JP3975681B2 - 振動片の製造方法、振動片、振動子、発振器及び携帯用電話装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、例えば水晶等からなる振動片の製造方法、この製造方法により製造された振動片、この振動片を有する振動子、この振動子を備える発振器や携帯電話装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
振動片である音叉型水晶振動片１０は、例えば図１０に示すように構成されている。
すなわち、音叉型水晶振動片１０は、基部１１と、この基部１１から突出して形成されている２本の振動腕部１２，１３を有している。そして、この２本の振動腕部１２，１３には、図１０に示すように、溝１２ａ，１３ａが表面及び裏面に形成されている。
このため、図１０のＡ−Ａ’断面図である図１１に示すように振動腕部１２，１３は、その断面形状が略Ｈ型に形成されている。
【０００４】
このような音叉型水晶振動片１０は、水晶を一定の角度で切り出すことで形成される。この切り出し角度によりＡＴカット、ＢＴカット等と呼ばれ、カットの角度によって特有の振動特性を発揮することになる。
そして、このように特有の振動特性を有する音叉型水晶振動片１０は、発振周波数が非常に安定しているため、広く利用されている。
しかし、水晶からなる音叉型水晶振動片１０は、周囲温度の影響を受け周囲温度の変化により発振周波数が微妙に変化することになり、これが周波数温度特性といわれている。
この周波数温度特性は、例えば特定の温度で周波数が最も高くなるという放物線を描くため、最も周波数が高くなる温度が存在し、この点を頂点温度として周波数温度特性の一つの基準としている。
【０００５】
同じカットアングルで切り出された音叉型水晶振動片１０は同じ、前記頂点温度を有する。しかし、カットアングルの相違により図１２に示すように頂点温度が変化してしまい、カットアングルが異なる音叉型水晶振動片は周波数温度特性が相違してしまう。これは、振動片によって周波数が大きく異なってしまうことを意味する。
したがって、従来より、同じ振動特性を有する音叉型水晶振動片を多数製造する場合は、水晶から切り出すカットアングルを常に同じにする必要があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の振動片の製造において、同じ振動特性を有する多数の音叉型水晶振動片１０を正確に、同じカットアングルで水晶から切り出すことは困難であるという問題があった。
このため、カットアングルの相違により生じる上述の頂点温度の相違は、他の補正回路等により調整をしていたため、生産コストの上昇等を招くという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、生産コストを上昇させることなく、水晶の切り出し角度の誤差による頂点温度のばらつきを押さえ、決められた頂点温度に合わせることで、振動片毎の周波数温度特性を精度よく調整することができる振動片の製造方法、この製造方法により製造された振動片、この振動片を有する振動子、この振動子を備える発振器や携帯電話装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動片の製造方法は、水晶を所定のカットアングルで切り出して、基部と前記基部から突出して形成されている振動腕部とを形成する工程と、前記振動腕部の表面部及び／又は裏面部に溝部を形成する工程と、前記振動腕部の側面部及び前記溝部に励振電極を形成する工程とを有する振動片の製造方法であって、該水晶が切り出された前記カットアングルと、カットアングル毎の振動片の溝深さと周波数温度特性の頂点温度との対応関係のデータとに基づいて、前記カットアングルの振動片における周波数温度特性の頂点温度が所望の温度となるように、前記溝部の深さを変化させることにより、該振動片の周波数温度特性を調整してなることを特徴とする。
本発明の振動片の製造方法は、水晶を切り出し、水晶ウェハを形成する工程と、切り出された前記水晶ウェハのカットアングルを測定する工程と、この測定したカットアングルを制御部へ格納する工程と、振動片の基部及び振動腕部の外形を形成する工程と、前記振動腕部の表面及び／又は裏面部に前記制御部の指示に従い、所定の深さで溝部を形成する工程と、前記振動腕部の側面部及び前記溝部に励振電極を形成する工程とを有する振動片の製造方法であって、前記制御部は、水晶のカットアングル毎の、振動片の溝深さと周波数温度特性の頂点温度との対応関係のデータを備え、前記測定したカットアングルと前記データとに基づき、前記測定したカットアングルの振動片における周波数温度特性の頂点温度が所望の温度となるように溝深さを決定することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法により製造された振動片である音叉型水晶振動片１００を示す図である。
音叉型水晶振動片１００は、例えば所謂水晶Ｚ板となるように水晶の単結晶を特定の切り出し角度（カットアングル）で切り出して形成されている。
