JP4074934B2

JP4074934B2 - Crystal oscillator and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4074934B2
Application number: JP2002383430A
Authority: JP
Inventors: 宏文川島
Original assignee: 有限会社ピエデック技術研究所
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: JP2003273648A

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、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。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。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振動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。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、高い周波数安定性を有する水晶発振器が所望されていた。同時に、消費電流の少ない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、水晶音叉基部とその水晶音叉基部に接続された水晶音叉腕を備え、前記水晶音叉腕に溝を有する屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子と、ＣＭＯＳインバータと、コンデンサーと、抵抗と、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、前記音叉型屈曲水晶振動子とコンデンサーとドレイン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、水晶音叉基部とその水晶音叉基部に接続された水晶音叉腕とを備えた音叉形状を形成するための第１のエッチング加工において、前記音叉形状を形成する工程と、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溝を形成するための第１のエッチング加工と異なる第２のエッチング加工において、前記溝を形成する工程と、前記水晶音叉腕の一方の音叉腕の溝に配置される第１電極と他方の音叉腕の側面に配置される第２電極が電気的に接続され、前記一方の音叉腕の側面に配置される第２電極と前記他方の音叉腕の溝に配置される第１電極が電気的に接続され、かつ、前記一方の音叉腕の溝に配置される第１電極の第１電気的極性と、前記一方の音叉腕の側面に配置される第２電極の第２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、前記音叉型屈曲水晶振動子を収納するケースに前記音叉型屈曲水晶振動子の水晶音叉基部を固定する工程と、前記音叉型屈曲水晶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、前記音叉型屈曲水晶振動子を前記ケースと前記蓋を用いて封止する工程と、前記音叉型屈曲水晶振動子を前記増幅回路のＣＭＯＳインバータと帰還抵抗と、前記音叉型屈曲水晶振動子を備えた帰還回路のコンデンサーとドレイン抵抗に電気的に接続する工程と、を備え、これらの工程は前記工程の順に行われると共に、前記音叉型屈曲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より大きく、
【０００６】
前記音叉型屈曲水晶振動子を収納するケースに前記音叉型屈曲水晶振動子の水晶音叉基部を固定する工程の後、かつ、前記音叉型屈曲水晶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、前記音叉型屈曲水晶振動子を前記ケースと前記蓋を用いて封止する工程の前に、前記音叉型屈曲水晶振動子の発振周波数を調整する工程を備え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。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、本発明の水晶発振器は、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_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、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_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。
【００１１】
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。更に、高い周波数安定性については後述される。又、出力信号はバッフアを介してドレイン側から出力される。
【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屈曲水晶振動子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。また、音叉腕２０と音叉腕２６はそれぞれ上面と下面と側面とを有する。更に、音叉腕２０の上面には中立線を挟んで、即ち、中立線を含むように溝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。又、音叉腕２０、２６の下面にも上面と同様に溝が設けられている。
【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。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にバラツキが生じ、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０．７９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又は音叉腕と音叉基部の厚み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。
【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。また、本発明で言う溝の長さｌ_１とは、音叉腕にのみ溝が設けられている時には、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５より大きく、且つ、１より小さくなるように形成された溝の長さである。更に、前記音叉腕に設けられた溝が、音叉基部にまで延在し、音叉基部に延在した溝の間にさらに溝が設けられている時には、溝の長さｌ_３を含む長さがｌ_１である。しかし、音叉腕の溝が音叉基部に延在しているが、その溝の間にさらに溝が設けられていない時には、長さｌ_１は音叉腕の溝の長さである。
【００２４】
換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立線を挟んだ、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。
【００２５】
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（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〜０．１２ｍｍの水晶ウエハが用いられる。しかし、本発明は本実施例に限定されるものでなく、０．１２ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。
【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。
【００２７】
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。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、Ｍ_３はそれぞれＭ_１＞６５、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。特に、３２．７６８ｋＨｚは広く使用されている。
【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（含む）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、Ｗ_６≧Ｗ_５を満たす必要がある。また、切り欠き部５３、５４も振動子の固定による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、あるいは蓋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。その固定後に、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−１００ＰＰＭ〜＋１００ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、本発明での固定後に周波数調整が行われるということは、固定後すぐに周波数調整しても良いし、あるいは固定後にケースと蓋を接続した後に周波数調整をしても良い。即ち、固定後にいかなる工程を入れても、その後に周波数調整をすれば良く、本発明はこれらを全て包含するものである。
【００３８】
尚、第３回目の周波数調整がなされるときには、前記２回目の周波数調整による周波数偏差は−９５０ＰＰＭ〜＋９５０ＰＰＭの範囲内にあるように周波数調整がなされる。又、上記実施例では、前記ウエハの状態で、最初の周波数調整を行い、それと共に、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ているが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明は水晶ウエハにできた多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子をウエハの状態で検査し、良振動子か不良振動子を検査する工程を含めば良い。即ち、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か、コンピュタに記憶される。このような工程を含むことにより、不良振動子を早く見つけることができ、次工程に流れないので、歩留まりを上げることができる。その結果、安価な屈曲水晶振動子を得る事ができる。
【００３９】
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−５０ＰＰＭ〜＋５０ＰＰＭ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回の別々の工程で行われるが、少なくとも２回の別々の工程で行えば良い。例えば、第３回目の工程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。
【００４０】
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。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。あるいは、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。
【００４１】
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。
【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。
【００４３】
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。例えば、物理的方法ではイオン化した原子、分子を飛散させて加工するものである。又、機械的方法では、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。
【００４４】
【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）音叉腕または音叉腕と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フイガーオブメリットＭ_１が２次、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｜−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、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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystal oscillator having a tuning fork shape including a tuning fork arm and a tuning fork base that vibrate in a bending mode, an amplifier, a capacitor, and a resistor, and a method of manufacturing the same. In particular, it is a crystal oscillator that is ideal as a reference signal source for information communication equipment that is strongly demanded for miniaturization, high precision, shock resistance, and low cost, and has a new shape, new electrode configuration, and ultra-compact tuning fork shape with optimum dimensions. The present invention relates to a crystal oscillator in which the frequency of fundamental mode vibration is an output signal.
