(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振電極を形成した圧電振動片を容器内部に収納した圧電デバイスの周波数を調整する周波数調整装置であって、
該圧電振動片の該容器内部に放電ガスを充填する手段、
該励振電極と対向する位置に配置した対向電極、
該励振電極と該対向電極の間に電圧を印加して該励振電極と該対向電極との間で放電を開始させる手段、
第１の周波数調整レートで周波数を粗調するために該励振電極に対して平行に磁界を印加する第１の磁界印加手段、
該第１の周波数調整レートよりも低い第２の周波数調整レートで周波数を微調するために該励振電極に対して垂直に磁界を印加する第２の磁界印加手段、及び
該第１の磁界印加手段の動作と該第２の磁界印加手段の動作とを切り換える手段
を備えた周波数調整装置。
【請求項２】
該励振電極と該対向電極の間の空間において、前記第１の磁界印加手段による磁界が１ｍＴ以上の磁束密度を有することを特徴とする請求項１記載の周波数調整装置。
【請求項３】
さらに、前記第１の磁界印加手段による磁界が５ｍＴ以上の磁束密度を有することを特徴とする請求項２記載の周波数調整装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の磁界印加手段は、該容器の外部に互いに垂直な巻き方向で配置された第１及び第２のコイル並びに該第１及び第２のコイルにそれぞれ電圧を印加する第１及び第２の電源からなることを特徴とする請求項１記載の周波数調整装置。
【請求項５】
励振電極を形成した圧電振動片を容器内部に気密封止した圧電デバイスの該励振電極と、該励振電極と対向する位置に配置した対向電極との間に放電ガスを充填し、該励振電極と該対向電極との間に電圧を印加することにより放電を開始させ該励振電極あるいは該対向電極のいずれか一方をスパッタして励振電極の質量を増減させる周波数調整方法であって、
該励振電極に対して平行に磁界を印加して第１の周波数調整レートで周波数を粗調する第１の磁界印加工程、及び
該第１の磁界印加工程の後に、該励振電極に対して垂直に磁界を印加して該第１の周波数調整レートよりも低い第２の周波数調整レートで周波数を微調する第２の磁界印加工程
を備える周波数調整方法。
【請求項６】
該励振電極と該対向電極の間の空間において、前記第１の磁界印加工程が１ｍＴ以上の磁束密度を印加することを特徴とする請求項５記載の周波数調整方法。
【請求項７】
さらに、前記磁束密度を５ｍＴ以上とすることを特徴とする請求項６記載の周波数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内部に封止あるいは気密封止した圧電デバイスの周波数調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電デバイスを製造する場合、圧電板となる材料を板状に成形し、所望の共振周波数の厚みに研磨する。そして圧電板の表裏板面に蒸着等により基礎電極を形成し圧電板の外部へ導出する。
この基礎電極の導出端をベースとなる部材に搭載して導電性接着剤等で固着し、電極の厚みを蒸着または、エッチングなどの手法で周波数調整を行い、共振周波数を目的周波数に正確に調整する。そして上記ベースにカバーをかぶせて、圧接、半田付け、抵抗溶接等により封止するようにしている。
以下、電極を形成した圧電板と圧電板の周囲を覆い隠す部材（以下容器と称す。）とを圧接、半田付け、抵抗溶接等により一体とする工程を封止と定義し、圧電板と電極とが配される空間を外気と遮断する工程を気密封止と定義する。
【０００３】
実際の圧電デバイスの製造工程において、電極を形成する際に正確に周波数を合わせ込んでも、封止を行ってみると周波数が変化することがある。このような周波数変化の原因の一つは、たとえば封止作業の際にベースに加わる応力によって生じる。そして、封止作業後に周波数の変化を発見してもこれを修正する手段はなかった。特に周波数の許容偏差の狭い圧電デバイスの場合には、大量の規格外の製品を生じることもあり問題となっていた。
このために封止後の周波数のずれを予め見越して目的周波数をずらしておくことも考えられるが、このようにしても封止作業によって生じる周波数のずれは一定ではないため消極的な手段にしかすぎなかった。また、圧電デバイスを用いた発振回路において、圧電デバイスに直列に接続したトリマーの容量を可変することによって発振周波数をあわせ込むことが行われているが、周波数の変化量が小さく所望の周波数まで調整できないことも多かった。更に、封止後のデバイスの外側からレーザビームを照射し周波数を調整する方法も行われているが、容器の少なくとも一部に光を透過する材料を用いなくてはならないという制約や、レーザビームを照射する手段が必要となるという問題があった。
【０００４】
これらの問題を解決するため、封止後の水晶振動子の周波数調整を試みた例が特開平5-243885号公報、特開平10-135758号公報、特開2002-76815号公報に開示される。
【０００５】
特開平5-243885号公報開示の周波数調整方法は、励振電極を形成した水晶片を金属容器に収納し金属容器内部にスパッタ可能なガスを１×１０−１Ｔｏｒｒないし１×１０−２Ｔｏｒｒ充填した状態で気密封止し、励振電極と金属容器との間に電圧を印加することにより電極の材料を金属容器にスパッタさせて電極の質量を減少させ周波数を変化させるものである。
【０００６】
特開平10-135758号公報開示の周波数調整方法は、励振電極を形成した水晶片を金属容器に収納し容器内部を高真空状態で気密封止し、励振電極と金属容器との間に高い直流電界を印加することにより金属容器の材料を電極に、あるいは電極の材料を金属容器にスパッタさせて電極の質量を増減させ周波数を変化させるものである。
【０００７】
