JPH11340768A - 圧電共振子の周波数調整方法及び圧電共振子の周波数調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】質量負荷効果による周波数調整方法は、質量負
荷膜の形成方法の精度により、周波数調整精度が決定さ
れるが、０．１％程度の調整が高精度化の限界である。 【解決手段】圧電体基板１１の両主面に、振動電極１２
及び該振動電極に電気的に接続される引き出し電極１３
を形成した所望より高い共振周波数の圧電共振子に、圧
電共振子の片面もしくは両面の少なくとも振動電極１２
上に質量負荷膜１４を形成し、質量負荷効果で所望より
低い共振周波数にする第１の調整工程と、前記質量負荷
膜の少なくとも一部をレーザ光により除去することで質
量負荷膜１４を高精度に除去する事により質量低減効果
で圧電共振子の共振周波数を所望の共振周波数に調整す
る第二の調整工程からなる調整方法により高精度の周波
数調整を実現するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電共振子の周波
数調整方法及び圧電共振子の周波数調整装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より知られている圧電共振子の周波
数調整方法としては、特開平５−２９８６４、特開平５
−１９１１９３に開示された方法がある。これら開示さ
れている従来の周波数調整方法は、振動電極上に、乾式
法にて金属材や絶縁性物質膜を形成して、振動電極上に
質量負荷を付加することにより共振周波数を調整してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな、振動電極に乾式法にて質量負荷膜を付加すること
による従来の周波数調整方法では、周波数調整精度は膜
形成方法の精度、すなわち質量負荷精度で決定される特
徴を持つている。

【０００４】例えば、スクリーン印刷法などの乾式法で
樹脂膜を形成することにより調整した場合、樹脂粘度や
印刷条件の変動により所望する厚みにコントロールする
ことは難しいため、質量負荷精度にばらつきが生じ、周
波数調整精度は０．５％程度の最小単位でしか調整でき
ない。又、スパッタ法などの乾式法を用いた場合におい
ても、０．１％程度の最小単位での調整が限界である。
また、上述した方法では一定量の質量負荷による周波数
調整には適しているが、個々の周波数調整量が異なる大
量の共振子を周波数調整するためには、選別などにより
調整量ごとに細分化して調整しなければならない。又、
同一基板上に複数の共振子から構成されるフィルタの場
合、各共振子の周波数調整が必要なため、定量調整では
調整精度が低下する課題がある。

【０００５】本発明は、上記従来のこのような課題を考
慮し、圧電共振子の周波数調整を従来に比べてより精度
良く出来る圧電共振子の周波数調整方法及び圧電共振子
の周波数調整装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、第１の本発明（請求項１記載の本発明に対応）は、
圧電体基板の両主面に、振動電極とその振動電極に電気
的に接続される引き出し電極とを形成した圧電共振子を
用意する工程と、前記圧電共振子の片面又は両面の少な
くとも前記振動電極上に質量負荷膜を形成する工程と、
前記質量負荷膜の少なくとも一部をレーザ光により除去
する工程とを備えた圧電共振子の周波数調整方法であ
る。

【０００７】上記構成のように、例えば、圧電体基板の
両主面に、振動電極及び該振動電極に電気的に接続され
る引き出し電極を形成した所望より高い共振周波数の圧
電共振子に、前記圧電共振子の片面もしくは両面の少な
くとも振動電極上に質量負荷膜を形成し、質量負荷効果
で所望より低い共振周波数にする第１の調整工程と、前
記質量負荷膜の少なくとも一部をレーザ光により除去す
ることで質量負荷膜を高精度に除去する事により質量低
減効果で圧電共振子の共振周波数を所望の共振周波数に
調整する第二の調整工程からなる調整方法により高精度
の周波数調整を実現するものである。

