JP2004215205A - 水晶ユニットと水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、Ｑ値の高い、周波数温度特性に優れた超小型の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器を提供することにある。
【解決手段】振動部と接続部と支持部からなる幅縦水晶振動子を電気変換効率の良い水晶板から形成し、かつ、任意の温度で零温度係数を有するので、広い温度範囲に亙って周波数変化が小さく、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい超小型の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器を提供することができる。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高い電気機械変換効率を有し、主振動が他の振動との結合のない単一の振動モードで振動する幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器に関する。特に、小型化、高精度、耐衝撃性、低廉化などの要求の強い携帯機器用、情報通信機器用、計測機器用、及び民生機器用の基準信号源として最適な新カット、新電極構成の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術としては、水晶を用いた幅縦モード振動と長さ縦モード振動が結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットと水晶発振器がよく知られている。図９の（ａ）と（ｂ）は従来の水晶ユニットと水晶発振器に用いられているＮＳ−ＧＴカット水晶振動子の平面図と側面図を示す。図９の（ａ）において水晶振動子２００は振動部２０１、接続部２０３、２０６及び支持部２０４、２０７を具えて構成されている。支持部２０４、２０７はそれぞれマウント部２０５、２０８を包含している。更に、図９の（ａ）と（ｂ）に示されているように、振動部２０１の上下面には電極２０２と２１１が配置され、振動部の電極２０２は接続部２０３を介してマウント部２０５にまで延在している。これに対して、振動部の電極２１１も同様に接続部２０６を介してマウント部２０８にまで延在している。電極２０２と電極２１１は異極となるように構成され、２電極端子を構成している。そして、図１０に示すように、振動子２００はマウント部２０５、２０８で台座３１３に接着剤などで固定され、更に、台座３１３はリード線３１４、３１５に固定されている。即ち、腕時計で多様されている円筒型の金属容器３００に収納されている。金属容器３００はステム３１１とキャップ３１２から構成されている。今、両電極２０２、２１１間に交番電圧を印加すると、図９の（ｂ）の実線と点線で示すように、電界Ｅ_ｔは厚みＴ方向に交互に働く。その結果、幅Ｗに反比例して大略周波数が決まる幅縦モード振動と長さＬに反比例して大略周波数が決まる長さ縦モード振動が同時に励振され、逆相で両振動モードが結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子が得られる。また、上記水晶振動子は化学的エッチング法によって一体に形成される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水晶ユニットと水晶発振器に用いられているＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子では、振動部の面積が大きい程（低周波数）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２つの振動モードが結合した、ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子は、それらの周波数はそれぞれ幅Ｗと長さＬに反比例し、且つ、周波数温度特性が幅Ｗと長さＬの比、いわゆる辺比Ｗ／Ｌによって決定され、更に、周波数温度特性が良好となる辺比Ｗ／Ｌ≒０．９５となるので、小型化（高周波数化）しようとすると、振動部の面積が小さくなる。そのため、電気機械変換効率が小さくなり、その結果、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た。このようなことから、超小型で、等価直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値が高くなるような新カットで、電気機械変換効率が高くなる電極構成から成る水晶振動子を具えた水晶ユニットと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幅縦水晶振動子を具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。
【０００５】
即ち、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具えて構成されている水晶ユニットで、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットで、前記幅縦水晶振動子は表面実装型のケースと蓋を具えて構成されるユニットに収納されていて、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記幅縦水晶振動子の接続部は前記振動部の長さ方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される幅縦水晶振動子は粒子法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード又は高調波モードの振動次数が圧電定数に依存しないように前記振動部と前記電極が構成され、前記幅縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい幅縦水晶振動子を具えて構成されている水晶ユニットである。