[0002]
[Prior art]
As a conventional crystal oscillator, a crystal oscillator composed of a tuning fork-type bending crystal resonator in which electrodes are arranged on the upper, lower, and side surfaces of an amplifier, a capacitor, a resistor, and a tuning fork arm is well known. FIG. 9 shows an overview of a tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonator 200 used in this conventional oscillator. In FIG. 9, the crystal unit 200 includes two tuning fork arms 201 and 202 and a tuning fork base 230. FIG. 10 shows a cross-sectional view of the tuning fork arm of FIG. As shown in FIG. 10, the excitation electrodes are disposed on the upper and lower surfaces and side surfaces of the tuning fork arm. The cross-sectional shape of the tuning fork arm is generally rectangular. An electrode 203 is disposed on the upper surface of the cross-section of one tuning fork arm, and an electrode 204 is disposed on the lower surface. Electrodes 205 and 206 are provided on the side surfaces. An electrode 207 is arranged on the upper surface of the other tuning fork arm, an electrode 208 is arranged on the lower surface, and electrodes 209 and 210 are arranged on the side surfaces to form a two-electrode terminal HH ′ structure. Now, when a DC voltage is applied between H-H ', the electric field works in the direction of the arrow. As a result, when one tuning fork arm is bent inward, the other tuning fork arm is also bent inward. This is because the direction of the electric field component Ex in the x-axis direction is opposite in each tuning fork arm. By applying an alternating voltage, vibration can be sustained. JP-A-56-65517 and JP-A-2000-223992 (P2000-223992A) disclose a tuning fork arm with a groove and an electrode configuration.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the tuning fork-type bent quartz resonator, the larger the electric field component Ex, the more the loss equivalent series resistance R₁Becomes smaller and the quality factor Q value becomes larger. However, in the tuning fork-type bent quartz crystal resonator that has been conventionally used, as shown in FIG. 10, electrodes are arranged on the upper and lower surfaces and side surfaces of each tuning fork arm. For this reason, the electric field does not work linearly, and if the tuning fork type bent quartz resonator is reduced in size, the electric field component Ex becomes smaller, and the loss equivalent series resistance R₁However, problems such as an increase in the quality factor and a decrease in the quality factor Q value remain. At the same time, there remains a problem of obtaining a bent crystal resonator that is highly accurate as a time reference, that is, has high frequency stability and suppresses second harmonic mode vibration. As a method for solving the above-mentioned problem, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 56-65517 discloses a groove on a tuning fork arm, and discloses a groove structure and an electrode structure. However, the groove configuration, dimensions and vibration modes, as well as the equivalent series resistance R at fundamental mode vibrations.₁And equivalent series resistance R in second harmonic mode vibration₂Fig. 1 is not disclosed at all. At the same time, when the vibrator having the groove is connected to a conventional circuit to form a crystal oscillation circuit, the output signal of the fundamental vibration mode is affected by impact or vibration, and the output signal is the frequency of the second harmonic vibration. There were problems such as changes and detection. For this reason, there is a demand for a crystal oscillator including a tuning-fork-shaped bent quartz crystal that vibrates in a fundamental vibration mode that suppresses second-order harmonic vibration that is not affected by impact or vibration. It was. Furthermore, in order to reduce the current consumption of the crystal oscillator, the load capacitance C_LIf it is made small, it becomes easy to vibrate in the second harmonic mode, and there remains a problem that the output frequency of fundamental wave mode vibration cannot be obtained. Therefore, it is very small and oscillates in the fundamental mode, and equivalent series resistance R₁A new shape that has a small quality factor and a high quality factor Q value, and has a tuning fork-shaped bent quartz resonator with a groove configuration and electrode configuration with good electromechanical conversion efficiency, and the output signal is at the frequency of the fundamental mode vibration. Therefore, a crystal oscillator having high frequency stability has been desired. At the same time, a crystal oscillator with low current consumption has 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 that vibrates in a bending mode, which advantageously solves the conventional problems by the following method, and a manufacturing method thereof.
[0005]
  That is, the first aspect of the method for manufacturing a crystal oscillator according to the present invention is a tuning fork type comprising a quartz tuning fork base and a quartz tuning fork arm connected to the quartz tuning fork base, and vibrating in a bending mode having a groove in the quartz tuning fork arm. A crystal oscillator manufacturing method comprising a bent crystal resonator, a CMOS inverter, a capacitor, and a resistor, wherein the crystal oscillator includes an amplifier circuit having a CMOS inverter and a feedback resistor, and the tuning fork. A quartz crystal tuning fork base and a quartz tuning fork arm connected to the quartz tuning fork base. In the first etching process for forming the tuning fork shape provided, a groove is formed on each surface of the upper and lower surfaces facing each tuning fork arm in the step of forming the tuning fork shape. In a second etching process different from the first etching process for forming, the step of forming the groove, the first electrode disposed in the groove of one tuning fork arm of the crystal tuning fork arm, and the other tuning fork arm The second electrode disposed on the side surface is electrically connected, and the second electrode disposed on the side surface of the one tuning fork arm and the first electrode disposed in the groove of the other tuning fork arm are electrically connected. The first electrical polarity of the first electrode disposed in the groove of the one tuning fork arm and the second electrical polarity of the second electrode disposed on the side surface of the one tuning fork arm are different from each other. A step of arranging the first electrode and the second electrode in such a manner, a step of fixing a crystal tuning fork base of the tuning fork type bending crystal resonator to a case housing the tuning fork type bending crystal resonator, and a tuning fork type bending crystal. To construct a crystal unit with a vibrator, case, and lid A step of sealing the tuning fork type quartz crystal unit with the case and the lid; a tuning fork type quartz crystal unit comprising a CMOS inverter and a feedback resistor of the amplifier circuit; and the tuning fork type quartz crystal unit. Electrically connecting to a capacitor of the feedback circuit and a drain resistor. These steps are performed in the order of the steps, and the equivalent series resistance R of the fundamental mode vibration of the tuning-fork type bent quartz resonator₁Is the equivalent series resistance R of the second harmonic mode vibration₂Feger of merit M of smaller and fundamental mode vibration₁Is the second-harmonic mode vibration of the Figer of Merit M₂LargerThe
[0006]
After the step of fixing the crystal tuning fork base of the tuning fork type bending crystal resonator to a case housing the tuning fork type bending crystal resonator, and a crystal unit comprising the tuning fork type bending crystal resonator, a case and a lid. A crystal oscillator comprising a step of adjusting an oscillation frequency of the tuning fork-type bending crystal resonator before the step of sealing the tuning-fork type bending crystal resonator using the case and the lid. It is a manufacturing method.
