压电振荡器

摘要

本发明提供在利用压电片的厚度切变振动的泛音的压电振荡器中，能够抑制由基波振动产生的电能，降低相位噪声的技术。AT切割石英片(1)的一面侧的电极(2)的激励电极部分，沿着与厚度切变振动方向正交的方向(Z’轴方向)相互分离，相互平行且呈长方形地形成为分割电极(21)、(22)。它们的端部彼此连接，整体上呈“コ”形形状。另一面侧的电极(3)，在分别与一面侧的第一分割电极(21)和第二分割电极(22)相对的位置形成有长方形的激励电极部(31)、(32)，为相反朝向的“コ”形上的电极。从而，仅分割电极(21)、(22)作为激励电极部发挥功能。

权利要求

1.一种压电振荡器，其特征在于，包括：

通过施加电压而产生厚度切变振动的压电片，该压电片形成为矩形状，该压电片的一条长边沿着厚度切变振动的方向延伸；

分别设置在该压电片的两面、并分别与电源和接地中的一方和另一方连接的一面侧的电极和另一面侧的电极，该一面侧的电极和另一面侧的电极分别沿着厚度切变振动方向延伸；和振荡电路，其与这些电极连接，用于使该压电片以厚度切变振动的泛音模式进行振荡，其中，所述压电片的一面侧的电极的激励电极部，由以在与厚度切变振动方向正交的方向上成为左右对称的方式相互隔开间隔地被分割、并相互电连接的第一分割电极和第二分割电极构成，所述压电片的另一面侧的电极具备分别与所述第一分割电极和第二分割电极相对、并相互电连接的激励电极部，所述第一分割电极和第二分割电极的间隔为不产生厚度扭转振动模式的尺寸，还设置有第一接头电极和第二接头电极，该第一接头电极和第二接头电极分别沿着所述压电片的一条长边和与该一条长边相对的相对边延伸，并且接地，分别与所述第一分割电极和第二分割电极的各激励电极部分开。

2.根据权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于：所述压电片是AT切割石英片，第一分割电极和第二分割电极在Z’轴方向上相互分离。

3.根据权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于：所述第一分割电极和第二分割电极形成为相互平行地延伸的长方形。

4.根据权利要求1所述的压电振荡器，其特征在于：所述一面侧的电极具备将第一分割电极的一端侧和第二分割电极的一端侧彼此相互连接的连接部分，所述另一面侧的电极在与所述连接部分相对的区域不存在电极部分。

说明书

压电振荡器

技术领域

[0001] 本发明涉及利用可产生厚度切变振动的压电片的压电振荡器。

背景技术

[0002] 为了得到石英振荡器的稳定的温度特性，已知TCXO、OCXO、MCXO等。TCXO利用温度传感器的信号控制石英振荡器的频率。作为该温度传感器，一般利用热敏电阻，频率稳定性的控制可以说在-20℃～+75℃的温度范围内，±0.2ppm左右为界限。OCXO利用烘炉使放置石英振子的环境温度成为一定，频率的温度稳定性高，还能够实现低噪声。但是，由于耗电大而且价格高，因此用途受到限制，例如作为基站用途而被使用。

[0003] 另外，MCXO例如用滤波器将由形成在一片SC切割石英的片表面上的一对电极产生的厚度切变振动模式、厚度扭转振动模式的各自的频率分离，将厚度切变振动模式的频率作为输出频率信号处理，将厚度扭转振动模式的频率作为温度信号处理，利用微机根据温度信号进行输出频率控制。虽然该MCXO与TCXO相比，频率稳定性高，还能够实现低噪声，但是由于电路结构复杂，耗电大，且价格高，因此最近也已经不再利用。

[0004] 进而，在上述石英振子中，由于与基波振动相比，泛音表现出更稳定的频率温度特性，因此也已知利用泛音来代替上述各方式或者将各方式组合。然而，由于在电极上基波的振动也产生电能，因此基波的成分混入到泛音的输出信号中，结果相位噪声增大。

[0005] 在专利文献1中记载了使2个分割电极在压电基板上接近到不会短路的程度为止，使得产生厚度扭转振动，使表面电极和背面侧的电极串联或并联连接，但是并没有公开本发明的技术。

