JP2003273701A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２次高調波モード振動の周波数で出力信号が高
い周波数安定性を有する水晶発振器、又は基本波モード
振動の周波数で出力信号が出力される水晶発振器を提供
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
又は貫通穴を設け、これらの溝又は貫通穴の側面部に電
極を配置し、その電極に対抗して音叉腕の側面に極性の
異なる電極を配置した音叉形状の屈曲水晶振動子で、か
つ、２次高調波モード振動のフイガーオブメリットが基
本波モード振動のフイガーオブメリットより大きくなる
水晶振動子から成る水晶発振回路を具えて構成される水
晶発振器である。と同時に、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２次高調
波モードの周波数である水晶発振器が高精度で実現でき
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２次高調波モード又
は基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子か
らなる水晶発振回路を具えて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、２次高
調波モード振動又は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２０００−２２
３９９２（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】音叉形状の屈曲水晶振
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形状の屈曲水晶振動子は、
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、例えば、屈曲振動の周波数としては比
較的高い周波数（１２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）で、時
間基準として高精度な、即ち、高い周波数安定性を有す
る屈曲水晶振動子を得ることが課題として残されてい
た。また、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２次高調波モー
ド振動での等価直列抵抗Ｒ_２と基本波モード振動での等
価直列抵抗Ｒ_１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。それ故、基本波モード振動を抑えた２次高調波モー
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、又は２次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。

【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２次高調波モード又は基本
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、増幅回路と帰還回路を具えて構成され、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
水晶振動子とコンデンサーから構成されている水晶発振
回路を具えた水晶発振器で、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を具えて構成される音叉
形状の屈曲水晶振動子で、前記音叉腕は上面と下面と側
面とを有し、前記音叉形状の音叉腕の上面と下面に溝が
設けられ、前記溝の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の側面の電極とが互
いに異極で、かつ、前記音叉腕が逆相で振動するように
溝と電極を構成し、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、
前記音叉形状の屈曲水晶振動子の２次高調波モード振動
のフイガーオブメリットＭ_２が基本彼モード振動のフイ
ガーオブメリットＭ_１より大きい屈曲水晶振動子を具え
て前記水晶発振器は構成されてい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、増幅
回路の２次高調波モード振動の増幅率α_２と基本波モー
ド振動の増幅率α_１との比が帰還回路の基本波モード振
動の帰還率β_１と２次高調波モード振動の帰還率β_２と
の比より大きく、かつ、２次高調波モード振動の増幅率
α_２と２次高調波モード振動の帰還率β_２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ている第１
の態様に記載の水晶発振器である。

【０００７】本発明の水晶発振器の第３の態様は、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
うに前記水晶発振器は構成されている第１の態様に記載
の水晶発振器である。

【０００８】本発明の水晶発振器の第４の態様は、増幅
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前記水晶発振器は構成されている
第１の態様に記載の水晶発振器である。

【０００９】

【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、基本波モード振動を抑え、
２次高調波モードで振動する周波数を出力する水晶発振
器又は２次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が実現できる。

【００１０】

【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。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。詳細には、本実施例の水晶発振器は、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水晶発振回路を
具えて構成されている。本実施例では、２次高調波モー
ドで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子、又は基本波モ
ードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子が用いられ
る。更に、２次高調波モード振動又は基本波モード振動
の周波数の出力信号はバッフア回路を通してドレイン側
から出力される。通常、本発明の２次高調波モード振動
の周波数は１２０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚが用いられ、ま
た、基本波モード振動の周波数は１０ｋＨｚ〜２００ｋ
Ｈｚが用いられ、前記出力信号の周波数には分周回路又
は逓倍回路によって分周又は逓倍された周波数も含まれ
る。又、本発明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。

【００１１】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_ｉはβ_ｉ＝｜Ｖ_２｜_ｉ／｜Ｖ_１｜_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_ｉはβ_ｉ
＝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。

【００１２】このように、帰還率β_ｉと負荷容量Ｃ_Ｌと
の関係から、負荷容量Ｃ_Ｌが小さくなると、２次高調波
モード振動と基本波モード振動の共振周波数の帰還率は
それぞれ大きくなる。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。しかしながら、従来の振
動子と従来の水晶発振器の構成では、Ｃ_Ｌを小さくして
も、２次高調波モードで持続して振動する補償はなく、
例えば、衝撃等により２次高調波モード振動から基本波
モード振動に移ることが問題として存在している。ま
た、その逆も問題として存在している。

