JP6733332B2 - 水晶発振器及び水晶振動子の特性測定方法 - Google Patents

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。

水晶振動子に光源から光を当て、水晶振動子の振動によって生じる反射光の強弱を測ることで水晶振動子の周波数変化を測定する技術が知られている。

特開平8-15122号公報 特開平8-327398号公報

しかしながら、上記のような従来技術で得られるような水晶振動子の周波数変化の測定結果に基づいて、水晶振動子が出力停止（例えばクロック停止）に至る前の状態を検出することが難しい。尚、かかる水晶振動子の出力停止は、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、
前記筐体内に設けられる水晶片と、
前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
対の前記励振電極の一方に光を当てて該一方の前記励振電極で反射する反射光を発生させる発光素子と、
前記反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子に現れる信号に基づいて、発振状態の前記水晶片の発振レベルを表す指標値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み、
前記発光素子及び前記受光素子は、前記筐体に設けられる、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。 発光素子からの光の照射部を模式的に示す斜視図である。 水晶振動子の特性検知原理の説明図である。 受光信号の強度の変化の説明図である。 水晶振動子及びＩＣを含む水晶発振器の回路構成（実施例１）の一例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。 異常品の場合に受光信号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。 他の例による下側励振電極を示す斜視図である。 他の例による下側励振電極を示す斜視図である。 他の例による受光素子の配置の説明図である。 他の例による水晶振動子を概略的に示す断面図である。 実施例２による水晶振動子の概略的な断面図である。 実施例２による上側励振電極及び下側励振電極を示す図である。 モアレ縞の観測原理の説明図である。 カメラで観測されるモアレ縞と水晶振動子の発振状態との関係の説明図である。 水晶振動子及びＩＣを含む水晶発振器の回路構成（実施例２）の一例を概略的に示す図である。

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。図１Ｂには、発光素子９０からの光Ｌｇが模式的に示されている。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（厚みすべり振動）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、発光素子９０と、受光素子９２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の支持構造は、任意であるが、例えば水晶片１０は、筐体３０に片持ち構造で支持されてよい。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、水晶片１０は、筐体３０の土手部３１上に片持ち構造で支持される。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。

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、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４７１、及びワイヤ４７３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、筐体３０の下部の内表面に形成された導体パターン４８１、及びワイヤ４８３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。尚、ワイヤ４７３，４８３（及び以下で説明するワイヤ）は、ワイヤボンディングにより形成されてよい。尚、電導性接着剤４９は、水晶片１０の縁部（片持ち支持される側の縁部）に設けられてよい。

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る。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１は、筐体３０の下部の外表面に形成された導体パターン４１１、筐体３０に形成されたビア４１２、及びワイヤ４１３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。また、外部電極４４は、同様に、筐体３０の下部の外表面に形成された導体パターン４４１、筐体３０に形成されたビア４４２、及びワイヤ４４３を介して、ＩＣ２００に電気的に接続される。図示を省略したが、外部電極４２，４３とＩＣ２００との間も同様に導体パターン等を介して電気的に接続されてよい。

外部電極４１乃至４４は、筐体３０の外部の装置等に電気的に接続されてよい。即ち、外部電極４１乃至４４は、ＩＣ２００及び外部の装置に電気的に接続されることで、ＩＣ２００を外部の装置等に電気的に接続する。図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、外部電極４１、４４は、ＩＣ２００のアラーム出力端子２２２及びクロック出力端子２２０（図５参照）から各信号を取り出すために利用されてよい。また、図１Ａ及び図１Ｂに示す例において、外部電極４２、４３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に利用されてよい（配線の図示は省略）。

発光素子９０は、ガスレーザ、ＬＥＤ（light-emitting diode）、ハロゲンランプ等の任意の光源でありうるが、好ましくは、搭載性の観点から、半導体レーザである。受光素子９２は、撮像素子（例えばカメラに内蔵）であってもよいし、フォトダイオードや光電子増倍管であってもよい。発光素子９０及び受光素子９２は、発光素子９０から発され励振電極２０で反射された光が受光素子９２で受光されるように、水晶振動子１００に設けられる。

