JP2003229721A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力信号が基本波モード振動の周波数で等価
直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値が高い超小型の音
叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器を提供する
事にある。 【解決手段】 音叉腕と音叉基部とを具えて構成され、
前記音叉腕又は前記音叉腕と前記音叉基部の上下面に溝
を設け、これらの溝の側面部に電極を配置した水晶振動
子を具えて、且つ、基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ
_１が２次高調波モード振動のＲ_２より小さく、更に、増
幅回路の増幅率と帰還回路の帰還率との関係により、出
力信号が基本波モードの周波数である水晶発振器が実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は屈曲モードで振動す
る音叉腕と音叉基部から成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から構成される水晶発振器に
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。

【０００２】

【従来の技術】従来の水晶発振器は増幅器とコンデンサ
ーと抵抗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２０１，２０
２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２０００−２２３９
９２（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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】音叉型屈曲水晶振動子
では、電界成分Ｅｘが大きいほど損失等価直列抵抗Ｒ_１
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、損失等価直列抵抗Ｒ
_１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。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Ｒ_１と２次高調波モード
振動での等価直列抵抗Ｒ_２との関係及びフィガーオブメ
リットＭについては全く開示されていない。と同時に、
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２次高調波振動の周波数
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、衝撃や振動などの影響を受けない２次高調
波振動を抑えた基本波振動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。
と同時に、水晶発振器の消費電流を低減するために、負
荷容量Ｃ_Ｌを小さくしても基本波モードで、屈曲振動す
る超小型で、等価直列抵抗Ｒ_１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水晶振動子を具え
た水晶発振器が所望されていた。

【０００４】

【課題を解決するための手段】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を提供することを
目的とするものである。

【０００５】即ち、本発明の水晶発振器の第１の態様
は、水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗とを具え
て構成される水晶発振器において、前記水晶振動子は屈
曲モードで振動する音叉腕と音叉基部から成る音叉形状
の水晶振動子で構成され、前記増幅器はＰチャンネルＭ
ＯＳとＮチャンネルＭＯＳから成るＣＭＯＳインバータ
で構成され、前記音叉形状の音叉腕の中立線を挟んだ幅
方向中央部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電極を構成し、音叉腕に生ず
る２次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Ｗ_２と音叉腕
幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜０．９５で、さら
に前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／
ｔ）が０．０１〜０．７９となるように溝が形成され、
前記音叉形状の屈曲水晶振動子は表面実装型あるいは円
筒型のユニットに収納されていて、前記音叉形状の振動
子の基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_１が２次高調波
モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２より小さく、かつ、基本
波モード振動のフイガーオブメリットＭ_１が２次高調波
モード振動のフイガーオブメリットＭ_２より大きい振動
子を具えて前記水晶発振器は構成されると共に、増幅回
路と帰還回路を具えて構成される前記水晶発振器の増幅
回路の基本波モード振動の増幅率α_１と２次高調波モー
ド振動の増幅率α_２との比が帰還回路の２次高調波モー
ド振動の帰還率β_２と基本波モード振動の帰還率β_１と
の比より大きく、かつ、前記基本波モード振動の増幅率
α_１と前記基本波モード振動の帰還率β_１の積が１より
大きくなるように前記水晶発振器は構成され、前記音叉
形状の振動子から成る前記水晶発振器の出力信号が基本
波モード振動の周波数で出力される水晶発振器である。

【０００６】本発明の水晶発振器の第２の態様は、音叉
腕の間隔Ｗ_４が０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍに成るよう
に間隔を構成し、帰還回路の負荷容量Ｃ_Ｌが７ｐＦより
小さく、前記音叉腕又は前記音叉腕と前記音叉基部に設
けられた溝の長さｌ_１と前記音叉形状の水晶振動子の全
長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜０．７８の範囲内に
有り、かつ、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の
絶対値｜−ＲＬ_１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗
Ｒ_１との比が増幅回路の２次高調波モード振動の負性抵
抗の絶対値｜−ＲＬ_２｜と２次高調波モード振動の等価
直列抵抗Ｒ_２との比より大きくなるように発振器が構成
されている第１の態様に記載の水晶発振器である。

【０００７】

【作用】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、２次高調波振動を抑え、基
本波振動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Ｒ_１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。

