JP2014093545A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】発振周波数の可変領域を大きくすることができる水晶発振器を提供すること。
【解決手段】水晶片１の両面に夫々形成された一対の電極を各々含む第１の振動領域４１と第２の振動領域４２とを互いに並列接続してなる水晶振動部を設け、この水晶振動部に発振回路６１を接続する。また、前記水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３を接続する。水晶振動部の電極の面積は各振動領域の電極の面積の合計となるため、電極面積に比例して直列容量が増大する。一方、並列容量キャンセル用のインダクタ６３により、発振回路６１の出力となる発振周波数ｆ_０において、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量の合計値に相当するインピーダンスがキャンセルされるため、結果として発振周波数の変化量が大きくなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、発振周波数の可変領域を大きくすることができる水晶発振器に関する。

水晶振動子を利用した広可変型水晶発振器は、例えば電圧可変型水晶発振器として、光通信系の産業分野等において利用されている。また、センサ用としても実用化の研究がなされている。前記水晶振動子は、例えば水晶片の表面に当該水晶片を発振させるための電極を備えてなり、このような水晶振動子はパッケージ（保持器）内に収納されて使用される。

この水晶発振器の基本的な公式は、次の（１）式及び（２）式に示すように、ＪＩＳＣ６７０１に定義されている。（１）式は、例えば可変容量により負荷容量をＬ１→Ｌ２に変化させたときの周波数変化（ｄｆ_{Ｌ１、Ｌ２}）を求めるものである。

ｄｆ_{Ｌ１，Ｌ２}
＝Ｆ_ｒ・Ｃ_１・(Ｃ_Ｌ２−Ｃ_Ｌ１)／｛２・（Ｃ_０＋Ｃ_Ｌ１）・（Ｃ_０＋Ｃ_Ｌ２）｝
・・・（１）
Ｃ_Ｌ２＝Ｃ_Ｌ１・（１±ｄＣ／Ｃ_Ｌ１） ・・・（２）
Ｆ_ｒは直列発振周波数、Ｃ_１は直列容量、Ｃ_０は並列容量、Ｃ_Ｌ１は能動側の負荷容量である。

また、直列容量Ｃ_１と並列容量Ｃ_０の概念式を、以下の式（３）と式（４）に示す。

Ｃ_１＝ｋ_１・Ｓ・Ｆ_ｒ・・・（３）
Ｃ_０＝ｋ_０・Ｓ・Ｆ_ｒ＋ｄＣ・・・（４）
Ｓは電極面積、ｄＣは浮遊容量、ｋ_１及びｋ_０は水晶片の切断方位、水晶片の面積、水晶片の誘電率等で決定される定数である。浮遊容量ｄＣは、保持器自体や、当該保持器への水晶振動子の取り付け条件で決定される容量成分である。

従って、発振器の発振周波数の可変領域を大きく、つまり周波数変化を広可変にするためには、上述の（１）式の分子側を大きくするか、分母側を小さくすればよい。このため、直列発振周波数Ｆ_ｒを高く、直列容量Ｃ_１を大きくして（１）式の分子側を大きくすること、又は、並列容量Ｃ_０を小さく、負荷容量Ｃ_Ｌ１を小さくして、（１）式の分母側を小さくすること等の対策が考えられる。

しかしながら、前記直列容量Ｃ_１の大きさは、（３）式に示すように、水晶振動子に設けられた電極の面積と正比例の関係にある。従って、直列容量Ｃ_１を大きくするためには電極面積を増大させればよいが、電極を大きくし過ぎるとエネルギー閉じ込め効果が小さくなり、副振動が発生してしまう。また、（４）式に示すように、並列容量Ｃ_０の大きさも電極面積と正比例の関係があり、電極を大きくすることにより並列容量Ｃ_０も増大する。このため、発振周波数の可変領域を大きくするために、電極を大きくする手法は得策ではない。

さらに、能動側に着目すれば、負荷容量Ｃ_Ｌ１を小さくし過ぎると、能動側の実行Ｑ値が低下して、発振周波数の安定度が悪化し、また、不発振になる現象が生じる。このようなことから、直列容量Ｃ_１と並列容量Ｃ_０、負荷容量Ｃ_Ｌ１を調整して周波数の変化量を大きくするには限界がある。

特許文献１には、複数の励振電極対を並列接続した圧電振動子が記載され、特許文献２には、水晶片の励振電極部分を、厚みすべり振動方向と直交する方向に左右対称になるように互いに間隔をおいて分割される構成が記載されている。また、特許文献３には、複数個の圧電トランスが入力側で互いに並列に接続されると共に出力側で共通の負荷に接続され、圧電トランスの発振周波数の差が３００Ｈｚ以下に設定される構成が記載されている。

特許文献１及び特許文献２の構成は、いずれも基本波を抑制するオーバートーンモードで発振させるものであり、特許文献１〜３には発振周波数の可変領域を大きくするという技術的思想については記載されていない。従って、特許文献１〜特許文献３によっても本発明の課題を解決することは困難である。

特開平３−１３９９１３号公報 特開２０１１−１８８３７３号公報 特開２００２−２９１２５３号公報

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、発振周波数の可変領域を大きくすることができる水晶発振器を提供することにある。

