JP2009100480A - 水晶ユニットと水晶発振器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基本波かつ逆相の屈曲モードで振動し、等価直列抵抗が小さく、品質係数Ｑ値が高く、しかも容量比の小さい超小型の音叉型屈曲水晶振動子を備えた水晶ユニットと水晶発振器の製造方法を提供する。
【解決手段】音叉型屈曲水晶振動子１６０の音叉腕１４３、１４４の上面と下面に溝１４６〜１４９が形成され、溝の側面に電極１５１、１５２及び１５５、１５６を形成し、その側面に対抗する音叉腕の側面に極性の異なる電極１５０，１５３及び１５４、１５７が配置され、溝の長さと前記音叉型屈曲水晶振動子の全長との比が０．２〜０．７８の範囲内にあり、かつ、溝の厚みと溝を備えた音叉腕の厚みとの比が０．７９より小さく、音叉型屈曲水晶振動子はケース１６５の固定部１５９に導電性接着剤１６１により固定され、蓋１６３を接合し、発振周波数が真空中で調整され、その調整後に、ケースに設けられた貫通穴１６７を金属１６６で真空中にて封止される。
【選択図】図７

Description

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素子から構成される水晶発振回路を具えた水晶発振器の製造方法と前記方法により得られた水晶発振器に関する。

従来の水晶発振器は増幅器とコンデンサーと抵抗素子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。この従来例の水晶発振器に用いられている音叉形状の屈曲水晶振動子は２本の音叉腕と音叉基部とを具えて構成されていて、励振電極は音叉腕の上下面と側面に配置されている。例えば、一方の音叉腕の上下面には同極となる電極が配置され、両側面には同極となる電極が配置されている。即ち、上下面の電極と両側面の電極は極性が異なるように構成されている。同様に、他方の音叉腕の上下面にも同極となる電極が配置され、両側面にも同極となる電極が配置されている。即ち、上下面の電極と両側面の電極は極性が異なるように構成されている。詳細には、一方の音叉腕の上下面の電極と他方の音叉腕の上下面の電極とは極性が異なるように構成されている。それ故、電極間に電圧が印加されたとき、電界は音叉腕の中を曲線にて働く。その結果、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に屈曲モードで振動する。交番電圧の印加により振動を持続することができる。
特開昭５６−６５５１７

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、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。又、従来の水晶振動子や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次高調波モード振動の周波数に変化、検出される等の問題が発生していた。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次高調波モード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て構成される水晶発振器とその製造方法が所望されていた。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発振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発振周波数で、高い周波数安定性（高い時間精度）を有し、消費電流の少ない水晶発振器とその製造方法が所望されていた。

本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した屈曲モードで振動する音叉形状の水晶振動子を具えて構成され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。

即ち、本発明の水晶ユニットの製造方法の第１の態様は、水晶振動子と、その水晶振動子を収納する貫通穴を設けたケースと、そのケースに接続されるガラス製の蓋とを備えて構成される水晶ユニットの製造方法で、前記水晶振動子は基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子で、水晶ウエハの上面と下面に金属膜を形成し、前記金属膜の上にレジストを塗布し、かつ、音叉形状の金属膜とレジストを残して前記レジストと前記金属膜を除去した後に、第１のエッチング加工により、音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕を備えた音叉形状を形成する工程と、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より、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の音叉腕の上面と下面の各々に溝を形成すると共に、前記溝の長さｌ_１と前記音叉形状の全長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜０．７８の範囲内にあり、かつ、前記溝の厚みｔ_１と前記溝を備えた音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．７９より小さく形成する工程と、前記音叉形状の金属膜の上に塗布されたレジストを除去する工程と、第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に金属膜を形成し、かつ、第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に形成された前記金属膜の上にレジストを塗布した後に、前記溝の側面とその側面に対抗する音叉腕の側面に極性の異なる電極を形成する工程と、第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に形成された前記金属膜の上に塗布されたレジストを除去する工程と、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕に重りを形成し、その重りを形成した後に、前記音叉型屈曲水晶振動子が水晶ウエハから切離され、貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって前記音叉型屈曲水晶振動子を固定する工程と、を含んでいて、貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって前記音叉型屈曲水晶振動子を固定する工程の後に、ガラス製の前記蓋が低融点ガラスを介して前記ケースに接続され、その接続された後に、前記音叉型屈曲水晶振動子の発振周波数が真空中で調整され、その周波数調整後に、前記ケースに設けられた前記貫通穴が金属を用いて真空中で封止される水晶ユニットの製造方法である。

