JP2015033065A - 水晶振動子及び水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、安定した出力周波数が得られ、汎用性が高い水晶振動子と、それを用いた低コスト且つ高品質の水晶発振器を提供する。
【解決手段】 水晶片３と縦横の長さが同程度で、ヒータ回路２２（又は／及び降温素子）と温度センサ２１とを備えたＩＣ基板２のパッド上に、導電性接着剤４によって水晶片３が固定され、ＩＣ基板２及びそれに接着された水晶片３をパッケージ１に封入し、水晶片３と温度センサ２１及びヒータ回路２２とを近接して配置した水晶振動子であり、また、当該水晶振動子の外部に発振回路と温度制御回路又は温度補償回路を設けた水晶発振器としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子及び水晶発振器に係り、特に出力周波数信号の安定度を向上させることができる水晶振動子及び水晶発振器に関する。

［先行技術の説明］
従来、パッケージングされた水晶振動子を単体で用いて、その水晶振動子と、温度センサ及び温度補償回路を組み合わせてＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator；温度補償型水晶発振器）として動作させるものがある。

しかし、このような構成とした場合には、水晶片と温度センサとが離れて配置されるため、周波数起動特性に影響を与えたり、温度上昇ランプ（温度上昇の傾き）に周波数ヒステリシス特性を生じることがあった。

また、パッケージングされた水晶振動子を単体で使用して、温度センサ、ヒータ回路、及び温度制御回路を組み合わせて、ＯＣＸＯ（Oven Controlled Crystal Oscillator；恒温槽付水晶発振器）として動作させるものがある。
この場合には、水晶片と温度センサとが離れて配置されている場合には、水晶振動子そのものの温度制御の精度が低下することがある。また、発振器全体を温度制御しなければならないため、消費電力が増加してしまう。

［関連技術］
尚、水晶振動子に関する技術としては、特開２０１０−２１３２８０号公報「熱的に制御された圧電共振子を含む発振子デバイス」（マイクロクリスタル・アーゲー、特許文献１）、特開２００７−１８０７０１号公報「圧電発振器及びその製造方法」（京セラキンセキ株式会社、特許文献２）、特開２００５−１０２１４５号公報「表面実装用の水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）、特開２００８−０７８９８２号公報「表面実装水晶発振器」（日本電波工業、特許文献４）がある。

特許文献１には、水晶振動子モジュールにおいて、セラミックの気密パッケージの中に水晶片及び温度制御素子と温度センサとを一体にしたＩＣを格納し、水晶片をＩＣ上に導電性接着剤で接着した構成が記載されている。

特許文献２には、圧電発振器において、気密パッケージの中に、水晶片及び発振回路を一体にしたＩＣを格納し、ＩＣはパッケージ上にバンプで実装され、ＩＣの下に水晶片が導電性接着剤で接着された構成が記載されている。

特許文献３には、水晶発振器において、容器に収納したＩＣチップ上に絶縁体を設け、水晶片の引き出し電極の一端を絶縁体上に固着し、容器本体の一端側の内壁面に設けた導通端子と接続した構成が記載されている。

特許文献４には、表面実装型水晶発振器において、容器の開口端面に溶接用の金属リングを備え、当該金属リングの内側となる容器の開口端面上に水晶接続端子を設け、水晶保持端子と水晶接続端子とをワイヤーボンディングで接続した構成が記載されている。

特開２０１０−２１３２８０号公報 特開２００７−１８０７０１号公報 特開２００５−１０２１４５号公報 特開２００８−０７８９８２号公報

上述したように、従来のパッケージングされた水晶振動子と、温度センサ、温度補償回路を組み合わせてＴＣＸＯとして用いた場合には、周波数起動特性に影響を与えたり、温度上昇ランプに周波数ヒステリシス特性を生じるといった問題点があった。

また、従来の水晶振動子と、温度センサ、ヒータ回路、温度制御回路を組み合わせてＯＣＸＯとして用いた場合には、温度制御の精度が低下したり、消費電力が大きくなるといった問題点があった。

更にまた、上記のように、単体の水晶振動子に種々の部品を組み合わせる場合には、所望の出力特性を得るために要求される安定度の高いモジュールを適当な価格で入手するのが困難であるという問題点があった。

