JP3979425B2

JP3979425B2 - 水晶基板の製造方法

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Publication number: JP3979425B2
Application number: JP2005282826A
Authority: JP
Inventors: 健二佐藤
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: WO2007037455A1; WO2007037455A9; JP2007096701A

Description

本発明は、水晶基板に関し、特にＱ値を高め、スプリアスを抑圧する低周波用ＡＴカット水晶振動子の水晶基板に関する。

水晶振動子は小型であること、経年変化が小さいこと、高精度、高安定な周波数が容易に得られること等のため、通信機器から電子機器まで広く用いられている。中でも周波数−温度特性が３次曲線を呈するＡＴカット水晶振動子は携帯電話等に多量に用いられている。
ＡＴカット水晶振動子の振動モードは、周知のように厚み滑り振動であり、振動子の周波数は厚さに逆比例する。つまり、水晶振動子の周波数が高くなるに従って水晶基板の厚さは薄くなり、水晶振動子の諸特性は電極の大きさと、電極による周波数低下量に大きく依存することになる。これに対し水晶振動子の周波数が低くなると、水晶基板の厚さに対する輪郭寸法（辺比という）が重要な要素となり、辺比を如何に適切に設定して、高次の輪郭振動を避けるかが設計の要点となる。

図４は円板状のＡＴカット水晶基板の構造を示す図であって、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。水晶振動子の周波数が低い場合には、水晶基板２１の厚さｔに対する直径Ｄの比Ｄ／ｔ（辺比）の値が小さくなり、主振動の振動エネルギ分布が十分に中央部に集中せず、端部にまで達することになる。端部に達した振動エネルギは輪郭振動、例えば高次の屈曲振動、高次面滑り振動等を励起し、その結果、主振動のＱ値は劣化し、スプリアスの多い水晶振動子となる。そこで、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、水晶基板２１の周縁部を楔型に研磨し、ベベル２２を付加することにより主振動の振動エネルギを中央部に集中させる手法が用いられてきた。水晶振動子の設計は、水晶基板２１の辺比Ｄ／ｔ、ベベル２２の幅Ｂ、端厚ｔ２を如何に設計し、Ｑ値が高く、スプリアスの少ない水晶振動子を実現するかである。

図５は矩形状のＡＴカット水晶基板の構造を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図である。矩形平板状の水晶基板２５を円筒状の容器に研磨剤と共に入れ、容器を所定の回転速度で回転させると、円筒容器の内面と研磨剤とより水晶基板２５の周縁部が図５（ｂ）に示すように楔状２６に研磨され、ベベル加工を施した水晶基板が得られる。このとき、水晶基板の周縁部が研磨される量は、水晶基板の自重と円筒容器の回転スピードとによりほぼ決まる。ベベル加工を施した矩形状ＡＴカット水晶基板の場合も、厚さｔに対する各辺の寸法Ｗ、Ｌと、ベベル２６の幅Ｂ、端厚ｔ２を適切に選定することにより、Ｑ値が高く、スプリアスの少ない水晶振動子を実現できる。

図６はプラノコンベック（Plano-convex）型水晶基板の断面図を示す図で、主振動の振動エネルギを基板中央部に集中させるべく、一方の主面をレンズ状（球面状）に研磨した水晶基板であり、主として高安定用水晶振動子に用いられる。プラノコンベック型水晶基板は他方の主面を平面とすることで、基板の切断角度を容易に保持でき、これを用いて構成した水晶振動子は、Ｑ値が大きいと共に良好な周波数温度特性を有するという特徴がある。
また、図７は両面コンベックス（Double-convex）型水晶基板の断面図を示す図で、高いＱ値を有する水晶振動子が得られるが、球面加工の精度により周波数温度特性に若干のバラツキが生ずることがある。

近年、水晶振動子の更なる小型化と低価格とが要求されるようになり、これを満たすものとして水晶基板の主面をメサ状に加工したメサ型水晶基板がある。図８はメサ型水晶基板の断面図を示す図で、矩形平板の水晶基板３０にフォトリソ技術とエッチング手法とを用いることにより、同図の斜線部をエッチングして、図９示すようなメサ型水晶基板を形成する。図９（ａ）はメサ型水晶基板の平面図、同図（ｂ）はＱ−Ｑにおける断面図であって、矩形平板３０の中央部に上下対向する突起部（メサ部）３２が一体的に形成されている。ここで、水晶基板の寸法Ｌ１、突起部２２の寸法Ｌ２、その厚みｔ、エッチング量ｔ４等は要求される水晶振動子の周波数、諸定数等から決められる。このような水晶基板は、フォトリソ技術とエッチング手法とが利用できるので、小型水晶基板を多量にしかも安価に製造することができる。また、図９に示すメサ型水晶基板は、主振動の振動エネルギをメサ部３２に集中させることができるので、Ｑ値の高い水晶振動子を構成することができる。
滝貞夫著、「人工水晶とその電気的応用」、日刊工業出版、４９年５月発行 V.E.Bottom著、「Introduction to Quartz Crystal Unit Design」、Van Nostrand出版、1982年1月発行

