JP2002217644A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】周波数調整を容易にして生産性を高めて、スプ
リアス発振を防止した水晶発振器を提供する。 【構成】例えばＳＣカットとした水晶振動子からなる発
振子を有する共振回路と発振用増幅器とを有する発振閉
ループ内に共振子を挿入してなる水晶発振器において、
前記発振子又は前記共振子とする水晶振動子の一方を基
本波振動での動作として他方をオーバトーン振動での動
作とした構成とする。前記発振子としての水晶振動子は
オーバトーン振動で動作し、前記共振子としての水晶振
動子は基本波振動で動作する。前記発振子としての水晶
振動子は基本波振動で動作し、前記共振子としての水晶
振動子はオーバトーン振動で動作する。前記共振回路は
前記発振子と分割コンデンサからなるとともに発振用増
幅器はトランジスタからなり、前記共振子は前記分割コ
ンデンサと前記トランジスタのエミッタ間に挿入され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振閉ループ内に
共振子を具えてスプリアス発振を防止した水晶発振器を
産業上の技術分野とし、特に周波数調整を容易にしたＳ
Ｃカットを用いた水晶発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）水晶発振器は周波数及び
時間の基準源として周知され、通信機器を含む各種の電
子機器に内蔵される。近年では、デジタル化による情報
通信等によって高周波数化が進み、より一層安定した発
振周波数の供給が求められる。

【０００３】（従来技術の一例）第３図は一従来例を説
明する水晶発振器の回路図である。水晶発振器は、イン
ダクタ成分として使用する水晶振動子からなる発振子
１、これと例えばコルピッツ型とする共振回路２を形成
する分割コンデンサ３（ａｂ）、及び例えばトランジス
タ４とした発振用増幅器等からなる。これらは共振回路
２の共振周波数を増幅して帰還する発振閉ループを形成
する。発振子１とする水晶振動子は水晶片５の両主面に
対向する励振電極６（ａｂ）及び引出電極７（ａｂ）を
形成し、図示しない端子を有する密閉容器内に保持して
なる。

【０００４】そして、この例ではコルピッツ型とする分
割コンデンサ３（ａｂ）の中点（接続点）とトランジス
タ４のエミッタとの間に共振子８としての水晶振動子を
接続する。この場合、共振子８は発振閉ループ内に挿入
されたことになる。共振子８としての水晶振動子は、前
述同様に水晶片５に励振電極６（ａｂ）及び引出電極７
（ａｂ）を設けて密閉容器に封入した構成とする。

【０００５】ここでは、発振子１はＳＣカットの、共振
子８はＡＴカットの水晶振動子（水晶片）とする。これ
らは、高安定用とする場合には、発振子１及び共振子８
は、同一の恒温槽内に収容され、周波数温度特性による
周波数変化を防止する。図中の符号９（ａｂｃ）はバイ
アス抵抗、１０は発振周波数の調整用コンデンサ、Ｖc
はコレクタ側に設けた電源、Ｖoはエミッタ側から導出
する出力である。

【０００６】なお、ＳＣカットの水晶振動子は、一般に
使用頻度が高いＡＴカットと同様に厚みすべり振動姿態
で振動し、これらは水晶片５の厚みに反比例して即ち厚
みが小さいほど振動周波数（共振周波数と同義）は高く
なる。そして、ＡＴカットに比較して例えば熱衝撃特性
に優れることから、例えば恒温槽を使用した高安定用の
水晶発振器に採用されている。

【０００７】このようなものでは、水晶発振器の発振周
波数は発振子１としての水晶振動子の振動周波数に概ね
一致する。但し、厳格には発振子１から見た回路側の直
列等価容量（所謂負荷容量）に依存する。そして、ここ
では、発振閉ループ内に水晶振動子からなる共振子８を
接続するので、発振周波数の帯域がさらに狭まる。但
し、共振子８の共振周波数は発振子１に依存した発振周
波数に設定される。

【０００８】要するに、共振子８は発振周波数の主成分
である基本波成分を主として通過させるフィルタとして
機能し、高調波成分を抑圧するので帯域が狭くなる。し
たがって、ＳＣカット特有の振動姿態であるＣモード
（厚みすべり振動姿態）に近接して発生するＢモード
（厚みすべり振動姿態、変位方向がＣモードに対して直
交方向）を遮断して、これによるスプリアス発振を防止
する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の水晶発振器では、いずれも水
晶振動子からなる共振度の高い発振子１と共振子８から
なる。要するに、第５図（ａｂ）の帯域特性図に示した
ように、発振子１及び共振子８はいずれも帯域幅の狭い
発振周波数及び共振周波数となる。これらは、周波数ス
ペクトラム（第６図）の基本波成分ｆ1対する高調波成
分ｆs（ｆ2〜n）が相対的に小さいことに起因する。し
たがって、発振子１の振動周波数に依存した発振周波数
に、共振子８の共振周波数を一致させることが困難で生
産性を低下させる問題があった。なお、大きくずれた場
合には発振しない。

