(57)【要約】【課題】  外部から圧力を印加する場合のみならず、励振電力を変化させる場合であっても、共振周波数や共振抵抗値の変化の小さい小型で高精度の音叉型水晶振動片の形状寸法決定方法、音叉型水晶振動片及び音叉型水晶振動子を提供する。【解決手段】  音叉型水晶振動片をケースに組み込んで音叉型水晶振動子とし、外部から所定の圧力を加えて共振周波数及び共振抵抗値の変化率を評価する耐圧特性評価工程と、基準励振電力を含む所定範囲の励振電力を供給して共振周波数及び共振抵抗値の変化率を評価するドライブレベル特性評価工程とを行い、双方の特性評価を同時に満足する基部の長さと振動腕の厚みとを有する音叉型水晶振動片とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉型水晶振動子に組み込まれ、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕とを備える音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法であって、
前記音叉型水晶振動子のケースに外部から所定の圧力を加えたとき、共振周波数の変化率が第１の規格値に入っているか否かを評価すると共に、共振抵抗値の変化率が第２の規格値に入っているか否かを評価する耐圧特性評価工程と、
前記音叉型水晶振動子の接続端子に、基準励振電力を含む所定範囲の励振電力を供給したとき、前記励振電力の範囲内において共振周波数の変化率が第３の規格値に入っているか否かを評価すると共に、共振抵抗値の変化率が第４の規格値に入っているか否かを評価するドライブレベル特性評価工程とを行い、
前記耐圧特性評価工程における評価と前記ドライブレベル特性評価工程おける評価とを同時に満足するように、前記振動腕の突出方向における前記基部の長さＬ１及び／又は前記振動腕の厚みｔを決定することを特徴とする音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法。
【請求項２】
前記耐圧特性評価工程及び前記ドライブレベル特性評価工程は、前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜を形成してから該音叉型水晶振動片を前記音叉型水晶振動子に組み込んで評価する工程と、前記保護膜を形成することなく組み込んで評価する工程とに、それぞれ分かれていることを特徴とする請求項１に記載の音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法により、前記基部の長さＬ１及び／又は前記振動腕の厚みｔが決定されていることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項４】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０５５≦Ｌ１≦１１０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略４０（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項３に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項５】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１１０５、
１１５＜ｔ≦１２５であり、
共振周波数が略４０（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項３に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項６】
前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項７】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１３０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略６０（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項８】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１１９５≦Ｌ１≦１３０５、
１１５＜ｔ≦１２５であり、
共振周波数が略６０（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項９】
前記振動腕の幅Ｗ１μｍが、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１０】
前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜が形成され、
前記基部の長さＬ１（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１４０５
の範囲に上限が拡大されていることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１１】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１１９５≦Ｌ１≦１３０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略６８．５（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項３に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１２】
前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であることを特徴とする請求項１１に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１３】
前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
９９５≦Ｌ１≦１１０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略７７．５（ｋＨｚ）であることを特徴とする請求項３に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１４】
前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であることを特徴とする請求項１３に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項１５】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０５５≦Ｌ１≦１１０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略４０（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項１６】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１１０５、
１１５≦ｔ≦１２５であり、
共振周波数が略４０（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項１７】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１３０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略６０（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項１８】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１１９５≦Ｌ１≦１３０５、
１１５≦ｔ≦１２５であり、
共振周波数が略６０（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項１９】
前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜が形成され、
前記基部の長さＬ１（μｍ）が、
１０９５≦Ｌ１≦１４０５
の範囲に上限が拡大されていることを特徴とする請求項１７又は請求項１８のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動片。
【請求項２０】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
１１９５≦Ｌ１≦１３０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略６８．５（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項２１】
基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、
その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、
１８５≦Ｗ１≦２０５
であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、
９９５≦Ｌ１≦１１０５、
１０５≦ｔ≦１１５であり、
共振周波数が略７７．５（ｋＨｚ）であることを特徴とする音叉型水晶振動片。
【請求項２２】
請求項３乃至請求項２１のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動片を密閉容器内に備えたことを特徴とする音叉型水晶振動子。
【請求項２３】
直径２ｍｍ〜２．５ｍｍのシリンダ型ケースと、
該ケースに収納される音叉型水晶振動片と、を備え、
前記音叉型水晶振動片は、共通基部及び該共通基部から平行に突出する２対の振動腕を備えることを特徴とする音叉型水晶振動子。
【請求項２４】
前記音叉型水晶振動片は、３本のリードを有する気密端子に電気的に接続され、
前記３本のリードのうち１本のリードは、前記２対の振動腕のそれぞれの一方の電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項２３に記載の音叉型水晶振動子。
【請求項２５】
請求項２２乃至請求項２４のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
【請求項２６】
請求項２２乃至請求項２４のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
【請求項２７】
