專(zhuān)利名稱：壓電振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸出溫度補(bǔ)償后的頻率信號(hào)的壓電振蕩器。
背景技術(shù)：
作為在壓電振蕩電路例如石英振蕩電路中使用的壓電振子的石英振子，具有振蕩 頻率根據(jù)溫度變化的頻率溫度特性。該頻率溫度特性根據(jù)構(gòu)成石英振子的石英片的切割角 度和厚度等在每個(gè)石英振子中有所不同。關(guān)于這樣的頻率溫度特性，在圖6中表示了例如 使用AT切割的石英片的石英振子中得到的特性的一個(gè)例子。在該圖6中，曲線圖的縱軸表 示作為目標(biāo)(希望產(chǎn)生振蕩)的設(shè)定頻率&與在溫度T下實(shí)際得到的頻率f之間的頻率 偏差(Δ f/f0, Δ f = f-f0)，橫軸表示石英振子的溫度T。T0是基準(zhǔn)溫度例如，設(shè)定振 蕩電路的控制電壓，使得在該溫度Ttl下得到設(shè)定頻率&。在使用AT切割的石英片以厚度 切變(thickness shear)振動(dòng)模式振蕩的情況下，頻率偏差Δ f/%能夠以作為溫度T的三 次函數(shù)的式⑴近似。Δ f/f0 = α (T-T0)3+ β (T-T0) + Y ……(1)其中，在該式⑴中，α、β、Y是分別對(duì)每個(gè)石英振子個(gè)別求取的常數(shù)，這些常數(shù) (α, β, y>T0,f0)通過(guò)下述方式求取在恒溫槽內(nèi)設(shè)置石英振子，多次使溫度T變化來(lái)測(cè) 定頻率f，對(duì)將溫度T和頻率f的測(cè)定結(jié)果分別代入上述式(1)而得到的聯(lián)立方程式進(jìn)行求解。由此，進(jìn)行了無(wú)論環(huán)境溫度如何都使頻率穩(wěn)定的研究。例如溫度補(bǔ)償石英振蕩器 (TCXO =Temperature Compensated Xtal Oscillator)中，因?yàn)榭刂齐妷号c輸出頻率呈線性 關(guān)系，所以將溫度傳感器例如熱敏電阻設(shè)置在振蕩器的封裝內(nèi)，基于該溫度傳感器的溫度 檢測(cè)值與基準(zhǔn)溫度求取補(bǔ)償電壓，以將該補(bǔ)償電壓與基準(zhǔn)電壓(在基準(zhǔn)溫度Ttl下得到設(shè)定 頻率&的控制電壓)相加的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但是，該TQCO中，補(bǔ)償(調(diào)整)后的石英 振子的頻率溫度特性的穩(wěn)定度在-20°C 75°C的溫度范圍中例如存在士0. 2ppm左右的極 限，難以獲得這之上的穩(wěn)定度的提高。另一方面，作為上述TCXO以外的補(bǔ)償石英振子的頻率溫度特性的振蕩器，例如已 知 D-TCXO (Digital-Temperature Compensated XtalOsci 1 lator，數(shù)字溫度補(bǔ)償石英振蕩 器)。該D-TCXO中，通過(guò)數(shù)字控制調(diào)整控制電壓V，因此與上述TCXO相比能夠改善頻率溫 度特性的穩(wěn)定度，但是其與TQCO相比電子噪聲變大。此外，也已知利用爐箱(恒溫箱)對(duì)石英振子的頻率溫度特性進(jìn)行模擬控制的 0CX0 (Oven Compensated Xtal Oscillator，恒溫補(bǔ)償石英振蕩器)，該 0CX0 與 TCXO 相比， 頻率溫度特性的穩(wěn)定性和電子噪聲特性得到改善，但是電力消耗變大，價(jià)格變高。進(jìn)而，也己知 MCXO(Microcomputer Compensated Xtal Oscillator,微機(jī)補(bǔ)償石 英振蕩器)，其將例如在一塊SC切割石英片的單面形成的一對(duì)電極所產(chǎn)生的厚度切變振動(dòng) 模式的信號(hào)和厚度扭曲振動(dòng)模式的信號(hào)用濾波器分離，將厚度切變振動(dòng)模式的信號(hào)作為主 振動(dòng)(設(shè)定頻率fo)取出，并且利用厚度扭曲振動(dòng)模式的信號(hào)檢測(cè)溫度，基于該溫度利用微機(jī)控制石英振蕩器的頻率溫度特性(控制電壓)。該MQCO與TQCO相比，能夠改善頻率溫度 特性的穩(wěn)定性和電子噪聲特性，但是因?yàn)橛脼V波器分離兩模式的信號(hào)，所以電路結(jié)構(gòu)變得 復(fù)雜，電力消耗變大，價(jià)格變高。在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中記載有氣味物質(zhì)傳感器，利用隙縫將一塊壓電振動(dòng)板分割為多個(gè) 振動(dòng)區(qū)域，并且在這些振動(dòng)區(qū)域的每個(gè)中配置一對(duì)電極，在涂敷在這些電極上的合成脂質(zhì) 膜上吸附氣味物質(zhì)，由此識(shí)別多種氣味物質(zhì)，但是在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中并沒(méi)有研究上述問(wèn)題。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)平7-19091
