JP2005039768A - 水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 基本波モード振動の周波数で高い周波数安定性（時間精度）を有し、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と、それを備えて構成される水晶ユニットと、出力信号が高安定の発振周波数を有する水晶発振器を提供することにある。
【解決手段】 音叉腕と音叉基部とを具えて構成され、音叉腕の上下面の少なくとも一面に溝を設け、溝と音叉腕の側面部に電極を配置し、それらの少なくとも１個の電極がアース電極で、水晶振動子は３電極端子を備えて構成される音叉形状の屈曲水晶振動子である。更に、前記屈曲水晶振動子は水晶ユニットを構成し、かつ、基本波モード振動のフイガーオブメリットが２次高調波モード振動のフイガーオブメリットより大きく、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振動の発振周波数である水晶発振器が高精度で実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る水晶振動子とその振動子とケースと蓋から構成される水晶ユニットと増幅回路と帰還回路から成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振動子と水晶ユニットと水晶発振器で、新形状、新電極構成及び最適寸法を有する超小型の屈曲水晶振動子から構成される水晶ユニットと、基本波モード振動の発振周波数が出力信号である水晶発振器に関する。

一例として、従来の屈曲水晶振動子は音叉腕と音叉基部から構成され、音叉腕の上下面と側面に電極が配置されている。即ち、２電極端子を構成するように電極が配置されている。また、従来の水晶ユニットはケースと蓋と一体に形成された音叉腕と音叉基部から成る音叉型屈曲水晶振動子から構成され、更に、水晶発振器は増幅器とコンデンサと抵抗と音叉腕の上下面と側面に電極が配置された従来の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。多用されている従来の音叉型屈曲水晶振動子は２本の音叉腕と音叉基部から構成され、前記振動子の共振周波数は音叉の腕幅Ｗに比例し、音叉の腕の長さの二乗に反比例する。それ故、小型化を図るためには、腕幅Ｗを小さくする必要がある。しかしながら、腕幅Ｗを小さくすると、等価直列抵抗Ｒ_１が大きくなるという課題が残されていた。また、前記音叉型屈曲水晶振動子から成る従来例の水晶ユニットと水晶発振器の小型化も同時に課題として残されていた。

このＲ_１が大きくなる理由は、音叉腕に配置された電極の、水晶の電気軸（ｘ軸）方向の電界成分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、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。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、２次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。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、アース電極からなる３電極端子の電極構成、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との関係及び周波数安定性に関係するフイガーオブメリット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、基本波モード振動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。さらに、水晶発振器の消費電流を低減するために、負荷容量Ｃ_Ｌを小さくすると、２次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。更に、隣接する振動腕に配置される電極が２電極端子の構成では、その形成が難しいという課題が残されていた。同時に、音叉の全長を短くできないという課題も残されていた。
特開昭５６−６５５１７ 国際公開第００／４４０９２ 特開平１０−１５３４３２ 特開２００３−１６３５６８

このようなことから、水晶振動子に配置される電極の構成、接続が容易で、水晶振動子が衝撃や振動を受けても、それらの影響を受けない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屈曲水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器が所望されていた。さらに、基本波モードで振動する水晶振動子の長さ寸法の短い、即ち、全長の短い超小型で、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超小型の屈曲水晶振動子とそれを具えた水晶ユニットと、その水晶ユニットを具えた、出力信号が基本波モード振動の発振周波数で、高い周波数安定性（高い時間精度）を有する超小型の水晶発振器が所望されていた。同時に、消費電流の少ない、立ち上がり時間の短い水晶発振器が所望されていた。

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屈曲水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器を提供することを目的とするものである。

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振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記振動腕の上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されている水晶振動子である。
本発明の水晶ユニットの第１の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記振動腕の上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されている水晶ユニットである。
本発明の水晶ユニットの第２の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられていて、前記屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある水晶ユニットである。
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から構成されていて、増幅回路は増幅器と帰還抵抗素子とを備えて構成され、帰還回路は水晶振動子とコンデンサと抵抗素子とを備えて構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記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より大きい屈曲水晶振動子を備えて前記水晶発振回路は構成されると共に、増幅回路と帰還回路とを備えて構成される前記水晶発振回路の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前記水晶発振回路は構成されていて、前記屈曲水晶振動子を備えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が基本波モード振動の発振周波数を有する水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第２の態様は、振動腕と基部とを備えて構成される屈曲水晶振動子の基部から突出するようにフレームが設けられ、前記屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある第１の態様に記載の水晶発振器である。
本発明の水晶振動子の第２の態様と、水晶ユニットと水晶発振器の第３の態様は、振動腕は第１振動腕と第２振動腕からなり、第１振動腕と第２振動腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝と前記振動腕の側面に電極が配置されていて、前記側面に配置された電極はアース電極である第１の態様に記載の水晶振動子、又は第１の態様又は第２の態様に記載の水晶ユニット、又は第１の態様又は第２の態様に記載の水晶発振器である。
本発明の水晶振動子の第３の態様と、水晶ユニットと水晶発振器の第４の態様は、振動腕は第１振動腕と第２振動腕からなり、第１振動腕と第２振動腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝と前記振動腕の側面に電極が配置されていて、前記溝に配置された電極はアース電極である第１の態様に記載の水晶振動子、又は第１の態様又は第２の態様に記載の水晶ユニット、又は第１の態様又は第２の態様に記載の水晶発振器である。

