JP2022139556A - 振動子及び発振器 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022139556000001
【課題】高精度な温度補償を行うことができる振動子及びこの振動子を備えた発振器を提供する。
【解決手段】振動子１００は、第１振動部３と、第２振動部５と、第３振動部７と、を有する水晶基板２と、第１振動部３に形成された一対の第１励振電極４と、第２振動部５に形成された一対の第２励振電極６と、第３振動部７に形成された一対の第３励振電極８と、を有し、一対の第２励振電極６のうちの一方の第２励振電極６が両主面１６ａ，１６ｂに対して傾斜した第１傾斜面１７に形成され、一対の第３励振電極８のうちの一方の第３励振電極８が両主面１６ａ，１６ｂ及び第１傾斜面１７に対して傾斜した第２傾斜面１８に形成された振動素子１と、振動素子１を収納するパッケージ３０と、を備え、振動素子１は、パッケージ３０に固定される固定部９を有し、固定部９は、第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７と、の間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子及び発振器に関する。
広い温度範囲に亘って安定した周波数信号を得ることを目的として、温度検出用素子と温度補償回路とを備えた温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）が広く使用されている。しかし、ＴＣＸＯは、水晶からなる振動素子と温度検出用素子とが別々に構成されているため、温度検出用素子が検出した温度と、振動素子の温度との間には検出誤差が生じ、高精度な温度補償を行うことが難しい。
そのため、特許文献１に示すように、共通の圧電板に、発振信号出力用の第１振動部と温度検出用の第２振動部とを設けた圧電振動子が開示されている。共通の圧電板に２つの振動部を形成しているため、第１振動部と第２振動部との間の熱伝達が速やかに行われる。従って、発振信号出力用素子と温度検出用素子とが別々に構成されている場合に比べ、温度検出用の第２振動部により検出される温度と、発振信号出力用の第１振動部の温度と、の間の検出誤差は小さくなり、より高精度な温度補償を行うことができる。
特開２０１３－９８８４１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の圧電振動子は、第１振動部と第２振動部とにそれぞれ励振電極が形成された圧電板をパッケージ内に実装する際、第１振動部と第２振動部とが並んで配置されている圧電板の長手方向の両端を導電性バンプで固定している。そのため、圧電振動子に加わった熱は、導電性バンプを介して圧電板に伝わるが、導電性バンプの位置が離れているため、第１振動部と第２振動部との間で温度差が生じる虞があり、発振信号出力用の第１振動部の温度を精度良く検出することができないという課題がある。
振動子は、第１振動部と、前記第１振動部の第１方向における一方側に配置された第２振動部と、前記一方側に配置されており、前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記第２振動部と並んでいる第３振動部と、を有する水晶基板と、前記第１振動部において、前記水晶基板の両主面に形成された一対の第１励振電極と、前記第２振動部において、前記第２振動部を前記水晶基板の厚さ方向に挟むように形成された一対の第２励振電極と、前記第３振動部において前記第３振動部を前記水晶基板の厚さ方向に挟むように形成された一対の第３励振電極と、を有し、前記一対の第２励振電極のうちの少なくとも一方の第２励振電極が前記両主面に対して傾斜した第１傾斜面に形成され、前記一対の第３励振電極のうちの少なくとも一方の第３励振電極が前記両主面及び前記第１傾斜面に対して傾斜した第２傾斜面に形成された振動素子と、前記振動素子を収納するパッケージと、を備え、前記振動素子は、前記パッケージに固定される固定部を有し、前記固定部は、前記第１振動部と、前記第２振動部及び前記第３振動部と、の間に配置されている。
発振器は、上記に記載の振動子と、第１励振電極に電気的に接続され、第１発振信号を出力する第１発振回路と、第２励振電極に電気的に接続され、第２発振信号を出力する第２発振回路と、第３励振電極に電気的に接続され、第３発振信号を出力する第３発振回路と、前記第２発振信号及び前記第３発振信号の少なくとも一方が入力され、前記入力された信号に基づいて、前記第１発振信号の発振周波数を制御する制御信号を出力する制御信号出力回路と、を備える。
第１実施形態に係る振動子を示す平面図。 図１中のＡ－Ａ線断面図。 中継基板を示す平面図。 図１中のＢ－Ｂ線断面図。 水晶基板の切断角度を示す図。 水晶基板の切断角度と周波数－温度特性の関係を示す図。 振動素子の周波数－温度特性の一例を示す図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 振動素子の製造工程を表す断面模式図。 第２実施形態に係る振動素子を示す平面図。 図１４中のＣ－Ｃ線断面図。 第３実施形態に係る振動素子を示す平面図。 図１６中のＤ－Ｄ線断面図。 第４実施形態に係る振動素子を示す平面図。 図１８中のＥ－Ｅ線断面図。 第５実施形態に係る振動素子を示す平面図。 図２０中のＦ－Ｆ線断面図。 第６実施形態に係る中継基板を示す平面図。 第７実施形態に係る中継基板を示す平面図。 第８実施形態に係る発振器を示す平面図。 図２４中のＧ－Ｇ線断面図。 発振器の回路構成を示すブロック図。 第９実施形態に係る発振器の回路構成を示すブロック図。 振動子の周波数変化量の差分と温度の関係の一例を示す図。
１．第１実施形態
１．１．振動子
先ず、第１実施形態に係る振動子１００の概略構成について、中継基板２０を用いた構成を一例として挙げ、図１、図２、図３、及び図４を参照して説明する。
尚、図１は、振動子１００の内部の構成を説明する便宜上、蓋部材３６を取り除いた状態を図示している。また、以降の図１～図５及び図８～図２５中のＹ’軸、Ｚ’軸は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸とＺ軸とをＸ軸の回りに所定の角度回転させた軸である。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ’軸に沿った方向を「Ｙ’方向」、Ｚ’軸に沿った方向を「Ｚ’方向」と言う。また、本実施形態において、Ｘ方向は、第１方向に相当し、Ｚ’方向は、第２方向に相当する。
本実施形態の振動子１００は、図１及び図２に示すように、第１振動素子Ｘ１、第２振動素子Ｘ２、及び第３振動素子Ｘ３を有する振動素子１と、振動素子１を固定する中継基板２０と、振動素子１及び中継基板２０を収納するパッケージ３０と、ガラス、セラミック、又は金属等からなる蓋部材３６と、を備えている。
パッケージ３０は、図２に示すように、実装端子３５、第１の基板３１、第２の基板３２、及びシールリング３３を積層して形成されている。また、パッケージ３０は、上方に開放するキャビティーＳを有している。尚、振動素子１と中継基板２０とを収容するキャビティーＳ内は、蓋部材３６をシールリング３３に接合することで、減圧雰囲気あるいは窒素などの不活性気体雰囲気に気密封止されている。
パッケージ３０のキャビティーＳ内には、振動素子１と中継基板２０とが収容されている。振動素子１は、固定部９に設けられた複数の貫通電極１９において、金属バンプ、半田、又は導電性接着剤等の接合部材３７ａを介して中継基板２０の上方に設けられた固定端子２１，２２，２３と電気的に接続され、中継基板２０に固定されている。中継基板２０は、Ｘ方向の両端部に設けられた接続端子２７，２８，２９において、導電性接着剤等の接合部材３７ｂを介して第１の基板３１の上方に設けられた内部端子３４と電気的に接続され、第１の基板３１に固定されている。つまり、振動素子１は、固定部９において、中継基板２０に固定され、中継基板２０を介してパッケージ３０に固定されている。また、中継基板２０は、中継基板２０の両端部において、パッケージ３０に固定され、振動素子１の固定部９は、中継基板２０の両端部に挟まれた中央部において中継基板２０に固定されている。
実装端子３５は、第１の基板３１の外部底面に複数設けられている。また、実装端子３５は、第１の基板３１の上方に設けられた内部端子３４と、図示しない貫通電極や層間配線を介して、電気的に接続されている。
尚、パッケージ３０の第１の基板３１及び第２の基板３２は、絶縁性を有する材料で構成されている。このような材料としては、特に限定されず、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックスを用いることができる。また、パッケージ３０に設けられた内部端子３４や実装端子３５等は、一般的に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属配線材料を絶縁材料上にスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などのめっきを施すことにより形成される。
