JP7404760B2 - 発振器、電子機器、及び移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、振動素子、発振器、電子機器、及び移動体に関する。
水晶基板の両主面に励振電極を形成した水晶振動子は、周波数－温度特性が安定しているため、周波数信号を出力する基準周波数源として、例えば温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）などの発振器に用いられている。このＴＣＸＯは、温度センサーを用いた温度補償回路を備えており、広い温度範囲に亘って安定した周波数信号が得られる。しかし、水晶振動子は、水晶基板がパッケージ内に収容されているため、水晶基板と温度センサーとの間で熱伝達時間差を生じ、温度センサーによる計測温度と水晶基板の温度とに差を生じてしまい温度補償精度が低下するという問題があった。
そのため、例えば特許文献１では、共通の圧電板に発振信号出力用の第１の振動部と温度検出用の第２の振動部とを設け、１つの圧電板に発振信号出力用と温度検出用の２つの振動子を形成し、２つの振動子間での熱伝達時間差をなくし、発振信号出力用の振動子の温度を正確に測定する構成が開示されている。
特開２０１３－９８８４１号公報
しかしながら、特許文献１に記載の振動子は、発振信号出力用の励振電極と温度検出用の励振電極とが切断角度が同じ同一主面に形成されているので、発振信号出力用の振動子と温度検出用の振動子とが同様の周波数－温度特性となる。そのため、発振信号用の振動子は、温度変化に対して周波数変化が小さくなるような切断角度に設定されるので、温度検出用の振動子も温度変化に対して周波数変化が小さくなり、周波数変化に対する温度変化の分解能が低く、発振信号出力用の振動子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った。
振動素子は、第１振動部と第２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ている一対の第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ている一対の第２励振電極と、を備え、前記一対の第２励振電極のうちの少なくとも一方の前記第２励振電極は、前記両主面に対して傾斜している傾斜面に形成されていることを特徴とする。
上記の振動素子において、前記両主面と前記傾斜面とは、切断角度が異なることが好ましい。
上記の振動素子において、前記第１振動部と前記第２振動部とは、周波数－温度特性が異なることが好ましい。
上記の振動素子において、前記第２振動部の前記周波数－温度特性は、前記第１振動部の前記周波数－温度特性よりも周波数変化量が大きいことが好ましい。
上記の振動素子において、前記傾斜面は、前記第１振動部から離れるにしたがって前記第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜していることが好ましい。
上記の振動素子において、前記傾斜面は、前記第１振動部に近づくにしたがって前記第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜していることが好ましい。
上記の振動素子において、前記第１振動部は、前記両主面のうちの少なくとも一方の前記主面に凸部が形成されていることが好ましい。
上記の振動素子において、前記振動素子は、前記振動素子をパッケージに固定する固定部を有し、前記第１振動部及び前記第２振動部と、前記固定部との間に、貫通孔及び幅狭部の少なくとも一方を備えていることが好ましい。
上記の振動素子において、前記第１振動部と前記第２振動部との間に、貫通孔及び薄肉部の少なくとも一方を備えることが好ましい。
発振器は、上記の振動素子と、前記第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、前記第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、前記第２発振信号に基づいて、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、を備えていることを特徴とする。
電子機器は、上記の発振器を備えていることを特徴とする。
移動体は、上記の発振器を備えていることを特徴とする。
第１実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。 図１のＡ－Ａ線での断面図。 水晶基板の切断角度を説明する図。 水晶基板の切断角度に対する周波数－温度特性を示す図。 振動素子の周波数－温度特性を示す図。 振動素子の主要な製造工程を示すフローチャート。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 振動素子の製造工程を説明する断面図。 第２実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。 図１３のＢ－Ｂ線での断面図。 第３実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。 図１５のＣ－Ｃ線での断面図。 第４実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。 図１７のＤ－Ｄ線での断面図。 第５実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。 図１９のＥ－Ｅ線での断面図。 第６実施形態に係る発振器の概略構成を示す平面図。 図２１のＦ－Ｆ線での断面図。 発振器の回路構成を示すブロック図。 第７実施形態に係る発振器を備える電子機器としてのスマートフォンの構成を示す斜視図。 第８実施形態に係る発振器を備える移動体としての自動車の構成を示す斜視図。