図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、発光素子９０は、筐体３０の下部の内表面（筐体内部側の表面）に固定され、上向きの光軸を有する。発光素子９０は、下側励振電極２２の縁部に対して上下方向で対向する位置に設けられる。尚、下側励振電極２２は、光を反射する材料により形成される。受光素子９２は、Ｙ方向で発光素子９０に並んで、筐体３０の下部の内表面（筐体内部側の表面）に固定される。受光素子９２は、発光素子９０から発され下側励振電極２２で反射された光を受光できる位置に設けられる。発光素子９０及び受光素子９２は、ＩＣ２００にそれぞれ電気的に接続される。発光素子９０及び受光素子９２とＩＣ２００との電気的な接続方法は任意である。発光素子９０及び受光素子９２とＩＣ２００との電気的な接続は、例えば、ワイヤボンディング等により実現されてもよい。

尚、図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、発光素子９０は、水晶片１０の下側表面に光を当てる態様で筐体３０に固定されるが、水晶片１０の上側表面（上側励振電極２１の縁部）に光を当てる態様で筐体３０（例えば蓋３４）に固定されてもよい。この場合、受光素子９２は、同様に、発光素子９０から発され上側励振電極２１で反射された光を受光できる位置に設けられる。また、筐体３０（例えば蓋３４）が透明なセラミック等のような光透過性のある材料で形成される場合、発光素子９０及び／又は受光素子９２は、筐体３０の外部に設けられてもよい（図１４参照）。また、図１Ａ及び図１Ｂに示す例では、発光素子９０及び受光素子９２は、Ｙ方向で隣接する態様で設けられるが、他の方向に隣接する態様で設けられてもよい。

ＩＣ２００は、上述のように、水晶振動子１００の励振電極２０、発光素子９０、及び受光素子９２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、発光素子９０、及び受光素子９２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。

尚、図１Ａ及び図１Ｂに示す例において、ＩＣ２００は、下面にバンプ（端子）を備えてよい。この場合、ＩＣ２００は、ワイヤ４１３等に代えて、バンプを介してビア４１２等に電気的に接続されてもよい。

図２は、発光素子９０からの光Ｌｇの照射部Ｐを模式的に示す斜視図である。

水晶振動子１００の発振状態において、発光素子９０は、下側励振電極２２に光Ｌｇを照射する。このとき、照射部（例えばレーザ光のスポット）Ｐは、図２に示すように、下側励振電極２２の縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを含む。即ち、発光素子９０は、下側励振電極２２の縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを同時に照射する。

このようにして下側励振電極２２に光Ｌｇを照射すると、下側励振電極２２に当たる光は反射され、反射光が生成される。他方、水晶片１０は、光を透過し、光を実質的に反射しない。従って、反射光は、実質的に下側励振電極２２のみから生成される。反射光は、下側励振電極２２の下方に配置された受光素子９２に入射する。即ち、受光素子９２は、下側励振電極２２からの反射光を受光する。

図３は、水晶振動子１００の特性検知原理の説明図であり、（Ａ）（Ｂ）及び（Ｃ）は、下側励振電極２２の縁部境界線２１ａと照射部Ｐとの各関係を示す図である。図３では、照射部Ｐのうちの下側励振電極２２に係る部分が"なし地"によりハッチングされている。