請求項２２乃至請求項２４のいずれか１項に記載の音叉型水晶振動子を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法、音叉型水晶振動片、音叉型水晶振動子、及び該音叉型水晶振動子を備えた電波時計、発振器、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波時計においては、４０ｋＨｚ、６０ｋＨｚ、６８．５ｋＨｚ、７７．５ｋＨｚなどの搬送波が用いられるために、フィルタ部には、２本の平行な振動腕を持つ音叉型の水晶振動片を用いた圧電振動子が用いられている。その圧電振動子のパッケージには、外径が約２ｍｍのシリンダ型パッケージが慣用されているため、シリンダ型パッケージ音叉型水晶振動子と呼ばれている。
【０００３】
ここで、シリンダ型パッケージの音叉型水晶振動子に関して、図を参照して簡潔に説明する。図１４は、シリンダ型パッケージ音叉型水晶振動子Ｐの構造を説明するための分解斜視図である。
図１４に示すように、水晶振動片１０１の表面には金属膜からなる励振電極が形成されている。励振電極は水晶振動片１０１の基部の基端側に形成された接続用の電極１０２に電気的に接続されている。この接続用の電極１０２はマウントパッドとも呼ばれ、保持器と成る気密端子１０３の１対のリード１０４に電気的に接続される。リード１０４の反対側には、シリンダ型という表現の元である有底円筒型のケース１０６が被せられる。ケース１０６は金属材料にて形成されており、水晶振動片１０１を覆うように気密端子１０３のステム１０５と真空中で冷間圧入されて、真空気密封止を実現している。
シリンダ型パッケージ音叉型水晶振動子Ｐは上述のように構成され、真空に密封された水晶振動片１０１の励振電極は、リード１０４の気密空間を形成する側（インナーリードと称する）に接続されており、リード１０４を介して外部回路接続側（アウターリードと称する）で外部回路と電気的に接続することが可能となっている。外部回路は交流電圧による所定の励振電力を供給できる回路である。この励振電力をリード１０４を介して励振電極に供給することにより、水晶振動片１０１は屈曲モードで所定の周波数で発振する。
【０００４】
前記水晶振動片１０１は、金属材料からなるケース１０６に内蔵されるため、ケース１０６に接触して起きる電気的なショートの発生や、機械的に拘束されて発振が停止すること等がないように、空間的な余裕を持って配置される必要がある。外径が２ｍｍのケース１０６の場合には、水晶振動片１０１は、長さが最大４１００μｍ、幅が最大１２００μｍといった制約がある。前記２ｍｍのケースに用いられる代用的な水晶震振動片の寸法例としては、その共振周波数が３２．７６８ｋＨｚの場合では、全長Ｌが３５４４μｍで、基部の幅Ｗは６７４μｍものが採用されていた。
【０００５】
しかしながら電波時計では、例えば４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの搬送波の組み合わせのように、複数の搬送波に対応できるように、互いに周波数の異なる複数の振動子を組み込む場合がある。このような場合、例えば腕時計のような小さな時計ケーシング内では、水晶振動子搭載空間の占める割合が増加してしまい、腕時計自体を大型化させる要因となってしまう。このため、個々の水晶振動子を小型化する必要があり、外径２ｍｍの寸法を大幅に縮小した、例えば外径１．２ｍｍのシリンダ型パッケージの出現が待たれている。このような要求に応えるべく、シリンダ型パッケージ音叉型水晶振動子Ｐを小型化するには、当然に、ケース１０６内に内蔵される音叉型の水晶振動片１０１も小型化する必要がある。例えば、外径が約１．２ｍｍのシリンダ型のケース１０６に空間的な余裕を持って内蔵するためには、水晶振動片１０１は、長さが最大３３００μｍ、幅が最大６００μｍという制約を受ける。
【０００６】
このような小型の音叉型水晶振動片の製造方法に関して、水晶ウエハに複数の振動片の外形形状をエッチング加工によって形成する方法が知られている。そして、そのエッチング加工を施して形成された水晶振動片の特定の部位の寸法関係が、水晶振動片の特性に影響を与えることが知られている。特に、水晶振動子として組み立てた後の、外部からの印加圧力や衝撃力に対する共振周波数や共振抵抗の変化という耐圧特性に影響を与えることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１によれば、音叉型水晶振動片の腕部の間隔Ｄと、股部の音叉型の長さ方向のエッチング残りをＨとした時に、Ｄ／Ｈを６から１４の範囲内に設定することで、耐圧特性に優れた水晶振動片を製造できるとしている。すなわち、外部からの印加圧力、衝撃力に対して振動子の周波数変化と共振抵抗値の変化が少なくできるとしている。
【特許文献１】特開平５−３０８２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、水晶振動片の寸法を格段に縮小し、長さが最大３３００μｍ、幅が最大６００μｍという制約を満たすようにする場合には、特許文献１に記載された技術で上記のＤ／Ｈの値だけを満足させても、音叉型水晶振動子としての安定性を満足させることができないことが明らかになってきた。
例えば、耐圧特性を計測するための励振電力を変化させる場合や、水晶振動片に極性の異なる励振電極間の微小な間隙における異物による短絡を防止するための絶縁性の保護膜を形成する場合には、水晶振動子の共振周波数や共振抵抗値が所定の値以上の変化を引き起こす場合が出てくることがわかった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、外部から圧力を印加する場合のみならず、励振電力を変化させる場合であっても、共振周波数や共振抵抗値の変化の小さい小型で高精度の音叉型水晶振動片の形状寸法決定方法、音叉型水晶振動片及び音叉型水晶振動子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、前記課題を解決するために、以下の構成を採用した。
１）音叉型水晶振動子に組み込まれ、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕とを備える音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法であって、
前記音叉型水晶振動子のケースに外部から所定の圧力を加えたとき、共振周波数の変化率が第１の規格値に入っているか否かを評価すると共に、共振抵抗値の変化率が第２の規格値に入っているか否かを評価する耐圧特性評価工程と、前記音叉型水晶振動子の接続端子に、基準励振電力を含む所定範囲の励振電力を供給したとき、前記励振電力の範囲内において共振周波数の変化率が第３の規格値に入っているか否かを評価すると共に、共振抵抗値の変化率が第４の規格値に入っているか否かを評価するドライブレベル特性評価工程とを行い、前記耐圧特性評価工程における評価と前記ドライブレベル特性評価工程おける評価とを同時に満足するように、前記振動腕の突出方向における前記基部の長さＬ１及び／又は前記振動腕の厚みｔを決定することを特徴とする。
本発明によれば、パッケージに外部から所定値の圧力を加える場合と、音叉型水晶振動子の接続端子に規格電力を含む所定範囲の電力を変化させた場合との、双方の局面から評価しているので、安定した振動特性が得られるかどうかを高精度で評価することができる。
【００１０】
２）更に、前記耐圧特性評価工程及び前記ドライブレベル特性評価工程は、前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜を形成してから該音叉型水晶振動片を前記音叉型水晶振動子に組み込んで評価する工程と、前記保護膜を形成することなく組み込んで評価する工程とに、それぞれ分かれていることを特徴とする音叉型水晶振動片の形状パラメータ決定方法とした。
このようにすることで、水晶振動片の表面に保護膜を形成する場合と、形成しない場合とを評価するので、より厳密な評価を行うことができる。
【００１１】
３）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により、前記基部の長さＬ１及び／又は前記振動腕の厚みｔが決定されている音叉型水晶振動片とした。
これにより、適切な範囲で基部長さと水晶振動片の厚みが得られるので、安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００１２】
４）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０５５≦Ｌ１≦１１０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略４０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔを設定することで、共振周波数が略４０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００１３】
５）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１１０５、１１５＜ｔ≦１２５であり、共振周波数が略４０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように更に広い範囲の基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔが設定されることで、共振周波数が略４０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片をより得やすくできる。
【００１４】
６）本発明は、前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５である共振周波数が略４０（ｋＨｚ）の音叉型水晶振動片とした。
【００１５】
７）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１３０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略６０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔを設定することで、共振周波数が略６０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００１６】
８）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１１９５≦Ｌ１≦１３０５、１１５＜ｔ≦１２５であり、共振周波数が略６０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように更に広い範囲の基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔが設定されることで、共振周波数が略６０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片をより得やすくできる。
【００１７】
９）本発明は、前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５である共振周波数が略６０（ｋＨｚ）の音叉型水晶振動片とした。
【００１８】