特開2002-76815号公報開示の周波数調整方法は、圧電振動片をマウントするベース又はベースを覆うキャップのいずれか一方に形成した貫通孔と、貫通孔の周縁に形成したメタライズ部とを有し、ベース上へのキャップ接合後、メタライズ部の電位を調整しながらイオンガンにより貫通孔を介してAr+イオンを金属電極励振部に照射し、電極励振部を部分的に除去して周波数調整を行った後、貫通孔を閉塞して真空封止するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平5-243885
【特許文献２】特開平10-135758
【特許文献３】特開2002-76815
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特開平5-243885号公報及び特開平10-135758号公報開示の周波数調整は、金属容器内部にスパッタ可能なガスを１×１０−１Ｔｏｒｒないし１×１０−２Ｔｏｒｒ充填した状態、あるいは金属容器内部を高真空状態としてプラズマを発生させようとするものである。
金属容器と水晶板面に形成された電極との距離が短い水晶振動子内部に上記のような圧力領域で電圧を印加すると、放電を開始するにあたり、5000Vないし10000Vという高電圧を供給する必要がある。そのような高電圧を印可して放電を行うと、電極面に到達するイオンのエネルギーが必要以上に高くなり、プロセス中にデバイスが破損してしまうといった問題があった。あるいは放電が開始せず周波数調整を行うことができないという場合や、異常放電が発生してしまうという場合もあった。
さらに容器が金属容器に限定されているため、All  Quartz Package （以下AQPと称す。）のように容器が導電体でない場合には適用できないという問題もあった。
【００１０】
特開2002-76815号公報開示の周波数調整は、電極膜をエッチングする際にイオンビーム装置を必要とする為、装置が大型化してしまい構成が複雑となってしまうという問題があった。また、キャップ接合後の周波数微調整はイオンガンを用いたエッチングのみである為、キャップ接合後の周波数が所望の共振周波数よりも低い場合に周波数を所望の値に調整する手段がなく、規格外の素子を完全になくすことはできなかった。さらに貫通孔を介した局所的なエッチングである為、スプリアスが発生してしまうという問題もあった。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、気密に封止した圧電デバイスの共振周波数を、デバイスの種類を選ばずに封止後に調整することができ、それによって周波数偏差を著しく小さくすることができる圧電デバイスの周波数調整装置及び方法並びに圧電デバイスを提供するものである。さらに構成をできる限り簡素化し小型かつ低価格な装置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】
【００１２】
本発明は、最小の放電開始電圧を与えるガス圧力値あるいはその近傍のガス圧力値の放電ガスを容器内部に充填することにより、放電を容易にし低電圧での周波数調整を可能とするものである。
具体的には、励振電極を形成した圧電振動片を容器内部に収納した圧電デバイスの周波数調整であって、圧電振動片の容器内部に放電ガスを充填する手段と、容器内部の放電ガス圧力を所定の値に保つ手段と、励振電極と対向する位置に配置した対向電極と、励振電極に接続する接続端子と、対向電極に接続する接続端子と、接続端子間に電圧を印加して電極間に放電を開始させる電源と、電源を制御するコンピュータとを備え、容器内部の放電ガス圧力を、極小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力またはその近傍の圧力とすることを特徴とする。
さらに、励振電極と対向電極との間の空間の少なくとも一部に磁界を印加する手段を備えるようにし、磁界の印加方向が、励振電極と対向電極の間の空間において、励振電極に対して平行となるようにした。ここで、励振電極と対向電極の間の空間において、磁界の少なくとも１部分が１ｍＴ以上の磁束密度を有するようにした。さらに、その磁束密度を５ｍＴ以上とした。また、磁界の印加方向が、励振電極と対向電極の間の空間において、励振電極に対して垂直となるようにした。またさらに、磁界を印加する手段は、容器の外部に配置されたコイル、およびコイルに電圧を印加し励振電極と対抗電極の間に発生する磁界の磁束密度を所定の値に保つ第２の電源からなる構成とした。
【００１３】
容器内部の圧力値を設定するための第一の手段は、極小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力値またはその近傍の圧力値を実測により求めるものである。第二の手段は、パッシェン曲線を用いて極小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力値またはその近傍の圧力値を求めるものであり、第三の手段は、圧電デバイスの種類を問わず、100Paから10000Paの範囲内から適宜選択するものである。上記手段の選択は適宜行えばよい。
さらに、励振電極と対向電極との間の空間の少なくとも一部に磁界を印加するようにし、磁界の印加方向が、励振電極と対向電極の間の空間において、励振電極に対して平行となるようにした。ここで、励振電極と対向電極の間の空間において、磁界の少なくとも１部分が１ｍＴ以上の磁束密度を有するようにした。さらに、その磁束密度を５ｍＴ以上とした。また、磁界の印加方向が、励振電極と対向電極の間の空間において、励振電極に対して垂直となるようにした。またさらに、容器の外部に配置されたコイルおよびコイルに電圧を印加する第２の電源を有し、第２の電源によって励振電極と対抗電極の間に発生する磁界の磁束密度を所定の値に保つようにした。
圧電デバイスの容器の少なくとも励振電極と対向する部分が導電体である場合、容器の一部を前記対向電極とすればよい。圧電デバイスの容器の少なくとも励振電極と対向する部分が絶縁体である場合は容器の外部に設けた導電体を対向電極とすればよい。また、圧電デバイスの励振電極を構成可能な金属で対向電極を構成すれば、接続端子の陽極と陰極を変更することにより双方向の周波数調整を行うことができる。