水晶振動子１００の発振状態において、照射部Ｐのうちの下側励振電極２２に係る部分は、図３に示すように、水晶片１０の主振動に伴って面積が変化する。例えば、図３（Ｂ）に示すように、水晶片１０の主振動に起因して水晶片１０が図３（Ａ）に示す状態に比べてＸ方向のＸ１側にΔ１だけ変位すると、照射部Ｐのうちの下側励振電極２２に係る部分の面積が図３（Ａ）に示す状態に比べて増加する。このとき、受光素子９２で受光される反射光の光量は図３（Ａ）に示す状態に比べて増加する。他方、図３（Ｃ）に示すように、水晶片１０の主振動に起因して水晶片１０が図３（Ａ）に示す状態に比べてＸ方向のＸ２側にΔ２だけ変位すると、照射部Ｐのうちの下側励振電極２２に係る部分の面積が図３（Ａ）に示す状態に比べて減少する。このとき、受光素子９２で受光される反射光の光量は図３（Ａ）に示す状態に比べて減少する。このようにして、受光素子９２で受光される反射光の光量は、水晶片１０の発振に伴って変化する。即ち、受光素子９２で受光される反射光の光量（受光信号の強度）は、図４に示すように、水晶片１０の出力特性に応じて変化する。図４には、縦軸に信号強度を取り、横軸に時間を取り、受光信号の強度の変化が態様が示される。受光信号の強度は、図４に示すように、水晶振動子１００の出力周波数に対応する周波数で振動する。

水晶片１０の発振レベルが低下すると、水晶片１０の発振に起因した、照射部Ｐのうちの下側励振電極２２に係る部分の面積の変動量が低下するので、受光素子９２で受光される反射光の光量の変動量が低下する。即ち、受光信号の振幅は、水晶振動子１００の発振レベルの低下に伴い低下する。従って、受光素子９２で得られる受光信号の振幅を監視することで、水晶片１０の発振レベルを間接的に監視できる。

図５は、水晶振動子１００及びＩＣ２００の回路構成の一例を概略的に示す図である。尚、図５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５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５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５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６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６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５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の発振状態において、発光素子９０を駆動し、発光素子９０から光を発生させる駆動機能を有する。

また、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、発光素子９０に電気的に接続される。アラーム発出回路２５０は、受光素子９２で受光される反射光の強度（受光量）を表す信号（以下、「受光信号」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、受光信号の振幅（指標値の一例）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。信号の振幅とは、直近の所定周期分の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信号のレベルの最大値（指標値の他の一例）を、振幅として用いてもよい。これは、例えば直近の１周期分の信号のレベルの最大値は、同周期における同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信号の振幅値の積算値（指標値の他の一例）を、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、受光信号の振幅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、基準値βは、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（例えば受光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６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６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７乃至図９Ｄ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７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７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７には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に、図５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７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７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７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５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５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７の下側にて時間変化特性Ｃ１ｃに示すように、図５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５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８乃至図９Ｄ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８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８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８には、下側に、横軸に時間を取り、縦軸に振幅を取り、図５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９Ａ乃至図９Ｄ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９Ａは、図５に示すポイントＡにおいて現れる信号の波形を示す。図９Ｂは、図５に示すポイントＢにおいて現れる信号の波形を示す。図９Ｃは、図５に示すポイントＣにおいて現れる信号の波形を示す。図９Ｄは、受光素子９２に現れる信号（受光信号）の波形を示す。図９Ａ乃至図９Ｄ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９Ｂ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９Ｃ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９Ｄ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８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８の下側にて時間変化特性Ｃ２ａ及び図９Ａに示すように、図５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Ｃ２ｂ及び図９Ｂに示すように、図５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５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８に示す異常品の場合、図８の下側にて時間変化特性Ｃ２ｂ及び図９Ｂに示すように、時刻ｔ３で、図５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５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８の下側にて時間変化特性Ｃ２ｃ及び図９Ｃに示すように、図５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９Ａ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８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７及び図８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片１０（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。尚、本明細書において、「水晶片の発振レベル」と「水晶振動子の発振レベル」とは同じ意味で用いられている。

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８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、受光素子９２で得られる受光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、受光信号の振幅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５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、発光素子９０及び受光素子９２を介して光学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１０は、実施例１による動作例の説明図である。図１０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１０には、対比のため、図８の場合における出力停止時点ｔ３が示される。図１０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１０には、前出の図８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１０での異常品は、前出の図８と同様の異常品であるとする。