このように、本発明は屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器で、しかも、屈曲水晶振動子の振動腕の電極の配置を改善することにより、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、Ｑ値の高い屈曲水晶振動子が得られ、かつ、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、２次高調波モード振動を抑え、基本波モード振動で振動する発振周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。

加えて、振動腕に溝を設け、且つ、３電極端子となる電極を振動腕に配置し、溝の寸法の最適化を図る事により、超小型で、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、安価な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実現できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。

実施例１の屈曲水晶振動子

図１の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例１の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１０の上面図と下面図を示す。また、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ水晶の電気軸、機械軸、光軸である。本実施例の屈曲水晶振動子１０は振動腕（音叉腕）１１、振動腕（音叉腕）１２と基部２５とを備えて構成され、振動腕１１と振動腕１２の一端部は基部（音叉基部）２５に接続されている。また、振動腕１１と振動腕１２はそれぞれ上面と下面と側面とを有し、振動腕１１の上面には溝１３が下面には溝１５が設けられ、又、振動腕１２の上面と下面にも振動腕１１と同様に溝１４、１６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０〜１５°の範囲で選ばれる。本実施例では、振動腕１１の中立線を挟むようにして溝１３、１５が設けられている。他方の振動腕１２にも中立線を挟むようにして溝１４、１６が設けられている。

更に、振動腕１１の溝１３、１５には電極１７、１９が配置されていて、それぞれの電極が基部２５の端部の電極１７ａ、１９ａに接続されている。更に、電極１７ａと電極１９ａは基部２５の側面の電極１７ｂを介して接続されている。同様に、振動腕１２の溝１４、１６には電極１８、２０が配置されていて、それぞれの電極が基部２５の端部の電極１８ａ、２０ａに接続されている。更に、電極１８ａと電極２０ａは基部２５の側面の電極１８ｂを介して接続されている。更に、振動腕１１の側面には電極２１，２２が配置、接続され、振動腕１２の側面には電極２３，２４が配置、接続されていて、電極２２と電極２３は同極となるように音叉の叉部付近で接続されている。即ち、電極２１，２２，２３，２４は同極となるように接続されている。

更に、振動腕の部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と溝幅Ｗ_２とすると、振動腕１１，１２の腕幅ＷはＷ＝

Ｗ_３となるように形成される。又、溝幅Ｗ_２はＷ_２≧Ｗ_１，Ｗ_３を満足する条件で形成される。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の範囲内にある。また、図２で示すように、溝の厚みｔ_１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．７９より小さくなるように（ｔ_１＝０（貫通孔）を含む）、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が振動（音叉）腕に形成されている。本実施例では、ｔ_１＜ｔの関係を有するが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明はｔ_１＝ｔの関係をも包含する。即ち、振動腕に溝のない平面である。電極は平面である上下面に配置され、電極の配置、接続は溝を有するときと同じである。このように形成することにより、振動腕の中立線を基点とする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ことができる。

これに対して、図示されていないが、溝１３、１５と溝１４、１６は溝の長さＬ_０を、振動腕は腕の長さＬを有する。それ故、Ｒ_１の小さい振動子を得るために、Ｌ_０／Ｌが０．４〜０．８の値を有する。ここで、溝に配置される電極が溝の一部に配置されるときには、Ｌ_０は溝の電極の長さＬ_ｄである。更に、屈曲水晶振動子１０の全長Ｌ_ｔ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。本実施例では、音叉形状で、小型化を図るために、Ｌ_ｔは２．８ｍｍ以下の寸法を有し、好ましくは、２．１ｍｍ以下の寸法を有する。より小型化を図るために、Ｌ_ｔは１．０２ｍｍ〜１．９５ｍｍの範囲内にある。そして、振動腕の全幅Ｗ_５（＝２Ｗ＋Ｗ_４）は０．４３ｍｍ以下に、好ましくは、０．１５ｍｍ〜０．３６ｍｍの範囲内にある。また、本実施例では、（音叉）基部の幅寸法はＷ_Ｈで与えられ、Ｗ

〜０．５３ｍｍの範囲内にある。更に、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_０と全長Ｌ_ｔとの間には密接な関係が存在する。