圧電デバイスの容器の少なくとも一部に排気可能な貫通孔を設ける場合は、真空槽内部に放電ガスを導入し、ガス圧力を設定した値に保ち、真空槽内部で周波数調整を行えばよい。この場合周波数調整後に貫通孔を閉塞する。
圧電デバイスの容器を気密封止した後に周波数調整を行う場合は、予め容器内部に設定した圧力の放電ガスを封入しておけばよい。
電源にDC電源を用いる場合は、電極間と直列に抵抗器を挿入し、さらに電極間と並列に抵抗器を挿入し、プラズマの電気抵抗をR0とした場合、直列に挿入した抵抗器の抵抗値Rが、R＞(1/10)R0を満たすようにすればよい。
また放電ガス種にアルゴンを用いれば広範囲のレートを得ることができる。以下、単位時間あたりの周波数変化量をレートと称す。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、容器内部に封止あるいは気密封止した圧電デバイスの共振周波数をデバイスの種類を選ばすに調整することが可能であり、高い周波数精度を得られるとともに不良を低減し、生産性の高い圧電デバイスを低コストで提供することができる。
本発明で、圧電デバイスの容器内部に充填する放電ガスの圧力を最適値とすることが可能となるため、低い印加電圧で容易に周波数調整を行うことが可能となる。また、簡素な構成で高精度の周波数調整が可能となり、装置の小型化及び低価格化にも貢献する。
さらに、磁場を発生させて周波数調整を行うことで広範囲のレートを得ることができ、生産性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に圧電デバイスの概略図を示す。
図中２は励振電極３を形成した圧電振動片、４は圧電振動片を収納する容器を示す。
本発明の手法により周波数調整可能なデバイスとして、屈曲振動、音叉振動、長さ振動、厚み振動、厚みすべり振動、表面波のいずれかの振動モード用いて発振させることを目的とする、水晶振動子、水晶フィルタ、音叉振動子、セラミック振動子、セラミックフィルタ、ＳＡＷフィルタ、ＡＱＰ、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）などが挙げられるが、以下説明を簡略化するため、図２に示す圧電デバイス１を周波数調整する場合について説明する。
【００１６】
図２に本発明装置の概略構成図を示す。
同図に示す装置は、電源１０と、電源１０に接続され電極間に電圧を印加する接続端子１２,１３と、電源１０を制御するコンピュータ１１とを具備する。
電源１０は電極間に電圧を印加するものであればよく、DC電源、RF電源、定電圧電源、定電流電源等いずれも適用可能であるが、以下の実施例では定電圧のDC電源を用いた場合について説明する。
接続端子１２,１３の一方は圧電デバイス１の励振電極３に、他方は圧電デバイス１の励振電極３と対向する位置に配された対向電極に接続される。図２では容器４が金属製であるものとし、容器４そのものを対向電極として代用する。
周波数調整は、一定の圧力に保った放電ガスを容器４内部に充填させた状態で、励振電極３と対向電極である容器４との間に適当な電圧を印加することにより行う。
【００１７】
一般に、放電開始電圧は、放電ガスの圧力と電圧を印加する電極間の距離の積に依存し、最小値を持つことが良く知られる。
本発明は、最小の放電開始電圧を与える放電ガスの圧力あるいはその近傍圧力の放電ガスを圧電デバイスの容器内部に充填することを特徴とする。
これにより放電開始を容易に行うことが可能となり、従来見られたような放電が起こらずに周波数調整を行うことができないという問題や異常放電が起こってしまうという問題を解消できる。また、低電圧で放電を開始することが可能となり、デバイスの温度上昇を和らげ良好なスパッタを行うことが可能となる。さらに、電極間に高電圧を印加する必要がないため、カソード電極に衝突するイオンのエネルギーを和らげ、従来見られたようなデバイスの破損の問題を解消することも可能となる。その他、電源の消費電力を低減するため低コスト化にも貢献する。
【００１８】
以下、最小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力を導出する第一の手段を説明する。
第一の手段は、対象とする圧電デバイスに適宜選択した種類の放電ガスを充填し、各圧力における放電開始電圧を実測するものである。
図９は、励振電極３と対向電極である金属容器４のギャップが1.5ｍｍの水晶振動子を用い、放電ガスの圧力に対する放電開始電圧を測定した結果を表す。水晶振動子の電極はAgで構成され、容器４内部にはアルゴンガスを導入した。本実施例では、測定のため回路内に電流計１４を挿入した。回路内の電流値を計測することにより放電開始電圧を測定することが可能となる。
図より電極間の距離が1.5mm程度の場合、アルゴンガスの圧力が1kPa近辺で放電開始電圧が最小値を持つことがわかる。図に示す圧力領域を外れると、素子で放電が起こらないあるいは異常放電が起こってしまった為、横軸は0.1kPa から10kPaの範囲とした。
同図に示す場合であれば最小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力とは1kPaであり、本発明を実施可能な近傍の圧力とは、400Pa から3000Pa程度である。
【００１９】
次に、最小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力を導出する第二の手段を説明する。
第二の手段は、数式を用いて気体の圧力に対する放電開始電圧を算出するものである。
パッシェンの法則によれば、気体の圧力を（p）、電極間の距離を（l）とすると放電開始電圧（Vs）は以下の式で表される。
【数１】
0004724866.tif 000002
式中A、Bはガス種で決まる定数であり、Φは陰極材料で決まる定数である。
数１を用いて、最小の放電開始電圧を与える気体の圧力を算出すればよい。
例えば、電極間距離を1.5mm、放電ガス種をアルゴン、陰極材料にAgを用いた場合数１に示す式は以下のように示される。
【数２】
0004724866.tif 000003
【００２０】
