JP2014022771A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】容器と、水晶振動子と、水晶振動子を用いる発振回路を少なくとも有する集積回路チップと、を有し、水晶振動子と集積回路チップとを容器に収容して一体化させた水晶発振器において、大きな強励振パワーを安定して水晶振動子に印加できるようにする。
【解決手段】集積回路チップ２において、水晶振動子１との電気的接続に用いられる第１及び第２の水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２に、それぞれ第１及び第２の抵抗Ｒ１，Ｒ２を接続し、発振回路を構成する発振用の増幅器３の出力と入力とが、これらの抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２に電気的に接続するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振器に関し、特に、水晶振動子の強励振を容易に行うことができる水晶発振器に関する。

水晶振動子とこの水晶振動子を用いる発振回路を集積した集積回路（ＩＣ）チップ（ＬＳＩチップとも呼ぶ）とを容器内に収容して一体化した水晶発振器は、周波数や時間の基準源として、各種の電子機器において広く用いられている。図３は典型的な水晶発振器の回路構成を示す図であり、図４は集積回路チップの等価インピーダンスを説明する図である。

図３に示す水晶発振器において、水晶振動子１は、半導体集積回路装置として形成される集積回路チップ２に対しては外付けとされている。そこで集積回路チップ２には、水晶振動子１との電気的接続に設けられる１対の水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２が設けられている。集積回路チップ２には、水晶振動子１が接続することによって発振する発振回路が設けられている。この発振回路は、増幅器を備え、例えば、水晶振動子１の１対の端子が接続することで発振ループが形成される帰還形発振回路である。帰還形発振回路の回路構成としては種々のものがあるが、以下の説明では、集積回路チップ２に設けられる発振回路は、一例として、反転型の増幅器（インバータ）を有するインバータ型発振回路であるものとする。この場合、集積回路チップ２には、図４に示すように、発振用の増幅器３と、増幅器３に対する帰還抵抗Ｒｆと、水晶振動子１に対する１対の負荷容量Ｃ１，Ｃ２と、増幅器３によって得られた発振出力を外部回路に出力するために増幅するバッファ回路４とが、半導体装置製造技術によって形成されている。集積回路チップ２の内部において、発振用の増幅器３の出力には、水晶接続端子Ｘ１と、帰還抵抗Ｒｆの一端と、容量Ｃ１の一端と、バッファ回路４の入力とが接続している。容量Ｃ１の他端は接地している。同様に、発振用の増幅器３の入力には、水晶接続端子Ｘ２と、帰還抵抗Ｒｆの他端と、容量Ｃ２の一端とが接続している。容量Ｃ２の他端は接地している。集積回路チップ２には、バッファ回路４の出力に接続する出力端子５も設けられている。この回路構成では、水晶振動子１は、共振回路として、増幅器３の帰還ループ内に挿入されていることになる。図には示されていないが、集積回路チップ２には、電源への接続のために、電源端子や接地端子などの各端子も設けられている。集積回路チップ２を単体で考えた時の非通電時における水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２間のインピーダンスを集積回路チップ２のインピーダンスＺ１とする。

水晶振動子１と集積回路チップ２とは、例えば、セラミック製の容器１０内に収容される。図５は、水晶発振器の一例の断面構造を示している。ここに示した例では、水晶発振器は表面実装型の水晶発振器として形成されており、容器１０は、扁平な略直方体形状を有する表面実装用のものである。容器１０の図示下面すなわち外底面には、この水晶発振器を回路基板上に表面実装する際に用いられる実装電極１１が設けられている。

容器１０の図示上面に凹部１２が形成されており、凹部１２を金属カバー１３によって閉じることによって、凹部１２内に水晶振動子１と集積回路チップ２とが密閉封入されている。凹部１２内に封入されていることから、水晶振動子１としては、両方の主面にそれぞれ励振電極が形成されている水晶片がそのままで使用されている。水晶片は、例えば、略矩形形状のＡＴカットの水晶片である。凹部１２の内側面には段部が形成されており、水晶振動子１である水晶片は、その一端部の両側が導電性接着剤１４によってこの段部に固着されて、凹部１２内に水平に保持されている。また、段部の上面には、水晶振動子１との電気的接続に用いられる１対の保持端子１５が設けられており、導電性接着剤１４により、保持端子１５は水晶振動子１と電気的にも接続することになる。水晶振動子１においては、１対の保持端子１５への接続の位置に向けて、両方の主面にそれぞれ設けられた励振電極から引出電極が形成されている。

