JP2004328701A

JP2004328701A - Manufacturing method of crystal oscillator

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Publication number: JP2004328701A
Application number: JP2003158697A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Kawashima; 宏文川島
Original assignee: Piedek Technical Laboratory
Current assignee: Piedek Technical Laboratory
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP4517332B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a crystal oscillator constituted by providing a microfabricated tuning-fork-like bent crystal vibrator wherein an oscillation frequency of fundamental wave mode vibration is outputted, the output signal has high frequency stability, equivalent serial resistance R<SB>1</SB>is small and a quality coefficient Q value is high. <P>SOLUTION: The crystal oscillator is provided with the tuning-fork-like bent crystal vibrator which is constituted by providing a tuning fork arm and a tuning form base. Grooves or through holes are formed on upper and lower surfaces of the tuning fork arm, electrodes are disposed on side surfaces of the grooves or through holes and electrodes of different polarities are disposed on the side surface of the tuning fork arm against said electrodes. The figure-of-merit of fundamental wave mode vibration is greater than the figure-of-merit of secondary higher harmonic wave mode vibration, and further, the output signal is in a frequency of a fundamental wave mode on the basis of a relation between an amplification factor of an amplifier circuit in a crystal oscillation circuit composed of the amplifier circuit and a feedback circuit and a feedback rate of the feedback circuit therein, thereby obtaining the crystal oscillator with high frequency stability. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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素子から構成される水晶発振回路を具えた水晶発振器の製造方法と前記方法により得られた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素子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。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は２本の音叉腕と音叉基部とを具えて構成されていて、励振電極は音叉腕の上下面と側面に配置されている。例えば、一方の音叉腕の上下面には同極となる電極が配置され、両側面には同極となる電極が配置されている。即ち、上下面の電極と両側面の電極は極性が異なるように構成されている。同様に、他方の音叉腕の上下面にも同極となる電極が配置され、両側面にも同極となる電極が配置されている。即ち、上下面の電極と両側面の電極は極性が異なるように構成されている。詳細には、一方の音叉腕の上下面の電極と他方の音叉腕の上下面の電極とは極性が異なるように構成されている。それ故、電極間に電圧が印加されたとき、電界は音叉腕の中を曲線にて働く。その結果、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に屈曲モードで振動する。交番電圧の印加により振動を持続することができる。
【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、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。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。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。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て構成される水晶発振器とその製造方法が所望されていた。更に、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発振周波数が得られない等の課題が残されていた。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を具え、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）を有し、消費電流の少ない水晶発振器とその製造方法が所望されていた。
【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て構成された水晶発振器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、本発明の水晶発振器の製造方法の第１の態様は、水晶発振回路を具えて構成される水晶発振器で、前記水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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器の製造方法で、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から成る音叉形状の屈曲水晶振動子で構成され、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又は貫通穴が設けられ、前記溝又は前記貫通穴の側面に電極が配置され、前記溝又は前記貫通穴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とを具えて構成された音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより高くなるように前記音叉形状の屈曲水晶振動子を水晶ウエハに形成する工程、と前記水晶ウエハに形成された前記音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるようにスパッタリング又は蒸着又はメッキにより前記水晶ウエハ内の音叉腕に重りを付加する工程、と前記音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数を水晶ウエハ内でレーザ又はプラズマエッチング法により調整する工程、と前記音叉形状の屈曲水晶振動子を前記水晶ウエハから切り離し、前記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、これらの工程は順次行われ、更に、前記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との比が前記帰還回路の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回路は構成されている水晶発振器の製造方法である。
【０００６】
本発明の水晶発振器の製造方法の第２の態様は、水晶発振回路を具えて構成される水晶発振器で、前記水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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器の製造方法で、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から成る音叉形状の屈曲水晶振動子で構成され、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と音叉基部とがエッチング法によって一体に形成され、前記音叉腕の上面と下面と側面とに前記音叉腕が逆相で振動するように電極が配置されていて、前記音叉腕が逆相で振動するように電極を具えて構成された音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより高くなるように前記音叉形状の屈曲水晶振動子を水晶ウエハ内に形成する工程、と前記水晶ウエハ内に形成された音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように前記水晶ウエハ内の音叉腕に重りを付加する工程、と重りが付加された前記音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数を水晶ウエハ内で調整する工程、と前記音叉形状の屈曲水晶振動子を前記水晶ウエハから切り離し、前記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、これらの工程は順次行われ、前記水晶発振回路は前記工程から形成された水晶ユニットを具えて構成され、かつ、前記屈曲水晶振動子の基本波モード振動でのフイガーオブメリットＭ_１が２次高調波モード振動でのフイガーオブメリットＭ_２より大きい音叉形状の屈曲水晶振動子を具えて構成されていて、更に、前記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との比が前記増幅回路の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が構成されている水晶発振器の製造方法である。
【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を具えて構成された水晶発振器の製造方法で、しかも、音叉形状の溝又は貫通穴と電極の構成と周波数調整方法を改善し、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、高調波振動を抑え、基本波振動モード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。
【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。
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とを具えて構成される増幅回路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とを具えて構成される帰還回路９から構成されている。詳細には、本発明の水晶発振器は水晶発振回路を具えて構成され、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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ー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音叉形状の屈曲水晶振動子は図３と図４で詳述される。
【０００９】
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。
【００１０】
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、基本波モード振動と２次高調波モード振動の発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。
【００１１】
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、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、本実施例では、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＝１５ｐＦ以下が好ましい。又、２次高調波モード振動を抑えるために、負荷容量Ｃ_Ｌ値は１ｐＦより大きい値が好ましい。更に、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水晶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。
【００１２】
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、出力信号が音叉形状の屈曲水晶振動子の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。更に、高い周波数安定性については後述される。
【００１３】
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回路は、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発振周波数が出力信号として得られる。
【００１４】
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にはその幅が曲線的に徐々に狭くなる部分５３、５４が設けられている。この長さはｌ_３で与えられ大略０．０３ｍｍから０．６ｍｍを有する、好ましくは、０．１ｍｍから０．６ｍｍの範囲内にある。又、音叉基部の長さｌ_２は０．３ｍｍから０．８５ｍｍを有する。即ち、音叉基部の音叉部側の幅寸法Ｗ_５と端部側の幅寸法Ｗ_６はＷ_５＞Ｗ_６を満たすように構成されている。本実施例では、徐々に狭くなる部分５３、５４は曲線的であるが、直線で徐々に狭くなるように形成しても良い。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。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る。図示されていないが、溝４９、５０に対抗して音叉腕の下面にも溝が設けられている。と共に溝の中と音叉腕の側面に電極が配置されている。そしてその対抗電極は極性が異なるように構成されている。又、振動子は音叉基部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。即ち、２電極端子を構成する。円筒型のケースの場合には２本のリード線に固定される。
【００１５】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子４５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による溝の形成では溝の深さにバラツキが生じ、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が大きくなるので、電気機械変換効率の良い屈曲振動子が得られる。即ち、基本波モード振動の容量比ｒ_１が２次高調波モード振動の容量比ｒ_２より小さい音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
【００１６】
更に、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と溝幅Ｗ_２とすると、音叉腕４６，４７の腕幅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または、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５１、５２を基点とする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値の高い音叉形状の屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００１７】
