水晶振動子及び水晶発振器
【課題】複数の振動領域を有する水晶振動子において、一方の振動領域が他方の振動領域に与える影響を抑えると共に簡素な構成の水晶発振器を構成することができる技術を提供すること。
【解決手段】水晶片に設けられる第１の振動領域と、前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、を備えるように水晶振動子を構成する。一方の振動領域と他方の振動領域とから夫々温度変化に対して互いに異なる大きさで変化する周波数を取り出すことができるので、温度に対して明確に周波数変化が起きる方の振動領域の発振周波数に基づいて、他の振動領域からの発振周波数を制御することができる。これにより、水晶発振器の複雑化を抑えることができる。
【解決手段】水晶片に設けられる第１の振動領域と、前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、を備えるように水晶振動子を構成する。一方の振動領域と他方の振動領域とから夫々温度変化に対して互いに異なる大きさで変化する周波数を取り出すことができるので、温度に対して明確に周波数変化が起きる方の振動領域の発振周波数に基づいて、他の振動領域からの発振周波数を制御することができる。これにより、水晶発振器の複雑化を抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その面内でＸ軸の正負の方向が互いに異なる振動領域を有する水晶振動子及びこの水晶振動子を含む水晶発振器を提供する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路などの電子部品に用いられる水晶振動子は、温度に応じて発振周波数が変化する周波数温度特性を持っている。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどにより水晶振動子毎に異なっている。
【０００３】
従って、雰囲気温度にかかわらず安定した周波数出力を得る工夫が種々行われている。例えば、共通の水晶片に互いに対となる励振電極の組を２つ形成して第１の水晶振動子、第２の水晶振動子を構成し、第１の水晶振動子、第２の水晶振動子の出力の差分を演算し、その出力を利用することが検討されている。このように共通の水晶片により構成される第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、周囲温度の影響を同様に受けるため、前記差分の周波数出力は前記周囲温度の影響が抑えられる。しかし、そのように周波数の差分を演算することは、装置の構成が複雑になる。
【０００４】
ところで同じ水晶片に振動領域を複数形成する場合、一の振動領域が他の振動領域に与える影響が抑えられるように水晶片を構成する必要がある。例えば特許文献１には水晶片に凹部が形成され、当該凹部により互いの振動領域が区画されている。しかし、この水晶片は凹部に区画される領域が共にＡＴカットされているため上記の装置構成が簡素な発振装置を得るという課題を解決することが困難である。また、特許文献２には、ＡＴカットされた水晶片の周縁部にレーザーを照射して結晶軸の正負を反転させることにより、水晶片を双晶化する技術が記載されている。しかし、レーザーを照射した前記周縁部は、振動せずにＡＴカットされた領域である中央部を支持する領域として構成されており、上記の問題を解決できるものではない。
また、水晶発振器においては、サーミスタなどを用いた温度センサとして用いたものが知られている。温度センサにより検出した温度に基づいて発振出力が制御されるが、より簡単な構成で安定した発振を得ることができる水晶発振器が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０８１７０
【特許文献２】特開２００３−６９３７４号公報（段落００１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、複数の振動領域を有する水晶振動子において、一方の振動領域が他方の振動領域に与える影響を抑えると共に簡素な構成の水晶発振器を構成することができる技術を提供することである。さらに水晶発振器において、簡単な構成で安定した発振出力が得られる技術を提供する異である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水晶振動子は、水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の水晶振動子の具体的な態様としては例えば以下の通りである。
（１）前記水晶片において、第１の振動領域と第２の振動領域との間に凹部が形成される。
（２）第１の振動領域及び第２の振動領域のうちの一方はＡＴカットされた領域である。
【０００９】
本発明の水晶発振器は上記の水晶振動子を含むことを特徴とする。この水晶発振器の具体的な態様としては例えば、第２の振動領域の発振周波数に基づいて第１の振動領域を発振させるための制御電圧を制御することにより、当該第１の振動領域の発振周波数を制御する制御手段を備える。
【００１０】
また、本発明の水晶発振器は、水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路と、
第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路と、
第２の振動領域の発振周波数に基づいて前記水晶片の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路からの発振周波数を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この水晶発振器の具体的な態様は、例えば下記の通りである。
（３）前記水晶片において第１の振動領域と第２の振動領域とは異なる領域に、第１の発振回路からの信号が入力されるフィルタを構成するフィルタ形成領域が設けられる。
（４）前記第１の振動領域と前記フィルタ形成領域とは、第２の振動領域により区画される。
（５）前記励振電極は、第１の振動領域及び第２の振動領域に跨って形成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水晶振動子は、Ｘ軸の正負が反転し、夫々独立して振動する各領域の厚さが互いに異なるように形成されている。従って、第１の振動領域の振動が、第２の振動領域の振動に与える影響を抑えることができ、また各振動領域が略同じ温度雰囲気に置かれた状態で、一方の振動領域と他方の振動領域とから所定の温度変化に対して互いに異なる大きさで変化する発振周波数を取り出すことができる。従って、温度に対して明確に周波数変化が起きる方の振動領域の発振周波数に基づいて、他の振動領域の発振を制御することができる。これにより、各領域からの発振周波数の差分を演算しなくてもよくなるため、当該水晶振動子により構成される水晶発振器の構成が複雑化し、コストが高くなることを抑えることができる。
また、本発明の水晶発振器は、水晶片に設けられた第２の振動領域の振動に基づいて前記水晶片の温度が推定され、第２の振動領域とはＸ軸の正負の向きが反転された第１の振動領域による発振周波数が制御される。従って、装置のコストを抑え、安定した出力を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の水晶振動子の平面図及び縦断側面図である。
【図２】前記水晶振動子の製造方法を示す工程図である。
【図３】前記水晶振動子の他の製造方法を示す説明図である。
【図４】前記水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。
【図５】前記水晶片をなすＡＴカット領域の温度特性を示すグラフ図である。
【図６】制御電圧と発振周波数との関係を示すグラフ図である。
【図７】前記水晶片をなす一の領域の温度特性を示すグラフ図である。
【図８】第２の実施形態の水晶振動子の平面図及び縦断側面図である。
【図９】前記水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。
【図１０】第３の実施形態の水晶振動子を含む温度補償発振器の構成図である。
【図１１】第４の実施形態の水晶発振器を構成する水晶振動子の平面図である。
【図１２】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図１３】比較例であるＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図１４】第４の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図１５】第５の実施形態のＴＣＸＯを構成する水晶振動子の平面図である。
【図１６】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図１７】前記第５の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【図１８】前記ＴＣＸＯの水晶振動子の等価回路図である。
【図１９】第５の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２０】第３の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２１】第６の実施形態のＴＣＸＯを構成するための水晶振動子の平面図である。
【図２２】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図２３】前記第６の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【図２４】前記ＴＣＸＯの水晶振動子の等価回路図である。
【図２５】前記ＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２６】第７の実施形態のＴＣＸＯを構成するための水晶振動子の平面図である。
【図２７】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図２８】前記第７の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施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。図１（ａ）（ｂ）は、水晶振動子１の平面図、側面図である。この水晶振動子１は矩形状の水晶片１１を備えており、この水晶片１１の長さ方向に沿って第１の振動領域１２、第２の振動領域１３が各々形成されている。第１の振動領域１２は、その表面及び裏面が水晶の結晶軸であるＺ軸に対して、Ｘ軸の＋方向から見て反時計回りに約３５°傾いたＺ’軸と当該Ｘ軸とに平行している。つまり、第１の振動領域１２はＡＴカットされた領域である。
【００１５】
第２の振動領域１３は、その表面及び裏面が前記Ｚ’軸と前記Ｘ軸とに平行しており、このＸ軸の正負の向きは第１の振動領域１２のＸ軸の正負の向きと逆になるように構成されている。即ち、この水晶片１１は電気的双晶として構成されている。そして、第２の振動領域１３は概ねＤＴカットされた領域として構成されている。また、図１（ｂ）に示すように第１の振動領域１２は第２の振動領域１３に比べてその厚さが小さく形成されている。
【００１６】
水晶片１１の表面、裏面には、第１の振動領域１２と第２の振動領域１３とを区画するように夫々凹部１４、１５が形成されている。各凹部１４、１５は水晶片１１の幅方向に沿って筋状に形成され、互いに対向している。また、第１の振動領域１２の表裏面には、第１の振動領域１２を励振させるための励振電極１６Ａ、１６Ｂが形成されており、これら励振電極１６Ａ、１６Ｂは互いに対向して形成されている。第２の振動領域１３の表裏面には第１の振動領域１２と同様に励振電極１７Ａ、１７Ｂが互いに対向して設けられている。これら励振電極１６、１７によって第１の振動領域１２、第２の振動領域１３は互いに独立して振動する。
【００１７】
各励振電極１６（１６Ａ、１６Ｂ）、１７（１７Ａ、１７Ｂ）から水晶片１１の端部へ向けて電極１８が引き出されるように形成されている。電極１８は励振電極１６、１７を発振回路に接続するための導電路の役割を有する。図１（ｂ）においてはこの引き出し電極１８の図示を便宜上省略している。
【００１８】
続いて、上記の水晶振動子の製造方法について水晶片の側面が変化する様子を示した図２を参照しながら説明する。図２（ａ）はＡＴカットされた矩形状の水晶片２１を示している。この図２（ａ）に示す状態では水晶片２１は単晶である。この水晶片２１の寸法としては例えば長さが５ｍｍ、幅が２ｍｍ、厚さが０．０６ｍｍである。
【００１９】
この水晶片２１にエッチングにより凹部１４を形成し、第１の振動領域１２、第２の振動領域１３に水晶片２１を区画する（図２（ｂ））。続いて第２の振動領域１３に図示しないレーザー照射部により炭酸ガスレーザーを照射し、第２の振動領域１３が加熱される。図２（ｂ）の矢印はこのレーザー光を示している。このレーザー照射によって第２の振動領域１３が加熱され、当該第２の振動領域１３のＸ軸の正負が反転し、上記のように第２の振動領域１３が概ねＤＴカットされた領域（便宜上、ＤＴカット領域として説明する）となり、水晶片２１が双晶である水晶片１１に変化する（図２（ｃ））。
【００２０】
図２（ｃ）〜図２（ｅ）ではそのように結晶軸が反転した領域に多数の点を付して示している。このようにレーザー照射の前に凹部１４を形成することで、Ｘ軸の正負が反転する領域が第１の振動領域１２に及ぶことが防がれることについて、発明者が実験により確認している。ＡＴカット領域を符号２２で、ＤＴカット領域を符号２３で夫々示している。この第１の実施形態ではＡＴカット領域２２は第１の振動領域１２、ＤＴカット領域２３は第２の振動領域１３である。
