JP2014241573A - 水晶振動子、振動子パッケージ及び水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】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こと。
【解決手段】水晶片１０に互いにＸ軸の正負の向きが異なるα水晶領域２及びβ水晶領域３を、Ｘ軸と直交する方向に各水晶領域が２個以上になるように交互に形成しており、両端部に位置する水晶領域以外のα水晶領域２とβ水晶領域３とについて、各々両面に形成された励振電極４１，４２，４３，４４を設けて振動領域としている。
従って第１の振動領域を設けたα水晶領域２は、両側からβ水晶領域３に挟まれ、第２の振動領域となるβ水晶領域３も両側からα水晶領域２に挟まれることになる。そのため夫々の領域は対称な形状となり、発振させた場合に振動の対称性が高くなり、Activity dipsの発生が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、水晶振動子を備えた振動子パッケージ及び水晶発振器に関する。

水晶振動子は、情報、通信、センサ等に広く産業分野に利用されている。特に通信分野においては、周波数の安定度が±１ｐｐｍ以下の要求も少なくない。このような要求を実現するために、例えば温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）や恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）が広く使用されている。

例えば、ＴＣＸＯでは、温度センサとしてサーミスタが使用されている。このサーミスタが検知した温度情報を電気信号として、温度制御回路を経て、水晶発振器の温度特性を制御し、所定の周波数安定度を確保している。しかし水晶振動子と、サーミスタと、の温度反応には時間差があり、このため周波数安定度の要求が厳しい製品に対しては適用しがたいという問題がある。

このような問題に対して例えば特許文献１に記載されるような、同一の水晶片に複数の振動領域を形成した水晶振動子が提案されているが、本発明者は次のような水晶発振器を検討している。例えばＡＴカットされた水晶片の一部を加熱して、元の水晶片のＸ軸に対して正負が反転したＤＴカット領域を形成する。加熱されていない元の水晶片の領域をα水晶部、ＤＴカット領域をβ水晶部と呼ぶとすると、α水晶部の周波数−温度特性は３次曲線で表され、β水晶部の周波数−温度特性は１次曲線で表される。そこでβ水晶部の発振周波数（基本波）を温度検出信号として利用し、この信号に基づいてα水晶部の周波数設定値に相当する信号を補正することにより、高精度な温度補償が期待できる。

ところで水晶振動子を用いて発振させる場合に弾性振動の対称性が問題になる場合がある。ＡＴカットされた水晶片の一部を加熱して、ＤＴカット領域を形成した場合には、図６に示すようにＡＴカットのα水晶領域２と、ＤＴカットのβ水晶領域３と、の境界面５はα水晶領域２側に入り込むように湾曲すると共に傾斜した面として形成される。そのためα水晶領域２と、β水晶領域３と、は夫々対称な形状とはならない。非対称な形状の水晶片を振動させた場合には、振動が非対称に起こるため発振周波数が安定せず、Activity dipsが現れる場合があった。

特開２０００−３６７２３

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、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ことにある。

本発明の水晶振動子は、互いにＸ軸の正負の向きが異なるα水晶領域及びβ水晶領域を、各水晶領域がＸ軸と直交する方向に２個以上になるように交互に形成した水晶片と、
前記α水晶領域及びβ水晶領域の並びにおいて両端部に位置する水晶領域以外のα水晶領域とβ水晶領域とについて、各々両面に形成された励振電極と、を備えたことを特徴とする。

前記励振電極が設けられたα水晶領域と前記励振電極が設けられたβ水晶領域との間には、α水晶領域及びβ水晶領域の並びが介在していることを特徴としてもよく、さらに前記水晶片はＡＴカットにより切り出されたものであり、
前記α水晶領域と前記β水晶領域とのうちの一方の領域は、Ｘ軸の正負の向きが水晶片の切り出し時のままであるＡＴカット領域であることを特徴としてもよい。あるいは、前記α水晶領域と前記β水晶領域との境界面は、Ｘ軸の方向から見て、垂直に対して２５〜４５°傾斜した面であることを特徴としてもよい。

本発明の振動子パッケージは、容器内に設けられた上述の水晶振動子と、前記容器に設けられ、各励振電極と外部の導電路とを電気的に接続するための電極部と、を備えることを特徴とする。

本発明の水晶発振器は、上述の水晶振動子と、
ＡＴカット領域に設けた励振電極と接続される第１の発振回路と、
Ｘ軸の正負の向きがＡＴカット領域とは反対である水晶領域に設けた励振電極と接続される第２の発振回路と、
前記第２の発振回路の出力周波数に基づいて前記水晶振動子の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路の発振周波数の設定値に相当する設定信号を補正する補正部と、
を備えることを特徴とする。