また、図１に示す音叉型水晶振動片１００は例えば３２．７６８ｋＨｚの周波数で発振する振動片であるため、極めて小型の振動片となっている。
このような音叉型水晶振動片１００は、図１に示すように、基部１１０を有している。そして、この基部１１０から図において上方向に突出するように振動腕部である音叉腕１２１，１２２が２本配置されている。
【００２１】
また、この音叉腕１２１，１２２の表面と裏面には、溝部１２３，１２４が図１に示すように形成されている。この溝部１２３，１２４は、図１に示されていない音叉腕１２１，１２２の裏面側にも同様に形成され、図２に示すように、Ｆ−Ｆ’線断面図では、この溝１２３，１２４が形成されている音叉腕１２１，１２２の断面は、略Ｈ型に形成されている。
ところで、図１に示す音叉腕１２１、１２２に形成されている溝部１２３，１２４には、図１に示すように、励振電極１２３ａ，１２４ａがそれぞれ形成されている。また、この励振電極１２３ａ，１２４ａは、図２に示すように、音叉腕１２１，１２２の側面にも配置されている。
また、音叉型水晶振動片１００の基部１１０等には、給電等を行う給電電極１１２も配置されている。
【００２２】
このように励振電極１２３ａ，１２４ａが溝部１２３，１２４に配置され、音叉腕１２１，１２２の側面にも励振電極１２３ａ，１２４ａが配置されているため、励振電極１２３ａ，１２４ａに電圧を印加すると、音叉腕１２３，１２４内に効率良く電界が生じ、音叉腕１２３，１２４の振動損失が低くＣＩ値（クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗）も低い状態で振動が生じることになる。特に、上述にように図１に示す音叉型水晶振動片１００は、周波数が３２．７６８ｋＨｚの小型の振動片であるが、このような振動片でも、振動損失が低く、ＣＩ値も低い高性能な振動片となっている。
【００２３】
ところで、上記音叉型水晶振動片１００の基部１１０は、図１に示すように、その全体が略板状に形成されている。
そして、この基部１１０には、図１に示すように基部１１０の両側に切り込み部１２５が２箇所設けられている。
この切り込み部１２５の位置は、図１に示すように音叉腕１２１，１２２の溝１２３，１２４の下端部より下方に配置されるので、この切り込み部１２５の存在が、音叉腕部１２１、１２２の振動を阻害等することがない。
【００２４】
また、音叉型水晶振動片１００をパッケージにおいて固定する際に実際に固定される領域が図１の固定領域１１３である。
図１に示すように、切り込み部１２５の下端部は、固定領域１１３より図１の上方に配置されるので、切り込み部１２５が固定領域１１３に影響を及ぼすことがなく、音叉型水晶振動片１００のパッケージに対する固定状態に悪影響を与えることがないように構成されている。
【００２５】
このような位置に切り込み部１２５が配置されているため、音叉腕１２１，１２２の振動により、溝１２３，１２４から漏れてきた漏れ振動は、切り込み部１２５により、基部１１０の固定領域１１３に伝わり難くなる。
このように、漏れ振動が固定領域１１３に伝わり難くなることで、エネルギー逃げが生じ難くなる。具体的には、従来のＣＩ値の振動片素子間のばらつきは、標準偏差で１０ｋΩ以上発生していたが、切り込み部１２５を設ける本実施の形態の振動片では、標準偏差は１ｋΩに激減した。
【００２６】
ところで、このような音叉型水晶振動片１００は、その発振周波数が非常に安定しているため、各種の電子機器等に広く用いられている。しかし、この音叉型水晶振動片１００は水晶により成っているため、その周囲温度の影響を受けることになる。
この影響は、具体的には、音叉型水晶振動片１００の周波数と周囲温度との関係となる。すなわち、本実施の形態の音叉型水晶振動片１００は、図３に示すような周波数温度特性を示す。
図３に示すように温度変化によって周波数は放物線状の２次曲線となる。本実施の形態のように切り込み部１２５が形成されている音叉型水晶振動片１００はすべて２次曲線となる。
【００２７】
したがって、図３に示すように周波数は一定の温度、例えば２２．３°Ｃで最も周波数が高くなる。この周波数が最も高くなる部分を頂点温度と呼ぶ。
図３における頂点温度は２２．３°Ｃであり、そのときの周波数は約３３．１０７ｋＨｚ程度となっている。
このような周波数温度特性は、水晶から切り出されるときの切り出し角度、であるカットアングルによって大きく異なる。
すなわち、上述したように、図１２に示すグラフによれば、例えばカットアングルが１°の水晶ウエハで同じ深さにした場合、頂点温度が１５°Ｃに変化することになる。
この頂点温度の変化は、図３の周波数の２次曲線がその分だけズレることになり、これにより、その周波数温度特性が変わることになる。
【００２８】
実際の製造現場においては、多数の音叉型水晶振動片１００を製造するため、カットアングルが振動片毎に多少ずれることは、避けがたいことなので、以下、カットアングルが多少ずれても、頂点温度、ひいては周波数温度特性を振動片毎に揃える方法を音叉型水晶振動片１００の製造方法と共に以下、説明する。
