JP2006191466A - 圧電振動子、発振器、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 重り材料のＡｇと下地金属のＡｕとの金属間拡散を防止することにより、周波数の長期安定性を確保すること。
【解決手段】 下地金属のＡｕと重り部のＡｇの間にＣｒの薄膜を介在させる。Ｃｒの薄膜がＡｕとＡｇの金属間拡散を防止する。更に、Ａｇの表面にＣｒの被膜を形成し、酸化やガス吸着などを防止する。このように、ＡｇとＡｕの境界と、Ａｇの表面にＣｒの薄膜を形成することにより、ＡｇとＡｕの金属間拡散を防止し、更にＡｇの酸化やガス吸着を防止することができ、これによって、長期間にわたる周波数の安定性を図ることができる。また、重り部を形成する工程内でＣｒの層とＡｇの層を交互に連続して蒸着することができるため、容易に製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動子、発振器、及び電子機器に関し、例えば、水晶片に周波数調整用の重り部を備えた音叉型水晶振動子などに関する。

水晶振動子は発振器、情報通信装置や携帯機器などの電子機器、家電などに、時計機能や周波数制御機構として広く用いられており、水晶振動子の高品質、高信頼性が高く評価されている。

水晶振動子の種類は各種あるが、この中に水晶片を音叉型に加工した音叉型の水晶振動子がある。

音叉型の水晶振動子（以下、単に水晶振動子と記す）は、１対の振動部分（腕）を備えた水晶振動片を真空ケースに密封して構成されており、圧電効果にてこの振動部分を対称に振動させることにより発振する。

音叉型の場合、水晶振動子の周波数調整は、製造工程において振動部分に予め重り材料を付着して重り部を形成しておき、これをレーザビームで除去することにより行っている。

ここで、図９を用いて従来の重り部の構成について説明する。

図９（ａ）は、水晶振動片の振動部分を音叉の腕方向に見た断面を示しており、図９（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。一方、図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

水晶振動片の振動部分は水晶１０２で構成されており、その表面にＣｒ（クロム）薄膜１０３が形成され、更にＣｒ薄膜１０３の表面にＡｕ（金）薄膜１０４が形成されている。Ｃｒ薄膜１０３とＡｕ薄膜１０４は、重り部を形成するための下地金属を構成している。

下地金属は、水晶１０２の表面に励振電極（図示せず）を形成する際に共に形成される。

Ｃｒは水晶との付着性が良いが半田との合金を形成せず、一方、Ａｕは半田との合金は形成するが水晶との付着性が良くないという性質がある。

このため、下地金属をこのようにＣｒとＡｕの２層構造とすることにより、水晶との付着性を確保し、かつ、良好な半田付けを行うことが可能となる。

振動部分の先端には、下地金属の表面にＡｇ１０５で構成された重り部が形成されており、Ａｇ１０５の質量により、振動部分の周波数が調整される。

Ａｇ１０５をレーザビームなどにより部分的に削除すると、周波数の微調整を行うことができる。

重り部をＡｕで構成することも可能であるが、Ａｕは高価であるため、このように化学的な安定性、耐酸化に欠けるが安価な物質であるＡｇによって構成することが一般に行われている。

なお、図示しないが、Ａｇ１０５の表面をＡｕの薄膜で覆うことにより酸化やガス吸着によるＡｇ１０５の劣化を防ぐことも行われている。

このような水晶振動子の重り部に関する技術としては、次の文献がある。
特開２００３−１３３８８５公報 この技術は、複数の重り部を予め振動部分上に形成しておき、これら重り部を除去することにより周波数の微調整を容易にするものである。

Ａｇ１０５と下地金属のＡｕ１０４の界面では時間の経過と共に金属間拡散が生じる。

これにより、重り部での重心の移動や変形などが生じ、周波数の長期安定性を確保するのが困難な場合があった。

また、Ａｇ１０５の表面をＡｕの薄膜で覆った場合、Ａｇ１０５とＡｕの薄膜との間でも金属間拡散が生じてしまう。

そこで、本発明の目的は、重り材料のＡｇと下地金属のＡｕとの金属間拡散を防止することにより、周波数の長期安定性を確保することである。

本発明は、前記目的を達成するために、励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、前記圧電振動片を封入する密閉容器と、前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、を具備したことを特徴とする圧電振動子を提供する（第１の構成）。