本発明の水晶発振器の製造方法の第１の態様は、第１の態様の水晶ユニットの製造方法を備えていて、前記ケースに設けられた前記貫通穴が金属を用いて真空中で封止された後に、貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって固定された前記音叉型屈曲水晶振動子の２電極端子が、水晶発振回路の増幅器と、コンデンサーと、抵抗とに電気的に接続されている水晶発振器の製造方法である。

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て構成された水晶発振器の製造方法で、しかも、音叉形状の溝又は貫通穴と電極の構成と周波数調整方法を改善し、増幅回路と帰還回路との関係を示すことにより、高調波振動を抑え、基本波振動モードで振動する発振周波数を出力する水晶発振器を得る事ができる。

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とを具えて構成される増幅回路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とを具えて構成される帰還回路９から構成されている。詳細には、本発明の水晶発振器は水晶発振回路を具えて構成され、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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と図４で詳述される。

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。

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、基本波モード振動と２次高調波モード振動の発振周波数の帰還率はそれぞれ大きくなる。それ故、負荷容量Ｃ_Ｌが小さくなると、基本波モード振動よりも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。

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発振周波数である水晶発振器を提供することを目的としている。それ故、消費電流を少なくするために、本実施例では、負荷容量Ｃ_１は１８ｐＦ以下を用いる。より消費電流を少なくするには、消費電流は負荷容量に比例するので、Ｃ_Ｌ＝１５ｐＦ以下が好ましい。又、２次高調波モード振動を抑えるために、負荷容量Ｃ_Ｌ値は１ｐＦより大きい値が好ましい。更に、２次高調波モードの振動を抑え、発振器の出力信号が基本波モード振動の発振周波数を得るために、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水晶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。

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、出力信号が音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動の発振周波数である水晶発振器が実現できる。更に、高い周波数安定性については後述される。

又、本実施例の水晶発振回路を構成する増幅回路の増幅部は負性抵抗−ＲＬ_ｉでその特性を示すことができる。ｉ＝１のとき基本波モード振動の負性抵抗で、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回路は、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発振周波数が出力信号として得られる。

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にはその幅が曲線的に徐々に狭くなる部分５３、５４が設けられている。この長さはｌ_３で与えられ大略０．０３ｍｍから０．６ｍｍを有する、好ましくは、０．１ｍｍから０．６ｍｍの範囲内にある。又、音叉基部の長さｌ_２は０．３ｍｍから０．８５ｍｍを有する。即ち、音叉基部の音叉部側の幅寸法Ｗ_５と端部側の幅寸法Ｗ_６はＷ_５＞Ｗ_６を満たすように構成されている。本実施例では、徐々に狭くなる部分５３、５４は曲線的であるが、直線で徐々に狭くなるように形成しても良い。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。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る。図示されていないが、溝４９、５０に対抗して音叉腕の下面にも溝が設けられている。と共に溝の中と音叉腕の側面に電極が配置されている。そしてその対抗電極は極性が異なるように構成されている。又、振動子は音叉基部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。即ち、２電極端子を構成する。円筒型のケースの場合には２本のリード線に固定される。

また、音叉形状の屈曲水晶振動子４５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による溝の形成では溝の深さにバラツキが生じ、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が大きくなるので、電気機械変換効率の良い屈曲振動子が得られる。即ち、基本波モード振動の容量比ｒ_１が２次高調波モード振動の容量比ｒ_２より小さい音叉形状の屈曲水晶振動子が得られる。

更に、部分幅Ｗ_１、Ｗ_３と溝幅Ｗ_２とすると、音叉腕４６，４７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５１、５２を基点とする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値の高い音叉形状の屈曲水晶振動子を得る事ができる。