[0007]
[Action]
As described above, the present invention is a crystal oscillator including a tuning fork-shaped crystal resonator that vibrates in a bending mode, and further improves the configuration of the tuning-fork-shaped groove and electrode, and shows the relationship between the amplifier circuit and the feedback circuit. Thus, it is possible to obtain a crystal oscillator that suppresses the second harmonic vibration and outputs a frequency that vibrates in the fundamental vibration mode.
[0008]
In addition, an equivalent series resistance R can be obtained by providing a groove in the center of the tuning fork arm neutral line and arranging electrodes to optimize the groove dimensions.₁Therefore, an ultra-compact tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonator that vibrates in a bending mode with a small Q, high Q value, and good electromechanical conversion efficiency can be obtained. At the same time, the load capacity of the feedback circuit can be reduced. As a result, a crystal oscillator with low current consumption can be obtained.
[0009]
[Embodiments of the Invention]
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an example 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 and 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, a drain resistor 7, capacitors 5 and 6, and a feedback circuit 9 including a bent crystal resonator 3. Specifically, the crystal oscillator of the present invention is composed of an amplifier circuit and a feedback circuit, the amplifier circuit is composed of at least an amplifier, and the feedback circuit is composed of at least a tuning-fork-shaped bent crystal resonator and a capacitor. Further, a tuning fork-shaped bent quartz crystal used in the crystal oscillator of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0010]
FIG. 2 shows the feedback circuit diagram of FIG. The angular frequency of a tuning-fork-shaped quartz crystal that vibrates in bending mode is_i, The resistance of the drain resistor 7 is R_d, The capacity of capacitors 5 and 6 is C_g, C_dThe 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｜_iDefined by However, i represents the vibration order of the bending vibration mode. For example, when i = 1, fundamental mode vibration, when i = 2, second harmonic mode vibration, when i = 3, third harmonic mode It is vibration. Furthermore, load capacity C_LIs C_L= C_gC_d/ (C_g+ C_d) And 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_eiIt is expressed by the function of R_eiIs approximately equivalent series resistance R_iIs equal to
[0011]
Thus, the feedback rate β_iAnd load capacity C_LThe load capacity C_LIt can be clearly seen that the feedback ratios of the resonance frequencies of the fundamental vibration mode and the harmonic vibration mode are increased as becomes smaller. Therefore, load capacity C_LWhen becomes smaller, the second harmonic mode vibration becomes easier to oscillate than the fundamental mode vibration. 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 oscillation continuation conditions, are satisfied simultaneously.
[0012]
An object of the crystal oscillator of the present invention is to provide a crystal oscillator having a frequency of fundamental mode vibration that has low current consumption and high frequency stability (high time accuracy). Therefore, in order to reduce current consumption, load capacity C_LUses 7 pF or less. To further reduce the current consumption, the current consumption is proportional to the load capacity._L= 6 pF or less is preferable. Here, capacity C_g, C_dIs a numerical value including the stray capacitance of the circuit. In order to suppress the vibration of the second harmonic mode and the output signal of the oscillator obtains the frequency of the fundamental mode vibration, α₁/ Α₂> Β₂/ Β₁And α₁β₁The oscillation circuit of this embodiment is configured to satisfy> 1. Where α₁, Α₂Is the amplification factor of the amplifier circuit of the fundamental mode vibration and the second harmonic mode vibration.₁, Β₂Is the feedback factor of the feedback circuit of fundamental mode vibration and second harmonic mode vibration.
[0013]
In other words, the amplification factor α of the fundamental mode vibration of the amplifier circuit₁And second harmonic mode vibration gain α₂Is the feedback ratio β of the second harmonic mode vibration of the feedback circuit₂And the feedback factor β of the fundamental mode vibration₁And the amplification factor α of the fundamental mode vibration₁And the feedback factor β of the fundamental mode vibration₁Is configured to be greater than 1. With such a configuration, it is possible to realize a crystal oscillator that consumes less current and whose output signal has a frequency of fundamental mode vibration. Note that the frequency is a reference frequency of the bent quartz crystal resonator or a frequency obtained by dividing the reference frequency. Further, high frequency stability will be described later. The output signal is output from the drain side via the buffer.
[0014]
Further, the amplification part of the amplification circuit constituting the crystal oscillation circuit of the present embodiment has a negative resistance -RL._iThe characteristics can be shown with. When i = 1, it is a negative resistance of fundamental mode vibration, and when i = 2, it is a negative resistance of second harmonic mode vibration. The crystal oscillator of the present embodiment has an absolute value | −RL of the negative resistance of the fundamental mode vibration of the amplifier circuit.₁| And the equivalent series resistance R of fundamental mode vibration₁Is the absolute value of the negative resistance of the second harmonic mode vibration of the amplifier circuit | -RL₂| And the equivalent series resistance R of the second harmonic mode vibration₂The oscillation circuit is configured so as to be larger than the ratio. That is, | -RL₁| / R₁>-RL₂| / R₂It is configured to satisfy. By configuring the crystal oscillation circuit in this way, the oscillation activation of the second harmonic mode vibration is suppressed, and as a result, the oscillation activation of the fundamental wave mode vibration can be obtained, so that the frequency of the fundamental wave mode vibration can be obtained as an output signal. It is done.