また、第１の構成において、前記周波数調整重り部を構成する銀の表面に、銀の酸化を防止する酸化防止膜を形成することも可能である（第２の構成）。

更に、第２の構成において、前記拡散防止膜と前記酸化防止膜は、同一金属により構成することができる（第３の構成）。

加えて、第２の構成、又は第３の構成において、前記酸化防止膜は、クロム、又はニッケルで構成することができる（第４の構成）。

また、次の第５の構成、及び第６の構成のように、上記いずれかの構成の圧電振動子を発振子として集積回路に接続した発振器を提供することができる。

第１の構成から第４の構成までのうちの何れか１の構成の圧電振動子を発振子として集積回路に接続して用いることを特徴とする発振器を提供する（第５の構成）。

圧電振動子を発振子として集積回路に接続した発振器であって、前記圧電振動子は、励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、前記圧電振動片を封入する密閉容器と、前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、を具備したことを特徴とする発振器を提供する（第６の構成）。

更に、次の第７の構成、及び第８の構成のように、上記いずれかの構成の圧電振動子を計時部に接続して用いる電子機器を提供することができる。

第１の構成から第４の構成までのうちの何れか１の構成の圧電振動子を計時部に接続して用いることを特徴とする電子機器を提供する（第７の構成）。

圧電振動子を計時部に接続した電子機器であって、前記圧電振動子は、励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、前記圧電振動片を封入する密閉容器と、前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、を具備したことを特徴とする電子機器を提供する（第８の構成）。

本発明によると、低コストで音叉型水晶振動子の周波数の長期安定を図ることができる。

（１）実施の形態の概要
下地金属のＡｕと重り部のＡｇの間にＣｒの薄膜を介在させ、このＣｒの薄膜によりＡｕとＡｇの金属間拡散を防止する。

更に、Ａｇの表面にＣｒの薄膜を形成し、Ａｇの酸化やガス吸着などを防止する。

このように、重り部のＡｇをＣｒによって挟み込む構造（以下、サンドイッチ構造）とすることにより金属間拡散や酸化などを防止し、長期間にわたる周波数の安定性を図ることができる。

更に、このようなサンドイッチ構造は、大きな工程変更や新たな設備の導入を図らずに製造することができる。

従来は、Ａｇを振動部分に蒸着して重り部を形成していたが、この重り部を形成する工程内でＣｒ→Ａｇ→ＣｒというようにＣｒとＡｇを交互に蒸着してサンドイッチ構造を形成することができ、蒸着炉などの設備は従来のものを使用することができる。

Ａｇ、Ｃｒは何れもＡｕに比べて安価な金属であり、また、製造工程も従来とほぼ同じであるため、ＡｇをＣｒの薄膜で挟み込んで重り部を形成することにより、周波数の優れた長期安定性を安価に実現することができる。これにより、高品質、高信頼性の音叉型水晶振動子を低コストで提供することができる。
（２）実施の形態の詳細
図１（ａ）は、本実施の形態の水晶振動片の外形を示した斜視図である。

水晶振動片１は、音叉形状を有する平板状の水晶の単結晶からできた圧電振動片であり、一対の腕状に伸び、振動部分を構成する振動腕部２０と、これら振動腕部２０の一端と連続する基部３０から構成されている。振動腕部２０の他端側は開放端となっている。

振動腕部２０の外寸は略、長さ１７００［μｍ］、幅３２０［μｍ］、厚さ１３０［μｍ］程度である。

図示しないが、振動腕部２０には、振動腕部２０に電圧を印可して振動させるための励振電極が形成されている。

励振電極は、水晶の表面に蒸着したＣｒ層と、このＣｒ層の表面に更に蒸着したＡｕ層の２層構造を有している。

振動腕部２０の開放端側の片側表面には、周波数を調節するための重り部３が形成されている。

図１（ｂ）、及び図１（ｃ）は、振動腕部２０の断面を示した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示しており、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示している。

