JPS6232641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、実質的に平行な２つの主面を有する
圧電結晶振動子構造体に関する。

チユーニングフオーク型振動子は通常、水晶に
近い圧電結晶（ピエゾ・エレクトリツククリスタ
ル）によつて構成され、結晶よりなる２つの平行
な歯の上に、対称軸の各サイドに１つずつ励振電
極が設けられる。チユーニングフオーク形状をな
すこの様な結晶はＸ―Ｙ平面に沿つて１般的な方
法でカツトされ、歯はＸ軸と垂直であり、またＹ
軸とはある角度（カツトアングル）をなすもので
ある。Ｘ軸に平行な電界中に置かれた場合、チユ
ーニングフオークは、歯平面における対称なたわ
み（電歪）によつて振動する状態となり、この振
動はチユーニングフオークの固有周波数において
持続される。この振動の特性は２つの歯の個々の
質量、および２つの歯の形状不均衡からなる対称
性により、直接的に影響されるものである。この
ため、起り得る非対称を検知することが重要とな
る。

非対称を検出するため、本発明では、１方の歯
の形状が他方のそれと均衡していない場合に、歯
を経て結晶の内部に伝達される振動を、圧電（ピ
エゾエレクトリツク）効果を用いて検出すること
を提案するものである。

本発明の目的は、対称軸の両側に設けられた２
つの歯を有するチユーニングフオーク形式の圧電
結晶振動子の非対称性を検出し得る圧電結晶振動
子構造体を提供することである。

本発明によれば、この目的は圧電結晶振動子構
造体を次のように構成することによつて解決され
る。即ちこの振動子構造体は、チユーニングフオ
ーク状の振動子を有し、該振動子が、その対称軸
の面側に配置された２つの歯を備え、前記振動子
を少くともその製造中に支持するベースを有し、
該ベースと前記振動子を結合するための、該ベー
スおよび振動子と一体化された部材を有し、励振
電圧に応動して前記振動子を振動させる部材を有
し、該振動させる部材が前記歯の上に配置された
励振電極から成り、また、前記２つの歯が非対称
である時に前記振動に応答して生じる非対称電圧
を検出する部材を有し、該検出部材が前記結合部
材上に配置された補助電極部材から成るように構
成されているのである。前記励振電極に励振電圧
が印加されることにより振動子が振動状態となつ
て振動すると、２つの歯の非対称振動の場合には
補助電極間に圧電（ピエゾエレクトリツク）電圧
が現われ、検出される。

この手段による非対称検出の装置構成は、振動
子の製造中において、あらゆる非対称を修正する
ためチユーニングフオークの１つの歯の質量を選
択的に変更しながら非対称を検出し得るものとし
て画期的なものである。

質量の変更は、あらゆる一般的な技術手法およ
び現在適用されている技術手法においても、振動
子の固有周波数を指定値まで調節するために２つ
の歯に同時に作用を与えることは、特に有用なも
のである。最も一般的な処理としては、特にこの
目的のために歯の先端に形成されている金属沈着
物の質量を削減させて行なわれるものであり、こ
の沈着物は例えばレーザービームの作用によつて
侵食されるものである。他の手法、即ち質量を増
加させる行為は、真空蒸着法によるものである。
レーザービームによる材料侵食法は、自動化への
適用可能性が高い点でより進歩的である。

非対称の修正は特に周波数の第１粗調整工程に
おいて有効である。既に説明したような非対称検
出器を有するチユーニングフオーク型振動子の製
造工程に、本発明による手段を適用する１つの例
においては、振動子の補助電極端子で検出された
電圧と、励起電圧との間の位相差が測定される。
この位相差から補助電極部分に現れるタワミ（電
歪）方向を推測でき、これにより２つの歯のいず
れが多くの質量を有しているかを知ることができ
る。従つて、この測定された電圧から位相差を求
め、その位相差を関数として歯の１方より選択的
に材料をとり去ることにより非対称を修正するた
めの制御を行うことができる。測定された電圧
は、振動子の歯に付加された金属沈着物を侵食す
るためのレーザービームを制御する特定のレベル
信号として用いられる。

チユーニングフオーク型振動子の工業生産にお
いては、１つの等質の結晶板から化学侵食法によ
り連続した振動子を製造することが一般的である
ことは、知られている。この場合、励振電極とそ
れらの給電リードを形成するための導電体コーテ
イングの沈着処理工程中、さらに歯から材料を削
減することによつて実施される周波数調節の処理
工程中においては、前記振動子は各々のステムに
よつて共通ベースに連結されたままとなつてい
る。

