JP2011114652A

JP2011114652A - ２回回転ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器

Info

Publication number: JP2011114652A
Application number: JP2009269986A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Takahashi; 正博高橋
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】簡便な構成の温度補償回路によって、安定した周波数特性を得られる２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器を提供する。
【課題の解決手段】２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器は、水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして３０度〜３７度回転し、さらにこの回転した位置からＺ軸を中心にして２３度〜４０度回転した面から切り出した２回回転Ｙカット水晶振動子１と、この水晶振動子１を接続した発振回路２からなる電圧制御水晶発振器３と、水晶振動子１から主励振されるＢモードの共振周波数により温度補償を行なう温度補償回路４とを備えたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動子を用いた温度補償型の発振器に関する。

従来のこの種発振器は、水晶結晶のＸ軸とＺ軸を含む平面をＸ軸を中心にして回転した面が主面となるよう切断してなる水晶基板を用いたＡＴカット水晶振動子を用いるのが一般的である。このＡＴカット水晶振動子は、厚みすべり振動モードを主振動とするものであり、その周波数温度特性は３次関数曲線となることが知られている。ＡＴカット水晶振動子は、比較的温度特性に優れた振動子として使用されてきたが、３次温度係数の影響が顕著に現れるため、周波数特性の高精度な安定が要求される各種装置の周波数発生基準源としては不十分である。このため、温度補償回路を用いて周波数温度特性を補償することにより、周波数特性の安定化を図っているが、３次関数曲線の周波数温度特性を補償するには、温度補償回路の構成が複雑化し、コストも高くなってしまう。したがって、高精度に安定した周波数特性を有するＡＴカット水晶振動子を用いた発振器を実現するのは困難であった。

このような現状に鑑み、従来から、ＡＴカット水晶振動子よりも応力感度、熱衝撃特性、位相雑音特性などにおいて優れている２回回転Ｙカット水晶振動子が注目されている。この２回回転Ｙカット水晶振動子は、水晶結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心に回転し（以下、この回転角度をθとする。）、さらにこの回転した位置からＺ軸を中心にして回転した（以下、この回転角度をφとする。）面を主面として切断した水晶基板を用いたものであり、主振動のＣモードの共振の近傍で、かつ高域側の周波数にＢモード、Ａモードの副振動を生じることが知られている。また、φが約２２度、θが約３４度のＳＣ（Stress Compensated）カット水晶振動子も２回回転Ｙカット水晶振動子の一種である。

この２回回転Ｙカット水晶振動子では、Ａモードは伸縮による厚み縦振動であり、Ｂモードは速い横波によるすべり応力の厚みねじれ振動であり、Ｃモードは遅い横波によるすべり応力の厚みすべり振動である。また、φを変えればモードの電気機械結合係数（以下、単に結合係数という。）が変わり、θを変えれば温度特性が変わることが知られている。なお、圧電体の結合係数は、電気的と機械的との変換能力を表す係数で、生じた機械的エネルギーと与えた電気的エネルギー、あるいは反対に、生じた電気的エネルギーと与えた機械的エネルギーの比の平方根で定義されるもので、圧電効果の大きさを表す量の一つであり、大きいほど発振しやすい。

従来、２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償を行なう発振器としては、温度変化に対してＢモードの共振周波数が直線的に変化することを利用して、この変化から適正な温度補償データを得て、温度補償を行なうもの（特許文献１）や、水晶振動子及び発振回路とともに発振回路の電源電圧を安定化する電圧安定化素子を恒温槽内に配置し、恒温槽を水晶振動子の周波数温度特性の変曲点温度に温度制御するもの（特許文献２）が知られている。また、φ及びθを、７度≦φ≦１４度４０分、３４度≦θ＜３５度１０分に設定した水晶振動子用いることで、常温近傍から高温側でほぼ直線的で安定した周波数温度特性を得て、低温部側のみを温度補償回路により温度補償するもの（特許文献３）も知られている。

特開平５−２４３８９２号公報特開平８−３２３４８号公報特開２００３−３２４３３２号公報

しかし、従来の上述した２回回転Ｙカット水晶振動子では、ＡＴカット水晶振動子と同様に、共振周波数が３次曲線の温度特性を示すＣモードを主振動としているので、曲線部分の温度補償が難しいという不都合があった。この不都合に加えて、特許文献１に記載の発振器では、直線の温度特性を示すＢモードを利用して温度補償を行なうことが提案されているが、発振器としては主振動であるＣモードの共振周波数に対して温度補償を行なうため、直線的に安定した周波数温度特性を得ることは困難であった。また、特許文献２に記載の発振器では、温度制御される恒温槽が必要なため、機器が大型化するとともに、消費電力も大きいという不都合があった。

