JPH0230207A - 水晶振動子及びその製造方法 - 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） 本発明は厚みすべりモードで振動する水晶振動子および
その製造方法に関するもので、特にＱ値が大きいととも
にＱ値の温度特性がなめら力）な水晶振動子およびその
製造方法に関するものである。

（従来の技術） 所望の形状の水晶板の表裏の表面に互いに対向するよう
に電極を被着した電極密着型の水晶振動子の電気的等価
回路は一般に第７図に示すように表記されている。この
ような水晶振動子における振動の効率を表わすＱ値は、 で表される。ここにｆは振動周波数である。したがって
、成る特定の周波数の水晶振動子のＱ値を大きくするに
は、水晶振動子の容量Ｃ３を小さくするか、振動に対す
る抵抗を表わすインピーダンスＲ，を小さくする必要が
ある。ところで水晶振動子の振動周波数ｆは、例えば厚
みすべり振動子の代表的な訂カット板では、 ｆζ１６６０Ｘ　ｎ　／　ｔ　　　・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・（２）で表される。ここにｒ
の単位はＫＦｌｚ、　ｎは振動の次数で基本波に対して
は１、第３次、第５次・・・・・・のオーバートーンに
対しては３，５・・・・・・の値をとり、ｔは水晶板の
厚みで単位は閣である。ここで振動次数は予め決められ
るので、厚みすべり振動子の振動周波数ｆは水晶板の厚
みｔで決まることになる。このため、成る周波数の水晶
振動子のＱ値を大きくするためにその容量ＣＩを小さく
しようとする場合には電極の面積を小さくする必要があ
る。

しかしながら、厚みすべり水晶振動子において電極の面
積を小さくすることには以下に述べるように限界がある
。

第８図は電極密着型の厚みすべり振動子の一般的構成を
示すものであり、水晶板１の表裏に互いに対向するよう
に電極２，３を被着し、これらの電極にそれぞれ接続し
た導電性の支持線４，５によって水晶板を支持し、これ
ら支持線を端子６゜７にそれぞれ接続し、これら端子を
絶縁物８．９を介してベース１０ａに固着し、このベー
スにカバー１０ｂを取付け、ベースおよびカバーによっ
て囲まれる空所に不活性ガスを充填した構造となってい
る。電極２．３は通常蒸着によって水晶板１の両面に互
いに対向するように設けられている。ここで厚みすべり
振動子とは、第９図に示すように、水晶板１がその薄い
面内で対向電極２．３と平行にずれるように動く振動を
いうが、このような厚みすべり振動では、対向する電極
の間の水晶は電気入力によってずれようとするが、電極
が設けられていない外周部はそのずれに対する抵抗とし
て作用する。したがって、一定の寸法の水晶板でその容
量ＣＩを小さくしてＱ値を大きくするために電極の面積
を小さくすると、インピーダンスＲ。

が大きくなってしまい、その結果としてＱ値を大きくす
ることができなくなる。そこで電極を小さくするととも
に水晶板１の電極２，３が付いていない部分も極力小さ
くすることが考えられるが、水晶板１の一方の表面に形
成された電極２およびこれに接続された支持線４と、他
方の表面に形成された電極３およびこれに接続された支
持線５とを電気的に絶縁して水晶振動子を構成するには
水晶板の電極が設けられていない外周部は成る程度以上
の巾が必要である。一般に、この外周部の巾は１〜２胴
は必要とされている。このことからＱ値を大きくするた
めに、電極の面積を小さくすることによって容１　ｃ　
＋を小さくすることには限界がある。

一方、水晶振動子のインピーダンスＲ３は一般の電気回
路における抵抗とはその性質が異なり、水晶板の機械的
振動に対する抵抗である。このような抵抗の原因は理論
的に完全に解明されてばいないが、大きく分けて以下の
４点が考えられている。

第１は前述したように電極が付いていない部分が振動を
拘束することによる抵抗、第２は水晶板を支持する支持
線が振動を拘束することによる抵抗、第３は電極の部分
で発生した振動が水晶板の端面で反射され、この反射波
の位相が、電極部で発生される振動の位相とずれること
による抵抗、第４は振動子を製造する過程で水晶板に生
ずる各種の欠陥などに起因する抵抗である。このような
要因から、厚みすべり水晶振動子のインピーダンスを小
さくするためには従来より種々の提案が為されてきたが
、以下説明するように十分に満足な解決策を与えるもの
ではなかった。

