(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次関数温度特性を有し前記３次関数温度特性の変曲点が通常使用温度範囲外にある圧電デバイスが組み込まれた発振回路の温度特性調整方法であって、前記圧電デバイスの温度特性を測定すると共に前記発振回路の温度特性を測定してそれらの差分を求め、前記発振回路に要求される温度特性になる振動子温度特性を予測し、当該予測温度特性となるように前記圧電デバイスの通常使用温度範囲に位置する極大点もしくは極小点温度を見掛け上の２次関数温度特性の頂点温度とみなし、一次係数の調整により通常使用温度範囲外に位置する変曲点回りに温度特性を回転させて前記頂点温度を通常使用温度範囲の最適値に調整することを特徴とする発振回路の温度特性調整方法。
【請求項２】
水晶板を電気軸（Ｘ軸）回りに回転させて得られるＳＴカット水晶板を更にＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶板を組み込んだ発振回路の温度特性調整方法であって、面内回転させた前記ＳＴカット水晶板と面内回転させた当該ＳＴカット水晶板を組み込んだ発振回路の温度特性を求め、両者の差分が相殺されるように面内回転ＳＴカット水晶板の温度特性の頂点温度を最適値に調整することを特徴とする発振回路の温度特性調整方法。
【請求項３】
発振回路の使用温度範囲が−４０〜＋８５°Ｃであることを特徴とする請求項２記載の発振回路の温度特性調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発振回路の温度特性調整方法に係り、特にＳＡＷデバイスを搭載した発振回路の温度特性を調整する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電振動子の温度特性（温度変化に対する周波数変動特性）は、図９に示すように、音叉振動子、ＳＡＷ共振子などのように２次関数で表されるものや、ＡＴ振動子などのように３次関数で表されるものがある。
【０００３】
この圧電振動子を用いた発振回路の周波数温度特性では、通常使用温度である２５℃を中心に使用温度範囲（−４０〜＋８５℃）で温度特性が最小になるように発振回路温度特性と振動子温度特性を調整している。通常、２次関数温度特性をもつ圧電振動子を持つ発振器では、発振回路温度特性の頂点温度が使用温度範囲の中心に位置するように調整すると最小の温度安定度となる。従来の２次関数温度特性をもつ振動子では頂点温度の調整幅は０℃から４０℃あたりである。これに対し、３次関数温度特性をもつＡＴカット振動子などでは変曲点温度を容易に調整できないので、使用温度範囲の発振回路温度特性が最小幅となるように１次係数項を調整するのが一般的である。実際には、前者の２次関数温度特性の圧電振動子では電極膜厚や幅を調整することで行い、後者の３次関数温度特性をもつ振動子では、その変曲点を中心として回転するように電極の形成方向（Ｘ軸方向）を調整することを行っている。
【０００４】
ところで、２次関数温度特性の振動子を用いて発振回路を構成した場合、図８に示すように、発振回路の温度特性が振動子の温度特性と一般的に異なる。温度特性が時計方向あるいは反時計方向に回転するように見える。これは、温度特性の１次係数が変化することによる。この温度特性の変化は、１次係数の変化だけでなく、より高次の係数の変化も含んでいるが、一般的には一次係数の変化で代表できる。発振器の周波数・温度特性を最小にする場合、上述したように、一般的には２次関数温度特性の頂点温度を使用温度範囲の中心に調整する。しかし、振動子の頂点温度の調整範囲は自由ではなく、調整できる範囲が限られている。
【０００５】
一方、３次関数温度特性の振動子を用いて発振回路を構成した場合、図７に示すように、発振回路の温度特性が振動子の温度特性と一般的に異なる。２次特性の場合と同様に、温度特性が時計方向あるいは反時計方向に回転するように見える。３次関数温度特性の場合、変曲点温度の移動は難しい。したがって、発振器の周波数・温度特性を最小にする場合、一般的には振動子の１次係数を調整することによって、使用温度範囲での最小温度特性を得るようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、振動子の温度特性調整範囲に対し、発振器の使用温度範囲が偏在しているような場合、特に２次関数温度特性の頂点温度を使用温度範囲の中心に設定できないような場合、あるいは、３次関数温度特性の変曲点温度が使用温度範囲の中心から外れている場合は、温度特性が使用温度範囲において最小温度幅となるように調整することは難しい。また、ＳＡＷ共振子は通常２次関数温度特性であり、発振回路の温度特性改善手法としては、頂点温度を使用温度範囲の中心に持ってくる方法しかない。
【０００７】
