JP3248630B2 - 水晶片の直接接合方法ならびにその方法を用いてなる水晶振動子，水晶発振器および水晶フィルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも２枚の水晶
片を接着剤などの介在物なしに直接接合してなる水晶振
動子、およびその水晶振動子を用いて構成する、携帯電
話機などの移動体通信機器に使用することができる水晶
デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話機などの移動体通信機器
の普及に伴って、それら機器の基準周波数源やフィルタ
に用いられる水晶デバイスの需要が増大している。

【０００３】以下に図面を参照しながら、従来の水晶デ
バイスの一例について説明する。

【０００４】図３２は、従来の水晶振動子の構成の各例
を示す要部側面図である。図３２において、４０１，４
０３は水晶片、４０２，４０４は励振電極である。水晶
片４０１および４０３は機械的および化学的加工法によ
って円板やレンズ状に加工されている。

【０００５】このような圧電材料である水晶片４０１，
４０３を介して対向設置した励振電極４０２，４０４に
電界が加えられると、水晶片４０１，４０３に歪が生
じ、水晶の弾性定数と形状寸法で決まる周波数で共振す
ることができる。従来、移動体通信機器に用いられてい
る水晶振動子は、ＡＴカット水晶振動子（切り出し角度
が５４．７５゜近辺）と呼ばれ、厚みすべり振動を利用
した振動子である。ここで、この切り出し角度とは板面
の法線と水晶結晶のＺ軸とのなす角である。このＡＴカ
ットに対し、切り出し角度が１３５．００゜近辺のもの
をＢＴカット水晶振動子という。ＡＴカット水晶振動子
の共振周波数−温度特性は切り出し角度で決まり、図３
３に従来のＡＴカット水晶片の共振周波数−温度特性を
示したように、三次曲線となり、０〜５０℃（横軸）の
温度範囲で、そのときの周波数偏差量（縦軸）は、±
１．０ｐｐｍの周波数安定度が得られる。（例えば、
‘ピエゾエレクトロシティ’；ウォルター・ガイトン・
キャディー，ドーバー出版社（‘Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔ
ｒｉｃｉｔｙ’；ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｗａｌｔｅｒ
Ｇｕｙｔｏｎ ＣＡＤＹ，Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌ．，Ｉ
ｎｃ．）もしくは、‘水晶の断熱弾性定数とその温度特
性について’；有賀正直著，東京工業大学学報，昭和３
１年１２月発行，８８頁）。また、周波数安定度を高め
る方法としては、水晶基板上に異なる線膨張係数の物質
を育成（特開昭５５−１３８９１４号）もしくは装着
（特開昭５５−１５８７１８号，特開昭５６−６１８９
９号）する方法が提案されている。

【０００６】また、図３２（ａ）に示すように、水晶片
４０１を光学レンズのように中央部が周辺部に比べて厚
くなっている形状（コンベックス加工）にしたり、図３
２（ｂ）に示すように、励振電極の中央部を厚くした構
成で弾性振動を中央部に閉じ込めてＱ値を高めている。
（例えば、特開平２−２６０９１０号）。

【０００７】なお、上記コンベックス加工に対し、水晶
片の片面または両面の角を落としたベベル加工がある。

【０００８】また、１つの水晶振動子から複数の振動を
取り出す方法としては、化学的研磨法で水晶片を部分的
に薄くする方法や基本モードと高次モードを同時に使用
する方法などが考えられる。

【０００９】次に、従来の水晶発振器、アナログ温度補
償水晶発振器およびデジタル温度補償水晶発振器につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１０】水晶発振器は、共振素子に約１０万のＱを
もつ水晶振動子を利用して、周波数安定化を図った発振
器である。したがって、水晶発振器の出力周波数−温度
特性は、水晶振動子の共振周波数−温度特性に依存し、
従来のＡＴカット水晶振動子を用いた場合には、図３３
に示すように０〜５０℃の温度範囲で±１．０ｐｐｍの
周波数安定度が得られる。しかしながら、携帯電話機に
用いられる水晶発振器には、−３０℃から８０℃で±
１．０ｐｐｍの周波数安定度が要求されており、その要
求を満足させるために温度補償回路が必要になる。温度
補償回路が設けられた水晶発振器を温度補償水晶発振器
といい、大きくアナログ方式とデジタル方式に分けるこ
とができる。

【００１１】図３４および図３５に、それぞれ従来のア
ナログ温度補償水晶発振器およびデジタル温度補償水晶
発振器の代表的な回路構成を示す。

【００１２】図３４において、４１１は発振回路、４１
２は出力端子、４１３は水晶振動子、４１４は温度補償
回路である。この温度補償回路４１４はサーミスタなど
の感温素子、コンデンサやバラクタダイオードなどの容
量素子および抵抗を用いて構成されており、温度によっ
てリアクタンスが変化し、水晶振動子４１３のリアクタ
ンス（共振周波数）の温度による変化を補償し、出力周
波数を安定にする。

【００１３】図３５において、４２１は温度センサ、４
２２はＡ／Ｄ変換器、４２３は記憶装置、４２４は可変
リアクタンス回路、４２５は発振回路、４２６は水晶振
動子である。４２７は可変リアクタンス回路４２４、発
振回路４２５および水晶振動子４２６からなるデジタル
制御水晶発振器である。また、記憶装置４２３には温度
センサ４２１の出力信号をＡ／Ｄ変換器４２２で変換し
たデジタル信号と、可変リアクタンス回路４２４の制御
信号とを対応させたデータがあらかじめ記憶してある。
これによって、温度変化に対応して可変リアクタンス回
路４２４のリアクタンスが変化し、水晶振動子４２６の
共振周波数−温度特性を補償して発振出力周波数を安定
にしている。

【００１４】また、温度センサ４２１と水晶振動子４２
６の設置場所の違いや熱時定数の違いに起因する温度差
を抑えるために、１枚の水晶片で基本波と高次オーバー
トーンもしくは副振動を取り出す方法が考えられている
（例えば、特開平２−１７０６０７号や特開平２−１７
４４０７号）。

【００１５】次に、従来の水晶フィルタの一例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１６】図３６は、従来の水晶フィルタの構造を示
すものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のａ−
ａ′における断面図である。図３６において、４３１は
水晶片、４３２，４３３，４３４は電極であり、水晶片
４３１を介して対向設置している。また、電極４３２，
４３３と４３４が対向している部分の水晶は周辺部より
薄くなっている。

【００１７】以上のように構成された水晶フィルタにつ
いて、以下その動作について説明する。

【００１８】電極４３４は通常接地され、残りの２つの
電極４３２および４３３が電気信号を入出力する電極に
なる。例えば、電極４３２に電気信号を入力すると、水
晶片４３１はその厚みや弾性定数で決まる周波数で共振
する。この共振は水晶片４３１中を機械的に伝達し、そ
の結果、電極４３３と４３４との間に電界が発生し、電
極４３３から電気信号を取り出せる。すなわち、水晶片
４３１の厚みや弾性定数で決まる共振周波数の帯域通過
フィルタとなる。また、この構成では、共振周波数を高
くするために、化学研磨法で中央部を薄くしている。
〔例えば、第３９回アニュアル・フリケンシー・コント
ロール・シンポジウム会報、４８１−４８５頁、イオン
ミリング法によるＶＨＦ帯モノリシック水晶フィルタの
作製（Ｐｒｏｃ．３９ｔｈ Ａｎｎ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ Ｃｏｎｔｏｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．４
８１−４８５‘ＶＨＦ ＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣ ＣＲＹ
ＳＴＡＬ ＦＩＬＴＥＲＳ ＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ Ｂ
Ｙ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＭＩＬＬＩＮＧ’）〕

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように機械的および化学的研磨法によるだけで水晶片の
加工をするのみでは、三次元的な加工が困難であり、加
工時間が長いという問題点を有していた。

【００２０】また、切り出し角度だけで水晶振動子の安
定度を向上させるのには限界があり、さらに、水晶基板
上に異なる物質を育成もしくは装着する方法では、これ
らの物質が水晶の弾性振動を妨げる抵抗体となり、水晶
振動子のＱを劣化させるという問題点を有していた。

【００２１】また、Ｑを高める方法として、水晶片をコ
ンベックス加工する方法は共振周波数の精度が低下する
などの問題点を有し、一方大きさの異なる電極膜を何回
も蒸着する方法は時間がかかるなどの問題を有してい
た。

【００２２】また、１枚の水晶片の基本モードと高次モ
ードを用いて２つの振動を取り出す方法では、それぞれ
の共振周波数や温度特性を別個に設定することができな
かった。

