JPH0674834A

JPH0674834A - 温度検出用水晶振動子

Info

Publication number: JPH0674834A
Application number: JP23020392A
Authority: JP
Inventors: Michiaki Takagi; 道明高木; Mitsuru Nagai; 充永井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-18
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: JP3010922B2

Abstract

(57)【要約】【目的】等価直列共振抵抗値が小さくかつ、その温度
変化が小さな他に、変動が少なく安価でさらには使用温
度範囲が広い高精度な温度検出用水晶振動子を提供す
る。【構成】 α水晶単結晶より特定の切断方位で水晶ウェ
ハを加工した上でフォトエッチング加工で音叉型形状を
有する水晶片を加工する場合に、前記水晶片の腕部、長
さ、板厚を適正に設定する他に、いわゆるヒレの残量を
減少させるか又は腕幅の一方を増減させて前記水晶片の
基部変位を低減させた基本波屈曲振動モードをもつ水晶
片を耐熱半田で支持固着させて、圧入により気密封止し
た耐熱容器に収納したことを特徴とする温度検出用水晶
振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、共振又は発振周波数の
変化で温度の検出を行う温度検出用水晶振動子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の温度検出用水晶振動子としては、
例えば特公昭６１−２９６５２号公報とか特公平１−２
９０８９号公報をあげることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来技
術ではいずれも水晶ウェハ方位の指定範囲が広く水晶振
動子の周波数温度特性の一次係数が大きいと言うだけ
で、実際に実用化するに際して考慮すべき諸特性が適切
であるかどうかについて述べられていない。前記の考慮
すべき諸特性としては、振動子の等価直列共振抵抗の値
（ＣＩ値）とその温度に対する変化特性、音叉形形状の
水晶片をフォトエッチングで外形加工する際に生ずるい
わゆるヒレと言われている残部による振動子の振動不安
定性の発生、さらに使用温度範囲内のある温度於て不要
振動モードと周波数が一致して特性異状をきたすスプリ
アス現象等があげられる。まず最初に前記ＣＩ値とＣＩ
値の温度特性に関しては、特定の角度方位にあっては、
ＣＩ値が大きく又、ＣＩ値の温度変化が大きく存在し発
振回路を構成した際に例えば高温度での発振停止が発生
した。又前記ヒレについても大きく残存し、振動の安定
性を大きく損なう等の問題が生じた。さらには同じ屈曲
振動モードであっても高次振動モードを用いると前記ス
プリアス現象をもつものが時々発生し使用温度範囲にわ
たって厳密な周波数温度特性の検査を要する等の問題が
発生した。

【０００４】そこで本発明は、前述の諸問題を解決する
もので、その目的とするところは、等価直列共振抵抗が
小さくかつ、その温度特性が平坦で変化が小さく、又振
動の安定性に優れ、スプリアス現象が発生しない優れた
温度検出用水晶振動子を安価に市場に提供して、高精度
で小型な温度計測システム装置の実現に役立てることに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の温度検出用水晶
振動子は、（１）α水晶単結晶の電気軸＋Ｘと機械軸＋
Ｙの作る平面を主平面とするＺカットウェハを、前記電
気軸＋Ｘの回りに時計方向に電気機械結合係数がほぼ最
大となる範囲の角度である１５から２５度の範囲で回転
してできる板厚８０から１５０μｍの水晶ウェハから、
前記水晶ウェハの回転後の＋Ｙ軸であるＹ’軸に平行に
腕の長手方向を有する音叉型形状であって、かつ腕形状
の寸法の有する辺比が（腕幅／腕長）比が０．１から
０．２の水晶片をフォトエッチングによりヒレを減じて
外形加工した後、基本波振動モードにて振動可能なよう
に励振電極を形成して振動子の等価直列共振抵抗値の温
度特性の頂差温度がほぼ常温（２５±１５℃）として、
耐熱容器に支持し収納したこと、（２）（１）項記載の
音叉型形状を有する水晶片をフォトエッチングして外形
加工する際に発生するヒレの断面積を、水晶ウェハの板
厚を一辺として等価な腕幅の増分に換算した場合に、腕
幅に対する前記等価な腕幅の比率が５％以下であるこ
と、（３）（１）項記載の音叉型形状を有する水晶片の
一方の腕幅を他方より増減させて振動の安定性を向上さ
せたこと、（４）（１）項記載の耐熱容器を構成するケ
ースとステムの少なくとも１部に、ｐｂｓｎ半田であっ
てｐｂの成分が９０ｗｔ％以上の耐熱性半田メッキ処理
をほどこすとともに、前記ステムを貫通するインナリー
ドの少なくとも１部にも同様な耐熱性半田メッキをほど
こして、音叉型形状を有する水晶片と前記インナリード
が前記半田メッキを介して固着され、かつ前記ケースと
前記ステムが前記半田を介して圧入結合されたことを特
徴とする。

