水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器の各製造方法
【課題】屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器の各製造方法を提供することにある。
【解決手段】音叉基部と第１音叉腕と第２音叉腕とを備えた音叉形状を水晶ウエハ内に形成する工程と、第１音叉腕と第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又はその一面と音叉基部に溝を形成する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、第１音叉腕の溝の面の上に配置された電極を、第２音叉腕の第１側面と第２側面に配置された電極に接続する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、第２音叉腕の溝の面の上に配置された電極を、第１音叉腕の第１側面と第２側面に配置された電極に接続する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、音叉形状と溝と電極の寸法を決定する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含む水晶振動子の製造方法である。
【解決手段】音叉基部と第１音叉腕と第２音叉腕とを備えた音叉形状を水晶ウエハ内に形成する工程と、第１音叉腕と第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又はその一面と音叉基部に溝を形成する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、第１音叉腕の溝の面の上に配置された電極を、第２音叉腕の第１側面と第２側面に配置された電極に接続する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、第２音叉腕の溝の面の上に配置された電極を、第１音叉腕の第１側面と第２側面に配置された電極に接続する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、音叉形状と溝と電極の寸法を決定する工程と、音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含む水晶振動子の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部を具えて構成される音叉形状の水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを具えて構成される水晶発振器とその製造方法に関する。特に、小型化、高精度化、耐衝撃性、低廉化の要求の強い情報通信機器用の基準信号源として最適な水晶発振器で、新形状、新電極構成及び最適寸法を有する超小型の音叉形状の屈曲水晶振動子から構成され、基本波モード振動の周波数が出力信号である水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水晶発振器は増幅器とコンデンサーと抵抗素子と音叉腕の上下面と側面に電極が配置された音叉型屈曲水晶振動子から成る水晶発振器がよく知られている。図９には、この従来例の水晶発振器に用いられている音叉形状の屈曲水晶振動子２００の概観図を示す。図９において水晶振動子２００は２本の音叉腕２０１，２０２と音叉基部２３０とを具えている。図１０には図９の音叉腕の断面図を示す。図１０に示すように、励振電極は音叉腕の上下面と側面に配置されている。音叉腕の断面形状は一般的には長方形をしている。一方の音叉腕の断面の上面には電極２０３が下面には電極２０４が配置されている。側面には電極２０５と２０６が設けられている。他方の音叉腕の上面には電極２０７が下面には電極２０８が、更に側面には電極２０９，２１０が配置され２電極端子Ｈ−Ｈ′構造を成している。今、Ｈ−Ｈ′間に直流電圧を印加すると電界は矢印方向に働く。その結果、一方の音叉腕が内側に曲がると他方の音叉腕も内側に曲がる。この理由は、ｘ軸方向の電界成分Ｅｘが各音叉腕の内部で方向が反対になるためである。交番電圧を印加することにより振動を持続することができる。又、特開昭５６−６５５１７と特開２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）では、音叉腕に溝を設け、且つ、電極構成について開示されている。
【特許文献１】特開昭５６−６５５１７
【特許文献２】特開昭２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）
【特許文献３】国際公開第００／４４０９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
音叉型屈曲水晶振動子では、電界成分Ｅｘが大きいほど等価直列抵抗Ｒ１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら、従来から使用されている音叉型屈曲水晶振動子は、図１０で示したように、各音叉腕の上下面と側面の４面に電極を配置している。そのために電界が直線的に働かず、かかる音叉型屈曲水晶振動子を小型化させると、電界成分Ｅｘが小さくなってしまい、等価直列抵抗Ｒ１が大きくなり、品質係数Ｑ値が小さくなるなどの課題が残されていた。同時に、時間基準として高精度な、即ち、高い周波数安定性を有し、高調波モード振動を抑えた屈曲水晶振動子を得ることが課題として残されていた。又、前記課題を解決する方法として、例えば、特開昭５６−６５５１７では音叉腕に溝を設け、且つ、溝の構成と電極構成について開示している。しかしながら、溝の構成、寸法と振動モード並びに基本波モード振動での等価直列抵抗Ｒ１と高調波モード振動での等価直列抵抗Ｒｎとの関係及び周波数安定性に関係するフィガーオブメリットＭについては全く開示されていない。又、従来の水晶振動子や前記溝を設けた振動子を従来の回路に接続し、水晶発振回路を構成すると、基本波振動モードの出力信号が衝撃や振動などの影響で出力信号が高調波モード振動の周波数に変化、検出される等の問題が発生していた。このようなことから、衝撃や振動を受けても、それらの影響を受けない高調波モード振動を抑えた基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が所望されていた。更に、水晶発振器の消費電流を低減するために、負荷容量ＣＬを小さくすると高調波モードの振動がし易くなり、基本波モード振動の出力周波数が得られない等の課題が残されていた。それ故、基本波モードで振動する超小型で、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値が高くなるような新形状で、電気機械変換効率の良い溝の構成と電極構成を有する音叉形状の屈曲水晶振動子を具え、出力信号が基本波モード振動の周波数で、高い周波数安定性（高い時間精度）を有し、消費電流の少ない水晶発振器が所望されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具えた水晶発振器とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
すなわち、本発明の水晶振動子の製造方法の第１の態様は、音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕とを備えて構成され、屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子の製造方法で、研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上面と下面の各々に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にレジストを塗布する工程と、前記音叉基部と前記第１音叉腕と前記第２音叉腕とを備えた音叉形状を形成する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又は前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面と前記音叉基部に溝を形成する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に電極を配置する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の第１側面とその第１側面に対抗する第２側面の各々に電極を配置する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、前記第１音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第２音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、前記第２音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第１音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含み、前記音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、前記音叉型屈曲水晶振動子の２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されている水晶振動子の製造方法である。
本発明の水晶振動子の製造方法の第２の態様は、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が、前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程を備えている第１の態様に記載の水晶振動子の製造方法である。
【０００６】
本発明の水晶ユニットの製造方法の第１の態様は、第１の態様または第２の態様の水晶振動子の製造方法を備え、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記基本波モード振動において品質係数Ｑ１と周波数安定係数Ｓ１を備え、かつ、Ｓ１がＳ１＝ｒ１／２Ｑ１２によって定義され、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記２次高調波モード振動において品質係数Ｑ２と周波数安定係数Ｓ２を備え、かつ、Ｓ２がＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２によって定義され、Ｓ１がＳ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されている水晶ユニットの製造方法である。
本発明の水晶発振器の製造方法の第１の態様は、第１の態様または第２の態様の水晶振動子の製造方法と、あるいは第１の態様の水晶ユニットの製造方法と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２が３０より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程と、増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを準備する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記第１電極端子と前記第２電極端子を、前記増幅器と前記コンデンサーと前記抵抗素子に電気的に接続する工程とを備えている水晶発振器の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明は屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具えた水晶発振器で、しかも、音叉形状の溝と電極の構成を改善し、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、高調波モード振動を抑え、基本波モードで振動する周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。
【０００８】
加えて、音叉腕の中立線を挟んだ（含む）中央部に溝を設け、且つ、電極を配置し、溝の寸法の最適化を図る事により、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、Ｑ値が高く、電気機械変換効率の良い屈曲モードで振動する超小型の音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。と同時に、帰還回路の負荷容量を小さくできる。その結果、消費電流の少ない水晶発振器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。図１は本発明の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例である。本実施例では、水晶発振回路１は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）２、帰還抵抗４、ドレイン抵抗７、コンデンサー５，６と音叉形状の屈曲水晶振動子３から構成されている。即ち、水晶発振回路１は、増幅器２と帰還抵抗４から成る増幅回路８とドレイン抵抗７、コンデンサー５，６と屈曲水晶振動子３から成る帰還回路９から構成されている。更に、基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子３を具えて構成される水晶発振回路１の出力信号はバッファ回路（図示されていない）を通してドレイン側から出力される。即ち、基本波モード振動の周波数がバッファ回路を通して出力信号として出力される。本発明では、基本波モード振動の周波数は１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが用いられる。又、本発明では、前記出力信号の周波数を分周回路又は逓倍回路によって分周又は逓倍された周波数も基本波モード振動の周波数に含まれる。さらに詳細には、本実施例の水晶発振器は水晶発振回路とバッファ回路とを具えて構成されている。換言するならば、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路から構成され、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも音叉形状の屈曲水晶振動子とコンデンサーから構成されている。又、本実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子は図３から図６で詳述される。
