JP7050387B2

JP7050387B2 - 音叉型圧電振動子の製造方法

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Publication number: JP7050387B2
Application number: JP2018185436A
Authority: JP
Inventors: 剛志中村
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: JP2020057862A

Description

本発明は、音叉型圧電振動子の製造方法に関する。

本発明は、時計の基準信号源として用いられる音叉型圧電振動子の製造方法に関する。詳しくは、音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線の調整に関する。

周波数温度依存性を有する水晶からなる音叉型圧電振動子は、励振電極膜の下地膜としてＣｒを用いており、このＣｒ膜の膜厚を７００～３０００Åの範囲にすることで温度範囲が－４０～２５℃において、周波数温度特性曲線が略フラットになることが知られている。（特許文献１参照。）

図１０は、周波数が約３２７６８Ｈｚで屈曲振動する、全長は約２２８０μｍ、振動脚長さは約１７００μｍ、振動脚幅は約１１０μｍ、振動脚厚みは約１００μｍの音叉型圧電振動子において、振動脚の一対の主面及び一対の側面に形成される励振電極膜のＣｒ膜の厚みを１５００Å、２０００Å、２４００Åとして、振動脚の一対の主面及び一対の側面に形成されるＣｒ膜の体積を変えたときの周波数温度特性曲線を示す図である。横軸に温度（℃）、縦軸に周波数（ｐｐｍ）を表している。なお、Ｃｒ膜の表面に形成するＡｕ膜の厚みは、９００Åと固定した。

図１０に示すように、温度範囲が２５～１００℃において、Ｃｒ膜の体積が変化しても、それぞれの周波数温度特性曲線は変わらないことが読み取れる。しかし、温度範囲が－５０～２５℃において、Ｃｒ膜の体積が変化すると、それぞれの周波数温度特性曲線は変わることが読み取れる。これは、Ｃｒのヤング率が温度に対して非線形であり、また、Ｃｒ膜の体積が大きくなるほど、周波数は高くなるためである。

特開２００５－１３６４９９号公報

前述したように、音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線は、音叉型圧電振動子の振動脚に形成する励振電極膜の体積に依存している。このため、励振電極膜を形成する工程において、振動脚に形成する励振電極膜の体積が狙いの体積にならないと、狙いの周波数温度特性曲線が得られない課題があった。

本発明は、音叉型圧電振動子の製造方法において、狙いの周波数温度特性曲線にできる音叉型圧電振動子の製造方法を提供することにある。

基部と、基部から平行に延出する第１振動脚及び第２振動脚と、基部と、第１振動脚及び第２振動脚とは、互いに対向する一対の主面と、互いに対向する一対の側面とを備え、基部と、第１振動脚及び第２振動脚とは、一対の主面と、一対の側面とが、それぞれ接続される音叉型圧電振動子の製造方法であって、第１振動脚及び第２振動脚の、一対の主面及び一対の側面とに励振電極膜を形成する工程と、少なくとも第１振動脚の一方の側面に形成された励振電極膜の厚みを測定する工程と、第１振動脚の一方の側面に形成された励振電極膜の厚みから、音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線を推定する工程と、推定した音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線から、狙いの周波数温度特性曲線となるように、第１振動脚の一対の側面及び第２振動脚の一対の側面に形成された励振電極膜の少なくとも一部を除去する工程とを有する音叉型圧電振動子の製造方法とする。

これによれば、振動脚の側面に形成された励振電極膜の体積が小さくなることにより、狙いの周波数温度特性曲線にすることができる。

励振電極膜の少なくとも一部を除去する工程において、第１振動脚の側面に形成された励振電極膜の少なくとも一部、及び第２振動脚の側面に形成された励振電極膜の少なくとも一部を除去してもよく、第１振動脚の一対の側面及び第２振動脚の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜の一部を除去する音叉型圧電振動子の製造方法としてもよい。

第１振動脚の一対の側面及び第２振動脚の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜の一部を除去すれば、それぞれの振動脚が振動するときのバランスがよくなり、ＣＩ値がよくなる。

