JP2005039767A - 水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器 - Google Patents

水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】 基本波モード振動の周波数で高い周波数安定性を有し、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、品質係数Ｑ値が高い超小型の音叉形状の屈曲水晶振動子とそれから成る水晶ユニットと出力信号が高安定の発振周波数を有する水晶発振器を提供することにある。
【解決手段】 音叉腕と音叉基部とを具えて構成され、前記音叉腕の上下面に溝を設け、これらの溝の側面部に電極を配置し、その電極に対抗して音叉腕の側面に極性の異なる電極を配置した音叉形状の屈曲水晶振動子であると共に、音叉基部は接続部分を介してフレームに接続されている。更に、前記屈曲水晶振動子は水晶ユニットを構成し、かつ、基本波モード振動のフイガーオブメリットが２次高調波モード振動のフイガーオブメリットより大きく、更に、増幅回路の増幅率と帰還回路の帰還率との関係により、出力信号が基本波モード振動の発振周波数である水晶発振器が高精度で実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る水晶振動子とその振動子とケースと蓋から構成される水晶ユニットと増幅回路と帰還回路から成る水晶発振器に関する。特に、小型化、高精度化、耐衝撃性、低廉化の要求の強い情報通信機器用の基準信号源として最適な水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器で、新形状、新電極構成及び最適寸法を有する超小型の屈曲水晶振動子から構成される水晶ユニットと、基本波モード振動の発振周波数が出力信号である水晶発振器に関する。
従来の屈曲水晶振動子は音叉腕と音叉基部から構成され、音叉腕の上下面と側面に電極が配置されている。また、従来の水晶ユニットはケースと蓋と一体に形成された音叉腕と音叉基部から成る音叉型屈曲水晶振動子から構成され、更に、水晶発振器は増幅器とコンデンサと抵抗と音叉腕の上下面と側面に電極が配置された従来の音叉型屈曲水晶振動子から成る水晶発振器がよく知られている。多用されている従来の音叉型屈曲水晶振動子は２本の音叉腕と音叉基部から構成され、前記振動子の共振周波数は音叉の腕幅Ｗに比例し、音叉の腕の長さの二乗に反比例する。それ故、小型化を図るためには、腕幅Ｗを小さくする必要がある。しかしながら、腕幅Ｗを小さくすると、等価直列抵抗Ｒ１が大きくなるという課題が残されていた。また、前記音叉型屈曲水晶振動子から成る従来例の水晶ユニットと水晶発振器の小型化も同時に課題として残されていた。
このＲ１が大きくなる理由は、音叉腕に配置された電極の、水晶の電気軸（ｘ軸）方向の電界成分Ｅｘが大きいほど等価直列抵抗Ｒ１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら、従来から使用されている音叉型屈曲水晶振動子は、各音叉腕の上下面と側面の４面に電極を配置している。そのために電界が直線的に働かず、かかる音叉型屈曲水晶振動子を小型化させると、電界成分Ｅｘが小さくなってしまい、等価直列抵抗Ｒ１が大きくなり、品質係数Ｑ値が小さくなる。同時に、時間基凖として高精度な、即ち、高い周波数安定性を有し、２次高調波モード振動を抑えた屈曲水晶振動子を得ることが課題として残されていた。また、前記課題を解決する方法として、例えば、特開昭５６−６５５１７では音叉腕に溝を設け、且つ、溝の構成と電極構成について開示している。しかしながら、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Ｒ１と２次高調波モード振動での等価直列抵抗Ｒ２との関係及び周波数安定性に関係するフイガーオブメリットＭについては全く開示されていない。と同時に、前記溝を設けた振動子を従来の回路に接続し、水晶発振回路を構成すると、基本波モード振動の出力信号が衝撃や振動などの影響で出力信号が２次高調波モード振動の周波数に変化、検出される等の問題が発生していた。さらに、水晶発振器の消費電流を低減するために、負荷容量ＣＬを小さくすると、２次高調波モードの振動がし易くなり、基本波モード振動の出力周波数が得られない等の課題が残されていた。更に、音叉基部で振動子が容器の固定部に固定されるので、音叉基部の長さ寸法を小さくできず、全長の短い小型の音叉型屈曲水晶振動子が得られないという課題があった。
特開昭５６−６５５１７ 特開２０００−２２３９９２ 国際公開第００／４４０９２ 特開２００３−１６３５６８
このようなことから、水晶振動子が衝撃や振動を受けても、それらの影響を受けない２次高調波モード振動を抑えた基本波モードで振動する屈曲水晶振動子とそれを具えた水晶ユニットと水晶発振器が所望されていた。さらに、基本波モードで振動する水晶振動子の長さ寸法の短い、即ち、全長の短い超小型で、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値が高くなるような新形状で、電気機械変換効率の良い溝の構成と電極構成を有する超小型の屈曲水晶振動子とそれを具えた水晶ユニットと、その水晶ユニットを具えた、出力信号が基本波モード振動の発振周波数で、高い周波数安定性（高い時間精度）を有する超小型の水晶発振器が所望されていた。同時に、消費電流の少ない、立ち上がり時間の短い水晶発振器が所望されていた。
本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子とそれを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。
即ち、本発明の水晶振動子の第１の態様は、屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられ、前記振動腕と前記基部と前記フレームとは一体に形成されている水晶振動子である。
本発明の水晶ユニットの第１の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットであって、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられ、前記振動腕と前記基部と前記フレームとは一体に形成されていて、前記フレームは収納容器の固定部に固定されている水晶ユニットである。
本発明の水晶ユニットの第２の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットで、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されている水晶ユニットである。
