JP2003273703A

JP2003273703A - 水晶振動子と水晶振動子の製造方法

Info

Publication number: JP2003273703A
Application number: JP2003040389A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Kawashima; 宏文川島
Original assignee: Piedek Technical Laboratory
Current assignee: Piedek Technical Laboratory
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子
で、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い水晶振動子を提供する事
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、基本波モード振動のフイガーオブメリットが高調波
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
振動子である。

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とを具えて構成される音叉形状の水
晶振動子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振動子で、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
振動子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の水晶振動子は音叉腕の上下面と側
面に電極が配置された音叉形状の屈曲水晶振動子がよく
知られている。図９には、この従来例の音叉形状の屈曲
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２
３０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。

【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１
０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。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５６−６
５５１７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と高調波モード振動での等価直列抵抗Ｒ_ｎ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で、それを具えた
水晶発振器が所望されていた。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屈曲水晶振
動子が所望されていた。さらに詳細には、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
定性より高い音叉形状の屈曲水晶振動子が所望されてい
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】即ち、本発明の水晶振動子の第１の態様
は、屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部とを具えて
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に溝
が設けられ、前記溝と前記音叉腕の側面に電極が配置さ
れ、前記溝の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、更に、前記音叉形
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Ｍ_１が高調波モード振動のフイガーオブメリッ
トＭ_ｎより大きい水晶振動子である。

【０００６】本発明の水晶振動子の製造方法の第１の態
様は、屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部とを具え
て構成される音叉形状の屈曲水晶振動子の製造方法で、
前記音叉腕は上面と下面と側面とを有し、前記音叉形状
の音叉腕に溝が設けられ、前記溝と前記音叉腕の側面に
電極が配置され、前記溝の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形成する工
程、と前記音叉形状の屈曲水晶振動子を表面実装型ある
いは円筒型のユニットに収納する工程、とを有し、前記
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Ｍ_１が高調波モード振動のフイガーオブ
メリットＭ_ｎより大きい水晶振動子の製造方法である。

【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で、しかも、音叉形状の溝と電極の
構成を改善し、高調波モード振動を抑え、基本波モード
で振動する水晶振動子を得る事ができる。

【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。

【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は本発明の第１実施例の屈
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２
０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。

【００１０】図２は、図１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２では
図１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。

【００１１】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２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。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３
３，３７が設けられているが、片面にのみ設けても良
い。

【００１２】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２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。

【００１３】図３は図１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３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２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
の高い水晶振動子が実現できる。

【００１４】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_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。

【００１５】これに対して、溝２１および溝２７の長さ
１_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１_２にまで延在し、基
部の溝の長さ１_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（１_１−
１_３）で与えられ、Ｒ_１の小さい振動子を得るために、
（１_１−１_３）／（１−１_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１
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１_１と全長
１との間には密接な関係が存在する。

【００１６】すなわち、音叉腕２０，２６又は音叉腕２
０，２６と音叉基部４０に設けられた溝の長１_１と音叉
形状の屈曲水晶振動子の全長１との比（１_１／１）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Ｒ_１が高調波モード振
動の等価直列抵抗Ｒ_ｎより小さくなる。即ち、Ｒ_１＜Ｒ
_ｎ（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、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１_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
（１_１／１）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（１_１／
１）を満足すれば良い。

【００１７】また、この実施例では、音叉基部４０は図
３中、振動子１０の長さ１_２の下側部分全体とされ、
又、音叉腕２０及び音叉腕２６は、図３中、振動子１０
の長さ１_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１_３＝０となる。また、本発
明で言う溝の長さ１_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１_３を含む長さが１_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１_１は音叉腕の溝の長さで
ある。

【００１８】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。

【００１９】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〜０．１２ｍ
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、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。

【００２０】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_８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。

【００２１】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Ｍ_１が高調波モード振動のフイガーオブメ
リットＭ_ｎより大きくなる。即ち、Ｍ_１＞Ｍ_ｎ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、Ｗ_２／Ｗ＝０．５、ｔ
_１／ｔ＝０．３４、１_１／１＝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
Ｍ_１、Ｍ_２はそれぞれＭ_１＞６５、Ｍ_２＜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ｒ
_１と等価直列抵抗Ｒ_１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〜＋１０
０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整される。

【００２２】図４は本発明の第２実施例の屈曲モードで
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４
６，４７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Ｗ_２
と長さ１_１を有する。更に詳述するならば、溝の面積Ｓ
＝Ｗ_２×１_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、出力信号が基本波モード振動の周波数
である水晶発振器が実現できる。

【００２３】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〜０．１５ｍ
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（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４
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。

【００２４】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、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４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１_１と音叉
振動子の全長１との関係は図３と同様な関係を有する。

