(57)【要約】【課題】超小型化の水晶振動板を採用してもインピーダンスを大幅に悪化させることなく、且つ周囲温度に対する発振周波数の変化を極力小さくすることを可能にし、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立する。【解決手段】水晶振動板３として、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下のものを採用する。ドライブ電力として１５０μＷ以下の値を設定する。発振回路５と出力回路６とに対し、それぞれ個別の電源５５，６２から給電されるよう構成する。これにより、出力回路６への供給電力を３００μＷ、発振回路５への供給電力を１５０μＷに設定する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形状の水晶振動板を有する発振回路手段を備えて構成される水晶発振器において、
上記水晶振動板として、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下のものが採用されていて、１５０μＷ以下のドライブ電力で駆動発振するよう構成されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
略矩形状の水晶振動板を有する発振回路手段を備えて構成される水晶発振器において、
上記水晶振動板として、長辺側寸法が１．９ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．２ｍｍ以下のものが採用されていて、１００μＷ以下のドライブ電力で駆動発振するよう構成されていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項３】
請求項１または２記載の水晶発振器において、
発振回路手段は、発振回路と出力回路とを備え、発振回路において水晶振動板を駆動発振させ、出力回路から発振信号を出力するようになっており、
上記発振回路と出力回路とは、それぞれ個別の電源から給電されるようになっていて、発振回路の電源は出力回路の電源よりも電圧が低いものとなっていることを特徴とする水晶発振器。
【請求項４】
請求項１または２記載の水晶発振器において、
発振回路手段は、発振回路と出力回路とを備え、発振回路において水晶振動板を駆動発振させ、出力回路から発振信号を出力するようになっており、
上記発振回路と出力回路とは、共に同一の電源から給電されるようになっていて、
上記電源の電圧を減圧させて発振回路に印加する減圧回路を備えていることを特徴とする水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の通信機器や電子機器に用いられる水晶発振器に係る。特に、本発明は、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立するための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器では、周波数や時間等の基準信号の発信源として、形状の小型化、高い信頼性の確保、高精度の発信タイミングの維持を図ることが可能な水晶発振器が多用されている。この水晶発振器は、水晶振動板と半導体集積回路とでなる発振回路を備えている。
【０００３】
この種の水晶発振器の構成としては、例えば下記の特許文献１に開示されているように、上部が開放された容器状のセラミックベースと、このセラミックベース内に導電性接着剤等により保持された圧電素子（水晶振動板）と、この圧電素子を覆って水晶発振器内部空間を密閉するようにセラミックベース上縁部に接合されたフタ（キャップ）とを備えている。
【０００４】
また、この種の水晶発振器は、手頃で正確な信号発信源として近年特にその応用範囲が広がってきている。それに伴い、市場の小型化要求に応えるべく製品の小型化は急速に進んでいる。
【０００５】
現在、最も大量に生産されている水晶発振器の平面サイズは７×５ｍｍや５×３．２ｍｍである。これらに使用されている水晶振動板（振動素片）のサイズとして、例えば、前者のものでは５×２．５ｍｍ、後者のものでは３．６×１．８ｍｍとなっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３３９２６８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、次世代の水晶発振器のサイズとして、３．２×２．５ｍｍ若しくは２．５×２．０ｍｍが標準化されつつある。これらの水晶発振器に使用する水晶振動板のサイズは１．９×１．２ｍｍ程度である。
【０００８】
振動素片がここまで小型になると、発振回路で水晶振動板を発振させるレベル（ドライブ電力）の影響によって水晶発振器の特性に変化が現れて安定した性能を維持することが困難になる。以下、この超小型水晶発振器のドライブ電力の影響について説明する。