励振電極膜は、少なくともＣｒ膜からなる音叉型圧電振動子の製造方法とする。

励振電極膜に少なくともＣｒ膜を用いることにより、周波数温度特性曲線を調整できる。

本発明の音叉型圧電振動子の製造方法によれば、振動脚に形成された励振電極膜の一部を除去して、振動脚に形成された励振電極膜の体積が小さくなることにより、狙いの周波数温度特性曲線にすることができる。

励振電極膜５が形成される前の音叉型圧電振動子１を示す斜視図である。励振電極膜５が形成された音叉型圧電振動子１を示す斜視図である。第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みを測定する音叉型圧電振動子１の斜視図である。Ｃｒ膜の厚みが２３００Å及び２４００Åのときの周波数温度特性曲線を示す図である。第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の斜視図である。第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去する前後の周波数温度特性曲線を示す図である。第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の斜視図である。第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の変形例１を示す斜視図である。第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の変形例２を示す斜視図である。Ｃｒ膜の厚みが１５００Å、２０００Å及び２４００Åのときの周波数温度特性曲線を示す図である。

本実施例では、水晶からなる音叉型振動子の製造方法について説明する。なお本発明の範囲は以下の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また図面においては各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。図１～３、５及び７～９は、説明を分かりやすくするために、音叉型圧電振動子の一方の主面の斜視図及び他方の主面の斜視図としている。

図１は、励振電極膜を形成する前の音叉型圧電振動子１を示す斜視図である。図１に示すように、音叉型圧電振動子１は、基部２と、この基部２から平行に延出する第１振動脚３及び第２振動脚４とを有している。基部２と、第１振動脚３及び第２振動脚４とは、互いに対向する一対の主面と、互いに対向する一対の側面とを備え、基部２と、第１振動脚３及び第２振動脚４とは、一対の主面と、一対の側面とが、それぞれ接続されている。音叉型圧電振動子１の周波数は、約３２７６８Ｈｚで屈曲振動し、全長は約２２８０μｍ、振動脚長さは約１７００μｍ、振動脚幅は約１１０μｍ、振動脚厚みは約１００μｍである。音叉型圧電振動子１は、周知技術の機械加工又はフォトリソグラフィ技術を用いて形成されるため、詳細な説明は省略する。

音叉型圧電振動子１の第１振動脚３及び第２振動脚４との、一対の主面と、一対の側面とに励振電極膜を形成する工程では、図２に示すように、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とに、真空蒸着法等の手段により、Ｃｒ、Ａｕ等の電極材料を用いて、音叉型圧電振動子１の第１振動脚３及び第２振動脚４との、一対の主面と、一対の側面とに励振電極膜５を形成する。詳しくは、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とにＣｒ膜を形成したあと、Ｃｒ膜の表面にＡｕ膜を形成している。ここでは、Ｃｒ膜の狙いの厚みは、２３００Å、Ａｕ膜の狙いの厚みは、９００Åとしている。なお、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とに例えば、Ｎｉ膜またはＴｉ膜を形成したあと、Ｎｉ膜またはＴｉ膜の表面にＣｒ膜を形成して、Ｃｒ膜の表面にＡｕ膜を形成してもよい。また、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とにＣｒ膜を形成したあと、Ｎｉ膜またはＴｉ膜を形成して、Ｎｉ膜またはＴｉ膜の表面にＡｕ膜を形成してもよい。

図３は、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みを測定する音叉型圧電振動子１の斜視図である。図３に示すように、励振電極膜５の厚みを測定する工程では、音叉型圧電振動子１の第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５を周知技術の蛍光Ｘ線膜厚計を用いて励振電極膜５を測定する。この測定方法では、励振電極膜５を構成するＣｒ膜とＡｕ膜それぞれの厚みを測定することが出来る。このときのＣｒ膜の厚みは、２４００Åであり、Ａｕ膜の厚みは、１０００Åであった。なお、ここでは、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みを測定したが、第２振動脚４の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みを測定してもよい。