凹部１２の底面には、集積回路チップ２に設けられた各端子の位置に合わせて、集積回路チップ２との電気的接続に用いられ回路端子１６が設けられており、バンプ１７を介したフリップチップボンディングによって集積回路チップ２の端子を回路端子１６に対して接続することにより、凹部１２の底面に集積回路チップ２が固着されることになる。また、容器１０に形成された導電路を介し、回路端子１６と実装電極１１とが電気的に接続し、回路端子１６と保持端子１５とが電気的に接続している。これらにより、集積回路チップ２内の電子回路が、実装電極１１と電気的に接続し、水晶振動子１とも電気的に接続することになる。特に、集積回路チップ２内の発振用の増幅器３は、水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２、バンプ１７、回路端子１６、導電路、保持端子１５及び導電性接着剤１４を介して水晶振動子１に電気的に接続する。また、集積回路チップ２の電源端子や接地端子、出力端子も、バンプ１７、回路端子１６及び導電路を介して、それぞれ、電源用、接地用、出力用の実装電極１１に電気的に接続する。

ところで、近年では電子機器の小型化の進展とともに、電子機器において用いられる各種の部品の小型化も進んでおり、水晶発振器においては、例えば、その平面外形サイズが３．２ｍｍ×２．５ｍｍあるいは２．５ｍｍ×２．０ｍｍのものまでが一般的に使用されるようになってきている。これに伴い、水晶発振器内に設けられる水晶振動子の外形サイズも、例えば、２．５ｍｍ×２．０ｍｍあるいは２．０ｍｍ×１．６ｍｍと小さくなってきている。

水晶発振器の製造工程では、水晶振動子上に付着した異物の除去や、水晶振動子を容器に固着した際などに発生した内部応力の開放のために、水晶発振器としての通常の動作時に水晶振動子に印加される励振パワーに比べて十分に大きな励振パワーを水晶振動子に印加する強励振を実行する。強励振を行うと、水晶振動子が通常よりも大きな振幅で振動することとなり、その表面に付着していた異物が脱落し、また、内部応力も緩和されて解放されることになる。しかしながら、図５に示したような構成の水晶発振器の場合、その製造工程においては容器１０に対して集積回路チップ２を固着したあとに水晶振動子１を実装することとなるから、強励振時において、水晶振動子１のみに強励振パワーを印加することができず、水晶振動子１と集積回路チップ２とが電気的に並列に接続した状態で強励振パワーを印加することになる。水晶発振器を完成させたのちの最終的な検査段階において強励振を行う場合もある。

図６は、強励振を行っているときの電気的な等価回路を示している。容器１０の外表面には、強励振パワーを水晶振動子１に印加するために、１対の保持端子１５にそれぞれ電気的に接続する１対の外部接続端子Ｙ１，Ｙ２が設けられている。外部接続端子Ｙ１，Ｙ２は実装電極１１として設けられていてもよいし、実装電極１１とは独立して例えば容器１０の外側面に設けられていてもよい。外部接続端子Ｙ１，Ｙ２に対して外部発振回路として同調型発振回路２０を接続し、水晶振動子１をこの同調型発振回路２０における同調共振回路として用いて同調型発振回路２０を発振させることにより、水晶振動子１の共振周波数と同調した強励振パワーが水晶振動子１に印加されることになる。このとき、水晶振動子１に対して集積回路チップ２が電気的に並列に接続しているが、半導体回路であるため、集積回路チップ２のインピーダンスＺ１は、印加されるパワーの大きさに応じて変化する。すなわち、強励振パワーが小さいときには、一般に、水晶振動子１のインピーダンスＺｘよりも集積回路チップ２のインピーダンスＺ１が十分に大きくなり、強励振パワーが適切に水晶振動子１に与えられる。しかしながら、強励振パワーが大きくなると、集積回路チップ２のインピーダンスＺ１が低下して水晶振動子１のインピーダンスＺｘよりも小さくなって強励振のパワーが集積回路チップ２で消費されるようになり、その結果、水晶振動子１には適切な強励振パワーが印加されなくなる。水晶振動子１に適切な強励振パワーが印加されないと、水晶振動子１上の異物の除去や内部応力の開放も適切に行えなくなる。また、同調型発振回路２０の同調共振回路として機能する水晶振動子１に対して並列に低いインピーダンスが接続していると、同調型発振回路２０自体が正常に発振しなくなるおそれもある。