１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る振動素子１について、図１及び図２を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係る振動素子１の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線での断面図である。なお、図中のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸は、互いに直交する水晶の結晶軸であり、Ｙ’軸、Ｚ’軸は、Ｙ軸、Ｚ軸をＸ軸のまわりに回転させたときの軸である。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ’軸に沿う方向を「Ｙ’方向」、Ｚ’軸に沿う方向を「Ｚ’方向」とし、矢印の方向がプラス方向である。また、Ｙ’方向のプラス方向を「上」又は「上方」、Ｙ’方向のマイナス方向を「下」又は「下方」として説明する。
本実施形態に係る振動素子１は、水晶基板１０と、第１振動部１１に形成された第１励振電極２１と、第２振動部１２に形成された第２励振電極２２と、固定部１３に形成された端子２５，２６と、第１励振電極２１及び第２励振電極２２と端子２５，２６とを夫々電気的に接続するリード電極２３，２４と、を備えている。
振動素子１は、一対の第１励振電極２１が形成された第１振動部１１で第１振動素子Ｘ１を構成し、一対の第２励振電極２２が形成された第２振動部１２で第２振動素子Ｘ２を構成しており、第１振動素子Ｘ１と第２振動素子Ｘ２とが結合している。
水晶基板１０は、ＸＺ’面を主面とし、Ｙ’方向を厚さ方向とする平板であり、第１励振電極２１が形成される第１振動部１１と、第２励振電極２２が形成される第２振動部１２と、水晶基板１０を図示しないパッケージなどの内部に固定する固定部１３と、を有している。
第１振動部１１及び第２振動部１２と固定部１３との間には、夫々第１貫通孔１４、第２貫通孔１５、及び幅狭部１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設けられている。そのため、パッケージへの実装に伴う応力が固定部１３から第１振動部１１及び第２振動部１２へ伝わるのを低減することができる。なお、幅狭部とは、幅狭部のＺ’方向の長さが水晶基板１０のＺ’方向の長さより短い部分である。
第１振動部１１は、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとが平行であり、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとの夫々に一対の第１励振電極２１が平面視で重なるように形成されている。なお、本実施形態において、第１主面１１ａと第２主面１１ｂとは、両主面に相当する。
第２振動部１２は、第１主面１１ａに対して傾斜している傾斜面１２ａを有し、傾斜面１２ａと第２主面１１ｂとの夫々に一対の第２励振電極２２が平面視で重なるように形成されている。第２振動部１２の傾斜面１２ａは、第１振動部１１から離れるにしたがって第２振動部１２の厚さが薄くなるように傾斜している。
第１振動部１１の第１主面１１ａには、第１励振電極２１と、図示しない発振回路と電気的に接続するための端子２５と、第１励振電極２１と端子２５とを電気的に接続するリード電極２３と、が形成されている。
第１振動部１１の第２主面１１ｂには、第１励振電極２１と、端子２５と、第１励振電極２１と端子２５とを電気的に接続するリード電極２３と、が形成されている。
第２振動部１２の傾斜面１２ａには、第２励振電極２２と、端子２６と、第２励振電極２２と端子２６とを電気的に接続するリード電極２４と、が形成されている。
第２振動部１２の第２主面１１ｂには、第２励振電極２２と、端子２６と、第２励振電極２２と端子２６とを電気的に接続するリード電極２４と、が形成されている。
第１振動素子Ｘ１は、一対の第１励振電極２１が第１振動部１１の第１主面１１ａと第２主面１１ｂとに形成され、端子２５に電圧を印加することで、第１振動部１１を振動させることができる。
第２振動素子Ｘ２は、一対の第２励振電極２２が第２振動部１２を水晶基板１０の厚さ方向に挟むように形成され、つまり、一対の第２励振電極２２が第２振動部１２の傾斜面１２ａと第２主面１１ｂとに形成され、端子２６に電圧を印加することで、第２振動部１２を振動させることができる。
次に、本実施形態の水晶基板１０について、図３、図４、及び図５を参照して詳細に説明する。
図３は、水晶基板１０の切断角度θを説明する図である。図４は、水晶基板１０の切断角度θに対する周波数－温度特性を示す図である。図５は、振動素子１の周波数－温度特性を示す図である。
水晶基板１０は、図３に示すように、互いに直交する結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有し、Ｘ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、Ｚ軸は光学軸と、それぞれ呼称され、ＸＺ面をＸ軸のまわりに所定の角度θだけ回転させて得られる平面に沿って、切り出された平板であって、所謂、回転Ｙカット水晶基板である。なお、Ｘ軸のまわりの角度θは、切断角度θと呼称される。回転Ｙカット水晶基板の周波数－温度特性は、図４に示すように、切断角度θにより決まる。図４は、回転Ｙカット水晶基板の２′間隔の切断角度θに対する周波数－温度特性を示したものである。図４より、切断角度θによって、温度Ｔの変化に対して、周波数変化量Δｆ／ｆが小さい特性や大きい特性を選択することができる。
