(57)【要約】【課題】周波数安定度に優れると共に電子雑音特性が良好であり、且つ回路を簡単に構成できる温度補償圧電発振器を提供すること。【解決手段】温度補償圧電発振器（ＴＣＸＯ）において、補償電圧ΔＶを求めるための温度Ｔを検出する温度検出部３２として、外部に設定周波数ｆ０を出力する主発振部１１と水晶基板２を共用する補助発振部２１を用いると共に、水晶基板２上にはこれらの主発振部１１及び補助発振部２１の電極１３、２３を個別に設けて、主発振部１１及び補助発振部２１では夫々例えば基本波及びオーバートーンを利用するか、あるいは厚み滑り振動及び輪郭滑り振動を利用する。【選択図】図１
2011135342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板に主振動領域を形成するための主電極を設けてなる圧電振動子と、前記主電極に接続された主発振回路と、を備え、設定周波数信号を出力するための主発振部と、
前記主発振部に用いられる圧電基板に前記主電極とは別個に、補助振動領域を形成するための補助電極を設けてなり、前記主発振回路の圧電振動子に対して圧電基板が共用化される圧電振動子と、前記補助電極に接続された補助発振回路と、を備え、温度センサーとして用いられる補助発振部と、
この補助発振部の発振出力の周波数を検出し、この周波数と前記補助発振部の周波数の温度特性とに基づいて、温度を推定する温度推定部と、
この温度推定部により推定された温度と前記主発振部の周波数の温度特性とに基づいて、前記設定周波数信号を得るための制御電圧を求めて前記主発振回路に供給する制御電圧供給部と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
前記補助発振部で使用する振動波は、オーバートーンであることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記補助発振部の振動モードは、輪郭すべり振動であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記主発振部の振動モードは、厚みすべり振動であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の圧電発振器。
【請求項５】
前記主発振部で使用する振動波は、オーバートーンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の圧電発振器。
【請求項６】
前記補助発振部は、第１の補助振動領域を形成する第１の補助電極と、第２の補助振動領域を形成する第２の補助電極と、これら第１の補助電極及び第２の補助電極に夫々接続された第１の補助発振回路及び第２の補助発振回路と、これら第１の補助発振回路及び第２の補助発振回路の各発振周波数の差分または和を求めて補助発振部の発振出力を得る手段と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の圧電発振器。
【請求項７】
前記補助電極は、前記主電極よりも重量が大きいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の圧電発振器。
【請求項８】
前記制御電圧供給部は、主発振部が基準温度において設定周波数を出力する制御電圧である基準電圧に対して、温度補償電圧を求め、前記基準電圧と温度補償電圧とを加算して制御電圧を求めることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度補償された周波数信号を出力する圧電発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電発振回路例えば水晶発振回路に用いられる圧電振動子である水晶振動子は、温度に応じて発振周波数が変化する周波数温度特性を持っている。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどにより水晶振動子毎に異なっている。図６には、このような周波数温度特性について、例えばＡＴカットの水晶片を用いた水晶振動子において得られる特性の一例を示している。この図６において、グラフの縦軸は、目標とする（発振させたい）設定周波数ｆ０と、温度Ｔにおいて実際に得られる周波数ｆと、の間における周波数偏差（Δｆ／ｆ０、Δｆ＝ｆ−ｆ０）を示しており、横軸は水晶振動子の温度Ｔを示している。Ｔ０は基準温度例えば２９℃であり、この温度Ｔ０で設定周波数ｆ０が得られるように発振回路の制御電圧が設定される。ＡＴカットの水晶片を用いて厚み滑り振動モードで発振させる場合には、周波数偏差Δｆ／ｆ０は、温度Ｔの３次関数である（１）式で近似される。
Δｆ／ｆ０＝α(Ｔ−Ｔ０)3＋β(Ｔ−Ｔ０)＋γ・・・（１）
尚、この（１）式において、α、β、γは夫々水晶振動子毎に個別に求められる定数であり、これらの各定数（α、β、γ、Ｔ０、ｆ０）は、恒温槽内に水晶振動子を設置して温度Ｔを種々変えて周波数ｆを測定し、温度Ｔ及び周波数ｆの測定結果の各々を上記（１）式に代入して得られる連立方程式を解くことによって求められる。
【０００３】
