JP2017220905A - 水晶発振器及び水晶振動子の特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶振動子の副振動に基づいて水晶振動子が出力停止に至る前の状態を検出すること。
【解決手段】 水晶発振器は、筐体と、水晶片と、主振動を励振させる対の励振電極と、副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極と、を含む水晶振動子と、対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む。
【選択図】 図３

Description

本開示は、水晶発振器及び水晶振動子の特性測定方法に関する。

水晶基板に主電極とは別個に設けられた補助電極を備える補助発振部を備える水晶振動子が知られている。

特開2011-135342号公報 特開2013-106052号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、水晶振動子が出力停止（例えばクロック停止）に至る前の状態を、補助電極に現れる信号に基づいて検出することが難しい。尚、かかる出力停止は、水晶振動子の異常等に起因して突然生じうる。

そこで、１つの側面では、本発明は、水晶振動子が出力停止に至る前の状態を検出することを目的とする。

一局面によれば、筐体と、水晶片と、主振動を励振させる対の励振電極と、副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極と、を含む水晶振動子と、
対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む、水晶発振器が提供される。

水晶振動子が出力停止に至る前の状態を検出することが可能となる。

実施例１による水晶振動子を概略的に示す上面図である。 図１ＡにおけるラインＢ−Ｂに沿った断面図である。 副振動の説明図である。 水晶振動子及びＩＣを含む水晶発振器の回路構成の一例（実施例１）を概略的に示す図である。 反転増幅器の一例を示す図である。 水晶振動子が正常品である場合の特性の説明図である。 異常に起因した水晶振動子の出力停止の説明図である。 異常品の場合にポイントＡに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合にポイントＢに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合にポイントＣに現れる信号の時系列波形を示す図である。 異常品の場合に副振動用電極に現れる信号の時系列波形を示す図である。 実施例１による動作例の説明図である。 副振動用発振回路の説明図である。 実施例２による水晶振動子を概略的に示す上面図である。 水晶片及び励振電極を示す上面図である。 水晶振動子の断面図である。 副振動用電極による電界変化の検出原理の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
図１Ａは、実施例１による水晶振動子１００を概略的に示す上面図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるラインＢ−Ｂに沿った概略的な断面図である。尚、図１Ａでは、内部が見えるように、筐体３０の蓋の図示を省略しており、見えない要素（外部電極４１等）について破線で示されている。また、図１Ａでは、見易さのため、一部の配線の図示が省略されている。尚、図１Ａ及び図１Ｂには、水晶振動子１００に加えて、ＩＣ２００についても図示されている。

以下では、水晶片１０の厚み方向（図１Ｂの上下方向）を上下方向とし、筐体３０の蓋のある方を「上側」とする。但し、水晶振動子１００の実装状態の向きは任意である。また、以下では、「外表面」とは、筐体３０における外部に露出する表面を指し、「内表面」とは、筐体３０の内部空間に露出する表面を指す。また、Ｘ方向は、図１Ａに示すように、水晶振動子１００の主振動方向に対応する方向に定義する。Ｙ方向は、図１Ａに示すように、水晶片１０の表面に対して平行な方向であって、水晶振動子１００の主振動方向に垂直な方向に定義する。

水晶振動子１００は、水晶片１０と、励振電極２０と、筐体３０と、外部電極４１乃至４４と、副振動用電極７０とを含む。水晶振動子１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、表面実装タイプである。

水晶片１０は、例えばＡＴカットされた人工水晶基板であってよい。水晶片１０の外形は、任意であり、実施例１では、矩形であるが、他の形状であってもよい。水晶片１０は、筐体３０にＸ方向の両側で支持されてよいし、片持ち支持されてもよい。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、水晶片１０は、Ｘ方向の両側で電導性接着剤４９及び電導性接着剤４９１を介して筐体３０の土手部３１上に支持される。水晶振動子１００の駆動時、水晶片１０は、Ｘ方向に振動（厚みすべり振動）するものとする。以下、水晶片１０のＸ方向の振動（厚みすべり振動）は、「主振動」とも称される。

励振電極２０は、水晶片１０を励振させる。水晶片１０の上側表面に設けられる上側励振電極２１と、水晶片１０の下側表面に設けられる下側励振電極２２とを含む。励振電極２０は、上側励振電極２１と下側励振電極２２との間の電位差により水晶片１０を励振させる。尚、励振電極２０は、金、銀、アルミニウム等により形成されてよい。

励振電極２０は、ＩＣ（Integrated Circuit）２００に電気的に接続される。励振電極２０とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意である。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、上側励振電極２１は、水晶片１０の上側表面に形成された導体パターン４７、電導性接着剤４９、及び筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４７１（一部のみ図示）を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。また、下側励振電極２２は、水晶片１０の下側表面に形成された導体パターン４８、電導性接着剤４９、及び筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４８１（一部のみ図示）を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。

筐体３０は、水晶片１０を収容する。筐体３０は、例えばセラミック材料により形成される。この場合、筐体３０は、例えばセラミック材料の層を積層して形成されるセラミックパッケージであってよい。筐体３０は、蓋３４（図１Ｂ等参照）を含み、内部空間（キャビティ）に水晶片１０を気密に封入する。例えば、筐体３０の内部空間は真空、又は、乾燥窒素で満たされ、蓋３４で密封される。尚、蓋３４は、金属板やセラミック板であってよい。

外部電極４１乃至４４は、筐体３０に設けられる。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１乃至４４は、筐体３０の下部の外表面に設けられる。外部電極４１乃至４４は、ＩＣ２００に電気的に接続されてよい。外部電極４１乃至４４とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意であり、配線の図示は省略する。外部電極４１乃至４４は、ＩＣ２００をグランド及び電源（共に図示せず）に電気的に接続するためや、ＩＣ２００のアラーム出力端子２２２及びクロック出力端子２２０（図２参照）から各信号を取り出すために利用されてよい。

副振動用電極７０は、発振状態の水晶振動子１００の副振動に起因して発生する交番電界を検出（ピックアップ）できるように配置される。副振動用電極７０は、水晶片１０に形成される。発振状態の水晶振動子においては、水晶片１０の厚みすべり振動（主振動）の他に、副振動が生じる。副振動は、水晶片１０の輪郭の変化を伴い、輪郭振動と称される（図２参照）。実施例１では、一例として、副振動用電極７０は、水晶振動子１００の輪郭振動に起因して発生する交番電界を検出できるように配置される。尚、水晶振動子１００が発振状態にあるとき、水晶片１０が副振動を起こしており、副振動のレベルは、主振動のレベルよりも有意に低いものの、主振動のレベルに略相関する。

