(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動周波数が厚みに反比例した厚みすべり振動姿態の水晶片からなる水晶振動子において、前記水晶片に厚みの異なる第１振動領域と第２振動領域（但し、第１振動領域の厚み＞第２振動領域の厚み）とを一体的に設け、前記第１振動領域又は第２振動領域のいずれか一方を発振回路を形成する発振子として他方をフィルタを形成する共振子とし、前記第１振動領域は基本波振動に対するオーバトーン振動で動作し、前記第２振動領域は基本波振動で動作することを特徴とする複合型水晶振動子。
【請求項２】
前記第１振動領域はオーバトーン振動で動作する発振子とし、前記第２振動領域は基本波振動で動作する共振子とした請求項１に記載の複合型水晶振動子。
【請求項３】
前記第１振動領域はオーバトーン振動で動作する共振子とし、前記第２振動領域は基本波振動で動作する発振子とした請求項１に記載の複合型水晶振動子。
【請求項４】
前記水晶片はＳＣカットである請求項１、２又は３に記載の水晶振動子。
【請求項５】
インダクタ成分としての水晶振動子からなる発振子を有する共振回路と発振用増幅器とを有する発振閉ループ内に共振子を挿入してなるオーバトーン水晶発振器において、前記発振子と前記共振子とに請求項１の複合型水晶振動子を適用したことを特徴とするオーバトーン水晶発振器。
【請求項６】
前記共振回路はインダクタ成分としての水晶振動子と分割コンデンサからなり、前記分割コンデンサの中点と発振器用増幅器との間に前記共振子としての水晶振動子を接続してなる請求項５に記載のオーバトーン水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複合型水晶振動子及びこれを用いたオーバトーン水晶発振器（オーバトーン発振器とする）を産業上の技術分野とし、特に発振回路及びフィルタを形成する発振子と共振子とを具えたＳＣカットの複合型水晶振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）水晶振動子は周波数及び時間の基準素子として周知され、例えばコルピッツ型とした水晶発振器に組み込まれ、通信機器を含む各種の電子機器に内蔵される。近年では、デジタル化による情報通信等によって高周波数化が進み、例えば水晶振動子の基本波振動に対するオーバトーン振動を使用したオーバトーン発振器が採用される。
【０００３】
（従来技術の一例）第３図は一従来例を説明するオーバトーン発振器の回路図である。
オーバトーン発振器は、インダクタ成分として使用する水晶振動子からなる発振子１、これとコルピッツ型とする共振回路２を形成する分割コンデンサ３（ａｂ）、及び例えばトランジスタ４とした増幅器等からなる。水晶振動子は水晶片５の両主面に対向する励振電極６（ａｂ）及び引出電極７（ａｂ）を形成し、図示しない端子を有する密閉容器内に保持してなる。
【０００４】
但し、発振子１としての水晶振動子は、基本波振動に対して奇数次のオーバトーン振動で動作する（オーバトーン発振子１とする）。そして、オーバトーン振動による振動周波数（共振周波数）は、基本波振動に対して概ね整数倍の周波数（オーバトーン周波数とする）となる。
【０００５】
通常では、オーバトーン振動は基本波振動に対して振動強度が劣勢で、クリスタルインピーダンス（ＣＩ）が小さい。このため、例えば分割コンデンサ３（ａｂ）の接地側のコンデンサ３ｂに図示しないインダクタを並列に接続して、基本波振動周波数に対する例えば５倍波のオーバトーン周波数を選択する。また、インダクタを使用せず、水晶片５の形状やこれを励振する電極構造により、基本波振動に対するオーバトーン振動の強度を高くしてＣＩを小さくする。あるいは、水晶振動子から見た回路側の負性抵抗の周波数特性によりオーバトーン周波数を選択したりする。
【０００６】
そして、この例ではコルピッツ型とする分割コンデンサ３（ａｂ）の中点（接続点）とトランジスタ４のエミッタとの間に共振子８としての水晶振動子を接続する。共振子８はオーバトーン発振子１と同様に基本波振動に対するオーバトーン振動で動作する（オーバトーン共振子８とする）。この場合、オーバトーン共振子８は共振回路２と発振用増幅器とからなる発振閉ループ内に挿入されたことになる。オーバトーン共振子８としての水晶振動子は、前述同様に水晶片５に励振電極６（ａｂ）及び引出電極７（ａｂ）を設けて密閉容器に封入した構成とする。