図に示したように、水晶５の表面にはＣｒ層６とＡｕ層７の２層構造を有する下地金属４が形成されている。Ｃｒ層６は、水晶５の表面に形成されており、Ａｕ層７はＣｒ層６の表面に形成されている。

下地金属４は、スパッタリングや蒸着などによって成膜することにより励振電極と共に形成される。

重り部３は、Ａｕ層７の表面に形成されたＣｒ薄膜８と、このＣｒ薄膜８の表面に形成されたＡｇ層９と、更にこのＡｇ層９の表面に形成されたＣｒ薄膜１０から構成されている。

このように、重り部３は、Ａｇ層９をＣｒ薄膜８とＣｒ薄膜１０で挟んだサンドイッチ構造を有している。

このサンドイッチ構造は、振動腕部２０の表面に、Ｃｒ薄膜８→Ａｇ層９→Ｃｒ薄膜１０の順序でＣｒとＡｇを交互に連続蒸着することにより形成することができる。

重り部３の長さ（腕方向）の長さは６００［μｍ］程度であり、Ａｇ層９の厚さは３〜４［μｍ］程度であり、Ｃｒ薄膜８とＣｒ薄膜１０の厚さは略０．１［μｍ］程度である。

Ａｕ層７とＡｇ層９は、Ｃｒ薄膜８により隔てられており、これによってＡｕとＡｇの金属間拡散を防ぐことができる。このようにＣｒ薄膜８はＡｕ層７とＡｇ層９の金属間拡散を防ぐ拡散防止膜を形成している。

また、Ａｇ層９の表面はＣｒ薄膜１０によって外部に露出しないためＡｇ層９の酸化やガス吸着を防ぐことができる。このように、Ｃｒ薄膜１０はＡｇ層９を酸化から保護する酸化防止膜を形成している。

なお、Ｃｒ薄膜１０の表面は、大気に触れると安定なＣｒの酸化膜が形成されるため、内部まで酸化が進行することはない。

なお、以上に説明した実施の形態では、金属間拡散防止膜をＣｒで形成したが、Ｎｉ（ニッケル）で構成することも可能である。

また、酸化防止膜は、Ｃｒのほか、Ｎｉ、Ａｕなどで構成することも可能である。

また、金属拡散防止膜と酸化防止膜を同一金属により構成すると、異なる金属により構成した場合よりも蒸着の工程が簡易になる。

次に、水晶振動片１を用いた水晶振動子の製造工程を図２のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、水晶の単結晶から水晶振動片１の外形を形成する（ステップ５）。この外形形成は、水晶の単結晶から切り出して研磨したウェハを、音叉形状にエッチングすることにより行う。

次に、外形が形成された水晶片に励振電極を形成する（ステップ１０）。この電極形成は、水晶振動片１の表面にＣｒとＡｕをスパッタリングや蒸着にて成膜して下地金属４を形成し、これを電極形状にエッチングすることにより行われる。

次に、水晶振動片１の先端部分に重り部３を形成する（ステップ１５）。この工程は、水晶振動片１の振動腕部２０の片側表面にＣｒとＡｇを交互に蒸着してＣｒ薄膜８、Ａｇ層９、Ｃｒ薄膜１０を形成することにより行われる。

次に、水晶振動片１の周波数を調整する（ステップ２０）。この周波数調整は、水晶振動片１を駆動して周波数を計測しながら、周波数が設計値の範囲に入るように重り部３の一部をレーザにて除去することにより行われる。

このようにして製造された水晶振動片１は、水晶振動子の基底部を構成する部材（プラグ）に半田付けされた後、真空状態で密封容器に封入されてキャッピングされる（ステップ２５）。密閉容器にはリード端子や表面実装端子などの外部電極が設けられており、水晶振動片１に形成された励振電極と接続している。