[0006] 现有技术文献

[0007] 专利文献1：日本专利第2640936号公报：第8栏32行～35行，第10栏38行～43行，第13栏43行～47行，图5和图7

发明内容

[0008] 发明要解决的课题

[0009] 本发明是在上述情况下完成的，其目的在于提供在利用压电片的厚度切变振动的泛音的压电振荡器中，能够抑制由于基波振动产生的电能，能够降低相位噪声的技术。

[0010] 用于解决课题的方法

[0011] 本发明的特征在于，包括：

[0012] 通过施加电压而产生厚度切变振动的压电片；

[0013] 分别设置在该压电片的两面、并分别与电源和接地中的一方和另一方连接的一面侧的电极和另一面侧的电极；和

[0014] 振荡电路，其与这些电极连接，用于使该压电片以厚度切变振动的泛音模式(overtone mode，振动模式)进行振荡，其中，

[0015] 上述压电片的一面侧的电极的激励电极部，由以在与厚度切变振动(厚みすべり振動)方向正交的方向上成为左右对称的方式相互隔开间隔地被分割、并相互电连接的第一分割电极和第二分割电极构成，

[0016] 上述压电片的另一面侧的电极具备分别与上述第一分割电极和第二分割电极相对、并相互电连接的激励电极部，

[0017] 上述第一分割电极和第二分割电极的间隔为不产生厚度扭转振动(厚度扭曲振动，厚みねじれ振動)模式的尺寸。

[0018] 上述压电片例如是AT切割石英片，这种情况下，第一分割电极和第二分割电极在作为石英的结晶轴的X轴方向上相互分离。

[0019] 发明效果

[0020] 依据本发明，在利用压电片例如AT切割石英片的厚度切变振动的泛音的振荡器中，避开压电片的振动方向中心部，相对于该中心部左右对称地设置有构成激励电极部的第一分割电极和第二分割电极，因此在通过泛音得到输出频率时，能够抑制由两分割电极的基波产生的电能，能够降低相位噪声。

附图说明

[0021] 图1是在本发明的压电振荡器中使用的石英振子的1个例子的正面图和背面图。

[0022] 图2是沿着图1的A-A线的纵截侧面图。

[0023] 图3是用于表示上述石英振子的电极的尺寸的说明图。

[0024] 图4是表示将上述石英振子收纳在容器中而成的构造体的纵截侧面图。

[0025] 图5是表示将上述构造体和振荡电路搭载在印刷基板而成的石英振荡器的侧面图。

[0026] 图6是表示在本发明的压电振荡器中使用的振荡电路的1个例子的电路图。

[0027] 图7是表示上述石英振子的厚度切变振动的状况的示意图。

[0028] 图8是说明上述石英振子的基波和泛音的振动能量分布的说明图。

[0029] 图9是表示上述石英振荡器中的基波和泛音(overtone)的电能分布的说明图。

[0030] 图10是表示石英振子的比较例中的基波和泛音的电能分布的说明图。

[0031] 图11是在本发明的压电振荡器中使用的石英振子的其他例子的正面图和背面图。

[0032] 图12是沿着图11的B-B线的纵截侧面图。

[0033] 图13是表示在本发明的压电振荡器中使用的振荡电路的其他例子的电路图。

[0034] 图14是在本发明的压电振荡器中使用的石英振子的另一个例子的正面图和背面图。

[0035] 附图标记说明

[0036] 1：石英片

[0037] 10：石英振子

[0038] 2、3：电极

[0039] 21、22：分割电极

[0040] 31、32：激励电极部

[0041] 23、33：引出电极

[0042] 24、34：连接部分

[0043] 25、35：端子部

[0044] 41：保持器

[0045] 100：电子部件

[0046] 21a、21b、22a、22b：分割电极

[0047] 25a、25b、35a、35b：端子部

[0048] 31a、31b、32a、32b：激励电极部

具体实施方式

[0049] (第一实施方式)

[0050] 说明作为本发明的压电振荡器的石英振荡器的实施方式。图1(a)、(b)表示在石英振荡器中使用的作为压电振子的石英振子10的一面侧和另一面侧，图2表示沿着图1的A-A线的截面。1是作为压电片的AT切割的长方形(矩形形状)的石英片，分别沿着X轴和Z’轴形成长边和短边。该矩形形状的石英片1能够称为相对于在与厚度切变振动方向正交的方向上延伸的线即X轴左右对称地形成的压电片。另外，所谓Z’轴是使作为石英的机械轴的Z轴向逆时针方向旋转大约35度15分之后的轴。