従って、雰囲気温度に拘わらず周波数が安定する工夫が種々行われている。例えば温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Xtal Oscillator）は、制御電圧と出力周波数とがリニアな関係にあることから、温度センサー例えばサーミスタを発振器のパッケージ内に設けて、この温度センサーの温度検出値と基準温度とに基づいて補償電圧を求め、この補償電圧を基準電圧（基準温度Ｔ０で設定周波数ｆ０が得られる制御電圧）に加算するようにして温度補償を行っている。しかしながら、このＴＣＸＯでは、補償（調整）後の水晶振動子の周波数温度特性の安定度は、−２０℃〜７５℃の温度範囲において例えば±０．２ｐｐｍ程度が限界だと言われており、それ以上の安定度の向上は困難である。
【０００４】
一方、上記のＴＣＸＯ以外に水晶振動子の周波数温度特性を補償する発振器としては、例えばＤ−ＴＣＸＯ（Digital−Temperature Compensated Xtal Oscillator）が知られている。このＤ−ＴＣＸＯでは、デジタル制御によって制御電圧Ｖを調整しているので、上記のＴＣＸＯより周波数温度特性の安定度を改善できると考えられるが、ＴＣＸＯよりも電子雑音が大きくなってしまう。  
また、オーブン（恒温槽）を利用して水晶振動子の周波数温度特性をアナログ制御するＯＣＸＯ（Oven Compensated Xtal Oscillator）も知られており、このＯＣＸＯではＴＣＸＯよりも周波数温度特性の安定性及び電子雑音特性が改善されるが、消費電力が大きく且つ高価になってしまう。
【０００５】
更に、例えば一枚のＳＣカット水晶片の片面に形成された一対の電極に発生する厚み滑り振動モードの信号と厚みねじれ振動モードの信号とをフィルターで分離して、厚み滑り振動モードの信号を主振動（設定周波数ｆ０）として取り出すと共に、厚みねじれ振動モードの信号により温度を検出して、この温度に基づいてマイクロコンピュータを利用して水晶発振器の周波数温度特性（制御電圧）を制御するＭＣＸＯ（Microcomputer Compensated Xtal Oscillator）も知られている。このＭＣＸＯでは、ＴＣＸＯよりも周波数温度特性の安定性及び電子雑音特性を改善できるが、両モードの信号をフィルタで分離していることから、回路構成が複雑で消費電力が大きく、且つ高価となってしまう。
【０００６】
特許文献１には、１枚の圧電振動板をスリットにより複数の振動領域に分割すると共に、これらの振動領域毎に一対の電極を配置して、これらの電極上に塗布した合成脂質膜に匂い物質を吸着させることによって複数の匂い物質を認識する匂い物質センサが記載されているが、上記の課題については検討されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１９０９１６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は周波数安定度に優れた圧電発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電発振器は、
圧電基板に主振動領域を形成するための主電極を設けてなる圧電振動子と、前記主電極に接続された主発振回路と、を備え、設定周波数信号を出力するための主発振部と、
前記主発振部に用いられる圧電基板に前記主電極とは別個に、補助振動領域を形成するための補助電極を設けてなり、前記主発振回路の圧電振動子に対して圧電基板が共用化される圧電振動子と、前記補助電極に接続された補助発振回路と、を備え、温度センサーとして用いられる補助発振部と、
この補助発振部の発振出力の周波数を検出し、この周波数と前記補助発振部の周波数の温度特性とに基づいて、温度を推定する温度推定部と、
この温度推定部により推定された温度と前記主発振部の周波数の温度特性とに基づいて、前記設定周波数信号を得るための制御電圧を求めて前記主発振回路に供給する制御電圧供給部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記補助発振部で使用する振動波は、オーバートーンであることが好ましい。また、前記補助発振部の振動モードは、輪郭すべり振動であっても良い。
前記主発振部の振動モードは、厚みすべり振動であることが好ましく、更に前記主発振部で使用する振動波は、オーバートーンであることが好ましい。
前記補助発振部は、第１の補助振動領域を形成する第１の補助電極と、第２の補助振動領域を形成する第２の補助電極と、これら第１の補助電極及び第２の補助電極に夫々接続された第１の補助発振回路及び第２の補助発振回路と、これら第１の補助発振回路及び第２の補助発振回路の各発振周波数の差分または和を求めて補助発振部の発振出力を得る手段と、を備えていても良い。前記補助電極は、前記主電極よりも重量が大きいことが好ましい。
前記制御電圧供給部は、主発振部が基準温度において設定周波数を出力する制御電圧である基準電圧に対して、温度補償電圧を求め、前記基準電圧と温度補償電圧とを加算して制御電圧を求めることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、設定周波数を出力する主発振部とは別に、主発振部に用いられる圧電基板を共有すると共に主発振部の主電極とは別個の補助電極を当該圧電基板上に備えた補助発振部を設けて、この補助発振部を温度センサーとして用いて温度を検出し、この温度に基づいて制御電圧を補償するようにしている。そのため、主発振部の温度そのものを実質測定して温度補償していることから、周波数安定度に優れた温度補償圧電発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＴＣＸＯの一例を示す回路図である。