このため、本発明の水晶発振器は、
水晶片の両面に夫々形成された一対の電極を各々含む複数の振動領域を互いに並列接続してなる水晶振動部と、
前記水晶振動部に接続された発振回路と、
前記水晶振動部に並列に接続され、発振回路の出力となる発振周波数ｆ_０において、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量の合計値に相当するインピーダンスをキャンセルするための並列容量キャンセル用のインダクタと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、水晶片の両面に夫々形成された一対の電極を各々含む複数の振動領域を互いに並列接続してなる水晶振動部を設けている。このため複数の振動領域が一つの振動領域として作用し、水晶振動部の電極の面積は、各振動領域の電極の面積の合計となる。直列容量と電極面積との間には正比例の関係があるため、振動領域を並列接続することにより水晶発振器の直列容量は増大する。
また、複数の振動領域を互いに並列接続することにより、水晶振動部の並列容量は各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量の合計となるが、並列容量キャンセル用のインダクタを水晶振動部に並列に接続しているので、前記並列容量がキャンセルされる。前記並列容量キャンセル用のインダクタは、発振回路の出力となる発振周波数ｆ_０において、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量の合計値に相当するインピーダンスをキャンセルするインピーダンスを有するからである。
発振周波数の変化量は、直列容量の増大により大きくなり、並列容量の増大により小さくなるが、本発明の水晶発振器によれば、振動領域の増加に伴い直列容量が増大する一方、並列容量はキャンセルされるため、結果として発振周波数の変化量が大きくなる。

本発明の水晶電子構成部品の一例を示す縦断面図である。 水晶電子構成部品を示す縦断面図である。 水晶振動子の一例を示す平面図である。 水晶振動子の一例を示す平面図である。 水晶発振器の構成図である。 水晶発振器の回路図である。 水晶発振器の一部の等価回路図である。 コルピッツ発振回路を示す回路図である。 本発明の水晶電子構成部品の他の例を示す縦断面図である。 水晶電子構成部品の縦断面図である。 水晶振動子の一例を示す平面図である。 水晶振動子の一例を示す平面図である。 水晶電子構成部品の縦断面図である。 水晶電子構成部品の底面図である。 水晶発振器の回路図である。 本発明の水晶電子構成部品のさらに他の例を示す縦断面図である。 水晶電子構成部品の底面図である。 水晶振動子の一例を示す概略斜視図である。 水晶発振器の回路図である。 本発明の水晶電子構成部品のさらに他の例を示す縦断面図である。 本発明の水晶電子構成部品のさらに他の例を示す縦断面図である。 本発明の水晶電子構成部品のさらに他の例を示す回路部である。

（第１の実施の形態）
本発明の水晶発振器の実施の形態について説明する。図１及び図２は、水晶振動子を保持器内に搭載した電子構成部品の一例、図３及び図４は水晶振動子の一例を夫々示す。図１は図３のＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図、図２は図３のＢ−Ｂ´線に沿って切断した断面図である。

図１〜図４中１は、例えばＡＴカットの短冊状（矩形状）の水晶片である。以降、水晶片１の長辺の方向を前後方向（Ｘ軸方向）、短辺の方向を左右方向（Ｙ´軸方向）として説明を進める。
前記水晶片１の一面側及び他面側には夫々励振電極２、３が設けられている。図３に示すように、一面側の励振電極２は、水平方向に互いに離間して配置された２枚の電極２１、２２を備えている。これら電極２１、２２は例えば矩形状に構成され、前記前後方向（Ｘ軸方向）に並ぶように設けられている。これら電極２１、２２は例えば互いに同じ形状に形成され、エネルギー閉じ込め効果を確保する大きさに設定されている。

図４に示すように、水晶片１の他面側には、一面側の電極２１、２２に夫々対向する位置（投影領域）に、例えば電極２１、２２と同じ形状の電極３１、３２が形成されている。水晶片１と電極２１と電極３１とにより第１の振動領域４１が形成され、水晶片１と電極２２と電極３２とにより第２の振動領域４２が形成される。ここで、第１の振動領域４１と第２の振動領域４２の発振周波数差は１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に設定される。発振周波数差とは、第１の振動領域４１の発振周波数をｆ１、第２の振動領域の発振周波数をｆ２としたときに、（ｆ２−ｆ１）／ｆ１により求められる値である。発振周波数差を１０ｐｐｍ以上とするのは弾性結合を回避するためであり、１０００ｐｐｍ以下とするのは、互いの発振周波数が大きく異なると、動作中に周波数ジャンプが起こるからである。

前記電極２１、２２は引出電極２３を介して互いに接続されており、この引出電極２３の一端側は水晶片１の他面側に回り込み、接続部２３ａとして形成されている。一方、電極３１、３２は引出電極３３を介して互いに接続され、水晶片１の他面側では、接続部２３ａと引出電極３３とが、接続部２３ａが紙面奥側になるように左右方向に並んで設けられている。これら励振電極２、３及び引出電極２３、３３は、例えばクロム（Ｃｒ）層を下地とし、その上に金（Ａｕ）層を積層したものにより構成される。こうして、前記引出電極２３により前記第１の振動領域４１及び第２の振動領域４２の一面側の電極２１、２２同士が並列接続される。また、前記引出電極３３により前記第１の振動領域４１及び第２の振動領域４２の他面側の電極３１、３２同士が並列接続される。これにより第１の振動領域４１と第２の振動領域４２を互いに並列接続してなる水晶振動部が構成される。
この例では、前記水晶片１の長辺、短辺の寸法が夫々例えば７ｍｍ及び５ｍｍであり、前記電極２１、２２、３１、３２の寸法は夫々例えば１．０５ｍｍ×１．４６ｍｍ、膜厚は例えば４０００オングストローム、電極間距離Ｄ２は例えば１．０±０．０１ｍｍに設定されている。