【０００９】

【本発明の実施の形態】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。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。このような回路素子か
ら本実施例の水晶発振回路は構成されている。即ち、水
晶発振器を構成する水晶発振回路１は増幅回路８と帰還
回路９から構成されている。又、本発明の水晶発振器に
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
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ω
_ｉ、ドレイン抵抗７の抵抗をＲ_ｄ、コンデンサー５、６
の容量をＣ_ｇ、Ｃ_ｄ、水晶のクリスタルインピーダンス
をＲ_ｅｉ，入力電圧をＶ_１，出力電圧をＶ_２とすると、
帰還率βはβ＝｜Ｖ_２｜／｜Ｖ_１｜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。更に、負荷容量Ｃ_ＬはＣ_Ｌ＝Ｃ_ｇＣ_ｄ／（Ｃ_ｇ
＋Ｃ_ｄ）で与えられ、Ｃ_ｇ＝Ｃ_ｄ＝Ｃ_ｇｓとＲｄ＞＞Ｒ
_ｅｉとすると、帰還率βはβ＝１／（１＋ｋＣ_Ｌ ^２）で
与えられる。但し、ｋはω_ｉ、Ｒ_ｄ、Ｒ_ｅｉの関数で表
される。又、Ｒ_ｅｉは近似的に等価直列抵抗Ｒ_ｉに等し
くなる。

【００１１】このように、帰還率βと負荷容量Ｃ_Ｌの関
係から明らかなように、負荷容量Ｃ_Ｌ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Ｃ_Ｌが小さくなると、基本波モード振動よりも
２次高調波モード振動の方が発振し易くなる。その理由
は２次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、出力周波数が基本波振動モードの周波数で
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、負荷容量Ｃ_Ｌは７ｐ
Ｆ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、Ｃ_Ｌ＝６ｐＦ以下が好
ましい。ここで言う、容量Ｃ_ｇ、Ｃ_ｄは回路の浮遊容量
を含んだ数値である。また、２次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、α_１／α_２＞β_２／β_１とα_１β_１＞１を
満足するように本実施例の発振回路は構成される。但
し、α_１、α_２は基本波モード振動と２次高調波モード
振動の増幅回路の増幅率で、β_１、β_２は基本波モード
振動と２次高調波モード振動の帰還回路の帰還率であ
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α_１と２次高調波モード振動の増幅率α_２
との比が帰還回路の２次高調波モード振動の帰還率β_２
と基本波モード振動の帰還率β_１との比より大きく、か
つ、基本波モード振動の増幅率α_１と基本波モード振動
の帰還率β_１の積が１より大きくなるように構成され
る。このように構成することにより、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。

【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−ＲＬ_ｉ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＝２のとき２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｜−ＲＬ_１｜と基本波モード振
動の等価直列抵抗Ｒ_１との比が増幅回路の２次高調波モ
ード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_２｜と２次高調波
モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２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、｜−ＲＬ_１｜／
Ｒ_１＞｜−ＲＬ_２｜／Ｒ_２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、
２次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１
０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。更に、音叉腕２０の上面には中立線を挟んで溝
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。

【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３
２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。さらに
詳述すると、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ｔ_１を有している。ここで言う厚
みｔ_１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が図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ｔ_１と音叉腕又は音叉腕と音叉基
部の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９と
なるように形成されている。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４
０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Ｒ_１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１
０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Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値
の高い水晶振動子を実現できる。

【００２０】更に、音叉腕２０，２６の全幅ＷはＷ＝Ｗ
_１＋Ｗ_２＋Ｗ_３で与えられ、通常はＷ_１とＷ_３の一部又
は全部がＷ_１＝Ｗ_３となるように構成される。又、溝幅
Ｗ_{２はＷ ２}≧Ｗ_１，Ｗ_３を満足する条件で構成される。
更に、具体的に述べると、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比
（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜０．９５で、溝の厚みｔ_１と
音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ_１／
ｔ）が０．０１〜０．７９となるように形成されてい
る。このように形成することにより、音叉腕の中立線４
１と４２を基点とする２次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Ｒ_１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
ｌ_１について本実施例では、溝２１，２７が音叉腕２
０，２６から音叉基部４０の長さｌ_２にまで延在し、基
部の溝の長さｌ_３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（ｌ_１−
ｌ_３）で与えられ、Ｒ_１の小さい振動子を得るために、
（ｌ_１−ｌ_３）／（ｌ−ｌ_２）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。と同時に、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ｌ_１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２
０，２６と音叉基部４０とに設けられた溝の長さｌ_１と
音叉形状の屈曲水晶振動子の全長ｌとの比（ｌ_１／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、特に、不要振動である
２次高調波振動（基本波周波数の約６．３倍の周波数）
を抑圧する事ができると共に基本波モード振動の短期周
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Ｒ_１が
２次高調波振動での等価直列抵抗Ｒ_２より小さくなる。
即ち、Ｒ_１＜Ｒ_２となり、増幅器（ＣＭＯＳインバー
タ）、コンデンサ、抵抗、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ｌ_１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（ｌ_１
／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ｌ_２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ｌ_２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ｌ_３＝０となる。また、本発
明で言う溝の長さｌ_１とは溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚み
ｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９となるよう
に形成されていて、溝幅Ｗ_２と音叉腕の幅Ｗとの比（Ｗ
_２／Ｗ）が０．３５〜０．９５となるように形成されて
いる溝の長さである。

