JP4525061B2 - 水晶ランバード原石及び水晶板の製造方法、並びに水晶ランバード原石 - Google Patents

Description

本発明は、水晶の結晶軸の２軸回りに傾斜した切断面を有するダブルローテーションカットの水晶板を製造する方法、それに適した水晶ランバード原石及びその製造方法に関する。

一般に通信機器、情報機器、民生機器や各種電子制御装置などの電子機器に使用されている振動子、発振器、フィルタまたはセンサなどの圧電デバイスには、圧電材料として水晶が、高い周波数が得られかつ安定した周波数特性を有することから、広く採用されている。水晶振動子は、水晶板の結晶格子面に関する切断面の角度によって周波数温度特性などの性質が大きく変化することが知られており、実際に様々な切断面の水晶板を小割りした水晶チップが使用されている。

現在使用されている水晶板の多くは、例えばＡＴカット板、ＢＴカット板のように、結晶軸の１軸のみを回転した面で切断した、所謂シングルローテーションカットのものである。特にＡＴカット板は、常温付近での温度変化に対する周波数変化が少ないことから、最も広く使用されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかしながら最近は、電子機器の広範な用途・使用条件などに対応して、ＡＴカット板よりも高い温度領域及び広い温度範囲で安定した周波数を発振する水晶振動子が要求されている。

そこで、結晶軸の１軸を回転した後にその新たな軸を中心に他の１軸を更に回転した面で切断した、所謂ダブルローテーションカットの水晶板が開発されている。図３は、人工水晶原石１のＺ軸を中心にＸ軸を角度φ回転させてＸ´軸とし、かつこのＸ´軸を中心としてＺ軸を角度θ回転させてＺ´軸とし、Ｘ´Ｚ´面で切断したダブルローテーションカットの水晶板２を例示している。これら２つの結晶軸及びそれらの回転角度を適当に選択することによって、例えばＳＣ板、ＮＹ板、ＧＴ板などのダブルローテーションカットが知られている（例えば、特許文献２及び３を参照。）。

一般に水晶板は、人工水晶原石をランバード加工して水晶ブロックを切り出し、これをマルチブレードソー、ワイヤソーなどの機械的切断手段でスライスして水晶ウエハを切り出し、更に所望の厚さ及び表面状態にラッピング加工した後、所望の寸法・形状に切断する（例えば、特許文献４、５を参照。）。水晶板の特性は、その切断面が結晶格子面に関して所望の角度からずれると、それに応じて変化する。そのため、水晶原石のランバード加工及び水晶ウエハの切り出しは、通常ゴニオメータを備えたＸ線回折装置を使用し、水晶結晶軸の方向及び／または切断角度を確認しながら行う（例えば、特許文献６、７を参照。）。

特開平５−２３５６７８号公報 特許第３１９４４４２号公報 特許第３２１８５３７号公報 特開平９−１５５８５６号公報 特開２０００−３４９０４８号公報 特開平６−２４９８００号公報 特開平１１−１９８１３１号公報

水晶の切断面が結晶軸の１軸のみに傾斜しているシングルローテーションカットの場合には、通常のＸ線回折装置を用いて、その結晶軸からの傾斜角度偏差を比較的高精度に測定でき、従って所望の切断角度を有する水晶板を高精度にばらつきなく製造することができる。特許文献５に記載のように、所望の角度で切断した表面を含むように人工水晶原石をランバード加工すれば、その面と平行に切断することによって、所望の水晶板が容易に形成される。

しかしながら、ダブルローテーションカットの場合には、結晶格子面が２軸回りに傾斜しているので、回折Ｘ線には、Ｘ線回折装置のＸ線源からＸ線カウンタに至るＸ線の経路を含む水平面に対する傾斜による誤差が含まれ、正確に測角できないという問題がある。そのため、２軸回りの傾斜角度を一度に割り出すことは非常に困難であり、そのような方法で水晶チップを製造しても、切断角度のばらつきが大きく、水晶振動子は温度特性の周波数偏差が大きくなる虞がある。そして、これを解消するためには、水晶振動子に別個の補償回路を設けて調整しなければならない。