【０００７】
ここでは、オーバトーン発振子１及び共振子８としての水晶振動子はいずれもＳＣカットの水晶片５からなる。図中の符号９（ａｂｃ）はバイアス抵抗、１０は発振周波数の調整用コンデンサ、Ｖcはコレクタ側に設けた電源、Ｖoはエミッタ側から導出する出力である。
【０００８】
このようなものでは、水晶発振器の発振周波数はオーバトーン発振子１のオーバトーン周波数に概ね一致する。但し、厳格にはオーバトーン発振子１から見た回路側の直列等価容量（所謂負荷容量）に依存する。そして、この例では、共振回路２と発振用増幅器とからなる発振閉ループ内に水晶振動子としたオーバトーン共振子８を接続するので、発振周波数の帯域がさらに狭まる。但し、オーバトーン共振子８の共振周波数はオーバトーン発振子１に依存した発振周波数に設定される。
【０００９】
要するに、オーバトーン共振子８は発振周波数となる水晶振動子の概ね５倍のオーバトーン周波数のみを通過させるフィルタとして機能する。したがって、ＳＣカット特有の振動姿態であるＣモード（厚みすべり振動姿態、Ｘ軸方向に変位）に近接して発生するＢモード（厚み滑り振動姿態、Ｚ′軸方向に変位）を遮断して、これによるスプリアス発振を防止する。
【００１０】
なお、ＳＣカットの水晶片５（水晶振動子）は、例えば一般に使用頻度が高いＡＴカットの水晶振動子と同様に厚みすべり振動姿態で振動し、これらは水晶片５の厚みに反比例して即ち厚みが小さいほど振動周波数（共振周波数）は高くなる。そして、ＡＴカットに比較して例えば熱衝撃特性に優れることから、例えば恒温槽を使用した高安定用の水晶発振器に採用されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成のオーバトーン発振器では、例えばＢモードによるスプリアス発振を防止するため、素子としては形状が大きくしかもフィルタとしては高価な水晶振動子を使用する。したがって、水晶発振器の小型化を阻害するとともに経済性の悪い問題があった。
【００１２】
また、オーバトーン発振子１及び共振子８は、基本波振動に対するオーバトーン振動で動作する。この場合、オーバトーン振動による振動周波数（共振周波数）は基本波振動の場合よりも帯域幅が狭くなる。すなわち、５倍波としたオーバトーン振動は基本波振動での周波数スペクトラムに比較して、主振動成分ｆ51に対する高調波成分ｆ5s（ｆ52〜ｆ5ｎ）がより一層抑圧されるので（第５図の周波数スペクトラム図）、帯域幅が狭くなる。
【００１３】
要するに、オーバトーン発振子１及び共振子８はいずれも主振動成分ｆ51が高調波成分ｆ5s（ｆ52〜ｆ5ｎ）よりも強勢で帯域幅の狭い発振及び共振周波数となる。したがって、オーバトーン発振子１に依存した発振周波数に、オーバトーン共振子８の共振周波数を一致させることが困難で生産性を低下する問題もあった。なお、オーバトーン発振子１及び共振子８による発振周波数と共振周波数が大きくずれた場合は発振しない。
【００１４】
（発明の目的）本発明は小型化を促進して経済性に優れた発振子及び共振子を具える複合型水晶振動子及びこれを用いて周波数調整を容易にしたオーバトーン発振器を提供することを目的とする。
【００１５】
【解決手段】
本発明は、第１振動領域よりも厚みの小さい第２振動領域を一体的に水晶片に設け、第１振動領域又は第２振動領域のいずれか一方を発振回路を形成する発振子として他方をフィルタを形成する共振子とし、厚みの大きい第１振動領域は基本波振動に対するオーバトーン振動で動作し、厚みの小さい第２振動領域は基本波振動で動作したことを基本的な解決手段とする。
【００１６】
【作用】
本発明では、厚みの異なる第１振動領域と第２振動領域のいずれか一方を発振子又は共振子として他方を共振子又は発振子とするので、例えばこれを封入する密閉容器を一つにできる。また、水晶片への例えば蒸着による電極形成を同一マスクで一体的にできるので、別個の場合に比較して製造工程を短縮する。そして、厚みの大きい第１振動領域をオーバトーン振動として、厚みの小さい第２振動領域を基本波振動とするので、第１振動領域と第２振動領域による振動周波数の帯域幅を異ならせる。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１７】
