JP2002232234A - 複合型水晶振動子及びこれを用いたオーバトーン水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】小型化を促進して経済性に優れた発振子及び共
振子を具える複合型水晶振動子及びこれを用いて周波数
調整を容易にしたオーバトーン発振器を提供する。 【構成】振動周波数が厚みに反比例した厚みすべり振動
姿態の例えばＳＣカットの水晶片からなる水晶振動子に
おいて、前記水晶片に厚みの異なる第１振動領域と第２
振動領域（但し、第１振動領域の厚み＞第２振動領域の
厚み）とを設け、前記第１振動領域又は第２振動領域の
いずれか一方を発振回路を形成する発振子として他方を
フィルタを形成する共振子とし、前記第１振動領域は基
本波振動に対するオーバトーン振動で動作し、前記第２
振動領域は基本波振動で動作した複合型の振動子として
構成とする。また、この複合型振動子を、インダクタ成
分としての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
入してなるオーバトーン水晶発振器に適用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複合型水晶振動子及
びこれを用いたオーバトーン水晶発振器（オーバトーン
発振器とする）を産業上の技術分野とし、特に発振回路
及びフィルタを形成する発振子と共振子とを具えたＳＣ
カットの複合型水晶振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】（発明の背景）水晶振動子は周波数及び
時間の基準素子として周知され、例えばコルピッツ型と
した水晶発振器に組み込まれ、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、例えば水晶振動子の
基本波振動に対するオーバトーン振動を使用したオーバ
トーン発振器が採用される。

【０００３】（従来技術の一例）第３図は一従来例を説
明するオーバトーン発振器の回路図である。オーバトー
ン発振器は、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とした増幅器等からなる。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】但し、発振子１としての水晶振動子は、基
本波振動に対して奇数次のオーバトーン振動で動作する
（オーバトーン発振子１とする）。そして、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
に対して概ね整数倍の周波数（オーバトーン周波数とす
る）となる。

【０００５】通常では、オーバトーン振動は基本波振動
に対して振動強度が劣勢で、クリスタルインピーダンス
（ＣＩ）が小さい。このため、例えば分割コンデンサ３
（ａｂ）の接地側のコンデンサ３ｂに図示しないインダ
クタを並列に接続して、基本波振動周波数に対する例え
ば５倍波のオーバトーン周波数を選択する。また、イン
ダクタを使用せず、水晶片５の形状やこれを励振する電
極構造により、基本波振動に対するオーバトーン振動の
強度を高くしてＣＩを小さくする。あるいは、水晶振動
子から見た回路側の負性抵抗の周波数特性によりオーバ
トーン周波数を選択したりする。

【０００６】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。共振子８はオーバトーン発振子１と同様に基
本波振動に対するオーバトーン振動で動作する（オーバ
トーン共振子８とする）。この場合、オーバトーン共振
子８は共振回路２と発振用増幅器とからなる発振閉ルー
プ内に挿入されたことになる。オーバトーン共振子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。

【０００７】ここでは、オーバトーン発振子１及び共振
子８としての水晶振動子はいずれもＳＣカットの水晶片
５からなる。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。

【０００８】このようなものでは、水晶発振器の発振周
波数はオーバトーン発振子１のオーバトーン周波数に概
ね一致する。但し、厳格にはオーバトーン発振子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、この例では、共振回路２と発振用増幅器と
からなる発振閉ループ内に水晶振動子としたオーバトー
ン共振子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、オーバトーン共振子８の共振周波数はオ
ーバトーン発振子１に依存した発振周波数に設定され
る。

【０００９】要するに、オーバトーン共振子８は発振周
波数となる水晶振動子の概ね５倍のオーバトーン周波数
のみを通過させるフィルタとして機能する。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、Ｘ軸方向に変位）に近接して発生するＢ
モード（厚み滑り振動姿態、Ｚ′軸方向に変位）を遮断
して、これによるスプリアス発振を防止する。