キャッピングされて外形ができた水晶振動子は、スクリーニングを経た後（ステップ３０）、電気特性の検査を受けて（ステップ３５）完成品となる。

スクリーニングとは、水晶振動子を一定時間加熱し、水晶振動子に生じる変化を予め出してしまう処理であり、熱枯らしなどとも呼ばれる。

以上の工程により本実施の形態の水晶振動子が製造される。

次に、水晶振動子の変形例について説明する。実施の形態では、Ａｇ層９をＣｒ薄膜８とＣｒ薄膜１０で挟んだが、製造コストを低減するためにＣｒ薄膜１０を省略することも可能である。

図３の各図は、変形例に係る水晶振動片の断面図であり、図３（ａ）は、図１（ｂ）に対応し、図３（ｂ）は、図１（ｃ）に対応している。また、対応する箇所には同じ符号を付してある。

変形例の重り部３は、Ａｕ層７の表面に形成されたＣｒ薄膜８と、Ｃｒ薄膜８の表面に形成されたＡｇ層９から構成されており、Ａｇ層９の表面は外部に露出している。

当該変形例では、Ａｇ層９の表面が露出しているため、Ａｇ層９の酸化やガスの吸着などの可能性があるが、Ｃｒ薄膜１０を形成しないため製造コストを低減することができる。

次に、実施の形態と変形例に係る水晶振動子の周波数安定性について実験を行ったので、その結果を図４の各図を用いて説明する。

この実験は、実施の形態、変形例、従来例の各水晶振動子を８５［℃］の環境下に１０００時間置き、その周波数偏差（周波数の変化）を２４０時間、５００時間、及び１０００時間の各時点において調べたものである。

なお、試験開始前の周波数Ｆの値は、７５［ｋＨｚ］程度であり、水晶振動子の標準的な使用周波数である。

このように水晶振動子を高温下で放置することにより、本来室温で長期に渡って生じる周波数の変化を短時間に加速して生じさせることができる。

つまり、金属間拡散は、拡散係数と時間の積で表されるが、拡散係数は温度の関数であるので（温度が高くなると係数が大きくなる）、温度を高めることにより室温で長時間放置したのと同じ効果を生じさせることができるのである。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各グラフは、それぞれ実施の形態に係る水晶振動子、変形例に係る水晶振動子、及び従来例に係る水晶振動子の周波数偏差の時間変化を表したものである。サンプル数は何れも４４個である。

各グラフの縦軸は周波数偏差を表しており、実験開始前の周波数Ｆに対する周波数の変化分ΔＦをｐｐｍで表している。一方、横軸は経過時間（放置時間）を表している。

図４（ａ）〜（ｃ）に示されたように、実施の形態と変形例は、ほぼ同じ傾向の周波数偏差を示し、従来例に比べて周波数の安定化が図られていることがわかる。

即ち、実施の形態と変形例に係る水晶振動子は、実験開始後２４０時間で周波数偏差が０〜２［ｐｐｍ］程度に拡大するが、その後、１０００時間に至るまでの全範囲に渡って周波数偏差の変化が小さく、周波数がほぼ一定している。

一方、従来の水晶振動子は、試験開始後２４０時間で周波数偏差が０〜３［ｐｐｍ］程度に拡大し、その後５００時間で１〜４［ｐｐｍ］程度、１０００時間で２〜６［ｐｐｍ］程度に大きくなっている。

即ち、従来の水晶振動子は、時間の経過に伴って周波数偏差が大きくなり、安定しない。

ここで、グラフ作成に用いた実験データをより詳細に検討する。

実施の形態の水晶振動子の周波数偏差の実験値を全てのサンプルに渡って平均すると、２４０時間で０．５［ｐｐｍ］程度、５００時間で０．６［ｐｐｍ］程度、１０００時間で１．２［ｐｐｍ］程度であった。

また、変形例の水晶振動子では、２４０時間までは、０．５［ｐｐｍ］程度、５００時間で０．８［ｐｐｍ］程度、１０００時間で１．３［ｐｐｍ］程度であった。

更に、従来例の水晶振動子では、２４０時間で１．５［ｐｐｍ］程度、５００時間で２．３［ｐｐｍ］程度、１０００時間で４．４［ｐｐｍ］程度であった。

これらの結果より次のことがいえる。

実施の形態と変形例の水晶振動子の周波数偏差は、２４０時間までは同程度であり、５００時間では、実施の形態の方が、０．２［ｐｐｍ］程度変化が小さく、１０００時間では、実施の形態の方が０．１［ｐｐｍ］程度変化が小さいことがわかる。