【００２９】
図４は、この製造方法の全体の工程を示すフローチャートである。
図４に示すように、先ず、ＳＴ１に示す水晶切り出し工程で、水晶を所定の角度で切り出す。すなわち、所定のカットアングルでウエハを切り出すことになる。
このように切り出されるウエハは、多数切り出されるため、上述のように、すべてのウエハが同一の所定のカットアングルで正確に切り出されていない可能性が高いため、図４のＳＴ２に示すように、各ウエハのカットアングルを測定することになる。
このウエハの測定されたカットアングルは、切り出されたウエハ毎に、その角度が図４の制御装置に入力される。
【００３０】
ここで、制御装置内には、図５に示すような溝深さと頂点温度に関するデータがカットアングル毎に備えられている。
また、この制御装置内には、図５に示す溝深さと頂点温度に関するデータも備えられている。
すなわち、図５は、図２の音叉腕１２１，１２２の溝部１２３，１２４の溝深さによって製造される音叉型水晶振動片の上記頂点温度が変化することを示している。
【００３１】
つまり、水晶から切り出された多数のウエハのカットアングルが微妙に相違し、ウエハ毎の周波数温度特性が相違する場合は、ウエハ毎の図３に示すような頂点温度も相違することになる。したがって、頂点温度を補正して変更できれば、ウエハ毎の周波数温度特性も補正され、同じ特性を有するウエハとすることができることになる
そこで、図４の制御装置内では、ウエハ毎のカットアングルの測定データをカットアングル毎の図５に示すようなデータにあてはめ、図２に示す溝部１２３，１２４の溝深さを特定する。
【００３２】
このように算出された溝深さのデータが図示しないエッチング装置に送信される。
一方、図４のＳＴ４に示すように、水晶から切り出されたウエハは、図示しないエッチング装置で、図１に示すような基部１１０及び音叉腕１２１，１２２の外形が形成される。
このように振動片の外形が形成された後、図４のＳＴ５に示すように音叉腕１２１，１２２に溝部１２３，１２４がエッチングで形成される。
このとき、図４の制御装置から送られてきた当該ウエハに関する溝深さデータに基づきエッチングが行われる。
【００３３】
したがって、溝深さは各ウエハのカットアングルの相違量によって異なることになる。
溝部１２３，１２４が形成されたウエハ（振動片）は、図４のＳＴ６に示すように電極が形成される。
具体的には、図１の励振電極１２３ａ，１２４ａが溝部１２３，１２４や音叉腕１２１，１２２の側面等に配置され、基部１１０等には給電電極１１２が配置される。また、音叉腕１２１，１２２の先端部には、図１に示すように周波数調整電極１１４が配置される。
【００３４】
このようにして、各電極が形成された後、その他所定の工程を経て、図４のＳＴ７に示すように、音叉腕１２１，１２２に形成されている周波数調整電極１１４にレーザ等を照射することで、周波数調整を行う。
以上のようにして図１に示すような音叉型水晶振動片１００が製造されるが、この音叉型水晶振動片１００が水晶から切り出される際に、カットアングルが多少ずれても、溝部１２３，１２４の深さを調整すれば、振動片毎の頂点温度を揃えることができ、これにより振動片毎の周波数温度特性を揃えることができる。したがって、従来のように、周波数温度特性の相違する振動片毎に補正するための回路等を特別に設けることなく、低コストで容易に振動片毎の頂点温度、ひいては周波数温度特性を補正することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る振動子であるセラミックパッケージ音叉型振動子２００を示す図である。
このセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、上述の第１の実施の形態の音叉型水晶振動片１００を用いている。したがって、音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。
図６は、セラミックパッケージ音叉型振動子２００の構成を示す概略断面図である。図６に示すようにセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、その内側に空間を有する箱状のパッケージ２１０を有している。
このパッケージ２１０には、その底部にベース部２１１を備えている。このベース部２１１は、例えばアルミナ等のセラミックス等で形成されている。
【００３６】
ベース部２１１上には、封止部２１２が設けられており、この封止部２１２は、ベース部２１１と同様の材料から形成されている。また、この封止部２１２の上端部には、蓋体２１３が載置され、これらベース部２１１、封止部２１２及び蓋体２１３で、中空の箱体を形成することになる。
このように形成されているパッケージ２１０のベース部２１１上にはパッケージ側電極２１４が設けられている。このパッケージ側電極２１４の上には導電性接着剤等を介して音叉型水晶振動片１００の基部１１０の固定領域１１３が固定されている。
この音叉型水晶振動片１００は、図１に示すように構成されているため、周波数温度特性、頂点温度が揃った精度良い振動片である。
