JP2008141347A - 温度補償型発振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 水晶振動素子と集積回路素子とで温度差が生じても必要とする温度補償電圧に生じるズレの改善を良好にし、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグを改善する。
【解決手段】
三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、かつ、温度補償を行う前の状態で、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となることを特徴とする。
【選択図】 図２
【解決手段】
三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、かつ、温度補償を行う前の状態で、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となることを特徴とする。
【選択図】 図２
Description
本発明は、電子機器に用いられる温度補償型発振器に関する。
従来から、通信機器等の電子機器には、使用環境の温度変化によって生じる水晶振動子の周波数特性の変化を安定させるために温度補償型発振器が用いられる場合がある。
この従来の温度補償型発振器は、水晶振動素子と集積回路素子とこれらを搭載する容器と水晶振動素子を気密封止する蓋体とから主に構成されている。
水晶振動素子は、例えば、ＡＴカット水晶片に励振電極を設けて構成されている。この水晶振動素子をセラミック等の容器内に気密封止して水晶振動子が構成される。このような水晶振動子の周波数特性は、図６に示すように、縦軸を周波数変化量（ｐｐｍ）、横軸を温度（℃）とした場合、一般的には周波数変化量（周波数の変動）と温度との関係が三次関数のグラフを描くような関係となる。グラフの代表例としては、温度が２５℃のときを０ｐｐｍとして、２５℃より低い温度で三次関数の極大値となり、２５℃より高い温度で三次関数の極小値となる三次関数となっている。
この従来の温度補償型発振器は、水晶振動素子と集積回路素子とこれらを搭載する容器と水晶振動素子を気密封止する蓋体とから主に構成されている。
水晶振動素子は、例えば、ＡＴカット水晶片に励振電極を設けて構成されている。この水晶振動素子をセラミック等の容器内に気密封止して水晶振動子が構成される。このような水晶振動子の周波数特性は、図６に示すように、縦軸を周波数変化量（ｐｐｍ）、横軸を温度（℃）とした場合、一般的には周波数変化量（周波数の変動）と温度との関係が三次関数のグラフを描くような関係となる。グラフの代表例としては、温度が２５℃のときを０ｐｐｍとして、２５℃より低い温度で三次関数の極大値となり、２５℃より高い温度で三次関数の極小値となる三次関数となっている。
また、集積回路素子は、例えば、温度センサとしての温度検出回路と、三次関数とその定数を発生させる三次関数発生回路と、三次関数の一次成分を発生させる一次成分発生回路と、加算回路と発振回路とから構成され、温度検出回路が三次関数発生回路と一次成分発生回路とに接続され、三次関数発生回路と一次成分発生回路とが加算回路に接続されている。これにより、三次関数発生回路と一次成分発生回路とは温度検出回路からの出力を受け、加算回路は三次関数発生回路と一次成分発生回路とからの出力を受け、発振回路は加算回路からの出力を受けるようになっている。
集積回路素子は、温度によって三次関数的に変化する水晶振動素子の周波数特性を打ち消すように温度補償信号を出力している（特許文献１参照）。この温度補償信号により容量を変化させて所定の温度補償電圧を印加するようになっている。
特許第３２３３９４６号公報（全文）
集積回路素子は、温度によって三次関数的に変化する水晶振動素子の周波数特性を打ち消すように温度補償信号を出力している（特許文献１参照）。この温度補償信号により容量を変化させて所定の温度補償電圧を印加するようになっている。