本発明の水晶発振器の第１の態様は、増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は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から構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記屈曲水晶振動子の基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きい屈曲水晶振動子を具えて前記水晶発振回路は構成されると共に、増幅回路と帰還回路を具えて構成される前記水晶発振回路の増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１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｜−ＲＬ２｜と２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ２との比より大きくなるように前記水晶発振回路は構成されていて、前記音叉形状の屈曲水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が基本波モード振動の発振周波数を有する水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第２の態様は、増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも水晶振動子とコンデンサから構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記屈曲水晶振動子の全長Ｌｔが２．８ｍｍ以下で、且つ、前記基部の長さＬ１が０．５ｍｍ未満である屈曲水晶振動子を具えて水晶発振回路は構成されている水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第３の態様は、屈曲水晶振動子の基部は接続部分を介してフレームに接続されていて、振動子の全長Ｌｔが１．０２ｍｍ〜１．９５ｍｍの範囲内にあり、
Figure 2005039767
又は、Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たすように形成され、Ｌ１は０．０３ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲内にあり、且つ、Ｌ１とＬ２との差は−０．１ｍｍ〜０．３２ｍｍの範囲内にある第１の態様、又は第２の態様に記載の水晶発振器である。
このように、本発明は屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子とそれを具えた水晶ユニットと水晶発振器で、しかも、屈曲水晶振動子の基部の形状と溝の構成と電極の配置を改善することにより、全長の短い屈曲水晶振動子が得られ、かつ、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、２次高調波モード振動を抑え、基本波モード振動で振動する発振周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。
加えて、振動腕の中立線を挟んだ（含む）中央部に溝を設けるか、又は中立線の全部又は一部を残して中立線の両側に溝を設け、且つ、電極を配置し、溝の寸法の最適化を図る事により、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、Ｑ値が高く、電気機械変換効率の良い屈曲モードで振動する超小型の屈曲水晶振動子が得られる。と同時に、帰還回路の負荷容量を小さくできる。その結果、消費電流の少ない水晶発振器が得られる。
以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。
 実施例１の屈曲水晶振動子
図１は本発明の実施例１の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子１０の平面図を示す。また、ｘ、ｙ、ｚはそれぞれ水晶の電気軸、機械軸、光軸である。本実施例の振動子の形状は音叉形状で、屈曲水晶振動子１０は振動腕２０、振動腕３１と基部４０とから成り、振動腕２０と振動腕３１の一端部は基部４０に接続されている。また、振動腕２０と振動腕３１はそれぞれ上面と下面と側面とを有する。更に、振動腕２０の上面には中立線４１を挟んで、即ち、中立線４１を含むように溝２１が設けられ、又、振動腕３１の上面にも振動腕２０と同様に溝２７が設けられている。なお、角度θは、ｘ軸廻りの回転角であり、通常０〜１０°の範囲で選ばれる。又、振動腕２０、３１の下面にも上面と同様に溝が設けられている（図２参照）。詳細には、振動腕２０の中立線４１を挟むようにして溝２１が設けられている。他方の振動腕３１にも中立線４２を挟むようにして溝２７が設けられている。
更に、基部４０は一方の接続部分３４を介してフレーム３６に接続されていて、他方の接続部分３５を介してフレーム３７に接続されている。本実施例の振動子は、フレーム３６、３７が収納される容器の固定部に導電接着剤又は半田等で固定される。また、振動腕２０の側面には電極２５、２６が、溝２１には電極２３が配置され、フレーム３６まで接続部分３４を介して延在している。加えて、振動腕３１の側面には電極３２，３３が、溝２７には電極２９が配置され、フレーム３７まで接続部分３５を介して延在している。
更に、振動腕の部分幅Ｗ１、Ｗ３と溝幅Ｗ２とすると、振動腕２０，３１の腕幅ＷはＷ＝
Figure 2005039767
Ｗ３となるように形成される。又、溝幅Ｗ２はＷ２≧Ｗ１，Ｗ３を満足する条件で形成される。更に具体的に述べると、本実施例では、溝幅Ｗ２と振動腕幅Ｗとの比（Ｗ２／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、図２で示すように、溝の厚みｔ１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が振動（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、振動腕の中立線４１と４２を基点とするモーメントが大きくなる。即ち、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、Ｑ値の高い、しかも、容量比の小さい屈曲水晶振動子を得る事ができる。
これに対して、図示されていないが、溝２１および溝２７は溝の長さＬ０を、振動腕は腕の長さＬを有する。それ故、Ｒ１の小さい振動子を得るために、Ｌ０／Ｌが０．４〜０．８の値を有する。ここで、溝に配置される電極が溝の一部に配置されるときには、Ｌ０は溝の電極の長さＬｄである。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子１０の全長Ｌｔは要求される周波数や収納容器の大きさなどから決定される。本実施例では、Ｌｔは２．８ｍｍ以下で、好ましくは、２．１ｍｍ以下の寸法を有する。より小型化を図るためには、１．０２ｍｍ〜１．９５ｍｍの範囲内にある。そして、振動腕の全幅Ｗ５（＝２Ｗ＋Ｗ４）は０．４３ｍｍ以下に、好ましくは、０．１５ｍｍ〜０．３６ｍｍの範囲内にある。また、本実施例では、
Figure 2005039767
ｍｍ以下に、好ましくは、０．１５ｍｍ〜０．５３ｍｍの範囲内にある。また、フレームの幅Ｗ６は０．４５ｍｍ以下に、フレームの長さＬ３は２．１ｍｍ以下に、振動の漏れを低減するために、好ましくは、Ｌ３は０．３ｍｍ〜１．８５ｍｍの範囲内にある。また、接続部分の幅Ｗｓは０．４１ｍｍ以下に、接続部分の長さが最小となる長さＬ２は０．０４ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内にある。更に、基本波モードで振動する良好な音叉型屈曲水晶振動子を得るためには、溝の長さＬ０と全長Ｌｔとの間には密接な関係が存在する。
すなわち、振動腕２０，３１に設けられた溝の長さＬ０と音叉形状の屈曲水晶振動子の全長Ｌｔとの比（Ｌ０／Ｌｔ）が０．２３〜０．８８となるように溝の長さは設けられる。特に、Ｌ０は１．４５ｍｍ以下に、好ましくは、Ｌ０は０．４８ｍｍ〜１．２９ｍｍの範囲内にある。又、Ｌ０は基部（基部の溝の長さＬＫ）にまで延在しても良い。このように形成する理由は、特に、不要振動である２次高調波振動を抑圧する事ができると共に、基本波モード振動の周波数安定性を高めることができる。それ故、基本波モードで容易に振動する良好な屈曲水晶振動子が実現できる。詳述するならば、基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の等価直列抵抗Ｒ１が２次高調波モード振動での等価直列抵抗Ｒ２より小さくなる。即ち、Ｒ１＜Ｒ２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発振する良好な水晶発振器が実現できる。即ち、基本波モード振動の発振周波数が出力信号として得られる。又、溝の長さＬ０は振動腕の長さ方向に分割されていても良く、その中の少なくとも１個が前記辺比（Ｌ０／Ｌｔ）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（Ｌ０／Ｌｔ）を満足すれば良い。
