JP4571210B2 - 音叉型水晶振動子及びその周波数調整方法 - Google Patents

Description

本発明は音叉型水晶振動子（以下、音叉型振動子とする）及びその振動周波数の周波数調整方法に係わり、特に調整精度を高めた周波数調整方法に関する。

（発明の背景）
音叉型振動子は特に時計用の基準源として使用され、腕時計等を始めとして携帯電話やデジカメ等の電子機器に時計機能として内蔵される。近年では、これら電子機器の普及及び小型化に伴い、音叉型振動子もフォトリソグラフィック（写真印刷技術）を用いたエッチングによって形成されている。

（従来技術の一例）
図４は一従来例を説明する音叉型振動子のカバーを除いて見た平面図である。さらに、図５（ａ），（ｂ）はこの音叉型振動子をさらに詳細に示した図であり、特に図５（ａ）は電極配線も併せて示した音叉型振動子の斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図を、発振回路とともに示した断面図である。

音叉型振動子は図４に示すように、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した音叉状水晶片３を備える。一対の音叉腕２（ａｂ）にはその頭部先端面（天面）を除く各四面に駆動電極４を有する。そして、図５に示すように、各駆動電極４，４が結線されている。すなわち、各音叉腕２（ａｂ）での両主面間及び両側面間を同電位とし、両主面と両側面とでは逆電位とする。一対の音叉腕２（ａｂ）間では両主面間同士及び両側面同士を逆電位とする。

これらの駆動電極４は同電位同士が共通接続され、図５に示すように、一対の電極が音叉基部１における主面下方に延出する。一般には、周波数調整用の金属膜５（ａｂ）が音叉腕２（ａｂ）の先端側主面に設けられる。そして、これらは、駆動電極４等を含めた外形加工が例えばフォトリソグラフィックを用いたエッチングによって形成され、多数の音叉状水晶片３が後述の図２で示す水晶ウェハに一体的に連結される。

水晶ウェハから個々の音叉状水晶片３に分割された後、図４に示すように、音叉状水晶片３は、例えば凹状とした表面実装容器６の一端側の分割されて図示しない水晶端子を有する内壁段部７に音叉基部１の主面下方を固着し、電気的・機械的に接続される。そして、表面実装容器６の開口端面を図示しないカバーによって封止し、音叉状水晶片３を密閉封入する。通常、真空封止とし、小型化によるクリスタルインピーダンス（ＣＩ）の上昇を抑える。

このようなものでは、音叉状水晶片３が水晶ウェハに一体的に連結した状態で、先端主面の金属膜の一部をＹＡＧ等のレーザによって、溶融・飛散して除去する。そして、音叉型振動子（音叉状水晶片３）の振動周波数を低い方から高い方に調整する。この場合、一括的に周波数調整ができるので、生産性を高める。

あるいは、表面実装容器６内に収容した後、同様にして金属膜５（ａｂ）の一部を除去することによって、周波数調整する。この場合、音叉基部１を段部に固着した際の振動周波数の変化分を含めて、振動周波数（常温）を規格内に調整できる。さらには、水晶ウェハの状態で各音叉水晶片の振動周波数を粗調整をし、容器に収容した後、微調整をすることもある（特許文献１）。

また、音叉型水晶片の振動腕部の外側角部を水晶の切断に適した波長のレーザ光により漸次切断して特性調整を行うものもある（特許文献４）。

なお、フェムト秒技術については、非特許文献１を参照のこと。
特開２００４−２０１１０５号公報 特開２００４−２８９２３７号公報 特開２００７−５７４１１号公報 特開２０００−２７８０６６号公報 日経サイエンス２０００年１１月号第２０頁〜第３１頁

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の音叉型振動子では、周波数調整用の金属膜５（ａｂ）を形成する必要があるので、製造工程が煩雑になる。そして、周波数調整時にはレーザの熱によって金属膜５（ａｂ）を削除するので、音叉腕２（ａｂ）自体（音叉型振動子自体）の温度も上昇する。一方、音叉型振動子は常温近傍を極大値とし２次関数となる周波数温度特性を有する。