【００１０】なお、ＳＣカットの水晶片５（水晶振動
子）は、例えば一般に使用頻度が高いＡＴカットの水晶
振動子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）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。

【００１１】

【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、上記構成のオーバトーン発振器では、例
えばＢモードによるスプリアス発振を防止するため、素
子としては形状が大きくしかもフィルタとしては高価な
水晶振動子を使用する。したがって、水晶発振器の小型
化を阻害するとともに経済性の悪い問題があった。

【００１２】また、オーバトーン発振子１及び共振子８
は、基本波振動に対するオーバトーン振動で動作する。
この場合、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、５倍波としたオーバトーン振動は基本波振動で
の周波数スペクトラムに比較して、主振動成分ｆ51に対
する高調波成分ｆ5s（ｆ52〜ｆ5ｎ）がより一層抑圧さ
れるので（第５図の周波数スペクトラム図）、帯域幅が
狭くなる。

【００１３】要するに、オーバトーン発振子１及び共振
子８はいずれも主振動成分ｆ51が高調波成分ｆ5s（ｆ52
〜ｆ5ｎ）よりも強勢で帯域幅の狭い発振及び共振周波
数となる。したがって、オーバトーン発振子１に依存し
た発振周波数に、オーバトーン共振子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する問題もあっ
た。なお、オーバトーン発振子１及び共振子８による発
振周波数と共振周波数が大きくずれた場合は発振しな
い。

【００１４】（発明の目的）本発明は小型化を促進して
経済性に優れた発振子及び共振子を具える複合型水晶振
動子及びこれを用いて周波数調整を容易にしたオーバト
ーン発振器を提供することを目的とする。

【００１５】

【解決手段】本発明は、第１振動領域よりも厚みの小さ
い第２振動領域を水晶片に設け、第１振動領域又は第２
振動領域のいずれか一方を発振回路を形成する発振子と
して他方をフィルタを形成する共振子とし、厚みの大き
い第１振動領域は基本波振動に対するオーバトーン振動
で動作し、厚みの小さい第２振動領域は基本波振動で動
作したことを基本的な解決手段とする。

【００１６】

【作用】本発明では、厚みの異なる第１振動領域と第２
振動領域のいずれか一方を発振子又は共振子として他方
を共振子又は発振子とするので、例えばこれを封入する
密閉容器を一つにできる。また、水晶片への例えば蒸着
による電極形成を同一マスクで一体的にできるので、別
個の場合に比較して製造工程を短縮する。そして、厚み
の大きい第１振動領域をオーバトーン振動として、厚み
の小さい第２振動領域を基本波振動とするので、第１振
動領域と第２振動領域による振動周波数の帯域幅を異な
らせる。以下、本発明の一実施例を説明する。

【００１７】

【実施例】第１図は本発明の一実施例を説明する水晶振
動子の図である。なお、前従来例図と同一部分には同番
号を付与してその説明は簡略又は省略する。複合型水晶
振動子は前述のようにＳＣカットの水晶片５からなる。
この例では、水晶片５は例えば一方向に長い矩形状とす
る。そして、中央部から一端側を平板状として第１振動
領域１１とし、他端側に一主面側から凹部を形成して第
２振動領域１２とする。第２振動領域１２は第１振動領
域１１の厚みに対して概ね１／ｎ（ｎ＞３）とし、ここ
では１／５とする。すなわち、第２振動領域１２は第１
振動領域１１による基本波周波数に対して５倍の振動周
波数（概ねの発振周波数）に相当した小さな厚みに設定
する。

【００１８】なお、第１及び第２振動領域１１、１２に
はそれぞれ両主面間で対向した励振電極６（ａｂ）及び
幅方向の端面を含む両端部に延出した引出電極７（ａ
ｂ）が形成される。図では７ｂは記していない。これら
は同一マスクをかけて例えば蒸着によって基礎電極が一
体的に形成される。その後、発振周波数及び共振周波数
に応じて個々に調整される。そして、水晶片５は例えば
図示しないサポータや表面実装容器の底面に固着される
等の保持機構によって保持され、第１及び第２振動領域
１１，１２の各励振電極６（ａｂ）と電気的に接続した
端子を有する密閉容器内に封入される。