更に、音叉形状の振動子４５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。

すなわち、音叉腕４６，４７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、不要振動である２次高調波モード振動を抑え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次高調波モード振動の等価直列抵抗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。また、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。

また、この実施例では、音叉基部４８は図３中、振動子４５の長さｌ_２の下側部分全体とされ、又、音叉腕４６及び音叉腕４７は、図３中、振動子４５の長さｌ_２の部分から上側の部分全体とされている。

換言するならば、音叉形状の音叉腕の中立線を挟んた、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。

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の工程で形成でき、更に、基本波モード振動の周波数安定性が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、本実施例では、厚みｔは通常０．０５ｍｍ〜０．１２ｍｍの水晶ウエハが用いられるが、０．１２ｍｍより厚い水晶ウエハを使用してもよい。

更に詳述するならば、屈曲水晶振動子の誘導性と電気機械変換効率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のとき基本波モード振動、ｉ＝２のとき２次高調波モード振動）、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。

詳細には、前記音叉形状と溝と電極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より大きくなる。即ち、Ｍ_１＞Ｍ_２となる。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はそれぞれＭ_１＞６５、Ｍ_２＜３０となる。即ち、高い誘導性と電気機械変換効率の良い（等価直列低抗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次高調波モード振動の周波数安定性より良くなると共に、２次高調波モード振動を抑圧することができる。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の振動子の製造方法については後述される。

図４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２個の音叉形状の水晶振動子２０、３０の上面図である。振動子２０は音叉腕２５，２６と音叉基部２９とを具えて構成されている。更に、音叉腕２５，２６には溝２７，２８が設けられている。同様に、振動子３０は音叉腕３５，３６と音叉基部３９とを具えて構成されている。更に、音叉腕３５，３６には溝３７，３８が設けられている。また、振動子２０と振動子３０は接続部４０を介して音叉基部で接続され、一体に形成されている。本実施例では、電極は図示されていないが、振動子２０と振動子３０は周波数温度特性において頂点温度の異なる振動子で、かつ、それらは電気的に並列に接続されるように電極は構成されている。このように構成することにより、振動子の周波数温度特性を改善することができる。また、振動子２０，３０の形状は図３で述べた形状と同じであり、接続部４０を介して両振動子は音叉基部で接続されている。振動子寸法又は溝の寸法又は両振動子間に角度を持たせることにより、頂点温度を変えることができる。また、両振動子間には振動干渉防止用の仕切り部を設けても良い。

図５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４５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真空中のユニット内に収納されている。本実施例では、水晶振動子は表面実装型の容器に収納されているが、円筒型の容器に収納しても良い。

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。本実施例で述べた振動子とケースと蓋との関係は以下に述べられる図６の水晶発振器にも適用される。

図６は本発明の第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。

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で詳細に述べられた音叉形状の屈曲水晶振動子４５の振動子が用いられる。

次に、本発明の水晶発振器の製造方法の実施例について、図面に記載の工程に従って述べる。図７は本発明の水晶発振器を構成する水晶ユニットを製造する工程である。即ち、本発明の水晶発振器の製造方法の一実施例の工程図である。記号Ｓ−１からＳ−１２は工程の番号を示す。まず、Ｓ−１では水晶ウエハ１４０（断面図で示す）が準備される。次に、Ｓ−２ではその水晶ウエハ１４０の上面と下面に金属膜（例えば、クロムそしてその上に金、又は、金）１４１が蒸着法又はスパッタリング法により形成される。更に、Ｓ−３では前記金属膜１４１のトにレジスト１４２が塗布される。そして、フォトリソ工程により、それら金属膜１４１とレジスト１４２とが音叉形状を残して除去された後、エッチング加工（例えば、化学的エッチング法）により、Ｓ−４で示される音叉腕１４３，１４４と音叉基部１４５と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。あるいは、音叉基部の叉付近の幅が音叉腕の自由端と反対側の方向に曲線的に徐々に狭くなる部分（図３参照）が存在するように音叉基部を形成しても良い。