しかしながら、このような構成の温度補償型発振器は、水晶振動素子と集積回路素子とに温度差が生じた場合に、必要とする温度補償電圧にズレを生じさせることがあった。例えば、この温度補償型発振器を基板に実装した場合、パワーアンプ等の熱源で基板が暖められると温度補償型発振器の集積回路素子が暖められることとなるが、水晶振動素子はスピーカ等から入ってくる外気により冷やされることがある。この場合、水晶振動素子の温度よりも集積回路素子の温度の方が高くなる状態が常に続くこととなる。図７に示すように、集積回路素子は、検出した温度に対応して三次曲線を形成するが、例えば、携帯電話に用いられる水晶振動素子の周波数特性は、集積回路素子が検出した温度に対応していないために、水晶振動素子の周波数特性の三次関数と集積回路素子の三次関数とにズレが生じてしまう。したがって、集積回路素子と水晶振動子とを接続した状態における集積回路素子の周波数変化量と水晶振動素子の周波数変化量とは、集積回路素子と水晶振動素子とに温度差がある場合、周波数変化量と、集積回路素子と水晶振動素子とに温度差がない場合の周波数変化量と比較して大きくズレることとなる（図８参照）。
また、急激な温度変化が生じた後に温度差がなくなる場合、図９に示すように、温度補償型発振器を過熱した場合、周波数変化率が−０．７０ｐｐｍを超え、加熱開始から１５秒を経過した辺りから安定する。つまり、周波数変化量を縦軸、時間を横軸とし、加熱前を０ｐｐｍとした場合、加熱開始からすぐに周波数変化量において基準とした０ｐｐｍから大きく離れた周波数変化量となる。このとき、図１０に示すように、温度補償型発振器に収納された水晶振動素子の周波数特性が逆放物線を描くようなグラフとなる。つまり、集積回路素子と水晶振動素子との間に生じた温度差が一致して周波数が安定するまでにタイムラグが生じてしまっていた。
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、水晶振動素子と集積回路素子とで温度差が生じても必要とする温度補償電圧が出力でき、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグを改善する温度補償型発振器を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明は、温度補償型発振器であって、三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、かつ、温度補償を行う前の状態で、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となることを特徴とする。
また、本発明は、温度補償型発振器であって、三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、ＡＴカット水晶片の基準角度における周波数特性と同一又は近傍の周波数特性を有して構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、請求項１に記載の温度補償型発振器において、温度補償を行っている状態で、周波数変化量が−０．５ｐｐｍから＋０．５ｐｐｍの範囲となることを特徴とする。
また、本発明は、請求項２に記載の温度補償型発振器において、前記水晶振動素子の周波数特性が、ＡＴカット水晶片の基準角度における周波数特性に対して０ｐｐｍ／℃から−０．３ｐｐｍ／℃の範囲となっていても良い。
このような温度補償型発振器によれば、水晶振動素子と集積回路素子とで温度差が生じても必要とする温度補償電圧の出力ができ、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグを改善することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る温度補償型発振器の一例を示す断面図である。図２は水晶振動素子と集積回路素子の周波数特性の一例を示す図である。図３は、集積回路素子と水晶振動素子とを接続した状態における周波数変化量と温度との関係を示す図である。図４は、時間と周波数変化量との関係の一例を示した図である。図５は、温度補償型発振器の温度と周波数変化量の関係の一例を示す図である。
図１は本発明の実施形態に係る温度補償型発振器の一例を示す断面図である。図２は水晶振動素子と集積回路素子の周波数特性の一例を示す図である。図３は、集積回路素子と水晶振動素子とを接続した状態における周波数変化量と温度との関係を示す図である。図４は、時間と周波数変化量との関係の一例を示した図である。図５は、温度補償型発振器の温度と周波数変化量の関係の一例を示す図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る温度補償型発振器１００は、蓋体１０と容器２０とこの容器２０に収納されて気密封止される水晶振動素子３０と使用環境の温度変化によって温度補償を行う集積回路素子４０とから主に構成された温度補償型水晶発振器となっている。