また本発明の水晶発振器は、前記ＡＴカット領域として、第１のＡＴカット領域と第２のＡＴカット領域とが設けられ、前記第１の発振回路に接続される励振電極は第１のＡＴカット領域に設けられ、前記第1の発振回路の発振ループの中及び外の一方には、前記周波数信号を正弦波に整形するために第１の波形整形用の水晶振動子が接続され、
前記波形整形用の水晶振動子は前記第２のＡＴカット領域に励振用の電極を設けて構成されていることを特徴としてもよく、前記ＡＴカット領域としてさらに第３のＡＴカット領域が設けられ、前記発振ループの中及び外の他方には、周波数信号を正弦波に整形するための第２の波形整形用の水晶振動子が接続され、
前記第２の波形整形用の水晶振動子は、前記第３のＡＴカット領域に励振用の電極を設けて構成されていることを特徴としてもよい。

本発明の水晶振動子は、水晶片に互いにＸ軸の正負の向きが異なるα水晶領域及びβ水晶領域を、Ｘ軸とは直交する方向に各水晶領域が２個以上になるように交互に形成しており、両端部に位置する水晶領域以外のα水晶領域とβ水晶領域とについて、各々両面に形成された励振電極を設けて振動領域としている。従って第１の振動領域を設けたα水晶領域は、両側からβ水晶領域に挟まれ、第２の振動領域となるβ水晶領域も両側からα水晶領域に挟まれることになる。そのため夫々の領域は対称な形状となり、発振させた場合に振動の対称性が高くなり、Activity dipsの発生が抑制される。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子の表面（ａ）及び裏面（ｂ）を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子のＩ−Ｉ’線断面側である。 前記水晶振動子に用いられる水晶片を示す平面図である。 前記水晶振動子に用いられる水晶片を示す透視斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造工程を示す説明図である。 双晶が形成された水晶片を示す透視斜視図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子のさらに他の例を示す平面図である。 水晶振動子パッケージを示す断面図である。 水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。 本発明の実施の形態に係る水晶振動子の断面側である。 水晶振動子を含む温度補償発振器の回路図である。 水晶振動子の構成の他の例を示す縦断面図である。 実施例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。 実施例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。 双晶が形成された水晶片の境界面を示す透視斜視図である。 双晶が形成された水晶片の境界面を示す透視斜視図である。 実施例に係る水晶振動子の特性を示す特性図である。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子１について、図１、図２は、本発明の実施の形態に係る水晶振動子を示し、図３、図４は当該水晶振動子に用いる水晶片を示している。水晶振動子１には、例えば短辺２．５ｍｍ、長辺が５．０ｍｍの矩形の水晶片１０が用いられ、水晶片１０は、例えばＡＴカットの水晶のα水晶領域２と、α水晶領域とは、結晶の軸の反転されたβ水晶領域３が形成された双晶となっている。なお図中のα水晶の領域にはＡをβ水晶の領域にはＤを付して示している。

ここで双晶について説明すると、α水晶領域２は、例えばＡＴカットされた領域であり、その表面及び裏面が水晶片１０の長さ方向に伸びる結晶軸であるＺ軸に対して、水晶片１０の幅方向に伸びる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軸とで形成される面と平行に形成されている。一方β水晶領域３は、その表面及び裏面が前記Ｚ´軸と前記Ｘ軸とで形成される面と平行に形成されており、このＸ軸の正負の向きはα水晶領域２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１は電気的双晶として構成されている。そして、β水晶領域３は概ねＤＴカットされた領域として構成されている。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子１は、水晶片の長さ方向（Ｚ´軸方向）の一端側から他端側に向かって、β水晶領域とα水晶領域とが各々３個交互に並べて配置されている。α水晶領域は、一端側から他端側に向かって、第１のα水晶領域２１、第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域２３と並べられており、β水晶領域は、他端側から一端側に向かって、第１のβ水晶領域３１、第２のβ水晶領域３２、第３のβ水晶領域３３と並んでいる。第１のα水晶領域２１と、第１のβ水晶領域３１とは、各々長さ２．３ｍｍに形成されており、第２のβ水晶領域３２、第３のβ水晶領域３３、第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域２３は各々０．１ｍｍの長さに形成されている。第１のα水晶領域には、その表面側と裏面側とに、例えばＣｒ層の上にＡｕ層を積層した積層対により２．０ｍｍ×２．０ｍｍ大きさで厚さ１００ｎｍの矩形の励振電極４１、４３が設けられ、第１の振動領域が形成される。また第１のβ水晶領域３１の表面側と裏面側に、同様の形状の励振電極４２、４４が設けられ第２の振動領域となっている。