すなわち、振動腕１１，１２に設けられた溝の長さＬ_０と音叉形状の屈曲水晶振動子の全長Ｌ_ｔとの比（Ｌ_０／Ｌ_ｔ）が０．２３〜０．８８となるように溝の長さは設けられる。特に、Ｌ_０は１．４５ｍｍ以下に、好ましくは、Ｌ_０は０．４８ｍｍ〜１．２９ｍｍの範囲内にある。又、Ｌ_０は基部（基部の溝の長さＬ_Ｋ）にまで延在しても良い。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屈曲水晶振動子が実現できる。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次高調波モード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発振する良好な水晶発振器が実現できる。即ち、基本波モード振動の発振周波数が出力信号として得られる。又、溝の長さＬ_０は振動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_０／Ｌ_ｔ）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（Ｌ_０／Ｌ_ｔ）を満足すれば良い。

また、この実施例では、基部２５は図１の（ａ）と（ｂ）中、振動子１０のＵ字形状の下側と幅Ｗ_Ｈの部分全体とされ、又、振動腕１１と振動腕１２は、図１の（ａ）と（ｂ）中、振動子１０のＵ字形状の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Ｕ字型をしているが、本発明は前記形状に限定されるものではなく、音叉の叉部が矩形をしていても良い。この場合もＵ字型の形状と同じように、振動腕と基部との寸法の関係は前記関係と同じである。また、本発明で言う溝の長さＬ_０とは、溝幅Ｗ_２と振動腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５より大きく、且つ、１より小さく、溝の厚みｔ_１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．７９より小さくなるように形成された溝の長さである。

換言するならば、中立線を含む振動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振動腕側面の電極とが互いに異極となるように構成され、振動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と振動腕幅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と振動腕の厚み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。

一例として、振動腕は少なくとも第１振動腕と第２振動腕を具えて構成され、前記第１振動腕と前記第２振動腕と前記基部とはエッチング法によって一体に形成されていて、第１振動腕と第２振動腕の上下面にはそれぞれ厚みの方向に対抗して溝が設けられ、前記溝は第１振動腕と第２振動腕の中立線を挟んだ幅方向略中央部の上下面に各々１個の溝が設けられ、少なくとも１個の溝幅Ｗ_２は部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と等しいか、又は部分幅Ｗ_１、Ｗ_３より大きくなるように形成され、且つ、各々の溝には第１振動腕の溝の電極と第２振動腕の溝の電極との極性が異なる電極が配置されると共に、前記溝の電極と対抗して配置された振動腕の側面の電極とは極性が異なる３電極端子を構成し、前記３電極端子の内、１電極端子は第１振動腕の上下面の溝に配置、接続された電極から構成され、１電極端子は第２振動腕の上下面の溝に配置、接続された電極から構成され、残りの１電極端子は第１振動腕と第２振動腕の両側面に配置、接続された電極から構成されている。

更に詳述するならば、屈曲水晶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）、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、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、時間精度の高い屈曲水晶振動子が得られる。

詳細には、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より大きくなる。即ち、Ｍ_１＞Ｍ_２となる。一例として、音叉形状の基本波モード振動の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚで、Ｗ_２／Ｗ＝０．５、ｔ_１／ｔ＝０．３４、Ｌ_０／Ｌ_ｔ＝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＞６０、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（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。

図２は、図１の屈曲水晶振動子１０の振動腕１１，１２のＡ−Ａ′断面図を示す。振動腕１１には溝１３，１５が設けられている。同様に、振動腕１２には溝１４，１６が設けられている。更に、溝１３と溝１５には同極となる電極１７，１９が配置、接続され、溝１４と溝１６には同極となる電極１８，２０が配置、接続されている。また、振動腕１１，１２の側面には同極となる電極２１，２２，２３，２４が配置、接続され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極で、記号Ｂ″で表す。更に詳述するならば、振動腕１１の溝の電極と振動腕１２の溝の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｂ−Ｂ′−Ｂ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｂ）は電極１７，１９から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｂ′）は電極１８，２０から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｂ″）はアース電極（零の極性）で、電極２１，２２，２３，２４から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｂ、Ｂ′、Ｂ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。更に電極について詳述するならば、本実施例では、第１振動腕１１の両側面と第２振動腕１２の両側面に配置された電極２１，２２，２３，２４に対抗して配置された対抗電極は前記第１振動腕と前記第２振動腕の両側面の電極の各々に対して一部分対抗して配置されている。

