JP2014033368A - 電子部品及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子の雰囲気温度が変化した場合にもヒステリシスの発生を抑制して、高い周波数安定性が得られる電子部品及び発振器を提供する。
【解決手段】第１及び第２の水晶振動子２、３を支持する台座部１５を水晶により構成しているので、温度変化に伴う第１及び第２の水晶振動子２、３の周波数についてのヒステリシスが抑えられ、このため第１及び第２の水晶振動子２、３の周波数を温度検出値に対応する値として取り扱うにあたり、温度検出値の信頼性が高くなるので、結果として発振器の出力周波数の安定化に寄与する。
【選択図】図２

Description

本発明は、容器内に水晶振動子を設けてなる電子部品及びこの電子部品を用いた発振器に関する。

水晶発振器は、水晶振動子の発振周波数に温度特性があることから、例えばＴＣＸＯ（温度補償型水晶発振器）では、サーミスタなどの温度検出器による温度検出値に基づいて制御電圧を補正している。特許文献１には、温度検出器としてサーミスタに代えて温度検出用の水晶振動子を用い、この水晶振動子の発振周波数を電圧に変換して制御電圧を補正することが記載されている。水晶振動子はパッケージ内に収められ、導電性接着剤を介して電極に接続されている。

一方、水晶振動子の周囲の温度が変化した場合に、水晶振動子を支持している支持部分に熱歪みが発生するが、水晶振動子の温度が元の温度に戻ったときに支持部分と水晶振動子との熱歪みの回復の程度の差により、ヒステリシスが発生してしまう。即ち、水晶振動子の温度が元の温度に戻っても支持部分からの応力により水晶振動子の周波数が元の周波数に戻るまでに長い時間を要する、あるいは水晶振動子の温度がｔ１からｔ２に変化したときに行きと帰りとでは温度に対する周波数が異なるといった現象が起こる。

このようなヒステリシスが生じると、水晶振動子を温度検出部として利用する場合には、温度検出値である周波数が温度に正確に追従しないことになり、発振器の温度補償について高い精度が得られなくなってしまう。また本件出願人はＯＣＸＯ（オーブンコントロール付き水晶発振器）についても、水晶振動子を温度検出値として用いてヒータの温度コントロールを行って、ＯＣＸＯについてより信頼性を高めることも検討しているが、この場合においても高い周波数安定度の確保を阻むことになる。

特開２０１１−１３５３４２号

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、水晶振動子の雰囲気温度が変化した場合にもヒステリシスの発生を抑制して、高い周波数安定性が得られる電子部品及び発振器を提供することにある。

本発明の電子部品は、水晶片に励振電極を設けて振動領域が形成された水晶振動子を容器内に配置してなる電子部品において、
前記容器内に固定され、前記水晶片と一体化された台座部を備え、
前記水晶片と台座部とは、共通の水晶材を削って加工することにより一体となっていることを特徴とする。

また本発明の電子部品は、前記振動領域は、互いに離間して形成された第１の振動領域及び第２の振動領域を有することを特徴としてもよい。
更に本発明の電子部品は、前記第１の振動領域及び第２の振動領域は、共通の水晶片に形成されていることを特徴としてもよい。

あるいは、本発明の電子部品は、水晶片に励振電極を設けて振動領域が形成された水晶振動子を容器内に配置してなる電子部品において、
前記容器内に固定され、前記水晶片を支持する水晶からなる台座部と、
前記水晶片と台座部とを固定すると共に水晶振動子の電極を容器側の電極と接続するための導電性接着剤と、を備え、
前記振動領域は、互いに離間して形成されると共に少なくとも一方が温度を検出するための検出部として用いられる第１の振動領域及び第２の振動領域を有していることを特徴としてもよい。

本発明の発振器は、上述の電子部品と、前記第１の振動領域及び第２の振動領域を夫々発振させるための第１の発振回路及び第２の発振回路と、前記第１の発振回路及び第２の発振回路からの各発振周波数に対応する値の互いの差分に応じた値を温度検出値に対応する値として利用することを特徴とする。

本発明によれば、水晶振動子を支持する台座を水晶により構成しているので、温度変化に伴う水晶振動子の周波数についてのヒステリシスが抑えられ、このため水晶振動子の周波数を温度検出値に対応する値として取り扱うにあたり、温度検出値の信頼性が高くなるので、結果として発振器の出力周波数の安定化に寄与する。