【００２１】
続いて、水晶片１１をエッチング液に浸漬する。水晶の異方性により、第１の振動領域１２の表裏面は、第２の振動領域１３の表裏面に比べてエッチング速度が大きい。従って図２（ｃ）に示すように第１の振動領域１２の厚さが第２の振動領域１３の厚さよりも小さくなる。また、第１の振動領域１２と第２の振動領域１３との境界部分は第１の振動領域１２及び第２の振動領域１３の各表裏面よりもエッチング速度が大きい。従って凹部１４の深さが大きくなると共に水晶片１１の裏面に凹部１５が形成される（図２（ｄ））。このように水晶片１１をエッチングした後、水晶片１１の表面及び裏面に金属膜を形成し、この金属膜をエッチングして、励振電極１６、１７及び引き出し電極１８を形成する（図２（ｅ））。
【００２２】
この水晶振動子１においては、ＡＴカットされた領域である第１の振動領域１２と、ＤＴカットされた第２の振動領域１３との間においてこれら振動領域１２、１３の厚さが互いに異なり、これら振動領域１２、１３間に段差が形成されて一方の振動領域の弾性波が他方の振動領域に伝播することが抑えられるので、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に与える影響が抑えられる。従って、後述のようにこの水晶振動子１を水晶発振器に組み込んだときに、各振動領域から安定した出力周波数を取り出すことができる。さらに、この水晶振動子１については凹部１４、１５が形成されている。この凹部１４、１５により弾性波の伝搬がさらに抑えられ、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に与える影響がより確実に抑えられる。
【００２３】
ところで、図３（ａ）（ｂ）は夫々水晶片２１の平面図、縦断側面図である。上記の例ではレーザーを照射して双晶を形成するにあたり、水晶片２１に凹部１４を形成しているが、この凹部１４には図３（ａ）（ｂ）に示すような貫通孔２４も含まれる。この貫通孔２４は水晶片２１の幅方向に線状に形成されている。このような貫通孔２４を形成して第２の振動領域１３にレーザーを照射しても、第２の振動領域１３でＸ軸の正負の反転が起こり、第１の振動領域１２にはＸ軸の正負の反転が起こらなかったことを発明者は確認している。つまり、振動領域を区画するように凹部を水晶片に形成しておくことでＸ軸の正負を反転させる領域の大きさを精度高く制御することができる。また、このようにレーザーを照射してＸ軸の正負を反転させることに限られず、例えば水晶片を金属膜で覆い、水晶片を加熱することにより、金属膜で覆った箇所のＸ軸の正負を反転させてもよい。
【００２４】
（第１の実施形態のＴＣＸＯ）
続いて、上記の水晶振動子１を用いて構成される温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated crystal Oscillator）３について図４の回路構成図を参照しながら説明する。上記のように水晶振動子１は独立して振動する２つの振動領域を備えているため、この説明では、便宜上水晶振動子１は２つの水晶振動子であるものと見て説明する。第１の振動領域１２（ＡＴカット領域２２）を含む水晶振動子を１Ａ、第２の振動領域１３（ＤＴカット領域２３）を含む水晶振動子を１Ｂとする。
【００２５】
このＴＣＸＯ３は外部に設定周波数ｆ０の信号を出力するための主発振部４１と、温度補償用の信号を発振させるための補助発振部５１と、補助発振部５１から出力される温度補償用の信号に基づいて主発振部４１に入力する制御電圧Ｖｃを算出するために、これらの主発振部４１及び補助発振部５１の間に設けられた制御電圧供給部６１と、を備えている。図４中５０は、補助発振部５１の制御電圧Ｖ１０の入力端であり、４０はＴＣＸＯ３の出力端である。
【００２６】
主発振部４１は、水晶振動子１Ａとこの水晶振動子１Ａに接続された主発振回路４２と、を備えている。補助発振部５１は水晶振動子１Ｂとこの水晶振動子１Ｂに接続された補助発振回路５２と、を備えている。上記の主発振部４１の前段側（入力側）には、既述の制御電圧供給部６１が接続されており、この制御電圧供給部６１からバリキャップダイオード４３を介して、主発振部４１に制御電圧Ｖｃが印加されるように構成されている。この制御電圧供給部６１は、（１）式に示すように、主発振部４１の基準電圧Ｖ０から温度補償電圧ΔＶを減算（ΔＶの符号の取り方によっては加算とも言える）することにより、上記の制御電圧Ｖｃが生成されるように構成されている。
【００２７】
Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ ・・・（１）
この基準電圧Ｖ０とは、基準温度Ｔ０例えば２９℃において、主発振部４１から設定周波数ｆ０が出力される時の制御電圧である。また、温度補償電圧ΔＶは、次のように表される。即ち、制御電圧Ｖと発振周波数ｆとが比例関係にあることから、ΔＶは（２）式のように表される。また、ＡＴカットの水晶片を用いて厚み滑り振動モードで発振させる場合には、（３）式が成り立つことからΔＶは（４）式として表される。尚、Ｔは後述の温度推定部６３において検出された温度、Δｆ＝ｆ−ｆ０である。α１、β１及びγ１はこの主発振部４１に固有の定数である。
【００２８】
ΔＶ＝Ｖ０（Δｆ／ｆ０） ・・・（２）
Δｆ／ｆ０＝α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１ ・・・（３）
ΔＶ＝Ｖ０｛α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１｝・・・（４）
Ｖ１０は、入力端５０からバリキャップダイオード５３を介してＤＴカット領域２３に印加される制御電圧である。制御電圧供給部６１は、補助発振部５１から入力される周波数信号から発振周波数ｆを計測するための例えば周波数カウンターなどからなる周波数検出部６２と、この周波数検出部６２において計測した発振周波数ｆに基づいて温度Ｔを推定する温度推定部６３と、温度推定部６３において推定した温度Ｔに基づいて既述の補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部６４と、補償電圧演算部６４にて演算された補償電圧ΔＶを基準電圧Ｖ０から減算した制御電圧Ｖｃを主発振部４１に出力するための加算部６５と、を備えている。なお、補償電圧ΔＶの符号を正、負のいずれに決めるかによって、加算部６５における演算は、（Ｖ０−ΔＶ）、（Ｖ０＋ΔＶ）のいずれかに決まってくるが、この実施の形態では先の（４）式で求めたΔＶを補償電圧として取り扱っているので、（Ｖ０−ΔＶ）として表現している。要は、周波数温度特性に応じて発振周波数ｆが設定周波数ｆ０から変動する分だけ、ΔＶによりＶ０を補償する演算を行えば良い。
【００２９】
温度推定部６３には、補助発振部５１の周波数温度特性が記憶されており、この温度特性と補助発振部５１の発振周波数ｆとに基づいて（ｆ０とＴ０とは予め設定されている）、ＴＣＸＯ３の周囲の温度Ｔが求められる。また、補償電圧演算部６４は、例えば主発振部４１の温度特性である３次関数発生器を備え、既述の（４）式及び温度Ｔにより、補償電圧ΔＶが求められる。
【００３０】
次に、ＴＣＸＯ３の作用について説明する。主発振部４１において基準温度Ｔ０例えば２９℃で設定周波数ｆ０が出力される基準電圧Ｖ０から、後述する温度補償電圧ΔＶを減算した電圧Ｖｃをバリキャップダイオード４３を介して主発振回路４２に供給し、主発振回路４２が周波数ｆで発振する。この時、水晶振動子１Ａが例えば温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ０）であり、制御電圧Ｖが基準電圧Ｖ０であるとした場合には、図５に示すようにこの主発振部４１にて発振する周波数ｆは、基準温度Ｔ０に対応する設定周波数ｆ０から温度特性曲線である３次曲線に沿って、温度Ｔ１に対応する周波数ｆ１にずれようとする。しかし、上記のように主発振部４１に供給される制御電圧Ｖｃは、基準電圧Ｖ０を温度補償電圧ΔＶにより補償した値となっているので、出力端４０からは設定周波数ｆ０が出力されることになる。このような温度補償電圧ΔＶは、次のようにして制御電圧供給部６１において計算される。
【００３１】
既述のように、主発振部４１における発振周波数ｆは、図６に示すように、制御電圧Ｖに比例する。従って、制御電圧供給部６１において、周波数ｆ１と設定周波数ｆ０との差分であるΔｆを補償するために、Δｆに相当する補償電圧ΔＶだけ制御電圧Ｖを高くするようにコントロールされる。補償電圧ΔＶは、上記の（４）式の温度Ｔに温度Ｔ１を代入することにより求められる。
【００３２】
温度Ｔ１は、次のようにして補助発振部５１の発振周波数ｆに基づいて算出される。即ち、入力端５０に制御電圧Ｖ１０を入力することにより、補助発振部５１が発振する。以下、Ｔ１０は基準温度例えば２９℃であり、ｆ１０は基準電圧Ｖ１０を制御電圧として補助発振回路５２に供給した時に得られる周波数である。
【００３３】
この補助発振部５１における発振は上記のＤＴカット領域２３（水晶振動子１Ｂ）の発振である。ここで、ＤＴカットされた水晶片において、温度Ｔと周波数偏差（周波数変化率）ｆ／ｆ10との関係は２次関数に近似されることが知られているが、通常ＴＣＸＯ３を用いる範囲例えば０℃〜３０℃の範囲では図７に示すように概ね比例関係となり、温度Ｔと補助発振部５１からの発振周波数ｆとの間には（５）式の関係が成り立つ。
【００３４】
ｆ＝ｆ10{α２（Ｔ−Ｔ10）＋β２}・・・（５）
周波数検出部６２は、前記発振周波数ｆとこの（５）式を用いて温度Ｔを推定する。このように温度Ｔと発振周波数ｆとが比例関係となり、温度Ｔに対して周波数ｆが明確に変化する。さらに温度Ｔの変化に対して発振周波数ｆが比較的急峻に変化することから、このＴＣＸＯ３では感度高く温度変化を検出することができる。なお、α２、β２は予め設定した補助発振部５１に固有の定数であり、様々な値の制御電圧Ｖにおいて異なるので、上記の入力端５０に入力される制御電圧Ｖは、これらの定数を求めた時と同じ電圧例えばＶ１０となる。
【００３５】
補償電圧演算部６４は、こうして求められた温度Ｔ及び既述の（５）式に基づいて、補償電圧ΔＶを算出する。これにより、主発振部４１の発振周波数ｆがΔｆだけ高くなろうとし、温度Ｔになっていることにより発振周波数ｆがΔｆだけ低くなろうとする作用を打ち消すため、出力端４０から出力される発振周波数ｆが設定周波数ｆ０に維持されることになる。
【００３６】
このようなＴＣＸＯ３では、上記の水晶振動子１を用いることで、主発振部４１及び補助発振部５１から安定した出力を得られ、補助発振部５１からの出力を制御電圧として主発振部４１の出力を制御している。それによって各水晶振動子１Ａ、１Ｂの出力の差分を演算しなくても安定した出力を得ることができるので、装置が大型化したり、製造コストが高くなることを抑えることができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
他のＴＣＸＯ７０について説明する。図８（ａ）（ｂ）はこのＴＣＸＯ７０に用いる水晶振動子７の平面図及び縦断側面図である。この水晶振動子７は、水晶振動子１と同様にＡＴカット領域２２及びＤＴカット領域２３からなるが、ＡＴカット領域２２には励振電極７１Ａ、７１Ｂと、励振電極７２Ａ、７２Ｂとが形成されており、これら励振電極７１（７１Ａ，７１Ｂ）、７２（７２Ａ，７２Ｂ）の周囲が夫々独立して振動する。励振電極７１により振動する領域を７３、励振電極７２により振動する領域を７４とする。振動領域７３、７４間で互いの振動の影響が抑えられるように励振電極７１、７２間の寸法ｌは例えば１ｍｍに設定している。各振動領域７３、７４から出力される周波数を若干ずらすために励振電極７１、７２の厚さは互いに異なっている。
【００３８】
図９はＴＣＸＯ７０の回路図である。水晶振動子７について、各振動領域が独立して振動することから便宜上水晶振動子が３つ含まれているものとして説明する。振動領域７３により構成される水晶振動子を７Ａ、振動領域７４により構成される水晶振動子を７Ｂとする。振動領域１３により構成される水晶振動子はＴＣＸＯ３と同様に１Ｂとする。このＴＣＸＯ７０では水晶振動子７Ａからの出力（ｆ21とする）と、水晶振動子７Ｂからの出力（ｆ22とする）との差分ｆ21−ｆ22を取り出す。水晶振動子７Ａ、７Ｂは同じ水晶片１１により構成されているため略同様の温度雰囲気に置かれるが、水晶振動子７Ａ、７Ｂの位置の違いにより若干温度が異なるためｆ21−ｆ22は周囲温度の変化に対してわずかに変動する。このＴＣＸＯ７０はこの変動を、より小さく抑えることを目的とする。
【００３９】
この例では、ＴＣＸＯ３と同様に水晶振動子１Ｂの出力に基づいて各水晶振動子の周囲温度Ｔを検出し、その温度に応じて水晶振動子７Ａ、７Ｂについて夫々設けられた補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂにより、上記（４）式よりΔＶを演算する。（４）式において各補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂで用いられるα１、β１及びγ１の各定数は水晶振動子７Ａ、７Ｂに固有の値である。
【００４０】
ＴＣＸＯ７０において、ＴＣＸＯ３で説明したものと同様に構成される部分については同じ符号を付して説明を省略する。ＴＣＸＯ７０の制御電圧供給部７６は、ＴＣＸＯ３の制御電圧供給部６１に相当する箇所であり、上記のように補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂを備え、温度推定部６３からの信号が出力される。
この補償電圧演算部６４Ａ、６４ＢではＴＣＸＯ３の補償電圧演算部と同様に（４）式によりΔＶが演算されるが、水晶振動子７Ａ、７Ｂに応じて夫々設定された夫々固有の定数α１、β１及びγ１を用いてΔＶの演算が行われる。
【００４１】
