(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＴカット水晶素板の２つの主表面に夫々励振用の電極を形成して成るＡＴカット水晶振動子において、
前記ＡＴカット水晶素板のＸ軸と平行に延びる端縁部、又はＸ軸に沿った端縁を中心とした円周部分のうち、点対称位置関係にある２つの端縁部に切除領域を形成し、該切除領域の断面形状が、段型または段型＋ベベル型であることを特徴とするＡＴカット水晶振動子。
【請求項２】
前記切除領域を端縁部の全長又は一部に形成したことを特徴とする請求項１記載のＡＴカット水晶振動子。
【請求項３】
前記切除領域を、ＡＴカット水晶素板のＸ軸と平行に延びる端縁部、又はＸ軸に沿った端縁を中心とした円周部分の他に、Ｚ軸と平行に延びる端縁部、又はＺ軸に沿った端縁を中心とした円周部分にも形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のＡＴカット水晶振動子。
【請求項４】
前記ＡＴカット水晶素板は、平面形状が矩形、又は円形であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＡＴカット水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
《発明の背景》
〈発明の分野〉
本発明は所定の切断角度のＡＴカット水晶素板を人工水晶の原石から切り出した時のカットアングルのずれに起因して、該水晶素板を用いて構成した水晶振動子の共振周波数が目標値からずれている場合に、このずれを簡単な電極構造の変更により補正して周波数偏差を許容範囲内に抑えることにより、民生用機器に使用する場合には発振回路に水晶振動子を組み込む際の温度補償回路の付加を不要とし、産業用機器に使用する場合には温度補償回路の調整が不要となる様にしたＡＴカット水晶振動子に関する。
〈従来技術の説明〉
水晶発振器は小型、高周波数精度、高安定性等の優れた特性を有する為、従来から通信機、産業機器、民生機器等の基準周波数発生源として広く用いられている。また、複数の水晶振動子（共振子）を用いて、水晶濾波器を構成し、或は水晶振動子、増幅回路、及び温度補償回路を用いて温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）を構成して各種の通信機器に多量に用いられている。水晶発振器の発振周波数は、発振器を構成する水晶振動子の共振周波数により決定される。水晶は物理的に安定した圧電結晶体であり、その共振周波数も極めて高い安定性を有する。特に、ＡＴカット水晶振動子は温度−周波数特性が優れていることから、種々の分野で多用されている。
ＡＴカット水晶振動子は、周知のとおり人工水晶の原石のＸ、Ｚ軸に平行な面を持つＹ板をＸ軸を中心としてほぼθ＝３５度１５分回転させたアングルで切り出すことにより得た水晶素板の表裏両面に夫々励振用の電極パターンを相対向する様に形成したものである。また、その共振周波数は、水晶素板の板厚によって決定される。
この水晶振動子は、所要の支持構造を備えたパッケージ内に配置して封止することにより一つの圧電デバイスとして構成される。またプリント基板上にチップ部品等を用いて作成した発振回路ループ中に水晶振動子を挿入することにより水晶発振器が構成される。前述したようにＡＴカット水晶振動子は、他のカットアングルのものに比べて温度変動に対する共振周波数の変化が少ないとはいえ、例えば、図５に示す様に２７℃近傍を変曲点とする３次曲線状の温度−周波数特性を呈することが知られている。
但し、この温度−周波数特性は、水晶結晶から水晶素板を切り出す際の切り出し角度（カットアングル）θの違いに応じて変化する。つまり、ＡＴカット水晶振動子の温度−周波数特性は、カットアングルθの関数となり、２７℃を変曲点とする３次曲線となる。
図６はカットアングルの僅かに異なる３種類の水晶素板を用いて構成した通常の水晶振動子の温度−周波数特性を示したものである。例えば、日本国においては民生用通信機器としてのページャの基準周波数源の要求仕様（スペック）として、−１０〜５０℃の温度範囲における周波数偏差を±２ｐｐｍに留めることが求められている。例えば図６の曲線Ａが上記スペックを満たす周波数偏差を表すものであるとすれば、曲線Ａに対応する温度特性を呈するカットアングルで水晶素板を切り出して水晶振動子を構成すれば、目標とするスペックを満たすことができる筈である。
ところが、このような目標とするスペックを満たすカットアングルの水晶素板を水晶結晶から切り出そうとしても、ＡＴカット水晶素板を水晶結晶から切り出す際に使用する切断装置の加工精度に限界があるため、実際に切り出される水晶素板のカットアングルにはバラツキが多く発生し、バラツキの大きいものでは−１０〜５０℃で±５ｐｐｍ程度の周波数偏差が発生することとなる。このため、上記民生用機器のスペックを満足する良品の製造率は２０〜３０％程度と、良品率が低くなり、水晶振動子が高価格化する一つの原因となっていた。
そこで実際には、−１０〜５０℃の温度範囲における周波数偏差が±２ｐｐｍを越える水晶振動子については、温度補償回路を付加した温度補償型発振回路中に組み込むことにより、スペックを満足させていた。しかし、ＡＴカット水晶振動子の温度特性は、個々に異なる温度特性カーブを呈するので、温度補償回路を使用する場合には、各補償回路を構成する個々の素子等の値を個別に調整する工程が必要となり、その結果、製造工程の増大によるコストアップにつながっていた。