図１０には、前出の図８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、受光素子９２に現れる受光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１０の上側にて時間変化特性Ｆ３に示すように、前出の図８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８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１０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１０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１０の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図５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１０の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図５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８と同様、設計寿命前に、図５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１０の下側にて矢印で模式的に示すように、受光素子９２に現れる受光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１０の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、図５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１０の下側にて時間変化特性Ｃ３ａに示すように、図５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５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５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５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１０に示す異常品の場合、図１０の下側にて時間変化特性Ｃ３ｂに示すように、時刻ｔ６で、図５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１０に示す異常品の場合、図５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８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８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１０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。

次に、上述の実施例１における水晶振動子１００の上側励振電極２１に対して代替えされてよい他の例による上側励振電極を説明する。

図１１は、他の例による下側励振電極２２Ａを示す斜視図である。図１１には、水晶片１０及び下側励振電極２２Ａのみが示され、発光素子９０からの光Ｌｇ（図１Ｂ参照）の照射部Ｐが併せて示されている。

図１１に示す例では、下側励振電極２２Ａは、複数のスリット（穴の一例）２１１を有する。スリット２１１は、下側励振電極２２Ａを貫通する。図１１に示す例では、スリット２１１は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に長い長穴である。但し、スリット２１１の長手方向は、Ｘ方向に垂直なＹ方向に対して傾斜してもよいし、Ｘ方向に平行であってもよい。

照射部Ｐは、図１１に示すように、下側励振電極２２Ａのスリット２１１まわりの縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを含む。即ち、発光素子９０は、下側励振電極２２Ａのスリット２１１まわりの縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを同時に照射する。これにより、水晶振動子１００の発振レベルの変化に伴い振幅が変化する受光信号に基づいて、水晶振動子１００の発振レベルを測定することが可能となる。

尚、図１１に示す例では、スリット２１１は、５つ、同一形状で形成されているが、スリット２１１の数や形状は任意である。スリット２１１は、上述の如く照射部Ｐのうちの下側励振電極２２Ａに係る部分の面積を水晶片１０の振動に伴い変化させる目的で形成される。従って、複数のスリット２１１は、好ましくは、下側励振電極２２Ａのうちの、水晶片１０の振動時に照射部Ｐ内に少なくとも一時的に含まれる範囲内に、全てが収まるように形成される。

図１２は、他の例による下側励振電極２２Ｂを示す斜視図である。図１２には、水晶片１０及び下側励振電極２２Ｂのみが示され、発光素子９０からの光Ｌｇ（図１Ｂ参照）の照射部Ｐが併せて示されている。

図１２に示す例では、下側励振電極２２Ｂは、単一の穴２１２を有する。穴２１２は、下側励振電極２２Ｂを貫通する。

照射部Ｐは、図１２に示すように、下側励振電極２２Ｂの穴２１２まわりの縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを含む。即ち、発光素子９０は、下側励振電極２２Ｂの穴２１２まわりの縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを同時に照射する。これにより、水晶振動子１００の発振レベルの変化に伴い振幅が変化する受光信号に基づいて、水晶振動子１００の発振レベルを測定することが可能となる。

図１３は、図１１及び図１２に示す例において受光素子９２で受光される反射光の光量の時系列波形を示す図である。図１２では、受光素子９２で受光される反射光の光量は、受光信号の強度として表されている。

図１１及び図１２に示す例によれば、図１３を図４と対比して分かるように、受光素子９２で受光される反射光の光量の時間変化の振幅を大きくできる。これは、水晶片１０は、一般的に、電荷密度が高い中心部が周辺部よりも大きくひずむ（振動する）ため、水晶片１０の振動時の変位が、Ｘ方向の中心部の方が周辺部よりも大きくなるためである。尚、この目的のため、好ましくは、スリット２１１及び穴２１２は、下側励振電極２２Ａ及び２２ＢにおけるＸ方向の中心部付近（Ｘ方向で下側励振電極２２Ａ及び２２Ｂの縁部よりも中心に近い領域）に形成される。換言すると、スリット２１１及び穴２１２は、照射部Ｐが下側励振電極２２Ａ及び２２ＢにおけるＸ方向の中心部付近に位置するように形成される。尚、スリット２１１及び穴２１２は、その存在が水晶振動子１００の振動特性に影響しないように、好ましくは、Ｘ方向に対する垂直なＹ方向では、下側励振電極２２Ａ及び２２Ｂの端に形成される。