即ち、振動腕のｚ軸（厚み）方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、大略ｘ軸の方向に対抗する電極は極性が異なるように構成、配置されている。詳細には、厚み方向に対抗して設けられた溝に配置された電極の対抗する溝電極と溝電極との間には前記溝電極に対して垂直に発生する電界が厚み方法に存在しないように電極が配置されている。今、２電極端子Ｂ−Ｂ′間に直流電圧を印加（Ｂ端子に正極、Ｂ′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は振動腕の側面と溝内の側面とに対抗して配置された電極により前記電極に垂直に、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、振動（音叉）腕の長さ方向に同時に歪が発生すると共に、中立線に対して振動（音叉）腕の内側と外側では歪の方向が反対に発生し、且つ、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の内側に発生する歪の方向とが同じで、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の外側に発生する歪の方向が同じで、更に、前記内側の歪と前記外側の歪とが互いに反対の方向に発生する。それ故、２電極端子Ｂ−Ｂ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動し、共振特性が良くなると共に、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屈曲水晶振動子が得られる。

また、屈曲水晶振動子１０の振動（音叉）腕は厚み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。本実施例では、溝の断面形状は矩形の形状をしているが、実際には大略Ｕ字形状、又は大略Ｖ字形状、あるいは大略Ｕ字形状と大略Ｖ字形状が合成された形状をしている。より詳細には、溝が深くなるにつれて、溝の幅は徐々に狭くなる傾向を示す。このことは他の実施例の屈曲水晶振動子でも言えることである。

実施例２の屈曲水晶振動子

図３の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例２の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子３０の上面図と下面図を示す。本実施例の屈曲水晶振動子３０は振動腕（音叉腕）３１、振動腕（音叉腕）３２と基部４５とを備えて構成され、振動腕３１と振動腕３２の一端部は基部（音叉基部）４５に接続されている。また、振動腕３１と振動腕３２はそれぞれ上面と下面と側面とを有し、振動腕３１の上面には溝３３が下面には溝３５が設けられ、又、振動腕３２の上面と下面にも振動腕３１と同様に溝３４、３６が設けられている。更に、振動腕３１の側面には電極４１，４２が配置、接続されていて、電極４１が基部４５の上下面の端部の電極４１ａ、４１ｃに接続されている。更に、電極４１ａと電極４１ｃは基部４５の側面の電極４１ｂを介して接続されている。同様に、振動腕３２の側面には電極４３，４４が配置、接続されていて、電極４４が基部４５の上下面の端部の電極４４ａ、４４ｃに接続されている。更に、電極４４ａと電極４４ｃは基部４５の側面の電極４４ｂを介して接続されている。

更に、振動腕３１の溝３３，３５には電極３７，３９が配置され、振動腕３２の溝３４，３６には電極３８，４０が配置されていて、電極３７と電極３８は同極となるように接続され、かつ、電極３９と電極４０も同極となるように接続されている。そして、一方の接続された電極３７，３８は基部４５の端部の電極４６に接続され、他方の接続された電極３９，４０は基部４５の端部の電極４７に接続されている。更に、電極４６と電極４７は基部４５の側面の電極４６ａを介して接続されている。即ち、電極３７，３８，３９，４０は同極となるように接続されている。尚、図３には示されていないが、振動子の各寸法の関係は実施例１と同じように形成される。

図４は、図３の屈曲水晶振動子３０の振動腕３１，３２のＣ−Ｃ′断面図を示す。振動腕３１には溝３３，３５が設けられている。同様に、振動腕３２には溝３４，３６が設けられている。更に、溝３３，３４，３５，３６には同極となる電極３７，３８，３９．４０が配置、接続され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極である。また、振動腕３１の側面には同極となる電極４１，４２が配置、接続され、振動腕３２の側面には同極となる電極４３，４４が配置、接続されている。更に詳述するならば、振動腕３１の側面の電極と振動腕３２の側面の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｄ−Ｄ′−Ｄ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｄ）は電極４１，４２から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｄ′）は電極４３，４４から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｄ″）はアース電極（零の極性）で、電極３７，３８，３９，４０から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｄ、Ｄ′、Ｄ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。更に電極について詳述するならば、第１振動腕３１の両側面と第２振動腕３２の両側面に配置された電極４１，４２，４３，４４に対抗して配置された対抗電極は前記第１振動腕と前記第２振動腕の両側面の電極の各々に対して一部分対抗して配置されている。今、２電極端子Ｄ−Ｄ′間に直流電圧を印加（Ｄ端子に正極、Ｄ′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。それ故、２電極端子Ｄ−Ｄ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動し、共振特性が良くなると共に、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、Ｑ値の高い屈曲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。

実施例３の屈曲水晶振動子

図５の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例３の音叉形状の屈曲水晶振動子で、音叉腕（振動腕）の断面図を示す。図５の（ａ）では、屈曲水晶振動子５０の振動腕５１の上面に溝５３が、振動腕５２の上面には溝５４が設けられている。更に、溝５３と振動腕５１の下面には同極となる電極５６，６１が配置、接続され、溝５４と振動腕５２の下面には同極となる電極５９，６２が配置、接続されている。また、振動腕５１，５２の側面には同極となる電極５５，５７，５８，６０が配置、接続され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極で、記号Ｅ″で表す。更に詳述するならば、振動腕５１の溝の電極と振動腕５２の溝の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｅ−Ｅ′−Ｅ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｅ）は電極５６，６１から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｅ′）は電極５９，６２から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｅ″）はアース電極（零の極性）で、電極５５，５７，５８，６０から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｅ、Ｅ′、Ｅ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。