１０）本発明は、前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜が形成され、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１４０５の範囲に上限が拡大されている、共振周波数が略６０（ｋＨｚ）の音叉型水晶振動片とした。
保護膜の厚みが十分管理される条件では、本方法により設定した基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔで、共振周波数が略６０ｋＨｚの水晶振動片を得ることができる。
【００１９】
１１）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１１９５≦Ｌ１≦１３０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略６８．５（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔを設定することで、共振周波数が略６８．５ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００２０】
１２）本発明は、前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５である共振周波数が略６８．５ｋＨｚの音叉型水晶振動片とした。
【００２１】
１３）本発明は、前記形状パラメータ決定方法により決定された前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、９９５≦Ｌ１≦１１０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略７７．５（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔを設定することで、共振周波数が略７７．５ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００２２】
１４）本発明は、前記振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５である共振周波数が略７７．５（ｋＨｚ）の音叉型水晶振動片とした。
【００２３】
１５）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０５５≦Ｌ１≦１１０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略４０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように振動腕の幅Ｗ１と基部長Ｌ１と振動腕の厚みの範囲が指定されることで、共振周波数が略４０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００２４】
１６）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１１０５、１１５≦ｔ≦１２５であり、共振周波数が略４０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように更に基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔの広い範囲が指定されることで、共振周波数が略４０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片がより得やすくなる。
【００２５】
１７）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１３０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略６０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように振動腕の幅Ｗ１と基部長Ｌ１と振動腕の厚みの範囲が指定されることで、共振周波数が略６０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００２６】
１８）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１１９５≦Ｌ１≦１３０５、１１５≦ｔ≦１２５であり、共振周波数が略６０（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように更に基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔの広い範囲が指定されることで、共振周波数が略６０ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片がより得やすくなる。
【００２７】
１９）本発明は、前記音叉型水晶振動片の表面に絶縁性の保護膜が形成され、前記基部の長さＬ１（μｍ）が、１０９５≦Ｌ１≦１４０５の範囲に上限が拡大されている共振周波数が略６０ｋＨｚの音叉型水晶振動片とした。
保護膜の厚みが十分管理される条件では、本方法により設定した基部長Ｌ１と振動腕の厚みｔで、共振周波数が略６０ｋＨｚの水晶振動片を得ることができる。
【００２８】
２０）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、１１９５≦Ｌ１≦１３０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略６８．５（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように振動腕の幅Ｗ１と基部長Ｌ１と振動腕の厚みの範囲が指定されることで、共振周波数が略６８．５ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００２９】
２１）本発明は、基部と、該基部から平行に突出する１対の振動腕を有する音叉型水晶振動片であって、その音叉型水晶振動片の振動腕の幅Ｗ１（μｍ）が、１８５≦Ｗ１≦２０５であり、前記基部の長さＬ１（μｍ）及び／又は前記振動腕の厚みｔ（μｍ）が、９９５≦Ｌ１≦１１０５、１０５≦ｔ≦１１５であり、共振周波数が略７７．５（ｋＨｚ）である音叉型水晶振動片とした。
このように振動腕の幅Ｗ１と基部長Ｌ１と振動腕の厚みの範囲が指定されることで、共振周波数が略７７．５ｋＨｚの安定した振動を持続可能な水晶振動片を得ることができる。
【００３０】
２２）本発明は、前記いずれかの音叉型水晶振動片を密閉容器内に備えた音叉型水晶振動子とした。
本発明によれば、上記のような寸法に設定しているため、例えば、直径が１．２ｍｍのような小型のシリンダ型パッケージに内蔵することができ、かつ、安定した振動特性が得られる。
【００３１】
２３）本発明は、直径２ｍｍ〜２．５ｍｍのシリンダ型ケースと、該ケースに収納される音叉型水晶振動片とを備え、前記音叉型水晶振動片は、共通基部及び該共通基部から平行に突出する２対の振動腕を備える音叉型水晶振動子とした。
本発明によれば、一つのシリンダ型ケースに、基部を共通とする２対の振動腕を形成しているので、基部と１対の振動腕とからなる振動片を一つずつケースに収納する場合に比べて、パッケージ数を減らすことができるとともに、省スペース化も実現できる。
【００３２】
２４）本発明は、前記音叉型水晶振動片は、３本のリードを有する気密端子に電気的に接続され、前記３本のリードのうち１本のリードは、前記２対の振動腕のそれぞれの一方の電極に電気的に接続されている音叉型水晶振動子とした。
この場合、一つのリードを共通にしているので、部品点数の削減並びに電気回路構成の簡略化を図ることができる。
【００３３】
また、本発明は、前記音叉型水晶振動子がフィルタ部に電気的に接続されている電波時計とした。
また、本発明は、前記音叉型水晶振動子が発振子として集積回路に電気的に接続されている発振器とした。
また、本発明は、前記音叉型水晶振動子を備える電子機器とした。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、外部から圧力を印加する場合のみならず、励振電力を変化させる場合や水晶振動片に絶縁性の保護膜を形成する場合であっても、共振周波数や共振抵抗値の変化の小さい小型で高精度の音叉型水晶振動片及び音叉型水晶振動子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、音叉型水晶振動片の形状パラメータの決定方法について、図１のフローチャートに沿って説明し、その後４０ｋＨｚの振動片について具体的に説明を行う。図１のフローチャートを説明する前に、水晶振動片の各部の名称と符号について図２を参照して説明する。
図２は、音叉型水晶振動片の形状パラメータを説明するための外形形状を示す平面図である。励振電極などは省略して描いてある。ここで、符号３で示される部位は、基部と呼ばれる。基部の基端側は、図１４に示されるように、インナーリードに接続する領域である。基部の幅はＷで示され、また基部の長さ（基部長）はＬ１で表示されている。基部の非基端側から、１組の振動腕２が突出して形成されており、その長さをＬ２、振動腕の幅をＷ２で表す。振動腕の断面は、長方形であり、その厚みはｔである。尚、本発明では、水晶振動片の厚みは、基部においても同一とする。
【００３６】
さて、図１は、本発明に係る音叉型水晶振動片の形状パラメータの決定手順を示すフローチャートである。各工程の詳細は後述する。
１）ステップ１（Ｓ１）は、水晶振動片の全長Ｌと基部幅Ｗの最大範囲の決定である。これらは、水晶振動片を収納する気密容器の内部の空間によって制約される。
２）ステップ２（Ｓ２）は、水晶振動片の振動腕の長さＬ２と振動腕の幅Ｗ１等の寸法の決定である。特に、前記Ｌ２とＷ１が、音叉型水晶振動子の共振周波数を略満たすように決定する。
３）ステップ３（Ｓ３）は、基部長Ｌ１の範囲の算出である。ステップ１で、最大長が求められているので、基部長Ｌ１を、（Ｌ１＋Ｌ２）がＬを越えないように複数設定する。
４）ステップ４（Ｓ４）は、水晶振動片の厚みｔの範囲の決定である。水晶片の厚みｔは、共振周波数に直接影響しないので、厚みの範囲は、まず、水晶振動子の製造工程の事情を配慮して行う。量産上実用可能な数種類の厚みのウエハを選択する。
以上のステップ１からステップ４は、試作の前に机上で検討される事項である。上記ステップにより試作の水準が絞り込まれ、これに基づいて、外径のエッチング加工に必要なマスクと励振電極形成用マスクなどが準備される。続いて、以下のステップを行う。
【００３７】
５）ステップ５（Ｓ５）は、実際に試作を行い、耐圧特性評価を行う工程である。即ち、選択した数種類の厚みのウエハを用いて、前記ステップ２とステップ３で決めた諸寸法の水晶振動片を作成する。通常は、1つの厚みのウエハの中に、水準を振った多数の水晶振動片を形成する。ただし、水晶振動片には、保護膜を形成しない。前記水晶振動片を気密端子に接続し、周波数調整を実施（後述する）し、その後ケースを真空中で圧入し、シリンダ型パッケージの水晶振動子に仕上げる。このように準備した各水準の水晶振動子サンプルの耐圧特性評価工程を行う。
