JP2005094732A - 水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】長さ縦水晶振動子の電気機械変換効率が悪く、等価直列抵抗Ｒ_１が大きく、品質係数Ｑ値が小さくなるという点である。同時に、前記振動子を用いた水晶ユニットと水晶発振器の特性が良くない点である。
【解決手段】振動部と接続部と支持部とを具えて構成される水晶振動子で、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される水晶振動子は粒子法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置されていて、前記水晶振動子は長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子であると共に、前記水晶振動子からなる水晶ユニットと水晶発振器である。
【選択図】図１

Description

本発明は輪郭水晶振動子に関する。特に、輪郭水晶振動子の一つである長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器に関する。詳細には、小型化、高精度、耐衝撃性、低廉化などの要求の強い携帯機器、情報通信機器、計測機器、及び民生機器等の電子機器の基準信号源として用いる、最適な新カットと新電極構成の長さ縦水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器に関する。

Ｚ板水晶を用いた基本波モードで振動する長さ縦モード振動子（振動部の長さＬ_０、幅Ｗ_０，厚みＴ_０）がよく知られている。図１０の（ａ）と（ｂ）は従来の長さ縦水晶振動子の上面図と側面図を示す。図１０の（ａ）において水晶振動子１６２は振動部１６３、接続部１６６、１６９及び支持部１６７、１８０を具えて構成されている。支持部１６７、１８０はそれぞれマウント部１６８、１８１を包含している。更に、図１０の（ａ）と（ｂ）に示されているように、振動部１６３の側面に電極１６４と電極１６５が配置されている。即ち、化学的エッチング法で形成された面の上に電極が対抗して配置されている。そのために、電極間のｘ軸方向の電界が一様でなく、等価直列抵抗Ｒ_１が大きくなるという問題があった。更に、電界方向と同じ方向に接続部が設けられ、且つ、振動部の中央にあるので、ｘ軸（幅Ｗ_０）方向の電界が振動部の中央で働かない。それ故、電気機械変換効率が悪くなる。その結果、Ｒ_１が大きく、品質係数Ｑ値が小さくなるという問題があった。これらの問題は振動子の小型化に於いて大きな障害となる。即ち、Ｒ_１が小さく、Ｑ値が大きく、小型で、高周波数の水晶振動子が実現できないという問題があった。同時に、その振動子を用いた水晶ユニットと水晶発振器の特性が良くないという問題もあった。
特開平２−７５２１３号公報 特開平２−７９５０９号公報 特開平２−１３２９０９号公報 特開平２−１３２９１１号公報 特開平２−１３２９１４号公報 特開平３−１９５１１１号公報 特開平５−２２０７０号公報 「水晶振動子とその応用デバイス」電子情報通信学会論文誌Ｃ−１Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−ＩＮｏ．１２ｐｐ．６６７−６８２ １９９９年１２月

解決しようとする問題点は、長さ縦水晶振動子の電気機械変換効率が悪く、等価直列抵抗Ｒ_１が大きく、品質係数Ｑ値が小さくなり、かつ、高周波数化が難しいという点である。同時に、前記振動子を用いた水晶ユニットと水晶発振器の特性が良くない点である。その結果、前記縦水晶振動子を用いた電子機器が正常に動作しないという課題があった。このようなことから、超小型で、等価直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値が高くなるような新カットで、電気機械変換効率が高くなる電極構成と形状から成る長さ縦水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器が所望されていた。

本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した長さ縦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、振動部と接続部と支持部とを備えて構成される水晶振動子で、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置されていて、前記水晶振動子は長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子である。
本発明の水晶振動子の第２の態様は、長さ縦水晶振動子の角度θ_ｘと寸法比（Ｗ_０／Ｌ_０）と

で与えられる第１の態様に記載の水晶振動子である。
本発明の水晶振動子の第３の態様は、長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子の圧電定数ｅ′_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある第１の態様又は第２の態様に記載の水晶振動子である。
本発明の水晶ユニットの第１の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを備えて構成され、前記振動部の幅寸法と厚み寸法は長さ寸法より小さい長さ縦水晶振動子を備えて構成される水晶ユニットで、前記長さ縦水晶振動子はケースと蓋とを具えて構成される表面実装型、又は円筒型のユニット内に収納されていて、振動部と接続部と支持部とを備えて構成される前記長さ縦水晶振動子は、前記振動部の幅方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される長さ縦水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、前記長さ縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さく、かつ、主振動のメリット係数Ｍ_ｎと副振動のメリット係数Ｍ_ｆとの比（Ｍ_ｎ／Ｍ_ｆ）が１．２５より大きい長さ縦水晶振動子を備えて構成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、各水晶ユニットに振動モードの異なる水晶振動子を収納し、且つ、これらの水晶ユニットが接合部材を用いて接合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、水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを備えて構成される水晶発振回路を備えた水晶発振器で、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを備えて構成され、前記振動部の幅寸法と厚み寸法は長さ寸法より小さい長さ縦水晶振動子を備えて構成され、振動部と接続部と支持部とを備えて構成される前記長さ縦水晶振動子は、前記振動部の幅方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される長さ縦水晶振動子は、粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、前記長さ縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい長さ縦水晶振動子を備えて前記水晶発振回路は構成されると共に、前記水晶発振回路は増幅回路と帰還回路を備えて構成され、前記水晶発振回路の増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が、増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆとの比より大きくなるように前記水晶発振回路は構成されていて、前記長さ縦水晶振動子を備えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が主振動の発振周波数を有する水晶発振器である。

このように、本発明は長さ縦水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器で、特に、水晶振動子のカット角と電極配置と形状と加工法により、高い電気機械変換効率を有する長さ縦水晶振動子が得られる。その結果、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い、超小型の長さ縦水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットと水晶発振器が得られる。それ故、本振動子を用いることにより正常に動作する電子機器が実現できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。

