(57)【要約】【課題】３次高調波のＣＩ値を低減することのできる音叉型の水晶振動子を提供し、音叉型の水晶振動子の適用範囲を広げること。【解決手段】基部から平行に延びる２本の振動腕部の各表面部及び裏面部に、当該振動腕部の基端部から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に３つに分割された第１の溝部、第２の溝部及び第３の溝部を形成する。これら溝部は互いに同じ長さであることが好ましく、また隣接する溝部の間隔は例えば５〜２０μｍとされる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部から振動腕部が２本伸び出して音叉型に形成されている水晶振動子において、
前記振動腕部の表面部及び裏面部の少なくとも一方に、当該振動腕部の基端部側から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に３つに分割されて形成された溝部と、
前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、を備え、
水晶振動子の３次高調波のクリスタルインピーダンス値が基本波のクリスタルインピーダンス値よりも小さいことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
パッケージと、このパッケージの中に設けられた請求項１に記載の水晶振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の引き出し電極に電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする水晶振動子パッケージ。
【請求項３】
請求項１に記載の水晶振動子と、この水晶振動子の第３次高調波の周波数のパルスを発振出力とする発振回路と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は基部に振動腕部が２本伸び出した音叉型の水晶振動子及びこの水晶振動子を用いた水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
音叉型の水晶振動子は、小型、安価で低消費電力であることから、従来から腕時計の歩度を刻む信号源として使用されてきたが、近年では携帯型の電子機器に同期信号源として採用され、更にその用途が広がろうとしている。  
音叉型水晶振動子の構成については例えば特許文献１に記載されている。その構成を図１０に示すと音叉型の水晶振動子は基部１に一対の振動腕部である音叉腕２ａ及び２ｂが設けられ、各音叉腕２ａ，２ｂにおける両主面には溝部３が設けられている。当該溝部３及び各音叉腕２ａ，２ｂの両側面には、各音叉腕２ａ，２ｂの屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための励振電極５が設けられている。当該音叉型振動子に電荷を与えた際に一方の音叉腕２ａの側面及び他方の音叉腕２ｂの溝部３内が同電位となり、他方の音叉腕２ｂの側面及び一方の音叉腕２ａの溝部３内が逆電位となるように励振電極５は結線されている。
【０００３】
このような音叉型水晶振動子によれば溝部３を形成しない場合に比較して、Ｘ軸方向（音叉腕の幅方向）での電界強度が増して各音叉腕２ａ，２ｂの両側面間で互いに逆方向に伸縮するＹ軸方向（音叉腕の長さ方向）での屈曲振動が強励振される。
【０００４】
一般に音叉型の水晶振動子は公称周波数が３２．７６８ｋＨｚであり、振動腕部の先端に周波数調整用電極を設け、この電極の重量を調整することなどにより発振周波数を設定している。発振周波数Ｆは、Ｆ＝ｋ・ｗ／Ｌ2  （ｋは定数、ｗ及びＬは夫々振動腕部の幅及び長さ）で表されるが、ｗを固定し、Ｌを小さくすると周波数は高くなり、クリスタルインピーダンス（ＣＩ）値も小さくなるが、基本波の屈曲振動では３００ｋＨｚ〜４００ｋＨが限界であり、それ以上の発振周波数の製品を製造することは困難であった。
【０００５】
このように発振周波数の調整幅が狭いことから、その用途の広がりが阻害されているのが現状である。一方音叉型の水晶振動子は、基本波（公称周波数が３２．７６８ｋＨｚ）以外に２次の高調波として２２０ｋＨｚ近傍の周波数を、また３次の高調波として６２０ｋＨｚ近傍の周波数を持っている。ＣＩ値は７０〜８０ｋΩ以下が実用的であり、５０ｋΩ以下が好ましいとされているが、例えば３次の高調波を利用しようとすると、上述のように振動腕部に１本の溝が形成されれている音叉型の水晶振動子においてはＣＩ値が２００ｋΩ以上であることから実用的ではなかった。