本発明においては、非対称検出に役立つ補助電
極はこれらステム上の異る面上に形成されるよう
に改善することもできる。これらステムは個々の
振動子に分割される際に破壊されてしまうもので
ある。

本発明は、１つの同質な結晶板からなる少くと
も１つのステムを有し、いくつかの振動子が共通
となるような形でベースに連結されている振動子
に関して、補助電極を前記ステムの面の１つ以上
の面に設けるように適用される。チユーニングフ
オークの対称軸、さらに正確に言えばその対称面
に関して対称な補助電極配置が最大感度を得られ
るものであり、補助電極はチユーニングフオーク
の面におけるステムの歪みに特に応答して補助電
極測定電圧を発生するように配置される。

１つの実施例においては、振動子には１つのス
テムが設けられ、１組の補助電極は振動子の主面
上に配置されて電気的に互いに接続されており、
また他の補助電極はステムの横面に配置されて、
それらも電気的に互いに接続されている。２つの
補助電極グループは、非対称電圧を検出するため
に前記ベース上に形成されたコンタクトエリアに
分離的に接続されている。他の実施例において
は、各振動子が２つの対称ステムを有し、その２
つの横面上に補助電極が設けられており、非対称
電圧はそれらの間で検出され、内側の互いに対向
する面上に設けられた１方の電極は相互に接続さ
れており、他方の外側の面上に設けられた電極も
また同様に相互に接続されている。同等な２つの
ステムには、それ自体知られている手法によつて
供給リードが設けられる。リードはベース上に形
成されたコンタクトエリアから振動子の励起電極
に一時的に励振電圧を供給するのに用いられる。

本発明は、特定の実施例を参照しながらさらに
十分に説明されるが、これらの例は特許の範囲を
制限するものではない。説明は、添付された第１
図から第５図までを参照しながら行なわれる。

本発明が適用される振動子は、本質的に、励起
電極を有するチユーニングフオーク形状にカツト
された圧電結晶より構成されるものである。第１
図において、水晶結晶１は、チユーニングフオー
クのボデイ４を構成する共通部分に相互に接続さ
れた２つの平行な歯２および３を形成、分割する
中央スロツトを有している。チユーニングフオー
クは、結晶のＸおよびＹ軸に十分に平行となる平
面にカツトされる。２つの歯はＸ軸に対して垂直
である。それらは互いに等しく、またチユーニン
グフオークの中央面に関して対称となつている。
本発明はこの様な水晶カツトを限定するものでは
ない。Ｘ，ＹおよびＺ軸に関して異る方向をもつ
てカツトされ、あるいは水晶以外の材料から作ら
れたチユーニングフオークにおいては、補助電極
はさらに異つた配置となり得る。

この様なチユーニングフオークの励振は、Ｘ軸
に平行な電界を発生する電極システムを必要とす
る。これと異なる電極システムは公知のものであ
る。例えば英国特許第1460636においてその配置
が図示されており、またこれらの配置に関して
は、時々にチユーニングフオークの歯の横面上に
特定の電極を付加する方法によつて多くの改善が
行なわれている。

第１図においては、２つの歯２および３が図の
平面と平行な水晶の２つの基本面上に励振電極を
有している。これら電極は、互いに同等のもので
あつて、振動電源供給のための電気的接続のみが
異つている。これら電極は各歯の上に中央電極５
を有し、電極５は横方向電極６および７の間に設
けられ、使用時にあつては電極６および７は中央
電極５と反対の極性を印加されるものである。ま
た、水晶表面上に設けられた導電部８，９は各歯
の横方向電極を互いに接続し、さらにこれを他の
歯の中央電極に接続していることから、２つの歯
の間にも常に逆の極性が印加されることになる。
導電部は、結晶ボデイ４上に設けられたコンタク
トエリア（電源接続部位）１１，１２からの供給
電流の伝達を受けもつている。第１図においては
見ることが不可能であるが、結晶の反対側の主面
上においても図に示されている平面に対して完全
に対称なように励振電極が設けられている。コン
タクトエリア１１および１２の位置にあつて結晶
を貫通して設けられている金属コーテイングされ
た穴は、振動子の２つの主面の間に電流を伝達す
るためのものである。

電極、コンタクトエリアおよび導電部は全て金
属コーテイングで形成され、クロムおよび金など
を含む場合は通常、真空蒸着技術を用いて作られ
る。

補助電極については後に説明されるが、これは
補足コーテイング１３および１４と同時に作られ
る。補足コーテイングは歯２および３の先端に形
成され、通常この部分の材料を削減させることに
より、歯の質量を連続的に調節するのに用いられ
る。