【図２】上記のＴＣＸＯの水晶振動子を示す平面図である。
【図３】上記のＴＣＸＯの水晶振動子を示す側面断面図である。
【図４】上記の水晶振動子がパッケージ内に収納された様子を示す模式図である。
【図５】上記のＴＣＸＯの概観を示す斜視図である。
【図６】上記のＴＣＸＯにおける周波数温度特性の一例を示す特性図である。
【図７】上記のＴＣＸＯにおける周波数／電圧特性を示す特性図である。
【図８】上記のＴＣＸＯにおける基本波と３次オーバートーンとの差異を示す特性図である。
【図９】上記のＴＣＸＯにおける水晶振動子の他の例を示す側面断面図である。
【図１０】上記の周波数温度特性の一例を示す特性図である。
【図１１】本発明において得られた周波数温度特性を示す特性図である。
【図１２】上記のＴＣＸＯにて得られる温度／周波数特性を示す特性図である。
【図１３】上記のＴＣＸＯの基本波及びオーバートーンにおいて得られる特性を概略的に示す特性図である。
【図１４】上記の水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１５】上記の水晶振動子の他の例を示す平面図である。
【図１６】上記のＴＣＸＯの他の例を示す回路図である。
【図１７】厚み滑り振動と輪郭滑り振動についての特性を示した模式図である。
【図１８】上記のＴＣＸＯの他の例を示す平面図である。
【図１９】上記のＴＣＸＯの他の例を示す平面図である。
【図２０】上記のＴＣＸＯの他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
本発明の温度補償圧電発振器である温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Xtal Oscillator）の第１の実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。先ず、ＴＣＸＯの回路構成について図１に示すと、このＴＣＸＯは、外部に設定周波数ｆ０の信号を出力するための主発振部１１と、温度補償用の信号を発振させるための補助発振部２１と、補助発振部２１から出力される温度補償用の信号に基づいて主発振部１１に入力する制御電圧Ｖｃを算出するために、これらの主発振部１１及び補助発振部２１の間に設けられた制御電圧供給部３１と、を備えている。この図１中５は、補助発振部２１の制御電圧Ｖ１０の入力端であり、この制御電圧Ｖ１０は図示しない電圧供給部により入力端５に入力される。また、６は本実施の形態に係る水晶発振器の出力端である。
【００１４】
主発振部１１は、圧電振動子である水晶振動子１と、この水晶振動子１に接続された主発振回路１２と、を備えている。水晶振動子１は、図２及び図３に示すように、例えばＡＴカットの水晶基板（圧電基板）２の両面に例えばＣｕ（銅）を下地側としたＣｕ及びＡｕ（金）の積層膜からなる励振電極３により構成されている。この励振電極３は、主発振回路１２に接続される主電極１３と、後述する補助発振回路２２に接続される補助電極２３と、を含んでいる。この例では、励振電極３は、水晶基板２の上下面において当該水晶基板２を介して相対向し、各々同じ形状となるように形成されている。水晶基板２における主電極１３、１３間の領域は、主発振部１１の振動領域１ａを構成し、補助電極２３、２３間の領域は、補助発振部２１の振動領域１ｂを構成している。
【００１５】
この例では主発振部１１は、水晶基板２に発生する振動モードのうち厚み滑り振動を利用し、かつその振動波のうち基本波を利用して発振するように構成されている。主電極１３は、上記の基本波が水晶基板２のＺ軸方向の中央部にて電荷が大きくなることから、図２に示すように、当該中央部に矩形状に形成されている。
【００１６】
図２中４は、上面側及び下面側の電極１３、２３の夫々から水晶基板２の端部領域に各々引き回された引き出し電極であり、これらの４本の引き出し電極４は、図示を省略するが、夫々例えば水晶振動子１の表面部や側面部を引き回されて、当該水晶振動子１の下面における端部領域において、図４（ａ）に示すように、導電性接着剤１０３を介して、パッケージ１００内に引き回された図示しない導電路により上記の発振回路１２（２２）に電気的に接続される。そして、この水晶振動子１は、気密に封止されたパッケージ１００内において、上記の導電性接着剤１０３により片持ちの状態で固定される。この図４（ａ）中１０２はパッケージ１００内に形成された４つの内部電極、図４（ｂ）中１０４はパッケージ１００の下面に形成された外部電極であり、これら内部電極１０２及び外部電極１０４により、各々の引き出し電極４と発振回路１２（２２）とが接続される。尚、図３においては、この引き出し電極４の図示を省略している。また、図２において、各電極１３、２３、４にはハッチングを付している。上記の図２及び図３中の各軸は、水晶基板２の結晶軸方向を示したものである。
【００１７】