また、補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂは各水晶振動子７Ａ、７Ｂについて設けられた加算部６５に接続され、各加算部６５で制御電圧Ｖｃが演算される。この制御電圧Ｖｃがバリキャップダイオード４３を介して、水晶振動子７Ａ、７Ｂに夫々接続される発振回路７７Ａ、７７Ｂに出力され、ｆ21、ｆ22が各々安定した出力となるように制御される。図中補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂから出力される各ΔＶをΔＶ１、ΔＶ２、発振回路７７Ａ、７７Ｂに印加される制御電圧Ｖｃを夫々Ｖｃ１、Ｖｃ２としている。Ｖｃ１＝Ｖ０−ΔＶ１、Ｖｃ２＝Ｖ０−ΔＶ２である。
【００４２】
発振回路７７Ａ、７７Ｂの後段には加算部７７が設けられ、上記の水晶振動子７Ａの出力ｆ21と水晶振動子７Ｂの出力ｆ22との差分ｆ21−ｆ22が演算されて、出力端４０に出力される。この例においても振動領域７３、７４の振動と、振動領域１３の振動との分離性が高く、各振動領域は安定して発振する。そして、振動領域１３からの発振周波数ｆに基づいて上記のようにｆ21、ｆ22は夫々温度に対する影響が抑えられるように制御され、さらにその差分を演算することで温度による各水晶振動子の変化量がキャンセルされるので、このＴＣＸＯ７０からはより高い安定性を持った出力を得ることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
ＴＣＸＯとしては図１０に示すＴＣＸＯ８０のように構成してもよい。このＴＣＸＯ８０に用いる水晶振動子８について、水晶振動子１、７との差異点を中心に説明する。この例では第１の実施形態と同様に第１の振動領域１２がＡＴカット領域２２であり、第２の振動領域１３がＤＴカット領域２３である。ＡＴカット領域２２の表面には励振電極８１Ａと、励振電極８１Ａを挟む電極８１Ｂ、８１Ｃとが設けられ、これら電極８１Ａ〜８１ＣはＺ’軸方向に配列されている。電極８１Ｂ、８１Ｃは導電路により互いに接続され、同電位に構成されている。ＡＴカット領域２２の裏面にはこれら励振電極８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃに対向するように接地された励振電極８１Ｄが設けられている。このような電極配置とすることでＡＴカット領域２２の表裏面の電荷の分布を制御し、出力信号中のノイズを抑えている。なお、励振電極８１Ｄは、各電極８１Ａ〜８１Ｃに対向すると共に互いに離れるように分割されて構成されていてもよい。
【００４４】
電極８１Ｂ、８１Ｃは接地された容量可変コンデンサ８２に接続されている。この容量可変コンデンサ８２の容量を調整して、基準温度Ｔ０における設定周波数ｆ０を所望の値に合わせ込む。ところでＴＣＸＯはエージングにより温度に対する周波数特性が変動し、このＴＣＸＯ８０も同様にその変動が起こる。ただし、このＴＣＸＯ８０のように水晶片の表裏面に電極を設け、一方の電極の組を発振回路に接続し、他方の組をこの容量可変コンデンサなどの発振周波数を調整できる素子に接続することで、前記温度に対する周波数特性の変化をグラフで表したときに、このグラフが基準温度Ｔ０における設定周波数ｆ０を中心に回転するように変動することが抑えられる。そして、前記エージングや容量可変コンデンサ８２の容量の変更などによりこの前記グラフがその形を維持した状態で周波数が高い方または低い方へとずれるように変動する。つまり、エージングによる周波数特性の変動に対して、（４）式の各定数α１、β１及びγ１の再設定が不要であり、上記のように容量可変コンデンサ８２により設定周波数ｆ０の調整を行えばよい。従って、ＴＣＸＯ８０においてはエージングによる前記周波数特性の変動に対して容易に補正を行うことができる。
【００４５】
このＴＣＸＯ８０では、既述の各ＴＣＸＯと同様に温度に応じて補償電圧演算部６４から制御電圧ΔＶが出力され、この制御電圧ΔＶに対応する電圧例えば第１の実施形態と同様にＶ０−ΔＶが加算部６５から出力されてバリキャップダイオード４３に印加されて、当該バリキャップダイオード４３の容量が変化する。それによって、主発振回路４２からの出力は設定周波数ｆ０に維持されることになる。なお図中８３は主発振回路４２の電圧供給端子である。このＴＣＸＯ８０においても第１の実施形態と同様各振動領域から安定した出力が得られるため、ＴＣＸＯ８０の出力を安定させることができる。
【００４６】
上記の各実施の形態では、ＡＴカットされた領域と、ＤＴカットされた領域とにより水晶片を構成しているが、Ｘ軸の正負が反転していればよく、例えばＤＴカットされた領域の代わりにＹカットされた領域を用いてもよい。また、ＡＴカット領域の代わりにＢＴカット領域を使用してもよい。また、熱処理により水晶片の所定の領域の極性を変更する代わりに、夫々極性の異なる水晶片をシロキサン結合などにより接合して双晶を形成してもよい。
【００４７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態は、第１の実施形態のＴＣＸＯ３の変形例であり、水晶振動子の構成が異なることを除いて前記ＴＣＸＯ３と同様の構成である。図１１、図１２はこの水晶振動子９Ａ、９Ｂの上面、縦断側面を夫々示している。第１の実施形態と同様に構成された箇所については同じ符号を付し、説明を省略する。水晶振動子１Ａ、１Ｂとの差異点としては、水晶片２１の代わりに水晶片９１が用いられることである。この水晶片９１においては、ＡＴカット領域である第１の振動領域１２及び前記ＡＴカット領域に対してＸ軸の正負が反転された第２の振動領域１３が、互いに同じ厚さになるように形成されている。振動領域１２、１３により夫々水晶振動子９Ａ、９Ｂが構成される。また水晶片９１においては、振動領域１２、１３間に凹部１４、１５が形成されていない。
【００４８】
この水晶片９１は、例えばＡＴカットされた水晶片１１の一部に約６００℃の熱を与えて結晶軸の正負を反転させ、上記のように振動領域１２、１３を有するように製造される。そして、図４に示したＴＣＸＯ３において水晶振動子１Ａの代わりに９Ａを、１Ｂの代わりに９Ｂを夫々用いてＴＣＸＯ３を構成する。このようにＴＣＸＯ３を構成しても上記の効果が得られる。
【００４９】
ところで上記のＴＣＸＯ３では水晶振動子９Ｂを用いた補助発振部５１の発振出力を温度センサとしている。温度センサとしてこのように補助発振部５１を用いる代わりに、サーミスタを含む温度補償回路を用いることが考えられる。つまり、ＴＣＸＯ３において補助発振部５１の代わりに前記温度補償回路を設ける。そして、温度変化による前記サーミスタの抵抗値の変化により前記温度補償回路からの出力が変化し、それによってバリキャップダイオード４３の容量成分が調整され、補償電圧が演算されるＴＣＸＯを構成することが考えられる。このようなＴＣＸＯ（参照ＴＣＸＯとする）に対して、ＴＣＸＯ３の利点を説明しておく。
【００５０】
前記温度補償回路を用いる場合、この温度補償回路は参照ＴＣＸＯの発振出力を取り出すための水晶振動子１Ａから離れた場所に設けられることになる。従ってサーミスタの検出温度が水晶振動子１Ａの温度に対してずれたり、水晶振動子１Ａの温度変化に対して温度補償回路の出力の変化が遅れたりする場合があり、それによって参照ＴＣＸＯの出力の安定性が低下する懸念がある。しかし、上記のＴＣＸＯ３では、前記温度センサが水晶振動子９Ａを構成する水晶片９１と同じ水晶片９１を用いて形成される。即ち、温度センサを構成する水晶振動子９Ｂが前記水晶振動子９Ａに隣接しているため、水晶振動子９Ａの温度変化に対して水晶振動子９Ｂの出力は高い精度で追従し、温度センサによる検出温度と水晶振動子９Ａの実際の温度のずれや、水晶振動子９Ａの温度変化に対する補助発振部５１の出力変化の遅れが抑えられる。従って水晶振動子９Ａの発振出力を高い精度で制御することができ、当該発振出力の安定性の低下を抑えることができる。
【００５１】
また、ＴＣＸＯ３において水晶振動子９Ｂが接続される発振回路５２の温度に対する出力の分解能は例えば１/１０9℃以上である。つまり、１０-9℃以下の温度変化によって発振回路５２の出力周波数が変動する。それに対して前記サーミスタを用いた温度補償回路は１０-6℃程度の温度変化によって出力を変化させることができるが、それ以上の分解能にすることは技術的に困難である。つまり発振回路５２の出力の分解能は、前記温度補償回路の出力の分解能よりも高くすることが可能なので、参照ＴＣＸＯに比べて、ＴＣＸＯ３は出力の安定性を高くすることができる。
【００５２】
また、ＴＣＸＯ３は共通の水晶片９１から形成された水晶振動子９Ａ、９Ｂにより構成されるため、装置の部品点数が抑えられると共に装置の小型化を図ることができる。また、製造コストの上昇を抑えることができる。なお、ＭＣＸＯ（Microcomputer Compensate Crystal Oscillator）と比較した場合にもＴＣＸＯ３は、このような大型化、部品点数の増加、回路の複雑化を防ぐことができるという利点がある。
【００５３】
ところで、公称周波数（メーカーが指定する中心周波数）が３８．４ＭＨｚであり、その一辺が２．０ｍｍ、他辺が５．０ｍｍの矩形のＡＴカットされた水晶片１１から上記のように水晶片９１を形成し、その水晶片９１から水晶振動子９Ａ、９Ｂを作成した。水晶振動子９Ａの発振周波数定数は、水晶振動子９Ｂの発振周波数定数の約６３％であり、互いの振動領域１２、１３の弾性的な結合が小さいことが確認された。また、この結晶軸の正負が反転された第２の振動領域１３は、結晶軸の正負が反転されたことによりその厚さは第１の振動領域１２の厚さと変わらないが、その弾性定数が変化する。このように振動領域１２、１３においては互いに弾性定数が異なるので、熱反応速度、すなわち温度変化後に周波数が変化するまでの時間（応答速度）が互いに異なることが予想されたが、実験の結果、応答速度の差を検出することはできず、この差が無視できるほど小さいことが確認された。つまり、このことからもＴＣＸＯ３においては温度に対して精度高く周波数を制御することができる。なお、結晶軸の正負が反転することにより、振動領域の周波数温度特性が変化する。振動領域１３は、温度が１℃変化するごとに、３０ｐｐｍ出力周波数が変化する温度特性となる。
【００５４】
図１３は上記の参照ＴＣＸＯの温度特性のグラフを示し、図１４はＴＣＸＯ３の温度特性のグラフを示している。各グラフとも横軸がＴＣＸＯの周囲の温度（単位：℃）、縦軸が周波数偏差（単位：ｐｐｍ）を示している。ＴＣＸＯ３の方が温度による周波数偏差の変動が抑えられている。
【００５５】
（第５の実施形態）
第５の実施形態であるＴＣＸＯ１００について説明する。図１５はこのＴＣＸＯ１００を構成する水晶振動子９Ａ〜９Ｃの上面を示し、図１６は前記水晶振動子９Ａ〜９Ｃの側面を示している。第４の実施形態と異なり、１枚の水晶片９１に当該水晶片９１のＺ’方向に沿って、第１の振動領域１２、第２の振動領域１３、第１の振動領域１２がこの順に形成されており、これら振動領域１２、１３、１２が夫々水晶振動子９Ａ、９Ｂ、９Ｃを構成している。水晶振動子９Ｃは、水晶振動子９Ａと同様に構成されている。
【００５６】
第２の振動領域１３により２つの第１の振動領域１２、１２が区画され、これら第１の振動領域１２、１２の間の弾性的な結合が抑えられている。このため、２つの第１の振動領域１２、１２の特性が同一であったとしても、独立した水晶振動子９Ａ、９Ｃとして扱うことができる。シミュレーションにより、第１の振動領域１２、１２間には前記弾性結合が起こらないことを本発明者は確認している。
【００５７】
図１７にＴＣＸＯ１００の構成を示している。このＴＣＸＯ１００の概略を説明すると、第４の実施形態のＴＣＸＯ３の後段に水晶振動子９Ｃからなるフィルタ回路１０１が設けられており、このフィルタ回路９０の後段に設けられる出力端４０から出力が取り出される構成となっている。発振回路４２、５２はトランジスタを含むコルピッツ発振回路である。このようにフィルタ回路を設ける理由を説明する。水晶振動子の振動波形に対応する電圧波形は正弦波であるが、この正弦波は前記発振回路部分を通るときに波形が乱れる。つまり、発振回路４２から出力される電圧波形は歪んでいる。前記フィルタ回路１０１はこの歪みが除去されるように波形を整形し、純度の高い正弦波（乱れが抑えられた正弦波）を出力させる役割を有する。発振出力における正弦波の純度が高い場合は、低い場合よりもノイズが少なくなる。
【００５８】
ところで、位相雑音を抑えるためには、発振回路の負荷容量を適切に選定したり、ＴＣＸＯの駆動電流を可能な限り低くできるように構成することが考えられる。しかし、これらの対応は装置の製造コストを上昇させたり、装置を大型化させる懸念がある。フィルタ回路１０１を設けることでこのようなコストの上昇や装置の大型化を抑えることができる。
【００５９】
このフィルタ回路１０１は、コンデンサ１０２、１０３、水晶振動子９Ｃ及びコンデンサ１０４の直列回路を備えている。また、コンデンサ１０３と水晶振動子９Ｃとの直列回路の両端には、夫々抵抗１０５、１０６の各一端が接続され、これら抵抗１０５、１０６の他端側は接地されている。コンデンサ１０２は直流をカットするために設けられ、コンデンサ１０３、１０４及び抵抗１０５、１０６は目的とする周波数以外の周波数信号を減衰させるフィルタを構成している。
【００６０】
水晶振動子９Ｃに対して並列にインダクタ１０７が設けられている。図１８は水晶振動子９Ｃの等価回路を示しており、Ｌ１は等価直列インダクタンス、Ｃ１は等価直列容量、Ｒ１は等価直列抵抗、Ｃ０は並列容量である。インダクタ１０７は並列容量Ｃ０と共に目的とする発振周波数（ｆ０とする）において並列共振を起こす値に設定されている。即ち、インダクタ１０７のインダクタンスの値をＬとすると、次式が成り立つようにＬが設定される。
ｆ０＝１／｛２π・√（Ｌ・Ｃ０）｝
等価直列容量Ｃ１は並列容量Ｃ０に比べてかなり小さいため、Ｃ０とＬとにより並列共振を起こすことができる。
