(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタエッチングまたはイオンビームを照射することによって前記圧電素子の電極膜の一部を取り除く周波数調整手段と、
前記周波数調整手段の外部に配置された前記圧電素子の周波数を測定する周波数測定手段と、を備えた周波数調整加工装置であって、
前記周波数調整手段によって前記電極膜の一部を取り除くとともに、前記周波数調整手段の印加電流を変化させることなく、前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離を駆動手段により変化させ、前記距離が離間するにつれて周波数調整加工の加工レートが遅くなるよう制御することを特徴とする周波数調整加工装置。
【請求項２】
前記圧電素子とアースとの間に接続したコイルにより、前記圧電素子に帯電するプラス電荷を除去する電荷除去手段を有することを特徴とする請求項１記載の周波数調整加工装置。
【請求項３】
前記圧電素子の周波数と合せ込み周波数との差を外部演算処理装置により管理しながら最適となる加工レートが得られるように、前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離を前記駆動手段により制御することを特徴とする請求項１に記載の周波数調整加工装置。
【請求項４】
前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離が異なる前記周波数調整手段を少なくとも２個備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数調整加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は水晶振動子等の圧電素子をスパツタエッチングまたはイオンビームを照射して周波数の合わせ込みを行なう周波数調整加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水晶振動子に代表される圧電素子の周波数調整方法は質量を付加して所望の周波数を得る蒸着周波数調整方法が一般的であったが、近年、新たな方法として質量を軽減して所望の周波数を得るスパッタエッチングあるいはイオンビーム周波数調整方法が開発されてきている。
以下、後者の周波数調整技術について説明する。
所定の切り出し角度と形状に切断研磨され仕上げられた圧電素子はベース電極を形成するため、圧電素子の表裏に電極形状を模したマスクを密着させ、通常、真空中で銀等の金属膜を蒸着させる。この時、周波数は膜厚モニタで管理され共振周波数は所望値に対して５００〜２０００ｐｐｍ低く設定される。
次に、この圧電素子を保持器に機械的な結合と電気的な導通をさせるために、半田や導電性接着剤等を用いてマウントする。
【０００３】
そして、周波数調整加工装置では、周波数調整加工を行う前に圧電素子の共振周波数を測定して合わせ込み周波数との周波数差を求め、周波数調整加工の加工レートからスパッタエッチングまたはイオンビームを照射する時間を割り出し、周波数調整加工を行うときは測定系を電気的に切り離してから周波数調整加工を行ない、これらの作業を数回繰り返えすことで上記周波数差が零になるよう合わせ込みを行なう。
【０００４】
なお、加工レートは一般的にベース電極の面積が大きい程遅くなり、また、圧電素子に印加される加工エネルギーが大きい程速くなるため、周波数と加工条件毎に適正値を予め求めておく。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
周波数調整加工の加工レートが同じ周波数帯であっても各々の圧電素子で違ってしまうこと、またはスパッタガンやイオンビームガンの周波数調整源に起因し加工レートが不安定でばらつきをもつことから、予め求めた加工レートと実際の加工レートが異なり、周波数調整後の共振周波数が合わせ込み周波数からずれてしまっていた。
【０００６】
また、周波数調整加工の加工レートは、周波数調整源の印加電流を可変することにより制御していたが、周波数調整源を定常状態で維持させるためにはある一定以上の電力を供給する必要があり、微小な加工レートを確保するのは困難であった。
【０００７】
更に、前述の如く各々の圧電素子で周波数調整前の周波数が大きくばらついているため、加工レートが固定であると、合わせ込み周波数との差が大きい圧電素子は加工時間が長くなり、機械能力を低下させる原因となっていた。
【０００８】
一方、従来の方法では、スパッタエッチングまたはイオンビームを照射するとプラスに帯電したアルゴンイオンが圧電素子の電極膜にぶつかるため、電極膜にはプラス電荷が帯電する。帯電したプラス電荷はアースに流れようとするが、周波数を測定する測定系が接続されていると、測定系を通じて発振回路や伝送波測定器（この測定器を以下ネットワークアナライザと称す）に流れてしまう。発振回路やネットワークアナライザは交流信号で動作するものであるため、直流電流が流れると機能を破壊する危険性があり周波数調整加工時には電気的に測定系を切り離す必要があった。
【０００９】
