专利名称：晶体振子和晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在其面内具有X轴的正负的朝向(正负方向)相互不同的振动区域的晶体振子(石英振子)和包含该晶体振子的晶体振荡器。
背景技术：
振荡电路等的电子部件所使用的晶体振子，具有振荡频率相应于温度发生变化的频率温度特性。该频率温度特性因构成晶体振子的晶体片(石英片)的切断角度和厚度等不同，在每个晶体振子不同。因此，进行了各种无论环境温度如何均获得稳定的频率输出的研究。例如，进行了如下研究，即，在共用的晶体片上形成两个相互成对的激励电极组来构成第一晶体振子、第二晶体振子，运算第一晶体振子、第二晶体振子的输出的差量，并利用其输出。这样，由共用 的晶体片构成的第一晶体振子和第二晶体振子同样受到周围温度的影响，因此，上述差量的频率输出能够抑制上述周围温度的影响。但是，像这样运算频率的差量，装置的构成变得复杂。但是，在同一晶体片形成多个振动区域的情况下，需要以抑制一振动区域对另一振动区域造成的影响的方式构成晶体片。例如，在专利文献I中，在晶体片上形成有凹部，利用该凹部划分有相互的振动区域。但是，该水晶片难以解决如下课题，即，被凹部划分的区域均被AT切割，因此，获得上述的装置构成简单的振荡装置。另外，在专利文献2中记载有如下技术，即，通过对被AT切割的晶体片的周缘部照射激光，使结晶轴的正负反转，由此将晶体片进行双晶化。但是，照射有激光的上述周缘部构成作为支承不振动且作为被AT切割的区域的中央部的区域，不能解决上述的问题。传感器使用的晶体振荡器。基于由温度传感器检测的温度来控制振荡输出，但要求能够以更简单的构成获得稳定的振荡的晶体振荡器。现有技术文献专利文献I :日本特开2007 - 108170专利文献2 :日本特开2003 — 69374号公报(段落0011)
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种在具有多个振动区域的晶体振子中，能够抑制一振动区域对另一振动区域造成的影响并且构成简单的结构的晶体振荡器的技术。还提供一种在晶体振荡器中以简单的构成获得稳定的振荡输出的技术。本发明的晶体振子的特征在于，其具备设置于晶体片上的第一振动区域；第二振动区域，其设置于所述晶体片上，该第二振动区域的厚度和X轴的正负的朝向与第一振动区域不同；和激励电极，其分别设置于第一振动区域和第二振动区域，用于使各振动区域独立振动。作为本发明的晶体振子的具体的方式，例如为如下方式。
(I)在所述晶体片，在第一振动区域和第二振动区域之间形成有凹部。(2)第一振动区域和第二振动区域中的一方为被AT切割而成的区域。本发明的晶体振荡器的特征在于，其包含所述晶体振子。作为该晶体振荡器的具体的方式，例如具备控制单元，其基于第二振动区域的振荡频率来控制用于使第一振动区域振荡的控制电压，从而控制该第一振动区域的振荡频率。另外，本发明的晶体振荡器的特征在于，其具备设置于晶体片上的第一振动区域；第二振动区域，其设置于所述晶体片，X轴的正负的朝向与第一振动区域不同；激励电极，其分别设置于第一振动区域和第二振动区域，用于使各振动区域独自振动；用于使第一振动区域振荡的第一振荡电路；用于使第二振动区域振荡的第二振荡电路；和控制单元，其基于第二振动区域的振荡频率来推定所述晶体片的温度，并基于推定的该温度来控制来自第一振荡电路的振荡频率。
该晶体振荡器的具体的方式，例如为如下方式。(3)在所述晶体片，在与第一振动区域和第二振动区域不同的区域设置有滤波器形成区域，该构成被输入来自第一振荡电路的信号的滤波器。(4)所述第一振动区域和所述滤波器形成区域通过第二振动区域被划分。(5)所述激励电极以遍及(跨)第一振动区域和第二振动区域的方式形成。本发明的晶体振子以X轴的正负反转、分别独立振动的各区域的厚度相互不同的方式形成。因此，能够抑制第一振动区域的振动对第二振动区域的振动造成的影响，另外，在各振动区域置于大致相同的温度气氛中的状态下，能够从一振动区域和另一振动区域取出相对于规定的温度变化以相互不同的大小进行变化的振荡频率。因此，能够基于相对于温度引起频率明显变化的一振动区域的振荡频率，来控制另一振动区域的振荡。由此，也可以不运算来自各区域的振荡频率的差量，因此，能够抑制由该晶体振子构成的晶体振荡器的结构的复杂化和成本上升。另外，本发明的晶体振荡器，基于设置在晶体片上的第二振动区域的振动，来推定所述晶体片的温度，控制X轴的正负的朝向与第二振动区域反转的第一振动区域的振荡频率。因此，能够抑制装置的成本，获得稳定的输出。
图I是第一实施方式的晶体振子的平面图和纵剖侧视图。图2是表示上述晶体振子的制造方法的工序图。图3是表示上述晶体振子的其它制造方法的说明图。图4是包含上述晶体振子的温度补偿振荡器的电路图。图5是表示形成上述晶体片的AT切割区域的温度特性的曲线图。图6式表示控制电压和振荡频率的关系的曲线图。图7是表示形成上述晶体片的一个区域的温度特性的曲线图。图8是第二实施方式的晶体振子的平面图和纵剖侧视图。图9是包含上述晶体振子的温度补偿振荡器的电路图。图10是包含第三实施方式的晶体振子的温度补偿振荡器的结构图。图11是构成第四实施方式的晶体振荡器的晶体振子的平面图。