【００６１】
このＴＣＸＯ１００の動作について説明する。図４のＴＣＸＯ３と同様に水晶振動子９Ｂの温度に応じて制御電圧供給部６１から制御電圧Ｖｃがバリキャップダイオード４３を介して発振回路４２に印加され、その制御電圧Ｖｃに応じた周波数で水晶振動子９Ａが発振し、発振回路４２から周波数信号が出力される。なお、各図では省略しているが、制御電圧供給部６１は、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を備えている。前記水晶振動子９Ｂを含む補助発振部５１の出力をＡ／Ｄ変換器によりディジタル変換し、その出力に基づいて制御電圧供給部６１で算出される出力は、Ｄ／Ａ変換器によりアナログ変換されてバリキャップダイオード４３に印加される。
【００６２】
上記のように水晶振動子９Ａから出力された正弦波は発振回路４２を通過することで歪みが生じる。水晶振動子は励振されると正弦波を出力することから、歪みが生じた前記正弦波は、波形整形用の水晶振動子９Ｃを通過することによりその歪みが除去される。また、波形整形用の水晶振動子９Ｃの並列容量Ｃ０は、インダクタ１０７と共に並列共振を起こすので、目的とする周波数（ｆ０）信号について並列容量Ｃ０側の通過が阻止される。このため当該周波数信号が殆ど機械的振動部分を通過するので、当該周波数信号に含まれるノイズの通過が阻止され、位相雑音が低減される。ＴＣＸＯ１００では、このように位相雑音が低減できる他、ＴＣＸＯ３と同様の効果が得られる。また、フィルタを構成するための水晶振動子９Ｃを、発振出力を得るための水晶振動子９Ａ及び温度センサを構成するための水晶振動子９Ｂを構成する水晶片９１に形成しているため、装置の小型化を図ることができる。
【００６３】
ＴＣＸＯ１００及びＴＣＸＯ３の出力の位相雑音特性を調べる実験を行った。図１９は、ＴＣＸＯ１００の位相雑音特性を示すグラフであり、図２０はＴＣＸＯ３の位相雑音特性を示すグラフである。横軸には各ＴＣＸＯの中心周波数からのずれ量（オフセット 単位：Ｈｚ）、縦軸には中心周波数の出力との差分、つまり位相雑音（単位ｄＢｃ／Ｈｚ）を示している。オフセットが小さい１〜１０Ｈｚ付近の各特性を比較すると、ＴＣＸＯ１００の位相雑音の方が低い。従ってフィルタ回路９０を設けることにより、位相雑音を低下させることができ、Ｑ値を高くできることが示された。
【００６４】
（第６の実施形態）
第６の実施形態であるＴＣＸＯ１１０はＴＣＸＯ１００と同様にフィルタを備えているが、このフィルタはＭＣＦ（モノリシッククリスタルフィルタ）として構成されている。ＭＣＦを設ける理由を説明すると、例えばＴＣＸＯを組み込んだＰＬＬ装置などを構成し、このＴＣＸＯの出力に基づいてディジタル信号を出力する場合に、ＴＣＸＯの主振動から比較的離れた周波数において位相雑音レベルが高いと、前記ディジタル信号のパルスの波形が乱れてしまう。ＭＣＦを設けることで前記位相雑音を低減させる。
【００６５】
図２１、図２２は夫々ＴＣＸＯ１１０に用いられる水晶片９１の上面図、側面図である。第４の実施形態との差異点としては、水晶片９１に水晶振動子９Ｃの代わりにＭＣＦ１１１が形成されている。ＭＣＦ１１１は水晶振動子９Ｃ同様に第１の振動領域１２を備えるが、電極の構成が異なっている。その表面側にＺ’方向に間隔をおいて電極１１２、１１３が設けられている。また、裏面側にＺ’方向に間隔をおいて電極１１４、１１５が設けられている。電極１１２、１１４は互いに対向し、電極１１３、１１５は互いに対向する。電極１１２はフィルタの入力電極、電極１１４はフィルタの出力電極であり、電極１１３、１１５は接地用電極である。既述の各励振電極と同様に、電極１１２〜１１５からは水晶片９１の縁部に向かって、水晶片９１を保持する保持器（不図示）に接続するための引出し電極１８が延び出している。
【００６６】
図２３にはＴＣＸＯ１１０の構成を示している。発振回路４２の後段側にＭＣＦ１１１が設けられ、ＭＣＦ１１１の後段は出力端４０に接続され、位相雑音が除去された出力が取り出される。ＭＣＦ１１１を構成する第１の振動領域（フィルタ形成領域）１２は、第２の振動領域１３により水晶振動子９Ａを構成する第１の振動領域１２から区画されているので、これら振動領域１２間の弾性的な結合が抑えられる。従って、位相雑音を除去する特性が劣化することが抑えられる。また、水晶振動子９Ｃと同様にＭＣＦ１１１は水晶振動子９Ａ、９Ｂを構成する水晶片９１に形成されているので、第４の実施形態と同様に装置の大型化及び製造コストの増加を防ぐことができる。
【００６７】
ＴＣＸＯ１１０及びＴＣＸＯ３の出力の位相雑音特性を調べる実験を行った。図２４はＴＣＸＯ１１０の位相雑音特性を、図２５はＴＣＸＯ３の位相雑音特性を、夫々図１９、２０と同様にグラフで示したものである。これら図２４、２５のグラフを比較すると、オフセット周波数が1から100000Ｈｚ付近までは位相雑音レベルが略同一であるが、100000Ｈｚ以上になるとＴＣＸＯ１１０の方が、位相雑音レベルが低い。従ってＭＣＦ１１１を設ける効果が示された。
【００６８】
上記の第４〜第６の実施形態における水晶片９１の振動領域１２、１３は互いに同じ厚さであるが、第１〜第３の実施形態と同様に互いに異なる厚さにしてもよい。また、振動領域１２、１３を区画する凹部１４、１５を形成してもよい。また、第１〜第３の実施形態の各ＴＣＸＯに用いられる水晶片１１の各振動領域について、第４〜第６の実施形態の水晶片９１の各振動領域と同様に、互いに同じ厚さにしてもよい。そして、振動領域間に凹部１４、１５が形成されていなくてもよい。
【００６９】
（第７の実施形態）
続いて第７の実施形態のＴＣＸＯ１２０について説明する。図２６、２７は、このＴＣＸＯ１２０に用いられる水晶振動子９Ａ、９Ｂについて示している。第４〜第６の実施形態との差異点として、水晶片９１の表面及び裏面に励振電極１６Ａ、１６Ｂ、１７Ａ、１７Ｂが設けられておらず、その代りに、励振電極１２１、１２２が設けられている。励振電極１２１、１２２は互いに対向し、振動領域１２、１３に跨るように形成されている。第１の振動領域１２の周波数定数は例えば約１．６７ＭＨｚ・ｍｍであり、第２の振動領域１３の周波数定数は約２．４５ＭＨｚ・ｍｍである。振動領域１２、１３の厚みは互いに同一である。
【００７０】
図２８にＴＣＸＯ１２０について示している。このＴＣＸＯ１２０はＴＣＸＯ３と略同様に構成されているので差異点を中心に説明すると、水晶振動子９Ａ、９Ｂと発振回路４２、５２との間にスイッチ１２３が設けられ、励振電極１２２は発振回路４２または５２のいずれかに接続される。励振電極１２１は、発振回路４２、５２に接続される。つまり、スイッチ１２３により水晶振動子９Ａ、９Ｂのいずれか一方が発振回路４２、５２に接続されるが、スイッチ１２３は高速で切り替わり、水晶振動子９Ａ、９Ｂは実質同時に発振する。図中１２４、１２４は、励振電極１２１と発振回路４２、５２間に設けられたフィルタである。
【００７１】
上記のように振動領域１２、１３間で周波数定数の差が比較的大きいので、このように実質同時に振動領域１２、１３が発振しても一方の領域の振動が他方の領域の振動に影響することが抑えられる。従って第１及び第４の実施形態のＴＣＸＯ３と同様の効果が得られる。ところで、振動領域１２、１３は目視により互いに判別することができず、また、他の光学的な検出手法によっても検出することができない。誘電率の測定やＸ線検査によりこれら領域を判別することができるが、これらの検査には比較的長い時間を要する欠点がある。特に小型化が進んだ水晶片を検査するＸ線検査装置は高価なものになる。しかし、この実施形態では振動領域１２、１３に跨るように励振電極を形成することで振動領域１２、１３の境界を特定する必要が無い。そのため、振動領域１２、１３の境界を特定して各振動領域に個別に励振電極を形成するよりも装置の製造が容易であり、製造コストも抑えられるという利点がある。
【００７２】
この実施形態のように水晶振動子を形成したときの各発振出力を確認する実験を行った。Ｚ’方向の長さ、Ｘ’方向の長さが夫々５ｍｍ、２．５ｍｍの矩形状のＡＴカットされた水晶片９１を用意した。この水晶片９１は基本波振動モードにおける発振が２６ＭＨｚである。この水晶片９１に対して加熱処理を行い、振動領域１３を形成した。続いて、水晶片９１に励振電極１２１、１２２を形成した。各励振電極１２１、１２２はＣｒ（クロム）膜の上層側にＡｕ（金）膜が積層されて構成されている。Ａｕ膜の厚さは約１００ｎｍである。励振電極１２１、１２２は縦横が共に１．８ｍｍの矩形状であり、垂直電界励振を起こすために上記のように対向している。発振回路４２、５２はコルピッツ発振回路で負荷容量は７ｐＦであった。励振電極１２１、１２２に発振回路４２、５２を接続し、各発振回路４２、５２からの出力周波数を調べた。
【００７３】
その結果、発振回路４２からの出力周波数は27.104452ＭＨｚ、発振回路５２からの出力周波数は55.755391ＭＨｚであり、その差が約28ＭＨｚであった。このように互いの発振周波数が大きく異なる。従って、一方の領域の振動が他方の領域の振動に影響されずに振動することが確認された。
【００７４】
上記の実験における水晶片９１の大きさや電極の大きさなどの各種パラメータを有するようにＴＣＸＯ１２０を製造することができる。励振電極によるエネルギー閉じ込めの原理はこの実施形態の水晶振動子９Ａ、９Ｂでも成立し、適切なエネルギー閉じ込めができるように励振電極の面積は適宜調整してよい。基本波振動モードに限られず、高次オーバトーン振動モードで各振動領域を発振させてもよい。この第７の実施形態の水晶振動子９Ａ、９Ｂは他の各実施形態にも適用することができる。
【００７５】
ところで各実施形態において発振回路４２、５２はコルピッツ発振回路により構成しているが、Pierce、Clapp、Butlerなど任意の発振回路を用いることができる。また、水晶発振器（発振装置）としてＴＣＸＯの構成例を示したが、例えばＯＣＸＯ（Oven Controlled crystal Oscillator）として構成することもできる。具体的には、上記の各水晶振動子を構成する水晶片をその内部に含み、ヒータによりこの内部の温度調整が可能なオーブンを構成する。ＴＣＸＯの補償電圧演算部の代わりに、前記ヒータに供給する電力を調整する電力調整部を設ける。そして、ＴＣＸＯ３などと同様に水晶振動子１Ｂ（９Ｂ）の発振出力について、周波数検出部が周波数検出し、温度推定部が前記周波数に基づいてオーブン内の温度を推定し、この推定温度に従って前記電力調整部からヒータへの電力が制御され、オーブン内の温度が設定温度に維持される。
【００７６】
また、発振回路４２の後段に設けるフィルタとしては上記のＭＣＦ１１１やフィルタ回路１０１に限られず、水晶片１１（９１）によりＳＡＷフィルタを構成してもよい。また発振回路４２の後段に誘電体フィルタを設けてもよい。また、発振回路４２とＭＣＦ１１１やフィルタ回路１０１との間にアンプやバッファ回路を設けて、ＭＣＦ１１１及びフィルタ回路１０１では、これらアンプ及びバッファ回路の電子雑音の除去を行うようにしてもよい。また、各振動領域１２、１３及び各励振電極１６、１７の面積は互いに同一でもよいし、互いに異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 水晶振動子
１１、９１ 水晶片
１２ 第１の振動領域
１３ 第２の振動領域
１４、１５ 凹部
１６、１７ 励振電極
２２ ＡＴカット領域
２３ ＤＴカット領域
３、１００、１１０、１２０ 温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）
４１ 主発振部
５１ 補助発振部
６１ 制御電圧供給部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その面内でＸ軸の正負の方向が互いに異なる振動領域を有する水晶振動子及びこの水晶振動子を含む水晶発振器を提供する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路などの電子部品に用いられる水晶振動子は、温度に応じて発振周波数が変化する周波数温度特性を持っている。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどにより水晶振動子毎に異なっている。
【０００３】
従って、雰囲気温度にかかわらず安定した周波数出力を得る工夫が種々行われている。例えば、共通の水晶片に互いに対となる励振電極の組を２つ形成して第１の水晶振動子、第２の水晶振動子を構成し、第１の水晶振動子、第２の水晶振動子の出力の差分を演算し、その出力を利用することが検討されている。このように共通の水晶片により構成される第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は、周囲温度の影響を同様に受けるため、前記差分の周波数出力は前記周囲温度の影響が抑えられる。しかし、そのように周波数の差分を演算することは、装置の構成が複雑になる。
【０００４】
ところで同じ水晶片に振動領域を複数形成する場合、一の振動領域が他の振動領域に与える影響が抑えられるように水晶片を構成する必要がある。例えば特許文献１には水晶片に凹部が形成され、当該凹部により互いの振動領域が区画されている。しかし、この水晶片は凹部に区画される領域が共にＡＴカットされているため上記の装置構成が簡素な発振装置を得るという課題を解決することが困難である。また、特許文献２には、ＡＴカットされた水晶片の周縁部にレーザーを照射して結晶軸の正負を反転させることにより、水晶片を双晶化する技術が記載されている。しかし、レーザーを照射した前記周縁部は、振動せずにＡＴカットされた領域である中央部を支持する領域として構成されており、上記の問題を解決できるものではない。