更に、音叉形状の振動子４５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共に、基本波モードで振動する良好な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。
【００１８】〈
すなわち、音叉腕４６，４７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、不要振動である２次高調波モード振動を抑え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２次高調波モード振動の等価直列抵抗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。また、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_１／ｌ）を満足すれば良い。
【００１９】
また、この実施例では、音叉基部４８は図３中、振動子４５の長さｌ_２の下側部分全体とされ、又、音叉腕４６及び音叉腕４７は、図３中、振動子４５の長さｌ_２の部分から上側の部分全体とされている。
【００２０】
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。
【００２１】
更に、本実施例の音叉腕の間隔はＷ_４で与えられ、間隔Ｗ_４と溝幅Ｗ_２はＷ_４≧Ｗ_２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〜０．１２ｍｍ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の工程で形成でき、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、本実施例では、厚みｔは通常０．０５ｍｍ〜０．１２ｍｍの水晶ウエハが用いられるが、０．１２ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。
【００２２】
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次高調波モード振動）、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、時間精度の高い音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
【００２３】
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、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、ｌ_１／ｌ＝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（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。また、本発明の基本波モード振動の基準周波数は１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚが用いられる。特に、３２．７６８ｋＨｚの振動子の製造方法については後述される。
【００２４】
図４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２個の音叉形状の水晶振動子２０、３０の上面図である。振動子２０は音叉腕２５，２６と音叉基部２９とを具えて構成されている。更に、音叉腕２５，２６には溝２７，２８が設けられている。同様に、振動子３０は音叉腕３５，３６と音叉基部３９とを具えて構成されている。更に、音叉腕３５，３６には溝３７，３８が設けられている。また、振動子２０と振動子３０は接続部４０を介して音叉基部で接続され、一体に形成されている。本実施例では、電極は図示されていないが、振動子２０と振動子３０は周波数温度特性において頂点温度の異なる振動子で、かつ、それらは電気的に並列に接続されるように電極は構成されている。このように構成することにより、振動子の周波数温度特性を改善することができる。また、振動子２０，３０の形状は図３で述べた形状と同じであり、接続部４０を介して両振動子は音叉基部で接続されている。振動子寸法又は溝の寸法又は両振動子間に角度を持たせることにより、頂点温度を変えることができる。また、両振動子間には振動干渉防止用の仕切り部を設けても良い。
【００２５】
図５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３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４５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真空中のユニット内に収納されている。本実施例では、水晶振動子は表面実装型の容器に収納されているが、円筒型の容器に収納しても良い。
【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。、本実施例で述べた振動子とケースと蓋との関係は以下に述べられる図６の水晶発振器にも適用される。
【００２７】
図６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。
【００２８】
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で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子４５の振動子が用いられる。
【００２９】
次に、本発明の水晶発振器の製造方法の実施例について、図面に記載の工程に従って述べる。図７は本発明の水晶発振器を構成する水晶ユニットを製造する工程である。即ち、本発明の水晶発振器の製造方法の一実施例の工程図である。記号Ｓ−１からＳ−１２は工程の番号を示す。まず、Ｓ−１では水晶ウエハ１４０（断面図で示す）が準備される。次に、Ｓ−２ではその水晶ウエハ１４０の上面と下面に金属膜（例えば、クロムそしてその上に金、又は、金）１４１が蒸着法又はスパッタリング法により形成される。更に、Ｓ−３では前記金属膜１４１の上にレジスト１４２が塗布される。そして、フォトリソ工程により、それら金属膜１４１とレジスト１４２とが音叉形状を残して除去された後、エッチング加工（例えば、化学的エッチング法）により、Ｓ−４で示される音叉腕１４３，１４４と音叉基部１４５と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。あるいは、音叉基部の叉付近の幅が音叉腕の自由端と反対側の方向に曲線的に徐々に狭くなる部分（図３参照）が存在するように音叉基部を形成しても良い。
【００３０】
次に、Ｓ−２とＳ−３の工程で示したと同様に金属膜とレジストがＳ−４の音叉形状に塗布されて、フォトリソ工程とエッチング加工により、Ｓ−５で示される音叉腕１４３および音叉腕１４４に溝１４６，１４７，１４８，１４９が形成される。更に、Ｓ−５に金属膜とレジストが塗布されて、フォトリソ工程により極性が異なる電極がＳ−６で示されるように形成される。
【００３１】
即ち、音叉腕１４３の側面に配置された電極１５０，１５３と音叉腕１４４の溝１４８，１４９に配置された電極１５５，１５６は同極となるように接続形成される。同様に、音叉腕１４３の溝１４６、１４７に配置された電極１５１，１５２と音叉腕１４４の側面に配置された電極１５４，１５７は同極となるように接続形成される。更に詳述するならば、溝の側面（段差部）と対抗する音叉腕の側面に互いに異なる極性を有する電極が配置されているので、音叉腕は基本波モード振動で、しかも逆相で屈曲振動をする。本実施例の工程では、水晶ウエハ内に１個の音叉形状の屈曲水晶振動子が示されているが、実際には、多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が水晶ウエハ内に形成され、それらの振動子の発振周波数は基本波モード振動で３２．７６８ｋＨｚより高くなるように形成される。
【００３２】
次の工程では、水晶ウエハ内に形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように、スパッタリング法又は蒸着法又はメッキにて水晶ウエハ内の音叉腕に重り（金属膜）が付加、形成される。好ましくは、２９．４ｋＨｚから３２．７５ｋＨｚの範囲内にある。重り（金属膜）の材料として、例えば、銀若しくは金が使用される。更に、次の工程では、音叉腕に形成された前記重り（金属膜）の一部又は全部をレーザ又はプラズマエッチング法によって除去し、発振周波数が３２．２ｋＨｚ〜３３．０８ｋＨｚの範囲内にあるように水晶ウエハ内で周波数調整がなされる。又、水晶ウエハ内に形成された音叉形状の屈曲水晶振動子は水晶ウエハ内で良振動子か不良振動子かの検査が行われる。そして、不良振動子が存在するときには、前記振動子は水晶ウエハから取り除かれるか、又はマーキングされるか又はコンピユタに記憶される。不良振動子には、例えば、発振不良（等価直列抵抗Ｒ_１大）、欠け、周波数不良（周波数の変化大）、電極切れ、汚れ、外形形状不良等が含まれる。本実施例の工程では、音叉形状の加工後に重りを音叉腕に形成しているが、音叉形状の加工前に水晶ウエハに形成しても良い。
【００３３】
本実施例では、Ｓ−３の工程から音叉形状を形成し、その後、音叉腕に溝を形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、Ｓ−３の工程からまず溝を形成し、その後に音叉形状を形成しても良い。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、音叉腕に設けられる溝は叉部より音叉腕の自由端方向の位置に形成しても良い。即ち、叉部より自由端側に設けられている。
【００３４】
次の工程は矢印で示されるＡとＢの２つの方法がある。Ａはケースに穴がない場合で、Ｂは穴がある場合である。まずＡの工程では形成された音叉形状の屈曲水晶振動子１６０が水晶ウェハから切離され、その音叉基部１４５がＳ−７で示されるように、ケース１５８の固定部１５９に導電性接着剤１６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８では水晶振動子１６０が真空中で封止されて水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ１６２又はプラズマエッチング法にて周波数が調整される。最後に、Ｓ−９で示すように、ケース１５８と蓋１６３とが低融点ガラス１６４又は半田などの金属を介して接合される。その結果、音叉形状の屈曲水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットが得られる。この場合はケース１５８は真空封止用の穴を持たないので、接合は真空中で行われる。図示されていないが、更に周波数の偏差を小さくするために、蓋がガラスの場合には、Ｓ−９の後にレーザで周波数調整をしても良い。尚、レーザ又はプラズマエッチング法にて周波数調整するときには、音叉腕の重り（金属膜）の一部又は全部を除去して周波数調整される。Ｂの工程では穴がケースにあるが蓋でも良い。
【００３５】
本実施例では、重り（金属膜）が水晶ウエハに形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子の音叉腕に形成され、その重り（金属膜）の一部又は全部をレーザ又はプラズマエッチング法にて除去して周波数調整しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、即ち、これらの工程は省略しても良い。詳細には、水晶ウエハ内に形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子で、各々の振動子の基本波モード振動での発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより高い周波数を有する音叉形状の屈曲水晶振動子を各々のケースの固定部に固定し、その後に、水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるように蒸着法にて周波数調整される。蒸着法にて周波数調整されるときには、音叉腕に重り（金属）を付加して調整される。
【００３６】
次にＢの工程では、Ｓ−１０で音叉形状の屈曲水晶振動子１６０が水晶ウェハから切離され、その音叉基部１４５がケース１６５の固定部１５９に導電性接着剤１６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８と同じ様にして周波数調整が行われる。即ち、水晶振動子１６０が真空中で封止され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ又はプラズマエッチング法にて周波数調整される。更に、Ｓ−１１では、ケース１６５と蓋１６３がＳ−９と同じ方法で接合される。その後に、真空中で周波数調整が行われる。好ましくは、水晶振動子１６０が真空中で封止されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６６ｋＨｚから３２．７７ｋＨｚになるようにレーザにて調整される。最後に、Ｓ−１２では、ケース１６５に設けられた穴１６７が真空中で低融点ガラスや半田などの金属１６６を用いて封止される。
【００３７】
このように、本実施例では、Ｓ−１０の工程とＳ−１１の工程の後とに周波数調整が行われるが、少なくともどちらか一方の工程の後に周波数調整をしても良い。更に詳述するならば、音叉形状の屈曲水晶振動子をケース又は蓋の固定部に固定し、その後に、水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ又はプラズマエッチング法によって周波数調整される。例えば、音叉形状の屈曲水晶振動子をケース又は蓋の固定部に固定し、ケースと蓋を接合した後に、レーザにて周波数調整される。この場合も水晶ユニットを形成し、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザによって周波数調整される。又、Ａの工程と同じように、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−１２の後にレーザで周波数調整をしても良い。この場合には、出力される発振周波数が３２．７６６ｋＨｚから３２．７７ｋＨｚの範囲内にあるように周波数調整される。このように、本実施例では、周波数調整は複数回の別々の工程で行われるが、本発明では、少なくとも２回の別々の工程で周波数調整すれば良い。即ち、１回は水晶ウエハの状態で、更に、１回は振動子をケース、又は蓋に固定した後に周波数調整される。固定した後に、例えば、ケースと蓋を接合し、その後に周波数調整しても固定した後の周波数調整に含まれる。又、水晶振動子が真空中で封止された水晶ユニットを形成し、その後に、周波数調整をしても良い。この周波数調整の工程は別の１回の工程である。
【００３８】
本実施例では、１個の音叉型屈曲水晶振動子を具える水晶ユニットの製造方法について説明したが、２個以上（複数個）の同一モードの振動子を具える水晶ユニットの場合も同じ工程で製造される。即ち、Ｓ−３の工程から２個以上の個々、又は、一体形成の音叉形状を形成し（Ｓ−４）、更に、Ｓ−５では少なくとも１個の音叉形状の音叉腕に溝、又は音叉腕と音叉基部とに溝、又は叉部付近で分割された、分割部を有する溝を形成し、Ｓ−６では各音叉型屈曲水晶振動子は逆相で振動するように電極が配置され、Ａ工程（Ｓ−７〜Ｓ−９）又はＢ工程（Ｓ−１０〜Ｓ−１２）にて形成される。更に、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−９又はＳ−１２の後にレーザで片方又は両振動子の周波数調整を行っても良い。この場合、両振動の周波数差は同じ負荷容量で３０ｐｐｍ以内にあるのが好ましい。
【００３９】
尚、本実施例の製造工程で示された共振（発振）周波数の測定には、他励振法と自励振法の２つがある。本実施例の共振（発振）周波数の測定において、本発明はどちらの方法も含む。他励振法では、本実施例の共振（発振）周波数は、負荷容量Ｃ_Ｌ値が１８ｐＦ以下の容量を音叉形状の屈曲水晶振動子に直列に接続して位相が略零になるようにして測定したときの共振（発振）周波数である。例えば、Ｃ_Ｌ値が６ｐＦ、又は９ｐＦ、又は１２ｐＦ等である。即ち、１８ｐＦ以下の任意の数値で測定したときの共振（発振）周波数である。測定にはインピーダンスアナライザー等の測定器が持ちいられる。これに対して、自励振法では、本実施例の発振（共振）周波数は水晶発振回路を構成し、負荷容量Ｃ_Ｌ値が１８ｐＦ以下の容量を有する回路構成にして測定したときの発振（共振）周波数である。好ましくは、１ｐＦから１８ｐＦである。例えば、Ｃ_Ｌ値が６ｐＦ、又は９ｐＦ、又は１２ｐＦ等である。即ち、１８ｐＦ以下の任意の数値で測定したときの発振（共振）周波数である。この場合、発振（共振）周波数はバッフア回路を介して出力信号として出力される。
【００４０】