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問(wèn)題而提出，其目的在于提供一種頻率穩(wěn)定度優(yōu)異的壓電振蕩
ο本發(fā)明的壓電振蕩器，其特征在于，包括主振蕩部，其用于輸出設(shè)定頻率信號(hào)，包括在壓電基板上設(shè)置用于形成主振動(dòng)區(qū) 域的主電極而成的壓電振子；和與上述主電極連接的主振蕩電路；輔助振蕩部，其作為溫度傳感器使用，包括壓電振子，其構(gòu)成為在上述主振蕩部 使用的壓電基板上，在上述主電極之外設(shè)置有用于形成輔助振動(dòng)區(qū)域的輔助電極，與上述 主振蕩電路的壓電振子共用壓電基板；和與上述輔助電極連接的輔助振蕩電路；溫度推定部，其檢測(cè)該輔助振蕩部的振蕩輸出的頻率，基于該頻率和上述輔助振 蕩部的頻率溫度特性，推定溫度；和控制電壓供給部，其基于由該溫度推定部推定出的溫度和上述主振蕩部的頻率溫 度特性，求取用于得到上述設(shè)定頻率信號(hào)的控制電壓，并將該控制電壓向上述主振蕩電路 供給。在上述輔助振蕩部使用的振蕩波優(yōu)選為泛音(overtone 也稱為諧波)。此外，上 述輔助振蕩部的振動(dòng)模式可以為表面切變振動(dòng)(輪郭t >9振動(dòng))。上述主振蕩部的振動(dòng)模式優(yōu)選為厚度切變振動(dòng)(厚At^ >9振動(dòng))，而且在上述 主振蕩部使用的振蕩波優(yōu)選為泛音。上述輔助振蕩部可以包括形成第一輔助振動(dòng)區(qū)域的第一輔助電極；形成第二輔 助振動(dòng)區(qū)域的第二輔助電極；與這些第一輔助電極和第二輔助電極分別連接的第一輔助振 蕩電路和第二輔助振蕩電路；和求取這些第一輔助振蕩電路和第二輔助振蕩電路的各個(gè)振 蕩頻率的差或和，得到輔助振蕩部的振蕩輸出的單元。上述輔助電極的重量?jī)?yōu)選比上述主 電極的重量大。上述控制電壓供給部?jī)?yōu)選，相對(duì)于作為用于主振蕩部在基準(zhǔn)溫度下輸出設(shè)定頻率 的控制電壓的基準(zhǔn)電壓，求取溫度補(bǔ)償電壓，并將上述基準(zhǔn)電壓與溫度補(bǔ)償電壓相加來(lái)求 取控制電壓。本發(fā)明，在輸出設(shè)定頻率的主振蕩部之外，設(shè)置輔助振蕩部，該輔助振蕩部共用主 振蕩部使用的壓電基板，并且在該壓電基板上具有與主振蕩部的主電極不同的輔助電極， 將該輔助振蕩部作為溫度傳感器使用，以檢測(cè)溫度，基于該溫度補(bǔ)償控制電壓。因此，實(shí)際 測(cè)定主振蕩部的溫度本身并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，于是能夠得到頻率穩(wěn)定性優(yōu)異的溫度補(bǔ)償壓電 振蕩器。


圖1是表示本發(fā)明的TCXO的一個(gè)例子的電路圖。圖2是表示上述TCXO的石英振子的平面圖。圖3是表示上述TCXO的石英振子的側(cè)面截面圖。圖4是表示上述石英振子收納在封裝內(nèi)的狀態(tài)的示意圖。圖5是表示上述TCXO的概貌的立體圖。圖6是表示上述TCXO的頻率溫度特性的一個(gè)例子的特性圖。圖7是表示上述TCXO的頻率/電壓特性的特性圖。圖8是表示上述TCXO的基波與三次泛音的差異的特性圖。圖9是表示上述TCXO的石英振子的另一例子的側(cè)面截面圖。圖10是表示上述頻率溫度特性的一個(gè)例子的特性圖。圖11是表示本發(fā)明中得到的頻率溫度特性的特性圖。圖12是表示在上述TCXO得到的溫度/頻率特性的特性圖。圖13是概略表示在上述TCXO的基波和泛音得到的特性的特性圖。圖14是表示上述石英振子的另一例子的平面圖。圖15是表示上述石英振子的又一例子的平面圖。圖16是表示上述TCXO的另一例子的電路圖。圖17是表示厚度切變振動(dòng)和表面切變振動(dòng)(face shear)的特性的示意圖。圖18是表示上述TCXO的另一例子的平面圖。圖19是表示上述TCXO的另一例子的平面圖。圖20是表示上述TCXO的另一例子的平面圖。附圖標(biāo)記
1石英振子
2石英基板
11主振蕩部
13主電極
21輔助振蕩部
23輔助電極
31控制電壓供給部
32溫度檢測(cè)部
33頻率檢測(cè)部
34溫度推定部
35補(bǔ)償電壓運(yùn)算部
36加法部
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1 圖5說(shuō)明作為本發(fā)明的溫度補(bǔ)償壓電振蕩器的溫度補(bǔ)償石英振蕩器 (TCXO =Temperature Compensated Xtal Oscillator)的第一實(shí)施方式。首先，在圖 1 中表