副振動用電極７０は、第１乃至第４副電極７１乃至７４を含む。第１乃至第４副電極７１乃至７４は、水晶片１０の表面に設けられる。第１乃至第４副電極７１乃至７４は、上側励振電極２１の周囲に、上側励振電極２１から離間して設けられる。副振動用電極７０は、ＩＣ２００に電気的に接続される。尚、副振動用電極７０とＩＣ２００との間の電気的な接続は、任意の方法で実現されてよい。

図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、次のように第１乃至第４副電極７１乃至７４が形成される。第１乃至第４副電極７１乃至７４は、水晶片１０の上側表面に設けられる。第１副電極７１及び第２副電極７２は、上側励振電極２１をＹ方向で挟む関係で配置される。第３副電極７３及び第４副電極７４は、上側励振電極２１をＸ方向で挟む関係で配置される。第１副電極７１は、土手部３１に形成された第１筐体側電極８１に、ワイヤボンディングによるワイヤ８２１を介して電気的に接続される。同様に、第４副電極７４は、土手部３１に形成された第２筐体側電極８２に、ワイヤボンディングによるワイヤ８２２を介して電気的に接続される。第１副電極７１及び第２副電極７２は、水晶片１０の上側表面に形成される導体パターン７５を介して電気的に接続される。導体パターン７５は、電導性接着剤４９１を介して第３筐体側電極８３に電気的に接続される。第１乃至第３筐体側電極８１乃至８３は、それぞれ、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン（図示せず）を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。これにより、第１乃至第４副電極７１乃至７４は、ＩＣ２００に電気的に接続される。

ＩＣ２００は、上述のように、水晶振動子１００の励振電極２０及び副振動用電極７０に電気的に接続される。ＩＣ２００は、水晶振動子１００と共に水晶発振器の一例を形成する。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、ＩＣ２００は、筐体３０の下部の内表面上に設けられる。即ち、ＩＣ２００は、筐体３０の内部空間内に設けられる。但し、変形例では、ＩＣ２００は、筐体３０の外部に設けられてもよい。この場合、例えば、励振電極２０及び副振動用電極７０は、外部電極４１乃至４４にそれぞれ電気的に接続され、外部電極４１乃至４４にＩＣ２００が電気的に接続されてもよい。

図２は、副振動の説明図であり、水晶片１０及び副振動用電極７０のみを上面視で概略的に示す図である。図２において、Ｈ１及びＨ２は、副振動による変位に起因した水晶片１０の外形（輪郭）の変化を模式的に表す。また、図２において、第１乃至第４副電極７１乃至７４間の矢印は、発振状態の水晶振動子１００におけるあるタイミングで第１乃至第４副電極７１乃至７４間に生じる電界方向を表す。

発振状態の水晶振動子１００においては、第１副電極７１及び第３副電極７３間、第１副電極７１及び第４副電極７４間、第２副電極７２及び第３副電極７３間、及び、第２副電極７２及び第４副電極７４間に、交番電界が発生する。図２に示す電界の矢印は、電界の方向を示す。このとき、水晶片１０は、外形Ｈ１に示す態様で変位している。尚、水晶片１０は、外形Ｈ２で示す態様で変位するときは、図２に示す電界方向と逆向きの電界が発生される。このようにして、水晶振動子１００の副振動に起因して第１乃至第４副電極７１乃至７４間に交番電界が生成される。尚、水晶片１０の支持点（電導性接着剤４９の位置）は、図１Ａに示す例とは異なり、支持点の輪郭振動への影響を最小化するために、輪郭振動のノーダルラインＬ１，Ｌ２上又はその近傍に設定されてもよい。

図３は、水晶振動子１００及びＩＣ２００を含む水晶発振器の回路構成の一例を概略的に示す図である。尚、図３においては、ＩＣ２００に関して、端子内部の容量、実装基板の配線パターンの浮遊容量、水晶振動子１００に流れる電流（図３の矢印i参照）を制限する抵抗等は図示が省略されている。

図３に示す例では、ＩＣ２００の入力端子２０２及び出力端子２０４に水晶振動子１００の上側励振電極２１及び下側励振電極２２がそれぞれ接続される。但し、ＩＣ２００の入力端子２０２及び出力端子２０４に水晶振動子１００の下側励振電極２２及び上側励振電極２１がそれぞれ接続されてもよい。水晶振動子１００は、ＩＣ２００と協動して、任意の機器（例えば基地局装置や中継局装置等のような通信制御装置）で用いられるクロック（基準クロック）を生成する。

水晶振動子１００には、マッチングコンデンサ３００が電気的に接続される。具体的には、第１コンデンサ３０２が水晶振動子１００の上側励振電極２１とグランドの間に電気的に接続され、第２コンデンサ３０４が水晶振動子１００の下側励振電極２２とグランドの間に電気的に接続される。マッチングコンデンサ３００は、水晶振動子１００からＩＣ２００の回路を含むすべての容量合計（負荷容量値）を負荷とした時に水晶振動子１００の出力周波数（初期値）が所望値（設計値）になるよう調整（マッチング調整）するために設けられる。尚、図３において、点線で囲まれた範囲が発振回路を形成する。

ＩＣ２００は、反転増幅器２０６と、出力バッファ（バッファ回路）２０８と、アラーム発出回路２５０（アラーム発生部の一例）と、利得制御回路２６０（利得制御部の一例）と、基準電圧発生部２７０とを含む。

反転増幅器２０６は、上述のように、水晶振動子１００の出力（上側励振電極２１から入力端子２０２に入力された信号）を反転増幅する。即ち、上側励振電極２１から入力端子２０２に入力された信号は、反転増幅器２０６で反転増幅される。反転増幅された信号は、出力バッファ２０８に入力されると共に、出力端子２０４を介して下側励振電極２２に入力される。

反転増幅器２０６は、利得（ゲイン）が可変である。尚、反転増幅器２０６は、自動利得制御（AGC：Automatic Gain Control）で用いられるタイプの反転増幅器（例えば可変抵抗や、電界効果トランジスタを可変抵抗素子として用いるタイプ）であってもよい。但し、実施例１では、以下で説明するように、出力が常に一定になるように反転増幅器２０６の利得を調整する制御（即ち自動利得制御）は実行されない。即ち、自動利得制御回路は設けられない。これにより、自動利得制御のための回路構成が不要となり、簡易な構成を実現できると共に、省電を図ることができる。

