JPH02233009A - 音叉型圧電振動子の周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスイオンビームを任意に操作し、周波数調
整用パターン等に照射することにより、周波数を調整す
ることができる音叉型圧電振動子の周波数調整方法及び
装置に関する。

【従来の技術〕

従来、音叉型圧電振動子の周波数調整を行なう場合、Ｎ
ｄ”を活性中心としたＹＡＧ（Ｙ．ＡＱ．０．３）レー
ザーを用いていた。第１０図は一般的な音叉型圧電振動
子について示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断
面図を示す．音叉型圧電振動片（２）の表面には、周波
数調整用パターン（１）と励振用電極パターン（３）が
形成されており、励振用電極パターン（３）とリード部
（７）との導通は接合部（４）でとられている。（５）
は絶縁部材が使用してあり、　（６）は金属でつくられ
ている。第１１図はＹＡＧレーザを用いた音叉型圧電振
動子の周波数調整方法を示した図であり、（ａ）は音叉
型圧電振動子へのレーザビームの照射状況を示した図で
あり、（ｂ）は装置の構成を示している．一般的な音叉
型圧電振動子の場合、第１０図（ａ）に示すよう゛に音
叉の主面技部先端部に周波数ｗ４整用パターン（１）が
形成されている．第１１図（ａ）に示すようにレーザ部
（９）より集光したレーザビーム（８）を周波数調整用
パターン（１）に照射し、周波数調整用パターン（１）
の部材を昇化させ、この時の質量負荷の減少により周波
数が高くなることを利用して周波数調整が行なわれてい
る（以下レーザＦ調という）。第１１図（ｂ）に示すよ
うに、音叉型圧電振動子は共振回路部（ｌＯ）によって
共振することができ、また目的周波数との差は周波数読
み取り部（１　１）でチェックすることが可能で、レー
ザ部（９）では周波数調整用パターンにレーザビームが
集光すように調整してあり、コントロール部（１３）で
は前記の共振回路部（１０）、周波数読み取り部（１１
）及びレーザ部（９）を制御して目的の周波数に合わせ
込むことができる。一般にチャンバー（ｌ２）内は、大
気または真空状態である。また、レーザビームは第１１
図（ｂ）の周波数調整用パターン（１）の何処にでも照
射することができ、通常は最も質量負荷効果が大きい、
音叉の枝部先端部に近い方からレーザビームを照射しト
リミングを行ない、最終的な微調整としては、レーザビ
ームを１スポットずつ独立させて照射する。 〔発明が解決しようとする課題〕 第１２図は、従来の音叉型圧電振動子の周波数調整方法
であるレーザトリミングによる周波数調整が行なわれた
後の周波数調整用パターン部を示したものである。第１
２図において、（１　４　ａ）は周波数を目的とする周
波数の直前まで粗く調整するため、レーザビームを走査
させ周波数調整用パターンをトリミングした跡であり、
（１４ｂ）は周波数を目的の周波数に合わせ込むため、
レーザビームを１ショットずつ照射しトリミングした跡
である。レーザＦ調の場合、ｌショットあたりの周波数
変化量がレーザＦ調中にあらかじめ計算されており、最
終的な微調整の場合は、周波数の合わせ込み精度を出し
やすくするため、ショット相互が影響されない位置にレ
ーザビームを照射する。 レーザＦ調は、レーザビームを周波数調整用パターンに
照射し、この時発生する熱九によって該パターンの部材
を昇化させる。また、現状ではレーザビーム径は数μｍ
にしぼり込むのが限界であることからレーザビームｌシ
ョット照射後のトリミング径は、最小でも数μｍ以上と
なってしまう．第１３図は、第１１図で示したレーザＦ
調の場合のトリミング時間と周波数変化量について示し
たものである。横軸はトリミング時間（秒）、縦軸は周