【００２３】また、水晶振動子の共振周波数が温度特性
をもつために、水晶振動子を用いた基準発振器に温度補
償回路や恒温槽などの温度補償装置が必要であった。前
者は、例えば発振周波数をサーミスタなどを用いて水晶
振動子の共振周波数−温度特性を打ち消すように温度補
償回路のインピーダンスを変化させる方法であり、後者
は、恒温槽内に水晶振動子および発振回路を納めること
により、これらを一定温度に保って発振周波数を一定に
保つ方法である。

【００２４】まず、前者の方法によれば、特別の温度特
性制御回路を必要とし、その回路部品点数が多く、また
調整作業も必要となり、結果的にコスト高となる問題を
有していた。一方、後者の方法では、恒温槽の占める体
積が大きく、さらに消費電流が多くなる。

【００２５】また、水晶振動子の共振周波数が水晶片の
厚みで決定されるために、１つの水晶振動子について１
つの共振周波数しか得られず、複数の共振周波数を必要
とする場合には、その数に対応した水晶振動子を用意す
る必要性があり、結果的に複数の周波数を必要とする機
器の小型化や低価格化を困難にしていた。

【００２６】また、水晶発振器の場合も上記水晶振動子
と同様に、水晶発振器に温度補償回路や恒温槽などの温
度補償装置が組み込まれており、まず前者の方法によれ
ば、特別の温度特性制御回路を必要とし、その回路部品
点数が多く、また調整作業も必要となり、結果的にコス
ト高となる問題を有していた。一方、後者の方法では、
恒温槽の占める体積が大きくさらに消費電流が多くなる
という問題を有していた。

【００２７】また、サーミスタなどを用いたアナログ温
度補償水晶発振器では、高温用と低温用に別々の補償回
路が必要であり、回路部品点数が多く、調整作業が煩雑
となりコスト高になる問間点を有していた。

【００２８】一方、デジタル温度補償水晶発振器では、
温度センサと発振用の水晶振動子が別個に備えられてお
り、両者の間の熱時定数の差や設置場所の違いなどから
生じる温度差を抑えなければ適切な温度補償が行えない
こと、大容量のメモリが必要となること、調整コストが
高くなることなどの問題点を有していた。

【００２９】さらに、温度センサと水晶振動子の温度差
を抑えるために、１枚の水晶振動子で基本波と高次オー
バートーンもしくは副振動を取り出す方法は、広い温度
範囲にわたって基本波と高次オーバートーンもしくは副
振動それぞれを独立に、選択的に、かつ安定に励振させ
ることが必須となり、そのためには水晶振動子の設計や
発扱回路のバイアスおよび帰還容量を非常に厳密に決定
することが必要になり、場合によっては発振回路のバイ
アスおよび帰還容量に温度補償をする必要があり、回路
規模が大きく非常に煩雑で作りにくいということなどの
問題点を有していた。

【００３０】また、水晶フィルタでは、周波数−温度特
性の安定度が低いという問題点や、平面的な構成である
ために小型化が困難であるという問題点を有していた。

【００３１】本発明は、上記問題点に鑑み、異なる周波
数−温度特性を有する少なくとも２枚の水晶片を介在物
なしに直接接合し、共振周波数−温度特性が従来よりも
優れた水晶振動子、Ｑを高くする構造が容易に構成でき
る水晶振動子、単体で任意の共振周波数と温度特性をも
った複数の振動を取り出せる水晶振動子、発振周波数−
温度特性の優れた水晶発振器、部品点数が少なく小型
で、高精度の温度補償が可能な低価格の温度補償水晶発
振器、周波数−温度特性が安定な水晶フィルタおよび小
型な水晶フィルタを提供することを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の水晶片の直接接合方法は、所望の切り出
し角度および所望の厚みを有する少なくとも２つの水晶
片の接合面を、それぞれ、鏡面研磨して、洗浄液で十分
に洗浄して汚染物を完全に取り除いた上、加熱乾燥し
て、前記接合面に水素結合している水分子を取り除くこ
とにより、平滑，平坦にしかつ水酸基によって終端した
後、介在物なしに接触させて、前記接合面の前記水酸基
の間で作用する結合力によって接合した上、水晶結晶が
相転移しない温度範囲内で熱処理して、さらに強い結合
力で直接接合するものである。

【００３３】また、本発明の水晶振動子は、周波数−温
度特性が異なる少なくとも２つの水晶片を介在物なしに
厚み方向に積層して請求項１記載の水晶片の直接接合方
法により接合した水晶片と、該接合した水晶片の厚み方
向に対向設置した励振電極とからなり、該励振電極に電
界を加えると、前記接合した水晶片が振動するものであ
る。

【００３４】また、本発明の水晶発振器は、請求項２記
載の水晶振動子を共振素子として用いるものである。

【００３５】また、本発明の水晶フィルタは、請求項１
記載の水晶片の直接接合方法により接合した水晶片に少
なくとも２対の対向電極を厚み方向にそれぞれ対向設置
し、一方の対の前記対向電極から電気信号を入力する
と、他方の対の前記対向電極から特定の周波数成分の電
気信号を出力するものである。

【００３６】

【作用】本発明は、異なる周波数−温度特性を有する少
なくとも２枚の水晶片を介在物なしに直接接合した張り
合わせ水晶片を用いることによって、 （１）直接接合した水晶片が一体となって振動するの
で、それぞれの水晶片の共振周波数−温度特性が打ち消
しあって、温度安定な水晶振動子および水晶フィルタが
実現できる。

【００３７】（２）直接接合によって、簡易かつ短時間
で、振動部の厚みと支持部の厚みが異なる三次元構造を
実現でき、高Ｑな水晶振動子が実現できる。

【００３８】（３）直接接合した水晶片が一体となって
振動するので、任意の共振周波数と温度特性をもった複
数の振動を取り出せる水晶振動子を実現できる。

【００３９】（４）温度安定な水晶振動子を使用できる
ので、周波数−温度特性の優れた水晶発振器が実現でき
る。

【００４０】

【００４１】

【００４２】（５）直接接合により、共振を立体的に結
合させることができ、小型の水晶フィルタが実現でき
る。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら詳細に説明する。本発明では、異なる周波数−
温度特性を有する少なくとも２枚の水晶片を介在物なし
に直接接合するので、まず、その接合方法の具体例を説
明する。

【００４４】図１は、水晶片の直接接合方法の第１の例
を示したものである。水晶の直接接合手順は、（１）鏡
面研磨、（２）洗浄、（３）乾燥、（４）接触、（５）
熱処理の各工程からなっている。

【００４５】以下、図１のフローチャートに沿って詳し
く説明する。

【００４６】まず、鏡面研磨工程（１）として、複数の
水晶片の表面を凹凸が数百オングストローム程度の平滑
かつ平坦な状態にする。

【００４７】さらに、洗浄工程（２）では、鏡面研磨工
程（１）の際に付着した汚れや研磨粒子などを取り除く
ために、洗剤を用いた湿式スクラブ洗浄およびイソプロ
ピルアルコールを用いた洗浄を行い、さらに硫酸と過酸
化水素水の混合液を用いて洗浄する。この状態で水晶表
面は、水晶表面原子のダングリングの結合手に水酸基が
結合し、さらにこれら水酸基は周囲の水分子と水素結合
している状態である。

【００４８】次に乾燥工程（３）において、水晶片の表
面に水素結合している水分子を取り除くために、埃など
の異物が付着しない環境で加熱乾燥する。例えば、３０
０℃で１時間保持する。ここまでの手順が終了した水晶
片の表面は、水晶片の表面原子とダングリング結合した
水酸基で終端されている。

【００４９】次に接触工程（４）において、上述のよう
な表面状態の水晶片同士を接触させると、接触面におい
て、片方の水晶片の表面に結合している水酸基とそれと
対向する水晶片の表面に結合している水酸基とが互いに
水素結合し、この水素結合によって接着剤などの介在物
なしに水晶片同士の初期の弱い接合状態が得られる。

【００５０】さらに熱処理工程（５）において、機械的
および電気的な特性を向上させる目的で、互いに初期の
接合をした水晶片同士を、水晶結晶が相転移しない温度
範囲内で熱処理を行う。例えば、大気圧下では５００℃
で行えばよい。熱処理により、水晶片同士の初期の接合
に寄与していた水酸基は脱水縮合し、一部は水晶片の接
合界面を通って外部に放出し、一部は水晶結晶中に拡散
するなどして水晶片同士が強固に直接接合する。

【００５１】なお、水晶片を接触させる前に乾燥の工程
を取り入れて水分子を取り除くのは、後の熱処理の工程
で水分子が脱離反応を起こしてガス化することを防い
で、より良好な直接接合状態が得られ、水晶の直接接合
の歩留まりを向上させるためである。