実施例１では、一例として、反転増幅器２０６は、図４に示すように、オペアンプＯＰと、抵抗Ｒ２（第１抵抗の一例）及び抵抗Ｒ３（第２抵抗の一例）とを含む。抵抗Ｒ２、Ｒ３は、オペアンプＯＰの出力を反転端子に戻すライン上に並列に設けられる。反転増幅器２０６は、更にスイッチＳＷを含む。スイッチＳＷは、オペアンプＯＰの反転端子が抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰの出力端子に電気的に接続される第１状態と、オペアンプＯＰの反転端子が抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰの出力端子に電気的に接続される第２状態とを切り替え可能とする。スイッチＳＷの状態は、利得制御回路２６０により制御される。第１状態では、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの関係は、Ｖｏ＝Ｒ２／Ｒ１×Ｖｉであり、Ｒ２／Ｒ１が増幅率となる。第２状態では、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの関係は、Ｖｏ＝Ｒ３／Ｒ１×Ｖｉであり、Ｒ３／Ｒ１が増幅率となる。例えばＲ３＞Ｒ２であるとすると、Ｒ３／Ｒ１＞Ｒ２／Ｒ１であるので、第２状態の方が第１状態よりも増幅率（即ち反転増幅器２０６の利得）が高くなる。図４に示す例によれば、可変抵抗等を用いるタイプの反転増幅器に比べて、簡易な構成で利得が可変な反転増幅器２０６を実現できる。

出力バッファ２０８は、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）により形成されてよい。出力バッファ２０８は、入力信号（反転増幅器２０６で反転増幅された信号）に基づいて、水晶振動子１００の発振状態を表す信号（パルス信号）を生成する。出力バッファ２０８は、入力信号のレベル（以下、「入力レベル」とも称する）が第１閾値を超えると"電圧ＶＯＨ"を出力し、入力レベルが第２閾値を下回ると"電圧ＶＯＬ"を出力する。尚、第１閾値及び第２閾値は、出力バッファ２０８のCMOSを形成するP型MOSとN型MOSがオン/オフする電圧値（閾値レベル）に依存し、同一に設定されてもよいし、異なるように設定されてもよい。このようにして、図３に示す例では、水晶振動子１００の出力は、水晶振動子１００から直接的に出力されずに、出力バッファ２０８を経由してクロック出力端子２２０に出力される。

アラーム発出回路２５０は、水晶振動子１００が出力停止に至る前の状態（以下、「出力停止前状態」と称する）を検出する機能（以下、「出力停止前状態検出機能」と称する）を有する。尚、水晶振動子１００が出力停止に至るとは、発振回路が出力停止に至ることを意味する。発振回路が出力停止に至るとは、後述のように、出力バッファ２０８から出力のレベルが変化しない状態（水晶振動子１００の出力周波数に応じた周期で"ＶＯＨ"及び"ＶＯＬ"間で切り替わる正常な出力が得られない状態）への遷移を意味する。

アラーム発出回路２５０は、副振動用電極７０に電気的に接続される。アラーム発出回路２５０は、副振動用電極７０に現れる信号（以下、「副振動信号」とも称する）を監視することで、出力停止前状態検出機能を実現する。アラーム発出回路２５０は、副振動信号の振幅が所定の基準値β以下となった場合に、アラームを発生する。副振動信号の振幅とは、直近の所定周期分の副振動信号のレベルの最大値と平均値との差や、直近の所定周期分の副振動信号のレベルの平均値と最小値との差や、直近の所定周期分の副振動信号のレベルの最大値と最小値との差の半分等に基づくものであってもよい。尚、アラーム発出回路２５０は、直近の所定周期分の副振動信号のレベルの最大値を、副振動信号の振幅として用いてもよい。これは、例えば直近の１周期分の副振動信号のレベルの最大値は、同周期における同副振動信号の振幅と相関するためである。或いは、同様の観点から、アラーム発出回路２５０は、直近の所定周期分の副振動信号の振幅値の積算値を、副振動信号の振幅として用いてもよい。

基準値βは、出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値となるときの、副振動信号の振幅Ｅｍ、よりも大きい値に設定される。例えば、基準値βは、β＝１．１×Ｅｍ又はβ＞１．１×Ｅｍであってよい。出力バッファ２０８の入力下限値とは、出力バッファ２０８から出力が得られるときの出力バッファ２０８に対する入力レベル（例えば入力電圧の大きさ）の下限値に対応する。即ち、出力バッファ２０８への入力が振動していても、出力バッファ２０８への入力のレベルが、ある下限値を下回る状態では、CMOSがオン／オフせず、出力バッファ２０８から有意な出力（クロック源として機能できる出力）が得られなくなる。出力バッファ２０８の入力下限値とは、該下限値に対応する。尚、出力バッファ２０８の入力下限値の設計値に基づいて一律に設定されてもよい。或いは、基準値βは、出力バッファ２０８の個体毎に異なり得る入力下限値等に対応して、個体毎の実測値に基づいて個体別に設定されてもよい。この場合、例えば、基準値βは、水晶振動子１００及びＩＣ２００を含む製品の出荷時の実測値（例えば振幅Ｅｍの実測値）に基づいて設定されてもよい。

アラーム発出回路２５０が発生するアラームは、アラーム出力端子２２２を介して外部に出力されると共に、利得制御回路２６０に入力される。尚、アラーム出力端子２２２を介して出力されるアラームは、例えば、外部のユーザ装置（図示せず）に送信されてよい。水晶振動子１００の出力が通信制御装置のクロックとして機能する場合、ユーザ装置は、例えば、基地局などを管理する中央管理サーバであってよい。この場合、アラームは、何らかの音声や表示による警報出力を引き起こす信号であってもよいし、現在の発振レベルの低下状態を表す指標値（例えば副振動信号の振幅の現在値）の情報を含んでもよい。かかる警報出力を受けて、例えば通信事業者であるユーザは、アラームが発生した水晶振動子１００（出力停止前状態が検出された水晶振動子１００）を実装する通信制御装置の修理・交換作業を計画できる。