回転Ｙカット水晶基板の切断角度θが３５．２５°（３５°１５′）の場合、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。ここで、ＡＴカット水晶基板は、直交する結晶軸Ｘ、Ｙ’、Ｚ’を有し、厚み方向がＹ’軸であり、Ｙ’軸に直交するＸ軸とＺ’軸を含む面が主面であり、主面に厚み滑り振動が主振動として励振される。
本実施形態の水晶基板１０は、第１振動部１１の第１主面１１ａが切断角度θ１であり、第２振動部１２の傾斜面１２ａが切断角度θ２である。なお、第２主面１１ｂは、第１主面１１ａと平行なので切断角度θ１である。そのため、第１振動部１１は、切断角度θ１に対応した周波数－温度特性を得ることができ、第２振動部１２は、傾斜面１２ａの切断角度θ２と第２主面１１ｂの切断角度θ１との中間の角度（θ１＋θ２）／２に対応した周波数－温度特性を得ることができる。また、第１振動部１１の切断角度θ１を３５．２５°（３５°１５′）とすると、第２振動部１２の周波数－温度特性は、第１振動部１１の周波数－温度特性よりも周波数変化量Δｆ／ｆが大きくなる。
図５に示すように、第１振動部１１を含む第１振動素子Ｘ１を温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆが小さい周波数－温度特性を有する発振信号出力用とし、傾斜面１２ａを有する第２振動部１２を含む第２振動素子Ｘ２を温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆが大きい周波数－温度特性を有する温度検出用とすることで、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔを精度良く検出することができる。また、発振信号出力用の第１振動素子Ｘ１と温度検出用の第２振動素子Ｘ２とが同一の水晶基板１０に形成されているため、熱伝達時間の差がなく、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔをより正確に検出することができる。
なお、本実施形態では、第２振動部１２の一方の面に傾斜面１２ａを設けているが、これに限定することはなく、傾斜面を他方の面にも設けて、第２振動部１２の両面に設けても構わない。
本実施形態の振動素子１は、第２振動部１２が第１主面１１ａに対して傾斜している傾斜面１２ａを有しているため、第２励振電極２２を形成することで、第１振動部１１と異なる周波数－温度特性を得ることができる。そのため、第１振動部１１を発振信号出力用として安定な周波数－温度特性に設定し、第２振動部１２を、第１振動部１１に比べ、温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆが大きい周波数－温度特性を有する温度検出用とすることで、発振信号出力用とする第１振動部１１の温度Ｔを精度良く検出することができる。
また、第１主面１１ａと傾斜面１２ａとの切断角度θが異なるため、第１主面１１ａと切断角度θが異なる傾斜面１２ａを有する第２振動部１２の周波数－温度特性を第１振動部１１と異なる周波数－温度特性とすることができる。
また、第１振動部１１と第２振動部１２との周波数－温度特性が異なるので、温度Ｔによる周波数変化量Δｆ／ｆの大きい周波数－温度特性を有する振動部を温度検出用とすることで、温度検出の精度を良くすることができる。
また、傾斜面１２ａが第１振動部１１から離れるにしたがって第２振動部１２の厚さが薄くなるように傾斜しているので、第２振動部１２の切断角度θが第１振動部１１と異なり、第２振動部１２を第１振動部１１と異なる周波数－温度特性とすることができる。
また、第２振動部１２の周波数－温度特性が第１振動部１１の周波数－温度特性よりも周波数変化量Δｆ／ｆが大きいので、第２振動部１２を温度検出用にすると、周波数変化に対する温度変化の分解能が高くなり、第１振動部１１の温度Ｔを精度良く検出することができる。
次に、本実施形態に係る振動素子１の製造方法について、図６～図１２を参照して説明する。
図６は、振動素子１の主要な製造工程を示すフローチャートである。図７～図１２は、振動素子１の製造工程を説明する断面図である。
振動素子１の製造方法は、図６に示すように、水晶基板準備工程と、レジスト塗布工程と、パターン形成工程と、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。
１．１ 水晶基板準備工程
先ず、ステップＳ１において、振動素子１の量産性や製造コストを考慮し、大型基板から複数個の振動素子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。なお、大型水晶基板８０は、水晶原石を所定の切断角度θ１、例えば、３５．２５°（３５°１５′）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。
１．２ レジスト塗布工程
次に、ステップＳ２において、図７に示すように、大型水晶基板８０上にレジスト８２を塗布する。
１．３ パターン形成工程
