JP2003163542A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化で、且つノイズの低減が可能な温度補
償型水晶発振器を提供する。 【解決手段】水晶振動子５と、温度補償動作を行う制御
回路をワンチップ化したＩＣチップ８を具備して構成さ
れる温度補償型水晶発振器である。そして、ＩＣチップ
８内にバッファ回路部Ｚの後段に分周回路部Ｗを配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、通信機器内の基準
周波数信号を生成する温度補償型発振器に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】この温度補償型水晶発振器は、移動体通
信機器等に送受信を制御する基準周波数信号を生成する
非常に重要な部品であり、周囲の温度が激しく変動する
環境で使用しても、周波数が安定化するようにしなくて
はならない。 【０００３】従来、通信機器内の基準周波数信号を生成
する温度補償型発振器は、２つのキャビティー部を有す
る概略直方体状容器体と、該容器体の上面側に実装され
た水晶振動子と、前記キャビティー部内に収容され、且
つ前記水晶振動子に接続するフリップチップ結合される
ＩＣチップと、前記容器体の下面の少なくとも四隅部に
形成され、且つ前記ＩＣチップに接続する外部端子電極
と、容器体の側面に形成された制御端子電極とが構成さ
れていた。 【０００４】キャビティー部は、水晶振動子が収容さ
れ、金属製蓋体によって気密的に封止される。 【０００５】また、キャビティー部は、容器体の下面側
に形成されて、隣接しあう２つの外部端子電極間の領域
に張り出す張出部を有している。そして、ＩＣチップ
は、互いに対向しあう張出部間に跨がるようにフリップ
チップ接合されている。 【０００６】上述の水晶振動子は、キャビティー部内に
形成された水晶振動子搭載用パッドに接続され、ＩＣチ
ップは、キャビティー部の底面に形成された各電極パッ
ドに接続される。また、水晶振動子搭載用パッドと各電
極パッドとは、ビアホール導体、内部配線導体などを介
して互いに接続されている。 【０００７】また、キャビティー部の底面に形成した各
電極パッドは、容器体の下面に形成した外部端子電極
に、また、容器体の側面に形成した制御端子電極に内部
配線導体を介して接続されている。 【０００８】尚、他方の対をなす張出部には、必要に応
じてＩＣチップと接続する電子部品素子などが配置され
ている。例えば、電子部品素子とは、バイパスコンデン
サや負荷コンデンサなどが例示できるが、ＩＣチップに
集積化されたり、また、温度補償型水晶発振器の外部に
接続されたりする場合もある。 【０００９】ＩＣチップは、図７に示すように、各種回
路部が集積化されている。具体的には、必要な温度補償
データを保持するメモリ部、周囲の温度検知する感温セ
ンサ部、バリキャップダイオード、所定温度補償データ
に基づいて所定電圧に変換してバリキャップダイオード
に供給するＤＡ変換手段（図では３次関数発生回路
部）、これらの動作を制御するプロセッサー部からなる
温度補償制御回路部Ｘ、負荷容量、発振インバータ及び
帰還抵抗からなる発振回路部Ｙ、増幅インバータからな
る出力バッフア回路部Ｚを具備している。図中、Ｘｔａ
ｌは、キャビティー部に搭載する水晶振動子である。 【００１０】このような温度補償型水晶発振器では、キ
ャビティー部に搭載した水晶振動子の固有の周波数温度
特性をキャンセルするようにバリキャップダイオードの
容量成分を変化させ、周囲の温度変化に対しても安定し
た周波数を発振出力が得られるようにしている。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】従来の温度補償型水晶