【００５２】上記方法によれば、水晶片同士を機械的に
強固に直接接合することができる。さらに、直接接合し
た水晶片に弾性振動を電気的に励振させたとき、直接接
合界面において弾性振動は連続的に伝搬し、直接接合し
た水晶片は一体となって弾性振動をする。例えば、厚み
すべり振動モードの共振周波数が（数１）で表される水
晶片を２枚直接接合した場合の共振周波数は、（数２）
で表すことができ、同一の水晶片を直接接合すれば、２
枚の水晶片を合わせた厚みをもつ１枚の水晶片と同じ共
振周波数をもつことになる。

【００５３】

【数１】

【００５４】

【数２】

【００５５】また、直接接合界面は弾性振動を妨げる要
因とはならないので、直接接合した水晶片のＱは劣化し
ない。

【００５６】図２は、水晶片の直接接合方法の第２の例
を示したものである。水晶の直接接合手順は、（１）鏡
面研磨、（２）洗浄、（３）乾燥、（４）接触、（５）
熱処理の各工程からなっている。

【００５７】基本的な手順（工程（１）ないし（５））
および効果については第１の例の場合と同様であるが、
この第２の例においては、洗浄工程（２）において、加
熱乾燥工程（３）の前の予備乾燥としてイソプロピルア
ルコールを用いた乾燥を用いることにより、洗浄後に水
晶表面に付着する埃などの異物を少なくすることができ
る。

【００５８】図３は、水晶片の直接接合方法の第３の例
を示したものである。水晶の直接接合手順は、（１）鏡
面研磨、（２）洗浄、（３）乾燥、（４）接触、（５）
熱処理の各工程からなっている。

【００５９】この第３の例の基本的な手順および効果に
ついては、第１の例の場合と同様であるが、ここでは、
洗浄工程（２）において、フッ化水素水もしくはフッ化
アンモニウム水による洗浄を行うことにより、水晶表面
を化学的に研磨処理することが可能となり、より清浄な
表面を得ることができる。

【００６０】なお、前記第１，第２および第３の各例に
おいて、加熱乾燥の代わりに乾燥した雰囲気中で長時間
保持する工程を用いてもよい。

【００６１】（第１の実施例） 図４は、本発明の第１の実施例（請求項１記載の発明）
における水晶振動子を示したものであり、（ａ）は側面
図、（ｂ）は（ａ）を上からみた平面図、（ｃ）は張り
合わせた水晶片の共振周波数−温度特性の一例図であ
る。図４（ａ），（ｂ）において、１０１および１０２
は水晶片、１０３は励振電極であり、１０４は張り合わ
せ水晶片である。Ｐは水晶片１０１および１０２両方の
板面の法線であり、Ｘ_１，Ｙ_１およびＺ_１は水晶片１０
１の結晶軸、Ｘ_２，Ｙ_２およびＺ_２は水晶片１０２の結
晶軸であり、θはＰとＺ_１のなす角度、φはＰとＺ_２の
なす角度である。

【００６２】水晶片１０１と１０２は、Ｘ_１とＸ_２が一
致するように前記第１ないし第３の例による直接接合方
法により直接接合して一体となり、張り合わせ水晶片１
０４となっている。また、励振電極１０３は張り合わせ
水晶片１０４を介して対向設置されている。

【００６３】以上のように構成された水晶振動子につい
て、以下その動作を説明する。

【００６４】水晶片１０１および１０２は励振電極１０
３に電界（Ｐ方向の電界）が加えられると、厚みすべり
歪を生じ、それぞれの共振周波数ｆ_１とｆ_２はそれぞれ
の厚みと弾性定数を用いて（数１）で表される。

【００６５】また、水晶片１０１と１０２は直接接合さ
れているので、接合面において弾性振動が連続してお
り、このとき張り合わせ水晶片１０４の共振周波数ｆは
（数２）で表される。したがって、張り合わせ水晶片１
０４の温度特性は、水晶片１０１および１０２の共振周
波数−温度特性（すなわち、切り出し角度θおよびφ）
および厚みの比で決定される。例えば、水晶片１０１と
水晶片１０２の厚みの比を５；１とし、θおよびφをそ
れぞれ５５．０１゜（ＡＴカット）および１４５．００
゜（ＢＴカット）とすれば、図４（ｃ）に示すように１
０〜８０℃の温度範囲（横軸）において、その周波数偏
差量（縦軸）は、±１．０ｐｐｍの周波数安定度が得ら
れる。

【００６６】以上のように本第１の実施例によれば、異
なる周波数−温度特性を有する２つの水晶片を、介在物
なしに直接接合した張り合わせ水晶片を介して励振電極
を対向設置しているので、それぞれの水晶片がもつ共振
周波数−温度特性が互いに打ち消しあって、図４（ｃ）
に示すように、広い温度範囲にわたって共振周波数の安
定な水晶振動子を実現できる。

【００６７】（第２の実施例） 図５は、本発明の第２の実施例における水晶振動子を示
すものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）を上か
ら見た平面図である。図５において、１１１，１１２お
よび１１３は水晶片、１１４は励振電極であり、１１５
は張り合わせ水晶片である。Ｐは水晶片１１１，１１２
および１１３全ての板面の法線である。また、Ｘ_１，Ｙ
_１およびＺ_１は水晶片１１１の結品軸、Ｘ_２，Ｙ_２およ
びＺ_２は水晶片１１２の結晶軸、Ｘ_３，Ｙ_３およびＺ_３
は水晶片１１３の結晶軸であり、θ，φおよびξはそれ
ぞれＰとＺ_１，ＰとＺ_２およびＰとＺ_３のなす角度であ
る。水晶片１１１，１１２および１１３はＸ_１，Ｘ_２お
よびＸ_３とが一致するように直接接合して一体となり、
張り合わせ水晶片１１５となっている。また、励振電極
１１４は、張り合わせ水晶片１１５を介して対向設置さ
れている。

【００６８】以上のように構成された水晶振動子の共振
周波数−温度特性は、第１の実施例と同様に水品片１１
１，１１２および１１３の厚みの比とそれぞれの切り出
し角度θ，φおよびξによって、所望のものとすること
ができる。また、第１の実施例に比べて、３枚の水晶片
を直接接合して張り合わせ水晶片を形成した場合には、
より安定度の高い共振周波数−温度特性をもつ張り合わ
せ水晶振動子を実現できる。

【００６９】（第３の実施例） 図６は、本発明の第３の実施例（請求項２記載の発明）
における水晶振動子を示すものであり、（ａ）は側面
図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図である。図６に
おいて、１２１および１２２は水晶片、１２３は励振電
極であり、１２４は張り合わせ水晶片である。水晶片１
２１および１２２はそれぞれの片面は中央部が厚く、端
部に向かうにつれて薄く加工（コンベックス加工）され
ている。水晶片１２１と１２２は第１の実施例（図４）
で示したような結晶軸関係および厚みの比で、コンベッ
クス加工されていない側で直接接合して一体となり、張
り合わせ水晶片１２４となっている。また、励振電極１
２３は、張り合わせ水晶片１２４を介して対向設置され
ている。

【００７０】以上のような構成にすれば、第１の実施例
と同様に、広い温度範囲にわたって共振周波数を安定に
保つことができると同時に、張り合わせ水晶片１２４の
中央部が厚く端部に向かうにつれて薄くなっているので
弾性振動を中央部に閉じ込める効果が得られ、高Ｑな水
晶振動子を実現できる。

【００７１】なお、本第３の実施例において、水晶片１
２１および１２２は両面コンベックス加工もしくは片面
または両面の端部の角を落とした加工（ベベル加工）を
した水晶片を用いても同様の結果が得られる。

【００７２】また、本発明の前述した第１ないし第３の
各実施例において、張り合わせ水晶片を構成するために
直接接合する水晶片の切り出し角度，厚み，枚数および
互いの結晶軸の関係には一切の限定はなく、張り合わせ
水晶片が所望の共振周波数−温度特性をもつように設定
することができる。

【００７３】また、厚みすべり振動以外の振動モードに
おいても、本発明の第１，第２の各実施例で示したよう
な張り合わせ水晶片を用いて、所望の温度特性を実現す
ることができる。

【００７４】（第４〜第７の実施例） 図７から図１０は、それぞれ本発明の第４ないし第７の
実施例における水晶振動子を示すものであり、各図にお
いて（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面
図である。

【００７５】図７の第４の実施例において、１３１およ
び１３２は水晶片、１３３は励振電極、１３４および１
３５は支持部、１３６は振動部であり、１３７は張り合
わせ水晶片である。水晶片１３１と１３２は、振動部１
３６において直接接合して一体となり、張り合わせ水晶
片１３７となっている。また、励振電極１３３は、振動
部１３６を介して対向設置されている。

【００７６】図８の第５の実施例において、１４１は水
晶片、１４２は水晶片１４１よりも大きい水晶片、１４
３は励振電極、１４４および１４５は支持部、１４６は
振動部であり、１４７は張り合わせ水晶片である。水晶
片１４１と１４２はそれぞれの中心がほぼ一致するよう
に直接接合して一体となり、張り合わせ水晶片１４７と
なっている。また、励振電極１４３は、振動部１４６を
介して対向設置されている。