次に、産業用通信機器、例えば携帯電話において使用される水晶振動子のスペックとしては、例えば−３０〜７５℃の範囲における周波数偏差を±２ｐｐｍに留めることが求められている。しかし、いかにカットアングルを選定し、かつカット精度を高めたとしても、このようなスペックを満たすことができるＡＴカット水晶振動子を実現することは不可能である。
そのため産業用機器に用いる発振器には温度補償回路が必須となる。しかし、上記民生品の場合と同様に水晶素板のカットアングルのばらつきに起因して水晶振動子の温度特性がバラツクので、各補償回路を構成する個々の素子の値を調整する必要があり、この調整作業は極めて煩雑である為、製造工程の増大によるコストアップの原因となっていた。
以上のごとき不具合は水晶振動子の良品率さえ高めることができれば全て解決できる筈である。即ち、各種スペックに見合う水晶振動子を、生産性と、良品率よく提供できるようになれば、民生用機器にあっては発振器を製作する際に発振回路中に温度補償回路を挿入せずにスペックに見合う発振器を製造でき、産業用機器にあっては発振回路中の温度補償回路を無調整とすることができ、各種通信機器、電子機器の生産性の向上と、コストダウンを図ることが可能になる筈である。
本発明が解決しようとする課題は、民生用機器にあっては温度補償回路なしで発振器を構成することができる様にするために、また、産業用機器にあっては温度補償回路の調整が不要となる様にするために、温度特性カーブにバラツキの少ないＡＴカット水晶振動子、例えば−１０〜５０℃の範囲に於て温度特性が±２ｐｐｍになるＡＴカット水晶振動子を提供することにある。
《発明の開示》
上記課題を達成するため、請求項１の発明は、ＡＴカット水晶素板の２つの主表面に夫々励振用の電極を形成して成るＡＴカット水晶振動子において、前記ＡＴカット水晶素板のＸ軸と平行に延びる端縁部、又はＸ軸に沿った端縁を中心とした円周部分のうち、点対称位置関係にある２つの端縁部に切除領域を形成し、該切除領域の断面形状が、段型または段型＋ベベル型であることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記切除領域を端縁部の全長又は一部に形成したことを特徴とする。
請求項３の発明は、前記切除領域を、ＡＴカット水晶素板のＸ軸と平行に延びる端縁部、又はＸ軸に沿った端縁を中心とした円周部分の他に、Ｚ軸と平行に延びる端縁部、又はＺ軸に沿った端縁を中心とした円周部分にも形成したことを特徴とする。
請求項４の発明は、前記ＡＴカット水晶素板は、平面形状が矩形、又は円形であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
図１(a)は本発明の電極構造を備えた水晶振動子の断面図、(b)はその平面斜視図。
図２(a)(b)は夫々本発明の他の形態例の水晶振動子の電極構造を示す断面図。
図３(a)乃至(f)は本発明の水晶振動子の製造方法を示す図。
図４はレーザトリミングによる電極削除方法を説明する図。
図５はＡＴカット水晶素板の温度周波数特性を示す図。
図６はカットアングルの異なる３種類の水晶素板を用いて構成した水晶振動子の温度−周波数特性を示した図。
図７(a)は本発明に係る温度特性補償ＡＴカット水晶振動子の斜視図、(b)はその断面図である。
図８は本発明に係る温度特性補償ＡＴカット水晶振動子の電界の方向を示した図である。
図９は周波数温度特性の補正法を示す断面図であり、(a)は補正前の図、(b)はバランス用負荷物の一方を除去した場合の図、(c)はバランス用負荷物の一部を除去した場合の図である。
図１０(a)は第２の形態例の変形例の正面図、(b)は他の例の平面図である。
図１１(a)(b)及び(c)は夫々本発明の第３の形態例の水晶振動子の構成を示す斜視図である。
図１２(a)及び(b)は本発明の第３の形態例の変形例の構成を示す平面図、及び斜視図である。
図１３(a)及び(b)は夫々本発明の第３の形態例の他の変形例の構成を示す平面図出ある。
図１４(a)(b)及び(c)は夫々本発明の第３の形態例の切除領域の断面形状を説明する為の図である。
≪発明を実施するための最良の形態》
以下、本発明を図面に示した形態例により詳細に説明する。
〔第１の形態例〕
［第１の形態例の構成］
本発明の特徴的な構成は、ＡＴカット水晶振動子のカットアングルが目標とするカットアングルから所定角度、例えば２〜３’以上ずれた状態で切り出された水晶素板であっても、−１０〜５０℃における温度周波数特性の最大偏差が所定値、例えば±２ｐｐｍとなる水晶振動子を高い良品率で製造することができるようにするために、水晶素板の両面に夫々形成する励振用の電極の位置を完全な整合位置関係よりもＸ軸方向と直交する方向に相対的にずらして配置することにより上記カットアングルのずれに起因した周波数のずれを補正した点にある。
図１(a)は本発明の水晶振動子の電極構造を説明する断面図、(b)はその斜視図であり、この水晶振動子１１は、目標とするカットアングル（例えば−１０℃〜５０℃における周波数偏差を±２ｐｐｍに留めることができるカットアングル）に対してずれを有したカットアングルで切断された水晶素板１２の両面にフォトリソグラフィ技術によって電極１３、１４を形成したものであるが、水晶素板１２を挟んで対向し合う２つの電極１３、１４の形状、位置関係は従来品の様に完全な整合状態にはなく、Ｘ軸方向と直交する方向に距離ｄだけ相対的に位置がずらされている。
