JP2015177413A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化・低背化に対応しつつ、外部の温度変化の影響を受けにくく、高い周波数安定性を有する圧電発振器を提供することを目的とする。
【解決手段】 水晶発振器１は、基板２に水晶振動子４と発熱体５を含む複数の電子部品が実装され、基板２を覆うようにケース３が取り付けられた構成となっている。基板２には凹部６が設けられおり、当該凹部の内底面６Ｂには水晶振動子４が搭載されている。そして発熱体５が凹部６の開口部を覆うようにして基板２に取り付けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に圧電素子や、その他の複数の電子部品が実装されて発振回路が構成された圧電発振器であって、特に発熱体で加温することによって封止空間を恒温とし、封止空間に封入された圧電素子の周囲温度を定温化した恒温槽型の圧電発振器に関する。

伝送通信機器等に用いられる圧電発振器の一例として、例えばディスクリート型の水晶発振器がある。当該水晶発振器は、セラミックなどの絶縁性材料からなるシートが複数積層された積層基板上に、水晶振動子とその他の複数の電子部品を実装して発振回路を構成したものとなっている。そして恒温槽型水晶発振器と呼ばれる水晶発振器では、前記水晶振動子の周囲温度を温度制御素子によって略一定に保つことにより、水晶振動子の温度変化に対する周波数変化を補償して非常に安定した周波数を出力することができる。このような恒温機能を備えつつ小型・低背化に対応した水晶発振器は例えば特許文献１乃至４に開示されている。

特許文献１における圧電発振器では、基板の凹部内に圧電振動子が収容され、発熱体が圧電振動子の表面に設けられた構成となっている。当該構成において発熱体は圧電振動子の表面の中央部に貼り付けられており、発熱体は圧電振動子よりも小さいため凹部を覆っていない状態となっている。その結果、圧電振動子の一部または全部が凹部内に収まっても凹部は密閉された状態にならず、凹部の内壁と圧電振動子のとの間には隙間が生じる。このように隙間が存在すると、カバー（ケース）と基板とによって囲まれる空間において発生する熱対流の影響を受けて、凹部内の温度を均一にコントロールしにくくなる。つまり、本来できるだけ温度を一定に保持しておきたい圧電振動子が圧電発振器の外部からの温度変化の影響を受け易くなり、出力される周波数の安定性に悪影響を及ぼす虞がある。

さらに特許文献１における圧電発振器では、圧電振動子は基板から浮いた状態（凹部の底面から離間もしくは当該底面と直接接触しない状態）で支持部材によって支持されている。例えば圧電振動子の裏面と凹部の底面の一部領域とが接着剤を介して接合されている場合、接着剤の塗布ばらつきにより、接着剤の硬化後の状態において圧電振動子が凹部の内底面に対して水平にならずに傾斜した状態となる可能性がある。このように不安定な状態で圧電振動子が凹部の内底面と接合されると、外的応力等によって前記傾斜の程度が著しくなった場合、ボンディングワイヤーに過度の応力が加わって圧電発振器の特性に悪影響を及ぼすことになる。また、圧電振動子の裏面と凹部の底面との間に接着剤等が存在せず、リード線からなる支持部材を介して圧電振動子と基板とが接合されている場合であっても、前述のように凹部の内壁と圧電振動子の外側面との間には隙間が生じることになるため、凹部内の温度を略一定にコントロールしにくくなるという問題がある。

特許文献２乃至４は、いずれもチップ抵抗や加熱用素子等の電子部品が、基板の凹部に搭載され、当該電子部品の上方に圧電振動子が位置（近接または接触等）するように配置された構成となっている。このような構成の場合であっても、圧電振動子はカバーと基板とによって囲まれる空間に晒されるため、前述のように当該空間において発生する熱対流の影響を受けて、出力される周波数の安定性に悪影響を及ぼす虞がある。