実施例１の水晶振動子

図１は本発明の実施例１の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。長さ縦水晶振動子６２は振動部６３、接続部６６、６９とマウント部６８、８１をそれぞれ含む支持部６７、８０を具えて構成されている。更に、支持部６７と支持部８０にはそれぞれ穴６７ａと穴８０ａが設けられている。詳細には、第一接続部６６と第二接続部６９は振動部６３の幅方向の反対に位置する端部に設けられている。即ち、一方の第一支持部６７は第一接続部６６を介して振動部６３に接続されていて、他方の第二支持部８０は第二接続部６９を介して振動部６３に接続されている。また、振動部６３の上面と下面には電極６４と電極６５が対抗して配置され、それらの電極は異極となるように構成されている。即ち、一対の電極が配置されている。更に、電極６４は一方の第二接続部６９を介して第二マウント部８１にまで延在して配置されている。また、電極６５は他方の第一接続部６６を介して第一マウント部６８にまで延在して配置されている。本実施例では、振動部６３に配置された電極６４と電極６５は互いに異なる方向に延在してマウント部まで配置されているが、同方向に延在するように配置しても良い。また、本実施例の振動子はマウント部６８、８１がケース又は蓋の固定部に接着剤や半田によって固定される。本実施例では、第一接続部と第二接続部が対抗して一対設けられているが、本発明はこれに限定されるものでなく、複数対の接続部を対抗して設けても良い。即ち、少なくとも第一接続部と第二接続部が設けられている。

次に、本発明の長さ縦水晶振動子のカット角の一例について説明する。水晶の結晶軸ｘ軸（電気軸）、ｙ軸（機械軸）とｚ軸（光軸）とする。まず、ｘ軸に垂直な水晶板、いわゆる、Ｘ板水晶を考える。このとき、Ｘ板水晶の各寸法である長さＬ_０、幅Ｗ_０と厚みＴ_０はそれぞれｙ軸、ｚ軸、及びｘ軸方向に一致している。更に、このＸ板水晶をｘ軸の廻りに角度θ_ｘ＝−４０°〜＋４０°回転し、更に、ｙ軸の新軸ｙ′軸の廻りに角度θ_ｙ＝−３９°〜＋３９°回転される。このとき、ｘ軸の新軸はｘ′軸に、ｚ軸は２軸の廻りに回転されるので、新軸はｚ″と成る。本実施例の長さ縦水晶振動子は前記した回転水晶板から形成される。即ち、振動部６３の長さＬ_０、幅Ｗ_０と厚みＴ_０はそれぞれｙ′軸、ｚ″軸、及びｘ′軸方向と一致している。ここで、θ_ｘ＝０°とθ_ｙ＝０°のときには、ｙ′軸、ｚ″軸とｘ′軸はそれぞれｙ軸、ｚ軸とｘ軸に一致し、また、θ_ｘ≠０°とθ_ｙ＝０°のときには、ｙ′軸、ｚ″軸とｘ′軸はそれぞれｙ′軸、ｚ′軸とｘ軸に一致することは言うまでもない。それ故、本発明の長さ縦水晶振動子は前記したカット角を有する。

更に、形状について詳述するならば、ｘ′軸に垂直な面となる振動部６３の上面と下面に電極６４と電極６５が配置されている。又、電極６４に対抗する電極６５は異極となるように構成されている。更に、振動部６３の長さＬ_０は幅Ｗ_０と厚みＴ_０より大きく、通常は、厚みＴ_０は幅Ｗ_０より小さくなるように設計される。即ち、長さ縦モード振動とすべりモードにより引き起こされる屈曲モード振動との結合を無視できるほどに小さく、且つ、振動部の電極面積を大きくして、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０の比Ｗ_０／Ｌ_０は０．８より小さく、且つ、ｘ軸方向の電界Ｅ_ｘを大きくして、等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との比Ｔ_０／Ｗ_０は０．８５より小さくすることが好ましい。実際のこれらの寸法の決定は長さ縦水晶振動子に要求される特性によって決まる。通常、厚みＴ_０は０．１９ｍｍ以下に設計される。好ましくは、０．０１５ｍｍから０．１８ｍｍの範囲内にある。また、長さＬ_０は基本波モード振動の周波数が大略１０ＭＨｚ以下の周波数を得るために、０．２５ｍｍより長くなる。好ましくは、７．５ｍｍから０．２５ｍｍの範囲内にある。更に、周波数を大略２０ＭＨｚまで高くするには、長さＬ_０を約０．１２５ｍｍまで小さくすれば良い。また、図４で詳述される電極対数ｎ（ｎ：整数）との関係では、長さＬ_０は（７．５ｍｍ〜０．２５ｍｍ）×ｎ、又は（７．５ｍｍ〜０．１２５ｍｍ）×ｎで与えられる。

更に詳述するならば、長さ縦水晶振動子の共振周波数は長さ寸法Ｌ_０に反比例し、他の寸法（幅、厚み、接続部と支持部）には殆ど依存しない。それ故、長さＬ_０を小さくすることにより、小型で、高周波数化が図れる。また、前記した寸法の関係から不要振動のない単一振動モードで振動する長さ縦水晶振動子が得られる。と同時に、厚み方向に電界がかかるように振動部に電極を配置することにより、長さ縦水晶振動子の基本波モードと高調波（オ−バートーン）モードの振動次数が圧電定数に依存しなくなる。即ち、振動次数が圧電定数に依存する図１０の従来例と異なる振動子で、基本波モード振動と高調波モード振動の振動次数が圧電定数に依存しないように振動部とその上に配置される電極との構成がなされる。それ故、本発明の長さ縦水晶振動子の共振周波数は圧電定数に依存しないので、振動子の設計が非常に容易になると言う著しい効果を有する。

次に、本発明の輪郭水晶振動子、例えば、長さ縦水晶振動子を駆動するのに必要、かつ、重要な圧電定数ｅ′_１２の値について説明する。この圧電定数ｅ′_１２は、水晶の圧電定数ｅ_１１、ｅ_１４とカット角（θ_ｘ、θ_ｙ）の関数で与えられ、その絶対値が大きいほど、電気機械変換効率は高くなる。それ故、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎを小さくするために、本実施例の長さ縦水晶振動子の圧電定数ｅ′_１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ^２より大きい値を有する。通常は、圧電定数ｅ′_１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。特に、主振動のより小さい等価直列抵抗Ｒ_ｎを得るために、好ましくは、０．１１Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。即ち、本実施例の長さ縦水晶振動子は高い電気機械変換効率を有するので、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い、しかも、超小型の長さ縦水晶振動子を得ることができる。尚、圧電定数ｅ′_１２の計算には、水晶の圧電定数ｅ_１１＝０．１７１Ｃ／ｍ^２とｅ_１４＝−０．０４０６Ｃ／ｍ^２が用いられる。この圧電定数ｅ′_１２は、後述される他の輪郭水晶振動子の一つである幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子や屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子にも適用できる。更に、後述される輪郭水晶振動子の一つである幅縦モード振動と長さ縦モード振動が結合した、いわゆるＮＳ−ＧＴカット水晶振動子の圧電定数ｅ′_２１、の絶対値は、主振動である幅縦モード振動での等価直列抵抗Ｒ_ｎを小さくするために、０．０８Ｃ／ｍ^２〜０．１２Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。