第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みから、音叉型圧電振動子１の周波数温度特性曲線を推定する工程では、Ｃｒ膜の厚みに基づいて周波数温度曲線を推定する。Ｃｒ膜の厚みに基づき周波数温度曲線を推定する理由は以下の通りである。周波数温度特性曲線は、水晶（励振電極膜が形成される前の音叉型圧電振動子）の弾性定数によって変わることが知られている。弾性定数を構成する要素のうち、温度の変化によって変動する要素は、ヤング率や熱膨張係数である。また、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とに形成する電極材料のヤング率によっても変わることが知られている。音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とに形成されるＣｒのヤング率は温度に依存する。温度が約３０℃より低くなるにつれて、ヤング率は大きくなる。更に、Ｃｒ膜の厚みが厚くなるにつれて、ヤング率は大きくなる。このため、音叉型圧電振動子１の一方の主面と他方の主面とにＣｒ膜が厚く形成されると、音叉型圧電振動子１の弾性定数が大きくなる。また、温度が約３０℃より低くなるにつれて、Ｃｒのヤング率は大きくなることにより、音叉型圧電振動子１の周波数は高くなる。なお、Ａｕのヤング率は、温度への依存はＣｒに比べ少ない。また、Ａｕ膜の厚みの影響は、Ｃｒ膜に比べ少ない。すなわち、音叉型圧電振動子１の弾性定数への影響は少ないのでＣｒ膜の厚みに基づいて周波数温度特性曲線を推定すればよい。

Ｃｒ膜の厚みに基づいて周波数温度特性曲線を推定する方法は、予め、Ｃｒ膜の厚みを変えたサンプルを作成し、そのサンプルの周波数温度特性曲線を求めておく。そして、第１の振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の厚みを測定する工程において、測定されたＣｒ膜の厚みと同じサンプルの周波数温度特性曲線が、推定される周波数温度特性曲線になる。

図４は、Ｃｒ膜の厚みが２３００Å及び２４００Åのときの周波数温度特性曲線を示す図である。前述したように、Ｃｒ膜の厚み２３００Åは狙いの膜厚であり、Ｃｒ膜の厚み２４００Åは前述した工程で成膜した音叉型圧電振動片１の一サンプルのＣｒ膜の厚みである。図４に示すように、温度範囲が２５～１００℃において、Ｃｒ膜の厚みに違いがある、Ｃｒ膜の体積に違いがあっても、それぞれの周波数温度特性曲線は変わらないことが読み取れる。しかし、温度範囲が－５０～２５℃において、Ｃｒ膜の厚みに違いがある、Ｃｒ膜の体積に違いがあると、それぞれの周波数温度特性曲線が変わることが読み取れる。

図５は、推定した音叉型圧電振動子１の周波数温度特性曲線から、狙いの周波数温度特性曲線となるように、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成された励振電極膜５の少なくとも一部が除去された音叉型圧電振動子１の斜視図である。図５に示すように、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を例えばレーザ加工によって除去することにより、第１振動脚３の一方の側面に形成されたＣｒ膜及びＡｕ膜が除去される。除去する量については、実験値から得られたデータに基づいて除去する量を決めて除去する。このときの励振電極膜５の除去する面積は０．０３ｍｍ^２であり、除去したＣｒ膜の体積は７．２×１０^－６ｍｍ^３になる。振動脚の側面に形成された励振電極膜５を除去する理由は、振動脚が屈曲振動する方向、すなわち、振動脚の側面に形成された励振電極膜５を除去する方が、振動脚の主面に形成された励振電極膜５を除去するより効率よく周波数温度特性曲線を調整できるためである。なお、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去したが、第２振動脚４の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去してもよい。また、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部と、第２振動脚４の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部とを除去してもよい。

図６は、音叉型圧電振動子１の第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去する前後の周波数温度特性曲線を示す図である。図６に示すように、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去して、Ｃｒ膜の体積が小さくなることによって、狙いの周波数温度特性曲線と同じになる。

実施例１では、第１振動脚３の一方の側面に形成された励振電極膜５の一部を除去する例を示したが、以下に示すように、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部を除去してもよい。なお、振動脚の側面に形成された励振電極膜５の厚みから、音叉型圧電振動子１の周波数温度特性曲線を推定する工程と、励振電極膜５の除去する量（体積）については、実施例１と同じため説明を省略する。

図７は、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の斜視図である。図７に示すように、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部を除去している。それぞれの振動脚のそれぞれの側面に形成された励振電極膜５を除去する面積は（０．０３÷４＝）０．００７５ｍｍ^２であり、除去したＣｒ膜の体積は（７．２×１０^－６÷４＝）１．８×１０^－６ｍｍ^３になる。それぞれの振動脚のそれぞれの側面に形成された励振電極膜５の除去する量（除去するＣｒ膜の体積）を等しくすることにより、振動脚が屈曲振動するときのバランスがよくなり、ＣＩ値がよくなる。なお、励振電極膜５を除去する量の合計は、実施例１と同じため、それぞれの振動脚のそれぞれの側面に形成された励振電極膜５を除去した後の周波数温度特性曲線は、前述した図６と同じになる。