尚、特許文献１〜４には、水晶片と、温度センサと、ヒータのみが同じパッケージ内に搭載された水晶振動子は記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、簡易な構成で、安定した出力周波数が得られ、汎用性が高い水晶振動子と、それを用いた低コスト且つ高品質の水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、パッケージ内に、水晶片と、ＩＣ基板とが封入された水晶振動子であって、ＩＣ基板は、縦横の長さが水晶片と同程度であり、加熱する昇温素子及び／又は冷却する降温素子と、温度を検出する温度センサとが搭載され、水晶片は、ＩＣ基板上に重なるように配置されて、導電性接着剤によってＩＣ基板上に固定されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、昇温素子をヒータ回路とし、降温素子をペルチェ素子とし、温度センサを測温抵抗体としたことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子を有し、水晶振動子の外部に、水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とを備えた恒温槽付水晶発振器としたことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子を有し、水晶振動子の外部に、水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路とを備えた温度補償型水晶発振器としたことを特徴としている。

本発明の水晶振動子によれば、パッケージ内に、水晶片と、ＩＣ基板とが封入された水晶振動子であって、ＩＣ基板は、縦横の長さが水晶片と同程度であり、加熱する昇温素子及び／又は冷却する降温素子と、温度を検出する温度センサとが搭載され、水晶片は、ＩＣ基板上に重なるように配置されて、導電性接着剤によってＩＣ基板上に固定されている水晶振動子としているので、パッケージに収納する構成を最小限として、温度センサや昇温／降温素子と水晶片とを近接して配置して、水晶片の温度を正確に検出すると共に、精度よい温度制御を可能とし、更に温度制御の対象となる空間を小さくして、温度制御に要する消費電力を低減できる効果がある。

また、本発明の水晶発振器によれば、上記水晶振動子を有し、水晶振動子の外部に、水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とを備えた恒温槽付水晶発振器としているので、水晶片の温度を正確に検出すると共に、精度よい温度制御を可能とし、更に温度制御に要する消費電力を低減できる効果がある。

また、本発明の水晶発振器によれば、上記水晶振動子を有し、水晶振動子の外部に、水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路とを備えた温度補償型水晶発振器としているので、水晶片の温度を正確に検出して、精度の高い温度補償を行うことができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶振動子の構成を示す断面図である。 本水晶振動子の表面の構成例を示す平面図である。 本水晶振動子の概略回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶振動子は、水晶振動子片（水晶片）と同程度の大きさで、ヒータ回路と温度センサが搭載されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit、カスタムＩＣ）基板のパッド上に、導電性接着剤によって水晶振動子片を接着し、全体をセラミックパッケージ又は金属パッケージに封入した水晶振動子であり、パッケージに収納する構成を最小限として、温度センサやヒータ回路を水晶片の近くに配置し、水晶片の温度を正確に検出して、温度制御や温度補償を精度よく行うことができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、上記水晶振動子の外部に、発振回路と、温度制御回路又は温度補償回路を設けてＯＣＸＯ又はＴＣＸＯとして機能させることができる水晶発振器であり、簡易な構成で、安定した出力特性を備え、消費電力を低減できる発振器を実現することができるものである。

［実施の形態に係る水晶振動子の構成：図１］
図１は、本発明の実施の形態に係る水晶振動子の構成を示す断面図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶振動子（本水晶振動子）は、パッケージ１の凹部内に、ＩＣ基板２が実装され、その上に水晶片３が導電性接着剤４によって接着され、リッド５によって気密封止された構成である。

ＩＣ基板２は、昇温素子／降温素子と温度センサとが搭載されたＡＳＩＣである。ＩＣ基板２の大きさは水晶片３と同程度としており、水晶振動子全体の小型化を図ると共に、昇温素子／降温素子や温度センサを水晶片の近くに配置することができるものである。

昇温素子／降温素子は、パッケージ１の内部の温度を一定温度に保つよう、加熱又は冷却するものであり、昇温素子は、ヒータ回路等で実現され、降温素子はペルチェ素子等で実現される。

昇温素子／降温素子は、目的とする使用温度範囲に応じて適切な種類が設けられるものであり、本振動子が常温から高温で使用される場合には昇温素子が搭載され、低温から常温の範囲で使用される場合には降温素子が搭載され、低温から高温まで広い温度範囲で使用される場合には、昇温素子と降温素子の両方が搭載される。
昇温素子／降温素子を制御する温度制御回路は、本水晶振動子の外部に設けられる。

また、温度センサとしては、測温抵抗体等が用いられる。
本水晶振動子の温度センサの出力は、外部に設けられた温度制御回路や温度補償回路に入力されて、温度制御や温度補償に用いられる。