5示TCXO的電路結(jié)構(gòu)，該TCXO包括用于向外部輸出設(shè)定頻率&的信號(hào)的主振蕩部11 ；用 于使溫度補(bǔ)償用的信號(hào)振蕩的輔助振蕩部21 ；以及控制電壓供給部31，其為了基于從輔助 振蕩部21輸出的溫度補(bǔ)償用的信號(hào)計(jì)算輸入主振蕩部11的控制電壓V。，設(shè)置在該主振蕩 部11與輔助振蕩部21之間。該圖1中5是輔助振蕩部21的控制電壓Vltl的輸入端，該控 制電壓Vltl從未圖示的電壓供給部輸入輸入端5。此外，6是本實(shí)施方式的石英振蕩器的輸 出端。主振蕩部11包括作為壓電振子的石英振子1和與該石英振子1連接的主振蕩電 路12。如圖2和圖3所示，石英振子1由在例如AT切割的石英基板(壓電基板)2的兩面 例如以Cu(銅)為基底側(cè)的Cu和Au(金)的疊層膜形成的激振電極3構(gòu)成。該激振電極 3包含與主振蕩電路12連接的主電極13和與后述的輔助振蕩電路22連接的輔助電極23。 在該例中，激振電極3以在石英基板2的上下表面隔著該石英基板2相對(duì)且分別呈相同形 狀的方式形成。石英基板2的主電極13、13間的區(qū)域構(gòu)成主振蕩部11的振動(dòng)區(qū)域la，輔助 電極23、23間的區(qū)域構(gòu)成輔助振蕩部21的振動(dòng)區(qū)域lb。該例中的主振蕩部11構(gòu)成為，利用在石英基板2產(chǎn)生的振動(dòng)模式中的厚度切變振 動(dòng)，并且利用其振蕩波中的基波進(jìn)行振蕩。因?yàn)樯鲜龌ㄔ谑⒒?的Z軸方向的中央 部電荷變大，所以如圖2所示，主電極13在該中央部形成為矩形狀。圖2中4為從上表面?zhèn)群拖卤砻鎮(zhèn)鹊碾姌O13、23的各個(gè)分別引繞至石英基板2的 端部區(qū)域的引出電極，該4根引出電極4，雖然沒(méi)有圖示，但分別繞過(guò)例如石英振子1的表面 部、側(cè)面部，在該石英振子1的下表面的端部區(qū)域，如圖4(a)所示，經(jīng)由導(dǎo)電性粘接劑103， 通過(guò)引繞于封裝100內(nèi)的未圖示的導(dǎo)電通路與上述振蕩電路12Q2)電連接。該石英振子1 在氣密密封的封裝100內(nèi)，以被上述導(dǎo)電性粘接劑103懸臂支撐的狀態(tài)固定。該圖4(a)中 的102為形成在封裝100內(nèi)的4個(gè)內(nèi)部電極，圖4(b)中的104為形成在封裝100的下表面 的外部電極，由這些內(nèi)部電極102和外部電極104連接各個(gè)弓丨出電極4和振蕩電路12 (22)。 另外，在圖3中省略了該引出電極4的圖示。此外，在圖2中，對(duì)各電極13、23、4施以陰影 線。上述圖2和圖3中的各軸表示石英基板2的結(jié)晶軸方向。如圖5(a)、(b)所示，上述封裝100與收納有上述主振蕩電路12、輔助振蕩電 路22和控制電壓供給部31的振蕩控制部101 —同配置在基板110上，構(gòu)成石英振蕩器 (TCXO) 120。另外，圖5中的111是以從上方側(cè)氣密地覆蓋基板110上的振蕩控制部101和 封裝100的方式設(shè)置的蓋體，圖5(b)表示取下該蓋體111的狀態(tài)。在上述主振蕩部11的前級(jí)側(cè)(輸入側(cè))連接有已述的控制電壓供給部31，從該 控制電壓供給部31經(jīng)由作為可變電容元件的變?nèi)荻O管14向主振蕩部11施加控制電壓 V。。如式(2)所示，該控制電壓供給部31構(gòu)成為，通過(guò)從主振蕩部11的基準(zhǔn)電壓Vtl減去溫 度補(bǔ)償電壓(根據(jù)AV的符號(hào)的采取方式的不同也可以說(shuō)是加上)，生成上述控制電壓 Vc。Vc = V0- Δ V......(2)該基準(zhǔn)電壓Vtl是在基準(zhǔn)溫度Ttl例如下，從主振蕩部11輸出設(shè)定頻率&時(shí)的 控制電壓。此外，溫度補(bǔ)償電壓ΔΥ以下述方式表達(dá)。S卩，因?yàn)榭刂齐妷篤和振蕩頻率f具 有比例關(guān)系，所以AV如式(3)所示，因?yàn)槭?4)成立，所以AV表示為式(5)。其中，T是 溫度檢測(cè)部(溫度傳感器)32中檢測(cè)出的溫度，Af = f-fQ。
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AV = V0(Af/f0)……(3)Δ f/f0 = α (T-T0)3+ β ！ (T-T0) + Y1 ……(4)AV = V0Ia1 (T-T0)3+ β ！ (T-T0) + Y1I ……(5)Cipii1* Y1是該主振蕩部11中固有常數(shù)，例如通過(guò)下述方式求取，預(yù)先將主振 蕩部Il(TCXO)設(shè)置在恒溫槽內(nèi)，例如輸入基準(zhǔn)電壓Vtl并且多次改變恒溫槽內(nèi)的溫度T并 測(cè)定頻率f，求解將這些溫度T和頻率f的測(cè)定結(jié)果代入上述式(4)而得到的聯(lián)立方程式。輔助振蕩部21共用在主振蕩部11中使用的石英振子1，包括與石英振子1上的輔 助電極23連接的輔助振蕩電路22。5是輸入端，從該輸入端5經(jīng)由作為可變電容元件的變 容二極管M，對(duì)輔助電極23、23間的區(qū)域即輔助振動(dòng)區(qū)域Ib施加控制電壓V1(l。輔助振蕩 電路22構(gòu)成為，利用石英振子1產(chǎn)生的振動(dòng)模式中的厚度切變振動(dòng)，作為振蕩波利用泛音 例如三次泛音進(jìn)行振蕩。三次泛音中，電荷的峰位于石英基板2的Z軸方向上將該石英基 板2劃分為三個(gè)區(qū)域時(shí)的各個(gè)區(qū)域中。于是，在這三個(gè)區(qū)域中，為了抑制基波的影響，以盡 可能避開(kāi)中央?yún)^(qū)域的方式在兩端側(cè)形成輔助電極23、23。