【００７７】図９の第６の実施例において、１５１，１
５２および１５３は水晶片、１５４は励振電極、１５５
および１５６は支持部、１５７は振動部であり、１５８
は張り合わせ水晶片である。水晶片１５２と１５３は水
晶片１５１より小さく、図９に示す接合順序で、それぞ
れの中心がほぼ一致するように直接接合して一体とな
り、張り合わせ水晶片１５８となっている。また、励振
電極１５４は、振動部１５７を介して対向設置されてい
る。

【００７８】図１０の第７の実施例において、１６１，
１６２および１６３は水晶片、１６４は励振電極、１６
５および１６６は支持部、１６７は振動部であり、１６
８は張り合わせ水晶片である。水晶片１６１，１６２お
よび１６３は、図１０に示す接合順序で直接接合して一
体となり、張り合わせ水晶片１６８となっている。ま
た、励振電極１６４は、振動部１６７を介して対向設置
されている。

【００７９】以上のように構成された第４ないし第７の
各実施例では、励振電極に電界が加えられると振動部は
厚みすべり歪を生じ、（数１）および（数２）に示すよ
うに振動部の共振周波数はそれぞれの水晶片の厚みおよ
び弾性定数によって決まる。振動部に発生した弾性振動
は、支持部を通って張り合わせ水晶片の端部まで伝達し
ようとするが、支持部の厚みが振動部より薄く構成され
ているので、弾性振動は支持部では急激に減衰する。

【００８０】以上のように、第４ないし第７の各実施例
によれば、少なくとも２枚の水晶片を直接接合して中央
部の厚い張り合わせ水晶片を構成し、前記中央部の厚い
部分を介して励振電極を設置しているので、弾性振動を
閉じ込めることができ、高Ｑの水晶振動子を容易に実現
することができる。

【００８１】（第８の実施例） 図１１は、本発明の第８の実施例（請求項３記載の発
明）における水晶振動子を示すものであり、（ａ）は側
面図、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図である。図１
１において、１７１は中央部に穴１７１ａのあいた水晶
片、１７２は水晶片、１７３は励振電極であり、１７４
は張り合わせ水晶片である。水晶片１７１と１７２は直
接接合して一体となり、張り合わせ水晶片１７４を構成
している。また、励振電極１７３は、中央部の水晶片１
７１と１７２か張り合わされていない振動部１７７で水
晶片１７２を介して対向設置されている。また、水晶片
１７１および１７２が直接接合している領域において支
持部１７５および１７６が形成されている。

【００８２】以上のように構成された本第８の実施例で
は、励振電極１７３に電界が加えられると水晶片１７２
は厚みすべり歪を生じ、（数１）および（数２）に示す
ように振動部の共振周波数は厚みおよび弾性定数によっ
て決まる。振動部１７７に発生した弾性振動は張り合わ
せ水晶片１７４の端部まで伝達しようとするが、振動部
１７７よりも支持部１７５および１７６の厚みが厚く、
つまり、中央部の厚みが周辺部よりも薄い張り合わせ水
晶片で構成されているので、弾性振動を振動部１７７に
閉じ込めることができる。

【００８３】以上のように、本第８の実施例によれば、
少なくとも２枚の水晶片を直接接合して中央部の薄い張
り合わせの水晶片を構成し、前記中央部の薄い部分を介
して励振電極を設置しているので、弾性振動を閉じ込め
ることができ、高Ｑの水晶振動子を容易に実現すること
ができる。

【００８４】なお、本発明の前記第４ないし第８の各実
施例において、直接接合する水晶片の枚数および厚みに
ついての限定は一切なく、振動部の厚みが支持部の厚み
よりも厚く、もしくは薄く構成されていれば同様の効果
を得ることができる。

【００８５】また、本発明の前記第４ないし第８の各実
施例において、例えば本発明の前記第１〜第３の各実施
例で示したような切り出し角度および厚みの水晶片を、
また結晶軸関係で直接接合して振動部を構成すれば、共
振周波数−温度特性が安定で、かつ高Ｑな水晶振動子を
実現することができる。

【００８６】また、本発明の前記第４ないし第８の各実
施例において振動部および支持部の形状についての限定
は一切なく、水晶片の形状も本発明の実施例で示した円
板形状にこだわることなく、角板形状など任意の形状を
用いることができる。

【００８７】また、本発明の前記第１ないし第８の各実
施例において、水晶片に本発明の第３の実施例（図６）
で示したような両面または片面のコンベックス加工また
はベベル加工を施した水晶片を用いてもよいし、コンベ
ックス加工（水晶片の中央部が周辺部に比べて厚く加
工）もしくは、ベベル加工（水晶片の片面または両面の
角を落とした加工）した水晶片と平板の水晶片を組み合
わせてもよい。

【００８８】（第９〜第１１の実施例） 図１２，図１３および図１４は、それぞれ本発明の第９
ないし第１１の実施例（請求項４記載の発明）における
水晶振動子の構造を示す側面図である。

【００８９】図１２の第９の実施例において、１８１お
よび１８２は異なる厚みの水晶片、１８３は直接接合
部、１８４および１８５は励振電極であり、１８６は張
り合わせ水晶片である。水晶片１８１および１８２は互
いに直接接合して一体となり、張り合わせ水晶片１８６
を形成している。張り合わせ水晶片１８６は水晶片１８
１と１８２を組み合わせた厚みの直接接合部１８３と水
晶片１８１だけの厚みの部分（図中、左側の励振電極１
８５の部分）を有している。励振電極１８４は直接接合
部１８３を介して対向設置されており、励振電極１８５
は水晶片１８１を介して対向設置されている。

【００９０】また、図１３の第１０の実施例において、
１９１，１９２および１９３は、それぞれ異なる厚みの
水晶片、１９４は直接接合部、１９５および１９６は励
振電極であり、１９７は張り合わせ水晶片である。水晶
片１９１，１９２および１９３は互いに直接接合して一
体となり、張り合わせ水晶片１９７を形成している。張
り合わせ水晶片１９７は、水晶片１９１，１９２および
１９３を合わせた厚みの直接接合部１９４と水晶片１９
１だけの厚みの部分（図中、左側の励振電極１９５の部
分）を有している。励振電極１９６は直接接合部１９４
を介して対向設置されており、励振電極１９５は水晶片
１９１を介して対向設置されている。

【００９１】以上のように構成された第９，第１０の各
実施例では、励振電極に電界が加えられると、厚みすべ
り歪を生じ、励振電極１８５および１９５間の水晶片は
（数１）で表される共振周波数で振動する。また、直接
接合部は第１の実施例（図４）で説明したように（数
２）で表される共振周波数で振動する。

【００９２】以上のように第９，第１０の各実施例によ
れば、それぞれ２枚または３枚の水晶片を直接接合して
２つの厚みを有する張り合わせ水晶片１８６，１９７を
構成し、それぞれの厚みを介して２組の励振電極を対向
設置しているので、任意の２つの共振周波数をもった水
晶振動子を容易に実現することができる。

【００９３】図１４は、本発明の第１１の実施例におけ
る水晶振動子の構成を示す側面図である。図１４におい
て、２０１および２０２は厚さの異なる水晶片、２０３
は直接接合部、２０４，２０５および２０６は励振電極
であり、２０７は張り合わせ水晶片である。水晶片２０
１および２０２は互いに直接接合して一体となり、張り
合わせ水晶片２０７を形成している。張り合わせ水晶片
２０７は、水晶片２０１および２０２を合わせた厚みの
直接接合部２０３と、水晶片２０１および２０２だけの
厚みの部分（図中、左側と右側の励振電極２０５，２０
６の部分）を有している。励振電極２０４は直接接合部
２０３を介して対向設置されており、励振電極２０５お
よび２０６はそれぞれ水晶片２０１および２０２を介し
て対向設置されている。

【００９４】以上のように本第１１の実施例によれば、
前記第９および第１０の実施例と同様にして、任意の３
つの共振周波数をもった水晶振動子を実現することがで
きる。

【００９５】また、前記図１２，図１３および図１４に
示す第９〜第１１の各実施例において、水晶片１８１，
１９１および２０１，２０２は、張り合わせ水晶片１８
６，１９７および２０７と同様な直接接合した張り合わ
せ水晶片で構成してもよく、前記と同様に任意の３つの
共振周波数をもった水晶振動子を実現することができ
る。

【００９６】（第１２〜第１４の実施例） 図１５，図１６および図１７は、それぞれ本発明の第１
２ないし第１４の実施例（請求項５記載の発明）におけ
る水晶振動子の構造を示す側面図である。

