JP3749917B2 - 水晶発振器の製造方法 - Google Patents

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から構成される水晶発振器とその製造方法に関する。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音叉形状の屈曲水晶振動子から構成され、基本波モード振動の周波数が出力信号である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。図９には、この従来例の発振器に用いられている音叉形状の屈曲水晶振動子２００の概観図を示す。図９において水晶振動子２００は２本の音叉腕２０１，２０２と音叉基部２３０とを具えている。図１０には図９の音叉腕の断面図を示す。図１０に示すように、励振電極は音叉腕の上下面と側面に配置されている。音叉腕の断面形状は一般的には長方形をしている。一方の音叉腕の断面の上面には電極２０３が下面には電極２０４が配置されている。側面には電極２０５と２０６が設けられている。他方の音叉腕の上面には電極２０７が下面には電極２０８が、更に側面には電極２０９，２１０が配置され２電極端子Ｈ−Ｈ′構造を成している。今、Ｈ−Ｈ′間に直流電圧を印加すると電界は矢印方向に働く。その結果、一方の音叉腕が内側に曲がると他方の音叉腕も内側に曲がる。この理由は、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である。交番電圧を印加することにより振動を持続することができる。又、特開昭５６−６５５１７と特開２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）では、音叉腕に溝を設け、且つ、電極構成について開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
音叉形状の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形状の屈曲水晶振動子は、図１０で示したように、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。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。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た水晶発振器が所望されていた。と同時に、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周波数である水晶発振器が所望されていた。更に、時間精度の良い水晶発振器を得るために、高い周波数安定性を持つ音叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が所望されていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具え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、水晶振動子とＣＭＯＳインバータ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器の製造方法であって、前記水晶発振器は、ＣＭＯＳインバータと帰還抵抗を備えた増幅回路と、屈曲モードで振動する水晶音叉腕と水晶音叉基部を備えた水晶屈曲音叉振動子とコンデンサーと抵抗とを備えた帰還回路を備えて構成される水晶発振回路を備えて構成されていて、水晶音叉基部と前記水晶音叉基部に接続された水晶音叉腕とを形成するための第１のエッチング工程において、水晶ウエハをエッチングによって屈曲モードで振動する水晶屈曲音叉振動子を形成する工程と、前記水晶音叉腕の各々の音叉腕の対抗する上下面の各面に段差部を有する溝を各々１個形成するための第１のエッチング工程と異なる第２のエッチング工程において、前記水晶ウエハをエッチングする工程と、前記水晶音叉腕の溝の段差部の上に第１の電気的極性を有する第１電極と、前記水晶音叉腕の側面の上に第２の電気的極性を有する第２電極を、第１の電気的極性と第２の電気的極性とが異極性となるように第１電極と第２電極を配置する工程と、音叉腕に溝を有する前記水晶屈曲音叉振動子を収納するケースに固定する工程と、水晶屈曲音叉振動子とケースと蓋とを備えた水晶ユニットを構成するために、前記水晶屈曲音叉振動子を前記ケースと前記蓋を用いて封止する工程と、音叉腕に溝を有する前記水晶屈曲音叉振動子をＣＭＯＳインバータと帰還抵抗を備えた増幅回路と前記水晶屈曲音叉振動子を備えた帰還回路のコンデンサーと抵抗に電気的に接続する工程と、を有し、これらの工程は順次行われると共に、前記水晶音叉腕の上下面に設けられた各々１個の溝は、その溝の溝幅Ｗ_２と水晶音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が、０．３５〜０．９５の範囲内に、かつ、前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が、０．０１〜０．７９の範囲内にあり、水晶音叉腕に溝を有する前記屈曲音叉水晶振動子の基本波モード振動の等価直列抵抗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、かつ、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、幅と厚みと長さとを有する音叉腕は第１音叉腕と第２音叉腕を備えて構成され、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝は各音叉腕の厚み方向に対抗して設けられ、前記溝を有する水晶屈曲音叉振動子は、第１電極端子と第２電極端子を備えて構成され、前記第１電極端子は、第１音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された第１電極と第２音叉腕の側面に配置された第２電極から構成され、かつ、上下面の溝の段差部に配置された前記第１電極と第２音叉腕の側面に配置された前記第２電極とが接続され、前記第２電極端子は、第１音叉腕の側面に配置された第２電極と第２音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された第１電極から構成され、かつ、側面に配置された前記第２電極と第２音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された前記第１電極とが接続されていて、前記溝の厚み方向に対抗する２つの面に各溝の段差部の電極と接続される電極が配置され、前記第１電極端子と前記第２電極端子間に直流電圧を印加したときに、第１音叉腕と第２音叉腕の上下面の溝の厚み方向に対抗する２つの面に配置された電極間に発生する厚み方向の電界が、前記電極間に存在しない第１の態様に記載の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た水晶発振器で、しかも、音叉形状の溝と電極の構成を改善し、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、２次高調波振動を抑え、基本波振動モードで振動する周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。