【００１０】（発明の目的）本発明は、周波数調整を容
易にして生産性を高めて、スプリアス発振を防止した水
晶発振器を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】（着目点）本発明は、水
晶振動子の基本波振動とそのオーバトーン振動の帯域に
着目した。概略すると、オーバトーン振動による振動周
波数（共振周波数）は基本波振動の場合よりも帯域幅が
狭くなる。すなわち、例えば３次のオーバトーン振動ｆ
3は基本波振動での周波数スペクトラムに比較して、主
振動成分ｆ31に対する高調波成分ｆs（ｆ2〜n）がより
一層抑圧される。したがって、帯域幅が基本波振動の場
合よりも狭くなる。

【００１２】（解決手段）本発明は上記着目点に基づい
てなされ、共振回路を形成する発振子又は発振閉ループ
内に挿入される共振子としての、水晶振動子の一方を基
本波振動での動作として他方をオーバトーン振動での動
作としたことを基本的な解決手段とする。

【００１３】

【作用】本発明では、発振子又は共振子の一方を水晶振
動子の基本波振動とし、他方をオーバトーン振動とする
ので、発振子による発振周波数又はいずれか一方の帯域
幅が他方よりも大きくなる（広帯域と狭帯域とする）。
したがって、狭帯域としたいずれか一方の発振又は共振
周波数を、広帯域とした他方の共振又は発振周波数の帯
域内に取り込めばよいので、調整作業を容易にする。以
下、本発明の一実施例を前従来例図等を参照して説明す
る。

【００１４】

【第１実施例】水晶発振器は、前述したように、水晶振
動子からなる発振子１とコルピッツ型とする分割コンデ
ンサ３（ａｂ）からなる共振回路２と、これと発振閉ル
ープを形成してトランジスタ４からなる発振用増幅器
と、分割コンデンサ３（ａｂ）の中点とトランジスタ４
のエミッタ間に挿入された水晶振動子からなる共振子８
とからなる。ここでも、前述同様に発振子１としての水
晶振動子はＳＣカットとし、共振子８としての水晶振動
子はＡＴカットとする。

【００１５】そして、第１実施例では発振子１とする水
晶振動子は基本波振動に対する例えば３次のオーバトー
ン振動とし（オーバトーン発振子１Ａとする）、共振子
８としての水晶振動子は従来同様に基本波振動とする
（基本波共振子８とする）。すなわち、オーバトーン発
振子１Ａは発振周波数を同じとした場合は水晶片５の厚
みｔを従来に対して概ね３倍とする（第２図）。なお、
オーバトーン振動による振動（共振）周波数は、基本波
振動による振動周波数に対して必ずしも整数倍にはなら
ない。また、符号１Ａは従来例と便宜的に区別するもの
で図中にはない。

【００１６】このようなものでは、第１図に示したよう
に、オーバトーン発振子１Ａに依存する発振周波数の帯
域幅（曲線イ）は、基本波振動による基本波共振子８の
共振周波数のそれ（曲線ロ）よりも狭くなる。すなわ
ち、オーバトーン発振子１Ａを狭帯域として、基本波共
振子８を広帯域とする。したがって、発振周波数に対し
て共振周波数が多少ずれたとしても、発振周波数の主成
分は基本波共振子８を通過して発振を継続する。但し、
ＳＣカットのＢモードは遮断する。

【００１７】このことから、例えば基本波共振子８の共
振周波数を調整した後、オーバトーン発振子１Ａの狭帯
域とした発振周波数を、広帯域とした共振周波数内に取
り込めばよいので調整を容易にする。また、これとは、
逆にオーバトーン発振子１Ａの発振周波数を調整した
後、基本波共振子８の共振周波数を調整する場合でも同
様に調整を容易にする。要するに、発振周波数と共振周
波数との中心がずれたとしても、前述のように発振周波
数の主成分は基本波共振子８を通過するので、調整が容
易になる。したがって、生産性を高められる。

【００１８】

【第２実施例】第２実施例では、第１実施例とは逆に、
発振子１としての水晶振動子は従来同様に基本波振動と
し（基本波発振子１とする）、共振子８としての水晶振
動子は３次のオーバトーン振動とする（オーバトーン共
振子８Ａとする）。なお、これ以外は第１実施例と同様
なのでその説明は省略する。