次に、上記実施例で示された水晶ユニットは水晶発振回路を具えて構成される本発明の水晶発振器を構成するのに用いられる。即ち、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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を具えて構成される前記水晶ユニットとコンデンサーから構成されている。詳細には、増幅部はＣＭＯＳインバータと帰還抵抗とを具えて構成され、帰還部は前記水晶ユニット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とを具えて構成されていて、これらの素子は電気的に接続されている。又、前記した発振周波数は水晶発振回路から出力される出力信号の周波数である。通常はバッフア回路を介して出力される。即ち、水晶発振回路の出力信号はバッフア回路を介して出力され、その出力信号の周波数は３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にある。
【００４０】
上記方法で製造された本発明の水晶発振器は、超小型で、高い周波数安定性と高い時間精度を有する品質に優れた、安価な水晶発振器が実現できる。
【００４１】
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。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。
【００４２】
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、ケース又は蓋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。また、上記実施例では、音叉腕に溝が設けられているが、溝はなくても良い。即ち、音叉腕は上面と下面と側面とを有し、それらの面に音叉腕が逆相で振動するように電極が配置されている。
【００４３】
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は電気的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_１／２Ｑ_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。
【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、物理的と機械的加工方法の内、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。ここではこの方法をプラズマエッチング法と言う。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。ここではこの方法を粒子法と言う。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の水晶発振器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を多数個ウエハ内に形成し、重りの形成および周波数調整をウエハ内で行うので、作業性に優れ、安価な振動子が得られると同時に、安価な水晶発振器が実現できる。
（２）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水晶発振器は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は、基本波モード振動の周波数が出力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。
（３）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を得る事ができる。
【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平面図である。
【図４】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２個の音叉形状の水晶振動子の上面図で、一体に形成されている。
【図５】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６】本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。
【図７】本発明の水晶発振器を製造する方法の一実施例の工程図である。
【符号の説明】
１、９増幅回路、帰還回路
Ｖ_１、Ｖ_２入力電圧、出力電圧
Ｗ_２、Ｗ、Ｗ_４溝幅、音叉腕の腕幅、音叉腕の間隔
Ｗ_１、Ｗ_３音叉腕の部分幅
ｌ_１、ｌ_２、ｌ溝の長さ、音叉基部の長さ、音叉形状の屈曲水晶振動子の全長
ｔ、ｔ_１音叉腕の厚み、溝の厚み[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention has been obtained by a method of manufacturing a crystal oscillator including a crystal oscillator having a tuning fork shape vibrating in a bend mode and a tuning fork shape including a tuning fork base, and a crystal oscillation circuit including an amplifier, a capacitor and a resistance element, and the method described above. It relates to a crystal oscillator.
[0002]
[Prior art]
As a conventional crystal oscillator, a crystal oscillator including a tuning fork type bent crystal resonator in which electrodes are arranged on upper, lower, and side surfaces of a tuning fork arm, an amplifier, a capacitor, a resistance element, and a tuning fork arm is well known. The tuning fork-shaped bent crystal resonator used in the conventional crystal oscillator has two tuning fork arms and a tuning fork base, and excitation electrodes are arranged on the upper and lower surfaces and side surfaces of the tuning fork arm. I have. For example, electrodes having the same polarity are arranged on the upper and lower surfaces of one tuning fork arm, and electrodes having the same polarity are arranged on both side surfaces. That is, the electrodes on the upper and lower surfaces and the electrodes on both side surfaces are configured to have different polarities. Similarly, electrodes having the same polarity are arranged on the upper and lower surfaces of the other tuning fork arm, and electrodes having the same polarity are arranged on both side surfaces. That is, the electrodes on the upper and lower surfaces and the electrodes on both side surfaces are configured to have different polarities. Specifically, the electrodes on the upper and lower surfaces of one tuning fork arm and the electrodes on the upper and lower surfaces of the other tuning fork arm are configured to have different polarities. Therefore, when a voltage is applied between the electrodes, the electric field acts in a curved manner in the tuning fork arm. As a result, the electric field component Ex in the x-axis direction oscillates in the bending mode because the direction is reversed inside each tuning fork arm. Oscillation can be maintained by the application of the alternating voltage.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the tuning fork type bent quartz resonator, as the electric field component Ex increases, the loss equivalent series resistance R increases.₁And the quality factor Q value increases. However, the tuning-fork type bent quartz crystal resonator conventionally used has electrodes arranged on four surfaces of the upper and lower surfaces and side surfaces of each tuning-fork arm. Therefore, when the electric field does not work linearly and the tuning fork-type bent quartz-crystal vibrator is miniaturized, the electric field component Ex decreases, and the loss equivalent series resistance R₁, And the quality factor Q value decreases. At the same time, it has been left as an issue to obtain a bent quartz-crystal vibrator having high accuracy as a time reference, that is, having high frequency stability and suppressing second harmonic mode vibration. As a method for solving the above-mentioned problem, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-65517 discloses a method in which a groove is provided in a tuning fork arm, and the structure of the groove and the structure of an electrode are disclosed. However, the configuration, dimensions and vibration mode of the groove as well as the equivalent series resistance R in the fundamental mode vibration₁And the equivalent series resistance R in the second harmonic mode vibration₂And Figer of Merit M related to frequency stability is not disclosed at all. When a conventional crystal oscillator or a resonator provided with the grooves is connected to a conventional circuit to form a crystal oscillation circuit, the output signal in the fundamental wave oscillation mode becomes a secondary signal due to the impact or vibration. There has been a problem that the frequency of the harmonic mode vibration changes or is detected. For this reason, a crystal oscillator including a tuning fork-shaped bent crystal resonator that vibrates in the fundamental mode in which the second harmonic mode vibration that is not affected by shocks or vibrations is not affected by the shocks or vibrations. And a method for producing the same have been desired. Furthermore, in order to reduce the current consumption of the crystal oscillator, the load capacitance C_LIs smaller, the second harmonic mode vibration is more likely to occur, and there remains a problem that the output oscillation frequency of the fundamental mode vibration cannot be obtained. Therefore, a very small, equivalent series resistance R oscillating in the fundamental mode₁It has a tuning fork-shaped bent crystal resonator with a groove configuration and an electrode configuration that has a small shape, a high quality factor Q value, high electromechanical conversion efficiency, and an output signal whose oscillation frequency is the fundamental mode oscillation. Therefore, a crystal oscillator having high frequency stability (high time accuracy) and low current consumption and a method of manufacturing the same have been desired.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a crystal oscillator including a tuning-fork-shaped crystal resonator vibrating in a bending mode, which advantageously solves the conventional problem by the following method, and a method of manufacturing the same. .
