(57)【要約】【課題】  等価直列抵抗Ｒｎの小さい、Ｑ値の高い、周波数温度特性に優れた超小型の輪郭水晶振動子を具えた水晶ユニットとその製造方法とその水晶ユニットを具えた水晶発振器を提供することにある。【解決手段】  振動部と接続部と支持部からなる輪郭水晶振動子を電気変換効率の良い水晶板から形成し、且つ、任意の温度で零温度係数を有するので、広い温度範囲に亙って周波数変化が小さく、等価直列抵抗Ｒｎの小さい超小型の輪郭水晶振動子を具えた水晶ユニットとその製造方法とその水晶ユニットを具えた水晶発振器を提供することができる。【選択図】  図１
2005094726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成されていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい輪郭水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットであって、
前記輪郭水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記輪郭水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記輪郭水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、
振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子の振動部は、少なくとも第一接続部と第二接続部を介して支持部に接続され、前記接続部は振動部の長さ方向に設けられていて、更に、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される輪郭水晶振動子は粒子法により一体に形成されていて、
前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード振動、又はオーバートンモード振動の振動次数が圧電定数に依存しないように、前記振動部に電極が配置されている横効果型の輪郭水晶振動子を具えて構成されていることを特徴とする水晶ユニット。
【請求項２】
輪郭水晶振動子は幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、前記幅縦水晶振動子の圧電定数ｅ１２の絶対値が０．０９５〜０．１９Ｃ／ｍ２の範囲内にあり、前記幅縦水晶振動子の角度θｘと寸法比（Ｗ０／Ｌ０）と電極対数ｎ（奇数）との関係が、［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−２５］°＜θｘ＜［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−５］°で与えられることを特徴とする請求項１に記載の水晶ユニット。
【請求項３】
輪郭水晶振動子の一つである幅縦水晶振動子の厚みＴ０が０．０１ｍｍ〜０．１８ｍｍの範囲内にあり、更に、振動部の幅方向に分割されたｎ対（奇数対）の電極を有するとき、振動部の幅Ｗ０は（０．０１〜０．９６）ｎｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載の水晶ユニット。
【請求項４】
水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成されていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成される輪郭水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットで、
振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子の振動部は、少なくとも第一接続部と第二接続部を介して支持部に接続され、かつ、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成されていて、
前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、輪郭水晶振動子の振動次数が圧電定数に依存しないように、前記振動部に電極が配置されている横効果型の輪郭水晶振動子で、前記輪郭水晶振動子の主振動と副振動の周波数安定係数をそれぞれＳｎとＳｆとするとき、ＳｎとＳｆがＳｎ＝ｒｎ／２Ｑｎ２とＳｆ＝ｒｆ／２Ｑｆ２で与えられ、Ｓｎ＜Ｓｆの関係を有することを特徴とする水晶ユニット。
【請求項５】
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の製造方法において、
前記水晶ユニットを構成する前記水晶振動子は幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、前記幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、更に、前記幅縦水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を粒子法により一体に形成する工程と、
振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極を対抗して配置する工程と、
前記幅縦水晶振動子を前記ケース、又は、前記蓋に固定する工程と、
発振の周波数を調整する工程と、
前記ケースと前記蓋とを接合部材を介して接合する工程と、
を有する事を特徴とする水晶ユニットの製造方法。
【請求項６】
水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗とを具えて構成される水晶発振器で、
前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置されていて、前記水晶振動子は輪郭モードで振動する輪郭水晶振動子で、
振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、
輪郭水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒｎが副振動の等価直列抵抗Ｒｆより小さい輪郭水晶振動子を具えて水晶発振器は構成されると共に、
増幅回路と帰還回路とを具えて構成される前記水晶発振器の増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比が、増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒｆとの比より大きくなるように前記水晶発振器は構成され、
前記輪郭水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振器の出力信号が主振動の発振周波数で、かつ、主振動は輪郭水晶振動子の基本波モード振動、又は高調波モード振動であることを特徴とする水晶発振器。
【請求項７】
輪郭水晶振動子の振動部は接続部を介して支持部に接続され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記輪郭水晶振動子の主振動と副振動の周波数安定係数をそれぞれＳｎとＳｆとするとき、ＳｎとＳｆがＳｎ＝ｒｎ／２Ｑｎ２とＳｆ＝ｒｆ／２Ｑｆ２で与えられ、Ｓｎ＜Ｓｆの関係を有することを特徴とする請求項６に記載の水晶発振器。
【請求項８】
輪郭水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、水晶発振器は前記幅縦水晶振動子を具えて構成され、前記幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、前記幅縦水晶振動子は、その主振動の共振周波数が圧電定数に依存しない横効果型の水晶振動子で、前記水晶発振器は少なくとも増幅器としてＣＭＯＳインバータ、抵抗として帰還抵抗、コンデンサとしてゲート側のコンデンサとドレイン側のコンデンサと前記幅縦水晶振動子とを具えて構成されていることを特徴とする請求項６、又は請求項７に記載の水晶発振器。
【請求項９】