S卩，輔助電極23、23以在石英基板 2的Z軸方向兩端側(cè)相互平行地沿X軸方向分別延伸的方式配置，并且主電極13的相反側(cè) 的端部彼此連接。在該輔助振蕩部21的后級(jí)側(cè)連接有已述的控制電壓供給部31。控制電壓供給部 31包括用于根據(jù)從輔助振蕩部21輸入的頻率信號(hào)計(jì)測(cè)頻率f的例如頻率計(jì)數(shù)器等構(gòu)成 的頻率檢測(cè)部33 ；基于在該頻率檢測(cè)部33計(jì)測(cè)出的頻率f推定溫度T的溫度推定部34 ；用 于基于在溫度推定部34推定的溫度T對(duì)已述的補(bǔ)償電壓△ V進(jìn)行運(yùn)算的補(bǔ)償電壓運(yùn)算部 35 ；和用于將從基準(zhǔn)電壓Vtl減去由補(bǔ)償電壓運(yùn)算部35運(yùn)算出的補(bǔ)償電壓△ V而得的控制 電壓V。輸出至主振蕩部11的加法部36。另外，根據(jù)將補(bǔ)償電壓Δν的符號(hào)定為正、負(fù)中的 哪一個(gè)，加法部36中的運(yùn)算確定為(％-Δν)、(V0+ΔV)中的一個(gè)，但是在該實(shí)施方式中，將 用前面的式(5)求出的AV作為補(bǔ)償電壓進(jìn)行處理，因此，表示為(％-Δν)。艮卩，頻率f根 據(jù)頻率溫度特性從設(shè)定頻率&產(chǎn)生變動(dòng)，與此相應(yīng)地進(jìn)行利用Δ V補(bǔ)償Vtl的運(yùn)算即可。在溫度推定部34存儲(chǔ)有輔助振蕩部21的頻率溫度特性(在該例中為三次函數(shù))， 基于該溫度特性和輔助振蕩部21的振蕩頻率Mftl和Ttl已預(yù)先設(shè)定)，求取石英振子1的溫 度Τ。此外，輔助電壓運(yùn)算部35例如具有作為主振蕩部11的溫度特性的三次函數(shù)發(fā)生器， 根據(jù)已述的式(5)和溫度Τ，求取補(bǔ)償電壓Δ V。接著，說(shuō)明上述實(shí)施方式的作用。將在主振蕩部11中從在基準(zhǔn)溫度Ttl例如^TC 下輸出設(shè)定頻率fo的基準(zhǔn)電壓Vtl減去后述的溫度補(bǔ)償電壓△ T而得的電壓V。經(jīng)由變?nèi)荻?極管14供給至主振蕩電路12。由此，主振蕩電路12以主振蕩區(qū)域Ia的厚度切變振動(dòng)的 基波的頻率f振蕩。此時(shí)，在石英振子1例如溫度為T(mén)1 (T1 > T0)，控制電壓V為基準(zhǔn)電壓Vtl 的情況下，如圖6所示，在該主振蕩部11振蕩的頻率f，從與基準(zhǔn)溫度Ttl對(duì)應(yīng)的設(shè)定頻率& 沿著作為溫度特性曲線的三次曲線，偏移至與溫度T1對(duì)應(yīng)的頻率f\。但是，如上所述供給 至主振蕩部11的控制電壓V。是利用溫度補(bǔ)償電壓Δ V補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓Vtl后的值，因此，從輸 出端6輸出設(shè)定頻率&。這樣的溫度補(bǔ)償電壓Δ V如下所述在控制電壓供給部31進(jìn)行計(jì) 笪弁。如上所述，主振蕩部11的振蕩頻率f，如圖7所示，與控制電壓V成比例。由此，在 控制電壓供給部31中，為了補(bǔ)償作為頻率&與設(shè)定頻率&的差值的Δι，以使控制電壓V提高與Af相當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓Δ V的方式進(jìn)行控制。補(bǔ)償電壓Δ V通過(guò)將溫度T1代入上述式 (5)的溫度T而求得。溫度T1在現(xiàn)有技術(shù)中例如使用熱敏電阻等在上述的封裝100的外部 檢測(cè)出來(lái)，但是在本實(shí)施方式中，如下所述基于輔助振蕩部21的振蕩頻率f計(jì)算得出。艮口， 通過(guò)對(duì)輸入端5輸入控制電壓Vltl，輔助振蕩電路22以輔助振蕩區(qū)域Ib的厚度切變振動(dòng)的 三次泛音的頻率f振蕩。頻率檢測(cè)部33檢測(cè)該振蕩頻率f，在溫度推定部34中使用式(6) 推定溫度T。f = f10{l+a2 (T-T10)3+ β 2 (T-T10) + Y2I ……(6)T10是基準(zhǔn)溫度例如為，f10是將基準(zhǔn)電壓Vltl作為控制電壓供給到輔助振蕩電 路22時(shí)得到的頻率。α2、β2、Y2通過(guò)預(yù)先使用恒溫槽多次變更溫度T并測(cè)定當(dāng)時(shí)的頻率 f而求得。這些常數(shù)在不同的值的控制電壓V下各自不同，因此輸入到上述輸入端5的控 制電壓V為與求出這些常數(shù)時(shí)相同的電壓例如￥1(|。這樣，在本實(shí)施方式中，將共用主振蕩 部11的石英振子1的石英基板2的輔助振蕩部21用作溫度檢測(cè)部32。補(bǔ)償電壓運(yùn)算部 35基于這樣求得的溫度T1和上述式(5)，計(jì)算補(bǔ)償電壓AV。由此，主振蕩部11的振蕩頻 率f提高Δ f，以消除由于成為溫度T1而會(huì)使振蕩頻率f降低Δ f的作用，因此從輸出端6 輸出的頻率f維持為設(shè)定頻率&。此處，關(guān)于基波和三次泛音，記載有振蕩頻率f的頻率溫度特性。對(duì)兩者進(jìn)行比 較，三次泛音與基波相比三次函數(shù)的變化量更大，當(dāng)從三次泛音的三次函數(shù)減去基波的三 次函數(shù)時(shí)，即求取各溫度下的Af/f的差值時(shí)，表示為圖8。