本発明は、３次関数温度特性の振動子の変曲点より低い温度域の特性を使うことにより、発振回路の温度特性を使用温度範囲で、より平坦にすることのできるＳＡＷデバイスを搭載した発振回路の温度特性調整方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る発振回路の温度特性調整方法は、３次関数温度特性を有し前記３次関数温度特性の変曲点が通常使用温度範囲外にある圧電デバイスが組み込まれた発振回路の温度特性調整方法であって、前記圧電デバイスの温度特性を測定すると共に前記発振回路の温度特性を測定してそれらの差分を求め、前記発振回路に要求される温度特性になる振動子温度特性を予測し、当該予測温度特性となるように前記圧電デバイスの通常使用温度範囲に位置する極大点もしくは極小点温度を見掛け上の２次関数温度特性の頂点温度とみなし、一次係数の調整により通常使用温度範囲外に位置する変曲点回りに温度特性を回転させて前記頂点温度を通常使用温度範囲の最適値に調整することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、水晶板を電気軸（Ｘ軸）回りに回転させて得られるＳＴカット水晶板を更にＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶板を組み込んだ発振回路の温度特性調整方法であって、面内回転させた前記ＳＴカット水晶板と面内回転させた当該ＳＴカット水晶板を組み込んだ発振回路の温度特性を求め、両者の差分が相殺されるように面内回転ＳＴカット水晶板の温度特性の頂点温度を最適値に調整する構成としてもよい。この場合において、発振回路の使用温度範囲が−４０〜＋８５℃である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るＳＡＷデバイスを搭載した発振回路の温度特性調整方法の具体的実施形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
一般に、ＳＡＷ共振子では、２次関数温度特性が一般的であるが、３次関数温度特性をもつ圧電振動子を使用して、変曲点温度が使用温度範囲よりも高い（または低い）温度領域に位置し、３次関数温度特性の極大点付近の温度特性を使用温度範囲として使用して発振回路温度特性を調節することで、温度変化幅が小さい発振器温度特性を実現することができる。
【００１１】
例えば、圧電振動子を水晶から切り出す場合、カットの方向によって温度特性が変わる。図１に示すように、水晶の結晶軸は、電気軸（Ｘ軸）、機械軸（Ｙ軸）、光軸（Ｚ軸）によって定義されるが、ＳＴカットといわれるものはオイラー角（φ、θ、Ψ）が（０、０、０）の水晶Ｚ板２を、電気軸（Ｘ軸）周りにθ＝１１３〜１３５度回転させて得られる水晶板１からその結晶軸（Ｘ，Ｙ’，Ｚ’）に沿って切り出されるものである。このＳＴカット水晶板１のＺ’軸周りにさらにΨ＝４３±５度回転させ、弾性表面波の伝播方向がこのΨの方向となるように作製された圧電振動子がＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子３といわれるものである。この面内回転ＳＴカット水晶振動子３は、周波数変化率が小さくて温度特性が極めてよい。そしてＳＴカットの一種であり、その温度特性は２次関数温度特性であると思われていた。しかし、発明者等が調べてみると、実際は変曲点が１１０度近辺にある３次関数温度特性であることが判明した。変曲点が実際の使用温度範囲から外れている場合には、そのような温度領域で温度特性を検査することは発振器を構成する他の素子を破損してしまう可能性があるので、実際上は変曲点の存在を確認することが不可能であった。したがって、Ｚ’軸回りに面内回転させたこのＳＴカット水晶板から切り出された振動子の温度特性を調整しようとする場合、２次関数温度特性として行っても調整が極めて困難なものとなっていたのである。
【００１２】
本実施形態では、Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子が３次関数温度特性であるとの知見を得て、常温範囲に位置する極大点もしくは極小点温度を見掛け上の２次関数温度特性の頂点温度とみなし、一次係数項の調整により常温範囲外に位置する変曲点回りに温度特性を回転させて前記頂点温度を常温範囲の最適値に調整するように構成したものである。これは具体的には、水晶板を電気軸（Ｘ軸）回りにθ＝１１３〜１３５度回転させて得られるＳＴカット水晶板を更にＺ’軸回りにΨ＝４３±５度だけ面内回転させたＳＴカット水晶板からなる圧電デバイスの前記面内回転角を調整することによって温度特性の極大点もしくは極小点温度を常温範囲の最適値に調整して温度特性を調整するようにした。
【００１３】