次に、ステップＳ３において、図８に示すように、レジスト８２上に傾斜面１２ａが形成される領域が開口した、所謂、クロムなどの光遮蔽膜がパターニングされていない領域を有するフォトマスク８４をレジスト８２上に配置し、露光装置等を用いて光を照射する。この時、大型水晶基板８０の板厚を薄くする部分に照射される光量が板厚を薄くしない部分より大きくなる条件化でレジスト８２を露光し、現像することで、レジスト８２の板厚の厚い部分から板厚の薄い部分に向けて徐々に板厚が薄くなる膜厚分布を有するレジスト８２を形成することができる。なお、この露光方法は、露光の強弱を調整して露光するグレイスケール露光といわれる。
１．４ ドライエッチング工程
次に、ステップＳ４において、プラズマエッチング装置等を用いて、大型水晶基板８０の上方からドライエッチングしてレジスト８２を除去すると、図１０に示すように、図９で形成された傾斜を有する形状が大型水晶基板８０に転写され、傾斜面１２ａが大型水晶基板８０に形成される。なお、傾斜面１２ａの形成は、上述の方法以外によって形成してもよい。例えば、傾斜面１２ａの形状に対応した窪みを有する金型に感光性樹脂を充填し、大型水晶基板８０に転写して硬化させた後に、ドライエッチング法で傾斜面１２ａを形成してもよい。
１．５ 個片化工程
次に、ステップＳ５において、図１１に示すように、例えば、ダイシングブレード等を用いて傾斜面１２ａを有する大型水晶基板８０を切断し、個片化する。
１．６ 電極形成工程
次に、ステップＳ６において、図１２に示すように、第１励振電極２１、第２励振電極２２、リード電極２３，２４、及び端子２５，２６を個片化した水晶基板１０上に、例えば、スパッタ装置や蒸着装置等で形成する。以上によって、傾斜面１２ａを有する振動素子１が得られる。
なお、電極形成は、個片化工程前に、フォトリソグラフィー技法で形成しても構わない。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る振動素子１ａについて、図１３及び図１４を参照して説明する。
図１３は、第２実施形態に係る振動素子１ａの概略構成を示す平面図である。図１４は、図１３のＢ－Ｂ線での断面図である。
本実施形態の振動素子１ａは、第１実施形態の振動素子１に比べ、第２振動部１７に設けられた傾斜面１７ａの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動素子１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
振動素子１ａは、図１３及び図１４に示すように、水晶基板１０ａの第２振動部１７に設けられた傾斜面１７ａが第１振動部１１に近づくにしたがって第２振動部１７の厚さが薄くなるように傾斜している。
このような構成とすることで、第２振動部１７の切断角度θが第１振動部１１と異なり、第２振動部１７を第１振動部１１と異なる周波数－温度特性とすることができる。そのため、第１振動部１１を発振信号出力用として安定な周波数－温度特性に設定し、第２振動部１７を、第１振動部１１に比べ、温度変化に対する周波数変化量Δｆ／ｆが大きい周波数－温度特性を有する温度検出用とすることで、発振信号出力用とする第１振動部１１の温度Ｔを精度良く検出することができる。また、第１振動部１１の第１主面１１ａと第２振動部１７の傾斜面１７ａとの間に段差が形成されるので、第１振動部１１の振動エネルギーを第１振動部１１内に閉じ込めることができ、第１振動部１１から第２振動部１７への振動漏洩を低減することができる。また、第１振動部１１と第２振動部１７が並ぶ方向である図１３中Ｚ’方向において、第２振動部１７の実質的な振動領域を第１振動部１１から離すことができるので、第１振動部１１及び第２振動部１７のそれぞれの振動をより安定させることができる。
３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る振動素子１ｂについて、図１５及び図１６を参照して説明する。
図１５は、第３実施形態に係る振動素子１ｂの概略構成を示す平面図である。図１６は、図１５のＣ－Ｃ線での断面図である。
本実施形態の振動素子１ｂは、第１実施形態の振動素子１に比べ、第１振動部１８の形状が異なること以外は第１実施形態の振動素子１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
振動素子１ｂは、図１５及び図１６に示すように、水晶基板１０ｂの第１振動部１８に２つの凸部１８ａが形成され、凸部１８ａ上に第１励振電極２１が配置されている。一方の凸部１８ａは、第１振動部１８の第１主面１１ａから断面視で上方に突出し、他方の凸部１８ａは、第２主面１１ｂから断面視で下方に突出している。なお、凸部１８ａは、第１主面１１ａと第２主面１１ｂのどちらか一方に形成されていても構わない。
このような構成とすることで、第１振動部１８の振動エネルギーを凸部１８ａに閉じ込めることができる。そのため、第１振動部１８から固定部１３への振動漏洩を低減でき、第１振動部１８の振動を安定させることができる。
４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る振動素子１ｃについて、図１７及び図１８を参照して説明する。
図１７は、第４実施形態に係る振動素子１ｃの概略構成を示す平面図である。図１８は、図１７のＤ－Ｄ線での断面図である。
本実施形態の振動素子１ｃは、第１実施形態の振動素子１に比べ、水晶基板１０ｃの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動素子１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