[0051] 在上述石英片1的一面侧和另一面侧分别设置有电极2和电极3。图1(a)所示，一面侧的电极2中的激励电极部，由在通过短边(Z’轴方向)的中点并且与长边(X轴)平行地延伸的中心线20的两侧，按照使得相对于该中心线20成为左右对称的方式分割出的第一分割电极21和第二分割电极22构成。即，第一分割电极21和第二分割电极22，在与厚度切变振动方向正交的方向上相互离开，相互平行地形成为长方形。而且，这些分割电极21、22的端部彼此由在Z’轴方向上延伸的连接部分23连接，由此形成“コ”形形状。进而，引出电极24从第一分割电极21被引出到石英片1的短边侧，迂回到石英片1的另一面侧，与端子部25连接。

[0052] 如图1(b)所示，在另一面侧的电极3中，在分别与一面侧的第一分割电极21和第二分割电极22相对的位置(投影区域)形成有长方形的激励电极部31、32。这些激励电极部31、32的端部彼此由连接部分33相互连接，形成“コ”形的电极，朝向与迂回有一面侧的引出电极24的短边相反一侧的短边延伸有引出电极34。即，相对于一面侧的“コ”形的电极(21、22、23)，另一面侧的“コ”形的电极(31、32、33)以相反朝向形成，因此，在一面侧的电极2中，只是分割电极21、22作为激励电极部发挥作用。

[0053] 而且，从引出电极34沿着该短边在左右延伸有窄幅的导电通路，一侧的导电通路如图1(a)所示，向石英片1的一面侧迂回，进而沿着石英片1的长边形成。另外，另一侧的导电通路如图1(b)所示，在该另一面侧，沿着与上述长边相反一侧的长边延伸，进而，在石英片1的短边折返，与端子部35连接。

[0054] 与石英片1的一面侧的电极2连接的端子部25，如后所述连接到振荡电路的直流电源一侧，另外，与石英片1的另一面侧的电极3连接的端子部35接地。如果对沿着石英片1的两侧的长边延伸的导电通路分配附图标记36、37并称其为接头电极(tab electrode)，则在本实施方式中，在石英片1的Z’轴方向的端部，设置有被接地的接头电极36、37。关于该接头电极36、37的优点在后面叙述。

[0055] 在本例中，石英片的长边、短边的尺寸分别是9.0mm和6.5mm，电极2、3的膜厚例如是4000埃。另外，如图3所示，分割电极21、22的宽度D1是1.5mm，分割电极21、22的离开距离L是1.5mm，接头电极36、37的宽度D2是0.4mm。电极2、3的材质以铬层为基底，在其上叠层有金层。

[0056] 图4是将石英振子10搭载在保持器41内的石英电子部件100的侧面图。保持器41包括：支承石英振子10的基板42；形成在基板42表面的电极43、43(图中仅表示出1个)；在基板42上被设置成包围石英振子1的侧周的侧周部44；和设置在侧周部44上的盖45。石英振子1通过在上述电极43上涂敷的导电性粘接材46，被支承在基板42的表面上。图中，47是设置在基板42的导电通路。

[0057] 在基板42的背面设置有电极48、48(电极44、48在图中分别仅各示出1个)，各电极48经由导电通路47、电极44和导电性粘接材46，分别与图1所示的石英振子1的引出电极25、35电连接。图中，49是虚拟电极(dummy electrode)。图5表示石英电子部件100搭载在电路基板200上，与其他的电子部件组300和IC芯片400共同构成的石英振荡器。另外，图6是该石英振荡电路的电路图，在石英振子10的两端示出有与图1相对应的电极25、35。500是科耳皮兹振荡电路，构成为使石英振子以泛音振荡。501是调谐电路，构成为根据要振荡的泛音进行谐振。502是放大电路，例如是设置在IC芯片400内的晶体管，例如，从晶体管502的集电极经由缓冲电路(buffer)600取出振荡输出。作为泛音，使用3次、5次、7次等，而图1的石英振子10用于产生3次泛音振荡。

[0058] 另外，作为振荡电路500，还可以采用在不设置调谐电路501或者设置有调谐电路500的基础上，在晶体管502的发射极上设置电感器，将电容器503和电感器的并联谐振频率设定为泛音与基波频率的中间频率的结构。