【００９７】図１５の第１２の実施例において、２１
１，２１２および２１３は、それぞれ厚みの異なる水晶
片で、２１１と２１３は同じ厚みである。２１６および
２１７は励振電極であり、２１４，２１５は直接接合
部、２１８は張り合わせ水晶片である。水晶片２１１は
水晶片２１２および２１３と直接接合して一体となり、
張り合わせ水晶片２１８を形成している。張り合わせ水
晶片２１８は、水晶片２１１および２１２を合わせた厚
みの直接接合部２１４と水晶片２１１および２１３を合
わせた厚みの直接接合部２１５を有し、さらに、直接接
合部２１４と２１５の間に水晶片２１１だけの厚みの部
分（図中、中央部分）を有している。励振電極２１６
は、直接接合部２１４を介して対向設置されており、励
振電極２１７は直接接合部２１５を介して対向設置され
ている。

【００９８】図１６の第１３の実施例において、２２
１，２２２，２２３および２２４は厚みの異なる水晶片
である。２２７および２２８は励振電極であり、２２
５，２２６は直接接合部、２２９は張り合わせ水晶片で
ある。水晶片２２１と水晶片２２２，２２３および２２
４は直接接合して一体となり、張り合わせ水晶片２２９
を形成している。張り合わせ水晶片２２９は、水晶片２
２１，２２２および２２３を合わせた厚みの直接接合部
２２５と水晶片２２１および２２４を合わせた厚みの直
接接合部２２６を有し、さらに、直接接合部２２５と２
２６の間に水晶片２２１だけの厚みの部分を有してい
る。励振電極２２７は、直接接合部２２５を介して対向
設置されており、励振電極２２８は直接接合部２２６を
介して対向設置されている。

【００９９】以上のように第１２および第１３の各実施
例によれば、前記第９および第１０の実施例（図１２，
図１３）と同様に、任意の２つの共振周波数をもった水
晶振動子を得ることができ、さらに、２つの直接接合部
の間に、両直接接合部より薄い領域を設けることができ
るので、２つの直接接合部それぞれに発生する弾性振動
を内部に閉じ込めることができ、両弾性振動間のアイソ
レーションを高くすることができる。

【０１００】図１７は、本発明の第１４の実施例におけ
る水晶振動子の構造を示す側面図である。図１７におい
て、２３１，２３２および２３３は厚みの異なる水晶
片、２３４，２３５，２３６は直接接合部、２３７およ
び２３８は励振電極であり、２３９は張り合わせ水晶片
である。水晶片２３１と水晶片２３２および２３３は、
それぞれ直接接合して一体となり、張り合わせ水晶片２
３９を形成している。張り合わせ水晶片２３９は、水晶
片２３１および２３２を合わせた厚みの直接接合部２３
４、水晶片２３１および２３３を合わせた厚みの直接接
合部２３５および水晶片２３１，２３２および２３３を
合わせた厚みの直接接合部２３６を有している。励振電
極２３７は、直接接合部２３４を介して対向設置されて
おり、励振電極２３８は、直接接合部２３５を介して対
向設置されている。

【０１０１】以上のように本第１４の実施例によれば、
前記第９および第１０の実施例（図１２，図１３）と同
様に、任意の２つの共振周波数をもった水晶振動子を得
ることができ、さらに、直接接合部２３４と２３５との
間に、両直接接合部より厚い直接接合部２３６を設ける
ことができるので、直接接合部２３４および２３５それ
ぞれに発生する弾性振動を内部に閉じ込めることがで
き、両弾性振動間のアイソレーションを高くすることが
できる。

【０１０２】なお、本発明の前記第９，第１０，第１
１，第１２，第１３および第１４の各実施例において、
水晶片の枚数，切り出し角度，厚みおよび直接接合する
際の結晶軸関係についての限定は一切なく、例えば本発
明の第１，第２および第３の各実施例で示したように、
それぞれの水晶片もしくは張り合わせ水晶片が所望の共
振周波数−温度特性をもつように自由に設定することが
できる。

【０１０３】また励振電極の組数に一切の限定はなく、
任意の数の所望の周波数を得るように設定することがで
きる。

【０１０４】また水晶片の形状および励振電極の形状に
一切の限定はなく、円形や方形など任意に設定すること
ができる。また、水晶片に前記第３の実施例で示したよ
うなコンベックス加工された水晶片を使用することもで
きる。

【０１０５】なお、本発明の前記第１から第１４の各実
施例において、励振電極の数，パターン形状，組成およ
び厚みには一切限定はない。

【０１０６】（第１５の実施例） 図１８は、本発明の第１５の実施例（請求項６記載の発
明）における水晶発振器の回路図である。図１８におい
て、２４１は本発明の前記第１から第８の各実施例（図
４から図１１）に記載したような水晶振動子であり、異
なる周波数−温度特性を有する少なくとも２枚の水晶片
を介在物なしに直接接合した張り合わせ水晶片を介し
て、励振電極を対向設置した構成により、広い温度範囲
にわたって共振周波数の安定な水晶振動子である。ま
た、２４２は発振回路、２４３は出力端子である。

【０１０７】以上のように構成された水晶発振器では、
水晶振動子２４１の共振周波数の近傍において、発振回
路２４２と水晶振動子２４１による発振条件が満足さ
れ、出力端子２４３から発振信号が出力される。ここ
で、出力周波数−温度特性は水晶振動子２４１の共振周
波数−温度特性でほぼ決定される。

【０１０８】以上のように本第１５の実施例によれば、
前記第１から第８の各実施例に示したような、温度に対
し安定な水晶振動子を共振素子として用いているので、
広い温度範囲にわたって出力周波数の安定な水晶発振器
を実現できる。

【０１０９】（第１６の実施例） 図１９は、本発明の第１６の実施例（請求項７記載の発
明）におけるアナログ温度補償水晶発振器の回路図であ
る。図１９において、２５１は本発明の前記第１から第
８の各実施例（図４から図１１）に記載したような水晶
振動子であり、異なる周波数−温度特性を有する少なく
とも２枚の水晶片を介在物なしに直接接合した張り合わ
せ水晶片を介して、励振電極を対向設置した構成によ
り、広い温度範囲にわたって共振周波数の安定な水晶振
動子である。また、２５２は温度補償回路、２５３は発
振回路、２５４は出力端子であり、温度補償回路２５２
は感温素子、抵抗および容量素子などで構成され、温度
によってリアクタンスの変化する回路である。

【０１１０】以上のように構成されたアナログ温度補償
水晶発振器では、水晶振動子２５１のリアクタンス（共
振周波数）の温度による変化を温度補償回路２５２で補
償することにより、出力周波数−温度特性を安定にして
いる。ところで、水晶振動子２５１の共振周波数−温度
特性は図４（ｃ）に示すように１０℃から８０℃までの
温度範囲において±１．０ｐｐｍの周波数安定度が得ら
れるので、携帯電話機などの移動体通信機器用の温度補
償水晶発振器を構成する場合、温度補償が必要になるの
は−３０℃から１０℃の温度範囲となる。したがって、
従来、高温用と低温用にそれぞれ独立に必要であった温
度補償回路が低温用の温度補償回路だけでよいことにな
り、温度補償回路２５２の回路規模を半分にすることが
できる。

【０１１１】以上のように、本実施例によれば、本発明
の第１から第８の各実施例で示したような広い温度範囲
にわたって共振周波数の安定な水晶振動子を用いること
により、温度補償回路の規模を半減でき、製造工程およ
び調整工程の簡略化を図れるので、小型で低価格なアナ
ログ温度補償水晶発振器を実現できる。

【０１１２】なお、本発明の第１６の実施例において、
感温素子としては、サーミスタやダイオードなどを使用
でき、容量素子としては、コンデンサや可変容量ダイオ
ードなどが使用できる。

【０１１３】（第１７〜第１９の実施例） 図２０から図２２は、それぞれ本発明の第１７ないし第
１９の実施例におけるデジタル温度補償水晶発振器の構
成を示すブロック図である。

【０１１４】図２０の第１７の実施例（請求項８記載の
発明）において、左のブロックから２６６は温度セン
サ、２６５はＡ／Ｄ変換器、２６４は記憶装置、２６３
はデジタル信号制御の可変リアクタンス回路、２６２は
発振回路である。また、２６１は本発明の前記第１から
第８の各実施例に記載したような水晶振動子であり、異
なる周波数−温度特性を有する少なくとも２枚の水晶片
を介在物なしに直接接合した張り合わせ水晶片を介し
て、励振電極を対向設置した構成により、広い温度範囲
にわたって共振周波数の安定な水晶振動子である。２６
７は、水晶振動子２６１，可変リアクタンス回路２６３
および発振回路２６２からなるデジタル制御水晶発振器
である。