已知在基波，電極13的質(zhì)量越大，頻率溫度特性越順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，伴隨溫度變化的 頻率f的變化量越大。與此相對(duì)，本發(fā)明者通過(guò)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步得到以下的認(rèn)知。即，對(duì)于三次 函數(shù)，在如圖9(a)到圖9(b)、9 (c)所示同樣地使電極23的質(zhì)量變大時(shí)，如圖10示意性表 示的那樣，作為頻率溫度特性的三次函數(shù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但是在為三次泛音的情況下，相對(duì)于 電極23的質(zhì)量的增加量的右旋轉(zhuǎn)的程度比為基波的情況下更大。S卩，在使用基波為^MHz的石英振子1時(shí)的三次泛音的振動(dòng)模式中，相對(duì)于在電極 23的膜厚為1000A (IOOnm)時(shí)得到的頻率溫度特性，在電極23的膜厚為2000 A (200nm) 時(shí)，如圖11(a)所示，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。對(duì)于這樣的頻率溫度特性進(jìn)行大致的概括，表示為圖 11(b)。由此，相比于基波，將三次泛音的振蕩用于溫度檢測(cè)的情況下溫度檢測(cè)靈敏度更 高，因此，在該實(shí)施方式中，優(yōu)選與主電極13相比使輔助電極23的質(zhì)量更大。作為使電極 23的質(zhì)量增大的方法，能夠舉出使電極23的厚度、面積的至少一者變大，或選定電極23的 材質(zhì)的例子。此外，在基波，頻率f相對(duì)于溫度T的變化量比泛音小，因此通過(guò)在主振蕩部 11中利用該基波，即使溫度T發(fā)生變化，也能夠?qū)⑤敵龅念l率f(設(shè)定頻率fj的誤差抑制 得較小，由此得到頻率變化小(穩(wěn)定)的TCX0。根據(jù)上述實(shí)施方式，在TCXO中作為檢測(cè)用于求取補(bǔ)償電壓ΔΥ的溫度T的溫度檢 測(cè)部32，使用與主振蕩部11共用石英基板2的輔助振蕩部21，因此相對(duì)于外部能夠在與激 振設(shè)定頻率&的主振蕩部11極近的區(qū)域(輔助振蕩部21)測(cè)定溫度T。因此，能夠?qū)囟?T的測(cè)定誤差抑制得極小，從而，與例如在石英振子1之外設(shè)置與收納該石英振子1的封裝 100相鄰的熱敏電阻等溫度檢測(cè)部的現(xiàn)有的TCXO相比，能夠得到頻率穩(wěn)定度優(yōu)異而且電子 噪聲小的TCX0。此外，因?yàn)樵谑⒄褡?配置有與連接于主振蕩電路12的主電極13不同的連接于輔助振蕩電路22的輔助電極23，所以與現(xiàn)有的MCXO(Microcomputer Compensated Xtal Oscillator)相比，由于不使用濾波器，所以能夠以簡(jiǎn)單的電路構(gòu)成TCX0。進(jìn)一步，在 用于求取上述溫度T的輔助振蕩電路22中使用泛音，因此如上所述與使用基波的情況相 比，提高相對(duì)于溫度T的變化的靈敏度(頻率f的變化)，由此能夠得到頻率溫度特性極為 穩(wěn)定的TCXO。將在這樣的TCXO中實(shí)際得到的頻率偏差A(yù)fVftl的曲線表示于圖12，可知在與現(xiàn) 有的TCXO中補(bǔ)償?shù)绞?. 2ppm左右的溫度范圍(_20°C 75°C )相比更廣的_50°C 120°C 范圍中，得到士 0. Olppm左右的極良好的頻率偏差A(yù)f/f。。接著，列舉上述第一實(shí)施方式的變形例。在上述第一實(shí)施方式中，利用三次泛音作為在輔助振蕩部21使用的振蕩波，但是 也可以利用五次或七次以上的泛音。即，如圖13所示，五次泛音相比于三次泛音，頻率溫度 特性的相對(duì)于溫度變化的頻率偏差的變化量較大，即，作為頻率溫度特性的三次曲線為順 時(shí)針旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，七次以上的泛音與五次泛音相比上述變化量進(jìn)一步變大。由此，通過(guò)使用 高次泛音能夠以更高的靈敏度檢測(cè)溫度T。在這樣使用泛音的情況下，輔助電極23優(yōu)選配 置在石英基板2上這些泛音的電荷變大的位置。此外，作為在主振蕩部11中使用的振蕩波并不限于基波，也可以使用泛音例如三 次泛音。在該情況下，石英基板2的各電極13、23以圖14所示的布局配置，主電極13與上 述輔助電極23為同樣的形狀，例如以該主電極13的開(kāi)口部與輔助電極23的開(kāi)口部相對(duì)的 方式配置。進(jìn)一步，作為主振蕩部11也可以使用五次或七次以上的泛音。進(jìn)一步，也可以在主振蕩部11使用泛音而在輔助振蕩部21使用基波。在該情況 下，也在與主振蕩部U共用石英基板2的輔助振蕩部21測(cè)定溫度T，因此能夠得到與上述 例子同樣的效果。在該情況下，各電極13、23為使圖2的各電極13、23相互替換后的配置。另外，對(duì)于主振蕩部11和輔助電極23中的任一個(gè)，均可以使用基波作為振蕩波。 