利得制御回路２６０は、アラームの発生と同期して反転増幅器２０６の利得を上げる機能を有する。即ち、利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されると、反転増幅器２０６の利得を第１の値から第２の値へと上げる。第２の値は、第１の値よりも有意に大きく、例えば可変領域の最大値である。これにより、反転増幅器２０６からの出力の振幅が増加し、出力バッファ２０８への入力の振幅を高めることができる。図４に示す例では、利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されると、スイッチＳＷを制御し、第１状態から第２状態に切り替える（図４の矢印参照）。これにより、反転増幅器２０６の利得がＲ２／Ｒ１からＲ３／Ｒ１に増加する。

利得制御回路２６０は、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されるまでは、反転増幅器２０６の利得を第１の値に維持し、アラームが入力されると、反転増幅器２０６の利得を第２の値に変更し、以後、反転増幅器２０６の利得を第２の値で維持する。この場合、第１の値（Ｒ２／Ｒ１）＜第２の値（Ｒ３／Ｒ１）である。従って、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力されるまでは、省電を図りつつ、アラーム発出回路２５０からのアラームが入力された以後は、反転増幅器２０６の利得を増加した状態を維持できる。

基準電圧発生部２７０は、アラーム発出回路２５０で用いられる基準値βに対応する電圧を発生する。例えば、基準電圧発生部２７０で発生する電圧は、アラーム発出回路２５０のコンパレータ（図示せず）に入力されてよい。

次に、図５乃至図７Ｄを参照して、実施例１による効果を説明する。以下では、利得制御回路２６０を備えていない構成である比較例との対比で実施例１による効果を説明する場合がある。

図５は、水晶振動子１００が正常品である場合の特性の説明図である。

図５には、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１が示される。

図５には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に、図３に示す発振回路内の各ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて現れる信号の振幅を取り、各ポイントＡ，Ｂ，Ｃでの振幅の時間変化特性Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１ｃを示す出力変化特性図が示される。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値が併せて示される。

正常品の場合、図５の上側にて時間変化特性Ｆ１に示すように、エージング（経年劣化）に起因して、水晶振動子１００の出力周波数は、時間の指数的な増加に比例して初期値ｆ０から低下していく。しかしながら、正常品の場合、水晶振動子１００の出力周波数は、設計寿命（例えば６年）前に周波数規格下限値を下回ることはない。尚、周波数変化の主たる原因は水晶振動子１００の励振電極２０の酸化である。エージングによる周波数変化量は、製造プロセスの管理等である程度コントロールできる。設計通りであれば、図５に示すように、設計寿命前に水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を割ることはない。

また、正常品の場合、図５の下側にて時間変化特性Ｃ１ｂに示すように、エージングに起因して、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は低下する。周波数変化の場合と同様に、振幅変化の主たる原因は水晶振動子１００の励振電極２０の酸化による質量増加である。しかしながら、正常品の場合、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回らない。即ち、設計通りであれば、設計寿命前に出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値を割ることはない。従って、正常品の場合、図５の下側にて時間変化特性Ｃ１ｃに示すように、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号の振幅は変化せず、一定である。即ち、正常品の場合、設計寿命に至るまで、図３に示すポイントＣにおいて、水晶振動子１００の出力周波数に応じた周期で"ＶＯＨ"及び"ＶＯＬ"間で切り替わる出力（即ち正常な出力）が得られる。

図６乃至図７Ｄは、異常に起因した水晶振動子１００の出力停止の説明図である。図６において、ｔ１は、水晶振動子１００の作動開始時点を表し、ｔ２は、水晶振動子１００が出力停止に至る直前の時点を表し、ｔ３は、水晶振動子１００が出力停止に至った時点を表し、ｔ４は、設計寿命の時点を表す。

図６には、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１（点線）と、設計寿命前に出力停止に至る異常品に係る時間変化特性Ｆ２（実線）とが示される。異常品に係る時間変化特性Ｆ２は、一例として、作動開始から約１００日後に出力停止に至る場合を示す。

図６には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に振幅を取り、図３に示す各ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて現れる信号の振幅の時間変化特性（異常品に係る同特性）Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２ｃを示す出力変化特性図が示される。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値が併せて示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｃ１ｃ（点線）が併せて示される。

図７Ａ乃至図７Ｄは、異常品の場合に現れる信号の時系列波形を示す図である。図７Ａは、図３に示すポイントＡにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｂは、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｃは、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号の波形を示す。図７Ｄは、副振動用電極７０に現れる信号の波形を示す。図７Ａ乃至図７Ｄには、上から順に、時点t１から一定時間内、時点ｔ２前の一定時間内、及び時点ｔ３から一定時間内における各波形が示される。図７Ｂには、入力下限値と同じ大きさの正の電圧値Ｖ_ｍｉｎと、入力下限値と同じ大きさの負の電圧値Ｖ_ｍｉｎとが併せて示される。また、図７Ｃには、出力ＶＯＨが超えるべき電圧レベル"Ｈｉｇｈ"と、出力ＶＯＬが下回るべき電圧レベル"Ｌｏｗ"とが併せて示される。また、図７Ｄには、基準値βが併せて示される。

ここで、何らかの製造プロセスの異常や汚染物質の混入などにより水晶振動子１００の出力周波数および発振レベルの低下速度が著しくなる場合がある。かかる場合、設計寿命前に出力停止に至る異常品が発生しうる。

具体的には、異常品の場合、図６の上側にて時間変化特性Ｆ２に示すように、水晶振動子１００の出力周波数は、正常品におけるエージングに起因した低下速度よりも有意に速い速度で初期値ｆ０から低下していく。水晶振動子１００の出力がスタンドアロンシステムのクロックとして利用される場合、時刻ｔ２までは、周波数低下が進んだとしても、若干演算スピードが落ちる程度で許容できる可能性もある。しかしながら、時刻ｔ３では、いきなり出力停止となりシステム全体がダウンすることになる。

より具体的には、異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ａ及び図７Ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。これに伴い、異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｂ及び図７Ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。従って、異常品の場合、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。

この点、比較例では、図６に示す異常品の場合、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｂ及び図７Ｂに示すように、時刻ｔ３で、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回る。このように、図６に示す異常品の場合、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅、即ち、出力バッファ２０８への入力の振幅は、設計寿命前に入力下限値を割る。出力バッファ２０８への入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を下回ると、図６の下側にて時間変化特性Ｃ２ｃ及び図７Ｃに示すように、図３に示すポイントＣにおいて現れる信号のレベルが一定値０になる。即ち、設計寿命前に、水晶振動子１００が発振状態のまま（図７Ａ参照）出力停止に至る。