【０００６】

【実施例】図１は本発明の温度検出用水晶振動子の一実
施例が示す断面図である。まず最初に図１中の各部位の
名称を列記すると、１００はケース、１０１は音叉型形
状を有する水晶片の腕部１０２は音叉型形状を有する水
晶片の基部、１０３はステム、１０４は前記ステムのイ
ンナリード、１０５は前記ステムのアウタリード、１０
６は前記ステムの耐熱半田メッキ、１０７は前記水晶片
と前記インナリードを固着する半田、１０８と１０９は
前記ケースの表面にある耐熱半田メッキである。次に各
部位の各々につき詳細な説明を順に行う。

【０００７】まず最初、前記１０１と１０２で示した音
叉型形状を有する水晶片につき説明する。前記水晶片
は、α水晶単結晶より特定の方位をとって加工されるも
のである。図２にはその方位図を示す。図中２００が前
記α水晶単結晶より作られる水晶ウェハであって、水晶
ウェハの作る平面は、前記α水晶単結晶の基本的結晶軸
の１つである電気軸＋Ｘ（２０１）と機械軸＋Ｙ（２０
２）が形成するＺカット板ウェハを前記電気軸＋Ｘ回り
にθ度時計方向に回転して得られる板面に一致する。２
０４のＹ’軸は前記２０２のＹ軸を回転した後のもので
あって、回転後の水晶ウェハの一辺を形成している。又
２０３の＋Ｚ軸は前記α水晶単結晶の基本的結晶軸の一
つである光軸を示す。さらに２０５は水晶片であって、
それがもつ音叉型形状を形作る主平面は、前記２００の
水晶ウェハの平面内にあって、かつ前記図１中の１０１
で示した水晶片の腕部の長手方向が前記Ｙ’軸にほぼ平
行である、ほぼ平行の意味するところはＹ’軸とのなす
角度が数度以内にあれば良いことである。前記２００の
水晶ウェハの板厚は８０から１５０μｍである。又前記
角度θは後述する理由から１５度から２５度の範囲をと
る。前記２００の水晶ウェハは前述の方位と板厚をもっ
てα水晶単結晶より切り出された後、充分な表面研磨仕
上げがほどこされる。２０５の水晶片は、水晶ウェハ２
００の平面の表裏にＣｒ下地としてＡｕの薄膜を蒸着又
はスパッタ等の手段で形成した後、レジストの塗布と露
光等の一連のフォトプロセスを経て、Ｃｒ＋Ａｕ薄膜か
らなる音叉型形状の外形パターンを水晶ウェハ平面上に
形成する。しかる後に、フッ酸（ＡＦ）あるいはフッ酸
とフッ化アンモニウム（ＮＨ₄ Ｆ）の混合液によって前
記Ｃｒ＋Ａｕの金属膜を外形マスクとして外形エッチン
グが行なわれ音叉型形状の水晶片が完成する。