但是，如上所述使用泛音的振蕩部的溫度特性在電極的質(zhì)量變大時(shí)的右轉(zhuǎn)的程度與為基波 的情況相比更大，因此作為溫度檢測(cè)用的輔助振蕩部21優(yōu)選使用泛音。(第二實(shí)施方式)接著說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。該第二實(shí)施方式是，設(shè)置多組用于取出相互不 同的振蕩波的輔助電極23，在由各輔助電極23的組取出的頻率f之間求取和或差，將這樣 運(yùn)算得出的頻率f用作溫度檢測(cè)信號(hào)。作為該實(shí)施方式的一個(gè)例子，能夠舉出下述例子， 即，設(shè)置兩組輔助電極23，將由一方的輔助電極23 (第一輔助電極23a)激振的頻率fn與 由另一方的輔助電極23(第二輔助電極23b)激振的頻率f12的差值用作溫度檢測(cè)信號(hào)。圖 15中表示在該例中使用的石英振子1的電極13、23的布局的例子。在圖15(a)中，表示了下述例子兩個(gè)輔助電極23a、23b中與主電極13相鄰的一 方的輔助電極23a，因?yàn)槭褂没ǎ耘c主電極13同樣配置在石英基板2的Z軸方向中 央部，另一方的輔助電極23b，因?yàn)槭褂萌畏阂?，所以與上述的圖2的輔助電極23同樣配 置。在該情況下，形成在石英基板2的上下表面的輔助電極23a、23a之間的區(qū)域成為第一 輔助振動(dòng)區(qū)域，形成在石英基板2的上下表面的輔助電極23b、2!3b之間的區(qū)域成為第二輔 助振動(dòng)區(qū)域。此外，圖15(b)表示將兩個(gè)輔助電極23a、2!3b按照已述的圖2所示的布局配置，使該輔助電極23a、23b的開(kāi)口部朝向主電極13 —側(cè)配置的例子，在圖15(c)中表示在上述例 子中因?yàn)橹麟姌O13使用例如三次泛音，所以主電極13配置為與輔助電極23同樣的形狀的 例子。在該第二實(shí)施方式中，也與第一實(shí)施方式同樣，對(duì)于主電極13、輔助電極23a、23b的 各個(gè)，可以使用基波、三次、五次和七次以上的泛音中的任一振蕩波。在該情況下，優(yōu)選各電 極13、23a、2!3b為與該振蕩波相適應(yīng)的形狀和配置。接著，在圖16中表示該第二實(shí)施方式的電路的一個(gè)例子，該第二實(shí)施方式的TCXO 具有分別與上述輔助電極23a、2 連接的第一輔助振蕩電路2 和第二輔助振蕩電路22b。 從這些輔助振蕩電路22a、22b輸出的頻率信號(hào)的頻率fn、f12由分別設(shè)置于控制電壓供給 部31的第一頻率檢測(cè)部33a和第二頻率檢測(cè)部3 檢測(cè)出來(lái)，在加法部37中運(yùn)算其差值。 溫度推定部34基于上述頻率f的差值(fn_f12)與溫度T的關(guān)系數(shù)據(jù)和檢測(cè)出的頻率f的 差值推定溫度T。上述圖8表示基波和三次泛音的差值頻率與溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)，從作為三次 泛音的頻率溫度特性的三次曲線減去作為基波的頻率溫度特性的三次曲線。由該曲線圖可 知，運(yùn)算得出的頻率偏差相對(duì)于溫度T大致成比例關(guān)系。在使用三次函數(shù)的情況下，隨著溫 度T離開(kāi)基準(zhǔn)溫度Ttl，頻率偏差變大，當(dāng)超過(guò)山(峰)部分時(shí)逐漸變小。與此相對(duì)，如果像上 述那樣求取差值，則隨著溫度T離開(kāi)基準(zhǔn)溫度Ttl，頻率偏差以大致線性的關(guān)系變大，因此在 廣范圍的溫度T中進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，即在實(shí)際的制品中，這樣的實(shí)施方式是有利的。溫度推定部34例如能夠構(gòu)成為，包括存儲(chǔ)頻率的差值(fn_f12)與溫度T的關(guān)系 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器；和將與在加法部37中求出的頻率的差值(fn_f12)對(duì)應(yīng)的溫度T從存儲(chǔ)器 內(nèi)的關(guān)系數(shù)據(jù)讀出的部件。這樣求取頻率f的差值的優(yōu)點(diǎn)是，不僅是在基波與泛音之間能夠得到，在使用次 數(shù)互不相同的泛音的情況下也能夠得到。另外，作為求取兩個(gè)輔助振蕩電路22a、22b的各 頻率信號(hào)的頻率差的方法，可以如如下所述在各頻率f為正弦波信號(hào)時(shí)，利用由模擬電路 構(gòu)成的混合器混合兩頻率信號(hào)，求取具有其差值的頻率f的頻率信號(hào)，由頻率檢測(cè)部33檢 測(cè)該頻率信號(hào)的頻率f。此外，代替求取輔助振蕩電路22a、22b的各頻率信號(hào)的頻率差，也可以求取頻率 f的和，基于求出的頻率f參照例如存儲(chǔ)器內(nèi)的關(guān)系數(shù)據(jù)求取溫度T。另外，也可以設(shè)置三 組以上的輔助電極23，對(duì)在各組中得到的頻率信號(hào)進(jìn)行相加、相減，基于其運(yùn)算值求取溫度 T。