これを比率で表すと、実施の形態の水晶振動子の周波数偏差は、変形例の水晶振動子の周波数偏差に対して、２４０時間では１００％程度、５００時間では７５％程度、１０００時間では９２％程度である。

即ち、実験開始後２４０時間までは、両者の周波数安定性はほぼ同程度であるが、それ以後は、実施の形態の水晶振動子の方が安定性が優れている。

両者の構造的な違いは、Ａｇ層９の表面にＣｒ薄膜１０があるか否かであるので、この周波数安定性の差はＣｒ薄膜１０に起因するものと思われる。

一方、実施の形態と従来例の水晶振動子の周波数偏差は、２４０時間では実施の形態の方が１．０［ｐｐｍ］程度変化が小さく、５００時間では、実施の形態の方が、１．７［ｐｐｍ］程度変化が小さく、１０００時間では、実施の形態の方が３．２［ｐｐｍ］程度変化が小さいことがわかる。

これを比率で表すと、実施の形態の水晶振動子の周波数偏差は、従来例の水晶振動子の周波数偏差に対して、２４０時間では３３％程度、５００時間では２６％程度、１０００時間では２７％程度である。

即ち、１０００時間の時間範囲に渡って、実施の形態の水晶振動子の周波数偏差は、従来の水晶振動子の周波数偏差の概ね３０％以内に納まっているといえる。

両者の構造的な違いは、Ａｕ層７とＡｇ層９の間にあるＣｒ薄膜８と、Ａｇ層９の表面に形成されたＣｒ薄膜１０であるので、この周波数安定性の差はＣｒ薄膜８とＣｒ薄膜１０に起因するものと思われる。

また、実施の形態の水晶振動子と変形例の水晶振動子の周波数安定性の差に対し、実施の形態の水晶振動子と従来例の水晶振動子の周波数の安定性の差が非常に大きいため、従来例の水晶振動子に対する実施の形態の水晶振動子の安定性の由来はほとんどＣｒ薄膜８によるものと思われる。

なお、本実験と共に、計算機によってＡｕ層７とＡｇ層９（Ｃｒ薄膜８が存在しない場合）の金属間拡散による周波数偏差のシミュレーションも行ったが、金属間拡散が進行するにつれて周波数が高い方にシフトすることが確認された。

より詳細には、比重の重い（密度の高い）ＡｕがＡｇ側に拡散してＡｇ側に重心が移動するというモデルで計算を行ったところ、拡散が進行するにつれて周波数が高い方にシフトすることが計算により示された。

シミュレーション結果を考慮して実験結果を考察すると、Ｃｒ薄膜８によりＡｕ層７とＡｇ層９の金属間拡散が抑制されたため、周波数の経時変化が緩和され、周波数の長期安定性が実現されたと考えられる。
ＡｇとＡｕのＣｒに対する拡散は、ＡｕのＡｇに対する拡散よりも小さいため、Ｃｒ薄膜８は、Ａｕ層７とＡｇ層９の金属間拡散を抑制する防護壁としての機能を果たすことができる。

以上に説明した本実施の形態と変形例により次のような効果を得ることができる。
（１）Ａｇ層９とＡｕ層７の間にＣｒ薄膜８を形成することにより、Ａｇ層９とＡｕ層７の金属間拡散を防止することができる。
（２）Ａｇ層９とＡｕ層７の金属間拡散を防止することにより、周波数の長期安定を実現することができる。
（３）ＡｇとＣｒは何れも安価な金属であるので、重り部３を安価に製造することができる。
（４）ＡｇとＣｒを交互に蒸着することにより重り部３を形成することができるため、新たな設備などが必要なく、製造コストを低くすることができる。
（５）Ａｇ層９の表面にＣｒ薄膜１０を形成することにより、Ａｇ層９の酸化やガスの吸着を防止することができる。
（６）Ａｇ層９とＡｕ層７の金属間拡散を防ぐことにより、長期に渡る周波数安定性を確保することができる。
（７）Ｃｒ薄膜１０の有無による周波数安定性の差は小さいため、水晶振動片１を製造してからキャッピングまでの間で大気中に置かれる時間が短い場合は、変形例を採用することにより、より安価な水晶振動子を提供することができる。