图12是上述晶体振子的纵剖侧视图。图13是表示作为比较例的TCXO的温度特性的曲线图。图14是表示第四实施方式的TCXO的温度特性的曲线图。图15是构成第五实施方式的TCXO的晶体振子的平面图。图16是上述晶体振子的纵剖侧视图。图17是上述第五实施方式的TCXO的电路图。图18是上述TCXO的晶体振子的等效电路图。
图19是表示第五实施方式的TCXO的温度特性的曲线图。图20是表示第三实施方式的TCXO的温度特性的曲线图。图21是用于构成第六实施方式的TCXO的晶体振子的平面图。图22是上述晶体振子的纵剖侧视图。图23是上述第六实施方式的TCXO的电路图。图24是上述TCXO的晶体振子的等效电路图。图25是表示上述TCXO的温度特性的曲线图。图26是用于构成第七实施方式的TCXO的晶体振子的平面图。图27是上述晶体振子的纵剖侧视图。图28是上述第七实施方式的TCXO的电路图。附图标记说明1、1A、1B、9A、9B、9C 晶体振子11,91 晶体片12第一振动区域13第二振动区域14、15 凹部16、17激励电极22AT切割区域23DT切割区域3、100、110、120温度补偿晶体振荡器(TCXO)41主振荡部51辅助振荡部61控制电压供给部
具体实施例方式(第一实施方式)参照附图对本发明第一实施方式的晶体振子进行说明。图I (a) (b)是晶体振子I的平面图、侧视图。该晶体振子I具备矩形状的晶体片11，沿该晶体片11的长度方向分别形成有第一振动区域12、第二振动区域13。第一振动区域12的正面和背面与Z'轴和X轴平行，其中，V轴为从X轴的+方向观看在逆时针方向上相对于作为晶体的结晶轴的Z轴倾斜约35°的轴。即，第一振动区域12为被AT切割而成的区域。第二振动区域13以如下方式构成，即，其正面和背面与上述Z'轴和上述X轴平行，该X轴的正负的朝向与第一振动区域12的X轴的正负的朝向相反。即，该晶体片11构成为电双晶。而且，第二振动区域13大致作为被DT切割而成的区域构成。另外，如图1(b)所示，与第二振动区域13相比，第一振动区域12其厚度形成为较小。在晶体片11的正面和背面，以划分第一振动区域12与第二振动区域13的方式分别形成有凹部14、15。各凹部14、15沿晶体片11的宽度方向形成条纹状且相互相对。另夕卜，在第一振动区域12的正面和背面，形成有用于激励第一振动区域12的激励电极16A、16B，这些激励电极16A、16B相互相对地形成。与第一振动区域12相同，在第二振动区域13的正面和背面，相互相对地设置有激励电极 17A、17B。通过这些激励电极16、17，第一振动区域12、第二振动区域13相互独立振动。以从各激励电极16 (16A、16B)、17 (17A、17B)朝向晶体片11的端部引出的方式形成有电极18。电极18具有用于将激励电极16、17与振荡电路连接的导电路径的作用。为了方便，在图I (b)中省略该引出电极18的图示。接着，参照表示晶体片的侧面变化的情况的图2，对上述晶体振子的制造方法进行说明。图2 (a)表示被AT切割而成的矩形状的晶体片21。在该图2 (a)所示的状态下，晶体片21为单晶。作为该晶体片21的尺寸，例如，长度为5mm、宽度为2mm、厚度为O. 06mm。在该晶体片21上利用蚀刻形成凹部14，将晶体片21划分为第一振动区域12、第二振动区域13 (图2 (b))。接着，利用未图示的激光照射部对第二振动区域13照射二氧化碳激光，第二振动区域13被加热。图2 (b)的箭头表示该激光。通过该激光照射，第二振动区域13被加热，该第二振动区域13的X轴的正负反转，如上所述，第二振动区域13大致为被DT切割而成的区域(为了方便，作为DT切割区域进行说明)，晶体片21变化为作为双晶的晶体片11 (图2 (C))。在图2 (C) 图2 (e)中，对这样结晶轴反转的区域标注多个点进行标示。这样，通过在激光照射前形成凹部14，能够防止X轴的正负反转的区域波及到第一振动区域12，对此，发明人通过实验进行了确认。符号22表示AT切割区域，符号23表示DT切割区域。在该第一实施方式中，AT切割区域22为第一振动区域12，DT切割区域23为第二振动区域13。接着，将晶体片11浸溃到蚀刻液中。由于晶体的各向异性，与第二振动区域13的正面和背面相比，第一振动区域12的正面和背面的蚀刻速度快。因此，如图2 (c)所示，第一振动区域12的厚度比第二振动区域13的厚度大。另外，与第一振动区域12和第二振动区域13的各正面和背面相比，第一振动区域12和第二振动区域13的分界部分的蚀刻速度快。因此，凹部14的深度变大，并且在晶体片11的背面形成凹部15 (图2(d))。这样，在对晶体片11进行过蚀刻后，在晶体片11的正面和背面形成金属膜，对该金属膜进行蚀刻，形成激励电极16、17和引出电极18 (图2 (e))。在该晶体振子I中，在被AT切割而成的区域即第一振动区域12和被DT切割而成的第二振动区域13之间，这些振动区域12、13的厚度相互不同，在这些振动区域12、13之间形成有阶差，能够抑制一振动区域的弹性波传播到另一振动区域，因此，能够抑制一振动区域的振动对另一振动区域的振动造成的影响。因此，如后文所述，在将该晶体振子I装入晶体振荡器时，能够从各振动区域取出稳定的输出频率。还有，该晶体振子I形成有凹部