進(jìn)一步，對(duì)于主電極13來(lái)說(shuō)，也可以設(shè)置多組例如三組用于取出互不相同的振蕩波的主 電極13。此外，在圖16的電路中對(duì)與上述圖1相同的部位標(biāo)注相同的標(biāo)記。在上述各實(shí)施方式中，作為石英基板2使用AT切割基板，但石英基板2的切割方 位例如也可以為SC切割、FC切割、IT切割等，在使用厚度切變振動(dòng)的情況下也可以為BT切 割。此外，代替石英基板2也可以使用例如SC、FC、IF切割等。(輔助振蕩部為表面切變模式的例子)在上述各實(shí)施方式中，在主振蕩部11和輔助振蕩部21中分別利用厚度切變振動(dòng)， 但是輔助振蕩部21也可以利用表面切變振動(dòng)模式(面切變振動(dòng)模式)。表面切變振動(dòng)中， 頻率溫度特性如圖17所示，被近似為負(fù)的二次函數(shù)。圖17所示的二次函數(shù)的右下方的區(qū) 域是溫度范圍例如為_(kāi)40°C +100°C的部分，包括作為振蕩器的規(guī)格所要求的使用溫度范 圍。由此，在TCXO的使用溫度范圍中，表面切變振動(dòng)與厚度切變振動(dòng)相比，能夠?qū)㈩l率f相 對(duì)于溫度T的變化量取得較大，因此通過(guò)用表面切變振動(dòng)作為輔助振蕩部21的振動(dòng)模式，能夠以高靈敏度檢測(cè)溫度T。(第三實(shí)施方式)作為這樣的方式的例子，能夠舉出使主振蕩部11的振動(dòng)模式為厚度切變振動(dòng)，使 輔助振蕩部21的振動(dòng)模式為表面切變振動(dòng)的例子，此時(shí)的主電極13在石英基板2的中央 部形成為矩形狀，并且作為輔助電極23的布局例如像圖18所示的那樣，在石英基板2的角 部的4個(gè)位置以沿著該角部的方式大致L字型地分別配置。圖18表示石英基板2的正面 側(cè)的主電極13和輔助電極23的布局，在石英基板2的背面?zhèn)纫惨耘c正面?zhèn)纫粯拥牟季峙?置主電極13和輔助電極23。此外，例如共用的輔助振蕩電路22與四個(gè)輔助電極23的各個(gè) 連接。在這樣構(gòu)成的振蕩器中，作為在主振蕩部11使用的振蕩波和在輔助振蕩部21使 用的振蕩波的組合，與作為主振蕩部11和輔助振蕩部21的振動(dòng)模式而使用厚度切變振動(dòng) 的先前的實(shí)施方式同樣，能夠利用各種組合。即，主振蕩部11和輔助振蕩部21可以使用基 波或泛音(三次、五次、七次等)的任一種，可以均使用相同的振蕩波，也可以使用互不相同 的振蕩波(例如在主振蕩部11中使用基波，在輔助振蕩部21中使用三次泛音)。進(jìn)一步，如上述的圖15所示，也可以是使用多組輔助電極23的例子，或使用多組 主電極13的例子等。在該情況下，可以求取例如從兩組的輔助電極23得到的頻率的差值、 相加值，基于此求取溫度。作為使用兩組輔助電極23的例子，能夠舉出使圖18所示的四 個(gè)輔助電極23中在石英基板2的對(duì)角線方向上相對(duì)的兩組分別與輔助振蕩電路22a、22b 連接，并且將從這些組輸出的頻率fn、f12的差值或相加值用作溫度檢測(cè)信號(hào)。這樣的第三實(shí)施方式是在第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式中，使輔助振蕩部21的 振動(dòng)模式為表面切變振動(dòng)以代替厚度切變振動(dòng)的例子。另外，也可以使主振蕩部11的振動(dòng) 模式為表面切變振動(dòng)，使輔助振蕩部21的振動(dòng)模式為厚度切變振動(dòng)。在使用表面切變振動(dòng)的情況下，作為石英基板2，使用Z’軸和X軸分別成為一邊和 另一邊，Y’軸為厚度方向的晶系32的旋轉(zhuǎn)Y板構(gòu)成的矩形的厚度切變振動(dòng)片例如AT切割 的石英，但是，代替該石英基板2，也可以為壓電振動(dòng)片中屬于晶系32(屬于點(diǎn)群32)的材料 例如GaPO4 (磷酸鎵)、鑭鎵硅酸鹽類(lèi)(LGS、LGN、LGT)等的旋轉(zhuǎn)Y板等。(第四實(shí)施方式)該實(shí)施方式是，在第三實(shí)施方式中，作為主振蕩部11的振動(dòng)模式使用表面切變振 動(dòng)的例子，即是主振蕩部11和輔助振蕩部21均使用表面切變振動(dòng)的例子。作為這種方式 的例子，如圖19所示，能夠舉出在石英基板2上的四個(gè)角部中在對(duì)角線方向上相互相對(duì)的 兩個(gè)角部的每組處，大致L字型地將主電極13和輔助電極23分別配置在石英基板2的上 下表面的例子。此外，在該情況下，如圖20所示，在例如設(shè)置兩組輔助振蕩電路22的情況 下，也可以與表面切變振動(dòng)一同并用厚度切變振動(dòng)。在以上的例子中，作為主振蕩部11和輔助振蕩部21的振動(dòng)模式從厚度切變振動(dòng) 和表面切變振動(dòng)中進(jìn)行選擇，但并不限定于這兩種振動(dòng)模式，例如也可以使用平行電場(chǎng)激 振模式。