６）ステップ６（Ｓ６）は、ステップ５で試作した水晶振動子サンプルに対して、ドライブレベル特性評価を行う工程である。
上記ステップ５とステップ６の両者を満足する水晶振動片の基部長Ｌ１と振動片の厚みｔの範囲が、保護膜を形成しない場合の、安定して振動を持続できる水晶振動片の形状パラメータである。
【００３８】
７）ステップ７（Ｓ７）は、水晶振動片に保護膜を形成した場合の耐圧特性評価を行う工程である。即ち、ステップ５）では、水晶ウエハ上の形成された水晶振動片には、保護膜が形成されていないが、本ステップ７では、さらに保護膜を形成した水晶振動片を用いてシリンダ型パッケージの水晶振動子に仕上げる。その後、試作した各水準の水晶振動子サンプルの耐圧特性評価を行う。
８）ステップ８（Ｓ８）は、ステップ７で試作した水晶振動子サンプルに対してドライブレベル特性評価を行う工程である。
９）ステップ９は、基部長Ｌ１と振動片の厚みｔの決定工程である。ここでは、ステップ５からスッテプ８までの結果を勘案して、基部長Ｌ１と振動片の厚みｔの最適な範囲を決定する。即ち、ステップ５からステップ８までに実施した耐圧特性評価及びドライブレベル特性評価での、各評価を満たす基部長Ｌ１と振動片の厚みｔの各範囲の共通範囲を、好ましい範囲として最終的に決定し、この範囲を設計に採用する。
【００３９】
従来の方法では、上記のステップ１からステップ５までの工程を実施することで十分であった。そして、ステップ３における基部長の長さの選定においても、寸法を細かに設定する必要はなく、２、３の数値で確認すれば十分であった。これは、前述のように、水晶振動片の寸法に余裕があり基部長Ｌ１を十分長くすることで、耐圧特性の調整が容易であったことによっている。そして、水晶振動片の寸法に余裕がったので、励振電極の異極となるパターンの距離が比較的広く、保護膜の形成が不要であったこと、さらに、ドライブレベル特性が問題となるような音叉型水晶振動子の使用方法が求められなかったことによる。
安定した振動を持続できる小型の音叉型水晶振動片の実現においては、各寸法の縮小により、寸法の余裕度が減少するために、振動子の特性が寸法の変化に敏感になることを勘案して、より慎重なパラメータの決定方法が必要になる。スッテプ３においても細かな基部長の寸法設定をするとともに、従来のステップ１から５に加え、ステップ６からステップ９までを新たに加えて、保護膜なしのドライブレベル特性の評価だけでなく、さらに、保護膜を形成した場合の耐圧特性とドライブレベル特性を評価する。これによって、安定した振動を持続できるもっとも好ましい範囲の基部長Ｌ１と振動片の厚みｔを選択できる。
【００４０】
以下、本発明の第１の実施の形態である水晶振動子について、図面を参照しながら説明する。第１の実施の形態では、共振周波数として４０ｋＨｚの水晶振動子の小型化に好適な、水晶振動片の形状およびその評価方法について説明する。説明の前に、その前提となる、耐圧特性とドライブレベル特性、及び保護膜の形成、並びにその他の形状パラメータの決定方法についてそれぞれ説明する。
【００４１】
―耐圧特性―
水晶振動子の耐圧特性について、図１を参照して説明する。図１は、水晶振動子の耐圧特性の測定方法を説明するための模式図である。
図１に示すように、水晶振動子の耐圧特性は、水晶振動片が組み込まれたシリンダ型パッケージの水晶振動子ＰのケースＣに所定の静荷重を印加した場合と、印加しない場合とを比較することで確認する。所定の静荷重とは、通常１ｋｇである。比較項目は共振周波数と共振抵抗値であり、それぞれについて静荷重を印加した場合、印加しない場合の値をインピーダンスアナライザで読み取る。読み取った値を用いて、例えば共振周波数であれば、静荷重を印加した場合の共振周波数が、静荷重を印加しない場合の共振周波数に対して何Ｈｚずれたかといった偏差量を引き算して求める。この求められた偏差量を、印加していない場合の共振周波数で割り算した値、すなわち変化率をｐｐｍで表示することで、その水晶振動子の共振周波数に関する耐圧特性と定義する。静荷重の印加箇所は、ここでは６箇所のポイントに個別に印加するものとした。そして、共振周波数に関する耐圧特性の規格値として、±２ｐｐｍを設定した（第１の規格値）。
【００４２】
共振抵抗値についても共振周波数と同様であり、静荷重を印加した場合、印加しない場合の値を読み取る。読み取った値を用いて、静荷重を印加した場合の共振抵抗値が、静荷重を印加しない場合の共振抵抗値に対して何Ωずれたかといった偏差量を引き算して求める。この求められた偏差量を、印加していない場合の共振抵抗値で割り算した値、すなわち変化率をｐｐｍで表示することで、その水晶振動子の共振抵抗値に関する耐圧特性と定義する。静荷重の印加箇所も、共振周波数の測定の際と同じ６箇所のポイントであり、共振周波数を読み取る際に、共振抵抗値も同時に読み取ることができる。共振抵抗値に関する耐圧特性の規格値として、±２ｐｐｍを設定した（第２の規格値）。
【００４３】
耐圧特性は、水晶振動子における振動漏れの度合いを示す量であり、もし振動漏れが起きている場合は、外部から圧力が加わると共振周波数や共振抵抗値の変動が発生する。例えば図２の音叉型水晶振動片の形状例に示すように、水晶振動片１の小型化を目的に、全長Ｌを短縮するために基部の長さＬ１を短縮すると、振動腕２のエネルギーを基部が十分に吸収できない。このとき、気密端子のリードを介してケースＣに振動が伝播する。逆に、ケースＣに荷重が印加されるとリード１０４を介して振動腕２の振動に影響を及ぼすという不具合が生じる。このため耐圧特性は、水晶振動子をはじめとする内部に振動体を有する圧電振動子にとって極めて重要な特性であり、音叉型水晶振動片の形状パラメータを決定するためには欠くことのできない評価項目である。
【００４４】
―ドライブレベル特性―
水晶振動子の使い方として、電源が一度オンになると継続して常にオンして振動するだけの使い方の他に、省エネルギーモード等により、水晶振動子が他の回路と共に頻繁にオンとオフを繰り返す使用方法がある。後者の場合は、電源がオンになった瞬間には、定常的に発振動作をしている場合に要する小電力ではなく、比較的大きな過渡的電力が印加される。従って、水晶振動子には、このような比較的大きな過渡的電力が印加された場合でも、共振周波数と共振抵抗値が所定の範囲に収まるような特性が要求されている。従って、このドライブレベル特性も音叉型水晶振動片の形状パラメータを決定するためには欠くことのできない評価項目である。
【００４５】
通常、音叉型水晶振動子は、０．１μＷ程度の励振電力で動作するが、ここでは、０．０１μＷから５μＷまでの励振電力を印加するものとした。例えば、サンプルの水晶振動子のリードをインピーダンスアナライザの計測治具に接続し、印加する励振電力を０．０１μＷに設定して発振させて、共振周波数と共振抵抗値を測定し、メモリに保存する。次に、０．１μＷの励振電力を印加して、同様に共振周波数と共振抵抗値を測定してメモリに保存する。このような測定を繰り返し、０．０１μＷから５μＷまで印加電力を離散的に上昇させていく。５μＷまで測定した後に、今度は逆に５μＷから離散的に印加電力を下げて測定し、各励振電力値での再現性を確認する。ここで、ドライブレベルの規格値は、共振周波数の変化が±１５ｐｐｍ以内（第３の規格値）、共振抵抗値の変化が７ｋΩ以内（第４の規格値）と設定した。
尚、この例では、印加する励振電力は離散的に上昇させたり下降させたりしたが、メモリ容量の大きなインピーダンスアナライザを用いることにより、励振電力を連続的にスイープさせて、大量の共振周波数と共振抵抗値のデータを読み取るようにしてもよい。
【００４６】
―保護膜の形成―
音叉型水晶振動片は、振動片を小型化すると振動腕に形成される導電性の励振電極のパターンが微細になり、異極同士の電極パターンの間隔が十数μｍ程度になる。このため、導電性の微粒子などが製造工程中で振動腕に付着すると、該微粒子が励振電極の異極のパターン間に接触してショートを引き起こし、発振不良に到ることがある。これを防ぐために、励振電極の形成された振動腕と基部の表面に、励振電極を覆うようにＳｉＯ2等の絶縁性の保護膜を薄く形成し、導電性の微粒子が付着した場合でもショートしないようにする場合がある。
【００４７】
このような保護膜の形成は、前述したエッチングによる振動片の外形形成や、励振電極の成膜やパターニング後の工程で実施する必要がある。従って、保護膜が形成された後の音叉型水晶振動片を用いる水晶振動子は、耐圧特性やドライブレベル特性を満足するものであるかどうか、改めて確認しなければならない。すなわち、保護膜の必要な音叉型水晶振動片を用いる水晶振動子にあっては、音叉型水晶振動片の形状パラメータを決定するために、保護膜が形成された後の音叉型水晶振動片を用いた水晶振動子で耐圧特性やドライブレベル特性を評価することが欠かせない。保護膜のない状態で耐圧特性を測定するだけの従来の試験では、小さな音叉型水晶振動片を備えた小型水晶振動子の安定性を十分に保証することは出来ない。
【００４８】
―音叉型水晶振動片のその他の形状パラメータの決定方法―
今回発明のパラメータ決定方法は、基部長と振動片の厚みに関するものであるが、その他の形状パラメータ（全長Ｌ、腕の長さＬ２、基部の幅Ｗ、腕幅Ｗ１、両腕間の間隔Ｄ）について、その決定方法の基本的な考え方をここで簡潔に述べる。
音叉型水晶振動片の全長Ｌと基部の幅Ｗは、まず、振動片が収納されるパッケージ寸法によって制約される（前記ステップ１）。音叉型水晶振動片は、その形状の特徴として、基部の幅Ｗに比較して、その全長Ｌが６から７倍の長さになることから、気密端子１０３のインナーリードに接続する際に、振動片がインナーリードに曲がって接続されないように位置精度を管理している。仮に位置がずれて振動片が斜めに接続されると、振動片の先端がケースに接触して発振周波数が不安定になる。そのために、振動片の全長Ｌと基部の幅Ｗは、振動片の収納空間に対して余裕を持って配置できるような寸法に制限されている。前述のように、ケースの外径が２ｍｍのシンリンダ型パッケージに関しては、全長Ｌは、最大４１００μｍ、基部の幅Ｗは１２００μｍ以下である。外径が１．２ｍｍの場合は、全長Ｌが３３００μｍ、基部の幅Ｗは６００μｍ以下である。
【００４９】
次に、振動腕の長さＬ２と振動腕の幅Ｗ１等の寸法の決定について述べる（前記ステップ２）。音叉型水晶振動子の機械的な共振周波数については、「振動腕の幅Ｗ１に比例し、振動腕の長さＬ２の２乗に反比例する」ことが周知である。即ち、式で表現すれば、共振周波数ｆは、ｆ＝α×（Ｗ１／（Ｌ２）2）である。ここで、比例定数αは、水晶の密度、弾性定数、振動モード（振動の次数、即ち基本波、２次、より高次の振動など）によって決まる。ただし、水晶の異方性により弾性定数はカット角により変化する。カット角と比例定数の値の関係は刊行物に記載がある（例えば、下記刊行物１参照）。刊行物１では、Ｘ板でカット角が−１度から７度までの周波数定数の値が示されている。慣用されるＺ板の場合は、前記周波数定数を（２×円周率）で除算した値が比例定数αである。上記関係式から、Ｌ２とＷ１はその一方を決めれば他方の概略の数値を求めることが可能であるが、ここで、概略と述べる理由は、実際は、上記比例定数はそのほかに励振電極膜の材料の影響もあるために、過去の多くのデータから抽出された経験値が用いられる。実際の振動片の製造においては、Ｌ２とＷ１の寸法は、共振周波数が目的の共振周波数より若干高めになるようにその寸法を選定する。通常は、Ｗ１を基準にして、Ｌ２の長さを上記計算値より求められる値よりもやや短く設計して、共振周波数を若干高めに設定する。そして、振動片の先端に金(Ａｕ)や銀（Ａｇ）等の重り用の金属を付加し、目的の共振周波数よりも低い範囲に設定する。この後、周波数の調整工程で、前記付加した重りをＹＡＧレーザー等を照射して適量取り去ることで、共振周波数を低い範囲から徐徐に高くしながら目的の周波数範囲に絞り込む方法が慣用されている。