例えば、図１(b)に示した如き寸法を有したＡＴカット水晶振動子にあっては、水晶素板の両面に形成する電極の位置関係を整合状態とはせずに、両電極１３、１４の相対的位置関係をＸ軸と直交する方向に約０．３ｍｍ、程度にずらすことにより、温度特性カーブは、−１０℃における周波数偏差にして５〜６ｐｐｍ程度ずれるように変化する（カットアングルに換算して２〜３’ずれた場合と同等）ことを確認した。また、同様に、電極のずれ量ｄを０．５ｍｍとすると、−１０℃における周波数偏差にして７〜８ｐｐｍ程度ずれるように温度特性カーブが変化する（カットアングルが５〜６’ずれた場合と同等）ことを見い出した。
このように本形態例によれば、電極の配置をずらすという簡単な操作により、水晶素板を切り出した時のカットアングルのバラツキに起因した水晶振動子の周波数偏差を、目標の周波数偏差の範囲内に留めることができ、目標とする周波数偏差を得ることができる。この結果として、良品率をほぼ１００％程度に高めることができる。
このように両電極の位置関係をずらすことにより、目標とするカットアングルを有しない不良品としての水晶素板１２を用いながらも、民生機器用のスペックを満たす周波数特性の最大偏差を有した水晶振動子を得ることができる。つまり、パッケージ内の発振回路中に水晶振動子を組み込む際に、発振回路中に温度補償回路を付加する必要がなくなるので、工数、コストを低減できる。
また、図２(a)(b)は２つの電極のずれの他のパターンを示しており、(a)の例は電極１３のＸ軸方向に沿った一端縁のみが、電極１４の対向する一端縁よりも、Ｘ軸と直交する方向に所定距離ｄだけずれるように（短くなるように）構成することにより、水晶素板のカットアングルに起因した周波数偏差を補正したものである。また、(b)は電極１４のＸ軸方向に沿った２つの端縁の内の一方だけを、電極１３の対向する端縁よりも、Ｘ軸と直交する内側方向に所定距離ｄだけずらして構成することにより、水晶素板のカットアングルに起因した周波数偏差を補正したものである。
いずれの電極構造の場合も、水晶素板のカットアングルのずれに起因した水晶振動子の周波数偏差を補正するのに有効であることが、実験により確かめられている。
なお、上記形態例では、所謂短冊型の水晶素板に本発明を適用した例を示したが、本発明は短冊型に限らず、円形素板に円形電極を形成したタイプの水晶振動子にも適用することができる。
［第１の形態例の水晶振動子の製造方法］
〈フォトリソグラフィ法〉
次に、図３(a)乃至(f)は本発明に係る水晶振動子の電極を形成する方法を示す工程図であり、(a)の金属膜蒸着工程において水晶素板１２の表裏両面にアルミニウム膜２０を全面蒸着する。この状態で温度−周波数特性を測定する。
次に、(b)のフォトレジスト被覆工程に於てアルミニウム膜２０の表面全体にフォトレジスト２１を全面被覆する。
続いて、(c)の露光工程に於て電極の形状に対応する部分に開口２２ａを有したマスク２２を用いてフォトレジスト２１を露光してから、(d)の現像工程に於て露光されていない部分を除去する。本発明では(c)の工程における各マスク２２の各開口２２ａ（互いに同形状）の位置を、Ｘ軸方向と直交する方向に所要量だけずらすことにより、図１、或は図２(a)(b)に示した如き配置の電極１３、１４を得る様にしている。
図３(e)の工程ではエッチング液等を用いてフォトレジスト２１の存在しないアルミニウム膜２０の部分だけを除去して電極１３、１４に相当する部分を残し、最後にリムーバによりフォトレジストを除去して(f)の様に完成する。この工程は、バッチ処理に於ても同様に用いられる。
次に、図３(c)の工程においてマスクの位置をＸ軸方向と直交する方向に所要量だけずらす場合の所要量の算出は、図３(a)のようにアルミニウム膜２０を全面蒸着した段階で測定した当該水晶素板の温度特性に基づいて行われる。つまり、図３(a)の段階で得られた当該水晶素板固有の温度特性に基づいてカットアングルのずれ量を算出し、この算出結果に基づいて２つの電極間に必要とされるずれ量を求める。その結果、図３の(c)の露光工程に於て、上記ずれ量を有した電極を形成するために必要な開口形状を有した２つのマスクを用いて開口位置をずらせた上で露光を行う。
〈トリミング法〉
次に、図３に示した如き工程を経ないで作成される水晶振動子の２つの電極間に上記ずれを形成する手法としては、レーザ等を用いたトリミングによる電極の除去が有効となる場合もある。例えば、水晶素板上にマスクを用いて直接電極を蒸着形成することにより製造される水晶振動子においては、電極形成前の水晶素板単体の温度特性を測定することができないので、電極形成後の水晶振動子の温度特性を測定したあとで、図４に示す様に２つの電極のうちの少なくとも一方の電極１３のＸ軸に沿った端縁１３Ａを所要量除去することにより、上記温度特性を補正することが可能となる。
〈他の蒸着方法〉
上記した水晶素板の製造方法は、いずれも水晶素板に電極を蒸着形成した状態で水晶素板の温度−周波数特性を測定することが前提となっているが、水晶素板の状態で当該水晶素板の温度−周波数特性を測定する方法が知られている。この方法は、エアギャップ法と称し、水晶素板の上下両面に対して夫々所定のギャップを隔てて電極板を対向配置し、この状態で両電極板に交番電流を通電して励振せしめることにより、電極膜を直接形成することなく温度−周波数特性を知ることを可能にしている。この方法で測定した特性値に基づいて、所望のアングル変化を得るべく、付着する電極のマスク位置をずらした上で、蒸着を行えば、本発明の電極構造を得ることができる。