次に、Ｓ−２とＳ−３の工程で示したと同様に金属膜とレジストがＳ−４の音叉形状に塗布されて、フォトリソ工程とエッチング加工により、Ｓ−５で示される音叉腕１４３および音叉腕１４４に溝１４６，１４７，１４８，１４９が形成される。更に、Ｓ−５に金属膜とレジストが塗布されて、フォトリソ工程により極性が異なる電極がＳ−６で示されるように形成される。

即ち、音叉腕１４３の側面に配置された電極１５０，１５３と音叉腕１４４の溝１４８，１４９に配置された電極１５５，１５６は同極となるように接続形成される。同様に、音叉腕１４３の溝１４６、１４７に配置された電極１５１，１５２と音叉腕１４４の側面に配置された電極１５４，１５７は同極となるように接続形成される。更に詳述するならば、溝の側面（段差部）と対抗する音叉腕の側面に互いに異なる極性を有する電極が配置されているので、音叉腕は基本波モード振動で、しかも逆相で屈曲振動をする。本実施例の工程では、水晶ウエハ内に１個の音叉形状の屈曲水晶振動子が示されているが、実際には、多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子が水晶ウエハ内に形成され、それらの振動子の発振周波数は基本波モード振動で３２．７６８ｋＨｚより高くなるように形成される。

次の工程では、水晶ウエハ内に形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子の発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより低くなるように、スパッタリング法又は蒸着法又はメッキにて水晶ウエハ内の音叉腕に重り（金属膜）が付加、形成される。好ましくは、２９．４ｋＨｚから３２．７５ｋＨｚの範囲内にある。重り（金属膜）の材料として、例えば、銀若しくは金が使用される。更に、次の工程では、音叉腕に形成された前記重り（金属膜）の一部又は全部をレーザ又はプラズマエッチング法によって除去し、発振周波数が３２．２ｋＨｚ〜３３．０８ｋＨｚの範囲内にあるように水晶ウエハ内で周波数調整がなされる。又、水晶ウエハ内に形成された音叉形状の屈曲水晶振動子は水晶ウエハ内で良振動子か不良振動子かの検査が行われる。そして、不良振動子が存在するときには、前記振動子は水晶ウエハから取り除かれるか、又はマーキングされるか又はコンピユタに記憶される。不良振動子には、例えば、発振不良（等価直列抵抗Ｒ_１大）、欠け、周波数不良（周波数の変化大）、電極切れ、汚れ、外形形状不良等が含まれる。本実施例の工程では、音叉形状の加工後に重りを音叉腕に形成しているが、音叉形状の加工前に水晶ウエハに形成しても良い。

本実施例では、Ｓ−３の工程から音叉形状を形成し、その後、音叉腕に溝を形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、Ｓ−３の工程からまず溝を形成し、その後に音叉形状を形成しても良い。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、音叉腕に設けられる溝は叉部より音叉腕の自由端方向の位置に形成しても良い。即ち、叉部より自由端側に設けられている。

次の工程は矢印で示されるＡとＢの２つの方法がある。Ａはケースに穴がない場合で、Ｂは穴がある場合である。まずＡの工程では形成された音叉形状の屈曲水晶振動子１６０が水晶ウェハから切離され、その音叉基部１４５がＳ−７で示されるように、ケース１５８の固定部１５９に導電性接着剤１６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８では水晶振動子１６０が真空中で封止されて水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ１６２又はプラズマエッチング法にて周波数が調整される。最後に、Ｓ−９で示すように、ケース１５８と蓋１６３とが低融点ガラス１６４又は半田などの金属を介して接合される。その結果、音叉形状の屈曲水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットが得られる。この場合はケース１５８は真空封止用の穴を持たないので、接合は真空中で行われる。図示されていないが、更に周波数の偏差を小さくするために、蓋がガラスの場合には、Ｓ−９の後にレーザで周波数調整をしても良い。尚、レーザ又はプラズマエッチング法にて周波数調整するときには、音叉腕の重り（金属膜）の一部又は全部を除去して周波数調整される。Ｂの工程では穴がケースにあるが蓋でも良い。