【００１０】
図２は図１の帰還回路図を示す。今、屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の角周波数をωｉ、ドレイン抵抗７の抵抗をＲｄ、コンデンサー５、６の容量をＣｇ、Ｃｄ、水晶のクリスタルインピーダンスをＲｅｉ，入力電圧をＶ１，出力電圧をＶ２とすると、帰還率βｉはβｉ＝｜Ｖ２｜ｉ／｜Ｖ１｜ｉで定義される。但し、ｉは屈曲振動モードの振動次数を表し、例えば、ｉ＝１のとき、基本波モード振動、ｉ＝２のとき、２次高調波モード振動、ｉ＝３のとき、３次高調波モード振動である。即ち、ｉ＝ｎのとき、ｎ次高調波モード振動であるが、以下単に、高調波モード振動と言う。更に、負荷容量ＣＬはＣＬ＝ＣｇＣｄ／（Ｃｇ＋Ｃｄ）で与えられ、Ｃｇ＝Ｃｄ＝ＣｇｓとＲｄ＞＞Ｒｅｉとすると、帰還率βｉはβｉ＝１／（１＋ｋＣＬ２）で与えられる。但し、ｋはωｉ、Ｒｄ、Ｒｅｉの関数で表される。又、Ｒｅｉは近似的に等価直列抵抗Ｒｉに等しくなる。
【００１１】
このように、帰還率βｉと負荷容量ＣＬとの関係から、負荷容量ＣＬが小さくなると、基本波振動モードと高調波振動モードの共振周波数の帰還率はそれぞれ大きくなることが良く分かる。それ故、負荷容量ＣＬが小さくなると、基本波モード振動よりも高調波モード振動の方が発振し易くなる。その理由は高調波モード振動の最大振動振幅が基本波モード振動の最大振動振幅より小さいために、発振持続条件である振幅条件と位相条件を同時に満足するためである。
【００１２】
本発明の水晶発振器は、消費電流が少なく、しかも、出力周波数が高い周波数安定性（高い時間精度）を有する、基本波モード振動の周波数である水晶発振器を提供することを目的としている。それ故、消費電流を少なくするために、本実施例では、負荷容量ＣＬは１０ｐＦ以下を用いる。より消費電流を少なくするには、消費電流は負荷容量に比例するので、ＣＬ＝８ｐＦ以下が好ましい。ここで言う、容量Ｃｇ、Ｃｄは回路の浮遊容量を含まない数値であるが、実際には、回路構成により浮遊容量が存在する。それ故、本実施例では、この回路構成による浮遊容量を含んだ負荷容量ＣＬは１８ｐＦ以下を用いる。また、高調波モードの振動を抑え、発振器の出力信号が基本波モード振動の周波数を得るために、α１／αｎ＞βｎ／β１とα１β１＞１を満足するように本実施例の水晶発振回路は構成される。但し、α１、αｎは基本波モード振動と高調波モード振動の増幅回路の増幅率で、β１、βｎは基本波モード振動と高調波モード振動の帰還回路の帰還率である。即ち、ｎ＝２、３のとき、それぞれ、２次、３次高調波モード振動である。
【００１３】
換言するならば、増幅回路の基本波モード振動の増幅率α１と高調波モード振動の増幅率αｎとの比が帰還回路の高調波モード振動の帰還率βｎと基本波モード振動の帰還率β１との比より大きく、かつ、基本波モード振動の増幅率α１と基本波モード振動の帰還率β１の積が１より大きくなるように構成される。このような構成により、消費電流の少ない、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。更に、高い周波数安定性については後述される。
【００１４】
又、本実施例の水晶発振回路を構成する増幅回路の増幅部は負性抵抗−ＲＬｉでその特性を示すことができる。ｉ＝１のとき基本波モード振動の負性抵抗で、ｉ＝ｎのとき高調波モード振動の負性抵抗である。即ち、ｎ＝２，３のとき、２次、３次高調波モード振動の負性抵抗である。本実施例の水晶発振器は、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１との比が増幅回路の高調波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比より大きくなるように発振回路が構成されている。即ち、｜−ＲＬ１｜／Ｒ１＞｜−ＲＬｎ｜／Ｒｎを満足するように構成されている。このように水晶発振回路を構成することにより、高調波モード振動の発振起動が抑えられ、その結果、基本波モード振動の発振起動が得られるので基本波モード振動の周波数が出力信号として得られる。
【００１５】
図３は本発明の第１実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１０の外観図とその座標系を示すものである。座標系Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなるＯ−ｘｙｚを構成している。本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０は音叉腕２０、音叉腕２６と音叉基部４０とから成り、音叉腕２０と音叉腕２６は音叉基部４０に接続されている。また、音叉腕２０と音叉腕２６はそれぞれ上面と下面と側面とを有する。更に、音叉腕２０の上面には中立線を挟んで、即ち、中立線を含むように溝２１が設けられ、又、音叉腕２６の上面にも音叉腕２０と同様に溝２７が設けられるとともに、さらに、音叉基部４０に溝３２と溝３６とが設けられている。なお、角度θは、ｘ軸廻りの回転角であり、通常０〜１０°の範囲で選ばれる。又、音叉腕２０、２６の下面にも上面と同様に溝が設けられている。
【００１６】
図４は、図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の音叉基部４０のＤ−Ｄ′断面図を示す。図４では図３の水晶振動子の音叉基部４０の断面形状並びに電極配置について詳述する。音叉腕２０と連結する音叉基部４０には溝２１，２２が設けられている。同様に、音叉腕２６と連結する音叉基部４０には溝２７，２８が設けられている。更に、溝２１と溝２７との間には更に溝３２と溝３６とが設けられている。又、溝２２と溝２８との間にも溝３３と溝３７とが設けられている。そして、溝２１と溝２２には電極２３，２４が、溝３２，３３，３６，３７には電極３４，３５，３８，３９が、溝２７と溝２８には電極２９，３０が配置され、音叉基部４０の両側面には電極２５，３１が配置されている。詳細には、溝の側面に電極が配置され、前記電極に対抗して極性の異なる電極が配置されている。
【００１７】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子１０は厚みｔを有し、溝は厚みｔ１を有している。ここで言う厚みｔ１は溝の一番深いところの厚みを言う。その理由は水晶は異方性の材料のために、化学的エッチング法では各結晶軸の方向によりエッチングスピードが異なる。それ故、化学的エッチング法では溝の深さにバラツキが生じ、図４に示した一様な形状に加工するのが極めて難しいためである。本実施例では、溝の厚みｔ１と音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成されている。特に、音叉基部の歪みを大きくするために、音叉基部の溝の厚みと音叉基部の厚みの比を０．０１〜０．０２５にする事が好ましい。このように形成することにより、音叉腕又は音叉腕と音叉基部の溝側面電極とそれに対抗する側面の電極との間の電界Ｅｘが大きくなる。すなわち、電気機械変換効率の良い屈曲振動子が得られる。即ち、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。更に、本実施例では、音叉基部の溝と溝との間にさらに溝３２，３３，３６，３７が設けられているので、その電界強度はより一層大きくなり、より電気機械変換効率が良くなる。又、本実施例では、音叉基部４０の上面に溝３２，３６が、下面に溝３３，３７が設けられているが、片面にのみ設けても良い。
【００１８】
更に、電極２５，２９，３０，３４，３５は一方の同極に、電極２３，２４，３１，３７，３８，３９は他方の同極になるように配置されていて、２電極端子構造Ｅ−Ｅ′を構成する。即ち、ｚ軸方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、ｘ軸方向に対抗する電極は異極になるように構成されている。今、２電極端子Ｅ−Ｅ′に直流電圧を印加（Ｅ端子に正極、Ｅ′端子に負極）すると電界Ｅｘは図４に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。従って、音叉形状の屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子が得られる。
【００１９】
図５は図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の上面図を示すものである。図５では溝２１，２７の配置及び寸法について特に詳述する。音叉腕２０の中立線４１を挟むようにして溝２１が設けられている。他方の音叉腕２６も中立線４２を挟むようにして溝２７が設けられている。更に、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０では、音叉基部４０の、溝２１と溝２７との間に挟まれた部分にも溝３２と溝３６とが設けられている。それら溝２１，２７及び溝３２，３６を設けたことで、音叉形状の屈曲水晶振動子１０には、先に述べたように、電界Ｅｘが図４に示した矢印のように働き、電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出され、特に音叉基部の電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。このように、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の形状と電極構成とは、音叉型屈曲水晶振動子を小型化した場合でも電気的諸特性に優れた、即ち、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い水晶振動子が実現できる。
【００２０】
更に、部分幅Ｗ１、Ｗ３と溝幅Ｗ２とすると、音叉腕２０，２６の腕幅ＷはＷ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３で与えられ、通常はＷ１とＷ３の一部又は全部がＷ１≧Ｗ３または、Ｗ１＜Ｗ３となるように構成される。又、溝幅Ｗ２はＷ２≧Ｗ１，Ｗ３を満足する条件で構成される。更に具体的に述べると、本実施例では、溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、１より小さくなるように、好ましくは、０．３５〜０．９５で、溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔ又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が音叉腕に形成されている。このように形成することにより、音叉腕の中立線４１と４２を基点とする慣性モーメントが大きくなる。即ち、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、Ｑ値の高い、しかも、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００２１】
これに対して、溝２１および溝２７の長さｌ１について本実施例では、溝２１，２７が音叉腕２０，２６から音叉基部４０の長さｌ２にまで延在し、基部の溝の長さｌ３となるような寸法とされている。それ故、音叉腕２０，２６に設けられた溝の長さは（ｌ１−ｌ３）で与えられ、Ｒ１の小さい振動子を得るために、（ｌ１−ｌ３）／（ｌ−ｌ２）が０．４〜０．８の値を有する。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子１０の全長ｌは要求される周波数や収納容器の大きさなどから決定される。と共に、基本波モードで振動する良好な音叉形状の屈曲水晶振動子を得るためには、溝の長さｌ１と全長ｌとの間には密接な関係が存在する。
【００２２】
すなわち、音叉腕２０，２６又は音叉腕２０，２６と音叉基部４０に設けられた溝の長さｌ１と音叉形状の屈曲水晶振動子の全長ｌとの比（ｌ１／ｌ）が０．２〜０．７８となるように溝の長さは設けられる。このように形成する理由は、不要振動である高調波モード振動、特に、２次、３次高調波モード振動を抑圧する事ができると共に基本波モード振動の周波数安定性を高めることができる。それ故、基本波モードで容易に振動する良好な音叉形状の屈曲水晶振動子が実現できる。さらに詳述するならば、基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の等価直列抵抗Ｒ１が高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎより小さくなる。即ち、Ｒ１＜Ｒｎ（ｎ＝２，３のとき、２次、３次高調波モード振動の等価直列抵抗）となり、増幅器（ＣＭＯＳインバータ）、コンデンサー、抵抗素子、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子等から成る水晶発振器において、振動子が基本波モードで容易に振動する良好な水晶発振器が実現できる。又、溝の長さｌ１は音叉腕の長さ方向に分割されていても良く、その中の少なくとも１個が前記辺比（ｌ１／ｌ）を満足すれば良いか、又は、分割された溝の長さ方向の加えられた溝の長さが前記辺比（ｌ１／ｌ）を満足すれば良い。
【００２３】
また、この実施例では、音叉基部４０は図５中、振動子１０の長さｌ２の下側部分全体とされ、又、音叉腕２０及び音叉腕２６は、図５中、振動子１０の長さｌ２の部分から上側の部分全体とされている。本実施例では音叉の叉部は矩形をしているが、本発明は前記形状に限定されるものではなく、音叉の叉部がＵ字型をしていても良い。この場合も矩形の形状と同じように、音叉腕と音叉基部との寸法の関係は前記関係と同じである。更に、本実施例では、溝は音叉腕と音叉基部に設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、音叉腕にのみ溝を設けても良く、同様の効果が得られる。この場合、溝の長さｌ３＝０となる。また、本発明で言う溝の長さｌ１とは、音叉腕にのみ溝が設けられている時には、溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、且つ、１より小さくなるように形成された溝の長さである。更に、前記音叉腕に設けられた溝が、音叉基部にまで延在し、音叉基部に延在した溝の間にさらに溝が設けられている時には、溝の長さｌ３を含む長さがｌ１である。しかし、音叉腕の溝が音叉基部に延在しているが、その溝の間にさらに溝が設けられていない時には、長さｌ１は音叉腕の溝の長さである。