なお、上記２枚の電極板の内の一方だけを水晶素板の片面に接触させつつ、両電極板間に通電する方法もある。
［第１の形態例の電極構造を製造誤差と区別する根拠］
ところで、一般にマスクを用いたエッチングによって水晶素板の表裏面に夫々形成する２つの電極間の位置精度は、主として２つのマスクの位置ずれ、即ち、アラインメントの誤差等に起因して、±３０μｍ程度である。更に、エッチング時の誤差を含めてもトータルで±５０μｍ以上の誤差が発生することはあり得ない。
このことから、本発明では、２つの電極１３、１４間のＸ方向と直交する方向へのずれ量ｄを、５０μｍ＜ｄ＜０．５ｍｍとしている。つまり、電極間の位置ずれがＸ方向と直交する方向に５０μｍ以上存する場合にはこれは人為的な位置ずれの範囲であり、０．５ｍｍを越えない範囲で位置ずれを意図的に形成することにより、カットアングルのずれに起因した周波数偏差の幅を許容範囲内に減縮させることができる。
なお、上記各形態例に於て示した数値、例えば使用する水晶振動子の発振周波数、カットアングルのずれの値、温度周波数特性のずれの値等々は、全て一例であり、これに限定されるものではない。
［電極のずれの方向と温度特性との関係］
次に、図１、或は図３(f)の電極構造を備えた水晶振動子の温度特性を図６に基づいて説明する。まず水晶素板の両面の電極にずれが存在しない場合には曲線Ａに示した温度特性を有するとした場合に、電極１３、１４を図１等の方向にｄだけずらすと、この水晶振動子の温度特性は曲線Ｃに示した如きずれをもたらす。また、各電極１３、１４の位置を図１とは逆方向にｄだけずらすと、この水晶振動子の温度特性は曲線Ｂに示した如きずれをもたらす。なお、ずれｄの値が０．２ｍｍの場合に、アングルのずれは約２’に相当し、ｄが０．１ｍｍの場合にはアングルのずれは約１’となる。
［第１の形態例の効果］
以上のように、本形態例にあっては、水晶素板両面の各電極の位置を相対的にＸ軸方向と直交する方向にずらすか、或は少なくとも一方の電極のＸ軸方向に沿った端縁の内の少なくとも一方をＸ軸方向と直交する方向にずらす、或は切除するようにしたので、カットアングルのずれを解消する等の水晶素板の良品率を高めるための努力を行うことなく、単に電極の配置、構成を僅かに変更するだけの簡単、単純な構造の改変だけで、或は従来の水晶振動子のフォトリソグラフィによる電極形成工程に簡単な改良（マスクの開口部の位置や開口面積の調整）を加えるだけで、不良品としての水晶素板を用いて、各種スペックに見合う発振周波数を備えた水晶振動子を顧客に低コストで提供できるばかりでなく、民生品にあっては発振器を製作する場合にも発振回路中に温度補償回路を挿入せずにスペックに見合う発振器を製造でき、産業用機器にあっては発振回路中の温度補償回路を無調整とすることができる。
ところで水晶メーカーから水晶振動子や発振器を購入して産業用の携帯無線機等に組み込む携帯無線機メーカー等の顧客の最近のニーズとしては、パッケージ化されたＴＣＸＯの如き大型の部品を購入して無線機の回路を構成するボード上に組み付けるよりも、水晶振動子そのものを購入し、この水晶振動子を無線機等の基板上に予め形成しておいた数ｍｍ程度のチップ部品群からなる温度補償発振回路中に組み込んだ方がボード上の占有面積が小さくなるので、好まれている。
即ち、パッケージ化されたＴＣＸＯ等をボード上に搭載した場合には、パッケージ内の温度補償回路によって水晶振動子の温度−周波数特性は安定した状態にある為に、パッケージをボード上に組み込んだあとで周波数の調整作業は不要になる一方で、ボード上の大きなスペースをパッケージが占有することになるので、無線機の大型化、レイアウト自由度の制限等という不具合をもたらす。
これに対して、チップ部品群から成る温度補償回路中に従来の水晶振動子そのものを組み付けた場合には、購入した水晶振動子の温度−周波数特性が許容範囲内にある保証がないので、水晶振動子の組み付け後にボード全体を恒温槽内に入れて温度周波数特性を測定し該測定結果に基づいて、サーミスタ、コンデンサ等のチップ部品等の素子についての調整が必要となり、複雑な調整作業の分だけ製造手数、コストがアップしていた。
この場合に、予め温度周波数特性がある許容範囲内にある水晶振動子を購入してきてオンボードで搭載させれば、温度補償された周波数を無調整で確保できるので格段に有利である。このため、顧客は温度周波数特性が許容範囲内にある水晶振動子自体の購入を希望する傾向にある。
しかし、従来は、顧客が上記スペックを満たした水晶振動子そのものを購入しようとしても、水晶メーカーサイドにおける良品率が低い為に、このような水晶振動子は供給数に限りがあり、納品が遅れるばかりでなく、高価にならざるを得なかった。
これに対して、本発明の水晶振動子にあっては、製造される全ての水晶振動子の、ある温度範囲内における周波数偏差を所定の許容範囲内に留めることができるので、産業用無線機等のメーカー等の顧客が、無線機の回路を備えたボード上に温度補償発振回路をオンボードで形成した状態で、温度周波数特性が許容範囲内にある水晶振動子を該発振回路に付加するだけで無線機の回路を無調整で完成することが可能になる。
〔第２の形態例〕