【０００６】
また前記特許文献１記載の音叉型水晶振動子は既述のように音叉腕に溝部が設けられているため当該水晶振動子を小型化した場合に耐衝撃性が小さくなり、落下などの耐衝撃性が低く、電子部品などを製造する際に破損等の不具合が発生するおそれがあった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、３次高調波のＣＩ値を低減することのできる音叉型の水晶振動子を提供することにあり、また他の目的はその水晶振動子を用いた水晶振動子パッケージ及び水晶発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、基部から振動腕部が２本伸びだして音叉型に形成されている水晶振動子において、
前記振動腕部の表面部及び裏面部の少なくとも一方に、当該振動腕部の基端部側から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に３つに分割されて形成された溝部と、
前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、を備え、
水晶振動子の３次高調波のクリスタルインピーダンス値が基本波のクリスタルインピーダンス値よりも小さいことを特徴とする。
【００１０】
また他の発明に係る水晶振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた請求項１に記載の水晶振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記水晶振動子の引き出し電極に電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。更に他の発明に係る水晶発振器は、本発明の水晶振動子と、この水晶振動子の第３次高調波の周波数のパルスを発振出力とする発振回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、音叉型の水晶振動子における３次高調波のＣＩ値を低くすることができるので、この３次高調波を発振出力として利用することができ、音叉型の水晶振動子の適用範囲が広がるという効果がある。また本発明では、振動腕部における溝部を長さ方向に３分割しているため、耐衝撃性が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明に係る音叉型の水晶振動子の実施の形態を示す図である。この水晶振動子における水晶振動子本体（水晶片）は、両側部の上部側が矩形に切り欠かれた切り欠き部１１を備えた概ね角型の基部１と、この基部１の上端側から各々互いに間隔をおいて平行に伸びだした２本の（一対の）振動腕部２（２ａ、２ｂ）とを備えていて全体の形状が音叉型の水晶片として構成されている。更に振動腕部２（２ａ、２ｂ）の表面部及び裏面部には、各々当該振動腕部２（２ａ、２ｂ）の基端部から先端側に向けて、長さ方向に３分割されてなる第１の溝部３、第２の溝部４及び第３の溝部５が形成されている。
【００１３】
第１の溝部３の基端のＹ方向位置は、音叉又部の最下部（振動腕部２の先端側を上方としている）２０と同じ位置にあるが、この最下部２０よりも低い位置（基部１側に寄った位置）にあってもよい。なお音叉又部は、一対の振動腕部２ａ、２ｂの間における基部１の部分を指しており、図面では平面形状を湾曲して描いているが、実際には折れ線形状になっている。
【００１４】
ここで図２を参照しながら励振電極及び引き出し電極に関して述べると、この水晶振動子には、一対をなす一方の電極と他方の電極とが存在する。先ず振動腕部２ａに着目すると、振動腕部２ａの３つの溝部３、４、５の内面全体とこれら溝部３、４の間及び溝部４、５の間に一方の励振電極５１が形成されている。即ち溝部３、４の間と溝部４、５の間とに相当するいわば橋部に形成された励振電極５１により、振動腕部２ａの各溝部３、４、５内の励振電極５１同士が互いに接続されている。そしてこの振動腕部２ａの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表面部及び裏面部）における先端側の第２の溝部４よりも上方部位には他方の励振電極６１が形成されている。更にまた振動腕部２ａにおける先端部には、その重量を調整することにより発振周波数を調整するための調整用電極６０が設けられている。この調整用電極６０は励振電極６１の一部をなすものであるが、その他の部位の電極とは例えば膜厚を変えている。なお図２において励振電極５１、６１は、図面を見やすくするために斜線と黒の点在領域とを使い分けて表しており、図２の斜線は断面を示すものではない。