【０００８】
加えて、音叉腕の中立線を挟んだ中央部に溝を設け、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Ｒ_１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音叉形状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。
【０００９】
【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。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。このような回路素子から本実施例の水晶発振回路は構成されている。即ち、水晶発振器を構成する水晶発振回路１は増幅回路８と帰還回路９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屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子は図３から図６で詳述される。
【００１０】
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はβ＝｜Ｖ_２｜／｜Ｖ_１｜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、ｉ＝３のとき、３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はβ＝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。
【００１１】
このように、帰還率βと負荷容量Ｃ_Ｌとの関係から明らかなように、負荷容量Ｃ_Ｌが小さくなると、基本波振動モードと高調波振動モードの共振周波数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、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。
【００１２】
本発明の水晶発振器は、消費電流が少なく、しかも、出力周波数が基本波モード振動の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Ｃ_Ｌは７ｐＦ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＝６ｐＦ以下が好ましい。ここで言う、容量Ｃ_ｇ、Ｃ_ｄは回路の浮遊容量を含んだ数値である。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。
【００１３】
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。このように構成することにより、消費電流の少ない、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。尚、前記周波数とは、屈曲水晶振動子の基準周波数、又はそれの分周された周波数である。
【００１４】
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器は、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周波数が出力信号として得られる。
【００１５】
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１０の外観図とその座標系を示すものである。座標系Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなるＯ−ｘｙｚを構成している。本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０は音叉腕２０、音叉腕２６と音叉基部４０とから成り、音叉腕２０と音叉腕２６は音叉基部４０に接続されている。更に、音叉腕２０の上面には中立線を挟んで溝２１が設けられ、又、音叉腕２６の上面にも音叉腕２０と同様に溝２７が設けられるとともに、さらに、音叉基部４０に溝３２と溝３６とが設けられている。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。
【００１６】
図４は、図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の音叉基部４０のＤ−Ｄ′断面図を示す。図４では図３の水晶振動子の音叉基部４０の断面形状並びに電極配置について詳述する。音叉腕２０と連結する音叉基部４０には溝２１，２２が設けられている。同様に、音叉腕２６と連結する音叉基部４０には溝２７，２８が設けられている。更に、溝２１と溝２７との間には更に溝３２と溝３６とが設けられている。又、溝２２と溝２８との間にも溝３３と溝３７とが設けられている。そして、溝２１と溝２２には電極２３，２４が、溝３２，３３，３６，３７には電極３４，３５，３８，３９が、溝２７と溝２８には電極２９，３０が配置され、音叉基部４０の両側面には電極２５，３１が配置されている。さらに詳述すると、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配置されている。
【００１７】
また、音叉形状の屈曲水晶振動子１０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では溝の深さが図４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ｔ_１と音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９となるように溝が音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成されている。特に、音叉基部の歪みを大きくするために、音叉基部の溝の厚みと音叉基部の厚みの比を０．０１〜０．０２５にする事が好ましい。このように形成することにより、音叉腕又は音叉腕と音叉基部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、電気機械変換効率の良い屈曲振動子が得られる。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。更に、本実施例では、音叉基部の溝と溝との間にさらに溝３２，３３，３６，３７が設けられているので、その電界強度はより一層大きくなり、より電気機械変換効率が良くなる。又、本実施例では、音叉基部４０の上面に溝３２，３６が、下面に溝３３，３７が設けられているが、片面にのみ設けても良い。