しかしながら、矩形平板の水晶基板に図５に示したようなベベル加工を施すべく、水晶基板を円筒状の容器に研磨剤と共に入れ、容器を所定の回転速度で所定の時間回転させてベベル加工を施してみると、ベベル幅が均一に加工されていない水晶基板がしばしばあるという問題があった。これは水晶基板が小さくなって、自重が軽くなると、所望のベベル加工を施すには、円筒容器中に滞在させる時間を長くする必要があり、このため、水晶基板が円筒容器内を自由に移動する時間が増え、水晶基板の隅が必要以上に研磨されて、円筒容器の曲率と異なった形状になったと推定される。
例えば、図９に示したような従来のメサ型水晶基板を研磨剤と共に円筒状の容器に入れ、容器を所定の回転速度で所定の時間回転させると、図１０に示すように水晶基板３０の隅Ｐが容器の内壁に当たり、はじめに斜線の部分が研磨される。このとき、水晶基板の周縁部が研磨される量は、水晶基板の自重と円筒容器の回転スピードとによりほぼ決まるため、水晶振動子の自重が軽くなると、円筒容器内で長時間ベベル加工されることになる。このため、特に水晶基板の隅が必要以上に研磨されるものや、円筒容器の曲率と異なった形状になるものがしばしばできるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、均一なベベル加工を施した水晶基板を提供することにある。

本発明の第１の発明は、矩形平板状のＡＴカット水晶基板の相対向する両主表面の中央部にそれぞれ突起部を一体的に備えると共に、該突起部に連なる周縁部の４つの角に面取り部を備えた水晶基板であって、前記突起部に球面部を備えると共に、前記周縁部にベベル部を備えていることを特徴とする水晶基板である。
第２の発明は、矩形平板状のＡＴカット水晶基板の周辺部をエッチングすることで、前記水晶基板に突起部と該突起部に連なる薄肉の周縁部を形成する工程と、水晶基板の４つの角をエッチングにより切り落とす工程と、を有する製造方法により製造されたメサ型水晶基板を、研磨剤と共に円筒状の容器に入れて回転し研磨することで、前記突起部に球面部を形成すると共に前記周縁部にベベル部を形成することを特徴とする水晶基板の製造方法である。

本発明の第１の発明による水晶基板は、メサ型水晶基板中央の突起部に球面部を備えると共に、突起部に連なる周縁部にベベル部を備えているので、従来のメサ型水晶基板やベベル型水晶基板よりもＱ値が高く、且つスプリアスが少ない。また、メサ型水晶基板周縁部の４つの角に面取り部を備えていることで、周縁部のベベル加工のバラツキが少なく水晶振動子の諸特性のバラツキも少ない。
第２の発明による水晶基板の製造方法によれば、メサ型水晶基板の４つの隅をエッチングにより切り取った上で研磨剤と共に円筒状の容器に入れて回転させ研磨するので、ベベル加工時間が短縮できると共に、ベベル加工の研磨をバラツキ少なく進行させることができる。また、メサ型水晶基板中央の突起部に球面部が形成されると共に周縁部にベベル部が形成されるので、主振動の振動エネルギを中央部に閉じ込め、高次の輪郭振動との結合を避けることができ、Ｑ値が高くスプリアスの少ない水晶振動子を得ることができるという利点がある。

図１は本発明に係る水晶基板の実施の形態を示す図であって、同図（ａ）、（ｂ）はそれぞれベベル加工を施す前の水晶基板の平面図と、Ｑ−Ｑにおける断面図である。図１（ｃ）、（ｄ）はベベル加工を施した後の水晶基板の平面図と、Ｑ−Ｑにおける断面図である。図１（ａ）に示すように長さＬ、幅Ｗ、厚さｔの矩形平板状の水晶基板１の４つの隅２をエッチング等の手段により、長さ方向にｄ１、幅方向にｄ２それぞれ削り取った水晶基板１を、研磨剤と共に円筒状の容器に入れ、容器を所定の回転速度で所定の時間回転することにより、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように均一な幅のベベル３が施される。これにより、４つの隅２の削り取った部分の研磨時間が短縮されるのみならず、円筒内での水晶基板１の回転が滑らかになり、矩形平板の水晶基板の４つの周縁部がほぼ均等に円筒の内壁に当たるようになるので、楔状部分の研磨をバラツキなく均等に進行させることができる。この結果、ベベル加工は水晶基板の周縁部において均一となり、設計で意図した水晶基板が得られることになる。