また、この実施例では、基部４０は図１中、振動子１０の長さＬ１と幅ＷＨの部分全体とされ、又、振動腕２０と振動腕３１は、図１中、振動子１０の長さＬ１の部分から上側の部分全体とされている。本実施例では音叉の叉部はＵ字型をしているが、本発明は前記形状に限定されるものではなく、音叉の叉部が矩形をしていても良い。この場合もＵ字型の形状と同じように、振動腕と基部との寸法の関係は前記関係と同じである。また、本発明で言う溝の長さＬ０とは、溝幅Ｗ２と振動腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、且つ、１より小さく、溝の厚みｔ１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように形成された溝の長さである。
換言するならば、中立線を含む振動腕の上下面に各々少なくとも１個の溝が長さ方向に設けられ、前記溝の両側面に電極が配置され、前記溝側面の電極とその電極に対抗する振動腕側面の電極とが互いに異極となるように構成され、振動腕に生ずる慣性モーメントが大きくなるように前記各々少なくとも１個の溝の内少なくとも１個の溝幅Ｗ２と振動腕幅Ｗとの比（Ｗ２／Ｗ）が０．３５より大きく、１より小さく、且つ、前記溝の厚みｔ１と振動腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように溝が形成されている。
一例として、振動腕は少なくとも第１振動腕と第２振動腕を具えて構成され、前記第１振動腕と前記第２振動腕と前記基部とはエッチング法によって一体に形成されていて、第１振動腕と第２振動腕の上下面にはそれぞれ厚みの方向に対抗して溝が設けられ、前記溝は第１振動腕と第２振動腕の中立線を挟んだ幅方向略中央部の上下面に各々１個の溝が設けられ、各々の溝幅Ｗ２は部分幅Ｗ１、Ｗ３と等しいか、又は部分幅Ｗ１、Ｗ３より大きくなるように形成され、且つ、各々の溝には第１振動腕の溝の電極と第２振動腕の溝の電極との極性が異なる電極が配置されると共に、前記溝の電極と対抗して配置された振動腕の側面の電極とは極性が異なる２電極端子を構成し、前記２電極端子の内、１電極端子は第１振動腕の上下面の溝に配置された電極と第２振動腕の両側面に配置された電極から構成され、且つ、上下面の溝に配置された前記電極と両側面に配置された前記電極とが接続され、他の１電極端子は第１振動腕の両側面に配置された電極と第２振動腕の上下面の溝に配置された電極から構成され、且つ、両側面に配置された前記電極と上下面の溝に配置された前記電極とが接続されている。
Figure 2005039767
足するように構成され、間隔Ｗ４は０．０５ｍｍ〜０．３７ｍｍで、溝幅Ｗ２は０．０１８ｍｍ〜０．１２ｍｍの値を有する。好ましくは、Ｗ２＝０．０２ｍｍ〜０．０６９ｍｍ。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、音叉形状と振動腕の溝とをフオトリソグラフィ技術を用いて別々（別々の工程）に形成でき、更に、基本波モード振動の周波数安定性が２次高調波モード振動の周波数安定性より高くすることができる。この場合、厚みｔは通常０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの水晶ウエハが用いられる。しかし、本発明はこれに限定されるものでなく、０．１５ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。
更に詳述するならば、屈曲水晶振動子の誘導性と電気機械変換効率と品質係数を表すフイガーオブメリットＭｉは品質係数Ｑｉ値と容量比ｒｉの比（Ｑｉ／ｒｉ）によって定義され（ｉ＝１のとき基本波振動、ｉ＝２のとき２次高調波振動）、屈曲水晶振動子の並列容量に依存しない機械的直列共振周波数ｆｓと並列容量に依存する直列共振周波数ｆｒの周波数差ΔｆはフイガーオブメリットＭｉに反比例し、その値Ｍｉが大きい程Δｆは小さくなる。従って、Ｍｉが大きい程、屈曲水晶振動子の共振周波数は並列容量の影響を受けないので、屈曲水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い屈曲水晶振動子が得られる。
詳細には、前記音叉形状と溝とその寸法の構成により、基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きくなる。即ち、Ｍ１＞Ｍ２となる。一例として、音叉形状の基本波モード振動の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚで、Ｗ２／Ｗ＝０．５、ｔ１／ｔ＝０．３４、Ｌ０／Ｌｔ＝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Ｍ１、Ｍ２はそれぞれＭ１＞６０、Ｍ２＜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Ｒ１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。
更に、本実施例の屈曲水晶振動子１０の基部４０は、接続部分３４、３５を介してフレーム３６，３７に接続されている。また、接続部分３４，３５の長さ寸法はそれぞれＬ２を有し、フレーム３６，３７の長さ寸法と幅寸法はそれぞれＬ３とＷ６を有する。そして、
Figure 2005039767
は小型化を図るために、０．５ｍｍ未満の寸法を有する。好ましくは、０．０１５ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲内にある。同時に、Ｌ１とＬ２の差、即ち、Ｌ１−Ｌ２は−０．１ｍｍ〜０．３２ｍｍの範囲内にある。特に、ＷＨ＞Ｗ５のとき、長さＬ４は０．０１２ｍｍ〜０．３８ｍｍの範囲内にある。本実施例では、フレーム３６とフレーム３７は接続されていないが、音叉先端部付近を通過するように両フレームを接続しても良い。即ち、本発明は前記形状をも包含する。また、本実施例では、フレームは基部の側面から接続部分を介して設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、振動腕（音叉腕）の間に基部から突出するようにフレームを設けても良い。更に、本実施例では、振動腕に溝を設け、その中に電極を配置しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、溝を設けない（平面）で、振動腕の上下面にそれぞれの溝の電極と極性が同じ電極を配置しても良い。これらのことは以下に述べる実施例の屈曲水晶振動子にも適用できることは言うまでもない。
図２は、図１の屈曲水晶振動子１０の振動腕２０、３１のＡ−Ａ′断面図を示す。図２では図１の水晶振動子の振動腕２０，３１の断面形状並びに電極配置について詳述する。振動腕２０には溝２１，２２が設けられている。同様に、振動腕３１には溝２７，２８が設けられている。更に、溝２１と溝２２には同極となる電極２３，２４が、溝２７と溝２８には同極となる電極２９，３０が配置されている。また、振動腕２０の側面には同極となる電極２５、２６が配置され、振動腕３１の側面には同極となる電極３２、３３が配置されている。詳細には、溝の側面に電極が配置され、前記電極に対抗して極性の異なる電極が振動腕の側面に配置されている２電極端子Ｃ−Ｃ′を構成している。即ち、１電極端子は電極２５、２６、２９、３０から構成、接続されている。他の１電極端子は電極２３、２４、３２、３３から構成、接続されている。更に詳細には、第１振動腕２０の両側面と第２振動腕３１の両側面に配置された電極２５、２６、３２，３３に対抗して配置された対抗電極は前記第１振動腕と前記第２振動腕の両側面の電極の各々に対して一部分対抗して配置されている。