なお、特開２００４−１０３９０３号公報（引用文献１）及び特開２０１１−１３５３１７号公報（引用文献２）は、発振用の増幅回路を備える半導体装置（集積回路）に対して少なくとも水晶振動子とを外付け部品として接続して発振回路を構成する際に、半導体装置の静電破壊を防止するために、半導体装置において、その外部接続用の端子と内部の増幅回路との間に抵抗素子を設けることを開示している。

特開２００４−１０３９０３号公報 特開２０１１−１３５３１７号公報

水晶振動子とこの水晶振動子を用いる発振回路を集積した集積回路チップとを容器内に収容して一体化させた水晶発振器では、水晶振動子に集積回路チップが電気的に接続した状態で水晶振動子に対して強励振処理を行おうとしても、十分な強励振パワーを水晶振動子に印加できない、という課題がある。水晶発振器の構造によっては、水晶振動子を容器に固着させる前に集積回路チップを容器に固着させる必要があるので、十分な強励振パワーを水晶振動子に印加できない、という課題は重大なものである。

そこで本発明の目的は、大きな強励振パワーを安定して水晶振動子に印加できる水晶発振器を提供することにある。

本発明の水晶発振器は、水晶振動子と、水晶振動子を用いる発振回路を少なくとも有する集積回路チップと、水晶振動子と集積回路チップとを内部に収容する容器と、を有する水晶発振器において、発振回路は、水晶振動子を接続することで発振ループが形成される帰還形発振回路であり、集積回路チップは、水晶発振子との電気的接続に用いる第１及び第２の水晶接続端子と、第１の水晶接続端子と発振回路の出力とを接続する第１の抵抗と、第２の水晶接続端子とを発振回路の入力とを接続する第２の抵抗と、をさらに有し、第１の抵抗と第２の抵抗の抵抗値の和は水晶振動子のインピーダンスよりも大きく、容器の外表面に、水晶振動子の強励振のために用いられる第１及び第２の外部接続端子が設けられ、第１の水晶接続端子と第１の外部接続端子と水晶振動子とを電気的に接続し、第２の水晶接続端子と第２の外部接続端子と水晶振動子とを電気的に接続する導電路が容器に形成されていることを特徴とする。

集積回路チップの内部において、第１の抵抗を介して発振回路の出力が第１の水晶接続端子に接続し、第２の抵抗を介して発振回路の入力が第２の水晶接続端子に接続するようにしているので、水晶振動子に対して並列に接続される集積回路チップのインピーダンスは、第１及び第２の抵抗の抵抗値の和よりも大きくなる。第１及び第２の抵抗の抵抗値の和は水晶振動子のインピーダンスよりも設定されているので、共振周波数において水晶振動子のインピーダンスよりも集積回路チップのインピーダンスの方が必ず大きくなり、これにより、大きな強励振パワーを水晶振動子に印加する場合であっても、強励振のための同調型発振回路などの外部発振回路の発振動作が安定し、かつ、十分な強励振パワーを水晶振動子に印加できるようになる。

本発明の実施の一形態の水晶発振器における集積回路チップの回路構成とその等価インピーダンスを説明する回路図である。 図１に示した水晶発振器での強励振動作を説明する回路図である。 水晶発振器の回路構成の一例を示す図である。 集積回路チップの回路構成とその等価インピーダンスを説明する回路図である。 水晶発振器の構成の一例を示す断面図である。 強励振動作を説明する回路図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。本発明の実施の一形態の水晶発振器を説明する図１及び図２において、図３〜図６におけるものと同一部分には同じ参照番号を付与して、それらのものについての説明は簡略化又は省略する。

図１は、本実施形態の水晶発振器における集積回路チップの回路構成を示している。本実施形態の水晶発振器は、図３〜図５を用いて説明したものと同様のものであるが、図１に示すように、集積回路チップ２の内部構成が図３に示したものと異なっている。本実施形態において集積回路チップ２内の発振回路は、発振用の増幅器３、バッファ回路４、負荷容量Ｃ１，Ｃ２及び帰還抵抗Ｒｆを備えており、さらに、２つの抵抗Ｒ１，Ｒ２を備えている。すなわち本実施形態では、集積回路チップ２において、抵抗Ｒ１は、増幅器３の出力と水晶接続端子Ｘ１との間に設けられ、増幅器３の入力と水晶接続端子Ｘ２との間に設けられている。その結果、集積回路チップ２を単体で考えた時の非通電時における水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２間のインピーダンスＺ２は、集積回路チップ２での増幅器３や帰還抵抗Ｒｆ、負荷容量Ｃ１，Ｃ２が図４に示した場合と同じであるとすると、図４に示した場合のインピーダンスＺ１に、さらに、抵抗Ｒ１，Ｒ２によるインピーダンスが加算されたものとなる。すなわち、
Ｚ２＝Ｒ１＋Ｚ１＋Ｒ２
となる。