前記水晶片１に励振電極２，３が形成されたものを水晶振動子１０とすると、当該水晶振動子１０は保持器５１内に搭載されている。この保持器５１は、基板５２と蓋体５３とにより構成され、前記基板５２は、水晶振動子１０を支持する台座部５４と、水晶振動子１０の側周を囲む側周部５５とを備えている。これら基板５２の側周部５５と蓋体５３の周縁部とが対応するように接合される。

前記水晶振動子１０は前記電極２１（３１）及び電極２２（３２）が前後方向に並ぶように、前後方向の一方側が台座部５４に固定されている。前記台座部５４における水晶振動子１０の一端側が取り付けられる領域には、前記引出電極２３の接続部２３ａ及び引出電極３３と対応する領域に、基板５２を上下方向に貫通する導電路５７１、５７２が夫々形成されている。
前記水晶振動子１０は、引出電極２３ａ、３３が夫々導電路５７１、５７２と接触するように、夫々導電性接着剤５６にて基板５２に固定されている。一方、基板５２の底面には導電路５７１、５７２と夫々接触するように外部電極５８１、５８２が形成されている。図３及び図４中５８３はダミー電極である。

図５は、水晶電子構成部品６２が配線基板６４上に搭載された水晶発振器６を示している。このように、本発明の水晶発振器６は、水晶振動子１０が設けられた水晶電子構成部品６２と、発振回路６１と、並列容量キャンセル用のインダクタ６３と、を備えている。これらは例えば配線基板６４上に取り付けられて、互いに電気的に接続されている。水晶電子構成部品６２及びインダクタ６３は例えばハンダ６５により配線基板６４に固定され、発振回路６１と配線されている。

図６は本発明の水晶発振器６の回路図、図７は水晶振動子の等価回路図である。この図に示すように、水晶発振器６は、電極２１と電極２２とが引出電極２３により並列接続されて、外部電極５８１を介して配線６６により発振回路６１の一端側（例えば入力側）に電気的に接続される。また、電極３１と電極３２とが引出電極３３により並列接続されて、外部電極５８２を介して配線６７により発振回路６１の他端側（例えば出力側）に電気的に接続されている。

発振回路６１は例えば厚みすべり振動の基本波が励振されるように構成され、例えば図８に示すようにコルピッツ発振回路が用いられる。図８中、ＶＤは可変容量コンデンサ、Ｌはインダクタ、Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサ、Ｔｒはトランジスタ、Ｒ１、Ｒ２は抵抗素子、１００はバッファアンプである。トランジスタＴｒを含む、鎖線で囲んでいる部分はＩＣ２００として構成されている。図８に示すコルピッツ発振回路は一般的なものであることから詳細な説明は省略する。なお図８の回路は略解的に記載してある。

前記並列容量キャンセル用のインダクタ６３は、振動領域４１、４２を並列接続してなる水晶振動部と並列に接続されている。このインダクタ６３は、発振回路６１の出力となる発振周波数ｆ_０において、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量Ｃ_０の合計値Ｃ_０´（Ｆ）（振動領域４１と振動領域４２とを並列接続したときの容量）に相当するインピーダンスをキャンセルするためのものである。

このようなインピーダンスのキャンセルは、振動領域４１、４２の各並列容量の並列回路に対してインダクタ６３を接続したときに、発振周波数ｆ_０において並列共振を起こすように、即ち次式が成立するようにインダクタ６３のインダクタンス（値）Ｌを決めることにより達成できる。

ｆ_０＝１／２π（ＬＣ_０´）^０．５
この式が成り立つ条件は、発振周波数ｆ_０において、並列容量の並列回路の合計容量分のインピーダンスとインダクタ６３のインピーダンスとが一致することであることから、１／（２πｆ_０・Ｃ_０´）＝２πｆ_０・Ｌが成り立つことである。しかしながら、実際にはこのような等号関係が成り立つように製造することは至難であり、部品のパラメータ値に誤差が生じることが避けられない。また、上記のインピーダンスのキャンセルがある程度達成できれば、周波数の設定範囲を広くするという効果が得られる。このため、本発明者は、以下の式が成り立つように、インダクタのインダクタンスＬ（Ｈ）を設定することが好ましいと捉えている。

０．８／（２πｆ_０・Ｃ_０´）≦２πｆ_０・Ｌ≦１．２／（２πｆ_０・Ｃ_０´）
このようにして構成された水晶電子構成部品６２の発振動作は、電源をＯＮにして発振回路６１を動作させることで起こり、水晶振動子１０では厚み滑り振動の基本波が励振される。

このような実施の形態では、第１の振動領域４１と第２の振動領域４２を並列に接続しているので、これら振動領域４１、４２が一つの振動領域として作用する。これにより、電極の面積は、振動領域４１の電極２１（３１）と振動領域４２の電極２２（３２）との合計になるので、背景技術の項にて示した（３）式により、直列容量Ｃ_１が約２倍に大きくなる。このことは、水晶振動部の直列容量Ｃ_１は、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における直列容量Ｃ_１の合計となることからも理解される。