水晶振動素子３０は、板状に形成された水晶片３１の両主面に励振電極３２が設けられることで形成され、この両主面の励振電極３２から水晶片３２の端部に引き出し電極３３が設けられている。この水晶振動素子３０は、温度によって三次関数的に周波数特性が変化する。
この水晶振動素子３０は、後述する容器２０内に気密封止され、さらに、集積回路素子４０が搭載された状態において、温度に対する変曲点近傍の周波数の変動が０ｐｐｍ／℃、つまり、ＡＴカット水晶片の基準角度（３５°１５′）における周波数特性と同一の周波数特性を有している。
この水晶振動素子３０は、後述する容器２０内に気密封止され、さらに、集積回路素子４０が搭載された状態において、温度に対する変曲点近傍の周波数の変動が０ｐｐｍ／℃、つまり、ＡＴカット水晶片の基準角度（３５°１５′）における周波数特性と同一の周波数特性を有している。
蓋体１０は、後述する容器２０に形成された凹部２０Ａを塞ぐために矩形形状に形成され、外周縁側の一方の主面に封止材層１１が設けられている。
集積回路素子４０は、周囲の温度に対応した温度補償を行う役割を果たし、温度補償信号を出力し、この温度補償信号に基づいて容量を変化させ必要とする温度補償電圧を印化する。図示しないが、この集積回路素子４０は、温度センサとしての温度検出回路と、三次関数とその定数を発生させる三次関数発生回路と、三次関数の一次成分を発生させる一次成分発生回路と、加算回路と発振回路とから構成され、温度検出回路が三次関数発生回路と一次成分発生回路とに接続され、三次関数発生回路と一次成分発生回路とが加算回路に接続されている。これにより、三次関数発生回路と一次成分発生回路とは温度検出回路からの出力を受け、加算回路は三次関数発生回路と一次成分発生回路とからの出力を受け、発振回路は加算回路からの出力を受けるようになっている。
この集積回路素子４０は、温度補償型発振器１００を基板に実装した場合に、基板と対向した位置にあり、熱源からの影響を受けることとなる。
この集積回路素子４０は、温度補償型発振器１００を基板に実装した場合に、基板と対向した位置にあり、熱源からの影響を受けることとなる。
容器２０は、いわゆるＨ型構造となっている。つまり、所定の厚さを有する基板部２１の両主面に、矩形環状に形成された枠部２２が設けられ、基板部２１と枠部２２とが一体で形成されている。
この基板部２１と枠部２２とで形成される一方の凹部２０Ａ内の底面（基板部表面）２１Ａに水晶振動素子３０と電気的に接続するための接続パッドＰが設けられている。この接続パッドＰに、水晶振動素子３０の励振電極３２が導電性接着剤Ｄを介して接続される。また、凹部２０Ａ内の底面２１Ａと同一方向を向くこの枠部の表面２２Ａにはメタライズ層Ｍが設けられており、後述する蓋体１０と接合する際に用いられる。このメタライズ層Ｍに蓋体１０の封止材層１１を重ねるようにして凹部２０Ａを蓋体１０で覆い、メタライズ層Ｍと封止材層１１とを接合することで水晶振動素子３０が収納された凹部２０Ａ内を気密封止する。
この基板部２１と枠部２２とで形成される一方の凹部２０Ａ内の底面（基板部表面）２１Ａに水晶振動素子３０と電気的に接続するための接続パッドＰが設けられている。この接続パッドＰに、水晶振動素子３０の励振電極３２が導電性接着剤Ｄを介して接続される。また、凹部２０Ａ内の底面２１Ａと同一方向を向くこの枠部の表面２２Ａにはメタライズ層Ｍが設けられており、後述する蓋体１０と接合する際に用いられる。このメタライズ層Ｍに蓋体１０の封止材層１１を重ねるようにして凹部２０Ａを蓋体１０で覆い、メタライズ層Ｍと封止材層１１とを接合することで水晶振動素子３０が収納された凹部２０Ａ内を気密封止する。
また、他方の凹部２０Ｂ内の底面（基板部表面）２１Ｂに集積回路素子４０を搭載するための搭載パッドＴが設けられている。この搭載パッドＴの一部は容器２０に設けられた内部配線Ｈにより水晶振動素子３０が接続されている接続パッドＰと電気的に接続している。また、この搭載パッドＴは、容器２０の図示しない内部配線により、他方の凹部２０Ｂ内の底面２１Ｂと同一方向を向くこの枠部２２の表面に設けられた複数の外部接続端子Ｇに接続している。
なお、この他方の凹部２０Ｂには、集積回路素子４０を搭載した後に樹脂Ｊ等を充填しても良い。
なお、この他方の凹部２０Ｂには、集積回路素子４０を搭載した後に樹脂Ｊ等を充填しても良い。