14、15。利用该凹部14、15，还能够抑制弹性波的传输，进一步可靠地抑制一振动区域的振动对另一振动区域的振动造成的影响。但是，图3 (a) (b)分别为晶体片21的平面图、纵剖侧视图。在上述例子中，当照射激光形成双晶时，在晶体片21上形成凹部14，但在该凹部14还含有图3 (a) (b)所示的贯通孔24。该贯通孔24在晶体片21的宽度方向形成为线状。发明人确认即使形成这种贯通孔24并对第二振动区域13照射激光，在第二振动区域13中也会引起X轴的正负反转，在第一振动区域12中不会引起X轴的正负反转。即，以划分振动区域的方式在晶体片上形成凹部，由此，能够高精度地控制使X轴的正负反转的区域的大小。另外，不限于这样照射激光而使X轴的正负反转，例如，也可以通过用金属膜覆盖晶体片，并对晶体片进行加热，由此，使被金属膜覆盖的部位的X轴的正负反转。(第一实施方式的TCX0)接着，参照图4的电路结构图对使用上述的晶体振子I构成的温度补偿晶体振荡器(TCXO :Temperature Compensated crystal 0scillator)3 进行说明。如上所述，晶体振 子I具备独立振动的两个振动区域，因此，在该说明中，为了方便，将晶体振子I看作两个晶体振子进行说明。将包含第一振动区域12 (AT切割区域22)的晶体振子设为1A，将包含第二振动区域13 (DT切割区域23)的晶体振子设为1B。该TCX03具备主振荡部41，其用于向外部输出设定频率&的信号；辅助振荡部51，其用于使温度补偿用的信号振荡；控制电压供给部61，其设置于这些主振荡部41和辅助振荡部51之间，用于基于从辅助振荡部51输出的温度补偿用的信号，算出向主振荡部41输入的控制电压V。。在图4中，50为辅助振荡部51的控制电压Vltl的输入端，40为TCX03的输出端。主振荡部41具备晶体振子IA和与该晶体振子IA连接的主振荡电路42。辅助振荡部51具备晶体振子IB和与该晶体振子IB连接的辅助振荡电路52。上述的主振荡部41的前段侧(输入侧)与已述的控制电压供给部61连接，以从该控制电压供给部61经由变容二极管43向主振荡部41施加控制电压V。。该控制电压供给部61的构成为，如(I)式所示，从主振荡部41的基准电压Vtl减去温度补偿电压AV (根据AV符号的取值，也可以称为相力口)，由此，生成上述的控制电压\。Vc=V0 — AV…(I)该基准电压Vtl是在基准温度Ttl例如29°C，从主振荡部41输出设定频率&时的控制电压。另外，温度补偿电压AV如下显示。S卩，控制电压V和振荡频率f存在正比关系，因此，AV如(2)式所示来表示。另外，在使用AT切割的晶体片以厚度滑动振动模式振荡的情况下，(3)式成立，因此，Λ V作为(4)式来表示。另外，T是在后述的温度推定部63检测的温度Δ f = f — f^。α η β i和Y i是该主振荡部41固有的常数。AV=V0 ( Af / f0)... (2)Δ f / f0= a j (Τ — T0) 3 + β! (Τ — T0) + Y j ... (3)AV=V0 Ca1 (T-T0)3+ (T-T0)+ Y1) ...(4)V10是从输入端50经由变容二极管53施加到DT切割区域23的控制电压。控制电压供给部61具备频率检测部62，其由用于根据从辅助振荡部51输入的频率信号测量振荡频率f的例如频率计数器等构成；温度推定部63，其基于在该频率检测部62测量的振荡频率f推定温度T ;补偿电压运算部64，其用于基于在温度推定部63推定的温度T运算已述的补偿电压Λ V ;和加法部65，其用于将控制电压V。输出到主振荡部41，控制电压V。为从基准电压Vtl减去在补偿电压运算部64运算的补偿电压AV的电压。另外，根据将补偿电压AV的符号确定为正还是负，加法部65的运算确定为(％— AV)还是(Vtl+ Λ V)，在该实施方式中，将在之前的(4)式中求得的Λ V作为补偿电压进行处理，因此，表现为(Vtl —Δ V)。总之，根据频率温度特性，仅利用振荡频率f从设定频率&变动的量、Δ V补偿Vtl的运算即可。在温度推定部63存储有辅助振荡部51的频率温度特性，基于该温度特性和辅助振荡部51的振荡频率f (预先设定&和Ttl),求得TCX03周围的温度T。另外，补偿电压运算部64例如具备作为主振荡部41的温度特性的三次函数发生器，利用已经叙述的(4)式和温度T求得补偿电压Λ V。接着，对TCX03的作用进行说明。在主振荡部41，将从在基准温度Ttl例如29°C输出设定频率fo的基准电压Vtl减去后述的温度补偿电压AV的电压V。，经由变容二极管43供给到主振荡电路42，主振荡电路42以频率f进行振荡。此时,在晶体振子IA例如为温度T1 (T1 > TciX控制电压V为基准电压Vtl的情况下，如图5所示，在该主振荡部41振荡的·频率f，从与基准温度Ttl对应的设定频率&沿着作为温度特性曲线的三次曲线偏离与温度T1对应的频率f\。但是，如上述，供给到主振荡部41的控制电压V。成为利用温度补偿电压Λ V补偿基准电压Vtl的值，因此，从输出端40输出设定频率如下在控制电压供给部61计算这种温度补偿电压Λ V。如上所述，主振荡部41的振荡频率f，如图6所示，与控制电压V成正比。因此，在控制电压供给部61中，为了补偿频率和设定频率&的差量即△ f，以将控制电压V仅提高与Af相当的补偿电压AV的方式进行控制。补偿电压AV通过将温度T1代入上述(4)式温度T而求得。温度T1如下基于辅助振荡部51的振荡频率f被算出。即，通过对输入端50输入控制电压Vltl，辅助振荡部51进行振荡。