また、微小な加工レートが得られなかったり、機械能力を低下させないように加工レートを大きくしてしまうと、周波数調整源をシャッターもしくは電源で遮断したときに時間差が生じて、合わせ込み周波数に対し調整量が多くなり過ぎ所望の周波数に合わせることができない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、圧電素子の共振周波数を測定しながら周波数調整加工を行い、周波数調整源と圧電素子の距離を可変にすることにより最適な加工レート（最短時間で目標とする周波数に精度良く調整加工すること）を得るとともに精度のよい周波数調整加工を効率よく行うことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の周波数調整加工装置は、下記の構成を特徴とする。
（１）  スパッタエッチングまたはイオンビームを照射することによって前記圧電素子の電極膜の一部を取り除く周波数調整手段と、
前記周波数調整手段の外部に配置された前記圧電素子の周波数を測定する周波数測定手段と、を備えた周波数調整加工装置であって、
前記周波数調整手段によって前記電極膜の一部を取り除くとともに、前記周波数調整手段の印加電流を変化させることなく、前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離を駆動手段により変化させ、前記距離が離間するにつれて周波数調整加工の加工レートが遅くなるよう制御することを特徴とする。
（２）さらに、前記圧電素子とアースとの間に接続したコイルにより、前記圧電素子に帯電するプラス電荷を除去する電荷除去手段を有することを特徴とする。
（３）さらに、前記圧電素子の周波数と合せ込み周波数との差を外部演算処理装置により管理しながら最適となる加工レートが得られるように、前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離を前記駆動手段により制御することを特徴とする。
（４）さらに、前記周波数調整手段と前記圧電素子との距離が異なる前記周波数調整手段を少なくとも２個備えたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
測定系のインピーダンス整合回路（これを以下フィクスチャと称す）は通常は抵抗のみからなるが、電荷除去手段として圧電素子とアースとの間にコイルを接続したインピーダンス整合回路を用いることにより、測定系に流れ込む直流分を遮断でき交流分だけをバイパスできる。その結果、測定系を破壊することがなく、圧電素子の周波数を測定できる。
【００１３】
また、周波数調整加工の加工レートは、周波数調整源と圧電素子の距離が長くなるにつれて減少し、ある距離を越えると零になるため、合わせ込み周波数と圧電素子の周波数差が数百〜数千ｐｐｍあるような場合は距離を短くして加工レートを速くし、周波数差が数十ｐｐｍ以内のような場合は距離を長くすることで加工レートを遅くし、周波数調整源の印加電流を可変することなく自由に加工レートを制御できる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１、図２、図３及び図４により説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の周波数調整加工装置の模式図である。
【００１６】
周波数調整手段すなわち周波数調整源９の内部には、ステンレス製のφ１０ｍｍの電極棒６があり、直流電源１３が接続されている。周波数調整源９の外周部７は、円筒状をしたφ１００ｍｍのステンレスで覆われている。電極棒６と外周部７は絶縁されており、外周部７はアースシールドされている。周波数調整源９及び圧電素子３は、真空容器１０の内部に納められており、真空容器１０は、メカニカルブースタポンプ１１を介して、ロータリーポンプ１２で真空排気される。
【００１７】
真空容器１０を１０−３Ｔｏｒｒレベルに真空排気したのち、周波数調整源９の内部にガスボンベ８よりアルゴンガスを１０−１〜１０−２Ｔｏｒｒ程度の真空度になるよう流入させ、電極棒６に直流電圧を印加することにより、電極棒６とアースシールドされた外周部７の間でアルゴンプラズマが発生する。発生したプラズマによりアルゴンガスはラジカル及びイオンとなり、イオン化されたアルゴンガスは、電極棒６の先端方向に設けられたφ３ｍｍの噴き出し口５から飛び出して、対向に位置した水晶振動子等の圧電素子３の表面に衝突する。アルゴンイオンが圧電素子３に衝突することで電極膜４の銀を弾き飛ばすため、電極の質量は減少し、その結果圧電素子３の周波数は低い周波数から高い周波数へ変化する。
【００１８】
アルゴンイオンが衝突することにより変化する圧電素子３の周波数は、フィクスチャ２を介して、周波数測定手段すなわちネットワークアナライザ１によって共振させることで測定できる。ネットワークアナライザ１とフィクスチャ２の接続は、５０Ω系の同軸ケーブルを用いる。
【００１９】
図３は、本発明のフィクスチャの回路図である。
【００２０】
抵抗１９、２０、２１はπ型に配置され、コイル２２は抵抗２１と並列になるように接続されている。コイル２２は圧電素子３とアースを短絡するように接続されているため、圧電素子３にプラス電荷が帯電して信号線に直流分が流れてもコイル２２によりアースに落ちる。よって、ネットワークアナライザ１には交流分だけが流れ込み、圧電素子３の周波数を測定することができる。
