(57)【要約】【課題】単一の研磨容器を用いつつ、圧電体ブランクの端部を連続的に曲率が小さくなるように加工ができる方法並びに装置を提供する。【解決手段】自公転回転駆動手段の自転軸に取り付けられる研磨容器の圧電体ブランクの収容部を長円断面に形成し、当該研磨容器は容器中心軸を前記自転軸に対して斜交させて取り付ける。収容される圧電体ブランクを研磨容器の内部で周方向滑りと幅方向に沿った横滑り運動させ、圧電体ブランク端部を研磨可能とした。【選択図】    図１
2004314210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する装置において、公転軸を回転中心とする回転体の周囲に前記公転軸と平行に自転軸を設け、この自転軸に長円断面の研磨容器を取り付けるとともに、前記研磨容器の容器中心軸を前記自転軸と交差させて取り付け、前記研磨容器を自公転させて、収容した前記圧電体ブランクの端部を研磨することを特徴とする圧電振動片の研磨加工装置。
【請求項２】
研磨容器を幅方向に揺動可能となして収容した圧電体ブランクの端部を研磨することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片の研磨加工装置。
【請求項３】
自公転回転駆動手段の自転軸に取り付けられる研磨容器の圧電体ブランクの収容部を長円断面に形成し、当該研磨容器は容器中心軸を前記自転軸に対して斜交させて取り付けられ、収容される圧電体ブランクを前記研磨容器の内部で周方向滑りと幅方向に沿った横滑り運動させ、前記圧電体ブランク端部を研磨可能としたことを特徴とする圧電振動片の研磨加工装置。
【請求項４】
自公転される研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する方法において、長円断面の研磨容器を自公転させつつ自転軸の一点を中心としたコマ運動を行わせて前記圧電体ブランクの端部研磨をなすことを特徴とする圧電振動片の研磨加工方法。
【請求項５】
研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する方法において、長円断面の研磨容器を自公転させつつ容器中心軸を横断する最大直径平面を左右に振らせることにより研磨容器に連続的な角度変化をおこさせて収容された前記圧電体ブランクの端部研磨をなすことを特徴とする圧電振動片の研磨加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電振動片の研磨加工装置および方法に係り、特に圧電体ブランクの端部を所定の曲率で研磨することによりコンベックス加工・面取り加工を施すための装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、水晶振動子などのような圧電デバイスでは電気的な抵抗が低い方が望ましいことは当然である。特に圧電振動子の場合には、機械的運動を電気エネルギに変換しているので、電気的抵抗が低いということは機械的運動のロス、すなわち振動エネルギのロスが少ないことと等価である。通常、圧電振動子の代表格であるＡＴカット水晶振動子の振動片に電界を印加すると、振動片の両面に形成されている電極を通じて厚み滑り振動が発生する。電極のない部分では振動が指数関数的に減衰する。
【０００３】
ところが、振動子が小型化されてくると振動減衰領域を大きくとれず、マウント部に振動が伝わってしまい、これが振動エネルギのロスとなって電気的抵抗としてのクリスタルインピーダンス（ＣＩ値）が高くなってしまう。厚み滑り振動片は振動周波数と厚みは反比例に関係あり、厚くなると周波数が低くなる。また周波数が低くなる（水晶片が厚くなる）と、振動する振動エリアが大きく広がる傾向にある。低い周波数の圧電振動片をパッケージに導電接着剤などでマウントした場合、振動が保持部まで伝わってしまい、ＣＩ値が急激に高くなるのである。また、周波数が比較的高くても圧電振動片が小型になると同様に保持部に振動が伝わってしまいＣＩ値が高くなってしまう。
【０００４】