中継基板２０は、図３に示すように、ＸＺ’面を主面とし、第１主面２１ａと、第１主面２１ａに平行な第２主面２１ｂと、を有し、Ｘ方向を長手方向とする矩形で、Ｙ’方向を厚さ方向とする平板である。
第１主面２１ａには、中継基板２０の中央部に複数の固定端子２１，２２，２３が形成され、中継基板２０のＸ方向の両端部に複数の接続端子２７，２８，２９が形成されている。尚、固定端子２１は振動素子１に形成された端子１０と、固定端子２２は振動素子１に形成された端子１１と、固定端子２３は振動素子１に形成された端子１２と、Ｙ’方向からの平面視で、それぞれ重なるように配置されている。また、固定端子２１と接続端子２７とを電気的に接続する接続電極２４と、固定端子２２と接続端子２８とを電気的に接続する接続電極２５と、固定端子２３と接続端子２９とを電気的に接続する接続電極２６と、が形成されている。
第１主面２１ａに形成された固定端子２１，２２，２３の上方に、接合部材３７ａを介して振動素子１が固定される。つまり、中継基板２０は、中継基板２０の両端部に挟まれた中央部において振動素子１を固定している。
第２主面２１ｂには、中継基板２０のＸ方向の両端部に、第１主面２１ａに形成された接続端子２７，２８，２９と、Ｙ’方向からの平面視で重なる位置に複数の接続端子２７，２８，２９が形成されている。第１主面２１ａに形成された接続端子２７，２８，２９と、第２主面２１ｂに形成された接続端子２７，２８，２９と、は図２及び図３に示すように、中継基板２０の側面に形成された側面電極２７ａ，２８ａ，２９ａによってそれぞれ電気的に接続されている。
第２主面２１ｂに形成された接続端子２７，２８，２９は、接合部材３７ｂを介してパッケージ３０の第１の基板３１に固定される。つまり、中継基板２０は、中継基板２０の両端部においてパッケージ３０に固定される。
本実施形態では、中継基板２０を介して振動素子１をパッケージ３０に固定しているので、パッケージ３０の外部からの熱が振動素子１に伝わり難くしている。尚、本実施形態では、中継基板２０を介して振動素子１をパッケージ３０に固定しているが、これに限定されることはなく、振動素子１の固定部９を直接パッケージ３０に固定しても構わない。
尚、中継基板２０は、絶縁性を有する材料で構成されている。このような材料としては、特に限定されず、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックス、ガラス、水晶等を用いることができる。
振動素子１は、図１に示すように、第１振動部３、第２振動部５、及び第３振動部７を有する水晶基板２と、第１振動部３に形成された第１励振電極４と、第２振動部５に形成された第２励振電極６と、第３振動部７に形成された第３励振電極８と、水晶基板２のＸ方向の中央部に位置する固定部９に形成された端子１０，１１，１２と、第１励振電極４と端子１０とを導通接続するリード電極１３と、第２励振電極６と端子１１とを導通接続するリード電極１４と、第３励振電極８と端子１２とを導通接続するリード電極１５と、水晶基板２を貫通し、その貫通孔に金属を埋め込んだ貫通電極１９と、を備えている。尚、貫通電極１９は、貫通孔の内壁に金属を積層して形成してもよい。
振動素子１は、第１振動素子Ｘ１と、第２振動素子Ｘ２と、第３振動素子Ｘ３と、を備えている。第１振動素子Ｘ１は、一対の第１励振電極４が形成された第１振動部３を有する。第２振動素子Ｘ２は、一対の第２励振電極６が形成された第２振動部５を有する。第３振動素子Ｘ３は、一対の第３励振電極８が形成された第３振動部７を有する。第１振動素子Ｘ１、第２振動素子Ｘ２、及び第３振動素子Ｘ３は、水晶基板２を共用しているので、外部からの熱が均等に伝わり易い構造になっている。
水晶基板２は、第１振動部３と、第１振動部３の第１方向としてのＸ方向における一方側に配置された第２振動部５と、第１振動部３のＸ方向における一方側に配置されており、Ｘ方向に対して直交する第２方向としてのＺ’方向に沿って第２振動部５と並んでいる第３振動部７と、第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７との間に位置し、水晶基板２を中継基板２０に固定するための固定部９と、を有している。尚、水晶基板２は、ＸＺ’面を主面とし、第１主面１６ａと、第１主面１６ａに平行な第２主面１６ｂと、を有し、Ｙ’方向を厚さ方向とする平板である。
第１振動部３と、固定部９と、第２振動部５及び第３振動部７と、はＸ方向に並んで配置されており、固定部９は、水晶基板２のＸ方向における中央部に配置されている。つまり、第１振動部３と第２振動部５及び第３振動部７とは、固定部９を間に挟み、配置されている。そのため、パッケージ３０の外部からの熱が中継基板２０を介し、第１振動部３と第２振動部５及び第３振動部７とに、均一に伝わり易くなるので、第２振動部５及び第３振動部７を温度検出部とすると、第１振動部３の温度を精度良く検出することができる。
第１振動部３は、図２に示すように、水晶基板２の第１主面１６ａと、第１主面１６ａに平行な第２主面１６ｂと、を有している。第１振動部３の第１主面１６ａ及び第２主面１６ｂには、一対の第１励振電極４が水晶基板２の厚さ方向に挟むように形成されている。第１主面１６ａ側の第１励振電極４と第２主面１６ｂ側の第１励振電極４とは、Ｙ’方向からの平面視で重なるように配置されている。尚、第１主面１６ａと第２主面１６ｂとは、両主面に相当する。
第２振動部５は、図４に示すように、両主面１６ａ，１６ｂに対して所定の傾斜角度で傾斜している第１傾斜面１７と、第１傾斜面１７の裏側に第１傾斜面１７と平行な面１７ｒと、を有している。第２振動部５の第１傾斜面１７と面１７ｒには、第２振動部５を水晶基板２の厚さ方向に挟むように、一対の第２励振電極６が形成されている。第１傾斜面１７側の第２励振電極６と面１７ｒ側の第２励振電極６とは、Ｙ’方向からの平面視で重なるように配置されている。
尚、第１傾斜面１７は、第３振動部７の第２傾斜面１８に近づくにしたがって、第１主面１６ａからの距離が大きくなるように傾斜している。
第３振動部７は、図４に示すように、両主面１６ａ，１６ｂ及び第１傾斜面１７に対して所定の傾斜角度で傾斜している第２傾斜面１８と、第２傾斜面１８の裏側に第２傾斜面１８と平行な面１８ｒと、を有している。第３振動部７の第２傾斜面１８と面１８ｒには、第３振動部７を水晶基板２の厚さ方向に挟むように、一対の第３励振電極８が形成されている。第２傾斜面１８側の第３励振電極８と面１８ｒ側の第３励振電極８とは、Ｙ’方向からの平面視で重なるように配置されている。
尚、第２傾斜面１８は、第２振動部５の第１傾斜面１７に近づくにしたがって、第１主面１６ａからの距離が大きくなるように傾斜している。
固定部９の第１主面１６ａ及び第２主面１６ｂには、第１振動部３に形成された第１励振電極４とリード電極１３を介して電気的に接続される端子１０と、第２振動部５に形成された第２励振電極６とリード電極１４を介して電気的に接続される端子１１と、第３振動部７に形成された第３励振電極８とリード電極１５を介して電気的に接続される端子１２と、がそれぞれ形成されている。
また、固定部９の第１主面１６ａ及び第２主面１６ｂには、リード電極１３，１４，１５と接続しない端子１０，１１，１２がそれぞれ形成されており、リード電極１３，１４，１５と接続しない端子１０，１１，１２と、リード電極１３，１４，１５と接続している端子１０，１１，１２と、は貫通電極１９を介してそれぞれ電気的に接続され、また、第２主面１６ｂに形成された端子１０，１１，１２及び貫通電極１９は、接合部材３７ａを介して中継基板２０の第１主面２１ａに形成された接続端子２７，２８，２９にそれぞれ電気的に接続されている。具体的には、端子１０は接続端子２７に、端子１１は接続端子２８に、端子１２は接続端子２９に、接合部材３７ａを介して、それぞれ固定されている。
第１振動素子Ｘ１は、第１振動部３の両主面１６ａ，１６ｂに一対の第１励振電極４が形成されているので、中継基板２０の接続端子２７と電気的に接続する内部端子３４と電気的に接続している実装端子３５に電圧を印加することにより、第１振動部３を振動させることができる。
第２振動素子Ｘ２は、第２振動部５の第１傾斜面１７と面１７ｒに水晶基板２の厚さ方向に挟むように一対の第２励振電極６が形成されているので、中継基板２０の接続端子２８と電気的に接続する内部端子３４と電気的に接続している実装端子３５に電圧を印加することにより、第２振動部５を振動させることができる。
第３振動素子Ｘ３は、第３振動部７の第２傾斜面１８と面１８ｒに水晶基板２の厚さ方向に挟むように一対の第３励振電極８が形成されているので、中継基板２０の接続端子２９と電気的に接続する内部端子３４と電気的に接続している実装端子３５に電圧を印加することにより、第３振動部７を振動させることができる。