波数変化量Δｆ／ｆ　（ｐｐｍ）である．第１３図に示
すようにレーザビームｌショットあたりの周波数変化量
（１５）は比較的大きく、第１３図に示すように、周波
数調整がナナログ状ではなくデジタル状になってしまう
ことから、量産に於いて目的とする周波数に偏差なく合
わせ込むことは非常に困難である。実際の量産における
周波数合わせ込み後のバラツキは大きく、音叉型圧電振
動子を回路に実装した場合、回路側で該振動子の発振周
波数を目的とする周波数に合わせ込まなければならない
ため問題となる。 音叉型圧電振動子の場合、音叉型圧電振動片の表面に励
振用電極パターンと周波数調整用パターンを付着させる
必要がある。一般にパターンを形成する膜は異種金属２
層の金属簿膜で形成されており、音叉型圧電振動片の表
面には、該音叉型圧電振動片と金属薄膜の応力を少なく
するため、該音叉型圧電振動片の膨張係数及びヤング率
の値に比較的近い値を有する金ＩＡ股を付着させ、密着
力を強くしてある。また、前記金属膜の表面には導電性
が高く、化学的安定性があり、前記金属膜の膨張係数及
びヤング率の値に比較的近い値を有する金属膜を付着さ
せてある。第１４図は音叉型圧電振動片（ｌ９）の表面
に異種金属２層の金ｉ％Ｉ膜を形成した代表例の断面図
である。該音叉型圧電振動片（ｌ９）は水晶を用いてお
り、Ａｇ膜（１６）との間に密着性強化を目的としたＣ
ｒ膜（ｌ７）が形成されている。Ｃｒ膜の長所としては
前記事例があげられるが、欠点としては一般的に酸化し
やすいことがあげられる。第１５図（ａ）は、第１２図
のｃ−ｃ’断面を示した図で、第１５図（ｂ）は第１５
図（ａ）の拡大図であり、また、膜の種類は第１４図で
示したＡｇ（１６）　　・Ｃｒ（１７）ｉとする。音叉
型圧電振動片（ｌ９）の表面に形成されたＡｇ−Ｃｒ膜
はレーザビームの熱エネルギーにより昇化し凹部（１４
ａ、１４ｂ）が形成される．昇化した部分の近傍の膜（
ｌ８）は、レーザビームの熱エネルギーにより溶解され
ＡｇとＣｒが固溶した状態となっている．よって溶解さ
れた表面にはＣｒの一部が表出し、雰囲気中の酸素と反
応し酸化物を形成する。前記の反応は、レーザビームに
よる周波数調整が終了した後に行なわれるため、周波数
は目的周波数より低くなってしまう． 第１６図は、前記のＡｇ−Ｃｒ膜を用いて形成した、励
振電極用パターン及びレーザビームによりトリミングさ
れていない周波数調整用パターンの表面状態をオージェ
電子分光分析法により表面分析した結果であり、横軸は
電子の運動エネルギー（ｅｖ）を示し、縦軸は電子量を
電子の運動エネルギーで微分した値（ｄ　Ｎ／ｄ　Ｅ）
を示し、（２０）はオージェ電子のピークを示す。Ａｇ
膜の上に、ｓ，ｃｕ，ｃ及びＯの各元素が吸着している
ことがわかる。前記の元素のうちｓ，ｃｎは、Ａｇに対
し活性であり、とりわけ検出されたＳはＡｇ，Ｓ　を生
成している。Ａｇ，Ｓ　は一般にボーラスであり、Ｓは
さらにＡｇ膜の結晶粒界を通り膜内部へと拡散する。加
熱等による熱エネルギーが付加されれば、その拡散速度
は増す。 第１７図は、前記のＡｇ膜表面にＳ，ＣＱ，Ｃ及びＯの
元素を含んだ分子が吸着した音叉型圧電振動子の熱エー
ジング試験結果を示したものである。横軸は時間（Ｈ）
を示し、縦軸は周波数変化量Δｆ／ｆ　（ｐｐｍ）を示
す。初期をＯとした周波数曲線（２１）が、時間の経過
とともにマイナス方向に移行してしまうため、精度及び
品質において大きな問題である。 本発明は、上記の事情に鑑でなされたもので、上述した
レーザＦ調による周波数調整方式の欠点を除去し、高精
度、高安定、高品質で、しかも量産性に優れた音叉型圧
電振動子の周波数調整方法及び装置を提供することを目
的とする。 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、音叉型圧電振動子を共振周波数を測定しなが