本実施例では、重り（金属膜）が水晶ウエハに形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子の音叉腕に形成され、その重り（金属膜）の一部又は全部をレーザ又はプラズマエッチング法にて除去して周波数調整しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、即ち、これらの工程は省略しても良い。詳細には、水晶ウエハ内に形成された多数個の音叉形状の屈曲水晶振動子で、各々の振動子の基本波モード振動での発振周波数が３２．７６８ｋＨｚより高い周波数を有する音叉形状の屈曲水晶振動子を各々のケースの固定部に固定し、その後に、水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるように蒸着法にて周波数調整される。蒸着法にて周波数調整されるときには、音叉腕に重り（金属）を付加して調整される。

次にＢの工程では、Ｓ−１０で音叉形状の屈曲水晶振動子１６０が水晶ウエハから切離され、その音叉基部１４５がケース１６５の固定部１５９に導電性接着剤１６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８と同じ様にして周波数調整が行われる。即ち、水晶振動子１６０が真空中で封止され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッファ回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ又はプラズマエッチング法にて周波数調整される。更に、Ｓ−１１では、ケース１６５と蓋１６３がＳ−９と同じ方法で接合される。その後に、真空中で周波数調整が行われる。好ましくは、水晶振動子１６０が真空中で封止されたときに、バッファ回路を介して出力される発振周波数が３２．７６６ｋＨｚから３２．７７ｋＨｚになるようにレーザにて調整される。最後に、Ｓ−１２では、ケース１６５に設けられた穴１６７が真空中で低融点ガラスや半田などの金属１６６を用いて封止される。

このように、本実施例では、Ｓ−１０の工程とＳ−１１の工程の後とに周波数調整が行われるが、少なくともどちらか一方の工程の後に周波数調整をしても良い。更に詳述するならば、音叉形状の屈曲水晶振動子をケース又は蓋の固定部に固定し、その後に、水晶ユニットが形成され、その水晶ユニットを有する水晶発振回路が構成されたときに、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザ又はプラズマエッチング法によって周波数調整される。例えば、音叉形状の屈曲水晶振動子をケース又は蓋の固定部に固定し、ケースと蓋を接合した後に、レーザにて周波数調整される。この場合も水晶ユニットを形成し、バッフア回路を介して出力される発振周波数が３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にあるようにレーザによって周波数調整される。又、Ａの工程と同じように、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−１２の後にレーザで周波数調整をしても良い。この場合には、出力される発振周波数が３２．７６６ｋＨｚから３２．７７ｋＨｚの範囲内にあるように周波数調整される。このように、本実施例では、周波数調整は複数回の別々の工程で行われるが、本発明では、少なくとも２回の別々の工程で周波数調整すれば良い。即ち、１回は水晶ウエハの状態で、更に、１回は振動子をケース、又は蓋に固定した後に周波数調整される。固定した後に、例えば、ケースと蓋を接合し、その後に周波数調整しても固定した後の周波数調整に含まれる。又、水晶振動子が真空中で封止された水晶ユニットを形成し、その後に、周波数調整をしても良い。この周波数調整の工程は別の１回の工程である。

本実施例では、１個の音叉型屈曲水晶振動子を具える水晶ユニットの製造方法について説明したが、２個以上（複数個）の同一モードの振動子を具える水晶ユニットの場合も同じ工程で製造される。即ち、Ｓ−３の工程から２個以上の個々、又は、一体形成の音叉形状を形成し（Ｓ−４）、更に、Ｓ−５では少なくとも１個の音叉形状の音叉腕に溝、又は音叉腕と音叉基部とに溝、又は叉部付近で分割された、分割部を有する溝を形成し、Ｓ−６では各音叉型屈曲水晶振動子は逆相で振動するように電極が配置され、Ａ工程（Ｓ−７〜Ｓ−９）又はＢ工程（Ｓ−１０〜Ｓ−１２）にて形成される。更に、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−９又はＳ−１２の後にレーザで片方又は両振動子の周波数調整を行っても良い。この場合、両振動の周波数差は同じ負荷容量で３０ｐｐｍ以内にあるのが好ましい。