ＩＣ基板２は、水晶片３と同程度の大きさ、具体的には縦横の長さが同程度に形成されており、図示は省略するが、表面（上面、水晶片３が搭載される側）には、水晶片３と接続するパッドが設けられている。
そして、ＩＣ基板２は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）又はＦＣＢ（Flip Chip Bonding）の接続部６等によって、パッケージ１の凹部内部に実装されている。

パッケージ１は、セラミックパッケージ又は金属パッケージである。フットパターン１１は、ＳＭＤ（Surface Mount Device；表面実装デバイス）タイプでもリードタイプでもよく、図１ではＳＭＤタイプを示している。また、フットパターン１１は、水晶端子の２端子、ケースＧＮＤ端子、温度センサ出力の２端子、ヒータ制御用端子の２端子が設けられている。

本水晶振動子は、パッケージ１の内部に、水晶片３とＩＣ基板２のみを搭載しており、水晶片３と同じ閉空間に温度センサ及び昇温／降温素子を設けているので、水晶片３の温度を正確に検出することができ、また、水晶片３の温度制御を高精度に行うことができるようにしている。
特に、本水晶振動子では、発振回路をパッケージ１の外に設け、発振回路を含まない部分をパッケージ化しているので、発振動作による発熱の影響を防ぎ、高精度の温度検出及び温度制御を可能とするものである。

更に、パッケージ１内部の構成要素を少なくしているので、従来に比べてパッケージ１自体を小型且つ薄型とすることができると共に、パッケージ１内を加熱／冷却するのに要する電力を低減できるものである。

また、所望の用途やスペックに応じて、本水晶振動子を外部の回路と組み合わせることによって、温度センサ出力に基づいて温度補償や温度制御を行う水晶発振器を容易に実現することができ、低コストで特性のバラツキが小さい高品質の水晶発振器を実現して、種々の用途に適用可能とするものである。

［ＩＣ基板２の表面の構成：図２］
次に、ＩＣ基板２の表面の構成について図２を用いて説明する。図２は、本水晶振動子の表面の構成例を示す平面図である。尚、図２では、昇温／降温素子として、昇温素子のヒータ回路のみを設けた場合を示している。
図２に示すように、本水晶振動子のＩＣ基板２は、表面に、温度センサ２１と、ヒータ回路２２と、パッド２３を備えている。

ヒータ回路２２は、ＩＣ基板２の表面において、一方の短辺側から他方の短辺側に向かってつづら折状に折れ曲がりながら配置されている。
また、一方の短辺寄りに、水晶片３と接続するパッド２３が２つ設けられている。水晶片３が搭載される場合には、当該パッド２３上に導電性接着剤４によって固定されるものである。
そして、２つのパッド２３の間に温度センサ２１が設けられている。
ここでは、水晶片３を一つの短辺上の２箇所で保持する片持ちタイプとしているが、ＩＣ基板２の各回路の配置によっては両持ちタイプとしてもよい。

ヒータ回路２２、パッド２３、温度センサ２１は、ＩＣ基板２及びパッケージ１に形成されたスルーホールや電極によってパッケージ１の底面のフットパターン１１に接続されており、外部に接続可能となっている。

本水晶振動子では、ＩＣ基板２と水晶片３の大きさをほぼ同じとしているので、水晶片３は、ＩＣ基板２に重なるように搭載されて、ヒータ回路２１及び温度センサ２２のすぐ上に配置されることになり、互いに極めて近くに配置されるものである。
これにより、本水晶振動子では、水晶片３の温度の検出や、パッケージ１内の温度制御を精度よく行うことができるものである。

［本水晶振動子の回路：図３］
本水晶振動子の回路について図３を用いて説明する。図３は、本水晶振動子の概略回路図である。
図３に示すように、本水晶振動子は、ヒータ回路２２と、水晶片３と、温度センサ２１とを備え、それぞれ、外部の回路に接続可能な端子１２（１２ａ〜１２ｆで示す）に接続されている。
例えば、水晶片３は、外部に設けられた発振回路に接続され、温度センサ２１は、温度制御回路や温度補償回路に接続され、ヒータ回路２２は、温度制御回路に接続されている。

