JP2015046778A - 振動子パッケージ及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出用の水晶振動子を用いて発振周波数の温度補償を行う発振器において、小型化を図ることができ、また発振周波数の長期的な安定化を図ることができる技術を提供する。
【解決手段】発振器は、容器６内に形成された水晶とは異なる材料からなる台座６３に第１の水晶片１０を導電性接着剤３１により固定し、第１の水晶片１０に導電性接着剤３２により、第２の水晶片２０を固定する。さらに第１の水晶片１０の両面に励振電極１１、１２を設けて、温度補償用の第１の水晶振動子１とし、第２の水晶片２０の両面に励振電極２１、２２を設けて発振部用の第２の水晶振動子２とする。また温度補償用の第１の水晶振動子１を発振回路に接続し、その発振出力に基づいて、発振部用の第２の水晶振動子２と接続される発振回路の制御電圧を補正するようにしている。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動子パッケージ及びこの振動子パッケージ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。

一方、発振器の用途によっては更なる小型化の要求が強く、この種の発振器においては、温度検出用の水晶振動子を用いるとその分の面積が必要になり、小型化を阻む場合がある。
また水晶振動子を囲む容器として水晶とは異なる材質、例えばアルミナなどのセラミックを使用する場合には、水晶振動子が小型になると次のような問題が懸念される。即ち水晶振動子が小型化すると水晶片と台座とを固定するための導電性接着剤からなる固定部分の割合が多くなるが、台座と水晶片との間で応力の経時変化に差異が生じ、結果として水晶片に応力が加わって周波数の長期安定性が悪くなる懸念がある。

特許文献２には、容器に水晶台座を固定し、水晶振動子を水晶台座に固定した構成が記載されているが、温度検出用の水晶振動子を用いた場合の小型化に関する手法については記載されていない。

特開２０１１−１３５３４２号 特開２０１０−１３５８９０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、温度検出用の水晶振動子を用いて発振周波数の温度補償を行う発振器において、小型化を図ることができ、また発振周波数の長期的な安定化を図ることができる技術を提供することにある。

本発明の振動子パッケージは、発振出力の温度補償が行われる発振器に用いられる振動子パッケージにおいて、
容器内に形成され、水晶と異なる材質からなる支持部と、
この支持部に導電性接着剤により固定された第１の水晶片の両面に励振電極を設けて構成された温度検出用の第１の水晶振動子と、
前記第１の水晶片に導電性接着剤により固定された第２の水晶片の両面に励振電極を設けて構成された発振用の第２の水晶振動子と、を備えたことを特徴とする。

また本発明の振動子パッケージは、前記支持部は、前記容器の一部をなすものであることを特徴としてもよく、前記第１の水晶片と第２の水晶片とは、切断方位が互いに異なることを特徴としてもよい。

本発明の発振器は、上述の振動子パッケージと、
前記第１の水晶振動子を発振させる温度検出用の発振回路と、
前記第２の水晶振動子を発振させる発振用の発振回路と、
前記温度検出用の発振回路の発振出力に基づいて、発振器の発振出力の温度補償を行う信号を作成するための回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明の発振器は、発振部用の第２の水晶振動子が、支持部に直接固定されずに第１の水晶振動子に固定されているため、材料の経時的変化の差異により第２の水晶振動子に発生する応力を抑制することができ、発振周波数の長期的安定性が増す。

また容器内に設けた第１の水晶片に励振電極を設けて温度補償用の水晶振動子としている。そのため容器の外部に温度補償用の水晶振動子を設ける必要がなく発振器を小型化することができる。

第１の実施の形態に係る振動子パッケージの構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る振動子パッケージのＡ−Ａ’線断面側である。 前記振動子パッケージに用いられる第１の水晶振動子を示す（ａ）表面側及び（ｂ）裏面側の平面図及び（ｃ）側面図である。 前記振動子パッケージに用いられる第２の水晶振動子を示す（ａ）表面側及び（ｂ）裏面側の平面図及び（ｃ）側面図である。 第１の実施の形態にかかる水晶発振器を示す回路図である。 第２の実施の形態にかかる振動子パッケージの構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態にかかる振動子パッケージに用いられる（ａ）手前側及び（ｂ）奥側の支持柱の構成を示す側面図である。 第２の実施の形態にかかる振動子パッケージに用いられる第１の水晶振動子の構成を示す（ａ）表面側及び（ｂ）裏面側の平面図である。 第２の実施の形態にかかる振動子パッケージに用いられる第２の水晶振動子の構成を示す（ａ）表面側及び（ｂ）裏面側の平面図である。