【００２４】
換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立線を挟んだ、即ち、中立線を含む音叉腕の上下面に各々少なくとも１個の溝が長さ方向に設けられ、前記溝の両側面に電極が配置され、前記溝側面の電極とその電極に対抗する音叉腕側面の電極とが互いに異極となるように構成されていて、音叉腕に生ずる慣性モーメントが大きくなるように前記各々少なくとも１個の溝の内少なくとも１個の溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、１より小さく、且つ、前記溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように溝が形成されている。
【００２５】
更に、本実施例の音叉腕の間隔はＷ４で与えられ、間隔Ｗ４と溝幅Ｗ２はＷ４≧Ｗ２を満足するように構成され、間隔Ｗ４は０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍで、溝幅Ｗ２は０．０３ｍｍ〜０．１２ｍｍの値を有する。このように構成する理由は超小型の屈曲水晶振動子で、かつ、音叉形状と音叉腕の溝をフオトリソグラフィ技術を用いて別々（別々の工程）に形成でき、更に、基本波モード振動の周波数安定性が高調波モード振動の周波数安定性より高くすることができる。この場合、厚みｔは通常０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの水晶ウエハが用いられる。しかし、本発明は本実施例に限定されるものでなく、０．１５ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。
【００２６】
更に詳述するならば、音叉形状の屈曲水晶振動子の誘導性と電気機械変換効率と品質とを表すフイガーオブメリットＭｉは屈曲水晶振動子の品質係数Ｑｉ値と容量比ｒｉの比（Ｑｉ／ｒｉ）によって定義される。即ち、Ｍｉ＝Ｑｉ／ｒｉで与えられる。但し、ｉは音叉形状の屈曲水晶振動子の振動次数を表し、ｉ＝１のとき基本波モード振動、ｉ＝２のとき２次高調波モード振動、ｉ＝３のとき３次高調波モード振動である。また、音叉形状の屈曲水晶振動子の並列容量に依存しない機械的直列共振周波数ｆ８と並列容量に依存する直列共振周波数ｆｒの周波数差ΔｆはフイガーオブメリットＭｉに反比例し、その値Ｍｉが大きい程Δｆは小さくなる。従って、Ｍｉが大きい程、音叉形状の屈曲水晶振動子の共振周波数は並列容量の影響を受けないので、屈曲水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
【００２７】
さらに詳細には、前記音叉形状と溝と電極とその寸法の構成により、基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きくなる。即ち、Ｍ１＞Ｍｎとなる。但し、ｎは高調波モード振動の振動次数を表し、ｎ＝２、３のとき、２次、３次高調波モード振動のフイガーオブメリットである。一例として、基本波モード振動の周波数が３２．７６８ｋＨｚで、Ｗ２／Ｗ＝０．５、ｔ１／ｔ＝０．３４、ｌ１／ｌ＝０．４８のとき、製造によるバラツキが生ずるが、音叉形状の屈曲水晶振動子のＭ１、Ｍ２はそれぞれＭ１＞６５、Ｍ２＜３０となる。即ち、高い誘導性と電気機械変換効率の良い（容量比ｒ１と等価直列抵抗Ｒ１の小さい）、品質係数の大きい基本波モードで振動する屈曲水晶振動子を得ることができる。その結果、基本波モード振動の周波数安定性が２次高調波モード振動の周波数安定性より良くなると共に、２次高調波モード振動を抑圧することができる。従って、本実施例の屈曲水晶振動子から構成される水晶発振器は基本波モード振動の周波数が出力信号として得られ、かつ、高い周波数安定性（優れた時間精度）を有する。換言するならば、本実施例の水晶発振器はエージングによる周波数変化が極めて小さく成るという著しい効果を有する。また、本発明の基本波モード振動の基準周波数は既に述べたように、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが用いられる。特に、３２．７６８ｋＨｚは広く使用され、例えば、その周波数偏差は−１００ＰＰＭ〜＋１００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整される。
【００２８】
図６は本発明の第２実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子４５の上面図である。音叉形状の屈曲水晶振動子４５は、音叉腕４６，４７と音叉基部４８とを具えて構成されている。即ち、音叉腕４６，４７の一端部が音叉基部４８に接続されている。本実施例では、音叉基部４８に切り欠き部５３、５４が設けられている。又、音叉腕４６、４７には中立線５１、５２を挟んで（含む）溝４９、５０が設けられている。更に、本実施例では溝４９、５０は音叉腕４６、４７の一部に設けられていて、溝４９、５０はそれぞれ幅Ｗ２と長さｌ１を有する。更に詳述するならば、溝の面積Ｓ＝Ｗ２×ｌ１で示し、Ｓは０．０２５〜０．１２ｍｍ２の値を有するように構成される。このように溝の面積を構成する理由は化学的エッチング法による溝の形成が容易で、しかも、電気機械変換効率が良くなる溝の形成ができる。と同時に、基本波モード振動の品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子が得られる。その結果、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。
【００２９】
上記溝の面積Ｓでは、溝と音叉腕を別々の工程で加工できる。しかし、音叉腕とそれに設けられた溝を同時に加工するには、音叉腕の厚みｔと溝幅Ｗ２と音叉腕の間隔Ｗ４と面積Ｓを最適寸法にする必要が有る。即ち、音叉腕の厚みｔが０．０６ｍｍ〜０．１５ｍｍのとき、溝幅Ｗ２が０．０２ｍｍ〜０．０６８ｍｍの範囲内に、更に、面積Ｓは０．０２３ｍｍ２〜０．０８８ｍｍ２の範囲内にあり、間隔Ｗ４は０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍとなるように構成される。このように構成する理由は水晶の結晶性を利用し、その結晶性から貫通穴でない溝（音叉腕の長さ方向に分割された溝を含む）と音叉形状を同時に形成することができる。また、図６には示されていないが、音叉腕４６，４７の下面にも溝４９，５０と対抗する位置に溝が設けられている。
【００３０】
更に、音叉基部４８に設けられた切り欠き部５３、５４の音叉部側の幅寸法はＷ５で与えられ、切り欠き部５３、５４の端部側の寸法はＷ６で与えられる。そして、音叉基部４８の端部側で表面実装型のケースや円筒型のケースに半田や接着剤によって固定されるとき、振動子の振動エネルギーの損失を小さくするには、Ｗ６≧Ｗ５を満たす必要がある。また、切り欠き部５３、５４も振動子の固定による振動部のエネルギー損失を小さくすることができる。図６で示されている音叉腕の腕幅Ｗ、部分幅Ｗ１、Ｗ３、溝幅Ｗ２と間隔Ｗ４及び溝の長さｌ１と音叉振動子の全長ｌとの関係は図５で述べられているので、ここでは省略する。
【００３１】
図７は本発明の第３実施例の水晶発振器に用いられる水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１７０は音叉形状の屈曲水晶振動子７０、ケース７１と蓋７２を具えて構成されている。更に詳述するならば、振動子７０はケース７１に設けられた固定部７４に導電性接着剤７６や半田によって固定される。又、ケース７１と蓋７２は接合部材７３を介して接合される。本実施例では、振動子７０は図３と図６で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１０、４５の内の一個と同じ振動子である。又、本実施例の水晶発振器では回路素子は水晶ユニットの外側に接続される。即ち、音叉形状の屈曲水晶振動子のみがユニット内に収納されている。この時、屈曲水晶振動子は真空中のユニット内に収納されている。本実施例では、表面実装型の水晶ユニットを示したが、円筒型のユニットに屈曲水晶振動子を収納しても良い。即ち、円筒型の水晶ユニットが得られる。
【００３２】
更に、ケースの部材はセラミックスかガラス、蓋の部材は金属かガラス、そして、接合部材は金属か低融点ガラスでできている。又、本実施例で述べられた振動子とケースと蓋との関係は以下に述べられる図８の水晶発振器にも適用される。
【００３３】
図８は本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。水晶発振器１９０は水晶発振回路とケース９１と蓋９２とを具えて構成されている。本実施例では、水晶発振回路はケース９１と蓋９２から成る水晶ユニット内に収納されている。又、水晶発振回路は音叉形状の屈曲水晶振動子９０と帰還抵抗を含む増幅器９８とコンデンサー（図示されていない）とドレイン抵抗（図示されていない）とを具えて構成されていて、増幅器９８はＣＭＯＳインバータが用いられる。
【００３４】
更に、本実施例では、振動子９０はケース９１に設けられた固定部９４に接着剤９６や半田によって固定される。これに対して、増幅器９８はケース９１に固定されている。また、ケース９１と蓋９２は接合部材９３を介して接合されている。本実施例の振動子９０は図３と図６で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１０、４５の中の振動子が用いられる。
【００３５】
次に、本発明の水晶発振器の製造方法について述べる。上記音叉形状の屈曲水晶振動子は半導体の技術を用いたフオトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成される。まず、研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上下面に金属膜（例えば、クロムそしてその上に金）をスパッタリング法又は蒸着法により形成する。次に、その金属膜の上にレジストが塗布される。そして、フオトリソ工程により、それらレジストと金属膜が音叉形状を残して除去された後、化学的エッチング法により、音叉腕と音叉基部を具えた音叉形状が形成される。この音叉形状を形成するときに、音叉基部に切り欠き部を形成しても良い。更に、音叉形状の面上に前記工程で示した金属膜とレジストが塗布され、フオトリソ工程と化学的エッチング法により、音叉腕又は音叉腕と音叉基部に溝が形成される。
【００３６】
次に、溝を有する音叉形状に金属膜とレジストが再び塗布されて、フオトリソ工程により、電極が形成される。即ち、音叉腕の側面の電極と溝の側面の電極は極性が異なるように対抗して配置される。さらに詳述するならば、第１の音叉腕の側面電極と第２の音叉腕の溝の電極は同極に、第１の音叉腕の溝の電極と第２の音叉腕の側面電極は同極に構成され、第１の音叉腕の溝の電極と側面電極は極性が異なるように構成される。即ち。２電極端子が振動子に形成される。その結果、２電極端子に交番電圧を印加する事により、音叉腕は逆相で屈曲振動する。本実施例では、音叉形状の形成の後に溝を音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、まず、溝を形成してから音叉形状を形成してもよい。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、この工程での溝の寸法等については前記した寸法と同じであり既に述べられているので、ここでは省略する。
【００３７】
この実施例の工程により、水晶ウエハには多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が形成されている。それ故、次の工程では、このウエハの状態で、最初の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。と共に、不良振動子はマーキングされるかウエハから取り除かれる。また、本工程では１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの基準周波数に対して、周波数偏差は−９０００ＰＰＭ〜＋５０００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。更に、次の工程では、形成された振動子は表面実装型のケース、あるいは蓋又は円筒型のケースのリード線に接着材あるいは半田等で固定される。その固定後に、第２回目の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。本工程では、周波数偏差は−１００ＰＰＭ〜＋１００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、本発明での固定後に周波数調整が行われるということは、固定後すぐに周波数調整しても良いし、あるいは固定後にケースと蓋を接続した後に周波数調整をしても良い。即ち、固定後にいかなる工程を入れても、その後に周波数調整をすれば良く、本発明はこれらを全て包含するものである。又、ケースと蓋を接続した後の周波数調整はガラスを介してレーザで行われる。
【００３８】
尚、第３回目の周波数調整がなされるときには、前記２回目の周波数調整による周波数偏差は−９５０ＰＰＭ〜＋９５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、上記実施例では、前記ウエハの状態で、最初の周波数調整を行い、それと共に、不良振動子はマーキングされるかウエハから取り除かれているが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明は水晶ウエハにできた多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子をウエハの状態で検査し、良振動子か不良振動子かを検査する工程を含めば良い。即ち、不良振動子はマーキングされるか、ウエハから取り除かれるか、コンピュタに記憶される。このような工程を含むことにより、不良振動子を早く見つけることができ、次工程に流れないので、歩留まりを上げることができる。その結果、安価な屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００３９】