【０００９】
図４に示すグラフは、４種類のサイズの水晶振動板に対しドライブ電力を変化させた場合におけるインピーダンス（損失）の変化を示している。図中のカーブＡ（３．６×１．８ｍｍサイズ）では、ドライブ電力が３００μＷ程度までは、ドライブ電力の上昇に対するインピーダンスの変化は微小である。
【００１０】
これに対し、水晶振動板のサイズが小さくなるに従って、このインピーダンスの変化量は次第に大きくなっていく（図中のカーブＢ，Ｃ，Ｄ参照）。特に、ドライブ電力が３００μＷである場合、カーブＤ（１．９×１．２ｍｍサイズ）では上記カーブＡのものに比べてインピーダンスは３倍以上の値まで悪化している。この場合、損失過大により発振を継続できない可能性がある。
【００１１】
また、図５に示すグラフは、３．６×１．８ｍｍの水晶振動板（上記図４におけるカーブＡのもの）をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の周囲温度に対する発振周波数の変化を示している。このサイズではドライブレベルの大小はさほど特性に影響しない。
【００１２】
しかしながら、水晶振動板のサイズが小さくなるに従って、周囲温度に対する発振周波数の変化は大きくなっていく。図６〜図８は、水晶振動板をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の、周囲温度に対する発振周波数の変化を示しており、図６は２．８×１．５ｍｍの水晶振動板（上記図４におけるカーブＢのもの）、図７は２．２×１．５ｍｍの水晶振動板（上記図４におけるカーブＣのもの）、図８は１．９×１．２ｍｍの水晶振動板（上記図４におけるカーブＤのもの）についてそれぞれ示している。
【００１３】
これらの図に示すように、ドライブレベル１５０μＷで発振させた場合には、水晶振動板のサイズが小さくても周囲温度に対する発振周波数の変化は小さい。しかし、ドライブレベル３００μＷで発振させた場合には、サイズの小さな水晶振動板であるほど、水晶振動板内に複数の不必要な振動モードを励起させてしまい、それらが、温度によって結合して不連続で急峻な温度変動を起こしてしまう。この場合、必要な周波数精度を確保することができなくなってしまう。
【００１４】
図９は、従来の一般的な水晶発振器の発振回路構成を示している。この図に示すように、本発振回路は、発振段ａ及び出力段ｂに１チップのＣ−ＭＯＳＩＣｃ，ｄを使用しているが、その回路構成上、発振段ａと出力段ｂの電源電圧が同一であるために、出力段ｂに必要とされる電源電圧と同等の電源電圧が発振段ａにも印加されることになり、この発振段ａには３００μＷ程度のドライブ電力が作用している。このため、上記図４〜図８に示す如く、良好な発振特性を確保するためには、水晶振動板を小型化にすることは困難であり、上述した次世代の水晶発振器に適用される超小型サイズ（１．９×１．２ｍｍや２．２×１．５ｍｍ）の水晶振動板を実用化することは現実的に不可能であった。尚、図９におけるｅは水晶振動板、ｆは帰還抵抗である。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超小型化の水晶振動板を採用してもインピーダンス（損失）を大幅に悪化させることなく、且つ周囲温度に対する発振周波数の変化を極力小さくすることを可能にし、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、超小型の水晶振動板と、ドライブ電力を低く設定することが可能な電源供給系とを組み合わせることによって、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立できるようにしている。つまり、超小型の水晶振動板を採用した場合であってもインピーダンス（損失）の大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能なドライブ電力を規定することによって、水晶発振器の超小型化を可能にしたものである。
【００１７】
−解決手段−
具体的には、略矩形状の水晶振動板を有する発振回路手段を備えて構成される水晶発振器を前提とする。この水晶発振器に対し、水晶振動板として、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下のものを採用する。そして、１５０μＷ以下のドライブ電力で水晶振動板を駆動発振するよう構成している。
【００１８】
また、他の解決手段として、略矩形状の水晶振動板を有する発振回路手段を備えて構成される水晶発振器を前提とする。この水晶発振器に対し、水晶振動板として、長辺側寸法が１．９ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．２ｍｍ以下のものを採用する。そして、１００μＷ以下のドライブ電力で水晶振動板を駆動発振するよう構成している。