[第１の実施の形態]
以下、本発明の第１の実施の形態にかかる振動子パッケージをＴＣＸＯに適用した例について説明する。まず本発明の実施の形態にかかる振動子パッケージを図１〜図４を参照しながら説明すると、本発明の実施の形態にかかる振動子パッケージは、図１及び図２に示すように容器６と、第１の水晶振動子１と、第２の水晶振動子２とを備えている。

容器６は、例えばアルミナからなる矩形のベース体６１及び蓋体６２を備えている。ベース体６１の底面の手前よりの位置に、支持部となる例えばアルミナで構成される台座部６３が底面から突出するように設けられている。台座部６３は、ベース体６１の幅方向に伸び、横断面が台形状に構成されている。台座部６３の上面には、台座部６３の伸びる方向に端子部２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａが並べて設けられており、端子部２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａには、夫々配線２５、２６、２７、２８が接続されている。配線２５〜２８は、台座部６３の手前方向に伸び、ベース体６１の底面まで引き回されている。ベース体６の下面側には、接続端子２５ｂ〜２８ｂが形成されており、配線２５〜２８と接続端子２５ｂ〜２８ｂとは、夫々ベース体６１の底面を貫通するスルーホール６４により電気的に接続されている。

続いて第１の水晶振動子１について図３も参照しながら説明する。第１の水晶振動子１には、例えば長さ５．０ｍｍ、幅２．５ｍｍの平板状に形成されたＢＴカットの第１の水晶片１０が用いられている。第１の水晶片１０の両面における夫々の中央に矩形の励振電極１１、１２を設けられている。励振電極１１、１２は例えばクロム（Ｃｒ）及び金（Ａｕ）の積層膜により、長さ２ｍｍ、幅１ｍｍの矩形状に形成され、第１の水晶片１０を介して互いに対向するように形成されている。

第１の水晶片１０のベース体２と対向する面を裏面、裏面と反対の面を表面とすると表面側の励振電極１１の一部には、第１の水晶片１０の手前側の周縁に向かって伸びる引き出し電極１３の一端側が接続され、当該引き出し電極１３は、第１の水晶片１０の手前側の側面を介して裏面側まで引き回されている。また裏面側の励振電極１２にも第１の水晶片１０の手前側の周縁に向けて伸びる引き出し電極１４の一端側が接続されている。

第１の水晶振動子１の表面側における奥側の端部には、その両端に端子部１５ｂ、１６ｂが形成される。端子部１５ｂ、１６ｂには、第１の水晶振動子１の表面を手前方向に伸び、表面側の励振電極１１とは離間するように設けられた引き出し電極１５、１６の一端側が接続されており、引き出し電極１５、１６は、第１の水晶片１０の手前側の側面部を介して裏面側まで引き回されている。第１の水晶片１０の裏面側における手前側端部の位置には、端子部１３ａ、１４ａが、夫々台座部６３に形成された各端子部４３ａ，４２ａに対応する位置に並べて形成され、端子部１５ａ、１６ａが夫々端子部４１ａ，４４ａに対応する位置に並べて形成されている。前述の引き出し電極１３、１４、１５、１６の他端側は夫々端子部１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａに接続されている。

続いて第２の水晶振動子２について説明する。図４に示すように第２の水晶振動子２には、例えば第１の水晶片１０と同じ大きさに切り出されたＡＴカットの第２の水晶片２０が用いられている。第２の水晶片２０の表面側及び裏面側の夫々の中央には、励振電極２１、２２が設けられている。表面側の励振電極２１には、第２の水晶片２０の奥側の周縁に向かって伸びる引き出し電極２３の一端側が接続される。引き出し電極２３は、第２の水晶片２０の奥側の側面を介して、裏面まで引き回されている。また裏面側の励振電極２２には、第２の水晶片２０の奥側の周縁に向かって伸びる引き出し電極２４の一端側が接続される。

第２の水晶振動子２の裏面側における奥側の端部には、第１の水晶振動子１の表面側に設けられた端子部１５ｂ、１６ｂに対応する位置に夫々端子部２４ａ、２４ｂが設けられており、引き出し電極２３、２４の他端側は夫々２３ａ，２４ａに接続される。
第１の水晶振動子１の裏面側の端子部１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａは、導電性接着剤３１により、夫々台座部６３上の端子部４３ａ，４２ａ，４１ａ，４４ａに電気的に接続されている。また第１の水晶振動子１の端子部１５ｂ，１６ｂは、導電性接着剤３２により、夫々第２の水晶振動子２に設けられた端子部２４ａ，２３ａに電気的に接続されている。
これにより第１の水晶振動子１に設けられた励振電極１１、１２は夫々配線２７、２６を介して接続端子２７ｂ、２６ｂに接続される。また第２の水晶振動子２に設けられた励振電極２１、２２は、夫々引き出し電極１６、１５により第２の水晶振動子２の表面を引き回された後、配線２８、２５を介して接続端子２７ｂ、２５ｂに電気的に接続される。