[0015]
FIG. 3 shows an external view of a tuning-fork-shaped bent quartz resonator 10 that vibrates in the bending mode used in the crystal oscillator of the first embodiment of the present invention and its coordinate system. An O-xyz including a coordinate system O, an electric axis x, a mechanical axis y, and an optical axis z is configured. The tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator 10 according to this embodiment includes a tuning fork arm 20, a tuning fork arm 26, and a tuning fork base 40. The tuning fork arm 20 and the tuning fork arm 26 are connected to the tuning fork base 40. The tuning fork arm 20 and the tuning fork arm 26 have an upper surface, a lower surface, and a side surface, respectively. Further, a groove 21 is provided on the upper surface of the tuning fork arm 20 with a neutral line interposed therebetween, that is, so as to include the neutral line, and a groove 27 is provided on the upper surface of the tuning fork arm 26 in the same manner as the tuning fork arm 20. Further, the tuning fork base 40 is provided with a groove 32 and a groove 36. The angle θ is a rotation angle around the x axis, and is usually selected in the range of 0 to 10 °. Further, grooves on the lower surfaces of the tuning fork arms 20 and 26 are provided in the same manner as the upper surface.
[0016]
4 shows a DD ′ cross-sectional view of the tuning fork base 40 of the tuning fork-shaped bent quartz resonator 10 of FIG. 4, the cross-sectional shape and electrode arrangement of the tuning fork base 40 of the crystal resonator of FIG. 3 will be described in detail. The tuning fork base 40 connected to the tuning fork arm 20 is provided with grooves 21 and 22. Similarly, the tuning fork base 40 connected to the tuning fork arm 26 is provided with grooves 27 and 28. Further, a groove 32 and a groove 36 are further provided between the groove 21 and the groove 27. A groove 33 and a groove 37 are also provided between the groove 22 and the groove 28. The electrodes 21 and 24 are disposed in the grooves 21 and 22, the electrodes 34, 35, 38, and 39 are disposed in the grooves 32, 33, 36, and 37, and the electrodes 29 and 30 are disposed in the grooves 27 and 28, respectively. Electrodes 25 and 31 are disposed on both side surfaces of the tuning fork base 40. Specifically, electrodes are disposed on the side surfaces of the grooves, and electrodes having different polarities are disposed to oppose the electrodes.
[0017]
Further, the tuning fork-shaped bent quartz resonator 10 has a thickness t, and the groove has a thickness t.₁have. 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 varies depending on the direction of each crystal axis in the chemical etching method. Therefore, the chemical etching method causes variations in the depth of the groove, and it is extremely difficult to process the uniform shape shown in FIG. In this embodiment, the groove thickness t₁And the tuning fork arm or the ratio of the tuning fork arm and the tuning fork base thickness t (t₁/ T) is preferably formed in the tuning fork arm or the tuning fork arm and the tuning fork base so that 0.01 / 0.79 is obtained. In particular, in order to increase the distortion of the tuning fork base, it is preferable to set the ratio of the groove thickness of the tuning fork base and the thickness of the tuning fork base to 0.01 to 0.025. By forming in this way, the electric field Ex between the tuning fork arm or the tuning fork arm and the groove side surface electrode of the tuning fork base and the side electrode facing it increases. That is, a flexural vibrator with good electromechanical conversion efficiency can be obtained. That is, a tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator with a small capacity ratio can be obtained. Furthermore, in this embodiment, since the grooves 32, 33, 36, and 37 are further provided between the grooves of the tuning fork base, the electric field strength is further increased and the electromechanical conversion efficiency is further improved. . Further, in this embodiment, the grooves 32 and 36 are provided on the upper surface of the tuning fork base 40 and the grooves 33 and 37 are provided on the lower surface, but they may be provided only on one side.
[0018]
Further, the electrodes 25, 29, 30, 34, and 35 are arranged to have one same polarity, and the electrodes 23, 24, 31, 37, 38, and 39 are arranged to have the other same polarity. -E '. That is, the groove electrode that opposes the z-axis direction has the same polarity, and the electrode that opposes the x-axis direction has a different polarity. Now, when a DC voltage is applied to the two-electrode terminal EE ′ (the positive electrode is applied to the E terminal and the negative electrode is applied to the E ′ terminal), the electric field Ex works as indicated by the arrows shown in FIG. Since the electric field Ex is drawn perpendicularly to the electrodes by the electrodes arranged on the side surface of the crystal unit and the side surface in the groove, that is, linearly, the electric field Ex is increased, and as a result, the amount of distortion generated is large. Become. Therefore, even when the tuning fork-shaped bent quartz crystal unit is downsized, the equivalent series resistance R₁A tuning fork-shaped crystal resonator that vibrates in a bending mode with a small quality factor and a high quality factor Q value can be obtained.
[0019]
FIG. 5 shows a top view of the tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonator 10 of FIG. In FIG. 5, the arrangement and dimensions of the grooves 21 and 27 will be particularly described in detail. A groove 21 is provided so as to sandwich the neutral line 41 of the tuning fork arm 20. The other tuning fork arm 26 is also provided with a groove 27 so as to sandwich the neutral line 42. Further, in the tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator 10 of this embodiment, the groove 32 and the groove 36 are also provided in the portion of the tuning fork base 40 sandwiched between the groove 21 and the groove 27. By providing the grooves 21 and 27 and the grooves 32 and 36, the electric field Ex acts on the tuning fork-shaped bent quartz resonator 10 as indicated by the arrow shown in FIG. Is drawn perpendicularly to the electrodes by the electrodes arranged on the side surface of the crystal unit and the side surface in the groove, that is, linearly, and in particular, the electric field Ex of the tuning fork base is increased, and as a result, the amount of distortion generated is also increased. growing. As described above, the shape and electrode configuration of the tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonator 10 of this embodiment are excellent in electrical characteristics even when the tuning-fork-shaped bent quartz resonator is downsized, that is, equivalent series resistance R₁A crystal resonator with a small quality factor and a high quality factor Q value can be realized.
[0020]
Furthermore, the partial width W₁, W₃And groove width W₂Then, the arm width W of the tuning fork arms 20 and 26 is W = W₁+ W₂+ W₃Usually given by W₁And W₃Part or all of W₁≧ W₃Or W₁<W₃It is comprised so that. Also, groove width W₂Is W₂≧ W₁, W₃It is composed of conditions that satisfy More specifically, in this embodiment, the groove width W₂Of tuning fork arm width W (W₂/ W) is larger than 0.35 and smaller than 1, preferably 0.35 to 0.95 and the groove thickness t₁And the ratio of the tuning fork arm thickness t or the tuning fork arm and tuning fork base thickness t (t₁/ T) is preferably formed in the tuning fork arm so as to be smaller than 0.79, preferably 0.01 to 0.79. By forming in this way, the moment of inertia with the tuning fork arm neutral lines 41 and 42 as base points is increased. That is, since the electromechanical conversion efficiency is improved, the equivalent series resistance R₁A tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator having a small Q, a high Q value, and a small capacitance ratio can be obtained.