本実施形態の水晶発振器も、水晶振動子１と集積回路チップ２とを容器１０内に収容して一体化したものであり、容器への水晶振動子１と集積回路チップ２との収容構造としては、例えば、図５に示したものと同じ構造を有している。したがって、容器１０の外表面には、水晶振動子１の強励振を行う際に同調型発振回路２０が接続される外部接続端子Ｙ１，Ｙ２が設けられている。

同調型発振回路は、その外部に設けられた共振回路（同調共振回路という）と接続することによって、その共振回路の共振周波数で発振する回路のことである。共振回路が接続していない状態では、同調型共振回路は発振動作を行わないか、異なる周波数で自励発振を行う。水晶振動子の強励振を行う場合に同調型発振回路を使用すると、その水晶振動子が同調共振回路ということになり、水晶振動子の共振周波数で同調型発振回路が発振し、強励振パワーが水晶振動子に印加されることになる。

図２は、本実施形態の水晶発振器に対して強励振を行っているときの電気的な等価回路を示している。同調型発振回路２０を外部接続端子Ｙ１，Ｙ２に接続し、水晶振動子１をこの同調型発振回路２０における同調共振回路として用いて同調型発振回路２０を発振させた場合を考える。水晶振動子１に対して集積回路チップ２が電気的に並列に接続しているが、同調型発振回路２０が安定に発振するかどうかは、発振周波数すなわち水晶振動子１の共振周波数において、水晶振動子１のインピーダンスＺｘすなわち等価直列抵抗よりも集積回路チップ２のインピーダンスの方が大きいことである。水晶振動子１の等価直列抵抗よりも、水晶振動子１に直列に接続する集積回路チップ２のインピーダンスの方が小さいときには、同調型発振回路２０は安定して発振せず、したがって、水晶振動子１の強励振も行うことができなくなる。

集積回路チップ２において、発振用の増幅器３、帰還抵抗Ｒｆ及び負荷容量Ｃ１，Ｃ２からなる部分のインピーダンスはＺ１である（図４参照）。集積回路チップ２内に抵抗Ｒ１，Ｒ２が設けられていないとすると、図６に示したように水晶振動子１の強励振を行う際には、水晶振動子１に対してインピーダンスＺ１が並列接続することになる。したがって、強励振パワーを大きくしようとした場合に、Ｚｘ＞Ｚ１となって、同調型発振回路２０が正常に発振しないこととなり、水晶振動子１の強励振も行えないこととなる。

これに対して本実施形態の水晶発振器の場合、水晶振動子１に並列に接続する集積回路チップ２のインピーダンスはＺ２であり、Ｚ２は、Ｚ２＝Ｒ１＋Ｚ１＋Ｚ２で表される。Ｚ１は印加パワーに応じて低下するのに対し、抵抗Ｒ１，Ｒ２は印加パワーによらずにそれぞれ一定であるから、Ｚ２＞Ｒ１＋Ｒ２が成立する。したがって、水晶振動子１のインピーダンスＺｘよりもＲ１＋Ｒ２が大きくなるように抵抗Ｒ１，Ｒ２を設定すれば、任意の強励振パワーに対してＺｘ＞Ｚ２が成立することになり、強励振パワーによらずに同調型発振回路２０は安定して発振し、強励振も安定して行えることになる。また、集積回路チップ２のインピーダンスＺ２が大きいことから、強励振パワーを水晶振動子１に対して効率よく印加することができるようになり、水晶振動子１に付着した異物の除去や水晶振動子１の内部応力の開放を確実に行うことができるようになる。

次に、抵抗Ｒ１，Ｒ２の好ましい値について説明する。上記の説明から明らかなように、任意パワーレベルで安定して強励振を行うためには、水晶振動子１のインピーダンスをＺｘとして、Ｚｘ＞Ｒ１＋Ｒ２とすれば十分である。この条件内で抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との値を任意に定めることができるが、例えば、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２のいずれも、水晶振動子１のインピーダンスＺｘの半分より大きくする、すなわちＲ１＞Ｚｘ／２かつＲ２＞Ｚｘ／２とすることができる。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の一方の値をＺｘより大きくし他方の値をゼロとしてもＺｘ＞Ｒ１＋Ｒ２の条件が満たされるが、集積回路チップ２内の電子回路の静電破壊などの不具合を防止する観点からは、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２を同じような値とすることが好ましい。