また、特許文献７に記載の方法では、人工水晶のＺ軸に関するＺ軸方向の面とのずれ角及びＸ軸に関するＸ軸方向の面とのずれ角をそれぞれＸ線回折装置で測定した後、人工水晶を切断手段のホルダに固定し、該ホルダをＺ軸に関するずれ角分だけ傾斜させて人工水晶のＺ軸とカッタとを平行にし、次にホルダをＸ軸に関するずれ角分だけ水平方向に回転させて人工水晶のＹ軸とカッタとを平行にすることによって、人工水晶をそのＹＺ面と平行に切断している。しかしながら、この方法では、２つの結晶軸に関するずれ角を調整するべくホルダを傾斜させまたは回転させる際に、結晶軸毎にそれぞれ設置誤差が生じかつ相乗的に作用することになるので、これをダブルローテーションカットに適用した場合、切断角度のばらつきが大きくなる虞がある。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水晶の結晶軸の２軸回りに傾斜した切断面を有するダブルローテーションカットの水晶板の製造において、従来のシングルローテーションカットに使用されているＸ線回折装置及び切断手段などの設備装置をそのまま利用して、切断角度をより正確にかつそのばらつきを解消または最小限に抑制し、水晶振動子の温度特性における周波数偏差を小さくすることにある。

更に本発明の目的は、かかるダブルローテーションカットの水晶板を製造するのに適した水晶ランバード原石及びその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、水晶の結晶軸Ｘ・Ｙ・Ｚにそれぞれ直交するＸ・Ｙ・Ｚ面と、Ｘ面に直交しかつＹ面に関して或る角度αで傾斜する基準面とを備える人工水晶原石を準備し、該人工水晶原石を、そのＺ軸を中心にＸ軸を所定の角度φ回転させたＸ´軸に直交するＸ´面で切断して、ランバード水晶ブロックを切り出し、かつ、同じ人工水晶原石からそのＸ面、Ｚ面及び基準面を有する補助ブロックを切り出し、該ランバード水晶ブロックのＸ´面と補助ブロックのＸ面とを平行に整合させ、かつランバード水晶ブロックの負方向のＺ面と補助ブロックの正方向のＺ面とをまたはランバード水晶ブロックの正方向のＺ面と補助ブロックの負方向のＺ面とを接合して、ランバード水晶ブロックと補助ブロックとを結合することによって、水晶ランバード原石を製造することを特徴とする水晶ランバード原石の製造方法が提供される。

このようにランバード水晶ブロックと補助ブロックとを貼り付けた水晶ランバード原石は、これら両ブロックを同じ人工水晶原石から切り出したことにより、それらのＺ軸は、Ｚ軸に関するＺ面の角度偏差に拘わらず、完全に一致すると共に、補助ブロックの基準面はそのＸ面即ちランバード水晶ブロックのＸ´面に直角に維持されている。従って、従来のＸ線回折装置を利用して、補助ブロックについてその切断面を測角し、その基準面に基づいてＸ軸の回りにＺ軸を回転させることにより、水晶ランバード原石についてＸ´軸の回りにＺ軸を所望の角度回転させたＺ´軸の向きを、先にランバード水晶ブロックを切り出すためにＸ軸を角度φ回転させたときに生じた誤差の影響を受けることなく、正確にばらつきなく割り出すことができる。これにより、本発明の水晶ランバード原石は、所望のダブルローテーションカットの切断角度を正確にかつばらつきなく位置決め可能で、所望の水晶板を直接切り出すことができる。

従って、本発明の別の側面によれば、このようにランバード水晶ブロックと補助ブロックとを結合することによって製造した水晶ランバード原石は、該補助ブロックのＸ軸を中心に角度（θ−α）回転させ、かつそのときの補助ブロックの基準面に平行な面でランバード水晶ブロックを切断することにより、所定厚さの水晶板を切り出す水晶板の製造方法が提供される。これにより、従来のＸ線回折装置及び切断手段を利用して、所望のダブルローテーションカットの水晶板を、その切断角度を正確にかつばらつきなく切り出すことができる。