上記のパッケージ１００は、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、上記の主発振回路１２、補助発振回路２２及び制御電圧供給部３１が収納された発振制御部１０１と共に基板１１０上に配置されて水晶発振器（ＴＣＸＯ）１２０をなすことになる。尚、図５中１１１は、基板１１０上の発振制御部１０１及びパッケージ１００を上方側から気密に覆うように設けられたカバー体であり、同図（ｂ）はこのカバー体１１１を取り外した状態を示している。
【００１８】
上記の主発振部１１の前段側（入力側）には、既述の制御電圧供給部３１が接続されており、この制御電圧供給部３１から可変容量素子であるバリキャップダイオード１４を介して、主発振部１１に制御電圧Ｖｃが印加されるように構成されている。この制御電圧供給部３１は、（２）式に示すように、主発振部１１の基準電圧Ｖ０から温度補償電圧ΔＶを減算（ΔＶの符号の取り方によっては加算とも言える）することにより、上記の制御電圧Ｖｃが生成されるように構成されている。
Ｖｃ＝Ｖ０−ΔＶ                                    ・・・（２）
【００１９】
この基準電圧Ｖ０とは、基準温度Ｔ０例えば２９℃において、主発振部１１から設定周波数ｆ０が出力される時の制御電圧である。また、温度補償電圧ΔＶは、次のように表される。即ち、制御電圧Ｖと発振周波数ｆとが比例関係にあることから、ΔＶは（３）式のように表され、（４）式が成り立つことから、ΔＶは（５）式として表される。尚、Ｔは温度検出部（温度センサー）３２において検出された温度、Δｆ＝ｆ−ｆ０である。
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）
α１、β１及びγ１はこの主発振部１１に固有の定数であり、例えば予め主発振部１１（ＴＣＸＯ）を恒温槽内に設置して例えば基準電圧Ｖ０を入力すると共に、恒温槽内の温度Ｔを種々変えて周波数ｆを測定し、これらの温度Ｔ及び周波数ｆの測定結果を上記の（４）式に代入して得られる連立方程式を解くことにより求められる。  
【００２０】
補助発振部２１は、主発振部１１に用いられた水晶振動子１を共用し、水晶振動子１上の補助電極２３に接続される補助発振回路２２を備えている。５は入力端であり、この入力端５から可変容量素子であるバリキャップダイオード２４を介して補助電極２３、２３間の領域である補助振動領域１ｂに制御電圧Ｖ１０が印加される。補助発振回路２２は水晶振動子１に発生する振動モードのうち厚み滑り振動を利用し、振動波としてオーバートーン例えば３次オーバートーンにより発振するように構成されている。３次オーバートーンでは、水晶基板２のＺ軸方向において当該水晶基板２を３つの領域に区分した時の各々の３区分領域に電荷のピークが位置する。そこで、これらの３つの領域のうち、基本波の影響を抑えるために、中央領域をできるだけ避けて両端側に補助電極２３、２３を形成している。即ち、補助電極２３、２３は、水晶基板２のＺ軸方向両端側に互いに平行にＸ軸方向に各々伸びるように配置されると共に、主電極１３の反対側における端部同士が接続されている。
【００２１】
この補助発振部２１の後段側には、既述の制御電圧供給部３１が接続されている。制御電圧供給部３１は、補助発振部２１から入力される周波数信号から周波数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３３と、この周波数検出部３３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３４と、温度推定部３４において推定した温度Ｔに基づいて既述の補償電圧ΔＶを演算するための補償電圧演算部３５と、補償電圧演算部３５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を主発振部１１に出力するための加算部３６と、を備えている。尚、補償電圧ΔＶの符号を正、負のいずれに決めるかによって、加算部３６における演算は、（Ｖ０−ΔＶ）、（Ｖ０＋ΔＶ）のいずれかに決まってくるが、この実施の形態では先の（５）式で求めたΔＶを補償電圧として取り扱っているので、（Ｖ０−ΔＶ）として表現している。要は、周波数温度特性に応じて周波数ｆが設定周波数ｆ０から変動する分だけ、ΔＶによりＶ０を補償する演算を行えば良い。
温度推定部３４には、補助発振部２１の周波数温度特性（この例では３次関数）が記憶されており、この温度特性と補助発振部２１の発振周波数ｆとに基づいて（ｆ０とＴ０とは予め設定されている）、水晶振動子１の温度Ｔが求められる。また、補償電圧演算部３５は、例えば主発振部１１の温度特性である３次関数発生器を備え、既述の（５）式及び温度Ｔにより、補償電圧ΔＶが求められる。
【００２２】
次に、上述の実施の形態の作用について説明する。主発振部１１において基準温度Ｔ０例えば２９℃で設定周波数ｆ０が出力される基準電圧Ｖ０から、後述する温度補償電圧ΔＶを減算した電圧Ｖｃをバリキャップダイオード１４を介して主発振回路１２に供給する。これにより主発振回路１２は、主発振領域１ａにおける厚み滑り振動の基本波の周波数ｆで発振する。この時、水晶振動子１が例えば温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ０）であり、制御電圧Ｖが基準電圧Ｖ０であるとした場合には、図６に示すように、この主発振部１１にて発振する周波数ｆは、基準温度Ｔ０に対応する設定周波数ｆ０から温度特性曲線である３次曲線に沿って、温度Ｔ１に対応する周波数ｆ１にずれようとする。しかし、上記のように主発振部１１に供給される制御電圧Ｖｃは、基準電圧Ｖ０を温度補償電圧ΔＶにより補償した値となっているので、出力端６からは設定周波数ｆ０が出力されることになる。このような温度補償電圧ΔＶは、次のようにして制御電圧供給部３１において計算される。