らガスイオンビームを照射し周波数を調整する音叉型圧
電振動子の周波数調整方法に於いて、該ガスイオンビー
ムを周波数調整用パターン部と、該音叉型圧電振動子の
叉部乃至枝部先端部に照射し、該音叉型圧電振動子の表
面を清浄化しながら周波数を調整するものである．ガス
ビームイオンの照射方法としては、３つの方法がある．
第１はガスイオンビームを音叉型圧電振動子の周波数調
整用パターンに照射した後、音叉型圧電振動子の叉部付
近乃至枝部先端部に照射する方法である。第２はガスイ
オンビームを音叉型圧電振動子の叉部付近乃至枝部先端
部に照射した後、音叉型圧電振動子の周波数調整用パタ
ーンに照射する方法である。第３はガスイオンビームを
音叉型圧電振動子の周波数調整用パターンと叉部付近至
枝部先端部に同時に照射する方法である。 また、本発明の音叉型圧電振動子の周波数調整装置は、
ガスイオンビーム径及び該ガスイオンビームの照射面積
はビームを走査させることにより任意に設定が可能な装
置と、目的周波数に合わせるため音叉型圧電振動子を共
振させる回路と共振周波数を読み取る装置、前記装置の
整合性をコントロールする装置を具備している。 ［実施例〕 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。 第１図は、本発明の音叉型圧電振動子の周波数調整装置
の一例を音叉型圧電振動子の側面から示した図である。 ガスイオンビームを発生するイオン銃（２２）は、音叉
型圧電振動片（２）の表面の任意の位置に、ガスイオン
ビームを照射することが可能な場所に相対向して設置さ
れている。イオン銃へはガスタンク（２３）よりガスが
供給されており、後述するイオン銃内部でガスがイオン
化され、このガスが加速され、ビームがしぼられて音叉
型圧電振動子の表面にガスイオンビームとして達する。 音叉型圧電振動子は共振回路部（２８）によって共振さ
せることができ、また周波数は、周波数読み取り装置（
２７）でチェックすることができる。チャンバー（２５
）内は、排気装置（２４）で排気することにより真空（
２６）となっており、イオン銃に導入されイオン化され
なかったガスについても排気することが可能である。ま
た、上記ガスについては、イオン銃に差動排気装置等を
用いることによりチャンバー（２５）内にガスが流入す
ることを最ノノ１限にすることも可龍である．目的の周
波数に合わせるための基本的操作としては、まず音叉型
圧電振動子を共振回路部（２８）により共振させ、初期
状態の周波数を周波数読み取り装置（２７）で読み取る
。読み取った周波数のデータをあらかじめ目的の周波数
を入力してあるコントロール部（２９）に送り、データ
を比較検討しガスイオンビーム照射の条件を設定する。 条件設定に関してはあらかじめ基礎実験によって求めた
値をデータベースとして入ノノしておく．条件設定が決
定された後、コントロール部（２９）よりイオン銃に命
令が出力されガスイオンビームが照射される．また、こ
の時ガスイオンビームの照射強度が、真空（２６）状態
の変動、イオン銃へのガス係給のわずかな変動等により
変化する場合がある．よって目的の周波数に達しなかっ
た場合、あるいは目的の周波数よりプラス側になってし
まう場合等が考えられる。したがってあらかじめコント
ロール部で、目的の周波数よりマイナス側に一時的な目
的周波数を設定し上記周波数までガスイオンビームを照
射した後に共振回路部（２８）で音叉型圧電振動子を共
振させ、再度周波数読み取り装置（２７）で周波数を読
み取る等の方法を採用することも可能である．上記の力
法を目的周波数の規格値に入るまで繰り返し行なうこと
により、目的周波数に精度よく合わせることができる．