【０１１５】図２１の第１８の実施例（請求項９記載の
発明）において、２７３は温度センサ、２７４はＡ／Ｄ
変換器、２７５は記憶装置、２７６はプログラマブル分
周器、２７２は水晶発振器、２７１は本発明の前記第１
から第８の各実施例で示したような、異なる周波数−温
度特性を有する少なくとも２枚の水晶片を介在物なしに
直接接合した張り合わせ水晶片を介して、励振電極を対
向設置した構成により、広い温度範囲にわたって共振周
波数の安定な水晶振動子であり、水晶発振器２７２の共
振素子となっている。

【０１１６】図２２の第１９の実施例において、２８２
および２８３は水晶発振器、２８４は周波数カウンタ、
２８５は記憶装置、２８６はプログラマブル分周器、２
８１は本発明の前記第１から第８の各実施例で示したよ
うな、異なる周波数−温度特性を有する少なくとも２枚
の水晶片を介在物なしに直接接合した張り合わせ水晶片
を介して、励振電極を対向設置した構成により、広い温
度範囲にわたって共振周波数の安定な水晶振動子であ
り、水晶発振器２８２の共振素子となっている。また、
水晶発振器２８３は温度センサとして用いる水晶発振器
であり、温度検知が容易な共振周波数−温度特性をもっ
た水晶振動子を用いて構成されている。

【０１１７】以上のように構成されたデジタル温度補償
水晶発振器では、記憶装置２６４，２７５および２８５
にＡ／Ｄ変換器２６５もしくは２７４、もしくは周波数
カウンタ２８４の出力信号と、可変リアクタンス回路２
６３、もしくはプログラマブル分周器２７６もしくは２
８６の制御信号とを対応させたデータを予め記憶してお
く。これによって、温度変化に対応して可変リアクタン
ス回路のリアクタンスもしくはプログラマブル分周器の
分周比が変化し、水晶振動子の共振周波数−温度特性を
補償して発振出力周波数を安定にしている。

【０１１８】ところで、図２０，図２１および図２２の
水晶振動子２６１，２７１および２８１の特性は前記図
４（ｃ）に示すように１０℃から８０℃までの温度範囲
において±１．０ｐｐｍの周波数安定度が得られるの
で、携帯電話機などの移動体通信機器用の温度補償水晶
発振器を構成する場合、温度補償が必要になるのは−３
０℃から１０℃の温度範囲となり、温度範囲が従来のほ
ぼ２／５と、大幅に軽減される。

【０１１９】以上のように本発明の第１７から第１９の
各実施例によれば、本発明の前記第１から第８の実施例
に示したような広い温度範囲にわたって共振周波数の安
定な水晶振動子を用いているので、補償する温度範囲が
大幅に減少し、記憶装置の容量やＡ／Ｄ変換器のビット
数を減少させることができ、製造および調整工程を簡略
化できるので、小型，低消費電流で低価格のデジタル温
度補償水晶発振器が実現できる。また、温度センサも低
温で温度検知が可能であればよく、素子や回路の自由度
が大きくなる。

【０１２０】なお、本発明の第１７および第１９の各実
施例において、温度センサとしては、サーミスタやダイ
オードなどを用いた温度によって電位差や電流値が変化
する素子や回路を用いることができる。また、温度セン
サとして水晶発振器を用いることもでき、水晶発振器を
用いたときには、Ａ／Ｄ変換器として周波数カウンタを
用いることができる。

【０１２１】また、本発明の第１７の実施例において、
可変リアクタンス回路としては、例えば、Ｄ／Ａ変換器
と可変容量ダイオードを用いて、Ｄ／Ａ変換器の出力電
圧を可変容量ダイオードに印加する方法や、デジタル信
号によるスイッチングで直接容量値を変化させる方式な
どを用いることができる。

【０１２２】また、本発明の第１９の実施例において、
水晶振動子２８１と、水晶発振器２８３に用いられてい
る水晶振動子は、例えば本発明の前記第９，第１０，第
１２，第１３および第１４の各実施例で示したような構
成により一体化して構成することができる。

【０１２３】また、本発明の前記第１５，第１６，第１
７，第１８および第１９の各実施例において、図１８な
いし図２２の水晶振動子２４１，２５１，２６１，２７
１および２８１は必ずしも前記図４（ｃ）に示したよう
な共振周波数−温度特性をもつ水晶振動子を用いる必要
はなく、所望の温度範囲において安定した共振周波数−
温度特性が得られるように、直接接合する水晶片の枚
数、それぞれの切り出し角度、厚みおよび結晶軸関係を
任意に設定することができる。

【０１２４】（第２０〜第２３実施例） 図２３から図２６は、それぞれ本発明の第２０ないし第
２３の実施例（請求項１０記載の発明）におけるデジタ
ル温度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【０１２５】図２３の第２０の実施例において、２９１
は本発明の前記第９の実施例（図１２）に示したような
単体で任意の共振周波数と温度特性をもった２つの振動
を取り出せる水晶振動子である。２９２および２９３は
水晶振動子２９１上に形成された２つの第１，第２の振
動部である。２９４は第１の発振回路、２９５はデジタ
ル信号制御の可変リアクタンス回路であり、２９６は第
１の振動部２９２と第１の発振回路２９４および可変リ
アクタンス回路２９５からなるデジタル制御水晶発振器
である。２９７は記憶装置、２９８はＡ／Ｄ変換器であ
る。また、２９９は第２の発振回路であり、３００は第
２の振動部２９３と第２の発振回路２９９からなる温度
センサである。ここで、第２の振動部２９３が容易に温
度検知できるような共振周波数−温度特性をもち、かつ
第１の振動部２９２が安定な共振周波数−温度特性をも
つように、水晶振動子２９１を構成している２枚の水晶
片は切り出し角度，厚みおよび結晶軸関係が設定され、
直接接合されている。

【０１２６】図２４の第２１の実施例において、３０１
は本発明の前記第９の実施例（図１２）に示したよう
な、単体で任意の共振周波数と温度特性をもった２つの
振動を取り出せる水晶振動子である。３０２および３０
３は水晶振動子３０１上に形成された２つの第１，第２
の振動部である。３０４は第１の振動部３０２と、第１
の発振回路２９４および可変リアクタンス回路２９５か
らなるデジタル制御水晶発振器であり、３０５は第２の
振動部３０３と第２の発振回路２９９からなる温度セン
サである。ここで、第２の振動部３０３が容易に温度検
知できるような共振周波数−温度特性をもち、かつ第１
の振動部３０２が安定な共振周波数−温度特性をもつよ
うに、水晶振動子３０１を構成している２枚の水晶片は
切り出し角度，厚みおよび結晶軸関係が設定され、直接
接合されている。

【０１２７】図２５の第２２の実施例において、３１１
は本発明の前記第１０の実施例（図１３）に示したよう
な単体で任意の共振周波数と温度特性をもった２つの振
動を取り出せる水晶振動子である。３１２および３１３
は水晶振動子３１１上に形成された２つの第１，第２の
振動部である。３１４は第１の振動部３１２と第１の発
振回路２９４および可変リアクタンス回路２９５からな
るデジタル制御水晶発振器であり、３１５は第２の振動
部３１３と第２の発振回路２９９からなる温度センサで
ある。ここで、第２の振動部３１３が容易に温度検知で
きるような共振周波数−温度特性をもち、かつ第１の振
動部３１２が安定な共振周波数−温度特性をもつよう
に、水晶振動子３１１を構成している３枚の水晶片は切
り出し角度，厚みおよび結晶軸関係が設定され、直接接
合されている。

【０１２８】図２６の第２３の実施例において、３２１
は本発明の前記第１２の実施例（図１５）に示したよう
な単体で任意の共振周波数と温度特性をもった２つの振
動を取り出せる水晶振動子である。３２２および３２３
は水晶振動子３２１上に形成された２つの第１，第２の
振動部である。３２４は第１の振動部３２２と第１の発
振回路２９４および可変リアクタンス回路２９５からな
るデジタル制御水晶発振器であり、３２５は第２の振動
部３２３と第２の発振回路２９９からなる温度センサで
ある。ここで、第２の振動部３２３が容易に温度検知で
きるような共振周波数−温度特性をもち、かつ第１の振
動部３２２が安定な共振周波数−温度特性をもつよう
に、水晶振動子３２１を構成している３枚の水晶片は切
り出し角度，厚みおよび結晶軸関係が設定され、直接接
合されている。

【０１２９】以上のように構成されたデジタル温度補償
水晶発振器において、記憶装置に温度センサの出力信号
をＡ／Ｄ変換器で変換したデジタル信号と可変リアクタ
ンス回路の制御信号とを対応させたデータをあらかじめ
記憶させておく。これによって、温度変化に対応して可
変リアクタンス回路のリアクタンスが変化し、デジタル
制御水晶発振器の出力周波数を安定にすることができ
る。また、温度センサ用とデジタル制御水晶発振器用の
振動部が一体形成されているので、両者間に生じる温度
差はほとんど皆無になり、デジタル制御発振器用の振動
部の温度情報を正確に得ることができる。