上面側の励振電極４１は、水晶片１０の一端側側面を引き回される引き出し電極を介して、水晶片１０の下面側端部に電極端４５が形成されている。また下面側の励振電極４３から引き回される引き出し電極を介して、水晶片１０の一端側の下面端部で電極端４６が形成されている。励振電極４２は、水晶片１０の他端側の側面を引き回される引き出し電極を介して、水晶片１０の下面側端部に電極端４５が形成され、励振電極４４は他端側の下面端部まで引き回される引き出し電極を介して電極端４８が形成されている。

水晶振動子１の製造方法について述べると、例えば図５（ａ）に示すようなＡＴカットの矩形の水晶片１０製造を用い、図５（ｂ）に示すようにこの水晶片１０のα水晶領域２となる部位にマスクを当てレーザー照射を行い、例えば６００℃に加熱する。水晶は５７３℃を超えると相転移が起こり、再び５７３℃以下に冷却されたときに、その結晶軸が反転する性質を持っている。そのため前記水晶片１０は、そのレーザーの照射された領域が相転移を起こし、ＡＴカットの水晶を用いた例では、ＤＴカットの水晶の領域となる。その後図２に示すように第１のα水晶領域２１及び第１のβ水晶領域３１の各々の両面に励振電極４１、４２、４３、４４と電極端４５、４６、４７、４８の形成された引き出し電極が設けられて、水晶振動子１が得られる。

ここで双晶を形成した際のα水晶領域２とβ水晶領域３の境界面について説明する。水晶の一部を、５７３℃以上の温度で加熱した場合に水晶の結晶が相転移を起こし、水晶の結晶の構造が変化する。その後水晶が冷却されると、相転移前の水晶と反対方向の極性を持つように相転移が起こり、β水晶となる。これらの相転移は、結晶単位の変化であるため、α水晶の領域とβ水晶の領域との境界面は、水晶の格子の方向に沿って形成されることになる。

例えばＺ´軸方向が長辺となり、Ｘ軸方向が短辺となる矩形板状のＡＴカットの水晶片１０の互いに対向する長辺の中心同士を通る中心線により左右に二分割して、一方の領域を加熱してＤＴカットの水晶領域を形成した場合を例に説明する。図６に示すように、水晶片１０に形成されるＡＴカットのα水晶領域２とＤＴカットのβ水晶領域３の境界面５は、Ｙ´−Ｚ´平面に対してα水晶領域２側に傾斜し、Ｘ−Ｚ´平面に対してはα水晶領域２側に凸となる曲線を描く湾曲面となる。一方で水晶片１０は、矩形の平板状に切り出されているため、水晶片１０の側面は、平面にカットされている。従って、α水晶領域２は対称な形状とはならない。同様にβ水晶領域も境界面５と、境界面５に対向する面とが対称ではないため、β水晶領域３も対称な形状とはならない。非対称な形状の水晶領域に励振電極４１、４２を設けて発振させた場合には、振動が対称に行われないため安定せず、発振周波数にActivity dipsが発生しやすくなる。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子１では、図３に示すように、水晶片１０の長さ方向に第３のβ水晶領域３３、第１のα水晶領域２１、第２のβ水晶領域３２、第２のα水晶領域２２、第１のβ水晶領域３１、第３のα水晶領域２３の順に形成しており、第１のα水晶領域２１と、第１のβ水晶領域３１に励振電極４１、４２を設けて、夫々第１の振動領域、第２の振動領域としている。

前述のようにＡＴカットの水晶の一部を軸反転領域としたときに、α水晶領域２とβ水晶領域３の境界面５はα水晶領域２側に入り込んだ湾曲面になる。そのため第３のβ水晶領域３３と、第１のα水晶領域２１との境界面５１は、第１のα水晶領域側に窪んだ湾曲面となる。他方第１のα水晶領域２１と、第２のβ水晶領域３２との境界面５２は、第１のα水晶領域２１側に窪んだ湾曲面となる。即ち第１のα水晶領域２１は、境界面５１、５２が共に第１のα水晶領域２１側に窪んだ形状となる。また第１のβ水晶領域３１は、第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域２３で挟まれた領域となっている。そのため第１のβ水晶領域３１と第２のα水晶領域２２との境界面５４及び第１のβ水晶領域３１と第３のα水晶領域２３との境界面５５は、夫々第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域側２３に湾曲した湾曲面になっている。