振動素子１ｃは、図１７及び図１８に示すように、水晶基板１０ｃの第１振動部１１と第２振動部１２との間にＸ方向を長手方向とする貫通孔１９が設けられている。
このような構成とすることで、第１振動部１１及び第２振動部１２のそれぞれの振動が第１振動部１１及び第２振動部１２に漏洩するのを低減することができる。そのため、第１振動部１１及び第２振動部１２のそれぞれの振動をより安定させることができる。
５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る振動素子１ｄについて、図１９及び図２０を参照して説明する。
図１９は、第５実施形態に係る振動素子１ｄの概略構成を示す平面図である。図２０は、図１９のＥ－Ｅ線での断面図である。
本実施形態の振動素子１ｄは、第１実施形態の振動素子１に比べ、水晶基板１０ｄの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動素子１と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
振動素子１ｄは、図１９及び図２０に示すように、水晶基板１０ｄの第１振動部１１と第２振動部１２との間にＸ方向を長手方向とし、断面視で下方に開口する凹部２０が設けられ、薄肉部３０を有している。
このような構成とすることで、第１振動部１１及び第２振動部１２のそれぞれの振動が第１振動部１１及び第２振動部１２に漏洩するのを低減することができる。そのため、第１振動部１１及び第２振動部１２のそれぞれの振動をより安定させることができる。
６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係る振動素子１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを備えている発振器１００について、図２１及び図２２を参照して説明する。なお、以下の説明では、振動素子１を適用した構成を例示して説明する。
図２１は、第６実施形態に係る発振器１００の概略構造を示す平面図である。図２２は、図２１のＦ－Ｆ線での断面図である。
発振器１００は、図２１に示すように、振動素子１を内蔵した振動子４０と、振動素子１を駆動するための発振回路６１，６２と制御信号出力回路６３とを有するＩＣチップ６０と、振動子４０やＩＣチップ６０を収納するパッケージ本体５０と、ガラス、セラミック、又は金属等からなる蓋部材５７と、を備えている。
パッケージ本体５０は、図２２に示すように、実装端子４５、第１の基板５１、第２の基板５２、及びシールリング５３を積層して形成されている。また、パッケージ本体５０は、上方に開放するキャビティー５８を有している。なお、振動子４０とＩＣチップ６０とを収容するキャビティー５８内は、蓋部材５７をシールリング５３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。
実装端子４５は、第１の基板５１の外部底面に複数設けられている。また、実装端子４５は、第１の基板５１の上方に設けられた接続電極４３や接続端子４４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。
パッケージ本体５０のキャビティー５８内には、振動子４０とＩＣチップ６０が収容されている。振動子４０は、半田や導電性接着剤を介して第１の基板５１の上方に設けられた接続電極４３に固定されている。ＩＣチップ６０は、接着剤等の接合部材５５を介して第１の基板５１の上方に固定されている。また、キャビティー５８には、複数の接続端子４４が設けられている。接続端子４４は、ボンディングワイヤー５６によってＩＣチップ６０の上方に設けられた接続端子４６と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６１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６２と、第２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１００の回路構成について、図２３を参照し説明する。
図２３は、発振器１００の回路構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、発振器１００の一例について、ＴＣＸＯを挙げて説明する。
この発振器１００は、外部に設定周波数ｆ0の信号を出力するための回路であり、発振器１００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て、この設定周波数ｆ0を出力できるように構成されている。この設定周波数ｆ0は、基準温度Ｔ0、例えば２５℃において、基準電圧Ｖ10を第１発振回路６１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２１には、端子２５を介して第１発振回路６１が電気的に接続されており、第２振動素子Ｘ２の一対の第２励振電極２２には、同様に端子２６を介して、温度検出用とするための第２発振回路６２が電気的に接続されている。そして、これら第１発振回路６１と第２発振回路６２と間には、第２発振回路６２から出力される温度補償用の第２発振信号としての発振周波数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６１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。入力端６４から第２発振回路６２に基準電圧Ｖ10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６１と第２発振回路６２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と制御電圧Ｖｃとがそれぞれに入力される。