（発明が解決しようとする課題） インピーダンスＲ８を小さくした従来の水晶振動子とし
て、第１０図に示すように水晶板１の一方の面を球面と
し、この球面と対向する他方の面を平面として両面を鏡
面に研いたものがある。このような振動子はコンベック
ス型水晶振動子と称され、振動エネルギーを振動子の中
央に集中させ、周辺部の変位を殆ど零とすることができ
るので、Ｒ１に対する上述した第１の要因による抵抗を
小さくすることができる。また、厚みと輪郭で決まる高
次輪郭信号の結合を小さくすることができるため、Ｒ，
に対する第２の要因による抵抗も小さくすることができ
る。さらに両面を鏡面にみがいているのでＲ，に対する
第４の要因による抵抗も小さくすることができる。これ
らのことからコンベック型の水晶振動子のＱ値は高いも
のとなるが、最大の欠点は球面に加工しなければならな
いため、製造が非常に面倒となり、コストが非常に高く
なることである。したが号て、コンベックス型水晶振動
子は経済性が余り問題とならない極く限られた用途にし
か用いられていないのが実情である。

第１１図はＲ，を小さくするようにした従来の水晶振動
子の他の例を示すものであり、水晶板１の周縁を斜めに
研磨して面取りを行う所謂ベベリングが施されている。

このようにベベリングした水晶振動子においてもコンベ
ックス型水晶振動子と同様に振動変位を中央に集中させ
、端縁における支持損失を小さくするのに有効で、この
結果Ｒ３を小さくすることができる。しかし、このよう
な水晶板端縁の面取りでＲ，を小さくすることには限度
があるとともに周波数の高い振動子では加工の困難性に
比べて面取りの効果が左程大きく現れないという欠点が
ある。先に述べたように、水晶振動子の振動周波数ｆは
水晶板１の厚みで一義的に定まり、例えば基本波（ｎ＝
１）でｆ　＝　Ｉ　ＭＨｚの水晶板の厚みは１．６６ｍ
ｍＸｆ　＝１０ＭＨｚでは０．１６６ｍｍとなる。振動
周波数ｆが高くなると水晶板１はこのように薄くなるの
で、振動周波数が１０ＭＨｚ程度以上の振動子に対して
面取りを適用することは通常行われていない。

Ｒ３を小さくするさらに他の方法は、水晶板の両面を鏡
面にみがく所謂ラッピング処理を施すことである。通常
水晶板は所定の結晶方位に切断された後、砥粒により研
磨されるが、この砥粒による研磨は初めは粗い砥粒で、
その後細かい砥粒で行われ、仕上げの砥粒は＃２５００
〜＃４０００．粒径にして数ミクロンの砥粒が用いられ
ている。この仕上げ砥粒の大きさは実用上必要な性能と
コストとのバランスで決められているが、経済性を無視
して非常に細かい砥粒で研磨し、最終的には鏡面にまで
仕上げようとするとＲ１に対する第４の要因を低下させ
てＲ６を小さくする効果は成る程度得られるが、コスト
が著しく高くなってしまい、実用性に乏しいという欠点
がある。さらに、このような砥粒による機械的研磨では
、水晶板の表面に生ずる加工変質層をなくすことは実際
上できないので、Ｒ１を小さくすることにも限界がある
。

さらに、単にＲ，を小さくするためだけでなく、研磨に
よって生じた加工歪みを除去したり、表層の汚れを除去
することによって振動周波数の経年変化を小さくするた
めに、水晶板全体を弗化アンモン溶液のようなエツチン
グ液に浸漬してエツチングすることも提案されている。

このようなエツチング処理によってＲｔを小さくするこ
とができるが、エツチングし過ぎるとかえって水晶板の
表面を荒らし、Ｒ８が増大してしまうばかりでなく、電
極を付着すべき表面部分もエツチングされるので蒸着膜
として形成される電極の水晶板に対する付着力が弱くな
ってしまうとともに水晶板の厚さが所望の値とならない
ため振動周波数が狂ってしまう欠点がある。

以上のことから、現在大量に生産されている厚みすべり
水晶振動子は、水晶板を所定の形状に切り出した後、適
当な細かさの砥粒で研磨し、所要に応じて面取りを行い
、次いで研磨された面全体をエツチングして、そのイン
ピーダンスＲ＋を許容し得る値以内としてＱ値を大きく
するように製造されている。しかしながら、水晶振動子
の性能および価格に対する使用者側の要求は益々厳しく
なってきており、現在使用されている厚みすべり水高振
動子では、このような製造技術を駆使しても使用者の要
求を満たすことが困難となってきており、より一層Ｒ，
を小さくすることが望まれている。また、Ｒ，の温度特
性には、通常デイツプと呼ばれている非連続的な変化が
あり、このデイツプは水晶振動子の周波数の温度特性の
デイツプも関連があって補償するのが困難であるので、
Ｒ１や周波数の温度特性にデイツプがなくしかも安価な
水晶振動子の実現が強く望まれている。