ＣＩ値を低く押さえるために、機械的な振動の伝播を押さえればよいとの観点から、輪郭からの反射によって生じる多種のモードを減衰させ、温度特性が改善されると同時に高いＱ値が得られる手段としてコンベックス加工方法（ベーベリング加工を含む）が用いられている。これは、水晶振動子を小型で、且つインピーダンス特性に優れたものにするために比較的低い周波数領域においては、必須の加工方法である。この方法は、矩形ブランクのコーナ部分を削って圧電振動片を両面凸形状に加工することで振動エリアを中央部に閉じ込め、保持部に振動が伝わらないように加工するものである。
【０００５】
このコンベックス加工法は、内面形状が球及びパイプ形状を有する研磨容器（ポット）に複数の圧電体ブランクと研磨剤を一緒に入れ、研磨容器を自転公転運動させ、公転による遠心力で水晶片を容器内面に押し付けつつ、自転による相対運動で、研磨容器内面形状をブランクに転写加工する（特許文献１）。自転と公転の角速度を同じにして回転の向きを逆にすると、水晶片は公転一回転に対して研磨容器内面を一周する。
【０００６】
コンベックス加工された水晶振動片はＣＩ値の改善など優れた特性を示すが、このコンベックス加工振動片の端部曲率を端部に向かって段階的に小さくすることにより、水晶振動子の特性を更に改善できることが判明している（特許文献２）。これは内面の曲率が異なる研磨容器を複数準備しておき、曲率が大きい研磨容器から順に小さい曲率を有する研磨容器にブランクを移し代えながら加工するようにしたものである。また、公転回転軸に直交する面が楕円形状を有する研磨用容器を用いて端部に連続的に曲率が変化する水晶片を加工する方法も示されている（特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２１６０１４号公報
【特許文献２】特開平１０−１０７５８０号公報
【特許文献３】特開２０００−１５８３２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献２に記載の方法では、端部に向かって段階的に面取り加工するという段階的な加工であり、研磨容器の切り替えごとに曲率が異なるため稜線が出現してしまい、連続的な曲率の変化とすることができない。特許文献２によれば、面取り加工の段階数を増やしていくほどＣＩ値特性が向上しており、連続的に変化する形状が理想であることが分かる。しかしながら、そのため加工を複数回に分けて行わなければならず、非常に手間がかかるという問題があった。また、特許文献３に記載の方法では、圧電振動片は大きさ、周波数（厚さ）によって理想の曲率形状が異なるが、これに対応するためには数多くの研磨形状の異なる容器を準備しなければならないという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に着目し、単一の研磨容器を用いつつ、圧電体ブランクの端部を連続的に曲率が小さくなるように加工ができる装置並びに方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電振動片の研磨加工装置は、研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する装置において、公転軸を回転中心とする回転体の周囲に前記公転軸と平行に自転軸を設け、この自転軸に長円断面の研磨容器を取り付けるとともに、前記研磨容器の容器中心軸を前記自転軸と交差させて取り付け、前記研磨容器を自公転させて収容した圧電体ブランクの端部を研磨することを特徴としてなるものである。この場合、前記研磨容器を幅方向に揺動可能となして収容した圧電体ブランクの端部を研磨するようにすればよい。
【００１０】
また、自公転回転駆動手段の自転軸に取り付けられる研磨容器の圧電体ブランクの収容部を長円断面に形成し、当該研磨容器は容器中心軸を前記自転軸に対して斜交させて取り付けられ、収容される圧電体ブランクを研磨容器の内部で周方向滑りと幅方向に沿った横滑り運動させ、前記圧電体ブランク端部を研磨可能に構成することもできる。
【００１１】
また、本発明に係る圧電振動片の研磨加工方法は、自公転される研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する方法において、長円断面の研磨容器を自公転させつつ自転軸の一点を中心としたコマ運動を行わせて前記圧電体ブランクの端部研磨をなすことを特徴としている。
【００１２】