したがって、常温時の周波数調整をしても、音叉腕２（ａｂ）自体の温度上昇によって実際には常温時よりも高い温度での周波数調整となる。これにより、周波数調整が充分でなく、調整精度が低下しやすい問題点があった。

図６は、この問題点を説明する図であり、音叉型水晶振動子の周波数温度特性の典型例を示した図である。横軸に温度、また、縦軸に各温度での室温に対する周波数変化量（単位：ｐｐｍ）をとって示した音叉型水晶振動子の温度特性図である。

音叉型水晶振動子は、典型的に２５℃付近が頂点温度となるよう（温度係数が平坦になるよう）に設計されている。また、周波数調整精度は±２０ｐｐｍ未満が要求される。しかし、上記のように金属膜をレーザの熱によって除去する場合、レーザ照射時には水晶は相当の温度（少なくとも１００℃以上）になる。そのため、周波数変化は図６の１００℃以上の領域の値になるため、室温時に比べ数１００ｐｐｍも低い値になる。したがって、レーザ調整が終了して水晶が冷めてくると、周波数は高い方向にシフトする。この結果、周波数調整時の周波数は維持できず、規定の周波数調整精度を確保できない。

また、別の問題点として、周波数調整幅が金属膜５（ａｂ）の膜厚で制限される。つまり、ＹＡＧレーザでは、これらの金属膜を除去することしかできないので、金属膜を除去し終えると水晶振動子の周波数調整を行えなくなる。したがって、周波数調整幅に自ずと制限がある。このため、フォトリソグラフィで音叉外形を形成した後の周波数分布を狭くおさえることが要求され、製造上の制約も大きかった。

（発明の目的）
本発明は周波数調整精度を高めた音叉型振動子及びその周波数調整方法を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を有する音叉型水晶振動子の周波数調整方法において、前記一対の音叉腕を周回する外周面から頭部先端面に又は頭部先端面から外周面に向かって照射されるフェムト秒レーザによって、前記外周面から頭部先端面にまたがる傾斜面を形成して振動周波数を調整する第１周波数調整工程を備えた構成とする。

このような構成であれば、フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）を適用するので、一対の音叉腕を直接削除できる。したがって、原理的には、水晶自体を削除できる限り周波数調整が可能になるので、金属膜を除去する場合に比べ、周波数調整幅を広くとれる。また、周波数調整に金属膜を用いなくても済むので、従来は必要であった金属膜〔典型的には金（Ａｕ）膜〕を不要とすることもできるから、金属膜形成工程の削減、金の材料費の削減を図ることもできる。また、フェムト秒レーザ（超短パルスレーザ）であれば、熱的損傷を殆ど水晶片に与えないので、周波数調整時には温度上昇を起こすこともない。すなわち、フェムト秒レーザでは、レーザ照射位置の周辺部への熱伝導が起こる前にレーザ照射が終了してしまうほどレーザパルス幅が狭いため、音叉状水晶片の周波数調整時の温度上昇を防止できる。したがって、音叉型振動子の周波数調整精度をさらに高められる。

また、一対の音叉腕の外周面から頭部先端面又は頭部先端面から外周面に向かってフェムト秒レーザを照射するので、フェムト秒レーザは音叉腕を斜め方向に透過する。したがって、フェムト秒レーザによるエネルギーが水晶片の内部にこもらないので、水晶片のクラックの発生を防止又は軽減できる。

これに対し、フェムト秒レーザが、音叉腕の主面に垂直に入射した場合には、フェムトレーザのエネルギーが水晶片の内部にこもりやすくなるため、水晶表面にクラックを生じさせたり、水晶内部を損傷させたりする。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記外周面は前記音叉腕の主面とする。これにより、水晶ウェハの状態での音叉状水晶片３あるいは凹状とした表面実装容器に音叉状水晶片を収容した際の周波数調整を容易にできる。