【００２４】換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立
線を挟んだ幅方向中央部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２次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Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜
０．９５でさらに前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔと
の比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９となるように溝
が形成されている。

【００２５】 を満足するように構成され、間隔Ｗ_４は０．０５ｍｍ〜
０．３５ｍｍで、溝幅Ｗ_２は０．０３ｍｍ〜０．０６８
ｍｍの値を有する。このように構成する理由は超小型の
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２次高調波モー
ド振動の周波数安定性より高くすることができる。

【００２６】更に詳述するならば、振動子の誘導性と電
気機械変換効率と品質係数を表すフイガーオブメリット
Ｍ_ｉは品質係数Ｑ_ｉ値と容量比ｒ_ｉの比（Ｑ_ｉ／ｒ_ｉ）
によって定義され（ｉ＝１のとき基本波振動、ｉ＝２の
とき２次高調波振動、ｉ＝３のとき３次高調波振動）、
振動子の短期周波数安定性は振動子のフイガーオブメリ
ットＭ_ｉに反比例し、その値Ｍ_ｉが大きい程、振動子の
短期周波数安定性は良くなる。そして、例えば、基本波
モード振動の周波数が３２．７６８ＫＨｚの場合、前記
音叉形状と溝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Ｍ_１が２次と３次高調波モー
ド振動のフイガーオブメリットＭ_２、Ｍ_３より大きくな
る。本実施例ではＭ_１、Ｍ_２、Ｍ_３はそれぞれＭ_１＞５
０、Ｍ_２＜３０、Ｍ_３＜１８となる。その結果、基本波
モード振動の短期周波数安定性が２次と３次高調波モー
ド振動の短期周波数安定性より良くなる。と同時に、２
次と３次高調波モード振動を抑圧することができる。ま
た、本発明の基本波モード振動の基準周波数は１０ＫＨ
ｚ〜２００ＫＨｚが用いられる。

【００２７】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４
６、４７には中立線５１、５２を挟んで溝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Ｗ_２と長さｌ_１を有する。更に詳述するな
らば、溝の面積Ｓ＝Ｗ_２×ｌ_１で示し、Ｓは０．０２５
〜０．１２ｍｍ^２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、出力信号が基本波振
動モードの周波数である水晶発振器が実現できる。

【００２８】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Ｗ_２と
音叉腕の間隔Ｗ_４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〜０．１２ｍ
ｍのとき、溝幅Ｗ_２が０．０２ｍｍ〜０．０６８ｍｍの
範囲内に、更に、面積Ｓは０．０２３ｍｍ^２〜０．０８
８ｍｍ^２の範囲内にあり、間隔Ｗ_４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。

【００２９】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Ｗ_５で与えられ、切
り欠き部５３、５４の端部側の寸法はＷ_６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、 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幅Ｗ、Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３と間
隔Ｗ_４及び溝の長さｌ_１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。

【００３０】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７
１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屈
曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子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ケース内に収納さ
れている。この時、屈曲水晶振動子は真空中のケース内
に収納されている。

【００３１】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。

【００３２】図８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）を具えて構成されていて、増幅器９８はＣ
ＭＯＳインバータが用いられる。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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〜＋５
０００ｐｐｍ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、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−５０ｐｐｍ〜＋５
０ｐｐｍの範囲内にあるように周波数調整がなされる。

【００３７】更に、周波数調整後、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
−３０ｐｐｍ〜＋３０ｐｐｍ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回行
われるが、少なくとも２回行えば良い。例えば、第３回
目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と抵
抗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からなり、帰還回路は音
叉形状の屈曲水晶振動子とドレイン抵抗とゲート側のコ
ンデンサとドレイン側のコンデンサからなるように接続
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。

【００３８】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（ｔ_１＝０）
を設けてもよい。又は、音叉基部に溝と貫通穴を設けて
も良い。又、本実施例の音叉腕に設けられた溝に連結す
る音叉基部の溝を貫通穴になるように構成してもよく、
溝又は貫通穴の側面に電極を配置し、その電極と対抗す
る側面に前記電極と極性の異なる電極を配置することに
より、既に述べられたのと同様な効果が得られる。

【００３９】更に、本実施例で示された図４では、音叉
腕と音叉基部に大略同じ深さの溝を設けているが、本発
明はこれに限定されるものではなく、例えば、音叉基部
に全て溝を設け、叉部の下側の溝の厚みとその両側の溝
の厚みを変えても良い。即ち、異なる厚みを有する溝を
設けても良い。一例として、音叉基部の中央部の溝の厚
みをその両側の溝の厚みより小さく、あるいは大きくな
るように形成しても良い。他の例としては、音叉腕に設
けられた溝の深さを変えても良い。特に、複数個の音叉
形状の屈曲水晶振動子が接続部を介して音叉基部で接続
され、且つ、それらの振動子が電気的に並列に接続され
るときには、各振動子の音叉腕の溝の厚み（深さ）を変
えることにより、各振動子の頂点温度を変えることがで
き、周波数温度特性の改善ができる。