尚、上述した実施例１（図１１及び図１２に示す例についても同様）では、発光素子９０及び受光素子９２は、筐体３０に設けられるが、これに限られない。例えば、図１４に示す水晶振動子１００Ｂでは、発光素子９０Ｂは、筐体３０の外部に設けられる。図１４には、発光素子９０Ｂからの光Ｌｇが上側励振電極２１で反射して発生する反射光Ｌ２が模式的に示される。この場合、蓋３４は、光透過性のある材料により形成される。受光素子９２Ｂは、反射光Ｌ２を受光できる態様で蓋３４の下側表面に固定される。受光素子９２Ｂは、同様に、ＩＣ２００に電気的に接続される。図１４に示す例においても、同様に、照射部（例えばレーザ光のスポット）は、上側励振電極２１の縁部と、該縁部にＸ方向で隣接する水晶片１０の部位とを含む。この場合も、水晶振動子１００Ｂの発振レベルの変化に伴い振幅が変化する受光信号に基づいて、水晶振動子１００Ｂの発振レベルを測定することが可能となる。

［実施例２］
実施例２による水晶発振器は、実施例１による水晶発振器に対して、水晶振動子１００及びＩＣ２００が水晶振動子１００Ｃ及びＩＣ２００Ｃでそれぞれ置換される点が異なる。実施例２による水晶振動子１００Ｃは、図１に示した水晶振動子１００に対して、上側励振電極２１及び下側励振電極２２が上側励振電極２１Ｃ及び下側励振電極２２Ｃでそれぞれ置換された点が異なる。また、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、発光素子９０及び受光素子９２が発光素子９０Ｃ及びカメラ９２Ｃでそれぞれ置換された点が異なる。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。

図１５は、水晶振動子１００Ｃの概略的な断面図である。尚、図１５は、図１ＡにおけるラインＢ−Ｂに沿った断面図相当である。尚、図１５には、水晶振動子１００Ｃに加えて、ＩＣ２００Ｃについても図示されている。

発光素子９０Ｃは、蓋３４の下側表面に固定される。発光素子９０Ｃは、上側励振電極２１Ｃの上側表面の所定の照射領域（後述の複数の第１スリット２１４が形成される領域）に光を照射する。

カメラ９２Ｃは、例えばマトリックス状に配列された複数の受光素子（撮像素子）を備える。カメラ９２Ｃは、上側励振電極２１Ｃの上側表面の所定の照射領域を撮像できる態様で蓋３４の下側表面に固定される。カメラ９２Ｃは、同様に、ＩＣ２００に電気的に接続される。

図１６は、上側励振電極２１Ｃ及び下側励振電極２２Ｃを示す図であり、（Ａ）は、水晶片１０を上側から視た斜視図であり、（Ｂ）は、水晶片１０を下側から視た斜視図である。図１６には、水晶片１０、上側励振電極２１Ｃ及び下側励振電極２２Ｃのみが示されている。

上側励振電極２１Ｃは、図１６（Ａ）に示すように、第１方向に延在する複数の第１スリット２１４が形成される点が、図１に示した水晶振動子１００の上側励振電極２１と異なる。第１スリット２１４の長手方向（第１方向）は、Ｘ方向に対して第１角度（＝θ＋Δθ）傾斜している。第１角度は、好ましくは、４５度以下の角度である。各第１スリット２１４は、互いに平行に、隣接する第１スリット２１４に対して所定の間隔（ピッチ）ｄをおいて形成される。