そのため第１のα水晶領域２１は対称な形状となる。そして励振電極４１、４２、４３、４４が設けられていない第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域２３、第２のβ水晶領域３２及び第３のβ水晶領域３３は、振動しない。そのため、第１のα水晶領域２１は、第２のβ水晶領域３２及び第３のβ水晶領域３３との境界面の位置に振動の固定端が形成される。境界面が自由端であると境界面より反射される反射波の影響により振動エネルギーの分布パターンが乱れるが、固定端とすることでこれを抑制することができる。従って水晶振動子１の振動エネルギーの分布パターンの対称性が高くなることになる。従って、第１のα水晶領域２１に励振電極４１を設けて発振させた場合には、Activity dipsが発生しにくくなる。また第１のβ水晶領域３１についても、同様に第２の振動領域は、第２のα水晶領域２２及び第３のα水晶領域側２３との境界面の位置に振動の固定端が形成されるため、振動エネルギーの分布パターンの対称性が高まり、発振周波数が安定する。

また他の実施の形態に係る水晶振動子１として、第１のα水晶領域２１と、第１のβ水晶領域３１との間にα水晶領域２とβ水晶領域３の並びを設けなくてもよい。図７に示すように、α水晶領域とβ水晶領域とを交互に２個以上になるように配置した構成であってもよい。例えば第１の振動領域となるα水晶領域２４は、第２の振動領域となるβ水晶領域３４とβ水晶領域３５に挟まれるため、対称な形状であり振動の対称性は高まる。またβ水晶領域３４も同様にα水晶領域２４とα水晶領域２５に挟まれるため、対称な形状であり振動の対称性は高まる。

しかしながらβ水晶領域３４を発振させる場合には、α水晶領域２４とβ水晶領域３４との境界面は振動を行っているβ水晶領域との境界面となり、他方α水晶領域２４とβ水晶領域３５との境界面は、振動を行っていないβ水晶領域との境界面となる。振動を行っているβ水晶領域との境界面は、変形を繰り返すため、振動を行っていないβ水晶領域との境界面とは条件が異なるため、α水晶領域２４の対称性が僅かながら崩れる。同様なことがβ水晶領域３４にも当てはまる。第１のα水晶領域２１と、第１のβ水晶領域３１との間にα水晶領域２とβ水晶領域３の並びを第１のα水晶領域２１と、第１のβ水晶領域３１とを振動させた場合にも対称性が保たれるため、よりActivity dipsは発生しにくくなる。

上述の実施の形態によれば水晶片に互いにＸ軸の正負の向きが異なる第１のα水晶領域２１及び第１のβ水晶領域３１について、各々両面に形成された励振電極４１，４２を設けて振動領域としている。さらに第１のα水晶領域のβ水晶領域との境界面と、第１のα水晶領域を介して対向する境界面を形成するように第２のβ水晶領域を設け、第１のβ水晶領域のα水晶領域との境界面と、第１のβ水晶領域を介して対向する境界面を形成するように第２のα水晶領域を設けている。従って第１のα水晶領域２１は、両側からβ水晶領域３１、３２に挟まれ、第３のβ水晶領域３３も両側からα水晶領域２２、２３に挟まれることになる。そのため第１のα水晶領域２１及び第３のβ水晶領域３３は、共に対称な形状となる。従って夫々の領域を発振させた時に振動の対称性が高くなるため、Activity dipsの発生が抑制される。

ここで水晶振動子を設計するにあたっては、副振動の抑制が課題となる。副振動は、水晶片の寸法や温度により、その発振周波数が決まる。そのため、シミュレーションを行い、予め副振動の発振周波数の予測を行い、水晶片を副振動が抑制されるように設計する必要がある。水晶振動子の副振動の発振周波数については、有限要素法を用いた解析により求められる。まず水晶片の表面をメッシュに区画し、水晶片の表面に分割した領域を設定する。続いて水晶片の寸法、材料定数、境界条件などにより、周波数の解析に用いるモデルを決定し、当該モデルを用いて各々のメッシュにおける変位量及び電荷量を示す行列を作成する。求まった行列をメッシュにプロットし、固有周波数解析、または周波数応答解析を行うことにより、水晶片の発振する副振動を含む高周波成分の周波数が求まる。求められた周波数により、例えば水晶片の寸法と周波数とを示すモードチャートを作成し、副振動を抑制できる設計寸法を決定することになる。