発振器を狭公差で、小型化する際の問題点としては、求
められる発振周波数が低い場合（例えば、ＣＤＭＡ通信
方式の基準周波数である１９．２ＭＨｚやさらに低い１
４．４ＭＨｚ、１２．６５ＭＨｚ）、これに対応した共
振周波数が上述のような２０ＭＨｚ以下の水晶振動子で
は小型化が非常に困難となることである。水晶振動子の
共振周波数は水晶基板の厚みに依存し、低周波ほど水晶
基板の厚みは厚くなる。水晶振動子を小型化する際は、
水晶基板の厚みはそのままで水晶基板の形状の縮小を行
う。これにより水晶基板上に形成される振動電極の面積
は必然的に小さくなり、振動電極面積に対するの水晶基
板の厚みは相対的に厚くなる。それに伴い、クリスタル
インピーダンス、容量比などの水晶振動子５の特性が劣
化する。尚、共振周波数が高いの水晶振動子において
は、水晶基板の厚みは薄くなる方向なので、水晶振動子
の電気的特性は向上する方向にある。 【００１２】また、上述の温度補償型水晶発振器では、
単一な発振周波数の発振出力しかえられないため、発振
周波数の変更に対応することができず、汎用性がなかっ
た。 【００１３】本発明は、上述の問題的に鑑みて案出され
たものであり、その目的は、小型化が容易で、低い周波
数であっても安定して発振し、且つバッファ回路部やバ
リキャップダイオードで発生するノイズを有効に抑える
ことができる温度補償型水晶発振器を提供することにあ
る。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明は、容器体に２つ
のキャビティー部を形成し、前記一方のキャビティー部
内に水晶振動子を収容し、前記他方のキャビティー部内
に、温度補償制御回路部、発振回路部、分周回路部及び
出力バッフア回路部を集積化したＩＣチップを収容して
成る温度補償型水晶発振器において、前記分周回路部
を、バッファ回路部の後段に配置したことを特徴とする
温度補償型水晶発振器である。 【作用】本発明は、水晶振動子と、温度補償して発振制
御する制御回路等をワンチップ化したＩＣチップを具備
して構成されている。そして、ＩＣチップには分周回路
部を備えている。しかも、この分周回路部がＩＣチップ
内で最も出力側であるバッフア回路部の後段に配置され
ている。これにより、ＩＣチップ内におけるノイズの発
生源であるバリキャップダイオードやバッファ回路部に
よる影響が小さくなり、ノイズ特性を改善することにな
る。即ち、ノイズののった発振信号が分周回路部で１／
ｎだけ分周すると、同時にノイズ成分も同様に１／ｎに
整理することができる。そして、この分周処理された発
振出力がバッファ回路をとおることがないため、ノイズ
がのってしまうことはない。さらに、ＩＣチップ内で発
生するノイズを低減するもできる。 【００１５】また、分周回路部を例えばフリップフロッ
プ回路を多段に接続し、各接続点から発振出力を導出さ
せるようにすれば、その選択により基本共振周波数に対
して１／２分周した発振出力、１／４分周した発振出力
・・を選択的に得ることもでき、温度補償型水晶発振器
の発振出力の汎用性が向上する。 【００１６】また、温度補償型水晶発振器では、水晶振
動子と発振回路部とによる発振周波数を、所望周波数よ
り高い値に設定して、分周回路部で１／ｎに分周して所
望発振周波数を生成している。即ち、水晶振動子は所望
発振周波数よりも高い周波数の素子を利用することがで
きる。例えば、２０ＭＨｚの発振信号を出力させたい場
合、共振周波数が４０ＭＨｚの水晶振動子を用い、１／
２分周を行なう。 【００１７】このようにすれば、目的の周波数より高い
共振周波数の水晶振動子、すなわち小型化（厚みが薄