【０００８】又、第４の本発明（請求項４記載の本発明
に対応）は、レーザを発振するレーザ発振器と、前記発
振されたレーザを伝送するレーザビーム光伝送系と、前
記伝送されてきたレーザビームを、質量負荷膜の形成さ
れた圧電共振子上に結像させる結像光学系と、前記圧電
共振子の周波数を測定する周波数測定系とを有し、前記
周波数測定系で得られた測定結果に基づいて、前記レー
ザ発振器又はレーザビーム光学系を動作させて、前記質
量負荷膜を除去するものである圧電共振子の周波数調整
装置である。

【０００９】これにより、例えば、調整量の異なる大量
の圧電共振子を高精度に調整することを実現するもので
ある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１から図７を用いて説明する。

【００１１】（実施の形態１）以下に、本発明の圧電振
動子の周波数調整方法の一実施の形態について、図１〜
３を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の
形態の圧電振動子の周波数調整方法の各工程を説明する
ための図である。

【００１２】図１（ａ）、図１（ｂ）において、１１
は、圧電体基板であり厚み縦方向に対して分極されたも
のである。１２は、振動電極、１３は、引き出し電極、
１４は、質量負荷膜である。

【００１３】圧電体基板１１は、チタン酸ジルコン酸鉛
等の圧電セラミックスからなり、振動電極１２及び引き
出し電極１３は、銀などの金属を蒸着などの乾式成膜法
により形成したものである。

【００１４】まず、図１（ａ）に示すように、圧電体基
板１１の両主面上に、振動電極１２及び引き出し電極１
３を形成することにより圧電共振子を作成する。これに
より、圧電共振子の用意が出来た。

【００１５】次に、図１（ｂ）に示すように、振動電極
１２上及び振動電極１２の周囲に、熱硬化性樹脂脂から
なる質量負荷膜１４をスクリーン印刷法により形成す
る。この熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂を主成分とする
ものである。

【００１６】次に、加熱により質量負荷膜１４を硬化さ
せる。

【００１７】次に、圧電共振子の共振周波数を測定す
る。

【００１８】この測定結果からも明らかであるが、圧電
共振子の共振周波数は、質量負荷膜１４の形成により、
質量負荷膜１４を形成していないときに比べて、低周波
側に移動することになる。

【００１９】次に、ＸｅＣｌエキシマレーザ光を質量負
荷膜１４に照射し、その一部を除去する。

【００２０】このレーザ光の照射による質量負荷膜１４
の除去量に応じて、共振周波数は、高周波側に移動する
ことになる。

【００２１】そこで、圧電共振子の共振周波数を所望の
周波数に調整するために、レーザのパルス当たりの質量
負荷膜の除去量と共振周波数の移動量との関係を、予め
調べておく（図２参照）。そして、レーザ光の照射前に
測定した共振周波数と所望の共振周波数との差を算出
し、上記予め調べた関係から、必要なレーザ光の照射回
数を決め、その決められた回数だけレーザ光を照射する
ことにより質量負荷膜１４を除去する。

【００２２】本実施の形態では、照射エネルギー密度を
０．４Ｊ／ｃｍ２に設定して実験を行った。

【００２３】その時の、レーザ照射回数と共振周波数の
移動量との関係を図２に示す。同図の縦軸は、共振周波
数移動量を示し、横軸は、レーザ照射回数を示す。ここ
で、共振周波数移動量は、次式により定義した。

【００２４】

【数１】共振周波数移動量＝レーザ照射前後の共振周波
数の差／レーザ照射前の共振周波数 上述した圧電共振子の周波数調整方法により、共振周波
数を０．０１％単位で調整する事が出来た。質量負荷膜
を両面に形成した場合も同様の結果であった。

【００２５】ここで、２０ＭＨｚ帯の圧電共振子を周波
数調整した実験結果について、図３を参照しながら説明
する。

【００２６】即ち、図３は、圧電共振子の、本実施の形
態で述べた周波数調整をする前の周波数分布（同図にお
いて、符号３０１を付した）、及び本実施の形態で述べ
た周波数調整を行った後の周波数分布（同図において、
符号３０２を示す図である。