図１０は数２を用いて圧力に対する放電開始電圧をグラフ化したものである。図中パッシェンの法則を用いて得た値は計算値として実線で示す。
同図に示す場合であれば最小の放電開始電圧を与える放電ガス圧力とは400Paであり、本発明を実施可能な近傍の圧力とは、放電開始電圧であるパッシェン曲線が緩やかに変化する200Pa から1000Pa程度である。
【００２１】
図９と図１０とを比較すると、実測値と数１を用いた計算値では一致していないことがわかる。これは、電極の表面状態や電極パターンに起因すると考えられる。本発明では実際に最小の放電開始電圧を与えるガス圧力を容器内部に充填することが最も望ましいため、第一の手段を用いて最適なガス圧力を導出することが理想であるが、実験を行う労力や時間を考慮し第二の手段を用いてもよい。
【００２２】
ところで、小型化の進む圧電デバイスにおいてはその種類によって励振電極３と容器４との距離に大きな差が無いため、100Pa〜10000Paの圧力で本発明の周波数調整を行えば概ねの圧電デバイスにおいて容易に放電を開始することが可能であるともいえる。そこで、最適な放電ガス圧力を設定する第三の手段は、圧電デバイスの種類を問わず100Pa〜10000Paの圧力範囲内で適宜選択すればよいものとする。
以上より、容器内に充填する放電ガスの圧力は、上記第一から第三の手段の中から適宜選択して導出した値とすればよいものとする。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第一の実施例は、励振電極を形成した圧電振動片を収納する容器の少なくとも励振電極と対面する部分が導電体で構成される圧電デバイスを対象とし、容器の少なくとも一部に排気可能な貫通孔を形成し、容器を封止した後に最終の周波数調整を行うものである。以下、図４に示す形状をもつ金属製の容器３２に収納され、且つ排気可能な孔３５を持つ気密状態でないHC-49U型、基本波4MHzのATカットの水晶振動子３６を用いた場合について説明するが、本発明により周波数調整可能なデバイスは図４に示す水晶振動子に限られるものではない。また、水晶振動子３６は図９に示す実験に用いた水晶振動子と同一である。図中３０はブランク、３１はブランク３０の表裏に形成された励振電極、３３はブランク３０を保持するベース、３２はベース３３に接合されブランク３０を収納する容器、３５は容器上に形成された孔、３４は励振電極３１に接続するリード端子を示す。
【００２４】
図３に第一の実施例における本発明装置の概略構成図を示す。図２に示す装置と同一のものには同一番号を付し説明を省略する。
同図に示す装置は、真空槽２０、真空槽２０を低真空まで排気するための排気口２３、電圧を導入するための導入端子２１、真空槽内部に配置した電極間に電圧を印加する接続端子１２,１３、電源１０、放電ガスを導入するためのガス導入口２２、真空計２４、電流計１４、電源１０を制御するコンピュータ１１を備える。
接続端子１２,１３は電源１０から導入端子２１を介して真空槽内部に導入され、一方を水晶振動子の励振電極３１に、他方を対向電極である容器３２に接続する。
【００２５】
次に第一の実施例における周波数調整の主なプロセス手順を以下に示す。
はじめに真空槽２０を大気圧の状態にし、水晶振動子３６を、真空槽内に設置する。このとき設置する水晶振動子３６は所望の周波数となるように励振電極３１の質量を調整した後に容器３２に収納して封止したものとする。
水晶振動子を設置する際、DC電源１０の負極側をリード端子３４の片側もしくは両側に接続し、陽極側を容器３２に接続する。
リード端子３４は本来、発振回路にて使用する場合において、水晶振動子上の励振電極３１と発振を動作させる電圧を印加する外部のリード線とを電気的に接続する為のものであるが、ここでは、プラズマを発生させる電圧導入端子として使用する。
【００２６】
次に、排気口２３に接続される図示しないポンプを起動することにより、真空槽２０内部の圧力を低真空にし、その状態から、ガス導入口２２より放電ガスを導入し、真空槽２０内部を一定の圧力に保つ。コンピュータ１１の操作により、DC電源１０から電圧を出力し、励振電極３１と対向電極である容器３２との間に適当な電圧を印加することにより、放電を開始させプラズマ５を発生させる。このときの容器内の様子を図１に示す。
プラズマ５が発生すると、プラズマ５中で生成されるイオンは、プラズマ電位とカソードとなる励振電極３１との電位差により加速し、運動エネルギーを得て励振電極３１と衝突する。それにより、励振電極３１を構成する金属材料がスパッタリングされる。
励振電極３１を構成する金属材料がスパッタされると励振電極３１質量が減少することとなり、水晶振動子の共振周波数は高いほうへ変動する。共振周波数が所望の値となった時点で周波数調整を終了し、容器３２の一部に設けた貫通孔３５を閉塞すればよい。本実施例で容器３２の一部に貫通孔３５を設けることにより貫通孔３５の閉塞時に容器３２内部を高真空状態で気密封止すること、あるいは所望のガスを所望の圧力充填した状態で気密封止することが可能となるため、あらゆる製品に対応することが可能となる。
【００２７】
図１１に放電電圧に対する放電電流を測定した結果を示す。測定は図３に示す真空装置に図４に示す水晶振動子３６を配置した状態で行い、放電ガスとしてアルゴンガスと窒素ガスとをそれぞれ１ｋPaの圧力に導入した場合について比較した。横軸はカソードとなる励振電極３１とアノードとなる容器３２との間の電圧を、縦軸は放電電流を表し、測定には電流計１４を用いた。電圧に対する放電電流の関係はガス種、及び圧力に依存し、図１１より、アルゴンガスを用いた場合、窒素に比べ、比較的広い範囲の放電電流を得ることが可能であることがわかる。
【００２８】
図１２に放電電圧に対するレートを測定した結果を示す。測定条件は図１１と同一であり、横軸に電極間の電圧を、縦軸に周波数のレートを示す。同図より、アルゴンガスを用いることで比較的広い範囲のレートを得ることが可能であり、例えば、4MHz以下の低周波の水晶振動子においても、周波数調整プロセスとして十分なレートが得られることがわかる。そこで、本実施例ではアルゴン雰囲気下でスパッタを行うものとするが、スパッタ可能なガスであればガス種を選ばずに本発明を実施可能である。アルゴンガスを用いることにより、高いレートを得ることができるため生産タクトの短縮が可能となるという効果を奏する。