【００２１】
また、抵抗１９、２０を省略した簡易的な回路でも同様の効果が得られる。
【００２２】
測定した圧電素子３の周波数は、外部の演算処理装置１５に送られ、合わせ込み周波数との測定差から最適な加工レートを算出する。算出された加工レートを得るための圧電素子３と噴き出し口５の距離を割り出して、周波数調整源９の駆動装置１４へ信号を送り、周波数調整源９を前後に移動させる。
【００２３】
圧電素子３と噴き出し口５の距離は５〜２０ｍｍまで可変できる機構になっており、周波数調整加工を開始する前は５ｍｍの距離に保たれている。加工が始まると周波数調整源９は前記周波数差からプログラムされた周波数差と加工レートの設定値により周波数調整加工しながら徐々に後方へ移動し加工レートを速い状態から遅くさせて行き、圧電素子３の共振周波数が合わせ込み周波数と一致したとき、プラズマの発生を遮断する。
圧電素子３へのアルゴンイオンの照射及び遮断には直流電源１３を直接開閉してもよいし、プラズマを連続発生させた状態でシャッタ１６をシャッタ駆動機構１７で制御して開閉してもよい。
図４は、本発明の一つの周波数調整源を設けた周波数調整加工装置で周波数調整した圧電素子の周波数変化の過程を示す図である。
【００２４】
直流電源を投入すると、圧電素子の周波数は合わせ込み周波数へ徐々に近づき、合わせ込み周波数近傍になったところで周波数調整源９を圧電素子３から遠ざけることで、最適な加工レートを得ることが可能となる。
【００２５】
（実施例２）
また、さらに効率的な周波数調整制御装置とするための説明を図２の模式図を用いて行なう。
本装置は、３箇所の周波数調整源９ａ〜９ｃを有し、左から大まかな周波数調整を行なう粗調（Ｈ）、中間的な調整を行なう粗微調（Ｍ）、最終の合わせ込みを行なう微調（Ｌ）から構成され、調整用の圧電素子３は搬送機構１８により粗調、粗微調、微調のステップで搬送され周波数調整される。
粗調は、ベース電極上がりの２０００ｐｐｍ程度からのばらつきを所望の共振周波数の合わせ込み値に対し２００ｐｐｍまでの合わせ込みを受け持ち圧電素子３と周波数調整源９ａとの距離は５ｍｍ程度と他の周波数調整源に比べ近い距離を設定し、これにより加工レートは約８００ｐｐｍ／秒と速い加工レートが得られる。
粗微調は、粗調上がりの圧電素子３を５０ｐｐｍまでの合わせ込みを受け持ち圧電素子３と周波数調整源９ｂとの距離は１０ｍｍ程度に設定し、加工レートは約１００ｐｐｍ／秒が得られる。
【００２６】
微調は、粗微調上がりの圧電素子３を０ｐｐｍまでの合わせ込みを受け持ち、圧電素子３と周波数調整源９ｃとの距離は２０ｍｍ程度に設定し、加工レートは約２０ｐｐｍ／秒の遅い加工レートが得られる。
【００２７】
周波数調整源９ａ〜９ｃは、個々に圧電素子３の共振周波数をフィクスチャ２を介してネットワークアナライザ１で測定し、外部演算装置１５で合わせ込み周波数との周波数差を管理し、最適加工レートとなるよう駆動装置１４へ制御信号を送り圧電素子３と周波数調整源９ａ〜９ｃまでの距離を可変させる。
【００２８】
個々の周波数調整手段の動作については、図１における説明と同じであるので省略する。
【００２９】
なお、本発明は上記実施例に限定されることなく、幾多の変更を加え得ることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、スパッタエッチングまたはイオンビームにより周波数調整加工を行う加工装置において、圧電素子の周波数を測定しながら周波数調整加工を行い、さらに、加工レートを自由にコントロールできるため、所望の共振周波数に対する合わせ込み精度は数ｐｐｍまでのずれにおさめることができる。
【００３１】
また、加工レートを常に最適にコントロールすることに加え、複数の周波数調整手段を用いることにより、従来の装置に比べ加工時間を大幅に短縮できる。
【００３２】
さらに、圧電素子とアースとの間にコイルを接続するという簡易な構成により、加工時間の短縮、加工精度の向上という大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数調整加工装置の模式図。
【図２】本発明の他の周波数調整加工装置の模式図。
【図３】本発明のフィクスチャの回路図。
【図４】圧電素子の周波数調整過程をグラフにした図。
【符号の説明】
１  ネットワークアナライザ
２  フィクスチャ
３  圧電素子
４  電極膜
５  噴き出し口
６  電極棒
７  外周部
８  ガスボンベ
９  周波数調整源
１０  真空容器
１１  メカニカルブースタポンプ
１２  ロータリポンプ
１３  直流電源
１４  駆動装置
１５  外部演算装置
１６  シャッタ
１７  シャッタ駆動機構
２０  圧電素子搬送機構
１９  抵抗
２０  抵抗
２１  抵抗
２２  コイル
【図１】
0003573142.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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