第１の実施の形態に係る発振器の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る電子部品の上側の構成を示す分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る電子部品の下側の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る電子部品品の構成を示す縦断側面図である。 第１の実施の形態に係る電子部品の変形例の上側の構成を示す分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る電子部品の変形例の下側の構成を示す分解斜視図である。 第１の実施の形態に係る電子部品の変形例の構成を示す縦断側面図である。 第２の実施の形態に係る発振器の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る電子部品の構成を示す分解斜視図である。 第２の実施の形態に係る電子部品の下側の構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係る電子部品の変形例の構成を示す分解斜視図である。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の実施の形態にかかるパッケージ内に水晶振動子を配置した電子部品（振動子パッケージ１）を用いて構成したＯＣＸＯの回路構成を示すブロック図である。
この発振装置は水晶振動子を用いた水晶発振器と、この水晶発振器における水晶振動子２、３の置かれる雰囲気の温度を調整するための加熱部であるヒータ４３と、ヒータを制御するためのヒータ制御部４２と、を備えている。

水晶発振器は、第１の水晶振動子２と、第２の水晶振動子３と、を備え、夫々の水晶振動子２，３が例えばコルピッツ回路により構成される第１の発振回路４及び第２の発振回路５と接続されている。第１の水晶振動子２と、第２の水晶振動子３とは、発振周波数と温度との関係を示す周波数―温度特性カーブが異なるように設計されている。従って振動子パッケージ１内の雰囲気温度の値によって、夫々の水晶振動子２、３の発振周波数の周波数差が異なる。第１の発振回路４からは、発振器の出力となる周波数信号ｆ１が出力され、第２の発振回路５からは周波数信号ｆ１との周波数差検出用の周波数ｆ２が出力される。第１の発振回路４の出力周波数ｆ１は、発振器の出力となると共に、第１の発振回路４及び第２の発振回路５の各々の後段に設けられた周波数差検出部４１に入力される。この例では、第１の水晶振動子２の３倍高調波を発振出力とし、第２の水晶振動子３の３倍高調波と第１の水晶振動子２の３倍高調波との周波数差に応じた値を温度検出値として用いている。

周波数差検出部４１は、第１の発振回路４の出力周波数ｆ１に対応する値と、第２の発振回路５の出力周波数ｆ２に対応する値の差分を算出して、振動子パッケージ１内の雰囲気温度の温度検出値に対応する値として、後段に設けられたヒータ制御部４２に出力する。例えば基準温度（例えば２５℃）における第１の発振回路４、第２の発振回路５の発振周波数を夫々ｆ１ｒ、ｆ２ｒとすると、前記差分はｄｆ１−ｄｆ２＝（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ−（ｆ２−ｆ２ｒ）／ｆ２ｒとなる。

振動子パッケージ１と近接した位置には、ヒータ回路４３が設けられている。ヒータ回路４３は、ヒータ制御部４２と接続されており、ヒータ制御部４２は、周波数差検出部４１から入力される温度検出値に対応する値に基いて、ヒータ回路４３に供給される供給電力を制御する。そのためヒータ回路４３の発熱量が調整されて振動子パッケージ１内の雰囲気温度が設定温度（例えば５０℃）になるように調整される。

続いて電子部品の構成について説明する。電子部品である振動子パッケージ１は、容器４と、容器４内に左右に並べて配置された第１の水晶振動子２及び第２の水晶振動子３と第１の水晶振動子２及び第２の水晶振動子３を支持する台座部１５、１６と、を備えている。
第１の水晶振動子２は、例えばＡＴカットの水晶片１１が用いられる。水晶片１１は、長さ３．５ｍｍ、幅１．８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの矩形状で幅方向に振動するように形成される。第１の水晶振動子２を構成する水晶片１１及び台座部１５は、共通の水晶材である水晶ブロック体からウエットエッチングにより削り出して製作され、台座部１５の上面部に水晶片１１が一体化して形成されている。第２の水晶振動子３を構成する水晶片１２及び台座部１６ついても同様に一体的に製作されている。第２の水晶振動子３は、第１の水晶振動子２とは、例えばカットの角度の異なる水晶片１２を用いることにより、周波数―温度特性カーブが異なるように設計される。

