JPS58166808A - 時間基準発生器 - 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】 本発明はエツチング加工により製造される水晶振動子に
おしくて、水晶ウェハ内の隣り合った場所に周波数及び
温度特性の少し異なった振動子２個を形成し、その２個
の振動子の周波数差を出力周波数として利用することに
より、ウェハ間及びロット間における温度特性のバラツ
キをほとんど０にしようというものである。

従来から２個の水晶振動子を用いて良行な温度特性を得
ようという試みはいろいろとなされているが、それらは
当然のことながら２個の振動子がネライ値通りの周波数
や温度特性である場合に良行な温度特性になるのであっ
て、振動子を量産する際にどうしても生じてしまうバラ
ツキに関して考慮されたものは未だ考案されていない。

エツチング加工による水晶振動子に話を限定すれば、こ
れらのバラツキの原因として考えられるものは、水晶ク
エへの板厚やカットアングルのバラツキ。

フォト工程におけるマスク合せ位置のバラツキ。

エツチング液濃度の変化・・・・・・ｅｔａが考えられ
、そのために特にウェハ間やロット間において大きなバ
ラツキが生じてしまうのである。この周波数や温度特性
のバラツキの問題に対して、周波数の方は蒸着による重
り付けやレーザーによる重り除去等により比較的容易に
周波数調整が行なえるが、一方濃度特性をネライ値通り
に調整するというのは非常に難しい。しかしここで、ウ
ェハ内のしかも隣り合った場所における周波数や温度特
性のバラツキは非常に小さい。いいかえればネライ値に
対するズレ量がほとんど等しいということに注目すれば
、ウェハ内の隣り合った場所に周波数や温度特性が少し
異なる振動子２個を作ることによって、ウェハ間やロフ
ト間のバラツキを吸収してしまうことができるのである
。

以下説明な簡単に行う為に、支持部付ＧＴカッシ振動子
による実施例によって説明を行うが、本発明の主旨は何
らこれに限定するものではな（、エツチング加工によっ
て作られるあらゆる振動子に適用できる。

まず（）Ｔカッシ振動子にっしぐでり説明を行う。

ＧＴカット振動子はその支持方法に難点があった為に従
来はあまり用いられていなかったが、最近エツチング加
工によって、その振動部と支持部を一体に成形すること
が提案され注目されている。

第１図はＧＴカット振動子のカット角を説明するための
図であり、最初Ｙ板の位置からＸ軸のまわりにＦ＝４９
＠〜５６°回転し、更にその主平面内でθ＝±（４０°
〜５ｏ０　）回転してできた水晶ウェハ１より振動子が
作られる。この水晶ウェハ１よりエツチング加工によっ
て、図２に示す例の様に１動部と支持部とを一体に成形
する。第２図において支持部１３は、振動部１１での振
動モードをほとんど乱さずに、又固着部１８での変位が
ほとんど０となる様な寸法・形状に設計されており、固
着部１８を半田等により機械的、電気的接合した場合の
影響（振動モレ等）を防ぐことができる。このことを示
したのが第３図であり、これは有限要素法により計算し
た振動モード図である。この第３図から、固着部１８で
の振動変位はほぼ０になっている様子が分かる。

ところで、この支持部付ＧＴカット振動子をエツチング
加工によう製造した場合、当然のことながら周波数や濃
度特性にバラツキを生じる。その様子を示したのが第４
図、第５図である。ｊ１４１！は周波数ｆのウェハ内、
クエハ間、ロッー間におけるバラツキを示したもので、
ムｓ、ｍｓは關ツシ違いを、添え字ｉはウェハ違いを表
わしている。又第５図は温度特性のバラツキを示したも
ので、ムｉ、Ｂ−の意味は第４図と同じである。

この様にエツチング加工が終った段階では周波数や温度
特性にバラツキが生じているので、最終的な合わせ込み
のために、レーザによる重り除去や蒸着による重り付は
等により、周波数調整（以下、ｆ調と略記する）及び温
＊Ｗ整（以下、温調と略記する）をしなければならない
。

以下、このｆｅｌｌや温調を行うための方法について簡
単に説明する。

第６図（−）〜Ｃｅ）は、ｆ調及び温調の原理を説明す
るための図である。第６図（ａ）は振動子な長辺方向の
中央で切断した時の半分のみを示す平面図であり、第６
図Ｃｂ）は第６図（ａ）に示したＡ点から１点に設けら
れた重りをレーザーによって除去した時の一次温度係数
αの変化率を示すグラフである。このグラフの示すこと
は、ム点における重りを除去した場合、αはどんどん負
の方向に変化していくということであり、また０点の重
りを除去すれば逆に正の方向に変化してい、き、１点あ
るいはＤ点の重りを除去しても、αの変化率は０、すな
わち温特が全く変化しないということである。第６図（
Ｃ）は、ム点から１点の重りを除去した時の周波数の変
化率を示すグラフである。このグラフの示すところは、
ム点〜Ｉ点のいづれの重りを除去しても、周波数の変化
率は正、すなわち周波数は高くなるということを示して
いる。この様に、振動子上のいろいろな場所における重
りの組み合わせによりて、ｆ調及び温調が行える。さら
に蒸着等により重りを耐着させた場合にも、重り除去の
場合とその変化率は正負逆となるが、同様な効果が得ら
れる。