【０００６】
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素子とを具えて構成されていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を具えて構成される水晶発振器で、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記幅縦水晶振動子の接続部は前記振動部の長さ方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される幅縦水晶振動子は粒子法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード又は高調波モードの振動次数が圧電定数に依存しないように前記振動部と前記電極が形成され、前記幅縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい幅縦水晶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主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆ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、前記幅縦水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振器の出力信号が主振動の周波数を持つ水晶発振器である。
【０００７】
【作用】
このように、本発明は幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器で、特に、振動子のカット角と電極配置により、高い電気機械変換効率を有する振動子が得られる。その結果、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い、超小型の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器が得られる。
【０００８】
【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。
（第１実施例）
図１は本発明の水晶ユニットと水晶発振器を構成する幅縦水晶振動子の形成に用いられる水晶板１のカット角とその座標系との関係である。座標系は原点Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなりＯ−ｘｙｚを構成している。まず、ｘ軸に垂直な水晶板、いわゆる、Ｘ板水晶を考える。このとき、Ｘ板水晶の各寸法である幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０はそれぞれｙ軸、ｚ軸、及びｘ軸方向に一致している。更に、このＸ板水晶をｘ軸の廻りに角度θ_ｘ＝−２５°〜＋２５°回転し、更に、ｙ軸の新軸ｙ′軸の廻りに角度θ_ｙ＝−３０°〜＋３０°回転される。このとき、ｘ軸の新軸はｘ′軸に、ｚ軸は２軸の廻りに回転されるので、新軸はｚ″と成る。本実施例の幅縦水晶振動子は前記した回転水晶板から形成される。尚、本実施例の電気軸＋ｘ軸の定義はＪＩＳ規格に従い、反時計方向の回転角を正（プラス）とする。
【０００９】
また、前記振動子の頂点温度を室温付近に設定するには、角度θ_ｘはθ_ｘ＝−１２°〜−１３．５°、−１８．５°〜−１９．８°又は、角度θ_ｘ、θ_ｙはそれぞれθ_ｘ＝−１３°〜−１８°、θ_ｙ＝＋／−（０．５°〜３０°）により得られる。本実施例では、Ｘ板水晶を最初に、ｘ軸の廻りに角度θ_ｘ＝−２５°〜＋２５°回転し、次に、ｙ′軸の廻りに角度θ_ｙ＝−３０°〜＋３０°回転されているが、最初に、ｘ軸の廻りに角度θ_ｘ＝−２５°〜＋２５°回転し、次に、ｚ軸の新軸ｚ′軸の廻りに角度θ_ｚ＝−１５°〜＋１５°回転してもよい。本実施例では、幅縦水晶振動子の形成に用いる水晶板のカット角について述べたが、本発明の振動子のカット角はこれに限定されるものでなく、形成された幅縦水晶振動子が前記した角度を有する振動子であれば良く、本発明はそれらの振動子をも包含するものである。例えば、水晶板の面内回転をしないで、振動子形成に用いるマスク等で面内回転を行うものである。
【００１０】
更に詳述するならば、幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸（ｘ軸）を回転軸として角度θ_ｘ回転させ、次に、幅方向の軸（ｙ軸の回転後の新軸ｙ′軸）を回転軸として角度θ_ｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸（ｘ軸）を回転軸として角度θ_ｘ回転させ、次に、長さ方向の軸（光軸ｚ軸の回転後の新軸ｚ′軸）を回転軸として角度θ_ｚ回転させ、前記角度θ_ｘ、θ_ｙとθ_ｚがそれぞれθ_ｘ＝−２５°〜＋２５°、θ_ｙ＝−３０°〜＋３０°、θ_ｚ＝−１５°〜＋１５°を有するように幅縦水晶振動子は形成される。これらのカット角の組み合わせにより、広い温度範囲に亙って頂点温度を設定することができる。
【００１１】