また、研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する方法において、長円断面の研磨容器を自公転させつつ容器中心軸を横断する最大直径平面を左右に振らせることにより研磨容器に連続的な角度変化をおこさせて収容された前記圧電体ブランクの端部研磨をなすように構成することもできる。
【００１３】
このように構成することにより、長円断面となる内面形状を有する研磨用容器を公転軸と並行な自転軸に対して傾けることにより、圧電体ブランクは連続的に曲率が変化する容器断面を相対運動し、圧電振動片の端部にかけて連続的に曲率が変化する形状を加工することが出来る。
また傾ける角度を変更することで曲率変化が急なものから緩いものまで加工でき、一つの研磨用容器で様々な曲率変化を加工することが出来る。
【００１４】
加工中の長円断面（タイヤ）形状の研磨用容器と圧電体ブランク及び研磨剤の相対運動の状態を調べると次のようになる。図６は長円断面の研磨容器Ｐの斜視図、図７は断面図である。図示のように、この研磨容器Ｐは容器中心軸ＣＬから半径Ｒ１の最大半径を持ち、外周部分は幅方向に半径Ｒ２の円弧とされており、全体としてタイヤ型の容器構造となっている。この研磨用容器Ｐが通常状態で自転公転運動している状態を図８に示す。Ｘ’軸は公転軸、公転運動はＹ’−Ｚ’平面で等速円運動する。Ｘ軸は自転軸を表し、研磨容器内を相対運動する圧電体ブランクと研磨剤の軌道は、Ｙ−Ｚ面で切り出される研磨容器の断面形状になる。タイヤ状のポットが公転軸に傾きを持たず自転公転運動する場合には、圧電体ブランクの通る軌道は図９のようにＲ１の円になる。そのため圧電振動片の長辺側はＲ１、短辺側はＲ２の形状に転写加工される。
【００１５】
次に、長円断面（タイヤ）形状を有する研磨用容器を、本発明のように、公転軸と平行な自転軸に対してα°傾けた場合に、圧電体ブランクが通過する容器内の軌道を求める。α°傾けた場合のＸ−Ｙ断面を図１０に示す。この場合でも圧電体ブランクは公転運動の遠心力から圧電体ブランクの通る軌道がＹ−Ｚ面での研磨容器の断面形状になる。ここで数学的に解析しやすくするために研磨容器を座標軸に固定し、α°傾けた時の研磨容器の断面形状を求める。解析するモデルを図１１、図１２に示す。図１１はＸ−Ｙ平面での容器断面、図１２はＹ−Ｚ平面での容器断面形状を表している。この場合容器の断面形状は次式で表される。
【数１】
2004314210.tif 000003
【００１６】
圧電体ブランクの通る軌道の半径の変化ｒは次式で示されるようにＲ１、Ｒ２及びαで決まる。
【数２】
2004314210.tif 000004
これにより、適当な組み合わせを採用することにより曲率が連続的に変化する加工軌道（容器断面形状）を実現することが出来ることは分かる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る圧電振動片の研磨加工装置および方法の具体的実施の形態を、図面を参照して、詳細に説明する。
図１〜２は本実施形態に係るバレル研磨装置を示す。図２は側面図である。この装置は、回転体としてのケーブルドラム型フライホイール１０によって公転運動を行わせるようにしている。フライホイール１０は一対の回転板１２，１４を中心軸としての公転軸１６により連結してケーブルドラム形状様となし、図示しない架台に回転自在に支持されている。フライホイール１０を構成する一方の回転板１２の外周には、ベルト１８が掛けまわされ、当該ベルト１８をモータ２０により回転させて公転運動を行わせるようにしている。
【００１８】
また、フライホイール１０における一方の回転板１２の外面側には公転軸１６と同軸上に第１プーリ２２を固定し、この第１プーリ２２には、回転板１２の外周縁部側に取り付けた第２プーリ２４との間にベルト２６を掛け渡している。プーリ２２、２４のサイズは同一であり、１対１の回転比を構成している。第２プーリ２４にはフライホイール１０の一対の回転板１２、１４間に渡し掛けられた自転軸２８が連結され、これによって自転軸２８はフライホイール１０の回転角速度と同じ角速度で反対方向に回転されるようにしている。したがって、自転と公転の角速度が同じで回転の向きが相互に逆方向になり、自転軸２８に取り付けられた研磨容器３０に収容される水晶片は公転一回転に対して研磨容器３０の内周面を一周することになる。
【００１９】