共通の水晶片に双晶を形成した場合には、α水晶領域及びβ水晶領域は夫々独立して振動を行う。従って夫々の領域ごとに副振動の予測を行い、副振動を抑制できる寸法になるように設計する必要がある。そのため、各々の水晶領域の寸法を求め、各々の水晶領域の副振動を評価する必要があるが、前述のように双晶におけるα水晶領域と、β水晶領域との境界面は、水晶の結晶構造に沿うように形成されるため、傾いて形成される。具体的にいうと、例えばＺ´軸方向に、ＡＴカットのα水晶領域とＤＴカットのβ水晶領域とを並べて形成した場合には、α水晶領域とβ水晶領域との境界面は、Ｘ軸方向から見ると２５〜４５°傾いて形成される。

従って、双晶を形成した水晶片の場合には、まず水晶片に形成された境界面の水晶片の表面側と裏面側に置けるＺ´軸方向の位置ずれの水平距離を計測し、例えば、Ｘ軸方向から見た境界面の角度θを決定する。そして夫々の水晶領域における副振動の予測を行う際の水晶片の寸法や、境界条件に当該境界面の形成される角度θを反映した補正を行うことにより、副振動を正確に予測することができる。なお、解析には、市販のＦＥＭ解析ソフトを用い、解析は、矩形水晶と複数対の金電極でモデルを作成し、モデルの寸法、材料定数、境界条件等を入力した。解析解は、各要素ごとの変位、ポテンシャルを得られる。そこから、固有周波数解析、または周波数応答解析を算出することにより主振動と副振動の挙動がわかる。

また第１のα水晶領域２１及び第１のβ水晶領域３１、に励振電極４１〜４４を設置する場合にも、境界面の傾きを考慮し、境界面が振動領域に含まれないようにする必要がある。双晶の場合には、形成された水晶領域の結晶構造により、境界面の傾きが決まる。従って、励振電極を設ける位置を予め境界面の含まれる領域を避けるように設計する。

また他の例として、図８に示すように第１の振動領域となるα水晶領域２６の周囲をβ水晶領域３７で囲い込み、第２の振動領域となるβ水晶領域３６の周囲をα水晶領域２７で囲い込むように構成してもよい。α水晶領域２６の四方の境界面はα水晶とβ水晶との境界面となり、夫々対向する境界面は互いに対称な形状となる。そのためα水晶領域２６は、対称な形状となり発振される振動も対称となる。同様にβ水晶領域３６の四方の境界面もα水晶とβ水晶との境界面となり、夫々対向する境界面は互いに対称な形状となる。そのためβ水晶領域３６は、対称な形状となり発振される振動も対称となり、同様の効果が得られる。

[適用例]
本発明の水晶振動子１を用いた適用例として水晶発振器を上げることができる。
例えば水晶振動子１は、図９に示すように例えばアルミナやガラスからなる容器６に収納されて振動子パッケージ６０が構成される。容器６内には、水晶振動子１０を両持ちで支持する支持部をなす台座部６１、６２が形成されている。夫々の台座部６１、６２の上面には、接続電極６３、６４が形成されている。接続電極６３、６４は、各々台座部６１、６２の内側底面、及び容器６の底壁を貫通するスルーホールを介して、容器６の外側底面に設けられた外部の導電路と電気的に接続するための電極部となるパッド６５、６６に接続されている。

水晶振動子１は導電性接着剤６７により固定され、電極端４５と接続電極６３とが電気的に接続される。同様に導電性接着剤６７により、電極端４６と接続電極６４とが電気的に接続される。これにより水晶振動子１は台座部６１、６２上に固定される。なお図中には示されていないが電極端４７、４８も台座部６１、６２上に設けられた接続電極と導通されており、容器６の外側底面に引き回されパッドが形成されている。この振動子パッケージ６０は、例えばプリント基板９上の導電路９１、９２とパッドにより電気的に接続される。

上述の振動子パッケージ６０がプリント基板９上に発振回路及び周辺素子と共に実装されて発振装置が構成される。図１０は、発振装置の一例を示し、この発振装置は、上記水晶振動子１を用いて構成されるＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）である。本発明の水晶振動子は、夫々独立に振動する２つの振動領域を備えており、以下の説明では、便宜上水晶振動子は２つの水晶振動子として示す。水晶振動子１において、励振電極４１、４３の設けられた第１のα水晶領域２１を第１の水晶振動子７０、励振電極４２、４４の設けられた第３のβ水晶領域３３を第２の水晶振動子を７１としている。