【００２５】図５は本発明の第１実施例又は第２実施例
の水晶振動子を収納した水晶ユニットの一実施例の断面
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１と
図４で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１
０、４５の内の一個と同じ振動子である。又、水晶発振
器を構成する場合には、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。

【００２６】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。

【００２７】図６は本発明の水晶振動子を搭載した水晶
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
信号はバッフア回路（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
数がバッフア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
回路とバッフア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既に図１から図
４で詳述されている。

【００２８】図７は図６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、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。

【００２９】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、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。また、本実施例の屈
曲水晶振動子を搭載した水晶発振器の負荷容量Ｃ_Ｌは、
消費電流を低減するために１８ｐＦ以下が用いられる。

【００３０】更に、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＝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｜−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
回路の高調波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ
｜と高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎ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_ｎ｜／Ｒ_ｎ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。

【００３１】図８は本発明の第１実施例又は第２実施例
の水晶振動子を搭載した水晶発振器の一実施例の断面図
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Ｃ
ＭＯＳインバータが用いられる。

【００３２】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１と図４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。

【００３３】次に、本発明の水晶振動子の製造方法につ
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。

【００３４】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。

【００３５】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−９
０００ＰＰＭ〜＋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。

【００３６】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。

【００３７】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とドレイン
側のコンデンサ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。

【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
例と第２実施例の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。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。

【００３９】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Ｗ_７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ｔ_１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、Ｍ_１をＭ_ｎより大きくする事ができる。

【００４０】更に、第１実施例と第２実施例の音叉形状
の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での容量比ｒ_１は
２次高調波モード振動での容量比ｒ_２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Ｃ_Ｌ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、
例えば、負荷容量Ｃ_Ｌ＝１８ｐＦのとき、そのＣ_Ｌ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Ｃ_Ｌ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、本実施例の音叉形状の屈曲水晶
振動子を用いることにより安価な水晶発振器が得られ
る。

【００４１】また、音叉形状の屈曲水晶振動子の容量比
ｒ_１、ｒ_２はそれぞれｒ_１＝Ｃ_０／Ｃ_１、ｒ_２＝Ｃ_０／
Ｃ_２で与えられる。但し、Ｃ_０は等価回路の並列容量
で、Ｃ_１とＣ_２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Ｑ_１値とＱ_２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、ｒ_１／２
Ｑ_１ ^２＜ｒ_２／２Ｑ_２ ^２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、ｒ_１／２Ｑ_１ ^２とｒ_２／２Ｑ_２ ^２をそれぞれＳ_１と
Ｓ_２と置き、Ｓ_１とＳ_２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、
Ｓ_１＝ｒ_１／２Ｑ_１ ^２とＳ_２＝ｒ_２／２Ｑ_２ ^２で与えら
れる。

【００４２】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。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の水晶振動子
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Ｍ_１が高調波モード振動のフイガ
ーオブメリットＭ_ｎより大きいので、高い周波数安定性
を有する基本波モードで振動する水晶振動子が得られ
る。（２）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。（３）基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ_１が
高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ_ｎより大き
い音叉形状の屈曲水晶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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の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２】図１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３】図１の音叉形状の屈曲水晶振動子の上面図を
示す。

【図４】本発明の第２実施例の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５】本発明の第１実施例又は第２実施例の音叉形
状の屈曲水晶振動子を収納した水晶ユニットの一実施例
の断面図である。

【図６】本発明の音叉形状の屈曲水晶振動子を搭載し
た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７】図７は図６の帰還回路図を示す。

【図８】図８は本発明の第１実施例又は第２実施例の
音叉形状の屈曲水晶振動子を搭載した水晶発振器の一実
施例の断面図を示す。

【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】

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Ｗ_７音叉腕の中立線を含む部分幅１_１溝の長さ１_２音叉基部の長さ１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

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部
と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
音叉腕に溝が設けられ、前記溝と前記音叉腕の側面に電
極が配置され、前記溝の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、更に、
前記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Ｍ_１が高調波モード振動のフイガー
オブメリットＭ_ｎより大きい事を特徴とする水晶振動
子。
【請求項２】屈曲モードで振動する音叉腕と音叉基部
とを具えて構成される音叉形状の屈曲水晶振動子の製造
方法で、前記音叉腕は上面と下面と側面とを有し、前記
音叉形状の音叉腕に溝が設けられ、前記溝と前記音叉腕
の側面に電極が配置され、前記溝の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形成
する工程、と前記音叉形状の屈曲水晶振動子を表面実装
型あるいは円筒型のユニットに収納する工程、とを有
し、前記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Ｍ_１が高調波モード振動のフイ
ガーオブメリットＭ_ｎより大きい事を特徴とする水晶振
動子の製造方法。