（刊行物１：滝  貞男監修、「人口水晶とその応用」、日刊工業新聞社、１９７４年、ｐ６４−６５）
【００５０】
前記周波数調整は、通常２回実施される。１回目の周波数調整は、粗調と呼ばれ、振動片が水晶ウエハに接続された段階で、発振周波数をモニタしながら、振動腕先端の重り用金属にＹＡＧレーザー等を照射して、発振周波数を周波数の低い領域から高い領域へ粗い範囲内で絞り込む。２回目の周波数調整は、微調と呼ばれ、振動片を気密端子に接続後、真空中で周波数をモニタしながら、許容される目的の周波数範囲の中に入るように、微調用の領域の金属薄膜をＹＡＧレーザー等で取り去って調整する。
【００５１】
さて、振動腕の幅Ｗ１と基部の幅Ｗの関係について述べる。基部の幅Ｗの最小値は、振動腕の幅Ｗ１の２倍と振動腕の間隔Ｄの和である。基部の幅Ｗは、この最小値よりも幅が広いほうが振動漏れが少ないことが知られており、本発明においても同様の扱いをした。  また、振動腕の間隔Ｄは、振動片の厚み程度の値が望ましい。これは、背景技術の項で説明したように、間隔Ｄと股部のエッチング残りＨとの関係式が一定の範囲（Ｄ／Ｈが６から１４）に入るように選定する。
【００５２】
前述のように、共振周波数は振動腕の幅Ｗ１に比例するから、振動腕の幅が仮に１％ずれたとすると、共振周波数も１％即ち１００００ｐｐｍのずれを生ずることになる。背景技術の項で示した、２ｍｍのシリンダ型パッケージに用いられた水晶振動片では、振動腕の長さＬ２は２４４４μｍ、振動腕の幅Ｗ１は２４４μｍ、振動腕の厚み１３０μｍ、振動腕の間の間隔Ｄは１２２μｍであった。ここで、振動腕の幅Ｗ１の１％とは、２．４４μｍである。振動腕の長さ２４４４μｍの長さの中で、２．４４μｍ程度のずれは発生する可能性がある。振動片の小型化により振動腕の幅Ｗ１がより縮小されると、この影響はより顕著になる。例えば、振動片の幅が１００μｍに縮小された場合は、１％の幅寸法変化は１μｍの変化であるから、エッチング加工は厳しい管理が要求される。このように、水晶振動片を小型化すると寸法の余裕が減少し、これは小型化が進むほど著しい。尚、振動片の長さＬ２の変動は、振動片の長さが振動片の幅寸法に比較して十分長いことから、共振周波数の変化に与える変化は約１桁小さくなる。これらの事項を考慮して、ステップ２が行われる。
【００５３】
振動片の厚みｔについて簡潔に説明する（前記ステップ４）。音叉型水晶振動子の共振周波数は、共振周波数を表す式からも自明のように、振動腕の厚みに依存しないために、厚みの選択はかなり自由に行える。しかし、大量生産を前提とした工業的な生産工程においては、水晶ウエハの研磨の歩留まりに制約される。水晶振動片の外径形成は、水晶ウエハをフッ酸系溶液でエッチングして行われる。そして、水晶ウエハの厚みが、振動片の厚みとなる。以下に、水晶ウエハの製造工程を簡潔に記して、この事情を明らかにする。
水晶ウエハは、まず、ランバード原石から所定の角度で切断された後、研磨工程を経て所定の厚みになる。原石の切断は、ワイヤーソーで約２００μｍから２２０μｍ程度の厚みで行われる。切断におけるウエハのそりを考慮するとこの程度の厚みが必要である。水晶ウエハの寸法は、２インチから４インチ程度の寸法が慣用される。そして、このウエハの中に、数百個から３千個程度の振動片が形成される。研磨は、通常まずラッピング（緑色炭化珪素など遊離砥粒の系が約十数μｍ）が行われ、１５０μｍから１６０μｍ程度の厚みまで研磨される。その後、鏡面加工（ポリッシュ）および表面の加工変質層のエッチングによる除去が行われ、１００μｍから１３０μｍの厚みに仕上げられる。特に、３インチ以上の大口径ウエハでは、１００μｍ以下厚みに仕上げることは、歩留まりの大幅な低下を招いている。現時点では実用上の目安として、１００μｍをウエハの厚みの限界値としている。
【００５４】
一方、音叉型水晶振動子の振動腕の振動は、周知のように、振動腕の主面に設けられた励振電極とこれと異なる極性を持つ側面の励振電極との間に発生する電界によって水晶の振動腕が屈曲運動をすることで成り立っている。そして、振動片の小型化とは、振動腕の幅Ｗ１と振動片の長さＬ２を縮小することを伴っておこなわれるが、振動腕の幅Ｗ１を縮小する場合は、振動片の厚みｔ即ちウエハの厚みも、薄くなるように考慮しなければならない。これは、前記電界の利用効率の低下を抑制するためである。具体的には、振動腕の幅と振動腕の厚みの比（Ｗ１／ｔ）は１．０よりも十分大きいことが望ましく、好ましくは２．０程度である。仮に振動腕の幅よりも振動腕の厚みが大きく（Ｗ１／ｔ）＜１．０となる場合、前記電界の利用効率が低下し、共振抵抗値が上昇し、振動のＱ値が低下してしまう。従って、振動腕の幅Ｗ１の最小値は、前述した水晶ウエハ研磨工程の歩留まりの制約から、水晶ウエハの厚み程度であり、実用上は先に記述したように１００μｍ程度である。
【００５５】
更に、大量生産を前提とした製造の管理の面からは、ウエハの厚みを細かく分類して準備するよりも、ある程度の厚みの加工誤差を許容して、数種類の厚みのウエハから選択して、その選択したウエハの厚みの幅で十分安定な振動特性を有する形状パラメータを設定するほうが望ましい。
本発明においては、第１の実施の形態から第４の実施の形態において、ウエハの厚みは、前記２ｍｍの外径のシリンダ型パッケージで用いられた水晶振動片の厚み１３０μｍよりも薄くした、１００μｍ、１１０μｍ、１２０μｍの３種類を検討した。
【００５６】
次に、共振周波数として４０ｋＨｚの水晶振動子の小型化に好適な、水晶振動片１の形状について図２を参照して説明する。外径が、約１．２ｍｍの小型のシリンダ型パッケージに内蔵させるためには、振動片１の外形寸法の制約として、図２に示す全長Ｌ（基部３の長さＬ１と振動腕２の長さＬ２の合計値）は約３３００μｍ以下、基部３の幅Ｗは約６００μｍ以下が望ましい（ステップ１）。
【００５７】
振動腕２の長さＬ２は、前述のよう音叉型振動子の共振周波数を表す周知の関係、即ち、「共振周波数は振動腕２の幅Ｗ１に比例し、振動腕２の長さＬ２の２乗に反比例する」ことから概略寸法が求められる。ここでは、振動腕２の幅Ｗ１の設計値を１９５μｍ±１０μｍに設定して、共振周波数を４０ｋＨｚよりも若干高い４０．６ｋＨｚから４１ｋＨｚの範囲になるようなＬ２を算出し、Ｌ２の値として約１９９５μｍとした（ステップ２）。基部長Ｌ１は、耐圧特性とドライブレベル特性を満足するように選ぶ必要がある。ただし、振動片１の全長Ｌは前記のように約３３００μｍ以下が望ましいので、Ｌ１の寸法値は、約３３００μｍから上記の約１９９５μｍを差し引いた約１２０５μｍ以下の範囲で選定しなければならない。これより、基部長Ｌ１は９００μｍから１１００μｍまで４０μｍの間隔で離散的に６種類を準備した（ステップ３）。また、基部幅Ｗは、５００μｍ〜６００μｍとした。なお、振動腕幅Ｗ１の値と基部幅Ｗ及び振動腕幅Ｗ１については、以下の６０ｋＨｚ用、６８．５ｋＨｚ用、及び７７．５ｋＨｚ用のそれぞれの音叉型水晶振動子の実験についても同様な値を採用した（ステップ２）。
【００５８】
水晶ウエハは、厚みが約１００μｍ（製作誤差を考慮すると、９５μｍから１０５μｍの範囲）、約１１０μｍ（製作誤差を考慮すると、１０５μｍから１１５μｍの範囲）、約１２０μｍ（製作誤差を考慮すると、１１５μｍから１２５μｍの範囲）の３種類を選択した（ステップ４）。
【００５９】
以下に、共振周波数が４０ｋＨｚの水晶振動子の耐圧特性（保護膜有無の２種類）とドライブレベル特性（保護膜有無の２種類）の合計４種類の試験結果を図４に基づいて詳細に説明する。図４は、第１の実施形態に係る４０ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、音叉型水晶振動片の基部長及び厚みと、耐圧特性及びドライブレベル特性との関係を説明する図であり、（ａ）は厚みが１００μｍの場合、（ｂ）は厚みが１１０μｍの場合、（ｃ）は厚みが１２０μｍの場合である。
以後、特性試験において、保護膜のない振動片を用いた水晶振動子の耐圧特性試験を実験Ａ（ステップ５）、保護膜の形成された振動片を用いた水晶振動子の耐圧特性試験を実験Ｂ（ステップ７），保護膜のない振動片を用いた水晶振動子のドライブレベル特性試験を実験Ｃ（ステップ６），保護膜を形成した振動片を用いた水晶振動子のドライブレベル特性試験を実験Ｄ（ステップ８）とする。これらの特性試験は、勿論、前述したように、該当する水晶振動片１を気密端子に接続した後に真空中でケースに圧入して、音叉型水晶振動子として完成体とした状態で評価している。
【００６０】
図４（ａ）は、水晶ウエハの厚みが１００μｍの場合のサンプル実験結果を示している。実験Ａは、基部長Ｌ１が１０６０μｍと１１００μｍの２点で良品であった。ここで、良品の判定基準は、サンプル数５個で、前述した第１乃至第４の規格値を用いて算出した工程管理係数（Ｃｐｋ）が２．０以上の場合を良品と定義した（以後の判定も全てこの基準をもとに判定して示した）。尚、基部長は、その製作誤差を±５μｍとした。実験Ｂの場合は、しかしながら、基部長Ｌ１が１０６０μｍ及び１１００μｍにおいて、良品とならなかった。かつ、他の基部長Ｌ１でも安定したものは無かった。このように、耐圧特性は、背景技術の項で説明したＤ／Ｈが所定の値の範囲にあるにも係らず、保護膜の有無により安定性に大きな差が生じている。
【００６１】
一方、実験Ｃの安定した基部長Ｌ１は、９４０μｍから１０２０μｍであり、これは、先の保護膜なしで耐圧特性が安定する基部長が１０６０μｍ及び１１００μｍの領域とオーバーラップしていない。さらにまた、保護膜を形成した振動片の場合の試験、即ち実験Ｄでは、１０２０μｍを除いて良好な結果であった。このように、ドライブラベル特性においても、保護膜の有無で差がでている。
水晶ウエハの厚みが１００μｍの場合は、このように、耐圧特性とドライブレベル特性のそれぞれにおいて保護膜の有無により特性が異なり、かつ４つの実験で、良品と判定される領域に重なる部分が存在しない（ステップ９）。従って、水晶ウエハの厚みが１００μｍの場合は、安定した水晶振動子を構成する振動片１の実現は出来ないことが明白である。
【００６２】
図４（ｂ）は、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合の４つの実験結果を示したものである。実験Ａと実験Ｂは、基部長Ｌ１が１０６０μｍと１１００μｍで良品となっている。即ち、保護膜の有無により耐圧特性が変化していない。一方、実験Ｃは、基部長Ｌ１が９００μｍを除く広い範囲で、良好な結果を得ている。さらにまた、実験Ｄは、基部長Ｌ１が９００μｍ及び１０２０μｍを除いて良好であった。