図２は本発明の第１実施例の水晶ユニットと第１実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子２は振動部３、接続部６、９とマウント部８、１１をそれぞれ含む支持部７、１０を具えて構成されている。更に、支持部７と支持部１０にはそれぞれ穴７ａと穴１０ａが設けられている。詳細には、第一接続部６と第二接続部９は振動部３の長さ方向の反対に位置する端部に設けられている。即ち、一方の第一支持部７は第一接続部６を介して振動部３に接続されていて、他方の第二支持部１０は第二接続部９を介して振動部３に接続されている。また、振動部３の上面と下面には電極４と電極５が対抗して配置され、それらの電極は異極となるように構成されている。即ち、一対の電極が配置されている。更に、電極４は一方の第二接続部９を介して第二マウント部１１にまで延在して配置されている。また、電極５は他方の第一接続部６を介して第一マウント部８にまで延在して配置されている。本実施例では、振動部３に配置された電極４と電極５は互いに異なる方向に延在してマウント部まで配置されているが、同方向に延在するように配置しても良い。
また、本実施例の振動子はマウント部８、１１が台座等に接着剤や半田によって固定される。本実施例では、第一接続部と第二接続部が対抗して一対設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、複数対の接続部を対抗して設けても良い。即ち、少なくとも第一接続部と第二接続部が設けられている。
【００１２】
更に、振動部３は幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０の寸法を有し、幅Ｗ_０、長さＬ_０、及び厚みＴ_０はそれぞれｙ′軸、ｚ″軸、及びｘ′軸方向と一致している。すなわち、ｘ′軸に垂直な面となる振動部３の上面と下面に電極４と電極５が配置されている。又、電極４に対抗する電極５は異極となるように構成されている。更に、振動部３の長さＬ_０は幅Ｗ_０より大きく、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。即ち、幅縦モード振動と長さ縦モード振動との結合を無視できるほどに小さく、且つ、振動部の電極面積を大きくして、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい幅縦水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０のＷ_０／Ｌ_０は０．８より小さく、且つ、電界Ｅ_ｘを大きくして、等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい幅縦水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との比Ｔ_０／Ｗ_０は０．８５より小さくすることが必要である。実際のこれらの寸法の決定は幅縦水晶振動子に要求される特性によって決まる。通常、厚みＴ_０は２５０μｍ以下に設計される。
【００１３】
更に詳述するならば、幅縦水晶振動子の共振周波数は幅寸法Ｗ_０に反比例し、他の寸法（長さ、厚み、接続部と支持部）には殆ど依存しない。それ故、幅Ｗ_０を小さくすることにより、小型で、高周波数化が図れる。また、前記した寸法の関係から不要振動のない単一振動モードで振動する幅縦水晶振動子が得られる。
と同時に、厚み方向に電界がかかるように振動部に電極を配置することにより、幅縦水晶振動子の基本波モードと高調波（オーバートーン）モードの振動次数が圧電定数に依存しなくなる。即ち、基本波モードと高調波モードの振動次数が圧電定数に依存しないように振動部とその上に配置される電極との構成がなされる。それ故、本発明の幅縦水晶振動子の共振周波数は圧電定数に依存しないので、振動子の設計が非常に容易になると言う著しい効果を有する。
【００１４】
次に、本実施例の幅縦水晶振動子を駆動するのに必要な圧電定数ｅ_１２の値について説明する。この圧電定数ｅ_１２の値が大きいほど、電気機械変換効率は高くなる。本実施例の幅縦水晶振動子の圧電定数ｅ_１２の絶対値は０．０９５〜０．１８Ｃ／ｍ^２を有する。即ち、本実施例の幅縦水晶振動子は高い電気機械変換効率を有するので、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも、超小型の幅縦水晶振動子を得ることができる。
【００１５】
すなわち、本実施例の幅縦水晶振動子は高い電気機械変換効率を有するので、等価直列抵抗の小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも、超小型の幅縦水晶振動子を得ることができる。
【００１６】
今、図２の電極４と電極５の間に交番電圧を印加すると、電界Ｅ_ｘは図２の側面図（ｂ）の実線と点線の矢印で示したように厚み方向に交互に働く。その結果、振動部３は幅方向に伸縮する振動をすることになる。即ち、電界方向に対して垂直方向に振動する、いわゆる横効果型の幅縦水晶振動子を得ることができる。
この主（幅縦）振動の共振周波数は圧電定数に依存しない振動子である。また、本発明の幅縦水晶振動子は、電界方向に対して平行に振動するＫＴカット幅縦水晶振動子とは異なる振動子である。と同時に、ＫＴカット水晶振動子はその振動次数が圧電定数に依存する、いわゆる縦効果型の振動子である。即ち、共振周波数が圧電定数に依存する振動子である。
【００１７】
（第２実施例）
図３は本発明の第２実施例の水晶ユニットと第２実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子１２の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子１２は振動部１３、接続部１４、２１、マウント部１６とそれに接続される支持フレーム１７，１８、１９を含む支持部１５とマウント部２３とそれに接続されるマウント部２０を含む支持部２２を具えて構成されている。更に、支持フレーム１７の両端部は支持フレーム１８，１９の一端部に接続され、支持フレーム１８、１９の他端部はマウント部２０に接続されている。支持部１５には穴１５ａが、支持部２２には穴２２ａが設けられている。