また、第１図中では、イオン銃が音叉型圧電振動子に対
して１対設置されている。音叉型圧電振動子の両側より
ガスイオンビームを同時に同条件で照射できるような構
造となっている。よって後述する効果がより期待される
ようになっているが、諸条件の制約によりイオン銃を一
台しか設置できないような場合でも一応の効果は期待で
きる。イオン統一台の場合、音叉型圧電振動子を該音叉
型圧電振動子の長・手方向を回転させながら、ガスイオ
ンビームを照射させることも可能である。また、イオン
銃を２対以上使用することも可能である。 第２図に示すのは、第１図のイオン銃（２２）と音叉型
圧電振動子（３　１　ａ、３　ｌ　ｂ）を、該音叉型圧
電振動子の主面正面側より注目した略図に、該音叉型圧
電振動子を支持するキャリア（３λ）とキャリアを移動
する移動台（３３）を付加して示した図である。周波数
調整の力法は、まず該音叉型圧電振動子（３１ａ）が目
的の周波数に調整された後、移動台（３３）が移動し、
次の音叉・型圧電振動子（３　ｌ　ｂ）がイオン銃と相
対する位置に固定される。 第３図にイオン銃の構成について示す。外枠（３４）に
は、ガスを導入するためのガスボンベ（３５）が装着さ
れており、ガス流量コントロールバルブ（３６）によっ
てガス流量がコントロールされるようになっている。ガ
スはイオン化室（３９）に導入され、フィラメント（３
７）とグリッド（３８）間で主にイオン化される。イオ
ン化されたガス、所謂ガスイオシはイオン加速電極（４
０）によって加速され、イオン化室（３９）から収束レ
ンズ（４ｌ）側へ飛び出す。イオン化ガスは収束レンズ
（４ｌ）で収束され、さらに偏向板（４３）によりダー
ゲット（４４）へのガスイオンビームの照射位置は任意
に決定することができる．また、ターゲット（４４）に
達するガスイオンビーム径は対物レンズ（４２）などで
ガスイオンビームをｉＩＩＩｌ！することにより、任意
に設定することができる． 第４図は周波数調整方法の実施例であり、ｇＳ４図（１
）はガスイオンビームを音叉型圧電振動子の周波数調整
用パターンに照射した後、音叉型圧電振動子の叉部付近
乃至枝部先端部に照射する方法について示しており、第
４図（２）はガスイオンビームを音叉型圧電振動子の叉
部付近乃至枝部先端部に照射した後、音叉型圧電振動子
の周波数調整用パターンに照射する方法について示して
おり、第４図（３）はガスイオンビームを音叉型圧電振
動子の周波数調整用パターンと叉部付近乃至枝部先端部
に同時に照射する方法について示している。第５図は音
叉型圧電振動子の長手力向側面から見た図であり、ガス
イオンビームの照射位置を示している。第５図（ａ）は
ガスイオンビーム（６７）を音叉型圧電振動子の周波数
調整用パターン（１）に照射する位置を示しており、第
５図（ｂ）はガスイオンビーム（６８）を音叉型圧電振
動子の文部付近乃至枝部先端部に照射する位置を示して
おり、第５図（Ｃ）はガスイオンビーム（６７）、　（
６８）を各々音叉型圧電振動子の周波数調整用パターン
と叉部付近乃至枝部先端部に照射する位置を示している
。 第４図（１）に示す周波数調整方法は、音叉型圧電振動
子の周波数測定（４５）後、粗調整目的周波数（４８）
に達するまで周波数測定（４７）をしながら、第５図（
１）に示す如く周波数調整用パターンにガスイオンビー
ムを照射（４６）する。次に目的周波数（５１）の規格
値に達するまで周波数測定（５０）をしながら、第５図
（ｂ）に示す如く音叉型圧電振動子の叉部付近乃至枝部
先端部にガスイオンビームを照射（４９）ｌ，微調整す
る．目的周波数（５ｌ）に達した場合は終了（５２）と
する。 第４図（２）に示す周波数Ｎ．１　整方法は、音叉型圧
電振動子の周波数測定（５３）後、表面清浄化を目的と
する周波数（５６）に達するまで周波数測定（５５）を