図８は、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の変形例１を示す斜視図である。図８に示すように、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面の、それぞれの一端部と他端部との励振電極膜５を除去している。なお、変形例１の第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面の一端部と他端部とは、振動脚の厚み方向のそれぞれの端部である。それぞれの振動脚の一端部と他端部との励振電極膜５を除去する量（除去するＣｒ膜の体積）と部位とを等しくすることにより、振動脚が屈曲振動するときのバランスが更によくなり、ＣＩ値がよくなる。励振電極膜５の除去する量の合計は、実施例１と同じため、それぞれの振動脚のそれぞれの側面に形成された励振電極膜５を除去した後の周波数温度特性曲線は、前述した図６と同じになる。

図９は、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面に形成されたそれぞれの励振電極膜５の一部が除去された音叉型圧電振動子１の変形例２を示す斜視図である。図９に示すように、第１振動脚３の一対の側面及び第２振動脚４の一対の側面の、それぞれの一端部と他端部との励振電極膜５を、それぞれの振動脚の一対の側面に形成された励振電極５が断線しないように除去する。なお、変形例２の第１振動脚の一対の側面及び第２振動脚の一対の側面の一端部と他端部とは、振動脚の長手方向のそれぞれの端部である。それぞれの振動脚の一端部と他端部との励振電極膜を除去する量（除去するＣｒ膜の体積）と部位とを等しくすることにより、振動脚が屈曲振動するときのバランスが更によくなり、ＣＩ値がよくなる。励振電極膜５の除去する量の合計は、実施例１と同じため、それぞれの振動脚のそれぞれの側面に形成された励振電極膜５を除去した後の周波数温度特性曲線は、前述した図６と同じになる。

本発明の音叉型圧電振動子の製造方法によれば、振動脚の側面に形成された励振電極膜の一部を除去して、振動脚の側面に形成された励振電極膜の体積を小さくすることによって、狙いの周波数温度特性曲線にすることができる。

１音叉型圧電振動子
２基部
３第１振動脚
４第２振動脚
５励振電極膜

Claims

基部と、
前記基部から平行に延出する第１振動脚及び第２振動脚と、
前記基部と、前記第１振動脚及び前記第２振動脚とは、互いに対向する一対の主面と、互いに対向する一対の側面とを備え、
前記基部と、前記第１振動脚及び前記第２振動脚とは、前記一対の主面と、前記一対の側面とが、それぞれ接続される音叉型圧電振動子の製造方法であって、
前記第１振動脚及び前記第２振動脚の、前記一対の主面及び前記一対の側面とに励振電極膜を形成する工程と、
少なくとも前記第１振動脚の一方の前記側面に形成された前記励振電極膜の厚みを測定する工程と、
前記第１振動脚の一方の前記側面に形成された前記励振電極膜の厚みから、前記音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線を推定する工程と、
前記推定した音叉型圧電振動子の周波数温度特性曲線から、狙いの周波数温度特性曲線となるように、前記第１振動脚の一対の側面及び前記第２振動脚の一対の側面に形成された前記励振電極膜の少なくとも一部を除去する工程とを、有する音叉型圧電振動子の製造方法。
前記励振電極膜の少なくとも一部を除去する工程において、
前記第１振動脚の側面に形成された前記励振電極膜の少なくとも一部、及び前記第２振動脚の側面に形成された前記励振電極膜の少なくとも一部を除去することを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動子の製造方法。
前記励振電極膜の少なくとも一部を除去する工程において、
前記第１振動脚の前記一対の側面及び前記第２振動脚の前記一対の側面に形成されたそれぞれの前記励振電極膜の一部を除去することを特徴とする請求項２に記載の音叉型圧電振動子の製造方法。
前記励振電極膜は、少なくともＣｒ膜からなることを、特徴とする請求項１～３の何れか一つに記載の音叉型圧電振動子の製造方法。