【００１８】
更に詳述するならば、第一接続部１４と第二接続部２１は振動部１３の端部の互いに反対の位置に設けられている。そして、振動部１３は第一接続部１４と第一支持部１５の第一マウント部１６を介して第一支持フレーム１７に接続されている。更に、第一支持フレーム１７の両端部はそれぞれ第二支持フレーム１８と第三支持フレーム１９の端部に接続されている。同様に、振動部１３は第二接続部２１と第二支持部２２の第二マウント部２３を介して第三マウント部２０に接続されている。そして、第二支持フレーム１８と第三支持フレーム１９の端部はそれぞれ第三マウント部２０に接続されている。
【００１９】
また、振動部１３の上面と下面には異極で対抗する電極２４と電極２６が配置されている。更に、電極２４は一方の接続部２１を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に一方の電極端子となる電極２５が形成される。又、電極２６は他方の接続部１４と支持フレーム１７、１９を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に他方の電極端子となる電極２７が形成される。すなわち、２電極端子を形成する。本実施例では、振動部の電極のみが対抗するように配置されている。しかし、他の部分での電極が対抗して配置されてもよく、等価直列抵抗Ｒ_ｎに及ぼす影響は無視できる程に小さい。
【００２０】
更に、振動部１３は幅Ｗ_０、長さＬ_０と厚みＴ_０（図示されていない）の寸法を有し、幅Ｗ_０、長さＬ_０と厚みＴ_０はそれぞれｙ′軸、ｚ″軸とｘ′軸方向と一致している。すなわち、ｘ′軸に垂直な面となる振動部１３の上面と下面には電極２４と電極２６が配置されている。又、電極２４と電極２６は異極となるように構成されている。更に振動部１３の長さＬ_０は幅Ｗ_０より大きく、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。具体的な関係については第１実施例で述べた通りである。
【００２１】
このように幅縦水晶振動子を形成することにより、振動子の強度をより強くすることができる。その結果、振動子の一端部を接着剤や半田により台座、あるいはリード線に固定できるので、量産での作業性に優れ、工数を削減することができる。すなわち、安価な幅縦水晶振動子を得ることができる。同時に、衝撃に対して強い幅縦水晶振動子が実現できる。更に、支持部に穴が設けられているので、幅縦モードを圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、Ｑ値の高い超小型の幅縦水晶振動子が得られる。
【００２２】
尚、本実施例では、互いに異極となる電極がマウント部２０の上面に電極２５を、下面に電極２７を配置しているが、マウント部２０の同一平面に異極となる電極を配置してもよく、同様に安価な振動子が得られる。この方法として、一方の電極を支持フレームの側面、あるいはマウント部の側面を介して同一平面の同極となる電極に接続される。更に、本実施例では振動部に平行に支持フレームが２本設けられているが、１本でも十分な機械的強度を有するので、一本でもよく、十分な特性が得られる。
【００２３】
図４は上記第１実施例と第２実施例の幅縦水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。前記した角度θ_ｘと角度θ_ｙの選択により任意の温度で一次温度係数αが零になり、２次曲線で表すことができる。例えば、曲線４４で示されるように、頂点温度Ｔ_ｐを約２２℃に設定することができる。又、曲線４５は頂点温度Ｔ_ｐを０℃付近に設定した場合である。更に、頂点温度Ｔ_ｐは任意に設定でき、曲線４６は頂点温度Ｔ_ｐを約−２３℃に設定した場合である。上記実施例の角度θ_ｘと角度θ_ｙを有する幅縦水晶振動子では、頂点温度Ｔ_ｐを約−２００℃から約＋６０℃と極めて広い温度範囲に設定することができる。頂点温度Ｔ_ｐは用いられる機器等によって決定される。
【００２４】
このように本発明の幅縦水晶振動子は頂点温度を極めて広い温度範囲で任意に設定でき、且つ、周波数温度特性が２次曲線で近似できるので、広い温度範囲に亘って周波数変化の小さい、優れた周波数温度特性を有する振動子である。
【００２５】
（第３実施例）
図５は本発明の第３実施例の水晶ユニットと第３実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子５０は振動部５１、接続部５２、５５、及びマウント部５４、５７をそれぞれ含む支持部５３、５６を具えて構成されている。更に、支持部５３と支持部５６にはそれぞれ穴５３ａと穴５６ａが設けられ、振動部５１の上面と下面にはそれぞれ複数個の電極が配置されている。また、上面、及び下面の幅方向に隣接する電極は異極となるように構成される。且つ、上面と下面に配置された対抗電極は異極となるように構成される。本実施例では、電極５８，５９，６０と電極６１，６２，６３が配置されている。それ故、本実施例の電極配置では主振動が３次高調波モードの幅縦水晶振動子が得られる。
【００２６】
更に詳述するならば、電極５８とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極５８とそれに対抗する電極６３は異極となるように構成されている。電極５８とそれとは異極となる電極６３で一対の電極を構成している。全く同様に、電極５９とそれに隣接する電極５８、６０は異極に、更に、電極５９とそれに対抗する電極６２は異極となるように構成されている。電極５９とそれとは異極となる電極６２で一対の電極を構成している。更に電極６０とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極６０とそれに対抗する電極６１は異極となるように構成されている。電極６０とそれとは異極となる電極６１で一対の電極を構成している。又、上面の電極５８と電極６０は接続電極５８ａを介して接続されている。更に、下面の電極６１と電極６３は接続電極６１ａを介して接続されている。