[0021]
In contrast, the length l of the groove 21 and the groove 27₁In this embodiment, the grooves 21 and 27 extend from the tuning fork arms 20 and 26 to the length l of the tuning fork base 40.₂The length of the base groove l₃The dimensions are such that Therefore, the length of the groove provided in the tuning fork arms 20 and 26 is (l₁-L₃) And R₁(1)₁-L₃) / (L-1₂) Has a value of 0.4 to 0.8. Further, the overall length l of the tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator 10 is determined from the required frequency, the size of the storage container, and the like. In addition, in order to obtain a good tuning fork-shaped bent quartz crystal vibrating in the fundamental wave mode, the groove length l₁And a full length l.
[0022]
That is, the length l of the grooves provided in the tuning fork arms 20 and 26 or the tuning fork arms 20 and 26 and the tuning fork base 40.₁And the total length l of the tuning-fork-shaped bent crystal resonator (l₁/ L) is provided so that the groove length is 0.2 to 0.78. The reason for forming in this way is that, in particular, it is possible to suppress the secondary harmonic vibration (frequency about 6.3 times the fundamental frequency), which is unnecessary vibration, and to improve the frequency stability of the fundamental mode vibration. Can do. Therefore, a good tuning fork-shaped bent quartz crystal that easily vibrates in the fundamental wave mode can be realized. More specifically, the equivalent series resistance R of a tuning fork-shaped bent quartz crystal vibrating in the fundamental wave mode.₁Is equivalent series resistance R in second harmonic 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 this embodiment, etc., a satisfactory crystal oscillator in which the resonator easily vibrates in the fundamental wave mode can be realized. Also, the groove length l₁May be divided in the length direction of the tuning fork arm, at least one of which is the side ratio (l₁/ L) or the added groove length in the length direction of the divided grooves is the side ratio (l₁/ L) may be satisfied.
[0023]
In this embodiment, the tuning fork base 40 has a length l of the vibrator 10 in FIG.₂The tuning fork arm 20 and the tuning fork arm 26 are the length l of the vibrator 10 in FIG.₂The entire upper part from this part is taken. In this embodiment, the tuning fork fork has a rectangular shape. However, the present invention is not limited to the shape described above, and the tuning fork fork may have a U-shape. In this case, as in the rectangular shape, the dimensional relationship between the tuning fork arm and the tuning fork base is the same as that described above. Further, in this embodiment, the groove is provided in the tuning fork arm and the tuning fork base, but the present invention is not limited to this, and the groove may be provided only in the tuning fork arm, and the same effect can be obtained. . In this case, the groove length l₃= 0. Also, the groove length l in the present invention is₁When the groove is provided only in the tuning fork arm, the groove width W₂Of tuning fork arm width W (W₂/ W) is the length of the groove formed to be larger than 0.35 and smaller than 1. Further, when the groove provided in the tuning fork arm extends to the tuning fork base, and further grooves are provided between the grooves extending to the tuning fork base, the length of the groove l₃The length including is l₁It is. However, when the groove of the tuning fork arm extends to the tuning fork base, but no further groove is provided between the grooves, the length l₁Is the groove length of the tuning fork arm.
[0024]
In other words, at least one groove is provided in the length direction on the upper and lower surfaces of the tuning fork arm that includes the neutral line, ie, the tuning fork arm including the neutral line, and electrodes are formed on both sides of the groove. Are arranged such that the electrode on the side surface of the groove and the electrode on the side surface of the tuning fork arm that opposes the electrode are different from each other, and each of the at least one of the at least one so as to increase the moment of inertia generated in the tuning fork arm. The width W of at least one of the grooves₂Of tuning fork arm width W (W₂/ W) is larger than 0.35 and smaller than 1, and the groove thickness t₁And the fork arm thickness t (t₁The groove is formed so that / t) is smaller than 0.79.
[0025]
Further, the distance between the tuning fork arms in this embodiment is W.₄And the interval W₄And groove width W₂Is W₄≧ W₂And the interval W₄Is 0.05 mm to 0.35 mm and the groove width W₂Has a value of 0.03 mm to 0.12 mm. The reason for this configuration is an ultra-compact bent quartz crystal unit, and the tuning fork shape and tuning fork arm groove can be formed separately (separate steps) using photolithography technology. The stability can be made higher than the frequency stability of the second harmonic mode vibration. In this case, a quartz wafer having a thickness t of usually 0.05 mm to 0.12 mm is used. However, the present invention is not limited to this embodiment, and a quartz wafer thicker than 0.12 mm may be used.
[0026]
In more detail, FIG. 1 shows the inductivity, electromechanical conversion efficiency, and quality factor of the bending crystal unit._iIs the quality factor Q_iValue and capacity ratio r_iRatio (Q_i/ R_i) (Fundamental vibration when i = 1, second harmonic vibration when i = 2, third harmonic vibration when i = 3), and mechanical series independent of the parallel capacitance of the bent quartz crystal Resonance frequency f_sAnd series resonance frequency f depending on parallel capacitance_rThe frequency difference Δf of Fig._iInversely proportional to the value M_iΔf decreases with increasing. Therefore, M_iThe larger the is, the more the resonance frequency of the bent quartz crystal is not affected by the parallel capacitance, so the frequency stability of the bent quartz crystal is improved. That is, a tuning fork-shaped bent quartz crystal with high time accuracy can be obtained.