更に、周波数調整後に、前記振動子はケースと蓋となるユニットに真空中で収納され、水晶ユニットが得られる。蓋がガラスで構成されているときには、収納後、第３回目の周波数調整がレーザにて行われる。本工程では、周波数偏差は−５０ＰＰＭ〜＋５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。本実施例では、周波数調整は３回の別々の工程で行われるが、少なくとも２回の別々の工程で行えば良い。例えば、第３回目の工程の周波数調整はしなくても良い。更に次の工程では、前記した振動子の２電極端子が増幅器とコンデンサーと抵抗素子に電気的に接続される。換言するならば、増幅回路はＣＭＯＳインバータと帰還抵抗素子とを具えて構成され、帰還回路は音叉形状の屈曲水晶振動子とドレイン抵抗素子とゲート側のコンデンサーとドレイン側のコンデンサーとを具えて構成されるように電気的に接続される。又、前記第３回目の周波数調整は水晶発振回路を構成後に行っても良い。
【００４０】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものではなく、上記第１実施例から第４実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子では、音叉腕又は音叉腕と音叉基部に溝を設けているが、例えば、音叉腕に貫通穴（ｔ１＝０）を設けてもよい。即ち、貫通穴は溝の特別の場合で、本発明の溝は前記貫通穴をも包含するものである。又、上記実施例では、音叉腕は２本で構成されているが、本発明は３本以上の音叉腕を包含するものである。この場合、少なくとも２本の音叉腕が逆相で振動するように電極が構成されていれば良い。
【００４１】
更に、本実施例では、溝が中立線を挟む（含む）ように音叉腕に設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、中立線を残して、その両側に溝を形成しても良い。この場合、音叉腕の中立線を含めた部分幅Ｗ７は０．０５ｍｍより小さくなるように構成される。又、各々の溝の幅は０．０４ｍｍより小さくなるように構成され、溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔの比は０．７９以下に成るように構成される。このような構成により、Ｍ１をＭｎより大きくする事ができる。
【００４２】
更に、第１実施例〜第４実施例の水晶発振器とそれに用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子について述べてきたが、これらの実施例の水晶発振器に用いられる水晶振動子はケースと蓋とから構成される、いわゆるユニット内に収納され、水晶ユニットを構成する。即ち、ケース又は蓋に設けられた固定部に導電性接着剤又は半田等によって固定部に本実施例の振動子は固定され、さらに、ケースと蓋とは接合部材を介して接合されていて、ケース内は真空になるように構成されている。このように構成することにより、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、超小型の水晶ユニットを実現することができる。
【００４３】
更に、第１実施例〜第４実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での容量比ｒ１は２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように構成されている。このような構成により、同じ負荷容量ＣＬの変化に対して、基本波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化が２次高調波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化より大きくなる。即ち、基本波モード振動の方が２次高調波モード振動より周波数の可変範囲を広くとることができる。さらに詳細には、負荷容量ＣＬ＝１８ｐＦ付近では、そのＣＬ値が１ｐＦ変わると、基本波モード振動の周波数変化は２次高調波モード振動の周波数変化より大きくなる。それ故、基本波モード振動では、負荷容量ＣＬの可変量が小さくても、周波数の可変範囲を広くできるという著しい効果を有する。これにより、コンデンサーの可変容量の範囲を小さくできるので、用いるコンデンサーの数を少なくできる。その結果、安価な水晶発振器が得られる。
【００４４】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子の容量比ｒ１、ｒ２はそれぞれｒ１＝Ｃ０／Ｃ１、ｒ２＝Ｃ０／Ｃ２で与えられる。但し、Ｃ０は等価回路の並列容量で、Ｃ１とＣ２は等価回路の基本波モード振動と２次高調波モード振動の等価容量である。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動と２次高調波モード振動の品質係数はＱ１値とＱ２値で与えられる。そして、前記実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子は、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性が２次高調波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性より小さく成るように構成される。即ち、ｒ１／２Ｑ１２＜ｒ２／２Ｑ２２を満たすように構成されている。このような構成により、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による影響が無視できるほど極めて小さくなるので、高い周波数安定性を有する基本波モードで振動する屈曲水晶振動が得られる。又、本発明では、ｒ１／２Ｑ１２とｒ２／２Ｑ２２をそれぞれＳ１とＳ２と置き、Ｓ１とＳ２をそれぞれ基本波モード振動と２次高調波モード振動の周波数安定係数と呼ぶ。即ち、Ｓ１＝ｒ１／２Ｑ１２とＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２で与えられる。
【００４５】
更に、本実施例の屈曲水晶振動子の音叉形状と溝は化学的、物理的と機械的方法の内の少なくとも一つの方法を用いて加工される。物理的方法では、例えば、イオン化した原子、分子を飛散させて加工するものである。又、機械的方法では、例えば、ブラスト加工用の粒子を飛散させて加工するものである。前例では、加工に粒子を用いるので、本発明では、これを粒子法による加工と言う。
【００４６】
以上述べたように、本発明の水晶発振器とその製造方法を提供する事により多くの効果が得られることを既に述べたが、その中でも特に、次の如き著しい効果が得られる。
（１）音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きい振動子を具えて水晶発振器は構成され、更に、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１との比が増幅回路の高調波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比より大きくなるように水晶発振器は構成されているので、音叉形状の屈曲水晶振動子を具えて構成された水晶発振器の出力信号が基本波モード振動の周波数で、消費電流の少ない、かつ、高い周波数安定性を有する水晶発振器が得られる。
（２）更に、増幅回路の基本波モード振動の増幅率α１と高調波モード振動の増幅率αｎとの比が帰還回路の高調波モード振動の帰還率βｎと基本波モード振動の帰還率β１との比より大きく、かつ、基本波モード振動の増幅率α１と基本波モード振動の帰還率β１の積が１より大きくなるように水晶発振器は構成されているので、負荷容量が小さくても、水晶発振器の出力信号は、基本波モード振動の周波数が出力信号として得られると共に、消費電流の少ない、高い時間精度を有する水晶発振器が実現できる。
（３）音叉形状と溝をフォトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成でき、量産性に優れ、更に１枚の水晶ウェハ上に多数個の振動子を一度にバッチ処理にて形成できるので、安価な水晶振動子が得られる。と同時に、それを具えた安価な水晶ユニットと水晶発振器が実現できる。
（４）基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きい振動子を具えて水晶発振器は構成されるので、出力信号が基本波モード振動の周波数が得られると共に、高い周波数安定性を有する水晶発振器が実現できる。即ち、高い時間精度を有する水晶発振器が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の音叉形状の屈曲水晶振動子は小型化しても、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、かつ、容量比が小さくなる。それ故、その音叉形状の屈曲水晶振動子を搭載した水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に高い信頼性を必要とする情報通信機器等の電子機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例である。
【図２】図１の帰還回路図を示す。
【図３】本発明の第１実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の外観図とその座標系を示す。
【図４】図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の音叉基部のＤ−Ｄ′断面図を示す。
【図５】図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の上面図を示す。
【図６】本発明の第２実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の上面図である。
【図７】本発明の第３実施例の水晶発振器に用いられる水晶ユニットの断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。
【図９】従来の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子の斜視図とその座標系を示す。
【図１０】図９の音叉形状水晶振動子の音叉腕の断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 増幅回路
９ 帰還回路
Ｖ１ 入力電圧
Ｖ２ 出力電圧
Ｗ２ 溝幅
Ｗ 音叉腕の腕幅
Ｗ１，Ｗ３ 音叉腕の部分幅
Ｗ４ 音叉腕の間隔
Ｗ７ 音叉腕の中立線を含む部分幅
ｌ１ 溝の長さ
ｌ２ 音叉基部の長さ
ｌ 音叉形状の屈曲水晶振動子の全長
ｔ 音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚み
ｔ１ 溝の厚み
【技術分野】
【０００１】
本発明は屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部を具えて構成される音叉形状の水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを具えて構成される水晶発振器とその製造方法に関する。特に、小型化、高精度化、耐衝撃性、低廉化の要求の強い情報通信機器用の基準信号源として最適な水晶発振器で、新形状、新電極構成及び最適寸法を有する超小型の音叉形状の屈曲水晶振動子から構成され、基本波モード振動の周波数が出力信号である水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水晶発振器は増幅器とコンデンサーと抵抗素子と音叉腕の上下面と側面に電極が配置された音叉型屈曲水晶振動子から成る水晶発振器がよく知られている。図９には、この従来例の水晶発振器に用いられている音叉形状の屈曲水晶振動子２００の概観図を示す。図９において水晶振動子２００は２本の音叉腕２０１，２０２と音叉基部２３０とを具えている。図１０には図９の音叉腕の断面図を示す。図１０に示すように、励振電極は音叉腕の上下面と側面に配置されている。音叉腕の断面形状は一般的には長方形をしている。一方の音叉腕の断面の上面には電極２０３が下面には電極２０４が配置されている。側面には電極２０５と２０６が設けられている。他方の音叉腕の上面には電極２０７が下面には電極２０８が、更に側面には電極２０９，２１０が配置され２電極端子Ｈ−Ｈ′構造を成している。今、Ｈ−Ｈ′間に直流電圧を印加すると電界は矢印方向に働く。その結果、一方の音叉腕が内側に曲がると他方の音叉腕も内側に曲がる。この理由は、ｘ軸方向の電界成分Ｅｘが各音叉腕の内部で方向が反対になるためである。交番電圧を印加することにより振動を持続することができる。又、特開昭５６−６５５１７と特開２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）では、音叉腕に溝を設け、且つ、電極構成について開示されている。
【特許文献１】特開昭５６−６５５１７
【特許文献２】特開昭２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）
【特許文献３】国際公開第００／４４０９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
音叉型屈曲水晶振動子では、電界成分Ｅｘが大きいほど等価直列抵抗Ｒ１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら、従来から使用されている音叉型屈曲水晶振動子は、図１０で示したように、各音叉腕の上下面と側面の４面に電極を配置している。そのために電界が直線的に働かず、かかる音叉型屈曲水晶振動子を小型化させると、電界成分Ｅｘが小さくなってしまい、等価直列抵抗Ｒ１が大きくなり、品質係数Ｑ値が小さくなるなどの課題が残されていた。同時に、時間基準として高精度な、即ち、高い周波数安定性を有し、高調波モード振動を抑えた屈曲水晶振動子を得ることが課題として残されていた。又、前記課題を解決する方法として、例えば、特開昭５６−６５５１７では音叉腕に溝を設け、且つ、溝の構成と電極構成について開示している。しかしながら、溝の構成、寸法と振動モード並びに基本波モード振動での等価直列抵抗Ｒ１と高調波モード振動での等価直列抵抗Ｒｎとの関係及び周波数安定性に関係するフィガーオブメリットＭについては全く開示されていない。又、従来の水晶振動子や前記溝を設けた振動子を従来の回路に接続し、水晶発振回路を構成すると、基本波振動モードの出力信号が衝撃や振動などの影響で出力信号が高調波モード振動の周波数に変化、検出される等の問題が発生していた。このようなことから、衝撃や振動を受けても、それらの影響を受けない高調波モード振動を抑えた基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が所望されていた。更に、水晶発振器の消費電流を低減するために、負荷容量ＣＬを小さくすると高調波モードの振動がし易くなり、基本波モード振動の出力周波数が得られない等の課題が残されていた。それ故、基本波モードで振動する超小型で、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値が高くなるような新形状で、電気機械変換効率の良い溝の構成と電極構成を有する音叉形状の屈曲水晶振動子を具え、出力信号が基本波モード振動の周波数で、高い周波数安定性（高い時間精度）を有し、消費電流の少ない水晶発振器が所望されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具えた水晶発振器とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