ところで、水晶振動子１００の異常は、異常な周波数変化を起こす場合が多い。水晶振動子１００を含む発振回路は、それ自身クロック発生源であることから、水晶振動子１００の周波数変化を直接的に検知するには、より精度の高い基準クロックが必要となりうる。従って、簡易的な方法で水晶振動子１００の周波数の異常（例えば図６の時間変化特性Ｆ２のような特性）を検知することは困難である。

この点、汚染物質の混入などに起因した水晶振動子１００の周波数変化は、図５及び図６に示すように、水晶振動子１００の発振レベルの変化（低下）に相関する。これは、例えば汚染物質の混入などに起因した励振電極２０の質量増加の場合、質量増加に起因して水晶振動子１００の出力周波数及び発振レベルが共に低下するためである。従って、水晶振動子１００の周波数変化を直接的に検知できない場合でも、水晶振動子１００の発振レベルを監視することで、水晶振動子１００の周波数変化を間接的に検知できうる。

他方、水晶振動子１００の出力は、上述のように、水晶振動子１００を含む発振回路から直接出力することはなく、出力バッファ２０８を経由する。出力バッファ２０８は、図６等に示すように、異常品の場合であっても、入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を超えている限り、出力バッファ２０８の出力は、出力周波数に対応する周波数で出力ＶＯＨ及び出力ＶＯＬ間を振動する。出力ＶＯＨ及び出力ＶＯＬの各レベルは、異常品の場合であっても、入力の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を超えている限り、略一定である。従って、出力バッファ２０８からの出力に基づいて、発振回路（例えば水晶振動子１００）の異常を直接読み取ることができない。そのため、水晶振動子１００を含む発振回路の故障は、その出力が規格（例えば周波数規格下限値）を割る、もしくは出力停止に至って初めて判ることが多い。尚、水晶振動子１００を含む発振回路の故障の主な原因は、内蔵している水晶振動子１００に起因することが多い。

このように、水晶振動子１００の異常は、水晶振動子１００が出力停止に至って初めて判る場合が多い。これは、水晶振動子１００の修理・交換タイミングが突然到来することを意味し、水晶振動子１００を含む発振回路からの出力をクロック源とするシステムのユーザにとっては不都合が大きい。特に、高い信頼性が求められるシステムに水晶振動子１００が用いられている場合は、システムが突然ダウンしてしまうときの弊害が大きくなり得る。また、人里離れた山中等に設置されている中継局装置などに水晶振動子１００が用いられている場合は、修理・交換作業までに時間のかかる場合もあり、システムのダウン期間が長くなり得る。かかる不都合は、冗長系を設けることで、ある程度回避できるが、冗長系を設けることはコストである。

この点、実施例１によれば、上述のように、アラーム発出回路２５０は、副振動信号の振幅が基準値β以下となった場合に、アラームを発生する。基準値βは、上述のように、出力バッファ２０８への入力の振幅が入力下限値となるときの、副振動信号の振幅Ｅｍ、よりも大きい値に設定される。従って、実施例１によれば、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が出力バッファ２０８の入力下限値を下回る前に、アラーム発出回路２５０によりアラームを発生できる。この結果、水晶振動子１００を含む発振回路からの出力をクロック源とするシステムのユーザに、アラームによって修理・交換の必要性を事前に知らせることができる。即ち、水晶振動子１００が出力停止に至る前に、ユーザに、アラームによって修理・交換の必要性を事前に知らせることができる。この結果、ユーザが適切な修理・交換作業を計画することで、システムが突然ダウンしてしまう事態を回避することが可能となる。

また、実施例１によれば、上述のように、利得制御回路２６０は、アラームの発生と同期して反転増幅器２０６の利得を上げる。反転増幅器２０６の利得が上げられると、反転増幅器２０６からの出力の振幅（出力バッファ２０８への入力の振幅）が増加する。従って、実施例１によれば、アラームの発生と同期して、出力バッファ２０８への入力の振幅を増加でき、その結果、水晶振動子１００が出力停止に至るまでの期間を延長できる。即ち、実施例１によれば、異常品である場合でも、アラームの発生に応答して、水晶振動子１００が出力停止に至るまでの期間を延長できる。この結果、ユーザは、適切な修理・交換作業を実行するための必要な時間を確保しやすくなる。かかる効果は、特に、人里離れた山中等に設置されている中継局装置などに水晶振動子１００が用いられている場合に有用となる。かかる場合は、修理・交換作業までに時間のかかる場合が多いためである。

また、上述した実施例１では、発振状態の水晶振動子１００の出力を、副振動用電極７０を介して間接的に監視できるので、発振回路から独立した監視系を形成できる。従って、実施例１によれば、発振回路に影響しない態様で、発振状態の水晶振動子１００の出力を監視できる。

図８は、実施例１による動作例の説明図である。図８において、ｔ１は、水晶振動子１００の作動開始時点を表し、ｔ５は、出力停止前状態の検出時点を表し、ｔ６は、実施例１において水晶振動子１００が出力停止に至った時点を表し、ｔ４は、設計寿命の時点を表す。また、図８には、対比のため、図６の場合における出力停止時点ｔ３が示される。図８には、水晶振動子１００が出力停止に至るまで、水晶振動子１００の修理・交換がなされない場合が示される。

図８には、前出の図６と同様、上側に、横軸に時間を取り、縦軸に水晶振動子１００の出力周波数を取り、水晶振動子１００の出力周波数の時間変化特性を示す周波数特性図が示される。周波数特性図には、水晶振動子１００の出力周波数に対する周波数規格下限値が示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｆ１（点線）と、設計寿命前に出力停止に至る異常品に係る時間変化特性Ｆ３（実線）とが示される。図８での異常品は、前出の図６と同様の異常品であるとする。

図８には、前出の図６と同様、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に振幅を取り、時間変化特性（異常品に係る同特性）Ｃ３ａ、Ｃ３ｂ、Ｃ３ｃ、及びＣ３ｄを示す出力変化特性図が示される。時間変化特性Ｃ３ｄは、副振動用電極７０に現れる信号の振幅の時間変化特性（異常品に係る同特性）である。出力変化特性図には、出力バッファ２０８の入力下限値及び基準値βが併せて示されると共に、正常品に係る時間変化特性Ｃ１ｃ（点線）が併せて示される。