輪郭水晶振動子は幅縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子で、前記水晶振動子の主振動の容量比ｒｎが大略６０〜４９０の範囲内にあり、かつ、副振動のフイガーオブメリットＭｆが３２より小さいことを特徴とする請求項６から請求項８の何れかに記載の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は高い電気機械変換効率を有し、主振動が副振動との結合のない単一の振動モードで振動する輪郭水晶振動子（例えば、幅縦水晶振動子、ラーメ水晶振動子、長さ縦水晶振動子）とケースと蓋とを具えた水晶ユニットとその製造方法と水晶発振器に関する。特に、本発明の水晶ユニットを構成する輪郭水晶振動子の一つである幅縦水晶振動子のカット角、電極構成と振動子形状に関する。詳細に、小型化、高精度、耐衝撃性、低廉化などの要求の強い携帯機器用、計測機器用、及び民生機器用の基準信号源として最適な新カット、新電極構成の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットとその製造方法と水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】  例えば、従来の技術としては、水晶を用いた幅縦モード振動と長さ縦モード振動が結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子がよく知られている。図１５にはこの従来例の平面図を示す。図１５において水晶振動子２００は振動部２０１、接続部２０３、２０６及び支持部２０４、２０７を具えて構成されている。支持部２０４、２０７はそれぞれマウント部２０５、２０８を包含している。図１５と図１６に示されているように、振動部２０１の上下面には電極２０２と２１１が配置され、振動部の電極２０２は接続部２０３を介してマウント部２０５にまで延在している。これに対して、振動部の電極２１１も同様に接続部２０６を介してマウント部２０８にまで延在している。電極２０２と電極２１１は異極となるように構成され、２電極端子を構成している。図示されていないが、振動子はマウント部２０５、２０８で台座に接着剤などで固定され、更に、台座はリード線に固定されている。即ち、腕時計で多様されている円筒型の金属容器に収納されている。今、両電極２０２、２１１間に交番電圧を印加すると、図１６の実線と点線で示されるように、電界Ｅｔは厚みＴ方向に交互に働く。その結果、幅Ｗに反比例して大略周波数が決まる幅縦振動モードと長さＬに反比例して大略周波数が決まる長さ縦振動モードが同時に励振され、両振動モードが結合したＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子が得られる。しかし、小型化（高周波数化）するとＲ１が大きくなるという問題があった。
【非特許文献１】古賀逸策著「圧電気と高周波」、オーム社  昭和１３年
【非特許文献２】「矩形板状水晶振動子の短辺振動とその周波数温度係数」、電気学会雑誌、５６巻５７９号  昭和１１年１０月
【非特許文献３】「水晶振動子とその応用デバイス」電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ  Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−Ｉ  Ｎｏ．１２ｐｐ．６６７−６８２  １９９９年１２月
【非特許文献４】「２軸回転ラーメモード圧電振動子のエネルギー法による解析」、電子情報通信学会論文誌Ａ  Ｖｏｌ．Ｊ７９−Ａ、Ｎｏ．６ｐｐ．１１５７−１１６４  １９９６年６月
【特許文献１】特開２００１−３１３５３７号公報
【特許文献２】特開２００２−１１１４３４号公報
【特許文献３】特開２００２−１５８５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子では、振動部の面積が大きい程（低周波数）等価直列抵抗Ｒ１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら２つの振動モードが結合した、ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子は、それらの周波数はそれぞれ幅Ｗと長さＬに反比例し、且つ、周波数温度特性が幅Ｗと長さＬの比、いわゆる辺比Ｗ／Ｌによって決定され、更に、周波数温度特性が良好となる辺比Ｗ／Ｌ≒０．９５となるので、小型化（高周波数化）しようとすると、振動部の面積が小さくなる。そのため、電気機械変換効率が小さくなり、その結果、等価直列抵抗Ｒ１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た。このようなことから、超小型で、等価直列抵抗Ｒ１が小さく、品質係数Ｑ値が高くなるような新カットで、電気機械変換効率が高くなる電極構成を具える水晶振動子を収納した水晶ユニットとその水晶ユニットの製造方法及びその水晶ユニットからなる水晶発振器が所望されていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した輪郭水晶振動子、例えば、幅縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子を具えた水晶ユニットとその製造方法とその水晶ユニットからなる水晶発振器を提供することを目的とするものである。【０００５】  即ち、本発明の水晶ユニットの第１の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成されていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい輪郭水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットであって、前記輪郭水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記輪郭水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記輪郭水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子の振動部は、少なくとも第一接続部と第二接続部を介して支持部に接続され、前記接続部は振動部の長さ方向に設けられていて、更に、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きく、かつ、前記振動部と前記接続部と前記支持部とを具えて構成される輪郭水晶振動子は粒子法により一体に形成されていて、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、基本波モード振動、又はオーバートンモード振動の振動次数が圧電定数に依存しないように、前記振動部に電極が配置されている横効果型の輪郭水晶振動子を具えて構成されている水晶ユニットである。
本発明の水晶ユニットの第２の態様は、輪郭水晶振動子は幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、前記幅縦水晶振動子の圧電定数ｅ１２の絶対値が０．０９５〜０．１９Ｃ／ｍ２の範囲内にあり、前記幅縦水晶振動子の角度θｘと寸法比（Ｗ０／Ｌ０）と電極対数ｎ（奇数）との関係が、［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−２５］°＜θｘ＜［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−５］°で与えられる第１の態様に記載の水晶ユニットである。
本発明の水晶ユニットの第３の態様は、輪郭水晶振動子の一つである幅縦水晶振動子の厚みＴ０が０．０１ｍｍ〜０．１８ｍｍの範囲内にあり、更に、振動部の幅方向に分割されたｎ対（奇数対）の電極を有するとき、振動部の幅Ｗ０は（０．０１〜０．９６）ｎｍｍの範囲内にある第１の態様、又は第２の態様に記載の水晶ユニットである。