特許第４８０４８１３号 実開平８−３８３号 特開２００９−２８４３７２号 特開２０１０−１７７７３２号

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型化・低背化に対応しつつ、外部の温度変化の影響を受けにくく、高い周波数安定性を有する圧電発振器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、基板に圧電素子と発熱体を含む複数の電子部品が実装され、当該基板を覆うようにケースが取り付けられてなる圧電発振器において、
前記基板には凹部が設けられ、少なくとも前記圧電素子が当該凹部の内底面に搭載され、前記発熱体が凹部の開口部を覆うように基板に取り付けられている。

上記発明によれば、圧電発振器の内部における熱対流の影響による周波数変化を抑制することができる。これは温度変化をできるだけ小さくする必要がある圧電素子が基板の凹部の中に搭載されているとともに、当該凹部を覆う部材が発熱体であることによる。すなわち、発熱体と基板との接合によって圧電素子が収容された凹部が閉空間になるとともに、発熱体からの発熱によって当該閉空間が恒温となる。これにより、圧電素子の周囲温度の変化を抑制することができるためである。

さらに前記基板に、圧電素子を収容するための凹部に加えて他の凹部（スリット等）を複数形成してもよい。具体的には基板の表裏面のうち、ケースと対面する側の面が開口するように他の凹部を形成してもよい。このような凹部を複数形成することによって、恒温となった凹部からの基板を介した熱伝導による放熱を抑制し、熱負荷を軽減することができる。

また前記構成によれば、前記他の凹部は基板を厚み方向に貫通していないため、当該基板をさらに覆うための容器を用意する必要が無い。これより、当該基板にケースを取り付けるだけの単純な構成によって小型で低背の表面実装型の圧電発振器を得ることができる。

なお、前記発熱体と前記凹部内に搭載された圧電素子とが接触し熱的に結合していてもよい。当該構成の場合、発熱体が圧電素子と接触して熱的に結合しているため、発熱体と凹部とで形成される閉空間の温度をより早く恒温化することができる。

また上記目的を達成するために、前記発熱体と前記凹部内に搭載された圧電素子とが、電気的に接続されていてもよい。

上記発明によれば、発熱体からの輻射熱や基板の基材を介した熱伝導による閉空間内の加温に加え、例えば凹部の内壁面の配線パターンや、基板内部のビアや基板の積層間の配線パターン等を経由して発熱体と圧電素子とを電気的に接続することによって、より効率的に発熱体からの熱を前記閉空間へ伝導させることができる。当該構成によって、前記閉空間をより早く恒温化することができる。

以上のように、本発明によれば、小型化・低背化に対応しつつ、外部の温度変化の影響を受けにくく、高い周波数安定性を有する圧電発振器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る水晶発振器の断面概略図 本発明の実施形態に係る水晶発振器の基板の上面概略図 図２のＡ−Ａ線における断面概略図 本発明の実施形態の変形例に係る水晶発振器の基板の断面概略図 本発明の他の実施形態に係る水晶発振器の基板の断面概略図

以下、本発明の実施形態について図１乃至３を参照しながら説明する。本発明の実施形態では圧電発振器としてディスクリートタイプの恒温槽型水晶発振器を例に挙げて説明する。

図１に示すように本実施形態における水晶発振器１は、基板２にケース３が取り付けられた表面実装型の構造となっている。基板２の一主面側には、圧電素子や、発熱体、感温素子、発振回路、増幅回路、温度制御回路等を構成する多数個の電子部品が実装されている。なお図１では簡略化のため前記各種回路を構成する電子部品の一部の記載は省略している。また外部機器等の実装用基板との導電接合に用いられる水晶発振器の外部接続端子の記載も省略している。

本実施形態では基板２に搭載される圧電素子として水晶振動子４が用いられている。水晶振動子４は、水晶振動素子を直方体状の容器の内部に導電接合し、平板状の蓋を容器に接合することによって水晶振動素子を気密に封止した表面実装型の圧電素子である。前記水晶振動素子は板状のＡＴカット水晶振動片の表裏に励振電極等が対向して形成されたものであり、前記励振電極は容器の外底面に形成された複数の外部端子まで導出されている。なお本実施形態では圧電素子として表面実装型の水晶振動子が用いられているが、水晶振動素子と感温素子とを内蔵した温度センサ内蔵型水晶振動子や、水晶振動素子と発振回路を内蔵した水晶発振器や、水晶振動素子と発振回路に加え、温度補償回路等も内蔵した温度補償型水晶発振器等の圧電デバイスを用いてもよい。