上記第１の形態例では、切断角度のばらついた水晶素板に対し、ＡＴカット水晶素板の上下面に付着する対向電極をＸ軸と直交する方向、即ちＺ’軸方向に互いに僅かにずらすことにより、その水晶振動子の周波数温度特性を、切断角度を僅かにずらした場合の水晶振動子の周波数温度特性と同等になることを見いだした。
即ち、第１の形態例では、図１(a)(b)に示すように水晶素板１２のほぼ中央の上下面に電極１３、１４を蒸着あるいはフォトリソ等の手段を用いて形成する。この際、Ｘ軸方向においては上下面の電極１３、１４は互いに上下対向するようにし、Ｚ’方向においては上下面の電極１３、１４を互いに僅かにずらすと、水晶振動子の周波数温度特性は前記Ｚ’方向のずれ量に対応して、あたかも素板１２の切断角度が僅かに回転した振動子のように振る舞う。
即ち、上下面の電極１３、１４を図１(a)(b)に示すようにずらすと、その振動子の周波数温度特性は、ずらす前には例えば、図６に示す曲線Ａの如き周波数温度特性が、ずらした後は曲線Ｃの周波数温度特性のように変化する。これは電極１３、１４をずらすことによって、曲線Ａの切断角度があたかも曲線Ｃに相当する切断角度に相当する振動子のように見える。
また、上下の電極１３、１４を、図１(a)(b)と逆方向にずらすと、その水晶振動子の周波数温度特性は、図６の曲線Ｂに示すようになり、水晶素板１２の切断角度をあたかも逆に回転した水晶振動子の特性を示す。
しかしながら、上記の上下面の電極を互いにずらす手段として、蒸着マスクを用いる方法、あるいは水晶素板に全面蒸着し、フォトリソグラフィ技術を用いて形成するにしても、一旦電極が形成された後の周波数温度特性の修正は、レーザビーム等を用いてＺ’軸方向の電極を調整するためレーザビームを水晶素板に対し垂直方向から照射すると、水晶素板は透明であるため、対向する面の電極を除去することになるという問題があった。例えば、水晶素板面に対する入射角度を所定に傾斜させた上でビーム等を照射するといった手法も考えられるが、素板の厚さが薄すぎるため、角度の設定が極めて難しいという問題があった。
［第２の形態例の構成］
図７(a)(b)は本発明の第２の形態例に係る温度特性補償ＡＴカット水晶振動子の構成を示す一例であって、図７(a)は斜視図、同(b)は基板中央におけるＺ’方向の断面図である。水晶素板１２の上下面のほぼ中央に電極１３、１４を蒸着あるいはフォトリソグラフィ等の手法を用いて形成する。この際、上下電極１３、１４はＸ軸方向に対しては互いに上下位置を対向（整合）させるが、Ｚ’方向に対しては上下対向位置から僅かにずらす。さらに、バランス用負荷物としての薄膜１５ａ、１５ｂを、電極１３、１４が上下対向する位置からずれる方向と逆方向に、且つ電極１３、１４の近傍に形成する。バランス用薄膜１５ａ、１５ｂは、電極１３、１４と同一材料を用い、同一工程で形成してもよいし、また、電極１３、１４と異なる材質、例えば非導電物質でもあってもよい。
周知のように、水晶結晶は異方性を有する結晶であり、結晶軸方向により圧電性が異なる。図８に一例を示すように、水晶素板１２の上下の電極１３、１４をＺ’軸方向にずらして配置すると、電極１３、１４の両端部において、電界の方向が水晶素板１２の垂直方向から斜めに傾くように作用する。これにより水晶素板１２の切断角度をあたかも僅かに回転した基板で構成した振動子のような周波数温度特性を呈するものと推察される。
また、上述したように、水晶素板１２の上下の電極１３、１４をＺ’軸方向にずらして配置した時、電極１３、１４による質量付加効果による周波数温度特性は、あたかも素板１２の切断角度を僅かに回転したように作用する。
ところが、上下位置関係にある各電極１３、１４を対向し合う位置関係からずらした結果、各電極端部に電界の傾斜が発生すると、この電界の傾斜が水晶振動子の周波数温度特性に及ぼす作用と、電極１３、１４の上下対向位置からのずれのために該電極の質量付加効果が水晶振動子の周波数温度特性に及ぼす作用とは、周波数温度特性を水晶カット時の切断角度でみた場合、互いに逆方向に作用する。即ち周波数温度特性に及ぼす効果が電界効果と質量付加効果とでは、互いに相殺するように作用することが種々の実験より明らかになった。
そこで、本形態例では、上下電極１３、１４のずれによる電界が温度特性に及ぼす効果を利用し、電極１３、１４の質量負荷が温度特性に及ぼす効果を抑圧するために、図８に示すように、電極１３、１４を上下対向位置からずらす方向と逆方向で、電極１３、１４の近傍に質量を付加し、電極質量のバランスを図ることにより上記不具合を解消している。バランス用負荷物１５ａ，１５ｂを形成することにより、電極１３、１４のＺ’方向のずれによる質量分布の偏りは小さくなる。
バランス用負荷物１５ａ、１５ｂは質量付加効果として機能させるのであるから、上述のように電極１３、１４と同じ電極材料でもよいし、あるいは非導電性の材料でもよい。しかし、本形態例の目的の一つはこのバランス用負荷物１５ａ、１５ｂの質量をレーザあるいは電子ビーム等を用いて微少量除去することにより、水晶振動子の周波数温度特性を変曲点を中心に僅かに回転させ、所望の規格を満たすことであるから、レーザあるいは電子ビーム等でバランス用負荷物１５ａ、１５ｂの微少量が容易に除去できる材料であることが望ましい。