【０００８】次に前述の水晶ウェハの回転角θの設定理
由につき図３を用いて説明する。図中の横軸は、前記回
転角θであり、縦軸は左側のＫ² は電気機械結合係数、
又右側のａ（ｐｐｍ／℃）は本発明の温度検出用水晶振
動子が有する周波数温度特性の一次温度係数の値を示
す。又図中の曲線３００が前記Ｋ² の変化を、３０１の
ａが前記一次温度係数の変化を示す。温度検出用水晶振
動子に於いては、前記一次温度係数αの絶対値は大きい
程温度の分解精度が高くなるため好ましい。従って図３
よりθはプラスに大きい程良いことになる。一方、温度
検出用水晶振動子として重要な特性である等価直列共振
抵抗ＣＩを考えると、前記ＣＩは可能なかぎり小さく又
温度により変化せず安定な程好ましい。又前記ＣＩ値は
前述の電気機械結合係数Ｋ² と関係しておりＫ² が大き
い程ＣＩ値は小さくなる。

【０００９】図３中の３００Ｋ² の曲線はθ＝−９０か
ら＋９０゜の範囲に於てθ＝１５゜付近に於て唯一最大
となっている。従ってθとしては１５゜の近く具体的数
値ではθ＝１５±１０゜範囲であれば最小に近い良好な
ＣＩ値を得ることができる。温度検出用水晶振動子とし
ては、ＣＩ値と前記ａの値を考慮して前記θを１５から
２５゜の範囲に一応設定することができる。このときａ
は約−１５から−３３ｐｐｍ／℃の値となった。ところ
で前述のＫ² は次式に従うものであって、音叉型形状を
有する屈曲振動モードのＣＩ値を決める要因となるもの
である。

【００１０】

【数１】

【００１１】但しここで、ｄ₁₂、Ｓ₂₂ ^E 、ε₁₁ ^T 等は各
々α水晶単結晶の物質定数であって、ｄ₁₂は圧電律テン
ソルの成分、Ｓ₂₂ ^E は弾性係数テンソルの成分、さらに
ε₁₁ ^T は誘電率テンソルの成分である。θ＝０゜に於け
るこれらの値はｄ₁₂＝６．８８×１０^-8ｅｓｕ、Ｓ₂₂ ^E
＝１２．７７５９×１０^-13 ｃｍ² ／ｄｙｎｅ、ε₁₁ ^T
＝４．５の値をとる。

【００１２】次に前述のフォトプロセスを用いた水晶の
外形エッチング、即ちフォトエッチングに関して図４か
ら図６を用いて説明する。まず最初に図４を説明する。
図４は、前述の図１中の音叉型形状を有する水晶片の腕
部１０１の左右１対の断面を示す図であって、図中各部
位の名称は、４００と４０１は前記音叉型形状を有する
水晶片の直角四辺形断面を持つ腕部、４０２と４０３は
前述のフォトエッチングの際に生じた断面三角形状のヒ
レ部である。さらに、４０６、４０７、４０８、４０９
等は前記水晶片腕部周囲に形成されたＣｒ下地Ａｕの金
属膜からなる励振電極であって、前記腕部長手方向にそ
って同一配置で形成されている。又各電極は図４の様に
前記水晶片上に形成されたＣｒ＋Ａｕの金属膜により接
続されて４０４の信号源により励振することができる。

【００１３】図４の電極配置によって前記水晶片は、基
本波屈曲振動モード（図１０参照）で共振する。このよ
うにして得られた前記水晶片を前述の図１の完成体の温
度検出用水晶振動子とした上で、前述の等価直列共振抵
抗ＣＩ値を測定してみると前記温度検出用水晶振動子を
回路基板に固定する方法によってＣＩ値に変動が生じ
た。このＣＩ値の変動は、いわゆる振動漏れと言われる
現象と考えられ、これは、前述図１の音叉型形状を有す
る水晶片の基部に生じている振動時の変位が、ステムの
インナリード（図１の１０４）を介してステム及びケー
ス（図１の１００）を漏れ来てゆり動かすために、前記
ケースの回路基板への固定の仕方によって温度検出用水
晶振動子のエネルギー損失の程度が変化して生じてい
る。