[0059] 在这样的石英振荡器中，当通过电极2、3对石英片1施加电场时，产生在用图7的箭头表示的X轴方向上振动的厚度切变振动。而且，在振荡电路构成为例如以3次泛音振荡的情况下，石英片1中由3次泛音产生的振动能量分布在图8中用实线表示。另外，由基波产生的振动能量分布在图8中用虚线表示。但是为了简便，没有精确地记载波高值。另外，图9表示在作为激励电极部的分割电极21、22产生的电能分布，实线是基于3次泛音的电能，虚线是基于基波的电能。

[0060] 图10是在石英片1的Z’轴方向的中央部设置有激励电极部时的电能的分布。2’、3’是激励电极部。实线和虚线分别是基于泛音的电能和基于基波的电能。这种情况下，由于基波的振动能量大，因此基于基波的电能也大，从而，在泛音的振荡输出中由于混入基波而产生的相位噪声大。因而，在本实施方式中，将激励电极部分割在左右两侧，使得避开中央。另外，为了得到稳定的振荡，分割电极21、22优选相对于图1所示的中心线20左右对称。

[0061] 在分割电极21、22的形成区域中，由于还存在基波的振动，因此在该分割电极21、22也产生基波的电能。而且，基波的电能由于其下降区域(裾野)向电极的两侧扩展，因此在本实施方式的石英振子10中也如图9的虚线所示那样，其下降区域向分割电极21、22的两侧扩展。从而，当使作为激励电极部的分割电极21、22过于接近时，一方中的基波的电能混入到另一方的电能中的程度增加，相位噪声增大。因而，需要使分割电极21、22离开某种程度以上的距离。当该离开距离过小时，产生厚度扭曲(ねじれ)振动模式，不能达到本发明的目的。激励电极部的优选的膜厚是2000埃～10000埃，在2000埃的情况下，上述离开距离(图3中用L表示的距离)优选是例如1.3mm以上，如果是该程度，则不会产生或者能够忽略厚度扭转振动模式。

[0062] 返回到图1和图2，在石英片1的Z’轴方向的两端即长边侧，由于设有所设置的接头电极36、37，因此基波的电能经由该接头电极36、37流向接地一侧，从而在进一步抑制基于基波的相位噪声方面优选。

[0063] 如上所述，在上述实施方式的石英振荡器中使用的石英振子10中，避开石英片1的振动方向中心部，相对于该中心部左右对称地设置有构成激励电极部分的第一分割电极21和第二分割电极22。从而，在通过泛音得到输出频率时，两分割电极21、22中的基波的电能小，而且，使分割电极21、22离开规定的距离以上，因此一方分割电极21(22)从另一方分割电极22(21)受到的基波电能的影响小。其结果，能够降低基于基波的相位噪声。利用泛音的振荡器相对于温度而言频率的稳定性高，在这一点上很出色，但是由于存在受基波的影响而相位噪声变大的缺点，因此能够抑制基波的影响的本发明是非常有效的。

[0064] 另外，石英片1的形状不限于四边形，例如也可以是圆形。另外，关于分割电极21、22的形状不限于长方形，也可以是正方形，还可以是半圆形等。另外，在上述的激励电极中，将一面侧的电极2和另一面侧的电极3分别连接到电源侧和接地侧，但是也可以将一面侧的电极2和另一面侧的电极3分别连接到接地侧和电源侧。

[0065] 接着，参照图11～图13说明作为本发明的压电振荡器的石英振荡器的其他实施方式。在该实施方式中，作为石英振子10，使用在一片石英片1设置有两组由一面侧的激励电极部和另一面侧的激励电极部构成的组而成的部件。图11(a)、(b)是分别表示石英片10的一面侧和另一面侧的平面图。图11所示的石英振子10概略来说，是在一片石英片1使图1所示的电极2、3的组在X轴方向上相互分离，并排列两组而成，将用于与一组电极的导电通路连接的端子部形成在石英片1的一短边侧，并且，将用于与另一组电极的导电通路连接的端子部形成在石英片1的另一短边侧。

[0066] 在图11中，数学数字的附图标记与图1中的相同的数学数字的附图标记相对应，其后附加的“a”、“b”的附图标记分别是用于区分一组和另一组的附图标记。而且，该石英振子10如图1所示未设置有接头电极，因此电极的迂回的布局与图1不同，而在石英片1的一面侧相对于中心线20对称地形成第一分割电极21a(b)和第二分割电极22a(b)，在一面侧的电极2a(2b)与另一面侧的电极3a(3b)之间，使“コ”形的朝向相反，仅使形成有这些分割电极21a(b)、22a(b)的部分作为激励电极部发挥作用，这一点与前面的实施方式相同。10a是由电极2a和3a激励的主振动区域，10b是由电极2b和3b激励的从振动区域。另外，“主”、“从”是为了避免用语的混乱，方便起见而附加的，并非在功能上表示主、从的关系。