さらに第１の水晶振動子１は手前側で台座部６３に固定され、奥側に向けて伸びる片持ちに支持され、第２の水晶振動子２は、第１の水晶振動子１の上方で奥側の部位を第１の水晶振動子１に固定され、手前側に向かって伸びる片持ちに支持されることになる。第１及び第２の水晶振動子１、２をベース体６１に固定した後、ベース体６１の上方は、例えばアルミナで構成される蓋部６２により閉じられる。

上述の振動子パッケージは、導電性接着剤３０を介して、配線基板９上に発振回路及び周辺素子と共に実装されて発振装置が構成される。図５は、発振装置の一例を示す回路図であり、この発振装置は、上記振動子パッケージを用いて構成されるＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）である。このＴＣＸＯは、外部に周波数信号を出力する発振部用の主発振部８０と、温度補償用の補助発振部８１と、温度検出用の発振回路７６の発振出力に基づいて、発振部用の発振回路７７の制御電圧を補正するための回路である温度補償部７とを備えている。図中の８２は補助発振部の制御電圧の入力端であり、８３は、ＴＣＸＯから周波数信号を出力するための出力端である。

主発振部８０は第２の水晶振動子２と、第２の水晶振動子２に接続された第２の発振回路７７と、を備えている。補助発振部８１は第１の水晶振動子１と、第１の水晶振動子１に接続された第１の発振回路７６とを備えている。補助発振部８１の出力側には、温度補償部７が接続されており、温度補償部７から出力される制御電圧が主発振部７６に入力されている。温度補償部７には、補助発振部８１側から、周波数検出部７２、温度推定部７３、補償電圧演算部７４及び加算部７５が接続されており、これらは集積回路チップの中に設けられる。なお図中７８、７９は、バリキャップダイオードである。

続いてこの水晶発振器の作用について説明する。まず入力端７１から制御電圧が入力され、第１の水晶振動子１と接続された第１の発振回路７６で構成される補助発振部８１が発振され、周波数信号が出力される。上述の振動子パッケージでは、第１の水晶振動子１として、ＢＴカットの第１の水晶片１０を利用している。ＢＴカットの水晶は、例えば０℃から３０℃の常温の温度帯域においては、温度と周波数変化率とが概ね比例関係にあり、明確な周波数変化を取り出すことができる。この周波数信号の周波数ｆを周波数検出部７２により検出して、温度推定部７３に入力する。温度推定部７３では、周波数情報より第１及び第２の水晶振動子１、２の雰囲気温度Ｔを算出する。補償電圧演算部７４は、算出された温度Ｔより、第２の水晶振動子２の発振周波数の温度差により生じる周波数の誤差を補償するための補償電圧ΔＶを算出する。そのため第２の発振回路７７を駆動する電圧は、電圧補償部７５により補償電圧ΔＶが加算された制御電圧Ｖ_０＋ΔＶとなる。従って第２の水晶振動子２の発振周波数は、温度による誤差が補償されることになり、主発振部８０から出力される発振周波数ｆ_０は、安定することになる。

台座部６３と第１の水晶振動子１とは、その材質が夫々アルミナと水晶とであるが、長期的に使用した場合に、アルミナと水晶とは経時的な変化に差異がある。アルミナと水晶とが導電性接着剤により固定された後、アルミナと水晶とが経時的な変化をした場合に固定部分に歪みが生じ、水晶に応力がかかるため、発振周波数が乱れる。水晶振動子を小型化した場合には、水晶片を容器に固定するための導電性接着剤からなる固定部分の割合が大きくなる。そのため経時的な変化の差異により水晶片に加わる応力の影響が大きくなる。

上述の実施の形態では、容器６に温度補償用の第１の水晶振動子１を固定している。そのため振動子パッケージを長期的に使用した場合に、互いの導電性接着剤３１により固定される固定部分には、経時的な変化の差異による応力が生じる。従って補助発振部８１から出力される周波数信号の周波数は、応力の影響により誤差が生じることになる。