次に、第２の形態例における特性補正方法、即ちバランス用負荷物１５ａ、１５ｂを微少量除去することによる水晶振動子の周波数温度特性の補正法を説明する。まず、図９(a)に示すように、水晶素板１２上の電極１３、１４は互いにＺ’方向に僅かにずれており、ずれた方向と逆方向で電極１３、１４の近傍にバランス用負荷物１５ａ、１５ｂが配置されている。この時の周波数温度特性が図６に示す曲線Ｂであったとする。図９(b)は一方のバランス用負荷物１５ｂだけをレーザ等を用いて少量ずつ除去した場合の図で、そのときに図９(b)の振動子が示す周波数温度特性は図６の曲線Ａのように変化する。さらに、図９(c)は両方のバランス用負荷物１５ａ，１５ｂを一部づつ除去した場合の図である。この時の振動子が示す周波数温度特性は、図６の曲線Ｃのようになる。本形態例の特徴はレーザビーム等により、バランス用負荷物１５ａ、１５ｂを短手方向（幅方向）に少しづつ削り取るので、対向面の電極を削り取る等の悪影響を及ぼすことはない。
周知のように、バランス用負荷物１５ａ、１５ｂの調整にレーザビームもしくは電子ビームを用いる場合には、薄膜を厚さ方向に、電極を厚さ方向（質量を減らす方向）に調整することも可能である。
なお、図９(b)、(c)は周波数温度特性の補正法の一例を示したものであり、実際の補正ではこれらの中間の補正で、温度特性の規格を満たす場合がほとんどである。
このようにバランス用負荷物１５ａ、１５ｂのいずれか一方あるいは両方をレーザを用いて微少量ずつ除去することにより、所望の周波数温度特性を満たすことが可能となる。
この補正方法は、図１０に示した変形例のように２つの電極の位置関係にずれがない時にバランス用負荷物を付加して調整を行う場合にも適用することができることは勿論である。
なお、以上の説明では水晶結晶を用いた振動子の周波数温度特性の補正法を説明したが、この温度特性補正は水晶振動子のみに限らず、他の結晶、例えばＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ランガサイト等の圧電結晶を用いた振動子に適用できることは云うまでもない。
次に、図１０(a)は本発明の第２の形態例の水晶振動子の変形例の正面形状を示す図であり、この形態例では、温度特性が所望のスペックからずれを有した水晶振動子について正面形状の中心点Ｐを中心とした点対称位置に金属膜等から成るバランス用負荷物１５ａ，１５ｂを蒸着することによって質量付加を行うことにより、周波数を調整するようにしている。
この変形例が図７、図８、図９に夫々示した例と異なる点は、水晶素板１２を挟んで対向しあう２つの電極１３、１４間に位置ずれが無く、その代わりに両主面のＸ軸と平行な２つの端縁部１６ａ，１６ｂに沿ってバランス用負荷物１５ａ，１５ｂを配置した構成にある。各バランス用負荷物１５ａ，１５ｂは、素板１２の正面形状の中心点Ｐを中心とした点対称位置関係に構成するのが原則である。また、実測された水晶振動子の周波数のずれの方向が逆の場合には、図示した端縁部１６ａ，１６ｂとは異なった対角線上に位置する２つの端縁１７ａ，１７ｂに沿った各主面上に図示しないバランス用負荷物を載置することは当然である。
また、状況に応じて、点対称に配置された各バランス用負荷物の質量を異ならせるようにしてもよい。
また、レーザトリミング等の手法を用いて個々のバランス用負荷物の質量を減縮することにより、特性補正を行い得ることは勿論である。
バランス用負荷物の平面形状としては、Ｘ軸方向に延びる端縁部に沿って直線的な帯状体としてもよいし、(b)に示した如きＬ字状に構成してもよい。
要するに、本変形例は、実測された周波数が所望の温度特性曲線よりもいずれか一方に偏っていたときに、少なくとも一つの端縁（Ｘ軸と平行な端縁）に沿った主面上に質量付加を行うことによって周波数調整を行う。更に、反対側に周波数を微調整する必要が発生した場合には他方の端縁に沿った主面上に質量付加を行うものである。
［第２の形態例の効果］
図７乃至図９に示した形態例では、水晶素板の両主面に夫々形成された各電極をＺ’方向へのずらすと共に、各電極に隣接した所定位置にバランス用負荷物を設け、このバランス用負荷物をレーザ、電子ビーム等により微少量ずつ除去することにより、周波数温度特性を変曲点の周りに回転させることが可能としている。この作用はバランス用負荷物のトリミング量によりあたかも切断方位を所定の切断方位の方へ修正することに相当し、水晶振動子の切断角度偏差を容易に修正することが可能となるので、水晶素板の歩留まりはもとより、水晶振動子をパッケージに収容した後、レーザ等により周波数温度特性の補正が可能となるため、水晶振動子の歩留まりの向上に顕著な効果を奏する。
また、この効果は図１０の変形例においても同様に当てはまるものである。
［第３の形態例］
上記第１の形態例では、切り出されたＡＴカット水晶素板のカットアングルのバラツキに起因して発生する水晶振動子の周波数偏差を所要スペックの範囲内に抑える為に、２つの電極の相対的な位置関係を水晶素板Ｘ軸方向と直交する方向に所要量ずらしたＡＴカット水晶振動子を提案し、第２の形態例では、２つの電極の相対的な位置関係をＸ軸方向に所要量ずらした際に、ずらした方向と逆方向の素板上に質量付加を行ったが、同様の課題を解決することができるＡＴカット水晶振動子の構成は、上記第１、第２の形態例に限られるものではない。
即ち、本発明の第３の形態例では、水晶素板の両主面上に夫々一つづつの主電極を形成後に、その水晶振動子の特性を測定し、その結果得られた測定値に基づいて当該水晶振動子の周波数のずれを知り、このずれを修正する為に電極以外の水晶素板の表面適所を必要量だけ削り、除去するようにした点が特徴的である。換言すれば、本形態例では、当該水晶振動子について実測した温度特性曲線が所望の温度特性から一方向にずれていた場合に、温度特性曲線の一次係数を削除して調整することにより、所望のカーブを有した曲線に近づけるようにしている。