したがって、この振動片を搭載したセラミックパッケージ音叉型振動子２００も小型で振動片の周波数温度特性、頂点温度が揃った精度が高い高性能な振動子となる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る携帯電話装置であるデジタル携帯電話３００を示す概略図である。
このデジタル携帯電話３００は、上述の第２の実施の形態のセラミックパッケージ音叉型振動子２００と音叉型水晶振動片１００とを使用している。
したがって、セラミックパッケージ音叉型振動子２００と音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。
図７はデジタル携帯電話３００の回路ブロックを示しているが、図７に示すように、デジタル携帯電話３００で送信する場合は、使用者が、自己の声をマイクロフォンに入力すると、信号はパルス幅変調・符号化のブロックと変調器／復調器のブロックを経てトランスミッター、アンテナスイッチを開始アンテナから送信されることになる。
【００３８】
一方、他人の電話から送信された信号は、アンテナで受信され、アンテナスイッチ、受信フィルターを経て、レシーバーから変調器／復調器ブロックに入力される。そして、変調又は復調された信号がパルス幅変調・符号化のブロックを経てスピーカーに声として出力されるようになっている。
このうち、アンテナスイッチや変調器／復調器ブロック等を制御するためのコントローラが設けられている。
このコントローラは、上述の他に表示部であるＬＣＤや数字等の入力部であるキー、更にはＲＡＭやＲＯＭ等も制御するため、高精度であることが求められる。また、デジタル携帯電話３００の小型化の要請もある。
このような要請に合致するものとして上述のセラミックパッケージ音叉振動子２００が用いられている。
【００３９】
このセラミックパッケージ音叉型振動子２００は、図１に示す音叉型水晶振動片１００を有するため、周波数温度特性、頂点温度が揃った精度良い振動片である。
したがって、このセラミックパッケージ音叉型振動子２００を搭載したデジタル携帯電話３００も小型で振動片の周波数温度特性、頂点温度が揃った精度が高い高性能なデジタル携帯電話となる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る発振器である音叉水晶発振器４００を示す図である。
このデジタル音叉水晶発振器４００は、上述の第２の実施の形態のセラミックパケージ音叉型振動子２００と多くの部分で構成が共通している。したがって、セラミックパケージ音叉型振動子２００と音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。
【００４１】
図８に示す音叉型水晶発振器４００は、セラミックパッケージ音叉振動子２００の音叉型水晶振動片１００の下方で、ベース部２１１の上に、集積回路４１０を配置したものである。
すなわち、音叉水晶発振器４００では、その内部に配置された音叉型水晶振動片１００が振動すると、その振動は、集積回路４１０に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。
すなわち、音叉水晶発振器４００に収容されている音叉型水晶振動片１００は、図１に示すように構成されているため、周波数温度特性、頂点温度が揃った精度良い振動片である。
したがって、この振動片を搭載したデジタル音叉水晶発振器４００も小型で振動片の周波数温度特性、頂点温度が揃った精度が高い高性能な発振器となる。
【００４２】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明に第５の実施の形態に係る振動子であるシリンダータイプ音叉振動子５００を示す図である。
このシリンダータイプ音叉振動子５００は、上述の第１の実施の形態の音叉型水晶振動片１００を使用している。したがって、音叉型水晶振動片１００の構成、作用等については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。
図９は、シリンダータイプ音叉振動子５００の構成を示す概略図である。
図９に示すようにシリンダータイプ音叉振動子５００は、その内部に音叉型水晶振動片１００を収容するための金属製のキャップ５３０を有している。このキャップ５３０は、ステム５２０に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。
【００４３】
また、キャップ５３０に収容された音叉型水晶振動片１００を保持するためのリード５１０が２本配置されている。
このようなシリンダータイプ音叉振動子５００に外部より電流等を印加すると音叉型水晶振動片１００の音叉腕１２１，１２２が振動し、振動子として機能することになる。
このとき、音叉型水晶振動片１００は、図１に示すように構成されているため、周波数温度特性、頂点温度が揃った精度良い振動片である。
したがって、この振動片を搭載したシリンダータイプ音叉振動子５００も小型で振動片の周波数温度特性、頂点温度が揃った精度が高い高性能な振動子となる。