また、水晶発振器においては、サーミスタなどを用いた温度センサとして用いたものが知られている。温度センサにより検出した温度に基づいて発振出力が制御されるが、より簡単な構成で安定した発振を得ることができる水晶発振器が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１０８１７０
【特許文献２】特開２００３−６９３７４号公報（段落００１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、複数の振動領域を有する水晶振動子において、一方の振動領域が他方の振動領域に与える影響を抑えると共に簡素な構成の水晶発振器を構成することができる技術を提供することである。さらに水晶発振器において、簡単な構成で安定した発振出力が得られる技術を提供する異である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水晶振動子は、水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の水晶振動子の具体的な態様としては例えば以下の通りである。
（１）前記水晶片において、第１の振動領域と第２の振動領域との間に凹部が形成される。
（２）第１の振動領域及び第２の振動領域のうちの一方はＡＴカットされた領域である。
【０００９】
本発明の水晶発振器は上記の水晶振動子を含むことを特徴とする。この水晶発振器の具体的な態様としては例えば、第２の振動領域の発振周波数に基づいて第１の振動領域を発振させるための制御電圧を制御することにより、当該第１の振動領域の発振周波数を制御する制御手段を備える。
【００１０】
また、本発明の水晶発振器は、水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路と、
第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路と、
第２の振動領域の発振周波数に基づいて前記水晶片の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路からの発振周波数を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この水晶発振器の具体的な態様は、例えば下記の通りである。
（３）前記水晶片において第１の振動領域と第２の振動領域とは異なる領域に、第１の発振回路からの信号が入力されるフィルタを構成するフィルタ形成領域が設けられる。
（４）前記第１の振動領域と前記フィルタ形成領域とは、第２の振動領域により区画される。
（５）前記励振電極は、第１の振動領域及び第２の振動領域に跨って形成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の水晶振動子は、Ｘ軸の正負が反転し、夫々独立して振動する各領域の厚さが互いに異なるように形成されている。従って、第１の振動領域の振動が、第２の振動領域の振動に与える影響を抑えることができ、また各振動領域が略同じ温度雰囲気に置かれた状態で、一方の振動領域と他方の振動領域とから所定の温度変化に対して互いに異なる大きさで変化する発振周波数を取り出すことができる。従って、温度に対して明確に周波数変化が起きる方の振動領域の発振周波数に基づいて、他の振動領域の発振を制御することができる。これにより、各領域からの発振周波数の差分を演算しなくてもよくなるため、当該水晶振動子により構成される水晶発振器の構成が複雑化し、コストが高くなることを抑えることができる。
また、本発明の水晶発振器は、水晶片に設けられた第２の振動領域の振動に基づいて前記水晶片の温度が推定され、第２の振動領域とはＸ軸の正負の向きが反転された第１の振動領域による発振周波数が制御される。従って、装置のコストを抑え、安定した出力を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の水晶振動子の平面図及び縦断側面図である。
【図２】前記水晶振動子の製造方法を示す工程図である。
【図３】前記水晶振動子の他の製造方法を示す説明図である。
【図４】前記水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。
【図５】前記水晶片をなすＡＴカット領域の温度特性を示すグラフ図である。
【図６】制御電圧と発振周波数との関係を示すグラフ図である。
【図７】前記水晶片をなす一の領域の温度特性を示すグラフ図である。
【図８】第２の実施形態の水晶振動子の平面図及び縦断側面図である。
【図９】前記水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。
【図１０】第３の実施形態の水晶振動子を含む温度補償発振器の構成図である。
【図１１】第４の実施形態の水晶発振器を構成する水晶振動子の平面図である。
【図１２】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図１３】比較例であるＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図１４】第４の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図１５】第５の実施形態のＴＣＸＯを構成する水晶振動子の平面図である。
【図１６】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図１７】前記第５の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【図１８】前記ＴＣＸＯの水晶振動子の等価回路図である。
【図１９】第５の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２０】第３の実施形態のＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２１】第６の実施形態のＴＣＸＯを構成するための水晶振動子の平面図である。
【図２２】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図２３】前記第６の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【図２４】前記ＴＣＸＯの水晶振動子の等価回路図である。
【図２５】前記ＴＣＸＯの温度特性を示すグラフ図である。
【図２６】第７の実施形態のＴＣＸＯを構成するための水晶振動子の平面図である。
【図２７】前記水晶振動子の縦断側面図である。
【図２８】前記第７の実施形態のＴＣＸＯの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施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。図１（ａ）（ｂ）は、水晶振動子１の平面図、側面図である。この水晶振動子１は矩形状の水晶片１１を備えており、この水晶片１１の長さ方向に沿って第１の振動領域１２、第２の振動領域１３が各々形成されている。第１の振動領域１２は、その表面及び裏面が水晶の結晶軸であるＺ軸に対して、Ｘ軸の＋方向から見て反時計回りに約３５°傾いたＺ’軸と当該Ｘ軸とに平行している。つまり、第１の振動領域１２はＡＴカットされた領域である。
【００１５】
第２の振動領域１３は、その表面及び裏面が前記Ｚ’軸と前記Ｘ軸とに平行しており、このＸ軸の正負の向きは第１の振動領域１２のＸ軸の正負の向きと逆になるように構成されている。即ち、この水晶片１１は電気的双晶として構成されている。そして、第２の振動領域１３は概ねＤＴカットされた領域として構成されている。また、図１（ｂ）に示すように第１の振動領域１２は第２の振動領域１３に比べてその厚さが小さく形成されている。
【００１６】
水晶片１１の表面、裏面には、第１の振動領域１２と第２の振動領域１３とを区画するように夫々凹部１４、１５が形成されている。各凹部１４、１５は水晶片１１の幅方向に沿って筋状に形成され、互いに対向している。また、第１の振動領域１２の表裏面には、第１の振動領域１２を励振させるための励振電極１６Ａ、１６Ｂが形成されており、これら励振電極１６Ａ、１６Ｂは互いに対向して形成されている。第２の振動領域１３の表裏面には第１の振動領域１２と同様に励振電極１７Ａ、１７Ｂが互いに対向して設けられている。これら励振電極１６、１７によって第１の振動領域１２、第２の振動領域１３は互いに独立して振動する。
【００１７】
各励振電極１６（１６Ａ、１６Ｂ）、１７（１７Ａ、１７Ｂ）から水晶片１１の端部へ向けて電極１８が引き出されるように形成されている。電極１８は励振電極１６、１７を発振回路に接続するための導電路の役割を有する。図１（ｂ）においてはこの引き出し電極１８の図示を便宜上省略している。
【００１８】
続いて、上記の水晶振動子の製造方法について水晶片の側面が変化する様子を示した図２を参照しながら説明する。図２（ａ）はＡＴカットされた矩形状の水晶片２１を示している。この図２（ａ）に示す状態では水晶片２１は単晶である。この水晶片２１の寸法としては例えば長さが５ｍｍ、幅が２ｍｍ、厚さが０．０６ｍｍである。
【００１９】
この水晶片２１にエッチングにより凹部１４を形成し、第１の振動領域１２、第２の振動領域１３に水晶片２１を区画する（図２（ｂ））。続いて第２の振動領域１３に図示しないレーザー照射部により炭酸ガスレーザーを照射し、第２の振動領域１３が加熱される。図２（ｂ）の矢印はこのレーザー光を示している。このレーザー照射によって第２の振動領域１３が加熱され、当該第２の振動領域１３のＸ軸の正負が反転し、上記のように第２の振動領域１３が概ねＤＴカットされた領域（便宜上、ＤＴカット領域として説明する）となり、水晶片２１が双晶である水晶片１１に変化する（図２（ｃ））。
【００２０】
図２（ｃ）〜図２（ｅ）ではそのように結晶軸が反転した領域に多数の点を付して示している。このようにレーザー照射の前に凹部１４を形成することで、Ｘ軸の正負が反転する領域が第１の振動領域１２に及ぶことが防がれることについて、発明者が実験により確認している。ＡＴカット領域を符号２２で、ＤＴカット領域を符号２３で夫々示している。この第１の実施形態ではＡＴカット領域２２は第１の振動領域１２、ＤＴカット領域２３は第２の振動領域１３である。
【００２１】
続いて、水晶片１１をエッチング液に浸漬する。水晶の異方性により、第１の振動領域１２の表裏面は、第２の振動領域１３の表裏面に比べてエッチング速度が大きい。従って図２（ｃ）に示すように第１の振動領域１２の厚さが第２の振動領域１３の厚さよりも小さくなる。また、第１の振動領域１２と第２の振動領域１３との境界部分は第１の振動領域１２及び第２の振動領域１３の各表裏面よりもエッチング速度が大きい。従って凹部１４の深さが大きくなると共に水晶片１１の裏面に凹部１５が形成される（図２（ｄ））。このように水晶片１１をエッチングした後、水晶片１１の表面及び裏面に金属膜を形成し、この金属膜をエッチングして、励振電極１６、１７及び引き出し電極１８を形成する（図２（ｅ））。
【００２２】
この水晶振動子１においては、ＡＴカットされた領域である第１の振動領域１２と、ＤＴカットされた第２の振動領域１３との間においてこれら振動領域１２、１３の厚さが互いに異なり、これら振動領域１２、１３間に段差が形成されて一方の振動領域の弾性波が他方の振動領域に伝播することが抑えられるので、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に与える影響が抑えられる。従って、後述のようにこの水晶振動子１を水晶発振器に組み込んだときに、各振動領域から安定した出力周波数を取り出すことができる。さらに、この水晶振動子１については凹部１４、１５が形成されている。この凹部１４、１５により弾性波の伝搬がさらに抑えられ、一方の振動領域の振動が他方の振動領域の振動に与える影響がより確実に抑えられる。
【００２３】
ところで、図３（ａ）（ｂ）は夫々水晶片２１の平面図、縦断側面図である。上記の例ではレーザーを照射して双晶を形成するにあたり、水晶片２１に凹部１４を形成しているが、この凹部１４には図３（ａ）（ｂ）に示すような貫通孔２４も含まれる。この貫通孔２４は水晶片２１の幅方向に線状に形成されている。このような貫通孔２４を形成して第２の振動領域１３にレーザーを照射しても、第２の振動領域１３でＸ軸の正負の反転が起こり、第１の振動領域１２にはＸ軸の正負の反転が起こらなかったことを発明者は確認している。つまり、振動領域を区画するように凹部を水晶片に形成しておくことでＸ軸の正負を反転させる領域の大きさを精度高く制御することができる。また、このようにレーザーを照射してＸ軸の正負を反転させることに限られず、例えば水晶片を金属膜で覆い、水晶片を加熱することにより、金属膜で覆った箇所のＸ軸の正負を反転させてもよい。
【００２４】
（第１の実施形態のＴＣＸＯ）
続いて、上記の水晶振動子１を用いて構成される温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated crystal Oscillator）３について図４の回路構成図を参照しながら説明する。上記のように水晶振動子１は独立して振動する２つの振動領域を備えているため、この説明では、便宜上水晶振動子１は２つの水晶振動子であるものと見て説明する。第１の振動領域１２（ＡＴカット領域２２）を含む水晶振動子を１Ａ、第２の振動領域１３（ＤＴカット領域２３）を含む水晶振動子を１Ｂとする。
【００２５】
このＴＣＸＯ３は外部に設定周波数ｆ０の信号を出力するための主発振部４１と、温度補償用の信号を発振させるための補助発振部５１と、補助発振部５１から出力される温度補償用の信号に基づいて主発振部４１に入力する制御電圧Ｖｃを算出するために、これらの主発振部４１及び補助発振部５１の間に設けられた制御電圧供給部６１と、を備えている。図４中５０は、補助発振部５１の制御電圧Ｖ１０の入力端であり、４０はＴＣＸＯ３の出力端である。
【００２６】