[0027]
Specifically, depending on the configuration of the tuning fork shape, groove, and dimensions, FIG.₁Is the second- and third-order harmonic mode vibration of Merit M₂, M₃Become bigger. As an example, the fundamental mode vibration frequency is 32.768 kHz, W₂/W=0.5, t₁/T=0.34, l₁When /l=0.48, there is variation due to manufacturing, but the tuning fork-shaped bent quartz crystal M₁, M₂, M₃Are M₁> 65, M₂<30, M₃<18. That is, high inductivity and good electromechanical conversion efficiency (equivalent series resistance R₁A bent quartz crystal that vibrates in a fundamental wave mode with a large quality factor. As a result, the frequency stability of the fundamental mode vibration becomes better than the frequency stability of the second and third harmonic mode vibrations, and the second and third harmonic mode vibrations can be suppressed. Further, the reference frequency of the fundamental wave mode vibration of the present invention is 10 kHz to 200 kHz. In particular, 32.768 kHz is widely used.
[0028]
FIG. 6 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 second embodiment of the present invention. The tuning fork-shaped bent quartz crystal unit 45 includes tuning fork arms 46 and 47 and a tuning fork base 48. That is, one end of the tuning fork arms 46 and 47 is connected to the tuning fork base 48. In this embodiment, the tuning fork base 48 is provided with notches 53 and 54. Further, the tuning fork arms 46 and 47 are provided with grooves 49 and 50 with (including) the neutral lines 51 and 52, respectively. Further, in this embodiment, the grooves 49 and 50 are provided in a part of the tuning fork arms 46 and 47, and the grooves 49 and 50 are each provided with a width W.₂And length l₁Have More specifically, the groove area S = W₂× l₁And S is 0.025 to 0.12 mm²Is configured to have a value of The reason for configuring the groove area in this way is that it is easy to form a groove by a chemical etching method, and it is possible to form a groove with improved electromechanical conversion efficiency. At the same time, a tuning fork-shaped crystal resonator that vibrates in a bending mode having a high quality factor Q value of fundamental mode vibration can be obtained. As a result, it is possible to realize a crystal oscillator whose output signal has a frequency of fundamental mode vibration.
[0029]
In the groove area S, the groove and the tuning fork arm can be processed in separate steps. However, in order to process the tuning fork arm and the groove provided on it simultaneously, the tuning fork arm thickness t and groove width W₂And tuning fork arm spacing W₄It is necessary to make the area S the optimum dimension. That is, when the tuning fork arm thickness t is 0.06 mm to 0.15 mm, the groove width W₂Is in the range of 0.02 mm to 0.068 mm, and the area S is 0.023 mm.²~ 0.088mm²And the interval W₄Is configured to be 0.05 mm to 0.35 mm. The reason for such a configuration is that the crystallinity of quartz is used, and from the crystallinity, a groove (including a groove divided in the length direction of the tuning fork arm) and a tuning fork shape can be formed simultaneously. Although not shown in FIG. 6, grooves are also provided on the lower surfaces of the tuning fork arms 46 and 47 at positions facing the grooves 49 and 50.
[0030]
Furthermore, the width dimension of the notch portions 53 and 54 provided on the tuning fork base 48 on the tuning fork side is W₅And the dimensions of the end portions of the notches 53 and 54 are W₆Given in. In order to reduce the vibration energy loss of the vibrator when it is fixed to the surface mount type case or the cylindrical type case by solder or adhesive on the end side of the tuning fork base 48, W₆≧ W₅It is necessary to satisfy. Further, the notches 53 and 54 can also reduce the energy loss of the vibration part due to the fixation of the vibrator. Arm width W and partial width W of the tuning fork arm shown in FIG.₁, W₃, Groove width W₂And interval W₄And groove length l₁And the total length l of the tuning fork vibrator is described in FIG.
[0031]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a crystal unit used in the crystal oscillator of 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 on the case 71 with a conductive adhesive 76 or solder. The case 71 and the lid 72 are joined via a joining member 73. In the present embodiment, the vibrator 70 is the same vibrator as one of the tuning-fork-shaped crystal vibrators 10 and 45 that vibrate in the bending mode described in detail in FIGS. In the crystal oscillator of this embodiment, the circuit element is connected to the outside of the crystal unit. That is, only a tuning fork-shaped bent quartz crystal is housed in the unit. At this time, the bent crystal resonator is housed in a vacuum unit.
[0032]
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. Further, the relationship between the vibrator, the case, and the lid described in this embodiment is also applied to the crystal oscillator of FIG. 8 described below.
[0033]
8 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.
[0034]
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. Further, the case 91 and the lid 92 are joined via a joining member 93. As the vibrator 90 of this embodiment, the vibrator in the tuning fork-shaped bent quartz crystal vibrators 10 and 45 described in detail in FIGS. 3 and 6 is used.
[0035]
Next, a method for manufacturing the crystal oscillator of the present invention will be described. The tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator is formed by a photolithography method using a semiconductor technique and a chemical etching method. First, metal films (for example, chromium and gold thereon) are formed on the upper and lower surfaces of a polished or polished quartz crystal wafer by sputtering or vapor deposition. Next, a resist is applied on the metal film. Then, after the resist and the metal film are removed while leaving the tuning fork shape by a photolitho process, a tuning fork shape including a tuning fork arm and a tuning fork base is formed by a chemical etching method. When forming this tuning fork shape, a notch may be formed in the tuning fork base. Further, the metal film and resist shown in the above process are applied on the tuning fork-shaped surface, and grooves are formed in the tuning fork arm or the tuning fork arm and the tuning fork base by a photolitho process and a chemical etching method.
[0036]
Next, a metal film and a resist are again applied to the tuning fork shape having a groove, and an electrode is formed by a photolitho process. That is, the electrode on the side surface of the tuning fork arm and the electrode on the side surface of the groove are arranged to oppose each other so as to have different polarities. More specifically, the side electrode of the first tuning fork arm and the electrode of the groove of the second tuning fork arm have the same polarity, and the electrode of the groove of the first tuning fork arm and the side electrode of the second tuning fork arm have the same polarity. The electrode of the groove | channel of a 1st tuning fork arm and a side electrode are comprised so that polarity may differ. That is. Two electrode terminals are formed on the vibrator. As a result, by applying an alternating voltage to the two electrode terminals, the tuning fork arm bends and vibrates in reverse phase. In this embodiment, the groove is formed in the tuning fork arm or the tuning fork arm and the tuning fork base after the tuning fork shape is formed. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and the groove is first formed. A tuning fork shape may be formed. Or you may form a tuning fork shape and a groove | channel simultaneously. Further, the dimensions and the like of the grooves in this step are the same as those described above and have already been described, and therefore are omitted here.