第１及び第２の水晶振動子２、３には、台座部１５の設けられない側に偏心するように第１及び第２の振動領域１３、１４が設けられている。第１及び第２の振動領域１３、１４の表面側には、夫々矩形の励振電極２１、２３が設けられ、第１及び第２の振動領域１３、１４の裏面側には、上面側の励振電極２１、２３と水晶片１１、１２を介して対向する位置に、夫々励振電極２２、２４が形成されている。

第１の水晶振動子２の上面側に設けられた励振電極２１からは、手前方向に引き出し電極３１が伸ばされ、水晶片１１の手前側の面、即ち台座部１５の手前側の面を介して、台座部１５の下面側まで引き回されている。水晶片１１の下面側の励振電極２２からは、手前側に引き出し電極３２が伸ばされ、台座部１５の奥側の面を介して台座部１５の下面側まで引き回されている。引き出し電極３１、３２は、台座部１５の下面側まで引き回された後、電極端３１ａ、３２ａが形成されている。第２の水晶振動子３に設けられている励振電極２２、２４からも第１の水晶振動子２と同様に引き出し電極３３、３４が伸ばされて台座部１６の下面側で電極端３３ａ、３４ａが形成されている。

第１の水晶振動子２及び第２の水晶振動子３が設置される容器４は、上方が開口した箱型に形成されるベース体５０と、ベース体５０の上方を閉じる蓋部６０と、が組み合わされることで構成される。
ベース体５０は、例えばアルミナで構成された配線基板により構成され、内側の底面部には、端子部４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａが並べて設けられる。夫々の端子部４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａは、ベース体５０に第１及び第２の水晶振動子２、３を設置した際に、夫々の水晶片１１、１２の下面に設けられた端子部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａと対応する位置に配置されている。ベース体５０の底面上の夫々の端子部４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａからは、ベース体５０の手前方向に配線４１〜４４が伸ばされている。ベース体５０から伸ばされた夫々の配線４１〜４４は、ベース体５０の底面を引き回された後、側壁面を貫通して外部へと引き回される。あるいは、ベース体５０の底面の内部に配線基板を設けて、スルーホールによりベース体５０の底面の配線４１〜４４を短絡させて、ベース体５０の内部を引き回すことにより、容器４の外部まで引き回してもよい。

第１及び第２の水晶振動子２、３は、夫々の台座部１５、１６の下面に例えばシリコン系の接着剤が塗布され、ベース体５０の底面に、第１及び第２の振動領域１３、１４が片持ち状に支持された状態で固定される。同時に水晶振動子１０の端子部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａと、ベース体５０に設けられた端子部４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａが導電性接着剤９によって、夫々接続される。第１及び第２の水晶振動子２、３を内部に固定した後、ベース体５０の上方は、例えばアルミナで構成される蓋部６０により閉じられる。
振動子パッケージ１は、容器４の内部から伸ばされる配線４１〜４４により外部の回路と接続される。例えば図１で示すＯＣＸＯに組み込む場合には、配線４１、４２は、第１の発振回路４、と接続され、配線４３、４４は第２の発振回路５と接続される。

上述の実施の形態であるＯＣＸＯの作用について説明する。ヒータ回路４３は、発振器が置かれる雰囲気を設定温度、例えば５０℃になるようにヒータ制御部４２から電力が供給されて加熱されている。具体的には、第１の発振回路４の周波数に対応する値と第２の発振回路５の周波数に対応する値との差分である既述のｄｆ１−ｄｆ２と、前記差分の設定値と、の差分に応じた電力がヒータ回路４３に供給されるようにヒータ制御部４２が動作している。そして発振器の環境温度の変化等により、第１及び第２の水晶振動子２、３の温度が変化して前記差分が変化するとその変化分に応じてヒータ回路４３の供給電力が増減され、即ち変化分を打ち消すように供給電力が制御され、結果として第１及び第２の水晶振動子２、３の温度が５０℃に維持されようとする。

ここで第１及び第２の水晶振動子２、３が置かれている温度が５０℃から変化すると第１及び第２の水晶振動子２、３及び台座部１５、１６の温度が変化するが、第１及び第２の水晶振動子２、３及び台座部１５，１６は、一体物なので、両者は同じように熱収縮する。このため温度が５０℃から５０℃＋Δｔに変化したときにおける周波数―温度特性カーブ上の周波数の軌跡と、５０℃＋Δｔから５０℃に戻るときの同軌跡との差が小さくなる。従って水晶振動子の温度と周波数との対応関係が温度変化の向きに応じて、変わってしまう程度が小さくなるので、ヒータ回路４３による温度制御を高い精度をもって行うことができる。また第１及び第２の水晶振動子２、３の温度が５０℃に戻った時の周波数の戻り時間も短くなることも相俟って、発振器の出力周波数が安定したものとなる。