図２は本発明に係る水晶基板の他の実施の形態を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。同図に示すように、矩形平板状のＡＴカット水晶基板１１の相対向する両主表面の中央部にそれぞれ所定の大きさの突起部（メサ部）１２を一体的に形成すると共に、該突起部１２に連なる矩形平板部１３の４つの隅１４を、削り取って水晶基板１１を形成する。

次に、本発明に係る水晶基板の製造方法について、図２（ｂ）に示す断面図を用いて説明する。まず、矩形平板のＡＴカット水晶基板１１の両主面に、フォトリソ技術とエッチング手法を用いて、中央部１２を元の厚さのまま残し、周辺部１３を所定の厚さだけエッチングし、図２（ｂ）に示すように、平板部１３の中央に基板上下に対向する突起部１２が一体的に形成された水晶基板（メサ型水晶基板）を形成する。さらに、図２（ａ）に示すように平板部１３の４つの隅４をエッチング手段にて削り取る。

次に、メサ型水晶基板の４つの隅を削り取った水晶基板を研磨剤と共に円筒状の容器に入れ、容器を所定の回転速度で所定の時間回転させると、図３の平面図（ａ）、断面図（ｂ）に示すように、容器に当たる平板部１３の周縁部１６が研磨され楔状となる。更に、周縁部１６の研磨が進むと水晶基板１１の中央に形成した突起部１２の上面が円筒の容器の内壁に接触し、摩擦により研磨される。つまり、突起部１２の上面と平板部１３の周縁部１６の面とは円筒容器の形状が転写された球面状となる。

上記のメサ−ベベル型水晶基板を用いて構成した水晶振動子のＱ値は、メサ型水晶基板、あるいはベベル型水晶基板を用いて構成した水晶振動子のＱ値よりも大きく、且つメサ型、ベベル型水晶基板を用いた水晶振動子よりもスプリアスが少ないという特徴がある。この理由は、メサ−ベベル型水晶基板はメサ部の上面が球面状に加工されている上に、基板の周縁部に球面状のベベル加工が施されているので、主振動の振動エネルギがより中央部に集中し、端部で高次の輪郭振動を励起する振動エネルギが小さいものと推定される。

以上説明したように、本発明の４つの隅を削り取ったメサ型水晶基板は、ベベル加工時間が短縮できるので、突起部１２の球面状加工、周縁部１６のベベル加工とも設計に近い形状が得られる。そのため、球面状に加工された突起部１２（メサ部）により主振動の振動エネルギがメサ部に十分に閉じ込められるので、周縁部のベベル加工量を減らすことができる。また、ベベル加工時間を短縮できるので、突起部１２の球面加工、ベベル加工のバラツキも少なく、ひいては水晶振動子の諸特性のバラツキも少ないものが得られる。

本発明に係る水晶基板の構成を示す図で、（ａ）、（ｂ）はベベル加工を施す前の平面図とその断面図、（ｃ）、（ｄ）はベベル加工を施したあとの平面図とその断面図である。本発明に係る他の実施例でベベル加工を施す前のメサ型水晶基板の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。本発明に係るベベル加工を施したメサ−ベベル型水晶基板の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。従来のベベル加工を施した円形水晶基板を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。従来のベベル加工を施した矩形水晶基板を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。プラノ・コンベックス水晶基板の構造を示す断面図である。ダブル・コンベックス水晶基板の構造を示す断面図である。メサ型水晶基板の形成を示す断面図である。メサ型水晶基板の構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。メサ型水晶基板にベベル加工を施した水晶基板の平面図である。

符号の説明

１、１１水晶基板
２、１４隅（角）
３、１６ベベル
Ｌ長さ
Ｗ幅
ｔ厚さ
ｄ１、ｄ２隅の切り落し寸法
ｔ２端厚
１２突起部（メサ部）
１３平板部
６研磨部

Claims

矩形平板状のＡＴカット水晶基板の周辺部をエッチングすることで、前記水晶基板に突起部と該突起部に連なる薄肉の周縁部を形成する工程と、
水晶基板の４つの角をエッチングにより切り落とす工程と、
を有する製造方法により製造されたメサ型水晶基板を、研磨剤と共に円筒状の容器に入れて回転し研磨することで、前記突起部に球面部を形成すると共に前記周縁部にベベル部を形成することを特徴とする水晶基板の製造方法。