[0005]
That is, a first aspect of the manufacturing method of the crystal oscillator according to the present invention is a crystal oscillator including a crystal oscillation circuit, wherein the crystal oscillation circuit includes an amplification circuit and a feedback circuit. The circuit is at least composed of an amplifier, and the feedback circuit is a method of manufacturing a crystal oscillator including at least a crystal resonator and a capacitor. The tuning fork arm has an upper surface, a lower surface, and a side surface, a groove or a through hole is provided in the tuning fork arm of the tuning fork shape, and an electrode is disposed on a side surface of the groove or the through hole. The electrode on the side surface of the groove or the through hole and the electrode on the side surface of the tuning fork arm opposing the electrode have different polarities, and the groove and the electrode are provided so that the tuning fork arm vibrates in the opposite phase. Shaped tuning fork Forming the tuning fork-shaped bent quartz resonator on a quartz wafer such that the oscillation frequency of the bent quartz resonator in fundamental mode vibration becomes higher than 32.768 kHz; and forming the tuning fork on the quartz wafer. Adding a weight to the tuning fork arm in the quartz wafer by sputtering, vapor deposition, or plating so that the oscillation frequency of the bent quartz resonator of the above is lower than 32.768 kHz; Adjusting by a laser or plasma etching method in a quartz wafer, and separating the tuning fork-shaped bent quartz oscillator from the quartz wafer, and storing the bent quartz oscillator in a surface mount type or cylindrical unit. These steps are sequentially performed, and further, the amplification factor α of the fundamental mode oscillation of the amplification circuit₁And amplification factor α of second harmonic mode vibration₂Is the feedback rate β of the second harmonic mode oscillation of the feedback circuit.₂And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁And the amplification factor α of the fundamental mode vibration.₁And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁Is a method for manufacturing a crystal oscillator in which the crystal oscillation circuit is configured such that the product of the above is greater than 1.
[0006]
A second aspect of the method for manufacturing a crystal oscillator according to the present invention is a crystal oscillator including a crystal oscillation circuit, wherein the crystal oscillation circuit includes an amplification circuit and a feedback circuit, and the amplification circuit includes: A method for manufacturing a crystal oscillator comprising at least an amplifier and a feedback circuit comprising at least a crystal resonator and a capacitor, wherein the crystal resonator is a tuning fork-shaped bent crystal vibration comprising a tuning fork arm and a tuning fork base vibrating in a bending mode. The tuning fork arm has an upper surface, a lower surface, and a side surface, and the tuning fork arm and the tuning fork base having the tuning fork shape are integrally formed by an etching method, and the upper surface, the lower surface, and the side surface of the tuning fork arm are formed on the tuning fork arm. The electrodes are arranged so that the tuning fork arm vibrates in the opposite phase, and the tuning fork arm is provided with the electrode so as to vibrate in the opposite phase. Forming the tuning-fork-shaped bent quartz-crystal vibrator in the quartz wafer such that the vibration frequency is higher than 32.768 kHz; and setting the oscillation frequency of the tuning-fork-shaped bent quartz-crystal vibrator formed in the quartz wafer to 32. Adding a weight to the tuning fork arm in the quartz wafer so as to be lower than 768 kHz, adjusting the oscillation frequency of the tuning fork-shaped bent quartz resonator having the weight added in the quartz wafer, and adjusting the tuning fork shape. Separating the bent quartz oscillator from the quartz wafer, and storing the bent quartz oscillator in a surface-mounted or cylindrical unit.These steps are sequentially performed, and the quartz oscillator circuit is Comprising a crystal unit formed from the steps, and wherein the bent quartz crystal vibrator has a fundamental wave mode vibration FIG.₁Is the figurine of merit in the second harmonic mode vibration M₂A bending quartz resonator having a larger tuning fork shape, and an absolute value | -RL of a negative resistance of a fundamental mode vibration of the amplifier circuit.₁And the equivalent series resistance R of the fundamental mode oscillation₁Is the absolute value of the negative resistance of the second harmonic mode oscillation of the amplifier circuit | -RL₂| And the equivalent series resistance R of the second harmonic mode oscillation₂This is a method for manufacturing a crystal oscillator in which the crystal oscillation circuit is configured to have a ratio larger than the ratio.
[0007]
[Action]
As described above, the present invention is a method for manufacturing a crystal oscillator including a tuning-fork-shaped crystal resonator vibrating in a bending mode, and further improves the structure and frequency adjustment method of the tuning-fork-shaped groove or through-hole and electrode. By showing the relationship between the amplifier circuit and the feedback circuit, it is possible to obtain a crystal oscillator that suppresses harmonic oscillation and outputs an oscillation frequency that oscillates in the fundamental oscillation mode.
[0008]
[Embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an embodiment of a crystal oscillation circuit diagram constituting a crystal oscillator of the present invention. In this embodiment, the crystal oscillation circuit 1 includes an amplifier (CMOS inverter) 2, a feedback resistor 4, a drain resistor 7, capacitors 5, 6, and a tuning fork-shaped bent crystal resonator 3. That is, the crystal oscillation circuit 1 includes an amplifier circuit 8 including an amplifier 2 and a feedback resistor 4 and a drain resistor 7, and a feedback circuit 9 including capacitors 5 and 6 and a bent crystal resonator 3. It is configured. In detail, the crystal oscillator according to the present invention is configured to include a crystal oscillation circuit, and the crystal oscillation circuit is configured to include an amplification circuit and a feedback circuit.The amplification circuit includes at least an amplifier, and the feedback circuit includes at least an amplifier. It is composed of a tuning fork-shaped bent quartz oscillator and a capacitor. The tuning fork-shaped bent crystal resonator used in the crystal oscillator of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0009]
FIG. 2 shows the feedback circuit diagram of FIG. Now, the angular frequency of the tuning-fork-shaped quartz resonator vibrating in the bending mode is ω_iAnd the resistance of the drain resistor 7 is R_d, Capacitors 5 and 6 with C_g, C_dAnd the crystal impedance of the crystal is R_ei, Input voltage to V₁, Output voltage to V₂Then, the feedback rate β_iIs β_i= | V₂|_i/ | V₁|_iIs defined by Here, i represents the vibration order of the bending vibration mode, and for example, when i = 1, the fundamental mode vibration, and when i = 2, the second harmonic mode vibration. Further, the load capacity C_LIs C_L= C_gC_d/ (C_g+ C_d), C_g= C_d= C_gsAnd Rd >> R_eiThen, the feedback rate β_iIs β_i= 1 / (1 + kC_L ²). Where k is ω_i, R_d, R_eiIs represented by the function Also, R_eiIs approximately the equivalent series resistance R_iIs equal to
[0010]
Thus, the feedback rate β_iAnd load capacity C_LFrom the load capacity C_LBecomes smaller, the feedback rates of the oscillation frequencies of the fundamental mode vibration and the second harmonic mode vibration increase. Therefore, the load capacity C_LIs smaller, the second harmonic mode oscillation becomes easier to oscillate than the fundamental mode oscillation. The reason is that since the maximum vibration amplitude of the second harmonic mode vibration is smaller than the maximum vibration amplitude of the fundamental mode vibration, the amplitude condition and the phase condition, which are the oscillation continuation conditions, are simultaneously satisfied.
[0011]
An object of the crystal oscillator of the present invention is to provide a crystal oscillator having an oscillation frequency of a fundamental mode vibration, which has low current consumption and high output frequency and high frequency stability (high time accuracy). Therefore, in order to reduce the current consumption, in this embodiment, the load capacitance C_LUses 18 pF or less. In order to further reduce the current consumption, the current consumption is proportional to the load capacity._L= 15 pF or less is preferred. Also, in order to suppress the second harmonic mode vibration, the load capacitance C_LPreferably, the value is greater than 1 pF. Furthermore, in order to suppress the oscillation in the second harmonic mode and to obtain the oscillation frequency of the fundamental mode oscillation,₁/ Α₂> Β₂/ Β₁And α₁β₁The crystal oscillation circuit of the present embodiment is configured so as to satisfy> 1. Where α₁, Α₂Is the amplification factor of the amplifier circuit for the fundamental mode oscillation and the second harmonic mode oscillation, and β₁, Β₂Is the feedback ratio of the feedback circuit for the fundamental mode oscillation and the second harmonic mode oscillation.
[0012]
In other words, the amplification factor α of the fundamental mode vibration of the amplifier circuit₁And amplification factor α of second harmonic mode vibration₂Is the feedback ratio of the second harmonic mode oscillation of the feedback circuit β₂And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁And the amplification factor α of the fundamental mode vibration.₁And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁Are configured to be greater than one. With such a configuration, it is possible to realize a crystal oscillator that consumes a small amount of current and whose output signal is the oscillation frequency of the fundamental mode oscillation of the bent quartz crystal resonator having the tuning fork shape. Further, the high frequency stability will be described later.