【実施例】
第１図は本発明の一実施例を説明する水晶振動子の図である。なお、前従来例図と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
複合型水晶振動子は前述のようにＳＣカットの水晶片５からなる。この例では、水晶片５は例えば一方向に長い矩形状とする。そして、中央部から一端側を平板状として第１振動領域１１とし、他端側に一主面側から凹部を形成して第２振動領域１２とする。第２振動領域１２は第１振動領域１１の厚みに対して概ね１／ｎ（ｎ＞３）とし、ここでは１／５とする。すなわち、第２振動領域１２は第１振動領域１１による基本波周波数に対して５倍の振動周波数（概ねの発振周波数）に相当した小さな厚みに設定する。
【００１８】
なお、第１及び第２振動領域１１、１２にはそれぞれ両主面間で対向した励振電極６（ａｂ）及び幅方向の端面を含む両端部に延出した引出電極７（ａｂ）が形成される。図では７ｂは記していない。これらは同一マスクをかけて例えば蒸着によって基礎電極が一体的に形成される。その後、発振周波数及び共振周波数に応じて個々に調整される。そして、水晶片５は例えば図示しないサポータや表面実装容器の底面に固着される等の保持機構によって保持され、第１及び第２振動領域１１，１２の各励振電極６（ａｂ）と電気的に接続した端子を有する密閉容器内に封入される。
【００１９】
このようなものでは、複合型水晶振動子は前述の発振回路に組み込まれる。そして、複合型水晶振動子の第１振動領域１１は、５倍波のオーバトーン周波数で動作するオーバトーン発振子１とする。また、第２振動領域１２は共振周波数を５倍波のオーバトーン周波数（発振周波数）とした基本波振動で動作する共振子（基本波共振子とする）８Ａとする。符号８Ａは、従来例のオーバトーン共振子８に対して便宜的に付与したもので図中にはない。
【００２０】
これらは、図示しない回路基板上での配線路によって電気的に接続され、オーバトーン発振子１はコルピッツ型とする共振回路２を形成し、分割コンデンサ３（ａｂ）の中点に共振子８（ここでは基本波共振子８Ａ）を接続した前述の発振回路を構成する（前第３図参照）。
【００２１】
このような構成であれば、オーバトーン発振子１と基本波共振子８Ａは同一の水晶片５に一体的に形成される。したがって、例えば密閉容器を一つにできるので小型化を促進する。そして、例えば同一マスクを用いた蒸着等によって電極形成を一体的にできるので製造工程を短縮して経済性を高められる。
【００２２】
しかも、オーバトーン発振子１と分割コンデンサ３（ａｂ）からなる共振回路２に基本波共振子８Ａを接続するので、前述したように高周波数とした発振周波数の帯域をさらに狭める。したがって、この場合は、ＳＣカットの主振動（Ｃモード）に対する特にＢモードを抑圧してスプリアス発振を防止する。
【００２３】
そして、この実施例ではオーバトーン発振子１による発振周波数を、基本波振動で動作する基本波共振子８Ａで通過（共振）させる。そして、基本波共振子８Ａはオーバトーン共振子８に対し、前述とは逆に共振周波数（振動周波数）の基本波成分ｆ1に対する高調波成分ｆsが、第２図に示したように比較的に大きいので、帯域幅は広くなる。
【００２４】
したがって、発振周波数に対する基本波共振子８Ａの共振周波数がずれたとしても、共振周波数の帯域幅が広いので発振周波数は基本波共振子を通過する。但し、この場合でもＢモードは遮断する。これにより、従来例のオーバトーン共振子８を使用した場合よりも、周波数調整を容易にする。
【００２５】
【第２実施例】
第１実施例では、複合型水晶振動子の第１振動領域１１をオーバトーン発振子１とし、第２振動領域１２を基本波共振子８Ａとしたが、第２実施例では、厚みの小さい第２振動領域１２を基本波で動作する基本波発振子１Ａとし、厚みの大きい第１振動領域１１をオーバトーン周波数で動作するオーバトーン共振子８とする。なお、これ以外は第１実施例と同一なのでその説明は省略する。
【００２６】
このような構成であれば、発振周波数は基本波振動によるので前述したように帯域幅は広くなる。そして、共振周波数はオーバトーン振動なので帯域幅は狭くなる。したがって、オーバトーン共振子８の共振周波数が基本波発振子１Ａによる発振周波数から多少ずれたとしても、発振周波数は比較的に広帯域なのでオーバトーン共振子８の共振周波数に一致した周波数成分が通過する。これにより、第１実施例とは逆に、オーバトーン共振子８の共振周波数を厳格に管理すれは、基本波発振子１Ａの周波数調整を容易にする。