発振部用の発振回路７７の発振周波数は、数ＭＨｚの出力周波数に対して数Ｈｚの精度が求められるが、温度推定部７３で求められる許容誤差は、数十℃に対して０．１℃〜０．０１℃程度である。そのため、第１の水晶振動子１の固定部分に応力が発生し、発振周波数に誤差が生じた場合にも、推定される温度は大きな誤差とはならずに温度の測定誤差とみなすことができる。

発振部用の水晶振動子である第２の水晶振動子２は、第１の水晶振動子１に導電性接着剤３２を介して、固定されている。第１の水晶振動子１と第２の水晶振動子２とは共に水晶であるため経時的な変化の差異がない。振動子パッケージの長期的な使用をした場合にも第２の水晶振動子２に発生する応力が抑制され、発振周波数に誤差が抑制されるため、発振周波数の長期的安定性が増し、安定した周波数信号を出力できることになる。また上述の振動子パッケージでは、温度補償用の第１の水晶振動子１を発振部用の第２の水晶振動子２を容器６内に固定するための支持部として使用している。従って水晶発振器を構成する場合にも振動子パッケージの外部に温度補償用の水晶振動子を設ける必要がなく小型の水晶発振器とすることができる。
容器６に固定される第２の水晶振動子２は、ＤＴカット、ＳＬカット、ＨＴカットなどの水晶であってもよい。温度補償用の水晶振動子には、そのＺＴＣ（頂点温度）が１００℃以上あるいは、−１００℃以下となる水晶を使用し、‐５５℃から１５０℃の水晶発振器を使用する温度帯域の温度に対する共振周波数の変化を示すグラフが直線に近い値を示す水晶片を用いることが望ましい。

さらに上述の水晶発振器では、雰囲気温度の変化による応力による補助発振部８１から出力される周波数信号の周波数誤差を無視するようにしているが、温度推定部７３における演算式を温度変化による誤差を補償した演算を行うことにより、第２の発振回路の制御電圧Ｖ_０＋ΔＶの誤差を抑制するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
また本発明の実施の形態にかかる発振器に用いる振動子パッケージは、水晶振動子を垂直な姿勢で支持する構成であってもよい。振動子パッケージは、例えば図６に示すように容器６０と、温度補償用の第１の水晶振動子４と、発振部用の第２の水晶振動子５とを備えている。

容器６０は、例えば各々アルミナで構成されたベース体６５と蓋体６６とを備えている。ベース体６５には、上方に向けて伸びる２本の支持柱３４，３５がベース体の長さ方向に並べて設けられ、支持柱３４側を手前側、支持柱３５側を奥側とすると、２本の支持柱３４、３５は、手前側から奥側を見てベース体６５の左側に偏心した位置に設けられる。図７に示すように支持柱３４の支持柱３５と対向する側の面の上方よりの部位には、２つの端子部３８、３６が幅方向に並べて設けられる。支持柱３５の支持柱３４と対向する面の、向かって左側の周縁部には、端子部３８、３６と同じ高さ位置に端子部３７が形成され、向かって右側の周縁部には、端子部３７よりも高い位置に端子部３９が形成される。夫々の端子部３６〜３９には、下方に向けて伸びる導電路８６〜８９の一端側が接続されており、各導電路８６〜８９の他端側はベース体の表面まで引き回されている。各導電路８６〜８９は、ベース体６５を貫通するスルーホール９２によりベース体の下面側に設けられたリード線５６〜５９と電気的に接続される。

第１の水晶振動子４は、図８に示すように例えばＢＴカットの円板状の第１の水晶片４０の両面に励振電極４１、４２が設けられている。第２の水晶振動子５と対向する側を表面とすると、表面側の励振電極４１には、例えば、支持柱３５側（奥側）に向けて伸びる引き出し電極４３の一端側がが接続されている。引き出し電極４３は水晶片４０の側面を介して、裏面側まで引き回されており、引き出し電極４３の他端側は、水晶片４０の裏面側の奥側の周縁部に形成された端子部４３ａに接続されている。また裏面側の励振電極４２には、水晶片４０の支持柱３４側（手前側）に向けて伸びる引き出し電極４４の一端側が接続され、引き出し電極４４の他端側は、水晶片４０の裏面側における手前側の周縁部に形成された端子部４４ａに接続される。また図７中における第１の水晶振動子９の表面側における上側と、下側には、夫々端子部４６ｂ、４５ｂが形成されている。上側の端子部４６ｂには、第１の水晶片４０の周縁に沿って伸びる引き出し電極４６の一端側が接続されており、引き出し電極４６の他端側は、水晶片４０の表面側の奥側の端部にて引き出し電極４３と離間するように形成された端子部４６ａに接続されている。また下側の端子部４５ｂには、第１の水晶片４０の周縁に沿って伸びる引き出し電極４５の一端側が接続されており、引き出し電極４５の他端側は、水晶片４０の表面側における手前側の端部に形成された端子部４５ａに接続されている。