【００２７】
更に、上面の同極となる電極５８、６０は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、電極５９は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。更に、下面の電極６２は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、下面の同極となる電極６１、６３は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。図５から明らかなように、一方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置され、他方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置されている。
【００２８】
それ故、一方の電極５８，６０、６２は同極に、他方の電極５９，６１、６３は同極となるように配置され、それらは互いに異極となる２電極端子構造を形成している。本実施例では三対の電極を構成している。本発明の電極構成は前記実施例のｎ対（ｎ＝１，３）に限定されるものでなく、対称モードを使用する場合にはｎ対（ｎ＝５，７，９・・・）と奇数対の電極構成をも包含するものである。又、非対称モードを使用する場合にはｍ対（ｍ＝２，４，６・・・）と偶数対の電極構成をも包含するものである。詳細には、奇数対の電極構成では、奇数次の幅縦モードで振動し、これが主振動となる。例えば、一対の電極構成では、基本波モードが主振動となる。また、三対の電極構成では、３次高調波（オーバートーン）モード振動が主振動となる。同様に、偶数対の電極構成では、偶数次の幅縦モードで振動し、これが主振動となる。例えば、二対の電極構成では、２次高調波（オーバートーン）モード振動が主振動となる。本発明では、幅縦モードで振動し、主振動以外の振動を副振動と呼ぶ。
【００２９】
次に、振動部の幅Ｗ_０、長さＬ_０、厚みＴ_０と電極との関係について述べる。
本実施例では、三対の電極を構成している。それ故、図４で説明した良好な周波数温度特性、及び電界Ｅ_ｘを大きくし、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい幅縦水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係は３Ｔ_０／Ｗ_０が０．８５より小さくする必要がある。又、幅縦モード振動と長さ縦モード振動との結合を無視できるほどに小さく、且つ、電極面積を大きくし、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい幅縦水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／３Ｌ_０が０．８より小さくする事が必要である。
【００３０】
本実施例では三対の電極構成の場合について説明したが、ｎ対（ｎ＝５，７，９、・・・）と奇数対の電極構成では、主振動がｎ次高調波モードの幅縦水晶振動子が得られる。この場合、前記した優れた特性を有する水晶振動子を得るには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はｎＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／ｎＬが０．８より小さくする必要がある。又、ｍ対（ｍ＝２，４，６、・・・）と偶数対の電極では、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はｍＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はＷ_０／ｍＬ_０が０．８より小さくすることが必要である。
【００３１】
このように、本実施例の幅縦水晶振動子は、特に、振動部の電極の配置の仕方を工夫することにより、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｓより小さくすることができる。と同時に、周波数温度特性に優れた超小型の高調波モードの幅縦水晶振動子を実現することができる。又、幅縦水晶振動子の周波数は高調波次数に比例するので、高周波数化が可能になる。なお、本実施例で詳細に述べた電極構成は図３の振動子形状にも適用できるものである。また、本実施例の振動子形状とその形状の構成は図２の振動子と同じである。
【００３２】
（第４実施例）
図６は本発明の第４実施例の水晶ユニットの断面図と第４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は表面実装型のケース７１と蓋７２と幅縦水晶振動子７０から構成されている。ケース７１には固定部７４，７５が設けられていて、本実施例では、第１実施例で述べた幅縦水晶振動子７０が収納され、その振動子のマウント部が接着剤７６，７７等により固定部で固定されている。更に、図示されていないが、ケース７１の下面には少なくとも２分割された電極が設けられていて、振動子７０の電極と接続されている。即ち、２電極端子構造を形成している。
【００３３】
本実施例では、固定部を２個設け両端部で接着材等により固定しているが、固定部は１個でも良く、片側固定でも良い。即ち、本実施例の水晶ユニットには、第１実施例から第３実施例で述べたいずれかの幅縦水晶振動子が収納されている。図示されていないが、特に、複数個の幅縦水晶振動子を収納する時には、振動子間の干渉を防止するための仕切り部が振動子の間に設けられている。２個以上の振動子がケース内に収納される場合には、それらの振動子は一体形成されていても良く、又は、個々に形成されていても良い。更に、複数個の振動子は電気的には並列になるように、接続、構成されている。