このＴＣＸＯは、まず第２の水晶振動子７１と接続された発振回路７７で構成される補助発振部８１が発振され、高周波が出力される。この高周波の周波数ｆを周波数検出部７２により検出して、温度推定部７３に入力する。温度推定部７３では、周波数情報より水晶振動子１０の雰囲気温度Ｔを算出する。補償電圧演算部７４は、算出された温度Ｔより、第１の水晶振動子７０の発振周波数の温度差により生じる周波数の誤差を補償するための補償電圧ΔＶを算出する。発振回路７６に入力される電圧Ｖ_０に電圧補償部７５により補償電圧ΔＶを加算するようにすることで、第１の水晶振動子７０の発振周波数の温度による誤差を補償するようにしているため、主発振部８０の発振周波数ｆ_０を安定させることができる。また図中７８、７９は、バリキャップダイオードである。

ＤＴカットの水晶は、例えば０℃から３０℃の常温の温度帯域においては、温度と周波数変化率とが概ね比例関係にあり、明確な周波数変化を取り出すことができるため、第２の水晶振動子７１を温度補償用の水晶振動子として用いることで、簡便な構成で安定した周波数を発振できる発振器とすることができる。
なお周波数検出部７２、温度推定部７３、補償電圧演算部７４及び加算部７５は集積回路チップ７の中に設けられる。

また第１の水晶振動子７０となる第１のα水晶領域２１、及び第２の水晶振動子７１となる第１のβ水晶領域２２以外の第２のα水晶領域２２、第３のα水晶領域２３、第２のβ水晶領域３２及び第３のβ水晶領域３３を水晶フィルタやコンデンサとして使用するようにしてもよい。例えば図１１に示すよう第２のα水晶領域２２及び第３のα水晶領域２３の両面に励振用の電極８２を設け、夫々第１の波形整形用の水晶振動子８５及び第２の波形整形用の水晶振動子８６を構成する。また第２のβ水晶領域３２及び第３のβ水晶領域３３の両面に励振用の電極８２を設け、夫々第１の静電容量用の水晶振動子８７、第２の静電容量用の水晶振動子８８を構成する。

上述の水晶振動子を図１２に回路図で示すようなＴＣＸＯに組み込む。発振周波数を取り出すための主発振部に設けられる発振回路７６は、例えばコルピッツ回路が用いられる。図中１１は増幅部を構成するトランジスタ、１２、１３は抵抗、９３、９４、９８、９９はコンデンサ、１７は伸長コイルである。この発振回路では、第１の水晶振動子７０、コンデンサ９９、伸長コイル１７が、発振部となる。
またコンデンサ９３、９４の中間点とトランジスタ１１のエミッタとの間に、コンデンサ９３、９４の側から、第２の静電容量用の水晶振動子８８、第１の波形整形用の水晶振動子８５及び第１の静電容量用の水晶振動子８７とがこの順で直列に接続される。第２の静電容量用の水晶振動子８８と第１の静電容量用の水晶振動子８７とはインピーダンス調整用のコンデンサとなり、発振ループ内にて共振を得るための容量調整用として機能する。

発振回路におけるトランジスタ１１のエミッタ側であって、発振ループの外には、出力周波数信号を取り出すための回路が設けられる。この回路は、コンデンサ９５、９６、９７を備えており、コンデンサ９６と９７との間に第２の波形整形用の水晶振動子８６が並列に接続される。なお図中１４、１５、１６は抵抗である。共通の水晶片に励振電極を設け、第１の振動領域及び第２の振動領域を形成した場合には、第１の振動領域に設けられる励振電極と第２の振動領域に設けられる励振電極との間に浮遊容量が発生する。そのため第１及び第２の振動領域を発振させた時に浮遊容量の影響により正弦波の歪みが生じる。

上述のＴＣＸＯでは、発振用周波数を取り出すための第１の水晶振動子となる第１のα水晶領域２１は、第２のβ水晶領域３２及び第３のβ水晶領域３３に挟まれるように構成しているため、形状の対称性が高く境界面により反射される反射波の影響による正弦波の歪みが抑制される。また発振ループの内部に第１の波形整形用の水晶振動子８５を接続し、発振ループの外部に第２の波形整形用の水晶振動子８６を接続している。そのため周波数発振用の第１の水晶振動子７０が発振されたときに、第１の水晶振動子７０から発振される正弦波が第１の波形整形用の水晶振動子８５を通過することにより整形される。さらに周波数信号を発振ループの外側、発振器の出力側にて、第２の波形整形用の水晶振動子８６を通過させるようにして、周波数信号をさらに整形するようにしている。従って、上述のＴＣＸＯから発振される周波数信号は、ノイズ成分が除去され、位相雑音を低減されることになる。