異常品の場合、図８の上側にて時間変化特性Ｆ３に示すように、前出の図６と同様、水晶振動子１００の出力周波数は、正常品におけるエージングに起因した低下速度よりも有意に速い速度で初期値ｆ０から低下していく。しかしながら、実施例１では、上述のように、利得制御回路２６０が機能することで、前出の図６とは異なり、時刻ｔ３で出力停止となりシステム全体がダウンすることは防止される。即ち、異常品の場合であっても、図８の上側にて時間変化特性Ｆ３に示すように、時刻ｔ３よりも後の時刻ｔ６まで、システム全体がダウンするタイミングを遅らせることができる。尚、図８に示す例では、水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を下回るタイミングは、システム全体がダウンするタイミング（即ちポイントＣにおいて現れる信号のレベルが一定値０になるタイミング）と同じであるが、これに限られない。但し、好ましくは、水晶振動子１００の出力周波数が周波数規格下限値を下回るタイミングは、システム全体がダウンするタイミングよりも前に到来しない。

また、異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。これに伴い、異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下する。従って、異常品の場合、前出の図６と同様、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。

この点、実施例１によれば、図８の下側にて矢印で模式的に示すように、副振動用電極７０に現れる信号の振幅が基準値β以下となるタイミングである時刻ｔ５で、アラームが発生される。これに伴い、反転増幅器２０６の利得が上げられ、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅（出力バッファ２０８への入力の振幅）が増加する。尚、これに伴い、水晶振動子１００の発振レベルが増加し、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図３に示す発振回路内のポイントＡにおいて現れる信号の振幅が増加する。このようにして、時刻ｔ５にて、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が増加する。しかし、異常品であるが故に、その後も、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅は、正常品におけるエージングに起因した低下量よりも有意に大きい低下量で低下し続ける。そして、設計寿命前に、図３に示すポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回りうる。図８に示す異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、時刻ｔ６で、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅が、出力バッファ２０８の入力下限値を下回る。このように、図８に示す異常品の場合、図３に示す発振回路内のポイントＢにおいて現れる信号の振幅、即ち、出力バッファ２０８への入力の振幅は、設計寿命前に入力下限値を割り、設計寿命前に、発振状態の水晶振動子１００が出力停止に至る。しかしながら、実施例１では、図６と対比して分かるように、水晶振動子１００が出力停止に至るタイミングｔ６は、図６における同タイミングｔ３よりも遅く到来する。即ち、実施例１では、異常品の場合であっても、比較例に比べて、水晶振動子１００が出力停止に至るタイミングを遅らせることができている。換言すると、実施例１では、比較例に比べて、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間だけ、水晶振動子１００の修理・交換タイミングを遅らせることができる。尚、図８に示す例において、時刻ｔ３〜時刻ｔ６の期間中に、水晶振動子１００の修理・交換作業を行う場合には、時刻ｔ６でシステムが突然ダウンしてしまう事態を回避することが可能となる。

尚、上述した実施例１では、アラーム発出回路２５０、利得制御回路２６０、及び基準電圧発生部２７０の機能は、ＩＣ２００により実現されているが、これらの少なくとも一部は、コンピューターにより実現されてもよい。例えば、アラーム発出回路２５０及び利得制御回路２６０の機能は、コンピューターのＣＰＵがプログラムを実行することで実現され、基準電圧発生部２７０の機能は、コンピューターのメモリにより実現されてもよい。

また、上述した実施例１において、アラーム発出回路２５０と副振動用電極７０との間には、図９に示すように、副振動用発振回路４００が設けられてもよい。図９に示す例では、副振動用発振回路４００は、マッチングコンデンサ４１４，４１５、反転増幅器４１６、及びモニター用増幅器４１８とを含む。副振動用発振回路４００の出力端子４０２には、第３副電極７３及び第４副電極７４が電気的に接続される。副振動用発振回路４００の入力端子４０４には、第１副電極７１及び第２副電極７２が電気的に接続される。この場合、アラーム発出回路２５０は、モニター用増幅器４１８の出力を介して副振動のレベルを監視できる。

［実施例２］
実施例２による水晶発振器は、上述した実施例１による水晶発振器に対して、水晶振動子１００が水晶振動子１００Ｃで置換される点が異なる。実施例２による水晶振動子１００Ｃは、上述した実施例１による水晶振動子１００に対して、筐体３０及び副振動用電極７０が筐体３０Ｃ及び副振動用電極７０Ｃでそれぞれ置換された点が異なる。また、実施例２では、副振動用電極７０Ｃに関する配線が上述した実施例１による副振動用電極７０に関する配線とは異なる。水晶振動子１００Ｃのうちの他の構成要素は、上述した実施例１による水晶振動子１００の構成要素と同一であってよく、説明を省略する。尚、実施例２において、ＩＣ２００の機能は、上述した実施例１と実質的に同一である。

図１０は、実施例２による水晶振動子１００Ｃを概略的に示す上面図である。図１０では、内部が見えるように、筐体３０Ｃの蓋の図示を省略している。また、図１０では、筐体３０Ｃの下部が見えるように、水晶片１０及び励振電極２０については水晶片１０の外形線のみが一点鎖線で示される。図１１は、水晶片１０及び励振電極２０を示す上面図である。図１２は、水晶振動子１００Ｃの断面図であり、図１０のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。

水晶振動子１００Ｃは、水晶片１０と、励振電極２０と、筐体３０Ｃと、外部電極４１乃至４４と、副振動用電極７０Ｃとを含む。水晶振動子１００Ｃは、図１０に示すように、表面実装タイプである。

筐体３０Ｃは、上述した実施例１による筐体３０に対して、土手部３１を有しない点が異なる。但し、筐体３０Ｃは、上述した実施例１による筐体３０と同様、土手部３１を有してもよい。筐体３０Ｃは、水晶片１０を片持ち支持する。図１０に示す例では、筐体３０Ｃは、水晶片１０のＸ方向の一端を電導性接着剤４９上に支持する。

副振動用電極７０Ｃは、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃを含む。第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、筐体３０Ｃに設けられる。第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、水晶片１０の副振動に起因して発生する電界変化（図２参照）をピックアップできる位置に形成される。

図１０乃至図１２に示す例では、次のように第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃが形成される。第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、筐体３０Ｃの底面３３Ｃ（筐体３０Ｃの下部の内表面）に設けられる。第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、水晶片１０に対して上下方向で対向する。即ち、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、上面視で、水晶片１０に対してオーバーラップする。尚、図１０乃至図１２に示す例では、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、上面視で、水晶片１０に対して完全にオーバーラップするが、部分的にオーバーラップしてもよい。第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは、上面視で、上側励振電極２１をＹ方向で挟む関係で配置される。即ち、第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは、上面視で、水晶片１０のＹ方向の一端及び他端（図１３の第１領域１１及び第２領域１２参照）にそれぞれオーバーラップする位置に設けられる。第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃは、上面視で、上側励振電極２１をＸ方向で挟む関係で配置される。即ち、第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃは、上面視で、水晶片１０のＸ方向の一端及び他端（図１３の第３領域１３及び第４領域１４参照）にそれぞれオーバーラップする位置に設けられる。