前述した製造工程により製造された圧電振動子の実施形態の１例として、音叉型の水晶振動片を有底円筒状のケースで密閉したシリンダータイプの圧電振動子の構成について、図面を参照して説明する。

図５は、本実施形態に係る圧電振動子の１例を示す概略構成図である。図５において、この圧電振動子は、音叉型の水晶振動片１を有している。この水晶振動片１の表面には、図示しない励振電極が形成されている。この励振電極は、ＣｒとＡｕとで構成されている。さらに水晶振動片１の２本の振動腕部２０の片側表面には、図示しないＣｒ膜とＡｇ層とによる重りが備えられている。

水晶振動片１のマウント部１ａは、プラグと呼ばれる略円筒状の気密端子５０を貫通する２本のリード５２に半田付けされ固定されている。水晶振動片１を覆うように想像線（一点鎖線）で示すケース５４が被せられており、このケース５４は気密端子５０の外周と嵌合されている。ケース５４と気密端子５０の外周との嵌合は、真空雰囲気下で行われているため、ケース５４内の水晶振動片１を囲む空間は、真空状態に保たれて密閉されている。

そして、水晶振動片１の表面に形成された図示しない励振電極は、マウント部１ａを通して２本のリード５２に接続されている。該リード５２は気密端子５０とケース５４とで構成される密閉容器の外へ延長されて外部電極５２ａを形成している。

更に、前述した製造工程により製造された圧電振動子の他の実施形態の例として、音叉型の水晶振動片を箱型のセラミックパッケージと金属製のリッドとで密閉したセラミックパッケージタイプの圧電振動子の構成について、図面を参照して説明する。

図６は、本実施形態に係わる圧電振動子を別の方式の密閉容器を用いて構成した概略構成図である。図６（ａ）は、構成を示す概略平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡＡ断面を示す図である。圧電振動子は、音叉型の水晶振動片１を有している。この水晶振動片１の表面には、図示しない励振電極が形成されている。この励振電極は、ＣｒとＡｕとで構成されている。さらに水晶振動片１の２本の振動腕部２０の片側表面には、図示しないＣｒ膜とＡｇ層とによる重りが備えられている。

水晶振動片１は、箱型のセラミックパッケージのベース６５の接合部６６に、導電性接着剤６７で固着されて固定している。ベース６５は、金属製のリッド６８により、真空中で電子ビーム溶接や真空シーム溶接などの手段を用いて真空気密封止される。水晶振動片１の表面に形成された図示しない励振電極は、接合部６６を通して内部接続（図示せず）によりベースの外側の外部電極６９と接続されている。

次に、前述した本実施形態に係る圧電振動子を発振子として用い、集積回路に接続した発振器について説明する。

図７は、圧電振動子として音叉型の水晶振動子を用いた音叉型水晶発振器の構成の１例を示す平面図であり、音叉型水晶振動子を利用した表面実装型圧電発振器を示している。

図７において、音叉型水晶振動子５１は、基板５２の所定の位置に設定され、発振器用の集積回路（ＩＣ）５３が該水晶振動子に隣接されて設置されている。またコンデンサなどの電子部品５４も実装される。これらの各部品は、図示しない配線パターンで電気的に接続されている。

音叉型水晶振動子５１の振動片の機械的振動は、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換されて集積回路５３に入力される。集積回路５３内では、信号処理が行われ、周波数信号が出力され発振器として機能する。これらの各構成部品は図示しない樹脂でモールドされている。

集積回路５３を適切に選択することにより、時計用単機能発振器の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、使用者に時刻やカレンダー情報を提供する機能を有する。

本実施形態に係る圧電振動子を発振子として集積回路５３に接続して発振器を構成したことにより、本発振器が厳しい環境下で長期間使用されても、圧電振動子の周波数特性が変化しにくいため、発振器を高精度に維持することができる。