すなわち、本発明の水晶振動子の製造方法の第１の態様は、音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕とを備えて構成され、屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子の製造方法で、研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上面と下面の各々に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にレジストを塗布する工程と、前記音叉基部と前記第１音叉腕と前記第２音叉腕とを備えた音叉形状を形成する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又は前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面と前記音叉基部に溝を形成する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に電極を配置する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の第１側面とその第１側面に対抗する第２側面の各々に電極を配置する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、前記第１音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第２音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、前記第２音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第１音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含み、前記音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、前記音叉型屈曲水晶振動子の２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されている水晶振動子の製造方法である。
本発明の水晶振動子の製造方法の第２の態様は、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が、前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程を備えている第１の態様に記載の水晶振動子の製造方法である。
【０００６】
本発明の水晶ユニットの製造方法の第１の態様は、第１の態様または第２の態様の水晶振動子の製造方法を備え、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記基本波モード振動において品質係数Ｑ１と周波数安定係数Ｓ１を備え、かつ、Ｓ１がＳ１＝ｒ１／２Ｑ１２によって定義され、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記２次高調波モード振動において品質係数Ｑ２と周波数安定係数Ｓ２を備え、かつ、Ｓ２がＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２によって定義され、Ｓ１がＳ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されている水晶ユニットの製造方法である。
本発明の水晶発振器の製造方法の第１の態様は、第１の態様または第２の態様の水晶振動子の製造方法と、あるいは第１の態様の水晶ユニットの製造方法と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２が３０より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程と、増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを準備する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記第１電極端子と前記第２電極端子を、前記増幅器と前記コンデンサーと前記抵抗素子に電気的に接続する工程とを備えている水晶発振器の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明は屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具えた水晶発振器で、しかも、音叉形状の溝と電極の構成を改善し、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、高調波モード振動を抑え、基本波モードで振動する周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。
【０００８】
加えて、音叉腕の中立線を挟んだ（含む）中央部に溝を設け、且つ、電極を配置し、溝の寸法の最適化を図る事により、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、Ｑ値が高く、電気機械変換効率の良い屈曲モードで振動する超小型の音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。と同時に、帰還回路の負荷容量を小さくできる。その結果、消費電流の少ない水晶発振器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。図１は本発明の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例である。本実施例では、水晶発振回路１は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）２、帰還抵抗４、ドレイン抵抗７、コンデンサー５，６と音叉形状の屈曲水晶振動子３から構成されている。即ち、水晶発振回路１は、増幅器２と帰還抵抗４から成る増幅回路８とドレイン抵抗７、コンデンサー５，６と屈曲水晶振動子３から成る帰還回路９から構成されている。更に、基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子３を具えて構成される水晶発振回路１の出力信号はバッファ回路（図示されていない）を通してドレイン側から出力される。即ち、基本波モード振動の周波数がバッファ回路を通して出力信号として出力される。本発明では、基本波モード振動の周波数は１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが用いられる。又、本発明では、前記出力信号の周波数を分周回路又は逓倍回路によって分周又は逓倍された周波数も基本波モード振動の周波数に含まれる。さらに詳細には、本実施例の水晶発振器は水晶発振回路とバッファ回路とを具えて構成されている。換言するならば、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路から構成され、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも音叉形状の屈曲水晶振動子とコンデンサーから構成されている。又、本実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子は図３から図６で詳述される。
【００１０】
図２は図１の帰還回路図を示す。今、屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の角周波数をωｉ、ドレイン抵抗７の抵抗をＲｄ、コンデンサー５、６の容量をＣｇ、Ｃｄ、水晶のクリスタルインピーダンスをＲｅｉ，入力電圧をＶ１，出力電圧をＶ２とすると、帰還率βｉはβｉ＝｜Ｖ２｜ｉ／｜Ｖ１｜ｉで定義される。但し、ｉは屈曲振動モードの振動次数を表し、例えば、ｉ＝１のとき、基本波モード振動、ｉ＝２のとき、２次高調波モード振動、ｉ＝３のとき、３次高調波モード振動である。即ち、ｉ＝ｎのとき、ｎ次高調波モード振動であるが、以下単に、高調波モード振動と言う。更に、負荷容量ＣＬはＣＬ＝ＣｇＣｄ／（Ｃｇ＋Ｃｄ）で与えられ、Ｃｇ＝Ｃｄ＝ＣｇｓとＲｄ＞＞Ｒｅｉとすると、帰還率βｉはβｉ＝１／（１＋ｋＣＬ２）で与えられる。但し、ｋはωｉ、Ｒｄ、Ｒｅｉの関数で表される。又、Ｒｅｉは近似的に等価直列抵抗Ｒｉに等しくなる。
【００１１】
このように、帰還率βｉと負荷容量ＣＬとの関係から、負荷容量ＣＬが小さくなると、基本波振動モードと高調波振動モードの共振周波数の帰還率はそれぞれ大きくなることが良く分かる。それ故、負荷容量ＣＬが小さくなると、基本波モード振動よりも高調波モード振動の方が発振し易くなる。その理由は高調波モード振動の最大振動振幅が基本波モード振動の最大振動振幅より小さいために、発振持続条件である振幅条件と位相条件を同時に満足するためである。
【００１２】
本発明の水晶発振器は、消費電流が少なく、しかも、出力周波数が高い周波数安定性（高い時間精度）を有する、基本波モード振動の周波数である水晶発振器を提供することを目的としている。それ故、消費電流を少なくするために、本実施例では、負荷容量ＣＬは１０ｐＦ以下を用いる。より消費電流を少なくするには、消費電流は負荷容量に比例するので、ＣＬ＝８ｐＦ以下が好ましい。ここで言う、容量Ｃｇ、Ｃｄは回路の浮遊容量を含まない数値であるが、実際には、回路構成により浮遊容量が存在する。それ故、本実施例では、この回路構成による浮遊容量を含んだ負荷容量ＣＬは１８ｐＦ以下を用いる。また、高調波モードの振動を抑え、発振器の出力信号が基本波モード振動の周波数を得るために、α１／αｎ＞βｎ／β１とα１β１＞１を満足するように本実施例の水晶発振回路は構成される。但し、α１、αｎは基本波モード振動と高調波モード振動の増幅回路の増幅率で、β１、βｎは基本波モード振動と高調波モード振動の帰還回路の帰還率である。即ち、ｎ＝２、３のとき、それぞれ、２次、３次高調波モード振動である。
【００１３】
換言するならば、増幅回路の基本波モード振動の増幅率α１と高調波モード振動の増幅率αｎとの比が帰還回路の高調波モード振動の帰還率βｎと基本波モード振動の帰還率β１との比より大きく、かつ、基本波モード振動の増幅率α１と基本波モード振動の帰還率β１の積が１より大きくなるように構成される。このような構成により、消費電流の少ない、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。更に、高い周波数安定性については後述される。
【００１４】
又、本実施例の水晶発振回路を構成する増幅回路の増幅部は負性抵抗−ＲＬｉでその特性を示すことができる。ｉ＝１のとき基本波モード振動の負性抵抗で、ｉ＝ｎのとき高調波モード振動の負性抵抗である。即ち、ｎ＝２，３のとき、２次、３次高調波モード振動の負性抵抗である。本実施例の水晶発振器は、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１との比が増幅回路の高調波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比より大きくなるように発振回路が構成されている。即ち、｜−ＲＬ１｜／Ｒ１＞｜−ＲＬｎ｜／Ｒｎを満足するように構成されている。このように水晶発振回路を構成することにより、高調波モード振動の発振起動が抑えられ、その結果、基本波モード振動の発振起動が得られるので基本波モード振動の周波数が出力信号として得られる。
【００１５】
図３は本発明の第１実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１０の外観図とその座標系を示すものである。座標系Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなるＯ−ｘｙｚを構成している。本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０は音叉腕２０、音叉腕２６と音叉基部４０とから成り、音叉腕２０と音叉腕２６は音叉基部４０に接続されている。また、音叉腕２０と音叉腕２６はそれぞれ上面と下面と側面とを有する。更に、音叉腕２０の上面には中立線を挟んで、即ち、中立線を含むように溝２１が設けられ、又、音叉腕２６の上面にも音叉腕２０と同様に溝２７が設けられるとともに、さらに、音叉基部４０に溝３２と溝３６とが設けられている。なお、角度θは、ｘ軸廻りの回転角であり、通常０〜１０°の範囲で選ばれる。又、音叉腕２０、２６の下面にも上面と同様に溝が設けられている。
【００１６】
図４は、図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の音叉基部４０のＤ−Ｄ′断面図を示す。図４では図３の水晶振動子の音叉基部４０の断面形状並びに電極配置について詳述する。音叉腕２０と連結する音叉基部４０には溝２１，２２が設けられている。同様に、音叉腕２６と連結する音叉基部４０には溝２７，２８が設けられている。更に、溝２１と溝２７との間には更に溝３２と溝３６とが設けられている。又、溝２２と溝２８との間にも溝３３と溝３７とが設けられている。そして、溝２１と溝２２には電極２３，２４が、溝３２，３３，３６，３７には電極３４，３５，３８，３９が、溝２７と溝２８には電極２９，３０が配置され、音叉基部４０の両側面には電極２５，３１が配置されている。詳細には、溝の側面に電極が配置され、前記電極に対抗して極性の異なる電極が配置されている。