上述の実施の形態によれば、第１及び第２の水晶振動子２、３を支持する台座部１５、１６を水晶により構成して第１及び第２の水晶振動子２、３と一体化するように構成している。そのため温度変化に伴う第１及び第２の水晶振動子２、３の周波数についてのヒステリシスが抑えられ、このため第１及び第２の水晶振動子２、３の周波数を温度検出値に対応する値として取り扱うにあたり、温度検出値の信頼性が高くなるので、結果として発振器の出力周波数の安定化に寄与する。
［第１の実施の形態の変形例］
また本発明の振動子パッケージ１は、第１及び第２の水晶振動子２、３と台座部１５、１６が一体的に構成されていなくともよい。図５〜図７に示すように、夫々の水晶片１７、１８は、例えば幅１．８０ｍｍ、長さ３．５ｍｍ、厚さ０．０６ｍｍの板状に形成され、第１の実施の形態と同様に、夫々の水晶振動子２、３の周波数―温度特性カーブが異なるように、例えば、各水晶片１７、１８のカットの角度が異なるように形成される。

水晶片１７、１８に設けられる第１及び第２の振動領域１３、１４は、水晶片１７、１８の幅方向の奥側に偏心した位置に設けられ、水晶片１７、１８の長さ方向に２つ並べて配置される。第１及び第２の振動領域１３、１４の表面側と裏面側には夫々矩形状の励振電極２１〜２４が設けられる。夫々の励振電極２１〜２４からは、手前側に向かって引き出し電極３１〜３４が伸ばされる。上側の励振電極２１、２３は、水晶片１４の手前側の側面部を介して下面側まで引き回されて電極端３１ａ、３３ａが形成されており、下面側の励振電極２２、２４は手前側に引き出し電極３２、３４を伸ばされて電極端３２ａ、３４ａを形成している。

台座部１９（２０）は、水晶で形成される。台座部１９（２０）は、幅１．８ｍｍ、長さ３．５ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの矩形の平板上に成形される。台座部１９（２０）の上面側には、電極端５１ａ、５２ａ（５３ａ、５４ａ）が並べて配置される。夫々の電極端５１ａ、５２ａ（５３ａ、５４ａ）からは、台座部１９（２０）の手前側に引き出し電極５１、５２（５３、５４）が伸ばされた後、手前側の面を引き回されて、下面側へと引き回され、電極端５１ｂ、５２ｂ（５３ｂ、５４ｂ）が設けられている。水晶片１７（１８）に設けられた電極端３１ａ、３２ａ（３３ａ、３４ａ）と、台座部１９（２０）の上面側の電極端５１ａ、５２ａ（５３ａ、５４ａ）は、夫々導電性接着剤９を用いて接続される。

夫々の台座部１９、２０は、第１の実施の形態と同様にベース体５０と蓋部６０により構成される容器４の内部に固定される。台座部１５は、ベース体５０に固定され、夫々の台座部１９、２０の下面側に設けられた電極端５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ、５４ｂは、夫々ベース体５０に設けられた電極端４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａと導電性接着剤９を用いて接続される。このような構成の場合にも、水晶片１７（１８）と台座部１９（２０）は、同じ材質を用いているため、水晶片１７（１８）と台座部１９（２０）の間で生じる熱歪みを抑制できるため第１及び第２の水晶振動子２、３の発振周波数へのヒステリシスの発生を抑えることができる。
［第２の実施の形態］
図８は本発明の実施の形態に係る、電子部品を用いて構成したＴＣＸＯの回路構成を示すブロック図である。ＴＣＸＯは発振器の出力を生成する第３の発振回路６３と、温度検出用の第１、第２の発振回路４、５を備えている。第３の発振回路６３は、例えば水晶振動子６０と、コルピッツ回路とで構成された電圧制御発振器として構成されている。

第１の発振回路４及び第２の発振回路５は、共通の水晶片７１に設けられた第１の振動領域１３及び第２の振動領域１４を夫々発振させる。夫々の発振回路４、５からの出力周波数は、周波数差検出部６１に入力され、夫々の発振回路４、５の出力周波数の差に対応した値が算出される。この周波数差に対応した値は、発振装置の雰囲気温度に対応した値であり、温度補償部においては、この温度に対応した値に基いて、温度変化により生ずる水晶振動子の周波数の誤差を補償するように第３の発振回路６３に印加される制御電圧を調整して第３の発振回路６３から出力される発振周波数が安定するように構成している。