また水晶フィルタとして使用する第１及び第２の波形整形用の水晶振動子８５、８６は、モノリシッククリスタルフィルタ（ＭＣＦ）であってもよい。例えば図１３に示すように第２のα水晶領域２２及び第３のα水晶領域２３の表面側に２枚の励振電極８３を設け、裏面側に２枚の励振電極８３に跨るように励振電極８４を設ける。励振電極８３を各々回路に接続し、励振電極８４を接地電位とする。このように構成した場合も同様な効果を得ることができる。
さらに発振回路は、コルピッツ回路に限られるものではなく、ピアース型の発振回路やバトラー型の発振回路に用いてもよい。各発振回路の発振ループの中や発振ループ外の出力端子側に他のα水晶領域を接続することにより同様な効果が得られる。また本発明はＯＣＸＯに用いてもよい。また発振ループの中と外との一方に波形整形用の水晶振動子を接続するように構成した場合にも効果はある。

[検証試験１]
本発明の実施の形態に係る水晶振動子１の効果を検証するため以下の試験を行った。図１で示した水晶振動子と同様の構成の水晶振動子１を実施例とした。
実施例の水晶振動子１について、π回路法を適用して直列共振周波数の温度特性及び直列抵抗の温度特性を調べた。なお水晶振動子１の駆動電流は２ｍＡ±１０％である。直列共振周波数は、−４０℃から１２５℃まで２．５℃間隔で検出を行い、検出値より近似される４次の回帰式を求めた。直列抵抗も同様の温度で検出を行った。図１４、は、夫々実施例の直列共振周波数と温度との関係を示す特性図であり、近似式から算出される夫々の温度における直列共振周波数の演算値と実測値との差を実測値で除算した値をｐｐｍで示し、温度ごとにプロットしている。また図１５は、実施例の直列抵抗と温度との関係を示す特性図であり、検出値の平均値と実測値との差を実測値で除算した値をｐｐｍで示し、温度ごとにプロットしている。

この結果によれば、直列共振周波数の演算値と実測値との差は、０．１ｐｐｍ以下の範囲に収まっており、Activity dipsや周波数ジャンプは発生していない。また直列抵抗の検出値の平均値と実測値との差も１ｐｐｍ以下の範囲であり、直列抵抗の増加も見られなかった。本発明の実施例の水晶振動子１を用いた場合は、Activity dipsを抑制することができるといえる。

[検証試験２]
水晶片に双晶を形成した時の、境界面の形成される角度を測定するために以下の試験を行った。直径３インチ、厚さ０．２５ｍｍのＡＴカットの水晶片に２．３ＧＰａの圧力と５５０℃の熱とを加えて軸反転部（β水晶領域）を形成した。その時の水晶片の表面側におけるα水晶領域とβ水晶領域の境界線の位置と、水晶片の裏面側におけるα水晶領域とβ水晶領域との境界線の位置との水平方向の距離を測定した。図１６は、α水晶領域とβ水晶領域とをＸ軸方向に並ぶように形成した時の境界面の様子を示し、図１７は、α水晶領域とβ水晶領域とをＺ’軸方向に並ぶように形成した時の境界面の様子を示す。
図１６に示すようにα水晶領域とβ水晶領域とをＸ軸方向に並ぶように形成した時には、水晶片の表面側の境界面と、水晶片の裏面側の境界面とのＺ´軸方向の位置のずれの距離ｄ１は、０．２５ｍｍであった。一方でＸ軸方向では、ほぼ同じ位置に形成されていた。従ってＸ軸方向から見た境界面の傾きθ１は、４５°となる。
図１７に示すようにα水晶領域とβ水晶領域とをＺ´軸方向に並ぶように形成した時には、水晶片の表面側の境界面と、水晶片の裏面側の境界面とのＺ´軸方向の位置のずれの距離ｄ２は、０．１２ｍｍであった。一方でＸ軸方向では、ほぼ同じ位置に形成されていた。従ってＸ軸方向から見た境界面の傾きθ２は、２５．６４°となる。
[検証試験３]
本発明の実施の形態に係る水晶振動子１の効果を検証するため以下の試験を行った。実施例に係る水晶発振器には、図１２に示す水晶振動子用いた。発振用の水晶振動子としては、第１のα水晶領域２１を使用した。発振回路は、エミッタとコンデンサ９３、９４の中間点の間に、第３のβ水晶領域３３に構成された第２の静電容量用の水晶振動子８８及び第２のα水晶領域２２に構成された第１の波形整形用の水晶振動子８５を直列に接続し、エミッタの出力端側には、第２のβ水晶領域３３に構成された第１の静電容量用の水晶振動子８７と第３のα水晶領域２３に構成された第２の波形整形用の水晶振動子８６とを直列に接続したことを除いて図１３中の発振回路７６と同様の構成とした。また発振回路に第２の静電容量用の水晶振動子８８、第１の波形整形用の水晶振動子８５、第１の静電容量用の水晶振動子８７及び第２の波形整形用の水晶振動子８６を接続しない構成を比較例とした。