下面，TiciS基准温度例如29°C，f1(l是将基准电压V10作为控制电压供给到辅助振荡电路52时获得的频率。该辅助振荡部51的振荡为上述DT切割区域23 (晶体振子1B)的振荡。在此，已知在被DT切割而成的晶体片中，温度T和频率偏差(频率变化率)f / f10的关系近似为2次函数，但在通常使用TCX03的范围例如0°C 30°C的范围中，如图7所示，大致为正比关系，在温度T和来自辅助振荡部51的振荡频率f之间，(5)式的关系成立。f = f10 ( α2 (T - T10) + β2...(5)频率检测部62使用上述振荡频率f和该(5)式推定温度Τ。这样，温度T和振荡频率f成为正比关系，频率f相对于温度T明显变化。另外，相对于温度T的变化，振荡频率f比较陡地变化，因此，在该TCX03中，能够灵敏度高地检测温度变化。其中，α 2、β 2为预先设定的辅助振荡部51固有的常数，在各种各样的值的控制电压V中不同，因此，输入上述的输入端50的控制电压V成为与求得这些常数时相同的电压例如V1(l。补偿电压运算部64基于这样求得的温度T和已述的(5)式，算出补偿电压M。由此,主振荡部41的振荡频率f要尽可能高于Λ f，通过成为温度T，消除振荡频率f要尽可能消除低于Λ f的作用，因此，从输出端40输出的振荡频率f维持在设定频率4。在这种TCX03中，通过使用上述的晶体振子1，从主振荡部41和辅助振荡部51获得稳定的输出，将来自辅助振荡部51的输出作为控制电压来控制主振荡部41的输出。因此，即使不运算各晶体振子1A、1B的输出的差量，也能够获得稳定的输出，因此，能够抑制装置的大型化或制造成本变高。(第二实施方式)对其它的TCX070进行说明。图8 (a) (b)是该TCX070所使用的晶体振子7的平面图和纵剖侧视图。该晶体振子7与晶体振子I同样由AT切割区域22和DT切割区域23构成，但在AT切割区域22中形成有激励电极71A、71B和激励电极72A、72B，这些激励电极71 (71A、71B)、激励电极72 (72A、72B)的周围分别独立地进行振动。将利用激励电极71进行振动的区域设为73，将利用激励电极72进行振动的区域设为74。为了在振动区域73、74之间抑制彼此振动的影响，激励电极71、72之间的尺寸I设定为例如1mm。为了使从各振动区域73、74输出的频率稍微错开，激励电极71、72的厚度相互不同。
图9是TCX070的电路图。对于晶体振子7，各振动区域独立振动，因此，为了方便，对作为包含3个晶体振子的振动区域进行说明。将由振动区域73构成的晶体振子设为7A，将由振动区域74构成的晶体振子设为7B。由振动区域13构成的晶体振子与TCX03同样设为1B。在该TCX070中取出来自晶体振子7A的输出(设为f21)和来自晶体振子7B的输出(设为f22)的差量f21 - f22。晶体振子7A、7B由相同的晶体片11构成，因此被放置在大致相同的温度环境中，但由于晶体振子7A、7B的位置不同，温度稍微不同，因此，f21 - f22相对于周围温度的变化，稍微进行变动。该TCX070的目的在于，抑制该变动，使其更小。在该例子中，与TCX03相同，基于晶体振子IB的输出，检测各晶体振子的周围温度T，根据该温度，利用对于晶体振子7A、7B分别设置的补偿电压运算部64A、64B，按照上述
(4)式运算M。在(4)式中，各补偿电压运算部64A、64B使用的α p ^和Y i各常数是晶体振子7A、7B固有的值。在TCX070中，对于与在TCX03中说明的结构同样构成的部分，标注相同的附图标记并省略说明。TCX070的控制电压供给部76是与TCX03的控制电压供给部61相当的部位，如上所述，具备补偿电压运算部64A、64B，输出来自温度推定部63的信号。在该补偿电压运算部64A、64B中，与TCX03的补偿电压运算部同样利用(4)式运算Λ V，但使用根据晶体振子7A、7B分别设定的各个固有的常数(11、01和Y1，进行AV的运算。另外，补偿电压运算部64A、64B与对于各晶体振子7A、7B设置的加法部65连接，在各加法部65运算控制电压Vc。该控制电压Vc经由变容二极管43输出到与晶体振子7A、7B分别连接的振荡电路77A、77B，并以f21、f22分别成为稳定的输出的方式来控制。将从图中补偿电压运算部64A、64B输出的各AV设为Λ VI、Λ V2，将施加于振荡电路77A、77B的控制电压 Vc 分别设为 Vcl、Vc2。Vcl = VO — AVI, Vc2 = VO - M2。在振荡电路77A、77B的后段，设置有加法部77，运算上述的晶体振子7A的输出f21与晶体振子7B的输出f22的差量f21 — f22，并输出到输出端40。在该例子中，振动区域73、74的振动和振动区域13的振动的分离性也高，各振动区域稳定地进行振荡。而且，如上所述方式，基于来自振动区域13的振荡频率f，f21、f22以抑制各自对温度的影响的方式来控制，另外，通过运算该差量，因温度不同而引起的各晶体振子的变化量被消除，因此，能够获得具有比该TCX070更高的稳定性的输出。