【００２７】
なお、第１及び第２実施例においても、発振子と共振子を同一水晶片から形成するので、特に温度によって周波数が変化する特性、所謂周波数温度特性を概ね同じにする。したがって、従来のように発振子と共振子を別個にするものに比較して、周囲温度に対する安定度を高められる。この場合、発振子及び共振子としての個別の水晶振動子を恒温槽に収容して高安定用とする場合に比較しても、槽内温度の揺らぎに対して同一の周波数変化となるので、発振を安定に維持できる。
【００２８】
【他の事項】
上記実施例では水晶振動子をＳＣカットとしたが、例えば振動姿態をＳＣカットと同様な厚みすべり振動姿態としたＡＴカットやＢＴカットでも同様に適用できる。この場合でも、発振周波数に近接した例えば輪郭系の振動姿態に起因したスプリアス発振を防止する。また、第１振動領域１１は水晶片５自体の厚みとして第２振動領域１２は凹部としたが、例えばいずれも深さの異なる一主面側や両主面側からの凹部としても、あるいは単に段差を設けて第１振動領域１１と第２振動領域１２の厚みを異ならせてもよい。要は、励振電極６（ａｂ）の形成される第１振動領域１１と第２振動領域１２との振動（共振）周波数に換算される実質的な厚みを異にすればよい。
【００２９】
また、例えば基本波共振子８Ａとして使用する第２振動領域１２には両主面間で対向する励振電極６（ａｂ）を設けたが、例えば両主面に一組ずつの入出力電極を形成してなる所謂ＭＣＦ（Monolithic crystal filter）としてもよい。また、基本波共振子８Ａは発振閉ループ内となる共振回路２に接続したが、例えば水晶発振器の出力側即ち発振閉ループ外に設けてオーバトーン周波数（発振周波数の高調波成分）を選択する場合でも適用できる。本発明では発振閉ループ外に実質的にフィルタとして機能する共振子を設けた場合でも、オーバトーン発振器とする。
【００３０】
要するに、本発明では、基本波振動又はオーバトーン振動とした互いに異なる振動で動作する発振子と共振子を一枚の水晶片に形成して、発振回路を形成する発振子及びフィルタを形成する共振子が用いられた水晶発振器に適用することを趣旨とするもので、適宜自在な変更を含めてこのような趣旨に基づくものは本発明の技術的範囲に属する。なお、上記実施例では基本波振動とオーバトーン振動としたが、いずれもオーバトーン振動として例えば発振子を３次とし、共振子を５次のオーバトーンとして発振及び共振周波数を一致させてもよく、この場合は低次数のオーバトーン周波数が基本波周波数に相当する。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、第１振動領域に対して該第１振動領域よりも厚みの小さい第２振動領域を水晶片に一体的に設け、第１振動領域又は第２振動領域のいずれか一方を発振回路を形成する発振子として他方をフィルタを形成する共振子とし、第１振動領域は基本波に対するオーバトーン周波数で動作し、第２振動領域は基本波周波数で動作したので、小型化を促進して経済性に優れた複合型水晶振動子及びこれを用いたオーバトーン発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する複合型水晶振動子（水晶片）の図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する周波数スペクトラムの図である。
【図３】従来例を説明する水晶発振器の回路図である。
【図４】従来例を説明する水晶片の平面図である。
【図５】従来例を説明する周波数スペクトラムの図である。
【符号の説明】
１  水晶振動子（発振子）、２  共振回路、３（ａｂ）  分割コンデンサ、４トランジスタ、５  水晶片、６  励振電極、７  引出電極、８  水晶振動子（共振子）、９  バイアス抵抗、１０  調整コンデンサ．
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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