まず、図１１(a)(b)及び(c)は夫々平面形状が短冊型の水晶振動子１１の両主面の素板端縁部３０、３１を含む領域をＸ軸方向と平行な方向に沿って切除することにより、周波数偏差を所要スペックの範囲内に抑えるようにしたものである。この形態例では切除の対象となる素板部分、即ち水晶振動子の電極１３を除いた素板表面部分として、２つの主面のＸ軸に沿った端縁部３０、３１から各主面中央部に向けて展開する所要範囲を切除することにより切除領域３２、３３としている。切除領域３２、３３は、素板端面３４の中心点３４ａに対して点対称となるように対角線上に配置されている。切除領域３２、３３の平面積（幅Ｗ、長さＬ）、及び深さＤは、修正しようとする周波数のずれの値に応じて種々選定可能であり、長さＬについても端縁部３０、３１の全長にわたって延在する必要はない。各切除領域３２、３３は、望ましくは均等な量だけ水晶素板を切除することにより形成する。
また、この形態例では一つの対角線上に位置する両方の端縁部３０、３１に沿って切除領域３２、３３を形成したが、測定の結果判明した水晶振動子の周波数のずれ方向が逆である場合には、図１１(a)とは逆の対角線方向の素板端縁部３５、３６を含む切除領域３７、３８（図示せず）を各主面上に切除形成する。いずれの対角線上に位置する切除領域を選定するかは、水晶振動子の特性を測定したときに得られた周波数のずれの方向により選定し、所望のカーブを有した温度特性曲線が得られるように切除量、切除範囲等を選定する。この点は、以下の全ての形態例においても同様に当てはまる事項である。
次に、図１１(b)に示す形態例の水晶振動子は、端面３４の一つの対角線上に位置する２つの端縁部３０、３１に沿って形成する切除領域３２、３３をＸ軸方向に沿って２分割した構成を有する。この例では、２分割した各切除領域３２、３３を、中心点３０ａ，３１ａを中心として、素板１２の手前側端縁側と奥側端縁側に夫々対称的に分割配置しているが、分割された各切除領域は手前側端縁と奥側端縁よりも中心点３０ａ，３１ａ寄りに位置するように構成してもよい。また、各切除領域を３分割以上して配置してもよい。また、分割された各切除領域の平面積（幅Ｗ１、長さＬ１）、及び深さＤ１は、修正しようとする周波数のずれの値に応じて種々選定可能である。
また、各切除領域３２、３３の形状、切除量等は、望ましくは全て均等となるように、均等な量だけ水晶素板を切除する。
次に、図１１(c)の形態例の水晶振動子１１は、Ｘ軸方向へ延びる各端縁部３０、３１に沿って形成する切除領域３２、３３を、各端縁部３０，３１の中心点３０ａ，３１ａに極限して配置したものである。各切除領域３２、３３のＸ軸方向両端部の位置は、中心点３０ａ，３１ａからほぼ等距離となるように設定されている。各切除領域の平面積（幅Ｗ１、長さＬ１）、及び深さＤ１は、修正しようとする周波数のずれの値に応じて種々選定可能である。また、各切除領域３２、３３の形状、切除量等は、望ましくは全て均等となるように、均等な量だけ水晶素板を切除する。
上記各例の水晶振動子について切除領域を形成する方法としては、レーザを用いたトリミングや、フォトリソグラフィー等によるエッチングを用いることができる。
上記の様に水晶素板１２上に電極１３を形成することにより得た水晶振動子１１について、水晶素板部分を切除することにより周波数の調整を行う際には、製造した水晶振動子の特性を測定し、測定により得られた水晶振動子の周波数のずれの方向と値とに基づいて、所望の温度特性曲線に近付ける方向に調整する。この調整方法としては、対をなす一方の端縁部３０、３１、或は対をなす他方の端縁部３５、３６のいずれか一方の対にだけ沿って切除領域を形成することにより、温度特性曲線を所望のカーブを有したものに調整することができる。
なお、例えばいずれか一方の端縁部（３０、３１）に切除領域（３２、３３）を形成することにより一方に特性を偏位させた後で、反対側の端縁部（３５、３６）に切除領域（３７、３８）を形成することにより、調整のし直しを行うことは可能である。この場合も、原則として、対をなす各切除領域における切除量は均等となるように切除を行うことは上述の通りである。
次に、図１２(a)及び(b)は本発明の第３の形態例の水晶振動子の変形例の構成を示す平面図、及び斜視図であり、この形態例のＡＴカット水晶振動子１１はＸ軸方向に沿った端縁部３０と、該端縁部３０と直交して交差するＺ軸方向に沿った端縁部４０に沿ってＬ字形の切除領域４２（４２ａ，４２ｂ）、４３（４３ａ，４３ｂ）を連続形成した構成を有する。Ｌ字形の切除領域４２、４３の各辺４２ａ，４２ｂ、４３ａ，４３ｂの平面積、深さ等は、修正しようとする周波数のずれの値に応じて種々選定可能である。望ましくは各切除領域における水晶素板の切除量は、同等となるようにする。また、図１２において示した切除領域４２、４３は、測定された水晶振動子の周波数が一方にずれている場合にこれを修正する為に選定された切除領域であり、周波数のずれ方向が逆の場合には、振動子正面形状４４の中心点４４ａを中心として点対称となるように他の端縁部に沿ったＬ字形の切除領域を形成する。
なお、Ｘ軸に沿った切除領域４２ａとＺ軸に沿った切除領域４２をＬ字状に連続させずに素板の角隅部にて分離してもよい。