く）が比較的容易な水晶振動子を用いることができ、水
晶基板の長さに対する厚みの相対比を小さくでき、クリ
スタルインピーダンスの改善、容量比の改善がはかれ、
もって、温度補償型水晶発振器全体の小型化、温度補償
幅の広く（分解能が向上）、且つ発振動作の安定化が得
られる。 【００１８】 【発明の実施の形態】本発明の温度補償型水晶発振器を
図面とともに説明する。 【００１９】図１は本発明である温度補償型水晶発振器
の一部破断状況の断面図であり、図２は短辺側の側面図
であり、図３は金属製蓋体を省略した状態の平面図であ
り、図４は封止樹脂を省略した状態の下面図であり、図
５はＩＣチップを省略した状態の下面図であり、図６は
ＩＣチップに集積化された回路部を示すブロック回路図
である。 【００２０】図１〜図５において、温度補償型水晶発振
器は、２つのキャビティー部１Ａ、１Ｂを有する概略直
方体状容器体１と、該容器体１の上面側に実装された水
晶振動子５と、前記キャビティー部１Ｂ内に収容され、
且つ前記水晶振動子５に接続するフリップチップ結合さ
れるＩＣチップ８と、前記容器体１の下面の少なくとも
四隅部に形成され、且つ前記ＩＣチップに接続する外部
端子電極９と、容器体１の側面に形成された制御端子電
極６とが構成されている。 【００２１】キャビティー部１Aは、容器体１の上面に
一体化して形成されたシールリング３によって形成さ
れ、且つキャビティー部１Ａ内に水晶振動子５が収容さ
れ、さらに、シールリング３に接合する金属製蓋体２に
よって気密的に封止される。 【００２２】また、キャビティー部１Ｂは、容器体１の
下面側に形成されて、隣接しあう２つの外部端子電極９
間の領域に張り出す張出部１１〜１４を有している。即
ち、キャビティー部１Bの開口は全体として概略十字状
となっている。そして、ＩＣチップ８は、互いに対向し
あう張出部、例えは１２、１４間に跨がるようにフリッ
プチップ接合されている。そして、ＩＣチップ8はキャ
ビティー部1Ｂ内にはアンダーフィル樹脂を含む充填樹
脂７によって被覆されている。 【００２３】上述の水晶振動子５は、キャビティー部１
Ａの底面に形成された水晶振動子搭載用パッド５１、５
１に接続される。また、ＩＣチップ８は、キャビティー
部１Ｂの底面に形成された各電極パッドに接続される。
そして、図示していないが、水晶振動子搭載用パッド５
１、５１と各電極パッドとは、ビアホール導体、内部配
線導体などを介して互いに接続されている。また、水晶
振動子搭載用電極パッド５１、５１は、キャビティー部
１Ｂの一対の張出部１１、１３に水晶振動子測定モニタ
電極パッド１０、１０として導出されている。また、キ
ャビティー部１Bの底面に形成した各電極パッドは、容
器体1の下面に形成した外部端子電極9に、また、容器体
1の側面に形成した制御端子電極6に内部配線導体を介し
て接続されている。 【００２４】尚、前記キャビティー部１Ｂにおいて、張
出部１１、１３には、上述の水晶振動子測定モニタ電極
パッド１０、１０が配置されたり、また、必要に応じて
ＩＣチップ８と接続する電子部品素子などが配置されて
いる。例えば、電子部品素子とは、バイパスコンデンサ
や負荷コンデンサなどが例示できるが、これらの素子は
ＩＣチップ８に集積化されたり、また、温度補償型水晶
発振器の外部に接続される場合があり、キャビティー部
１B内には図のように１つのＩＣチップ8が収納される場
合がある。 【００２５】ＩＣチップ８は、フリップチップ接合され
るとともに、図６に示す各種回路部が集積化されてい
る。具体的には、周囲の温度検知する感温センサ部、バ
リキャップダイオード、外部から書き込まれる所定温度
補償データを保持するメモリ部、所定温度補償データに
基づいて所定電圧に変換してバリキャップダイオードに