【０１３０】以上のように本発明の第２０から第２３の
各実施例によれば、本発明の前記第９，第１０および第
１２の各実施例で示したような単体で任意の共振周波数
と温度特性をもった２つの振動を取り出せる水晶振動子
を用いることにより、温度センサ用とデジタル制御水晶
発振器用の振動部を一体形成でき、しかもそれぞれの振
動部を目的に応じた最適な温度特性に別個に設定できる
ので、小型，安価で、しかも低ビット数でも高精度の温
度補償ができるデジタル温度補償水晶発振器を実現でき
る。

【０１３１】また、前記第２２の実施例では、第１の振
動部３１２の振動子３１１は前記第１０の実施例（図１
３）に示す３枚の水晶片（１９１，１９２，１９３）を
張り合わせた水晶片１９７を構成しており、第２０およ
び第２１の実施例に比べてより安定度の高い共振周波数
−温度特性とすることができ、より高精度、低ビット化
したデジタル温度補償水晶発振器を得ることができる。

【０１３２】また、第２３の実施例では、２つの第１，
第２の振動部３２２，３２３の間に、両振動部いずれの
厚みより薄い領域を設けているので、両振動部それぞれ
に発生する弾性振動間のアイソレーションを高くするこ
とができる。なお、本発明の第２３の実施例において
は、２つの第１，第２の振動部の間の厚みが両振動部い
ずれの厚みよりも薄くなるように構成したが、必ずしも
薄くする必要はなく、本発明の第１４の実施例（図１
７）に記載した水晶振動子のように２つの振動部２３
４，２３５の間の直接接合部２３６の厚みを、両振動部
２３４，２３５の厚みより厚くした場合でも同様の効果
が得られる。

【０１３３】（第２４の実施例） 図２７は、本発明の第２４の実施例（請求項１１記載の
発明）のデジタル温度補償水晶発振器の構成を示すブロ
ック図である。図２７において、３３１は本発明の第１
１の実施例（図１４）に示したような単体で任意の共振
周波数と温度特性をもった３つの振動を取り出せる水晶
振動子である。３３２，３３３および３３４は水晶振動
子３３１上に形成された３つの第１，第２および第３の
振動部である。３３５は第１の振動部３３２と第１の発
振回路２９４および可変リアクタンス回路２９５からな
るデジタル制御水晶発振器であり、３３６は第２の振動
部３３３と第２の発振回路２９９からなる第１の温度セ
ンサであり、３３７は第３の振動部３３４と第３の発振
回路３３８からなる第２の温度センサである。ここで、
第２，第３の振動部３３３および３３４が容易に温度検
知できるような共振周波数−温度特性をもち、かつ第１
の振動部３３２が安定な共振周波数−温度特性をもつよ
うに、水晶振動子３３１を構成している２枚の水晶片は
切り出し角度，厚みおよび結晶軸関係が設定され、直接
接合されている。

【０１３４】以上のように本発明の第２４の実施例によ
れば、本発明の前記第２０から第２３の各実施例の効果
に加えて、第１，第２の温度センサ３３６および３３７
の両方を用いて温度検知を行うので、より精度良く温度
検知が行える。

【０１３５】なお、本発明の第２４の実施例において、
励振電極は４組以上設けてもよく、４組以上の励振電極
を形成した場合でも同様の効果が得られる。

【０１３６】また、本発明の前記第２０から第２４の各
実施例において水晶片の切り出し角度，厚み，形状およ
び枚数の限定は一切なく、振動部が所望の特性をもつよ
うに自由に設定することができる。また、張り合わせた
際の結晶軸の関係についても所望の特性が得られるよう
に自由に設定することができる。また、Ａ／Ｄ変換器と
しては周波数カウンタなどを用いることができる。さら
に、可変リアクタンス回路としては、例えば、Ｄ／Ａ変
換器と可変容量ダイオードを用いて、Ｄ／Ａ変換器の出
力電圧を可変容量ダイオードに印加する方法や、デジタ
ル信号によるスイッチングで直接容量値を変化させる方
式などを用いることができる。

【０１３７】（第２５，２６の実施例） 以下、本発明の第２５および第２６の実施例（請求項１
２記載の発明）について、図面を参照しながら説明す
る。

【０１３８】図２８は、第２５の実施例の水晶フィルタ
の構造を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
側面図である。図２８において、３４１と３４２は水晶
片、３４４，３４５，３４６および３４７は電極であ
る。水晶片３４１と３４２は周波数温度特性が互いに打
ち消し合うように所望の切り出し角度および所望の厚み
を有しており、しかもそれぞれの結晶軸が所望の角度を
もって交わるように直接接合されて張り合わせ水晶片３
４３となっている。電極３４４と３４５および３４６と
３４７は張り合わせ水晶片３４３を介して対向設置され
ている。

【０１３９】以上のように構成された水晶フィルタにつ
いて、以下その動作を説明する。

【０１４０】電極３４４と３４５および３４６と３４７
それぞれのいずれか一方の電極は通常接地される。例え
ば、電極３４５と３４７を接地し、電極３４４を入力端
子，電極３４６を出力端子としたとき、電極３４４に電
気信号を入力すると、張り合わせ水晶片３４３はその厚
みや弾性定数で決まる周波数で共振する。この共振は張
り合わせ水晶片３４３中を機械的に伝達し、その結果、
電極３４６と３４７との間に電界が発生し、電極３４６
から電気信号を取り出せる。すなわち、張り合わせ水晶
片３４３の厚みや弾性定数で決まる共振周波数の帯域通
過フィルタとなる。さらに、張り合わせ水晶片３４３は
周波数温度特性が互いに打ち消し合うような水晶片３４
１と３４２を張り合わせて構成されているので、温度に
対して共振周波数が安定している。

【０１４１】以上のように本第２５の実施例によれば、
異なる周波数−温度特性を有する２枚の水晶片を、介在
物なしに直接接合した張り合わせ水晶片を介して電極を
対向設置しているので、周波数温度特性の安定した水晶
フィルタを実現することができる。

【０１４２】図２９は、第２６の実施例の水晶フィルタ
の構造を示したものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
側面図である。図２９において、３４８は電極である。
第２６の実施例の動作は前記第２５の実施例（図２８）
と同様であるが、接地する電極を電極３４８に一つにま
とめることによって構造および組み立てを簡単にしたも
のである。

【０１４３】（第２７の実施例） 図３０は、本発明の第２７の実施例（請求項１３記載の
発明）の水晶フィルタの構造を示すものであり、（ａ）
は平面図、（ｂ）は側面図である。図３０において、３
４９および３５０は水晶片、３５１，３５２および３５
３は電極である。両面に電極３５２と３５３が対向して
形成された水晶片３５０と片面に電極３５１が形成され
た水晶片３４９が、水晶片３４９を介して電極３５１と
３５２が対向するように、電極３５２を介さない部分で
直接接合されている。

【０１４４】以上のように構成された水晶フィルタにつ
いて、以下その動作を説明する。通常、電極３５２は接
地され、電極３５１と３５３が電気信号を入出力する電
極になる。例えば、電極３５１に電気信号を入力する
と、水晶片３５０はその寸法や弾性定数で決まる周波数
で共振する。水晶片３４９と３５０は直接接合されてい
るので、この共振は機械的に水晶片３４９に伝達し、電
極３５１と３５２の間に電界が発生し、電極３５３から
電気信号を出力する。

【０１４５】以上のように本第２７の実施例によれば、
電極を挾んで２つの水晶振動子を直接接合することによ
って、共振を立体的に結合させることができるので小型
の水晶フィルタを実現することができる。

【０１４６】（第２８の実施例） 図３１は、本発明の第２８の実施例（請求項１４記載の
発明）の水晶フィルタの構造を示すものであり、（ａ）
は平面図、（ｂ）は側面図である。図３１において、３
５５，３５６，３５７および３５８は水晶片である。水
晶片３５５と３５６および３５７と３５８はそれぞれ周
波数特性が互いに打ち消し合うように、所望の切り出し
角度および所望の厚みを有しており、しかも結晶軸が所
望の角度をもって交わるように、それぞれ直接接合され
て張り合わせ水晶片３５９および３６０となっている。
本実施例の動作は、前記第２７の実施例（図３０）と同
様であるが、図３０における水晶片３４９と３５０の代
わりに張り合わせ水晶片３５９と３６０を用いているの
で、前記第２５の実施例（図２８）と同様に安定した周
波数温度特性を得ることができる。

【０１４７】なお、前記第２５から第２８の各実施例に
おいて、水晶片および電極の形状は方形としたが、円形
など任意の形状を用いてもよい。また、水晶片の枚数，
切り出し角度，厚みおよび直接接合する際の結晶軸関係
についての限定は一切ない。さらに、電極の数，パター
ン形状，組成および厚みについての限定は一切ない。