今、図１の電極６４と電極６５の間に交番電圧を印加すると、電界Ｅ_ｘは図１の側面図（ｂ）の実線と点線の矢印で示したように厚み方向に交互に働く。その結果、振動部６３は長さ方向に伸縮する振動をすることになる。すなわち、電界方向に対して垂直方向に振動する、いわゆる横効果型の長さ縦水晶振動子を得ることができる。この主（長さ縦）振動の共振周波数は圧電定数に依存しない振動子である。

実施例２の水晶振動子

図２は本発明の実施例２の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子７２の上面図である。長さ縦水晶振動子７２は振動部７３、接続部７６、７９とフレーム７８，９１と固定部９５を含む支持部７７、９０とを具えて構成されている。支持部７７は接続部７６を介して振動部７３に接続されていて、フレーム７８は固定部９５に接続されている。同様に、支持部９０は接続部７９を介して振動部７３に接続されていて、フレーム９１は固定部９５に接続されている。本実施例では、支持部７７，９０の固定部９５は接続されている。また、支持部７７には穴７７ａが、支持部９０には穴９０ａが設けられている。振動部７３の上面には電極７４が、下面にも電極（図示されていない）が配置されていて、上面と下面の電極は極性が異なるように配置される。本実施例では、電極７４は接続部７９と支持部９０のフレーム９１を介して固定部９５の端部９５ａまで延在している。これに対して、下面の電極は接続部７６と支持部７７のフレーム７８を介して、更に、固定部９５の側面を介して固定部９５の端部９５ｂまで延在している。即ち、２電極端子構造を形成している。

更に詳述するならば、第一接続部７６と第二接続部７９は振動部７３の端部の互いに反対の位置に設けられている。そして、振動部７３は第一接続部７６と第一支持部７７と第一フレーム７８を介して固定部９５に接続されている。同様に、振動部７３は第二接続部７９と第二支持部９０と第二フレーム９１を介して固定部９５に接続されている。このように長さ縦水晶振動子を形成することにより、振動子の強度をより強くすることができる。その結果、振動子の固定部を接着剤や半田によりケース又は蓋の固定部、あるいはリード線に固定できるので、量産での作業性に優れ、工数を削減することができる。すなわち、安価な長さ縦水晶振動子を得ることができる。同時に、衝撃に対して強い長さ縦水晶振動子が実現できる。更に、支持部に穴が設けられているので、長さ縦モードを圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい、Ｑ値の高い超小型の長さ縦水晶振動子が得られる。

実施例３の水晶振動子

図３は本発明の実施例３の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子８２の上面図である。長さ縦水晶振動子８２は振動部８３、接続部８６、８９とフレーム８８、１０１と固定部１０５を含む支持部とを具えて構成されている。フレーム８８の一端部は接続部８６を介して振動部８３に接続されている。更に、フレーム８８の他端部は固定部１０５に接続されている。同様に、フレーム１０１の一端部は接続部８９を介して振動部８３に接続されている。更に、フレーム１０１の他端部は固定部１０５に接続されている。本実施例では、支持部は２個あるが、それらの固定部は接続されている。また、振動部８３の上面には電極８４が、下面にも電極（図示されていない）が配置されていて、上面と下面の電極は極性が異なるように配置される。本実施例では、電極８４は接続部８９とフレーム１０１を介して固定部１０５の端部１０５ａまで延在している。これに対して、下面の電極は接続部８６とフレーム８８を介して、更に、固定部１０５の側面を介して固定部１０５の端部１０５ｂまで延在している。即ち、２電極端子構造を形成している。

更に詳述するならば、第一接続部８６と第二接続部８９は振動部８３の端部の互いに反対の位置に設けられている。そして、振動部８３は第一接続部８６と第一フレーム８８を介して固定部１０５に接続されている。同様に、振動部８３は第二接続部８９と第二フレーム１０１を介して固定部１０５に接続されている。このように長さ縦水晶振動子を形成することにより、振動子の強度をより強くすることができる。その結果、振動子の固定部を接着剤や半田によりケース又は蓋の固定部、あるいはリード線に固定できるので、量産での作業性に優れ、工数を削減することができる。すなわち、安価な長さ縦水晶振動子を得ることができる。同時に、衝撃に対して強い長さ縦水晶振動子が実現できる。

更に、上記実施例１から実施例３の水晶振動子では、振動部は１個設けられているが、複数個の振動部を設けても良い。この場合には、各振動部の先端部又は先端部付近は接続部を介して接続され、各振動部が同位相で振動するように電極が各振動部に配置される。即ち、各振動部の片側又は両側の先端部又は先端部付近で接続される。更に、上記実施例では、振動部の幅Ｗ_０は一様に形成されているが、振動部の幅が異なる形状でも良い。例えば、先端部の幅が中心部付近の幅より広くした形状である。この場合、先端部は質量効果として働く。またこの逆でも良い。即ち、先端部の幅が中心部付近の幅より狭くした形状である。また、上記実施例１から実施例３の水晶振動子では、基本波モード振動の長さ縦水晶振動子の電極配置について述べたが、次に、高調波モード振動の長さ縦水晶振動子の電極配置について説明する。

実施例４の水晶振動子

図４は本発明の実施例４の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図である。長さ縦水晶振動子５０は振動部５１、接続部５２、５５、及びマウント部５４、５７をそれぞれ含む支持部５３、５６を具えて構成されている。更に、支持部５３と支持部５６にはそれぞれ穴５３ａと穴５６ａが設けられている。そして、振動部５１の上面と下面にはそれぞれ複数個の電極が配置されている。又、上面、及び下面の幅方向に隣接する電極は異極となるように構成されている。且つ、上面と下面に配置された対抗電極は異極となるように構成されている。本実施例では上面に電極５８，５９，６０が配置され、図示されていないが、下面には電極５８ａ，５９ａ，６０ａが配置されている。本実施例の電極配置では、３次高調波モード振動（３次オーバートーン）の長さ縦水晶振動子が得られる。