本発明の水晶ユニットの第４の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成されていて、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成される輪郭水晶振動子を具えて構成される水晶ユニットで、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子の振動部は、少なくとも第一接続部と第二接続部を介して支持部に接続され、かつ、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記輪郭水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成されていて、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置され、輪郭水晶振動子の振動次数が圧電定数に依存しないように、前記振動部に電極が配置されている横効果型の輪郭水晶振動子で、前記輪郭水晶振動子の主振動と副振動の周波数安定係数をそれぞれＳｎとＳｆとするとき、ＳｎとＳｆがＳｎ＝ｒｎ／２Ｑｎ２とＳｆ＝ｒｆ／２Ｑｆ２で与えられ、Ｓｎ＜Ｓｆの関係を有する水晶ユニットである。【０００６】  本発明の水晶ユニットの製造方法の第１の態様は、水晶振動子とケースと蓋とを具えて構成される水晶ユニットの製造方法において、前記水晶ユニットを構成する前記水晶振動子は幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、前記幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸ｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、更に、前記幅縦水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子を粒子法により一体に形成する工程と、振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極を対抗して配置する工程と、前記幅縦水晶振動子を前記ケース、又は、前記蓋に固定する工程と、発振の周波数を調整する工程と、前記ケースと前記蓋とを接合部材を介して接合する工程と、を有する水晶ユニットの製造方法である。【０００７】  本発明の水晶発振器の第１の態様は、水晶振動子と増幅器とコンデンサーと抵抗とを具えて構成される水晶発振器で、前記水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置されていて、前記水晶振動子は輪郭モードで振動する輪郭水晶振動子で、振動部と接続部と支持部とを具えて構成される前記水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチング法により一体に形成され、輪郭水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒｎが副振動の等価直列抵抗Ｒｆより小さい輪郭水晶振動子を具えて水晶発振器は構成されると共に、増幅回路と帰還回路とを具えて構成される前記水晶発振器の増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比が、増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｆ｜と副��動の等価直列抵抗Ｒｆとの比より大きくなるように前記水晶発振器は構成され、前記輪郭水晶振動子を具えて構成された前記水晶発振器の出力信号が主振動の発振周波数で、かつ、主振動は輪郭水晶振動子の基本波モード振動、又は高調波モード振動である水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第２の態様は、輪郭水晶振動子の振動部は接続部を介して支持部に接続され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部とを有し、前記輪郭水晶振動子の主振動と副振動の周波数安定係数をそれぞれＳｎとＳｆとするとき、ＳｎとＳｆがＳｎ＝ｒｎ／２Ｑｎ２とＳｆ＝ｒｆ／２Ｑｆ２で与えられ、Ｓｎ＜Ｓｆの関係を有する第１の態様に記載の水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第３の態様は、輪郭水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦モードで振動する幅縦水晶振動子で、水晶発振器は前記幅縦水晶振動子を具えて構成され、前記幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向を光軸２軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°の範囲内にあり、前記幅縦水晶振動子は、その主振動の共振周波数が圧電定数に依存しない横効果型の水晶振動子で、前記水晶発振器は少なくとも増幅器としてＣＭＯＳインバータ、抵抗として帰還抵抗、コンデンサとしてゲート側のコンデンサとドレイン側のコンデンサと前記幅縦水晶振動子とを具えて構成されている第１の態様、又は第２の態様に記載の水晶発振器である。
本発明の水晶発振器の第４の態様は、輪郭水晶振動子は幅縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子で、前記水晶振動子の主振動の容量比ｒｎが大略６０〜４９０の範囲内にあり、かつ、副振動のフイガーオブメリットＭｆが３２より小さい第１の態様から第３の態様の何れかに記載の水晶発振器である。
【発明の効果】
【０００８】  このように、本発明は輪郭水晶振動子を具えた水晶ユニットで、しかも、高い電気機械変換効率を有する振動子を形成し、且つ、電極を配置することにより、電気的諸特性と周波数温度特性に優れた超小型の幅縦水晶振動子を具えた水晶ユニットが実現できると同時に、水晶ユニットの製造方法を確立することができる。更に、周波数安定性に優れた高品質の輪郭水晶振動子を具えて構成される、超小型の水晶発振器が実現できる。また、高周波数で超小型の幅縦水晶振動子が得られるので、幅縦水晶振動子とバラクタダイオードと可変電圧を具えたＶＣＸＯ、更に、温度補償回路を具えることによりＶＣＴＣＸＯの水晶発振器が超小型で、しかも高品質で実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】  以下、本発明の実施例を図面に基づき具体的に述べる。【００１０】  図１は本発明の輪郭水晶振動子の一つである幅縦水晶振動子を形成するのに用いられる水晶板１のカット角とその座標系との関係である。座標系は原点Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなりＯ−ｘｙｚを構成している。まず、ｘ軸に垂直な水晶板、いわゆる、Ｘ板水晶を考える。このとき、Ｘ板水晶の各寸法である幅Ｗ０、長さＬ０、及び厚みＴ０はそれぞれｙ軸、ｚ軸、及びｘ軸方向に一致している。次に、このＸ板水晶をｘ軸の廻りに角度θｘ＝−２５°〜＋２５°回転し、更に、ｙ軸の新軸ｙ′軸の廻りに角度θｙ＝−３０°〜＋３０°回転される。このとき、ｘ軸の新軸はｘ′軸に、ｚ軸は２軸の廻りに回転されるので、新軸ｚ″と成る。そして、本発明の幅縦水晶振動子は前記した回転水晶板から形成される。本実施例では、Ｘ板水晶を最初に、ｘ軸の廻りに角度θｘ＝−２５°〜＋２５°回転し、次に、ｙ′軸の廻りに角度θｙ＝−３０°〜＋３０°回転されているが、最初に、機械軸ｙ軸の廻りに角度θｙ＝−３０°〜＋３０°回転し、次に、電気軸ｘ軸の新軸ｘ′軸の廻りに角度θｘ＝−２５°〜＋２５°回転してもよい。又、本実施例では、幅縦水晶振動子が形成される水晶板のカット角について述べたが、本発明の振動子のカット角はこれに限定されるものでなく、形成された幅縦水晶振動子が前記した角度を有する振動子であれば良く、本発明はそれらの振動子をも包含するものである。例えば、水晶板の面内回転をしないで、振動子形成に用いるマスク等で面内回転を行うものである。【００１１】  更に詳細には、幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向をｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸（ｘ軸）を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸（機械軸ｙ軸の回転後の新軸ｙ′軸）を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸（ｙ軸）を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸（電気軸ｘ軸の回転後の新軸ｘ′軸）を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°を有するように幅縦水晶振動子は形成される。