次に、本実施形態に係る圧電振動子を計時部に接続した電子機器の例について説明する。ここでは、電子機器の例として、携帯電話に代表される携帯情報機器での好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず前提として、本実施の形態にかかる携帯情報機器は、従来技術における腕時計を発展・改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在時刻等を表示させることができる。

通信機として使用する時は、手首から外し、バンド部内側に内蔵されたスピーカおよびマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信をおこなうことができる。しかし、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化・軽量化されている。

次に、本実施形態に係る携帯情報機器の機能的構成について図面を参照して説明する。

図８は、本実施形態に係る携帯情報機器の構成の１例を機能的に示すブロック図である。
図８において、電源部１０１は後述する各機能部に対して電力を供給する電源部であり、具体的にはリチウムイオン二次電池によって実現される。

電源部１０１には後述する制御部１０２、計時部１０３、通信部１０４、電圧検出部１０５および表示部１０８が並列に接続され、各々の機能部に対して電源部１０１から電力が供給される。

制御部１０２は、後述する各機能部を制御して、音声データの送信や受信、現在時刻の計測や表示等、システム全体の動作制御をおこなう。制御部１０２は、具体的にはＲＯＭにあらかじめ書き込まれたプログラムと、当該プログラムを読み出して実行するＣＰＵ、および当該ＣＰＵのワークエリアとして使用されるＲＡＭ等によって実現される。

計時部１０３は、発振回路、レジスタ回路、カウンタ回路、インターフェイス回路等を内蔵する集積回路、及び図２に示した製造工程で製造された音叉型水晶振動子より構成される。

音叉型水晶振動子の機械的な振動は、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換され、トランジスタとコンデンサで形成される発振回路に入力される。発振回路の出力は２値化され、レジスタ回路とカウンタ回路により計数される。インターフェイス回路を介して制御部と信号の送受信が行われ、表示部１０７に、現在時刻や現在日付あるいはカレンダー情報が表示される。

通信部１０４は、従来技術の携帯電話と同様の機能を有し、無線部１０４ａ、音声処理部１０４ｂ、増幅部１０４ｃ、音声入出力部１０４ｄ、着信音発生部１０４ｅ、切替部１０４ｆ、呼制御メモリ部１０４ｇおよび電話番号入力部１０４ｈから構成される。

無線部１０４ａは、アンテナを介して基地局と音声データ等の各種データを送受信する。音声処理部１０４ｂは無線部１０４ａまたは後述する増幅部１０４ｃから入力した音声信号を符号化／復号化する。増幅部１０４ｃは音声処理部１０４ｂまたは後述する音声入出力部１０４ｄから入力した信号を所定のレベルまで増幅する。音声入出力部１０４ｄは具体的にはスピーカおよびマイクロフォンであり、着信音や受話音声を拡声したり、話者音声を集音したりする。

また、着信音発生部１０４ｅは、基地局からの呼び出しに応じて着信音を生成する。切替部１０４ｆは着信時に限って、音声処理部１０４ｂに接続されている増幅部１０４ｃを着信音発生部１０４ｅにつなぎかえることで、生成された着信音が増幅部１０４ｃを介して音声入出力部１０４ｄに出力されるようにする。

なお呼制御メモリ１０４ｇは、通信の発着呼制御にかかわるプログラムを格納する。また、電話番号入力部１０４ｈは、具体的には０から９の番号キーおよびその他の若干のキーからなり、通話先の電話番号等を入力する。

電圧検出部１０５は、電源部１０１により制御部１０２をはじめとする各機能部に対して加えられている電圧が、所定の値を下回った場合に当該電圧降下を検出して制御部１０２に通知する。

この所定の電圧値は、通信部１０４を安定して動作させるために必要な最低限の電圧としてあらかじめ設定されている値であり、例えば３Ｖ程度の電圧である。電圧検出部１０５から電圧降下の通知を受けた制御部１０２は、無線部１０４ａ、音声処理部１０４ｂ、切替部１０４ｆ、着信音発生部１０４ｅの動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部１０４ａの動作停止は必須である。と同時に表示部１０７には、通信部１０４が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。