また、本発明の別の側面によれば、更に、上述したように補助ブロックと結合したランバード水晶ブロックを、該補助ブロックの基準面をそのＸ軸を中心に角度（θ−α）回転させた面に平行な面で切断することによって、水晶ランバード原石を製造する水晶ランバード原石の製造方法が提供される。これにより、ランバード水晶ブロックをそのＸ´軸を中心としてＺ軸を角度θ回転させたＺ´軸に直交するＺ´面で切断した端面を有する水晶ランバード原石が得られる。この水晶ランバード原石は、そのＺ´面からなる端面に平行に切断することによって、同様に所望のダブルローテーションカットの水晶板を、その切断角度を正確にかつばらつきなく直接切り出すことができる。

また、本発明によれば、水晶ランバード原石または水晶板の製造において、ランバード水晶ブロックと補助ブロックとを結合する際に、該ランバード水晶ブロックのＸ´面と補助ブロックのＸ面とを同一平面上に整合させると、両者の貼合せ作業が容易でかつ正確にできると共に、次の工程においてＸ´軸を中心にＺ軸を所望の角度回転させる際に、水晶ランバード原石をＸ線回折装置の所定位置に設置し易くかつ安定し、Ｚ´面の切断がより正確かつ容易になる。

或る実施例では、前記人工水晶原石のＸ軸が水晶の電気軸であり、Ｙ軸が水晶の機械軸であり、Ｚ軸が水晶の光学軸である。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、形成しようとするダブルローテーションカットの傾斜方向によって、他の様々な組合せが可能である。

また、この場合に前記基準面が人工水晶原石のｒ面であると、Ｘ軸＝電気軸に直交するＸ面に直交し、かつＹ軸＝機械軸に対して一定の角度（α＝３８°１３′）で傾斜していることが知られているので、好ましい。しかし、ｒ面以外に例えばＲ面など、結晶軸に対する傾斜角度が分かっている面を基準面として用いることができる。

更に本発明の別の側面によれば、上述した本発明の方法により製造され、所望のダブルローテーションカットの水晶板を、その切断角度を正確にばらつきなく切り出すことが可能な水晶ランバード原石が提供される。

以下に、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明による水晶板の製造方法を適用して、水晶振動子に使用する水晶チップを製造する一連の工程を示している。本実施例では、水晶の直交する３つの結晶軸、即ち電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光学軸をＺ軸として、Ｚ軸を中心にＸ軸を時計回りに所定の角度φ回転させてＸ´軸とし、かつこのＸ´軸を中心としてＺ軸を時計回りに所定の角度θ回転させてＺ´軸とし、このＺ´軸に直交するＺ´面で切断したダブルローテーションカットの水晶チップを製造する。尚、本実施例において、結晶軸を中心とする時計回りとは、その結晶軸の正方向（＋側）から見た場合を基準とする。

最初に工程Ｓ１において、図２−１に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にそれぞれ直交する正方向（＋側）及び負方向（−側）のＸ面、Ｙ面、Ｚ面を有し、かつＹ軸方向の端部にｒ面及びＲ面を有するようにランバード加工された人工水晶原石１０を準備する。ｒ面はＸ面に直交し、水晶のＹ軸に関して角度α＝３８°１３′で傾斜していることが知られており、後述するように水晶ランバード原石を所望の角度で切断するための基準面として使用する。

人工水晶原石１０は、図２−１に想像線１０ａで示すように、Ｚ軸を中心にＸ軸を時計回りに角度φ回転させたＸ´軸に直交する＋側及び−側のＸ´面で切断して、図２−２に示すランバード水晶ブロック１１を切り出す。ランバード水晶ブロック１１のＸ´面は、従来と同様にゴニオメータを備えるＸ線回折装置を使用することによって、切り出し角度を正確に割り出すことができる。更に同じ人工水晶原石１０を図２−１に想像線１０ｂで示す−Ｘ面及び−Ｙ面で切断して、人工水晶原石１０の＋Ｘ面及びｒ面を有する補助ブロック１２を切り出す。