【実施例１の水晶ユニット】
【００１２】  図２は本発明の実施例１の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子２は振動部３、接続部６、９とマウント部８、１１をそれぞれ含む支持部７、１０を具えて構成されている。更に、支持部７と支持部１０にはそれぞれ穴７ａと穴１０ａが設けられている。更に詳述するならば、第一接続部６と第二接続部９は振動部３の長さ方向の反対に位置する端部に設けられている。即ち、一方の第一支持部７は第一接続部６を介して振動部３に接続されていて、他方の第二支持部１０は第二接続部９を介して振動部３に接続されている。また、振動部３の上面と下面には電極４と電極５が対抗して配置され、それらの電極は異極となるように構成されている。即ち、一対の電極が配置されている。更に、電極４は一方の第二接続部９を介して第二マウント部１１にまで延在して配置されている。また、電極５は他方の第一接続部６を介して第一マウント部８にまで延在して配置されている。本実施例では、振動部３に配置された電極４と電極５は互いに異なる方向に延在してマウント部まで配置されているが、同方向に延在して配置しても振動子として同じ特性が得られる。本実施例の振動子はマウント部が振動子を収納するユニットのケース、又は蓋等の固定部に接着剤や半田によって固定される。
【００１３】  更に、振動部３の寸法、即ち、幅Ｗ０、長さＬ０、及び厚みＴ０はそれぞれｙ′軸、ｚ″軸、及びｘ′軸方向と一致している。すなわち、ｘ′軸に垂直な面となる振動部３の上面と下面に電極４と電極５が配置されている。又、電極４に対抗する電極５は異極となるように構成されている。更に、振動部３の長さＬ０は幅Ｗ０より大きく、厚みＴ０は幅Ｗ０より小さくなるように設計される。即ち、幅縦モード振動と長さ縦モード振動との結合を無視できるほどに小さく、且つ、振動部の電極面積を大きくして、等価直列抵抗Ｒ１の小さい幅縦水晶振動子を得るためには、幅Ｗ０と長さＬ０の比Ｗ０／Ｌ０は０．８より小さく、好ましくは、０．０２〜０．４５の範囲内に、且つ、電界Ｅｘを大きくして、等価直列抵抗Ｒ１の小さい幅縦水晶振動子を得るためには、厚みＴ０と幅Ｗ０との比Ｔ０／Ｗ０は０．８５より小さくすることが必要である。実際のこれらの寸法の決定は幅縦水晶振動子に要求される特性によって決まる。通常、厚みＴ０は０．２３ｍｍ以下に、好ましくは、０．０１ｍｍ〜０．１８ｍｍの範囲にあるように設計される。又、一対の電極構成では、幅Ｗ０は０．０１ｍｍより大きく、好ましくは、０．０１ｍｍ〜０．９６ｍｍの範囲内にある。更に、幅方向に分割されたｎ対（ｎ＝１，３，５，・・・：奇数）の電極構成では、幅Ｗ０は０．０１ｎｍｍより大きく、好ましくは、（０．０１〜０．９６）ｎｍｍの範囲内にある。また、すべりモードとの結合を小さくするために、角度θｘは−１６０°〜−２０°の範囲内にある。
【００１４】  詳細には、幅縦水晶振動子の共振周波数は幅寸法Ｗ０に反比例し、他の寸法（長さ、厚み、接続部と支持部）には殆ど依存しない。それ故、幅Ｗ０を小さくすることにより、小型で、高周波数化が図れる。また、前記した寸法の関係から不要振動のない単一振動モードで振動する幅縦水晶振動子が得られる。と同時に、厚み方向に電界がかかるように振動部に電極を配置することにより、幅縦水晶振動子の基本波モードとオーバートンモードの振動次数が圧電定数に依存しなくなる。即ち、振動子の振動部に振動次数が圧電定数に依存しない電極の配置が行われる。それ故、本発明の幅縦水晶振動子の発振、又は共振周波数は圧電定数に依存しないので、振動子の設計が非常に容易になると言う著しい効果を有する。
【００１５】  次に、本実施例の幅縦水晶振動子を駆動するのに必要な圧電定数ｅ１２（＝ｅ′１２）の値について説明する。この圧電定数ｅ１２の値が大きいほど、電気機械変換効率は高くなる。今、ｘ軸とｙ′軸回転のとき、ｅ１２（＝ｅ′１２）＝ａ１１ａ２２（−ｅ１１ａ２２＋２ｅ１４ａ２３）で与えられる。但し、ｅ１１（＝０．１７１Ｃ／ｍ２）、ｅ１４（＝−０．０４０６Ｃ／ｍ２）は水晶の圧電定数で、ａ１１、ａ２２、ａ２３は角度θｘ、θｙの関数で与えられる。本発明の圧電定数ｅ１２の絶対値は０．０９５Ｃ／ｍ２より大きく、通常、０．０９５〜０．１９Ｃ／ｍ２の範囲内にある。室温付近の零温度係数を得るには、０．０９５〜０．１６６Ｃ／ｍ２の範囲内にある事が好ましい。即ち、本実施例の幅縦水晶振動子は高い電気機械変換効率を有するので、主振動の等価直列抵抗Ｒｎの小さい、Ｑ値の高い、超小型の幅縦水晶振動子が得られる。尚、長さ縦水晶振動子の場合には、圧電定数ｅ１２の絶対値は０．０９５〜０．１９Ｃ／ｍ２の範囲内にある。又、幅縦水晶振動子の説明において、「幅」を「長さ」に置き換えることによって、長さ縦水晶振動子は得られる。
【００１６】  今、図２の電極４と電極５の間に交番電圧を印加すると、電界Ｅｘは図２の側面図（ｂ）の実線と点線の矢印で示したように厚み方向に交互に働く。その結果、振動部３は幅方向に伸縮する振動をすることになる。即ち、電界方向に対して垂直方向に振動する、いわゆる横効果型の幅縦水晶振動子を得ることができる。この幅縦モード振動の共振周波数は圧電定数に依存しない振動子である。また、本発明の幅縦水晶振動子は、電界方向に対して平行に振動するＫＴカット幅縦水晶振動子とは異なる振動子である。と同時に、ＫＴカット水晶振動子はその振動次数が圧電定数に依存する、いわゆる縦効果型の振動子である。即ち、共振周波数が圧電定数に依存する振動子である。
【実施例２の水晶ユニット】
【００１７】  図３は本発明の実施例２の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子１２の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子１２は振動部１３、接続部１４、２１、マウント部１６とそれに接続される支持フレーム１７，１８、１９を含む支持部１５とマウント部２３とそれに接続されるマウント部２０を含む支持部２２を具えて構成されている。更に、支持フレーム１７の両端部は支持フレーム１８，１９の一端部に接続され、支持フレーム１８、１９の他端部はマウント部２０に接続されている。支持部１５には穴１５ａが、支持部２２には穴２２ａが設けられている。更に詳述するならば、第一接続部１４と第二接続部２１は振動部１３の端部の互いに反対の位置に設けられている。そして、振動部１３は第一接続部１４と第一支持部１５の第一マウント部１６を介して第一支持フレーム１７に接続されている。更に、第一支持フレーム１７の両端部はそれぞれ第二支持フレーム１８と第三支持フレーム１９の端部に接続されている。同様に、振動部１３は第二接続部２１と第二支持部２２の第二マウント部２３を介して第三マウント部２０に接続されている。そして、第二支持フレーム１８と第三支持フレーム１９の端部はそれぞれ第三マウント部２０に接続されている。
【００１８】  また、振動部１３の上面と下面には異極で対抗する電極２４と電極２６が配置されている。更に、電極２４は一方の接続部２１を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に一方の電極端子となる電極２５が形成される。又、電極２６は他方の接続部１４と支持フレーム１７、１９を介してマウント部２０にまで延在して配置され、マウント部２０に他方の電極端子となる電極２７が形成される。すなわち、２電極端子を形成する。本実施例では、振動部の電極のみが対抗するように配置されている。しかし、他の部分での電極が対抗して配置されてもよく、等価直列抵抗Ｒｎに及ぼす影響は無視できる程に小さい。更に、振動部１３は幅Ｗ０、長さＬ０と厚みＴ０（図示されていない）の寸法を有し、幅Ｗ０、長さＬ０と厚みＴ０はそれぞれｙ′軸、ｚ″軸とｘ′軸方向と一致している。すなわち、ｘ′軸に垂直な面となる振動部１３の上面と下面には電極２４と電極２６が配置されている。又、電極２４と電極２６は異極となるように構成されている。更に振動部１３の長さＬ０は幅Ｗ０より大きく、厚みＴ０は幅Ｗ０より小さくなるように設計される。具体的な関係については実施例１で述べた通りである。