また、第１及び第２の振動領域４１，４２を並列接続することにより、水晶振動部の並列容量は各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量Ｃ_０の合計値Ｃ_０´となるが、並列容量キャンセル用のインダクタ６３を水晶振動部に並列に接続しているので、既述のように、このインダクタ６３により前記並列容量の合計値Ｃ_０´に相当するインピーダンスがキャンセルされる。これにより、回路では並列容量が見えない状態となる。
このように、本発明の水晶発振器６では、直列容量Ｃ_１が大きくなるため、発振周波数の変化量を示す（１）式にて、分子側が大きくなり、並列容量Ｃ_０´がキャンセルされるため、前記（１）式に示す分母側が小さくなる。このため、発振周波数の可変領域を大きくすることができる。

また、振動領域４１及び振動領域４２の電極２１（３１）、２２（３２）は、夫々エネルギー閉じ込め効果を確保できる大きさに形成されている。さらに、電極２１、２２（３１、３２）同士の離間距離Ｄ１は弾性結合を抑制し、かつエネルギー閉じ込め効果を確保する大きさに設定されている。従って、エネルギー閉じ込め効果が十分確保されるので、副振動の発生が抑えられる。さらに、振動領域４１及び振動領域４２を並列接続すると、図７に示すように、直列抵抗Ｒ１は約１／２倍となるので、発振が容易になる。

さらにまた、共通の水晶片１に振動領域４１と振動領域４２とを形成しているので、浮遊容量ｄＣを最小に留めることができる。つまり、浮遊容量の発生要因は、保持器の浮遊容量、保持器間の浮遊容量、水晶振動子の基板への取り付け状態であると考えられている。従って、上述の実施の形態のように、共通の保持器５１内において、共通の水晶片１に２つの振動領域４１、４２を形成する構成では、保持器の浮遊容量、水晶振動子の基板への取り付け状態により決定される浮遊容量は最小になり、保持器間の浮遊容量は発生しないからである。
（第１の実施の形態の変形例）
この例は、第１の振動領域４１及び第２の振動領域４２の励振電極２、３を水晶片１の外で並列に接続するものである。この場合、２つの振動領域４１、４２毎に一対の引出電極（一面側の電極２１、２２の引出電極２３ｂ、２３ｃと、他面側の電極３１、３２の引出電極３３ｂ、３３ｃ）を形成する。そして、第１の振動領域４１の一方の引出電極２３ｂと、第２の振動領域４２の一方の引出電極２３ｃと、を台座部５４の共通の導電路２３ｄに接続する。また、第１の振動領域４１の他方の引出電極３３ｂと、第２の振動領域４２の他方の引出電極３３ｃとを、例えば台座部５４に設けられた、前記共通の導電路２３ｄとは別の共通の導電路３３ｄに接続する。そして、これらの共通導電路２３ｄ、３３ｄの一方が発振回路６１の一端側、他方が発振回路６１の他端側に夫々接続される。なお、引出電極２３ｂ、２３ｃ、３３ｂ、３３ｃ、共通導電路２３ｄ、３３ｄについては図示を省略する。
（第２の実施の形態）
続いて、本発明の水晶発振器の他の実施の形態について、図９〜図１５を参照して説明する。図９及び図１０は、水晶振動子１０Ａ、１０Ｂを保持器７１内に搭載した水晶電子構成部品６２Ａの一例、図１１及び図１２は水晶振動子１０Ａ、１０Ｂの一例を夫々示す。図９は図１１のＡ−Ａ´線に沿って切断した断面図、図１０は図１１のＢ−Ｂ´線に沿って切断した断面図である。

この例では、第１の振動領域４１Ａが形成された水晶片１Ａと、第２の振動領域４２Ａが形成された水晶片１Ｂとは互いに異なる水晶片により夫々構成されている。そして、前記水晶片１Ａと水晶片１Ｂとは、共通の保持器７１内に互いに水平方向に離間して設けられている。水晶片１Ａ、１Ｂは、例えばＡＴカットの矩形状の水晶片であり、前後方向（Ｘ軸方向）に並ぶように保持器７１内に設けられている。７２は保持器７１の基板、７３は保持器７１の蓋体である。

前記水晶片１Ａ、１Ｂの一面側及び他面側には夫々励振電極２１Ａ、２２Ａ、励振電極３１Ａ、３２Ａが設けられている。これらは例えば同じ形状に形成され、エネルギー閉じ込め効果を確保する大きさに設定されている。
こうして、水晶片１Ａと励振電極２１Ａ、３１Ａとにより、第１の振動領域４１Ａを備えた水晶振動子１０Ａが形成され、水晶片１Ｂと励振電極２１Ｂ、３１Ｂとにより、第２の振動領域４１Ｂを備えた水晶振動子１０Ｂが形成される。第１の振動領域４１Ａと第２の振動領域４２Ａの発振周波数差は１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に設定される。

前記励振電極２１Ａ、２２Ａには夫々引出電極２３１、２３２が設けられており、これら引出電極２３１、２３２の一端側は水晶片１Ａ、１Ｂの他面側に夫々回り込み、接続部２３３、２３４として形成されている。また、励振電極３１Ａ、３２Ａには夫々引出電極３３１、３３２が接続されている。図１２は図９のＣ−Ｃ´線に沿って切断した断面図である。
この例では、前記水晶片１Ａ、１Ｂの長辺、短辺の寸法が夫々例えば５ｍｍ及び４．５ｍｍであり、前記励振電極２１Ａ、２２Ａ（３１Ａ、３２Ａ）の寸法は夫々例えば１．０５ｍｍ×１．４６ｍｍ、膜厚は例えば４０００オングストローム、電極間距離Ｄ２は例えば１．０ｍｍに夫々設定されている。