【００１９】このようなものでは、オーバトーン共振子
８Ａは基本波発振子１に対して帯域幅が相対的に狭くな
る。すなわち、オーバトーン共振子８Ａによる共振周波
数は狭帯域となり、基本波発振子１の発振周波数は広帯
域となる。

【００２０】この場合には、基本波発振子１による広帯
域の発振周波数は、狭帯域としたオーバトーン共振子８
Ａに入力される。そして、発振周波数の主成分はオーバ
トーン共振子８Ａを通過する。したがって、発振を継続
する。これにより、発振周波数と共振周波数が多少ずれ
てもよいので、前述同様に周波数調整を容易にする。

【００２１】

【他の事項】上記実施例では水晶振動子をＳＣカットと
したが、例えば振動姿態をＳＣカットと同様な厚みすべ
り振動姿態としたＡＴカットやＢＴカットでも同様に適
用できる。この場合でも、発振周波数に近接した例えば
輪郭系の振動姿態に起因したスプリアス発振を防止し
て、周波数調整を容易にする。但し、ＳＣカットの場合
はＢモードの存在及びその位置が明確なので最も現実的
である。そして、発振子と共振子のいずれをも同一カッ
トとした水晶振動子としてもよい。

【００２２】また、発振子及び共振子としての水晶振動
子は、各水晶片を個別の密閉容器に封入したが、例えば
同一の密閉容器に封入しても、さらには同一水晶片に厚
みを異ならせて発振子用と共振子用の電極を形成しても
よい。

【００２３】また、例えば基本波共振子８には両主面間
で対向する励振電極６（ａｂ）を設けたが、例えば両主
面に一組ずつの入出力電極を形成してなる所謂ＭＣＦ
（Monolithic crystal filter）としてもよい。

【００２４】また、発振子又は共振子のいずれか一方を
基本波振動として他方をオーバトーン振動としたが、い
ずれもオーバトーン振動として例えば発振子を３次と
し、共振子を５次のオーバトーンとして発振及び共振周
波数を一致させてもよく、この場合は低次数のオーバト
ーン振動が基本波振動に相当する。

【００２５】また、発振閉ループは水晶振動子（発振
子）と分割コンデンサからなるコルピッツ型とする共振
回路とトランジスタからなる発振器用増幅器から形成し
たが、コンデンサと共振回路を形成する分割インダクタ
の一方を水晶振動子とした所謂ハートレー型とする水晶
発振器でもよい。また、発振用増幅器はトランジスタに
限らず例えばインバータ素子等を用いた場合でもよく、
要は発振閉ループ内に共振子を挿入してあれば同様の効
果を奏する。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、共振回路を形成する発振子又
は発振閉ループ内に挿入される共振子としての、水晶振
動子の一方を基本波振動での動作として他方をオーバト
ーン振動での動作としたので、周波数調整を容易にして
生産性を高めてスプリアス発振を防止した水晶発振器を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による作用を説明する発振及
び周波数の帯域特性図である。

【図２】本発明の一実施例を説明する水晶片の側面図で
ある。

【図３】従来例を説明する水晶発振器の回路図である。

【図４】従来例を説明する水晶片の平面図である。

【図５】従来例を説明する発振及び共振周波数の帯域特
性図である。

【図６】従来例を説明する周波数スペクトラムの図であ
る。

【符号の説明】

１ 水晶振動子（発振子）、２ 共振回路、３（ａｂ）
分割コンデンサ、４トランジスタ、５ 水晶片、６
励振電極、７ 引出電極、８ 水晶振動子（共振子）、
９ バイアス抵抗、１０ 調整コンデンサ．

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶振動子からなる発振子を有する共振回
   路と発振用増幅器とを有する発振閉ループ内に共振子を
   挿入してなる水晶発振器において、前記発振子又は前記
   共振子とする水晶振動子の一方を基本波振動での動作と
   して他方をオーバトーン振動での動作としたことを特徴
   とする水晶発振器。
2. 【請求項２】前記発振子とする水晶振動子はＳＣカット
   である請求項１の水晶発振器。
3. 【請求項３】前記発振子としての水晶振動子はオーバト
   ーン振動で動作し、前記共振子としての水晶振動子は基
   本波振動で動作した請求項１の水晶発振器。
4. 【請求項４】前記発振子としての水晶振動子は基本波振
   動で動作し、前記共振子としての水晶振動子はオーバト
   ーン振動で動作した請求項１の水晶発振器。
5. 【請求項５】前記共振回路は前記発振子と分割コンデン
   サからなるとともに発振用増幅器はトランジスタからな
   り、前記共振子は前記分割コンデンサと前記トランジス
   タのエミッタ間に挿入された請求項１、２又は３の水晶
   発振器。