更に、図５の（ｂ）では、屈曲水晶振動子７０の振動腕７１の上面には溝７３が、振動腕７２には溝７４が設けられている。更に、溝７３，７４と振動腕７１，７２の下面に同極となる電極７６，７９，８１，８２が配置、接続され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極である。また、振動腕７１の側面には同極となる電極７５，７７が配置、接続され、振動腕７２の側面には同極となる電極７８，８０が配置、接続されている。更に詳述するならば、振動腕７１の側面の電極と振動腕７２の側面の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｆ−Ｆ′−Ｆ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｆ）は電極７５，７７から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｆ′）は電極７８，８０から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｆ″）はアース電極（零の極性）で、電極７６，７９，８１，８２から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｆ、Ｆ′、Ｆ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。それ故、２電極端子Ｅ−Ｅ′間、又は２電極端子Ｆ−Ｆ′間に直流電圧を印加（Ｅ端子、Ｆ端子に正極、Ｅ′端子、Ｆ′端子に負極）すると、電界Ｅｘは図５の（ａ）と（ｂ）に示した矢印のように働く。それ故、２電極端子Ｅ−Ｅ′間、又は２電極端子Ｆ−Ｆ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動し、共振特性が良くなると共に、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、Ｑ値の高い屈曲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。また、本実施例では、溝は振動腕の上面に設けられているが、本発明はこれに限定されず、溝は振動腕の上下面の少なくとも一面に設ければ良い。

実施例４の屈曲水晶振動子

図６の（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例４の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子の上面図とＧ−Ｇ′断面図を示す。本実施例の振動子の形状は音叉形状で、屈曲水晶振動子９０は少なくとも振動腕９１、振動腕９２と基部９５とを具えて構成され、振動腕９１と振動腕９２の一端部は基部９５に接続されている。更に、基部９５からフレーム９６が突出していて、基部９５とフレーム９６は一体に形成されている。また、振動腕９１と振動腕９２はそれぞれ上面と下面と側面とを有し、振動腕９１の上面には溝９３が設けられ、又、振動腕９２の上面にも振動腕９１と同様に溝９４が設けられている。また、振動腕９１，９２の下面にも上面と同様に溝が設けられている（図６の（ｂ）参照）。本実施例の屈曲水晶振動子では、フレーム９６が収納される容器の固定部に導電接着剤又は半田等で固定される。また、基部９５は長さ寸法Ｌ_１と幅寸法Ｗ_Ｈを有し、Ｌ_１は小型化を図るために、０．５ｍｍ未満の寸法を有する。好ましくは、０．０１５ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲内にある。更に、屈曲水晶振動子の固定による振動部の振動エネルギーの漏れを小さくするために、振動腕とフレームの間隔Ｗ_１０とフレームの幅Ｗ_１１はそれぞれ、Ｗ_１０は０．０３２ｍｍ〜０．２１ｍｍの範囲内にあり、Ｗ_１１は０．２５ｍｍ〜０．８８ｍｍの範囲内にある。更に、耐衝撃性を高めるために、Ｗ_１１＝（１．２〜７．６）×Ｗの関係を有する。但し、Ｗは振動腕の幅である。また、Ｗ_２は溝幅で、Ｗ_１とＷ_３は部分幅である。また、小型化を図るために本実施例では、腕の全幅Ｗ′_５（＝２Ｗ＋２Ｗ_１０＋Ｗ_１１）は１．２ｍｍ以下で、好ましくは、０．６３ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲内にある。更に、衝撃による欠けを防ぐために、基部の角を丸く、又は切り欠きの形状にしても良い。

更に、図６の（ｂ）では、振動腕９１，９２とフレーム９６の断面形状と電極配置について詳述する。振動腕９１には溝９３，９７が、振動腕９２には溝９４，９８が設けられている。更に、溝９３，９７には同極となる電極１００，１０１が、溝９４，９８には同極となる電極１０６，１０７が配置されている。また、振動腕９１の側面には同極となる電極９９，１０２が配置され、振動腕９２の側面には同極となる電極１０５，１０８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振動腕の側面に配置されている２電極端子Ｈ−Ｈ′を構成している。即ち、一方の１電極端子は電極９９，１０２，１０６，１０７から構成、接続されている。他の１電極端子は電極１００，１０１，１０５，１０８から構成、接続されている。更に、前記一方の１電極端子はフレーム９６に配置された電極１０３に接続され、前記他の１電極端子はフレーム９６に配置された電極１０４に接続されている。また、フレーム９６が容器の固定部に固定され、電極１０３、１０４が容器（例えば、ケース）の電極に電気的に接続される。又、電極間の浮遊容量を減らすためにフレームに電極に沿ってスリットを設けても良い。