[0067] 在前面的实施方式中，石英振子10在保持器41以单臂(悬臂)构造被支承，而图11的石英振子10在保持器41以双臂构造被支承。作为这种石英振子10的适用例子，例如能够举出下面的(1)、(2)中记载的方法。

[0068] (1)将与一个振动区域10a相对应的振荡输出作为振荡器的输出信号使用，将与另一个振动区域10b相对应的振荡输出作为温度传感器信号使用。具体地讲，如图13所示，与主振动区域10a和从振动区域10b分别对应地，准备2个振荡电路50a和50b，另一个振荡电路50b的振荡输出由控制部51变换为温度信号。该变换通过预先把握振荡输出(频率)的温度特性，由控制部51根据振荡输出求得此时的温度。而且，求得所检测出的温度与基准温度的差值，根据一个振荡电路50a的频率温度特性，求得与上述温度的差值相对应的频率的变化量，以使该变化量被抵消的方式，求得在基准温度中被决定的控制电压(基准控制电压)的补偿电压，将基准控制电压加上补偿电压，来作为一个振荡电路50a的控制电压。各振动区域10a、10b形成在相同的石英片11，由于它们实质上是相同的温度，因此振荡电路50a的振荡频率相对于温度变化表现出很高的稳定性。另外，各振动区域10a、10b既可以以相同次数的泛音振荡，也可以以相互不同的泛音(例如一方是3次泛音，另一方是5次泛音等)振荡。

[0069] (2)利用图13的一部分电路进行说明，由混合器取出振荡电路50a、50b的振荡输出的差值，将差值频率作为输出频率使用。这种情况下，输出频率例如也可以由倍增(multiplication)电路倍增后使用。另外，各振动区域10a、10b既可以以相同次数的泛音振荡，也可以以相互不同的泛音(例如一方是3次泛音，另一方是5次泛音等)振荡。即使是利用相同次数泛音的情况下，由于振动区域相互的位置不同，因此也产生差值频率。在这样的例子中，各振动区域10a、10b也形成在相同的石英片11，由于它们实质上是相同的温度，因此2个振动区域10a、10b的振荡频率的温度特性被抵消，从而得到相对于温度变化稳定的频率。

[0070] 另外，在这样具备主振动区域10a和从振动区域10b的所谓的双传感器中，也可以如图1的实施方式那样设置接头电极(tab electrode)。图14中示出了这样的结构，在本例中，在石英片的另一面侧，沿着石英片1的长边设置有接头电极36、37，这些接头电极36、37被接地。另外，在图14的例子中，将石英片1的一面侧的电极2a、2b中的“コ”形电极的朝向，以使得连接部分23a、23b位于中央侧的方式配置。

[0071] 另外，在上述的例子中，作为压电片，使用AT切割石英片，而由于只要产生厚度切变振动就能够得到本发明的效果，因此作为石英片，例如也可以是BT切割的石英片。另外，压电片不限于石英片，也可以是陶瓷等。

[0072] (实验例)

[0073] 作为石英振子，作成如图11所示的构造。该构造由于使用2组图1所示的电极的组，因此电极的长度尺寸虽然与在图3中说明的尺寸不同，但是其他尺寸(石英片的尺寸、分割电极的宽度D1、离开距离L)相同。另外，在电极的构造中，将铬膜形成50埃，在其上叠层2000埃的金膜。而且，构成为2个振动区域10a、10b分别以3次泛音(54MHz)和5次泛音(90MHz)振动。

[0074] 用频谱分析仪(spectrum analyzer)对频率和信号强度进行了调查。然后，基于所得到的频谱，对于2个振动区域，计算出以基波振动模式、3次泛音振动模式、5次泛音振动模式振荡时的作为等效电路常数的串联电阻R1的值。在一个振动区域10a中，基波振动模式、3次泛音振动模式、5次泛音振动模式的各自的上述串联电阻值R1是125Ω、16Ω、37Ω。另外，在另一个振动区域10b中，基波振动模式、3次泛音振动模式、5次泛音振动模式的各自的上述串联电阻值R1是130Ω、18Ω、39Ω。由此可知，基波振动模式下的串联电阻值比泛音的串联电阻值高，抑制了基波振动。从而，本发明的效果得到确认。