【００１９】  このように幅縦水晶振動子を形成することにより、振動子の強度をより強くすることができる。その結果、振動子の一端部を接着剤や半田によりケース、又は蓋の固定部、あるいはリード線に固定できるので、量産での作業性に優れ、工数を削減することができる。即ち、安価な幅縦水晶振動子が得られる。同時に、衝撃に対して強い幅縦水晶振動子が実現できる。更に、支持部に穴が設けられているので、幅縦モードを圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、主振動の等価直列抵抗Ｒｎの小さい、Ｑ値の高い超小型の幅縦水晶振動子が得られる。また、本発明の輪郭水晶振動子は表面実装型、又は円筒型の容器（ユニット）に収納される。尚、本実施例では、互いに異極となる電極がマウント部２０の上面に電極２５を、下面に電極２７を配置しているが、マウント部２０の同一平面に異極となる電極を配置してもよく、同様に安価な振動子が得られる。この方法として、一方の電極を支持フレームの側面、あるいはマウント部の側面を介して同一平面の同極となる電極に接続される。更に、本実施例では振動部に平行に支持フレームが２本設けられているが、１本でも十分な機械的強度を有するので、一本でもよく、十分な特性が得られる。
【実施例３の水晶ユニット】
【００２０】  図４は本発明の実施例３の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子２８の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子２８は、振動部２９、接続部３０、３５、及び支持フレーム３１，３２、３３を含む支持部４１と支持フレーム３６とマウント部３４を含む支持部４２を具えて構成されている。更に、振動部２９は一方の接続部３０を介して支持フレーム３１に接続され、支持フレームの両端部は支持フレーム３２、３３に接続されている。更に、振動部２９は他方の接続部３５を介して支持フレーム３６に接続され、その両端部は支持フレーム３２、３３に接続されている。又、マウント部３４には穴４３が設けられている。この穴４３を設けることにより、幅縦振動を抑圧することなく容易に引き起こすことができる。更に、振動部２９の上面と下面には異極で対抗する電極３７と電極３９が配置されている。そして、電極３７は一方の接続部３５を介してマウント部３４にまで延在して配置され、マウント部３４に一方の電極端子となる電極３８が形成されている。又、電極３９は他方の接続部３０と支持フレーム３１、３３を介してマウント部３４にまで延在して配置され、マウント部３４に他方の電極端子となる電極４０が形成されている、２電極端子を形成する。本実施例以外の電極配置法としては実施例２で述べた方法を本実施例でも含むものである。同時に、支持フレームについても同様に含むものである。
【００２１】  更に、振動部２９は幅Ｗ０、長さＬ０と厚みＴ０（図示されていない）の寸法を有し、これらの寸法とｘ′軸、ｙ′軸とｚ″軸との関係は実施例１で述べた通りである。また振動部２９の長さＬ０は幅Ｗ０より大きく、厚みＴ０は幅Ｗ０より小さくなるように設計される。具体的な関係については実施例１で述べたのと同じである。更に、上記実施例の幅縦水晶振動子の振動部、接続部と支持部とは一体に形成され、このように幅縦水晶振動子の形成により、すでに実施例２で述べた、量産性に優れた安価な幅縦水晶振動子が得られる。同時に、衝撃に対して強い幅縦水晶振動子が実現できる。更に、マウント部に穴が設けられているので、幅縦モードの振動を抑圧することなく、圧電的に容易に引き起こすことができる。それ故、等価直列抵抗Ｒｎの小さい、Ｑ値の高い、超小型の幅縦水晶振動子が得られる。
【００２２】  図５は上記実施例１から実施例３の幅縦水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。前記した角度θｘと角度θｙの選択により任意の温度で一次温度係数αが零になり、２次曲線で表すことができる。例えば、曲線４４で示されるように、頂点温度Ｔｐを室温付近に設定することができる。又、曲線４５は頂点温度Ｔｐを０℃付近に設定した場合である。更に、頂点温度Ｔｐは任意に設定でき、曲線４６は頂点温度Ｔｐを負側に設定した場合である。上記実施例の角度θｘと角度θｙを有する幅縦水晶振動子では、頂点温度Ｔｐを約−２００℃から約＋６０℃と極めて広い温度範囲に設定することができる。頂点温度Ｔｐは用いられる機器等によって決定される。このように本発明の幅縦水晶振動子は頂点温度を極めて広い温度範囲で任意に設定でき、且つ、周波数温度特性が２次曲線で近似できるので、広い温度範囲で周波数変化の小さい、優れた振動子であることが理解される。
【実施例４の水晶ユニット】
【００２３】  図６は本発明の実施例４の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。幅縦水晶振動子５０は振動部５１、接続部５２、５５、及びマウント部５４、５７をそれぞれ含む支持部５３、５６を具えて構成されている。更に、支持部５３と支持部５６にはそれぞれ穴５３ａと穴５６ａが設けられている。そして、振動部５１の上面と下面にはそれぞれ複数個の電極が配置されている。又、上面、及び下面の幅方向に隣接する電極は異極となるように構成されている。且つ、上面と下面に配置された対抗電極は異極となるように構成されている。本実施例では電極５８，５９，６０と電極６１，６２，６３が配置されている。本実施例の電極配置では３次オーバートーン（３次高調波モード振動）の幅縦水晶振動子が得られる。更に詳述するならば、電極５８とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極５８とそれに対抗する電極６３は異極となるように構成されている。電極５８とそれとは異極となる電極６３で一対の電極を構成している。全く同様に、電極５９とそれに隣接する電極５８、６０は異極に、更に、電極５９とそれに対抗する電極６２は異極となるように構成されている。電極５９とそれとは異極となる電極６２で一対の電極を構成している。更に電極６０とそれに隣接する電極５９は異極に、さらに、電極６０とそれに対抗する電極６１は異極となるように構成されている。電極６０とそれとは異極となる電極６１で一対の電極を構成している。又、上面の電極５８と電極６０は接続電極５８ａを介して接続されている。更に、下面の電極６１と電極６３は接続電極６１ａを介して接続されている。
【００２４】  更に、上面の同極となる電極５８、６０は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、電極５９は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。更に、下面の電極６２は一方の接続部５２を介してマウント部５４にまで延在して配置されている。又、下面の同極となる電極６１、６３は他方の接続部５５を介してマウント部５７にまで延在して配置されている。図６から明らかなように、一方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置され、他方の接続部と支持部の上下面には同極となる電極が振動部から延在して配置されている。それ故、一方の電極５８，６０、６２は同極に、他方の電極５９，６１、６３は同極となるように配置され、それらは互いに異極となる２電極端子構造を形成している。本実施例では三対の電極を構成している。本発明の電極構成は前記実施例のｎ対（ｎ＝１，３）に限定されるものでなく、対称モードを使用する場合にはｎ対（ｎ＝５，７，９・・・）と奇数対の電極構成をも包含するものである。