下側励振電極２２Ｃは、図１６（Ｂ）に示すように、第２方向に延在する複数の第２スリット２１６が形成される点が、図１に示した水晶振動子１００の下側励振電極２２と異なる。第２スリット２１６の長手方向（第２方向）は、Ｘ方向に対して第２角度（＝θ≠第１角度）傾斜している。第２角度は、好ましくは、４５度以下の角度である。各第２スリット２１６は、互いに平行に、隣接する第２スリット２１６に対して所定の間隔（ピッチ）ｄをおいて形成される。図１６に示す例では、複数の第２スリット２１６が形成されるピッチｄは、複数の第１スリット２１４が形成されるピッチｄと同じであるが、異なってもよい。また、図１６に示す例では、第１角度及び第２角度は、共に０でないが、いずれかが０であってもよい。

第２スリット２１６は、水晶片１０に対する面直視（水晶片１０の表面に対して垂直な方向で視たビュー）で、第１スリット２１４に交差する。第２スリット２１６及び第１スリット２１４は、好ましくは、水晶片１０に対する面直視で一の第１スリット２１４に対して２本以上の第２スリット２１６が交差する態様で形成される。

図１７は、モアレ縞の観測原理の説明図であり、水晶片１０に対する面直視で下側励振電極２２Ｃの反射部位をハッチング領域９０１で示す。図１７は、第１スリット２１４及び第２スリット２１６の関係を透視図で示す。図１７では、第１スリット２１４及び第２スリット２１６の数や形状は、観測原理の説明のための都合上、図１６に示した数や形状とは異なる態様で図示されている。

水晶振動子１００Ｃの発振状態において、上側励振電極２１Ｃに光Ｌｇを照射すると、上側励振電極２１Ｃは、上述の如く光を反射するので、反射光（図示せず）を生成する。他方、水晶片１０は、光を透過し、光を実質的に反射しない。また、下側励振電極２２Ｃは、上述の如く光を反射するので、第１スリット２１４を介して入射した光Ｌｇに対する反射光（図示せず）を生成する。この際、下側励振電極２２Ｃの反射部位は、第２スリット２１６が形成されていない部位である。下側励振電極２２Ｃの反射部位は、図１７に模式的に示すように、第１スリット２１４の長手方向に対して略垂直方向に並ぶ。この結果、第１スリット２１４及び第２スリット２１６に起因して面直視でモアレ縞が、上側励振電極２１Ｃの上方に配置されたカメラ９２Ｃで観測可能となる。即ち、カメラ９２Ｃを上側励振電極２１Ｃの上方に配置し、上側励振電極２１Ｃを照明したときに形成されるモアレ縞を撮像する。

図１８は、カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞と水晶振動子１００Ｃの振動状態との関係の説明図である。図１８において、（Ａ）は、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが小さいときのモアレ縞を模式的に示し、（Ｂ）は、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが大きいときのモアレ縞を模式的に示す。図１８（Ａ）及び（Ｂ）において、ハッチングのグレーの濃さの相違はモアレ縞の濃さの相違を表し、グレーが濃い方が濃い（光量が多い）ことを表す。また、図１８において、（Ｃ）は、モアレ縞の濃さの相違をグラフで模式的に示す。尚、図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、モアレ縞の各縞はＸ方向に対して垂直方向が長手方向となる向きで形成されているが、モアレ縞の長手方向は、Ｘ方向に対して傾斜してもよい。この場合、傾斜角度は、好ましくは、４５度以下の角度である。

カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞の間隔Ｄ（図１８（Ｃ）参照）は、以下の式にて表される。
Ｄ＝d{d/2sin(Δθ/2)}≒d/Δθ
尚、Δθは非常に小さい角度であることで近似されている。

カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞は、図１８に示すように、水晶振動子１００Ｃの振動状態に応じて濃度が異なる。具体的には、図１８（Ａ）に示すように、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが相対的に小さいときは、モアレ縞のコントラストは相対的に高くなる。即ち、カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞の濃さは相対的に濃くなる。他方、図１８（Ｂ）に示すように、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが相対的に大きいときは、モアレ縞のコントラストは相対的に低くなる。即ち、カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞の濃さは相対的に薄くなる。これは、水晶振動子１００Ｃの振動に伴い上側励振電極２１ＣがＸ方向に振動すると、第１スリット２１４を通してカメラ９２Ｃから見える下側励振電極２２Ｃの部位（図１７のハッチング領域９０１参照）がＸ方向に振動するためである。