次に、本実施形態の水晶基板２の切断角度について、図５を参照して説明する。
尚、図５中の軸や矢印Ｒの矢印側を「正方向」、矢印と反対側を「負方向」と言う。
図５に示すように、水晶等の圧電材料は三方晶系に属し、互いに直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を有する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、夫々電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。
例えば、圧電基板としては、ＸＺ面をＸ軸の回りに所定の角度θ１だけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された、所謂回転Ｙカット水晶基板からなる平板が水晶基板２として用いられる。尚、角度θ１は、回転Ｙカット水晶基板の切断角度とも呼称される。
尚、ＸＺ面をＸ軸の回りに回転させる回転方向は、矢印Ｒで示され、回転軸となるＸ軸の正方向から見て左回りを正回転とし、右回りを負回転とする。
Ｙ軸をＸ軸の回りに角度θ１回転させた座標軸をＹ’軸とし、Ｚ軸をＸ軸の回りに角度θ１回転させた座標軸をＺ’軸とすると、回転Ｙカット水晶基板は、直交する結晶軸であるＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸で表すことができる。回転Ｙカット水晶基板は、厚み方向がＹ’方向であり、Ｙ’軸に直交するＸ軸とＺ’軸を含むＸＺ’面が主面であり、主面に厚み滑り振動が主振動として励振される。
ここで、角度θ１を略３５°１５′とした回転Ｙカット水晶基板は、ＡＴカット水晶基板と呼称され、優れた周波数－温度特性を有する。以下、本実施形態においては、水晶基板２の一例として、ＡＴカット水晶基板を用いて説明するが、ＡＴカット水晶基板に限定されず、例えば、厚み滑り振動を励振するＢＴカット等の水晶基板であってもよい。また、水晶基板２としてＡＴカット水晶基板を用いる場合、角度θ１は略３５°１５′であればよく、例えば、角度θ１は３５°１７′でもよい。
尚、本実施形態においては、水晶基板２の角度θ１を３５°１５′としている。従って、水晶基板２の両主面１６ａ，１６ｂの切断角度は、角度θ１、すなわち、３５°１５′となる。
水晶基板２の第１傾斜面１７は、第１主面１６ａを基準として角度θ２だけ傾斜している。つまり、水晶基板２の第１傾斜面１７は、Ｚ’軸からＸ軸の回りに負方向に回転しているので、第１傾斜面１７の切断角度はθ１－θ２、すなわち、３５°１５′－θ２となる。
水晶基板２の第２傾斜面１８は、第１主面１６ａを基準として角度θ３だけ傾斜している。つまり、水晶基板２の第２傾斜面１８は、Ｚ’軸からＸ軸の回りに正方向に回転しているので、第２傾斜面１８の切断角度はθ１＋θ３、すなわち、３５°１５′＋θ３となる。
本実施形態においては、第１傾斜面１７の切断角度はθ１－θ２であり、第２傾斜面１８の切断角度はθ１＋θ３であり、両主面１６ａ，１６ｂの切断角度と、第１傾斜面１７の切断角度と、第２傾斜面１８の切断角度と、は異なる。
第１傾斜面１７の切断角度と第２傾斜面１８の切断角度とが異なるということは、第２傾斜面１８は、第１傾斜面１７に対して傾斜している、とも言う。
次に、水晶基板２の切断角度と周波数－温度特性の関係について、図６及び図７を参照して説明する。
尚、図６は、回転Ｙカット水晶基板において、切断角度が３５°１５′のＡＴカット水晶基板を基準として２′間隔で切断角度を変化させた時の切断角度に対する周波数－温度特性の関係を示したものである。例えば、図６中、＋１０で示される曲線は、切断角度が３５°１５′＋１０′、すなわち、切断角度が３５°２５′の回転Ｙカット水晶基板の周波数－温度特性を示す。このように、切断角度を変化させることにより、温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆを調整することができる。
ここで、本実施形態では、第２振動部５を励振する一対の第２励振電極６は、同じ切断角度を有する第１傾斜面１７と面１７ｒに設けられているので、本実施形態の第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性は、第１傾斜面１７の切断角度θ１－θ２＝３５°１５′－θ２に対応する周波数－温度特性となり、第２振動素子Ｘ２の温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆは、切断角度が３５°１５′－θ２の時の温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆとなる。
また、第３振動部７を励振する一対の第３励振電極８は、同じ切断角度を有する第２傾斜面１８と面１８ｒに設けられているので、本実施形態の第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性は、第２傾斜面１８の切断角度３５°１５′＋θ３に対応する周波数－温度特性となり、第３振動素子Ｘ３の温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆは、切断角度が３５°１５′＋θ３の時の温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆとなる。
本実施形態の振動素子１の周波数－温度特性の一例を示す図７において、ＡＴ１は第１振動素子Ｘ１の周波数－温度特性を示し、ＡＴ２は第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性を示し、ＡＴ３は第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性を示す。図７に示すように、第１振動素子Ｘ１の第１振動部３と、第２振動素子Ｘ２の第２振動部５と、第３振動素子Ｘ３の第３振動部７と、における周波数－温度特性は異なっている。
第１振動部３の角度θ１は３５°１５′であり、ＡＴカット水晶基板をそのまま使用しているので、温度変化に対する第１振動素子Ｘ１の周波数変化量Δｆ／ｆは小さい。従って、第１振動素子Ｘ１を発振信号出力用とすることにより、温度変化に対して比較的安定した発振信号を得ることができる。
第２振動部５は、第１傾斜面１７の角度θ２を変えることで、また、第３振動部７は、第２傾斜面１８の角度θ３を変えることで、温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆが第１振動部３の周波数変化量Δｆ／ｆより大きくなるように調整することができる。温度変化に対する第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３の周波数変化量Δｆ／ｆが大きいということは、周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができるということである。従って、第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３を温度検出用とすることにより、温度を精度よく検出することができる。
本実施形態では、第２振動部５の第１傾斜面１７の切断角度は、両主面１６ａ，１６ｂの切断角度をθ１とすると、θ１－θ２、すなわち、３５°１５′－θ２であり、第２振動部５の第１傾斜面１７の切断角度は、両主面１６ａ，１６ｂの切断角度θ１よりも小さい。また、第３振動部７の第２傾斜面１８の切断角度は、θ１＋θ３、すなわち、３５°１５′＋θ３であり、両主面１６ａ、１６ｂの切断角度θ１よりも大きい。第２振動部５の第１傾斜面１７の切断角度と、第３振動部７の第２傾斜面１８の切断角度と、をそれぞれ異なる角度とすることにより、温度検出用の第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３のそれぞれの周波数－温度特性を異ならせることができる。
温度検出用の第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３のそれぞれの周波数－温度特性を異ならせることにより、例えば、第２振動素子Ｘ２の方が第３振動素子Ｘ３よりも周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができる温度範囲では、第２振動素子Ｘ２に基づいて温度検出を行い、第３振動素子Ｘ３の方が第２振動素子Ｘ２よりも周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができる温度範囲では、第３振動素子Ｘ３に基づいて温度検出を行うことで、より一層高精度な温度検出が可能となる。