図１はバレル研磨装置を正面から見た図を示す。研磨容器３０は３個まとめてタンク３２に収容保持されており、タンク３２自体はユニバーサルジョイント３４によって自転軸２８に対して取り付けられている。この取り付け状態は、研磨容器３０の中心軸３６が自転軸２８に対して傾くように設置される。研磨容器３０は圧電体ブランクと研磨剤とを収容して内面形状を転写するように研磨させるものであるが、本実施形態では、容器内部形状を長円断面形状となるように形成している。すなわち、図５〜図１１において説明したように、研磨容器３０は容器中心軸３６から半径Ｒ１の最大半径を持ち、外周部分は幅方向に半径Ｒ２の円弧とされており、全体としてタイヤ型の容器構造となっている。
【００２０】
図４は図１の研磨装置に設置された状態の研磨容器３０の断面を拡大したものを示す。まず、自転軸２８が公転軸１６に傾きを持たずに平行に設置されている場合について説明する。この場合、圧電体ブランク４０は、図４の点Ｐ１を通過し公転運動の角速度と同じ角速度で研磨容器３０内のＡ１―Ａ’断面上を滑り、点Ｐ１’に至る。また、点Ｐ１’から研磨容器内を滑り、点Ｐ１に戻り、研磨容器内を一周する。この場合、水晶が滑る研磨容器のＡ１−Ａ１’面は半径Ｒ１の円になる。
【００２１】
次に自転軸２８に対して容器中心軸３６を傾けて設置した場合を考える。α度傾けた場合と、β度（β＞α）傾けた場合について説明する。α度傾けた場合は、点Ｐ２を通過し、Ａ２−Ａ２’断面上を滑り、点Ｐ２’に至り、点Ｐ２に戻る。β度傾けた場合は、点Ｐ３を通過し、Ａ３−Ａ３’断面上を滑り、点Ｐ３’に至り、点Ｐ３に戻る。図５は図４のＡ１−Ａ１’断面、Ａ２−Ａ２’断面、Ａ３−Ａ３’断面を同一面上に示した。この図５を見て分かるように、自転軸２８に対して容器中心軸２８の傾きを持たせることにより、圧電体ブランク４０が通過する研磨容器３０の断面は連続的に曲率が変化する軌道となることが分かる。また、自転軸２８に対して容器中心軸３６の傾きを大きくするほど、断面軌道のもつ最小曲率が小さくなることが分かる。
【００２２】
なお前述の方法では、プーリ２２、２４のサイズを同一で行ったが、それぞれの径が異なっても良い。プーリ２４の半径よりもプーリ２２の半径が大きい場合について、以下に説明する。
図２のバレル研磨装置において、プーリ２４の半径よりもプーリ２２の半径のほうが大きく、公転一回転ごとに、公転と反対方向に容器の自転軸廻りの角度が、約５度ずれるようにプーリ２２およびプーリ２４の半径が設定されている。プーリ２２、２４の径の比が自転公転の角速度比が異なり、水晶片は公転一回転に対して両プーリ径の比に対応して研磨容器３０の内面を相対運動する。
【００２３】
そして、研磨容器３０の容器中心軸３６を自転軸２８と交差させて取り付け、研磨容器３０を自公転させるとともに、研磨容器３０を容器中心軸３６を自転軸２８と交差点を中心としたコマ運動を行わせる。これは、図１に示しているように、複数の研磨容器３０を収容したタンク３２を傾けて自転軸２８のユニバーサルジョイント３４に連結するようにすることで容易に実現できる。これにより、長円断面の研磨容器３０は自公転しつつ自転軸と直交する交差軸廻りに揺動運動し、コマ運動を行いながら回転される。
【００２４】
この研磨容器３０の挙動を図３に示す。研磨容器３０の中心軸３６を自転軸２８に対してα°傾けて取り付けることにより、研磨容器３０の容器中心軸３６を横断する最大直径平面３８が公転平面４１に対しα°左方に傾いた状態（図３（１））から、中間の最大直径平面３８が公転平面４１に重なる状態（図３（２））を経て、逆にα°右方に傾いた状態（図３（３））の間で揺動する運動を行う。すなわち、自転軸２８と容器中心軸３６の交点Ｏを中心に、容器中心軸３６が自転軸２８の廻りにコマ運動することになるのである。これによって、収容されている圧電体ブランク４０は、図３の各図に示しているように公転運動による遠心力Ｆによって公転平面４１の最大遠隔点位置に置かれるので、研磨容器３０の自転運動の最中、圧電体ブランク４０は内部で横滑り運動も同時に行われる。
【００２５】
（実施例）
長円断面（タイヤ）形状を有する研磨用容器をＲ１：６０ｍｍ、Ｒ２：２５ｍｍとし、αを３３°と２７°に設定し解析と加工を行った。図１３はα＝が３３°と２７°の時の研磨容器断面形状の計算結果、図１４が半径ｒの変化の計算結果を表している。αを３３°に設定することで、研磨容器内面の半径は６０ｍｍから４５ｍｍまで変化する。αを２７°にした場合は容器半径の変化は６０ｍｍから５０ｍｍまで連続的に変化する。