実施例及び比較例に係る水晶振動子を用いて、発振回路を構成し、出力端子をバッファアンプと接続し、その出力について、離調周波数と騒音レベルを調べた。
図１８はその結果を示し、横軸に離調周波数、縦軸に騒音レベルを示した特性図である。実施例に係る水晶振動子を用いた場合には、位相雑音は低減されることがわかる。

１ 水晶振動子
１０ 水晶片
２１ 第１のα水晶領域
２２ 第２のα水晶領域
２３ 第３のα水晶領域
３１ 第１のβ水晶領域
３２ 第２のβ水晶領域
３３ 第３のβ水晶領域
４１、４２、４３、４４ 励振電極
７６、７７ 発振回路

Claims (8)

1. 互いにＸ軸の正負の向きが異なるα水晶領域及びβ水晶領域を、各水晶領域がＸ軸と直交する方向に２個以上になるように交互に形成した水晶片と、
   前記α水晶領域及びβ水晶領域の並びにおいて両端部に位置する水晶領域以外のα水晶領域とβ水晶領域とについて、各々両面に形成された励振電極と、を備えたことを特徴とする水晶振動子。
2. 前記励振電極が設けられたα水晶領域と前記励振電極が設けられたβ水晶領域との間には、α水晶領域及びβ水晶領域の並びが介在していることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
3. 前記α水晶領域と前記β水晶領域との境界面は、Ｘ軸の方向から見て、垂直に対して２５〜４５°傾斜した面であることを特徴とする請求項１または２に記載の水晶振動子。
4. 前記水晶片はＡＴカットにより切り出されたものであり、
   前記α水晶領域と前記β水晶領域とのうちの一方の領域は、Ｘ軸の正負の向きが水晶片の切り出し時のままであるＡＴカット領域であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の水晶振動子。
5. 容器内に設けられた請求項４に記載された水晶振動子と、
   前記容器に設けられ、各励振電極と外部の導電路とを電気的に接続するための電極部と、を備えることを特徴とする振動子パッケージ。
6. 請求項４に記載された水晶振動子と、
   ＡＴカット領域に設けた励振電極と接続される第１の発振回路と、
   Ｘ軸の正負の向きがＡＴカット領域とは反対である水晶領域に設けた励振電極と接続される第２の発振回路と、
   前記第２の発振回路の出力周波数に基づいて前記水晶振動子の温度を推定し、この推定された温度に基づいて第１の発振回路の発振周波数の設定値に相当する設定信号を補正する補正部と、
   を備えることを特徴とする水晶発振器。
7. 前記ＡＴカット領域として、第１のＡＴカット領域と第２のＡＴカット領域とが設けられ、前記第１の発振回路に接続される励振電極は第１のＡＴカット領域に設けられ、前記第1の発振回路の発振ループの中及び外の一方には、前記周波数信号を正弦波に整形するために第１の波形整形用の水晶振動子が接続され、
   前記波形整形用の水晶振動子は前記第２のＡＴカット領域に励振用の電極を設けて構成されていることを特徴とする請求項６記載の水晶発振器。
8. 前記ＡＴカット領域としてさらに第３のＡＴカット領域が設けられ、前記発振ループの中及び外の他方には、周波数信号を正弦波に整形するための第２の波形整形用の水晶振動子が接続され、
   前記第２の波形整形用の水晶振動子は、前記第３のＡＴカット領域に励振用の電極を設けて構成されていることを特徴とする請求項７に記載の水晶発振器。

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