【００２３】
既述のように、主発振部１１における発振周波数ｆは、図７に示すように、制御電圧Ｖに比例する。従って、制御電圧供給部３１において、周波数ｆ１と設定周波数ｆ０との差分であるΔｆを補償するために、Δｆに相当する補償電圧ΔＶだけ制御電圧Ｖを高くするようにコントロールされる。補償電圧ΔＶは、上記の（５）式の温度Ｔに温度Ｔ１を代入することにより求められる。温度Ｔ１は、従来では例えばサーミスタなどを用いて既述のパッケージ１００の外部において検出されていたが、本実施の形態では、次のようにして補助発振部２１の発振周波数ｆに基づいて算出される。即ち、入力端５に制御電圧Ｖ１０を入力することにより、補助発振回路２２が補助発振領域１ｂにおける厚み滑り振動の３次高調波の周波数ｆで発振する。周波数検出部３３は、この発振周波数ｆを検出し、温度推定部３４にて（６）式を用いて温度Ｔが推定される。
ｆ＝ｆ１０｛１＋α２(Ｔ−Ｔ１０)3＋β２(Ｔ−Ｔ１０)＋γ２｝  ・・・（６）
【００２４】
Ｔ１０は基準温度例えば２９℃であり、ｆ１０は基準電圧Ｖ１０を制御電圧として補助発振回路２２に供給した時に得られる周波数である。α２、β２及びγ２は、予め恒温槽を用いて温度Ｔを種々変更し、その時の周波数ｆを測定することにより求められる。これらの各常数は様々な値の制御電圧Ｖにおいて異なるので、上記の入力端５に入力される制御電圧Ｖは、これらの常数を求めた時と同じ電圧例えばＶ１０となる。このように、本実施の形態では、主発振部１１の水晶振動子１の水晶基板２を共用する補助発振部２１を温度検出部３２として利用している。補償電圧演算部３５は、こうして求められた温度Ｔ１及び既述の（５）式に基づいて、補償電圧ΔＶを算出する。これにより、主発振部１１の発振周波数ｆがΔｆだけ高くなろうとし、温度Ｔ１になっていることにより発振周波数ｆがΔｆだけ低くなろうとする作用を打ち消すため、出力端６から出力される周波数ｆが設定周波数ｆ０に維持されることになる。
【００２５】
ここで、基本波と３次オーバートーンとについて、発振周波数ｆの周波数温度特性について記載しておく。両者を比較すると、３次オーバートーンの方が基本波よりも３次関数における変化量が大きく、３次オーバートーンの３次関数から基本波の３次関数を差し引くと、つまり各温度におけるΔｆ／ｆの差分を求めると図８のように表される。
【００２６】
基本波においては、電極１３の質量が大きい程、周波数温度特性が右回りに回転し、温度変化に伴う周波数ｆの変化量が大きくなることが知られている。これに対し、本発明者は実験により更に次の知見を得た。即ち、３次オーバートーンについても、図９（ａ）から同図（ｂ）、（ｃ）に示すように同様に電極２３の質量を大きくしていったところ、図１０に模式的に示すように、周波数温度特性である３次関数は右回りに回転するが、３次オーバートーンの場合には、電極２３の質量の増加分に対する右回転の程度が基本波の場合よりも大きいことが分かった。  
即ち、基本波が２６ＭＨｚの水晶振動子１を用いた時の３次オーバートーンの振動モードにおいては、電極２３の膜厚が１０００Å（１００ｎｍ）の場合に得られる周波数温度特性に対して、電極２３の膜厚が２０００Å（２００ｎｍ）の場合には、図１１（ａ）に示すように、右回りに回転する。このような周波数温度特性について概略的にまとめると、図１１（ｂ）に示すように表される。
【００２７】
従って、基本波よりも３次オーバートーンの発振を温度検出のために利用した方が温度検出感度が高いので、この実施の形態においては、主電極１３よりも補助電極２３の質量を大きくすることが好ましい。電極２３の質量を大きくする手法としては、電極２３の厚さ、面積の少なくとも一方を大きくすることや、電極２３の材質を選定する例が挙げられる。また、基本波では、温度Ｔに対する周波数ｆの変化量がオーバートーンよりも小さいので、主発振部１１においてこの基本波を利用することにより、温度Ｔが変化しても出力される周波数ｆ（設定周波数ｆ０）の誤差が小さく抑えられ、従って周波数変化の小さい（安定した）ＴＣＸＯが得られる。
【００２８】
上述の実施の形態によれば、ＴＣＸＯにおいて補償電圧ΔＶを求めるための温度Ｔを検出する温度検出部３２として、主発振部１１と水晶基板２を共用する補助発振部２１を用いているので、外部に対して設定周波数ｆ０が発振される主発振部１１と極めて近い領域（補助発振部２１）にて温度Ｔを測定できる。そのため、温度Ｔの測定誤差を極めて小さく抑えることができるので、例えば水晶振動子１とは別に当該水晶振動子１が収納されるパッケージ１００に隣接させてサーミスタなどの温度検出部を設けていた従来のＴＣＸＯと比べて、周波数安定度に優れると共に電子雑音の小さいＴＣＸＯを得ることができる。また、水晶振動子１には主発振回路１２に接続される主電極１３とは別に補助発振回路２２に接続される補助電極２３を配置しているので、従来のＭＣＸＯ（Microcomputer Compensated Xtal Oscillator）と比べて、フィルターが無用のため、ＴＣＸＯを簡単な回路で構成できる。更に、上記の温度Ｔを求めるための補助発振回路２２ではオーバートーンを利用しているので、既述のように基本波を用いる場合よりも温度Ｔの変化に対する感度（周波数ｆの変化）が向上し、従って周波数温度特性の極めて安定したＴＣＸＯを得ることができる。
