JPH07120914B2

JPH07120914B2 - 音叉型圧電振動子の周波数調整方法

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Publication number: JPH07120914B2
Application number: JP1054136A
Authority: JP
Inventors: 典彦白鳥
Original assignee: MYOTA KK
Current assignee: MYOTA KK
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPH02233009A

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、Nd
³⁺を活性中心としたYAG（Y₃Al₅O₁₂）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）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枝部先端部に周波数調整
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（10）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（11）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でレ
ーザビームが集光する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（12）内
に、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12図
において、（14a）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、１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、この時発生する熱量によって該パターンの部材
を昇化させる。また、現在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１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１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、周波数調整がアナログ状
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
層の金属薄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属膜を付着させ、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（19）の表面に異種
金属２層の金属薄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（19）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Cr膜（17）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）膜と
する。音叉型圧電振動片（19）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
（14a、14b）が形成される。昇化した部分の近傍の膜
（18）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（dN/dE）を示し、（20）をオージェ電子のピークを示す。Ag膜の上に、
Ｓ、Cl、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、Clは、Agに対し活性であり、
とりわけ検出されたＳはAg₂Sを生成している。Ag₂Sは一
般にポーラスであり、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、Cl、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０
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、上記の事情に鑑てなされたもので、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、本発明に係わる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、本発明に係わる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（2
7）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、イオン銃に作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
小限にすることも可能である。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
て入力しておく。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、イオン銃へのガス供
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。上記の方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。イオン銃一台の場合、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（31a、31b）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（32）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。周波数調整の方法は、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（31
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（37）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、所謂ガスイオンはイオン加速電極（40）によって
加速され、イオン化室（39）から収束レンズ（41）側へ
飛び出す。イオン化ガスは収束レンズ（41）で収束さ
れ、さらに偏向板（43）によりターゲット（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調整す
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、第４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方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
叉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）し微調整する。目的周波数
（51）に達した場合は終了（52）とする。

第４図（２）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（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
枝部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（5
8）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（61）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（6
7）、（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図は音叉型圧電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電子分光分析結
果の代表例を示す。横軸に電子の運動エネルギー（ev）
を示し、縦軸に電子量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（77）表面にＳ
（74）、Cl（75）、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）、Cl（80）、Ｃ（81）、Ｏ
（83）のピーク強度が第８図（ａ）に比較し小さくな
り、Ag（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）、Cl（85）、Ｃ（8
6）、Ｏ（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方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。（7
1）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
より薄くなってしまう。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巾
よりΔｌ（72）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量C₀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、C₀/C₁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
用いる。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25Å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巾の減少分は極々
微量である。したがってC₀/C₁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Δf/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
数調整方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第10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−Ｂ′断面図である。第11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）……励振用電極パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。