請求項３では、請求項１において、前記音叉状水晶片はエッチングによって形成され、水晶ウェハに一体的に連結した状態で振動周波数が調整される。これにより、一括的に周波数調整され調整が効率的となる。

請求項４では、請求項１において、前記音叉状水晶片は前記音叉腕の先端側主面に調整用金属膜を有し、前記フェムト秒レーザによる前記第１周波数調整工程後に、前記調整用金属膜の一部をレーザによって除去する第２周波数調整工程を備える。

これにより、音叉型振動子の周波数調整を第１周波数調整による粗調整と第２周波数調整による微調整とによって高精度に周波数調整ができる。

請求項５では、請求項４において、前記第１周波数調整工程が水晶ウェハに一体的に連結した状態で、また、前記第２周波数調整工程が個々の音叉状水晶片を凹状の表面実装容器に収容した状態で実施される。これにより、第１周波数工程での粗調整を水晶ウェハの状態で実施するので、効率的にする。

請求項６では、請求項４において、前記第２周波数調整工程で用いるレーザを、前記第１周波数調整工程のレーザパワーより低いパワーのフェムト秒レーザとする。これにより第１周波数調整工程でのレーザ装置を兼用できるとともに、熱の影響の少ない微調整ができる。

請求項８では、請求項１または３において、前記第１周波数調整工程が前記音叉状水晶片の周波数測定を実施しながら（すなわち、音叉状水晶片に周波数測定用プローブを接触させて周波数を測定しながら）フェムト秒レーザを連続的に照射し、実施される。このようにする理由としては、フェムト秒レーザでは熱伝導が起こる前にレーザ照射が終了するほどレーザパルス幅が狭いという、フェムト秒レーザの特徴を積極的に利用するためである。フェムト秒レーザを連続的に照射しながら周波数測定をすることで、周波数を時々刻々と測定して行けるため、従来のＹＡＧレーザを使う場合に比べ、周波数調整精度を高めることができる。

請求項９では、請求項８において、前記傾斜面を形成する前記フェムト秒レーザの音叉主面に対する入射角度を３０〜７０°とする。フェムト秒レーザを垂直入射した場合、レーザ光は水晶内部にこもる。そうすると、レーザ損傷が生じやすい。斜め照射の場合は、レーザ光が側面に抜け易くなりレーザ光が水晶内部にこもりにくくなるので、水晶内部の損傷を防止できる。

なお、上記の第２周波数調整工程では、金属膜を除去する構成を述べたが、水晶自体を第１周波数調整工程時のパワーより小さいパワーのフェムト秒レーザ光で切削して調整するようにしてももちろん良い。

ここで、本発明で用いるフェムト秒レーザのパルス幅は、好ましくは５００ｆｓ（フェムト秒）以下、より好ましくは２００ｆｓ以下、さらに好ましくは１００ｆｓ以下が良い。パルス幅が短いほど、このレーザを用いる効果が顕著となり、熱損傷を低減できる。また、フェムト秒レーザのパワーは、数μＪ／パルス〜数１０μＪ／パルスのパワーで本発明の効果を得ることができる。また、フェムト秒レーザはパルスレーザであるので、パルスの繰り返し周波数も重要なパラメータである。繰り返し周波数を数１００Ｈｚ、好ましくは５００Ｈｚ以上、より好ましくは１０００Ｈｚ以上とするのが良い。フェムト秒レーザの繰り返し周波数が高いほど、単位時間当たりの照射パルス数を多くできるので、周波数調整時間の短縮化が図れるからである。

また、本発明では、音叉腕を周回する外周面から頭部先端面に又は頭部先端面から外周面に向かってフェムト秒レーザを斜めに照射して音叉外周面から頭部先端面にまたがる傾斜面を形成する。この斜め照射の角度（音叉主面に対する入射角度）は、これに限られないが、３０〜７０°、より好ましくは４０〜７０°、さらに好ましくは４５〜６０°が良い。