【００１９】このようなものでは、複合型水晶振動子は
前述の発振回路に組み込まれる。そして、複合型水晶振
動子の第１振動領域１１は、５倍波のオーバトーン周波
数で動作するオーバトーン発振子１とする。また、第２
振動領域１２は共振周波数を５倍波のオーバトーン周波
数（発振周波数）とした基本波振動で動作する共振子
（基本波共振子とする）８Ａとする。符号８Ａは、従来
例のオーバトーン共振子８に対して便宜的に付与したも
ので図中にはない。

【００２０】これらは、図示しない回路基板上での配線
路によって電気的に接続され、オーバトーン発振子１は
コルピッツ型とする共振回路２を形成し、分割コンデン
サ３（ａｂ）の中点に共振子８（ここでは基本波共振子
８Ａ）を接続した前述の発振回路を構成する（前第３図
参照）。

【００２１】このような構成であれば、オーバトーン発
振子１と基本波共振子８Ａは同一の水晶片５に一体的に
形成される。したがって、例えば密閉容器を一つにでき
るので小型化を促進する。そして、例えば同一マスクを
用いた蒸着等によって電極形成を一体的にできるので製
造工程を短縮して経済性を高められる。

【００２２】しかも、オーバトーン発振子１と分割コン
デンサ３（ａｂ）からなる共振回路２に基本波共振子８
Ａを接続するので、前述したように高周波数とした発振
周波数の帯域をさらに狭める。したがって、この場合
は、ＳＣカットの主振動（Ｃモード）に対する特にＢモ
ードを抑圧してスプリアス発振を防止する。

【００２３】そして、この実施例ではオーバトーン発振
子１による発振周波数を、基本波振動で動作する基本波
共振子８Ａで通過（共振）させる。そして、基本波共振
子８Ａはオーバトーン共振子８に対し、前述とは逆に共
振周波数（振動周波数）の基本波成分ｆ1に対する高調
波成分ｆsが、第２図に示したように比較的に大きいの
で、帯域幅は広くなる。

【００２４】したがって、発振周波数に対する基本波共
振子８Ａの共振周波数がずれたとしても、共振周波数の
帯域幅が広いので発振周波数は基本波共振子を通過す
る。但し、この場合でもＢモードは遮断する。これによ
り、従来例のオーバトーン共振子８を使用した場合より
も、周波数調整を容易にする。

【００２５】

【第２実施例】第１実施例では、複合型水晶振動子の第
１振動領域１１をオーバトーン発振子１とし、第２振動
領域１２を基本波共振子８Ａとしたが、第２実施例で
は、厚みの小さい第２振動領域１２を基本波で動作する
基本波発振子１Ａとし、厚みの大きい第１振動領域１１
をオーバトーン周波数で動作するオーバトーン共振子８
とする。なお、これ以外は第１実施例と同一なのでその
説明は省略する。

【００２６】このような構成であれば、発振周波数は基
本波振動によるので前述したように帯域幅は広くなる。
そして、共振周波数はオーバトーン振動なので帯域幅は
狭くなる。したがって、オーバトーン共振子８の共振周
波数が基本波発振子１Ａによる発振周波数から多少ずれ
たとしても、発振周波数は比較的に広帯域なのでオーバ
トーン共振子８の共振周波数に一致した周波数成分が通
過する。これにより、第１実施例とは逆に、オーバトー
ン共振子８の共振周波数を厳格に管理すれは、基本波発
振子１Ａの周波数調整を容易にする。

【００２７】なお、第１及び第２実施例においても、発
振子と共振子を同一水晶片から形成するので、特に温度
によって周波数が変化する特性、所謂周波数温度特性を
概ね同じにする。したがって、従来のように発振子と共
振子を別個にするものに比較して、周囲温度に対する安
定度を高められる。この場合、発振子及び共振子として
の個別の水晶振動子を恒温槽に収容して高安定用とする
場合に比較しても、槽内温度の揺らぎに対して同一の周
波数変化となるので、発振を安定に維持できる。