供給するＤＡ変換手段（３次関数発生回路部）、これら
の動作を制御するプロセッサー部からなる温度補償制御
回路部Ｘ、負荷容量、発振インバータ及び帰還抵抗から
なる発振回路部Ｙ、増幅インバータからなるバッフア回
路部Ｚ及び１つまたは複数のフリップフロップ回路から
成る分周回路部Ｗを具備している。 【００２６】本発明のＩＣチップ８では、上述の分周回
路部Ｗは、最も出力に近いバッフア回路部Ｚの後段に配
置されている。 【００２７】このようなＩＣチップ８には、例えば電源
電圧が供給されるＶＣＣ端子、グランド電位となるＧＮ
Ｄ端子、水晶振動子５と接続される水晶接続端子、発振
出力を行うＯＵＴ端子、外部から周波数の調整を可能と
するＶＣＯＮ端子、補償データ書き込みのために用いる
データ書き込み制御端子となるアルミ電極パッドが形成
されている。しかも、必要に応じて、分周回路部Ｗのフ
リップフロップ回路を多段に接続し、各接続部分からそ
れそれＯＵＴ端子を設けてもよい。 【００２８】そして、製造工程中、キャビティー部１Ａ
に搭載した水晶振動子５に応じて、その水晶振動子５の
固有の温度特性をキャンセルするように３次関数が形成
される温度補償データを制御端子６を介して、外部より
ＩＣチップ８のメモリ部に書き込み、実際に発振動作中
の周囲温度の変化に対しても、発振出力の発振周波数の
変化がない温度補償型水晶発振器を実現させている。 【００２９】温度補償制御回路部Ｘは、周囲の温度に基
づいて、キャビティー１Ａ内に搭載した水晶振動子５の
３次周波数温度特性をキャンセルする３次関数を発生さ
せ、その値に基づく電圧をバリキャップダイオードに供
給して補償を行なうものである。例えば、ＩＣチップ８
のメモリ部であるＰＲＯＭやＲＡＭには、温度補償関数
である３次関数のもととなるパラメータ、例えばα、
β、γ、Ｔｉの各値を入力する。そのデータから３次関
数発生回路にて温度に対して３次関数で導き出された電
圧を発生させる。尚、この時の外部の周囲温度は、ＩＣ
チップ８内の感温度センサ部より得られる。この電圧が
ＩＣチップ８内にあるバリキャップに印加され、バリキ
ャップダイオードの制御された容量成分が発振回路部Ｙ
の負荷容量成分と合成され、ＩＣチップ８の外部に接続
された水晶振動子５（Ｘｔａｌ）の発振特性を基準周波
数に補償する。即ち、広い温度範囲領域においては、バ
リキャップダイオードに供給される電圧が制御され、水
晶振動子５が有する固有の温度周波数特性を常温を含む
広い温度範囲で平坦化することができる。 【００３０】発振回路部Ｙは、水晶振動子５とともにコ
ルピツ発振回路を構成するもので、コルピツ発振回路の
負荷容量成分が上述のバリキャップダイオードの可変容
量成分と合成されて、周囲の温度の変化に係わらず、周
波数変動がない発振出力をバッファ回路部Ｚに導出す
る。 【００３１】バッフア回路部Ｚは、増幅インバータから
なり、発振回路部Ｙの信号を所定レベルの信号に増幅
し、分周回路部Ｗに導出する。 【００３２】分周回路部Ｗは、フリップフロップ回路か
らなり、バッファ回路部Ｚから供給された信号を１／２
分周を行なう。例えば、この分周回路部Ｗとして、フリ
ップフロップ回路ｎ個を多段に接続することにより、さ
らに、１／４、１／８・・に分周することができる。こ
の分周した信号は、ＩＣチップ８のＯＵＴ端子として発
振出力される。尚、このＩＣチップ８のＯＵＴ端子を複
数設けても構わない。例えば、第１のＯＵＴ端子を１段
目のフリップフロップ回路の出力とすれば、バッファ回
路Ｚから供給された信号を１／２分周した発振出力が得
られる。また、第２のＯＵＴ端子を２段目のフリップフ
ロップ回路の出力とすれば、バッファ回路Ｚから供給さ
れた信号を１／４分周した発振出力が得られる。同様に