【００１８】
更に、電極２５，２９，３０，３４，３５は一方の同極に、電極２３，２４，３１，３７，３８，３９は他方の同極になるように配置されていて、２電極端子構造Ｅ−Ｅ′を構成する。即ち、ｚ軸方向に対抗する溝電極は同極に、且つ、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。今、２電極端子Ｅ−Ｅ′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４に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、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、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Ｒ_１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水晶振動子が得られる。
【００１９】
図５は図３の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の上面図を示すものである。図５では溝２１，２７の配置及び寸法について特に詳述する。音叉腕２０の中立線４１を挟むようにして溝２１が設けられている。他方の音叉腕２６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、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０では、音叉基部４０の、溝２１と溝２７との間に挟まれた部分にも溝３２と溝３６とが設けられている。それら溝２１，２７及び溝３２，３６を設けたことで、音叉形状の屈曲水晶振動子１０には、先に述べたように、電界Ｅｘが図４に示した矢印のように働き、電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出され、特に音叉基部の電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。このように、本実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子１０の形状と電極構成とは、音叉型屈曲水晶振動子を小型化した場合でも電気的諸特性に優れた、即ち、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い水晶振動子が実現できる。
【００２０】
更に、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と溝幅Ｗ_２とすると、音叉腕２０，２６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０．３５〜０．９５で、溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔ又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が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４１と４２を基点とする慣性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Ｒ_１の小さい、Ｑ値の高い、しかも、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００２１】
これに対して、溝２１および溝２７の長さｌ_１について本実施例では、溝２１，２７が音叉腕２０，２６から音叉基部４０の長さｌ_２にまで延在し、基部の溝の長さｌ_３となるような寸法とされている。それ故、音叉腕２０，２６に設けられた溝の長さは（ｌ_１−ｌ_３）で与えられ、Ｒ_１の小さい振動子を得るために、（ｌ_１−ｌ_３）／（ｌ−ｌ_２）が０．４〜０．８の値を有する。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子１０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音叉形状の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。
【００２２】
すなわち、音叉腕２０，２６又は音叉腕２０，２６と音叉基部４０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、特に、不要振動である２次高調波振動（基本波周波数の約６．３倍の周波数）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次高調波振動での等価直列抵抗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。又、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。
【００２３】
また、この実施例では、音叉基部４０は図５中、振動子１０の長さｌ_２の下側部分全体とされ、又、音叉腕２０及び音叉腕２６は、図５中、振動子１０の長さｌ_２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矩形をしているが、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Ｕ字型をしていても良い。この場合も矩形の形状と同じように、音叉腕と音叉基部との寸法の関係は前記関係と同じである。更に、本実施例では、溝は音叉腕と音叉基部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、音叉腕にのみ溝を設けても良く、同様の効果が得られる。この場合、溝の長さｌ_３＝０となる。尚、本発明で言う溝の長さｌ_１とは、音叉腕に設けられた溝で、溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９で、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜０．９５となるように構成された溝の長さである。と共に、更に、前記音叉腕に設けられた溝が、音叉基部にまで延在する場合には、音叉基部の溝の厚みと音叉基部の厚みの比が０．０１〜０．０２５の範囲内にある溝の長さｌ_３を含む長さがｌ_１である。