ＴＣＸＯの温度補償用に用いられる水晶振動子７０は、図９、１０に示すように第１及び第２の振動領域１３、１４を共通の水晶片７１上に構成する。水晶片７１は、ＡＴカットに形成され、長さ３．６ｍｍ、幅１．８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍで長さ方向に振動するように設計される。水晶片７１は、第１の実施の形態と同様水晶片と台座部とが一体的になるように構成されているが、第１の水晶振動子と第２の水晶振動子とが共通の水晶片を用いて構成されている。

第１及び第２の振動領域１３、１４の表面側及び裏面側には、夫々励振電極２１、２２、２３、２４が設けられている。第１の振動領域１３に形成される励振電極２１、２２は、例えば厚さ１０００Åで形成され、一方第２の水晶振動子３の励振電極２３、２４は、２５００Åで矩形状に形成されており、夫々の第１及び第２の振動領域１３、１４を振動させたときの発振周波数が異なるように形成されている。

夫々の励振電極２１、２２、２３、２４からは、水晶片７１の手前方向に引き出し電極３１、３２、３３、３４が伸ばされており、台座部７２の下面側まで引き回されており、電極端３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａが水晶片７１の長さ方向に並ぶように配置されており、ベース体５０に固定されると、ベース体５０の底面に設けられた電極端４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａと夫々接続されるように設けられている。

このような構成にすることで共通の水晶片７１上に励振電極２１、２２、２３、２を設けて構成される水晶振動子７０を備える電子部品であっても、温度変化に伴い発生する水晶振動子の周波数についてのヒステリシスが抑えられる。また実装される水晶振動子７０は、図１１に示すように台座部１５と一体的に形成されていない構成でもよく、水晶片７４を、水晶で構成された台座部７５で支持する構成としても良い。長さ板状の水晶片７４に第１の水晶振動子２と、第２の水晶振動子３と、水晶片の長さ方向に並ぶように構成して、水晶で構成された台座部７５に接続して、ベース体５０に固定するように構成しても同様な効果が得られる。なお、ＯＣＸＯについて図２、図５に示す形状の水晶振動子を用いてもよいし、ＴＣＸＯについて図８、図９に示す形状の水晶振動子を用いてもよい。

１ 振動子パッケージ
２ 第１の水晶振動子
３ 第２の水晶振動子
１１、１２ 水晶片
１５、１６ 台座部
１３ 第１の振動領域
１４ 第２の振動領域
２１〜２４ 励振電極
４ 第１の発振回路
５ 第２の発振回路
５０ ベース体
６０ 蓋部
７ 容器
９ 導電性接着剤

Claims (5)

1. 水晶片に励振電極を設けて振動領域が形成された水晶振動子を容器内に配置してなる電子部品において、
   前記容器内に固定され、前記水晶片と一体化された台座部を備え、
   前記水晶片と台座部とは、共通の水晶材を削って加工することにより一体となっていることを特徴とする電子部品。
2. 前記振動領域は、互いに離間して形成された第１の振動領域及び第２の振動領域を有することを特徴とする請求項１記載の電子部品。
3. 前記第１の振動領域及び第２の振動領域は、共通の水晶片に形成されていることを特徴とする請求項２記載の電子部品。
4. 水晶片に励振電極を設けて振動領域が形成された水晶振動子を容器内に配置してなる電子部品において、
   前記容器内に固定され、前記水晶片を支持する水晶からなる台座部と、
   前記水晶片と台座部とを固定すると共に水晶振動子の電極を容器側の電極と接続するための導電性接着剤と、を備え、
   前記振動領域は、互いに離間して形成されると共に少なくとも一方が温度を検出するための検出部として用いられる第１の振動領域及び第２の振動領域を有していることを特徴とする電子部品。
5. 請求項２ないし４のいずれか一項に記載の電子部品と、前記第１の振動領域及び第２の振動領域を夫々発振させるための第１の発振回路及び第２の発振回路と、前記第１の発振回路及び第２の発振回路からの各発振周波数に対応する値の互いの差分に応じた値を温度検出値に対応する値として利用することを特徴とする発振器。

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