このようなＴＣＸＯにおいて、実際に得られた周波数偏差Δｆ／ｆ０の曲線を図１２に示すと、従来のＴＣＸＯにおいて±０．２ｐｐｍ程度に補償されていた温度範囲（−２０℃〜７５℃）よりも広い−５０℃〜１２０℃に亘って、±０．０１ｐｐｍ程度の極めて良好な周波数偏差Δｆ／ｆ０が得られることが分かった。
【００２９】
次に、上記の第１の実施の形態の変形例について列挙する。  
上記の第１の実施の形態では、補助発振部２１にて使用する振動波として３次オーバートーンを利用したが、５次あるいは７次以上のオーバートーンを利用しても良い。即ち、図１３に示すように、５次のオーバートーンでは３次オーバートーンよりも周波数温度特性における温度変化に対する周波数偏差の変化量が大きく、即ち周波数温度特性である３次曲線が時計回りに回転した状態となり、７次以上のオーバートーンでは５次のオーバートーンよりも更に前記変化量が大きくなる。従って、高次のオーバートーンを用いることにより一層高い感度で温度Ｔを検出することができる。このようにオーバートーンを用いる場合には、補助電極２３は水晶基板２上においてこれらのオーバートーンにおける電荷が大きくなる位置に配置されることが好ましい。
【００３０】
また、主発振部１１において使用する振動波としては基本波に限られず、オーバートーン例えば３次オーバートーンを用いても良い。この場合には、水晶基板２における各電極１３、２３は図１４に示すレイアウトで配置され、主電極１３は既述の補助電極２３と同様の形状となり、例えば補助電極２３の開口部に当該主電極１３の開口部が対向するように配置される。更に、主発振部１１として、５次あるいは７次以上のオーバートーンを用いても良い。
【００３１】
更にまた、主発振部１１ではオーバートーンを用いると共に、補助発振部２１では基本波を用いても良い。この場合であっても、主発振部１１と水晶基板２を共用する補助発振部２１にて温度Ｔを測定していることから、上記の例と同様の効果が得られる。この場合には、各電極１３、２３は、図２における各電極１３、２３を互いに入れ替えた配置となる。
尚、主発振部１１及び補助電極２３のいずれについても基本波を振動波として用いても良い。しかしながら、既述のようにオーバートーンを用いた発振部の温度特性は、電極の質量を大きくした時の右回転の程度が基本波の場合よりも大きいことから、温度検出用の補助発振部２１としては、オーバートーンを用いることが好ましい。
【００３２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態は、互いに異なる振動波を取り出すための補助電極２３を複数組設けて、各補助電極２３の組により取り出される周波数ｆの間で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。この実施の形態の一例として、補助電極２３を２組設け、一方の補助電極２３（第１の補助電極２３ａ）により発振する周波数ｆ１１と他方の補助電極２３（第２の補助電極２３ｂ）により発振する周波数ｆ１２との差分を温度検出信号として使用する例を挙げることができる。図１５には、このような例に用いられる水晶振動子１の電極１３、２３のレイアウトの例を示している。
【００３３】
同図（ａ）は、２つの補助電極２３ａ、２３ｂのうち主電極１３に隣接する一方の補助電極２３ａについては、基本波を用いるために主電極１３と同様に水晶基板２におけるＺ軸方向中央部に配置し、他方の補助電極２３ｂについては、３次オーバートーンを用いるために既述の図２の補助電極２３と同様に配置した例を示している。この場合、水晶基板２の上下面に形成された補助電極２３ａ、２３ａの間の領域が第１の補助振動領域をなし、水晶基板２の上下面に形成された補助電極２３ｂ、２３ｂの間の領域が第２の補助振動領域をなすことになる。
【００３４】
また、同図（ｂ）は、２つの補助電極２３ａ、２３ｂの双方を既述の図２に示すレイアウトで配置し、これら補助電極２３ａ、２３ｂの開口部を主電極１３側に向けて配置した例を示しており、同図（ｃ）はこの例において主電極１３についても例えば３次オーバートーンを用いるために補助電極２３と同様の形状に配置した例を示している。この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、主電極１３、補助電極２３ａ、２３ｂの各々について、基本波、３次、５次及び７次以上のオーバートーンのうちいずれの振動波を用いても良い。その場合、各電極１３、２３ａ、２３ｂはその振動波に適した形状や配置とすることが好ましい。
【００３５】