【００２４】
換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立線を挟んだ幅方向中央部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電極を構成し、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０．３５〜０．９５で、前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０１〜０．７９であると共に、更に、前記音叉腕又は前記音叉腕と前記音叉基部に設けられた溝の長さｌ_１と前記音叉形状の水晶振動子の全長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜０．７８の範囲内に有るように溝が形成されている。
【００２５】

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〜０．０６８ｍｍ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（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、振動子の厚みｔは０．０５ｍｍ〜０．１２ｍｍの水晶ウエハが用いられる。
【００２６】
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のとき基本波振動、ｉ＝２のとき２次高調波振動、ｉ＝３のとき３次高調波振動）、屈曲水晶振動子の機械的直列共振周波数ｆ_ｓと並列容量を含む直列共振周波数ｆ_ｒの差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。
【００２７】
例えば、基本波モード振動の周波数が３２．７６８ｋＨｚの場合、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Ｍ_１が２次と３次高調波モード振動のフイガーオブメリットＭ_２、Ｍ_３より大きくなる。本実施例では、Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３はそれぞれＭ_１＞５０、Ｍ_２＜３０、Ｍ_３＜１８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次と３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次と３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。本実施例では、溝幅Ｗ_２は０．０３ｍｍ〜０．０６８ｍｍであるが、溝幅Ｗ_２を０．１２ｍｍまで大きくする事により、より大きいＭ_１を得ることができる。
【００２８】
図６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に切り欠き部５３、５４が設けられている。又、音叉腕４６、４７には中立線５１、５２を挟んで溝４９、５０が設けられている。更に、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て、溝４９、５０はそれぞれ幅Ｗ_２と長さｌ_１を有する。更に詳述するならば、溝の面積Ｓ＝Ｗ_２×ｌ_１で示し、Ｓは０．０２５〜０．１２ｍｍ^２の値を有するように構成される。このように溝の面積を構成する理由は化学的エッチング法による溝の形成が容易で、しかも、電気機械変換効率が良くなる溝の形成ができる。と同時に、基本波モード振動の品質係数Ｑ値の高い屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子が得られる。その結果、出力信号が基本波モード振動の周波数である水晶発振器が実現できる。
【００２９】
上記溝の面積Ｓでは、溝と音叉腕を別々の工程で加工できる。しかし、音叉腕とそれに設けられた溝を同時に加工するには、音叉腕の厚みｔと溝幅Ｗ_２と音叉腕の間隔Ｗ_４と面積Ｓを最適寸法にする必要が有る。即ち、音叉腕の厚みｔが０．０６ｍｍ〜０．１５ｍｍのとき、溝幅Ｗ_２が０．０２ｍｍ〜０．０６８ｍｍの範囲内に、更に、面積Ｓは０．０２３ｍｍ^２〜０．０８８ｍｍ^２の範囲内にあり、間隔Ｗ_４は０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍとなるように構成される。このように構成する理由は水晶の結晶性を利用し、その結晶性から貫通穴でない溝（音叉腕の長さ方向に分割された溝を含む）と音叉形状を同時に形成することができる。また、図６には示されていないが、音叉腕４６，４７の下面にも溝４９，５０と対抗する位置に溝が設けられている。
【００３０】
更に、音叉基部４８に設けられた切り欠き部５３、５４の音叉部側の幅寸法はＷ_５で与えられ、切り欠き部５３、５４の端部側の寸法はＷ_６で与えられる。そして、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とき、振動子の振動エネルギーの損失を小さくするには、

振動部のエネルギー損失を小さくすることができる。図６で示されている音叉腕の腕幅Ｗ、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３、溝幅Ｗ_２と間隔Ｗ_４及び溝の長さｌ_１と音叉振動子の全長ｌとの関係は図５で述べられているので、ここでは省略する。
【００３１】
図７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と図６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１０、４５の内の一個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ユニット内に収納されている。この時、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。
【００３２】
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。又、本実施例で述べられた振動子とケースと蓋との関係は以下に述べられる図８の水晶発振器にも適用される。
【００３３】
図８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。
【００３４】
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と図６で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子１０、４５の中の振動子が用いられる。
【００３５】