即ち、ｚ軸（厚み）方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、大略ｘ軸方向に対抗する電極は異極になるように構成されている。詳細には、厚み方向に対抗して設けられた溝に配置された電極の対抗する溝電極と溝電極との間には前記溝電極に対して垂直に発生する電界が厚み方法に存在しないように電極が配置されている。今、２電極端子Ｃ−Ｃ′間に直流電圧を印加（Ｃ端子に正極、Ｃ′端子に負極）すると電界Ｅｘは図２に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは振動腕の側面と溝内の側面とに対抗して配置された電極により前記電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、振動（音叉）腕の長さ方向に同時に歪が発生すると共に、中立線に対して振動（音叉）腕の内側と外側では歪の方向が反対に発生し、且つ、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の内側に発生する歪の方向が同じで、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の外側に発生する歪の方向が同じで、更に、前記内側の歪と前記外側の歪とが互いに反対の方向に発生する。それ故、２電極端子Ｃ−Ｃ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が逆相で振動し、共振特性が良くなると共に、発生する歪の量も大きくなる。従って、音叉形状の屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
また、屈曲水晶振動子１０の振動（音叉）腕は厚みｔを有し、溝は厚みｔ１を有している。ここで言う厚みｔ１は溝の一番深いところの厚みを言う。その理由は、水晶が異方性の材料のために、化学的エッチング法では各結晶軸の方向によりエッチングスピードが異なる。それ故、化学的エッチング法では溝の深さにバラツキが生じ、図２に示した一様な形状に加工するのが極めて難しいためである。本実施例では、溝の厚みｔ１と振動（音叉）腕の厚みｔとの比（ｔ１／ｔ）が０．７９より小さくなるように、好ましくは、０．０１〜０．７９となるように溝が振動腕に形成されている。このように形成することにより、振動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。すなわち、中立線を基点とするモーメントが大きい、電気機械変換効率の良い屈曲水晶振動子が得られる。即ち、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
実施例２の屈曲水晶振動子
図３は本発明の実施例２の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子５０の平面図を示す。振動子５０は振動腕６０，７１と基部８０とを有し、基部８０の側面は接続部分７５を介してフレーム７７に接続されている。即ち、基部８０の側面の片側にのみフレーム７７が接続部分７５を介して接続されている。更に、振動腕６０には中立線８１を挟んで溝６１が設けられ、溝６１には電極６３が配置されている。また、振動腕６０の側面には電極６５、６６が配置されている。一方、振動腕７１には中立線８２を挟んで溝６７が設けられ、溝６７には電極６９が配置されている。また、振動腕７１の側面には電極７２，７３が配置されている。そして、電極６９はフレーム７７まで延在して配置されている。
尚、図３には示されていないが、振動腕の下面にも溝と電極が形成されている。即ち、振動腕の溝の構成と電極の配置は、実施例１の図２で示したのと同じように構成、接続されている、いわゆる２電極端子を構成している。また、各寸法Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の関係とＷ５、Ｗ６、ＷＨの関係とＬ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ０、Ｌｔとの関係は、実施例１と同じである。本実施例では、フレーム７７の幅Ｗ６の一端部がＷ６より広く形成されている。
実施例３の屈曲水晶振動子
図４は本発明の実施例３の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子９０の平面図を示す。本実施例の振動子の形状と寸法の関係は、上記実施例１と同じである。また、本実施例の振動子の形状は音叉形状で、屈曲水晶振動子９０は少なくとも振動腕９１、振動腕９２と基部９３とを具えて構成され、振動腕９１と振動腕９２の一端部は基部９３に接続されている。更に、基部９３にはフレーム９４，９５がそれぞれの接続部分９６，９７を介して接続されている。詳細には、一方の支持フレームはフレーム９４と接続部分９６からなり、他方の支持フレームはフレーム９５と接続部分９７からなる。即ち、支持フレームは基部９３から突出して設けられている。また、振動腕９１と振動腕９２はそれぞれ上面と下面と側面とを有する。更に、振動腕９１の上面には中立線９８を挟んで、即ち、中立線９８を含むように溝１００が設けられ、又、振動腕９２の上面にも振動腕９１と同様に溝１０１が設けられている。また、振動腕９１，９２の下面にも上面と同様に溝が設けられている（図５参照）。詳細には、振動腕９１の中立線９８を挟むようにして溝１００が設けられている。他方の振動腕９２にも中立線９９を挟むようにして溝１０１が設けられている。本実施例の振動子は、フレーム９４，９５が収納される容器の固定部に導電接着剤又は半田等で固定される。また、図５で示すように、振動腕９１、９２の側面と溝１００，１０１には電極が配置される。
図５の（ａ）と（ｂ）は、図４の屈曲水晶振動子９０の振動腕９１，９２のＢ−Ｂ′断面図を示す。図５の（ａ）と（ｂ）では図４の屈曲水晶振動子９０の振動腕９１，９２の断面形状並びに電極配置の実施例について詳述する。まず、（ａ）では、振動腕９１には溝１００，１０２が設けられている。同様に、振動腕９２には溝１０１，１０３が設けられている。更に、溝１００と溝１０２には同極となる電極１０４，１０５が、溝１０１と溝１０３には同極となる電極１０６，１０７が配置されている。また、振動腕９１，９２の側面には同極となる電極１０８，１０９，１１０，１１１が配置され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極で、記号Ｄ″で表す。更に詳述するならば、振動腕９１の溝の電極と振動腕９２の溝の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｄ−Ｄ′−Ｄ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｄ）は電極１０４，１０５から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｄ′）は電極１０６，１０７から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｄ″）はアース電極（零の極性）で、電極１０８，１０９，１１０，１１１から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｄ、Ｄ′、Ｄ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。更に電極について詳述するならば、第１振動腕９１の両側面と第２振動腕９２の両側面に配置された電極１０８，１０９，１１０，１１１に対抗して配置された対抗電極は前記第１振動腕と前記第２振動腕の両側面の電極の各々に対して一部分対抗して配置されている。