(第三实施方式)作为TCX0，也可以构成为图10所示的TCX080。以与晶体振子1、7的不同点为中心，对该TCX080使用的晶体振子8进行说明。在该例子中，与第一实施方式相同，第一振动区域12为AT切割区域22，第二振动区域13为DT切割区域23。在AT切割区域22的表面设置有激励电极8IA和隔着激励电极8IA的电极8IB、81C，这些电极8IA 8IC沿Z'轴方向排列。电极81B、81C利用导电路径相互连接，构成同电位。在AT切割区域22的背面，以与这些激励电极81A、81B、81C相对的方式设置有接地的激励电极81D。通过设定为这种电极配置，来控制AT切割区域22的正面和背面的电荷的分布，抑制输出信号中的噪声。另外，激励电极81D也可以按照与各电极81A 81C相对并且相互分离的方式被分割。电极81B、81C与接地的可变电容器82连接。调整该可变电容器82的容量，使基准温度Ttl的设定频率L与希望的值一致。但是，TCXO因老化相对于温度的频率特性发生变动，该TCX080也同样会引起其的变动。但是，如该TCX080的方式，在晶体片的正面和背面设置电极，将一个电极组与振荡电路连接，将另一组与可调节该可变电容器等的振荡频率的元件连接，由此，用曲线图表示频率特性相对于上述温度的变化时，抑制该曲线以基准温 度Ttl的设定频率&为中心进行旋转的方式变动。而且，由于上述老化和可变电容器82的容量的变更等，该上述曲线以在维持其形状的状态下向频率高的一方或低的一方偏离的方式变动。即，对于因老化引起的频率特性的变动，不需要(4)式的各常数αι、^和^的再设定，如上所述，只要利用可变电容器82进行设定频率&的调节即可。因此，在TCX080中，对因老化引起的上述频率特性的变动，能够容易地进行修正。在该TCX080中，与已经叙述的各TCXO相同，根据温度从补偿电压运算部64输出控制电压Δ V,与该控制电压Δ V对应的电压例如与第一实施方式相同，VO — Δν被从加法部65输出，并施加到变容二极管43，该变容二极管43的容量变化。因此，来自主振荡电路42的输出维持为设定频率此外，图中83为主振荡电路42的电压供给端子。在该TCX080中，也与第一实施方式相同，从各振动区域获得稳定的输出，因此，能够使TCX080的输出稳定。在上述的各实施方式中，由被AT切割而成的区域和被DT切割而成的区域构成晶体片，但例如也可以使用被Y切割而成的区域代替被DT切割而成的区域，只要X轴的正负反转即可。另外，也可以使用BT切割的区域代替AT切割的区域。另外，也可以代替通过热处理变更晶体片的规定区域的极性，而将各个极性不同的晶体片通过硅氧烷键合等进行接合，形成双晶。(第四实施方式)对第四实施方式进行说明。该第四实施方式为第一实施方式的TCX03的变形例，除晶体振子的结构不同以外，是与上述TCX03同样的结构。图11、图12分别表示该晶体振子9Α、9Β的上表面、纵剖侧面。对与第一实施方式同样构成的部位标注相同的附图标记，并省略说明。作为与晶体振子1Α、1Β的不同点，使用晶体片91代替晶体片21。该晶体片91形成为，作为AT切割区域的第一振动区域12和相对于上述AT切割区域、X轴的正负反转的第二振动区域13，成为相互相同的厚度。由振动区域12、13分别构成晶体振子9Α、9Β。另夕卜，在晶体片91在振动区域12、13之间未形成凹部14、15。该晶体片91以如下方式制造，即，对例如被AT切割而成的晶体片11的一部分供给约600°C的热，使结晶轴的正负反转，且如上所述具有振动区域12、13。而且，在图4所示的TCX03中，分别使用9A代替晶体振子1A，使用9B代替1B，构成TCX03。这样构成TCX03也能够获得上述的效果。但是，在上述的TCX03中，将使用了晶体振子9B的辅助振荡部51的振荡输出作为温度传感器。作为温度传感器，考虑使用含有热敏电阻的温度补偿电路代替像这样使用辅助振荡部51。即，在TCX03中，设置上述温度补偿电路代替辅助振荡部51。而且，由于温度变化引起的上述热敏电阻的电阻值的变化，来自上述温度补偿电路的输出发生变化，因此，考虑调节变容二极管43的容量成分，构成运算补偿电压的TCX0。说明TCX03相对于这种 TCXO (参照TCX0)的优点。在使用上述温度补偿电路的情况下，该温度补偿电路设置于远离用于取出参照TCXO的振荡输出的晶体振子IA的部位。因此，有时热敏电阻的检测温度偏离晶体振子IA的温度或温度补偿电路的输出变化比晶体振子IA的温度变化慢，因此，参照TCXO的输出的稳定性有可能降低。但是，在上述的TCX03中，上述温度传感器使用与构成晶体振子9A的晶体片91相同的晶体片91形成。即，构成温度传感器的晶体振子9B与上述晶体振子9A邻接，因此，相对于晶体振子9A的温度变化，晶体振子9B的输出以高精度随动，抑制温度传感器的检测温度与晶体振子9A的实际温度的偏差、和辅助振荡部51的输出变化比晶体振子9A的温度变化的延迟。因此，能够以高精度控制晶体振子9A的振荡输出，能够抑制该振荡输出的稳定性的降低。另外，在TCX03中，连接晶体振子9B的振荡电路52相对于温度的输出的分辨率为例如1/109°C以上。即，通过10_9°c以下的温度变化，振荡电路52的输出频率变动。与此相对，通过使用了上述热敏电阻的温度补偿电路，能够使输出根据10_6°C左右的温度变化而变化，但使分辨率达到其以上在技术上比较困难。即，与上述温度补偿电路的输出的分辨率相t匕，振荡电路52的输出的分辨率能够更高，因此，与参照TCXO相比，TCX03能够提高输出的稳定性。另外，TCX03利用由共用的晶体片91形成的晶体振子9A、9B构成，因此，能够抑制装置的零件数量，并且实现装置的小型化。还能够抑制制造成本的上升。