また、図１０乃至図１２に示す例では、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、上面視で矩形の水晶片１０の中心に対して点対称に配置される。即ち、上面視で、第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは、Ｘ方向で水晶片１０の中心に配置され、第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃは、Ｙ方向で水晶片１０の中心に配置される。但し、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、上面視で矩形の水晶片１０の各辺の中心から一方側に片寄って配置されてもよい。また、図１０乃至図１２に示す例では、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、三角形状を有しているが、矩形等であってもよい。

第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃは、上述した実施例１による第１乃至第４副電極７１乃至７４と同様、ＩＣ２００に電気的に接続される。この電気的な接続方法は任意である。

図１０乃至図１２に示す例では、次のように第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４ＣがＩＣ２００に電気的に接続される。第１副電極７１Ｃは、筐体３０Ｃの底面３３Ｃに形成された導体パターン８５及びワイヤ８５１を介してＩＣ２００に電気的に接続される。尚、ワイヤ８５１（以下で説明するワイヤ８７１のような他のワイヤも同様）は、ワイヤボンディングにより形成されてよい。第２副電極７２Ｃは、第１副電極７１Ｃに電気的に接続される。これにより、第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは、ＩＣ２００に電気的に接続される。第３副電極７３Ｃは、筐体３０Ｃの内層に形成された導体パターン８８及びビア９３、９５を介して第４副電極７４Ｃに電気的に接続される。第４副電極７４Ｃは、筐体３０Ｃの底面３３Ｃに形成される導体パターン８７及びワイヤ８７１を介してＩＣ２００に電気的に接続される。これにより、第４副電極７４Ｃ及び第３副電極７３Ｃは、ＩＣ２００に電気的に接続される。

尚、図１０乃至図１２に示す例では、ＩＣ２００と外部電極４１とは、ワイヤ８９１及びビア８９２等を介して電気的に接続される。また、ＩＣ２００と外部電極４２とは、ワイヤ８８１、ビア８８２、筐体３０Ｃの内層に形成された導体パターン８８３、ビア８８４等を介して電気的に接続される。また、ＩＣ２００と外部電極４３とは、ワイヤ８６１、ビア８６２、筐体３０Ｃの内層に形成された導体パターン８６３、ビア８６４等を介して電気的に接続される。また、ＩＣ２００と外部電極４４とは、ワイヤ８９３及びビア８９４等を介して電気的に接続される。

また、図１０乃至図１２に示す例では、ＩＣ２００と上側励振電極２１とは、ワイヤ９０５、ビア９０６、筐体３０Ｃの内層に形成された導体パターン９０７、ビア９０８、電導性接着剤（図示せず）、及び導体パターン４７等を介して電気的に接続される。また、ＩＣ２００と下側励振電極２２とは、ワイヤ９０１、ビア９０２、筐体３０Ｃの内層に形成された導体パターン９０３、ビア９０４、電導性接着剤（図示せず）、及び導体パターン４８等を介して電気的に接続される。

図１３は、副振動用電極７０Ｃによる電界変化の検出原理の説明図であり、水晶片１０のみを上面視で概略的に示す図である。図１３において、Ｈ１及びＨ２は、副振動による変位に起因した水晶片１０の外形（輪郭）の変化を模式的に表す。また、図１３において、水晶片１０における第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃに対向する各領域１１乃至１４（上面視で対向する各領域１１乃至１４）が、一点鎖線で図示されている。また、図１３において、領域１１乃至１４間の矢印は、水晶振動子１００Ｃのあるタイミングで領域１１乃至１４間に生じる電界方向を表す。尚、図１３は、模式図であり、各領域１１乃至１４の各位置は、図１０乃至図１２とは正確には対応していない。

発振状態の水晶振動子１００Ｃにおいては、水晶片１０の第１領域１１及び第３領域１３間、第１領域１１及び第４領域１４間、第２領域１２及び第３領域１３間、及び、第２領域１２及び第４領域１４間に、交番電界が発生する。図１３に示す電界の矢印は、電界の方向を示す。かかる交番電界は、近接空間にも発生する。即ち、これらの電界は、水晶片１０に近接する第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃにも及ぶ。従って、第１副電極７１Ｃ及び第３副電極７３Ｃ間、第１副電極７１Ｃ及び第４副電極７４Ｃ間、第２副電極７２Ｃ及び第３副電極７３Ｃ間、及び、第２副電極７２Ｃ及び第４副電極７４Ｃ間にも、同様の交番電界が発生する。尚、図１３に示す電界の矢印は、水晶片１０は、外形Ｈ１に示す態様で変位するときの電界の方向を示す。このとき、電界の方向は、第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃから第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃに向かう方向となる。この状態では、第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃに対して第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは低電位となる。尚、主たる電界の方向は、図１３に示すように、Ｘ方向（主振動の方向）に対して斜め方向となる。即ち、各辺の中心から、隣接する辺の中心に向う方向となる。水晶片１０は、外形Ｈ２で示す態様で変位するときは、図１３に示す電界方向と逆向きの電界が発生される。この状態では、第３副電極７３Ｃ及び第４副電極７４Ｃに対して第１副電極７１Ｃ及び第２副電極７２Ｃは高電位となる。このようにして、第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃ間に交番電界を発生させることができる。

実施例２によっても、実施例１と同様の効果が得られる。即ち、発振状態の水晶振動子１００Ｃの出力を、副振動用電極７０Ｃを介して監視できるので、水晶振動子１００Ｃの出力停止前状態を同様に検出できる。そして、出力停止前状態の検出時に、アラームを発生でき、反転増幅器２０６の利得を上げて水晶振動子１００Ｃが出力停止に至るまでの期間を延長できる。また、実施例２によれば、発振状態の水晶振動子１００Ｃの出力を、副振動用電極７０Ｃを介して間接的に監視できるので、発振回路から独立した監視系を形成できる。従って、実施例２によれば、発振回路に影響しない態様で、発振状態の水晶振動子１００Ｃの出力を監視できる。