次に、本発明の水晶発振器の製造方法について述べる。上記音叉形状の屈曲水晶振動子は半導体の技術を用いたフオトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成される。まず、研磨加工あるいはポリッシュ加工された水晶ウエハの上下面に金属膜（例えば、クロムそしてその上に金）をスパッタリング法又は蒸着法により形成する。次に、その金属膜の上にレジストが塗布される。そして、フオトリソ工程により、それらレジストと金属膜が音叉形状を残して除去された後、化学的エッチング法により、音叉腕と音叉基部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。更に、音叉形状の面上に前記工程で示した金属膜とレジストが塗布され、フオトリソ工程と化学的エッチング法により、音叉腕又は音叉腕と音叉基部に溝が形成される。
【００３６】
次に、溝を有する音叉形状に金属膜とレジストが再び塗布されて、フオトリソ工程により、電極が形成される。即ち、音叉腕の側面の電極と溝の側面の電極は極性が異なるように対抗して配置される。さらに詳述するならば、第１の音叉腕の側面電極と第２の音叉腕の溝の電極は同極に、第１の音叉腕の溝の電極と第２の音叉腕の側面電極は同極に構成され、第１の音叉腕の溝の電極と側面電極は極性が異なるように構成される。即ち。２電極端子が振動子に形成される。その結果、２電極端子に交番電圧を印加する事により、音叉腕は逆相で屈曲振動する。本実施例では、音叉形状の形成の後に溝を音叉腕又は音叉腕と音叉基部に形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、まず、溝を形成してから音叉形状を形成してもよい。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、この工程での溝の寸法等については前記した寸法と同じであり既に述べられているので、ここでは省略する。
【００３７】
この実施例の工程により、水晶ウエハには多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が形成されている。それ故、次の工程では、このウエハの状態で、最初の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。と共に、不良振動子はマーキングされるかウエハから取り除かれる。また、本工程では１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの基準周波数に対して、周波数偏差は−９０００ＰＰＭ〜＋５０００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。更に、次の工程では、形成された振動子は表面実装型のケース又は円筒型のケースのリード線に接着材あるいは半田等で固定される。その固定後、第２回目の周波数調整がレーザ又はプラズマエッチング又は蒸着にて行われる。本工程では、周波数偏差は−５０ＰＰＭ〜＋５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。
【００３８】
更に、周波数調整後、前記振動子はケースと蓋となるユニットに真空中で収納される。蓋がガラスで構成されているときには、収納後、第３回目の周波数調整がレーザにて行われる。本工程では、周波数偏差は−３０ＰＰＭ〜＋３０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。本実施例では、周波数調整は３回行われるが、少なくとも２回行えば良い。例えば、第３回目の周波数調整はしなくても良い。更に次の工程では、前記した振動子の２電極端子が増幅器とコンデンサと抵抗に電気的に接続される。換言するならば、増幅回路はＣＭＯＳインバータと帰還抵抗からなり、帰還回路は音叉形状の屈曲水晶振動子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からなるように接続される。又、前記第３回目の周波数調整は水晶発振回路を構成後に行っても良い。
【００３９】
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、上記第１実施例から第４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。又は、音叉基部に溝と貫通穴を設けても良い。又、本実施例の音叉腕に設けられた溝に連結する音叉基部の溝を貫通穴になるように構成してもよく、溝又は貫通穴の側面に電極を配置し、その電極と対抗する側面に前記電極と極性の異なる電極を配置することにより、既に述べられたのと同様な効果が得られる。
【００４０】
更に、本実施例で示された図４では、音叉腕と音叉基部に大略同じ深さの溝を設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、音叉基部に全て溝を設け、叉部の下側の溝の厚みとその両側の溝の厚みを変えても良い。即ち、異なる厚みを有する溝を設けても良い。一例として、音叉基部の中央部の溝の厚みをその両側の溝の厚みより小さく、あるいは大きくなるように形成しても良い。他の例としては、音叉腕に設けられた溝の深さを変えても良い。特に、複数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が接続部を介して音叉基部で接続され、且つ、それらの振動子が電気的に並列に接続されるときには、各振動子の音叉腕の溝の厚み（深さ）を変えることにより、各振動子の頂点温度を変えることができ、周波数温度特性の改善ができる。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の水晶発振器を提供する事により多くの効果が得られることを述べたが、その中でも特に、次の如き著しい効果が得られる。
（１）音叉基部に複数個の溝を設け、且つ、それらの側面に極性の異なる電極が配置されているので、電界が垂直に働く。その結果、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ_１が小さく、品質係数Ｑ値の高い音叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が得られる。
（２）溝幅と音叉腕幅の寸法と溝の厚みと音叉腕の厚みの寸法との関係の最適化を図ることにより、２次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、しかも、容量比の小さい音叉形状の屈曲水晶振動子を具えた水晶発振器が実現できる。
（３）音叉形状の振動子の基本波モード振動の等価直列抵抗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、かつ、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、更に、増幅回路と帰還回路を具えて構成される前記水晶発振器の増幅回路の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。