このような水晶振動子１０Ａ、１０Ｂは、例えば基板７２の前後方向に夫々に設けられた台座部７４ａ、７５ａに導電性接着剤５６により固定されている。前記引出電極２３１の接続部２３３及び引出電極３３１は、台座部７４ａに形成された導電路７５１、７５２を介して、基板７２の底面７０の外部電極７６１、７６２に夫々接続されている。また、前記引出電極２３２の接続部２３４及び引出電極３３２は、台座部７４ｂに形成された導電路７５３、７５４を介して、基板７２の底面７０の外部電極７６３、７６４に夫々接続されている。また、基板７２の底面７０には、外部電極７６１及び外部電極７６３を互いに電気的に接続する導電路７７が形成されると共に、外部電極７６２及び外部電極７６４を互いに電気的に接続する導電路７８が形成されている。こうして、水晶片１Ａの一面側の電極２１Ａと水晶片１Ｂの一面側の電極２１Ｂとは、導電路７７を介して並列接続され、また、水晶片１Ａの他面側の電極３１Ａと水晶片１Ｂの他面側の電極３１Ｂとは、導電路７８を介して並列接続される。

図１５に示すように、前記導電路７７は配線６６を介して発振回路６１の一端側（例えば入力側）に接続され、導電路７８は配線６７を介して発振回路６１の他端側（例えば出力側）に接続される。さらに、第１の振動領域４１Ａと第２の振動領域４２Ａとにより構成される水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３が接続されている。このインダクタ６３については、第１の実施の形態と同様である。

このような実施の形態では、異なる水晶片１Ａ、１Ｂに夫々振動領域４１Ａ、４２Ａを設け、これら振動領域４１Ａ、４２Ａを互いに並列に接続して水晶振動部を構成すると共に、この水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３を接続している。これにより、上述の第１の実施の形態と同様に、直列容量が増大し、並列容量はキャンセルされるため、発振周波数の可変領域が増大する。また、振動領域４１Ａ、４２Ａの電極２１Ａ（３１Ａ）、２２Ａ（３２Ａ）は、夫々エネルギー閉じ込め効果を確保できる大きさに形成されているので、副振動の発生が抑えられる。さらに、異なる水晶片１Ａ，１Ｂを保持器７１内に取り付けているので、生産が容易になる。
（第２の実施の形態の変形例１）
続いて、本発明の水晶発振器の他の例について、図１６〜図１９を参照して説明する。図１６は、水晶振動子１０Ｃ、１０Ｄを保持器８１内に搭載した水晶電子構成部品６２Ｂの一例を示す。この例では、第１の振動領域４１Ｂが形成された水晶片１Ｃと、第２の振動領域４２Ｂが形成された水晶片１Ｄとは互いに異なる水晶片により夫々構成されている。そして、前記水晶片１Ｃと水晶片１Ｄとは、共通の保持器８１内に互いに水晶片の厚さ方向に離間して設けられている。水晶片１Ｃ、１Ｄは、例えばＡＴカットの矩形状の水晶片であり、８２は保持器８１の基板、８３は保持器８１の蓋体である。

前記水晶片１Ｃ、１Ｄの一面側及び他面側には、図１６及び図１８に示すように、夫々励振電極２１Ｂ、２２Ｂ、励振電極３１Ｂ、３２Ｂが設けられている。これらは同じ形状に形成され、エネルギー閉じ込め効果を確保する大きさに設定されている。第１の振動領域４１Ｂと第２の振動領域４２Ｂの発振周波数差は１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下に設定される。
前記励振電極２１Ｂ、２２Ｂには夫々引出電極２４１、２４２が設けられており、これら引出電極２４１、２４２の一端側は水晶片１Ｃ、１Ｄの他面側に夫々回り込み、接続部２４３、２４４として形成されている。また、励振電極３１Ｂ、３２Ｂには夫々引出電極３４１、３４２（図１８参照）が接続されている。
例えば前記水晶片１Ｃ、１Ｄの長辺、短辺の寸法は夫々例えば５ｍｍ及び４．５ｍｍであり、前記励振電極２１Ｂ、２２Ｂ（３１Ｂ、３２Ｂ）の寸法は夫々例えば１．０５ｍｍ×１．４６ｍｍ、膜厚は例えば４０００オングストロームに夫々設定される。

このような水晶振動子１０Ｃ、１０Ｄは、基板８２に設けられた台座部８４１、８４２に導電性接着剤５６により固定されている。台座部８４１、８４２は、例えば水晶片の厚さ方向（Ｙ´方向）に間隔を開けて並ぶように夫々設けられている。上下方向に隣接する励振電極２１Ａと励振電極２２Ａ同士が静電結合するように、離間距離Ｄ３が設定される。

前記引出電極２４１の接続部２４３及び引出電極３４１は、台座部８４１の表面の導電路８５と、台座部８４１を貫通する導電路８６１、８６１（左右方向の手前側は図示せず）を介して、基板８２の底面８０の外部電極８７１、８７２に夫々接続されている。また、前記引出電極２４２の接続部２４４及び引出電極３４２は、台座部８４２を貫通する導電路８６２、８６２（左右方向の手前側は図示せず）を介して、基板８２の底面８０の外部電極８７３、８７４に夫々接続されている。また、基板８２の底面８０には、外部電極８７１及び外部電極８７３を互いに電気的に接続する導電路８８と、外部電極８７２及び外部電極８７４を互いに電気的に接続する導電路８９が形成されている。