【００１３】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、２次高調波モード振動又は基本波モー
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、負
荷容量Ｃ_Ｌは１８ｐＦ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＝１４ｐＦ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、例え
ば、基本波モードの振動を抑えて、水晶発振器の出力信
号が２次高調波モード振動の周波数を得るために、α_２
／α_１＞β_１／β_２とα_２β_２＞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ている。但し、α_２と
α_１はそれぞれ２次高調波モード振動と基本波モード振
動の増幅回路の増幅率で、β_２とβ_１はそれぞれ２次高
調波モード振動と基本波モード振動の帰還回路の帰還率
である。

【００１４】換言するならば、増幅回路の２次高調波モ
ード振動の増幅率α_２と基本波モード振動の増幅率α_１
との比が帰還回路の基本波モード振動の帰還率β_１と２
次高調波モード振動の帰還率β_２との比より大きく、か
つ、２次高調波モード振動の増幅率α_２と２次高調波モ
ード振動の帰還率β_２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２次高調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。

【００１５】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との比が増幅回路の基本
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との比より大きくなるよ
うに発振回路が構成される。即ち、｜−ＲＬ_２｜／Ｒ_２
＞｜−ＲＬ_１｜／Ｒ_１を満足するように構成される。こ
のような水晶発振回路の構成により、基本波モード振動
の発振起動が抑えられるので、２次高調波モード振動の
周波数が出力信号として得られる。

【００１６】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。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、通常は、−１０〜＋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。

【００１７】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。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。

【００１８】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．
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。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。

【００１９】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_２の小さい、
品質係数Ｑ値の高い２次高調波モードで振動する音叉形
状の屈曲水晶振動子が得られる。

【００２０】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_２の小さい、品質係数Ｑ値
の高い水晶振動子が実現できる。

【００２１】更に、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と溝幅Ｗ_２とする
と、音叉腕２０，２６の腕幅ＷはＷ＝ 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、本実施例では、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗと
の比（Ｗ_２／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ｔ_１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（ｔ_１／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Ｒ_２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。

【００２２】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、かつ、前記溝に連続的に電極が配置
され、２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２の小さ
い振動子を得るためには、（ｌ_１−ｌ_３）／（ｌ−
ｌ_２）が０．７５〜０．９の値を有する。これに対し
て、前記溝に極性の異なる電極を配置し、等価直列抵抗
Ｒ_２の小さい振動子を得るためには、（ｌ_１−ｌ_３）／
（ｌ−ｌ_２）が０．４５〜０．８５の値を有する。詳細
には、溝の側面の電極とその電極に対抗して極性の異な
る電極が音叉腕の側面に配置されている。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。

【００２３】詳述するならば、２次高調波モードで振動
する音叉形状の屈曲水晶振動子の等価直列抵抗Ｒ_２が基
本波モード振動での等価直列抵抗Ｒ_１より小さくなる。
即ち、Ｒ_２＜Ｒ_１となり、増幅器（ＣＭＯＳインバー
タ）、コンデンサ、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
２次高調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。

【００２４】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、音叉腕にのみ溝が設けられ
ている時には、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／
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ｌ_３を含む長さがｌ_１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ｌ_１は音叉腕の溝の長さで
ある。

【００２５】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Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が
０．３５より大きく、１より小さく、且つ、前記溝の厚
みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．７９
より小さくなるように溝が形成されている。

【００２６】 を満足するように構成され、間隔Ｗ_４は０．０６ｍｍ〜
０．２５ｍｍで、溝幅Ｗ_２は０．０３ｍｍ〜０．１３ｍ
ｍ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、２次高調波モード振動の周波数安定性が基本
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〜０．１５ｍ
ｍの水晶ウエハが用いられる。

【００２７】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Ｍ_ｉは屈曲水晶振動子の品質係数Ｑ_ｉ
値と容量比ｒ_ｉの比（Ｑ_ｉ／ｒ_ｉ）によって定義され
る。即ち、Ｍ_ｉ＝Ｑ_ｉ／ｒ_ｉ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ｆ_ｓと並列容量に依存する直列共
振周波数ｆ_ｒの周波数差Δｆは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Δｆは小さくな
る。従って、Ｍ_ｉ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。

【００２８】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、２次高調波モード振動のフイガーオ
ブメリットＭ_２が基本波モード振動のフイガーオブメリ
ットＭ_１より大きくなる。即ち、Ｍ_２＞Ｍ_１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ｒ_２
と等価直列抵抗Ｒ_２の小さい）、品質係数の大きい２次
高調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、２次高調波モード振動の周波数安定性
が基本波モード振動の周波数安定性より良くなると共
に、基本波モード振動を抑圧することができる。