【００４４】
また、上述の各実施の形態では、３２．７６８ｋＨｚの音叉型水晶振動子を例に説明したが、１５ｋＨｚ乃至１５５ｋＨｚの音叉型水晶振動子に適用できることは明らかである。
なお、上述の実施の形態に係る音叉型水晶振動片１００は、上述の例のみならず、他の電子機器、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いられることは明らかである。
さらに、本発明は、上記実施の形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。そして、上記実施の形態の構成は、その一部を省略したり、上述していない他の任意の組み合わせに変更することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、生産コストを上昇させることなく、水晶の切り出し角度の誤差による頂点温度のばらつきを押さえ、決められた頂点温度に合わせることで、振動片毎の周波数温度特性を精度よく調整することができる振動片の製造方法、この製造方法により製造された振動片、この振動片を有する振動子、この振動子を備える発振器や携帯電話装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動片の製造方法により製造された音叉型水晶振動片の概略図である。
【図２】図１のＦ−Ｆ’線概略断面図である。
【図３】振動片の周波数温度特性を示すグラフである。
【図４】図１の振動片の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】頂点温度と溝深さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るセラミックパッケージ音叉型振動子の構成を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るデジタル携帯電話の回路ブロックを示す概略図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る音叉水晶発振器の構成を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係るシリンダータイプ音叉振動子の構成を示す概略断面図である。
【図１０】従来の音叉型水晶振動片を示す概略図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ’線概略断面図である。
【図１２】カットアングルと頂点温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００・・・音叉型水晶振動片
１１０・・・基部
１１２・・・給電電極
１１３・・・固定領域
１１４・・・周波数調整電極
１２１、１２２・・・音叉腕
１２３，１２４・・・溝部
１２３ａ，１２４ａ・・・励振電極
１２５・・・切り込み部
２００・・・セラミックパッケージ音叉振動子
２１０・・・パッケージ
２１１・・・ベース部
２１２・・・封止部
２１３・・・蓋体
２１４・・・パッケージ側電極
３００・・・デジタル携帯電話
４００・・・音叉水晶発振器
４１０・・・集積回路
５００・・・シリンダータイプ音叉振動子
５１０・・・リード
５２０・・・ステム
５３０・・・キャップ

Claims (2)

1. 水晶を所定のカットアングルで切り出して、基部と前記基部から突出して形成されている振動腕部とを形成する工程と、
   前記振動腕部の表面部及び／又は裏面部に溝部を形成する工程と、
   前記振動腕部の側面部及び前記溝部に励振電極を形成する工程とを有する振動片の製造方法であって、
   該水晶が切り出された前記カットアングルと、カットアングル毎の振動片の溝深さと周波数温度特性の頂点温度との対応関係のデータとに基づいて、前記カットアングルの振動片における周波数温度特性の頂点温度が所望の温度となるように、前記溝部の深さを変化させることにより、該振動片の周波数温度特性を調整してなることを特徴とする振動片の製造方法。
2. 水晶を切り出し、水晶ウェハを形成する工程と、
   切り出された前記水晶ウェハのカットアングルを測定する工程と、
   この測定したカットアングルを制御部へ格納する工程と、
   振動片の基部及び振動腕部の外形を形成する工程と、
   前記振動腕部の表面及び／又は裏面部に前記制御部の指示に従い、所定の深さで溝部を形成する工程と、
   前記振動腕部の側面部及び前記溝部に励振電極を形成する工程とを有する振動片の製造方法であって、
   前記制御部は、水晶のカットアングル毎の、振動片の溝深さと周波数温度特性の頂点温度との対応関係のデータを備え、前記測定したカットアングルと前記データとに基づき、前記測定したカットアングルの振動片における周波数温度特性の頂点温度が所望の温度となるように溝深さを決定することを特徴とする振動片の製造方法。

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