更に詳述するならば、電極５８とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極５８とそれに対抗する電極５８ａ（図示されていない）は異極となるように構成されている。電極５８とそれとは異極となる電極５８ａで一対の電極を構成している。全く同様に、電極５９とそれに隣接する電極５８、６０は異極に、更に、電極５９とそれに対抗する電極５９ａ（図示されていない）は異極となるように構成されている。電極５９とそれとは異極となる電極５９ａで一対の電極を構成している。更に電極６０とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極６０とそれに対抗する電極６０ａ（図示されていない）は異極となるように構成されている。電極６０とそれとは異極となる電極６０ａで一対の電極を構成している。又、本実施例では、上面の電極５８と電極６０は接続電極５８ｂを介して接続されている。更に、下面の電極５８ａと電極６０ａは接続電極５８ｃ（図示されていない）を介して接続されている。本実施例では、接続電極は振動部の上面と下面に設けられているが、振動部の側面に設けても良い。即ち、接続電極は振動部の上下面及び／又は側面に配置される。

更に、上面の同極となる電極５８、６０は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、電極５９は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。更に、下面の電極５９ａは一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、下面の同極となる電極５８ａ、６０ａは他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。図４の説明から明らかなように、一方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置され、他方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置されている。それ故、一方の電極５８，６０、５９ａは同極になるように配置、接続され、他方の電極５８ａ、５９，６０ａは同極となるように配置、接続され、それらは互いに異極となる２電極端子構造を形成している。

更に詳述するならば、本実施例では三対の電極を構成している。本発明の電極構成は前記実施例の３対に限定されるものでなく、今、電極の対数をｎとすると、対称モードを使用する場合にはｎ対（ｎ＝１，３，５・・・）と奇数対の電極構成と非対称モードを使用する場合にはｎ対（ｎ＝２，４，６・・・）と偶数対の電極構成をも包含するものである。詳細には、奇数対の電極構成では、奇数次の長さ縦モードで振動し、偶数対の電極構成では、偶数次の長さ縦モードで振動し、これらがそれぞれ主振動となる。例えば、一対の電極構成では、基本波モード振動が主振動となる。二対の電極構成では、２次高調波モード振動が主振動となる。また、三対の電極構成では、３次高調波（オーバートーン）モード振動が主振動となる。本発明では、長さ縦モードで振動し、主振動以外の振動を副振動と呼び、主振動の等価直列抵抗をＲ_ｎ、副振動の等価直列抵抗をＲ_ｆと言う。一例として、３次高調波モード振動が主振動のときには、基本波モード振動、２次高調波モード振動、４次高調波モード振動とそれ以上のｆ次高調波モード振動が副振動となる。このとき、３次高調波モード振動の等価直列抵抗はＲ_３で表され、基本波モード振動、２次高調波モード振動、４次高調波モードとｆ次高調波モード振動の等価直列抵抗はそれぞれＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_４、Ｒ_ｆで表される。

次に、振動部の幅Ｗ_０、長さＬ_０、厚みＴ_０と電極との関係について述べる。上記実施例では、三対の電極を構成している。それ故、対抗する面の電界Ｅ_ｘを大きくし、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子を得るためには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さくする必要がある。又、長さ縦モード振動と屈曲モード振動との結合を無視できるほどに小さく、且つ、電極面積を大きくし、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子を得るためには、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係は３Ｗ_０／Ｌ_０が０．８より小さくする事が必要である。上記実施例では三対の電極構成の場合について説明したが、例えば、ｎ対（ｎ＝５，７，９、・・・）と奇数対の電極構成では、主振動がｎ次高調波モードの長さ縦水晶振動子が得られる。この場合、前記した優れた特性を有する水晶振動子を得るには、厚みＴ_０と幅Ｗ_０との関係はＴ_０／Ｗ_０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ_０と長さＬ_０との関係はｎＷ_０／Ｌ_０が０．８より小さくする必要がある。

このように、上記実施例の長さ縦水晶振動子は、特に、振動部の電極の配置の仕方を工夫することにより、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さくすることができる。と同時に、周波数温度特性に優れた超小型の高調波モードの長さ縦水晶振動子を実現することができる。更に、長さ縦水晶振動子の共振周波数は振動次数ｍに比例するので、高周波数化が可能になる。また、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子を実現するために、振動次数ｍと電極対数ｎとの関係はｍ＝ｎとなるように通常は構成される。なお、上記実施例４で詳細に述べた電極構成は上記実施例２と上記実施例３の水晶振動子の振動子形状にも適用できるものである。また、上記実施例１から上記実施例４の振動部は平面であるが、振動部の上下面の少なくとも一面に溝を設け、溝の中に電極を配置して、対抗電極の極性が異なるように配置、構成しても良い。

一例として、振動部の厚みＴ_０が０．０１５ｍｍ〜０．１９ｍｍの範囲内にあるとき、振動部の溝の厚みＴ_１とすると、厚み比（Ｔ_１／Ｔ_０）が０．９５以下に、好ましくは、０．０１〜０．９の範囲内にある。更に、振動部の幅Ｗ_０が０．０５ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内にあるとき、振動部の溝の幅Ｗ_１とすると、幅の比（Ｗ_１／Ｗ_０）が１より小さく、好ましくは、０．４〜０．９８の範囲内にある。更に、基本波モード振動では１個の溝が設けられ、その溝の長さＬ_１とすると、長さ比（Ｌ_１／Ｌ_０）は１より小さく、好ましくは、０．３より大きく、かつ、１より小さい範囲内にある。また、３次高調波モード振動では、３個の溝が設けられる。即ち、振動部の端部からＬ_０／３の間に１個の溝が、また、Ｌ_０／３から２Ｌ_０／３の間に１個の溝が、更に、２Ｌ_０／３からＬ_０の間に１個の溝が設けられている。そして、各溝の長さＬ_３とすると、長さの比（３Ｌ_３／Ｌ_０）が０．３より大きく、１より小さく形成される。それ故、ｎ次高調波モード振動では、ｎ個の溝が設けられる。即ち、振動部の端部からＬ_０／ｎの間に１個の溝が、また、Ｌ_０／ｎから２Ｌ_０／ｎの間に１個の溝が、同様に溝が設けられ、更に、（ｎ−１）Ｌ_０／ｎからＬ_０の間に１個の溝が設けられている。そして、各溝の長さＬ_ｎとすると、長さの比（ｎＬ_３／Ｌ_０）が０．３より大きく、１より小さく形成される。この溝の形成により振動部の電界強度が高くなり、その結果、電気機械変換効率に優れるので、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎの小さい長さ縦水晶振動子が実現できる。