[0013]
The amplifying part of the amplifying circuit constituting the crystal oscillation circuit of the present embodiment has a negative resistance of -RL._iCan show the characteristic. When i = 1, it is the negative resistance of the fundamental mode vibration, and when i = 2, it is the negative resistance of the second harmonic mode vibration. The crystal oscillation circuit of the present embodiment has an absolute value | -RL of the negative resistance of the fundamental mode vibration of the amplifier circuit.₁And the equivalent series resistance R of the fundamental mode oscillation₁Is the absolute value of the negative resistance of the second harmonic mode oscillation of the amplifier circuit | -RL₂| And the equivalent series resistance R of the second harmonic mode oscillation₂The oscillation circuit is configured to be larger than the ratio. That is, | -RL₁| / R₁> | -RL₂| / R₂It is configured to satisfy the following. By configuring the crystal oscillation circuit in this manner, the oscillation start of the second harmonic mode oscillation is suppressed, and as a result, the oscillation start of the fundamental mode oscillation is obtained, so that the oscillation frequency of the fundamental mode oscillation is used as an output signal. can get.
[0014]
FIG. 3 is a top view of a tuning-fork-shaped crystal resonator 45 that vibrates in a bending mode used in the crystal oscillator according to the first embodiment of the present invention. The tuning fork-shaped bent crystal resonator 45 includes tuning fork arms 46 and 47 and a tuning fork base 48. That is, one ends of the tuning fork arms 46 and 47 are connected to the tuning fork base 48. In this embodiment, the tuning fork base 48 is provided with portions 53 and 54 whose width gradually narrows in a curved manner. This length is l₃Having a value of approximately 0.03 mm to 0.6 mm, preferably in the range of 0.1 mm to 0.6 mm. The length l of the tuning fork base₂Has a diameter of 0.3 mm to 0.85 mm. That is, the width W of the tuning fork base side on the tuning fork side.₅And end width W₆Is W₅> W₆It is configured to satisfy. In this embodiment, the gradually narrowing portions 53 and 54 are curved, but may be formed so as to gradually narrow in a straight line. The tuning fork arms 46 and 47 are provided with grooves 49 and 50 (including) the neutral lines 51 and 52, respectively. In this embodiment, the grooves 49 and 50 are provided in a part of the tuning fork arms 46 and 47. Although not shown, a groove is also provided on the lower surface of the tuning fork arm in opposition to the grooves 49 and 50. At the same time, electrodes are arranged in the groove and on the side surface of the tuning fork arm. The counter electrodes are configured to have different polarities. Further, the vibrator is fixed to a surface mounting type case or a cylindrical case on the end side of the tuning fork base 48 by solder or adhesive. That is, a two-electrode terminal is formed. In the case of a cylindrical case, it is fixed to two lead wires.
[0015]
The tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator 45 has a thickness t, and the groove has a thickness t.₁have. The thickness t here₁Means the thickness of the deepest part of the groove. The reason for this is that quartz is an anisotropic material, and the etching speed differs in the direction of each crystal axis in the chemical etching method. Therefore, when the groove is formed by the chemical etching method, the depth of the groove varies, and it is extremely difficult to process the groove into a uniform shape. In the present embodiment, the groove thickness t₁And the thickness t of the tuning fork arm (t₁The groove is formed in the tuning fork arm such that (/ t) is smaller than 0.79. By forming in this manner, the electric field Ex between the groove side surface electrode of the tuning fork arm and the electrode on the side surface opposing the groove side electrode becomes large, so that a bending oscillator having good electromechanical conversion efficiency can be obtained. That is, the capacitance ratio r of the fundamental wave mode vibration₁Is the capacitance ratio r of the second harmonic mode vibration₂A smaller tuning fork-shaped bent quartz resonator can be obtained.
[0016]
Furthermore, the partial width W₁, W₃And groove width W₂Then, the arm width W of the tuning fork arms 46 and 47 is W = W₁+ W₂+ W₃, Usually W₁And W₃Part or all of W₁≧ W₃Or W₁<W₃It is configured to be. Also, the groove width W₂Is W₂≧ W₁, W₃Are satisfied. More specifically, in this embodiment, the groove width W₂And the ratio of the tuning fork arm width W (W₂/ W) is greater than 0.35 and less than 1, preferably from 0.35 to 0.95, and the thickness t of the groove is₁And the thickness t of the tuning fork arm (t₁The groove is formed in the tuning fork arm such that (/ t) is smaller than 0.79, preferably 0.01 to 0.79. By forming in this manner, the moment of inertia with respect to the neutral lines 51 and 52 of the tuning fork arm is increased. That is, the equivalent series resistance R₁The tuning fork-shaped bent quartz resonator having a small Q and a high Q value can be obtained.
[0017]
Further, the overall length 1 of the tuning fork-shaped vibrator 45 is determined by the required frequency, the size of the storage container, and the like. Sa₁Has a close relationship with the total length l.
<
That is, the length l of the groove provided in the tuning fork arms 46 and 47₁And the total length l of the tuning fork-shaped bent quartz resonator (l₁The length of the groove is provided such that (/ l) is 0.2 to 0.78. The reason for this is that the second harmonic mode vibration, which is unnecessary vibration, can be suppressed and the frequency stability of the fundamental mode vibration can be increased. Therefore, a good tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator that easily vibrates in the fundamental mode can be realized. More specifically, the equivalent series resistance R of the tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrating in the fundamental mode is used.₁Is the equivalent series resistance R of the second harmonic mode vibration₂Smaller. That is, R₁<R₂Thus, in a crystal oscillator including an amplifier (CMOS inverter), a capacitor, a resistor, a tuning fork-shaped bent crystal resonator of the present embodiment, and the like, a good crystal oscillator in which the resonator easily vibrates in the fundamental mode can be realized. Also, the length l of the groove₁May be divided in the length direction of the tuning fork arm, at least one of which is divided by the side ratio (l).₁/ L), or the length of the added groove in the length direction of the divided groove is the side ratio (l).₁/ L).
[0019]
In this embodiment, the tuning fork base 48 has a length l of the vibrator 45 in FIG.₂The tuning fork arm 46 and the tuning fork arm 47 have a length l of the vibrator 45 in FIG.₂And the entire upper part.
[0020]
In other words, at least one groove is provided in the longitudinal direction on each of the upper and lower surfaces of the tuning fork arm including the neutral line, that is, the neutral line is sandwiched between the neutral lines of the tuning fork arm. Are arranged so that the electrode on the side surface of the groove and the electrode on the side surface of the tuning fork arm opposing the electrode have different polarities, and at least one of each of the at least one electrode is provided so as to increase the moment of inertia generated in the tuning fork arm. Width W of at least one of the grooves₂And the ratio of the tuning fork arm width W (W₂/ W) is greater than 0.35 and less than 1, and the thickness t of the groove is₁And the thickness t of the tuning fork arm (t₁/ T) is smaller than 0.79.
[0021]
Further, the spacing between the tuning fork arms in this embodiment is W₄And the interval W₄And groove width W₂Is W₄≧ W₂And the distance W₄Is 0.05 mm to 0.35 mm and the groove width W₂Has a value between 0.03 mm and 0.12 mm. The reason for this configuration is that the tuning fork shape and the groove of the tuning fork arm can be formed in separate steps using photolithography technology, and the frequency stability of the fundamental wave mode oscillation can be improved. It can be higher than the frequency stability of the harmonic mode vibration. In this case, in this embodiment, a quartz wafer having a thickness t of usually 0.05 mm to 0.12 mm is used, but a quartz wafer thicker than 0.12 mm may be used.
[0022]
More specifically, a figurine of merit M representing the inductiveness and electromechanical conversion efficiency of a bent quartz crystal resonator_iIs the quality factor Q_iValue and capacity ratio r_iRatio (Q_i/ R_i(I.e., fundamental mode oscillation when i = 1, second harmonic mode oscillation when i = 2), and a mechanical series resonance frequency f independent of the parallel capacitance of the bent quartz resonator._sAnd the (series) resonance frequency f depending on the parallel capacitance_rIs the frequency difference Δf of FIG._iInversely proportional to the value M_iIs larger, Δf becomes smaller. Therefore, M_iIs larger, the resonance frequency of the bent quartz-crystal resonator is not affected by the parallel capacitance, so that the frequency stability of the bent quartz-crystal resonator is improved. That is, a tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator with high time accuracy can be obtained.