今、図２に示しているように、Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子の温度特性は変曲点温度が約１１０℃であり、常用温度範囲は、それより低い温度領域−４０〜＋８５℃であるので、変曲点より低い温度領域に位置する極大点を有する特性領域を使用する（図２において四角で囲んだ部分）。３次関数温度特性の場合には変曲点を移動することが困難であるので、一次係数項を調整し、特性線を変曲点周りに回転させる。これによって、常用使用温度領域での特性線を見かけ上の２次関数温度特性として捉え、極大点を２次関数温度特性の頂点温度として使用温度領域の中心に位置するように調整するのである。これは、図２に示す実線が基本特性線である場合、その極大点Ｐ1を使用温度範囲Ｔzの中央に位置するように、特性線を変曲点周りに回転させて新たに破線で示しているような特性線を得る。これにより、使用温度範囲であたかも頂点温度を平行移動したかの如く、極大点温度がＰ1→Ｐ2に移動し、使用温度範囲において周波数変化率を最小にすることができる。
【００１４】
Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカットの圧電振動子は、まずＳＴカット水晶ウェハを作製し、そのオリエンテーリングフラットを利用して面内角度Ψを与え、これに各振動子領域に反射電極膜とすだれ状電極膜を露光形成するのである。
この３次関数温度特性の実際的調整作業は、上記面内角度Ψ＝４３度を加減調整することによって弾性表面波の伝播方向を変えて行う。Ψの変化方向と特性線の回転方向の関係は予め分かっているので、調整方向と調整量はある程度予測できる。したがって、Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカットの圧電振動子を作成してその温度特性を求め、設計仕様による使用温度範囲で極大点もしくは極小点が中心に位置するように特性線の回転量を求め、この回転量に対応するΨの加減調整角度αを求める。当初の面内角度Ψに対応するオリエンテーリングフラットを角度Ψ±αに設定して反射電極膜とすだれ状電極膜を形成するのである。これにより使用温度範囲において周波数変化率を最小にするＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカットの圧電デバイスを得ることができる。
【００１５】
ところで、上述したＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子を組み込んだ発振回路１０の概略構成を図３に示す。圧電振動子１２、位相器１４の直列回路に増幅器１６を並列に接続した構成例である。この発振回路１０の温度特性は、振動子１２の温度特性と回路１０の温度特性が加算されたものになる。図４（１）はＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカットの水晶振動子単独の温度特性を示し、同図（２）はこの振動子を組み込んだ発振回路の温度特性を示している。同図（２）は振動子の温度特性が時計回りに回転したものを示す。発振回路では、この回転が起きるので、これを見越して、使用温度範囲における温度特性が平坦になるように調整する。この場合、発振回路の温度特性が使用温度範囲で見掛け上、頂点温度が使用温度範囲の中心にくるように、振動子の温度特性を調整する。すなわち、圧電振動子１２が単独では図４（１）に示すような３次関数温度特性を示し、これが発振回路１０に組み込まれたときの発振回路の温度特性は見掛け上、図４（２）に示すように温度特性が変曲点回りに回転した様相を示す。そこで、発振回路１０として使用する温度範囲で特性が図４（３）に示される如く平坦となるような発振回路の温度特性を図４（２）となるように決定し、逆算して圧電振動子１２の温度特性を図４（１）のように調整するのである。具体的には、所望する特性から発振回路の温度特性を引き算した特性が振動子の温度特性となる。この温度特性は変曲点温度が使用温度範囲より高い温度域にある３次関数で表される。
【００１６】
また、異なる使用温度範囲の場合には、同様に、発振回路としての温度特性を見越して調整する。図５に圧電振動子単独の温度特性（同図（１））、発振回路に組み込んだときの温度特性（同図（２））、使用温度範囲における拡大図（同図（３））を示している。この場合には、見掛け上の頂点温度を使用温度範囲の中心に調整するが、これは振動子の３次関数の係数を調整することで実現でき、２次関数の頂点温度の調整、及び３次関数の変曲点温度の調整よりも容易に特性をコントロールすることができる。
【００１７】