チユーニングフオークが形成される時点で、即
ちこれら金属沈着物が付加される以前に、複数の
同等なチユーニングフオークが同一水晶結晶から
隣り合わせにカツトされ、また製造工程の途中に
おいては、他のチユーニングフオークと連結され
たままとなつている。この目的のため、各振動子
はチユーニングフオークと同一の結晶からカツト
されたステム１５を有している。このステムは製
造工程の最後に切り離され、振動子は独立した
個々の振動子に分離されて使用可能形態となる。

第１図において、ステム１５はチユーニングフ
オークの中心軸上に位置している。このステム上
に補助電極がチユーニングフオークの中心面に関
して対称に形成される。これら電極は、チユーニ
ングフオークの歯からステム１５に結晶を通して
伝達される歪応力の結果としての横方向電界を検
出できるように配置される。それら電極は、中央
電極１７，１８、結晶の反対主面上の対応する２
電極、およびステムの横面上に設けられる外側電
極１９および２１によつて構成される。ステム１
５の先には、複数の振動子に共通なベース２０の
上に導電部２２および２３が設けられ、これら導
電部は外側電極１９および２１を接続し、またベ
ース２０上に形成されたコンタクトエリア２４に
接続されている。他の導電部２５によつて２つの
中央電極１７および１８は１つに結ばれ、同様な
コンタクトエリア２６に接続される。電極１７お
よび１８に対応する電極が結晶の反対主面上にも
設けられており、同様な方法によつてエリア２６
と対称なコンタクトエリアに接続され、結晶を貫
通してこれら電極を内部接続させるための金属コ
ーテイング壁面を有する穴２７によつて、これら
電極は電気的に接続される。

電極１７および１８は、チユーニングフオーク
のコンタクトエリア１１および１２をそれぞれコ
ンタクトエリア２８および２９に接続するため
の、他の導電部を通過させることができる程度に
十分に離して配置されている。エリア２８および
２９はベース２０上に設けられ、製造工程中にお
いて試験を行う期間中、電源を振動子に与えるた
めに用いられる。第２図に示すように、配置方法
は結晶の両側の主平面において同様なものであ
る。

第３図および第４図に示される振動子は、構成
およびチユーニングフオーク自体の配列に関する
全てが、第１図および第２図と同様である。ベー
ス２０は、同様に構成され第１図と同様の方法で
配置され、同様の数字符号が用いられている。基
本的な差異はチユーニングフオーク１と、ベース
２０との間の結合方法と、補助電極の配列方法で
ある。この場合、必要とされるのは単独ステムで
はなく、チユーニングフオークの対称軸の両側に
１つずつ対称的に設けられた、２つの分割された
ステム３１および３２である。全ての補助電極は
ステムの横面に設けられ、振動子の前面および背
面の主平面上には、チユーニングフオークのコン
タクトエリア１１および１２をそれぞれベース２
０上のコンタクトエリア２８および２９に分離し
て接続するための導体部３３および３４のための
通路が設けられる。１組の補助電極は、２つのス
テム３１および３２の内側の相互に向い合う面上
に設けられ、ベース２０上のコンタクトエリア２
６に共に接続される電極３５および３６であり、
他はステム３１および３２の外面に形成され、コ
ンタクトエリア２４に共に接続される電極３７お
よび３８である。この例においても、第４図に示
すように結晶の２つの主平面上の配置は等しくな
るものである。

補助電極は、製造工程においてチユーニングフ
オークの振動試験に使用されるものであつて、歪
または伸長および収縮などの結果として２つの歯
の間に存在する非対称を検出するために用いら
れ、ステム部分の補助電極間に圧電効果によつて
発生する非対称電圧を、コンタクトエリア２４お
よび２６間で検出するためのものである。

第５図の略線図によつてこれを説明する。第５
図は、非対称を修正するための振動試験方法を示
すものであり、１つの同質の結晶からなる共通ベ
ースに連結されたままの振動子４１は、その固有
周波数を発生するようにセツトされた発振回路４
２に接続されている。

ビーム偏向装置、例えば回転軸に取り付けられ
た鏡４７、のような装置を有するレーザー装置４
３は、金属層１３および１４に吸収される波長を
持つ光線ビームを発生し、チユーニングフオーク
の歯の先端に向けてレーザーを照射する。電気制
御装置４６は、レーザー４３と装置４４とに対し
て制御動作を行い、鏡４７の方向を調節する。チ
ユーニングフオークの振動周波数は、それ自体一
般的な方法によつて４５で測定され、制御装置４
６において、前もつて定めてある周波数と比較さ
れる。レーザービームによるコーテイング部１３
および１４の侵食は、この比較結果の関数として
装置４３および４４によつて行なわれ、振動子４
１の２つの歯から対称的に材料を取り去ることに
より振動子の周波数を増加させるよう制御する。
さらに本発明においては、電子回路４８がコンタ
クトエリア２４および２６間に現われる電圧を検
出することができる。回路４８は、励振電極端子
における信号の位相を基準位相として用いる「フ
エーズロツク」増巾器を有し、この増巾器は２
４，２６間に現われる電圧の振巾と位相とを測定
するために用いられる。測定された振巾からチユ
ーニングフオークの非対称性が測られ、その符号
によりどちら側の歯がより重いかが知られる。こ
のことから、対称なチユーニングフオークを得る
ために、２つの歯のいずれが材料削減を受けるべ
きかが決定される。