【００１４】この現象について種々のフォトエッチング
に於ける前記水晶片のエッチング加工時間とＣＩ値の変
動特性の関係を実験的に検討した結果、図５に見られる
ような結果を得た。同図中の横軸は前記ヒレを腕幅に等
価換算した量ΔＷμｍに大して本来あるべき腕幅寸法Ｗ
の比率を％で表わしたものであり、又縦軸は前述のＣＩ
値の変動量を％で表示したものである。前記ΔＷは次の
様に計算する。図４のヒレ部４０２と４０３はほぼ同一
の断面積Ｓを有しているので、このＳを水晶ウェハの板
厚ｔとして、ΔＷ≒２Ｓ／ｔより求める。

【００１５】図５の特性５００をみる限りに於て、ΔＷ
／Ｗは５％以内、さらには好ましくは４％以内にヒレの
残量を減じることが必要であることがわかる。さらに実
験と有限要素法との計算で解析を行って次の事実をみい
出すことができた。図６にその結果を示す。図６中の横
軸は、図４中のεで示す量で、水晶片の１対の腕幅の寸
法差を示す。又図６中の縦軸は前記音叉型形状を有する
基部（図１の１０２）の幅方向（図４の＋Ｘ軸方向）度
位Ｕx を示した特性図である。直線６００は前述のヒレ
の等価換算幅ΔＷ／Ｗが４．３％の場合について計算し
たもので、ε＝＋２μｍに於てＵx ＝０となっており論
理上振動漏れによるＣＩ値の変動は無くなることにな
る。そこで、このような寸法をとって水晶片を試作して
みたところ良い結果が得られた。

【００１６】以上今までに述べた水晶ウェハ切断方位、
水晶片のフォトエッチング加工条件のもとに、前記水晶
片の音叉形状寸法を次に設定した。この際に注目した特
性図を図７と図８に示した。まず最初に図７は、いわゆ
るモードチャートと言われるものの１部であって、特定
の寸法条件に於て、音叉型形状の水晶片が有する基本波
屈曲振動モードの固有共振周波数ｆ₀ を基準にして他の
振動モードの周波数比ｆ／ｆ₀ を縦軸にして示したもの
である。図中の丸印は、種々の振動モードが示す相対周
波数位置を示しており、上から７００が水晶片の主平面
に垂直な変位Ｕz を有する２次の同相の屈曲振動、７０
１は前記設計の目標である基本波屈曲振動（変位Ｕx を
もつ図１０のような振動）、又７０２は左右一対の腕が
同一方向に同期して振動する振動モード、７０３は７０
０のようにＺ方向に左右の腕部が逆向きに変位する振動
モード、又７０４は７０３とは逆に左右の腕が同一のＺ
方向へ同期して振動する振動モードである。図中のＺ−
ＦＳ−１からＺ−ＦＳ−２の記号は右に対応して図示し
た以上の振動モードを識別するために記入した。

【００１７】図７で大切な点は、温度検出用水晶振動子
が通常使われる温度範囲−５０から１００℃に於て、最
大の一次温度係数ａ＝−３３ｐｐｍ／℃をとっていても
決して他の振動モードと周波数が一致しないことであ
る。これは高次モードでなく基本波屈曲振動モードを選
択したことに起因する。図７の７０１と７０２の周波数
差は１０％も離れており前述の周波数の温度変化を計算
しても充分離れている。図７のモードチャートは音叉型
状を有する水晶片の板厚が８０から１５０μｍ、又１対
の腕部の板厚ｔ対ｗの比ｔ／ｗが０．２４から０．６の
間さらに腕間距離ｃ対ｗの比ｃ／ｗが０．３から０．６
の間であれば充分成立関係である。この関係にあれば、
最近接の振動モードも８％以上周波数が離れていること
を確かめることができる。従って、温度計測中にいわゆ
るスプリアスモードとぶつかって異状現象を呈すること
は生じない。次に以上の寸法条件のもとに、前記ＣＩ値
の温度特性につき検討した。