【００１５】
また振動腕部２ｂに着目すると、振動腕部２ｂの３つの溝部３、４、５の内面全体とこれら溝部３、４、５の各々の間に他方の励振電極６１が形成されている。そしてこの振動腕部２ｂの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表面部及び裏面部）における先端側の第２の溝部４よりも上方部位には一方の励振電極５１が形成されている。なお振動腕部２ａにおける先端部においても、同様にその重量を調整することにより発振周波数を調整するための調整用電極５０が設けられている。振動腕部２ａ、２ｂに設けられた電極の配置は、励振電極５１、６１が互いに逆の関係であることを除くと互いに同一である。そしてこれら一方の励振電極５１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極５２からなるパターンが形成されていると共に、他方の励振電極６１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極６２からなるパターンが形成されている。
【００１６】
この水晶振動子の各部位の寸法の好ましい例に関して図３を参照しながら示すと、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の長さＬ０は１５００〜１８００μｍ、第１の溝部３の基端部から第３の溝部５の先端部までの長さＬ１は７５０〜９００μｍである。各溝部３、４、５の長さは等しくなくてもよいが、揃っている方が望ましい。また各溝部３、４、５同士の間隔ｄは５〜２０μｍである。更に基部１の底面から音叉又部の最下部２０までの長さＬ３は４００〜９００μｍ、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の幅Ｗ１は５０〜１５０μｍ、溝部３の幅Ｗ２は２０〜１３０μｍ、水晶振動子の厚さは５０〜１５０μｍ、片側の溝部３の深さは水晶振動子の厚さの３０〜４５％である。
【００１７】
水晶振動子の製法については、先ずＺカットの例えば厚さ１００μｍの水晶ウエハの両面に下地膜としてＣｒ膜を付けた後Ａｕ膜を成膜し、フォトリソ及びエッチングを行って音叉形状のＡｕ膜部分を得、その後露出している水晶をフッ酸溶液によりエッチングし、外形が音叉形状の加工物を得る。即ち、ウエハ上に多数個の音叉形状物が同時に形成される。しかる後、Ａｕ膜を下地膜と共に全部除去し、次いで同様にしてＡｕ膜を各加工物の両面に成膜し、フォトリソ、フッ酸によるエッチングにより溝部３、４、５を形成する。更にＡｕ膜を除去した後、再度加工物の全面に下地膜をクロムまたはニッケルとしてＡｕ膜を成膜し、フォトリソにより電極パターンを形成する。こうして本発明の水晶振動子が得られる。  
そして水晶振動子は、例えば図４に示すようにＳＭＤ構造（基板実装型構造）のパッケージ型デバイス（水晶振動子パッケージ）として利用される。図４において７は例えばアルミナなどのセラミックスあるいはガラスなどの絶縁体からなるパッケージである。このパッケージ７は、上面が開口しているケース体７ａとこのケース体７ａの上にシール材７ｃを介して設けられた蓋体７ｂとからなる。既述の音叉型の水晶振動子７０は、このパッケージ７内の台座部分７１に基部１の引き出し電極５２、６２が導電性接着剤７ｄにより固定されて横向きに配置され、振動腕部２が空間に伸びだしている。前記引き出し電極５２、６２は、台座部分７１の表面に配線された導電路７２、７３（７３は紙面奥側の導電路である）により、パッケージ７の外に設けられた電極７４、７５に接続されている。このパッケージ型デバイスは、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に搭載され、これにより水晶発振器が構成される。なお水晶振動子パッケージは、ＳＭＤ構造に限られず、一端が絶縁材で封止された金属製のシリンダ内に水晶振動子を設け、前記絶縁材を貫通する一対の電極ピンの内端に夫々引き出し電極５２、６２が接続された構造であってもよい。  
図５は、水晶発振器が発振回路に組み込まれた回路の一例を略解的に示し、１０１はＣＭＯＳインバータからなる増幅器、１０２は帰還抵抗、１０３はドレイン抵抗、１０４、１０５はコンデンサでであり、増幅器１０１の出力側から前記３次高調波の発振出力が取り出される。