此外，在与MCXO(Microcomputer Compensate Crystal Oscillator)相比的情况下，TCX03 也具有能够防止这种大型化、零件数量的增加、电路的复杂化的优点。但是，由标称频率(制造商指定的中心频率)为38. 4MHz，其一边为2. 0_、另一边为5. Omm的矩形的被AT切割而成的晶体片11，以上述方式形成晶体片91，用该晶体片91制作晶体振子9A、9B。晶体振子9A的振荡频率常数约为晶体振子9B的振荡频率常数的63%，确认相互的振动区域12、13的弹性结合小。另外，该结晶轴的正负被反转的第二振动区域13，通过反转结晶轴的正负，其厚度不会变化为第一振动区域12的厚度，但其弹性常数产生变化。这样，在振动区域12、13中，由于弹性常数相互不同，预计热反应速度即在温度变化后直到频率变化的时间(响应速度)相互不同，但实验结果确认，不能检测响应速度的差，该差为能够忽视的程度。总之，也因如此，在TCX03中，相对于温度能够高精度地控制频率。此夕卜，通过反转结晶轴的正负，振动区域的频率温度特性发生变化。振动区域13成为温度每变化I °C，输出频率就变化30ppm的温度特性。图13表示上述的参照TCXO的温度特性的曲线图，图14表示TCX03的温度特性的曲线图。各曲线图的横轴均表示TCXO的周围的温度(单位°c)，纵轴均表示频率偏差(单位ppm)。TCX03的一方抑制因温度引起的频率偏差的变动。(第五实施方式)对作为第五实施方式的TCX0100进行说明。图15表示构成该TCX0100的晶体振子9A 9C的上表面，图16表不上述晶体振子9A 9C的侧面。与第四实施方式不同，沿该晶体片91的Z'方向，在I张晶体片91上顺次形成有第一振动区域12、第二的振动区域13、第一振动区域12，这些振动区域12、13、12分别构成晶体振子9八、98、9(。晶体振子9C与晶体振子9A同样构成。两个第一振动区域12、12通过第二振动区域13被划分，这些第一振动区域12、12之间的弹性的结合被抑制。因此，即使两个第一振动区域12、12的特性相同，也能够作为独 立的晶体振子9A、9C进行处理。通过模拟，本发明人确认在第一振动区域12、12之间不会引起上述弹性结合。图17表示TCX0100的构成。当说明该TCX0100的概况时，其构成为，在第四实施方式的TCX03的后段设置有由晶体振子9C构成的滤波器电路101，从设置于该滤波器电路90的后段的输出端40取出输出。振荡电路42、52为含有晶体管的科耳皮兹振荡电路。对这样设置滤波器电路的原因进行说明。与晶体振子的振动波形对应的电压波形为正弦波，但该正弦波在通过上述振荡电路部分时，波形杂乱。即，从振荡电路42输出的电压波形产生变形。上述滤波器电路101具有对波形进行整形，以消除该变形，并输出纯度高的正弦波(杂乱被抑制的正弦波)的作用。与振荡输出的正弦波的纯度低的情况相比，振荡输出的正弦波的纯度高的情况下的噪声少。但是认为，为了抑制相位噪声，适当选定振荡电路的负载容量，能够使TCXO的驱动电流尽可能低。但是，担心这些对应会使装置的制造成本上升，使装置大型化。通过设置滤波器电路101，能够抑制这种成本的上升和装置的大型化。该滤波器电路101具备电容器102、103、晶体振子9C和电容器104的串联电路。另外，在电容器103和晶体振子9C的串联电路的两端，分别连接电阻105、106的各一端，这些电阻105、106的另一端侧接地。电容器102为了切割直流而设置，电容器103、104和电阻105、106构成作为使目标频率以外的频率信号衰减的滤波器。与晶体振子9C并联地设置有电感器107。图18表示晶体振子9C的等效电路，LI为等效串联电感，Cl为等效串联电容，Rl为等效串联电阻，CO为并联电容。感应器107设定为与并联电容CO—起在作为目标振荡频率(设为f0)中引起并联共振的值。即，将感应器107的感应系数的值设为L时，以下式成立的方式设定L。￡0=1 / (2π · Vr (L · CO))等效串联电容Cl比并联电容CO小，因此，利用CO和L能够引起并联共振。对该TCX0100的动作进行说明。与图4的TCX03相同，根据晶体振子9Β的温度，经由变容二极管43，从控制电压供给部61向振荡电路42施加控制电压V。，晶体振子9Α以与该控制电压V。对应的频率振荡，并从振荡电路42输出频率信号。其中，控制电压供给部61在各图中省略，但其具备有A / D变换器和D / A变换器。将包含上述晶体振子9Β的辅助振荡部51的输出利用A / D变换器进行数字变换，控制电压供给部61基于该输出算出的输出利用D / A变换器进行模拟变换并施加于变容二极管43。