【０１４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、異なる周
波数−温度特性を有する少なくとも２枚の水晶片を介在
物なしに直接接合した張り合わせ水晶片を介して、励振
電極を対向設置することにより、広い温度範囲において
共振周波数の安定な水晶振動子を実現できる。

【０１４９】

【０１５０】

【０１５１】また、異なる周波数−温度特性を有する少
なくとも２枚の水晶片を介在物なしに直接接合した張り
合わせ水晶片を介して、励振電極を対向設置した構成の
水晶振動子を共振素子として用いることにより、広い温
度範囲にわたって出力周波数の安定な水晶発振器および
小型，低消費電流，高精度で低価格なアナログもしくは
デジタル温度補償水晶発振器が実現できる。

【０１５２】

【０１５３】また、異なる周波数−温度特性を有する少
なくとも２枚の水晶片を介在物なしに直接接合した張り
合わせ水晶片を介して、少なくとも２組の対向電極を形
成した構成にすることによって、周波数−温度特性の安
定した水晶フィルタを実現できる。

【０１５４】また、少なくとも２枚以上の水晶片と前記
水晶片の枚数よりも１つ多い電極を交互に重ね合わせ、
かつ前記それぞれの電極を介して対向している前記それ
ぞれの水晶片が、電極を介在しない部分で直接接合した
構成にすることによって、小型の水晶フィルタを実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において使用する水晶片の直接接合方法
の第１の例を示すフローチャートである。

【図２】本発明において使用する水晶片の直接接合方法
の第２の例を示すフローチャートである。

【図３】本発明において使用する水晶片の直接接合方法
の第３の例を示すフローチャートである。

【図４】本発明の第１の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）と張り合わせ水晶片の共振周
波数−温度特性の一例を示す図（ｃ）である。

【図５】本発明の第２の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図６】本発明の第３の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図７】本発明の第４の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図８】本発明の第５の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図９】本発明の第６の実施例における水晶振動子の側
面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図１０】本発明の第７の実施例における水晶振動子の
側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図１１】本発明の第８の実施例における水晶振動子の
側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図１２】本発明の第９の実施例における水晶振動子の
構造を示す側面図である。

【図１３】本発明の第１０の実施例における水晶振動子
の構造を示す側面図である。

【図１４】本発明の第１１の実施例における水晶振動子
の構造を示す側面図である。

【図１５】本発明の第１２の実施例における水晶振動子
の構造を示す側面図である。

【図１６】本発明の第１３の実施例における水晶振動子
の構造を示す側面図である。

【図１７】本発明の第１４の実施例における水晶振動子
の構造を示す側面図である。

【図１８】本発明の第１５の実施例における水晶発振器
の回路図である。

【図１９】本発明の第１６の実施例におけるアナログ温
度補償水晶発振器の回路図である。

【図２０】本発明の第１７の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２１】本発明の第１８の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２２】本発明の第１９の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２３】本発明の第２０の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２４】本発明の第２１の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２５】本発明の第２２の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２６】本発明の第２３の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２７】本発明の第２４の実施例におけるデジタル温
度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。

【図２８】本発明の第２５の実施例における水晶フィル
タの構造を示す平面図（ａ）とその側面図（ｂ）であ
る。

【図２９】本発明の第２６の実施例における水晶フィル
タの構造を示す平面図（ａ）とその側面図（ｂ）であ
る。

【図３０】本発明の第２７の実施例における水晶フィル
タの構造を示す平面図（ａ）とその側面図（ｂ）であ
る。

【図３１】本発明の第２８の実施例における水晶フィル
タの構造を示す平面図（ａ）とその側面図（ｂ）であ
る。

【図３２】従来の水晶振動子の構成の各例を示す要部側
面図である。

【図３３】従来のＡＴカット水晶片の共振周波数−温度
特性を示す図である。

【図３４】従来のアナログ方式の温度補償水晶発振器の
代表的な構成を示す図である。

【図３５】従来のデジタル方式の温度補償水晶発振器の
代表的な構成を示す図である。

【図３６】従来の水晶フィルタの構造を示す斜視図
（ａ）とそのａ−ａ′断面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１０１，１０２，１１１，１１２，１１３，１２１，１
２２，１３１，１３２，１４１，１４２，１５１，１５
２，１５３，１６１，１６２，１６３，１７１，１７
２，１８１，１８２，１９１，１９２，１９３，２０
１，２０２，２１１，２１２，２１３，２２１，２２
２，２２３，２２４，２３１，２３２，２３３，３４
１，３４２，３４９，３５０，３５５，３５６，３５
７，３５８，４０１，４０３，４３１…水晶片、 １０
３，１１４，１２３，１３３，１４３，１５４，１６
４，１７３，１８４，１８５，１９５，１９６，２０
４，２０５，２０６，２１６，２１７，２２７，２２
８，２３７，２３８，４０２，４０４…励振電極、 １
０４，１１５，１２４，１３７，１４７，１５８，１６
８，１７４，１８６，１９７，２０７，２１８，２２
９，２３９，３４３，３５９，３６０…張り合わせ水晶
片、 １３４，１３５，１４４，１４５，１５５，１５
６，１６５，１６６，１７５，１７６…支持部、 １３
６，１４６，１５７，１６７，１７７，２９２，２９
３，３０２，３０３，３１２，３１３，３２２，３２
３，３３２，３３３，３３４…振動部、 １８３，１９
４，２０３，２１４，２１５，２２５，２２６，２３
４，２３５，２３６…直接接合部、 ２４１，２５１，
２６１，２７１，２８１，２９１，３０１，３１１，３
２１，３３１，４１３，４２６…水晶振動子、 ２４
２，２５３，２６２，２９４，２９９，３３８，４１
１，４２５…発振回路、 ２４３，２５４，４１２…出
力端子、 ２５２，４１４…温度補償回路、 ２６３，
２９５，４２４…温度補償回路、 ２６３，２９５，４
２４…可変リアクタンス回路、 ２６４，２７５，２８
５，２９７，４２３…記憶装置、 ２６５，２７４，２
９８，４２２…Ａ／Ｄ変換器、 ２６６，２７３，３０
０，３０５，３１５，３２５，３３６，３３７，４２１
…温度センサ、 ２６７，２９６，３０４，３１４，３
２４，３３５，４２７…デジタル制御水晶発振器、 ２
７２，２８２，２８３…水晶発振器、 ２７６，２８６
…プログラマブル分周器、 ２８４…周波数カウンタ、
３４４，３４５，３４６，３４７，３４８，３５１，
３５２，３５３，４３２，４３３，４３４…電極、 Ｘ
…水晶結晶のＸ軸、 Ｙ…水晶結晶のＹ軸、 Ｚ…水晶
結晶のＺ軸、 Ｐ…水晶片の板面の法線、 θ，φ，ξ
…各結晶軸のなす角度。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平4−31669 (32)優先日 平成４年２月19日(1992．2．19) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平4−44772 (32)優先日 平成４年３月２日(1992．3．2) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平4−113526 (32)優先日 平成４年５月６日(1992．5．6) (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 石崎 俊雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭49−3667（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−147295（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−285195（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−27040（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 3/00 H03B 5/32 H03H 9/19 H03H 9/205 H01L 21/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望の切り出し角度および所望の厚みを
   有する少なくとも２つの水晶片の接合面を、それぞれ、
   鏡面研磨して、洗浄液で十分に洗浄して汚染物を完全に
   取り除いた上、加熱乾燥して、前記接合面に水素結合し
   ている水分子を取り除くことにより、平滑，平坦にしか
   つ水酸基によって終端した後、介在物なしに接触させ
   て、前記接合面の前記水酸基の間で作用する結合力によ
   って接合した上、水晶結晶が相転移しない温度範囲内で
   熱処理して、さらに強い結合力で直接接合することを特
   徴とする水晶片の直接接合方法。
2. 【請求項２】 周波数−温度特性が異なる少なくとも２
   つの水晶片を介在物なしに厚み方向に積層して請求項１
   記載の水晶片の直接接合方法により接合した水晶片と、
   該接合した水晶片の厚み方向に対向設置した励振電極と
   からなり、該励振電極に電界を加えると、前記接合した
   水晶片が振動することを特徴とする水晶振動子。
3. 【請求項３】 請求項２記載の水晶振動子を共振素子と
   して用いることを特徴とする水晶発振器。
4. 【請求項４】 請求項１記載の水晶片の直接接合方法に
   より接合した水晶片に少なくとも２対の対向電極を厚み
   方向にそれぞれ対向設置し、一方の対の前記対向電極か
   ら電気信号を入力すると、他方の対の前記対向電極から
   特定の周波数成分の電気信号を出力することを特徴とす
   る水晶フィルタ。