即ち、振動腕のｚ軸（厚み）方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、大略ｘ軸の方向に対抗する電極は極性が異なるように構成、配置されている。詳細には、厚み方向に対抗して設けられた溝に配置された電極の対抗する溝電極と溝電極との間には前記溝電極に対して垂直に発生する電界が厚み方法に存在しないように電極が配置されている。今、２電極端子Ｄ−Ｄ′間に直流電圧を印加（Ｄ端子に正極、Ｄ′端子に負極）すると、電界Ｅｘは図５の（ａ）に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは振動腕の側面と溝内の側面とに対抗して配置された電極により前記電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、振動（音叉）腕の長さ方向に同時に歪が発生すると共に、中立線に対して振動（音叉）腕の内側と外側では歪の方向が反対に発生し、且つ、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の内側に発生する歪の方向とが同じで、第１振動（音叉）腕と第２振動（音叉）腕の中立線に対して音叉の外側に発生する歪の方向が同じで、更に、前記内側の歪と前記外側の歪とが互いに反対の方向に発生する。それ故、２電極端子Ｄ−Ｄ′間に交番電圧を印加することにより、振動（音叉）腕が基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動し、共振特性が良くなると共に、発生する歪の量も大きくなる。従って、音叉形状の屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。
また、屈曲水晶振動子９０の振動（音叉）腕は厚みｔを有し、溝は厚みｔ１を有している。ここで言う厚みｔ１は溝の一番深いところの厚みを言う。本実施例では、溝の断面形状は矩形の形状をしているが、実際には大略Ｕ字形状、又は大略Ｖ字形状、あるいは大略Ｕ字形状と大略Ｖ字形状が合成された形状をしている。より詳細には、溝が深くなるにつれて、溝の幅は徐々に狭くなる。このことは他の実施例の屈曲水晶振動子でも言える。
次に、図５の（ｂ）では、振動腕９１には溝１００，１０２が設けられている。同様に、振動腕９２には溝１０１，１０３が設けられている。更に、溝１００，１０１，１０２，１０３には同極となる電極１１４，１１５，１１６，１１７が配置され、これらの電極はアースに接地されている。即ち、アース電極である。また、振動腕９１の側面には同極となる電極１１８，１１９が配置され、振動腕９２の側面には同極となる電極１２０，１２１が配置されている。更に詳述するならば、振動腕９１の側面の電極と振動腕９２の側面の電極とは極性の異なる電極が配置されている。それ故、本実施例では３電極端子Ｅ−Ｅ′−Ｅ″を構成している。即ち、１電極端子（記号Ｅ）は電極１１８，１１９から構成、接続されている。他の１電極端子（記号Ｅ′）は電極１２０，１２１から構成、接続されている。更に残りの１電極端子（記号Ｅ″）はアース電極（零の極性）で、電極１１４，１１５，１１６，１１７から構成、接続されている。即ち、３電極端子Ｅ、Ｅ′、Ｅ″に接続される電極はそれぞれ極性が異なる。更に電極について詳述するならば、第１振動腕９１の両側面と第２振動腕９２の両側面に配置された電極１１８，１１９，１２０，１２１に対抗して配置された対抗電極は前記第１振動腕と前記第２振動腕の両側面の電極の各々に対して一部分対抗して配置されている。
即ち、振動腕のｚ軸（厚み）方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、大略ｘ軸の方向に対抗する電極は極性が異なるように構成、配置されている。詳細には、厚み方向に対抗して設けられた溝に配置された電極の対抗する溝電極と溝電極との間には前記溝電極に対して垂直に発生する電界が厚み方法に存在しないように電極が配置されている。今、２電極端子Ｅ−Ｅ′間に直流電圧を印加（Ｅ端子に正極、Ｅ′端子に負極）すると、電界Ｅｘは図５の（ｂ）に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは振動腕の側面と溝内の側面とに対抗して配置された電極により前記電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、音叉形状の屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ１の小さい、品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。更に振動腕とその上に配置される電極について詳述するならば、振動腕は複数（本）個からなり、振動腕の上下面又は上下面に設けられた溝側面と振動腕の側面の内、少なくとも一面にアース電極が、少なくとも一面に正極となる電極が、少なくとも一面に負極となる電極が配置されている。即ち、３電極端子となるように電極が形成され、振動腕は屈曲モードの基本波モードで、かつ逆相で振動するように電極は配置されている。
実施例４の屈曲水晶振動子
図６は本発明の実施例４の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１３０の平面図を示す。振動子１３０は音叉腕１３１，１３２と溝１３３，１３４を有する。即ち、本実施例の屈曲水晶振動子１３０は、前記実施例１のＬ２＝Ｌ３のときの形状である。図示されていないが、裏面にも溝と電極が設けられ、前記実施例１のように構成されている。
実施例５の屈曲水晶振動子
図７は本発明の実施例５の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１４０の平面図を示す。振動子１４０は音叉腕１４１，１４２と溝１４３，１４４を有する。即ち、本実施例の屈曲水晶振動子１４０は、前記実施例２のＬ２＝Ｌ３のときの形状である。
実施例６の屈曲水晶振動子
図８は本発明の実施例６の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子１４５の平面図を示す。振動子１４５は音叉腕１４６，１４７と溝１４８，１４９を有する。即ち、本実施例の屈曲水晶振動子１４５は、前記実施例４の振動子の接続部又はフレームに切り欠き部１５０、１５１を形成した形状である。同時に、音叉腕（振動部）の先端部の腕幅を広くした形状を有する。このような構造にすることにより、音叉腕が質量効果を持つ。それ故、同じ周波数でもより腕の長さを短くできるので小型化ができる。実際には、腕幅を広くする音叉腕の長さは、音叉腕の自由端である先端部から腕の長さの約半分の位置まで、広く形成される。即ち、前記範囲内で任意の位置に幅が広く設けられる。更に、本実施例では、溝は音叉腕に設けられているが、溝は基部にまで延在して設けても良い。また、上記実施例１から実施例６の屈曲水晶振動子は圧電定数ｅ１２（＝ｅ′１２）によって励振され、その絶対値が大きい程、電気機械変換効率は良くなる。本発明の屈曲水晶振動子の圧電定数ｅ１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ２より大きい値を有する。特に、基本波モード振動で、より小さい等価直列抵抗Ｒ１を得るために、好ましくは、ｅ１２の絶対値は０．１２Ｃ／ｍ２〜０．１９Ｃ／ｍ２の範囲内にある。但し、ｅ１２の計算には水晶の圧電定数ｅ１１＝０．１７１Ｃ／ｍ２と圧電定数ｅ１４＝−０．０４０６Ｃ／ｍ２を用いた。
実施例１の水晶ユニット