【００２８】

【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す
る。また、第１振動領域１１は水晶片５自体の厚みとし
て第２振動領域１２は凹部としたが、例えばいずれも深
さの異なる一主面側や両主面側からの凹部としても、あ
るいは単に段差を設けて第１振動領域１１と第２振動領
域１２の厚みを異ならせてもよい。要は、励振電極６
（ａｂ）の形成される第１振動領域１１と第２振動領域
１２との振動（共振）周波数に換算される実質的な厚み
を異にすればよい。

【００２９】また、例えば基本波共振子８Ａとして使用
する第２振動領域１２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。また、基本波共振子８Ａは発
振閉ループ内となる共振回路２に接続したが、例えば水
晶発振器の出力側即ち発振閉ループ外に設けてオーバト
ーン周波数（発振周波数の高調波成分）を選択する場合
でも適用できる。本発明では発振閉ループ外に実質的に
フィルタとして機能する共振子を設けた場合でも、オー
バトーン発振器とする。

【００３０】要するに、本発明では、基本波振動又はオ
ーバトーン振動とした互いに異なる振動で動作する発振
子と共振子を一枚の水晶片に形成して、発振回路を形成
する発振子及びフィルタを形成する共振子が用いられた
水晶発振器に適用することを趣旨とするもので、適宜自
在な変更を含めてこのような趣旨に基づくものは本発明
の技術的範囲に属する。なお、上記実施例では基本波振
動と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周波数が基本波周
波数に相当する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、第１振動領域に対して該第１
振動領域よりも厚みの小さい第２振動領域を水晶片に設
け、第１振動領域又は第２振動領域のいずれか一方を発
振回路を形成する発振子として他方をフィルタを形成す
る共振子とし、第１振動領域は基本波に対するオーバト
ーン周波数で動作し、第２振動領域は基本波周波数で動
作したので、小型化を促進して経済性に優れた複合型水
晶振動子及びこれを用いたオーバトーン発振器を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する複合型水晶振動子
（水晶片）の図である。

【図２】本発明の一実施例を説明する周波数スペクトラ
ムの図である。

【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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】振動周波数が厚みに反比例した厚みすべり
   振動姿態の水晶片からなる水晶振動子において、前記水
   晶片に厚みの異なる第１振動領域と第２振動領域（但
   し、第１振動領域の厚み＞第２振動領域の厚み）とを設
   け、前記第１振動領域又は第２振動領域のいずれか一方
   を発振回路を形成する発振子として他方をフィルタを形
   成する共振子とし、前記第１振動領域は基本波振動に対
   するオーバトーン振動で動作し、前記第２振動領域は基
   本波振動で動作することを特徴とする複合型水晶振動
   子。
2. 【請求項２】前記第１振動領域はオーバトーン振動で動
   作する発振子とし、前記第２振動領域は基本波振動で動
   作する共振子とした請求項１に記載の複合型水晶振動
   子。
3. 【請求項３】前記第１振動領域は基本波振動で動作する
   発振子とし、前記第２振動領域はオーバトーン振動で動
   作する共振子とした請求項１に記載の複合型水晶振動
   子。
4. 【請求項４】前記水晶片はＳＣカットである請求項１、
   ２又は３に記載の水晶振動子。
5. 【請求項５】インダクタ成分としての水晶振動子からな
   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オーバトーン水晶
   発振器において、前記発振子と前記共振子とに請求項１
   の複合型水晶振動子を適用したことを特徴とするオーバ
   トーン水晶発振器。
6. 【請求項６】前記共振回路はインダクタ成分としての水
   晶振動子と分割コンデンサからなり、前記分割コンデン
   サの中点と発振器用増幅器との間に前記共振子としての
   水晶振動子を接続してなる請求項５に記載のオーバトー
   ン水晶発振器。