図１８（Ｃ）には、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが相対的に小さいときの光強度が、実線にて示され、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが相対的に大きいときの光強度が、点線にて示されている。カメラ９２Ｃから見える下側励振電極２２Ｃの部位がＸ方向に振動した状態では、図１８（Ｃ）に示すように、単位時間当たりカメラ９２Ｃのある一画素で受光できる光の強度は、水晶振動子１００Ｃの発振レベルが大きいほど小さくなる。従って、カメラ９２Ｃで観測されるモアレ縞の濃さを解析することで、水晶振動子１００Ｃの発振レベルを評価（測定）できることが分かる。

図１９は、水晶振動子１００Ｃ及びＩＣ２００Ｃの回路構成の一例を概略的に示す図である。尚、図１９においては、ＩＣ２００Ｃ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１００Ｃに流れる電流（図１４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１９において、上述した実施例１と同様であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

ＩＣ２００Ｃは、上述した実施例１によるＩＣ２００に対して、アラーム発出回路２５０及び基準電圧発生部２７０に代えてアラーム発出回路２５０Ｃ及び基準電圧発生部２７０Ｃがそれぞれ設けられる点が異なる。尚、ＩＣ２００Ｃは、水晶振動子１００Ｃと共に水晶発振器の一例を形成する。

アラーム発出回路２５０Ｃは、水晶振動子１００Ｃの発振状態において、発光素子９０Ｃを駆動し、発光素子９０Ｃから光を発生させる駆動機能を有する。

また、アラーム発出回路２５０Ｃは、水晶振動子１００Ｃが出力停止に至る前の状態（出力停止前状態）を検出する機能（出力停止前状態検出機能）を有する。アラーム発出回路２５０Ｃは、カメラ９２Ｃに電気的に接続される。アラーム発出回路２５０Ｃは、カメラ９２Ｃで得られる受光信号に基づいて、モアレ縞の濃さを監視することで、出力停止前状態検出機能を実現する。例えば、アラーム発出回路２５０Ｃは、モアレ縞の濃さ（指標値の他の一例）が所定の基準値β６以上となった場合に、アラームを発生する。基準値β６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、モアレ縞の濃さＥｍ'、よりも大きい値に設定される。例えば、基準値β６は、β６＝１．１×Ｅｍ'又はβ６＞１．１×Ｅｍ'であってよい。尚、基準値β６は、上述の基準値βと同様の態様で設定されてよい。

基準電圧発生部２７０Ｃは、アラーム発出回路２５０Ｃで用いられる基準値β６に対応する電圧を発生する。

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、発光素子９０Ｃ及びカメラ９２Ｃ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、発光素子９０Ｃ及びカメラ９２Ｃを介して光学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。

尚、上述した実施例２では、アラーム発出回路２５０Ｃ、利得制御回路２６０、及び基準電圧発生部２７０Ｃの機能は、ＩＣ２００Ｅ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２５０Ｃ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２７０Ｃ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。