具体的には、制御信号出力回路６３は、第２発振回路６２から入力される周波数信号から発振周波数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において計測した発振周波数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６１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６２の周波数－温度特性、例えば３次関数が記憶されており、この温度特性と第２発振回路６２の発振周波数ｆとに基づいて、第１振動素子Ｘ１の温度が求められる。
Figure 0007404760000001
また、補償電圧演算部６９は、第１発振回路６１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（２）～（４）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。
Figure 0007404760000002
Figure 0007404760000003
Figure 0007404760000004
α1、β1、γ1及びα2、β2、γ2は、夫々第１発振回路６１及び第２発振回路６２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。なお、Δｆ＝ｆ－ｆ0であり、また、ｆ10は、第２発振回路６２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る。
この発振器１００において入力端６４に基準電圧Ｖ10を入力すると、第２発振回路６２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ｆにおいて基本波の厚み滑り振動で発振する。この発振周波数ｆは、周波数検出部６７を介して温度推定部６８に入力され、この温度推定部６８において第１振動素子Ｘ１の温度Ｔが推定される。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を介して制御電圧ＶCが第１発振回路６１に印加される。第１発振回路６１では、第１振動素子Ｘ１の温度Ｔ及び制御電圧ＶCに応じた発振周波数ｆ、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６１は、基準温度Ｔ0との差分（Ｔ－Ｔ0）だけ、当該第１発振回路６１の周波数－温度特性の３次関数に沿って発振周波数ｆが設定周波数ｆ0からずれようとする。しかし、設定周波数ｆ0が得られる制御電圧ＶCを第１発振回路６１に印加していることから、即ち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を印加していることから、当該差分を相殺した設定周波数ｆ0が得られる。
本実施形態の発振器１００は、第１振動素子Ｘ１に比べ、温度Ｔによる周波数変化量Δｆ／ｆが大きい周波数－温度特性を有する第２振動素子Ｘ２で発振した第２発振信号としての発振周波数ｆに基づいて、第１発振信号としての設定周波数ｆ0を制御する制御信号を出力するので、設定周波数ｆ0を精度良く温度補償することができ、高精度の発振器１００を得ることができる。
７．第７実施形態
次に、第７実施形態に係る発振器１００を備えている電子機器の一例として、スマートフォン１２００を挙げて説明する。
図２４は、第７実施形態に係る発振器１００を備える電子機器としてのスマートフォン１２００の構成を示す斜視図である。
スマートフォン１２００は、図２４に示すように、上述した発振器１００が組込まれている。スマートフォン１２００の制御部１２０１には、表示部１２０８の表示画像を制御するための基準クロック等として機能する発振器１００が内蔵されている。
このような電子機器は、上述した発振器１００を備えていることから、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れている。
なお、上述した発振器１００を備えている電子機器としては、スマートフォン１２００以外に、例えば、インクジェットプリンターなどのインクジェット式吐出装置、携帯電話、ラップトップ型やモバイル型のパーソナルコンピューター、テレビ、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、各種ナビゲーション装置、ページャー、通信機能付も含む電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、魚群探知機、各種測定機器、計器類、フライトシミュレーターなどや電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡などの医療機器が挙げられる。いずれの場合にも、これらの電子機器は、上述した発振器１００を備えていることから、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れている。
８．第８実施形態
次に、第８実施形態に係る発振器１００を備えている移動体の一例として、自動車１５００を挙げて説明する。
図２５は、第８実施形態に係る発振器１００を備える移動体としての自動車１５００の構成を示す斜視図である。