【００２９】
図９を参照すると、アルゴン雰囲気下で図４に示す水晶振動子を周波数調整しようとする場合、放電開始電圧が最小値となる圧力は1kPa近傍である。そこで本実施例においては、真空槽２０内部圧力を、放電開始が最も容易であると考えられる1kPaとなるように、真空計２４の値を読みながら、アルゴンガス導入量をコントロールし、電極３１と容器３２との間に100Vないし1000V程度の電圧を印加してプラズマ５を発生させるものとする。
【００３０】
プラズマ中を流れる放電電流は、その値が高いほど、プラズマ５からカソードとなる電極３１へ衝突するイオンの入射量が多くなり、結果として、レートが高くなる。
図１３に放電電流に対するレートを測定した結果示す。測定条件は図１１と同一であり、図１３には放電ガスとしてアルゴンを用いた場合のみを記す。同図よりレートは放電電流に対し増加する傾向にあることがわかる。ここで、プラズマ中を流れる放電電流は、圧力、アノードとカソード間の材質及び形状が同じである場合、アノードとカソード間に電界を生じさせる放電電圧に依存する。図１１は放電電圧に対する放電電流の関係を示した図であり、図より電圧が200Vから500Vの領域で、放電電流は放電電圧に対し増加する傾向にあることがわかる。
図１１乃至図１３を用いれば、放電電圧または放電電流によって変化するレートを制御することが可能となる。例えば印加電圧とレートの関係式または放電電流とレートの関係式をコンピュータに取り込むことにより電源をコントロールすればよい。本発明の周波数調整は、DC電源を介し放電電流または放電電圧をコントロールすることにより、所望のレートで周波数調整を行うことを可能としている。
【００３１】
次にDC電源により電圧を印加する場合の回路構成について説明する。
図１５に、図３-(a)に示す回路構成を用いDC電源１０から出力される電圧を一定とした場合の放電開始からの放電電流の時間変化を測定した結果を示す。測定は、図３-(a)に示す真空槽内部に図４に示すHC-49U型水晶振動子３６を配置し、アルゴン雰囲気１ｋPa下で行った。横軸は時間を、縦軸は放電電流を示し、測定には電流計１４を用いた。
同図より、数秒の間に異常放電が多発し、この方法ではDC電源の電圧を設定することにより放電電流をコントロールし、レートをコントロールすることが不可能であることがわかる。
そこで本発明は、異常放電を防止する目的として、図３-(b)に示すように、プラズマを発生させる電極間と並列に抵抗器２６を接続し、更に直列に同様の抵抗器２５を接続する。
【００３２】
図１４は放電ガスの圧力とプラズマの電気抵抗との関係を示す。
同図は、図３-(b)に示す真空槽内部に図４に示すHC-49U型水晶振動子３６を配置し、アルゴンガスの導入量を変化させながらプラズマの電気抵抗を測定した結果である。横軸にアルゴンガスの圧力値を示し、縦軸にプラズマの電気抵抗値を示す。同図より、１ｋPa下では10KΩのプラズマの電気抵抗が発生している。
【００３３】
図１６−(a)に、励振電極３１と対向電極３２の間に印加する電圧と直列に接続した抵抗器２５の抵抗値を１kΩとした場合の放電電流の時間変化を測定した結果示す。測定条件は、図１４と同一であり、真空槽内部をアルゴン雰囲気１ｋPaとし、並列に挿入した抵抗２６を10KΩとした。図１４よりアルゴン雰囲気１ｋPa下では10KΩのプラズマの電気抵抗が発生している。図１６−(a)に示すように、電極間に印加する電圧と直列に接続した抵抗器２５の抵抗値がプラズマの電気抵抗の1／10程度である場合、放電開始から3秒以内の区間で数回の異常放電が発生してしまう。
【００３４】
図１６−(b)に、励振電極３１と対向電極３２の間に印加する電圧と直列に接続した抵抗器２５の抵抗値を10kΩとした場合の放電電流の時間変化を示す。測定条件は抵抗器２５の値を除き図１６−(a)と同一である。図１６−(b)に示すように、直列に接続した抵抗器２５の抵抗値がプラズマの電気抵抗と同等である場合、回路中の電流が制限され、瞬時的に電流が増大するような異常放電が抑止され、安定した放電電流が得られ、かつレートコントロールが容易に行える。
【００３５】
放電の安定性を考えた場合、特にプラズマを発生させる電極間と直列に接続する抵抗の値は重要であるが、抵抗値をプラズマの電気抵抗と同等或いはそれ以上とすることにより、放電電流を安定させることができることが図１６よりわかる。抵抗器２５をプラズマの抵抗値と同等とすることにより、放電電流の安定性を得ることができ、定電圧電源により、レートを容易にコントロールすることが可能となる。例えば、気密に封止した水晶振動子 の共振周波数を測定し、所望のレートに応じてDC電源の出力値、必要な共振周波数の偏差量に応じて放電時間を設定することにより、簡単かつ極めて正確に共振周波数を調整することができる。そこで本実施例では図３−(b)に示す回路を用いて周波数調整を行うものとするが、他の回路構成を用いても良い。あるいは異常放電を防止するために電圧をパルス化する手段を用いる等他の手段を用いてもよい。
なお、直列抵抗２５は主に放電電流安定化に寄与し、並列抵抗２６は主に電源１０からの出力電流の安定化に寄与する。従って、直列抵抗２５の抵抗値はプラズマを含む放電部の抵抗値変動を吸収できる程度に設定される必要がある一方、並列抵抗２６は電源１０の仕様によっては適宜削除してもよいし、コンデンサ等に置き換えてもよい。
【実施例２】
【００３６】
本発明の第二の実施例は、励振電極を形成した圧電振動片を収納する容器の少なくとも励振電極と対面する部分が導電体で構成される圧電デバイスを対象とし、容器に貫通孔を形成せず、容器を気密封止した後に最終の周波数調整を行うものである。
上記構成により、周波数調整を真空槽内部で行う必要はなく大気中で行うことも可能となる。もちろん圧電デバイスの製造工程が真空槽内でインライン式に行われる場合等には真空装置を用いて周波数調整を行っても構わない。この場合例えば図３に示す装置を用いればよい。