図９は本発明の実施例１の水晶ユニット１２０の上面図である。表面実装型のケース１６５には固定部１６６，１６７が設けられている。また、本実施例の水晶ユニット１２０は音叉形状の屈曲水晶振動子１０、ケース１６５と蓋（図示されていない）とを具えて構成されている。更に詳述するならば、振動子１０のフレーム３６，３７はケース１６５に設けられた固定部１６６，１６７に導電性接着剤１６８，１６９や半田によって固定される。又、ケース１６５と蓋は接合部材を介して接合される。本実施例では、フレームの２箇所でケースに振動子を固定しているが、音叉基部又は接続部分での固定を追加固定しても良い。また、固定部は蓋に設けても良い。また、振動子１０の代わりに実施例３の屈曲水晶振動子９０を搭載しても良い。この場合には、例えば、フレームに３電極端子を構成し、固定部もそれらの電極と接続される３電極が構成される。
実施例２の水晶ユニット
図１０は本発明の実施例２の水晶ユニット１７０の上面図である。表面実装型ケース１７５には固定部１７６，１７７が設けられている。また、本実施例の水晶ユニット１７０は音叉形状の屈曲水晶振動子５０、ケース１７５と蓋（図示されていない）とを具えて構成されている。更に詳述するならば、振動子５０のフレーム７７はケース１７５に設けられた固定部１７６，１７７に導電性接着剤１７８，１７９や半田によって固定される。又、ケース１７５と蓋は接合部材を介して接合される。また、３電極端子の屈曲水晶振動子を用いる場合には、振動子を固定する固定部もそれらの電極と接続される、分割された３電極が形成される。それらの電極は容器（例えば、ケース）の外側（裏面）に延在して配置される。
また、実施例３から実施例６の音叉形状の屈曲水晶振動子も前記水晶ユニットの構成と同じように、少なくともフレームで導電接着剤等を用いて固定される。前記実施例の水晶ユニットは回路素子（ＣＭＯＳインバータ、抵抗、コンデンサ）に接続され、水晶ユニットの外側に設けられた２電極端子、又は３電極端子に電気的に接続される。即ち、音叉形状の屈曲水晶振動子のみがユニット内に収納されている。このとき、屈曲水晶振動子は真空中のユニット内に収納されている。更に、ケースの部材はセラミックスかガラス、蓋の部材は金属かガラス、そして、接合部材は金属か低融点ガラスでできている。また、前記構成とは異なり、容器（ユニット）内に回路素子と一緒に実施例１から実施例６の音叉形状の屈曲水晶振動子を収納しても良い。
実施例１の水晶発振器
図１１は本発明の実施例１の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例である。本実施例では、水晶発振回路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５，６と音叉形状の屈曲水晶振動子３から構成されている。即ち、水晶発振回路１は、増幅器２と帰還抵抗４から成る増幅回路８とドレイン抵抗７、コンデンサ５，６と屈曲水晶振動子３から成る帰還回路９から構成されている。詳細には、本発明の水晶発振回路は、増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも音叉形状の屈曲水晶振動子とコンデンサから構成されている。又、本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実施例１から実施例６で述べた屈曲水晶振動子が用いられ、前記振動子は容器（ユニット）に収納されている。いわゆる、水晶ユニットが用いられる。
図１２は図１１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ωｉ、ドレイン抵抗７の抵抗をＲｄ、コンデンサ５、６の容量をＣｇ、Ｃｄ、水晶のクリスタルインピーダンスをＲｅｉ，入力電圧をＶ１，出力電圧をＶ２とすると、帰還率βｉはβｉ＝｜Ｖ２｜ｉ／｜Ｖ１｜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ＣＬはＣＬ＝ＣｇＣｄ／（Ｃｇ＋Ｃｄ）で与えられ、Ｃｇ＝Ｃｄ＝ＣｇｄとＲｄ＞＞Ｒｅｉとすると、帰還率βｉはβｉ＝１／（１＋ｋＣＬ ２）で与えられる。但し、ｋはωｉ、Ｒｄ、Ｒｅｉの関数で表される。又、Ｒｅｉは近似的に等価直列抵抗Ｒｉに等しくなる。
このように、帰還率βｉと負荷容量ＣＬとの関係から、ＣＬが小さくなると、基本波モード振動と高調波モード振動の帰還率はそれぞれ大きくなることが良く分かる。それ故、ＣＬが小さくなると、基本波モード振動よりも２次高調波モード振動の方が発振し易くなる。その理由は高調波モード振動の最大振動振幅が基本波モード振動の最大振動振幅より小さいために、発振持続条件である振幅条件と位相条件を同時に満足するためである。
本発明の屈曲水晶振動子を用いた水晶発振器は、消費電流が少なく、しかも、出力周波数が高い周波数安定性（高い時間精度）を有する、基本波モード振動の発振周波数である水晶発振器を提供することを目的としている。それ故、消費電流を少なくするために、負荷容量ＣＬ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、ＣＬ＝１４ｐＦ以下が好ましい。また、２次高調波モードの振動を抑え、発振器の出力信号が基本波モード振動の発振周波数を得るために、α１／α２＞β２／β１とα１β１＞１を満足するように本実施例の発振回路は構成される。但し、α１、α２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、β１、β２は基本波モード振動と２次高調波モード振動の帰還回路の帰還率である。
換言するならば、増幅回路の基本波モード振動の増幅率α１と２次高調波モード振動の増幅率α２との比が帰還回路の２次高調波モード振動の帰還率β２と基本波モード振動の帰還率β１との比より大きく、かつ、基本波モード振動の増幅率α１と基本波モード振動の帰還率β１の積が１より大きくなるように構成される。このような構成により、消費電流の少ない、出力信号が基本波モード振動の発振周波数である水晶発振器が実現できる。又、水晶発振回路の出力信号はバッファ回路を介して出力される。更に、基本波モード振動での最適な帰還率を得るために、ドレイン抵抗Ｒｄは通常２００ｋΩから１ＭΩの範囲内にあるが、好ましくは、３００ｋΩから６００ｋΩが用いられる。
又、本実施例の水晶発振回路を構成する増幅回路の増幅部は負性抵抗−ＲＬｉでその特性を示すことができる。ｉ＝１のとき基本波モード振動の負性抵抗で、ｉ＝２のとき２次高調波モード振動の負性抵抗である。本実施例の水晶発振器は、増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１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｜−ＲＬ２｜と２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ２との比より大きくなるように発振回路が構成される。即ち、｜−ＲＬ１｜／Ｒ１＞｜−ＲＬ２｜／Ｒ２を満足するように構成される。好ましくは、｜−ＲＬ１｜／Ｒ１＞１＞１−ＲＬ２｜／Ｒ２の関係を有する。このような水晶発振回路の構成により、２次高調波モード振動の発振起動が抑えられるので基本波モード振動の発振周波数が出力信号として得られる。特に、超小型化した音叉形状の屈曲水晶振動子で前記目的を達成するには、一例として、基本波モード振動の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚ（発振周波数が大略３２．７６８ｋＨｚ）の場合、その基本波モード振動での増幅部での負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜が８０ｋΩより大きく、且つ、２次高調波モード振動の増幅部での負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ２｜が７５ｋΩより小さくなることが必要である。また、本実施例の水晶発振回路を構成する屈曲水晶振動子の電極構成は、２電極端子を示したが、３電極端子の屈曲水晶振動子でも良く、この場合には、図５の（ａ）と（ｂ）で示したアース電極を水晶振動子３に追加すればよい。３電極端子の場合には、電界が発生する電極間の容量が２電極端子間の並列容量Ｃ０と同じになる。即ち、２電極端子でも３電極端子でもＣ０の結果は同じになる。