今、２電極端子Ｈ−Ｈ′間に直流電圧を印加（Ｈ端子に正極、Ｈ′端子に負極）すると電界Ｅｘは図６の（ｂ）に示した矢印のように働く。それ故、２電極端子Ｈ−Ｈ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が逆相の屈曲モードで振動し、共振特性が良くなると共に、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屈曲水晶振動子が得られる。本実施例では、振動腕に溝を設けているが、溝はなくても良い。この場合には、溝の電極は振動腕の上下面である平面に配置されている。更に、本実施例では、２電極端子の電極構成について述べたが、上記実施例１から上記実施例３の３電極端子の電極構成でも良い。この場合には、アース電極もフレームまで延びて配置されている。一例として、図６の（ｂ）の電極１０３と電極１０４の間に配置される。

更に、上記実施例１から実施例４の屈曲水晶振動子は圧電定数ｅ_１２（＝ｅ′_１２）によって励振され、その絶対値が大きい程、電気機械変換効率は良くなる。本発明の屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ^２より大きい値を有する。通常は、圧電定数ｅ_１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。特に、基本波モード振動で、より小さい等価直列抵抗Ｒ_１を得るために、好ましくは、ｅ_１２の絶対値は０．１２Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。但し、ｅ_１２の計算には水晶の圧電定数ｅ_１１＝０．１７１Ｃ／ｍ^２と圧電定数ｅ_１４＝−０．０４０６Ｃ／ｍ^２を用いた。

実施例１の水晶ユニット

図７は本発明の実施例１の水晶ユニットの上面図である。水晶ユニット１３０は音叉形状の屈曲水晶振動子１０（実施例１の屈曲水晶振動子）、ケース１３１と蓋（図示されていない）とを具えて構成されている。表面実装型のケース１３１には固定部１３８が設けられ、その上に電極１３２，１３３，１３４が配置され、図示されていないがケースの裏面まで延在して配置されている。即ち、３電極端子を構成している。更に詳述するならば、振動子１０の基部２５はケース１３１に設けられた固定部１３８に導電性接着剤や半田によって固定される。詳細には、基部２５の電極１７ａ、２６、１８ａが固定部１３８の電極１３２，１３３，１３４にそれぞれ電気的に接続され、且つ、固定されるように固定部材１３５，１３６，１３７を用いて固定される。固定部材として、接着剤や半田など電気的に導電性の材料が使用される。又、ケース１３１と蓋は接合部材を介して接合される。また、振動子１０の代わりに上記実施例２から上記実施例４の屈曲水晶振動子を搭載しても良い。上記実施例４の場合には、電極端子は２電極端子を構成するようにケースに２個の電極が配置される。

また、前記実施例の水晶ユニットは回路素子（ＣＭＯＳインバータ、抵抗素子、コンデンサ）に接続され、水晶ユニットの外側に設けられた２電極端子、又は３電極端子に電気的に接続される。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。このとき、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。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。また、前記構成とは異なり、容器（ユニット）内に回路素子と一緒に実施例１から実施例４の音叉形状の屈曲水晶振動子を収納しても良い。

図８の（ａ）と（ｂ）は、本発明の屈曲水晶振動子の電気的等価回路図である。（ａ）は３電極端子の場合で、（ｂ）は２電極端子の場合である。Ｌ_１、Ｃ_１、Ｒ_１はそれぞれ等価インダクタンス、等価容量、等価直列抵抗を示す。（ａ）では、３電極端子Ｊ−Ｊ′−Ｊ″からなり、電極端子Ｊ″はアースに接地されている。また、Ｃ_２、Ｃ_３、Ｃ_４は各電極間の容量で、Ｃ_２は２電極端子Ｊ−Ｊ′間の容量で、Ｃ_３は２電極端子Ｊ−Ｊ″間の容量で、Ｃ_４は２電極端子Ｊ′−Ｊ″間の容量である。それ故、これらの容量の和は電気的に２電極端子Ｋ−Ｋ′の並列容量Ｃ_０に等価的に置き換えることができる。即ち、Ｃ_０＝Ｃ_２＋Ｃ_３＋Ｃ_４となり、３電極端子は実質的には２電極端子で扱うことができる。

実施例１の水晶発振器

図９は本発明の実施例１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１５１は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）１５２、帰還抵抗１５４、ドレイン抵抗１５７、コンデンサ１５５，１５６と２電極端子の音叉形状の屈曲水晶振動子１５３から構成されている。即ち、水晶発振回路１５１は、増幅器１５２と帰還抵抗１５４から成る増幅回路１５８とドレイン抵抗１５７、コンデンサ１５５，１５６と屈曲水晶振動子１５３から成る帰還回路１５９から構成されている。詳細には、本発明の水晶発振回路は、増幅回路と帰還回路から構成されていて、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、上記実施例４で述べた２電極端子の屈曲水晶振動子が用いられ、前記振動子は容器（ユニット）に収納されている。いわゆる、水晶ユニットが用いられる。