以上、支持部付ＧＴカット振動子におけるエッチング加
工時のバラツキ及びｆ詞、温調についての説明を行った
。しかしながら、エツチング加工時のバラツキをｆ″Ｉ
Ｉ１．温調によって吸収しようとした場合、ｆ調は比較
的容易に行なえるが、温調については温度係数αを測定
しながら行うというのは非常に困難をきわめる。

そこで本発明は温調を行うことなしに非常に車行な温度
特性を得る方法を提案するものである。

すなわち、ウェハ内の隣り合った場所に周波数及び温度
特性が少し異なった（つまり寸法の少し興なりた）振動
子２個を作り、その２個の振動子の周波数差つまりビー
ト周波数を出力周波数としようというものである。以下
、本発明における実施例の説明を行う。

まず２個の振動子ム、Ｂの周波数及び温度係数のネライ
値を決めなければならない。振動子ム。

Ｂの基準温度における周波数ネライ値を各々ｆム・ｔｆ
”・　（ここではｆム・＞ｆ−・とする）とすれば、こ
れらはビート周波数（出力周波数）のネライ値１ｆ・　
が決っているから ΔｆＯ＝ｆム・−ｆ　ｍ　ｅ　　　　　　　　　（１）
となる様な組み合せで決める。温度係数については、−
大温度係数に比較して二次温度係数以下は非常に小さい
ので、−大温度係数のみ考慮すればｆＡｏ（ｔ）＝ｆＡ
ｏ（１千ａムｅ（ｔ−ｔｏ））（２） ｆｍｏ（ｔ）＝ｆｍｅ（１＋αｗｅ（ｔ−ｔｏ））（畠
） となる。ここでｔは温度、ｔｏは基準温度、αム０、α
１０　は各々振動子ム、Ｂの一次温度係数のネライ値で
ある＊　（１）　＃　（２）　＃　（８）式よりΔｆ＠
Ｃｔ）＝ｆム０（＃）−ｆｍ・Ｃｔ）＝Δｆｏ＋げム・
αムｏ−１ｍ・αｍｅ）（ｔ−ｔｏ） （４） これが温度に関係なく一定となるためにはｆｈｏａｈｏ
−ハＩ　０（ＸＩ　＠＝Ｑ、°、ｆｈｏαムｏ＝ｆｍｏ
αｓ　ｏ　　　　　　　（５）でなければならない。す
なわち周波数ネライ値ｆム・、Ｌ■　及び−次濃度係数
ネティ値αム壷。

ａｇｏ　　は（１）　＠　（５）式 ％式％ この様なネライ値に設計された振動子ム、ＩＩをウェハ
内の隣り合った場所に作った例を示したのが第７図（１
）、Ｃｈ）である。第７図（−）は振動子ムａＢｔ一体
にして作った例であるが、この様に一体に作ったとして
も、先に第３ｇの振動モード図で示した様に１８部での
変位がほとんど口なので、振動子ム、Ｂが互いにモモド
的影智を受けることはない。また第７図Ｃｂ）は振動子
ム、Ｂを独立して作った例であり、この場合は真空封入
する際に一体封入すればよい。この様にして作られた振
動子からビー）ＩＩｍ数ノｆを取り出すための回路構成
を示したのが、第８図（ｇ）、（ｈ）である。第８図（
−）は１つの発振回路を使う場合でありて、２つの振動
子ム、Ｂが並列に接続されているので、発振回路の出方
はｆムあるいはｆｍがノｆによって１輻変関されたもの
になる。

これをローパスフィルター等を通すことによりビート周
波数Δｆが取り出せる。一方第８図（ｈ）は２つの発振
回路を使う場合であって、各々の発振周波数ｆム、ｆｍ
をビート回路に通すことによってビート周波数Δｆが取
り出せる。

以上、２個の振動子Ａ、Ｂを作る方法と、そのビー（周
波数Δｆを取り出すための回路構成についての説明を行
ったが、以下においては振動子ム、Ｂの周波数と温度係
数がバラツキのためにネライ値からズしてしまった場合
に、Ｉｆがどうなるかということについての説明を行う
。