如上所述，从晶体振子9A输出的正弦波通过振荡电路42而产生变形。晶体振子当被激励时输出正弦波，因此产生变形的上述正弦波通过波形整形用的晶体振子9C，由此，消除该变形。另外，波形整形用的晶体振子9C的并联电容CO与感应器107 —起引起并联共振，因此，阻止作为目标的频率(f0)信号通过并联电容CO侧。因此，该频率信号大部分通过机械的振动部分，因此，阻止该频率信号所含有的噪声通过，相位噪声降低。在TCX0100中，这样能够降低相位噪声，除此之外，也能够获得与TCX03同样的效果。另外，在构成的晶体片91上形成有用于构成滤波器的晶体振子9C ;用于获得振荡输出的晶体振子9A ;和用于构成温度传感器的晶体振子9B，因此，能够实现装置的小型化。进行了调查TCX0100和TCX03的输出的相位噪声特性的实验。图19表示TCX0100的相位噪声特性的曲线图，图20表示TCX03的相位噪声特性的曲 线图。横轴表示各TCXO的中心频率的偏差量(offset :偏置单位Hz)、纵轴表不与中心频率的输出的差量、即相位噪声(单位dBc / Hz)。当比较偏置小的I IOHz附近的各特性时，TCXO100的相位噪声低。因此，表示通过设置滤波器电路90，能够降低相位噪声，能够提高Q值。(第六实施方式)作为第六实施方式的TCX0110与TCX0100同样具备滤波器，但该滤波器作为MCF(Monolithic Crystal Filters :单片晶体滤波器)构成。当说明设置MCF的原因时,例如在构成装入TCXO的PLL装置等并基于该TCXO的输出数字信号的情况下，比较远离TCXO的主振动的频率中，相位噪声等级高时，上述数字信号的脉冲波形变得杂乱。通过设置MCF，能够使上述相位噪声降低。图21、图22分别表示TCX0110中所使用的晶体片91的俯视图、侧视图。作为与第四实施方式的不同点，在晶体片91形成有MCF111，代替晶体振子9C。MCFlll与晶体振子9C同样具备第一振动区域12，但电极的结构不同。在其表面侧，沿Z'方向隔开间隔地设置有电极112、113。另外，在背面侧，沿Zi方向隔开间隔地设置有电极114、115。电极112、114相互相对，电极113、115相互相对。电极112为滤波器的输入电极，电极114为滤波器的输出电极，电极113、115为接地用电极。与已述的各激励电极相同，从电极112 115向晶体片91的缘部，延伸有用于与保持晶体片91的保持器(未图示)连接的引出电极18。图23表示TCXOl 10的构成。在振荡电路42的后段侧设置MCF111，MCF111的后段与输出端40连接，取出相位噪声被消除的输出。利用第二振动区域13从构成晶体振子9A的第一振动区域12划分有构成MCFlll的第一振动区域(滤波器形成区域)12，因此，这些振动区域12之间的弹性的结合被抑制。因此，抑制消除相位噪声的特性产生恶化。另外，与晶体振子9C相同，MCFlll形成于构成晶体振子9A、9B的晶体片91，因此，与第四实施方式相同，能够防止装置的大型化和制造成本的增加。进行了调查TCX0110和TCX03的输出的相位噪声特性的实验。图24与图19相同，是表示TCXOl 10的相位噪声特性的曲线图，图25与图20相同，是表示TCX03的相位噪声特性的曲线图。当比较这些图24、25的曲线图时，偏置频率从I到100000Hz附近的相位噪声等级大致相同，但当在100000Hz以上时，TCX0110的相位噪声等级低。因此，设置MCFl 11的效果被显现。上述的第四 第六实施方式中的晶体片91的振动区域12、13相互为相同的厚度，但也可以与第一 第三实施方式同样设为相互不同的厚度。另外，也可以形成划分振动区域12、13的凹部14、15。另外，对于第I 第2实施方式的各TCXO所使用的水晶片11的各振动区域，也可以与第4 第5实施方式的水晶片91的各振动区域相同，相互为相同厚度。而且，在振动区域之间也可以不形成有凹部14、15。(第七实施方式)接着，对第七实施方式的TCX0120进行说明。图26、27表示该TCX0120所使用的晶体振子9A、9B。作为与第四 第六实施方式的不同点，不在晶体片91的正面和背面设置有激励电极16A、16B、17A、17B，取而代之，设置有激励电极121、122。激励电极121,122以相互相对并遍及(跨)振动区域12、13的方式形成。第一振动区域12的频率常数为例如约I. 67MHz ·ι πι，第二振动区域13的频率常数为约2· 45ΜΗζ ·πιπι。振动区域12、13的厚度相互相同。图28表示TCX0120。该TCX0120与TCX03大致同样构成，因此，当以不同点为中心 进行说明时，在晶体振子9Α、9Β和振荡电路42、52之间设置有开关123，激励电极122与振荡电路42或52任一个连接。激励电极121与振荡电路42、52连接。即，利用开关123，晶体振子9Α、9Β的任一方与振荡电路42、52连接，但开关123以高速切换，晶体振子9Α、9Β实质上同时振荡。图中124、124是设置于激励电极121和振荡电路42、52之间的滤波器。如上所述，频率常数的差在振动区域12、13之间比较大，因此，这样即使振动区域12,13实质上同时振荡，也可抑制一个区域的振动影响另一个区域的振动。因此，能够获得与第一和第四实施方式的TCX03同样的效果。但是，振动区域12、13不能通过目视进行相互识别，另外，即使通过其它的光学性的检测方法也不能检测。通过介电常数的测定或X射线检查能够识别这些区域，但这些检查中存在需要比较长的时间的缺点。特别是，检查小型化进展的晶体片的X射线检查装置是昂贵的装置。但是，在该实施方式中，通过以遍及(跨越)振动区域12、13的方式形成激励电极，不需要特定振动区域12、13的边界。因此，与特定振动区域12、13的边界并在各振动区域分别形成激励电极相比，具有装置的制造容易，制造成本也被抑制的优点。如该实施方式，进行了确认形成晶体振子时的各振荡输出的实验。准备Z'方向上的长度、方向上的长度分别为5mm、2. 5mm的矩形状的被AT切割而成的晶体片91。该晶体片91的基本波振动模式下的振荡为26MHz。对该晶体片91进行加热处理，形成振动区域13。接着，在晶体片91上形成激励电极121、122。在各激励电极121、122的Cr (铬)膜的上层侧叠层构成有Au (金)膜。Au膜的厚度约为lOOnm。激励电极121、122为纵横均