図５は零温度係数を有する本発明の長さ縦水晶振動子のカット角度θ_ｘと辺比（Ｗ_０／Ｌ_０）との関係を示す一例である。即ち、本実施例の長さ縦水晶振動子の振動部に一対（ｎ＝１）の電極が配置され、かつ、基本波モードで振動し、１次温度係数αが大略零となるカット角度θ_ｘと辺比（Ｗ_０／Ｌ_０）との関係である。図５から明らかなように、大略α＝０となるカット角度θ_ｘと辺比（Ｗ_０／Ｌ_０）との関係は無数に存在することが分かる。例えば、辺比（Ｗ_０／Ｌ_０）が０．３、０．４、０．４５、０．５のとき、大略α＝０となるカット角度θ_ｘはそれぞれ大略６°、８．５°、１１°、１７°となる。それ故、本発明では、振動部と接続部と支持部とを備えて構成され、前記したカット角度と辺比の関係を有し、α＝０となるカット角度θ_ｘをＬＸＴカットと呼び、その振動子をＬＸＴカット長さ縦水晶振動子と言う。また、周波数温度特性の２次曲線の頂点温度を、室温付近を含む任意の温度に設定するためには、本実施例の長さ縦水晶振動子の角度θ_ｘは寸法比（Ｗ_０／Ｌ_０）と振動部の電極対数ｎ（＝

２０ｎ（Ｗ_０／Ｌ_０）＋２５．５］°で与えられる。即ち、頂点温度の任意の設定は角度θ_ｘの選択によって達成できる。更に、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎと容量比ｒ_ｎを小さくするために、通常、電極対数ｎと寸法比（Ｗ_０／Ｌ_０）との関係において、寸法比（Ｗ_０／Ｌ_０）は（０．１〜０．６）／ｎの範囲内に、好ましくは、（０．１〜０．２４）／ｎの範囲内、又は（０．２６〜０．５５）／ｎの範囲内にある。このような寸法の構成により、さらにスプリアス振動（不要振動）との結合のない長さ縦水晶振動子が実現できる。

更に、上記実施例の長さ縦水晶振動子は、振動部と接続部と支持部とを具えて構成されているように複雑な形状をしている。又、本発明のカット角を有する長さ縦水晶振動子を化学的エッチング法によって加工した場合、その加工速度が遅いのが実状である。換言するならば、水晶の分子間の結合エネルギーが非常に大きいために、化学的エッチング法ではそのエッチング速度が遅く、特に、このような複雑な形状を有する振動子を上手く加工するには、高い技術が要求される。それ故、本発明の長さ縦水晶振動子の加工は、物理的又は機械的な方法を用いて行われ、前記振動子の振動部と接続部と支持部は一体に形成される。即ち、質量を有する粒子を水晶板に物理的、あるいは機械的方法で衝突させ、それにより水晶板の原子、分子を飛散させて振動子の形状を加工するものである。例えば、イオン化した原子、分子、又はブラスト加工用の粒子を用いる。ここではこの方法を粒子法と呼ぶ。この方法は化学的エッチング法による加工法とは異なる方法である。

実施例１の水晶ユニット

図６は本発明の実施例１の水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１１０は表面実装型のケース１１２と蓋１１４と長さ縦水晶振動子６２から構成されている。ケース１１２の両側に固定部が設けられていて、本実施例では、実施例１の水晶振動子で述べた長さ縦水晶振動子６２が収納され、その振動子のマウント部が接着剤等により固定部で固定されている。更に、図示されていないが、ケース１１２の下面には少なくとも２分割された電極が設けられていて、振動子６２の各電極と接続されている。即ち、２電極端子構造を形成している。

実施例２の水晶ユニット

図７は本発明の実施例２の水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１２０は表面実装型のケース１２２と蓋１２４と長さ縦水晶振動子７２から構成されている。ケース１２２の片側に固定部が設けられていて、本実施例では、実施例２の水晶振動子で述べた長さ縦水晶振動子７２が収納され、その振動子のマウント部が接着剤等により固定部で固定されている。更に、図示されていないが、ケース１２２の下面には少なくとも２分割された電極が設けられていて、振動子７２の各々の電極と接続されている。即ち、２電極端子構造を形成している。また、振動子は真空中で封止されている。

図示されていないが、特に、複数個の長さ縦水晶振動子を収納する時には、振動子間の干渉を防止するための仕切り部が振動子の間に設けられている。２個以上の振動子が同じケース内に収納される場合には、それらの振動子は一体形成されていても良く、又は、個々に形成されていても良い。更に、複数個の振動子は電気的には並列になるように、接続、構成されている。また、本発明は上記実施例の水晶ユニットに限定されるものでなく、例えば、各水晶ユニットに振動モードの異なる水晶振動子を収納し、且つ、これらの水晶ユニットを半田、若しくは接着剤、若しくは金属等の接合部材を用いて接合されている水晶ユニットでも良い。一例として、長さ縦水晶振動子を収納した水晶ユニットと音叉形状の屈曲水晶振動子を収納した水晶ユニット、又は、長さ縦水晶振動子を収納した水晶ユニットと厚みすべり水晶振動子を収納した水晶ユニット、又は音叉形状の屈曲水晶振動子を収納した水晶ユニットと厚みすべり水晶振動子を収納した水晶ユニット、又は音叉形状の屈曲水晶振動子を収納した水晶ユニットと幅縦水晶振動子を収納した水晶ユニットである。即ち、長さ縦水晶振動子と音叉形状の屈曲水晶振動子と厚みすべり水晶振動子と幅縦水晶振動子の内の何れかが各水晶ユニットに収納され、その内の少なくとも２個の水晶ユニットが接合部材を用いて、又は介して接合されている。特に、音叉形状の屈曲水晶振動子は第１音叉腕と第２音叉腕から成り、各音叉腕に溝が設けられ、溝と音叉腕の側面に電極が対抗して配置され、対抗電極は極性が異なるように配置される。詳細には、第１音叉腕の溝の電極と第２音叉腕の溝の電極は極性が異なり、それらに対抗して極性の異なる電極が各音叉腕の両側面に配置されている。更に、溝の対抗電極間の圧電定数ｅ′_１２の絶対値が０．０９５〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にある。