チユーニングフオークの１方の歯に材料を選択
的に沈着して非対称を修正することもまた、可能
である。材料沈着のための処理は、それ自体一般
的であつて、チユーニングフオークの周波数を調
節するのに用いられている。この様な装置を用い
て非対称の修正を可能とするためには、第５図に
示されるような電気的検出法と制御装置とを準備
することが必要である。鏡４７を制御する代り
に、この場合はマスクが制御され、マスクはチユ
ーニングフオークの２つの歯の１方のみに材料が
沈着されるように動作する。

非対称の修正は、チユーニングフオークの品質
特性を向上させ、温度変化に対する周波数の感度
変化を減少させる。振動子が共通ベースから切り
離されるのは、この修正が完了した後である。

チユーニングフオークの歯２，３上の励起電極
５，６，７の他に、２つの歯と相互的に連結され
た補助導電電極１７，１８，１９，２１を振動子
の１部に設けることにより、前記励起電極に励起
電圧を印加して振動子を振動状態とした時に、２
つの歯の非対称振動の結果として補助電極間に電
圧が発生し、検知される。

２つの歯の間に起り得るいかなる非対称をもこ
の様にして検出し、チユーニングフオークの製造
工程において修正される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、製造工程中の振動子の第１実施例
を、振動子の１つの主平面側から見たように表わ
したものであり、第２図は、その振動子のステム
を第１図中の―線に沿つて切断した断面であ
り、第３図は、製造工程中の振動子の第２の実施
例を同様な方法で表わしたものであり、第４図
は、その振動子のステムを第３図中の―線に
沿つて切断した断面であり、第５図は、本発明を
用いて非対称の検出を実施する１例を示す概略図
である。 １……水晶結晶、２，３……歯、４……ボデ
イ、５……中央電極、６，７……横側電極、８，
９……導電部、１１，１２……コンタクトエリ
ア、１３，１４……補足コーテイング、１５……
ステム、１７，１８……中央電極（補助、１９，
２１……外側電極（補助）、２０……ベース、２
２，２３，２５……導電部（補助）、２４，２
６，２８，２９……コンタクトエリア、３１，３
２……分割ステム、３３，３４……導体部、３
５，３６，３７，３８……補助電極、４１……振
動子、４２……発振回路、４３……レーザー装
置、４４……鏡回転駆動装置、４５……周波数検
出装置、４６……電気制御装置、４７……鏡、４
８……電子回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的に平行な２つの主面を有する圧電結晶
   振動子構造体において、 チユーニングフオーク状の振動子を有し、該振
   動子は、その対称軸の両側に配置された２つの歯
   を備え、 前記振動子を少くともその製造中に支持するベ
   ースを有し、 該ベースと前記振動子を結合するための、該ベ
   ースおよび振動子と一体化された部材を有し、 励振電圧に応動して前記振動子を振動させる部
   材を有し、該振動させる部材は前記歯の上に配置
   された励振電極から成り、 また、前記２つの歯が非対称である時に前記振
   動に応答して生じる非対称電圧を検出する部材を
   有し、該検出部材は前記結合部材上に配置された
   補助電極部材から成る、 ことを特徴とする圧電結晶振動子構造体。 ２ 前記結合部材は対称軸上に配置された１つの
   ステムと、２つの横面を有するようにした特許請
   求の範囲第１項記載の圧電結晶振動子構造体。 ３ 前記補助電極部材は２つの電極から成り、該
   ２つの電極の各々が主面の一方および横面の一方
   に配置された特許請求の範囲第２項記載の圧電結
   晶振動子構造体。 ４ 結合部材が２つのステムから成り、該２つの
   ステムが対称軸の両側に１つずつ配置され、また
   その各々が２つの横面を有するようにした特許請
   求の範囲第１項記載の圧電結晶振動子構造体。 ５ 補助電極部材が２つの電極から成り、該２つ
   の電極の各々が一方のステムの一方の側面に配置
   されている特許請求の範囲第４項記載の圧電結晶
   振動構造体。