このような発振回路１０にＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子を組み込んだときの温度特性調整方法の具体的手順を図６のフローチャートに示す。温度特性調整作業に入ると（ステップ１００）、最初に発振器の要求特性から目標温度特性が設定される（ステップ１０２）。使用温度範囲と許容周波数偏差である。そして、組み込まれるＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子単独の温度特性と、発振器としての温度特性の差分データがあるかどうかがチェックされる（ステップ１０４）。差分データがなければ、最初に振動子の温度特性を測定する（ステップ１０６）。そして、実際に使用する発振器に当該振動子を組み込み（ステップ１０８）、今度は発振器としての温度特性を測定する（ステップ１１０）。そして、両者の温度特性の差分を演算し（ステップ１１２）、目標特性から差分データを差し引いて振動子に要求される温度特性を予測する（ステップ１１４）。ステップ１０６ではいわば基準振動子を作成するもので、例えば、オイラー角でθ＝１２３度、Ψ＝４３度で作成すればよい。そして、ステップ１１４で要請される温度特性とするための面内角度Ψの変更量を決定し、弾性表面波の伝播方向を変更した振動子を試作する（ステップ１１６）。そして、振動子の温度特性が所望の特性傾向に調整されたを確認するために温度特性が測定され（ステップ１１８）、次いで振動子を発振器に組み込んで（ステップ１２０）、発振器の温度特性を測定する（ステップ１２２）。これが要求特性を見なすものであれば、ステップ１１６で試作された条件で振動子を作成する。要求を充足しないようであれば（ステップ１２４）、ステップ１１２に戻り、面内角度Ψを変更して要求特性を満足するまで一連の作業を繰り返すのである。
【００１８】
このように、本実施形態によれば、振動子温度特性と発振器温度特性を組み合わせることによって、振動子の極大点を使用温度範囲の頂点温度として利用し、使用温度範囲で温度特性が最小となるように発振器温度特性を調整できる。増幅器及び移相器の温度特性が使用温度範囲において振動子の温度特性と異なる温度特性を示し、振動子の温度特性を改善できる特性を作り込むことで、発振器全体の温度特性を改善できる。
【００１９】
この場合、振動子の温度特性が使用温度範囲において擬似的な２次特性であり、振動子の温度特性が３次関数温度特性であり、変曲点温度が使用温度範囲の中心より高い温度域または低い温度範囲にあり、使用温度範囲では擬似的な２次特性に見える振動子を用いている。
【００２０】
上記実施形態ではＺ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子を用いた例を示しているが、変曲点が使用温度範囲より低い温度領域にあるようなカットなど、振動子の温度特性が使用温度範囲において擬似的な２次特性を示す振動子に適用できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、３次関数温度特性を有し前記３次関数温度特性の変曲点が通常使用温度範囲外にある圧電デバイスが組み込まれた発振回路の温度特性調整方法であって、前記圧電デバイスの温度特性を測定すると共に前記発振回路の温度特性を測定してそれらの差分を求め、前記発振回路に要求される温度特性になる振動子温度特性を予測し、当該予測温度特性となるように前記圧電デバイスの通常使用温度範囲に位置する極大点もしくは極小点温度を見掛け上の２次関数温度特性の頂点温度とみなし、一次係数の調整により通常使用温度範囲外に位置する変曲点回りに温度特性を回転させて前記頂点温度を通常使用温度範囲の最適値に調整するように構成したので、３次関数温度特性の振動子の変曲点より低い温度域の特性を使うことにより、発振回路の温度特性を使用温度範囲で、より平坦にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶の説明図である。
【図２】  Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子の温度特性線図である。
【図３】  発振回路の構成例である。
【図４】  実施形態に係る圧電振動子並びに発振器に組み込んだときの温度特性線図、その部分拡大図である。
【図５】  他の実施形態に係る圧電振動子並びに発振器に組み込んだときの温度特性線図、その部分拡大図である。
【図６】  発振器温度特性の調整作業を示すフローチャートである。
【図７】  ３次関数温度特性の調整作業の説明図である。
【図８】  ２次関数温度特性の調整作業の説明図である。
【図９】  従来の２次関数温度特性と３次関数温度特性の説明図である。
【符号の説明】
１………ＳＴカット水晶板、２………水晶Ｚ板、３………Ｚ’軸回りに面内回転させたＳＴカット水晶振動子、１０………発振器、１２………圧電振動子、１４………位相器、１６………増幅器。
【図１】
0003675373.tif 000002
【図２】
0003675373.tif 000003
【図３】
0003675373.tif 000004
【図４】
0003675373.tif 000005
【図５】
0003675373.tif 000006
【図６】
0003675373.tif 000007
【図７】
0003675373.tif 000008
【図８】
0003675373.tif 000009
【図９】
0003675373.tif 000010