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１から実施例６の音叉形状の屈曲水晶振動子では、溝が中立線を挟む（含む）ように音叉腕に設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、中立線を残して、その両側に溝を形成しても良い。この場合、音叉腕の中立線を含めた部分幅Ｗ７は０．０５ｍｍより小さくなるように形成される。又、各々の溝の幅は０．０４ｍｍより小さくなるように形成され、溝の厚みｔ１と音叉腕の厚みｔとの比は０．７９以下に成るように形成される。このように形成することにより、Ｍ１をＭ２より大きくする事ができる。また、本実施例では、部分幅Ｗ７は音叉腕の長さ方向に連続して設けても良いし、不連続に設けても良い。即ち、部分的に設けられる。詳細には、長さ方向に段差があるように設けられる。このような部分幅Ｗ７の形成により、音叉の外形形状と溝を同時に形成でき、工数の削減ができるので、安価な水晶振動子が実現できる。
更に、一例として、振動腕である音叉腕は第１音叉腕と第２音叉腕からなり、第１音叉腕と第２音叉腕の上下面にはそれぞれ厚みの方向に対抗して溝が設けられ、前記溝は第１音叉腕と第２音叉腕の中立線の全部、又は一部を残して幅方向の上下面に各々２個の溝が設けられている。更に、各々の溝には第１音叉腕の溝の電極と第２音叉腕の溝の電極との極性が異なる電極が配置されると共に、前記溝の電極と対抗して配置された音叉腕の側面の電極とは極性が異なる２電極端子を構成し、前記２電極端子の内、１電極端子は第１音叉腕の上下面の溝に配置された電極と第２音叉腕の両側面に配置された電極から構成され、且つ、上下面の溝に配置された前記電極と両側面に配置された前記電極とが接続され、他の１電極端子は第１音叉腕の両側面に配置された電極と第２音叉腕の上下面の溝に配置された電極から構成され、且つ、両側面に配置された前記電極と上下面の溝に配置された前記電極とが接続されている。
更に、上記実施例１〜実施例６の音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での容量比ｒ１は２次高調波モード振動の容量比ｒ２より小さくなるように構成されている。このような構成により、同じ負荷容量ＣＬの変化に対して、基本波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化が２次高調波モードで振動する屈曲水晶振動子の周波数変化より大きくなる。即ち、基本波モード振動の方が２次高調波モード振動より周波数の可変範囲を広くとることができる。さらに詳細には、ＣＬ＝１８ｐＦ付近では、そのＣＬ値が１ｐＦ変わると、基本波モード振動の周波数変化は２次高調波モード振動の周波数変化より大きくなる。それ故、基本波モード振動では、ＣＬの可変量が小さくても、周波数の可変範囲を広くできるという著しい効果を有する。これにより、コンデンサの可変容量の範囲を小さくできるので、用いるコンデンサの数を少なくできる。その結果、安価な水晶発振器が得られる。また、上記各実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での容量比ｒ１は２５０から４８０の範囲内にあり、容量比ｒ２は１２００より大きい値を有する。
また、音叉形状の屈曲水晶振動子の容量比ｒ１、ｒ２はそれぞれｒ１＝Ｃ０／Ｃ１、ｒ２＝Ｃ０／Ｃ２で与えられる。但し、Ｃ０は電気的等価回路の並列容量で、Ｃ１とＣ２は等価回路の基本波モード振動と２次高調波モード振動の等価容量である。即ち、Ｃ０は屈曲水晶振動子の２電極端子間、又は３電極端子間の、各々の端子間の全容量である。換言するならば、電界が生じる電極間の容量である。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動と２次高調波モード振動の品質係数はＱ１値とＱ２値で与えられる。そして、前記各実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子は、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性が２次高調波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性より小さく成るように構成される。すなわち、ｒ１／２Ｑ１ ２＜ｒ２／２Ｑ２ ２を満たすように構成される。この構成により、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による影響が無視できるほど極めて小さくなるので、高い周波数安定性を有する基本波モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動が得られる。又、本発明では、ｒ１／２Ｑ１ ２とｒ２／２Ｑ２ ２をそれぞれＳ１とＳ２と置き、Ｓ１とＳ２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、Ｓ１＝ｒ１／２Ｑ１ ２とＳ２＝ｒ２／２Ｑ２ ２で与えられる。更に、通常、Ｑ１＞Ｑ２
Figure 2005039767
内にあるときには、Ｑ１＜Ｑ２の関係が得られる場合がある。
又、上記各実施例で述べられた振動子の基本波モード振動の電気機械結合係数は、２次高調波モード振動の電気機械結合係数より大きくなると共に、基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１は３５ｋΩ〜１０５ｋΩの範囲内にある。又、Ｒ２はＲ２／Ｒ１＞１の関係を有する。即ち、Ｒ２＞３５ｋΩの関係を満たすように溝と電極が構成されている。更に、本発明の水晶発振器は、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、且つ、発振の立ち上がり時間ｔｒが１秒以内にある水晶発振器を提供する事を目的にしている、その
Figure 2005039767
ｔｒは水晶発振回路の出力の最大出力電圧の８０％に達する時間を言う。また、Ｌｍ１は音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での電気的等価回路の等価インダクタンスで
Figure 2005039767
きくしないで、ｔｒを短くするために本発明の振動子の基本波モード振動（基準周波数が３２．７６８ｋＨｚ）での等価インダクタンスＬｍ１は１２ｋＨより小さく、好ましくは、１０．９ｋＨ以下にある。上記各実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動での基準周波数として３２．７６８ｋＨｚが用いられるが、本発明はこの周波数に限定されるものでなく、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの基準周波数に適用される。