第３のＯＵＴ端子から１／８分周した発振出力がえられ
ることになる。 【００３３】このようなＩＣチップ８は、シリコンチッ
プに周知のＰＮドープ、部分絶縁酸化処理、金属被膜を
繰り返して形成されることになる。 【００３４】本発明の温度補償型水晶発振器は、水晶振
動子搭載工程、ＩＣチップ搭載工程アンダーフィル樹脂
注入・硬化工程の順に進め、最後にＩＣチップへのデー
タ書き込み工程を経て完成する。 【００３５】水晶振動子搭載工程について、まず、シー
ルリング３が取着される容器体１を用意し、その容器体
１の水晶搭載用キャビティ１Ａ内の水晶振動子搭載用電
極５１、５１上に硬化して導電性接着部材となる導電性
樹脂ペースト４を供給し、水晶振動子５の引き出し電極
が水晶振動子搭載用電極５１と接続するように、導電性
樹脂ペースト４に、水晶振動子５を載置する。そして、
さらに導電性樹脂ペースト４を硬化して、容器体１に水
晶振動子５を固定する。 【００３６】次に、水晶振動子５の周波数調整を行う。
具体的には、キャビティ１Ｂ内に形成した所定電極パッ
ド、測定モニタ電極パッドを用いて、水晶振動子を発振
させ、発振周波数を測定しながら、水晶振動子５の励振
電極にＡｇ蒸着させる方法やイオンビームを照射する方
法により、実質的に励振電極の質量を増加若しくは減少
させて、発振周波数の調整を行う。その後、熱エージン
グにより、発振周波数の安定化を行い、シールリング３
に金属製蓋体２をシーム溶接により気密封止を行う。こ
の時、キャビティー１Ａ内は、Ｎ₂やＨｅなどのガスや
真空の雰囲気中にてシーム溶接などの溶接を行なう。 【００３７】次に、ＩＣチップ８をキャビティー１Ｂ内
に実装を行う。具体的には、まずＩＣチップ８の実装
は、ＩＣチップ８に予め形成した各Ａｕバンプと各ＩＣ
チップ電極パッドとが合致するように、ＩＣチップ８を
位置決め載置して、その後、ＩＣチップ８にＡｇペース
トによる接着や超音波による融着などにより互いに接合
させる。この時、ＩＣチップ８のＯＵＴ端子を複数設
け、夫々から分周率のことなる発振出力が得られるよう
にした場合、どのＯＵＴ端子を用いて発振出力を得るの
かによって、発振出力の周波数を任意に選択することが
できる。 【００３８】次に、充填樹脂注入硬化工程を行なう。ま
ず、ＩＣチップ８を充填樹脂７で充填・被覆する。キャ
ビティー１Ｂ内に配置されたＩＣチップ８全体を、例え
ばエポキシ系の熱硬化性の樹脂にて完全に覆い、加熱
し、樹脂を硬化させる。 【００３９】次に、ＩＣチップ８のデータ書き込み工程
を行なう。上述工程まで終えた製品について、水晶振動
子５の周波数温度特性を平坦化し温度補償する最適デー
タを計算及び実際に温度補償型水晶発振器を駆動確認す
ることにより求め、そのデータ値を容器体１の側面の制
御端子電極６より入力する。 【００４０】本発明において、ＩＣチップ８に分周回路
部Ｗを設けている。そして、分周回路部Ｗは、バッファ
回路部Ｚの後段に配置され、この分周回路部Ｗから発振
出力を得る。即ち、水晶振動子５の共振周波数は、目的
とする発振周波数よりも、分周回路部Ｗされる分周率分
だけ高く設定されている。 【００４１】発振周波数がダウンコンバートされて出力
することにより、分解能は分周前の高い精度を維持でき
る。例えば、温度補償型水晶発振器として例えは２０Ｍ
Ｈｚを発振出力させるのに、従来では２０ＭＨｚの共振
周波数の水晶振動子を用いて発振させていた。これに対
して、本発明では、分周回路部Ｗの分周率が１／２であ
れば、４０ＭＨｚの共振周波数の水晶振動子５を用い、
この分周回路部Ｗで１／２に分周させて発振させてい
る。このような分周回路部Ｗを設けることにより、出力
周波数の精度は２倍良くなる。 【００４２】さらに発振周波数がダウンコンバートされ