ケース３は水晶振動子４や前述した複数の電子部品を覆うように基板２に取り付けられ、ケース３と基板２とで囲まれる内部空間７は恒温となるように制御されている。

図１において基板２は、ガラスエポキシ樹脂から成り、最下層２ａと中間層２ｂと最上層２ｃの計３層で構成されている。なお基板２としてガラスエポキシ樹脂以外に、セラミックグリーンシートを積層し焼成によって一体成形したものを用いてもよい。

基板２の中間層２ｂと最上層２ｃの各々の略中央には孔が形成されており、最下層２ａと中間層２ｂと最上層２ｃとを重ね合わせることによって基板の一主面２００側に開口した平面視矩形状の凹部６が形成されるようになっている。この凹部６は水晶振動子４を完全に収容可能な大きさとなっており、最上層２ｃの上面は水晶振動子４が凹部６に実装された状態において水晶振動子の上面（天面）よりも上方に位置するようになっている。なお凹部の内底面６Ｂには水晶振動子４の外部端子（４１）と対応したパッドＰＤ２（図３参照）が複数形成されている。

図２において、基板２の上面（一主面２００）には、前述の各種回路を構成する複数の電子部品（集積回路素子や周波数調整部材と電圧制御部材を構成するコイル、コンデンサ、抵抗、バリキャプダイオード等）が実装されるランドパターン（パッド電極）が形成されている（図示省略）。これらのランドパターンは図示しない基板内の内部配線と電気的に接続されている。そして前記内部配線の一部は基板の外側面に設けられた外部接続端子（図示省略）まで導出されている。本実施形態では前記ランドパターンに金（Ａｕ）が用いられている。

図２に示すように、基板２の主面の略中央に設けられた凹部６の開口部を覆うように発熱体５が、基板の一主面２００に設けられたパッドＰＤ１の上に半田Ｓを介して導電接合されている。

本実施形態では発熱体５は２枚のチップ抵抗５１，５２とで構成されており、対面する互いの側面同士が接触するように並列した状態で基板上に接合されている。つまり、チップ抵抗５１の両端の端子５１Ｔと、隣接するチップ抵抗５２の両端の端子５２Ｔとが整列した状態でチップ抵抗５１，５２が基板の一主面２００上に接合されている。なおチップ抵抗５１，５２の互いに対面する側面同士の間に微小な隙間が生じる場合は、例えば樹脂等によって当該隙間を埋めてもよい。本実施形態では発熱体５の下面と、凹部６に収容された水晶振動子４の上面４００との間に隙間が形成されている。

本実施形態における水晶発振器の構成によれば、水晶発振器の内部における熱対流の影響による周波数変化を抑制することができる。これは温度変化をできるだけ小さくする必要がある水晶振動子４が凹部６の中に搭載されているとともに、凹部６を覆う部材が発熱体であることによる。すなわち、発熱体５と基板２との接合によって水晶振動子が収容された凹部６が閉空間になるとともに、発熱体５からの発熱によって当該閉空間が恒温となる。これにより、水晶振動子４の周囲温度の変化を抑制することができるためである。

また本実施形態では発熱体としてチップ抵抗を使用している。そのため発熱したチップ抵抗の熱が両端の端子５１Ｔ，５２Ｔからの基板へ熱伝導するだけでなく、チップ抵抗の表裏面からも輻射による放熱がなされる。つまり、発熱体５に対して下方にある凹部６への輻射による放熱に加えて、発熱体５に対して上方にある空間であるケース３と基板２とで囲まれる内部空間７に対しても輻射による放熱がなされる。これより、前記内部空間７の恒温化がし易くなり、基板２の上面に実装された電子部品はケースの外部の温度変化の影響をより受け難くなる。