自動車１５００は、図２５に示すように、上述した発振器１００が組込まれている。自動車１５００の車体１５０１には、タイヤ１５０３を制御する電子制御ユニット１５０２の基準クロック等として機能する発振器１００が搭載されている。また、発振器１００は、他にもキーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、自動運転用慣性航法の制御機器、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）に広く適用できる。
また、移動体に適用される発振器１００は、上記の例示の他にも、例えば、二足歩行ロボットや電車などの姿勢制御、ラジコン飛行機、ラジコンヘリコプター、及びドローンなどの遠隔操縦あるいは自律式の飛行体の姿勢制御、農業機械、もしくは建設機械などの姿勢制御において利用することができ、いずれの場合にも、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れた移動体を提供することができる。
以下、実施形態から導き出される内容を記載する。
振動素子は、第１振動部と第２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ている一対の第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ている一対の第２励振電極と、を備え、前記一対の第２励振電極のうちの少なくとも一方の前記第２励振電極は、前記両主面に対して傾斜している傾斜面に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、第２振動部が主面に対して傾斜している傾斜面を有しているため、第２励振電極を形成することで、第１振動部と異なる周波数－温度特性を得ることができる。そのため、第１振動部と第２振動部のどちらか一方の振動部を発振信号出力用として安定な周波数－温度特性に設定し、他方の振動部を、発振信号出力用の振動部に比べ、温度変化に対する周波数変化量が大きい周波数－温度特性を有する温度検出用とすることで、発振信号出力用とする振動部の温度を精度良く検出することができる。
上記の振動素子において、前記両主面と前記傾斜面とは、切断角度が異なることが好ましい。
この構成によれば、主面と傾斜面との切断角度が異なるため、主面と切断角度が異なる傾斜面を有する第２振動部の周波数－温度特性を第１振動部と異なる周波数－温度特性とすることができる。
上記の振動素子において、前記第１振動部と前記第２振動部とは、周波数－温度特性が異なることが好ましい。
この構成によれば、第１振動部と第２振動部との周波数－温度特性が異なるので、温度変化に対する周波数変化量の大きい周波数－温度特性を有する振動部を温度検出用とすることで、温度検出の精度を良くすることができる。
上記の振動素子において、前記第２振動部の前記周波数－温度特性は、前記第１振動部の前記周波数－温度特性よりも周波数変化量が大きいことが好ましい。
この構成によれば、第２振動部の周波数－温度特性が第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ので、第２振動部を温度検出用にすると、周波数変化に対する温度変化の分解能が高くなり、第１振動部の温度を精度良く検出することができる。
上記の振動素子において、前記傾斜面は、前記第１振動部から離れるにしたがって前記第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜していることが好ましい。
この構成によれば、傾斜面が第１振動部から離れるにしたがって第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜しているので、第２振動部の切断角度が第１振動部と異なり、第２振動部を第１振動部と異なる周波数－温度特性とすることができる。
上記の振動素子において、前記傾斜面は、前記第１振動部に近づくにしたがって前記第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜していることが好ましい。
この構成によれば、傾斜面が第１振動部に近づくにしたがって第２振動部の厚さが薄くなるように傾斜しているので、第２振動部の切断角度が第１振動部と異なり、第２振動部を第１振動部と異なる周波数－温度特性とすることができる。また、第１振動部と第２振動部が並ぶ方向において、第２振動部の実質的な振動領域を第１振動部から離すことができるので、第１振動部及び第２振動部のそれぞれの振動をより安定させることができる。
上記の振動素子において、前記第１振動部は、前記両主面のうちの少なくとも一方の前記主面に凸部が形成されていることが好ましい。
この構成によれば、第１振動部の主面に凸部を形成することで、第１振動部の振動エネルギーを凸部に閉じ込めることができる。そのため、第１振動部から固定部への振動漏洩を低減でき、第１振動部の振動を安定させることができる。
上記の振動素子において、前記振動素子は、前記振動素子をパッケージに固定する固定部を有し、前記第１振動部及び前記第２振動部と、前記固定部との間に、貫通孔及び幅狭部の少なくとも一方を備えていることが好ましい。
この構成によれば、第１振動部及び第２振動部と、固定部との間に、貫通孔及び幅狭部が設けられているので、第１振動部及び第２振動部から固定部への振動漏洩を低減でき、且つ、パッケージへの実装に伴う応力が固定部から第１振動部及び第２振動部へ伝わるのを低減することができる。
上記の振動素子において、前記第１振動部と前記第２振動部との間に、貫通孔及び薄肉部の少なくとも一方を備えることが好ましい。