【００２７】同図に示す通り、調整前の分布３０１で
は、０．１３％のばらつきを示していた圧電共振子を、
本実施の形態の周波数調整により、その周波数のばらつ
きを０．０１％以内に抑えることが出来ることを確認し
た。尚、本実験に使用した圧電共振子のサンプル数は、
ｎ=１００である。

【００２８】尚、本実施の形態では、パルス発振型のエ
キシマレーザを使用したので、レーザ照射回数を変化さ
せ、質量負荷膜１４の除去量を決定したが、これに限ら
ず例えば、連続発振型のレーザを用いる方法でも良い。
その場合は、レーザ照射時間を変化させる方法が望まし
い。

【００２９】又、質量負荷膜１４として用いる樹脂は、
使用するレーザの波長によって使い分けることが望まし
く、エキシマレーザの場合、レーザ吸収率が４０％以上
であることが望ましい。その理由は、吸収率が高いほ
ど、微細な加工が出来、調整精度が向上するためであ
る。本実施の形態で用いた熱硬化性樹脂からなる質量負
荷膜の吸収率を図４に示す。

【００３０】又、硬化後の固さが、鉛筆硬度で５Ｈ以上
もしくは、音速が１０００ｍ以上であることが望まし
い。その理由は、固さが小さい場合や、音速が１０００
ｍより遅い場合、圧電体の振動を吸収するため、共振イ
ンピーダンス抵抗の上昇を起こすためである。

【００３１】又、硬化温度は、１３０℃以下が望まし
い。その理由は、１３０℃より高い温度の場合、圧電体
が減分極を起こすためである。質量負荷膜１４は、振動
電極１２とその周囲に形成することが望ましいが、振動
電極上のみでも差し支えない。

【００３２】又、硫酸バリウムなどの無機質フィラーを
樹脂中に混入することにより、硬化後の固さを増し、共
振インピーダンス抵抗の上昇を抑制することが可能であ
る。

【００３３】尚、質量負荷膜１４は、スバッタなどの乾
式法により絶縁性被膜を形成した場合も同様の結果が得
られた。

【００３４】又、レーザ光は、エキシマレーザ光が望ま
しいが、ＹＡＧレーザ光や炭酸ガスレーザ光もしくは、
窒素ガスレーザ光でも代替え可能である。

【００３５】又、レーザ光の照射は、質量負荷膜全面に
照射する事が望ましいが振動電極上だけでも差し支えな
い。

【００３６】また、共振周波数を測定しながらレーザを
照射し、共振周波数の移動量を観察しながらレーザ照射
回数を決定すると、あらかじめレーザのパルス当たりの
質量負荷膜１４の除去量と共振周波数の移動量の関係を
調べて調整した場合に生じるばらつきを解消でき、さら
に高精度の調整を行う事が出来た。

【００３７】（実施の形態２）以下に、本発明の圧電共
振子の周波数調整装置の一実施の形態について図５〜６
を用いて説明する。

【００３８】図５において、２１は、レーザを発振する
エキシマレーザ発振器、２２は、発振されたレーザを伝
送するレーザビーム光伝送系、２３は、伝送されてきた
レーザビームを、質量負荷膜の形成された圧電共振子上
に結像させる結像光学系である。又、２４は、圧電共振
子２５の周波数を測定する周波数測定系、２５は、圧電
共振子、２６は試料設置台である。又、周波数測定系２
４は、圧電共振子２５の初期共振周波数と、予め設定さ
れた狙いの共振周波数の周波数との差から、照射すべき
レーザパルス数を計算する機能を有する手段である。
尚、周波数測定系２４には、照射すべきレーザパルス数
を計算するために必要な、実施の形態１で述べた、レー
ザ照射回数と共振周波数の移動量との関係データ（図２
参照）が予め保持されている。

【００３９】以上のように構成された周波数調整装置に
ついて、その動作を説明する。

【００４０】図５に示すように、まず、試料設置台２６
に圧電共振子２５を設置する。

【００４１】次に周波数測定系２４で圧電共振子２５の
初期共振周波数を測定する。

【００４２】周波数測定系２４は、測定した初期共振周
波数と、狙いの共振周波数の周波数との差から、上記レ
ーザ照射回数と共振周波数の移動量との関係に基づい
て、照射すべきレーザパルス数を計算する。そして、そ
のレーザパルス数に応じてレーザ発振器２１の発振を制
御する。