先に、ウェハ内しかも隣り合った場所におけるバラツキ
は非常に小さい、すなわちネティ値からのズレ量はほと
んど等しいということを説明したが−このことは２個の
振動子の周波数や温度係数のネライ値が少し興なってい
る場合でも全く同様である。そこで、振動子Ａ、Ｂの基
準温度ｔｏにおける周波数ｆムＣｔＯ＞ｅｆ１ａｃｔ＠
）が各々のネライ値ｆＡＯ，７’ＩＯから同じ変化率α
だけズしていたとすれば ｆ　Ａ　（ｔ　ｏ　）　＝　（１＋　ａ　）　ｆ　Ａ　
＠　　　　（６）ｆｌ（ｔＯ）＝（１＋ｇ）ｆｌ・　　
　（７）と書ける。又同様に、−次温度係数αム、ａｍ
がネライ値ａＡ（１，α１・から同じ変化率すだけズし
ていたとすれば αム＝（１＋ｈ）αム・　　　　　―）ａｍ＝（１＋り
α勝・　　　　　（−）となる、この場合、温度ｔにお
ける振動子ム、Ｂの周波数／Ａ（＃）＃　ｆｌ（ｔ）は ｆムＣｔ）＝ｆム（ｔｏ）（１＋αム（１−１・））−
ｆｍ（ｔ）＝ｆｍ（ｔｏ）（１＋ｇｍ（ｔ−４＊）ｌ　
　Ｑｌと書けるので、そのビート周波数Δｉｃｔ＞はノ
ｆｃｔ’）＝ｆム（＃）−ｆｍ（ｔ）＝（ｆｌ（ｔ・）
−ｆｌ（ｔ・月十（ｆｌ（ｔ・）αムーｆｍ（ｔｏ）α
ｍ）（ｆ−ｔ・）輔 （６）〜（９）式を代入すると ｌｆｃｔ）＝Ｃｆｊ−ｔｋ−ｆｍ＠）Ｃ１七ｍ）＋（ｆ
ｈ＊ａｈ＊−ｆ−・αｌ・）　（１＋ｇ）　（１＋４）
　＜ｔ−ｔ・）（至） （１）　、　（５）式を代入すれば ｌｆｃｔ）＋Δｆｅ（１＋ｃｚ）　　　　　ａ４この（
ロ）式の意味するところは、振動子ム、Ｂの一次温度係
数がネライ値からズしたとしても、ビート周波数Δｆは
常に７ラツトな温度特性になるということである。ただ
し周波数の方はｆ−、ｆｍと同様に（１＋１り倍の値と
なってしまうが、これは先に示した第３図における１点
、０点でｆ調を行えば、温度特性を変えることなしにｆ
肩ができるので、容易に調整できるわけである。しかも
、たとえばレーザーによるｆｉｌを行うとした時、振動
子１個の場合は周波数を上げる方向にしか調整できない
が、本発明の場合は振動子Ｂ（周波数が低い）の方でレ
ーザーｆＷ１１することにより、容易にビート周波数を
下げることができる。

以上、ウェハ内の隣り合った場所に振動子２個を作るこ
とによって、温調することなしに常にフラットな温度特
性が得られることを示したが、この調整の非常に難しい
温調を行なわないでもすむといった点で本発明の工業的
価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はＧＴカット水晶振動子のカット角を説明する図
である。 １・・・・・・水晶ウェハ 第２ｗＱは支持部付ＧＴカット水晶振動子を示す平面図
である。 １１・・・・・・支持部付ＧＴカット水晶振動子１２・
・・・・・振動部 １３・・・・・・支持部 １４・・・・・・ブリッジ部 １５・・・・・・弾性部 １６・・・・・・接続部 １７・・・・・・減衰部 １８・・・・・・固着部 第５図は支持部付Ｇ′にカット水晶振動子の振動モード
を示す平面図である。 １８・・・・・・固着部 第４図は振動子の周波数のバラツキを示すグツ７である
。 第５図は振動子の温度特性のバラツキを示すグラフであ
る。 第６図＜ａ＞ｅ（ｂ＞ｅ（ｃ＞はＧＴカット水晶振動子
のｆｅｌｌ、温調の原理を説明するための図であり、（
ｇ）は振動子の一部切欠平面図、（ｈ）は重りの変化に
対する一次温度係数の変化率を示すグラフ、ＣＯ）は重
りの変化に対する周波数の変化率を示すグラフである。 第７図Ｃ（Ｓ）＃　Ｃｂ）は本発明における振動子をウ
ェハ上に作った例を示す図であり、（ａ）は２個の振動
子を一体に作った例を示す平面図、（ｂ）は２個の振動
子を独立して作った例を示す平面図である。 １・・・・・・水晶ウェハ ２１・・・振動千人 ２２・・・振動子Ｂ 第８図Ｃ”＞ｅｃｂ）は本発明の振動子がらビート周波
数を取り出すための回路を示す図であり、（ａ）は発振
回路が１つの場合における回路ブロック図、（ｂ）は発
振回路が２つの場合における回路ブロック図である。 ２１・・・・・・振動子ム ２２・・・・・・振動子１ 以上 入 第２図 第３図 第４図 十 第５図 惜 第６図＜（１） 第６図（ｂ） △■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）２個の水晶振動子の周波数差を利用する時間基準
   発生器において、前記２個の水晶振動子は水晶ウェハ内
   の隣り合りた場所にエツチング加工により作られたこと
   を特徴とする時間基準発生−０（ｚ）　　前記２個の水
   晶振動子は、振動部と支持部が一体に形成されたＧｉカ
   ッＦ水晶振動子２個よりなり、前記２個のＧＴカット水
   晶振動子の周波数を各々ｆム、ｆｍとし、−次温度係数
   を各★αム、α１とすれば 、ｆムαム＝ｆｙｓａｍ となる様に前記２個のＧＴカット水晶振動子が設計され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の時
   間基準発生器。