本実験では、耐圧特性で良品となった基部長Ｌ１が１０６０μｍ及び１１００μｍでドライブレベル特性も良品になっている。即ち、４つの実験結果において、基部長Ｌ１が１０６０μｍ及び１１００μｍは良品となる領域が重なっており、この範囲の基部長Ｌ１を選択する（製作誤差を考慮して１０５５μｍから１１０５μｍの範囲を選択する）ことで、安定した音叉型水晶振動子を実現できる（ステップ９）。
基部長Ｌ１として１１００μｍを選定した場合の振動片１の全長Ｌは、前記の振動腕２の長さＬ２＝１９９５μｍと合せて、約３１００μｍであり、全長Ｌの制約値であった３３００μｍ以下を満足することができる。従って、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合には、初期の目的であった、外径が約１．２ｍｍ以下のシリンダ型パッケージの振動子を実現することが可能である。
【００６３】
図４（ｃ）は、同様に水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合の４つの実験結果を示したものである。これによれば、耐圧特性は、前記図４（ｂ）と同じく、その基部長Ｌ１が１０６０μｍと１１００μｍの場合が安定であった。一方、ドライブレベル特性は、実験Ｃ及び実験Ｄにおいて基部長Ｌ１が１１００μｍの場合が安定であった。この結果、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合には、４つの実験結果において、基部長１１００μｍが良品として重なった領域である（ステップ９）。この基部長１１００μｍ（製作誤差を考慮すると、１０９５μｍから１１０５μｍの範囲）を用いて、前記図４（ｂ）と同じように、外径が約１．２ｍｍのシリンダ型パッケージの振動子を実現できる。ただし、図４（ｂ）に比較して、ドライブレベル特性を満足する基部長Ｌ１の範囲が狭いために、より安定した振動子を選択する場合は、前記図４（ｂ）に示した水晶ウエハの厚みｔとして、約１１０μｍ（１０５μｍ〜１１５μｍ）を選択するのが好適である。
以上の３つの厚みを持つ水晶ウエハの実験結果並びに製作誤差を考慮すると、基部幅Ｗが５００μｍ〜６００μｍ、基部長Ｌ１が１０５５μｍ〜１１０５μｍ、振動腕幅Ｗ１が１８５μｍ〜２０５μｍ、振動腕の厚みが１０５μｍ〜１２５μｍの範囲内に、それぞれ設定されている場合に、ほぼ良好な振動特性の水晶振動片１が得られることがわかる。
【００６４】
＜第２の実施形態＞
次に、共振周波数が６０ｋＨzである小型の音叉型水晶振動子に好適な水晶振動片の形状について、図５を参照して説明する。尚、以下の第２の実施の形態から第４の実施の形態においては、図１の示す音叉型水晶振動片の形状パラメータの決定方法に関する記述は、その共振周波数が第１の実施の形態と異なるだけであり、決定のフローは同じであるので、説明を省略する。
図５は、第２の実施形態に係る６０ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、音叉型水晶振動片の基部長及び厚みと、耐圧特性及びドライブレベル特性との関係を説明する図であり、（ａ）は厚みが１００μｍの場合、（ｂ）は厚みが１１０μｍの場合、（ｃ）は厚みが１２０μｍの場合である。
第１の実施の形態と同様、約１００μｍ、約１１０μｍ、約１２０μｍの３種の厚みの水晶ウエハを準備した。振動腕２の幅Ｗ１を１９５μｍ±１０μｍに設定し、振動腕２の長さＬ２の概略寸法を第１の実施形態と同様にして約１６１５μｍとした。基部長Ｌ１は、９００μｍから１００μｍ間隔で、離散的に１５００μｍまでの７点を選択した。このように選択することで、全長が３３００μｍ以下という制約を満たすことができる。
【００６５】
図５（ａ）は、水晶ウエハの厚みが約１００μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａにおいて基部長Ｌ１が１２００μｍで良品であった。しかし、実験Ｂでは、基部長Ｌ１が同じ１２００μｍで良品になっていない。第１の実施の形態と同様に保護膜の影響を受けている。実験Ｃ，実験Ｄにおいても基部長Ｌ１が１２００μｍを含む全領域でドライブレベル特性が良品となっていない。従って、水晶ウエハの厚みが約１００μの場合は、基部長Ｌ１を大きく振ったのにもかかわらず良品となる基部長Ｌ１が存在しておらず、安定した振動片１の供給は不可能である。
【００６６】
図５（ｂ）は、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａでは、基部長Ｌ１が１１００μｍから１３００μｍで良品である。保護膜を付けた実験Ｂでは、基部長Ｌ１が１１００μｍから１４００μｍで良品となり、基部長Ｌ１の範囲が広がっている。さらに、また、実験Ｃでは、基部長Ｌ１が１１００μｍから１５００μｍの範囲でドライブレベル特性で良品であった。また、基部長Ｌ１が９００μｍにおいても良品となった。保護膜をつけた実験Ｄでは、全範囲の基部長Ｌ１で良品であった。
この実験結果より、基部長Ｌ１が１１００μｍから１３００μｍの範囲で４つの実験結果の良品の領域が重なっている。従って、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合には、基部長Ｌ１として１１００μｍから１３００μｍ（製作誤差を考慮すれば１０９５μｍから１３０５μｍの範囲）を選択した水晶振動片１を用いることで、安定した水晶振動子を実現できる。また、保護膜を形成する前提であれば、基部長Ｌ１として１１００μｍから１４００μｍ（製作誤差を考慮すれば１０９５μｍから１４０５μｍ）と拡大した範囲で、安定した水晶振動子を実現できる。
【００６７】
図５（ｃ）は、同様に、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合の４つの実験結果を示している。実験Ａでは、基部長Ｌ１が１２００μｍと１３００μｍで良品であった。保護膜を形成した実験Ｂにおいては、基部長Ｌ１がより広い範囲で良品になり、１１００μｍから１４００μｍの領域で良品である。一方、実験Ｃでは、基部長Ｌ１が１１００μｍから１３００μｍで良品になったほか、９００μｍと１５００μｍでも良品となった。保護膜を形成した実験Ｄでは、全範囲の基部長Ｌ１でドライブレベル特性が良品となった。
この実験結果より、基部長Ｌ１が１２００μｍから１３００μｍの範囲（製作誤差を考慮すれば１１９５μｍから１３０５μｍの範囲）で４つの実験結果の良品の領域が重なっている。従って、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合には、基部長Ｌ１として１２００μｍから１３００μｍを選択した水晶振動片１を用いることで、安定した水晶振動子を実現できる。また、保護膜を形成する前提であれば、基部長Ｌ１として１１００μｍから１４００μｍ（製作誤差を考慮すれば１０９５μｍから１４０５μｍ）と拡大した範囲で、安定した水晶振動子を実現できる。
以上の３つの厚みを持つ水晶ウエハの実験結果並びに製作誤差を考慮すると、基部幅Ｗが５００μｍ〜６００μｍ、基部長Ｌ１が１０９５μｍ〜１３０５μｍ、振動腕幅Ｗ１が１８５μｍ〜２０５μｍ、振動腕２の厚みが１０５μｍ〜１２５μｍの範囲内に、それぞれ設定されている場合に、ほぼ良好な振動特性の水晶振動片１が得られることがわかる。
【００６８】
＜第３の実施形態＞
次に、共振周波数が６８．５ｋＨzである小型の音叉型水晶振動子に好適な水晶振動片の形状について、図６を参照して説明する。図６は、第３の実施形態に係る６８．５ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、音叉型水晶振動片の基部長及び厚みと、耐圧特性及びドライブレベル特性との関係を説明する図であり、（ａ）は厚みが１００μｍの場合、（ｂ）は厚みが１１０μｍの場合、（ｃ）は厚みが１２０μｍの場合である。
第１の実施の形態と同様、約１００μｍ、約１１０μｍ、約１２０μｍの３種の厚みの水晶ウエハを準備した。振動腕２の幅Ｗ１を１９５μｍ±１０μｍに設定し、振動腕２の長さＬ２の概略寸法を、第１の実施形態と同様にして約１５２０μｍとした。基部長は、９００μｍから１００μｍ間隔で、離散的に１６００μｍまでの８点を選択した。このように選択することで、全長が３３００μｍ以下という制約を満たすことができる。
【００６９】
図６（ａ）は、水晶ウエハの厚みが約１００μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａ、実験Ｂ、実験Ｃ、実験Ｄ、いずれにおいても全領域で特性を満たしていない。従って、水晶ウエハの厚みが約１００μの場合は、基部長Ｌ１を大きく振ったのにもかかわらず良品となる基部長Ｌ１が存在しておらず、安定した水晶振動片１の供給は不可能である。
【００７０】
図６（ｂ）は、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａでは、基部長Ｌ１が１１００μｍから１３００μｍで良品である。保護膜を付けた実験Ｂでは、基部長Ｌ１が１２００μｍと１３００μｍが良品である。良品となる基部長Ｌ１の範囲が狭まっている。また、実験Ｃでは、基部長Ｌ１が９００μｍから１５００μｍの広い範囲でドライブレベル特性で良品であった。さらに、また、保護膜をつけた実験Ｄでは、基部長Ｌ１が１２００μｍから１５００μｍで良品であった。また、基部長Ｌ１が９００μｍにおいても良品であった。
この実験結果より、基部長Ｌ１が１２００μｍと１３００μｍで、４つの実験結果の良品の領域が重なっている。従って、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合には、基部長Ｌ１として１２００μｍから１３００μｍ（製作誤差を考慮すれば１１９５μｍから１３０５μｍの範囲）を選択した水晶振動片１を用いることで、安定した水晶振動子を実現できる。また、保護膜の形成が不要という前提にたてば、実験Ａと実験Ｃにおける良品範囲が重なった部分で良く、安定した水晶振動子を実現できる基部長Ｌ１の範囲が１１００μｍから１３００μｍ（製作誤差を考慮すれば１０９５μｍから１３０５μｍ）に拡大する。
【００７１】
図６（ｃ）は、同様に、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合の４つの実験結果を示している。実験Ａでは、基部長Ｌ１が１２００μｍと１３００μｍで良品であった。保護膜を形成した実験Ｂにおいては、基部長Ｌ１が１２００μｍで良品であったが、１３００μｍでは良品とはならず、１４００μｍで良品であった。一方、実験Ｃでは、基部長Ｌ１が１３００μｍと１４００μｍで良品であった。保護膜を形成した実験Ｄでは、いずれの範囲においても良品となる基部長Ｌ１が存在していなかった。
この実験結果より、４つの実験結果が良品となる範囲は存在しなかった。従って、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合は、基部長Ｌ１を大きく振ったのにもかかわらず良品となる基部長Ｌ１が存在しておらず、安定した水晶振動片１の供給は保護膜の形成を前提とする場合には不可能である。保護膜の形成が不要という前提にたてば、実験Ａと実験Ｃにおける良品範囲が重なった部分で良く、安定した水晶振動子を実現できる基部長Ｌ１が１３００μｍ（製作誤差を考慮すれば１２９５μｍから１３０５μｍ）となる。