本発明の目的は上述した従来の欠点を除去し、インピー
ダンスＲ１が小さく、したがってＱ値が大きく、温度特
性にデイツプが少なく、かつ所望周波数で安定に振動す
る厚みすべり振動子を提供しようとするものである。

本発明の他の目的は、上述したような厚みすべり振動子
を容易かつ安価に製造することができる方法を提供しよ
うとするものである。

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、水
晶板の表裏表面に電極を設けた厚みすべり水晶振動子に
おいて、水晶板の電極で覆われていない部分の少なくと
も一部の表面において、ほぼ透明となる程度まで生地結
晶が露出されていることを特徴とするものである。

このような本発明の水晶振動子によれば、水晶板の電極
で覆われていない部分の全部または一部の表面において
、生地の結晶を露出させてほぼ透明としているから、加
工による塑性変形層や残留応力層、２次割れなどを含む
加工変質層が殆ど除去されているので、上述した第４の
要因による抵抗を小さくすることができるとともに電極
が設けられていない部分のマスも小さ（なるので第１の
要因による抵抗も小さくすることができる。また、加工
変質層が除去されていることによってインピーダンスＲ
９や周波数の温度特性も安定したものとなり、従来のよ
うなデイツプが発生しなくなる。

また、本発明による水晶振動子の製造方法は、所望の形
状に切断した厚みすべり水晶板の表面の、電極が被着さ
れる部分を除いた部分の少なくとも一部分を化学的また
は物理的にエツチングして加工変質層がほぼ除去されて
ほぼ透明となる程度まで生地結晶を露出させることを特
徴とするものである。

このような本発明の製造方法における物理的または化学
的エツチングは加工変質層を生ずることがないものであ
るので、上述したように優れた特性を有する水晶振動子
を容易かつ安価に製造することができる （実施例） 第１図ＡおよびＢは本発明の厚みすべり水晶振動子の一
例の構成を示すもので水晶板とその表裏の表面に被着し
た電極のみを示している。水晶板１１は５．４　ｍｍＸ
５．４　ｍｍの正方形のもので、その厚さは０．１６６
　ｍｍである。また、電極１２および１３の直径は３．
７　ｍｍで、水晶板の周縁から０．７鵬内側に入ったと
ころまでは面取りされている。また、水晶板１１の、電
極１２’、　１３を被着していない部分は弗化アンモニ
ウムで水晶の生地結晶すなわち自然な面が出る程度まで
エツチングしである。第１図Ｂの断面図は実際の寸法関
係を表わすものではなく、厚みを著しく拡大して示しで
ある。このような水晶振動子は基本波による１０ＭＨｚ
の振動周波数を有している。

第２図に示す曲線ＡおよびＢは本例の水晶振動子の周波
数の変化率（Δｆ／ｆ　）およびインピーダンスＲ１の
温度特性を示すものであり、インピーダンスは７．４〜
８．８Ωと小さいとともに、インピーダンスの温度特性
にデイツプがなく、かつインピーダンスの温度による変
化も小さくなっている。また、周波数の温度に対する変
化率も＋７ｐｐｍ〜−１０ｐｐｍと著しく小さくなって
いる。

第３図の曲線ＡおよびＢは第１図に示す水晶振動子にお
いて水晶板の周辺部をエツチングしていない従来の水晶
振動子のインピーダンス及び周波数の変化率の温度特性
を示すものである。この従来の水晶振動子ではインピー
ダンスは２５〜３０Ωと本発明の水晶振動子に比べて約
３倍も大きいとともに温度に対して急激に変化するデイ
ツプが現れている。また、周波数の変化率も＋１５ｐｐ
ｍ〜−１５ｐｐｍと大きいばかりでなく、温度に対して
も滑らかでない。

第１図に示した本発明の水晶振動子の実施例では水晶板
１１の外周部の面取りを施した部分についてだけエツチ
ングを行ったが、第４図Ａに示すように面取りを実施し
た部分と電極１２．１３で覆われている部分との中間の
平坦部分の表面までエツチングしてもよいし、第４図Ｂ
やＣに示すように、上記平坦部分の一部分を残してエツ
チングしたり、僅かであれば電極１２．１３の、外周縁
の下側の部分をもエツチングしてもよい。また、支持線
と電極とを接続するための電極リード部と接している水
晶板の部分もエツチングしてもよい。