こうして、水晶片１Ｃの一面側の電極２１Ｂと水晶片１Ｄの一面側の電極２２Ｂとは、導電路８５、８６１、外部電極８７１、８７３、導電路８８からなる第１の導電路８８１により並列接続される。また、水晶片１Ｃの他面側の電極３１Ｂと水晶片１Ｄの他面側の電極３２Ｂとは、導電路８６２、外部電極８７２、８７４、導電路８９からなる第２の導電路８９１により並列接続される。

図１９に示すように、前記第１の導電路８８１は配線６６を介して発振回路６１の一端側（例えば入力側）に接続され、第２の導電路８９１は配線６７を介して発振回路６１の他端側（例えば出力側）に接続される。さらに、第１の振動領域４１Ｂと第２の振動領域４２Ｂとにより構成される水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３が接続されている。このインダクタ６３については、第１の実施の形態と同様である。

このような実施の形態では、異なる水晶片１Ｃ、１Ｄに夫々振動領域４１Ｂ、４２Ｂを設け、これら振動領域４１Ｂ、４２Ｂを互いに並列に接続して水晶振動部を構成すると共に、この水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３を接続している。これにより、上述の第１の実施の形態と同様に、直列容量が増大し、並列容量はキャンセルされるため、発振周波数の可変領域が増大する。また、振動領域４１Ｂ、４２Ｂの電極２１Ｂ（３１Ｂ）、２２Ｂ（３２Ｂ）は、夫々エネルギー閉じ込め効果を確保できる大きさに形成されているので、副振動の発生が抑えられる。さらに、異なる水晶片１Ｃ、１Ｄを保持器７１内に取り付けているので、生産が容易になる。さらにまた、第１の振動領域４１Ｂと第２の振動領域４２Ｂとを上下方向に配列したので、専有面積が小さくなり、小型化を図ることができる。

以上において、水晶電子構成部品は図２０及び図２１のように構成するようにしてもよい。図２０に示す水晶電子構成部品６２Ｃは、図１６に示す水晶電子構成部品６２Ｂにおいて、振動領域４１Ｂの励振電極２１Ｂと振動領域４２Ｂの励振電極２２Ｂとを、基板８２の内壁面に形成された導電路９１により並列接続したものである。導電路９１は、例えば引出電極２４１の接続部２４３及び引出電極２４２の接続部２４４に接触するように形成されている。そして、導電路９１は、台座部８４２を貫通する導電路８６２、外部電極９２Ａを介して発振回路６１の一端側に接続される。同様に、振動領域４１Ｂの励振電極３１Ｂと振動領域４２Ｂの励振電極３２Ｂとは、基板８２の内壁面に形成された導電路（図示せず）により並列接続されている。この導電路は、台座部８４２を貫通する導電路８６２（図示せず）、外部電極９２Ｂを介して発振回路６１の他端側に接続される。

また、図２１に示す水晶電子構成部品６２Ｄは、水晶片１０Ｃ、１０Ｄを、互いに導電性接着材９３、９４により、水晶片の厚さ方向に離間して支持したものである。下方側の水晶片１０Ｃは、例えば保持器１０１の基板１０２に設けられた台座部１０４、１０５に取り付けられている。１０３は蓋体である。台座部１０４、１０５には、水晶片１Ｄの励振電極２２Ｂの引出電極２４２の接続部２４４と励振電極３２Ｂの引出電極３４４に対応する位置に導電路１０６、１０７が形成されている。

水晶片１０Ｃは、水晶片１０Ｄの上方側に、当該水晶片１０Ｄと間隔を開けるように、導電性接着材９３、９４により水晶片１０Ｄに取り付けられている。導電性接着材９３は、水晶片１Ｃの励振電極２１Ｂの引出電極２４１の接続部２４３と、励振電極２２Ｂの引出電極２４４とに接触するように設けられている。また、導電性接着材９４は、水晶片１Ｃの励振電極３１Ｂの引出電極３４３と、励振電極３２Ｂの引出電極３４４とに接触するように設けられている。

こうして、水晶片１Ｃの一面側の励振電極２１Ｂと水晶片１Ｄの一面側の励振電極２２Ｂとは、引出電極２４１、２４２、２４３、２４４を介して導電性接着剤９３により並列接続され、導電路１０６、外部電極９５を介して発振回路６１の一端側に接続される。また、水晶片１Ｃの他面側の励振電極３１Ｂと水晶片１Ｄの他面側の励振電極３２Ｂとは、引出電極３４３、３４４を介して導電性接着剤９４により並列接続され、導電路１０７、外部電極９６を介して発振回路６２の他端側に接続される。
（第２の実施の形態の変形例２）
この例は、図２２に示すように、３個以上の水晶振動子２０１〜２０３を互いに並列に接続した例である。例えば１個の水晶振動子は、例えばＡＴカットの水晶片２１０の一面側及び他面側に夫々励振電極２１１、２１２を備えて構成され、保持器２０４内に設けられている。励振電極２１１、２１２は例えば矩形状に形成され、エネルギー閉じ込め効果を確保する大きさに設定されている。