［実施の形態に係る水晶発振器］
次に、本発明の実施の形態に係る水晶発振器について説明する。
本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本水晶発振器）は、上述した本水晶振動子と外部の発振回路とを接続したものである。
発振回路に加えて、温度補償回路を組み合わせて、ＴＣＸＯを構成することも可能である。
ＴＣＸＯとする場合には、温度補償回路が、温度センサ２１からの出力信号に応じて、出力周波数信号が温度によって変動する特性（温度特性）を補償して、変動の少ない出力周波数信号を得るものである。

これにより、水晶片３と温度センサ２１とが同一パッケージ１内に近接して配置されたＴＣＸＯとなるため、水晶片３の温度を正確に検出することができ、精度の高い温度補償を行って出力周波数信号を安定させることができるものである。

同様に、本水晶振動子と発振回路と温度制御回路を組み合わせて、ＯＣＸＯを構成することも可能である。
ＯＣＸＯとする場合、温度制御回路が、水晶温度センサ２１からの出力信号に応じてヒータ回路２２（又は降温素子）への出力電圧を調整して、本水晶振動子のパッケージ１内の温度を一定に保つよう制御し、安定した出力周波数信号を得るものである。

本水晶振動子を用いてＯＣＸＯを構成することにより、水晶片３の温度を正確に検出して、高精度の温度制御を行うことができ、出力周波数信号を一層安定させると共に、温度制御される空間（パッケージ１の内部）が小さいため、温度制御に要する消費電力を低減することができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶振動子によれば、水晶片３と縦横の長さが同程度で、ヒータ回路２２（又は／及び降温素子）と温度センサ２１とを備えたＩＣ基板２のパッド上に、導電性接着剤４によって水晶片３が固定され、ＩＣ基板２及びそれに接着された水晶片３をパッケージ１に封入しているので、水晶片３に極めて近いところに温度センサ２１及びヒータ回路２２を配置して、水晶片３の温度を温度センサ２１で正確に検出して、ヒータ回路２２で高精度に温度を制御することができる効果がある。

また、本水晶振動子によれば、パッケージ１内に水晶片３とＩＣ基板２のみを封入しているので、小さい空間内での温度制御を行うことができ、効率的に加熱／冷却を行って消費電力を低減できる効果がある。

また、本水晶振動子によれば、ユーザの用途に応じて外部回路と組み合わせることにより、温度センサ出力に基づいて温度制御や温度補償を行う発振器を低コスト且つ高品質に実現することができ、多様な用途に用いることができる効果がある。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、上述した本水晶振動子と、外部に設けられた発振回路及び温度制御回路と組み合わせたＯＣＸＯとしているので、温度センサ２１で正確に検出された水晶片３の温度に基づいて、温度制御回路が、精度よく温度制御を行って恒温槽（本水晶振動子）内の温度を一定に保持して、出力周波数信号を安定させることができ、更に、温度制御の対象となる空間が小さいので、消費電力を低減できる効果がある。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、上述した本水晶振動子と、外部に設けられた発振回路及び温度補償回路とを組み合わせたＴＣＸＯとしているので、温度センサ２１で正確に検出された水晶片３の温度に基づいて、温度補償回路が、精度よく周波数変動を補償して出力周波数信号を安定させることができる効果がある。

本発明は、簡易な構成で、出力周波数信号の安定度を向上させ、汎用性が高い水晶振動子及び低コスト且つ高品質の水晶発振器に適している。

１...パッケージ、 ２...ＩＣ基板、 ３...水晶片、 ４...導電性接着剤、 ５...リッド、 ６...接続部、 １１...フットパターン、 １２...端子、 ２１...温度センサ、 ２２...ヒータ回路、 ２３...パッド

Claims (4)

1. パッケージ内に、水晶片と、ＩＣ基板とが封入された水晶振動子であって、
   前記ＩＣ基板は、縦横の長さが前記水晶片と同程度であり、加熱する昇温素子及び／又は冷却する降温素子と、温度を検出する温度センサとが搭載され、
   前記水晶片は、前記ＩＣ基板上に重なるように配置されて、導電性接着剤によって前記ＩＣ基板上に固定されていることを特徴とする水晶振動子。
2. 昇温素子をヒータ回路とし、降温素子をペルチェ素子とし、温度センサを測温抵抗体としたことを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
3. 請求項１又は２記載の水晶振動子を有し、前記水晶振動子の外部に、前記水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、前記水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とを備えたことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
4. 請求項１又は２記載の水晶振動子を有し、前記水晶振動子の外部に、前記水晶振動子の出力を増幅する発振回路と、前記水晶振動子の温度特性を補償する温度補償回路とを備えたことを特徴とする温度補償型水晶発振器。

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