このように、温度補償を行う前の状態において、温度補償型発振器に収納される水晶振動素子３０の周波数特性が、ＡＴカット水晶片の基準角度における周波数特性と同一の周波数特性、つまり温度に対する変曲点近傍の周波数の変動が０ｐｐｍ／℃となっていることで、水晶振動素子３０と集積回路素子４０との間で温度差が生じても、集積回路素子４０から必要とする温度補償信号を出力することができるので、水晶振動素子３０の周波数特性と集積回路素子４０の温度補償信号とのズレが小さくなって所定の温度補償電圧を印加することができる。これにより、安定した電圧で周波数を発振させることができる。
また、本発明の実施形態に係る温度補償型発振器１００は、温度補償を行っている状態において、周波数変化量が−０．５ｐｐｍ〜＋０．５ｐｐｍの範囲で安定する。
例えば、図２に示すように、集積回路素子４０の周波数特性と水晶振動素子３０の周波数特性とに、常にズレが生じた状態となっても必要とする周波数を発振するための温度補償のズレは従来よりも小さくなる。したがって、図３に示すように、集積回路素子４０と水晶振動子３０とを接続した状態における集積回路素子４０の周波数変化量と水晶振動素子３０の周波数変化量とは、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とに温度差がある場合の周波数変化量と、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とに温度差がない場合の周波数変化量とを比較した場合に、温度が−２０℃から７０℃の間でかつ周波数変化量が−０．５ｐｐｍ〜＋０．５ｐｐｍの範囲においてズレが従来よりも小さくなる。
例えば、図２に示すように、集積回路素子４０の周波数特性と水晶振動素子３０の周波数特性とに、常にズレが生じた状態となっても必要とする周波数を発振するための温度補償のズレは従来よりも小さくなる。したがって、図３に示すように、集積回路素子４０と水晶振動子３０とを接続した状態における集積回路素子４０の周波数変化量と水晶振動素子３０の周波数変化量とは、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とに温度差がある場合の周波数変化量と、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とに温度差がない場合の周波数変化量とを比較した場合に、温度が−２０℃から７０℃の間でかつ周波数変化量が−０．５ｐｐｍ〜＋０．５ｐｐｍの範囲においてズレが従来よりも小さくなる。
また、例えば、図４に示すように、縦軸を周波数変化量、横軸を時間とした時間経過と周波数変化量との関係では、周波数変化率において加熱する前を０ｐｐｍとし、一時的に７０℃で温度補償型発振器１００を過熱した場合、集積回路素子４０と水晶振動素子３０との間に温度差が生じても、周波数変化量が−０．１０ｐｐｍ未満で−０．５ｐｐｍ〜＋０．５ｐｐｍの範囲内にあり、加熱開始から５秒前後で安定する。つまり、従来よりも、基準とした周波数変化量に近づく値となる。したがって、図５に示すように、このときの水晶振動素子３０における温度と周波数変化量との関係において、集積回路素子４０の温度補償信号と水晶振動素子３０の周波数特性とにズレが生じても、水晶振動素子３０の周波数特性の周波数が０ｐｐｍ／℃となる位置において、周波数変化量と温度との関係がなだらかな曲線となるため、安定した周波数の発振が可能となる。これにより、従来よりも短い時間で安定するので、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグが短くなるように改善することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、容器２０は、基板部２１の両主面に設けた枠部２２で凹部を形成したいわゆるＨ型構造の容器に限定されず、水晶振動素子と集積回路素子と同一の凹部に搭載可能とした容器、２つの凹部が並列に並べられた容器であっても良い。また、１つの容器に水晶振動素子を収納して気密封止した後に、集積回路素子を搭載した他の容器を、水晶振動素子を気密封止した容器に接続して温度補償型発振器を構成しても良い。
次に実施例について説明する。