実施例２の水晶発振器

図１０は本発明の実施例２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。本実施例の水晶発振回路１６１の構成は、基本的には実施例１の水晶発振回路と同じであるが、異なる点は屈曲水晶振動子の電極構成で、本実施例では、３電極端子の音叉形状の屈曲水晶振動子１６３が用いられている。即ち、１電極端子がアースに接地されている。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、上記実施例１から実施例３の屈曲水晶振動子で述べた３電極端子の屈曲水晶振動子が用いられ、前記振動子は容器（ユニット）に収納されている。いわゆる、水晶ユニットが用いられる。

図１１は図９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１５７の抵抗をＲ_ｄ、コンデンサ１５５、１５６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_ｇｄとＲ_ｄ＞＞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。

このように、帰還率β_ｉと負荷容量Ｃ_Ｌとの関係から、Ｃ_Ｌが小さくなると、基本波モード振動と高調波モード振動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、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。

本発明の屈曲水晶振動子を用いた水晶発振器は、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発振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。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発振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輻回路の増幅率で、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。

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発振周波数である水晶発振器が実現できる。又、水晶発振回路の出力信号はバッファ回路を介して出力される。更に、基本波モード振動での最適な帰還率を得るために、ドレイン抵抗Ｒ_ｄは通常２００ｋΩから１ＭΩの範囲内にあるが、好ましくは、３００ｋΩから６００ｋΩが用いられる。

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る。即ち、｜−ＲＬ_１｜／Ｒ_１＞｜−ＲＬ_２｜／Ｒ_２を満足するように構成される。好ましくは、｜−ＲＬ_１｜／Ｒ_１＞１＞｜−ＲＬ_２｜／Ｒ_２の関係を有する。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発振周波数が出力信号として得られる。特に、超小型化した音叉形状の屈曲水晶振動子で前記目的を達成するには、一例として、基本波モード振動の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚ（発振周波数が大略３２．７６８ｋＨｚ）の場合、その基本波モード振動での増幅部での負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_１｜が８０ｋΩより大きく、且つ、２次高調波モード振動の増幅部での負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_２｜が７５ｋΩより小さくなることが必要である。また、本実施例の水晶発振回路を構成する屈曲水晶振動子の電極構成は２電極端子であるが、図８で述べたように、２電極端子でも３電極端子でも電気的等価回路は同じになるので、３電極端子の屈曲水晶振動子を用いても、２電極端子と同じ結果の水晶発振回路が得られることは言うまでもない。

更に、上記実施例１〜実施例４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。例えば、Ｃ_Ｌ＝１８ｐＦ付近では、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、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。また、上記各実施例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２３０から４９０の範囲内にあり、容量比ｒ_２は１５００より大きい値を有する。

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は電気的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。即ち、Ｃ_０は屈曲水晶振動子の２電極端子間、又は３電極端子間の、各々の端子間の全容量である。換言するならば、電界が生じる電極間の容量である。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、前記各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。すなわち、ｒ_１／２Ｑ_１ ^２＜ｒ_２／２Ｑ_２ ^２を満たすように構成される。この構成により、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音叉形状の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。更に、通常、Ｑ_１＞Ｑ_２

内にあるときには、Ｑ_１＜Ｑ_２の関係が得られる場合がある。

又、上記各実施例で述べた振動子の基本波モード振動の電気機械結合係数は、２次高調波モード振動の電気機械結合係数より大きくなると共に、基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_１は３５ｋΩ〜１０５ｋΩの範囲内にある。又、Ｒ_２はＲ_２／Ｒ_１＞１の関係を有する。即ち、少なくともＲ_２＞３５ｋΩの関係を満たすように溝と電極が構成されている。上記各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基準周波数として３２．７６８ｋＨｚが用いられるが、本発明はこの周波数に限定されるものでなく、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの基準周波数に適用される。また、上記実施例では、圧電材料として水晶を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明は他の圧電材料、例えば、タンタル酸リチウム（Ｌ_ｉＴ_ａＯ_３）、ニオブ酸リチウム（Ｌ_ｉＮ_ｂＯ_３）、ランガサイトを含む全ての圧電材料を包含し、且つ、本発明の振動子、ユニットと発振器に適用される。更に、上記実施例では、振動腕の溝の厚みｔ_１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）は０．７９以下で