【００２６】
次に実際に加工した例を示す。加工した水晶片は長辺３６００μｍ、短辺が１７００μｍ、厚さは１９１μｍ。上記解析条件と同様にＲ１：６０ｍｍ、Ｒ２：２５ｍｍ、α：３３°（実施例１）  Ｒ１：６０ｍｍ、Ｒ２：２５ｍｍ、α：２７°（実施例２）で行った。図１５は実施例１の条件で加工した場合の水晶片形状。左図は水晶片形状と半径６０ｍｍの円を比較したもの、右は水晶片形状と半径４５ｍｍの円を比較したもの。この結果から中央部から端部にかけて曲率が連続的に変化し、研磨容器の曲率の変化と同じ曲率が転写加工されていることが分かる。図１６は実施例２の加工条件で加工した水晶片の形状。こちらも同様に中央部から端部にかけて連続的に変化する形状を有しており、また研磨容器断面の持つ曲率を有している。
【００２７】
なお今回は研磨容器の傾ける角度を固定して加工を行ったが、加工中に傾ける角度を連続的に変化させても良い。曲率の小さな加工は大きな曲率を有する加工面では行われないため、同様の水晶形状を加工することが出来る。また傾ける角度を変えることで研磨容器内の加工軌道を変える事ができ、研磨容器の局部的摩耗を防ぎ容器の使用期間を長くすることができる。
なお、図示の例では説明用にフライホイール１０にタンク３２が１つしか付いていないが、タンク３２が複数設置されていてもよい。
【００２８】
以上説明したように、本発明は、自公転される研磨容器の内部に圧電体ブランクと研磨剤を入れて端部を研磨加工する方法において、長円断面の研磨容器を自公転させつつ自転軸の一点を中心としたコマ運動を行わせて圧電体ブランクの端部研磨をなすように構成したので、連続的に曲率変化する凸形状を有する水晶片を加工することができ、電気的特性（ＣＩ値）に優れた振動片を大量に安価に製造することができる。また容器の傾ける角度を変えることで様々な曲率変化を加工することができ、従来の方法に比べ経済性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る加工装置の正面図である。
【図２】同装置の側面図である。
【図３】実施形態に係る加工装置における研磨容器の挙動の説明図である。
【図４】研磨容器の拡大断面説明図である。
【図５】研磨容器における研磨軌道断面図である。
【図６】長円断面の研磨容器の外観概要図である。
【図７】同断面図である。
【図８】自公転装置に取り付けた研磨容器の説明図である。
【図９】研磨容器を傾けない場合の研磨軌道図である。
【図１０】実施形態に適用する研磨容器の説明断面図である。
【図１１】同研磨容器の解析モデルのＸ−Ｙ平面での容器断面図である。
【図１２】同Ｙ−Ｚ平面での容器断面である。
【図１３】研磨容器断面形状の計算結果
【図１４】研磨容器の半径ｒの変化の計算結果
【図１５】実施例１の条件で加工した場合の水晶片形状を示している。
【図１６】実施例２の条件で加工した場合の水晶片形状を示している。
【符号の説明】
１０………フライホイール、１２，１４………回転板、１６………公転軸、１８………ベルト、２０………モータ、２２………第１プーリ、２４………第２プーリ、２６………ベルト、２８………自転軸、３０………研磨容器、３２………タンク、３４………ユニバーサルジョイント、３６………容器中心軸、３８………最大直径平面、４０………圧電体ブランク。
【図１】
2004314210.tif 000005
【図２】
2004314210.tif 000006
【図３】
2004314210.tif 000007
【図４】
2004314210.tif 000008
【図５】
2004314210.tif 000009
【図６】
2004314210.tif 000010
【図７】
2004314210.tif 000011
【図８】
2004314210.tif 000012
【図９】
2004314210.tif 000013
【図１０】
2004314210.tif 000014
【図１１】
2004314210.tif 000015
【図１２】
2004314210.tif 000016
【図１３】
2004314210.tif 000017
【図１４】
2004314210.tif 000018
【図１５】
2004314210.tif 000019
【図１６】
2004314210.tif 000020