例えば、図７において、温度Ｔが－１０℃から６０℃の温度範囲では、第２振動素子Ｘ２よりも第３振動素子Ｘ３の方が、周波数変化に対する温度変化の分解能が高いので、第３振動素子Ｘ３に基づいて温度検出を行うと良い。一方、温度Ｔが－１０℃よりも低い、又は、６０℃よりも高い温度範囲では、第３振動素子Ｘ３は、周波数変化に対する温度変化の分解能が低くなり、さらには、第３振動素子Ｘ３の周波数変化が温度変化に対して単調増加あるいは単調減少を示さなくなる。そこで、温度Ｔが－１０℃よりも低い、又は、６０℃よりも高い温度範囲では、第３振動素子Ｘ３よりも周波数変化に対する温度変化の分解能が高い第２振動素子Ｘ２に基づいて温度検出をするようにすれば良い。
尚、第２振動素子Ｘ２を温度検出に用いる温度範囲や、第３振動素子Ｘ３を温度検出に用いる温度範囲は、前記の温度範囲に限定されず、第２振動部５及び第３振動部７の周波数－温度特性に基づいて任意に設定することができる。
さらに、第１振動素子Ｘ１、第２振動素子Ｘ２、及び第３振動素子Ｘ３は、共通の水晶基板２に形成されているため、第１振動素子Ｘ１と第２振動素子Ｘ２との間の熱伝達、第１振動素子Ｘ１と第３振動素子Ｘ３との間の熱伝達、第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３の間の熱伝達、がそれぞれ速やかに行われる。そのため、第１振動素子Ｘ１の温度は、温度検出用の第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３によって速やかにかつ精度よく検出することができるので、第１振動素子Ｘ１の温度補償を速やかにかつ精度よく行うことができる。
尚、水晶基板２としてＡＴカット水晶基板を用いる場合、水晶基板２の第１傾斜面１７と、水晶基板２の第２傾斜面１８のうち、切断角度が大きい方の傾斜面の切断角度をθａとし、他方の傾斜面の切断角度をθｂとすると、切断角度θｂの好ましい範囲は、θａ－１°以上θａ－２０°以下である。切断角度θｂをθａ－１°以上とすると、水晶基板２の第１傾斜面１７の切断角度と水晶基板２の第２傾斜面１８の切断角度との差が十分に大きくなるため、温度検出用の第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３のそれぞれの周波数－温度特性を十分に異ならせることができ、精度の良い温度検出ができるので好ましい。また、切断角度θｂを大きくしていくと、傾斜面を形成するのが困難になるため、切断角度θｂをθａ－２０°以下とすることが好ましい。尚、本実施形態においては、第１傾斜面１７の切断角度θ１－θ２がθｂに相当し、第２傾斜面１８の切断角度θ１＋θ３がθａに相当する。
以上述べたように、本実施形態の振動子１００は、振動素子１の第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７と、の間の中央部を中継基板２０の両端部に挟まれた中央部に固定し、中継基板２０の両端部をパッケージ３０に固定しているため、パッケージ３０の外部からの熱が伝わり難く、且つ、伝わった熱が振動素子１の中央部から第１振動部３、第２振動部５、及び第３振動部７に均一に伝わるので、第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７と、の間の温度差が小さくなり、第１振動部３を発振信号出力用とし、第２振動部５及び第３振動部７を温度検出用とすると、第１振動部３の温度を精度良く検出することができる。
また、第１振動部３を周波数－温度特性の周波数変化量の小さい切断角度とし、第２振動部５の第１傾斜面１７及び第３振動部７の第２傾斜面１８を周波数－温度特性の周波数変化量の大きい切断角度とすることで、第２振動部５及び第３振動部７を温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができる温度検出用に用いることができる。
１．２．振動素子の製造方法
次に、振動素子１の製造方法について、図８～図１３を参照しながら説明する。
振動素子１の製造方法は、水晶基板準備工程と、レジスト塗布工程と、ドライエッチング工程と、個片化工程と、電極形成工程と、を含んでいる。
１．２．１．水晶基板準備工程
図８に示すように、振動素子１の量産性や製造コストを考慮し、複数個の振動素子１をバッチ処理方式で製造できる大型水晶基板８０を準備する。大型水晶基板８０は、水晶原石を所定の切断角度θ１で切断し、ラッピングやポリッシュ加工等を施し、所望の厚さとなっている。尚、本実施形態では、切断角度θ１は、３５°１５′である。
１．２．２．レジスト塗布工程
図９に示すように、大型水晶基板８０の両主面１６ａ，１６ｂにレジスト８２ａ，８２ｂを塗布する。ここで、第１主面１６ａにレジスト８２ａを塗布する方法として、第２励振電極６が形成される第１傾斜面１７と、第３励振電極８が形成される第２傾斜面１８と、の形状に対応した窪みを備えた金型に充填し、金型に充填されたレジスト８２ａを第１主面１６ａに転写して硬化させる方法を用いる。また、第２主面１６ｂにレジスト８２ｂを塗布する方法として、第２励振電極６が形成される面１７ｒと、第３励振電極８が形成される面１８ｒと、の形状に対応した凸部を備えた金型に充填し、金型に充填されたレジスト８２ｂを第２主面１６ｂに転写して硬化させる方法を用いる。
１．２．３．ドライエッチング工程
次に、ドライエッチング法を用いて、図１０において矢印で示すように、プラズマエッチング装置等を用いて、両主面１６ａ，１６ｂのそれぞれの上方からドライエッチングを行う。
図１１は、ドライエッチングにより、レジスト８２ａ，８２ｂを除去した状態を表している。図９で形成された両主面１６ａ，１６ｂ上の傾斜面の形状のレジスト８２ａ，８２ｂの形状がそのまま大型水晶基板８０に転写されて薄肉化されている。このようにして大型水晶基板８０に第１傾斜面１７、面１７ｒ、第２傾斜面１８、及び面１８ｒが形成される。
１．２．４．個片化工程
図１１では、大型水晶基板８０に複数の水晶片が連結した状態になっているので、大型水晶基板８０を個片化する。図１１の仮想線ＬＬを基準として、ダイシング又は湿式エッチング法によって大型水晶基板８０を個片化する。図１２に個片化された水晶基板２を示す。
１．２．５．電極形成工程
図１３に示すように、個片化された水晶基板２に、蒸着又はスパッタリングによって、第１励振電極４、第２励振電極６、第３励振電極８等を形成し、振動素子１とする。
尚、第１傾斜面１７、面１７ｒ、第２傾斜面１８、及び面１８ｒの形成は前述の方法以外の手段によって形成してもよい。例えば、一部を薄肉化したレジスト８２ａ，８２ｂを形成する方法としては、光量分布の異なる条件でレジスト８２ａ，８２ｂを露光するグレイスケール露光を用いる方法でもよい。
また、大型水晶基板８０を個片化する前に、大型水晶基板８０に一括して第１励振電極４、第２励振電極６、第３励振電極８等を形成してから、個片化して、振動素子１を得る方法でもよい。
また、第１振動素子Ｘ１、第２振動素子Ｘ２、及び第３振動素子Ｘ３は、共通の水晶基板２に形成されており、第１振動素子Ｘ１と第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３との間の熱伝達がそれぞれ速やかに行われる。また、ドライエッチング法のような水晶基板２への負荷が少ない製造方法で第１傾斜面１７、面１７ｒ、第２傾斜面１８、及び面１８ｒを形成することができるので、水晶基板２の機械的強度の低下や経時的な劣化が生じ難い。
２．第２実施形態
第２実施形態に係る振動素子１ａの概略構成について、図１４及び図１５を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態の水晶基板２ａは、図１４及び図１５に示すように、第２振動部５ａに設けられた第１傾斜面１７及び第３振動部７ａに設けられた第２傾斜面１８が、互いに近づくにしたがって、第２振動部５ａ及び第３振動部７ａの厚さが薄くなるように傾斜している。
第２振動部５ａは、第１傾斜面１７と第２主面１６ｂとを有している。第１傾斜面１７は、両主面１６ａ，１６ｂに対して所定の傾斜角度で傾斜している傾斜面である。
第３振動部７ａは、第２傾斜面１８と第２主面１６ｂとを有している。第２傾斜面１８は、両主面１６ａ，１６ｂ及び第１傾斜面１７に対して所定の傾斜角度で傾斜している傾斜面である。
水晶基板２ａの第１傾斜面１７は、Ｚ’軸からＸ軸の回りに角度θ２だけ負方向に回転しているので、第１傾斜面１７の切断角度は、第２主面１６ｂの切断角度をθ１とすると、θ１－θ２、すなわち、３５°１５′－θ２となり、第２振動部５ａの切断角度としては、θ１－θ２／２、すなわち、３５°１５′－θ２／２となり、第２主面１６ｂの切断角度θ１より小さい。また、水晶基板２ａの第２傾斜面１８は、Ｚ’軸からＸ軸の回りに角度θ３だけ正方向に回転している。第２傾斜面１８の切断角度は、θ１＋θ３、すなわち、３５°１５′＋θ３となり、第３振動部７ａの切断角度としては、θ１＋θ３／２、すなわち、３５°１５′＋θ３／２となり、第２主面１６ｂの切断角度θ１より大きい。