次に工程Ｓ２において、ランバード水晶ブロック１１と補助ブロック１２とを一体に結合する。図２−２に示すように、ランバード水晶ブロック１１の＋Ｘ´面と補助ブロック１２の＋Ｘ面とを同一平面上に整合させて、ランバード水晶ブロック１１の−Ｚ面に補助ブロック１２の＋Ｚ面を適当な接着剤で貼り合せ、一体に結合する。これにより、所望のダブルローテーションカットの水晶板を直接切り出すことができる本発明の水晶ランバード原石２０が製造される。

ランバード水晶ブロック１１に補助ブロック１２を貼り付けた水晶ランバード原石２０は、図２−３に示すように、その＋Ｘ´面を下にしてゴニオメータのテーブル１３上に、その回転中心軸Ｌが補助ブロック１２の−Ｚ面に位置するように載置する。ランバード水晶ブロック１１を切り出す場合と同様にＸ線回折装置を使用し、そのＸ線源１４から補助ブロック１２のｒ面にＸ線を照射しかつその回折Ｘ線をＸ線カウンタ１５で検出し、その補助ブロック１２のｒ面を基準としてテーブル１３を図中時計回りに角度ω＝（α−θ）回転させる。

貼り合わせたランバード水晶ブロック１１と補助ブロック１２とは、同じ人工水晶原石１０から切り出されているので、それらのＺ軸の向きが、Ｚ軸に関するＺ面の角度偏差に拘わらず、完全に一致する。更に補助ブロック１２のｒ面はそのＸ面即ちランバード水晶ブロック１１のＸ´面に対して直角に維持されている。従って、水晶ランバード原石２０はカッタ１６に対して、先の工程でランバード水晶ブロック１１を切り出すためにＸ軸を角度φ回転させたときに生じた誤差の影響を受けることなく、図２−４に示すように、ランバード水晶ブロック１１のＸ´軸を中心にＺ軸を時計回りに所定の角度θ回転させたＺ´軸に直交するＺ´面１１ａがカッタ１６の向きと平行になるように、正確に配置される。

カッタ１６は、従来と同様にダイシングソー、マルチブレードソーまたはワイヤソーのような公知の切断装置を使用する。カッタ１６を水晶ランバード原石２０のランバード水晶ブロック１１に向けてＺ´面１１ａと平行に移動させ、所望の厚さに切断して水晶ウエハを形成する（工程Ｓ３）。切り出した水晶ウエハは、その両面を所望の厚さ及び表面状態にラッピング加工する（工程Ｓ４）。

更に、水晶ウエハを切断機で小割して、所望の寸法・形状を有する水晶チップを切り出す（工程Ｓ５）。このようにして、Ｚ軸を中心にＸ軸を時計回りに所定の角度φ回転させたＸ´軸を中心に、更にＺ軸を時計回りに所定の角度θ回転させた切断面を有するダブルローテーションカットの水晶チップが得られる。

別の実施例では、工程Ｓ３において、水晶ウエハを切り出す代わりに、水晶ランバード原石２０のランバード水晶ブロック１１の両端をＺ´面で切断する。これにより、所望のダブルローテーションカットの水晶板を直接切り出すことができる本発明の水晶ランバード原石が新たに得られる。この新たな水晶ランバード原石は、両端のＺ´面と平行な面で切断することによって、同様にダブルローテーションカットの切断面を有する水晶板またはウエハを形成することができる。

以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、上記実施例では、人工水晶原石のＸ軸を水晶の電気軸、Ｙ軸を機械軸、Ｚ軸を光学軸にしたが、本発明はこれに限定されるものでなく、形成しようとするダブルローテーションカットの切断面によって、別の様々な結晶軸の向きに対しても同様に適用することができる。また、上記実施例では、人工水晶原石のｒ面を基準面に用いたが、ｒ面以外に、結晶軸に対する傾斜角度が予め分かっている面、例えばＲ面や後から人工水晶原石に加工した面を基準面として用いることができる。