【００１８】図８には具体的に製作した温度検出用水晶
振動子のＩＣ値の温度特性及び共振周波数の温度特性に
つき図示した。図中、横軸は周囲温度Ｔ（℃）であり縦
軸の左側は周波数温度特性を周波数変化率Δｆ／ｆ_O で
表示したもの、また右側はＣＩ値（ＫΩ）である。図中
の８００の曲線が周波数温度特性を又８０１がＣＩ値の
温度特性を示している。さらに曲線８０１は上に凸の放
物線を描きその最小値を示す頂点温度８０２に於てほぼ
左右対称となっている。この頂点温度を種々の水晶ウェ
ハ方位及び前記水晶片の腕部形状特に幅寸法Ｗと腕長さ
Ｌ（図１のＬ）の比率Ｗ／Ｌに対して検討したところ、
前記頂点温度が２５±１５℃となる条件範囲として、前
述の水晶ウェハの切断方位θ＝１５から２５゜の範囲
で、Ｗ／Ｌ＝０．１から０．２の範囲であればほぼ達成
できることがわかった。ちなみにＣＩ地のもつ２次温度
係数を求めたところ４０．８ｐｐｍ／℃² であった（２
５℃と９５℃間のＣＩ値の増加が２０％と少ない）。さ
らに図１に用いた前記水晶片のサイズは、前記Ｌ＝２５
２０μｍ、Ｗ＝３２４μｍ、ｔ＝１３０μｍ、ｃ＝１７
６μｍであることを付け加える。

【００１９】以上で図１の水晶片の詳細な説明は全て終
わったので、次に本発明の温度検出用水晶振動子の残り
の構成部位の説明を以下に行う。

【００２０】前記水晶片の収納容器はケース１００とス
テム１０３からなる。まず最初ステムは、ほぼ円筒形の
側面をコバール等の金属で構成し円筒の内部は２本の同
じくコバール材からなるリード線部材を平行に配置し
て、さらにその内部を気密性のあるガラス部材で溶融固
着して気密性をもたせていったん構成される。又ケース
１００は、ＣｕとＮｉ合金からなる洋白平板をプレスに
て深しぼり成形して作られる。この上でさらに本発明に
あっては、前記ケースにはＮｉメッキかさらにその上に
耐熱性半田メッキ処理をほどこし、前記ステムには、イ
ンナリード及びアウタリードを含めて、ＣｕまたはＮｉ
の下地メッキをほどこした上に前記耐熱半田メッキ処理
をほどこす。

【００２１】前記耐熱半田メッキの特性を図９で説明す
る。図９は横軸に半田の組成であるｐｂｓｎの成分比率
（重量％）をとり、縦軸には温度（℃）をとって表わし
た合金の状態図である。本発明の温度検出用水晶振動子
に使用している耐熱半田はｐｂ成分が９０ｗｔ％以上、
従ってＳｎは１０ｗｔ％以下の領域を使うものである。
従ってその溶融温度は２６０℃と高く充分に温度検出用
水晶振動子の使用温度範囲をカバーできる性能を有す
る。さらに前記温度検出用水晶振動子の組立手順を示す
と、まず前記水晶片のＣｒ＋Ａｕの電極膜と前記ステム
のインナリード（図１の１０４）を接触させた状態で約
３２７℃以上に加熱して固着させる。