【００３４】
更に、上記実施例の幅縦水晶振動子は、振動部、接続部と支持部とを具えて構成されているように複雑な形状をしている。又、本発明のカット角を有する幅縦水晶振動子を化学的エッチング法によって加工した場合、その加工速度が極めて遅いのが実状である。換言するならば、水晶の分子間の結合エネルギーが非常に大きいために、化学的エッチング法ではそのエッチング速度が極めて遅く、特に、このような複雑な形状を有する振動子を上手く加工できないのが実状である。
それ故、本発明の幅縦水晶振動子の加工は、物理的、あるいは機械的な方法を用いて行われ、前記振動子は一体に形成される。即ち、質量を有する粒子を水晶板に物理的、あるいは機械的方法で衝突させ、それにより水晶板の原子、分子を飛散させて振動子の形状を加工するものである。ここではこの方法を粒子法と呼ぶことにする。この方法は化学的エッチング法による加工法とは異なる方法であると同時に、加工速度が極めて早いのが特長である。外形形状の加工時間が非常に短縮されるので安価な振動子を提供することができる。
【００３５】
図７は本発明の水晶発振器の一実施例を示す構成図である。本実施例では、水晶発振回路１８０は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）８０、帰還抵抗８２、ドレイン抵抗８５、コンデンサー８３，８４と幅縦水晶振動子８１から構成されている。即ち、水晶発振回路１８０は、増幅器８０と帰還抵抗８２から成る増幅回路とドレイン抵抗８５、コンデンサー８３，８４と幅縦水晶振動子８１から成る帰還回路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幅縦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水晶振動子は既に図２、図３と図５で詳述されている。
【００３６】
今、幅縦水晶振動子の角周波数をω_ｉ、ドレイン抵抗８５の抵抗をＲ_ｄ、コンデンサー８３、８４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、帰還回路のドレイン側の入力電圧をＶ_１，ゲート側の出力電圧を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は幅縦モード振動の振動次数を表す。例えば、ｉ＝１のとき、基本波モード振動（１次高調波モード振動）、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。ここでは、単にｎ次モード振動と言う。又、ｎ対の電極構成で、ｎ次モードで振動する幅縦モード振動を主振動と言い、その他のモードで振動する幅縦モード振動を副振動と言う。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。
【００３７】
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、ｎ次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。
【００３８】
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Ｃ_Ｌ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、Ｃ_Ｌ＝８ｐＦ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Ｃ_Ｌは１８ｐＦ以下を用いる。又、副振動の周波数を抑え、ｎ対の電極構成で主振動がｎ次モードの振動する発振器の出力信号が主振動の周波数を得るために、α_ｎ／α_ｆ＞β_ｆ／β_ｎとα_ｎβ_ｎ＞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、α_ｎ、α_ｆは主振動と副振動の増幅回路の増幅率で、β_ｎ、β_ｆは主振動と副振動の帰還回路の帰還率である。
【００３９】
換言するならば、増幅回路の主振動の増幅率α_ｎと副振動の増幅率α_ｆとの比が帰還回路の副振動の帰還率β_ｆと主振動の帰還率β_ｎとの比より大きく、かつ、主振動の増幅率α_ｎと主振動の帰還率β_ｎの積が１より大きくなるように構成される。即ち、消費電流の少ない、出力信号が主振動の周波数である水晶発振器が実現できる。尚、前記周波数とは、幅縦水晶振動子の主振動の基準周波数、又はそれの分周された周波数である。更に、高い周波数安定性については後述される。又、出力信号はバッフア回路を介して水晶発振回路のドレイン側から出力される。
【００４０】
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（１次モード振動）の負性抵抗で、ｉ＝ｎのときｎ次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、増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆ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_ｎ｜／Ｒ_ｎ＞｜−ＲＬ_ｆ｜／Ｒ_ｆ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、副振動の発振起動が抑えられ、その結果、主振動の発振起動が得られるので主振動の周波数が出力信号として得られる。
【００４１】