次に、この第２の実施の形態における回路の一例を図１６に示すと、この第２の実施の形態のＴＣＸＯは、上記の補助電極２３ａ、２３ｂの夫々に接続される第１の補助発振回路２２ａ及び第２の補助発振回路２２ｂを備えている。これらの補助発振回路２２ａ、２２ｂから出力される周波数信号の周波数ｆ１１、ｆ１２は、夫々制御電圧供給部３１に設けられた第１の周波数検出部３３ａ及び第２の周波数検出部３３ｂにて検出され、その差分が加算部３７において演算される。温度推定部３４は、前記周波数ｆの差分（ｆ１１−ｆ１２）と温度Ｔとの関係データ及び検出された周波数ｆの差分に基づいて温度Ｔが推定されるように構成される。既述の図８は、基本波と３次オーバートーンとの差分周波数と温度との関係データを表すものであり、３次オーバートーンにおける周波数温度特性である３次曲線から基本波における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。このグラフから分かるように、演算された周波数偏差は、温度Ｔに対して概略比例関係にある。３次関数を用いる場合には、温度Ｔが基準温度Ｔ０から離れるにつれて周波数偏差が大きくなり、山（ピーク）部分を越えると小さくなっていく。これに対して上記のように差分を求めると、温度Ｔが基準温度Ｔ０から離れるにつれて、周波数偏差が概ねリニアな関係で大きくなっていくことから、広範囲な温度Ｔにおいて温度補償を行う場合には、つまり実際の製品においては、このような実施の形態が有利であると言える。
【００３６】
温度推定部３４は、例えば周波数の差分（ｆ１１−ｆ１２）と温度Ｔとの関係データを記憶するメモリと、加算部３７において求めた周波数の差分（ｆ１１−ｆ１２）に対応する温度Ｔをメモリ内の関係データから読み出す手段とを備えた構成とすることができる。
このように周波数ｆの差分を求める有利点は、基本波とオーバートーンとの間のみならず、互いに次数の異なるオーバートーンを利用する場合にも得られる。尚、２つの補助発振回路２２ａ、２２ｂの各周波数信号の周波数差を求める手法としては、各周波数ｆが正弦波信号である場合、アナログ回路からなる混合器により両周波数信号を混合してその差分の周波数ｆを有する周波数信号を求め、この周波数信号の周波数ｆを周波数検出部３３により検出するようにしても良い。
【００３７】
また、補助発振回路２２ａ、２２ｂの各周波数信号の周波数差を求める代わりに、周波数ｆの和を求め、求めた周波数ｆに基づいて例えばメモリ内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。尚、補助電極２３を３組以上設けても良く、各組で得られた周波数信号同士を加算、減算するようにしてその演算値に基づいて温度Ｔを求めるようにしても良い。更にまた、主電極１３についても互いに異なる振動波を取り出すための主電極１３を複数組例えば３組設けるようにしても良い。また、図１６の回路において、既述の図１と同じ部位については同符号を付してある。
【００３８】
上記の各実施の形態では、水晶基板２としてＡＴカット基板を用いたが、水晶基板２の切断方位は例えばＳＣカット、ＦＣカット、ＩＴカットなどであっても良いし、厚み滑り振動を用いる場合にはＢＴカットでも良い。また、水晶基板２に代えて例えばＳＣ、ＦＣ、ＩＦカットなどを用いても良い。
【００３９】
［補助発振部が輪郭滑りモードである例］
上記の各実施の形態では、主発振部１１及び補助発振部２１において各々厚み滑り振動を利用したが、補助発振部２１については輪郭滑り振動モード（面滑り振動モード）を利用しても良い。輪郭滑り振動では、周波数温度特性は図１７に示すように、負の２次関数として近似される。図１７に示す２次関数の右下がりの領域は、温度範囲として例えば−４０℃〜＋１００℃の部分であり、発振器の仕様として要求される使用温度範囲をカバーしている。従って、輪郭滑り振動では、ＴＣＸＯの使用温度範囲においては、厚み滑り振動に比べて温度Ｔに対する周波数ｆの変化分を大きく取ることができるので、補助発振部２１の振動モードとして輪郭滑り振動を用いることによって、温度Ｔを高い感度で検出することができる。
【００４０】
（第３の実施の形態）
このような形態の例としては、主発振部１１の振動モードを厚み滑り振動、補助発振部２１の振動モードを輪郭滑り振動とする例を挙げることができ、この場合の主電極１３は水晶基板２の中央部に矩形状に形成されると共に、補助電極２３のレイアウトとしては例えば図１８に示すように、水晶基板２の角部の４箇所において当該角部に沿うように、概略Ｌ字型に各々配置されることになる。図１８は水晶基板２の表面側における主電極１３及び補助電極２３のレイアウトを示しているが、水晶基板２の裏面側においても表面側と同様のレイアウトとで主電極１３及び補助電極２３が配置される。また、例えば４つの補助電極２３の各々には共通の補助発振回路２２が接続される。
【００４１】
このような構成の発振器において、主発振部１１で用いる振動波及び補助発振部２１で用いる振動波の組み合わせとしては、主発振部１１及び補助発振部２１の振動モードとして厚み滑り振動を用いた先の実施の形態と同様に、種々の組み合わせを利用することができる。即ち、主発振部１１及び補助発振部２１では基本波あるいはオーバートーン（３次、５次、７次等）のいずれかを用いても良く、いずれも同じ振動波であっても良いし、互いに異なる振動波（例えば主発振部１１では基本波を用い、補助発振部２１では３次のオーバートーンを用いる）であっても良い。
【００４２】
更にまた、既述の図１５に示すように、補助電極２３として複数組用いる例や、主電極１３として複数組用いる例などであっても良い。この場合には、例えば２組の補助電極２３から得られる周波数の差分や加算値を求め、これらに基づいて温度を求めても良い。２組の補助電極２３を用いる例としては、図１８に示す４つの補助電極２３のうち水晶基板２の対角線方向に対向する２つの組毎に補助発振回路２２ａ、２２ｂを接続すると共に、これらの組から出力される周波数ｆ１１、ｆ１２の差分あるいは加算値を温度検出信号として使用する例が挙げられる。