本実施形態では発熱体として２個のチップ抵抗を用いたが、発熱体を構成する個数は２個に限定されるものではなく、１個または２個以上でもよい。また発熱体はチップ抵抗に限定されるものではなく、チップ型のパワートランジスタ等の発熱素子を用いてもよい。さらに発熱体を２個以上で構成する場合、必ずしも同種の発熱素子でなくてもよく、異種の発熱素子の組み合わせであってもよい。例えばチップ抵抗とチップ型パワートランジスタとの組み合わせであってもよい。

凹部６に収容される部品は圧電素子のみだけでなく、圧電素子以外の電子部品も一緒に凹部に収容してもよい。例えば、トランジスタやコンデンサやコイル等の温度特性を有する電子部品を凹部に収容することによって、温度変化の影響を受けにくくすることができ高安定な周波数を出力することができる。

また凹部６に圧電素子以外の電子部品も一緒に収容する場合、他の発熱素子を平面視矩形状の凹部の内底面６Ｂの４隅に４個配置してもよい。当該構成の場合、凹部６の上方にある発熱体５からの加温に加え、凹部６の下方からもバランス良く加温することができるため、発熱体５と凹部６とによって形成される閉空間をより短時間で恒温状態にすることができる。

図３に示すように水晶振動子４は、凹部の内底面６Ｂに設けられたパッドＰＤ２の上に半田Ｓを介して導電接合されている。そして前述したパッドＰＤ１とパッドＰＤ２とは配線パターンＰＴ１を介して電気的に接続されており、これにより水晶振動子４と発熱体５とが電気的に接続されている。ここで配線パターンＰＴ１は凹部の内底面６Ｂから凹部の内壁面６Ｗを経由して基板の上面２００にまで及ぶ導体である。

上記構成によれば、発熱体５からの輻射熱や基板の基材を介した熱伝導によって、発熱体５と基板２との接合による閉空間内の加温に加え、導体である配線パターンＰＴ１を経由して発熱体と圧電素子とを電気的に接続することによって、より効率的に発熱体からの熱を前記閉空間へ伝導させることができる。当該構成によって、前記閉空間をより早く恒温化することができる。

なお図４に示す本発明の実施形態の変形例のように、凹部６に加えて他の凹部（スリット）８を基板に複数形成してもよい。凹部８は基板の一主面側（発熱体が搭載される側）が開口するように、基板２０の最下層２０ａと中間層２０ｂとが穿孔された溝状の窪みとなっている。このような溝状の凹部８を複数形成することによって、恒温となった凹部６からの基板２０の基材を介した熱伝導による放熱を抑制し、熱負荷を軽減することができる。

次に本発明の他の実施形態について図５を用いて説明する。本実施形態は、発熱体５と水晶振動子４との隙間に接着剤Ｒが設けられている点と、パッドＰＤ１とパッドＰＤ２とが基板３０の中間層３０ｂと最上層３０ｃとを貫くビア（貫通導体）Ｖを含む配線パターンＰＴ２を介して電気的に接続されている点とが、前述した本発明の実施形態と異なっている。

本実施形態では前記接着剤Ｒとしてエポキシ系の樹脂接着剤が用いられている。このように発熱体５と水晶振動子４との隙間に接着剤Ｒを設けて、発熱体５と水晶振動子４とを熱的に結合させることにより、発熱体５と凹部６とで形成される閉空間の温度をより早く恒温化することができる。なお前記接着剤Ｒにはエポキシ系以外の樹脂接着剤を用いてもよい。また前述した本発明の実施形態の変形例における構成において、発熱体５と水晶振動子４との隙間に接着剤Ｒを設けるようにしてもよい。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

圧電発振器の量産に適用できる。

１ 水晶発振器
２ 基板
３ ケース
４ 水晶振動子
５ 発熱体
６ 凹部

Claims (2)

1. 基板に圧電素子と発熱体を含む複数の電子部品が実装され、当該基板を覆うようにケースが取り付けられてなる圧電発振器において、
   前記基板には凹部が設けられ、少なくとも前記圧電素子が当該凹部の内底面に搭載され、前記発熱体が凹部の開口部を覆うように基板に取り付けられていることを特徴とする圧電発振器。
2. 前記発熱体と前記凹部内に搭載された圧電素子とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。

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