以上の３つの厚みを持つ水晶ウエハの実験結果並びに製作誤差を考慮すると、基部幅Ｗが５００μｍ〜６００μｍ、基部長Ｌ１が１１９５μｍ〜１３０５μｍ、振動腕幅Ｗ１が１８５μｍ〜２０５μｍ、振動腕の厚みが１０５μｍ〜１１５μｍの範囲内に、それぞれ設定されている場合に、ほぼ良好な振動特性の水晶振動片１が得られることがわかる。    
【００７２】
＜第４の実施形態＞
次に、共振周波数が７７．５ｋＨｚである小型の音叉型水晶振動子に好適な水晶振動片の形状について、図７を参照して説明する。図７は、第４の実施形態に係る７７．５ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、音叉型水晶振動片の基部長及び厚みと、耐圧特性及びドライブレベル特性との関係を説明する図であり、（ａ）は厚みが１００μｍの場合、（ｂ）は厚みが１１０μｍの場合、（ｃ）は厚みが１２０μｍの場合である。
第１の実施の形態と同様、約１００μｍ、約１１０μｍ、約１２０μｍの３種の厚みの水晶ウエハを準備した。振動腕２の幅Ｗ１を１９５μｍ±１０μｍに設定し、振動腕２の長さＬ２の概略寸法は、第１の実施形態と同様にし約１４２０μｍとした。基部長は、１０００μｍから１００μｍ間隔で、離散的に１７００μｍまでの８点を選択した。このように選択することで、全長が３３００μｍ以下という制約を満たすことができる。
【００７３】
図７（ａ）は、水晶ウエハの厚みが約１００μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａは、基部長Ｌ１が１７００μｍで良品であった。実験Ｂ、実験Ｃ、実験Ｄの場合には、基部長Ｌ１が１７００μｍを含む全領域で良品となっていない。従って、水晶ウエハの厚みが約１００μの場合は、基部長Ｌ１を大きく振ったのにもかかわらず良品となる基部長Ｌ１が存在しておらず、安定した水晶振動片１の供給は不可能である。
【００７４】
図７（ｂ）は、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合の４つの実験結果を示している。これによれば、実験Ａでは、基部長Ｌ１が１０００μｍと１１００μｍで良品であった。また、１７００μｍでも良品であった。保護膜を付けた実験Ｂでは、基部長Ｌ１が１０００μｍと１１００μｍで良品であった。また、実験Ｃ及び実験Ｄでは、基部長Ｌ１が１０００μｍから１２００μｍの範囲で良品であった。
この実験結果より、水晶ウエハの厚みが約１１０μｍの場合には、基部長Ｌ１の１０００μｍと１１００μｍで、４つの実験結果の良品の領域が重なっている。従って、基部長Ｌ１として１０００μｍから１１００μｍの範囲（製作誤差を考慮すれば９９５μｍから１１０５μｍの範囲）を選択した振動片を用いることで、安定した振動子を実現できる。
【００７５】
図７（ｃ）は、同様に、水晶ウエハの厚みが約１２０μｍの場合の４つの実験結果を示している。実験Ａでは、基部長が１０００μｍと１７００μｍで良品であった。他の実験Ｂ、実験Ｃ及び実験Ｄでは、基部長が１０００μｍ及び１７００μｍを含む全領域で良品となっていない。
この実験結果より、４つの実験結果が良品となる範囲は存在しなかった。従って、水晶ウエハの厚みが約１２０μの場合は、基部長を大きく振ったのにもかかわらず良品となる基部長が存在しておらず、安定した振動片の供給は不可能である。
以上の３つの厚みを持つ水晶ウエハの実験結果並びに製作誤差を考慮すると、基部幅Ｗが５００μｍ〜６００μｍ、基部長Ｌ１が９９５μｍ〜１１０５μｍ、振動腕幅Ｗ１が１８５μｍ〜２０５μｍ、振動腕の厚みが１０５μｍ〜１１５μｍの範囲内に、それぞれ設定されている場合に、ほぼ良好な振動特性の水晶振動片１が得られることがわかる。    
【００７６】
＜第５の実施の形態＞
上記の第１の実施の形態〜第４の実施の形態で述べた振動片を収納した音叉型水晶振動子を、電波時計のフィルタ部に用いた例を、図８を参照して説明する。
電波時計１０は、時刻情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。日本国内には、福島県（４０ｋＨｚ）と佐賀県（６０ｋＨｚ）に標準の電波を送信する送信所（送信局）があり、それぞれ標準電波を送信している。４０ｋＨｚもしくは６０ｋＨｚのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表を反射しながら伝播する性質を併せ持つため、伝播範囲が広く、上記の２つの送信所で日本国内を全て網羅している。
図８を参照して、電波時計の機能的構成について説明する。
アンテナ１１は、前記４０ｋＨｚもしくは６０ｋＨｚの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、前記４０ｋＨｚもしくは６０ｋＨｚの搬送波にＡＭ変調をかけたものである。
受信された長波の標準電波は、アンプ１２によって増幅され、水晶振動子を有するフィルタ（フィルタ部）１３によって濾波、同調される。本実施形態における水晶振動子は、上記搬送周波数と同一の４０ｋＨｚ及び６０ｋＨｚの共振周波数を有する水晶振動子部１４Ａ、１４Ｂを備えている。
【００７７】
さらに、濾波された所定周波数の信号は、検波、整流回路１５により検波復調される。続いて、波形成形回路１６を介してタイムコードが取り出され、ＣＰＵ１７でカウントされる。ＣＰＵ１７では、現在の年、積算日、曜日、時刻等の情報を読み取る。読み取られた情報は、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）１８に反映され、正確な時刻情報が表示される。
搬送波は、４０ｋＨｚもしくは６０ｋＨｚであるから、水晶振動子部１４Ａ、１４Ｂは、前述した第１の実施の形態及び第２の実施の形態で示した音叉型水晶振動子が好適であり、並列に接続して用いればよい。この実施の形態では、従来の外径が約２ｍｍのシリンダ型パッケージから外径が約１．２ｍｍのシリンダ型パッケージに小型化したので、水晶振動子の搭載空間が格段に低減されている。
【００７８】
上述の説明は、日本国内の例で示したが、長波の標準電波の周波数は、海外では異なっている。例えば、ドイツでは７７．５ｋＨｚの標準電波が用いられている。また、中国では６８．５ｋＨzが採用されている。６８．５ｋＨｚや７７．５ｋＨｚはそれぞれ第３の実施の形態及び第４の実施の形態に示した音叉型水晶振動子を用いることが可能である。
海外でも対応可能な電波時計１０を携帯機器に組み込む場合は、上述のように、日本の場合とは異なる周波数の水晶振動子を必要とするので、個々の振動子を小型化することは搭載空間を縮小する上でこのように重要になっている。
【００７９】
＜第６の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態〜第４の実施の形態は、１つの基部に対して１対の振動腕が基部より平行に突出した構成を有する振動片の場合である。図９に示すこの第６の実施の形態は、これらの変形例であり、１つの共通の基部２３に対して２対以上の振動腕２２を組み合わせたものである
【００８０】
その１つの例として４０ｋＨｚと６０ｋＨｚに対応する振動片２１の組み合わせの例を説明する。
４０ｋＨｚの振動子の場合は、第１の実施の形態で示したように、約１１０μｍの厚みの水晶ウエハを採用した場合は、基部長が１０６０μｍから１１００μｍで４つの実験Ａ〜実験Ｄの良品の領域が重なり、安定した小型水晶振動子を実現できた。
一方、６０ｋＨｚの振動子の場合は、第２の実施の形態で示したように、同じく約１１０μｍの厚みの水晶ウエハを採用した場合は、基部長は１１００μｍから１３００μｍで４つの実験Ａ〜実験Ｄの良品の領域が重なり、安定した小型水晶振動子を実現できた。
【００８１】
従って、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚを組み合わせた場合には、約１１０μｍの厚みの水晶ウエハを採用して、基部長として１１００μｍを選定すると、容易に、１つの基部２３に対して２対の振動腕２２Ａ、２２Ｂを有する安定した小型水晶振動子を実現できる。これを図９に示した（図９は、外形のみを示している）。図９では、基部長Ｌ１が約１１００μｍの長さを持つ１つの基部２３に対して、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚに対応した２組の振動腕２２Ａ、２２Ｂを有している。振動片２１の全長Ｌは、振動腕長の長い４０ｋＨｚの振動腕２２Ａの長さで規定されるが、第１の実施の形態で示した基部長Ｌ１と振動腕長Ｌ２の合計値約３１００μｍとなる。これに対して、基部２３の幅Ｗは、２つの基部長の幅Ｗの２倍となる。即ち、１個の基部長の幅Ｗを５６５μｍとしたので、新しい基部の幅Ｗ３は１１３０μｍとなる。
【００８２】
背景技術の項で説明したように、外径が約２ｍｍのシリンダ型パッケージに内蔵できる振動片の幅の最大値は１２００μｍであった。本実施の形態で示した新しい振動片１の基部２３は、幅Ｗ３が１１３０μｍであり、この幅の制約を満足している。従って、２つの共振周波数を有する振動片を外径約２ｍｍのシリンダ型パッケージに内蔵可能となり、格段の小型化を可能にしている。
【００８３】
次に、もう１つの変形例を図１０に示す。本変形例は、１つの基部３３に対して３組の振動腕３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを持つ振動片３１の例である。先の変形例では、水晶の厚みが約１１０μｍで、基部長を１１００μｍに選定し、それぞれ４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの共振周波数に対応する振動腕を有していた。第３の実施の形態で示したように、７７．５ｋＨｚの共振周波数を持つ音叉型水晶振動子の振動片は、水晶ウエハの厚みを約１１０μｍとし、基部長として１０００μｍから１１００μｍを採用すると４つの実験の良品の領域が重なり、安定した水晶振動子を実現できた。この結果を用いると、図１０に示すように、先の基部３３の幅を拡張して、基部幅Ｗ３が個々の振動片の基部幅の３倍である約１６９５μｍの基部幅を持ち、基部長が１１００μｍであり、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚと７７．５ｋＨｚに対応する振動腕３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを持つ振動片３１を得ることが容易に可能である。
上述した２つの変形例の振動片を用いた音叉型水晶振動子を、第５の実施の形態で示した電波時計１０のフィルタ部に採用することも勿論可能である。
【００８４】
＜第７の実施の形態＞
本発明に係る第７の実施の形態について、図１１を参照して説明する。
本実施の形態では、基部４３を共有し２組の振動腕４２を有する振動片４１を３本のリード４６を有する気密端子４７に接続し、その後に真空中でケース４８を圧入して気密封止した振動子の例である。