【００２５】  次に、振動部の幅Ｗ０、長さＬ０、厚みＴ０と電極との関係について述べる。本実施例では、三対の電極を構成している。それ故、図５で説明した良好な周波数温度特性、及び電界Ｅｘを大きくし、主振動の等価直列抵抗Ｒｎの小さい幅縦水晶振動子を得るには、厚みＴ０と幅Ｗ０との関係は３Ｔ０／Ｗ０が０．８５より小さくする必要がある。又、幅縦振動モードと長さ縦振動モードとの結合を無視できるほどに小さく、且つ、電極面積を大きくし、等価直列抵抗Ｒ３の小さい幅縦水晶振動子を得るには、幅Ｗ０と長さＬ０との関係はＷ０／３Ｌ０が０．８より小さくする事が必要である。本実施例では三対の電極構成の場合について説明したが、ｎ対（ｎ＝１，３，５，・・・）と奇数対の電極構成ではｎ次オ−バートーン（ｎ次高調波モード振動）の幅縦水晶振動子が得られる。この場合、前記した優れた特性を有する水晶振動子を得るには、厚みＴ０と幅Ｗ０との関係はｎＴ０／Ｗ０が０．８５より小さく、且つ、幅Ｗ０と長さＬ０との関係はＷ０／ｎＬ０が０．８より小さくする必要がある。
【００２６】  更に詳細には、奇数対の電極構成では、奇数次の幅縦モードで振動し、これが主振動となる。例えば、一対の電極構成では、基本波モード振動（１次高調波モード振動）が主振動となる。また、三対の電極構成では、３次高調波（３次オーバートーン）モード振動が主振動となる。本発明では、幅縦モードで振動し、主振動以外の振動を副振動と呼ぶ。そして、主振動の等価直列抵抗をＲｎ、副振動の等価直列抵抗をＲｆと言う。即ち、ｎ＝１のとき、Ｒ１は基本波モード振動、ｎ＝３のとき、Ｒ３は３次高調波モード振動、ｎ＝５のとき、Ｒ５は５次高調波モード振動、ｎ＝ｎのとき、Ｒｎはｎ次高調波モード振動のそれぞれ等価直列抵抗である。更に、周波数温度特性の２次曲線の頂点温度を室温付近に設定するためには、本実施例の幅縦水晶振動子の角度θｘと寸法比（Ｗ０／Ｌ０）と電極対数ｎ（＝１，３，５，・・・：奇数）との関係は、［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−２５］°＜θｘ＜［２０｛Ｗ０／（ｎＬ０）｝−５］°で与えられる。
【００２７】  このように、本発明の幅縦水晶振動子は、特に、振動部の電極の配置の仕方を工夫することにより、等価直列抵抗Ｒｎの小さい、周波数温度特性に優れた超小型の高次オーバートーンの幅縦水晶振動子を実現することができる。又、幅縦水晶振動子の周波数はオーバートーン次数に比例するので、高周波数化が可能になる。なお、本実施例で詳細に述べた電極構成は図３と図４の振動子形状にも適用できるものである。また、本実施例の振動子形状とその形状の構成は図２の振動子と同じである。
【実施例５の水晶ユニット】
【００２８】  図７は本発明の実施例５の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図である。幅縦水晶振動子６４は振動部６５、接続部６６、６７、６８、７１、７２、７３及び、マウント部７０、７５をそれぞれ含む支持部６９、７４を具えて構成されている。支持部６９には穴６９ａを、支持部７４には穴７４ａを具えている。本実施例では、振動部６５の長さ方向の両側にそれぞれ複数個の第一、第三、第五接続部６６、６７、６８と第二、第四、第六接続部７１、７２、７３とが設けられている。そして、第一接続部と第二接続部、第三接続部と第四接続部、第五接続部と第六接続部はそれぞれ振動部の長さ方向の端部に対抗して設けられている。更に、一方の接続部６６、６７、６８は支持部６９に接続され、他方の接続部７１、７２、７３は支持部７４に接続されている。前記振動子の振動部、接続部と支持部とは一体に形成されている。又、幅縦水晶振動子の振動部は幅Ｗ０、長さＬ０、厚みＴ０（図示されていない）を有し、前記振動子に配置される電極は図示されていないが、実施例１から実施例４で述べられた電極の配置、及び構成が本振動子にも適用される。本実施例では、振動部の両側にそれぞれ３個の接続部を設けているが、さらに多くの接続部を設けてもよく、実際には、オーバートーン次数の数と同じだけ設けることができるが、実際にはより少ない接続部を設けることが好ましい。このように、本発明の幅縦水晶振動子は接続部を振動部の長さ方向の両側の端部にそれぞれ複数個設けているので、高い周波数の厚みの薄い振動子でも耐衝撃性に強い、等価直列抵抗Ｒｎの小さい、品質係数Ｑ値の高い幅縦水晶振動子が得られる。
【実施例６の水晶ユニット】
【００２９】  図８は本発明の実施例６の水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１１０は表面実装型のケース１１２と蓋１１４と輪郭水晶振動子１１３から構成されている。ケース１１２の両側に固定部が設けられていて、例えば、本実施例では、実施例１と実施例４と実施例５の水晶振動子について述べた幅縦水晶振動子が収納され、その振動子のマウント部が接着剤等により固定部で固定されている。更に、図示されていないが、ケース１１２の下面には少なくとも２分割された電極が設けられていて、振動子１１３の各電極と接続されている。即ち、２電極端子構造を形成している。
【実施例７の水晶ユニット】
【００３０】  図９は本発明の実施例７の水晶ユニットの断面図である。水晶ユニット１２０は表面実装型のケース１２２と蓋１２４と輪郭水晶振動子１２３から構成されている。ケース１２２の片側に固定部が設けられていて、例えば、本実施例では、実施例２と実施例３の水晶振動子について述べた幅縦水晶振動子が収納され、その振動子のマウント部が接着剤等により固定部で固定されている。更に、図示されていないが、ケース１２２の下面には少なくとも２分割された電極が設けられていて、振動子１２３の各々の電極と接続されている。即ち、２電極端子構造を形成している。また、振動子は真空中で封止されている。更に、上記実施例６と実施例７の水晶ユニットでは幅縦水晶振動子を収納しているが、幅縦水晶振動子の代わりに他の輪郭水晶振動子、例えば、長さ縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子を収納しても良い。
【００３１】  更に、上記各実施例の幅縦水晶振動子は、振動部、接続部と支持部とを具えて構成されているように複雑な形状をしている。又、本発明のカット角を有する幅縦水晶振動子の場合、水晶の分子間の結合エネルギーが非常に大きいために、化学的エッチング法ではそのエッチング速度が極めて遅く、特に、このような複雑な形状を有する振動子を上手く加工することが難しい。それ故、本発明の幅縦水晶振動子の加工は、物理的、あるいは機械的な方法を用いて行われ、前記振動子は一体に形成される。即ち、質量を有する粒子を水晶板に物理的、あるいは機械的方法で衝突させ、それにより水晶板の原子、分子を飛散させて振動子の形状を加工するものである。ここではこの方法を粒子法と呼ぶことにする。この方法は化学的エッチング法による加工法とは異なる方法であると同時に、加工速度が極めて早いのが特長である。外形形状の加工時間が非常に短縮されるので安価な振動子を提供することができる。しかし、輪郭水晶振動子の一つである、例えば、ラーメ水晶振動子は化学的エッチング法にて容易に形成できるので、この方法が用いられる。即ち、本発明の輪郭水晶振動子は粒子法及び／又は化学的エッチングによって形成される。
【００３２】  次に、本発明の水晶ユニットの製造方法について述べる。まず、実施例１の図１で述べたように、幅縦水晶振動子の厚み方向を電気軸ｘ軸方向に、幅方向を機械軸ｙ軸方向に、長さ方向をｚ軸方向にそれぞれ一致させ、前記幅縦水晶振動子を最初に厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、次に、幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させるか、又は、前記幅縦水晶振動子を最初に幅方向の軸を回転軸として角度θｙ回転させ、次に、厚み方向の軸を回転軸として角度θｘ回転させ、前記角度θｘと前記角度θｙがそれぞれθｘ＝−２５°〜＋２５°、θｙ＝−３０°〜＋３０°を有すると同時に、前記幅縦水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成され、前記接続部は少なくとも第一接続部と第二接続部が設けられていて、前記振動部の幅寸法は長さ寸法より小さく、厚み寸法より大きい幅縦水晶振動子が水晶板から粒子法により形成される。