また、幅縦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のとき基本波モード振動、ｉ＝２のとき２次モード振動、ｉ＝３のとき３次モード振動）、幅縦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、幅縦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、幅縦水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い幅縦水晶振動子が得られる。
【００４２】
詳細には、前記した振動子形状と電極と振動子寸法の構成により、ｎ対の電極構成によって、主振動がｎ次モードで振動する幅縦水晶振動子振動のフイガーオブメリットＭ_ｎが副振動のフイガーオブメリットＭ_ｆより大きくなる。即ち、Ｍ_ｎ＞Ｍ_ｆとなる。但し、Ｍ_ｎは主振動のフイガーオブメリットである。その結果、主振動の周波数安定性が副振動の周波数安定性より良くなると共に、副振動を抑圧することができる。従って、本実施例の幅縦水晶振動子から構成される水晶発振器は主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。
【００４３】
図８は本発明の水晶発振器の他の実施例を示す断面図である。水晶発振器１９０は図７で示した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からなる水晶ユニットに収納されている。水晶発振器は幅縦水晶振動子９０、帰還抵抗を含む増幅器（ＣＭＯＳインバータ）９８、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る。本実施例では、振動子９０はケース９１に設けられた固定部９４，９５の上に導電性接着材９６，９７によって固定されている。又、増幅器９８はケース９１に固定されている。更に、ケース９１と蓋９２は接合部材９３を介して接合されている。本実施例では、振動子９０は図２と図５で述べられた振動子が搭載される。
【００４４】
次に、本発明の水晶発振器の製造方法について述べる。まず、第１実施例の図１で述べたように、幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向をｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θ_ｘ＝−２５°〜＋２５°回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θ_ｙ＝−３０°〜＋３０°回転させる、と同時に、前記幅縦水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子が水晶板から粒子法により形成される。本実施例では、粒子法による加工を示したが、水晶板の厚みが非常に薄いときには、化学的エッチング法にて前記振動子形状を加工できるので、本実施例の幅縦水晶振動子の加工に化学的エッチング法を用いても良い。即ち、本実施例の振動子は粒子法と化学的エッチング法の内の少なくとも一つの方法を用いて形成される。
【００４５】
次に、振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置される（図２、図３、と図５参照）。更に詳述するならば、幅縦モードの対称モードでは、ｎ対の電極（ｎ：奇数）が、非対称モードでは、ｍ対の電極（ｍ：偶数）が配置される。本粒子法による加工では水晶ウエハ内に一度に多数の振動子が形成される。それ故、最初の周波数調整はウエハの状態で行われる。更に、幅縦水晶振動子はケース、又は、蓋に接着材や半田等で固定部に固定される。その後に、２回目の共振周波数調整が最初の周波数調整と同じ方法であるプラズマエッチング法や蒸着法やレーザー法によって行われる。
【００４６】
最後に、ガラスやセラミック等からなる前記ケースとガラスや金属からなる前記蓋が接合部材（金属やガラス）を介して真空中あるいは窒素の雰囲気中で接合される。本実施例では、ウエハの状態で周波数調整をしているが、この周波数調整は省略してもよく、幅縦水晶振動子をケース又は、蓋に接着材や半田等で固定した後に周波数調整をしても良い。そして、その時の周波数偏差が振動子の基準周波数に対して通常は＋／−１００ｐｐｍ以内になるように、共振周波数は調整される。また、ケースあるいは蓋に穴を設けて、当該ケースと当該蓋とを接合部材を介して接合した後に、周波数を調整して、その後にこの穴を真空中で金属やガラスを用いてレーザで封止しても良い。この時、穴の形状は直径が異なるように少なくとも一つの階段部を有する形状であってもよい。換言するならば、穴の断面形状で示した時に、直径の異なるいわゆる階段部を有する形状である。更に、封止後に振動子の周波数をレーザにて調整しても良い。
【００４７】
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、例えば、本発明の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の支持部の形状は第１実施例から第３実施例で述べた形状に限定されるものでなく、本発明の支持部の形状は、接続部を介して振動部と接続されるいかなる形状をも包含するものである。更に、本発明の水晶ユニットは少なくとも１個の幅縦水晶振動子を収納していれば良く、例えば、水晶ユニットは幅縦水晶振動子と音叉形状の屈曲水晶振動子を一緒に水晶ユニットに収納しても良い。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の水晶ユニットと水晶発振器は多くの効果を有するが、振動子形状と電極とカット角とを有する幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器を提供することにより、特に、次の如き著しい効果が得られる。