【００１９】
これら解決手段の如く、水晶振動板のサイズとそれを駆動発振させるためのドライブ電力とを規定することにより、インピーダンス（損失）の大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能な超小型の水晶発振器を実用化することができ、水晶発振器の次世代化を実現できる。尚、水晶振動板の長辺側寸法を２．２ｍｍとし短辺側寸法を１．５ｍｍとした場合に、ドライブ電力として１５０μＷを越える値に設定した場合には、インピーダンスが大幅に悪化し周囲温度に対する発振周波数の変化も著しく大きくなってしまうため、上記値が規定される。また、水晶振動板の長辺側寸法を１．９ｍｍとし短辺側寸法を１．２ｍｍとした場合に、ドライブ電力として１００μＷを越える値に設定した場合も同様であるため上記値が規定される。
【００２０】
また、上記各解決手段では、水晶振動板の長辺側寸法及び短辺側寸法の下限値やドライブ電力の下限値は特に制限を受けることはないが、現実の製品化を考慮した場合、水晶振動板の長辺側寸法の下限値は例えば１．５ｍｍ、短辺側寸法の下限値は例えば０．８ｍｍ、ドライブ電力の下限値は６０μＷとなる。特に、このドライブ電力の下限値を６０μＷとした理由は、ドライブ電力が６０μＷ未満になった場合、発信マージンが取り難くなったり、起動不良の発生が懸念されるためである。
【００２１】
上記各水晶発振器を実現するための発振回路手段の具体構成としては以下のものが掲げられる。
【００２２】
先ず、発振回路手段に発振回路と出力回路とを備えさせ、この発振回路において水晶振動板を駆動発振させ、出力回路から発振信号を出力するように構成する。そして、上記発振回路と出力回路とが、それぞれ個別の電源から給電されるように構成し、発振回路の電源を出力回路の電源よりも電圧が低いものとしている。
【００２３】
また、同様に、発振回路手段に発振回路と出力回路とを備えさせ、この発振回路において水晶振動板を駆動発振させ、出力回路から発振信号を出力するように構成する。そして、上記発振回路と出力回路とが、共に同一の電源から給電されるようにし、電源の電圧を減圧させて発振回路に印加する減圧回路を備えさせている。
【００２４】
これらの回路構成により、超小型の水晶発振器の実用化をより具体化でき、水晶発振器の次世代化を進めることが容易になる。特に、発振回路と出力回路とにそれぞれ個別の電源から給電される構成とした場合には、各回路への印加電圧を正確に得ることができ、それに伴って各回路のドライブ電力も正確に得られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本形態では、表面実装型の温度補償型水晶発振器に本発明を適用した場合について説明する。
【００２６】
−水晶発振器の構成説明−
図１は本実施形態に係る水晶発振器１の分解斜視図である。この図１に示すように、本水晶発振器１は、セラミックパッケージ１０と、このセラミックパッケージ１０の中に収納される圧電素子としての水晶振動板３及びＩＣ４１と、セラミックパッケージ１０の内部を気密封止するフタ２とを備えている。
【００２７】
セラミックパッケージ１０は、アルミナ等のセラミックスからなり、上部が開口した直方体形状であって、開口縁部の全周囲に亘ってタングステン、ニッケル等からなる金属層１１がメタライズ技術、メッキ技術を用いて形成されている。尚、この金属層１１に代えてコバール材等の金属リングを用いてもよい。また、このセラミックパッケージ１０の内部には水晶振動板３を電気的且つ機械的に接合する支持電極１２，１３が形成されており、これら各支持電極１２，１３は周知のセラミック積層技術を用いた内部配線を介してセラミックパッケージ１０の裏面１０ａの図示しない導出電極に引き出されている。尚、本形態の水晶発振器１は、直方体形状であって、長辺側寸法が３．２ｍｍ、短辺側寸法が２．５ｍｍ、高さ寸法が０．７５ｍｍとなっている。水晶発振器１の形状及び各部の寸法はこれに限るものではない。例えば、水晶発振器１として、長辺側寸法が３．３ｍｍ、短辺側寸法が２．６ｍｍ、高さ寸法が１．３ｍｍのものであってもよい。更に、水晶振動板３として、長辺側寸法が１．９ｍｍで且つ短辺側寸法が１．４ｍｍのものを採用してもよく、この場合、水晶発振器１のサイズとしては、例えば、長辺側寸法が２．６ｍｍ、短辺側寸法が２．１ｍｍ、高さ寸法が１．３ｍｍとなっている。
【００２８】
また、セラミックパッケージ１０の底部には、ＩＣ４１を収容するための凹陥部が形成され、この凹陥部内には、ＩＣ４１の各電極パッドに対応して複数の図示しない電極パッドが形成されている。これら電極パッドにはＩＣ４１上の各電極パッドが、フリップチップ実装やワイヤーボンディングなどの手段によって接続されている。なお、上記ＩＣ４１の内部には、後述する発振回路手段が形成されている。