本実施形態によれば、第２振動部５ａを有する第２振動素子Ｘ２ａ及び第３振動部７ａを有する第３振動素子Ｘ３ａの周波数－温度特性は、第１振動部３の周波数－温度特性よりも周波数変化量を大きくすることができるので、第２振動素子Ｘ２ａ及び第３振動素子Ｘ３ａを温度検出に用いると、周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができ、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
３．第３実施形態
第３実施形態に係る振動素子１ｂの概略構成について、図１６及び図１７を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態の水晶基板２ｂは、図１６及び図１７に示すように、第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７との間に、Ｚ’方向を長手方向とする２つの貫通孔３９ａ，３９ｂが設けられている。第１振動部３と第２振動部５との間に、貫通孔３９ａが設けられ、第１振動部３と第３振動部７との間に、貫通孔３９ｂが設けられている。
本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１振動部３と第２振動部５との間及び第１振動部３と第３振動部７との間にそれぞれ貫通孔３９ａ，３９ｂを設けることにより、第１振動部３の振動と、第２振動部５の振動及び第３振動部７の振動と、が相互に影響しあうことを抑制することができる。
尚、貫通孔３９ａ，３９ｂの設けられている位置に、第１主面１６ａ側に開口する凹部や第２主面１６ｂ側に開口する凹部を設けてもよい。
４．第４実施形態
第４実施形態に係る振動素子１ｃの概略構成について、図１８及び図１９を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態の水晶基板２ｃは、図１８及び図１９に示すように、第１振動部３ｃにおける両主面１６ａ，１６ｂに、それぞれ凸部４１が形成されている。凸部４１を有する第１振動部３ｃには、水晶基板２ｃの厚さ方向に挟むように一対の第１励振電極４が形成されている。
本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１振動素子Ｘ１ｃは、第１振動部３ｃの凸部４１を含む領域を第１励振電極４により励振するので、第１振動部３ｃの振動エネルギーは凸部４１を含む領域に閉じ込められ、凸部４１を含む領域以外への振動の漏洩を低減することができ、第１振動素子Ｘ１ｃの振動が安定する。また、第１振動素子Ｘ１ｃのインピーダンスを下げることができ、Ｑ値も高まるので、このような第１振動素子Ｘ１ｃを発振器に用いると、搬送波対雑音比の良い高精度な発振器を実現することができる。
尚、本実施形態では、第１振動部３ｃにおける両主面１６ａ，１６ｂの両方のそれぞれに凸部４１を形成したが、第１振動部３ｃにおける両主面１６ａ，１６ｂのどちらか一方の主面に凸部４１を形成してもよい。
また、本実施形態では、凸部４１は、第１振動部３ｃにおける両主面１６ａ，１６ｂからＹ’方向に突出したメサ形状としたが、凸部４１の形状は球面形状でもよい。
５．第５実施形態
第５実施形態に係る振動素子１ｄの概略構成について、図２０及び図２１を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態の水晶基板２ｄは、図２０及び図２１に示すように、第１振動部３ｄにおける第１主面１６ａに、第１励振電極４側から水晶基板２ｄの外縁側に向かって、水晶基板２の厚さが薄くなるように傾斜している傾斜部４２ａ，４２ｂが形成されている。
本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１振動素子Ｘ１ｄは、第１励振電極４の周辺に、水晶基板２ｄの外縁側に向かって、水晶基板２の厚さが薄くなるように傾斜している傾斜部４２ａ，４２ｂが形成されているので、第１振動部３ｄの振動エネルギーを第１励振電極４近傍に閉じ込めることができ、傾斜部４２ａ，４２ｂへの振動の漏洩を低減することができる。従って、第１振動素子Ｘ１ｄのインピーダンスを下げることができ、Ｑ値も高まるので、このような第１振動素子Ｘ１ｄを発振器に用いると、搬送波対雑音比の良い高精度な発振器を実現することができる。
尚、本実施形態では、第１振動部３ｄにおける第１主面１６ａにのみ傾斜部４２ａ，４２ｂを形成したが、第１振動部３ｄにおける両主面１６ａ，１６ｂに傾斜部４２ａ，４２ｂを形成してもよい。
６．第６実施形態
第６実施形態に係る中継基板２０ａの概略構成について、図２２を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、図２２において、固定端子２１，２２，２３と接続端子２７，２８，２９とを電気的に接続する接続電極２４，２５，２６の図示を省略している。
本実施形態の中継基板２０ａは、図２２に示すように、パッケージ３０に固定される枠状の第１枠部４３と、第１枠部４３の内側に配置されている枠状の第２枠部４４と、第２枠部４４の内側に配置され、振動素子１が固定される振動素子支持部４５と、Ｚ’方向に沿って延在し、第１枠部４３と第２枠部４４とを接続する第１梁部４６と、Ｘ方向に沿って延在し、第２枠部４４と振動素子支持部４５とを接続する第２梁部４７と、を有する。
本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１枠部４３と第２枠部４４とが第１梁部４６で接続され、第２枠部４４と振動素子支持部４５とが第２梁部４７で接続されている中継基板２０ａとすることで、パッケージ３０の外部の熱がパッケージ３０に固定された接続端子２７，２８，２９から振動素子１に伝わる経路を長くすることができ、外部の熱が振動素子１により伝わり難くすることができる。また、パッケージ３０に固定された時に生じる実装歪を振動素子１に伝わり難くすることができる。
７．第７実施形態
第７実施形態に係る中継基板２０ｂの概略構成について、図２３を参照して説明する。第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。また、図２３において、固定端子２１，２２，２３と接続端子２７，２８，２９とを電気的に接続する接続電極２４，２５，２６の図示を省略している。
本実施形態の中継基板２０ｂは、図２３に示すように、パッケージ３０に固定される枠状の第１枠部４３ｂと、第１枠部４３ｂの内側に配置され、振動素子１が固定される振動素子支持部４５ｂと、Ｚ’方向に沿って延在し、第１枠部４３ｂと振動素子支持部４５ｂとを接続する第１梁部４６ｂと、を有する。
本実施形態によれば、第１実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
第１枠部４３ｂと振動素子支持部４５ｂとが第１梁部４６ｂで接続されている中継基板２０ｂとすることで、パッケージ３０の外部の熱がパッケージ３０に固定された接続端子２７，２８，２９から振動素子１に伝わる経路を長くすることができ、外部の熱が振動素子１により伝わり難くすることができる。また、パッケージ３０に固定された時に生じる実装歪を振動素子１に伝わり難くすることができる。
８．第８実施形態
第８実施形態に係る発振器２００の概略構成について、図２４及び図２５を参照して説明する。第８実施形態に係る発振器２００では、前述した振動素子１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ及び中継基板２０，２０ａ，２０ｂのいずれかを有する振動子を用いることができるが、以下では、第１実施形態で説明した振動素子１と中継基板２０とを有する振動子１００を適用した例を示して説明する。
発振器２００は、図２４に示すように、振動素子１と中継基板２０とを内蔵した振動子１００と、振動素子１を駆動するための発振回路６１ａ，６１ｂ，６１ｃ（図２６参照）と制御信号出力回路６３（図２６参照）とを有するＩＣチップ６０と、振動子１００やＩＣチップ６０を収納するパッケージ５０と、ガラス、セラミック、又は金属等からなる蓋部材５８と、を備えている。
パッケージ５０は、図２５に示すように、実装端子５７、第３の基板５３、内部端子５６、第１の基板５１、内部端子５５、第２の基板５２、及びシールリング５４を積層して形成されている。また、パッケージ５０は、上方に開放するキャビティーＳ１と、下方に開放するキャビティーＳ２と、を有している。
キャビティーＳ１内には、振動素子１と中継基板２０とを内蔵した振動子１００が収納され、導電性接着剤等の接合部材３７ｃにより振動子１００の実装端子３５と第１の基板５１の上方に設けられた内部端子５５とを接合し、振動子１００をパッケージ５０に固定している。キャビティーＳ２内には、ＩＣチップ６０が収納され、非導電性接着剤等の接合部材３８によりＩＣチップ６０とパッケージ５０とを接合し、ＩＣチップ６０をパッケージ５０に固定している。また、金属のボンディングワイヤー６１を介してＩＣチップ６０の下方に設けられた接続端子６０ａと第１の基板５１の下方に設けられた内部端子５６とが電気的に接続されている。