実施例１の水晶発振器

図８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と長さ縦水晶振動子３から構成されている。即ち、水晶発振回路１は、増幅器２と帰還抵抗４から成る増幅回路８とドレイン抵抗７、コンデンサー５，６と長さ縦水晶振動子３から成る帰還回路９から構成されている。詳細には、本実施例の水晶発振器は、増幅回路８と帰還回路９から構成され、増幅回路は少なくとも増幅器から構成され、帰還回路は少なくとも長さ縦水晶振動子とコンデンサーから構成されている。また、本実施例の水晶発振器に用いられる輪郭水晶振動子の一つである長さ縦水晶振動子については、既に図１から図５で詳述されている。

図９は図８の帰還回路図を示す。今、長さ縦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_ｇ、水晶のクリスタルインピーダンスをＲ_ｅｉ、帰還回路のドレイン側の入力電圧をＶ_１，ゲート側の出力電圧をＶ_２とすると、帰還率β_ｉはβ_ｉ＝｜Ｖ_２｜_ｉ／｜Ｖ_１｜_ｉで定義される。但し、ｉは長さ縦モード振動の振動次数を表す。例えば、ｉ＝１のとき、基本波モード振動（１次高調波モード振動）、ｉ＝２のとき、２次高調波モード振動、ｉ＝３のとき、３次高調波モード振動である。即ち、ｉ＝ｎのとき、ｎ次高調波モード振動である。ここでは、単にｎ次モード振動と言う。又、ｎ対の電極構成で、ｎ次モードで振動する長さ縦モード振動を主振動と言い、その他（ｎ次モード以外）のモードで振動する長さ縦モード振動を副振動と言う。更に、負荷容量Ｃ_ＬはＣ_Ｌ＝Ｃ_ｇＣ_ｄ／（Ｃ_ｇ＋Ｃ_ｄ）で与えられ、Ｃ_ｇ＝Ｃ_ｄ＝Ｃ_ｇｄとＲ_ｄ＞＞Ｒ_ｅｉとすると、帰還率β_ｉはβ_ｉ＝１／（１＋ｋＣ_Ｌ ^２）で与えられる。但し、ｋはωｉ、Ｒ_ｄ、Ｒ_ｅｉの関数で表される。又、Ｒｅ_ｉは近似的に等価直列抵抗Ｒ_ｉに等しくなる。

このように、帰還率β_ｉと負荷容量Ｃ_Ｌとの関係から、負荷容量Ｃ_Ｌが小さくなると、ｎ次モード振動の共振周波数の帰還率はそれぞれ大きくなる。それ故、負荷容量Ｃ_Ｌが小さくなると、基本波モード振動よりも高調波モード振動の方が発振し易くなる。その理由は高調波モード振動の最大振動振幅が基本波モード振動の最大振動振幅より小さいために、発振持続条件である振幅条件と位相条件を同時に満足するためである。それ故、主振動の発振周波数を出力信号として得るには、上記実施例ですでに述べたような振動部の電極の配置が必要になる。

本発明の水晶発振器は、消費電流が少なく、しかも、出力周波数が高い周波数安定性（高い時間精度）を有する水晶発振器を提供することを目的としている。それ故、消費電流を少なくするために、本実施例では、負荷容量Ｃ_Ｌは２０ｐＦ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＝１０ｐＦ以下が好ましい。又、副振動の周波数を抑え、ｎ対の電極構成で主振動がｎ次モードの振動する発振器の出力信号が主振動の発振周波数を得るために、α_ｎ／α_ｆ＞β_ｆ／β_ｎとα_ｎβ_ｎ＞１を満足するように本実施例の水晶発振回路は構成される。好ましくは、α_ｎ／α_ｆ＞１．１２を満たすように構成される。但し、α_ｎ、α_ｆは主振動と副振動の増幅回路の増幅率で、β_ｎ、β_ｆは主振動と副振動の帰還回路の帰還率である。

換言するならば、増幅回路の主振動の増幅率α_ｎと副振動の増幅率α_ｆとの比が帰還回路の副振動の帰還率β_ｆと主振動の帰還率β_ｎとの比より大きく、かつ、主振動の増幅率α_ｎと主振動の帰還率β_ｎの積が１より大きくなるように構成される。即ち、消費電流の少ない、出力信号が主振動の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。又、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る。

又、本実施例の水晶発振回路を構成する増幅回路の増幅部は負性抵抗−ＲＬ_ｉでその特性を示すことができる。ｉ＝１のとき基本波モード振動（１次モード振動）の負性抵抗で、ｉ＝ｎのときｎ次モード振動の負性抵抗である。即ち、ｎ＝２，３，４，５・・・のとき、２次，３次，４次，５次・・・モード振動の負性抵抗である。本実施例の水晶発振器は、増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆとの比より大きくなるように発振回路が構成されている。即ち、｜−ＲＬ_ｎ｜／Ｒ_ｎ＞｜−ＲＬ_ｆ｜／Ｒ_ｆを満足するように回路は構成されている。好ましくは、｜−ＲＬ_ｎ｜／Ｒ_ｎ＞１．１２と｜−ＲＬ_ｆ｜／Ｒ_ｆ＜１を満たすように構成される。特に、水晶発振回路での主振動の自起動性を良くするために、主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが２００Ω以下の時には、主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜が通常２２４Ωより大きく、また、等価直列抵抗Ｒ_ｎが１００Ω以下の時には、主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜が通常１１２Ωより大きくなるように増幅器は設計される。このように水晶発振回路を構成することにより、副振動の発振起動が抑えられ、その結果、主振動の発振起動が得られるので主振動の発振周波数が出力信号として得られる。と同時に、消費電流の少ない水晶発振器が実現できる。