図１乃至図３は本発明の一実施形態である音叉型振動子の周波数調整工程を示す図で、図１（ａ）は音叉状水晶片の正面図、同図（ｂ）は一部拡大断面図、図２は音叉状水晶片が一体化した水晶ウェハの正面図（一部の水晶片を省略してある）、図３は音叉型振動子のカバーを除いて見た平面図である。なお、従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

音叉型振動子は、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した音叉状水晶片３を備える。一対の音叉腕２（ａｂ）には頭部先端面を除く各４面に駆動電極４を有し、各音叉腕２（ａｂ）での両主面間及び両側面間を同電位とし、両主面と両側面とでは逆電位とする。一対の音叉腕２（ａｂ）間では両主面間同士及び両側面同士を逆電位とする。

これらの駆動電極４は同電位同士が共通接続されて一対の電極が音叉基部１における主面下方に延出する。そして、周波数調整用の金属膜５（ａｂ）が音叉腕２（ａｂ）の先端側主面に設けられる。ここでの金属膜５（ａｂ）は従来例よりも高さが低く、先端側主面の上方には素地露出部８（ａｂ）を設ける。これらは、駆動電極４等を含めた外形加工が例えばフォトリソグラフィックを用いたエッチングによって形成され、多数の音叉状水晶片３が水晶ウェハ９に一体的に連結する（図２）。なお、金属膜５（ａｂ）を音叉腕２（ａｂ）の先端まで延出してもよい。

そして、ここでは、本発明の音叉型振動子の周波数調整方法は、第１周波数調整工程と第２周波数調整工程とからなる。先ず、第１周波数調整工程では、水晶ウェハ３の状態で、各音叉状水晶片３（音叉腕２（ａｂ））の素地露出部８である先端側両主面から頭部先端面（天面）にかけて又は頭部先端面から先端側両主面にかけて、フェムト秒レーザ（超短パルスレーザー）Ｐfを照射する。これにより、金属膜５（ａｂ）より上方の先端側両主面から頭部先端面にまたがる傾斜面を形成して振動周波数を粗調整する。

今回の実験では、厚さが１２０μｍの水晶ウエハを用いた。また、フェムト秒レーザの照射条件は、パルス幅が約７０ｆｓ、パワーが３０μＪ／パルス、パルスの繰り返し周波数１０００Ｈｚの条件とした。勿論、これは一実施例にすぎない。また、実験装置は、以下に図７（ａ）〜図７（ｃ）を用いて説明する構成のものを用いた。図７（ａ）は実験装置１００の概要を示したブロック図、図７（ｂ）はウェハに対する周波数測定の様子を示した図、図７（ｃ）は音叉振動子に対するプロービングの様子を示した図である。

実験装置１００、はフェムト秒レーザ光源１０１、ガルバノミラー１０３、Ｘ，Ｙ，Ｚステージ１０５、プローブピン１０７ａを有する発振回路１０７、周波数測定器１０９、制御装置１１１を備える。

光源１０１は所望のフェムト秒レーザを発する。ガルバノミラー１０３は、フェムト秒レーザ光を音叉型振動子の腕部頭部に所定通り走査させて水晶を切削させる。このガルバノミラーの先端にｆθレンズ１０３ａを設けてあり、フェムト秒レーザビームの焦点調整を行う構成としてある。Ｘ，Ｙ，Ｚステージ１０５は水晶ウェハを載せることができ、水晶ウェハをＸ，Ｙ,Ｚの３方向に任意に移動できる。発振回路１０７は水晶ウェハ上の各音叉を順次プロビングして各音叉を発振させるとともに、音叉の周波数信号を周波数測定器１０９に伝達する。この発振回路１０７はウェハに対しＺ方向に上下動できる構成としてある。周波数測定器１０９は発振回路１０７の信号から音叉の周波数を読み取る。制御装置１１１は、前記各要素１０３〜１０９を制御する。周波数調整の実施に当たり、好ましくは、発振回路により水晶を発振させながら、かつ、周波数測定を実施しながら、フェムト秒レーザ光を連続的に照射し、周波数が目的の範囲に入ることを確認しながら、音叉の周波数調整を行うのが良い。