また、例えば対をなす一方の切除領域（４２、４３）を形成することにより一方に特性を偏位させた後で、反対側の端縁部に切除領域を形成することにより、調整のし直しを行うことは可能である。この場合も、原則として、対をなす各切除領域における切除量は均等となるように切除を行う。
なお、上記第１乃至第３の形態例ではいずれも平面形状が矩形の短冊型の水晶振動子について、水晶素板部分の切除による周波数調整方法について説明したが、本発明は短冊型の水晶振動子以外の水晶振動子についても適用することができる。
例えば、図１３(a)(b)は夫々円形の水晶素板の２つの主面に電極を形成した水晶振動子に本発明の周波数調整方法のうち第３の形態例を適用した場合の構成例を示しており、図１３(a)の水晶振動子５０は、円形板状の水晶素板５１の両主面に電極５２を形成した構成を有し、水晶素板５１の一方の主面の片側半円の周縁（Ｘ軸に沿った端縁を中心とした円周部分）に沿って半円形状の切除領域５３を均等幅で形成すると共に、他面の片側半円の周縁に沿って半円形状の切除領域５４を均等幅で形成している。両切除領域５３、５４は、水晶素板５１の正面形状５５の中心点５５ａを中心として点対称となるように配置される。各切除領域の周方向長さ、幅、深さは、修正しようとする周波数のずれの値に応じて種々選定可能である。従って、例えば各切除領域の周方向長さは全周の１／２の長さである必要はなく、それより短くてもよい。また、各切除領域を複数に分割してもよい。
次に図１３(b)は図１３(a)の変形例であり、この形態例の水晶振動子５０は素板５１の片面のＸ軸に沿った端縁部５５に第１の切除領域５３を蒲鉾状に形成し、更に裏面には端縁部５６に沿って第１の切除領域５３と同形状の第２の切除領域５４を形成する。この形態例において各切除領域を形成することにより得られる周波数の調整機能は上記各形態例の場合と同等である。
図１４(a)(b)及び(c)は上記価格形態例における切除領域の断面形状を示しており、図１４(a)は図１１の形態例のように均等な肉厚を有した段型に切除する場合の例であり、図１４(b)はベベル状に（テーパー状に）切除した例であり、図１４(c)は段型＋ベベル形状の切除領域を示している。
まず、図１４(a)は平面形状が矩形の水晶振動子１１、或は円形の水晶振動子５０の正面中心点Ｐを中心とした一つの対角線上の端縁部を含む各主面上に板状（段型）の切除領域３２、４２、５３及び３３、４３、５４を形成した例であり、同じ深さ、同じ幅の板状に水晶素板を切除している。
図１４(b)は図１４(a)と同様な水晶振動子１１、５０の同様な位置をベベル状に切除することにより、周波数の調整を行う場合の例を示しており、中心点Ｐを中心として点対称に対向し合う各ベベル状の切除領域６０、６１は同一形状（同一テーパー角度、同一幅、深さ）となるように設定する。
図１４(c)は図１４(a)(b)と水晶振動子１１、５０の同様な位置に、段型＋ベベル形状の切除領域６５、６６を形成したものである。
なお、上記切除領域の断面形状は、いずれも一例に過ぎず、これに限定される訳ではない。要するに、水晶素板の両主面上に電極を形成することにより構成した水晶振動子の温度周波数特性を測定した時に、該水晶振動子の特性にずれがあることが判明した場合に、この周波数のずれを修正する為に、Ｘ軸（Ｌ字型の場合にはＺ軸を含む）と平行に延びる端縁部のうち対角線に沿って対向し合う２つの端縁部を含む各主面上に夫々同一形状の切除領域を点対称となるように形成することにより、切除後の水晶振動子の温度特性曲線を所望のカーブを有した特性曲線を有したものに修正することが本形態例の趣旨であり、切除領域の断面形状や平面形状を図示のものに限定する趣旨ではない。
なお、ベベル形状の切除領域を形成する場合には、バレル研磨装置を用いた研磨方法を採用することができる。すなわち、切除したくない部分にパラフィン等を被覆した上で、この水晶振動子を、研磨粒、みがき砂などを収容したバレル内に入れてバレルを回転させることによってパラフィンを被覆していないのみをベベル状に切除する。研磨による切除終了後にパラフィンを除去して終了する。
図１４(a)の段型の切除領域を形成する方法としては、レーザを用いたトリミングや、フォトリソグラフィー等が有効である。また、図１４(c)の段型＋ベベル形状の切除領域を形成する方法としては、予めレーザトリミングやフォトリソグラフィー等によって段型部分を形成した後で、ベベル状に切除したくない領域（段型部分を含む）をパラフィンにより被覆した上でバレル研磨装置によってベベル形状部を形成する。
《発明の効果》
以上のように本発明によれば、水晶ブロックを切断、或は研磨する際に発生する切断角度からのずれに起因して発生する周波数温度特性のずれを、水晶振動子形成後において、水晶素板部分を切除することにより、周波数温度特性曲線を変曲点の周りに回転させることで解消するようにしている。この切除による効果は、切除領域によりあたかも水晶の切断方位を所定の切断方位の方へ修正することに相当し、上記の理由で生じた切断角度偏差を容易に修正することが可能となるので、水晶素板の歩留まりはもとより、水晶振動子をパッケージに収容した後、レーザ等により周波数温度特性の補正が可能となるため、水晶振動子の歩留まりの向上に顕著な効果を奏する。
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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