂等の接着材を水晶片及び電極
板の周縁端部に塗布して封止するようにしてもよい。

【００１２】なお、電極板１３と水晶片１１との間隙は
狭くするほど励振効率を高めることができるが、あまり
狭くすると両者が接触する虞があり、またこの間隙を狭
くしていくと僅かな間隙の変化によって共振周波数は大
きく変化し長期安定度に対する配慮が必要となる。した
がって、水晶片１１の長辺の寸法が１０ｍｍ以下の小型
の水晶片を用いる場合、上記電極板１３と水晶片１１と
の間隙は５０ミクロンないし５００ミクロン、より好ま
しくは１００ミクロンないし３００ミクロンとすること
が望ましい。

【００１３】そして各電極板１３の水晶片１１との対向
面には、それぞれ銀、クロム、ニッケル、アルミ等の金
属薄膜を一層又は複数層に蒸着して励振電極１４を形成
している。この励振電極１４は、たとえば図２に示す平
面図のように、水晶片の振動エネルギーの集中する部位
に対応する板面の中央部に比較的に面積の広い電極本体
１４ａを形成し、この本体１４ａから板面の両側端部へ
つづら折に調整部１４ｂを延在させている。

【００１４】このようにすれば、電極本体１４から調整
部１４ｂを切り放し、あるいは除去して漸減していった
場合、たとえば図３に示すグラフのように電極全体の面
積の減少とともに共振周波数は上昇する。したがって共
振周波数の調整は、上記電極板１３の外側からこれを透
過して赤外線レーザ、紫外線レーザ等の強い光を照射し
て電極本体１４から調整部１４ｂを少しづつ電気的に切
り放し、あるいは除去することによって行う。

【００１５】たとえば、共振周波数の調整にＹＡＧ
（１．０６μｍ）レーザビーム等の強い光を用いて上記
調整部１４ａを切断または除去することによって電極面
積を漸減して共振周波数を連続的に上昇するように変化
させていき所望の共振周波数に合わせ込むことができ
る。このため励振電極１４の調整部１４ｂの基部１４ｂ
１は幅狭に、先端部１４ｂ２は幅広に成形し、周波数調
整を行う際に先端部１４ｂ２では面積の変化が大きく、
すなわち周波数変化が大きく、また基部１４ｂ１では面
積の変化が小さく、すなわち周波数変化が小さくするよ
うにして周波数の可変幅を広くかつ微細な調整を行える
ようにしている。

【００１６】なお電極板１３の内側面を粗面にしておく
ことにより、励振電極１４を形成する際に金属薄膜の付
着力を高めることができ、また電極板１３の外側から強
い光を照射して共振周波数の調整を行う場合に、照射し
た光は上記内側面で散乱して光力を弱めるので励振電極
１４の切断部位を透過した光による水晶片への影響及び
反対側の励振電極１４の損傷を防ぐことができる。

【００１７】上記実施例によれば、水晶片１１の板面に
電極等の異物を付着させていないので、板面を容易に清
浄な状態を保つことができる。したがって、良好な共振
特性を容易に得ることができ、それを長期間維持するこ
とができる。そして、現在の水晶振動子で電極を水晶片
の板面に形成することによって発生する多くの問題、た
とえば共振周波数の経年変化、異物の付着による発振の
停止等のトラブルを根本的に解決することができる。

【００１８】また水晶片の板面に直接に形成した電極と
異なり、水晶片に対して電極は間隙を存して配置されて
いるので、電極の酸化等の化学変化による質量の変化を
考慮する必要もない。したがって、水晶片は大気中で空
気とともに封止することができ、真空封止等に比して封
止工程の大幅な簡略化とコストの低減を図ることができ
る。さらに共振周波数の調整は、封止した状態で電子機
器における使用状態と同じ条件で、外部から連続的に行
うことができ極めて正確に共振周波数を合わせ込むこと
ができる。

【００１９】なお本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、たとえば図４に示す厚みを誇張した断面図の
ように、電極板１３の平面状の内側面に励振電極１４の
調整部１４ｂの厚みを部分的に異ならせて形成するよう
にしてもよい。すなわち電極本体１４ａに近い基部１４
ｂ１を薄く、先端部１４ｂ２を厚く成形しても良い。こ
のようにすれば、厚みの厚い先端部１４ｂ２は厚みの薄
い基部１４ｂ１よりも水晶片１１の板面に接近して配置
されるために、これを電極本体１４ａから切り放し、あ
るいは除去した場合に厚みの薄い部分１４ｂ１を切り放
した場合よりも大きな周波数の変化を与えることができ
る。

【００２０】このように、励振電極１４と水晶片１１と
の間隙を変化させた場合の共振周波数の変化は、たとえ
ば図５に示すように間隙を大きくするとともに共振周波
数は高くなる。したがって図４に示すように厚みの厚い
励振電極１４、すなわち水晶片１１に近接した励振電極
１４を部分的に形成しておき、これを切り放せば水晶片
１１と励振電極１４の間隙を大きくすることと等価にな
り、共振周波数を高くすることができ、さらに図３に示
すような励振電極の面積の減少による共振周波数を高く
する効果と相俟て、大きく共振周波数を上昇させること
ができる。

【００２１】また上記実施例では水晶片を空気中で大気
圧で封止するものについて説明したが、たとえば不活性
ガスを大気圧で封止するようにしてもよいことは勿論で
ある。このようにすれば電極等を化学的に安定な雰囲気
におくことができ良好な長期安定度を得ることができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、水
晶片を板面に何も付着させない清浄な状態に保つことが
でき、それによって大気中で空気とともに封止すること
ができコストが安価で良好な共振特性を長期間にわたっ
て維持することができ、信頼性が高く、しかも容易に共
振周波数高い精度で調整することができる圧電振動子及
びその共振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】

【図１】本発明の方法を実施する水晶振動子の一例を示
す側断面図である。

【図２】本発明の方法を実施する水晶振動子の電極を示
す平面図である。

【図３】本発明の方法の電極面積と共振周波数の関係を
示すグラフである。

【図４】本発明の水晶振動子の他の実施例の電極の厚み
を誇張した断面図である。

【図５】図４に示す水晶振動子の周波数調整を説明する
水晶片と電極の間隙と共振周波数の関係を示すグラフで
ある。

【図６】従来の空隙式振動子の一例を示す側断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ 水晶片 １２ スペーサ １３ 電極板 １４ 励振電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−50544（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−291587（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−227512（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−75487（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−163824（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/19 H03H 3/04 H03H 9/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電振動を励振される圧電片と、 光透過性の絶縁材からなり上記圧電片に所定の間隙を存
   して相対面して配設されるとともに上記圧電片に対面す
   る面に形成した励振電極の面積を外側から照射した光に
   よって漸減して共振周波数を調整した電極板と、 を具備することを特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、水晶片の長辺の長さが１０ｍｍ以下の時に、電極板
   と水晶片の間隙を１００ミクロンないし３００ミクロン
   としたことを特徴とする圧電振動子。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、励振電極と圧電片との間隙を不均一とするように励
   振電極の厚みを部分的に異ならせたことを特徴とする圧
   電振動子。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載のものにおい
   て、電極板の内側面を粗面としたことを特徴とする圧電
   振動子。
5. 【請求項５】圧電片に所定の間隙を存して相対面して配
   設した電極板の上記圧電片に対面する板面に形成した励
   振電極の面積を光を用いて漸減して共振周波数を調整す
   ることを特徴とする共振周波数の調整方法。