【００３３】  次に、振動部の上下面には極性の異なる少なくとも一対の電極が対抗して配置される。（図２、図３、図４と図６参照）。更に詳細には、幅縦モードの対称モードでは、ｎ対の電極（ｎ：奇数）が、非対称モードでは、ｍ対の電極（ｍ：偶数）が配置される。本粒子法による加工では水晶ウエハ内に一度に多数の振動子が形成される。それ故、最初の周波数調整はウエハの状態で行われ、基準周波数に対して、−９０００ｐｐｍ〜＋５０００ｐｐｍの範囲内にあるように周波数が調整される、及び／又はウエハの状態で良振動子か不良振動子かの検査が行われる。もし不良振動子が存在するときには、不良振動子はマーキングされるか、又はウエハから取り除かれるか、又はコンピュターに記憶される。更に、幅縦水晶振動子はケース、又は、蓋に接着材や半田等で固定部に固定される。その後に、２回目の周波数調整が最初の周波数調整と同じ方法であるイオンエッチング法（スパッタリング法）、又は蒸着法、又はレーザ法によって行われる。本工程では、出力される発振の周波数偏差が基準周波数に対して−１００ｐｐｍ〜＋１００ｐｐｍの範囲内にあるように発振周波数が調整される。
【００３４】  最後に、ガラスやセラミック等からなる前記ケースとガラスや金属からなる前記蓋が接合部材（金属やガラス）を介して真空中あるいは窒素の雰囲気中で接合される。本実施例では、ウエハの状態で周波数調整をしているが、この周波数調整は省略してもよく、幅縦水晶振動子をケース又は、蓋に接着材や半田等で固定した後に周波数調整をしても良い。そして、その時の周波数偏差が振動子の基準周波数に対して通常は＋／−１００ｐｐｍ以内になるように、発振周波数は調整される。また、ケースあるいは蓋に穴を設けて、当該ケースと当該蓋とを接合部材を介して接合した後に、周波数を調整（基準周波数に対して、−９５０ｐｐｍ〜＋９５０ｐｐｍの範囲内にある）して、その後にこの穴を真空中で金属やガラスを用いてレーザ、又は赤外線で封止し、更に、封止後に発振周波数が基準周波数に対して、−５０ｐｐｍ〜＋５０ｐｐｍの範囲内にあるように周波数をレーザにて調整しても良い。
【実施例１の水晶発振器】
【００３５】  図１０は本発明の実施例１の水晶発振器を構成する水晶発振回路図の一例である。本実施例では、水晶発振回路１８１は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）１８２、帰還抵抗１８４、ドレイン抵抗１８７、コンデンサー１８５，１８６と輪郭水晶振動子１８３から構成されている。即ち、水晶発振回路１８１は、増幅器１８２と帰還抵抗１８４から成る増幅回路１８８とドレイン抵抗１８７、コンデンサー１８５，１８６と輪郭水晶振動子１８３から成る帰還回路１８９から構成されている。詳細には、本実施例の水晶発振器は、増幅回路１８８と帰還回路１８９から構成され、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輪郭水晶振動子とコンデンサーから構成されている。又、本実施例の水晶発振器に用いられる輪郭水晶振動子については既に実施例１から実施例７の水晶ユニットの説明で詳述されている。
【００３６】  図１１は図１０の帰還回路図を示す。今、輪郭水晶振動子の角周波数ωｉ、ドレイン抵抗１８７の抵抗をＲｄ、コンデンサー１８５、１８６の容量をＣｇ、Ｃｄ、水晶のクリスタルインピーダンスをＲｅｉ、帰還回路のドレイン側の入力電圧をＶ１，ゲート側の出力電圧をＶ２とすると、帰還率βｉはβｉ＝｜Ｖ２｜ｉ／｜Ｖ１｜ｉで定義される。但し、ｉは輪郭モード振動の振動次数を表す。例えば、ｉ＝１のとき、基本波モード振動（１次高調波モード振動）、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。即ち、ｉ＝ｎのとき、ｎ次高調波モード振動である。ここでは、単にｎ次モード振動と言う。又、ｎ対の電極構成で、ｎ次モードで振動する輪郭モード振動（例えば、幅縦モード振動、又はラーメモード振動、又は長さ縦モード振動）を主振動と言い、主振動と同じモードで振動し、主振動以外の輪郭モード振動を副振動と言う。又、主振動は他の振動モードと結合しない単一モードの振動子である。更に、負荷容量ＣＬはＣＬ＝ＣｇＣｄ／（Ｃｇ＋Ｃｄ）で与えられ、Ｃｇ＝Ｃｄ＝ＣｇｄとＲｄ＞＞Ｒｅｉとすると、帰還率βｉはβｉ＝１／（１＋ｋＣＬ２）で与えられる。但し、ｋはωｉ、Ｒｄ、Ｒｅｉの関数で表される。又、Ｒｅｉは近似的に等価直列抵抗Ｒｉに等しくなる。このように、帰還率βｉと負荷容量ＣＬとの関係から、負荷容量ＣＬが小さくなると、ｎ次モード振動の共振周波数の帰還率はそれぞれ大きくなる。
【００３７】  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ＣＬは３０ｐＦ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、ＣＬ＝２０ｐＦ以下が好ましい。又、副振動の周波数を抑え、ｎ対の電極構成で主振動がｎ次モードの振動する発振器の出力信号が主振動の発振周波数を得るために、αｎ／αｆ＞βｆ／βｎとαｎβｎ＞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。好ましくは、αｎ／αｆ＞１．１２を満たすように構成される。但し、αｎ、αｆは主振動と副振動の増幅回路の増幅率で、βｎ、βｆは主振動と副振動の帰還回路の帰還率である。換言するならば、増幅回路の主振動の増幅率αｎと副振動の増幅率αｆとの比が帰還回路の副振動の帰還率βｆと主振動の帰還率βｎとの比より大きく、かつ、主振動の増幅率αｎと主振動の帰還率βｎの積が１より大きくなるように構成される。即ち、消費電流の少ない、出力信号が主振動の発振周波数である水晶発振器が実現できる。又、出力信号はバッファ回路を介して出力される。
【００３８】  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−ＲＬｉ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（１次モード振動）の負性抵抗で、ｉ＝ｎのときｎ次モード振動の負性抵抗である。即ち、ｎ＝２，３，４，５・・・・のとき、２次、３次、４次、５次・・・モード振動の負性抵抗の値である。本実施例の水晶発振器は、増幅回路の主振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｎ｜と主振動の等価直列抵抗Ｒｎとの比が増幅回路の副振動の負性抵抗の絶対値｜−ＲＬｆ｜と副振動の等価直列抵抗Ｒｆ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、｜−ＲＬｎ｜／Ｒｎ＞｜−ＲＬｆ｜／Ｒｆを満足するように回路は構成されている。好ましくは、｜−ＲＬｎ｜／Ｒｎ＞１．１２と｜−ＲＬｆ｜／Ｒｆ＜１を満たすように構成される。このように水晶発振回路を構成することにより、副振動の発振起動が抑えられ、その結果、主振動の発振起動が得られるので主振動の発振周波数が出力信号として得られる。同時に、消費電流の少ない水晶発振器が実現できる。
【００３９】  また、輪郭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Ｍｉは品質係数Ｑｉ値と容量比ｒｉとの比（Ｑｉ／ｒｉ）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次モード振動、ｉ＝３のとき３次モード振動）、輪郭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ｆｓと並列容量に依存する直列共振周波数ｆｒの周波数差ΔｆはフイガーオブメリットＭｉに反比例し、その値Ｍｉ大きい程Δｆは小さくなる。従って、Ｍｉが大きい程、輪郭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、輪郭水晶振動子の周波数安定性は良くなる。即ち、時間精度の高い輪郭水晶振動子が得られる。