【００１７】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子１０は厚みｔを有し、溝は厚みｔ１を有している。ここで言う厚みｔ１は溝の一番深いところの厚みを言う。その理由は水晶は異方性の材料のために、化学的エッチング法では各結晶軸の方向によりエッチングスピードが異なる。それ故、化学的エッチング法では溝の深さにバラツキが生じ、図４に示した一様な形状に加工するのが極めて難しいためである。本実施例では、溝の厚みｔ１と音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成されている。特に、音叉基部の歪みを大きくするために、音叉基部の溝の厚みと音叉基部の厚みの比を０．０１〜０．０２５にする事が好ましい。このように形成することにより、音叉腕又は音叉腕と音叉基部の溝側面電極とそれに対抗する側面の電極との間の電界Ｅｘが大きくなる。すなわち、電気機械変換効率の良い屈曲振動子が得られる。即ち、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。更に、本実施例では、音叉基部の溝と溝との間にさらに溝３２，３３，３６，３７が設けられているので、その電界強度はより一層大きくなり、より電気機械変換効率が良くなる。又、本実施例では、音叉基部４０の上面に溝３２，３６が、下面に溝３３，３７が設けられているが、片面にのみ設けても良い。
【００１８】
更に、電極２５，２９，３０，３４，３５は一方の同極に、電極２３，２４，３１，３７，３８，３９は他方の同極になるように配置されていて、２電極端子構造Ｅ−Ｅ′を構成する。即ち、ｚ軸方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、ｘ軸方向に対抗する電極は異極になるように構成されている。今、２電極端子Ｅ−Ｅ′に直流電圧を印加（Ｅ端子に正極、Ｅ′端子に負極）すると電界Ｅｘは図４に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。従って、音叉形状の屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子が得られる。
【００１９】
図５は図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の上面図を示すものである。図５では溝２１，２７の配置及び寸法について特に詳述する。音叉腕２０の中立線４１を挟むようにして溝２１が設けられている。他方の音叉腕２６も中立線４２を挟むようにして溝２７が設けられている。更に、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０では、音叉基部４０の、溝２１と溝２７との間に挟まれた部分にも溝３２と溝３６とが設けられている。それら溝２１，２７及び溝３２，３６を設けたことで、音叉形状の屈曲水晶振動子１０には、先に述べたように、電界Ｅｘが図４に示した矢印のように働き、電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出され、特に音叉基部の電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。このように、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の形状と電極構成とは、音叉型屈曲水晶振動子を小型化した場合でも電気的諸特性に優れた、即ち、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い水晶振動子が実現できる。
【００２０】
更に、部分幅Ｗ１、Ｗ３と溝幅Ｗ２とすると、音叉腕２０，２６の腕幅ＷはＷ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３で与えられ、通常はＷ１とＷ３の一部又は全部がＷ１≧Ｗ３または、Ｗ１＜Ｗ３となるように構成される。又、溝幅Ｗ２はＷ２≧Ｗ１，Ｗ３を満足する条件で構成される。更に具体的に述べると、本実施例では、溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、１より小さくなるように、好ましくは、０．３５〜０．９５で、溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔ又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が音叉腕に形成されている。このように形成することにより、音叉腕の中立線４１と４２を基点とする慣性モーメントが大きくなる。即ち、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、Ｑ値の高い、しかも、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００２１】
これに対して、溝２１および溝２７の長さｌ１について本実施例では、溝２１，２７が音叉腕２０，２６から音叉基部４０の長さｌ２にまで延在し、基部の溝の長さｌ３となるような寸法とされている。それ故、音叉腕２０，２６に設けられた溝の長さは（ｌ１−ｌ３）で与えられ、Ｒ１の小さい振動子を得るために、（ｌ１−ｌ３）／（ｌ−ｌ２）が０．４〜０．８の値を有する。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子１０の全長ｌは要求される周波数や収納容器の大きさなどから決定される。と共に、基本波モードで振動する良好な音叉形状の屈曲水晶振動子を得るためには、溝の長さｌ１と全長ｌとの間には密接な関係が存在する。
【００２２】
すなわち、音叉腕２０，２６又は音叉腕２０，２６と音叉基部４０に設けられた溝の長さｌ１と音叉形状の屈曲水晶振動子の全長ｌとの比（ｌ１／ｌ）が０．２〜０．７８となるように溝の長さは設けられる。このように形成する理由は、不要振動である高調波モード振動、特に、２次、３次高調波モード振動を抑圧する事ができると共に基本波モード振動の周波数安定性を高めることができる。それ故、基本波モードで容易に振動する良好な音叉形状の屈曲水晶振動子が実現できる。さらに詳述するならば、基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の等価直列抵抗Ｒ１が高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎより小さくなる。即ち、Ｒ１＜Ｒｎ（ｎ＝２，３のとき、２次、３次高調波モード振動の等価直列抵抗）となり、増幅器（ＣＭＯＳインバータ）、コンデンサー、抵抗素子、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子等から成る水晶発振器において、振動子が基本波モードで容易に振動する良好な水晶発振器が実現できる。又、溝の長さｌ１は音叉腕の長さ方向に分割されていても良く、その中の少なくとも１個が前記辺比（ｌ１／ｌ）を満足すれば良いか、又は、分割された溝の長さ方向の加えられた溝の長さが前記辺比（ｌ１／ｌ）を満足すれば良い。
【００２３】
また、この実施例では、音叉基部４０は図５中、振動子１０の長さｌ２の下側部分全体とされ、又、音叉腕２０及び音叉腕２６は、図５中、振動子１０の長さｌ２の部分から上側の部分全体とされている。本実施例では音叉の叉部は矩形をしているが、本発明は前記形状に限定されるものではなく、音叉の叉部がＵ字型をしていても良い。この場合も矩形の形状と同じように、音叉腕と音叉基部との寸法の関係は前記関係と同じである。更に、本実施例では、溝は音叉腕と音叉基部に設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、音叉腕にのみ溝を設けても良く、同様の効果が得られる。この場合、溝の長さｌ３＝０となる。また、本発明で言う溝の長さｌ１とは、音叉腕にのみ溝が設けられている時には、溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、且つ、１より小さくなるように形成された溝の長さである。更に、前記音叉腕に設けられた溝が、音叉基部にまで延在し、音叉基部に延在した溝の間にさらに溝が設けられている時には、溝の長さｌ３を含む長さがｌ１である。しかし、音叉腕の溝が音叉基部に延在しているが、その溝の間にさらに溝が設けられていない時には、長さｌ１は音叉腕の溝の長さである。
【００２４】
換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立線を挟んだ、即ち、中立線を含む音叉腕の上下面に各々少なくとも１個の溝が長さ方向に設けられ、前記溝の両側面に電極が配置され、前記溝側面の電極とその電極に対抗する音叉腕側面の電極とが互いに異極となるように構成されていて、音叉腕に生ずる慣性モーメントが大きくなるように前記各々少なくとも１個の溝の内少なくとも１個の溝幅Ｗ２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、１より小さく、且つ、前記溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように溝が形成されている。
【００２５】
更に、本実施例の音叉腕の間隔はＷ４で与えられ、間隔Ｗ４と溝幅Ｗ２はＷ４≧Ｗ２を満足するように構成され、間隔Ｗ４は０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍで、溝幅Ｗ２は０．０３ｍｍ〜０．１２ｍｍの値を有する。このように構成する理由は超小型の屈曲水晶振動子で、かつ、音叉形状と音叉腕の溝をフオトリソグラフィ技術を用いて別々（別々の工程）に形成でき、更に、基本波モード振動の周波数安定性が高調波モード振動の周波数安定性より高くすることができる。この場合、厚みｔは通常０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの水晶ウエハが用いられる。しかし、本発明は本実施例に限定されるものでなく、０．１５ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。
【００２６】
更に詳述するならば、音叉形状の屈曲水晶振動子の誘導性と電気機械変換効率と品質とを表すフイガーオブメリットＭｉは屈曲水晶振動子の品質係数Ｑｉ値と容量比ｒｉの比（Ｑｉ／ｒｉ）によって定義される。即ち、Ｍｉ＝Ｑｉ／ｒｉで与えられる。但し、ｉは音叉形状の屈曲水晶振動子の振動次数を表し、ｉ＝１のとき基本波モード振動、ｉ＝２のとき２次高調波モード振動、ｉ＝３のとき３次高調波モード振動である。また、音叉形状の屈曲水晶振動子の並列容量に依存しない機械的直列共振周波数ｆ８と並列容量に依存する直列共振周波数ｆｒの周波数差ΔｆはフイガーオブメリットＭｉに反比例し、その値Ｍｉが大きい程Δｆは小さくなる。従って、Ｍｉが大きい程、音叉形状の屈曲水晶振動子の共振周波数は並列容量の影響を受けないので、屈曲水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
【００２７】
さらに詳細には、前記音叉形状と溝と電極とその寸法の構成により、基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きくなる。即ち、Ｍ１＞Ｍｎとなる。但し、ｎは高調波モード振動の振動次数を表し、ｎ＝２、３のとき、２次、３次高調波モード振動のフイガーオブメリットである。一例として、基本波モード振動の周波数が３２．７６８ｋＨｚで、Ｗ２／Ｗ＝０．５、ｔ１／ｔ＝０．３４、ｌ１／ｌ＝０．４８のとき、製造によるバラツキが生ずるが、音叉形状の屈曲水晶振動子のＭ１、Ｍ２はそれぞれＭ１＞６５、Ｍ２＜３０となる。即ち、高い誘導性と電気機械変換効率の良い（容量比ｒ１と等価直列抵抗Ｒ１の小さい）、品質係数の大きい基本波モードで振動する屈曲水晶振動子を得ることができる。その結果、基本波モード振動の周波数安定性が２次高調波モード振動の周波数安定性より良くなると共に、２次高調波モード振動を抑圧することができる。従って、本実施例の屈曲水晶振動子から構成される水晶発振器は基本波モード振動の周波数が出力信号として得られ、かつ、高い周波数安定性（優れた時間精度）を有する。換言するならば、本実施例の水晶発振器はエージングによる周波数変化が極めて小さく成るという著しい効果を有する。また、本発明の基本波モード振動の基準周波数は既に述べたように、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが用いられる。特に、３２．７６８ｋＨｚは広く使用され、例えば、その周波数偏差は−１００ＰＰＭ〜＋１００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整される。
【００２８】
図６は本発明の第２実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子４５の上面図である。音叉形状の屈曲水晶振動子４５は、音叉腕４６，４７と音叉基部４８とを具えて構成されている。即ち、音叉腕４６，４７の一端部が音叉基部４８に接続されている。本実施例では、音叉基部４８に切り欠き部５３、５４が設けられている。又、音叉腕４６、４７には中立線５１、５２を挟んで（含む）溝４９、５０が設けられている。更に、本実施例では溝４９、５０は音叉腕４６、４７の一部に設けられていて、溝４９、５０はそれぞれ幅Ｗ２と長さｌ１を有する。更に詳述するならば、溝の面積Ｓ＝Ｗ２×ｌ１で示し、Ｓは０．０２５〜０．１２ｍｍ２の値を有するように構成される。このように溝の面積を構成する理由は化学的エッチング法による溝の形成が容易で、しかも、電気機械変換効率が良くなる溝の形成ができる。と同時に、基本波モード振動の品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子が得られる。その結果、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。
【００２９】