主発振部４１は、水晶振動子１Ａとこの水晶振動子１Ａに接続された主発振回路４２と、を備えている。補助発振部５１は水晶振動子１Ｂとこの水晶振動子１Ｂに接続された補助発振回路５２と、を備えている。上記の主発振部４１の前段側（入力側）には、既述の制御電圧供給部６１が接続されており、この制御電圧供給部６１からバリキャップダイオード４３を介して、主発振部４１に制御電圧Ｖｃが印加されるように構成されている。この制御電圧供給部６１は、（１）式に示すように、主発振部４１の基準電圧Ｖ０から温度補償電圧ΔＶを減算（ΔＶの符号の取り方によっては加算とも言える）することにより、上記の制御電圧Ｖｃが生成されるように構成されている。
【００２７】
Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ ・・・（１）
この基準電圧Ｖ０とは、基準温度Ｔ０例えば２９℃において、主発振部４１から設定周波数ｆ０が出力される時の制御電圧である。また、温度補償電圧ΔＶは、次のように表される。即ち、制御電圧Ｖと発振周波数ｆとが比例関係にあることから、ΔＶは（２）式のように表される。また、ＡＴカットの水晶片を用いて厚み滑り振動モードで発振させる場合には、（３）式が成り立つことからΔＶは（４）式として表される。尚、Ｔは後述の温度推定部６３において検出された温度、Δｆ＝ｆ−ｆ０である。α１、β１及びγ１はこの主発振部４１に固有の定数である。
【００２８】
ΔＶ＝Ｖ０（Δｆ／ｆ０） ・・・（２）
Δｆ／ｆ０＝α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１ ・・・（３）
ΔＶ＝Ｖ０｛α１(Ｔ−Ｔ０)3＋β１(Ｔ−Ｔ０)＋γ１｝・・・（４）
Ｖ１０は、入力端５０からバリキャップダイオード５３を介してＤＴカット領域２３に印加される制御電圧である。制御電圧供給部６１は、補助発振部５１から入力される周波数信号から発振周波数ｆを計測するための例えば周波数カウンターなどからなる周波数検出部６２と、この周波数検出部６２において計測した発振周波数ｆに基づいて温度Ｔを推定する温度推定部６３と、温度推定部６３において推定した温度Ｔに基づいて既述の補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部６４と、補償電圧演算部６４にて演算された補償電圧ΔＶを基準電圧Ｖ０から減算した制御電圧Ｖｃを主発振部４１に出力するための加算部６５と、を備えている。なお、補償電圧ΔＶの符号を正、負のいずれに決めるかによって、加算部６５における演算は、（Ｖ０−ΔＶ）、（Ｖ０＋ΔＶ）のいずれかに決まってくるが、この実施の形態では先の（４）式で求めたΔＶを補償電圧として取り扱っているので、（Ｖ０−ΔＶ）として表現している。要は、周波数温度特性に応じて発振周波数ｆが設定周波数ｆ０から変動する分だけ、ΔＶによりＶ０を補償する演算を行えば良い。
【００２９】
温度推定部６３には、補助発振部５１の周波数温度特性が記憶されており、この温度特性と補助発振部５１の発振周波数ｆとに基づいて（ｆ０とＴ０とは予め設定されている）、ＴＣＸＯ３の周囲の温度Ｔが求められる。また、補償電圧演算部６４は、例えば主発振部４１の温度特性である３次関数発生器を備え、既述の（４）式及び温度Ｔにより、補償電圧ΔＶが求められる。
【００３０】
次に、ＴＣＸＯ３の作用について説明する。主発振部４１において基準温度Ｔ０例えば２９℃で設定周波数ｆ０が出力される基準電圧Ｖ０から、後述する温度補償電圧ΔＶを減算した電圧Ｖｃをバリキャップダイオード４３を介して主発振回路４２に供給し、主発振回路４２が周波数ｆで発振する。この時、水晶振動子１Ａが例えば温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ０）であり、制御電圧Ｖが基準電圧Ｖ０であるとした場合には、図５に示すようにこの主発振部４１にて発振する周波数ｆは、基準温度Ｔ０に対応する設定周波数ｆ０から温度特性曲線である３次曲線に沿って、温度Ｔ１に対応する周波数ｆ１にずれようとする。しかし、上記のように主発振部４１に供給される制御電圧Ｖｃは、基準電圧Ｖ０を温度補償電圧ΔＶにより補償した値となっているので、出力端４０からは設定周波数ｆ０が出力されることになる。このような温度補償電圧ΔＶは、次のようにして制御電圧供給部６１において計算される。
【００３１】
既述のように、主発振部４１における発振周波数ｆは、図６に示すように、制御電圧Ｖに比例する。従って、制御電圧供給部６１において、周波数ｆ１と設定周波数ｆ０との差分であるΔｆを補償するために、Δｆに相当する補償電圧ΔＶだけ制御電圧Ｖを高くするようにコントロールされる。補償電圧ΔＶは、上記の（４）式の温度Ｔに温度Ｔ１を代入することにより求められる。
【００３２】
温度Ｔ１は、次のようにして補助発振部５１の発振周波数ｆに基づいて算出される。即ち、入力端５０に制御電圧Ｖ１０を入力することにより、補助発振部５１が発振する。以下、Ｔ１０は基準温度例えば２９℃であり、ｆ１０は基準電圧Ｖ１０を制御電圧として補助発振回路５２に供給した時に得られる周波数である。
【００３３】
この補助発振部５１における発振は上記のＤＴカット領域２３（水晶振動子１Ｂ）の発振である。ここで、ＤＴカットされた水晶片において、温度Ｔと周波数偏差（周波数変化率）ｆ／ｆ10との関係は２次関数に近似されることが知られているが、通常ＴＣＸＯ３を用いる範囲例えば０℃〜３０℃の範囲では図７に示すように概ね比例関係となり、温度Ｔと補助発振部５１からの発振周波数ｆとの間には（５）式の関係が成り立つ。
【００３４】
ｆ＝ｆ10{α２（Ｔ−Ｔ10）＋β２}・・・（５）
周波数検出部６２は、前記発振周波数ｆとこの（５）式を用いて温度Ｔを推定する。このように温度Ｔと発振周波数ｆとが比例関係となり、温度Ｔに対して周波数ｆが明確に変化する。さらに温度Ｔの変化に対して発振周波数ｆが比較的急峻に変化することから、このＴＣＸＯ３では感度高く温度変化を検出することができる。なお、α２、β２は予め設定した補助発振部５１に固有の定数であり、様々な値の制御電圧Ｖにおいて異なるので、上記の入力端５０に入力される制御電圧Ｖは、これらの定数を求めた時と同じ電圧例えばＶ１０となる。
【００３５】
補償電圧演算部６４は、こうして求められた温度Ｔ及び既述の（５）式に基づいて、補償電圧ΔＶを算出する。これにより、主発振部４１の発振周波数ｆがΔｆだけ高くなろうとし、温度Ｔになっていることにより発振周波数ｆがΔｆだけ低くなろうとする作用を打ち消すため、出力端４０から出力される発振周波数ｆが設定周波数ｆ０に維持されることになる。
【００３６】
このようなＴＣＸＯ３では、上記の水晶振動子１を用いることで、主発振部４１及び補助発振部５１から安定した出力を得られ、補助発振部５１からの出力を制御電圧として主発振部４１の出力を制御している。それによって各水晶振動子１Ａ、１Ｂの出力の差分を演算しなくても安定した出力を得ることができるので、装置が大型化したり、製造コストが高くなることを抑えることができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
他のＴＣＸＯ７０について説明する。図８（ａ）（ｂ）はこのＴＣＸＯ７０に用いる水晶振動子７の平面図及び縦断側面図である。この水晶振動子７は、水晶振動子１と同様にＡＴカット領域２２及びＤＴカット領域２３からなるが、ＡＴカット領域２２には励振電極７１Ａ、７１Ｂと、励振電極７２Ａ、７２Ｂとが形成されており、これら励振電極７１（７１Ａ，７１Ｂ）、７２（７２Ａ，７２Ｂ）の周囲が夫々独立して振動する。励振電極７１により振動する領域を７３、励振電極７２により振動する領域を７４とする。振動領域７３、７４間で互いの振動の影響が抑えられるように励振電極７１、７２間の寸法ｌは例えば１ｍｍに設定している。各振動領域７３、７４から出力される周波数を若干ずらすために励振電極７１、７２の厚さは互いに異なっている。
【００３８】
図９はＴＣＸＯ７０の回路図である。水晶振動子７について、各振動領域が独立して振動することから便宜上水晶振動子が３つ含まれているものとして説明する。振動領域７３により構成される水晶振動子を７Ａ、振動領域７４により構成される水晶振動子を７Ｂとする。振動領域１３により構成される水晶振動子はＴＣＸＯ３と同様に１Ｂとする。このＴＣＸＯ７０では水晶振動子７Ａからの出力（ｆ21とする）と、水晶振動子７Ｂからの出力（ｆ22とする）との差分ｆ21−ｆ22を取り出す。水晶振動子７Ａ、７Ｂは同じ水晶片１１により構成されているため略同様の温度雰囲気に置かれるが、水晶振動子７Ａ、７Ｂの位置の違いにより若干温度が異なるためｆ21−ｆ22は周囲温度の変化に対してわずかに変動する。このＴＣＸＯ７０はこの変動を、より小さく抑えることを目的とする。
【００３９】
この例では、ＴＣＸＯ３と同様に水晶振動子１Ｂの出力に基づいて各水晶振動子の周囲温度Ｔを検出し、その温度に応じて水晶振動子７Ａ、７Ｂについて夫々設けられた補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂにより、上記（４）式よりΔＶを演算する。（４）式において各補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂで用いられるα１、β１及びγ１の各定数は水晶振動子７Ａ、７Ｂに固有の値である。
【００４０】
ＴＣＸＯ７０において、ＴＣＸＯ３で説明したものと同様に構成される部分については同じ符号を付して説明を省略する。ＴＣＸＯ７０の制御電圧供給部７６は、ＴＣＸＯ３の制御電圧供給部６１に相当する箇所であり、上記のように補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂを備え、温度推定部６３からの信号が出力される。
この補償電圧演算部６４Ａ、６４ＢではＴＣＸＯ３の補償電圧演算部と同様に（４）式によりΔＶが演算されるが、水晶振動子７Ａ、７Ｂに応じて夫々設定された夫々固有の定数α１、β１及びγ１を用いてΔＶの演算が行われる。
【００４１】
また、補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂは各水晶振動子７Ａ、７Ｂについて設けられた加算部６５に接続され、各加算部６５で制御電圧Ｖｃが演算される。この制御電圧Ｖｃがバリキャップダイオード４３を介して、水晶振動子７Ａ、７Ｂに夫々接続される発振回路７７Ａ、７７Ｂに出力され、ｆ21、ｆ22が各々安定した出力となるように制御される。図中補償電圧演算部６４Ａ、６４Ｂから出力される各ΔＶをΔＶ１、ΔＶ２、発振回路７７Ａ、７７Ｂに印加される制御電圧Ｖｃを夫々Ｖｃ１、Ｖｃ２としている。Ｖｃ１＝Ｖ０−ΔＶ１、Ｖｃ２＝Ｖ０−ΔＶ２である。
【００４２】
発振回路７７Ａ、７７Ｂの後段には加算部７７が設けられ、上記の水晶振動子７Ａの出力ｆ21と水晶振動子７Ｂの出力ｆ22との差分ｆ21−ｆ22が演算されて、出力端４０に出力される。この例においても振動領域７３、７４の振動と、振動領域１３の振動との分離性が高く、各振動領域は安定して発振する。そして、振動領域１３からの発振周波数ｆに基づいて上記のようにｆ21、ｆ22は夫々温度に対する影響が抑えられるように制御され、さらにその差分を演算することで温度による各水晶振動子の変化量がキャンセルされるので、このＴＣＸＯ７０からはより高い安定性を持った出力を得ることができる。
【００４３】
（第３の実施形態）
ＴＣＸＯとしては図１０に示すＴＣＸＯ８０のように構成してもよい。このＴＣＸＯ８０に用いる水晶振動子８について、水晶振動子１、７との差異点を中心に説明する。この例では第１の実施形態と同様に第１の振動領域１２がＡＴカット領域２２であり、第２の振動領域１３がＤＴカット領域２３である。ＡＴカット領域２２の表面には励振電極８１Ａと、励振電極８１Ａを挟む電極８１Ｂ、８１Ｃとが設けられ、これら電極８１Ａ〜８１ＣはＺ’軸方向に配列されている。電極８１Ｂ、８１Ｃは導電路により互いに接続され、同電位に構成されている。ＡＴカット領域２２の裏面にはこれら励振電極８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃに対向するように接地された励振電極８１Ｄが設けられている。このような電極配置とすることでＡＴカット領域２２の表裏面の電荷の分布を制御し、出力信号中のノイズを抑えている。なお、励振電極８１Ｄは、各電極８１Ａ〜８１Ｃに対向すると共に互いに離れるように分割されて構成されていてもよい。
【００４４】
電極８１Ｂ、８１Ｃは接地された容量可変コンデンサ８２に接続されている。この容量可変コンデンサ８２の容量を調整して、基準温度Ｔ０における設定周波数ｆ０を所望の値に合わせ込む。ところでＴＣＸＯはエージングにより温度に対する周波数特性が変動し、このＴＣＸＯ８０も同様にその変動が起こる。ただし、このＴＣＸＯ８０のように水晶片の表裏面に電極を設け、一方の電極の組を発振回路に接続し、他方の組をこの容量可変コンデンサなどの発振周波数を調整できる素子に接続することで、前記温度に対する周波数特性の変化をグラフで表したときに、このグラフが基準温度Ｔ０における設定周波数ｆ０を中心に回転するように変動することが抑えられる。そして、前記エージングや容量可変コンデンサ８２の容量の変更などによりこの前記グラフがその形を維持した状態で周波数が高い方または低い方へとずれるように変動する。つまり、エージングによる周波数特性の変動に対して、（４）式の各定数α１、β１及びγ１の再設定が不要であり、上記のように容量可変コンデンサ８２により設定周波数ｆ０の調整を行えばよい。従って、ＴＣＸＯ８０においてはエージングによる前記周波数特性の変動に対して容易に補正を行うことができる。
【００４５】