尚、本実施例の製造工程で示された共振（発振）周波数の測定には、他励振法と自励振法の２つがある。本実施例の共振（発振）周波数の測定において、本発明はどちらの方法も含む。他励振法では、本実施例の共振（発振）周波数は、負荷容量Ｃ_Ｌ値が１８ｐＦ以下の容量を音叉形状の屈曲水晶振動子に直列に接続して位相が略零になるようにして測定したときの共振（発振）周波数である。例えば、Ｃ_Ｌ値が６ｐＦ、又は９ｐＦ、又は１２ｐＦ等である。即ち、１８ｐＦ以下の任意の数値で測定したときの共振（発振）周波数である。測定にはインピーダンスアナライザー等の測定器が用いられる。これに対して、自励振法では、本実施例の発振（共振）周波数は水晶発振回路を構成し、負荷容量Ｃ_Ｌ値が１８ｐＦ以下の容量を有する回路構成にして測定したときの発振（共振）周波数である。好ましくは、１ｐＦから１８ｐＦである。例えば、Ｃ_Ｌ値が６ｐＦ、又は９ｐＦ、又は１２ｐＦ等である。即ち、１８ｐＦ以下の任意の数値で測定したときの発振（共振）周波数である。この場合、発振（共振）周波数はバッフア回路を介して出力信号として出力される。

次に、上記実施例で示された水晶ユニットは水晶発振回路を具えて構成される本発明の水晶発振器を構成するのに用いられる。即ち、水晶発振回路は増幅回路と帰還回路とを具えて構成されていて、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を具えて構成される前記水晶ユニットとコンデンサーから構成されている。詳細には、増幅部はＣＭＯＳインバータと帰還抵抗とを具えて構成され、帰還部は前記水晶ユニット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とを具えて構成されていて、これらの素子は電気的に接続されている。又、前記した発振周波数は水晶発振回路から出力される出力信号の周波数である。通常はバッフア回路を介して出力される。即ち、水晶発振回路の出力信号はバッフア回路を介して出力され、その出力信号の周波数は３２．７６４ｋＨｚから３２．７７２ｋＨｚの範囲内にある。

上記方法で製造された本発明の水晶発振器は、超小型で、高い周波数安定性と高い時間精度を有する品質に優れた、安価な水晶発振器が実現できる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものではなく、上記実施例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。又、上記実施例では、音叉腕は２本で構成されているが、本発明は３本以上の音叉腕を包含するものである。この場合、少なくとも２本の音叉腕が逆相で振動するように電極が構成されていれば良い。

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。また、上記実施例では、音叉腕に溝が設けられているが、溝はなくても良い。即ち、音叉腕は上面と下面と側面とを有し、それらの面に音叉腕が逆相で振動するように電極が配置されている。

また、音叉形状の屈曲水晶振動子の容量比ｒ_１、ｒ_２はそれぞれｒ_１＝Ｃ_０／Ｃ_１、ｒ_２＝Ｃ_０／Ｃ_２で与えられる。但し、Ｃ_０は電気的等価回路の並列容量で、Ｃ_１とＣ_２は電気的等価回路の基本波モード振動と２次高調波モード振動の等価容量である。更に、音叉形状の屈曲水晶振動子の基本波モード振動と２次高調波モード振動の品質係数はＱ_１値とＱ_２値で与えられる。そして、前記実施例の音叉形状の屈曲水晶振動子は、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性が２次高調波モードで振動する共振周波数の並列容量による依存性より小さく成るように構成される。即ち、ｒ_１／２Ｑ_１ ^２＜ｒ_２／２Ｑ_２ ^２を満たすように構成されている。このような構成により、基本波モードで振動する共振周波数の並列容量による影響が無視できるほど極めて小さくなるので、高い周波数安定性を有する基本波モードで振動する屈曲水晶振動が得られる。又、本発明では、ｒ_１／２Ｑ_１ ^２とｒ_２／２Ｑ_２ ^２をそれぞれＳ_１とＳ_２と置き、Ｓ_１とＳ_２をそれぞれ基本波モード振動と２次高調波モード振動の周波数安定係数と呼ぶ。即ち、Ｓ_１＝ｒ_１／２Ｑ_１ ^２とＳ_２＝ｒ_２／２Ｑ_２ ^２で与えられる。