しながら、第５図（ｂ）に示す如く音叉型圧電振動子の
叉部付近乃至枝ｆｆμ先端部にガスイオンビームを照射
（５４）する．次に目的周波数（５９）の規格値に達す
るまで周波数測定（５８）をしながら、第５図（ａ）に
示す如く音叉型圧電振動子の周波数調整用パターンにガ
スイオンビームを照射（５７）する。目的周波数に達し
た場合は終了（６０）とする． 第４図（３）に示す周波数調整方法は、音叉型圧電振動
子の周波数測定（６ｌ）後、目的周波数（６５）の規格
値に達するまで周波数測定（６４）をしながら、第５図
（Ｃ）に示すが如く音叉型圧電振動子の周波数調整用パ
ターンと叉部付近乃至枝部先端部に同時にガスイオンビ
ームを照射（６２）、（６３）する。目的周波数（６５
）に達した場合は終了（６６）とする。第４図（３）の
周波数調整の場合、イオン銃は第５図（ｃ）のガスイオ
ンビーム（６７）、（６８）に対して各々１対ずつ必要
となる。 次に本発明の特徴について説明する。 第７図は本発明を用いて音叉型圧電振動子の周波数調整
について示したグラフであり、横軸にイオンビーム照射
時間、縦軸に周波数変化量について示したものである。 本発明に示した音叉型圧電振動子の周波数調整装置を用
いて周波数調整を行えば、第７図の（７３）に示すよう
に連続的に周波数を変えていくことができる。よって目
的周波数に対して非常に精度の高い音叉型圧電振動子を
作ることができる． 第８図は音叉型圧亀振動子の周波数調整用パターン、叉
部付近乃至枝部先端部の表面のオージェな子分光分析結
果の代表例を示す．横軸に電子の運動エネルギー（ｅ　
ｖ）を示し、縦軸に電子爪を電子の運動エネルギーで微
分した値（ｄＮ／ｄＥ）を示す．第８図（ａ）はガスイ
オンビームの照射前、（ｂ）はガスイオンビームを２秒
間照射した場合、（ｃ）は５秒間照射した場合について
示す．一般に音叉型圧電振動子の周波数調整用パターン
及び叉部付近乃至枝部先端部等の表面には，第８図（ａ
）のオージェ電子分光分析結果が示すようにＡｇ　（７
７）表面にＳ（７４）．、Ｃｌ７５）、Ｃ　（７６）　
、Ｏ　（７８）のような物質が吸着している．汚染され
た状態でパッケージされ、熱エージング試験等を実施さ
れた場合、該音叉型圧電振動子の共振周波数は経時変化
してしまい、とても高安定、高品質な振動子は得られな
い．したがって本発明では、ガスイオンビームを音叉型
圧電振動子の周波数調整用パターンのみではなく、叉部
付近乃至枝部先端部までにもムラなく、効率よく照射す
ることにより汚染物質の除去を行っている．２秒間ガス
イオンビームを照射した場合、第８図（ｂ）中のＳ　（
７９），ＧＱ　（８０）　、Ｃ　（８　１）、○（８３
）のピーク強度が第８図（ａ）に比較し小さくなり、Ａ
ｇ　（８２）のピークが強くなっている。さらに３秒間
、総計で５秒間ガスイオンビームを照射した場合、第８
図（ｃ）に示すようにＳ　（８４）　，　ＣＱ　（８５
）　，　Ｃ　（８６）　，　０（８８）はほとんど検出
されなくなり、Ａｇ　（８７）のピークがより強くなっ
ている。よってガスイオンビームを照射することにより
、表面が清浄化されたことがわかる。尚、ガスイオンビ
ームを励振用電極パターンに照射する場合、イオンビー
ムの照射量について留意しなければならない。第６図は
、音叉型圧電振動子の枝部の音叉型圧電振動子の長手力
向に対して垂直な断面の励振用電極パターン（７０）付
近について示した図である。 （７１）はイオンビームを励振用電極パターンに照射し
たあとの状態を示す。一般に真空蒸着法で励振用電極パ
ターンを形成する場合、第６図の（６９）に点線で示し
たようなマスクを用いる。 該マスクを用いて、励振用電極パターンを形成した場合
、マスクに近傍な部分が所定の膜厚より蒲くなってしま
う。よってガスイオンビームを照射を必要以上に行った