このような水晶振動子２０１〜２０３は配線基板に搭載され、例えば各水晶振動子２０１〜２０３の一面側の励振電極２１１は配線２２１により並列接続されて、配線６６を介して発振回路６１の一端側（入力側）に接続される。また、各水晶振動子２０１〜２０３の励振電極２１２は配線２２２により並列接続されて、配線６７を介して発振回路６１の他端側（出力側）に接続される。さらに、３個の水晶振動子２０１〜２０３により構成される水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３が接続されている。このインダクタ６３については、第１の実施の形態と同様である。３個の水晶振動子の発振周波数差の最小値は１０ｐｐｍ、最大値は１０００ｐｐｍに設定される。
この例では、前記水晶片２１０の長辺、短辺の寸法は夫々例えば５ｍｍ及び４．５ｍｍであり、前記励振電極２１１、２１２の寸法は夫々例えば１．０５ｍｍ×１．４６ｍｍ、膜厚は例えば４０００オングストロームに夫々設定されている。

このような実施の形態では、３個以上の水晶振動子を互いに並列に接続して水晶振動部を構成すると共に、この水晶振動部に並列に並列容量キャンセル用のインダクタ６３を接続している。これにより、上述の第１の実施の形態と同様に、直列容量が増大し、並列容量はキャンセルされるため、発振周波数の可変領域が増大する。また、各水晶振動子２０１〜２０３の励振電極２１１、２１２は、夫々エネルギー閉じ込め効果を確保できる大きさに形成されているので、副振動の発生が抑えられる。さらに、従来の手法により生産した水晶振動子を用いることができるため、生産が容易である。

また、本発明は、ＡＴカットの水晶振動子のみならず、回転Ｙ板からなる厚み滑り振動である例えばＢＴカットや、２回回転Ｙ板のＳＣカットの水晶振動子を用いることもできる。また水晶片の一面側の電極についてはエネルギー閉じ込め効果を確保する大きさの電極に分割して構成し、他面側は一面側の電極と対向する一枚の電極であってもよい。

さらに、共通の水晶片に複数の振動領域を形成する場合には、振動領域同士の間に切欠きを設けて、弾性的な結合を抑制するようにしてもよい。
また、本発明の水晶発振器は、水晶片の両面に夫々形成された一対の電極を各々含む振動領域は２つ以上であればよく、共通の水晶片に複数の振動領域を形成したものと、水晶片毎に一つに振動領域を設けたものを互いに並列接続するようにしてもよい。
以上において、本発明の水晶発振器は、例えば周波数制御型センサに適用できる。この周波数制御型水晶センサは、機械的、電磁的、化学的な各種変化をリアクタンス変化として捉えるセンサ素子と水晶振動子とを接続して発振周波数の変化としてこれらの変化を計測するセンサシステムにも適用することができる。

（実施例１−１）
第１の実施の形態の効果を検証するために、ＡＴカットの共通の水晶片に２枚の電極（電極１、電極２）を設け、これらを並列に接続した場合の直列発振周波数Ｆ_ｒを測定した。水晶片は、長辺が７ｍｍ、短辺が５ｍｍの矩形状のものを用い、電極は夫々１．０５ｍｍ×１．４６ｍｍの矩形状、電極間距離は１．０±０．０１ｍｍとした。
水晶振動子の等価回路定数は次のとおりである。

電極１：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000157ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、
並列容量Ｃ_０＝3.3ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.5Ω
電極２：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000628ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、
並列容量Ｃ_０＝3.3ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.6Ω
そして、電極１と電極２とを並列に接続したときの等価回路定数は、
直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000393ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0035ｐＦ、
並列容量Ｃ_０＝6.8ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝4.3Ωであった。
このように、電極１と電極２とを並列に接続することにより、直列発振周波数Ｆ_ｒは、電極１と電極２のほぼ中間値、直列容量Ｃ_１は約２倍、直列抵抗Ｒ_１は約１／２になることが認められた。並列容量Ｃ_０はほぼ２倍であり、浮遊容量ｄＣは０．２ｐＦと想定される。
（実施例１−２）
能動回路の負荷容量ＣＬが５ｐＦ〜１０ｐＦまで変化する場合を想定して、このときの発振周波数差ｄＦを背景技術の項で示した（１）式により求めた。
このときの発振周波数差ｄＦは、電極１と電極２は夫々７７ｐｐｍであるのに対して、電極１及び電極２を並列接続したときは８８ｐｐｍであり、発振周波数の変化量が大きくなることが認められた。
（実施例２−１）
第２の実施の形態の効果を検証するために、ＡＴカットの水晶片に電極３を設けた水晶振動子と、ＡＴカットの水晶片に電極４を設けた水晶振動子とを用意し、これらを並列に接続した場合の直列発振周波数Ｆ_ｒを測定した。水晶片は、夫々長辺が５ｍｍ、短辺が４．５ｍｍの矩形状のもの、電極は実施例１−１と同様のものを夫々用い、これら２枚の水晶片を共通の保持器に固定して、検証を行った。