以上説明した本実施形態の水晶発振器は、水晶振動子と集積回路チップとを容器に格納する形態として、図５に示したように、容器１０に設けられた１か所の凹部１２内に水晶振動子１と集積回路チップ２とを密閉封入する構成としている。しかしながら本発明における水晶振動子と集積回路チップとを容器に格納する形態としては、これに限られるものではない。例えば、扁平な容器本体の一方の主面に設けられた凹部内に水晶振動子に対応する水晶片を密閉封入し、容器本体の他方の主面に設けられた凹部内に集積回路チップを収容するように、本発明の水晶発振器を構成することもできる。また、集積回路チップ２に設けられる発振回路も、水晶振動子１を接続することで発振ループが形成される帰還形発振回路であれば、上述したようなインバータ型発振回路に限定されるものでもない。

以上の説明では、同調型発振回路を外部接続端子Ｙ１，Ｙ２に接続することによって、水晶振動子の強励振を行っているが、強励振を実施するための構成はこれに限られない。強励振は、水晶振動子の共振周波数に正確に一致する周波数で水晶振動子を強く励振することで実施されるから、例えば、シグナルジェネレータ（ＳＧ）のような周波数掃引を行うことができる信号発生器を用いても強励振を行うことができる。周波数掃引を行える信号発生器を用いる場合には、その信号発生器を外部接続端子Ｙ１，Ｙ２に接続し、周波数掃引を行いながら信号発生器からの信号を水晶振動子に加えて同調点すなわち共振周波数を検出し、検出された同調点で周波数掃引を停止し信号発生器からの信号を水晶振動子に加えることによって、強励振を行えばよい。

１ 水晶振動子；２ 集積回路チップ；３ 増幅器；４ バッファ回路；５ 出力端子；１０ 容器；１１ 実装電極；１２ 凹部；１３ 金属カバー；１４ 導電性接着剤；１５ 保持端子；１６ 回路端子；１７ バンプ；２０ 同調型発振回路；Ｃ１，Ｃ２ 負荷容量；Ｒ１，Ｒ２ 抵抗；Ｒｆ 帰還抵抗；Ｘ１，Ｘ２ 水晶接続端子；Ｙ１，Ｙ２ 外部接続端子。

Claims (6)

1. 水晶振動子と、前記水晶振動子を用いる発振回路を少なくとも有する集積回路チップと、前記水晶振動子と前記集積回路チップとを内部に収容する容器と、を有する水晶発振器において、
   前記発振回路は、前記水晶振動子を接続することで発振ループが形成される帰還形発振回路であり、
   前記集積回路チップは、前記水晶発振子との電気的接続に用いる第１及び第２の水晶接続端子と、前記第１の水晶接続端子と前記発振回路の出力とを接続する第１の抵抗と、前記第２の水晶接続端子とを前記発振回路の入力とを接続する第２の抵抗と、をさらに有し、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗の抵抗値の和は前記水晶振動子のインピーダンスよりも大きく、
   前記容器の外表面に、前記水晶振動子の強励振のために用いられる第１及び第２の外部接続端子が設けられ、
   前記第１の水晶接続端子と前記第１の外部接続端子と前記水晶振動子とを電気的に接続し、前記第２の水晶接続端子と前記第２の外部接続端子と前記水晶振動子とを電気的に接続する導電路が前記容器に形成されていることを特徴とする、水晶発振器。
2. 前記第１及び第２の外部接続端子は、前記強励振の際に、前記水晶振動子を同調共振回路とする同調型発振回路が接続されるように構成されている、請求項１に記載の水晶発振器。
3. 前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値の各々が前記水晶振動子のインピーダンスの半分よりも大きい、請求項１または２に記載の水晶発振器。
4. 前記第１の抵抗の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値が等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶発振器。
5. 前記容器は扁平な形状を有して一主面に凹部を備え、前記凹部に前記水晶振動子と前記集積回路チップとがともに収容されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水晶発振器。
6. 前記容器は扁平な形状を有し、前記容器の一方の主面に形成された凹部内に前記水晶振動子が収容され、前記容器の他方の主面に形成された凹部内に前記集積回路チップが収容されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水晶発振器。

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