尚、振動子１００を収容するキャビティーＳ１内は、蓋部材５８をシールリング５４により接合することで、減圧雰囲気あるいは窒素などの不活性気体雰囲気に気密封止されている。また、ＩＣチップ６０を収容するキャビティーＳ２内は、モールド樹脂４０が装填されている。
実装端子５７は、第３の基板５３の外部底面に複数設けられている。また、実装端子５７は、第１の基板５１の下方に設けられた内部端子５６と、図示しない側面電極や層間配線を介して、電気的に接続されている。
ＩＣチップ６０は、第１振動素子Ｘ１を発振し第１発振信号を出力する第１発振回路６１ａと、第２振動素子Ｘ２を発振し第２発振信号を出力する第２発振回路６１ｂと、第３振動素子Ｘ３を発振し第３発振信号を出力する第３発振回路６１ｃと、第２発振信号及び第３発振信号に基づいて、第１発振信号の発振周波数を制御する制御信号を出力する制御信号出力回路６３と、を有している。
次に、発振器２００の回路構成について、図２６を参照して説明する。尚、以下の説明では、発振器２００の一例について、ＴＣＸＯを挙げて説明する。
制御信号出力回路６３は、発振器２００の外部の温度変化に依らずに、あるいは外部の温度変化の影響を抑えながら、出力端６５から設定周波数ｆ0を出力するための回路である。設定周波数ｆ0は、基準温度Ｔ0において、基準電圧Ｖ0を第１発振回路６１ａに印加した時に得られる出力周波数である。
第１振動素子Ｘ１の一対の第１励振電極４には、端子１０を介して第１発振回路６１ａが電気的に接続されている。第２振動素子Ｘ２の一対の第２励振電極６には、同様に端子１１を介して、温度検出用とするための第２発振回路６１ｂが電気的に接続されている。第３振動素子Ｘ３の一対の第３励振電極８には、端子１２を介して、温度検出用とするための第３発振回路６１ｃが電気的に接続されている。
図２６に示すように、第１発振回路６１ａと、第２発振回路６１ｂ及び第３発振回路６１ｃとの間には、制御信号出力回路６３に出力する周波数ｆを選択する出力選択回路９０と、出力選択回路９０から出力された出力信号である周波数ｆに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度を推定し、この温度において第１発振回路６１ａにて第１発振信号としての設定周波数ｆ0が得られる制御信号としての制御電圧ＶC（ＶC＝Ｖ0－ΔＶ）を演算するための制御信号出力回路６３が設けられている。
出力選択回路９０は、選択制御部９１と、出力選択部９２と、を有する。選択制御部９１は、出力選択部９２と、温度センサー９３と、温度推定部６８に電気的に接続されている。温度センサー９３は、振動素子１の外部の温度を検出する。選択制御部９１は、温度センサー９３により検出された温度に基づき、第２発振回路６１ｂから出力される第２発振信号としての発振周波数ｆ２と、第３発振回路６１ｃから出力される第３発振信号としての発振周波数ｆ３のうち、制御信号出力回路６３に出力する周波数ｆを選択する。さらに、選択制御部９１は、出力選択回路９０から出力される出力信号である周波数ｆを切替えるように、出力選択部９２を制御する。出力選択部９２は、選択制御部９１の選択に基づき、第２発振回路６１ｂから出力される発振周波数ｆ２と、第３発振回路６１ｃから出力される発振周波数ｆ３の一方を、出力選択回路９０から出力される出力信号である周波数ｆとして、制御信号出力回路６３に出力する。
第２発振回路６１ｂの入力端６４ｂから第２発振回路６１ｂに基準電圧Ｖ10が入力され、第３発振回路６１ｃの入力端６４ｃから第３発振回路６１ｃに基準電圧Ｖ11が入力され、出力端６５から設定周波数ｆ0が出力される。また、第１発振回路６１ａ、第２発振回路６１ｂ、第３発振回路６１ｃとには、バリキャップダイオード６６で安定化された基準電圧Ｖ10，Ｖ11と制御電圧ＶCとがそれぞれに入力される。
第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３は温度検出部として用いられている。第２振動素子Ｘ２を駆動する第２発振回路６１ｂから出力される第２発振信号としての発振周波数ｆ２は、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性に基づき、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔに応じた出力となる。また、第３振動素子Ｘ３を駆動する第３発振回路６１ｃから出力される第３発振信号としての発振周波数ｆ３は、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性に基づき、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔに応じた出力となる。このようにして、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔと、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔと、を求めることができる。
第１振動素子Ｘ１は、第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３と共通する水晶基板２に設けられており、第１振動素子Ｘ１と、第２振動素子Ｘ２及び第３振動素子Ｘ３と、は結合しており、熱伝達時間の差がないので、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔ及び第３振動素子Ｘ３の温度Ｔから、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを正確に推定することができる。
第２振動部５の切断角度と、第３振動部７の切断角度と、は異なるため、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性と、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性と、は異なる。そこで、例えば、第２振動素子Ｘ２の方が第３振動素子Ｘ３よりも周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができる温度範囲では、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定し、第３振動素子Ｘ３の方が第２振動素子Ｘ２よりも周波数変化に対する温度変化の分解能が高く、精度の良い温度検出ができる温度範囲では、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定すれば、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔをより一層高精度に推定することができる。
制御信号出力回路６３は、第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３のうち、周波数変化量が大きい周波数－温度特性を有する方の温度Ｔに基づき、第１発振回路６１ａから第１発振信号として設定周波数ｆ0を出力するための制御電圧ＶC（ＶC＝Ｖ0－ΔＶ）を演算する。
具体的には、制御信号出力回路６３は、出力選択回路９０から出力される周波数ｆを計測するための例えば周波数カウンターなどからなる周波数検出部６７と、この周波数検出部６７において計測した周波数ｆに基づいて温度Ｔを推定する温度推定部６８と、温度推定部６８において推定した温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部６９と、補償電圧演算部６９にて演算された補償電圧ΔＶを基準電圧Ｖ0から減算した制御電圧ＶCを第１発振回路６１ａに出力するための加算部７０と、を備えている。
温度推定部６８には、以下の（１）式に示す第２発振回路６１ｂの周波数－温度特性と、（２）式に示す第３発振回路６１ｃの周波数－温度特性が記憶されている。
出力選択部９２が、制御信号出力回路６３に出力する周波数ｆとして、第２発振回路６１ｂから出力される発振周波数ｆ２を選択した場合は、温度推定部６８は、（１）式の周波数－温度特性と、第２発振回路６１ｂから出力される発振周波数ｆ２と、に基づいて、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔを求め、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔから第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定することができる。