（１）幅縦水晶振動子を駆動する圧電定数が非常に大きいので、電気機械変換効率が良くなる。その結果、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い、超小型の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器が実現できる。
（２）振動部に複数対の電極が配置されているので、等価直列抵抗の小さい、高周波数の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットと水晶発振器が超小型で、かつ、高精度で実現できる。
（３）幅縦水晶振動子を粒子法で形成するので、量産性に優れ１枚の水晶ウエハ上に多くの振動子を一度にバッチ処理にて形成できる。それ故、安価な水晶振動子を具えた、安価な水晶ユニットと水晶発振器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水晶ユニットと水晶発振器を構成する幅縦水晶振動子の形成に用いる水晶板のカット角とその座標系との関係である。
【図２】（ａ）と（ｂ）は本発明の第１実施例の水晶ユニットと第１実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の上面図と側面図である。
【図３】（ａ）と（ｂ）は本発明の第２実施例の水晶ユニットと第２実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の上面図と下面図である。
【図４】上記第１実施例と第２実施例の幅縦水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。
【図５】（ａ）と（ｂ）は本発明の第３実施例の水晶ユニットと第３実施例の水晶発振器に用いられる幅縦水晶振動子の上面図と下面図である。
【図６】本発明の第４実施例の水晶ユニットの断面図と第４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７】本発明の水晶発振器の一実施例を示す構成図である。
【図８】本発明の水晶発振器の他の実施例を示す断面図である。
【図９】（ａ）と（ｂ）は従来の水晶ユニットと従来の水晶発振器に用いられるＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子の上面図と側面図である。
【図１０】従来の水晶ユニットと従来の水晶発振器に用いられるＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子を収納した円筒型容器の断面図である。
【符号の説明】
Ｗ_０ 振動部の幅
Ｌ_０ 振動部の長さ
Ｔ_０ 振動部の厚み
θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚ，θ 角度
４４，４５，４６ 曲線
Ｔ_ｐ 頂点温度

Claims (2)

1. 水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成されている水晶ユニットで、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットで、
   前記幅縦水晶振動子は表面実装型のケースと蓋を具えて構成されるユニットに収納されていて、
   振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記幅縦水晶振動子の接続部は前記振動部の長さ方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される幅縦水晶振動子は粒子法により一体に形成され、
   前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード又は高調波モードの振動次数が圧電定数に依存しないように前記振動部と前記電極が構成され、
   前記幅縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい幅縦水晶振動子を具えて構成されている事を特徴とする水晶ユニット。
2. 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ていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を具えて構成される水晶発振器で、
   振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記幅縦水晶振動子の接続部は前記振動部の長さ方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される幅縦水晶振動子は粒子法により一体に形成され、
   前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード又は高調波モードの振動次数が圧電定数に依存しないように前記振動部と前記電極が形成され、
   前記幅縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい幅縦水晶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主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆ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て、
   前記幅縦水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振器の出力信号が主振動の周波数であることを特徴とする水晶発振器。

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