図１１（ａ）は、４０ｋＨｚと６０ｋＨｚの共振周波数を対応する振動腕４２Ａ、４２Ｂを持つ振動片４１を示している。振動片４１に形成するマウントパッド４４と励振電極４５が模式的に描かれている（一部省略して示した）。励振電極は、その１つを共通電極４５Ａとし、もう片方は独立した構成になっている。図１１（ｂ）は、前記の振動片を気密端子の３本のリード４６に接続し、その後にケース４８を圧入して気密封止した振動子を示すが、ケース４８は透明体で示され、その輪郭を２点鎖線で示してある。
【００８５】
図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）を電気回路で表現したものであり、振動子の一方の極が共通であり、片方の極はそれぞれ独立した構成になることを表している。
このように、２つの振動腕４２Ａ、４２Ｂに形成される励振電極４５を独立にしたことで、２つの振動子の振動が完全に独立できるので、干渉の少ない高精度な振動子として機能させることが可能である。
この実施の形態の音叉型水晶振動子を、第５の実施の形態で示した電波時計１０のフィルタ部に採用することも可能である。この場合は、フィルタ部にどちらの振動片を駆動させるか選択する選択回路を配置すればよい。
【００８６】
＜第８の実施の形態＞
次に、本発明の第８の実施形態について、図１２を参照して説明する。
図１２において、符号３８は、本発明の第８の実施形態に係る発振器を示すものである。
発振器５０は、上記第１の実施形態〜第５の実施形態の水晶振動子５４が発振子として用いられて構成されたものである。
発振器５０は、コンデンサなどの電子部品５１が実装された基板５２を備えている。基板５２には、発振器用の集積回路５３が実装されており、この集積回路５３の近傍に、水晶振動子５４が実装されている。そして、これら電子部品５１、集積回路５３及び水晶振動子５４は、不図示の配線パターンによって電気的に接続されている。なお、各構成部品は、不図示の樹脂によりモールドされている。
【００８７】
このような構成のもと、水晶振動子５４に電圧を印加すると、上述の水晶振動片が振動し、その振動が、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換されて、集積回路５３に電気信号として入力される。この入力された電気信号は、集積回路５３によって、各種処理がなされ、周波数信号として出力される。これにより、水晶振動子５４が発振子として機能する。
また、集積回路５３の構成を、例えばＲＴＣモジュール等を要求に応じて選択的に設定することにより、時計用単機能発振器などの他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダーなどを提供したりする機能を付与することができる。
【００８８】
以上より、本実施形態における発振器５０によれば、上記第１から第４の実施形態に係る小型化した水晶振動子を用いたので、発振器の構成要素の中で最大の体積を占める振動子５４が格段に縮小された。その結果、発振器自体を小型化することが可能である。そしてまた、耐圧特性とドライブレベル特性に優れた水晶振動子５４を内蔵することで、発振器は長期にわたって安定した高精度な周波数信号を提供することができる。
【００８９】
＜第９の実施の形態＞
次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、上記第１の実施形態〜第４の実施形態に係る水晶振動子５４を備える電子機器として、携帯情報機器について説明する。
図１３において、符号５６は、携帯情報機器を示すものであり、図１３を参照して、携帯情報機器５６の機能的構成について説明する。
【００９０】
携帯情報機器５６は、電力を供給するための電源部５７を備えている。電源部５７は、例えばリチウム二次電池からなっている。
電源部５７には、各種制御を行う制御部５８と、時刻等のカウントを行う計時部６１と、外部との通信を行う通信部６２と、各種情報を表示する表示部６６と、それぞれの機能部の電圧を検出する電圧検出部６３と、が並列に接続されている。そして、電源部５７によって、各機能部に電力が供給されるようになっている。
【００９１】
制御部５８は、各機能部を制御して、音声データの送信及び受信、現在時刻の計測や表示など、システム全体の動作制御を行う。また、制御部５８は、あらかじめプログラムが書き込まれたＲＯＭと、このＲＯＭに書き込まれたプログラムを読み出して実行するＣＰＵと、このＣＰＵのワークエリアとして使用されるＲＡＭなどを備えている。
【００９２】
計時部６１は、発振回路、レジスタ回路、カウンタ回路及びインターフェイス回路などを内蔵する集積回路と、水晶振動子５４とを備えている。水晶振動子５４に電圧を印加すると、上述の水晶振動子片が振動し、その振動が、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換されて、発振回路に電気信号として入力される。発振回路の出力は２値化され、レジスタ回路とカウンタ回路とにより計数される。そして、インターフェイス回路を介して、制御部５８と信号の送受信が行われ、表示部６６に、現在時刻や現在日付あるいはカレンダー情報などが表示される。
【００９３】
通信部６２は、従来の携帯電話と同様の機能を有し、無線部６７、音声処理部６８、切替部７１、増幅部７２、音声入出力部７３、電話番号入力部７６、着信音発生部７７及び呼制御メモリ部７８を備えている。
無線部６７は、音声データ等の各種データを、アンテナを介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部６８は、無線部６７または増幅部７２から入力された音声信号を符号化及び復号化する。増幅部７２は、音声処理部６８または音声入出力部７３から入力された信号を所定のレベルまで増幅する。音声入出力部７３は、スピーカやマイクロフォンなどからなり、着信音や受話音声を拡声したり、話者音声を集音したりする。
【００９４】
また、着信音発生部７７は、基地局からの呼び出しに応じて着信音を生成する。切替部７１は、着信時に限って、音声処理部６８に接続されている増幅部７２を着信音発生部７７に切り替えることによって、着信音発生部７７において生成された着信音が、増幅部７２を介して音声入出力部７３に出力される。なお、呼制御メモリ部７８は、通信の発着呼制御に係るブログラムを格納する。また、電話番号入力部７６は、例えば０から９の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キーなどを押下することにより、通話先の電話番号などが入力される。
【００９５】
電圧検出部６３は、電源部５７によって制御部５８などの各機能部に対して加えられている電圧が、所定の値を下回った場合に、その電圧降下を検出して制御部５８に通知する。このときの所定の電圧値は、通信部６２を安定して動作させるために必要な最低限の電圧としてあらかじめ設定されている値であり、例えば３Ｖ程度となる。電圧検出部６３から電圧降下の通知を受けた制御部５８は、無線部６７、音声処理部６８、切替部７１及び着信音発生部７７の動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部６７の動作停止は必須となる。さらに、表示部６６に、通信部６２が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。
【００９６】
すなわち、電圧検出部６３と制御部５８とによって、通信部６２の動作を禁止し、その旨を表示部６６に表示することができる。この表示は、文字メッセージであってもよいが、より直感的な表示として、表示部６６の表示面の上部に表示された電話アイコンに、×（バツ）印を付けるようにしてもよい。
なお、携帯情報機器５６は、通信部６２の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部７９を備えており、この電源遮断部７９によって、通信部６２の機能が確実に停止される。
【００９７】
以上より、本実施形態における携帯情報機器５６によれば、上記第１の実施の形態〜第４の実施の形態に係る水晶振動子５４と同様の効果を奏することができるだけでなく、耐圧特性とドライブレベル特性に優れた水晶振動子５４が内蔵されることから、長期にわたって安定した高精度な計時情報を表示することができる。
【００９８】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。例えば、１から４までの実施形態により得られた音叉型水晶振動片は、シリンダ型パッケージの気密容器に収納される場合に限定されず、セラミックパッケージの容器に収納することも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明に係る音叉型水晶振動片の形状パラメータの決定手順を示すフローチャートである。
【図２】音叉型水晶振動片の形状パラメータを説明するための外形形状を示す平面図である。
【図３】振動子の耐圧特性測定を説明する図である。
【図４】本発明に係る第１の実施形態の４０ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、振動片の基部長と耐圧特性及びドライブレベル特性との関係を説明する図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の６０ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、振動片の基部長と耐圧特性及びドライブレベル特性の関係を説明する図である。
【図６】本発明に係る第３の実施形態の６８．５ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、振動片の基部長と耐圧特性及びドライブレベル特性の関係を説明する図である。
【図７】本発明に係る第４の実施形態の７７．５ｋＨｚの音叉型水晶振動子について、振動片の基部長と耐圧特性及びドライブレベル特性の関係を説明する図である。
【図８】本発明に係る第５の実施形態の電波時計の回路ブロック図である。
【図９】本発明に係る第６の実施形態の水晶振動子の平面図である。
【図１０】本発明に係る第６の実施形態の変形例を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る第７の実施形態の水晶振動子の平面図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態としての発振器を示す平面図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態としての携帯情報機器を示すブロック図である。
【図１４】従来のシリンダ型パッケージの水晶振動子を説明する図である。
【符号の説明】
【０１００】
１  水晶振動片
２  振動腕
３  基部
１０  電波時計
２１、３１、４１  振動片
２２、３２、４２  振動腕
２３、３３、４３  基部
４４  マウントパッド
４５  励振電極
４６  リード
４７  気密端子
４８  ケース
５０  発振器
５３  集積回路
５６  携帯情報機器（電子機器）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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