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。

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、
前記筐体内に設けられる水晶片と、
前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
対の前記励振電極の一方に光を当てて該一方の前記励振電極で反射する反射光を発生させる発光素子と、
前記反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子に現れる信号に基づいて、発振状態の前記水晶片の発振レベルを表す指標値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、前記水晶片を含む発振回路が出力停止に至るときの前記指標値よりも大きい、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、
前記指標値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）
前記発光素子及び前記受光素子は、前記筐体に設けられる、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）
前記指標値は、前記受光素子で受光される光の強度を表す信号の振幅である、付記１〜６のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記８）
前記受光素子は、カメラに含まれる複数の撮像素子であり、
対の前記励振電極の前記一方は、複数の第１スリットが形成され、対の前記励振電極の他方は、前記水晶片の表面に垂直な方向で視たときに前記第１スリットに交差する複数の第２スリットが形成され、
前記発光素子は、前記第１スリットの形成範囲を光を当てて前記反射光を発生させ、
前記指標値は、前記反射光により形成されるモアレ縞の濃さである、付記１〜６のうちのいずれか１項に記載の水晶発振器。
（付記９）
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、前記指標値よりも大きい、付記３に記載の水晶発振器。
（付記１０）
前記発光素子は、対の前記励振電極の前記一方の縁部と、前記縁部に前記水晶片の振動方向で隣接する前記水晶片の部位とを同時に照射する、付記７に記載の水晶発振器。
（付記１１）
対の前記励振電極の前記一方は、穴を有し、
前記発光素子は、対の前記励振電極の前記一方の前記穴まわりの縁部と、前記縁部に前記水晶片の振動方向で隣接する前記水晶片の部位とを同時に照射する、付記７に記載の水晶発振器。
（付記１２）
前記穴は、前記水晶片の振動方向で、前記対の前記励振電極の前記一方の縁部よりも中心に近い位置に形成される、付記１１に記載の水晶発振器。
（付記１３）
水晶振動子の筐体に設けられる発光素子を用いて、発振状態の前記水晶振動子に光を当てて前記水晶振動子の励振電極で反射する反射光を発生させ、
前記筐体に設けられる受光素子を用いて前記反射光を受光し、前記受光素子に現れる信号に基づいて、前記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。
（付記１４）
筐体と、
前記筐体内に設けられる水晶片と、
前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
対の前記励振電極の一方に光を当てて該一方の前記励振電極で反射する反射光を発生させる発光素子と、
前記反射光を受光する受光素子とを含む、水晶振動子。

１０ 水晶片
２０ 励振電極
２１、２１Ｃ 上側励振電極
２２、２２Ａ〜２２Ｃ 下側励振電極
３０ 筐体
３１ 土手部
３４ 蓋
４１〜４４ 外部電極
４７ 導体パターン
４８ 導体パターン
４９ 電導性接着剤
９０、９０Ｂ、９０Ｃ 発光素子
９２、９２Ｂ 受光素子
９２Ｃ カメラ（受光素子）
１００、１００Ｂ、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）
２１１ スリット
２１２ 穴
２１４ 第１スリット
２１６ 第２スリット
２２２ アラーム出力端子
２５０、２５０Ｃ アラーム発出回路
２６０ 利得制御回路
２７０、２７０Ｃ 基準電圧発生部

Claims (8)

1. 筐体と、
   前記筐体内に設けられる水晶片と、
   前記水晶片に設けられる対の励振電極と、
   対の前記励振電極の一方に光を当てて該一方の前記励振電極で反射する反射光を発生させる発光素子と、
   前記反射光を受光する受光素子と、
   前記受光素子に現れる信号に基づいて、発振状態の前記水晶片の発振レベルを表す指標値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み、
   前記発光素子及び前記受光素子は、前記筐体に設けられる、水晶発振器。
2. 前記基準値は、前記水晶片を含む発振回路が出力停止に至るときの前記指標値よりも大きい、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、
   前記指標値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. 前記指標値は、前記受光素子で受光される光の強度を表す信号の振幅である、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. 前記受光素子は、カメラに含まれる複数の撮像素子であり、
   対の前記励振電極の前記一方は、複数の第１スリットが形成され、対の前記励振電極の他方は、前記水晶片の表面に垂直な方向で視たときに前記第１スリットに交差する複数の第２スリットが形成され、
   前記発光素子は、前記第１スリットの形成範囲を光を当てて前記反射光を発生させ、
   前記指標値は、前記反射光により形成されるモアレ縞の濃さである、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. 水晶振動子の筐体に設けられる発光素子を用いて、発振状態の前記水晶振動子に光を当てて前記水晶振動子の励振電極で反射する反射光を発生させ、
   前記筐体に設けられる受光素子を用いて前記反射光を受光し、前記受光素子に現れる信号に基づいて、発振状態の前記水晶振動子の発振レベルを表す指標値が基準値以下になった場合に、アラーム発生部はアラームを発生し、前記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。