【００２９】
水晶振動板３は矩形状のＡＴカット水晶板であり、表裏面に励振電極３１（裏面側の励振電極は図示せず）が形成され、それぞれ支持電極１２，１３に導電性接合材（図示せず）により接続されるよう一端部に引き出されている。そして、上記構成の水晶発振器１に適用される水晶振動板３のサイズとしては、長辺側寸法が２．２ｍｍで且つ短辺側寸法が１．５ｍｍとなっている。尚、この水晶振動板３のサイズとしては、本実施形態の場合、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下であればよい。
【００３０】
フタ２は金属板あるいはセラミック板等からなり、上記金属層１１に対応して、ニッケル等からなる金属層２１が形成されている。セラミックパッケージ１０とフタ２は不活性ガス雰囲気中あるいは減圧雰囲気中で溶接接合される。接合方法は周知のシーム溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接等を用いることができる。また、フタ２がセラミック板の場合にはガラス封止や樹脂封止による接合方法が採用される。
【００３１】
−発振回路の説明−
次に、本形態に係る水晶発振器１に使用される発振回路手段（上記水晶振動板３とＩＣ４１により構成される）について図２を用いて説明する。この図２に示すように、本発振回路は、発振回路５と出力回路６とを備えている。
【００３２】
発振回路５は、ＣＭＯＳインバータ５１と帰還抵抗５２とを備えており、ＣＭＯＳインバータ５１が増幅器として機能し、このＣＭＯＳインバータ５１と、水晶振動板３と、コンデンサ５３，５４とにより、コルピッツ型発振器が構成されている。また、この発振回路５は、この発振回路５のみに接続する発振回路用電源５５からの供給電力によって駆動される。この発振回路用電源５５の電圧は例えば２Ｖである。これにより、発振回路５への供給電力は例えば１５０μＷといった比較的低い値に設定される。尚、この発振回路５への供給電力としては、本実施形態の場合１５０μＷ以下であればよい。
【００３３】
一方、出力回路６は、上記発振回路５の出力信号を受け、出力インバータ６１により整形して出力するものである。この出力インバータ６１は、この出力回路６のみに接続する出力回路用電源６２からの供給電力によって駆動される。この発振回路用電源６２の電圧は例えば３．３Ｖである。これにより、出力回路６への供給電力は例えば２００μＷといった比較的高い値（上記発振回路５への供給電力よりも高い値）に設定される。また、この出力回路６に備えられているコンデンサ６３は、電圧の平滑化とノイズをバイパスさせるものであって、０．１μＦ〜１μＦ程度のものが使用される。更に、この出力回路６には、発振回路５からの出力波形を所定の矩形波に整形するための整形部６４を備えている。この整形部６４は、スレッショルドレベルを適切に設定し、発振回路５の出力波形を整形して得られる矩形波のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを略一致させるようにしている。
【００３４】
以上説明したように、本形態では、水晶振動板３として、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下のものを採用し、１５０μＷ以下のドライブ電力で水晶振動板３を駆動発振するよう構成している。このように水晶振動板３のサイズとそれを駆動発振させるためのドライブ電力とを規定することにより、図４や図７に示す如く、インピーダンス（損失）の大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能な超小型の水晶発振器を実用化することができ、水晶発振器の次世代化が実現可能になる。
【００３５】
（変形例）
以下、本発明の変形例について説明する。
【００３６】
−水晶振動板３の寸法及びドライブ電力の変形例−
上述した実施形態では、水晶振動板３として、長辺側寸法が２．２ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．５ｍｍ以下のものを採用し、１５０μＷ以下のドライブ電力で水晶振動板３を駆動発振するよう構成していた。
【００３７】
それに変えて、本変形例のものは、水晶振動板３として、長辺側寸法が１．９ｍｍ以下で且つ短辺側寸法が１．２ｍｍ以下のものを採用し、１００μＷ以下のドライブ電力で水晶振動板３を駆動発振するよう構成したものである。この場合、水晶発振器１のサイズとしては、長辺側寸法が２．５ｍｍ、短辺側寸法が２．０ｍｍ、高さ寸法が０．７５ｍｍとなっている。水晶発振器１の形状及び各部の寸法はこれに限るものではない。
【００３８】
この構成によっても、水晶振動板３のサイズとそれを駆動発振させるためのドライブ電力とを規定することにより、インピーダンス（損失）の大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能な超小型の水晶発振器を実用化することができ、水晶発振器の次世代化が実現可能になる。