【００４３】レーザ発振器２１は、ＸｅＣＬエキシマレ
ーザである。レーザ発振器２１からでたレーザビーム
は、レーザビーム光伝送系２２を通じて、結像光学系２
３に入射される。結像光学系でレーザビームは、所望の
照射面積に結像される。所望の照射面積に結像されたレ
ーザビームは、圧電共振子２５上の質量負荷膜に照射さ
れる。レーザビームの照射位置は、試料設置台２６によ
り位置決めされる。

【００４４】図６に、別の例として、光ファイバーの収
束体で、光伝送系を構成することにより、レーザ発振器
からでたレーザビームを複数に分割した周波数調整装置
を示す。

【００４５】次に、図６において、２７は発振されたレ
ーザを分割して伝送するレーザビーム分割光伝送系であ
る。尚、図５で述べたものと同じものには、同一の符号
を付し、その説明を省略した。

【００４６】この場合、分割数に応じて結像光学系及び
試料送り設置台を構成することで、複数の圧電共振子
に、レーザビームを照射することが可能となる。従っ
て、同時に多数の圧電共振子を調整できるという効果が
ある。

【００４７】又、レーザビーム分割系は、レーザ光を多
分岐する機能と測定系と同期し、個別に照射量を制御す
る機能を有している。そのため、試料設置台に乗ってい
る３つの圧電共振子のそれぞれについて、個別にレーザ
照射量を調整できる。

【００４８】次に、図７に、別の例として、レーザ発振
器をパルスレーザ発振器を用い、前記周波数測定系と同
期させ、レーザ発振のパルス数を制御する制御系を備え
た周波数調整装置を示す。

【００４９】図７において、２８はレーザパルス数と周
波数測定系の同期制御系である。又、同期制御系２８
は、周波数測定系２４で得られた測定結果に基づいて、
エキシマレーザ発振器２１と、結像光学系２３を動作さ
せて、質量負荷膜へのレーザ照射回数を制御する手段で
ある。尚、図５で述べたものと同じものには、同一の符
号を付し、その説明を省略した。

【００５０】この場合、周波数調整量の異なる共振子の
共振周波数の変化を測定しながら、自動的にレーザ照射
回数の調整が行えるものである。尚、ここで、周波数調
整量の異なる共振子とは、回数と移動量の関係から一律
に決める回数の照射の結果として得られた周波数の調整
量では、共振周波数の設定値範囲に入らないような、予
定外のばらつきの大きな試料のことであり、このような
試料についても、個別に調整出来るものである。

【００５１】即ち、共振周波数を周波数測定系２４で測
定しながらレーザを照射し、共振周波数の移動量を同期
制御系２８により観察しながらレーザ照射回数を決定す
ることにより、予めレーザ照射回数と共振周波数の移動
量との関係を調べて、その関係により一律に調整した場
合に生じるばらつきを解消でき、さらに高精度の調整を
行う事が出来る。

【００５２】これにより、上記の様な周波数調整量の異
なる場合でも、質量負荷膜の質量を正確にコントロール
ができ、周波数を０．０１％以下のの最小単位で高精度
に調整することが出来る。