また、本発明の水晶発振器の製造方法の一例として、音叉形状の屈曲水晶振動子の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚで、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）以内の発振周波数を出力周波数として得るには、まず、水晶ウエハ内にフォトリソグラフィ法とエッチング法（例えば、化学的エッチング法又はイオンエッチング法）により、溝あり又は溝なしの振動子で、電極が配置され、且つ、３２．７６８ｋＨｚの周波数より高くなるように振動子が形成される。このとき、振動子は上記実施例１〜実施例４で述べた振動子形状と電極配置とを有する。次に、前記振動子を収納する容器の固定部に固定した後に、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ以内の発振周波数が出力周波数として得られるように音叉腕に重りを付加して周波数調整するか、若しくは、周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように音叉腕に重りを付着し、前記振動子を収納する容器の固定部に固定した後に、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ以内の発振周波数が出力周波数として得られるように音叉腕の重りを除去して周波数調整される。この場合、周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように音叉腕に重りを付着する工程は、ウエハの状態で行い、更に、ウエハの状態で−９５００ｐｐｍ〜＋１００ｐｐｍの範囲内にあるようにレーザビーム等を用いて発振周波数を調整する工程を入れても良い。その後に、振動子は容器に固定され、上述したように発振周波数の調整がなされる。また、水晶発振回路は増幅器、コンデンサ、抵抗素子と屈曲水晶振動子とを備えて構成され、水晶発振回路の負荷容量Ｃ_Ｌ値は１８ｐＦ以下が用いられる。更に、前記周波数調整には、レーザビームと、蒸着と、電子ビームと、イオン化した原子、分子による、いわゆるイオンエッチング法、又はスパッタリング法の内の少なくとも一つが使用される。また、本実施例では、溝あり又は溝なしの振動子で、電極が配置され、且つ、３２．７６８ｋＨｚより周波数が高くなるように、水晶ウエハ内に振動子が形成され、その後に、水晶ウエハ内で良振動子か不良振動子かを検査する工程を入れても良い。即ち、不良振動子が存在するときには、不良振動子は水晶ウエハから取り除かれるか、又は振動子に何かマーキングされるか、又は振動子はコンピユタに記憶される。

本発明の水晶振動子と水晶ユニットと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、超小型で、高い周波数安定性を必要とする携帯機器や民生機器等に適用できる。

（ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例１の屈曲水晶振動子の上面図と下面図を示す。 図１のＡ−Ａ′断面図を示す。 （ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例２の屈曲水晶振動子の上面図と下面図を示す。 図３のＣ−Ｃ′断面図を示す。 （ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例３の屈曲水晶振動子の振動腕（音叉腕）の断面図を示す。 （ａ）と（ｂ）は、本発明の実施例４の屈曲水晶振動子の上面図とＧ−Ｇ′断面図を示す。 本発明の実施例１の水晶ユニットの上面図である。 （ａ）と（ｂ）は、本発明の屈曲水晶振動子の電気的等価回路図である。 本発明の実施例１の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例を示す。 本発明の実施例２の水晶発振器を構成する発振回路図の一実施例を示す。 図９の帰還回路図を示す。

符号の説明

Ｗ_Ｈ 音叉基部の幅
Ｗ_４、Ｗ_１１ 音叉腕の間隔、フレームの幅
Ｌ_０、Ｌ_１ 溝の長さ、音叉基部の長さ
Ｌ_ｔ 音叉の全長

Claims (7)

1. 屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記振動腕の上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されていることを特徴とする水晶振動子。
2. 水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、
   前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記振動腕の上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されていることを特徴とする水晶ユニット。
3. 水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、
   前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられていて、前記屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とする水晶ユニット。
4. 増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は増幅器と帰還抵抗素子とを備えて構成され、帰還回路は水晶振動子とコンデンサと抵抗素子とを備えて構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、
   前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、
   前記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２次高調波モード振動のフィガーオブメリットＭ_２より大きい屈曲水晶振動子を備えて前記水晶発振回路は構成されると共に、
   増幅回路と帰還回路とを備えて構成される前記水晶発振回路の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前記水晶発振回路は構成されていて、
   前記屈曲水晶振動子を備えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が基本波モード振動の発振周波数であることを特徴とする水晶発振器。
5. 振動腕と基部とを備えて構成される屈曲水晶振動子の基部から突出するようにフレームが設けられ、前記屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とする請求項４に記載の水晶発振器。
6. 振動腕は第１振動腕と第２振動腕からなり、第１振動腕と第２振動腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝と前記振動腕の側面に電極が配置されていて、前記側面に配置された電極はアース電極であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子、又は請求項２又は請求項３に記載の水晶ユニット、又は請求項４又は請求項５に記載の水晶発振器。
7. 振動腕は第１振動腕と第２振動腕からなり、第１振動腕と第２振動腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝と前記振動腕の側面に電極が配置されていて、前記溝に配置された電極はアース電極であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子、又は請求項２又は請求項３に記載の水晶ユニット、又は請求項４又は請求項５に記載の水晶発振器。

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