勿論、この実験装置１００の構成は一実施例にすぎない。今回の実験装置の場合、ガルバノミラーを用いてレーザビームを走査したが、ビームは対物レンズを通すのみとして走査しないようにし、Ｘ，Ｙ，Ｚステージを微動させて水晶ウェハをレーザビームで加工しても良い。
また、今回の実験では、水晶ウェハの表裏からレーザ照射をする行為は、実験者が水晶ウエハを裏返しにすることで、実施した。

なお、今回の実験では、音叉状水晶片３に素地露出部８を設けてある。この素地露出部８は必須ではないが、素地露出部８を設けここにフェムト秒レーザを照射した方がレーザ加工が行い易い（水晶の切削が行われ易い）ことが実験で判明しているので、好ましくはこの素地露出部８を設け、ここにフェムト秒レーザを照射するのが良い。

次に、第２周波数調整工程では、前述したように、水晶ウェハ９から各音叉状水晶片３を切り離して、表面実装容器６に音叉状水晶片３を収容する。音叉状水晶片３は表面実装容器６の内壁段部７に音叉基部１が固着される。そして、この実施形態では、第１周波数調整工程と同様にフェムト秒レーザによって、個々の音叉状水晶片３に対し、音叉先端主面の金属膜５（ａｂ）を除去して、振動周波数の微調整をする。

このような周波数調整方法によれば、フェムト秒レーザＰfによる第１周波数調整工程で粗調整をするので、周波数の調整時には温度上昇がなく、常温で規格内に調整できる。この場合、粗調整における周波数調整量は概ね数千〜数万ｐｐｍとなって多くなるが、フェムト秒レーザによる調整のため（温度の影響が実質的にない調整であるので）規格に対する偏差（規格外れの率）を小さくできる。

そして、本発明の振動周波数の調整は、音叉状水晶片３が水晶ウェハに連結された状態での調整なので、各音叉状水晶片３の位置精度や被加工部の水平度等は確保しやすいなどから作業性を良好にする。さらに、本発明では両主面側からの切削とするので、音叉状水晶片３の対称性を維持して音叉振動を良好に維持する。しかも、音叉状水晶片３の片面から切削する場合に比べ、水晶の除去量を多くできる。その結果、周波数調整幅を広くとれ、加工時間当たりの周波数変化量を大きくできる（すなわち加工時間を短縮できる）。

さらにまた、フェムトレーザ（超短パルスレーザ）Ｐfを特に音叉腕の主面に対して斜めに入射して音叉腕を切削するので、フェムトレーザＰfが音叉腕を透過し、レーザエネルギーによる損傷がない。

また、第１周波数調整工程（粗調整）後に、表面実装容器６に音叉状水晶片３を収容しての第２周波数調整工程による微調整をするので、微調整時の周波数調整量を少なくできる。この場合の調整量は例えば例えば数十〜数百ｐｐｍとなる。もし、調整量が多い場合でも、フェムト秒レーザを用いているので、レーザＰfによって生ずる熱量も小さくなり、振動周波数を常温時での規格内に調整できる。

（他の事項）
上記実施形態では、第１周波数調整工程は音叉腕２（ａｂ）の両主面側からフェムト秒レーザを照射するとしたが、音叉腕2（ａｂ）の一主面側からのみフェムト秒レーザを照射してもよい。この場合は、フェムト秒レーザ装置の配置構成等を簡単にできる。また、第２周波数調整工程は金属膜５（ａｂ）をフェムト秒レーザで除去するとしたが、水晶自体を切削してもよい。こうすると、音叉頭部に金属膜５（ａｂ）を形成する工程を省略できる。