[0023]
In detail, the configuration of the tuning fork, the groove, the electrode, and the dimensions of the tuning fork makes it possible to reduce the fundamental wave mode vibration of FIG.₁Is the second harmonic mode vibration Figur of Merit M₂Be larger. That is, M₁> M₂Becomes As an example, the frequency of the fundamental wave mode oscillation is 32.768 kHz, and W₂/W=0.5, t₁/T=0.34, l₁When /l=0.48, there is a variation due to manufacturing, but the M₁, M₂Is M₁> 65, M₂<30. That is, high inductivity and good electromechanical conversion efficiency (equivalent series resistance R₁), And a bent quartz crystal vibrating in a fundamental mode having a large quality factor can be obtained. As a result, the frequency stability of the fundamental wave mode vibration becomes better than the frequency stability of the second harmonic mode vibration, and the second harmonic mode vibration can be suppressed. The reference frequency of the fundamental mode vibration of the present invention is 10 kHz to 200 kHz. In particular, a method of manufacturing a vibrator of 32.768 kHz will be described later.
[0024]
FIG. 4 is a top view of two tuning-fork shaped quartz oscillators 20 and 30 that vibrate in a bending mode used in the quartz oscillator according to the second embodiment of the present invention. The vibrator 20 includes tuning fork arms 25 and 26 and a tuning fork base 29. Further, grooves 27 and 28 are provided in tuning fork arms 25 and 26. Similarly, the vibrator 30 includes tuning fork arms 35 and 36 and a tuning fork base 39. Further, grooves 37 and 38 are provided in the tuning fork arms 35 and 36. Further, the vibrator 20 and the vibrator 30 are connected to each other at a tuning fork base via a connecting portion 40 and are integrally formed. In this embodiment, the electrodes are not shown, but the vibrators 20 and 30 are vibrators having different peak temperatures in frequency temperature characteristics, and the electrodes are configured so that they are electrically connected in parallel. Have been. With this configuration, it is possible to improve the frequency temperature characteristics of the vibrator. Further, the shapes of the vibrators 20 and 30 are the same as those described with reference to FIG. 3, and the two vibrators are connected via the connecting portion 40 at the tuning fork base. The apex temperature can be changed by setting the size of the oscillator or the size of the groove or the angle between the two oscillators. A partition for preventing vibration interference may be provided between the two vibrators.
[0025]
FIG. 5 is a sectional view of a crystal unit used in the crystal oscillator according to the third embodiment of the present invention. The crystal unit 170 includes a tuning fork-shaped bent crystal resonator 70, a case 71 and a lid 72. More specifically, the vibrator 70 is fixed to a fixing portion 74 provided in the case 71 by a conductive adhesive 76 or solder. The case 71 and the lid 72 are joined via a joining member 73. In this embodiment, the vibrator 70 is the same vibrator as the tuning-fork-shaped crystal vibrator 45 that vibrates in the bending mode described in detail in FIG. Further, in the crystal oscillator of the present embodiment, the circuit elements are connected outside the crystal unit. That is, only the tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator is accommodated in the unit in vacuum. In this embodiment, the quartz oscillator is housed in a surface-mount type container, but may be housed in a cylindrical type container.
[0026]
Further, the case member is made of ceramic or glass, the lid member is made of metal or glass, and the joining member is made of metal or low-melting glass. The relationship between the vibrator, the case, and the lid described in this embodiment is also applied to the crystal oscillator shown in FIG. 6 described below.
[0027]
FIG. 6 is a sectional view of a crystal oscillator according to a fourth embodiment of the present invention. The crystal oscillator 190 includes a crystal oscillation circuit, a case 91, and a lid 92. In this embodiment, the crystal oscillation circuit is housed in a crystal unit composed of a case 91 and a lid 92. The crystal oscillation circuit includes a tuning fork-shaped bent crystal resonator 90, an amplifier 98 including a feedback resistor, a capacitor (not shown), and a drain resistor (not shown). An inverter is used.
[0028]
Further, in this embodiment, the vibrator 90 is fixed to a fixing portion 94 provided in the case 91 by an adhesive 96 or solder. On the other hand, the amplifier 98 is fixed to the case 91. The case 91 and the lid 92 are joined via a joining member 93. As the vibrator 90 of this embodiment, the vibrator of the tuning fork-shaped bent quartz crystal vibrator 45 described in detail in FIG. 3 is used.
[0029]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a crystal oscillator according to the present invention will be described in accordance with the steps shown in the drawings. FIG. 7 shows a process of manufacturing a crystal unit constituting the crystal oscillator of the present invention. That is, it is a process chart of an embodiment of the method of manufacturing the crystal oscillator of the present invention. Symbols S-1 to S-12 indicate the step numbers. First, in S-1, a crystal wafer 140 (shown in a sectional view) is prepared. Next, in S-2, a metal film (for example, chromium and gold or gold thereon) 141 is formed on the upper and lower surfaces of the quartz wafer 140 by a vapor deposition method or a sputtering method. Further, in S-3, a resist 142 is applied on the metal film 141. Then, after the metal film 141 and the resist 142 are removed leaving the tuning fork shape by a photolithography process, the tuning fork arms 143 and 144 and the tuning fork indicated by S-4 are etched (for example, by a chemical etching method). A tuning fork shape with the base 145 is formed. When forming this tuning fork shape, a notch may be formed in the tuning fork base. Alternatively, the tuning fork base may be formed such that a portion near the fork of the tuning fork base gradually narrows in a direction opposite to the free end of the tuning fork arm (see FIG. 3).
[0030]
Next, a metal film and a resist are applied to the tuning fork shape of S-4 in the same manner as shown in the process of S-2 and S-3, and the tuning fork arm 143 and S-5 shown in S-5 are applied by a photolithography process and etching. Grooves 146, 147, 148, and 149 are formed in the tuning fork arm 144. Further, a metal film and a resist are applied to S-5, and electrodes having different polarities are formed by a photolithography process as shown by S-6.
[0031]
That is, the electrodes 150 and 153 arranged on the side surface of the tuning fork arm 143 and the electrodes 155 and 156 arranged in the grooves 148 and 149 of the tuning fork arm 144 are connected and formed to have the same polarity. Similarly, the electrodes 151 and 152 disposed in the grooves 146 and 147 of the tuning fork arm 143 and the electrodes 154 and 157 disposed on the side surface of the tuning fork arm 144 are connected and formed to have the same polarity. More specifically, since the electrodes having different polarities are arranged on the side surface of the tuning fork arm opposite to the side surface (step portion) of the groove, the tuning fork arm is in fundamental mode mode vibration, and furthermore, has bending vibration in opposite phase. do. In the process of the present embodiment, one tuning fork-shaped bent crystal resonator is shown in the crystal wafer, but in practice, many tuning fork-shaped bent crystal resonators are formed in the crystal wafer, The oscillation frequency of these vibrators is formed so as to be higher than 32.768 kHz in the fundamental mode vibration.
[0032]
In the next step, the tuning fork arms in the quartz wafer are formed by sputtering, vapor deposition, or plating so that the oscillation frequency of a large number of tuning fork-shaped bent quartz oscillators formed in the quartz wafer becomes lower than 32.768 kHz. A weight (metal film) is added and formed on the substrate. Preferably, it is in the range of 29.4 kHz to 32.75 kHz. For example, silver or gold is used as the material of the weight (metal film). Further, in the next step, part or all of the weight (metal film) formed on the tuning fork arm is removed by laser or plasma etching so that the oscillation frequency is in the range of 32.2 kHz to 33.08 kHz. The frequency is adjusted in the crystal wafer. The tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator formed in the quartz-crystal wafer is inspected in the quartz-crystal wafer to determine whether it is a good vibrator or a bad vibrator. Then, when a defective oscillator is present, the oscillator is removed from the quartz wafer or marked or stored in a computer. The defective oscillator includes, for example, an oscillation failure (equivalent series resistance R₁Large), chipping, defective frequency (large change in frequency), broken electrodes, dirt, defective external shape, and the like. In the process of this embodiment, the weight is formed on the tuning fork arm after processing the tuning fork shape. However, the weight may be formed on the crystal wafer before processing the tuning fork shape.
[0033]
In this embodiment, the shape of the tuning fork is formed from the step of S-3, and then the groove is formed in the tuning fork arm. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the process of S-3 is not limited. The groove may be formed first, and then the tuning fork shape may be formed. Alternatively, the tuning fork shape and the groove may be formed simultaneously. Further, the groove provided in the tuning fork arm may be formed at a position closer to the free end of the tuning fork arm than the fork. That is, it is provided on the free end side of the fork.