また、実施例２によれば、副振動用電極７０Ｃが筐体３０Ｃに設けられるので、副振動用電極７０Ｃ（第１乃至第４副電極７１Ｃ乃至７４Ｃ）とＩＣ２００との間の電気的な接続方法が容易となる。例えば、上述した実施例１にように副振動用電極７０を水晶片１０に設ける場合、ワイヤボンディングで電気的な接続を実現できるが、かかる電気的な接続方法は、配線の複雑化を引き起こす。また、上述した実施例１のように副振動用電極７０を水晶片１０に設ける場合、水晶片１０上の励振電極２０と同様に導電性接着剤を用いて電気的な接続を実現できるが、かかる電気的な接続方法は、支持点が増加して水晶片１０の発振特性に影響を与えうる。例えば、所望の発振特性を実現するためには水晶片１０の大型化が必要となる。この点、実施例２による水晶振動子１００Ｃによれば、副振動用電極７０Ｃが筐体３０Ｃに設けられるので、かかる不都合を抑制できる。また、副振動用電極７０Ｃに係る導体パターン８５，８７，８８等は、励振電極２０に係る導体パターン９０３，９０７等と同工程で形成可能であるので、生産性が良好である。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例１（実施例２についても同様）では、副振動は、図２に示すような特定の形態の輪郭振動（各辺に中心付近が節となる形態）であるが、他の形態の輪郭振動であってもよい。

また、上述した実施例２では、副振動用電極７０Ｃが筐体３０Ｃの底面３３Ｃに設けられているが、筐体３０の他の部位（例えば蓋３４）に設けられてもよい。

なお、以上の実施例に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
筐体と、水晶片と、主振動を励振させる対の励振電極と、副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極と、を含む水晶振動子と、
対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む、水晶発振器。
（付記２）
前記基準値は、前記水晶振動子が出力停止に至るときの前記信号の振幅よりも大きい、付記１に記載の水晶発振器。
（付記３）
対の前記励振電極間に電気的に接続される反転増幅器と、
前記信号の振幅が前記基準値以下になった場合に、前記反転増幅器の利得を上げる利得制御部とを更に含む、付記１又は２に記載の水晶発振器。
（付記４）
前記反転増幅器は、オペアンプと、第１抵抗と、前記第１抵抗よりも抵抗値が大きい第２抵抗とを含み、
前記利得制御部は、前記オペアンプの反転端子が前記第１抵抗を介して前記オペアンプの出力端子に電気的に接続される第１状態から、前記反転端子が前記第２抵抗を介して前記出力端子に電気的に接続される第２状態に切り替えることで、前記利得を上げる、付記３に記載の水晶発振器。
（付記５）
前記反転増幅器、前記アラーム発生部、及び前記利得制御部は、前記水晶振動子の筐体内に設けられる、付記３又は４に記載の水晶発振器。
（付記６）
対の前記副振動用電極は、前記水晶片に形成される、付記１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記７）
対の前記副振動用電極は、前記筐体に形成される、付記１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記８）
前記副振動用電極は、前記水晶片における第１領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第１副電極と、前記水晶片における第２領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第２副電極と、前記水晶片における第３領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第３副電極と、前記水晶片における第４領域に前記水晶片の厚み方向で対向する第４副電極とを含み、
前記第１領域及び前記第２領域は、前記水晶片の厚み方向に視て、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向に垂直な方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置し、前記第３領域及び前記第４領域は、前記水晶片における中心に対して前記主振動の方向で一端側及び他端側にそれぞれ位置する、付記７に記載の水晶発振器。
（付記９）
前記主振動は、厚みすべり振動であり、
前記副振動は、輪郭振動である、付記１〜８のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記１０）
前記反転増幅器の出力側に設けられ、入力に対する下限値を有する出力バッファを更に含み、
前記基準値は、前記反転増幅器の出力が前記下限値であるときの、前記振幅よりも大きい、付記３に記載の水晶発振器。
（付記１１）
発振状態の水晶振動子の副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極を用い、対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅に基づいて、水晶振動子の発振レベルを測定することを含む、水晶振動子の特性測定方法。

１０ 水晶片
２０ 励振電極
２１ 上側励振電極
２２ 下側励振電極
３０、３０Ｃ 筐体
３４ 蓋
４１〜４４ 外部電極
７０、７０Ｃ 副振動用電極
７１、７１Ｃ 第１副電極
７２、７２Ｃ 第２副電極
７３、７３Ｃ 第３副電極
７４、７４Ｃ 第４副電極
１００、１００Ｃ 水晶振動子
２００ ＩＣ
２０２ 入力端子
２０４ 出力端子
２０６ 反転増幅器
２０８ 出力バッファ（バッファ回路）
２２０ クロック出力端子
２２２ アラーム出力端子
２５０ アラーム発出回路
２６０ 利得制御回路
２７０ 基準電圧発生部

Claims (8)

1. 筐体と、水晶片と、主振動を励振させる対の励振電極と、副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極と、を含む水晶振動子と、
   対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅が基準値以下になった場合に、アラームを発生するアラーム発生部とを含む、水晶発振器。
2. 前記基準値は、前記水晶振動子が出力停止に至るときの前記信号の振幅よりも大きい、請求項１に記載の水晶発振器。
3. 対の前記励振電極間に電気的に接続される反転増幅器と、
   前記信号の振幅が前記基準値以下になった場合に、前記反転増幅器の利得を上げる利得制御部とを更に含む、請求項１又は２に記載の水晶発振器。
4. 前記反転増幅器は、オペアンプと、第１抵抗と、前記第１抵抗よりも抵抗値が大きい第２抵抗とを含み、
   前記利得制御部は、前記オペアンプの反転端子が前記第１抵抗を介して前記オペアンプの出力端子に電気的に接続される第１状態から、前記反転端子が前記第２抵抗を介して前記出力端子に電気的に接続される第２状態に切り替えることで、前記利得を上げる、請求項３に記載の水晶発振器。
5. 前記反転増幅器、前記アラーム発生部、及び前記利得制御部は、前記水晶振動子の筐体内に設けられる、請求項３又は４に記載の水晶発振器。
6. 対の前記副振動用電極は、前記水晶片に形成される、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
7. 対の前記副振動用電極は、前記筐体に形成される、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
8. 発振状態の水晶振動子の副振動に係る電界変化が生じる対の副振動用電極を用い、対の前記副振動用電極に現れる信号の振幅に基づいて、水晶振動子の発振レベルを測定することを含む、水晶振動子の特性測定方法。

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