【００３７】
第二の実施例では、周波数を調整した圧電振動片を容器の内部に気密封止する際、容器内部に放電に適した圧力の放電ガスを封入する。充填するガスの圧力は上記記載の手段で設定すればよい。
装置は図２に示す構成を備えていればよく、周波数調整方法は真空槽内部にガスを導入する手段を省略すること以外は第一の実施例と同一である。これにより簡素な構成で気密封止後の周波数調整が可能となり、装置の小型化及び低価格化に著しく貢献することが可能となる。
一般に、水晶振動子の内部に窒素を充填する場合が多いが、例えば図１２に示すようにレートは低いが窒素を充填した水晶振動子であっても封止後の周波数調整が可能となる。よって前記した手段によりガスの圧力を最適な値とすればガス種を限定せずに周波数調整が可能となる。
【実施例３】
【００３８】
本発明の第三の実施例は、励振電極を形成した圧電振動片を収納する容器が絶縁材で構成される圧電デバイスを対象とする。
図５に第三の実施例における周波数調整の説明図を示す。
同図では、圧電デバイス１の外部に励振電極３と適当な間隔で導電体４０を配置し、それをアノードとしている。
容器４に排気可能な貫通孔を形成し封止後に最終の周波数調整を行い、貫通孔を閉塞して気密封止する場合は図５に示す構成を図３に示す装置に組み込めばよい。装置構成及び周波数調整方法は一方の電極を圧電デバイスの容器４ではなく導電体４０とすること以外は第一の実施例と同一である。
【００３９】
容器４に貫通孔を形成せずに気密封止した後に周波数調整を行う場合は図５に示す構成を図２に示す装置に組み込めばよい。装置構成及び周波数調整方法は一方の電極を圧電デバイスの容器４ではなく導電体４０とすること以外は第ニの実施例と同一である。
図５では、対向電極である導電体４０を片面にのみ配しているが、両面に配して圧電振動片の両面に形成された電極膜を同時にエッチングしてもよい。
第三の実施例によりAQP等絶縁材に収納される圧電デバイスであっても封止後及び気密封止後の周波数調整を行うことが可能となる。
【実施例４】
【００４０】
本発明の第四の実施例は、励振電極を形成した圧電振動片を収納する容器の少なくとも励振電極と対面する位置に電極材料となる金属が形成される圧電デバイスを対象とする。
図６に第四の実施例における周波数調整の説明図を示す。
同図は、対向電極となる金属５０を励振電極３と対面する位置に形成した様子を示す。対向電極５０は励振電極膜を形成可能な材質とし、容器４外部の外部端子５１に接続される。接続端子１３を外部端子５１に接続すること以外は第一または第二の実施例と同一である。
【００４１】
第四の実施例では、電源の陽極側を圧電振動片の励振電極３に接続し、電源の負極側を対向電極５０に接続することにより容器上の金属５０をスパッタし圧電振動片の電極上に付着させることが可能となる。また、第一または第二の実施例同様に電源の負極側を圧電振動片の励振電極３に、陽極側を対向電極５０に接続してもよい。
図６に示す構成を用いることにより双方向の周波数調整が可能となり調整精度をさらに向上させることが可能となる。同図では容器上に対向電極を形成したが、電極膜を形成可能な金属により容器を作成してもよい。
【実施例５】
【００４２】
本発明の第五の実施例は、励振電極を形成した圧電振動片を収納する容器の少なくとも圧電振動片上電極と対面する部分が導電体で構成され、容器内部に絶縁材が存在するような構造をもつ圧電デバイスを対象とする。
図７に第五の実施例における周波数調整の説明図を示す。
図は、励振電極３と容器４との間に絶縁材６０が存在する様子を示す。このようなデバイスであっても、電極間にガス雰囲気となる空間が存在すればプラズマを発生し、周波数調整することが可能である。接続端子は励振電極と容器に接続し、第一または第二の実施例に示す手段を用いればよい。これにより、絶縁チューブ等の存在する圧電デバイスであっても封止あるいは気密封止後の周波数調整を行うことが可能となる。
【実施例６】
【００４３】
本発明の第六の実施例では複数のデバイスを同時に周波数調整可能な装置を提案する。
図８に第六の実施例における装置の概略構成図を示す。
本発明は、水晶振動子の容器内部という閉じられた空間内でプラズマを発生させることが可能であるため、真空槽内部で複数の素子をそれぞれ個別に周波数調整することが可能となる。装置の内部には接続端子のみを複数設けておけばよいため、小型の装置で生産性の高い周波数調整を行うことが可能となる。
図は真空槽内部で周波数調整する様子を示すが、容器が気密封止されている場合には真空槽でなくてもよい。また装置内に導入する接続端子の数は自由に設定可能であり、導入した接続端子の数と同数の素子を同時に周波数調整することが可能である。
【実施例７】
【００４４】
本発明の第七の実施例では、プラズマ中に磁界を印加して周波数調整を行うものを示す。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は本実施形態の説明図である。図において、圧電振動片２は、（図示されない）排気可能な孔を持つHC-49U型、基本波２５ＭＨｚのＡＴカットの水晶振動子であり、金属性の容器４に収納される。励振電極３及びプラズマ５に関しては図１のものと同様である。本実施例においては、例えば、磁石７０ｎ及び７０ｓによって磁場が作られ、図１７（ａ）では励振電極３に対して略平行な方向に磁界がかかるように、図１７（ｂ）では励振電極３に対して略垂直な方向に磁界がかかるようにする。
【００４５】
プラズマ中に図１７（ａ）に示す方向の磁場を発生させた場合、電子はローレンツ力により螺旋運動をし、アノードに到達するまでの飛距離が長くなり、電離衝突が活発になる。それにより、高密度なプラズマが生成されるため、放電電圧３００Ｖから５００Ｖの範囲で、磁場を発生させない場合より高いイオン電流密度が得られ、結果として高い周波数レートが得られる。プラズマ中に図１７（ｂ）に示す方向の磁場を発生させた場合、電極に対しイオンが斜方入射するため、電極へ垂直に入射する場合に比しイオンのエネルギーが低くなり、周波数レートを低くすることが可能となる。