【００１８】
次に上述実施の形態の作用、効果について説明する。振動腕部２ａの両側面２１、２１及び主面２２、２２と振動腕部２ｂの溝部３とは同電位Ｅ１となり、振動腕部２ｂの両側面２１、２１及び主面２２、２２と振動腕部２ａの溝部３とは同電位Ｅ２となり、Ｅ１及びＥ２は互いに逆電位の関係にある。図６は、各振動腕部２ａ、２ｂに発生する電気力線を模式的に示した図であり、第１の溝部３及び第２の溝部４を形成することでＸ軸方向（振動腕部２の幅方向）での電界強度が増し、各振動腕部２ａ、２ｂ間で逆方向に伸縮し、これによりＹ軸方向における屈曲振動が強められる。このため振動効率が高まり、ＣＩ値が低減することとなる。
【００１９】
そして本発明では、溝部を３分割しているため、基本波のＣＩ値よりも３次高調波のＣＩ値が低くなるので、例えば基本波のＣＩ値が５０〜７０ｋΩであるのに対して、３次高調波である６２０ｋＨｚのＣＩ値が例えば１０〜３０ｋΩ程度に低減されるので、３次高調波に対応する周波数のパルスを発振出力として取り出すことができる。このため音叉型の水晶振動子の用途が広がるという効果がある。
【００２０】
また各振動腕部２ａ、２ｂに溝部を設けると強度が小さくなるが、この実施の形態では、溝部を長さ方向に３つに分割しているので、言い換えれば第１の溝部３、第２の溝部４及び第３の溝部５を設けているので、強度不足を避けることができる。
【００２１】
ここで同一のウエハから上述の実施の形態に示した水晶振動子のサンプルを１０個作成し、ＣＩメーターを用いて各サンプルのＣＩ値を測定した結果、いずれも１０ｋΩ〜３０ｋΩの範囲に入っていた。各部の寸法は次の通りである。振動腕部２（２ａ、２ｂ）の長さＬ０は１６００μｍ、第１の溝部３の基端部から第３の溝部５の先端部までの長さＬ１は８００μｍ、各溝部３、４、５の長さＬ２はいずれも２５５μｍ、各溝部３、４、５同士の間隔ｄは１０μｍ、基部１の底面から音叉又部の最下部２０までの長さＬ３は６００μｍ、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の幅Ｗ１は１００μｍ、溝部３の幅Ｗ２は６５μｍ、基部１の底面の幅Ｗ１は５００μｍ  水晶振動子の厚さは１００μｍ、片側の溝の深さは５５μｍである。
【００２２】
特許文献１に記載されている振動腕部に１本の溝部を設けた場合にはＣＩ値は２００ｋΩを越えることから、本発明のように溝を３分割することで３次高調波のＣＩ値を大幅に低減できることが分かる。また上述の実施の形態に示した水晶振動子のサンプルについて音叉基部の底部を基板上に固定して水晶振動子を垂直姿勢で固定し、音叉腕の主面に水平方向に荷重を加えることで破壊試験を行ったところ、サンプルが破損した時に加えられた荷重の大きさを測定した。その結果は１１ｇ〜１４ｇであった。これに対して振動腕部に１本の溝を設けた場合には、同様の荷重の値は６ｇ〜８ｇであった。従ってこの破壊試験の結果より音叉主面に形成した溝部が長さ方向に３分割されることで、溝部を分割していない場合に比べて水晶振動子の強度が改善されることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る音叉型水晶振動子を示す概略平面図である。
【図２】本発明の実施１の形態に係る音叉型水晶振動子を示す斜視図である。
【図３】上記音叉型水晶振動子の寸法を示す説明図である。
【図４】本発明の水晶振動子をパッケージ内に装着した水晶振動子パッケージを示す断面図である。
【図５】本発明の水晶振動子を用いた発振器の一例を示す図である。
【図６】図１のＡ−Ａ´線断面図である。
【図７】従来の音叉型水晶振動子を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    基部
１１  切り欠き部
２、２ａ、２ｂ    振動腕部
２０  最下部
３、４、５    溝部
５１  一方の励振電極
６１  他方の励振電極
５２  一方の引き出し電極
６２  他方の引き出し電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月17日(2006.2.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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