て出力すると、目的の周波数より高い共振周波数の水晶
振動子、すなわち小型化が比較的容易である水晶振動子
を用いて温度補償型水晶発振器を構成することが可能と
なり、要求される発振周波数が低い場合においても、さ
らなる小型軽量化が実現でき、水晶振動子のクリスタル
インピーダス、容量比などから安定した発振特性、分解
能の高い温度補償が可能となる。 【００４３】分周回路部Ｗは、上述したようにバッファ
回路部Ｚから供給された周波数を１／ｎに分周するだけ
でなく、ノイズに関しても同様に１／ｎに整理すること
ができる。特に、分周回路部Ｗをバッファ回路部Ｚの後
段に接続することにより、バリキャップダイオードやバ
ッファ回路部Ｚで発生するノイズも分周回路部Ｗにより
整理される。このため、ＩＣチップ内で発生するノイズ
を低減する作用があり、温度補償型水晶発振器のノイズ
特性を改善することになる。 【００４４】尚、上述の実施例において、容器体１の上
面に開口したキャビティー部１Ａを、下面に開口したキ
ャビティー部１Ｂを設け、各々に水晶振動子５、ＩＣチ
ップ８を配置した例で説明したが、例えば、容器体１を
第１の筐体状容器と第２の筐体状容器を用い、第２の筐
体状容器内にＩＣチップを収容して、第１の筐体状容器
内に水晶振動子を使用し、第２の筐体状の容器の開口
を、第１の容器の底面で覆い、第１の筐体状容器の開口
を金属製蓋体で気密封止した温度補償型水晶発振器であ
っても構わない。尚、この場合、外部端子電極は、第２
の筐体状容器の底面に形成し、制御端子電極を第２の筐
体状容器の側面に形成し、水晶振動子とＩＣチップとの
接続を、第１の筐体状容器の底面と第２の容器の開口周
囲に夫々配線バターンを導出させて接続する。 【００４５】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、分周回路
部を内蔵することにより、例えば２０ＭＨｚ以下の低周
波且つ小型の温度補償型水晶発振器が実現できるととも
に、ＩＣチップより発生するノイズを低減させる温度補
償型水晶発振器となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の温度補償型水晶発振器の一部破断状況
の断面図である。 【図２】本発明の温度補償型水晶発振器の短辺側の側面
図である。 【図３】本発明の温度補償型水晶発振器の金属製蓋体を
省略した状態の平面図である。 【図４】本発明の温度補償型水晶発振器の封止樹脂を省
略した状態の下面図である。 【図５】本発明の温度補償型水晶発振器のＩＣチップを
省略した状態の下面図である。 【図６】本発明の温度補償型水晶発振器に用いるＩＣチ
ップのブロック図である。 【図７】従来の温度補償型水晶発振器のＩＣチップのブ
ロック図である。 【符号の説明】 １・・・容器体 １Ａ・・・キャビティー部 １Ｂ・・・キャビティー部 ２・・・金属製蓋体 ３・・・シールリング ４・・・銀ペースト ５・・・水晶振動子 ６・・・制御端子電極 ７・・・充填樹脂 ８・・・ＩＣチップ ９・・・外部端子電極 Ｘ・・・温度補償制御回路部 Ｙ・・・発振回路部 Ｚ・・・バッファ回路部 Ｗ・・・分周回路部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 容器体に２つのキャビティー部を形成
   し、前記一方のキャビティー部内に水晶振動子を収容
   し、前記他方のキャビティー部内に、温度補償制御回路
   部、発振回路部、分周回路部及びバッフア回路部を集積
   化したＩＣチップを収容して成る温度補償型水晶発振器
   において、 前記分周回路部を、前記バッファ回路部の後段に配置し
   たことを特徴とする温度補償型水晶発振器。