また、長さ縦水晶振動子の誘導性と電気機械変換効率と品質係数を表すメリット係数Ｍ_ｉは、品質係数Ｑ_ｉ値と容量比ｒ_ｉの比（Ｑ_ｉ／ｒ_ｉ）によって定義され（ｉ＝１のとき基本波モード振動、ｉ＝２のとき２次モード振動、ｉ＝３のとき３次モード振動）、長さ縦水晶振動子の並列容量に依存しない機械的直列共振周波数ｆ_ｓと並列容量に依存する直列共振周波数ｆ_ｒの周波数差Δｆはメリット係数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、長さ縦水晶振動子の共振周波数は並列容量の影響を受けないので、長さ縦水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い長さ縦水晶振動子が得られる。

詳細には、前記した振動子形状と電極と振動子寸法の構成により、ｎ対の電極構成によって、主振動がｎ次モードで振動する長さ縦水晶振動子のメリット係数Ｍ_ｎが副振動のメリット係数Ｍ_ｆより大きくなる。即ち、Ｍ_ｎ＞Ｍ_ｆとなる。通常、Ｍ_ｎは３５より大きく、Ｍ_ｆは２８以下になるように振動部の電極は構成、配置される。換言するならば、メリット係数比（Ｍ_ｎ／Ｍ_ｆ）は１．２５より大きい値を有する。但し、Ｍ_ｎは主振動のメリット係数である。その結果、主振動の周波数安定性が副振動の周波数安定性より良くなると共に、副振動を抑圧することができる。従って、本実施例の長さ縦水晶振動子から構成される水晶発振器は主振動の発振周波数が出力信号として得られ、かつ、高い周波数安定性（優れた時間精度）を有する。

次に、本発明の水晶発振器の製造方法の一例について述べる。まず、実施例１の図１で述べたように、長さ縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、長さ方向を機械軸ｙ軸方向に、幅方向をｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記長さ縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θ_ｘ＝−４０°〜＋４０°回転させ、次に、長さ方向の軸を回転軸として角度θ_ｙ＝−３９°〜＋３９°回転させる、と同時に、前記長さ縦水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部を有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい長さ縦水晶振動子が水晶板から粒子法により形成される。本実施例では、粒子法による加工を示したが、水晶板の厚みが薄いときには、化学的エッチング法にて前記振動子形状を加工できるので、本実施例の長さ縦水晶振動子の加工に化学的エッチング法を用いても良い。即ち、本実施例の振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法を用いて形成される。

次に、振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置される。更に詳述するならば、長さ縦モードの対称モードでは、ｎ対の電極（ｎ＝１，３，５・・：奇数）が、非対称モードでは、ｎ対の電極（ｎ＝２，４，６・・：偶数）が配置される。本粒子法による加工では水晶ウエハ内に一度に多数の振動子が形成される。それ故、最初の周波数調整はウエハの状態で行われる。更に、長さ縦水晶振動子はケース、又は、蓋に接着材や半田等で固定部に固定される。このとき、振動子は通常、ケース又は蓋に直接固定されるが、本発明では、媒体を介して間接的に振動子をケース又は蓋に固定しても本発明の固定に含まれる。その後に、さらに周波数調整が最初の周波数調整と同じ方法であるイオンエッチング法やスパッタリング法や蒸着法やレーザ法や電子ビーム法によって行われる。

最後に、ガラスやセラミック等からなる前記ケースとガラスや金属からなる前記蓋が、接合部材（金属やガラス）を介して真空中又は窒素の雰囲気中で接合される。本実施例では、ウエハの状態で周波数調整をしているが、この周波数調整は省略してもよい。また、長さ縦水晶振動子をケース、又は蓋に接着材や半田等で固定した後に周波数調整をしても良く、その時の周波数偏差が振動子の基準周波数に対して通常、＋／−１００ｐｐｍ以内になるように、発振周波数は調整される。また、ケースあるいは蓋に穴を設けて、当該ケースと当該蓋とを接合部材を介して接合した後に、周波数を調整して、その後にこの穴を真空中で金属やガラスを用いてレーザで封止しても良い。更に、封止後に振動子の周波数をレーザにて調整しても良い。本発明では、基準周波数は０．５ＭＨｚより高い周波数を有する。

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、例えば、本発明の水晶発振器に用いられる長さ縦水晶振動子の支持部の形状は上記実施例１から上記実施例４で述べた形状に限定されるものでなく、本発明の支持部の形状は、接続部を介して振動部と接続されるいかなる形状をも包含するものである。更に、本発明の水晶ユニットは少なくとも１個の長さ縦水晶振動子を収納していれば良く、例えば、長さ縦水晶振動子と音叉型屈曲水晶振動子を一緒に水晶ユニットに収納しても良い。

更に、上記実施例１から実施例４の長さ縦水晶振動子の主振動での容量比ｒ_ｎは副振動の容量比ｒ_ｆより小さくなるように構成されている。このような構成により、同じ負荷容量Ｃ_Ｌの変化に対して、主振動で振動する長さ縦水晶振動子の周波数変化が副振動で振動する長さ縦水晶振動子の周波数変化より大きくなる。即ち、主振動の方が副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、負荷容量Ｃ_Ｌ＝２０ｐＦ付近では、そのＣ_Ｌ値が１ｐＦ変わると、主振動の周波数変化は副振動の周波数変化より大きくなる。それ故、主振動では、負荷容量Ｃ_Ｌの可変量が小さくても、周波数の可変範囲を広くできるという著しい効果を有する。また、上記各実施例の長さ縦水晶振動子の主振動での容量比ｒ_ｎは大略６０から４９０の範囲内にあり、容量比ｒ_ｆは５３０より大きい値を有する。