上記溝の面積Ｓでは、溝と音叉腕を別々の工程で加工できる。しかし、音叉腕とそれに設けられた溝を同時に加工するには、音叉腕の厚みｔと溝幅Ｗ２と音叉腕の間隔Ｗ４と面積Ｓを最適寸法にする必要が有る。即ち、音叉腕の厚みｔが０．０６ｍｍ〜０．１５ｍｍのとき、溝幅Ｗ２が０．０２ｍｍ〜０．０６８ｍｍの範囲内に、更に、面積Ｓは０．０２３ｍｍ２〜０．０８８ｍｍ２の範囲内にあり、間隔Ｗ４は０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍとなるように構成される。このように構成する理由は水晶の結晶性を利用し、その結晶性から貫通穴でない溝（音叉腕の長さ方向に分割された溝を含む）と音叉形状を同時に形成することができる。また、図６には示されていないが、音叉腕４６，４７の下面にも溝４９，５０と対抗する位置に溝が設けられている。
【００３０】
更に、音叉基部４８に設けられた切り欠き部５３、５４の音叉部側の幅寸法はＷ５で与えられ、切り欠き部５３、５４の端部側の寸法はＷ６で与えられる。そして、音叉基部４８の端部側で表面実装型のケースや円筒型のケースに半田や接着剤によって固定されるとき、振動子の振動エネルギーの損失を小さくするには、Ｗ６≧Ｗ５を満たす必要がある。また、切り欠き部５３、５４も振動子の固定による振動部のエネルギー損失を小さくすることができる。図６で示されている音叉腕の腕幅Ｗ、部分幅Ｗ１、Ｗ３、溝幅Ｗ２と間隔Ｗ４及び溝の長さｌ１と音叉振動子の全長ｌとの関係は図５で述べられているので、ここでは省略する。
【００３１】
図７は本発明の第３実施例の水晶発振器に用いられる水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１７０は音叉形状の屈曲水晶振動子７０、ケース７１と蓋７２を具えて構成されている。更に詳述するならば、振動子７０はケース７１に設けられた固定部７４に導電性接着剤７６や半田によって固定される。又、ケース７１と蓋７２は接合部材７３を介して接合される。本実施例では、振動子７０は図３と図６で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１０、４５の内の一個と同じ振動子である。又、本実施例の水晶発振器では回路素子は水晶ユニットの外側に接続される。即ち、音叉形状の屈曲水晶振動子のみがユニット内に収納されている。この時、屈曲水晶振動子は真空中のユニット内に収納されている。本実施例では、表面実装型の水晶ユニットを示したが、円筒型のユニットに屈曲水晶振動子を収納しても良い。即ち、円筒型の水晶ユニットが得られる。
【００３２】
更に、ケースの部材はセラミックスかガラス、蓋の部材は金属かガラス、そして、接合部材は金属か低融点ガラスでできている。又、本実施例で述べられた振動子とケースと蓋との関係は以下に述べられる図８の水晶発振器にも適用される。
【００３３】
図８は本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。水晶発振器１９０は水晶発振回路とケース９１と蓋９２とを具えて構成されている。本実施例では、水晶発振回路はケース９１と蓋９２から成る水晶ユニット内に収納されている。又、水晶発振回路は音叉形状の屈曲水晶振動子９０と帰還抵抗を含む増幅器９８とコンデンサー（図示されていない）とドレイン抵抗（図示されていない）とを具えて構成されていて、増幅器９８はＣＭＯＳインバータが用いられる。
【００３４】
更に、本実施例では、振動子９０はケース９１に設けられた固定部９４に接着剤９６や半田によって固定される。これに対して、増幅器９８はケース９１に固定されている。また、ケース９１と蓋９２は接合部材９３を介して接合されている。本実施例の振動子９０は図３と図６で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１０、４５の中の振動子が用いられる。
【００３５】
次に、本発明の水晶発振器の製造方法について述べる。上記音叉形状の屈曲水晶振動子は半導体の技術を用いたフオトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成される。まず、研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上下面に金属膜（例えば、クロムそしてその上に金）をスパッタリング法又は蒸着法により形成する。次に、その金属膜の上にレジストが塗布される。そして、フオトリソ工程により、それらレジストと金属膜が音叉形状を残して除去された後、化学的エッチング法により、音叉腕と音叉基部を具えた音叉形状が形成される。この音叉形状を形成するときに、音叉基部に切り欠き部を形成しても良い。更に、音叉形状の面上に前記工程で示した金属膜とレジストが塗布され、フオトリソ工程と化学的エッチング法により、音叉腕又は音叉腕と音叉基部に溝が形成される。
【００３６】
次に、溝を有する音叉形状に金属膜とレジストが再び塗布されて、フオトリソ工程により、電極が形成される。即ち、音叉腕の側面の電極と溝の側面の電極は極性が異なるように対抗して配置される。さらに詳述するならば、第１の音叉腕の側面電極と第２の音叉腕の溝の電極は同極に、第１の音叉腕の溝の電極と第２の音叉腕の側面電極は同極に構成され、第１の音叉腕の溝の電極と側面電極は極性が異なるように構成される。即ち。２電極端子が振動子に形成される。その結果、２電極端子に交番電圧を印加する事により、音叉腕は逆相で屈曲振動する。本実施例では、音叉形状の形成の後に溝を音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、まず、溝を形成してから音叉形状を形成してもよい。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、この工程での溝の寸法等については前記した寸法と同じであり既に述べられているので、ここでは省略する。
【００３７】
この実施例の工程により、水晶ウエハには多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が形成されている。それ故、次の工程では、このウエハの状態で、最初の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。と共に、不良振動子はマーキングされるかウエハから取り除かれる。また、本工程では１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの基準周波数に対して、周波数偏差は−９０００ＰＰＭ〜＋５０００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。更に、次の工程では、形成された振動子は表面実装型のケース、あるいは蓋又は円筒型のケースのリード線に接着材あるいは半田等で固定される。その固定後に、第２回目の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。本工程では、周波数偏差は−１００ＰＰＭ〜＋１００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、本発明での固定後に周波数調整が行われるということは、固定後すぐに周波数調整しても良いし、あるいは固定後にケースと蓋を接続した後に周波数調整をしても良い。即ち、固定後にいかなる工程を入れても、その後に周波数調整をすれば良く、本発明はこれらを全て包含するものである。又、ケースと蓋を接続した後の周波数調整はガラスを介してレーザで行われる。
【００３８】
尚、第３回目の周波数調整がなされるときには、前記２回目の周波数調整による周波数偏差は−９５０ＰＰＭ〜＋９５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、上記実施例では、前記ウエハの状態で、最初の周波数調整を行い、それと共に、不良振動子はマーキングされるかウエハから取り除かれているが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明は水晶ウエハにできた多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子をウエハの状態で検査し、良振動子か不良振動子かを検査する工程を含めば良い。即ち、不良振動子はマーキングされるか、ウエハから取り除かれるか、コンピュタに記憶される。このような工程を含むことにより、不良振動子を早く見つけることができ、次工程に流れないので、歩留まりを上げることができる。その結果、安価な屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００３９】
更に、周波数調整後に、前記振動子はケースと蓋となるユニットに真空中で収納され、水晶ユニットが得られる。蓋がガラスで構成されているときには、収納後、第３回目の周波数調整がレーザにて行われる。本工程では、周波数偏差は−５０ＰＰＭ〜＋５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。本実施例では、周波数調整は３回の別々の工程で行われるが、少なくとも２回の別々の工程で行えば良い。例えば、第３回目の工程の周波数調整はしなくても良い。更に次の工程では、前記した振動子の２電極端子が増幅器とコンデンサーと抵抗素子に電気的に接続される。換言するならば、増幅回路はＣＭＯＳインバータと帰還抵抗素子とを具えて構成され、帰還回路は音叉形状の屈曲水晶振動子とドレイン抵抗素子とゲート側のコンデンサーとドレイン側のコンデンサーとを具えて構成されるように電気的に接続される。又、前記第３回目の周波数調整は水晶発振回路を構成後に行っても良い。
【００４０】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものではなく、上記第１実施例から第４実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子では、音叉腕又は音叉腕と音叉基部に溝を設けているが、例えば、音叉腕に貫通穴（ｔ１＝０）を設けてもよい。即ち、貫通穴は溝の特別の場合で、本発明の溝は前記貫通穴をも包含するものである。又、上記実施例では、音叉腕は２本で構成されているが、本発明は３本以上の音叉腕を包含するものである。この場合、少なくとも２本の音叉腕が逆相で振動するように電極が構成されていれば良い。
【００４１】
更に、本実施例では、溝が中立線を挟む（含む）ように音叉腕に設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、中立線を残して、その両側に溝を形成しても良い。この場合、音叉腕の中立線を含めた部分幅Ｗ７は０．０５ｍｍより小さくなるように構成される。又、各々の溝の幅は０．０４ｍｍより小さくなるように構成され、溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔの比は０．７９以下に成るように構成される。このような構成により、Ｍ１をＭｎより大きくする事ができる。
【００４２】
更に、第１実施例〜第４実施例の水晶発振器とそれに用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子について述べてきたが、これらの実施例の水晶発振器に用いられる水晶振動子はケースと蓋とから構成される、いわゆるユニット内に収納され、水晶ユニットを構成する。即ち、ケース又は蓋に設けられた固定部に導電性接着剤又は半田等によって固定部に本実施例の振動子は固定され、さらに、ケースと蓋とは接合部材を介して接合されていて、ケース内は真空になるように構成されている。このように構成することにより、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、超小型の水晶ユニットを実現することができる。
【００４３】
更に、第１実施例〜第４実施例の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での容量比ｒ１は２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように構成されている。このような構成により、同じ負荷容量ＣＬの変化に対して、基本波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化が２次高調波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化より大きくなる。即ち、基本波モード振動の方が２次高調波モード振動より周波数の可変範囲を広くとることができる。さらに詳細には、負荷容量ＣＬ＝１８ｐＦ付近では、そのＣＬ値が１ｐＦ変わると、基本波モード振動の周波数変化は２次高調波モード振動の周波数変化より大きくなる。それ故、基本波モード振動では、負荷容量ＣＬの可変量が小さくても、周波数の可変範囲を広くできるという著しい効果を有する。これにより、コンデンサーの可変容量の範囲を小さくできるので、用いるコンデンサーの数を少なくできる。その結果、安価な水晶発振器が得られる。
【００４４】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子の容量比ｒ１、ｒ２はそれぞれｒ１＝Ｃ０／Ｃ１、ｒ２＝Ｃ０／Ｃ２で与えられる。但し、Ｃ０は等価回路の並列容量で、Ｃ１とＣ２は等価回路の基本波モード振動と２次高調波モード振動の等価容量である。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動と２次高調波モード振動の品質係数はＱ１値とＱ２値で与えられる。そして、前記実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子は、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性が２次高調波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性より小さく成るように構成される。即ち、ｒ１／２Ｑ１２＜ｒ２／２Ｑ２２を満たすように構成されている。このような構成により、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による影響が無視できるほど極めて小さくなるので、高い周波数安定性を有する基本波モードで振動する屈曲水晶振動が得られる。又、本発明では、ｒ１／２Ｑ１２とｒ２／２Ｑ２２をそれぞれＳ１とＳ２と置き、Ｓ１とＳ２をそれぞれ基本波モード振動と２次高調波モード振動の周波数安定係数と呼ぶ。即ち、Ｓ１＝ｒ１／２Ｑ１２とＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２で与えられる。
【００４５】