本発明は、このような不都合を解消し、簡便な構成の温度補償回路によって、安定した周波数特性を得られる温度補償発振器を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明者は鋭意研究した結果、２回回転Ｙカット水晶振動子のＢモードの共振周波数の周波数温度特性は、直線となることに着目し、従来はＣモードの温度補償には用いられるものの、不要振動として取り扱われていたＢモードを主振動とした、２回回転Ｙカット水晶振動子を利用することに想到した。そして、さらに研究を続けた結果、傾きの小さな周波数温度特性を有するとともに、Ｃモード及びＡモードの励振の影響を受けないためには、θを３０度〜３７度に設定し、φを２３度〜４０度に設定してなる２回回転Ｙカット水晶振動子を利用すればよく、これによって広い温度範囲にわたって所望の安定した周波数温度特性を得られることを確認した。

すなわち、本発明に係る２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器は、θを３０度〜３７度とし、φを２３度〜４０度に設定してなる２回回転Ｙカット水晶振動子と、この水晶振動子を接続した発振回路と、前記水晶振動子から主励振されるＢモードの共振周波数により温度補償を行なう温度補償回路とを備えるものである。

本発明に係る２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器によれば、水晶振動子の周波数温度特性が直線となるＢモードを主振動とするとともに、Ｂモードを利用した温度補償を行なうので、温度補償回路を簡易な構成の１次関数発生回路によって構成することができ、広い温度範囲にわたって安定した周波数特性を得られるほか、装置の小型化、消費電力の低減化が可能になる。

本発明の好適な実施形態の水晶振動子を示す斜視図。同じく温度補償発振器を示すブロック図。同じく水晶振動子のＢモードの周波数温度特性を示す図。同じく温度補償回路の補償電圧特性を示す図同じく温度補償後の周波数温度特性を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、水晶振動子１は、θを３０度〜３７度、φを２３度〜４０度に設定した２回回転Ｙカットしたものである。すなわち、水晶振動子１は、水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして３０度〜３７度回転し、さらにこの回転した位置からＺ軸を中心にして２３度〜４０度回転した面から切り出してなる、２回回転Ｙカットの水晶振動子である。この水晶振動子１と、この水晶振動子１を接続し、図示していない可変容量素子を有する発振回路２により、電圧制御水晶発振器３が構成される。

図３に示すように、水晶振動子１のＢモードの周波数温度特性は、温度の上昇に比例して周波数偏差が減少する傾きがマイナスの直線となり、その傾きはθによって決まる。したがって、これを温度補償するには、前記水晶振動子１の周波数温度特性の直線と、対称的なプラスの傾きを有する直線となる補償電圧特性を有する１次関数発生回路からなる温度補償回路４を用いればよい。すなわち、図４に示す温度補償電圧を発生する温度補償回路４を用いることによって、前記水晶振動子１のＢモードの周波数温度特性を、図５に示すように広い温度範囲にわたって安定したものとすることができる。

なお、本発明に係る発振回路２はコルピッツ型発振回路であればよく、発振周波数は基本波はもちろん、３次、５次などのオーバトーンでもよい。また、発振回路としては、インバータ回路型のものでもよいし、トランジスタ回路型のものでもよい。さらに、２回回転Ｙカット振動子１と発振回路２からなる発振器３は、電圧制御型に限らない。またさらに、温度補償回路は、オペアンプ型、電流電圧変換型、サーミスタ等、Ｂモードの直線の周波数温度特性を補償するために、１次関数を発生する回路であれば、その具体的構成は問わない。

１水晶振動子
２発振回路
３電圧制御型水晶発振器
４温度補償回路

Claims

水晶の結晶のＹ軸に直交する面をＸ軸を中心にして３０度〜３７度回転し、さらにこの回転した位置からＺ軸を中心にして２３度〜４０度回転した面から切り出した２回回転Ｙカット水晶振動子と、この水晶振動子を接続した発振回路と、前記水晶振動子から主励振されるＢモードの共振周波数により温度補償を行なう温度補償回路とを備えることを特徴とする２回回転Ｙカット水晶振動子を用いた温度補償発振器。