【００２２】次に前記水晶片を固着したステムと前記ケ
ースを１０^-5から１０^-6Ｔｏｒｖの高真空兼高温度状態
（図９の９００で示す斜線部温度）に放置して前記耐熱
半田メッキを半溶融状態として、半田メッキ内部に存在
するガスを放出せしめた後、温度を降下てケースとステ
ムを圧力をかけて圧入して気密容器内に水晶片を収納す
る。このようにして完成した温度検出用水晶振動子は、
容器内部の残留ガスが少なく極めて安定性の高い周波数
精度が維持できる。最後に前記ケースとステムからなる
耐熱容器のサイズについてふれると、そのサイズは、直
径２ｍｍ×長さ６ｍｍとか、さらには直径１．５ｍｍ×
長さ４ｍｍ程度の小型サイズが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、水晶
ウェハの切断方位と音叉型形状を有する水晶片の形状寸
法を適切に設定した上で、基本波屈曲振動モードで励振
する電極を形成したこにより、温度検出用水晶振動子の
等価直列共振抵抗値ＣＩが小さくかつその温度に対する
変化が小さく押えられる他スプリアスによる周波数及び
前記ＣＩのデップ現象が発生しない。さらに又、音叉型
形状を有する水晶片をフォトエッチングにより外形加工
した際に発生するヒレの程度を充分に減少させるか又は
一方の腕幅を増減させて前記水晶片基部の振動変位を低
減させることにより、前記ＣＩ値の実装状態による変動
を小さく押えて安定度の高い温度検出用水晶振動子を提
供できる。

【００２４】又さらには、耐熱性半田メッキを用いて高
温処理中で高真空封止することにより、使用温度範囲が
広く、周波数精度の高い、高精度な温度検出用水晶振動
子が市場に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度検出用水晶振動子の一実施例の
断面的構造を示す断面図。

【図２】本発明の温度検出用水晶振動子の水晶片を形
成する水晶ウェハの切断方位を示す図。

【図３】本発明の温度検出用水晶振動子が示すＫ² と
ａの特性図。

【図４】本発明の構成部材である水晶片の腕部断面の
構造を示す断面図。

【図５】ヒレが示す特性図。

【図６】ヒレが示す他の特性図。

【図７】本発明の温度検出用水晶振動子が示すモード
チャート。

【図８】本発明の温度検出用水晶振動子が示す等価直
列共振抵抗と周波数の温度特性を示す特性図。

【図９】本発明の構成部材である耐熱性半田メッキの
有する合金の状態図。

【図１０】本発明の構成部材である水晶片が示す振動
モードを示す図。

【符号の説明】

１００・・・ケース１０１・・・音叉型形状を有する水晶片の腕部１０３・・・ステム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 α水晶単結晶の電気軸＋Ｘと機械軸＋Ｙ
の作る平面を主平面とするＺカットウェハを、前記電気
軸＋Ｘの回りに時計方向に電気機械結合係数がほぼ最大
となる範囲の角度である１５から２５゜の範囲で回転し
てできる板厚８０から１５０μｍの水晶ウェハから、前
記水晶ウェハの回転後の＋Ｙ軸であるＹ’軸に平行に腕
の長手方向を有する音叉型形状であって、かつ腕形状の
寸法の有する辺比が（腕幅／腕長）比が０．１から０．
２の水晶片をフォトエッチングによりヒレを減じて外形
加工した後、基本波振動モードにて振動可能なように励
振電極を形成して振動子の等価直列共振抵抗値の温度特
性の頂点温度がほぼ常温（２５±１５℃）として、耐熱
容器に支持し収納したことを特徴とする温度検出用水晶
振動子。
【請求項２】音叉型形状を有する水晶片をフォトエッ
チングして外形加工する際に発生するヒレの断面積を、
水晶ウェハの板厚を一辺として等価な腕幅の増分に換算
した場合に、腕幅に対する前記等価な腕幅の比率が５％
以下であることを特徴とする請求項１記載の温度検出用
水晶振動子。
【請求項３】音叉型形状を有する水晶片の一方の腕幅
を他方より増減させて振動の安定性を向上させたことを
特徴とする請求項１記載の温度検出用水晶振動子。
【請求項４】耐熱容器を構成するケースとステムの少
なくとも１部に、ｐｂｓｎ半田であってｐｂの成分が９
０ｗｔ％以上の耐熱性半田メッキ処理をほどこすととも
に、前記ステムを貫通するインナリードの少なくとも１
部にも同様な耐熱性半田メッキをほどこして、音叉型形
状を有する水晶片と前記インナリードが前記半田を介し
て固着され、かつ前記ケースと前記ステムが前記半田を
介して圧入結合されたことを特徴とする請求項１記載の
温度検出用水晶振動子。