（４）更に、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、前記基本波モード振動の増幅率α_１と前記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ているので、負荷容量が小さくても、２次高調波モード振動を抑えることができ、その結果、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。
（５）音叉形状と溝をフォトリソグラフィ法と化学的エッチング法によって形成でき、量産性に優れ、更に１枚の水晶ウェハ上に多数個の振動子を一度にバッチ処理にて形成できるので、安価な音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。と同時に、それを具えた安価な水晶発振器が実現できる。
（６）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。
【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外観図とその座標系を示す。
【図４】 図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の音叉基部のＤ−Ｄ′断面図を示す。
【図５】 図３の音叉形状の屈曲水晶振動子の上面図を示す。
【図６】 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音叉形状の水晶振動子の上面図である。
【図７】 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８】 本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。
【図９】 従来の音叉形状の屈曲水晶振動子の斜視図とその座標系を示す。
【図１０】 図９の音叉形状水晶振動子の音叉腕の断面図である。
【符号の説明】
１ 増幅回路
９ 帰還回路
Ｖ_１ 入力電圧
Ｖ_２ 出力電圧
２０，２６，４６，４７音叉腕
Ｗ_２ 溝幅
Ｗ 音叉腕の腕幅
Ｗ_１，Ｗ_３ 音叉腕の部分幅
Ｗ_４ 音叉腕の間隔
ｌ_１ 溝の長さ
ｌ_２ 音叉基部の長さ
ｌ 音叉形状の屈曲水晶振動子の全長
ｔ 音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚み
ｔ_１ 溝の厚み

Claims (2)

1. 水晶振動子とＣＭＯＳインバータ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器の製造方法であって、前記水晶発振器は、ＣＭＯＳインバータと帰還抵抗を備えた増幅回路と、屈曲モードで振動する水晶音叉腕と水晶音叉基部を備えた水晶屈曲音叉振動子とコンデンサーと抵抗とを備えた帰還回路を備えて構成される水晶発振回路を備えて構成されていて、
   水晶音叉基部と前記水晶音叉基部に接続された水晶音叉腕とを形成するための第１のエッチング工程において、水晶ウエハをエッチングによって屈曲モードで振動する水晶屈曲音叉振動子を形成する工程と、
   前記水晶音叉腕の各々の音叉腕の対抗する上下面の各面に段差部を有する溝を各々１個形成するための第１のエッチング工程と異なる第２のエッチング工程において、前記水晶ウエハをエッチングする工程と、
   前記水晶音叉腕の溝の段差部の上に第１の電気的極性を有する第１電極と、前記水晶音叉腕の側面の上に第２の電気的極性を有する第２電極を、第１の電気的極性と第２の電気的極性とが異極性となるように第１電極と第２電極を配置する工程と、
   音叉腕に溝を有する前記水晶屈曲音叉振動子を収納するケースに固定する工程と、
   水晶屈曲音叉振動子とケースと蓋とを備えた水晶ユニットを構成するために、前記水晶屈曲音叉振動子を前記ケースと前記蓋を用いて封止する工程と、
   音叉腕に溝を有する前記水晶屈曲音叉振動子をＣＭＯＳインバータと帰還抵抗を備えた増幅回路と前記水晶屈曲音叉振動子を備えた帰還回路のコンデンサーと抵抗に電気的に接続する工程と、を有し、これらの工程は順次行われると共に、
   前記水晶音叉腕の上下面に設けられた各々１個の溝は、その溝の溝幅Ｗ_２と水晶音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が、０．３５〜０．９５の範囲内に、かつ、前記溝の厚みｔ_１と音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が、０．０１〜０．７９の範囲内にあり、
   水晶音叉腕に溝を有する前記水晶屈曲音叉振動子の基本波モード振動の等価直列抵抗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、かつ、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より大きいことを特徴とする水晶発振器の製造方法。
2. 幅と厚みと長さとを有する音叉腕は第１音叉腕と第２音叉腕を備えて構成され、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、前記溝は各音叉腕の厚み方向に対抗して設けられ、前記溝を有する水晶屈曲音叉振動子は、第１電極端子と第２電極端子を備えて構成され、前記第１電極端子は、第１音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された第１電極と第２音叉腕の側面に配置された第２電極から構成され、かつ、上下面の溝の段差部に配置された前記第１電極と第２音叉腕の側面に配置された前記第２電極とが接続され、前記第２電極端子は、第１音叉腕の側面に配置された第２電極と第２音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された第１電極から構成され、かつ、側面に配置された前記第２電極と第２音叉腕の上下面の溝の段差部に配置された前記第１電極とが接続されていて、前記溝の厚み方向に対抗する２つの面に各溝の段差部の電極と接続される電極が配置され、前記第１電極端子と前記第２電極端子間に直流電圧を印加したときに、第１音叉腕と第２音叉腕の上下面の溝の厚み方向に対抗する２つの面に配置された電極間に発生する厚み方向の電界が、前記電極間に存在しないことを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器の製造方法。

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