[0037]
By the process of this embodiment, a large number of tuning fork-shaped bent quartz resonators are formed on the quartz wafer. Therefore, in the next step, the initial frequency adjustment is performed by laser or plasma etching or vapor deposition in this wafer state. At the same time, the defective vibrator is marked or removed from the wafer. In this step, the frequency is adjusted so that the frequency deviation is within the range of −9000 PPM to +5000 PPM with respect to the reference frequency of 10 kHz to 200 kHz. Further, in the next step, the formed vibrator is fixed to a lead wire of a surface mount type case, a lid or a cylindrical case with an adhesive or solder. After the fixing, the second frequency adjustment is performed by laser, plasma etching or vapor deposition. In this step, the frequency is adjusted so that the frequency deviation is within the range of −100 PPM to +100 PPM. The fact that the frequency adjustment is performed after fixing in the present invention may be performed immediately after fixing, or may be performed after connecting the case and the lid after fixing. That is, whatever process is performed after fixing, the frequency may be adjusted after that, and the present invention encompasses all of these.
[0038]
When the third frequency adjustment is performed, the frequency adjustment is performed so that the frequency deviation due to the second frequency adjustment is in the range of −950 PPM to +950 PPM. In the above embodiment, the first frequency adjustment is performed in the state of the wafer, and at the same time, the defective vibrator is marked or removed from the wafer. However, the present invention is not limited to this. The present invention may include a step of inspecting a large number of tuning-fork-shaped bent crystal resonators formed on a crystal wafer in the state of the wafer and inspecting a good resonator or a defective resonator. That is, the defective vibrator is marked, removed from the wafer, or stored in a computer. By including such a process, a defective vibrator can be found quickly, and since it does not flow to the next process, the yield can be increased. As a result, an inexpensive bent quartz resonator can be obtained.
[0039]
Further, after the frequency adjustment, the vibrator is housed in a vacuum in a unit serving as a case and a lid. When the lid is made of glass, the third frequency adjustment is performed with a laser after storage. In this step, the frequency is adjusted so that the frequency deviation is within the range of −50 PPM to +50 PPM. In this embodiment, the frequency adjustment is performed in three separate steps, but may be performed in at least two separate steps. For example, the frequency adjustment in the third process may not be performed. In the next step, the two-electrode terminals of the vibrator are electrically connected to the amplifier, the capacitor, and the resistor. In other words, the amplifier circuit is composed of a CMOS inverter and a feedback resistor, and the feedback circuit is connected to be composed of a tuning fork-shaped bent crystal resonator, a drain resistor, a gate-side capacitor, and a drain-side capacitor. The third frequency adjustment may be performed after the crystal oscillation circuit is configured.
[0040]
Although the present invention has been described based on the illustrated example, the present invention is not limited to the above-described example. In the tuning-fork-shaped bent crystal resonator used in the crystal oscillators of the first to fourth embodiments, the tuning fork A groove is provided in the arm or tuning fork arm and the tuning fork base. For example, a through hole (t₁= 0) may be provided. That is, the through hole is a special case of a groove, and the groove of the present invention includes the through hole. Alternatively, a groove and a through hole may be provided in the tuning fork base. Further, the tuning fork base groove connected to the groove provided on the tuning fork arm of the present embodiment may be configured to be a through hole, and an electrode is disposed on the side surface of the groove or the through hole and is opposed to the electrode. By arranging an electrode having a polarity different from that of the electrode on the side surface, the same effect as described above can be obtained.
[0041]
Further, in FIG. 4 shown in the present embodiment, grooves having substantially the same depth are provided in the tuning fork arm and the tuning fork base. However, the present invention is not limited to this, and for example, all grooves are formed in the tuning fork base. And the thickness of the groove below the fork and the thickness of the grooves on both sides thereof may be changed. That is, grooves having different thicknesses may be provided. As an example, the thickness of the groove at the center of the tuning fork base may be smaller or larger than the thickness of the grooves on both sides. As another example, the depth of the groove provided in the tuning fork arm may be changed. In particular, when a plurality of tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonators are connected at the tuning fork base portion via the connecting portion, and these resonators are electrically connected in parallel, the groove of the tuning fork arm of each transducer By changing the thickness (depth), the vertex temperature of each vibrator can be changed, and the frequency temperature characteristics can be improved.
[0042]
Furthermore, the crystal oscillators of the first to fourth embodiments and the tuning-fork-shaped bent crystal resonators used in the crystal oscillators have been described. The crystal resonators used in the crystal oscillators of these embodiments include a case and a lid. The crystal unit is configured by being housed in a so-called unit. That is, the vibrator of the present embodiment is fixed to the fixing portion by a conductive adhesive or solder or the like on the fixing portion provided on the case or the lid, and the case and the lid are bonded via the bonding member, The case is configured to be a vacuum. By configuring in this way, the equivalent series resistance R₁An ultra-small crystal unit can be realized.
[0043]
Further, the tuning fork shape and the groove of the bent quartz crystal resonator of this embodiment are processed using at least one of chemical, physical and mechanical methods. For example, in a physical method, ionized atoms and molecules are scattered and processed. In the mechanical method, particles for blasting are scattered and processed.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, it has already been described that many effects can be obtained by providing the crystal oscillator of the present invention. Among them, the following remarkable effects can be obtained.
(1) Since a plurality of grooves are provided in the tuning fork arm or the tuning fork arm and the tuning fork base, and electrodes having different polarities are arranged on the side surfaces thereof, the electric field works vertically. As a result, since the electromechanical conversion efficiency is improved, the equivalent series resistance R₁A crystal oscillator having a tuning fork-shaped bent quartz crystal having a small quality factor and a high quality factor Q can be obtained.
(2) By optimizing the relationship between the groove width and tuning fork arm width dimension and the groove thickness and tuning fork arm thickness dimension, the second moment of inertia increases. That is, the equivalent series resistance R₁A crystal oscillator including a tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator having a small Q value, a high Q value, and a small capacitance ratio can be realized.