また、一例として、音叉形状の屈曲水晶振動子の基準周波数が３２．７６８ｋＨｚで、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）以内の発振周波数を出力周波数として得るには、まず、水晶ウエハ内にフォトリソグラフィ法とエッチング法により、３２．７６８ｋＨｚより周波数が高くなるように振動子が形成される。次に、前記振動子を収納する容器の固定部に固定した後に、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ以内の発振周波数が出力周波数として得られるように音叉腕に重りを付加して周波数調整するか、若しくは、周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように音叉腕に重りを付着し、前記振動子を収納する容器の固定部に固定した後に、水晶発振回路の出力信号が３２．７６８ｋＨｚ±１００ｐｐｍ以内の発振周波数が出力周波数として得られるように音叉腕の重りを除去して周波数調整される。本実施例では、水晶発振回路の負荷容量ＣＬ値は１８ｐＦ以下が用いられる。更に、前記周波数調整には、レーザビームと、蒸着と、電子ビームと、イオン化した原子、分子による、いわゆるイオンエッチング法、又はスパッタリング法の内の少なくとも一つが使用される。また、本実施例では、水晶ウエハ内に３２．７６８ｋＨｚより周波数が高くなるように振動子が形成された後に、水晶ウエハ内で良振動子か不良振動子かを検査する工程を入れても良い。即ち、不良振動子が存在するときには、不良振動子は水晶ウエハから取り除かれるか、又は振動子に何かマーキングされるか、又は振動子はコンピユタに記憶される。
更に、本実施例の屈曲水晶振動子の音叉形状と溝は化学的、物理的と機械的方法の内の少なくとも一つの方法を用いて加工される。物理的方法では、例えば、イオン化した原子、分子等のいわゆる粒子を飛散させて加工するものである。又、機械的方法では、例えば、ブラスト加工用の粒子を飛散させて加工するものである。前記の例では、加工に粒子を用いるので、本発明では、これを粒子法による（エッチング）加工と言う。
本発明の水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に、超小型で、高い周波数安定性を必要とする携帯機器や民生機器等に適用できる。
本発明の実施例１の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子の平面図を示す。 図１の屈曲水晶振動子の振動腕のＡ−Ａ′断面図を示す。 本発明の実施例２の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子の平面図を示す。 本発明の実施例３の屈曲モードで振動する屈曲水晶振動子の平面図を示す。 （ａ）と（ｂ）は、図４の屈曲水晶振動子の振動腕のＢ−Ｂ′断面図を示す。 本発明の実施例４の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の平面図を示す。 本発明の実施例５の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の平面図を示す。 本発明の実施例６の屈曲モードで振動する音叉形状の屈曲水晶振動子の平面図を示す。 本発明の実施例１の水晶ユニットの上面図である。 本発明の実施例２の水晶ユニットの上面図である。 本発明の実施例１の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一実施例を示すものである。 図１１の帰還回路図を示す。
符号の説明
ＷＨ、ＷＳ 音叉基部の幅、接続部分の幅
Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６ 音叉腕の間隔、音叉腕の全幅、フレームの幅
Ｌ０、Ｌ１ 溝の長さ、音叉基部の長さ
Ｌ２、Ｌ３ 接続部分の長さ、フレームの長さ
Ｌｔ 音叉の全長

Claims (6)

  1. 屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられ、前記振動腕と前記基部と前記フレームとは一体に形成されていることを特徴とする水晶振動子。
  2. 水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットであって、
    前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記基部から突出するようにフレームが設けられ、前記振動腕と前記基部と前記フレームとは一体に形成されていて、前記フレームは収納容器の固定部に固定されていることを特徴とする水晶ユニット。
  3. 水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットで、
    前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部からなる屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記上下面の少なくとも一面に溝が設けられ、前記溝又は前記振動腕の側面の少なくとも一面にアース電極が配置されていることを特徴とする水晶ユニット。
  4. 増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも水晶振動子とコンデンサから構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、
    前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、
    前記屈曲水晶振動子の基本波モード振動のフイガーオブメリットＭ１が２次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ２より大きい屈曲水晶振動子を具えて前記水晶発振回路は構成されると共に、
    増幅回路と帰還回路とを具えて構成される前記水晶発振回路の増幅回路の基本波モード振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ１｜と基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ１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｜−ＲＬ２｜と２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ２との比より大きくなるように前記水晶発振回路は構成されていて、
    前記屈曲水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が基本波モード振動の発振周波数であることを特徴とする水晶発振器。
  5. 増幅回路と帰還回路から構成されていて、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも水晶振動子とコンデンサから構成されている水晶発振回路から成る水晶発振器で、前記水晶振動子は屈曲モードで振動する振動腕と基部から成る屈曲水晶振動子で、前記振動腕は上面と下面と側面とを有し、前記屈曲水晶振動子の全長Ｌｔが２．８ｍｍ以下で、且つ、前記基部の長さＬ１が０．５ｍｍ未満である屈曲水晶振動子を具えて前記水晶発振回路は構成されていることを特徴とする水晶発振器。
  6. 屈曲水晶振動子の基部は接続部分を介してフレームに接続されていて、前記屈曲水晶振動子の全長Ｌｔが１．０２ｍｍ〜１．９５ｍｍの範囲内にあり、基部の長さＬ１と接続部分
    Figure 2005039767
    たすように形成され、Ｌ１は０．０３ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲内にあり、且つ、Ｌ１とＬ２との差は−０．１ｍｍ〜０．３２ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項４、又は請求項５に記載の水晶発振器。
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