【００２９】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（含む）溝４
９、５０が設けられている。更に、本実施例では溝４
９、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。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腕幅Ｗ、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３、
溝幅Ｗ_２と間隔Ｗ_４及び溝の長さｌ_１との関係は図５で
述べられている関係と同じであるので、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、屈曲水晶振動子
は表面実装型のユニットに収納されているが、円筒型の
ユニットに収納しても良い。即ち、表面実装型の水晶ユ
ニットと円筒型の水晶ユニットである。又、本実施例の
ユニットには、後述される基本波モードで振動する音叉
形状の屈曲水晶振動子も収納される。

【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の中の振動子か、後述される基本波モー
ドで振動する音叉形状の屈曲水晶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。即ち、２次高調波モードで振動する。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１２０ｋＨｚ
〜５００ｋＨｚ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。

【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−９
５０ＰＰＭ〜＋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、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。

【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（ｔ_１＝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。

【００４１】また、本実施例では、２次高調波モードで
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
で、その出力信号が２次高調波モード振動の周波数であ
る水晶発振器について主に述べたが、本発明はこれに限
定されるものでなく、本発明は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をも包含するものであ
る。この場合、Ｍ２＞Ｍ１の関係を有し、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。即ち、α_１／α_２＞β_２／β_１とα_１β_１
＞１を満足するように水晶発振回路は構成される。この
ような構成により、基本波モード振動の周波数がバッフ
ア回路を通して出力信号として得られる。

【００４２】又は、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水晶発
振回路が構成される。即ち、｜−ＲＬ_１｜／Ｒ_１＞｜−
ＲＬ_２｜／Ｒ_２を満足するように構成される。このよう
な水晶発振回路の構成により、２次高調波モード振動の
発振起動が抑えられるので、基本波モード振動の周波数
が出力信号として得られる。しかし、前述したＭ２＞Ｍ
１の関係を有する水晶発振回路の基本波モード振動の出
力信号の周波数は、Ｍ１＞Ｍ２の関係を有し、構成して
得られる水晶発振器の基本波モード振動の出力信号の周
波数よりその安定性が劣ることは言うまでもない。

【００４３】更に、基本波モードで振動する音叉形状の
屈曲水晶振動子の基準となる周波数は既に述べたよう
に、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが使用される。また、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の側面の電極とが
互いに異極となるように電極が構成されていて、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Ｗ_２と音叉
腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／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ｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）
が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０
１〜０．７９となるように溝が音叉腕に形成されてい
る。

【００４４】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。

【００４５】

【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）２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ
_２が基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ_１より
大きい水晶振動子を具えて水晶発振器は構成されるの
で、等価直列抵抗Ｒ_２の小さい、２次高調波モード振動
の周波数が得られると共に、高い周波数安定性（高い時
間精度）を有する水晶発振器が実現できる。 （２）音叉形状の屈曲水晶振動子の２次高調波モード振
動のフイガーオブメリットＭ_２が基本波モード振動のフ
イガーオブメリットＭ_１より大きい水晶振動子を具えて
水晶発振器は構成され、更に、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との比が増幅回路の基
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との比より大きくなる
ように構成されているので、水晶発振器の出力信号は、
２次高調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】

１ 増幅回路 ９ 帰還回路 Ｖ_１ 入力電圧 Ｖ_２ 出力電圧 Ｗ_２ 溝幅 Ｗ 音叉腕の腕幅 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 音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚み ｔ_１ 溝の厚み

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 増幅回路と帰還回路を具えて構成され、
   増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は
   少なくとも水晶振動子とコンデンサーから構成されてい
   る水晶発振回路を具えた水晶発振器で、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を具えて構成
   される音叉形状の屈曲水晶振動子で、前記音叉腕は上面
   と下面と側面とを有し、前記音叉形状の音叉腕の上面と
   下面に溝が設けられ、前記溝の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の側面の
   電極とが互いに異極で、かつ、前記音叉腕が逆相で振動
   するように溝と電極を構成し、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、前記音叉形状の屈曲水晶振動子の２次高調波
   モード振動のフイガーオブメリットＭ_２が基本波モード
   振動のフイガーオブメリットＭ_１より大きい屈曲水晶振
   動子を具えて前記水晶発振器は構成されている事を特徴
   とする水晶発振器。
2. 【請求項２】 増幅回路の２次高調波モード振動の増幅
   率α_２と基本波モード振動の増幅率α_１との比が帰還回
   路の基本波モード振動の帰還率β_１と２次高調波モード
   振動の帰還率β_２との比より大きく、かつ、２次高調波
   モード振動の増幅率α_２と２次高調波モード振動の帰還
   率β_２の積が１より大きくなるように前記水晶発振器は
   構成されている事を特徴とする請求項１に記載の水晶発
   振器。
3. 【請求項３】 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前記水晶発振器は構成され
   ている事を特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。
4. 【請求項４】 増幅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前記水晶発振
   器は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。