[0034]
In the next step, there are two methods A and B indicated by arrows. A is the case where there is no hole in the case, and B is the case where there is a hole. First, in step A, the formed tuning-fork-shaped bent quartz-crystal vibrator 160 is separated from the quartz wafer, and the tuning-fork base 145 is attached to the fixing portion 159 of the case 158 by the conductive adhesive 161 as shown by S-7. Or it is fixed with solder. Next, in S-8, when the crystal unit 160 is sealed in a vacuum to form a crystal unit and a crystal oscillation circuit having the crystal unit is formed, the oscillation frequency output via the buffer circuit is set. Is adjusted by the laser 162 or the plasma etching method so that is within the range of 32.764 kHz to 32.772 kHz. Finally, as shown by S-9, the case 158 and the lid 163 are joined via a metal such as low-melting glass 164 or solder. As a result, a crystal unit including a tuning fork-shaped bent crystal resonator, a case, and a lid is obtained. In this case, since the case 158 does not have a hole for vacuum sealing, the joining is performed in a vacuum. Although not shown, if the lid is made of glass, the frequency may be adjusted with a laser after S-9 in order to further reduce the frequency deviation. When the frequency is adjusted by the laser or plasma etching method, the frequency is adjusted by removing part or all of the weight (metal film) of the tuning fork arm. In step B, the hole is in the case, but may be a lid.
[0035]
In this embodiment, a weight (metal film) is formed on the tuning fork arms of a large number of tuning fork-shaped bent quartz oscillators formed on a quartz wafer, and a part or all of the weight (metal film) is subjected to laser or plasma etching. Although the frequency is adjusted by removing by the method, the present invention is not limited to this, that is, these steps may be omitted. More specifically, a plurality of tuning fork-shaped bent quartz oscillators formed in a quartz wafer, wherein the oscillation frequency of each of the oscillators in the fundamental wave mode oscillation is higher than 32.768 kHz. When the vibrator is fixed to the fixed portion of each case, and then a crystal unit is formed, and a crystal oscillation circuit having the crystal unit is formed, the oscillation frequency output via the buffer circuit becomes 32. The frequency is adjusted by a vapor deposition method so as to be in the range of 764 kHz to 32.772 kHz. When the frequency is adjusted by the vapor deposition method, the tuning fork arm is adjusted by adding a weight (metal).
[0036]
Next, in step B, the tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator 160 is separated from the quartz wafer in S-10, and the tuning-fork base 145 is fixed to the fixing portion 159 of the case 165 with the conductive adhesive 161 or solder. You. Next, frequency adjustment is performed in the same manner as in S-8. That is, when the crystal oscillator 160 is sealed in a vacuum and a crystal oscillation circuit having the crystal unit is formed, the oscillation frequency output through the buffer circuit is in the range of 32.264 kHz to 32.772 kHz. The frequency is adjusted by a laser or plasma etching method as described in (1). Further, in S-11, the case 165 and the lid 163 are joined in the same manner as in S-9. Thereafter, frequency adjustment is performed in a vacuum. Preferably, when the quartz oscillator 160 is sealed in a vacuum, the oscillation frequency outputted via the buffer circuit is adjusted by the laser so that the oscillation frequency becomes from 32.766 kHz to 32.77 kHz. Finally, in S-12, the hole 167 provided in the case 165 is sealed in a vacuum using a metal 166 such as low-melting glass or solder.
[0037]
As described above, in the present embodiment, the frequency adjustment is performed after the step S-10 and the step S-11, but the frequency adjustment may be performed after at least one of the steps. More specifically, when a tuning fork-shaped bent crystal resonator is fixed to a fixed portion of a case or a lid, and then a crystal unit is formed and a crystal oscillation circuit having the crystal unit is formed, a buffer is formed. The frequency is adjusted by laser or plasma etching so that the oscillation frequency output via the circuit is in the range of 32.764 kHz to 32.772 kHz. For example, a tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator is fixed to a fixed portion of a case or a lid, and after the case and the lid are joined, the frequency is adjusted by a laser. Also in this case, a crystal unit is formed, and the frequency is adjusted by the laser so that the oscillation frequency output via the buffer circuit is in the range of 32.264 kHz to 32.772 kHz. Similarly to the process A, the frequency may be adjusted with a laser after S-12 in order to reduce the frequency deviation. In this case, the frequency is adjusted so that the output oscillation frequency is in the range of 32.766 kHz to 32.77 kHz. As described above, in this embodiment, the frequency adjustment is performed in a plurality of separate steps, but in the present invention, the frequency adjustment may be performed in at least two separate steps. That is, the frequency is adjusted once in the state of the crystal wafer, and once more after the vibrator is fixed to the case or the lid. Even after the case is fixed, for example, the case and the lid are joined and the frequency is adjusted, this is included in the frequency adjustment after the fixation. Alternatively, a crystal unit may be formed in which the crystal unit is sealed in a vacuum, and then the frequency may be adjusted. This frequency adjustment step is another one step.
[0038]
In the present embodiment, a method for manufacturing a crystal unit including one tuning-fork type bent crystal resonator has been described. However, the same process is performed for a crystal unit including two or more (plural) resonators of the same mode. Manufactured in. That is, two or more individual or integrally formed tuning fork shapes are formed from the step of S-3 (S-4), and at S-5, at least one tuning fork arm having a groove or tuning fork is formed. A groove is formed in the arm and the base of the tuning fork, or a groove having a divided portion is formed in the vicinity of the fork, and in S-6, the electrodes are arranged so that each tuning-fork type bent quartz crystal vibrates in the opposite phase, It is formed in step A (S-7 to S-9) or step B (S-10 to S-12). Further, in order to reduce the frequency deviation, the frequency of one or both oscillators may be adjusted with a laser after S-9 or S-12. In this case, the frequency difference between the two vibrations is preferably within 30 ppm with the same load capacity.
[0039]
The measurement of the resonance (oscillation) frequency shown in the manufacturing process of the present embodiment includes two methods, a separate excitation method and a self-excitation method. In the measurement of the resonance (oscillation) frequency of the present embodiment, the present invention includes both methods. In the separate excitation method, the resonance (oscillation) frequency of the present embodiment is equal to the load capacitance C_LThis is the resonance (oscillation) frequency when a capacitor having a value of 18 pF or less is connected in series to a tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator so that the phase is substantially zero. For example, C_LThe value is 6 pF, or 9 pF, or 12 pF or the like. That is, it is the resonance (oscillation) frequency when measured at an arbitrary value of 18 pF or less. A measuring instrument such as an impedance analyzer is provided for the measurement. On the other hand, in the self-excitation method, the oscillation (resonance) frequency of the present embodiment forms a crystal oscillation circuit and the load capacitance C_LThis is the oscillation (resonance) frequency when measured with a circuit configuration having a capacitance of 18 pF or less. Preferably, it is 1 pF to 18 pF. For example, C_LThe value is 6 pF, or 9 pF, or 12 pF or the like. That is, it is the oscillation (resonance) frequency when measured at an arbitrary value of 18 pF or less. In this case, the oscillation (resonance) frequency is output as an output signal via a buffer circuit.
[0040]
Next, the crystal unit shown in the above embodiment is used to configure the crystal oscillator of the present invention which includes a crystal oscillation circuit. That is, the crystal oscillation circuit includes an amplifier circuit and a feedback circuit, the amplifier circuit includes at least an amplifier, and the feedback circuit includes at least a tuning fork-shaped bent crystal resonator. Consists of a condenser. In detail, the amplifying unit includes a CMOS inverter and a feedback resistor, and the feedback unit includes the crystal unit, a drain resistor, a gate-side capacitor, and a drain-side capacitor. Are electrically connected. The above-mentioned oscillation frequency is the frequency of the output signal output from the crystal oscillation circuit. Usually, it is output via a buffer circuit. That is, the output signal of the crystal oscillation circuit is output via the buffer circuit, and the frequency of the output signal is in the range of 32.264 kHz to 32.772 kHz.
[0040]
The crystal oscillator of the present invention manufactured by the above method can realize an inexpensive crystal oscillator that is ultra-compact, has high frequency stability and high time accuracy, and is excellent in quality.
[0041]
As described above, the present invention has been described based on the illustrated examples. However, the present invention is not limited to the above-described example, and the tuning fork arm or the tuning fork arm and the tuning fork base are used in the tuning fork-shaped bent crystal resonator used in the crystal oscillator of the above embodiment. A groove is provided in the tuning fork arm, for example.₁= 0) may be provided. That is, a through hole is a special case of a groove, and the groove of the present invention also includes the through hole. Further, in the above embodiment, the tuning fork arm is composed of two pieces, but the present invention includes three or more tuning fork arms. In this case, the electrodes need only be configured so that at least two tuning fork arms vibrate in opposite phases.
[0042]
Further, the quartz oscillators of the first to fourth embodiments and the tuning fork-shaped bent quartz oscillator used for the same have been described. The crystal unit is housed in a so-called unit. That is, the vibrator of this embodiment is fixed to the fixing portion by a conductive adhesive or solder or the like to the fixing portion provided on the case or the lid, and further, the case and the lid are joined via a joining member, The inside of the case is configured to be vacuum. With this configuration, the equivalent series resistance R₁A very small crystal unit having a small size can be realized. Further, in the above embodiment, the groove is provided in the tuning fork arm, but the groove may not be provided. That is, the tuning fork arm has an upper surface, a lower surface, and side surfaces, and electrodes are arranged on those surfaces so that the tuning fork arm vibrates in the opposite phase.