このＴＣＸＯ８０では、既述の各ＴＣＸＯと同様に温度に応じて補償電圧演算部６４から制御電圧ΔＶが出力され、この制御電圧ΔＶに対応する電圧例えば第１の実施形態と同様にＶ０−ΔＶが加算部６５から出力されてバリキャップダイオード４３に印加されて、当該バリキャップダイオード４３の容量が変化する。それによって、主発振回路４２からの出力は設定周波数ｆ０に維持されることになる。なお図中８３は主発振回路４２の電圧供給端子である。このＴＣＸＯ８０においても第１の実施形態と同様各振動領域から安定した出力が得られるため、ＴＣＸＯ８０の出力を安定させることができる。
【００４６】
上記の各実施の形態では、ＡＴカットされた領域と、ＤＴカットされた領域とにより水晶片を構成しているが、Ｘ軸の正負が反転していればよく、例えばＤＴカットされた領域の代わりにＹカットされた領域を用いてもよい。また、ＡＴカット領域の代わりにＢＴカット領域を使用してもよい。また、熱処理により水晶片の所定の領域の極性を変更する代わりに、夫々極性の異なる水晶片をシロキサン結合などにより接合して双晶を形成してもよい。
【００４７】
（第４の実施形態）
第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態は、第１の実施形態のＴＣＸＯ３の変形例であり、水晶振動子の構成が異なることを除いて前記ＴＣＸＯ３と同様の構成である。図１１、図１２はこの水晶振動子９Ａ、９Ｂの上面、縦断側面を夫々示している。第１の実施形態と同様に構成された箇所については同じ符号を付し、説明を省略する。水晶振動子１Ａ、１Ｂとの差異点としては、水晶片２１の代わりに水晶片９１が用いられることである。この水晶片９１においては、ＡＴカット領域である第１の振動領域１２及び前記ＡＴカット領域に対してＸ軸の正負が反転された第２の振動領域１３が、互いに同じ厚さになるように形成されている。振動領域１２、１３により夫々水晶振動子９Ａ、９Ｂが構成される。また水晶片９１においては、振動領域１２、１３間に凹部１４、１５が形成されていない。
【００４８】
この水晶片９１は、例えばＡＴカットされた水晶片１１の一部に約６００℃の熱を与えて結晶軸の正負を反転させ、上記のように振動領域１２、１３を有するように製造される。そして、図４に示したＴＣＸＯ３において水晶振動子１Ａの代わりに９Ａを、１Ｂの代わりに９Ｂを夫々用いてＴＣＸＯ３を構成する。このようにＴＣＸＯ３を構成しても上記の効果が得られる。
【００４９】
ところで上記のＴＣＸＯ３では水晶振動子９Ｂを用いた補助発振部５１の発振出力を温度センサとしている。温度センサとしてこのように補助発振部５１を用いる代わりに、サーミスタを含む温度補償回路を用いることが考えられる。つまり、ＴＣＸＯ３において補助発振部５１の代わりに前記温度補償回路を設ける。そして、温度変化による前記サーミスタの抵抗値の変化により前記温度補償回路からの出力が変化し、それによってバリキャップダイオード４３の容量成分が調整され、補償電圧が演算されるＴＣＸＯを構成することが考えられる。このようなＴＣＸＯ（参照ＴＣＸＯとする）に対して、ＴＣＸＯ３の利点を説明しておく。
【００５０】
前記温度補償回路を用いる場合、この温度補償回路は参照ＴＣＸＯの発振出力を取り出すための水晶振動子１Ａから離れた場所に設けられることになる。従ってサーミスタの検出温度が水晶振動子１Ａの温度に対してずれたり、水晶振動子１Ａの温度変化に対して温度補償回路の出力の変化が遅れたりする場合があり、それによって参照ＴＣＸＯの出力の安定性が低下する懸念がある。しかし、上記のＴＣＸＯ３では、前記温度センサが水晶振動子９Ａを構成する水晶片９１と同じ水晶片９１を用いて形成される。即ち、温度センサを構成する水晶振動子９Ｂが前記水晶振動子９Ａに隣接しているため、水晶振動子９Ａの温度変化に対して水晶振動子９Ｂの出力は高い精度で追従し、温度センサによる検出温度と水晶振動子９Ａの実際の温度のずれや、水晶振動子９Ａの温度変化に対する補助発振部５１の出力変化の遅れが抑えられる。従って水晶振動子９Ａの発振出力を高い精度で制御することができ、当該発振出力の安定性の低下を抑えることができる。
【００５１】
また、ＴＣＸＯ３において水晶振動子９Ｂが接続される発振回路５２の温度に対する出力の分解能は例えば１/１０9℃以上である。つまり、１０-9℃以下の温度変化によって発振回路５２の出力周波数が変動する。それに対して前記サーミスタを用いた温度補償回路は１０-6℃程度の温度変化によって出力を変化させることができるが、それ以上の分解能にすることは技術的に困難である。つまり発振回路５２の出力の分解能は、前記温度補償回路の出力の分解能よりも高くすることが可能なので、参照ＴＣＸＯに比べて、ＴＣＸＯ３は出力の安定性を高くすることができる。
【００５２】
また、ＴＣＸＯ３は共通の水晶片９１から形成された水晶振動子９Ａ、９Ｂにより構成されるため、装置の部品点数が抑えられると共に装置の小型化を図ることができる。また、製造コストの上昇を抑えることができる。なお、ＭＣＸＯ（Microcomputer Compensate Crystal Oscillator）と比較した場合にもＴＣＸＯ３は、このような大型化、部品点数の増加、回路の複雑化を防ぐことができるという利点がある。
【００５３】
ところで、公称周波数（メーカーが指定する中心周波数）が３８．４ＭＨｚであり、その一辺が２．０ｍｍ、他辺が５．０ｍｍの矩形のＡＴカットされた水晶片１１から上記のように水晶片９１を形成し、その水晶片９１から水晶振動子９Ａ、９Ｂを作成した。水晶振動子９Ａの発振周波数定数は、水晶振動子９Ｂの発振周波数定数の約６３％であり、互いの振動領域１２、１３の弾性的な結合が小さいことが確認された。また、この結晶軸の正負が反転された第２の振動領域１３は、結晶軸の正負が反転されたことによりその厚さは第１の振動領域１２の厚さと変わらないが、その弾性定数が変化する。このように振動領域１２、１３においては互いに弾性定数が異なるので、熱反応速度、すなわち温度変化後に周波数が変化するまでの時間（応答速度）が互いに異なることが予想されたが、実験の結果、応答速度の差を検出することはできず、この差が無視できるほど小さいことが確認された。つまり、このことからもＴＣＸＯ３においては温度に対して精度高く周波数を制御することができる。なお、結晶軸の正負が反転することにより、振動領域の周波数温度特性が変化する。振動領域１３は、温度が１℃変化するごとに、３０ｐｐｍ出力周波数が変化する温度特性となる。
【００５４】
図１３は上記の参照ＴＣＸＯの温度特性のグラフを示し、図１４はＴＣＸＯ３の温度特性のグラフを示している。各グラフとも横軸がＴＣＸＯの周囲の温度（単位：℃）、縦軸が周波数偏差（単位：ｐｐｍ）を示している。ＴＣＸＯ３の方が温度による周波数偏差の変動が抑えられている。
【００５５】
（第５の実施形態）
第５の実施形態であるＴＣＸＯ１００について説明する。図１５はこのＴＣＸＯ１００を構成する水晶振動子９Ａ〜９Ｃの上面を示し、図１６は前記水晶振動子９Ａ〜９Ｃの側面を示している。第４の実施形態と異なり、１枚の水晶片９１に当該水晶片９１のＺ’方向に沿って、第１の振動領域１２、第２の振動領域１３、第１の振動領域１２がこの順に形成されており、これら振動領域１２、１３、１２が夫々水晶振動子９Ａ、９Ｂ、９Ｃを構成している。水晶振動子９Ｃは、水晶振動子９Ａと同様に構成されている。
【００５６】
第２の振動領域１３により２つの第１の振動領域１２、１２が区画され、これら第１の振動領域１２、１２の間の弾性的な結合が抑えられている。このため、２つの第１の振動領域１２、１２の特性が同一であったとしても、独立した水晶振動子９Ａ、９Ｃとして扱うことができる。シミュレーションにより、第１の振動領域１２、１２間には前記弾性結合が起こらないことを本発明者は確認している。
【００５７】
図１７にＴＣＸＯ１００の構成を示している。このＴＣＸＯ１００の概略を説明すると、第４の実施形態のＴＣＸＯ３の後段に水晶振動子９Ｃからなるフィルタ回路１０１が設けられており、このフィルタ回路９０の後段に設けられる出力端４０から出力が取り出される構成となっている。発振回路４２、５２はトランジスタを含むコルピッツ発振回路である。このようにフィルタ回路を設ける理由を説明する。水晶振動子の振動波形に対応する電圧波形は正弦波であるが、この正弦波は前記発振回路部分を通るときに波形が乱れる。つまり、発振回路４２から出力される電圧波形は歪んでいる。前記フィルタ回路１０１はこの歪みが除去されるように波形を整形し、純度の高い正弦波（乱れが抑えられた正弦波）を出力させる役割を有する。発振出力における正弦波の純度が高い場合は、低い場合よりもノイズが少なくなる。
【００５８】
ところで、位相雑音を抑えるためには、発振回路の負荷容量を適切に選定したり、ＴＣＸＯの駆動電流を可能な限り低くできるように構成することが考えられる。しかし、これらの対応は装置の製造コストを上昇させたり、装置を大型化させる懸念がある。フィルタ回路１０１を設けることでこのようなコストの上昇や装置の大型化を抑えることができる。
【００５９】
このフィルタ回路１０１は、コンデンサ１０２、１０３、水晶振動子９Ｃ及びコンデンサ１０４の直列回路を備えている。また、コンデンサ１０３と水晶振動子９Ｃとの直列回路の両端には、夫々抵抗１０５、１０６の各一端が接続され、これら抵抗１０５、１０６の他端側は接地されている。コンデンサ１０２は直流をカットするために設けられ、コンデンサ１０３、１０４及び抵抗１０５、１０６は目的とする周波数以外の周波数信号を減衰させるフィルタを構成している。
【００６０】
水晶振動子９Ｃに対して並列にインダクタ１０７が設けられている。図１８は水晶振動子９Ｃの等価回路を示しており、Ｌ１は等価直列インダクタンス、Ｃ１は等価直列容量、Ｒ１は等価直列抵抗、Ｃ０は並列容量である。インダクタ１０７は並列容量Ｃ０と共に目的とする発振周波数（ｆ０とする）において並列共振を起こす値に設定されている。即ち、インダクタ１０７のインダクタンスの値をＬとすると、次式が成り立つようにＬが設定される。
ｆ０＝１／｛２π・√（Ｌ・Ｃ０）｝
等価直列容量Ｃ１は並列容量Ｃ０に比べてかなり小さいため、Ｃ０とＬとにより並列共振を起こすことができる。
【００６１】
このＴＣＸＯ１００の動作について説明する。図４のＴＣＸＯ３と同様に水晶振動子９Ｂの温度に応じて制御電圧供給部６１から制御電圧Ｖｃがバリキャップダイオード４３を介して発振回路４２に印加され、その制御電圧Ｖｃに応じた周波数で水晶振動子９Ａが発振し、発振回路４２から周波数信号が出力される。なお、各図では省略しているが、制御電圧供給部６１は、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器を備えている。前記水晶振動子９Ｂを含む補助発振部５１の出力をＡ／Ｄ変換器によりディジタル変換し、その出力に基づいて制御電圧供給部６１で算出される出力は、Ｄ／Ａ変換器によりアナログ変換されてバリキャップダイオード４３に印加される。
【００６２】
上記のように水晶振動子９Ａから出力された正弦波は発振回路４２を通過することで歪みが生じる。水晶振動子は励振されると正弦波を出力することから、歪みが生じた前記正弦波は、波形整形用の水晶振動子９Ｃを通過することによりその歪みが除去される。また、波形整形用の水晶振動子９Ｃの並列容量Ｃ０は、インダクタ１０７と共に並列共振を起こすので、目的とする周波数（ｆ０）信号について並列容量Ｃ０側の通過が阻止される。このため当該周波数信号が殆ど機械的振動部分を通過するので、当該周波数信号に含まれるノイズの通過が阻止され、位相雑音が低減される。ＴＣＸＯ１００では、このように位相雑音が低減できる他、ＴＣＸＯ３と同様の効果が得られる。また、フィルタを構成するための水晶振動子９Ｃを、発振出力を得るための水晶振動子９Ａ及び温度センサを構成するための水晶振動子９Ｂを構成する水晶片９１に形成しているため、装置の小型化を図ることができる。
【００６３】
ＴＣＸＯ１００及びＴＣＸＯ３の出力の位相雑音特性を調べる実験を行った。図１９は、ＴＣＸＯ１００の位相雑音特性を示すグラフであり、図２０はＴＣＸＯ３の位相雑音特性を示すグラフである。横軸には各ＴＣＸＯの中心周波数からのずれ量（オフセット 単位：Ｈｚ）、縦軸には中心周波数の出力との差分、つまり位相雑音（単位ｄＢｃ／Ｈｚ）を示している。オフセットが小さい１〜１０Ｈｚ付近の各特性を比較すると、ＴＣＸＯ１００の位相雑音の方が低い。従ってフィルタ回路９０を設けることにより、位相雑音を低下させることができ、Ｑ値を高くできることが示された。
【００６４】
（第６の実施形態）
第６の実施形態であるＴＣＸＯ１１０はＴＣＸＯ１００と同様にフィルタを備えているが、このフィルタはＭＣＦ（モノリシッククリスタルフィルタ）として構成されている。ＭＣＦを設ける理由を説明すると、例えばＴＣＸＯを組み込んだＰＬＬ装置などを構成し、このＴＣＸＯの出力に基づいてディジタル信号を出力する場合に、ＴＣＸＯの主振動から比較的離れた周波数において位相雑音レベルが高いと、前記ディジタル信号のパルスの波形が乱れてしまう。ＭＣＦを設けることで前記位相雑音を低減させる。
【００６５】
図２１、図２２は夫々ＴＣＸＯ１１０に用いられる水晶片９１の上面図、側面図である。第４の実施形態との差異点としては、水晶片９１に水晶振動子９Ｃの代わりにＭＣＦ１１１が形成されている。ＭＣＦ１１１は水晶振動子９Ｃ同様に第１の振動領域１２を備えるが、電極の構成が異なっている。その表面側にＺ’方向に間隔をおいて電極１１２、１１３が設けられている。また、裏面側にＺ’方向に間隔をおいて電極１１４、１１５が設けられている。電極１１２、１１４は互いに対向し、電極１１３、１１５は互いに対向する。電極１１２はフィルタの入力電極、電極１１４はフィルタの出力電極であり、電極１１３、１１５は接地用電極である。既述の各励振電極と同様に、電極１１２〜１１５からは水晶片９１の縁部に向かって、水晶片９１を保持する保持器（不図示）に接続するための引出し電極１８が延び出している。
【００６６】