(3) Finger of merit M of fundamental mode vibration of tuning fork-shaped vibrator₁Is the second- and third-order harmonic mode vibration of FIG.₂, M₃The crystal oscillator is configured to include a larger oscillator, and the absolute resistance of the negative resistance of the fundamental mode oscillation of the crystal oscillator amplification circuit configured to further include an amplifier circuit and a feedback circuit | −RL₁| And the equivalent series resistance R of fundamental mode vibration₁Is the absolute value of the negative resistance of the second harmonic mode vibration of the amplifier circuit | -RL₂| And the equivalent series resistance R of the second harmonic mode vibration₂Therefore, even if the load capacitance is small, the output signal of the crystal oscillator can be obtained as the output frequency of the fundamental mode oscillation, and a crystal oscillator with low current consumption can be realized. .
(4) Further, the amplification factor α of the fundamental mode vibration of the amplifier circuit₁And second harmonic mode vibration gain α₂Is the feedback ratio β of the second harmonic mode vibration of the feedback circuit₂And the feedback factor β of the fundamental mode vibration₁And the amplification factor α of the fundamental mode vibration₁And the feedback factor β of the fundamental mode vibration₁Therefore, even if the load capacity is small, the second harmonic mode vibration can be suppressed. As a result, the output signal of the crystal oscillator has the frequency of the fundamental mode vibration. Can be obtained as an output, and a crystal oscillator with low current consumption can be realized.
(5) Tuning fork shape and groove can be formed by photolithography method and chemical etching method, which is excellent in mass productivity, and moreover, many vibrators can be formed on a single quartz wafer by batch processing at a low cost. A tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator can be obtained. At the same time, an inexpensive crystal oscillator including the above can be realized.
(6) Finger of Merit M of fundamental mode vibration₁Is the second- and third-order harmonic mode vibration of FIG.₂, M₃Since the crystal oscillator is configured to include a larger vibrator, a crystal oscillator having high frequency stability can be realized while the output signal can obtain the frequency of the fundamental mode vibration. That is, a crystal oscillator having high time accuracy can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example 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 shows an external view of a tuning-fork-shaped crystal resonator that vibrates in a bending mode used in the crystal oscillator according to the first embodiment of the present invention and its coordinate system.
4 shows a DD ′ cross-sectional view of a tuning fork base portion of the tuning fork-shaped bent quartz crystal resonator of FIG. 3;
FIG. 5 shows a top view of the tuning-fork-shaped bent quartz crystal resonator of FIG. 3;
FIG. 6 is a top view of a tuning-fork-shaped crystal resonator that vibrates in a bending mode used in the crystal oscillator according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a crystal unit used in a crystal oscillator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a crystal oscillator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a conventional tuning fork-shaped bent quartz crystal unit and its coordinate system.
10 is a cross-sectional view of a tuning fork arm of the tuning fork-shaped crystal resonator of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Amplifier circuit
9 Feedback circuit
V₁  Input voltage
V₂  Output voltage
20, 26, 46, 47 tuning fork arm
W₂  Groove width
W Arm width of tuning fork arm
W₁, W₃  Tuning fork arm width
W₄  Tuning fork arm spacing
l₁  Groove length
l₂  Tuning fork base length
l Overall length of tuning-fork-shaped bent quartz crystal
t Thickness of tuning fork arm or tuning fork arm and tuning fork base
t₁  Groove thickness

Claims

A crystal tuning fork base and a crystal tuning fork arm connected to the crystal tuning fork base, and a tuning fork type bending crystal resonator that vibrates in a bending mode having a groove in the crystal tuning fork arm, a CMOS inverter, a capacitor, and a resistor. A crystal oscillator manufacturing method comprising: a crystal oscillator including a CMOS inverter and an amplifier circuit including a feedback resistor; and a feedback circuit including the tuning fork-type bent crystal resonator, a capacitor, and a drain resistor. It is configured with a crystal oscillation circuit configured with
Forming a tuning fork shape in a first etching process for forming a tuning fork shape comprising a quartz tuning fork base and a quartz tuning fork arm connected to the quartz tuning fork base; and
Forming the groove in a second etching process different from the first etching process for forming a groove on each of the upper and lower surfaces facing each tuning fork arm of the crystal tuning fork arm;
The first electrode disposed in the groove of one tuning fork arm of the crystal tuning fork arm and the second electrode disposed on the side surface of the other tuning fork arm are electrically connected and disposed on the side surface of the one tuning fork arm. The second electrode and the first electrode disposed in the groove of the other tuning fork arm are electrically connected, and the first electric polarity of the first electrode disposed in the groove of the one tuning fork arm; Disposing the first electrode and the second electrode such that the second electrical polarity of the second electrode disposed on the side surface of the one tuning fork arm has a different polarity;
Fixing the tuning fork base of the tuning fork type quartz crystal to a case housing the tuning fork type quartz crystal; and
Sealing the tuning fork-type bent quartz crystal using the case and the lid to form a crystal unit including the tuning-fork-type bent quartz crystal, a case, and a lid;
Electrically connecting the tuning fork-type bent crystal resonator to a CMOS inverter and a feedback resistor of the amplifier circuit, and a capacitor and a drain resistor of the feedback circuit including the tuning-fork type bent crystal resonator, and The steps are performed in the order of the steps,
The tuning-fork bent equivalent series resistance R ₁ of the fundamental mode oscillation of the crystal oscillator is smaller than the equivalent series resistance R ₂ of the second harmonic mode vibration, and full Iga of merit M ₁ of the fundamental wave mode vibration is secondary greater than full Iga of merit M ₂ harmonic mode vibration rather, after the step of fixing the quartz tuning fork base of the tuning-fork flexural crystal oscillator casing for housing the tuning fork type flexural quartz crystal resonator, and the tuning-fork Prior to the step of sealing the tuning fork-type bending quartz crystal using the case and the lid, the tuning-fork type bending quartz vibration is used to form a quartz unit including a bending quartz crystal, a case, and a lid. A method for manufacturing a crystal oscillator, comprising a step of adjusting an oscillation frequency of a child.