此處，在該說(shuō)明書(shū)中使基波和泛音為振蕩波，使厚度切變振勸和表面切變振動(dòng)為振 動(dòng)模式，以進(jìn)行用語(yǔ)上的區(qū)分，但是如果全部作為振動(dòng)模式進(jìn)行處理，則優(yōu)選以與在主振蕩 部11使用的振動(dòng)模式的頻率溫度特性相比，在輔助振蕩部21使用的振動(dòng)模式(包含使用 兩個(gè)輔助振蕩電路22a、22b求取頻率差或頻率相加值的情況)的頻率溫度特性相對(duì)于溫度變化的頻率偏差的變化量更大的方式選定振動(dòng)模式(例如對(duì)主振蕩部11分配厚度切變振 動(dòng)的基波，對(duì)輔助振蕩部21分配厚度切變振動(dòng)的泛音)。此外，在上述第二、第三和第四實(shí)施方式中，與第一實(shí)施方式同樣，優(yōu)選使輔助電 極23的重量比主電極13的重量更大。進(jìn)一步，在上述各例子中，在石英基板2的上下兩面將各電極13、23以相同的布局 (位置、大小)進(jìn)行配置，但是也可以是在上下表面中互不相同的布局，對(duì)于上下各電極13、 23中接地的一方的電極13、23來(lái)說(shuō)，也可以作為另一方的電極13、23中共有的共用電極。進(jìn)一步，在上述各例子中，在計(jì)算輸入到主振蕩部11的控制電壓V。時(shí)，預(yù)先求得 向主振蕩部11輸入基準(zhǔn)電壓Vtl時(shí)的頻率溫度特性(式(6)的各常數(shù))，在補(bǔ)償電壓運(yùn)算部 35中基于該特性計(jì)算補(bǔ)償電壓Δν，在加法部36中從基準(zhǔn)電壓Vtl減去補(bǔ)償電壓AV，但是， 例如也可以是，在與該基準(zhǔn)電壓Vtl不同的控制電壓Va下求取三次函數(shù)的各常數(shù)，基于該特 性計(jì)算補(bǔ)償電壓AVa，從控制電壓Va減去補(bǔ)償電壓AVa，而求取輸出設(shè)定頻率&的控制電 壓V。。
權(quán)利要求
1.一種壓電振蕩器，其特征在于，包括主振蕩部，其用于輸出設(shè)定頻率信號(hào)，包括在壓電基板上設(shè)置用于形成主振動(dòng)區(qū)域的 主電極而成的壓電振子；和與所述主電極連接的主振蕩電路；輔助振蕩部，其作為溫度傳感器使用，包括壓電振子，其構(gòu)成為在所述主振蕩部使用 的壓電基板上，在所述主電極之外還設(shè)置有用于形成輔助振動(dòng)區(qū)域的輔助電極，與所述主 振蕩電路的壓電振子共用壓電基板；和與所述輔助電極連接的輔助振蕩電路；溫度推定部，其檢測(cè)該輔助振蕩部的振蕩輸出的頻率，基于該頻率和所述輔助振蕩部 的頻率溫度特性，推定溫度；和控制電壓供給部，其基于由該溫度推定部推定出的溫度和所述主振蕩部的頻率溫度特 性，求取用于得到所述設(shè)定頻率信號(hào)的控制電壓，并將該控制電壓供向所述主振蕩電路。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 在所述輔助振蕩部使用的振蕩波為泛音。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 所述輔助振蕩部的振動(dòng)模式為表面切變振動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 所述主振蕩部的振動(dòng)模式為厚度切變振動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 在所述主振蕩部使用的振蕩波為泛音。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 所述輔助振蕩部包括形成第一輔助振動(dòng)區(qū)域的第一輔助電極； 形成第二輔助振動(dòng)區(qū)域的第二輔助電極；與這些第一輔助電極和第二輔助電極分別連接的第一輔助振蕩電路和第二輔助振蕩 電路；和求取這些第一輔助振蕩電路和第二輔助振蕩電路的各個(gè)振蕩頻率的差或和，得到輔助 振蕩部的振蕩輸出的單元。
7.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于 所述輔助電極的重量比所述主電極的重量大。
8.如權(quán)利要求1所述的壓電振蕩器，其特征在于所述控制電壓供給部，相對(duì)于作為主振蕩部在基準(zhǔn)溫度下輸出設(shè)定頻率的控制電壓的 基準(zhǔn)電壓，求取溫度補(bǔ)償電壓，并將所述基準(zhǔn)電壓與溫度補(bǔ)償電壓相加來(lái)求取控制電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供頻率穩(wěn)定性優(yōu)異且電子噪聲特性良好，而且能夠簡(jiǎn)單地構(gòu)成電路的溫度補(bǔ)償壓電振蕩器。在溫度補(bǔ)償壓電振蕩器(TCXO)中，作為檢測(cè)用于求取補(bǔ)償電壓ΔV的溫度T的溫度檢測(cè)部(32)，使用與向外部輸出設(shè)定頻率f0的主振蕩部(11)共用石英基板(2)的輔助振蕩部(21)，并且在石英基板(2)上分別設(shè)置這些主振蕩部(11)和輔助振蕩部(21)的電極(13、23)，在主振蕩部(11)和輔助振蕩部(21)分別使用例如基波和泛音，或者利用厚度切變振動(dòng)和表面切變振動(dòng)。
文檔編號(hào)H03B5/32GK102111107SQ20101061339
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者加賀重隆, 小山光明, 渡邊重德, 赤池和男 申請(qǐng)人:日本電波工業(yè)株式會(huì)社