図２３にはＴＣＸＯ１１０の構成を示している。発振回路４２の後段側にＭＣＦ１１１が設けられ、ＭＣＦ１１１の後段は出力端４０に接続され、位相雑音が除去された出力が取り出される。ＭＣＦ１１１を構成する第１の振動領域（フィルタ形成領域）１２は、第２の振動領域１３により水晶振動子９Ａを構成する第１の振動領域１２から区画されているので、これら振動領域１２間の弾性的な結合が抑えられる。従って、位相雑音を除去する特性が劣化することが抑えられる。また、水晶振動子９Ｃと同様にＭＣＦ１１１は水晶振動子９Ａ、９Ｂを構成する水晶片９１に形成されているので、第４の実施形態と同様に装置の大型化及び製造コストの増加を防ぐことができる。
【００６７】
ＴＣＸＯ１１０及びＴＣＸＯ３の出力の位相雑音特性を調べる実験を行った。図２４はＴＣＸＯ１１０の位相雑音特性を、図２５はＴＣＸＯ３の位相雑音特性を、夫々図１９、２０と同様にグラフで示したものである。これら図２４、２５のグラフを比較すると、オフセット周波数が1から100000Ｈｚ付近までは位相雑音レベルが略同一であるが、100000Ｈｚ以上になるとＴＣＸＯ１１０の方が、位相雑音レベルが低い。従ってＭＣＦ１１１を設ける効果が示された。
【００６８】
上記の第４〜第６の実施形態における水晶片９１の振動領域１２、１３は互いに同じ厚さであるが、第１〜第３の実施形態と同様に互いに異なる厚さにしてもよい。また、振動領域１２、１３を区画する凹部１４、１５を形成してもよい。また、第１〜第３の実施形態の各ＴＣＸＯに用いられる水晶片１１の各振動領域について、第４〜第６の実施形態の水晶片９１の各振動領域と同様に、互いに同じ厚さにしてもよい。そして、振動領域間に凹部１４、１５が形成されていなくてもよい。
【００６９】
（第７の実施形態）
続いて第７の実施形態のＴＣＸＯ１２０について説明する。図２６、２７は、このＴＣＸＯ１２０に用いられる水晶振動子９Ａ、９Ｂについて示している。第４〜第６の実施形態との差異点として、水晶片９１の表面及び裏面に励振電極１６Ａ、１６Ｂ、１７Ａ、１７Ｂが設けられておらず、その代りに、励振電極１２１、１２２が設けられている。励振電極１２１、１２２は互いに対向し、振動領域１２、１３に跨るように形成されている。第１の振動領域１２の周波数定数は例えば約１．６７ＭＨｚ・ｍｍであり、第２の振動領域１３の周波数定数は約２．４５ＭＨｚ・ｍｍである。振動領域１２、１３の厚みは互いに同一である。
【００７０】
図２８にＴＣＸＯ１２０について示している。このＴＣＸＯ１２０はＴＣＸＯ３と略同様に構成されているので差異点を中心に説明すると、水晶振動子９Ａ、９Ｂと発振回路４２、５２との間にスイッチ１２３が設けられ、励振電極１２２は発振回路４２または５２のいずれかに接続される。励振電極１２１は、発振回路４２、５２に接続される。つまり、スイッチ１２３により水晶振動子９Ａ、９Ｂのいずれか一方が発振回路４２、５２に接続されるが、スイッチ１２３は高速で切り替わり、水晶振動子９Ａ、９Ｂは実質同時に発振する。図中１２４、１２４は、励振電極１２１と発振回路４２、５２間に設けられたフィルタである。
【００７１】
上記のように振動領域１２、１３間で周波数定数の差が比較的大きいので、このように実質同時に振動領域１２、１３が発振しても一方の領域の振動が他方の領域の振動に影響することが抑えられる。従って第１及び第４の実施形態のＴＣＸＯ３と同様の効果が得られる。ところで、振動領域１２、１３は目視により互いに判別することができず、また、他の光学的な検出手法によっても検出することができない。誘電率の測定やＸ線検査によりこれら領域を判別することができるが、これらの検査には比較的長い時間を要する欠点がある。特に小型化が進んだ水晶片を検査するＸ線検査装置は高価なものになる。しかし、この実施形態では振動領域１２、１３に跨るように励振電極を形成することで振動領域１２、１３の境界を特定する必要が無い。そのため、振動領域１２、１３の境界を特定して各振動領域に個別に励振電極を形成するよりも装置の製造が容易であり、製造コストも抑えられるという利点がある。
【００７２】
この実施形態のように水晶振動子を形成したときの各発振出力を確認する実験を行った。Ｚ’方向の長さ、Ｘ’方向の長さが夫々５ｍｍ、２．５ｍｍの矩形状のＡＴカットされた水晶片９１を用意した。この水晶片９１は基本波振動モードにおける発振が２６ＭＨｚである。この水晶片９１に対して加熱処理を行い、振動領域１３を形成した。続いて、水晶片９１に励振電極１２１、１２２を形成した。各励振電極１２１、１２２はＣｒ（クロム）膜の上層側にＡｕ（金）膜が積層されて構成されている。Ａｕ膜の厚さは約１００ｎｍである。励振電極１２１、１２２は縦横が共に１．８ｍｍの矩形状であり、垂直電界励振を起こすために上記のように対向している。発振回路４２、５２はコルピッツ発振回路で負荷容量は７ｐＦであった。励振電極１２１、１２２に発振回路４２、５２を接続し、各発振回路４２、５２からの出力周波数を調べた。
【００７３】
その結果、発振回路４２からの出力周波数は27.104452ＭＨｚ、発振回路５２からの出力周波数は55.755391ＭＨｚであり、その差が約28ＭＨｚであった。このように互いの発振周波数が大きく異なる。従って、一方の領域の振動が他方の領域の振動に影響されずに振動することが確認された。
【００７４】
上記の実験における水晶片９１の大きさや電極の大きさなどの各種パラメータを有するようにＴＣＸＯ１２０を製造することができる。励振電極によるエネルギー閉じ込めの原理はこの実施形態の水晶振動子９Ａ、９Ｂでも成立し、適切なエネルギー閉じ込めができるように励振電極の面積は適宜調整してよい。基本波振動モードに限られず、高次オーバトーン振動モードで各振動領域を発振させてもよい。この第７の実施形態の水晶振動子９Ａ、９Ｂは他の各実施形態にも適用することができる。
【００７５】
ところで各実施形態において発振回路４２、５２はコルピッツ発振回路により構成しているが、Pierce、Clapp、Butlerなど任意の発振回路を用いることができる。また、水晶発振器（発振装置）としてＴＣＸＯの構成例を示したが、例えばＯＣＸＯ（Oven Controlled crystal Oscillator）として構成することもできる。具体的には、上記の各水晶振動子を構成する水晶片をその内部に含み、ヒータによりこの内部の温度調整が可能なオーブンを構成する。ＴＣＸＯの補償電圧演算部の代わりに、前記ヒータに供給する電力を調整する電力調整部を設ける。そして、ＴＣＸＯ３などと同様に水晶振動子１Ｂ（９Ｂ）の発振出力について、周波数検出部が周波数検出し、温度推定部が前記周波数に基づいてオーブン内の温度を推定し、この推定温度に従って前記電力調整部からヒータへの電力が制御され、オーブン内の温度が設定温度に維持される。
【００７６】
また、発振回路４２の後段に設けるフィルタとしては上記のＭＣＦ１１１やフィルタ回路１０１に限られず、水晶片１１（９１）によりＳＡＷフィルタを構成してもよい。また発振回路４２の後段に誘電体フィルタを設けてもよい。また、発振回路４２とＭＣＦ１１１やフィルタ回路１０１との間にアンプやバッファ回路を設けて、ＭＣＦ１１１及びフィルタ回路１０１では、これらアンプ及びバッファ回路の電子雑音の除去を行うようにしてもよい。また、各振動領域１２、１３及び各励振電極１６、１７の面積は互いに同一でもよいし、互いに異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１、１Ａ、１Ｂ、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ 水晶振動子
１１、９１ 水晶片
１２ 第１の振動領域
１３ 第２の振動領域
１４、１５ 凹部
１６、１７ 励振電極
２２ ＡＴカット領域
２３ ＤＴカット領域
３、１００、１１０、１２０ 温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）
４１ 主発振部
５１ 補助発振部
６１ 制御電圧供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
を備えたことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記水晶片において、第１の振動領域と第２の振動領域との間に凹部が形成されることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
【請求項３】
第１の振動領域及び第２の振動領域のうちの一方はＡＴカットされた領域であることを特徴とする請求項１または２記載の水晶振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の水晶振動子を含むことを特徴とする水晶発振器。
【請求項５】
第２の振動領域の発振周波数に基づいて第１の振動領域を発振させるための制御電圧を制御することにより、当該第１の振動領域の発振周波数を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の水晶発振器。
【請求項６】
水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路と、
第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路と、
第２の振動領域の発振周波数に基づいて前記水晶片の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路からの発振周波数を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする水晶発振器
【請求項７】
前記水晶片において第１の振動領域と第２の振動領域とは異なる領域に、第１の発振回路からの信号が入力されるフィルタを構成するフィルタ形成領域が設けられることを特徴とする請求項６記載の水晶発振器。
【請求項８】
前記第１の振動領域と前記フィルタ形成領域とは、第２の振動領域により区画されることを特徴とする請求項７記載の水晶発振器。
【請求項９】
前記励振電極は、第１の振動領域及び第２の振動領域に跨って形成されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一つに記載の水晶発振器。
【請求項１】
水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはその厚さ及びＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
を備えたことを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
前記水晶片において、第１の振動領域と第２の振動領域との間に凹部が形成されることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
【請求項３】
第１の振動領域及び第２の振動領域のうちの一方はＡＴカットされた領域であることを特徴とする請求項１または２記載の水晶振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の水晶振動子を含むことを特徴とする水晶発振器。
【請求項５】
第２の振動領域の発振周波数に基づいて第１の振動領域を発振させるための制御電圧を制御することにより、当該第１の振動領域の発振周波数を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の水晶発振器。
【請求項６】
水晶片に設けられる第１の振動領域と、
前記水晶片に設けられ、第１の振動領域とはＸ軸の正負の向きが異なる第２の振動領域と、
第１の振動領域、第２の振動領域に夫々設けられ、各振動領域を独立して振動させるための励振電極と、
第１の振動領域を発振させるための第１の発振回路と、
第２の振動領域を発振させるための第２の発振回路と、
第２の振動領域の発振周波数に基づいて前記水晶片の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路からの発振周波数を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする水晶発振器
【請求項７】
前記水晶片において第１の振動領域と第２の振動領域とは異なる領域に、第１の発振回路からの信号が入力されるフィルタを構成するフィルタ形成領域が設けられることを特徴とする請求項６記載の水晶発振器。
【請求項８】
前記第１の振動領域と前記フィルタ形成領域とは、第２の振動領域により区画されることを特徴とする請求項７記載の水晶発振器。
【請求項９】
前記励振電極は、第１の振動領域及び第２の振動領域に跨って形成されることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一つに記載の水晶発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
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【図４】
【図５】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
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【図２３】
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【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１３−５１６７３（Ｐ２０１３−５１６７３Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５１５２２（Ｐ２０１２−１５１５２２）
【出願日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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