さらに、フェムト秒レーザによる第１周波数調整工程では、音叉腕２（ａｂ）の両主面側からの切削としたが、音叉腕の側面側からの切削であってもよい。要は、音叉腕３（ａｂ）を周回する外周面から頭部先端面にかけての傾斜面が形成されれば、基本的な効果は奏する。なお、第２周波数調整工程を従来同様にＹＡＧレーザ等で行っても、さらにはイオンミーリング法で行ってもよい。

本発明の一実施形態である音叉型振動子の周波数調整工程を示す図で、図１（ａ）は音叉状水晶片の正面図、図１（ｂ）は一部拡大断面図である。 本発明の一実施形態である音叉型振動子の周波数調整工程を示す図で、音叉状水晶片が一体化した水晶ウェハの正面図である。 本発明の一実施形態である音叉型振動子の周波数調整工程を示す図で、音叉型振動子のカバーを除いて見た平面図である。 一従来例を説明する音叉型振動子のカバーを除く平面図である。 音叉型振動子をさらに詳細に示したものであり、図５（ａ）は電極配線も併せて示した斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 音叉型水晶振動子の周波数温度特性の典型例を示した図である。 図７（ａ）は実験装置１００の概要を示したブロック図、図７（ｂ）はウェハに対する周波数測定の様子を示した斜視図、図７（ｃ）は音叉振動子に対するプロービングの様子を示した概略図である。

符号の説明

１ 音叉基部
２ 音叉腕
３ 音叉状水晶片
４ 駆動電極
５ 金属膜
６ 表面実装容器
７ 内壁段部
８ 素地露出部
９ 水晶ウェハ
１００ 実験装置
１０１ フェムト秒レーザ光源
１０３ ガルバノミラー
１０５ Ｘ，Ｙ，Ｚステージ
１０７ 発振回路
１０７ａ プローブピン
１０９ 周波数測定器
１１１ 制御装置

Claims (6)

1. 音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を有する音叉型水晶振動子の周波数調整方法において、前記音叉状水晶片が水晶ウェハに一体的に連結された状態で、前記一対の音叉腕のいずれかの主面、あるいは両主面から音叉頭部先端面に又は前記音叉頭部先端面からいずれかの主面、あるいは両主面に向かって前記音叉腕の主面に対して３０〜７０°の入射角で照射されるフェムト秒レーザによって、前記主面から前記音叉頭部先端面にまたがる傾斜面を形成して振動周波数を調整する周波数調整工程を備えたことを特徴とする音叉型水晶振動子の周波数調整方法。
2. 請求項１において、前記音叉状水晶片が、前記音叉腕の先端側主面に調整用金属膜を有し、前記フェムト秒レーザによる第１周波数調整工程後に、前記調整用金属膜の一部をレーザあるいはイオンビームによって除去する第２周波数調整工程を備えた音叉型水晶振動子の周波数調整方法。
3. 請求項１において、前記周波数調整工程が、前記音叉状水晶片の周波数測定を行いながら前記フェムト秒レーザを連続的に照射して、実施される音叉型水晶振動子の周波数調整方法。
4. 請求項２において、前記第１周波数調整工程が、前記音叉状水晶片が水晶ウェハに一体的に連結された状態で、また前記第２周波数調整工程が、個々の前記音叉状水晶片を凹状の表面実装容器に収容した状態で実施される音叉型水晶振動子の周波数調整方法。
5. 請求項２において、前記第２周波数調整工程で用いるレーザを、前記第１周波数調整工程のレーザパワーより低いパワーのフェムト秒レーザとする音叉型水晶振動子の周波数調整方法。
6. 音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を有する音叉型水晶振動子であって、前記一対の音叉腕のいずれかの主面、あるいは両主面から音叉頭部先端面に又は前記音叉頭部先端面からいずれかの主面あるいは両主面に向かって前記音叉腕の主面に対して３０〜７０°の入射角で照射されるフェムト秒レーザによって前記音叉頭部先端面に形成された傾斜面を備える音叉型水晶振動子。
   

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