場合、初期の励振用電極パターンｒｌｊよりΔ１７２）
の２倍だけ減少してしまう。よって音叉型圧電振動子の
電極間静電容ｆｆｉＣ．が変化してしまい、モーショナ
ルキャパシタンスＣ１　との比、Ｃ，　／Ｃ，が小さく
なること、及びバラツキも大きくなることから、回路に
音叉型圧電振動子を実装して周波数を調整する場合労力
を用する。しかし本発明による周波数調整方法を用いれ
ば、清浄表面にするのに一例として５秒間のガスイオン
ビーム照射で可能であり、またこの時のＡｇの励振用電
極パターンの膜厚の減少は約２５人であった。この膜厚
の減少分による前記励振用電極パターンのｒｌ】の減少
分は極々微量である。 したがってＣ，　／Ｃ，の変化も極々微量となり特性的
には問題とならない。 また、本発明による周波数調整方法を用いれば音叉型圧
電振動子の周波数調整用パターン及び励振用電極パター
ンの最表面から順次膜を削減していくことができる。よ
ってレーザＦ調のように、音叉型圧電振動片の表面に形
成された、例えばＣｒ膜のような酸化しやすい物質を表
出させることがないため、品質が非常に向上する。 第９図は、本発明による周波数調整方法を用いて周波数
調整を行った音叉型圧電振動子の熱エージング結果を示
したグラフ（８９）〜である。横時は時間（Ｈ）、縦軸
は周波数変化量△ｆ／ｆ　（ｐｐｍ）である。グラフか
らも明確なように、非常に高安定で高品質な特性が得ら
れることがわかる。 〔発明の効果】 以上に述べたように本発明によれば、高精度、高安定、
高品質でしかも量産性に優れた音叉型圧電振動子の周波
数調整方法及び周波数調整用装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第ｌＯ図は音叉型圧電振動子の一例についてしめしたも
のであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’
断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ一Ｂ′断面図である。第１
１図（ａ）、（ｂ）、第１２図、第１３図、第１５図、
第１６図、第１７図は従来例の説明、第１４図は音叉型
圧電振動子の周波数調整用、及び励振用電極パターンの
代表例の断面図である。第１図〜第９図は本発明につい
て示した図である。 （１）　　　周波数調整用パターン （２）　　音叉型圧電振動片 （３）　　励振用ＷＬｗＡパターン 第３図 第２図 第４図 第５図 ｂ７ 聞 第７図 イオ〉ビ４ｋ１寸８考信Ｉ利→ 第６図 第８図 ｓｏｏ　　　　　　ｉｏｏｏ ＝酊町孔茫ｋぬ− （＋） 第９図 晴間（１−１） 智ｎ図 匍２図 上出勇郎田匁 濯４図 第１５図（Ｇ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）励振用電極パターンと周波数調整用パターンを具
   備した音叉型圧電振動子を、共振周波数を測定しながら
   ガスイオンビームを照射し周波数を調整する音叉型圧電
   振動子の周波数調整方法に於いて、該ガスイオンビーム
   を周波数調整用パターン部と、該音叉型圧電振動子の叉
   部付近乃至枝部先端部に照射し、質量負荷効果により周
   波数を調整することを特徴とする音叉型圧電振動子の周
   波数調整方法。
2. （２）ガスイオンビーム径及び該ガスイオンビームの照
   射位置は任意に設定が可能で、且つ該ガスイオンビーム
   の照射面積はビームを走査させることにより任意に設定
   が可能な装置と、目的周波数に合わせるため音叉型圧電
   振動子を共振させる回路と共振周波数を読み取る装置、
   前記装置の整合性をコントロールする装置を具備するこ
   とを特徴とした音叉型圧電振動子の周波数調整装置。