更に、本実施例の屈曲水晶振動子の音叉形状と溝は化学的、物理的と機械的方法の内の少なくとも一つの方法を用いて加工される。物理的方法では、例えば、イオン化した原子、分子を飛散させて加工するものである。又、機械的方法では、例えば、ブラスト加工用の粒子を飛散させて加工するものである。前例では、加工に粒子を用いるので、本発明では、これを粒子法による加工と言う。
【００４６】
以上述べたように、本発明の水晶発振器とその製造方法を提供する事により多くの効果が得られることを既に述べたが、その中でも特に、次の如き著しい効果が得られる。
（１）音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きい振動子を具えて水晶発振器は構成され、更に、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１との比が増幅回路の高調波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比より大きくなるように水晶発振器は構成されているので、音叉形状の屈曲水晶振動子を具えて構成された水晶発振器の出力信号が基本波モード振動の周波数で、消費電流の少ない、かつ、高い周波数安定性を有する水晶発振器が得られる。
（２）更に、増幅回路の基本波モード振動の増幅率α１と高調波モード振動の増幅率αｎとの比が帰還回路の高調波モード振動の帰還率βｎと基本波モード振動の帰還率β１との比より大きく、かつ、基本波モード振動の増幅率α１と基本波モード振動の帰還率β１の積が１より大きくなるように水晶発振器は構成されているので、負荷容量が小さくても、水晶発振器の出力信号は、基本波モード振動の周波数が出力信号として得られると共に、消費電流の少ない、高い時間精度を有する水晶発振器が実現できる。
（３）音叉形状と溝をフォトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成でき、量産性に優れ、更に１枚の水晶ウェハ上に多数個の振動子を一度にバッチ処理にて形成できるので、安価な水晶振動子が得られる。と同時に、それを具えた安価な水晶ユニットと水晶発振器が実現できる。
（４）基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が高調波モード振動のフイガーオブメリットＭｎより大きい振動子を具えて水晶発振器は構成されるので、出力信号が基本波モード振動の周波数が得られると共に、高い周波数安定性を有する水晶発振器が実現できる。即ち、高い時間精度を有する水晶発振器が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の音叉形状の屈曲水晶振動子は小型化しても、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、かつ、容量比が小さくなる。それ故、その音叉形状の屈曲水晶振動子を搭載した水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に高い信頼性を必要とする情報通信機器等の電子機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例である。
【図２】図１の帰還回路図を示す。
【図３】本発明の第１実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の外観図とその座標系を示す。
【図４】図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の音叉基部のＤ−Ｄ′断面図を示す。
【図５】図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の上面図を示す。
【図６】本発明の第２実施例の水晶発振器に用いられる屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子の上面図である。
【図７】本発明の第３実施例の水晶発振器に用いられる水晶ユニットの断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。
【図９】従来の水晶発振器に用いられる音叉形状の屈曲水晶振動子の斜視図とその座標系を示す。
【図１０】図９の音叉形状水晶振動子の音叉腕の断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 増幅回路
９ 帰還回路
Ｖ１ 入力電圧
Ｖ２ 出力電圧
Ｗ２ 溝幅
Ｗ 音叉腕の腕幅
Ｗ１，Ｗ３ 音叉腕の部分幅
Ｗ４ 音叉腕の間隔
Ｗ７ 音叉腕の中立線を含む部分幅
ｌ１ 溝の長さ
ｌ２ 音叉基部の長さ
ｌ 音叉形状の屈曲水晶振動子の全長
ｔ 音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚み
ｔ１ 溝の厚み
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕とを備えて構成され、屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子の製造方法で、
研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上面と下面の各々に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜の上にレジストを塗布する工程と、
前記音叉基部と前記第１音叉腕と前記第２音叉腕とを備えた音叉形状を形成する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又は前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面と前記音叉基部に溝を形成する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に電極を配置する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の第１側面とその第１側面に対抗する第２側面の各々に電極を配置する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、前記第１音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第２音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、前記第２音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第１音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含み、前記音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、前記音叉型屈曲水晶振動子の２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されていることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
【請求項２】
前記音叉型屈曲水晶振動子の前記基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が、前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２の水晶振動子の製造方法を備え、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記基本波モード振動において品質係数Ｑ１と周波数安定係数Ｓ１を備え、かつ、Ｓ１がＳ１＝ｒ１／２Ｑ１２によって定義され、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記２次高調波モード振動において品質係数Ｑ２と周波数安定係数Ｓ２を備え、かつ、Ｓ２がＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２によって定義され、Ｓ１がＳ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されていることを特徴とする水晶ユニットの製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２の水晶振動子の製造方法と、あるいは請求項３の水晶ユニットの製造方法と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２が３０より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程と、増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを準備する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記第１電極端子と前記第２電極端子を、前記増幅器と前記コンデンサーと前記抵抗素子に電気的に接続する工程とを備えていることを特徴とする水晶発振器の製造方法。
【請求項１】
音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕とを備えて構成され、屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子の製造方法で、
研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上面と下面の各々に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜の上にレジストを塗布する工程と、
前記音叉基部と前記第１音叉腕と前記第２音叉腕とを備えた音叉形状を形成する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に、又は前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面と前記音叉基部に溝を形成する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に電極を配置する工程と、
前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の第１側面とその第１側面に対抗する第２側面の各々に電極を配置する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の第１電極端子を形成するために、前記第１音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第２音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の第２電極端子を形成するために、前記第２音叉腕の上面と下面の少なくとも一面に形成された前記溝の面の上に配置された前記電極を、前記第１音叉腕の第１側面と第２側面の各々に配置された前記電極に接続する工程と、
前記音叉型屈曲水晶振動子の周波数を調整する工程と、を含み、前記音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の容量比ｒ１が、前記音叉型屈曲水晶振動子の２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されていることを特徴とする水晶振動子の製造方法。
【請求項２】
前記音叉型屈曲水晶振動子の前記基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が、前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２の水晶振動子の製造方法を備え、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記基本波モード振動において品質係数Ｑ１と周波数安定係数Ｓ１を備え、かつ、Ｓ１がＳ１＝ｒ１／２Ｑ１２によって定義され、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記２次高調波モード振動において品質係数Ｑ２と周波数安定係数Ｓ２を備え、かつ、Ｓ２がＳ２＝ｒ２／２Ｑ２２によって定義され、Ｓ１がＳ２より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法が決定されていることを特徴とする水晶ユニットの製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２の水晶振動子の製造方法と、あるいは請求項３の水晶ユニットの製造方法と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２が３０より小さくなるように、前記音叉形状と前記溝と前記電極の寸法を決定する工程と、増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを準備する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子の前記第１電極端子と前記第２電極端子を、前記増幅器と前記コンデンサーと前記抵抗素子に電気的に接続する工程とを備えていることを特徴とする水晶発振器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２８８３０６（Ｐ２０１０−２８８３０６Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７３９８９（Ｐ２０１０−１７３９８９）
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【分割の表示】特願２００７−１６８１４８（Ｐ２００７−１６８１４８）の分割
【原出願日】平成１５年１月１４日（２００３．１．１４）
【出願人】（５００５０５１９７）有限会社ピエデック技術研究所 (29)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【分割の表示】特願２００７−１６８１４８（Ｐ２００７−１６８１４８）の分割
【原出願日】平成１５年１月１４日（２００３．１．１４）
【出願人】（５００５０５１９７）有限会社ピエデック技術研究所 (29)
【Ｆターム（参考）】
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