出力選択部９２が、制御信号出力回路６３に出力する周波数ｆとして、第３発振回路６１ｃから出力される発振周波数ｆ３を選択した場合は、温度推定部６８は、（２）式の周波数－温度特性と、第３発振回路６１ｃから出力される発振周波数ｆ３と、に基づいて、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔを求め、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔから第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定することができる。
ｆ１＝ｆ10｛１＋α2（Ｔ－Ｔ10）3＋β2（Ｔ－Ｔ10）＋γ2｝ ・・・（１）
ｆ２＝ｆ11｛１＋α3（Ｔ－Ｔ11）3＋β3（Ｔ－Ｔ11）＋γ3｝ ・・・（２）
また、補償電圧演算部６９は、第１発振回路６１ａの温度特性である例えば３次関数発生器を備えており、以下の（３）～（５）式及び温度Ｔに基づいて、補償電圧ΔＶを求めるように構成されている。
ΔＶ＝Ｖ0（Δｆ／ｆ0） ・・・（３）
Δｆ／ｆ0＝α1（Ｔ－Ｔ0）3＋β1（Ｔ－Ｔ0）＋γ1 ・・・（４）
ΔＶ＝Ｖ0｛α1（Ｔ－Ｔ0）3＋β1（Ｔ－Ｔ0）＋γ1｝ ・・・（５）
ここで、α1、β1、γ1と、α2、β2、γ2及びα3、β3、γ3は、夫々第１発振回路６１ａ、第２発振回路６１ｂ及び第３発振回路６１ｃに固有の定数であり、温度や基準電圧を種々変えて出力周波数を測定することにより求められる。尚、Δｆ＝ｆ－ｆ0であり、またｆ10は第２発振回路６１ｂにおいて基準温度Ｔ10にて基準電圧Ｖ10を印加した時に得られる出力周波数であり、ｆ11は第３発振回路６１ｃにおいて基準温度Ｔ11にて基準電圧Ｖ11を印加した時に得られる出力周波数である。
第２発振回路６１ｂの入力端６４ｂに制御電圧Ｖ10を入力すると、第２発振回路６１ｂでは、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔに基づいて、既述の式（１）で求められる発振周波数ｆ１において基本波の厚み滑り振動で発振する。第３発振回路６１ｃの入力端６４ｃに制御電圧Ｖ11を入力すると、第３発振回路６１ｃでは、第３振動素子Ｘ３の温度Ｔに基づいて、既述の式（２）で求められる発振周波数ｆ２において基本波の厚み滑り振動で発振する。
出力選択回路９０は、温度センサー９３により検出された温度に基づき、第２発振回路６１ｂから出力される第２発振信号としての発振周波数ｆ２と、第３発振回路６１ｃから出力される第３発振信号としての発振周波数ｆ３のうち一方を、出力選択回路９０から出力される出力信号である周波数ｆとして、制御信号出力回路６３に出力する。
この周波数ｆは、周波数検出部６７を介して温度推定部６８に入力される。温度推定部６８は、出力選択回路９０の出力選択部９２の選択に基づき、第２振動素子Ｘ２の温度Ｔ又は第３振動素子Ｘ３の温度Ｔを求め、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定する。そして、補償電圧演算部６９では、温度推定部６８にて得られた温度Ｔに基づいて補償電圧ΔＶが演算され、加算部７０を介して制御信号としての制御電圧ＶCが第１発振回路６１ａに印加される。第１発振回路６１ａでは、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔ及び制御電圧ＶCに応じた第１発振信号である周波数、即ち設定周波数ｆ0において厚み滑り振動で振動する。
つまり、温度Ｔでは、第１発振回路６１ａは、基準温度Ｔ0との差分（Ｔ－Ｔ0）だけ、当該第１発振回路６１ａの周波数－温度特性に沿って発振周波数が設定周波数ｆ0からずれようとする。しかし、前記差分に対応する分だけ基準電圧Ｖ0よりも低いあるいは高い制御電圧ＶCを第１発振回路６１ａに印加しているので、当該差分を相殺した出力周波数、すなわち、設定周波数ｆ0を得ることができる。
本実施形態の発振器２００は、振動素子１の第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７と、の間の中央部を中継基板２０の両端部に挟まれた中央部に固定し、中継基板２０の両端部をパッケージ３０に固定している振動子１００を用いているので、パッケージ３０の外部からの熱が伝わり難く、且つ、伝わった熱が振動素子１の中央部から第１振動部３、第２振動部５、及び第３振動部７に均一に伝わるので、第１振動部３と、第２振動部５及び第３振動部７と、の間の温度差が小さくなり、第１振動部３を発振信号出力用とし、第２振動部５及び第３振動部７を温度検出用とすると、第１振動部３の温度を精度良く検出することができ、高精度に温度補償することができる。従って、設定周波数ｆ0が安定した高精度の発振器２００を得ることができる。
また、第１振動素子Ｘ１の周波数－温度特性を発振信号出力に適した特性としながら、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性と、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性と、を温度検出に適した特性に調整することができるので、第２振動素子Ｘ２の発振周波数ｆ２と、第３振動素子Ｘ３の発振周波数ｆ３と、に基づいて、第１振動素子Ｘ１から出力される設定周波数ｆ0を速やかにかつ高精度に温度補償することができる。
また、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性と、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性と、を異なる特性とし、第２振動素子Ｘ２と第３振動素子Ｘ３のうち、温度センサー９３が検出した温度における周波数変化量が大きい周波数－温度特性を有する方の振動素子の温度Ｔに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定すれば、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔをより一層高精度に推定することができる。従って、設定周波数ｆ0がより一層安定した高精度の発振器２００を得ることができる。
９．第９実施形態
第９実施形態に係る発振器２００ａの回路構成について、図２７及び図２８を参照し説明する。第８実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
本実施形態は、第２振動素子Ｘ２の発振周波数ｆ２と、第３振動素子Ｘ３の発振周波数ｆ３との和あるいは差を求め、このようにして演算された周波数ｆを温度検出信号として使用する形態である。
図２７に示すように、第１発振回路６１ａと、第２発振回路６１ｂ及び第３発振回路６１ｃとの間には、第２振動素子Ｘ２の第２発振回路６１ｂから出力される第２発振信号としての発振周波数ｆ２と、第３振動素子Ｘ３の第３発振回路６１ｃから出力される第３発振信号としての発振周波数ｆ３と、に基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度を推定し、この温度において第１発振回路６１ａにて第１発振信号としての設定周波数ｆ0が得られる制御信号としての制御電圧ＶC（ＶC＝Ｖ0－ΔＶ）を演算するための制御信号出力回路６３ｂが設けられている。
制御信号出力回路６３ｂは、周波数検出部６７ｂ，６７ｃと、温度推定部６８ｂと、補償電圧演算部６９と、加算部７０と、を有する。
第２発振回路６１ｂから出力される発振周波数ｆ２は、周波数検出部６７ｂを介して温度推定部６８ｂに入力される。第３発振回路６１ｃから出力される発振周波数ｆ３は、周波数検出部６７ｃを介して温度推定部６８ｂに入力される。
温度推定部６８ｂは、発振周波数ｆ２と発振周波数ｆ３との差分（ｆ３－ｆ２）を演算し、演算により得られた周波数の差分（ｆ３－ｆ２）と、周波数の差分（ｆ３－ｆ２）と温度Ｔとの関係データに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定する。
図２８は、周波数の差分（ｆ３－ｆ２）と温度Ｔとの関係データの一例を表すものであり、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性である３次曲線から第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性である３次曲線を差し引いたものである。図２８から分かるように、演算された周波数の差分（ｆ３－ｆ２）は、温度Ｔに対して概略比例関係にある。
温度推定部６８ｂは、周波数の差分（ｆ３－ｆ２）と温度Ｔとの関係データを記憶する記憶部と、発振周波数ｆ２と発振周波数ｆ３との差分（ｆ３－ｆ２）を演算する演算部と、周波数の差分（ｆ３－ｆ２）に対応する温度Ｔを図示しない記憶部内の関係データから読み出す読み出し部と、を備えている。
発振周波数ｆ２とｆ３の差分（ｆ３－ｆ２）を演算する代わりに、発振周波数ｆ２とｆ３の和（ｆ２＋ｆ３）を求め、周波数の和（ｆ２＋ｆ３）と温度Ｔとの関係データを参照して温度Ｔを求めるようにしても良い。また、発振周波数ｆ２と発振周波数ｆ３との差分を演算する代わりに、発振周波数ｆ２を電圧変換したＶ２と、発振周波数ｆ３を電圧変換したＶ３との差分を求め、電圧の差分（Ｖ３－Ｖ２）と温度Ｔとの関係データを参照して温度Ｔを求めるようにしても良い。