【００３９】
−発振回路手段の変形例−
上述した実施形態では、発振回路５と出力回路６とが、それぞれ個別の電源５５，６２から給電されるように構成していた。
【００４０】
それに変えて、本変形例のものは、図３に示すように、発振回路５と出力回路６とが、共に同一の電源７から給電されるようにしている。そして、出力回路６に対しては電源電圧を減圧することなしに印加し、発振回路５に対しては電源電圧を減圧回路７１によって減圧させて印加する構成としている。本例に係る発振回路手段では、出力回路６への供給電力を３００μＷ程度の比較的高い値に設定している一方、発振回路５の前段側に減圧回路７１を備えさせたことにより、この発振回路５への供給電力を１５０μＷ程度の比較的低い値に設定している。
【００４１】
本例の構成によれば、上述した実施形態の場合と同様に、インピーダンスの大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能な超小型の水晶発振器１を実用化することができる。また、単一の電源７で、発振回路５と出力回路６とにそれぞれ異なる電圧を印加することができ、電源回路の簡素化を図ることもできる。
【００４２】
−その他の実施形態−
尚、上記水晶振動板３の形状及びドライブ電力は上述のものに限らない。つまり、水晶振動板３の長辺側寸法を２．２ｍｍ以下とし且つ短辺側寸法を１．５ｍｍ以下とした際に、ドライブ電力を１５０μＷ以下に設定したり、水晶振動板３の長辺側寸法を１．９ｍｍ以下とし且つ短辺側寸法を１．２ｍｍ以下とした際に、ドライブ電力を１００μＷ以下に設定するといった条件を満たす範囲であればこれらの値は任意に設定可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、超小型の水晶振動板と、ドライブ電力を低く設定することが可能な電源供給系とを組み合わせることによって、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立できるようにしている。このため、インピーダンス（損失）の大幅な悪化の回避や周囲温度に対する発振周波数の変化の抑制を十分に発揮することが可能な超小型の水晶発振器を実用化することができ、水晶発振器の次世代化を実現できる。
【００４４】
特に、発振回路手段に発振回路と出力回路とを備えさせ、これら発振回路と出力回路とが、それぞれ個別の電源から給電されるように構成して、発振回路の電源を出力回路の電源よりも電圧が低いものとした場合には、これまでにない発振回路手段によって、水晶発振器の小型化と動作信頼性の確保とを両立することが可能になり、超小型の水晶発振器の実用化をより具体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る水晶発振器の分解斜視図である。
【図２】発振回路手段の概略構成図である。
【図３】変形例に係る発振回路の概略構成図である。
【図４】４種類のサイズの水晶振動板に対しドライブ電力を変化させた場合におけるインピーダンスの変化を示す図である。
【図５】３．６×１．８ｍｍの水晶振動板をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の周囲温度に対する発振周波数の変化を示す図である。
【図６】２．８×１．５ｍｍの水晶振動板をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の周囲温度に対する発振周波数の変化を示す図である。
【図７】２．２×１．５ｍｍの水晶振動板をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の周囲温度に対する発振周波数の変化を示す図である。
【図８】１．９×１．２ｍｍの水晶振動板をドライブ電力３００μＷ及び１５０μＷでそれぞれ発振させた際の周囲温度に対する発振周波数の変化を示す図である。
【図９】従来例における図２相当図である。
【符号の説明】
１　　　　水晶発振器
５　　　　発振回路
５５　　　発振回路用電源
６　　　　出力回路
６２　　　出力回路用電源
【図１】
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【図２】
2004128929.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004128929.tif 000008
【図７】
2004128929.tif 000009
【図８】
2004128929.tif 000010
【図９】
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