電圧検出部１０５と制御部１０２の働きにより通信部１０４の動作を禁止し、更にその旨を表示部１０７へ表示する事が可能である。
本実施の形態として、通信部の機能に係る部分の電源を選択的に遮断可能な電源遮断部１０６を設ける事で、より完全な形で通信部の機能を停止させる事が出来る。

なお、通信部１０４が使用不能になった旨の表示は、文字メッセージによりおこなってもよいが、より直感的に、表示部１０７上の電話アイコンに×（バツ）印を付ける等の方法によってもよい。

上記のような携帯情報機器をはじめとする電子機器に、本実施形態に係る圧電振動子を使用することにより、その電子機器が厳しい環境下で長期間使用されても、圧電振動子の周波数特性が変化しにくいため、電子機器を高精度に維持することができる。

本実施の形態の水晶振動片の外形、及び断面を示した図である。 本実施の形態に係る水晶振動子の製造工程を説明するためのフローチャートである。 変形例に係る水晶振動片の断面を示した図である。 周波数の安定性を確認する実験結果を説明するためのグラフである。 本実施形態に係る圧電振動子の１例を示す概略構成図である。 本実施形態に係る圧電振動子の他の例を示す概略構成図である。 圧電振動子として音叉型の水晶振動子を用いた音叉型水晶発振器の構成の１例を示す平面図である。 本実施形態に係る携帯情報機器の構成の１例を機能的に示すブロック図である。 従来の重り部について説明するための図である。

符号の説明

１ 水晶振動片
１ａ マウント部
３ 重り部
４ 下地金属
５ 水晶
６ Ｃｒ層
７ Ａｕ層
８ Ｃｒ薄膜
９ Ａｇ層
１０ Ｃｒ薄膜
２０ 振動腕部
３０ 基部
５０ 気密端子（プラグ）
５２ リード
５２ａ 外部電極
５４ ケース
６５ ベース
６６ 接合部
６７ 導電性接着剤
６８ リッド
６９ 外部電極
７１ 音叉型水晶振動子
７２ 基板
７３ 集積回路
７４ 電子部品
１０１ 電源部
１０２ 制御部
１０３ 計時部
１０４ 通信部
１０４ａ 無線部
１０４ｂ 音声処理部
１０４ｃ 増幅部
１０４ｄ 音声入力部
１０４ｅ 着信音発生部
１０４ｆ 切替部
１０４ｇ 呼制御メモリ部
１０４ｈ 電話番号入力部
１０５ 電圧検出部
１０６ 電源遮断部
１０７ 表示部

Claims (8)

1. 励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、
   前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、
   前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、
   前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、
   前記圧電振動片を封入する密閉容器と、
   前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、
   を具備したことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記周波数調整重り部を構成する銀の表面に、銀の酸化を防止する酸化防止膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記拡散防止膜と前記酸化防止膜は、同一金属により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動子。
4. 前記酸化防止膜は、クロム、又はニッケルで構成されていることを特徴とする請求項２、又は請求項３に記載の圧電振動子。
5. 請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の圧電振動子を発振子として集積回路に接続して用いることを特徴とする発振器。
6. 圧電振動子を発振子として集積回路に接続した発振器であって、
   前記圧電振動子は、
   励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、
   前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、
   前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、
   前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、
   前記圧電振動片を封入する密閉容器と、
   前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、
   を具備したことを特徴とする発振器。
7. 請求項１から請求項４までのうちの何れか１の請求項に記載の圧電振動子を計時部に接続して用いることを特徴とする電子機器。
8. 圧電振動子を計時部に接続した電子機器であって、
   前記圧電振動子は、
   励振電極が形成された一対の振動部分を有する音叉型の圧電振動片と、
   前記振動部分の表面に形成され、表面が金で構成された下地金属と、
   前記下地金属の表面に形成され、金と銀の金属間拡散を防止する拡散防止膜と、
   前記拡散防止膜の表面に銀で形成された周波数調整重り部と、
   前記圧電振動片を封入する密閉容器と、
   前記励振電極と接続し、前記密閉容器の外部に形成された外部電極と、
   を具備したことを特徴とする電子機器。

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