本発明を用いて人工水晶原石からダブルローテーションカットの水晶チップを製造する工程を示すフロー図。 （Ａ）〜（Ｃ）図は、図１の工程Ｓ１においてランバード水晶ブロック及び補助ブロックを切り出す人工水晶原石をそれぞれ示す平面図、側面図及び端面図。 （Ａ）〜（Ｃ）図は、図１の工程Ｓ２においてランバード水晶ブロックに補助ブロックを貼り付けた水晶ランバード原石をそれぞれ示す平面図、側面図及び端面図。 図１の工程Ｓ３においてランバード水晶ブロックに補助ブロックを貼り付けた水晶ランバード原石の切り出し角度を測定する要領を示す概略説明図。 図１の工程Ｓ３において、図２−３の測定結果に基づいて水晶ウエハを切り出す要領を示す概略説明図。 ダブルローテーションカットの水晶板を示す説明図。

１，１０…人工水晶原石、２…水晶板、１１…ランバード水晶ブロック、１２…補助ブロック、１３…テーブル、１４…Ｘ線源、１５…Ｘ線カウンタ、１６…カッタ、２０…水晶ランバード原石。

Claims (10)

1. 水晶の結晶軸Ｘ・Ｙ・Ｚにそれぞれ直交するＸ・Ｙ・Ｚ面と、Ｘ面に直交しかつＹ面に関して或る角度αで傾斜する基準面とを備える人工水晶原石を準備し、
   前記人工水晶原石を、そのＺ軸を中心にＸ軸を所定の角度φ回転させたＸ´軸に直交するＸ´面で切断して、ランバード水晶ブロックを切り出し、かつ、
   同じ前記人工水晶原石から、そのＸ面、Ｚ面及び前記基準面を有する補助ブロックを切り出し、
   前記ランバード水晶ブロックのＸ´面と前記補助ブロックのＸ面とを平行に整合させ、かつ前記ランバード水晶ブロックの負方向のＺ面と前記補助ブロックの正方向のＺ面とをまたはランバード水晶ブロックの正方向のＺ面と前記補助ブロックの負方向のＺ面とを接合して、前記ランバード水晶ブロックと前記補助ブロックとを結合することによって、水晶ランバード原石を製造することを特徴とする水晶ランバード原石の製造方法。
2. 前記補助ブロックと結合した前記水晶ランバード原石を更に、前記補助ブロックの前記基準面をそのＸ軸を中心に角度（θ−α）回転させた面に平行な面で切断することによって、水晶ランバード原石を製造することを特徴とする請求項１に記載の水晶ランバード原石の製造方法。
3. 前記ランバード水晶ブロックと前記補助ブロックとを結合する際に、前記ランバード水晶ブロックのＸ´面と前記補助ブロックのＸ面とを同一平面上に整合させることを特徴とする請求項１または２に記載の水晶ランバード原石の製造方法。
4. 前記人工水晶原石のＸ軸が水晶の電気軸であり、Ｙ軸が水晶の機械軸であり、かつＺ軸が水晶の光学軸であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水晶ランバード原石の製造方法。
5. 前記基準面が前記人工水晶原石のｒ面であることを特徴とする請求項４に記載の水晶ランバード原石の製造方法。
6. 請求項１に記載の方法により前記ランバード水晶ブロックと前記補助ブロックとを結合することによって製造した前記水晶ランバード原石を、前記補助ブロックのＸ軸を中心に角度（θ−α）回転させた前記基準面に平行な面で切断することにより、所定厚さの水晶板を切り出すことを特徴とする水晶板の製造方法。
7. 前記ランバード水晶ブロックと前記補助ブロックとを結合する際に、前記ランバード水晶ブロックのＸ´面と前記補助ブロックのＸ面とを同一平面上に整合させることを特徴とする請求項６に記載の水晶板の製造方法。
8. 前記人工水晶原石のＸ軸が水晶の電気軸であり、Ｙ軸が水晶の機械軸であり、かつＺ軸が水晶の光学軸であることを特徴とする請求項６または７に記載の水晶板の製造方法。
9. 前記基準面が前記人工水晶原石のｒ面であることを特徴とする請求項８に記載の水晶板の製造方法。
10. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする水晶ランバード原石。

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