このように第３の実施の形態は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態において、補助発振部２１の振動モードを厚み滑り振動に代えて輪郭滑り振動を用いる例である。尚、主発振部１１の振動モードを輪郭滑り振動、補助発振部２１の振動モードを厚み滑り振動としても良い。
【００４３】
輪郭滑り振動を用いる場合には、水晶基板２として、Ｚ’軸及びＸ軸が夫々一辺及び他辺をなし、Ｙ’軸が厚み方向である晶系３２の回転Ｙ板からなる矩形の厚み滑り振動片例えばＡＴカットの水晶を用いたが、この水晶基板２に代えて、圧電振動片の中で晶系３２に属する（点群３２に属する）材料例えばＧａＰＯ４（リン酸ガリウム）、ランガサイト系（ＬＧＳ、ＬＧＮ、ＬＧＴ）などの回転Ｙ板などであっても良い。
【００４４】
（第４の実施の形態）
この実施の形態は、第３の実施の形態において、主発振部１１の振動モードとして輪郭滑り振動を用いる例、即ち主発振部１１及び補助発振部２１のいずれについても輪郭滑り振動を用いる例である。このような形態の例としては、図１９に示すように、水晶基板２上の４つの角部において対角線方向に互いに対向する２つの角部の組毎に、概略Ｌ字型に主電極１３及び補助電極２３を水晶基板２の上下面に各々配置する例が挙げられる。また、この場合において、図２０に示すように、補助発振回路２２を例えば２組設ける場合には、輪郭滑り振動と共に厚み滑り振動を併用しても良い。
【００４５】
以上の例では、主発振部１１及び補助発振部２１の振動モードとして厚み滑り振動及び輪郭滑り振動の中から選ばれているが、この２つの振動モードに限らず、例えば平行電界励振モードを用いても良い。ここで、この明細書では基本波及びオーバートーンを振動波、厚み滑り振動及び輪郭滑り振動を振動モードとして用語を区別しているが、全部を振動モードとして取り扱うならば、主発振部１１で用いる振動モードの周波数温度特性よりも補助発振部２１で用いる振動モード（２つの補助発振回路２２ａ、２２ｂを用いて周波数差あるいは周波数加算値を求める場合を含む）の周波数温度特性の方が温度変化に対する周波数偏差の変化分が大きくなるように振動モードを選定すること（例えば主発振部１１に厚み滑り振動の基本波、補助発振部２１に厚み滑り振動のオーバートーンを割り当てる）が好ましい。
【００４６】
また、上記の第２、第３及び第４の実施の形態において、第１の実施の形態と同様に主電極１３よりも補助電極２３の重量を大きくすることが好ましい。
更に、上記の各例においては、水晶基板２の上下両面に各電極１３、２３を同じレイアウト（位置、大きさ）として配置したが、上下面において互いに異なるレイアウトとしても良いし、上下の各電極１３、２３のうち接地される一方の電極１３、２３については他方の電極１３、２３において共有される共通電極としても良い。  
【００４７】
更にまた、上記の各例では、主発振部１１に入力する制御電圧Ｖｃを算出するにあたり、主発振部１１に基準電圧Ｖ０を入力した時の周波数温度特性（（６）式の各定数）を予め求めておき、補償電圧演算部３５ではこの特性に基づいて補償電圧ΔＶを算出し、加算部３６では基準電圧Ｖ０から補償電圧ΔＶを減算したが、例えばこの基準電圧Ｖ０とは異なる制御電圧Ｖａにおいて３次関数の各定数を求めておき、この特性に基づいて補償電圧ΔＶａを算出して制御電圧Ｖａから補償電圧ΔＶａを減算して、設定周波数ｆ０が出力される制御電圧Ｖｃを求めても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１  水晶振動子
２  水晶基板
１１  主発振部
１３  主電極
２１  補助発振部
２３  補助電極
３１  制御電圧供給部
３２  温度検出部
３３  周波数検出部
３４  温度推定部
３５  補償電圧演算部
３６  加算部
【図１】
2011135342.tif 000003
【図２】
2011135342.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011135342.tif 000006
【図５】
2011135342.tif 000007
【図６】
2011135342.tif 000008
【図７】
2011135342.tif 000009
【図８】
2011135342.tif 000010
【図９】
2011135342.tif 000011
【図１０】
2011135342.tif 000012
【図１１】
2011135342.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2011135342.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
2011135342.tif 000018
【図１７】
2011135342.tif 000019
【図１８】
2011135342.tif 000020
【図１９】
2011135342.tif 000021
【図２０】
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