水晶板の加工変質層あるいは加工歪み層を除去する程度
は、インピーダンスＲ０を小さくする効率との兼ねあい
であるが、最も好ましくは生地結晶あるいは水晶の自然
な面が出る程度にまで行うのが良いが、若干の加工度ｔ
Ｎが残っていても差支えない場合もある。いずれの場合
でも水晶板のエツチングされた表面は肉眼で見るとほぼ
透明となっているが、顕微鏡で観察するとそれぞれ滑ら
かで浅い凹状の球面が多数並んだ構造となっている。

これに対し、エツチングをしていない部分の表面は肉眼
では乳白色で殆ど不透明となっており、顕微鏡で観察す
るときわめて小さな凹凸が多数存在している。本発明に
おいては、電極と接していない水晶板の外周部の表面状
態が電極と接している部分よりもより自然の結晶状態に
近いことが重要である。また、加工変質層が除去されて
いる程度はすべての部分において同じである必要はなく
、例えば第１図に示す実施例において、電極１２．１３
と面取り部分との間の平坦な部分をもエツチングする場
合において、この部分の加工変質層の除去される程度を
面取り部分の程度よりも少なくしてもよい。このように
加工変質層の除去程度を場所によって異ならせてもよい
。

次に、上述した本発明の水晶振動子を製造する本発明の
方法について説明する。

外径８．３　ｒｔｍ、厚さ０　、２６ｍｍ、基本波の振
動数が６．４Ｍ１ｌｚの厚みすべり水晶振動板２１を従
来技術にしたがって作製した。次に水晶板２１の両面を
＃４０００の砥粒を以って研磨し、第５図Ａに示すよう
に外周縁から１．４鴫まで内側に入ったところまで面取
りを行う。次に、水晶板２１の表裏表面の中央に第５図
Ｂに示すように直径５ｍｍの円形状にパラフィン層２２
．２３を塗布する。このようにパラフィン層２２、２３
を塗布した水晶板２１を室温の弗化アンモニウム液中に
１５時間浸漬し、パラフィン層によって被覆されていな
い水晶板２１の表面をエツチングする。その後、パラフ
ィンＭ２２．２３をアルコールで除去した後、常法によ
り第５図Ｃに示すように直径５　ｍｍの電極２４．２５
を表裏表面に蒸着する。

上述したようにして３８個の水晶振動子を製造し、それ
らの２５゛Ｃにおけるインピーダンスを測定したところ
その最小値は９．３Ω、最大値は１７．０Ωで、平均で
は１１．２Ωであった。これに対し、エツチングを施さ
ない従来の振動子４０個の２５“Ｃにおけるインピーダ
ンスは最小で２０．ｌΩ、最大で４４．６Ω、平均で２
６６６Ωであった。すなわち、本発明の水晶振動子では
インピーダンスを従来のものに比べて約１７２〜１／２
．６程度まで小さくすることができ、それだけＱ値を大
きくすることができる。

次に、水晶振動子を大量生産するのに好適な本発明の製
造方法の他の例を説明する。先ず、表面を研磨し、面取
りを行った水晶板を数十〜数百枚積み重ねて積層体を形
成する。次に、この水晶板積層体を、加熱して溶かした
レジスト液、例えばパラフィン液中に浸漬する。この際
積層体の隣接する水晶板の間にもレジストが十分に浸入
するようにする。次に積層体をレジスト液から引き上げ
、冷却した後、外周をレジストを溶解させる成分を含浸
させた布で拭くと、水晶板の外周部のレジストが除去さ
れ中央部がレジストで接着された棒状の積層体が得られ
る。第６図にこのようにして水晶板２１を積層して形成
した棒状の積層体３１を示す。

次に、この積層体３１を室温の弗化アンモニウム液中に
浸漬し、レジスト層３２によって被覆されていない水晶
板２１の外周部の表面をエツチングする。

エツチング後、積層体３１をエツチング液から引き上げ
、洗浄、乾燥した後、レジスト層３２を除去することに
より、外周部表面のみがエツチングされた水晶板が多数
得られる。このような方法によれば、多数の水晶板を同
時にエツチング処理することができるので製造はきわめ
て容易となるとともに製造コストも安価となる。

本発明においては、水晶板の外周部の表面に形成されて
いる加工変質層をエツチングにより除去するが、このエ
ツチング液としては水晶板をエツチングするために通常
用いられている弗化アンモニウム液を用いたが、他のエ
ツチング液を用いることもできる。また、エツチングに
対するレジストとしては、上述したパラフィンの他に密
ろう、松やに、これらの混合物などエツチング液に対す
るレジストとして作用するものであればどのような物を
用いてもよい。さらに、加工変質層を除去する方法とし
ては上述したエツチング液を用いる化学的エツチングの
他に、加工により変質層が導入されないものであれば物
理的、熱的、機械的方法を用いることもできる。例えば
物理的エツチングの例としては、ＩＣ製造工程でＳｉ０
ｇ膜を除去するために使用されるＣＦ、ガスによるプラ
ズマエツチング法、すなわち活性ガスイオンエツチング
法を採用することもできる。