第２の水晶振動子５は、例えば、図９に示すようにＡＴカットの円板状の第２の水晶片５０の両面に励振電極５１、５２を設ける。表面側の励振電極５１からは、第２の水晶片５０の図８中の上側の周縁に向けて伸びる引き出し電極５３の一端側が接続され、引き出し電極５３は、第２の水晶片５０の側面を介して第２の水晶片５０の裏面側まで引き回されている。引き出し電極５３の他端側は、第２の水晶片５０の裏面側の周縁部であって、第１の水晶振動子４に設けられた端子部４６ｂに対応する位置に形成された端子部５３ａに接続される。裏面側の励振電極５２には、第２の水晶片５０の下側の周縁に向けて伸びる引き出し電極５４の一端側が接続されており、引き出し電極５４の他端側は第２の水晶片５０の周縁部であって、第１の水晶振動子５に設けられた端子部４５ｂに対応する位置に形成された端子部５４ａに接続されている。

第１の水晶振動子４は、奥側の端部の表面及び裏面に形成された端子部４６ａ、４３ａが夫々支持柱３５に設けられた端子部３９，３７に導電性接着剤３１により電気的に接続され、手前側の表面及び裏面に形成された端子部４５ａ、４４ａが夫々支持柱３４に設けられた端子部３８、３６に導電性接着剤３１により電気的に接続される。これにより第１の水晶振動子４は、垂直な姿勢で支持される。なお第２の実施の形態では、２本の支持柱３４、３５が支持部となる。

第２の水晶振動子５は、端子部５３ａ、５４ａが夫々第２の水晶振動子４に形成された端子部４６ｂ、４９５ｂに導電性接着剤３２により電気的に接続される。これにより第２の水晶振動子５は、第１の水晶振動子４と隙間を介して平行に支持される。従って第１の水晶振動子４に設けられた励振電極４１、４２は夫々導電路３７、３６を介してリード線５７、５８と電気的に接続される。また第２の水晶振動子５の励振電極５１、５２は、夫々引き出し電極４６、４５により、第１の水晶振動子４の表面を引き回された後、導電路３９、３８を介して、リード線５９、５８と電気的に接続されることになる。

容器６０は、第１及び第２の水晶振動子４、５を固定した後、上方を蓋体６６により閉じられる。また夫々のリード線５６，５７，５８，５９は、例えば図５に示した発振回路の形成された配線基板上の導電路と接続され、第１の水晶振動子４が温度補償用の発振回路７６と接続されて補助発振部８１となり、第２の水晶振動子５が発振部用の発振回路７７に接続されて、主発振部８０となる。振動子パッケージをこのように構成した場合にも周波数発振用の第２の水晶振動子５は、第１の水晶振動子４に導電性接着剤により固定され、支持柱３４、３５に固定されない。そのため同様な効果を得ることができる。

１、４ 第１の水晶振動子
２、５ 第２の水晶振動子
３０、３１、３２ 導電性接着剤
６ 容器
７ 温度補償部
１０、４０ 第１の水晶片
２０、５０ 第２の水晶片
６１、６５ ベース体
６２、６６ 蓋体
７６ 第１の発振回路
７７ 第２の発振回路
８０ 主発振部
８１ 補助発振部
１１、１２、２１、２２ 励振電極

Claims (4)

1. 発振出力の温度補償が行われる発振器に用いられる振動子パッケージにおいて、
   容器内に形成され、水晶と異なる材質からなる支持部と、
   この支持部に導電性接着剤により固定された第１の水晶片の両面に励振電極を設けて構成された温度検出用の第１の水晶振動子と、
   前記第１の水晶片に導電性接着剤により固定された第２の水晶片の両面に励振電極を設けて構成された発振用の第２の水晶振動子と、を備えたことを特徴とする振動子パッケージ。
2. 前記支持部は、前記容器の一部をなすものであることを特徴とする請求項１記載の振動子パッケージ。
3. 前記第１の水晶片と第２の水晶片とは、切断方位が互いに異なることを特徴とする請求項１または２記載の振動子パッケージ
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載した振動子パッケージと、
   前記第１の水晶振動子を発振させる温度検出用の発振回路と、
   前記第２の水晶振動子を発振させる発振用の発振回路と、
   前記温度検出用の発振回路の発振出力に基づいて、発振器の発振出力の温度補償を行う信号を作成するための回路と、を備えたことを特徴とする発振器。

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