この構成によれば、第１振動部と第２振動部との間に、貫通孔及び薄肉部が設けられているので、第１振動部及び第２振動部のそれぞれの振動が第１振動部及び第２振動部に漏洩するのを低減することができる。
発振器は、上記の振動素子と、前記第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、前記第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、前記第２発振信号に基づいて、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、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、第１振動部に比べ、温度変化に対する周波数変化量が大きい周波数－温度特性を有する第２振動部で発振した第２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ので、第１発振信号を精度良く温度補償することができ、高精度の発振器を得ることができる。
電子機器は、上記の発振器を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、高精度の発振器を備えているため、高性能な電子機器を提供することができる。
移動体は、上記の発振器を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、高精度の発振器を備えているため、高性能な移動体を提供することができる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…振動素子、１０…水晶基板、１１…第１振動部、１２…第２振動部、１１ａ…第１主面、１１ｂ…第２主面、１２ａ…傾斜面、１３…固定部、１４…第１貫通孔、１５…第２貫通孔、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…幅峡部、２１…第１励振電極、２２…第２励振電極、２３，２４…リード電極、２５，２６…端子、１００…発振器、１２００…電子機器としてのスマートフォン、１５００…移動体としての自動車、Ｘ１…第１振動素子、Ｘ２…第２振動素子、θ，θ１，θ２…切断角度。

Claims (11)

  1. 第１振動部と第２振動部とを有する水晶基板、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ている一対の第１励振電極、および、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ている一対の第２励振電極を備え、前記一対の第２励振電極のうちの少なくとも一方の前記第２励振電極は、前記両主面に対して傾斜している傾斜面に形成されている振動素子と、
    前記第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、
    前記第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、
    前記第２発振信号に基づいて、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、を備えている、
    発振器。
  2. 前記両主面と前記傾斜面とは、切断角度が異なる、
    請求項１に記載の発振器。
  3. 前記第１振動部と前記第２振動部とは、周波数－温度特性が異なる、
    請求項１又は請求項２に記載の発振器。
  4. 前記第２振動部の前記周波数－温度特性は、前記第１振動部の前記周波数－温度特性よりも周波数変化量が大きい、
    請求項３に記載の発振器。
  5. 前記傾斜面は、前記第１振動部から離れるにしたがって前記第２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４の何れか一項に記載の発振器。
  6. 前記傾斜面は、前記第１振動部に近づくにしたがって前記第２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４の何れか一項に記載の発振器。
  7. 前記第１振動部は、前記両主面のうちの少なくとも一方の前記主面に凸部が形成されている、
    請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の発振器。
  8. 前記振動素子は、前記振動素子をパッケージに固定する固定部を有し、前記第１振動部及び前記第２振動部と、前記固定部との間に、貫通孔及び幅狭部の少なくとも一方を備えている、
    請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の発振器。
  9. 前記第１振動部と前記第２振動部との間に、貫通孔及び薄肉部の少なくとも一方を備える、
    請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の発振器。
  10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の発振器を備えている、
    電子機器。
  11. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の発振器を備えている、
    移動体。
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