本実施形態の発振器２００ａは、第１振動素子Ｘ１の周波数－温度特性は発振信号出力に適した特性としながら、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性と、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性と、を温度検出に適した特性に調整することができるので、第２振動素子Ｘ２の発振周波数ｆ２と、第３振動素子Ｘ３の発振周波数ｆ３と、に基づいて、第１振動素子Ｘ１から出力される設定周波数ｆ0を速やかにかつ高精度に温度補償することができる。従って、設定周波数ｆ0が安定した高精度の発振器２００ａを得ることができる。
また、第２振動素子Ｘ２の周波数－温度特性と、第３振動素子Ｘ３の周波数－温度特性と、を異なる特性とし、第２振動素子Ｘ２の発振周波数ｆ２と、第３振動素子Ｘ３の発振周波数ｆ３と、の和あるいは差に基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを推定すれば、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔをより一層高精度に推定することができる。従って、設定周波数ｆ0がより一層安定した高精度の発振器２００ａを得ることができる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…振動素子、２…水晶基板、３…第１振動部、４…第１励振電極、５…第２振動部、６…第２励振電極、７…第３振動部、８…第３励振電極、９…固定部、１０，１１，１２…端子、１３，１４，１５…リード電極、１６ａ…第１主面、１６ｂ…第２主面、１７…第１傾斜面、１７ｒ…面、１８…第２傾斜面、１８ｒ…面、１９…貫通電極、２０，２０ａ，２０ｂ…中継基板、２１，２２，２３…固定端子、２１ａ…第１主面、２１ｂ…第２主面、２４，２５，２６…接続電極、２７，２８，２９…接続端子、２７ａ，２８ａ，２９ａ…側面電極、３０…パッケージ、３１…第１の基板、３２…第２の基板、３３…シールリング、３４…内部端子、３５…実装端子、３６…蓋部材、３７ａ，３７ｂ，３７ｃ，３８…接合部材、６１ａ…第１発振回路、６１ｂ…第２発振回路、６０…ＩＣチップ、６１ｃ…第３発振回路、６３…制御信号出力回路、６４ｂ，６４ｃ…入力端、６５…出力端、６６…バリキャップダイオード、６７…周波数検出部、６８…温度推定部、６９…補償電圧演算部、７０…加算部、９０…出力選択回路、９１…選択制御部、９２…出力選択部、９３…温度センサー、１００…振動子、２００，２００ａ…発振器、Ｓ，Ｓ１，Ｓ２…キャビティー、Ｘ１…第１振動素子、Ｘ２…第２振動素子、Ｘ３…第３振動素子、θ１，θ２，θ３…角度。

Claims (15)

  1. 第１振動部と、前記第１振動部の第１方向における一方側に配置された第２振動部と、前記一方側に配置されており、前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記第２振動部と並んでいる第３振動部と、を有する水晶基板と、
    前記第１振動部において、前記水晶基板の両主面に形成された一対の第１励振電極と、
    前記第２振動部において、前記第２振動部を前記水晶基板の厚さ方向に挟むように形成された一対の第２励振電極と、
    前記第３振動部において前記第３振動部を前記水晶基板の厚さ方向に挟むように形成された一対の第３励振電極と、を有し、
    前記一対の第２励振電極のうちの少なくとも一方の第２励振電極が前記両主面に対して傾斜した第１傾斜面に形成され、前記一対の第３励振電極のうちの少なくとも一方の第３励振電極が前記両主面及び前記第１傾斜面に対して傾斜した第２傾斜面に形成された振動素子と、
    前記振動素子を収納するパッケージと、を備え、
    前記振動素子は、前記パッケージに固定される固定部を有し、
    前記固定部は、前記第１振動部と、前記第２振動部及び前記第３振動部と、の間に配置されている、
    振動子。
  2. 前記パッケージに固定された中継基板を有し、
    前記振動素子は、前記固定部において、前記中継基板に固定され、前記中継基板を介して前記パッケージに固定されている、
    請求項１に記載の振動子。
  3. 前記中継基板は、前記中継基板の両端部において、前記パッケージに固定され、
    前記振動素子の前記固定部は、前記中継基板の前記両端部に挟まれた中央部において前記中継基板に固定されている、
    請求項２に記載の振動子。
  4. 前記中継基板は、
    前記パッケージに固定される枠状の第１枠部と、
    前記第１枠部の内側に配置されている枠状の第２枠部と、
    前記第２枠部の内側に配置され、前記振動素子が固定される振動素子支持部と、
    前記第２方向に沿って延在し、前記第１枠部と前記第２枠部とを接続する第１梁部と、
    前記第１方向に沿って延在し、前記第２枠部と前記振動素子支持部とを接続する第２梁部と、を有する、
    請求項２又は請求項３に記載の振動子。
  5. 前記中継基板は、
    前記パッケージに固定される枠状の第１枠部と、
    前記第１枠部の内側に配置され、前記振動素子が固定される振動素子支持部と、
    前記第２方向に沿って延在し、前記第１枠部と前記振動素子支持部とを接続する第１梁部と、を有する、
    請求項２又は請求項３に記載の振動子。
  6. 前記第１傾斜面の切断角度は、前記両主面の切断角度よりも小さく、
    前記第２傾斜面の切断角度は、前記両主面の切断角度よりも大きい、
    請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の振動子。
  7. 前記第１振動部と前記第２振動部と前記第３振動部とは、周波数－温度特性が異なる、
    請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の振動子。
  8. 前記第２振動部及び前記第３振動部の周波数－温度特性は、前記第１振動部の周波数－温度特性よりも周波数変化量が大きい、
    請求項７に記載の振動子。
  9. 前記第２振動部は、前記第１傾斜面の裏側に前記第１傾斜面と平行な面を有し、
    前記第３振動部は、前記第２傾斜面の裏側に前記第２傾斜面と平行な面を有している、
    請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の振動子。
  10. 前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、互いに近づくにしたがって前記第２振動部及び前記第３振動部の厚さが薄くなるように傾斜している、
    請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の振動子。
  11. 前記第１振動部は、少なくとも一方の主面に凸部が形成されている、
    請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の振動子。
  12. 前記振動素子は、前記第１振動部と、前記第２振動部及び前記第３振動部と、の間に貫通孔を備えている、
    請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の振動子。
  13. 請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の振動子と、
    第１励振電極に電気的に接続され、第１発振信号を出力する第１発振回路と、
    第２励振電極に電気的に接続され、第２発振信号を出力する第２発振回路と、
    第３励振電極に電気的に接続され、第３発振信号を出力する第３発振回路と、
    前記第２発振信号及び前記第３発振信号の少なくとも一方が入力され、前記入力された信号に基づいて、前記第１発振信号の発振周波数を制御する制御信号を出力する制御信号出力回路と、
    を備える発振器。
  14. 温度センサーと、
    前記第２発振信号及び前記第３発振信号が入力され、前記温度センサーの温度検出結果に基づいて、前記第２発振信号又は前記第３発振信号を選択的に出力する出力選択回路と、
    をさらに備え、
    前記制御信号出力回路は、前記出力選択回路の出力信号に基づいて、前記制御信号を出力する、
    請求項１３に記載の発振器。
  15. 前記出力選択回路は、前記第２発振信号及び前記第３発振信号のうち、前記温度センサーが検出した温度における周波数変化量が大きい周波数－温度特性を有する方を選択して出力する、
    請求項１４に記載の発振器。
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