次に本発明の水晶振動子のインピーダンスがエツチング
時間によってどのように変化するのかを調べるために、
−辺が５．４　ｎｕｎで厚さが０．２０ｍｍの正方形の
水晶板に直径３．７Ｍの電極を被着し、基本波の振動数
８．３３ＭＨｚ　、　３倍オーバートーンの振動数２５
ＭＨ２の振動子をエツチング時間を種々変えて製作した
。いずれの水晶板においても機械的な面取りは行ってい
ないものを使用した。第１表はエツチング時間によるイ
ンピーダンスの変化を示すもので、基本波のインピーダ
ンスは９６．４Ωから１２．５Ωまで１７７以下に低下
した。また、３倍オーバートーンのインピーダンスも基
本波のものに比べて変化は小さいが、若干小さくなった
。このようにインピーダンスの値はエツチングの進行に
つれて小さくなるので、所望のインピーダンスに応じた
エツチング時間を適宜選択すればよいことがわかった。

表１ （発明の効果） 上述したように、本発明の水晶振動子はインピーダンス
が小さく、したがって電極面積を実用性ある範囲の大き
さとしてもＱ（ｌＩＩを大きくすることができる。また
、インピーダンスの温度特性にデイツプが少ないので安
定に動作することになる。

さらに本発明による水晶振動子の製造方法によれば、高
価な製造設備が不要となるので製造コストも安価となる
。さらに、水晶板の電極を設ける振動面はエツチングし
ないので、初期加工の精度が狂うことはなく、振動数も
設計通りのものが容易に得られることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図ＡおよびＢは本発明による水晶振動子の一実施例
の構成を示す平面図および断面図、第２図は同じくその
インピーダンスおよび周波数変化率の温度特性を示すグ
ラフ、 第３図は従来の水晶振動子の同様の温度特性を示すグラ
フ、 第４図Ａ−Ｃは本発明による水晶振動子の他の実施例を
示す断面図、 第５図Ａ−Ｃは本発明による水晶振動子の製造方法の一
実施例の順次の工程を示す断面図、第６図は本発明によ
る製造方法の他の実施例における水晶板積層体を示す図
、 第７図は水晶振動子の等価回路を示す図、第８図は従来
の水晶振動子の構造を示す図、第９図は厚みすべり振動
子の振動モードを示す図、 第１０図は従来のコンベックス型水晶振動子を示す断面
図、 第１１図は従来のベベリングを施した水晶振動子を示す
断面図である。 １１゜ ２１・・・水晶板 １２゜ １３゜ ２４゜ ２５・・・電極 ２２゜ ２３゜ ３２・・・レジスト層 ３１・・・水晶板積層体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．水晶板の表裏表面に電極を設けた厚みすべり水晶振
   動子において、水晶板の電極で覆われていない部分の少
   なくとも一部の表面において、ほぼ透明となる程度まで
   生地結晶が露出されていることを特徴とする水晶振動子
   。
2. ２．厚みすべり水晶板の表面の、電極で覆われていない
   部分のほぼ全体の表面の加工変質層が、その他の部分の
   加工変質層よりも多く除去されていることを特徴とする
   水晶振動子。
3. ３．所望の形状に切断された厚みすべり水晶板の周辺部
   が、加工変質層の導入が起こらないエッチング処理を受
   けていることを特徴とする水晶振動子。
4. ４．所望の形状に切断した厚みすべり水晶板の表面の、
   電極が被着される部分を除いた部分の少なくとも一部分
   を化学的または物理的にエッチングして加工変質層がほ
   ぼ除去されてほぼ透明となる程度まで生地結晶を露出さ
   せることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
5. ５．所望の形状に切断した厚みすべり水晶板を多数枚積
   み重ねて化学的エッチングに対するマスクを形成するレ
   ジスト液中に浸漬して引き上げた後、各水晶板の周辺部
   のレジスト液を除去して中央部がレジストで接着された
   水晶板積層体を形成し、次にこの水晶板積層体をエッチ
   ング液中に浸漬して各水晶板の周辺部のみをほぼ生地結
   晶が露出されるまでエッチングし、次に水晶板積層体か
   ら水晶板を１枚ずつ分離した後、その表裏の表面に電極
   を被着することを特徴とする水晶振動子の製造方法。