温度補償型発振器１００の状態で、つまり、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とを電気的に接続した状態でありつつ、かつ、温度補償を行う前の状態で、水晶振動素子３０の三次関数的に変化する周波数特性を、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となるためには、水晶片３１をＡＴカット水晶片の基準角度と同一又は近傍のカットアングルで形成する。その後、この水晶片３１に励振電極３２を所定の膜厚で形成し、外部接続端子Ｇ等の膜厚や導電性接着剤Ｄの塗布量を考慮して、温度補償型発振器１００を製造する。なお、本発明の温度補償型発振器１００は、水晶振動素子３０の周波数特性が０ｐｐｍ／℃となる位置に三次関数の変曲点が位置している。
温度補償型発振器１００の状態で、つまり、集積回路素子４０と水晶振動素子３０とを電気的に接続した状態でありつつ、かつ、温度補償を行う前の状態で、水晶振動素子３０の三次関数的に変化する周波数特性を、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となるためには、水晶片３１をＡＴカット水晶片の基準角度と同一又は近傍のカットアングルで形成する。その後、この水晶片３１に励振電極３２を所定の膜厚で形成し、外部接続端子Ｇ等の膜厚や導電性接着剤Ｄの塗布量を考慮して、温度補償型発振器１００を製造する。なお、本発明の温度補償型発振器１００は、水晶振動素子３０の周波数特性が０ｐｐｍ／℃となる位置に三次関数の変曲点が位置している。
この本発明の実施形態に係る温度補償型発振器１００は、三次関数的に変化する水晶振動素子３０の周波数特性が、その三次関数の一次成分が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍として０ｐｐｍ／℃〜−０．３ｐｐｍ／℃の範囲となっている。これは、一次成分が０ｐｐｍ／℃を下回ったり、一次成分が−０．３ｐｐｍ／℃を上回ったりすると、温度に対する変曲点近傍の周波数の変動が大きくなり、水晶振動素子３０が必要とする周波数を発振するために必要な温度補償ができなくなる。また、集積回路素子４０と水晶振動素子３０との間に生じた温度差が一致して周波数が安定するまでにタイムラグが生じてしまう。
このように、三次関数的に変化する水晶振動素子３０の周波数特性が、その三次関数の一次成分が０ｐｐｍ／℃〜−０．３ｐｐｍ／℃の範囲となることで、水晶振動素子３０と集積回路素子４０とで温度差が生じても必要とする温度補償電圧に生じるズレの改善を良好にし、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグを改善することができる。
このように、三次関数的に変化する水晶振動素子３０の周波数特性が、その三次関数の一次成分が０ｐｐｍ／℃〜−０．３ｐｐｍ／℃の範囲となることで、水晶振動素子３０と集積回路素子４０とで温度差が生じても必要とする温度補償電圧に生じるズレの改善を良好にし、急激な温度差が生じても所定の周波数になるまでのタイムラグを改善することができる。
１００ 温度補償型発振器
１０ 蓋体
２０ 容器
３０ 水晶振動素子
４０ 集積回路素子
１０ 蓋体
２０ 容器
３０ 水晶振動素子
４０ 集積回路素子
Claims (4)
- 三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、
前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、
前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、かつ、温度補償を行う前の状態で、温度に対する周波数の変曲点近傍の変動が０ｐｐｍ／℃又は０ｐｐｍ／℃近傍となることを特徴とする温度補償型発振器。 - 三次関数的に周波数特性が変化する水晶片に励振電極を設けた水晶振動素子と周囲の温度に対応した温度補償を行うための集積回路素子とを所定の容器に備えた温度補償型発振器であって、
前記水晶振動素子は前記容器内に気密封止され、
前記集積回路素子と前記水晶振動素子とを電気的に接続した状態で、ＡＴカット水晶片の基準角度における周波数特性と同一又は近傍の周波数特性を有して構成されていることを特徴とする温度補償型発振器。 - 温度補償を行っている状態で、周波数変化量が−０．５ｐｐｍから＋０．５ｐｐｍの範囲となることを特徴とする請求項１に記載の温度補償型発振器。
- 前記水晶振動素子の周波数特性が、ＡＴカット水晶片の基準角度における周波数特性に対して０ｐｐｍ／℃から−０．３ｐｐｍ／℃の範囲となっていることを特徴とする請求項２に記載の温度補償型発振器。
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