更に、本実施例の屈曲水晶振動子の音叉形状と溝は化学的、物理的と機械的加工方法の内、少なくとも一つの方法を用いて加工される。物理的方法では、例えば、イオン化した原子、分子を飛散させて加工するものである。ここではこの方法をプラズマエッチング法と言う。又、機械的方法では、例えば、ブラスト加工用の粒子を飛散させて加工するものである。ここではこの方法を粒子法と言う。

発明の効果

以上述べたように、本発明の水晶発振器とその製造方法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）音叉形状の屈曲水晶振動子を多数個ウエハ内に形成し、重りの形成および周波数調整をウエハ内で行うので、作業性に優れ、安価な振動子が得られると同時に、安価な水晶発振器が実現できる。
（２）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をの比より大きく、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水晶発振器は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。
（３）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。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。

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１の帰還回路図を示す。 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平面図である。 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２個の音叉形状の水晶振動子の上面図で、一体に形成されている。 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。 本発明の第４実施例の水晶発振器の断面図を示す。 本発明の水晶発振器を製造する方法の一実施例の工程図である。

符号の説明

１、９ 増幅回路、帰還回路
Ｖ_１、Ｖ_２ 入力電圧、出力電圧
Ｗ_２、Ｗ、Ｗ_４ 溝幅、音叉腕の腕幅、音叉腕の間隔
Ｗ_１、Ｗ_３ 音叉腕の部分幅
ｌ_１、ｌ_２、ｌ 溝の長さ、音叉基部の長さ、音叉形状の屈曲水晶振動子の全長
ｔ、ｔ_１ 音叉腕の厚み、溝の厚み

Claims (2)

1. 水晶振動子と、その水晶振動子を収納する貫通穴を設けたケースと、そのケースに接続されるガラス製の蓋とを備えて構成される水晶ユニットの製造方法で、前記水晶振動子は基本波モードで、かつ、逆相の屈曲モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子で、水晶ウエハの上面と下面に金属膜を形成し、前記金属膜の上にレジストを塗布し、かつ、音叉形状の金属膜とレジストを残して前記レジストと前記金属膜を除去した後に、第１のエッチング加工により、音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕を備えた音叉形状を形成する工程と、
   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より、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の音叉腕の上面と下面の各々に溝を形成すると共に、前記溝の長さｌ_１と前記音叉形状の全長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜０．７８の範囲内にあり、かつ、前記溝の厚みｔ_１と前記溝を備えた音叉腕の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．７９より小さく形成する工程と、
   前記音叉形状の金属膜の上に塗布されたレジストを除去する工程と、
   第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に金属膜を形成し、かつ、第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に形成された前記金属膜の上にレジストを塗布した後に、前記溝の側面とその側面に対抗する音叉腕の側面に極性の異なる電極を形成する工程と、
   第１音叉腕と第２音叉腕に溝を有する前記音叉形状の面の上に形成された前記金属膜の上に塗布されたレジストを除去する工程と、
   前記第１音叉腕と前記第２音叉腕に重りを形成し、その重りを形成した後に、前記音叉型屈曲水晶振動子が水晶ウエハから切離され、貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって前記音叉型屈曲水晶振動子を固定する工程と、を含んでいて、
   貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって前記音叉型屈曲水晶振動子を固定する工程の後に、ガラス製の前記蓋が低融点ガラスを介して前記ケースに接続され、その接続された後に、前記音叉型屈曲水晶振動子の発振周波数が真空中で調整され、その周波数調整後に、前記ケースに設けられた前記貫通穴が金属を用いて真空中で封止されることを特徴とする水晶ユニットの製造方法。
2. 請求項１に記載の水晶ユニットの製造方法を備えていて、前記ケースに設けられた前記貫通穴が金属を用いて真空中で封止された後に、貫通穴を設けた前記ケースの固定部に導電性接着剤によって固定された前記音叉型屈曲水晶振動子の２電極端子が、水晶発振回路の増幅器と、コンデンサーと、抵抗とに電気的に接続されていることを特徴とする水晶発振器の製造方法。

Images