【００４６】
図１８（ａ）は、図１７（ａ）に示す方向に磁場を発生させた場合の放電電圧に対するレートを、磁場の強さを変えて測定した結果を示す図である。図中「磁場なし」とは、磁場を発生する手段を設けなかった場合についての測定結果を示し、厳密には極微量の地磁気が発生している。なお、図１９は磁界の測定方法を示す図である。図１９（ａ）に示すように、磁界を発生させる磁石として永久磁石７０ｎ及び７０ｓを用い、ガウスメーター７１を使用した。対象となるデバイスを排除して磁石間にプローブを移動させたが、実際にデバイスが配置されている場合でも同等の磁界がかかる。ここで、２つの磁石の中心位置０mm近傍が励振電極の中心にあたる。異なる強さの磁場を発生させるために、２種類の永久磁石７０ｎ及び７０ｓについて測定を行った結果、図１９（ｂ）のような分布を得た。従って、図１８（ａ）の測定では、圧電振動片２の中心部に印加される磁束密度が「磁場微弱」では約５ｍＴ、「磁場弱」では約１８ｍＴ、「磁場強」では約３５ｍＴで測定したことになる。ただし、「磁場強」及び「磁場弱」にはＳｍＣｏの磁石を使用し、「磁場微弱」ではフェライト磁石を使用している。
放電電圧３５０Ｖから４５０Ｖの範囲において、上記「磁場微弱」の設定ではレートを８ｐｐｍ/ｓから２３ｐｐｍ/ｓまで、「磁場弱」の設定では２ｐｐｍ/ｓから２６ｐｐｍ/ｓまで、「磁場強」の設定ではレートを１５ｐｐｍ/ｓから１００ｐｐｍ/ｓまで変化させることができる。同図より、磁場を発生させない場合と比較し、レートは増加する傾向にあることが明らかであり、特に磁束が５ｍＴ以上ではその傾向が顕著に表れる。
【００４７】
図１８（ｂ）は、図１７（ｂ）に示す方向に磁場を発生させた場合の放電電圧に対するレートを測定した結果を示す図である。放電電圧３５０Ｖから４５０Ｖの範囲において、レートを１．５ｐｐｍ/ｓから３ｐｐｍ/ｓまで変化させることができる。同図より、磁場を発生させない場合と比較し、レートは減少する傾向にあることが明らかである。
【００４８】
図１８（ａ）の測定結果から分かるように、プラズマを横切る磁界の磁束密度の値が大きいほどレート範囲拡大の傾向が大きく表れ、広域のレート範囲から所望のレートを選択することが可能となる。即ち、励振電極３に平行に磁界をかけることによりレートの選択幅が広がり、高いレートで粗調した後に低いレートで微調する等が可能となる。また、磁場の強弱によってもレート値が大きくことなるため、磁場の強度を変えることでレートを制御することも可能となる。例えば、上記の「磁場強」の設定において、磁界の強さを０ｍＴ〜３５ｍＴの範囲で変化させる等してもよい。この場合においては、例えば、調整開始時は最大値である３５ｍＴの磁界をかけて高いレートでエッチングし（粗調）、調整終了間際には１ｍＴ程度の磁界とともに低いレートでエッチングする（微調）等してもよい。これにより、調整時間が短縮化され、調整の正確さも増す。なお、粗調期間と微調期間とはタイマー等を用いて切り換えればよい。
【００４９】
また、図１８（ｂ）の測定結果から分かるように、励振電極３に垂直に磁界をかけることによりレートを低減する方向へコントロールが可能となる為、微調整工程において、より高精度な周波数調整が可能となる。また、ブランクの厚みの薄い高周波素子の場合においても、エージング特性を損なうこと無く封止後の周波数調整が可能となる。
即ち、レートの制御手段として、放電電圧による制御に加えて印加磁束密度制御および印加磁界方向制御を加えることができるため、レート制御性の向上を図ることができる。レート制御性の向上によりエッチング量の選択範囲が広がり、エッチング量を大きく設定することが望ましい低周波素子及びエッチング量を小さく設定することが望ましい高周波素子の双方に対応することができる。
【実施例８】
【００５０】
第七の実施例においては、永久磁石を用いて磁界を発生させる例を示したが、第八の実施例においてはコイルを用いて磁界を発生させるものを示す。例えば、図２０ａに示すように、コイル８１に電源８２から電流を流し、コイル８１から発生する磁界を利用する構成としてもよい。
また、図２０ａにおいてはコイル８１を圧電デバイス１に並置するものを模擬的に図示したが、図２０ｂに示すようにコイル内部に発生する磁界を利用する構成を用いてもよい。具体的には、図２０ｃに示すように圧電デバイス１を覆う専用のボビン８３を設けボビン８３にリード線８４を巻き付けるようにしてもよい。なお、同図におけるにおける断面Ａ方向のボビン８３の断面形状は円、長円又は長方形等適宜選択可能である。また、図２０ｄのようにリード線８４を圧電デバイス１（容器４）に直接巻き付けるように構成してもよい。この場合、容器４とリード線８４との絶縁処理が必要となるが、絶縁処理は容器４側で行ってもリード線８４側で行ってもよい。なお、容器４の材質は金属であってもよいし、第三の実施例のように絶縁物であってもよい。用いる材質によって、内部の電界分布は異なることが予想されるが、所望の電界分布が得られれば容器４の材質や形状は適宜選択可能である。
【００５１】
図２０ａからｄでは電極面に平行な磁界を発生させる場合についてのみ記載するが、電極面に垂直な磁界を発生させる場合にはコイルの配置やリード線の巻き付け方向等を変えればよいことは明らかである。図２０ｅに示すように、異なる磁界方向を発生させる例えば２つのコイル８１及び８５を配置してもよい。例えば、図２０ｆに示すように、ボビン８７を追加して巻線８８をボビン８７（の外周方向）に施してもよい。
電源８２及び８６への通電を切り換えることで印加磁界の方向を適宜切り換えることが可能である。更に電源８２及び８６の出力を制御することにより、磁界方向の切り換えに加えて磁束密度を変化させることができるため、レートの範囲を広範囲に変化させることが可能となる。なお、永久磁石によって電極面に水平な磁界を発生させ、コイルによって電極面に垂直な磁界を発生させてもよいし、逆に、コイルによって電極面に水平な磁界を発生させ、永久磁石によって電極面に垂直な磁界を発生させてもよい。
【００５２】