【００５３】

【発明の効果】以上述べたところから明らかなように本
発明は、圧電共振子の周波数調整を従来に比べてより精
度良く出来るという長所を有する。

【００５４】

【図面の簡単な説明】

【００５５】

【図１】（ａ）〜（ｃ）：本発明の実施の形態１におけ
るプロセス断面図

【００５６】

【図２】本発明の実施の形態１における特性図

【００５７】

【図３】本発明の実施の形態１における実験結果を説明
するための図

【００５８】

【図４】本発明の実施の形態１における特性図

【００５９】

【図５】本発明の実施の形態２における構成図

【００６０】

【図６】本発明の実施の形態２における別の構成図

【００６１】

【図７】本発明の実施の形態２における更に別の構成図

【００６２】

【符号の説明】

１１ 圧電体基板 １２ 振動電極 １３ 引き出し電極 １４ 質量負荷膜 ２１ エキシマレーザ発振器 ２２ レーザビーム光伝送系 ２３ 結像光学系 ２４ 周波数測定系 ２５ 圧電発振子 ２６ 試料送り設置台 ２７ レーザビーム分割光伝送系 ２８ 同期制御系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 敏克 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山嵜 正隆 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体基板の両主面に、振動電極とその
   振動電極に電気的に接続される引き出し電極とを形成し
   た圧電共振子を用意する工程と、 前記圧電共振子の片面又は両面の少なくとも前記振動電
   極上に質量負荷膜を形成する工程と、 前記質量負荷膜の少なくとも一部をレーザ光により除去
   する工程と、を備えたことを特徴とする圧電共振子の周
   波数調整方法。
2. 【請求項２】 圧電体基板の両主面に、振動電極とその
   振動電極に電気的に接続される引き出し電極とを形成し
   た圧電共振子を用意する工程と、 前記圧電共振子の片面又は両面の少なくとも前記振動電
   極上に、熱硬化型樹脂又は光硬化型樹脂を含む材料を用
   いて質量負荷膜を形成する工程と、 前記質量負荷膜を硬化する工程と、 前記質量負荷膜の少なくとも一部をレーザ光により除去
   する工程と、を備えたことを特徴とする圧電共振子の周
   波数調整方法。
3. 【請求項３】 圧電体基板の両主面に、振動電極とその
   振動電極に電気的に接続される引き出し電極を形成した
   圧電共振子とを用意する工程と、 前記圧電共振子の片面又は両面の少なくとも前記振動電
   極上に、熱硬化型樹脂又は光硬化型樹脂を含む材料を用
   いて質量負荷膜を形成する工程と、 前記質量負荷膜を硬化する工程と、 前記圧電共振子の周波数測定下で、前記質量負荷膜の少
   なくとも一部にレーザ光を照射し除去する工程と、を備
   えたことを特徴とする圧電共振子の周波数調整方法。
4. 【請求項４】 レーザを発振するレーザ発振器と、 前記発振されたレーザを伝送するレーザビーム光伝送系
   と、 前記伝送されてきたレーザビームを、質量負荷膜の形成
   された圧電共振子上に結像させる結像光学系と、 前記圧電共振子の周波数を測定する周波数測定系とを有
   し、 前記周波数測定系で得られた測定結果に基づいて、前記
   レーザ発振器又はレーザビーム光学系を動作させて、前
   記質量負荷膜を除去するものである事を特徴とする圧電
   共振子の周波数調整装置。
5. 【請求項５】 レーザを発振するレーザ発振器と、 前記発振されたレーザを分割して伝送するレーザビーム
   分割光伝送系と、 前記伝送されてきたレーザビームを、質量負荷膜の形成
   された圧電共振子上に結像させる結像光学系と、 前記圧電共振子の周波数を測定する周波数測定系とを有
   し、 前記周波数測定系で得られた測定結果に基づいて、前記
   レーザ発振器又はレーザビーム光学系を動作させて、前
   記質量負荷膜を除去するものである事を特徴とする圧電
   共振子の周波数調整装置。
6. 【請求項６】 パルスレーザを発振するパルスレーザ発
   振器と、 前記発振されたレーザを伝送するレーザビーム光伝送系
   と、 前記伝送されてきたレーザビームを、質量負荷膜の形成
   された圧電共振子上に結像させる結像光学系と、 前記圧電共振子の周波数を測定する周波数測定系と、 前記周波数測定系で得られた測定結果に基づいて、前記
   パルスレーザ発振器又はレーザビーム光学系を動作させ
   て、前記質量負荷膜へのレーザ照射回数を制御する制御
   系と、を備えた事を特徴とする圧電共振子の周波数調整
   装置。