水晶振動子の等価回路定数は次のとおりである。（実施例１−１）と比較すると、並列容量Ｃ_０が０．１ｐＦ増加しており、浮遊容量の影響と推察される。

電極３：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000029ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、並列容量Ｃ_０＝3.4ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.2Ω
電極４：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000307ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、並列容量Ｃ_０＝3.4ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.1Ω
そして、電極３と電極４とを並列に接続したときの等価回路定数は、
直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000155ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0035ｐＦ、
並列容量Ｃ_０＝7.3ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝4.2Ωであった。
このように、電極３と電極４とを並列に接続することにより、直列発振周波数Ｆ_ｒは、電極３と電極４のほぼ中間値、直列容量Ｃ_１は約２倍、直列抵抗Ｒ_１は約１／２となることが認められた。並列容量Ｃ_０はほぼ２倍であり、浮遊容量ｄＣは０．３ｐＦと想定される。
（実施例２−２）
能動回路の負荷容量ＣＬが５ｐＦ〜１０ｐＦまで変化する場合を想定して、このときの発振周波数差ｄＦを背景技術の項で示した（１）式により求めた。
このときの発振周波数差ｄＦは、電極３と電極４は夫々７６ｐｐｍであるのに対して、電極３及び電極４を並列接続したときは８２ｐｐｍであり、発振周波数の変化量が大きくなるが、共通の水晶片に電極を形成する場合よりも変化量が小さいことが認められた。
（実施例３−１）
第２の実施の形態の変形例２の効果を検証するために、従来の水晶振動子を２個用意し、これらを並列に接続した場合の直列発振周波数Ｆ_ｒを測定した。従来の水晶振動子とは、ＡＴカットの水晶片に電極を設けた水晶振動子が保持器内に収納されている構成である。電極は実施例１−１と同様のものを夫々用い、一方を水晶振動子１、他方を水晶振動子２として検証を行った。

水晶振動子１、２の等価回路定数は次のとおりである。（実施例１−１）と比較すると、並列容量Ｃ_０が０．２ｐＦ増加しており、浮遊容量の影響と推察される。

水晶振動子１：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000433ＭＨｚ、
直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、並列容量Ｃ_０＝3.6ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.8Ω
水晶振動子２：直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000009ＭＨｚ、
直列容量Ｃ_１＝0.0017ｐＦ、並列容量Ｃ_０＝3.6ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝8.2Ω
そして、水晶振動子１及び水晶振動子２を並列に接続したときの等価回路定数は、
直列発振周波数Ｆ_ｒ＝80.000206ＭＨｚ、直列容量Ｃ_１＝0.0035ｐＦ、
並列容量Ｃ_０＝7.5ｐＦ、直列抵抗Ｒ_１＝4.4Ωであった。
このように、２個の水晶振動子１、２を並列に接続することにより、直列発振周波数Ｆ_ｒは、水晶振動子１、２のほぼ中間値、直列容量Ｃ_１は約２倍、直列抵抗Ｒ_１は約１／２となることが認められた。並列容量Ｃ_０はほぼ２倍であり、浮遊容量ｄＣは０．７ｐＦと想定される。
（実施例３−２）
能動回路の負荷容量ＣＬが５ｐＦ〜１０ｐＦまで変化する場合を想定して、このときの発振周波数差ｄＦを背景技術の項で示した（１）式により求めた。
このときの発振周波数差ｄＦは、水晶振動子１と水晶振動子２は夫々３６ｐｐｍであるのに対して、水晶振動子１及び水晶振動子２を並列接続したときは４０ｐｐｍであり、発振周波数の変化量が大きくなるが、共通の水晶片に電極を形成する場合よりも変化量が小さいことが認められた。
（考察）
実施例１−１、実施例２−１、実施例３−１により、いずれも電極（水晶振動子）を並列に接続することにより、発振周波数の可変領域が大きくなることが認められた。実施例１−１、実施例２−１、実施例３−１で採用した電極の面積は同一であるから、夫々の発振周波数の変化量の違いは保持器内外の浮遊容量の違いと推察される。

また、上述の検証では、並列容量Ｃ_０と並列にインダクタを設けていない場合であるが、インダクタを設けることにより、既述のように並列容量Ｃ_０がキャンセルされるので、発振周波数の変化量はさらに大きくなることが理解される。

１ 水晶片
１０ 水晶振動子
２、３ 励振電極
２１、２２、３１、３２ 電極
４１ 第１の振動領域
４２ 第２の振動領域
６１ 発振回路
６２ 水晶電子部品
６３ インダクタ

Claims (6)

1. 水晶片の両面に夫々形成された一対の電極を各々含む複数の振動領域を互いに並列接続してなる水晶振動部と、
   前記水晶振動部に接続された発振回路と、
   前記水晶振動部に並列に接続され、発振回路の出力となる発振周波数ｆ_０において、各振動領域毎の水晶振動子の等価回路における並列容量の合計値に相当するインピーダンスをキャンセルするための並列容量キャンセル用のインダクタと、を備えたことを特徴とする水晶発振器。
2. 前記複数の振動領域の発振周波数差の最小値は１０ｐｐｍであり、最大値は１０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 前記並列容量の合計値をＣ_０´（Ｆ）とすると、前記並列容量キャンセル用のインダクタのインダクタンスＬ（Ｈ）は、０．８／（２πｆ_０・Ｃ_０´）≦２πｆ_０・Ｌ≦１．２／（２πｆ_０・Ｃ_０´）が成立するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. 前記複数の振動領域は共通の水晶片に形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の水晶発振器。
5. 前記複数の振動領域は互いに異なる複数の水晶片に夫々形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の水晶発振器。
6. 前記複数の水晶片は、共通の保持器内に、水晶片の厚さ方向に互いに離間して設けられていることを特徴とする請求項５記載の水晶発振器。

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