また、電源８２において、コイル８１に流れる電流を自動制御することによりレートを制御してもよい。具体的には、図２１（ａ）に示すように、電源８２の出力を可変とし、調整中の周波数を検出する周波数検出回路８９から電源８２に信号を出力するようにして、合わせ込む周波数を検出しながら電源８２の出力電圧（又は電流）を調整する。これによって印加する磁界が自動制御される。従って、調整開始時からの所定の期間は電源８２の出力を最大として粗調を行い、周波数が所望の値付近になったら電源８２の出力を低減して微調期間を開始するようにしてもよい。これにより、粗調期間を最大源利用することができ、周波数調整にかかる時間を短縮することができる。
直流電圧による共振周波数の調整では、適当な時間、たとえば数秒間の直流電圧の印加と、共振周波数を測定する作業を交互に、例えばコンピュータにより、自動的に切り替えを行って所望の共振周波数に調整するようにしてもよい。この場合、高速に切り替え動作を行え、極めて正確な共振周波数の調整が可能となる。
また、直流電圧に交流電圧を重畳し、発振法または伝送法による共振周波数の測定を行うと同時に、共振周波数の調整を行う手段を用いても良い。この場合、極めて短時間で周波数調整が行え、生産性を高めることが可能となる。
【００５３】
また、図２１（ｂ）に示すように、周波数検出回路８９からの出力をコンピュータ１１に接続し、コンピュータ１１が電源１０と電源８２とを並行して制御するようにしてもよい。即ち、周波数調整の進行度合いに応じて圧電デバイス１に印加される放電電流もしくは放電電圧及び磁界を適切な値に調整するようにしてもよい。
【００５４】
（他の実施例、他の用途への転用例）
上記では第八の実施例においてのみ共振周波数を測定する手段を設けているが、第一から第七の実施例においても周波数の測定手段を追加することは有効である。
実施例では電流計を用いて放電開始電圧を実測したが、共振周波数の変化から放電開始電圧を測定してもよい。
第一の実施例は、圧力を調整するために、容器に排気可能な孔を持つ気密状態でないデバイスの例であるが、排気孔を空ける工程は、封止前に行っても良いし、封止後に行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】圧電デバイス概略図
【図２】本発明装置概略構成図
【図３】第一の実施例における本発明装置概略構成図
【図４】HC-49U型水晶振動子説明図
【図５】第三の実施例における周波数調整の説明図
【図６】第四の実施例における周波数調整の説明図
【図７】第五の実施例における周波数調整の説明図
【図８】第六の実施例における周波数調整の説明図
【図９】放電ガス圧力に対する放電開始電圧の測定図
【図１０】パッシェン曲線図
【図１１】放電電圧に対する放電電流の測定図
【図１２】放電電圧に対するレートの測定図
【図１３】放電電流に対するレートの測定図
【図１４】放電ガス圧力に対するプラズマ電気抵抗の測定図
【図１５】図３-(ａ)に示す回路構成を用いた際の放電電流時間変化測定図
【図１６】図３-(ｂ)に示す回路構成を用いた際の放電電流時間変化測定図
【図１７】第七の実施例における周波数調整の説明図
【図１８】放電電圧に対するレートの測定図
【図１９】磁界の測定を説明する図
【図２０ａ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２０ｂ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２０ｃ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２０ｄ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２０ｅ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２０ｆ】第八の実施例における周波数調整の説明図
【図２１】第八の実施例における他の周波数調整の説明図
【符号の説明】
【００５６】
１  圧電デバイス
２  圧電振動片
３  励振電極
４  容器
５  プラズマ
１０  電源
１１  コンピュータ
１２  接続端子
１３  接続端子
１４  電流計
２０  真空槽
２１  導入端子
２２  ガス挿入口
２３  排気口
２４  真空計
２５  抵抗器
２６  抵抗器
３０  ブランク
３１  励振電極
３２  容器
３３  ベース
３４  リード端子
３５  孔
３６  HC-49U型水晶振動子
４０  対向電極
５０  対向電極
５１  外部端子
６０  絶縁体
７０ｎ、７０ｓ  磁石
８１、８５  コイル
８２、８６  電源
８３、８７  ボビン
８４、８８  巻線
８９  周波数検出回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004724866.tif 000008
【図６】
0004724866.tif 000009
【図７】
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【図８】
0004724866.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0004724866.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0004724866.tif 000021
【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２０ｄ】
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【図２０ｅ】
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【図２０ｆ】
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【図２１】
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