また、長さ縦水晶振動子の主振動と副振動の容量比ｒ_ｎ、ｒ_ｆはそれぞれｒ_ｎ＝Ｃ_０／Ｃ_ｎ、ｒ_ｆ＝Ｃ_０／Ｃ_ｆ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_ｎとＣ_ｆは等価回路の主振動と副振動の等価容量である。即ち、Ｃ_０は長さ縦水晶振動子の２電極端子間の容量である。更に、長さ縦水晶振動子の主振動と副振動の品質係数はＱ_ｎ値とＱ_ｆ値で与えられる。そして、前記各実施例の長さ縦水晶振動子は、主振動で振動する共振周波数の並列容量による依存性が副振動で振動する共振周波数の並列容量による依存性より小さく成るように構成される。すなわち、ｒ_ｎ／２Ｑ_ｎ ^２＜ｒ_ｆ／２Ｑ_ｆ ^２を満たすように振動部に電極が配置、構成される。この構成により、主振動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主振動で振動する長さ縦水晶振動子が得られる。又、本発明では、ｒ_ｎ／２Ｑ_ｎ ^２とｒ_ｆ／２Ｑ_ｆ ^２をそれぞれＳ_ｎとＳ_ｆと置き、Ｓ_ｎとＳ_ｆをそれぞれ主振動と副振動の周波数安定係数と呼ぶ。そして、その値が小さい程周波数安定性は良くなる。即ち、Ｓ_ｎ＝ｒ_ｎ／２Ｑ_ｎ ^２とＳ_ｆ＝ｒ_ｆ／２Ｑ_ｆ ^２で与えられる。更に詳細には、上記実施例の電極配置により、一例として、主振動のＳ_ｎは１×１０^−７より小さく、かつ、副振動のＳ_ｆは１．２×１０^−７より大きくなる。

また、上記実施例の水晶振動子、水晶ユニットと水晶発振器は電子機器（例えば、携帯電話、ビデオカメラ、ビデオ、カーエレクトロニクス、テレビ、ファクシミリ、電話機など）に用いられる。例えば、電子機器は少なくとも表示部と水晶発振器を備えて構成されていて、少なくとも一個の水晶発振器は輪郭水晶振動子（例えば、長さ縦水晶振動子、又は幅縦水晶振動子、又はＮＳ−ＧＴカット水晶振動子、又は音叉型屈曲水晶振動子）または厚みすべり水晶振動子を収納した水晶ユニットを備えて構成されている。また、電子機器が２個の水晶発振器を搭載する場合には、各々の水晶発振器は異なる振動モードの水晶振動子を備えて構成されている。即ち、水晶発振器を電子機器の基準信号源として用いる。

更に、本実施例では輪郭水晶振動子の一つである長さ縦水晶振動子について述べたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明は他の輪郭水晶振動子、例えば、幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子や幅縦モードと長さ縦モードが結合したＮＳ−ＧＴカット水晶振動子にも適用できる。詳細には、幅縦水晶振動子とＮＳ−ＧＴカット水晶振動子の場合には、図１から図３において支持部が長さＬ_０方向の両端部に設けられる。それ故、これらの振動子の主振動の共振または発振周波数は振動部の幅Ｗ_０により決まる。特に、上記実施例の「長さ縦」を「幅縦」に置き換えることによって幅縦水晶振動子は得られる。

本発明の水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に、超小型で、高い周波数安定性を必要とする携帯機器や民生機器等の電子機器に適用できる。

（ａ）と（ｂ）は本発明の実施例１の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図と側面図である。 本発明の実施例２の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図である。 本発明の実施例３の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図である。 本発明の実施例４の水晶振動子で、長さ縦水晶振動子の上面図である。 零温度係数を有する、本発明の長さ縦水晶振動子の辺比（Ｗ_０／Ｌ_０）と角度θ_ｘとの関係を示す一例である。 本発明の実施例１の水晶ユニットの断面図である。 本発明の実施例２の水晶ユニットの断面図である。 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例である。 図８の帰還回路図である。 （ａ）と（ｂ）は従来の長さ縦水晶振動子の上面図と側面図である。

符号の説明

Ｗ_０ 振動部の幅
Ｌ_０ 振動部の長さ
Ｔ_０ 振動部の厚み
θ_ｘ，θ_ｙ 角度

Claims (6)

1. 振動部と接続部と支持部とを備えて構成される水晶振動子で、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置されていて、前記水晶振動子は長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子であることを特徴とする水晶振動子。
2. 長さ縦水晶振動子の角度θ_ｘと寸法比（Ｗ_０／Ｌ_０）と電極対数ｎとの関係が、［２０ｎ（Ｗ_０
   

   

   項１に記載の水晶振動子。
3. 長さ縦モードで振動する長さ縦水晶振動子の圧電定数ｅ′_１２の絶対値が０．０９５Ｃ／ｍ^２〜０．１９Ｃ／ｍ^２の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水晶振動子。
4. 水晶振動子とケースと蓋とを備えて構成される水晶ユニットで、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを備えて構成され、前記振動部の幅寸法と厚み寸法は長さ寸法より小さい長さ縦水晶振動子を備えて構成される水晶ユニットで、
   前記長さ縦水晶振動子はケースと蓋とを具えて構成される表面実装型、又は円筒型のユニット内に収納されていて、振動部と接続部と支持部とを備えて構成される前記長さ縦水晶振動子は、前記振動部の幅方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される長さ縦水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、
   前記長さ縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さく、かつ、主振動のメリット係数Ｍ_ｎと副振動のメリット係数Ｍ_ｆとの比（Ｍ_ｎ／Ｍ_ｆ）が１．２５より大きい長さ縦水晶振動子を備えて構成されていることを特徴とする水晶ユニット。
5. 各水晶ユニットに振動モードの異なる水晶振動子を収納し、且つ、これらの水晶ユニットが接合部材を用いて接合されていることを特徴とする水晶ユニット
6. 水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗素子とを備えて構成される水晶発振回路を備えた水晶発振器で、
   前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを備えて構成され、前記振動部の幅寸法と厚み寸法は長さ寸法より小さい長さ縦水晶振動子を備えて構成され、振動部と接続部と支持部とを備えて構成される前記長さ縦水晶振動子の接続部は、前記振動部の幅方向の両端部に少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを備えて構成される長さ縦水晶振動子は、粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、
   前記長さ縦水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎが副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆより小さい長さ縦水晶振動子を備えて前記水晶発振回路は構成されると共に、
   前記水晶発振回路は増幅回路と帰還回路を備えて構成され、前記水晶発振回路の増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒ_ｎとの比が、増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬ_ｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒ_ｆとの比より大きくなるように前記水晶発振回路は構成されていて、
   前記長さ縦水晶振動子を備えて構成された前記水晶発振回路の出力信号が主振動の発振周波数であることを特徴とする水晶発振器。

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