【００４０】  詳細には、前記した輪郭水晶振動子の振動子形状と電極と振動子寸法の構成により、ｎ対の電極構成によって、主振動がｎ次モードで振動する輪郭水晶振動子のフイガーオブメリットＭｎが副振動のフイガーオブメリットＭｆより大きくなる。即ち、Ｍｎ＞Ｍｆとなる。本発明の輪郭水晶振動子では、通常、Ｍｎは４５より大きく、Ｍｆは３２以下になるように振動部の電極は構成、配置される。但し、Ｍｎは主振動のフイガーオブメリットである。その結果、主振動の周波数安定性が副振動の周波数安定性より良くなると共に、副振動を抑圧することができる。従って、上記実施例の輪郭水晶振動子から構成される水晶発振器は主振動の発振周波数が出力信号として得られ、かつ、高い周波数安定性（優れた時間精度）を有する。尚、本発明の輪郭水晶振動子は幅縦水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子が用いられる。又、同じ振動モードで振動する輪郭水晶振動子の主振動の等価直列抵抗Ｒｎは副振動の等価直列抵抗Ｒｆより小さい。
【実施例２の水晶発振器】
【００４１】  図１２は本発明の実施例２の水晶発振器を示す構成図である。発振器は増幅器（ＣＭＯＳインバータ）１５０、帰還抵抗１５１、ドレイン抵抗１５２、ゲート側のコンデンサ１５３、ドレイン側のコンデンサ１５４、１５８、輪郭水晶振動子１５５、バラクタダイオード１５６、抵抗１５９と可変電圧１５７とを具えて構成されている。輪郭水晶振動子１５５は実施例１から実施例７の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子が用いられる。本実施例の水晶発振器では、可変電圧１５７によってバラクタダイオード１５６の容量を変化させ、周波数を可変できるいわゆる電圧制御型の水晶発振器、ＶＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）である。また、本実施例では、水晶発振器は輪郭水晶振動子１５５を具えているが、輪郭水晶振動子は水晶ユニットの中に収納されている。あるいは、前記構成要素の全部又は一部が水晶ユニットに収納されていても良い。
【実施例３の水晶発振器】
【００４２】  図１３は本発明の実施例３の水晶発振器を示す構成図である。本実施例の水晶発振器は輪郭水晶振動子１６０を具えて構成される水晶発振回路１６２と温度補償回路１６１から構成されている。通常、温度補償回路は、ダイオード、コンデンサ、抵抗素子等から構成されている。図１４には図１２の水晶発振器の周波数温度特性１６３と温度補償回路１６１によって補正された周波数温度特性１６４を示す。図１４から明らかなように、周波数温度特性が改善できることが分かる。更に、図１２のバラクタダイオードと可変電圧を含む回路と温度補償回路とを一緒に構成することにより、電圧制御、温度補償型水晶発振器、いわゆるＶＣＴＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が構成できる。
【００４３】  更に、本発明の輪郭水晶振動子として幅縦水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子が用いられる。特に、ラーメ水晶振動子は振動部と接続部と支持部とを具えて構成されていて、振動部の対角する位置の２つの角に各々１個の接続部が接続され、接続部を介して振動部と支持部は接続されている。又、接続部の幅と長さとの比が０．０５〜１．５の範囲内に、好ましくは、０．０５〜１．０の範囲内にある。加えて、振動部の一辺と接続部は大略１３５°の角度を有する。更に、支持部の形状は実施例１の水晶ユニットで述べた幅縦水晶振動子の支持部の形状と同じ形状をしている。更に詳述するならば、支持部は振動部の一つの対角線上に２個設けられていて、ラーメ水晶振動子は各々の支持部のマウント部（固定部）がケース、又は蓋に接着剤、又は半田によってマウントされる。また、振動部の上下面には互いに極性の異なる一対の電極が配置されて、上面の電極は一方の支持部のマウント部まで延在して配置され、下面の電極は他方の支持部のマウント部まで延在して配置されている。即ち、２電極端子を構成している。更に、ラーメ水晶振動子を駆動する圧電定数ｅ′２１、ｅ′２３の絶対値は０．４１〜１．２Ｃ／ｍ２の範囲内にある。と同時に、ｅ′２１とｅ′２３は符号が反対で、絶対値は大略同じ値を持つ。
【００４４】  以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の実施例に限定されるものではなく、例えば、本発明の輪郭水晶振動子の支持部の形状は実施例１から実施例５で述べた形状に限定されるものでなく、本発明の支持部の形状は、接続部を介して振動部と接続されるいかなる形状をも包含するものである。更に、本発明の水晶ユニットは少なくとも１個の輪郭水晶振動子、例えば、幅縦水晶振動子、又は長さ縦水晶振動子、又はラーメ水晶振動子を収納していれば良く、本発明の幅縦水晶振動子と音叉型屈曲水晶振動子を一緒に水晶ユニットに収納しても良い。又、前記実施例１、２、３の水晶発振器は少なくとも増幅器としてＣＭＯＳインバータ、抵抗として帰還抵抗、コンデンサとしてゲート側のコンデンサとドレイン側のコンデンサと輪郭水晶振動子とを具えて構成されていれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】  本発明の水晶ユニットと水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に、超小型で、高い周波数安定性を必要とする携帯機器や民生機器等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の輪郭水晶振動子の一つである幅縦水晶振動子の形成に用いる水晶板のカット角とその座標系との関係である。
【図２】本発明の実施例１の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と側面図（ｂ）である。
【図３】本発明の実施例２の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図４】本発明の実施例３の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図５】上記実施例１から実施例３の幅縦水晶振動子の周波数温度特性の一例を示す線図である。
【図６】本発明の実施例４の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図（ａ）と下面図（ｂ）である。
【図７】本発明の実施例５の水晶ユニットに収納される幅縦水晶振動子の上面図である。
【図８】本発明の実施例６の水晶ユニットの断面図である。
【図９】本発明の実施例７の水晶ユニットの断面図である。
【図１０】本発明の実施例１の水晶発振器を示す。
【図１１】図１０の帰還回路図である。
【図１２】本発明の実施例２の水晶発振器を示す。
【図１３】本発明の実施例３の水晶発振器を示す。
【図１４】図１２の水晶発振器の周波数温度特性の一例と図１３の温度補償回路によって補正された周波数温度特性の一例を示す。
【図１５】ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子の上面図である。
【図１６】ＮＳ−ＧＴカット幅・長さ縦結合水晶振動子の側面図である。
【符号の説明】
【００４７】ｘ，ｙ，ｚ  水晶の電気軸，機械軸，光軸
Ｗ０  振動部の幅
Ｌ０  振動部の長さ
Ｔ０  振動部の厚み
θｘ，θｙ  角度
【図１】
2005094726.tif 000003
【図２】
2005094726.tif 000004
【図３】
2005094726.tif 000005
【図４】
2005094726.tif 000006
【図５】
2005094726.tif 000007
【図６】
2005094726.tif 000008
【図７】
2005094726.tif 000009
【図８】
2005094726.tif 000010
【図９】
2005094726.tif 000011
【図１０】
2005094726.tif 000012
【図１１】
2005094726.tif 000013
【図１２】
2005094726.tif 000014
【図１３】
2005094726.tif 000015
【図１４】
2005094726.tif 000016
【図１５】
2005094726.tif 000017
【図１６】
2005094726.tif 000018