【００４０】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Ｒ_１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。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の水晶発振器
を提供する事により、特に、次の如き著しい効果が得ら
れる。 （１）音叉基部に複数個の溝を設け、且つ、それらの側
面に極性の異なる電極が配置されているので、電界が垂
直に働く。その結果、電気機械変換効率が良くなるの
で、等価直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値の高い音
叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が得られ
る。 （２）溝幅と音叉腕幅の寸法と溝の厚みと音叉腕の厚み
の寸法との関係の最適化を図ることにより、２次慣性モ
ーメントが大きくなる。即ち、等価直列抵抗Ｒ_１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
曲水晶振動子を具えた水晶発振器が実現できる。 （３）音叉形状の振動子の基本波モード振動の等価直列
抵抗Ｒ_１が２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２よ
り小さく、かつ、基本波モード振動のフイガーオブメリ
ットＭ_１が２次高調波モード振動のフイガーオブメリッ
トＭ_２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増幅率α_１と
２次高調波モード振動の増幅率α_２との比が帰還回路の
２次高調波モード振動の帰還率β_２と基本波モード振動
の帰還率β_１との比より大きく、かつ、前記基本波モー
ド振動の増幅率α_１と前記基本波モード振動の帰還率β
_１の積が１より大きくなるように構成されているの
で、、負荷容量が小さくても、水晶発振器の出力信号が
基本波モード振動の周波数が出力として得られる。と同
時に、消費電流の少ない水晶発振器が実現できる。 （４）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、安価な音叉形状の屈曲水晶振動子が
得られる。と同時に、それを具えた安価な水晶発振器が
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【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】

１ 増幅回路 ９ 帰還回路 Ｖ_１ 入力電圧 Ｖ_２ 出力電圧 ２０，２６，４６，４７音叉腕 Ｗ_２ 溝幅 Ｗ 音叉腕の全幅 Ｗ_１，Ｗ_３ 音叉腕の部分幅 Ｗ_４ 音叉腕の間隔 ｌ_１ 溝の長さ ｌ_２ 音叉基部の長さ ｌ 音叉形状の屈曲水晶振動子の全長 ｔ 音叉形状の屈曲水晶振動子の厚み ｔ_１ 溝の厚み

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵
   抗とを具えて構成される水晶発振器において、前記水晶
   振動子は屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部から成
   る音叉形状の水晶振動子で構成され、前記増幅器はＰチ
   ャンネルＭＯＳとＮチャンネルＭＯＳから成るＣＭＯＳ
   インバータで構成され、前記音叉形状の音叉腕の中立線
   を挟んだ幅方向中央部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電極を構成し、音
   叉腕に生ずる２次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Ｗ
   _２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜０．９
   ５で、さらに前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比
   （ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９となるように溝が形
   成され、前記音叉形状の屈曲水晶振動子は表面実装型あ
   るいは円筒型のユニットに収納されていて前記音叉形状
   の振動子の基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_１が２次
   高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２より小さく、か
   つ、基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ_１が２
   次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ_２より大
   きい振動子を具えて前記水晶発振器は構成されると共
   に、増幅回路と帰還回路を具えて構成される前記水晶発
   振器の増幅回路の基本波モード振動の増幅率α_１と２次
   高調波モード振動の増幅率α_２との比が帰還回路の２次
   高調波モード振動の帰還率β_２と基本波モード振動の帰
   還率β_１との比より大きく、かつ、前記基本波モード振
   動の増幅率α_１と前記基本波モード振動の帰還率β_１の
   積が１より大きくなるように前記水晶発振器は構成さ
   れ、前記音叉形状の振動子から成る前記水晶発振器の出
   力信号が基本波モード振動の周波数であることを特徴と
   する水晶発振器。
2. 【請求項２】 音叉腕の間隔Ｗ_４が０．０５ｍｍ〜０．
   ３５ｍｍに成るように間隔を構成し、帰還回路の負荷容
   量Ｃ_Ｌが７ｐＦより小さく、前記音叉腕又は前記音叉腕
   と前記音叉基部に設けられた溝の長さｌ_１と前記音叉形
   状の水晶振動子の全長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜
   ０．７８の範囲内に有り、かつ、増幅回路の基本波モー
   ド振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_１｜と基本波モード
   振動の等価直列抵抗Ｒ_１との比が増幅回路の２次高調波
   モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_２｜と２次高調
   波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２との比より大きくなる
   ように発振器が構成されている事を特徴とする請求項１
   に記載の水晶発振器。