I.8mm的矩形状，为了引起垂直电场激励，因此如上述方式相对。振荡电路42、52为科耳皮兹振荡电路，负荷电容为7pF。将振荡电路42、52与激励电极121、122连接，调查来自各振荡电路42、52的输出频率。其结果，来自振荡电路42的输出频率为27. 104452MHz，来自振荡电路52的输出频率为55. 755391MHz，它们的差约为28MHz。由此，彼此振荡频率差别很大。因此确认，以一个区域的振动不会影响另一个区域的振动的方式进行振动。能够按照具有上述实验中的晶体片91大小和电极的大小等各种参数的方式制造TCX0120。激励电极引起的能量封闭的原理，即使在该实施方式的晶体振子9A、9B中也成立，也可以以能够封闭适当的能量的方式，适当调节激励电极的面积。不限于基本波振动模式，也可以在高次谐波振动模式下使各振动区域振荡。该第七实施方式的晶体振子9A、9B也能够适用于其它的各实施方式中。但是，在各实施方式中，振荡电路42、52由科耳皮兹振荡电路构成，但也能够使用皮尔斯(Pierce)、克莱普(Clapp)、巴特勒(Butler)等任意的振荡电路。另外，作为晶体振荡器(振荡装置)，例示了 TCXO的构成例，例如也能够作为OCXCKOven Controlled crystalOscillator :恒温晶体振荡器)构成。具体地讲，其内部包含构成上述的各晶体振子的晶体片，构成能够利用加热器调节其内部温度的烤箱(oven)。设置对向上述加热器供给的电力进行调整的电力调整部，代替TCXO的补偿电压运算部。而且，与TCX03等相同，频率检测部对晶体振子IB (9B)的振荡输出进行频率检测，温度推定部基于上述频率推定烤箱内的温度，按照该推定温度，由上述电力调节部控制对加热器的电力，将烤箱内的温度维持在设定温度。另外，作为在振荡电路42的后段设置的滤波器，不限于上述的MCFlll或滤波器电路101，也可以利用晶体片11 (91)构成SAW滤波器。另外，也可以在振荡电路42的后段设置电介质滤波器。另外，也可以在振荡电路42和MCFlll或与滤波器电路101之间设置放大器或缓冲电路，也可以在MCFlll和滤波器电路101进行这些放大器和缓冲电路的电子噪声的除去。另外，各振动区域12、13和各激励电极16、17的面积可以相互相同，也可以相互 不同。
权利要求
1.一种晶体振子，其特征在于，具备 设置于晶体片上的第一振动区域； 第二振动区域，其设置于所述晶体片上，该第二振动区域的厚度和X轴的正负的朝向与第一振动区域不同；和 激励电极，其分别设置于第一振动区域和第二振动区域，用于使各振动区域独立振动。
2.如权利要求I所述的晶体振子，其特征在于 在所述晶体片在第一振动区域和第二振动区域之间形成有凹部。
3.如权利要求I所述的晶体振子，其特征在于 第一振动区域和第二振动区域中的一方为被AT切割而成的区域。
4.一种晶体振荡器，其特征在于 包含权利要求I所述的晶体振子。
5.如权利要求4所述的晶体振荡器，其特征在于，具备 控制单元，其通过基于第二振动区域的振荡频率来控制用于使第一振动区域振荡的控制电压，从而控制该第一振动区域的振荡频率。
6.一种晶体振荡器，其特征在于，具备 设置于晶体片的第一振动区域； 第二振动区域，其设置于所述晶体片上，X轴的正负的朝向与第一振动区域不同； 激励电极，其分别设置于第一振动区域和第二振动区域，用于使各振动区域独立振动； 用于使第一振动区域振荡的第一振荡电路； 用于使第二振动区域振荡的第二振荡电路；和 控制单元，其基于第二振动区域的振荡频率来推定所述晶体片的温度，并基于推定的该温度来控制来自第一振荡电路的振荡频率。
7.如权利要求6所述的晶体振荡器，其特征在于 在所述晶体片，在与第一振动区域和第二振动区域不同的区域设置有滤波器形成区域，该滤波器形成区域构成被输入来自第一振荡电路的信号的滤波器。
8.如权利要求7所述的晶体振荡器，其特征在于 所述第一振动区域和所述滤波器形成区域通过第二振动区域被划分。
9.如权利要求6所述的晶体振荡器，其特征在于 所述激励电极以遍及第一振动区域和第二振动区域的方式形成。
全文摘要
本发明提供一种在具有多个振动区域的晶体振子中，能够抑制一振动区域对另一振动区域造成的影响并且构成简单的结构的晶体振荡器的技术，其中，晶体振子构成为，具备设置于晶体片上的第一振动区域；第二振动区域，其设置于所述晶体片上，该第二振动区域的厚度和X轴的正负的朝向与第一振动区域；激励电极，其分别设置于第一振动区域和第二振动区域，并用于使各振动区域独立振动。能够从一振动区域和另一振动区域分别取出相对于温度变化以相互不同的大小进行变化的频率，因此，能够基于相对于温度引起频率明显变化的一振动区域的振荡频率，来控制来自另一振动区域的振荡频率。由此，能够抑制晶体振荡器的复杂化。
文档编号H03H3/02GK102904544SQ201210265520
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月27日 优先权日2011年7月29日
发明者小山光明, 加贺见俊彦, 松元健, 武藤猛, 石川学, 佐藤信一 申请人:日本电波工业株式会社