[0043]
In addition, the capacitance ratio r of the tuning fork-shaped bent quartz resonator is₁, R₂Is r₁= C₀/ C₁, R₂= C₀/ C₂Given by Where C₀Is the parallel capacitance of the electrical equivalent circuit, C₁And C₂Is the equivalent capacitance of the fundamental mode vibration and the second harmonic mode vibration of the electrical equivalent circuit. Further, the quality factor of the fundamental mode vibration and the second harmonic mode vibration of the tuning fork-shaped bent quartz resonator is Q₁Value and Q₂Given by value. In the tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrator of the above embodiment, the dependence of the resonance frequency oscillating in the fundamental mode on the parallel capacitance is smaller than the dependence of the resonance frequency oscillating on the second harmonic mode on the parallel capacitance. Is composed of That is, r₁/ 2Q₁ ²<R₂/ 2Q₂ ²It is configured to satisfy. With such a configuration, the influence of the parallel capacitance on the resonance frequency oscillating in the fundamental mode becomes extremely small so as to be negligible, so that a bent crystal oscillation oscillating in the fundamental mode having high frequency stability can be obtained. In the present invention, r₁/ 2Q₁ ²And r₂/ 2Q₂ ²To S₁And S₂And S₁And S₂Are referred to as the frequency stability coefficients of the fundamental mode vibration and the second harmonic mode vibration, respectively. That is, S₁= R₁/ 2Q₁ ²And S₂= R₂/ 2Q₂ ²Given by
[0044]
Further, the shape and groove of the tuning fork of the bent quartz-crystal vibrator of this embodiment are processed by using at least one of chemical, physical and mechanical processing methods. In the physical method, for example, ionized atoms and molecules are dispersed and processed. Here, this method is called a plasma etching method. In the mechanical method, for example, particles for blasting are scattered and processed. Here, this method is called a particle method.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, it has already been described that many effects can be obtained by providing the crystal oscillator and the method of manufacturing the same according to the present invention. Among them, the following remarkable effects are obtained.
(1) Since a large number of tuning fork-shaped bent quartz-crystal vibrators are formed in the wafer, and the formation of the weight and the frequency adjustment are performed in the wafer, excellent operability and an inexpensive vibrator can be obtained. An oscillator can be realized.
(2) Amplification rate α of fundamental mode vibration of amplifier circuit₁And amplification factor α of second harmonic mode vibration₂Is the feedback ratio of the second harmonic mode oscillation of the feedback circuit β₂And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁And the amplification factor α of the fundamental mode vibration.₁And the feedback rate β of fundamental mode oscillation₁Is larger than 1, the output signal of the crystal oscillator can obtain the frequency of the fundamental mode oscillation as an output even if the load capacitance is small, and the crystal that consumes less current is used. An oscillator can be realized.
(3) Figure of merit M of fundamental mode vibration₁Is the second harmonic mode vibration Figur of Merit M₂Since the crystal oscillator is provided with a larger vibrator, the output signal can obtain the frequency of the fundamental mode oscillation, and a crystal oscillator having high frequency stability can be realized. That is, a crystal oscillator having high time accuracy can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an embodiment of a crystal oscillation circuit diagram constituting a crystal oscillator of the present invention.
FIG. 2 shows a feedback circuit diagram of FIG.
FIG. 3 is a plan view of a tuning-fork-shaped crystal resonator used in the crystal oscillator according to the first embodiment of the present invention, which vibrates in a bending mode.
FIG. 4 is a top view of two tuning fork-shaped quartz vibrators used in the quartz oscillator according to the second embodiment of the present invention and vibrating in a bending mode, which are integrally formed.
FIG. 5 is a sectional view of a crystal unit used in a crystal oscillator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a crystal oscillator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a process chart of one embodiment of a method of manufacturing a crystal oscillator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,9 amplifying circuit, feedback circuit
V₁, V₂  Input voltage, output voltage
W₂, W, W₄  Groove width, tuning fork arm width, tuning fork arm spacing
W₁, W₃  Part width of tuning fork arm
l₁, L₂, L Groove length, tuning fork base length, total length of tuning fork-shaped bent quartz resonator
t, t₁  Tuning fork arm thickness, groove thickness

Claims

A crystal oscillator comprising a crystal oscillation circuit, wherein the crystal oscillation circuit comprises an amplifier circuit and a feedback circuit, the amplifier circuit comprises at least an amplifier, and the feedback circuit comprises at least a crystal oscillator and a capacitor. Is a method of manufacturing a crystal oscillator composed of
The quartz resonator is constituted by a tuning fork-shaped bent quartz resonator having a tuning fork arm vibrating in a bending mode and a tuning fork base, wherein the tuning fork arm has an upper surface, a lower surface, and side surfaces, and a groove is formed in the tuning fork arm. Or a through hole is provided, an electrode is disposed on the side surface of the groove or the through hole, and the electrode on the side surface of the groove or the through hole and the electrode on the side surface of the tuning fork arm that opposes the electrode have different polarities from each other, In addition, the tuning fork is formed such that the tuning fork arm has a groove and an electrode so that the tuning fork arm vibrates in the opposite phase, and the tuning fork has an oscillation frequency in a fundamental wave mode vibration higher than 32.768 kHz. Forming a bent quartz resonator having a shape on a quartz wafer, and sputtering, depositing, or plating such that the oscillation frequency of the tuning fork-shaped bent quartz resonator formed on the quartz wafer is lower than 32.768 kHz. Adding a weight to the tuning fork arm in the quartz wafer, adjusting the oscillation frequency of the tuning fork-shaped quartz crystal resonator by laser or plasma etching in the quartz wafer, and adjusting the tuning fork-shaped quartz crystal vibration. Separating the crystal unit from the crystal wafer and storing the bent crystal unit in a surface-mounted or cylindrical unit, and these steps are sequentially performed;
Furthermore, the fundamental mode vibration amplification factor alpha ₁ and the secondary ratio of the amplification factor alpha ₂ harmonic mode vibration second harmonic mode vibration feedback factor beta ₂ and the fundamental mode of the feedback circuit of the amplifier circuit greater than the ratio of the feedback factor beta ₁ of the vibration, and is the crystal oscillation circuit as the product of the feedback factor beta ₁ amplification factor alpha ₁ and the fundamental mode vibration of the fundamental wave mode vibration is greater than 1 is configured A method for manufacturing a crystal oscillator.

A crystal oscillator comprising a crystal oscillation circuit, wherein the crystal oscillation circuit comprises an amplifier circuit and a feedback circuit, the amplifier circuit comprises at least an amplifier, and the feedback circuit comprises at least a crystal oscillator and a capacitor. Is a method of manufacturing a crystal oscillator composed of
The quartz resonator is constituted by a tuning fork-shaped bent quartz resonator having a tuning fork arm vibrating in a bending mode and a tuning fork base, wherein the tuning fork arm has an upper surface, a lower surface, and side surfaces, and the tuning fork arm and the tuning fork. The base is integrally formed by an etching method, and electrodes are arranged on the upper surface, the lower surface, and the side surface of the tuning fork arm so that the tuning fork arm vibrates in the opposite phase, and the tuning fork arm vibrates in the opposite phase. Forming a tuning fork-shaped bent quartz-crystal resonator in a quartz wafer such that the oscillation frequency of the tuning-fork-shaped bent quartz-crystal resonator provided with electrodes at fundamental wave mode vibration is higher than 32.768 kHz; Adding a weight to the tuning fork arm in the crystal wafer so that the oscillation frequency of the tuning fork-shaped bent crystal resonator formed in the crystal wafer is lower than 32.768 kHz; and before the weight is added. Adjusting the oscillation frequency of the tuning fork-shaped bent quartz crystal unit in the crystal wafer, and separating the tuning fork-shaped bent quartz crystal unit from the crystal wafer, and converting the bent quartz crystal unit into a surface-mounted or cylindrical unit. Storing, and these steps are performed sequentially,
The crystal oscillator circuit is configured to include a crystal unit formed from the process, and, Fuiga in full Iga of merit M ₁ is the second harmonic mode vibration of the fundamental wave mode vibration of the bent crystal oscillator be configured comprises a flexural quartz crystal of merit M ₂ is larger than the tuning fork shape,
Further, the ratio of the absolute value | −RL ₁ | of the negative resistance of the fundamental mode oscillation of the amplifier circuit to the equivalent series resistance R ₁ of the fundamental mode oscillation is determined by the negative of the second harmonic mode oscillation of the amplifier circuit. the absolute value of the resistance | -RL 2 _| and the crystal oscillator method of manufacturing which is characterized in that it is the crystal oscillation circuit is configured to be larger than the ratio of the equivalent series resistance R ₂ of the second harmonic mode vibration.