JP2022030002A

JP2022030002A - 発振器

Info

Publication number: JP2022030002A
Application number: JP2020133675A
Authority: JP
Inventors: 学近藤; Manabu Kondo; 典仁松川; Norihito Matsukawa
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2020-08-06
Filing date: 2020-08-06
Publication date: 2022-02-18

Abstract

【課題】周波数安定性に優れた発振器を提供する。【解決手段】発振器１は、振動子４３が収容された容器としての第２容器３０と、第２容器３０が搭載される第１ベース１０と、を備え、第１ベース１０は、平面視で、第２容器３０と重なる面積が、第２容器３０の面積より小さい載置部１６を含み、載置部１６は、平面視で、第２容器３０の外周より内側に位置し、接合部材５０を介して第２容器３０を固定する固定部１７と、固定部１７から第２容器３０の外周に向かって延在する延在部１８と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、発振器に関する。

温度補償型発振器は、振動片と、振動片を発振させるための発振回路と温度補償回路を有する集積回路と、を備え、集積回路が所定の温度範囲で振動片の発振周波数の所望する周波数からのずれを温度補償することにより、高い周波数精度が得られる。このような温度補償型発振器として、例えば、特許文献１には、振動片を収容した第１容器と集積回路とを積層して第２容器に収容することで、振動片と集積回路との温度差を小さくし、より高い周波数精度が得られる温度補償型発振器が開示されている。

特開２０１８－１６０８９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された温度補償型発振器は、振動片と集積回路との温度差を小さくするために、振動片を収容した第１容器のベースに集積回路を積層し、第１容器のリッドの全面を第２容器のベースの凹部底面に固定している。そのため、第１容器と第２容器のベースとの熱の授受が増大し、第２容器のベースを介して外部の温度変化の影響を受け易くなり、出力される発振周波数の周波数安定性が劣化する虞があった。

発振器は、振動子が収容された容器と、前記容器が搭載される第１ベースと、を備え、前記第１ベースは、平面視で、前記容器と重なる面積が、前記容器の面積より小さい載置部を含み、前記載置部は、平面視で、前記容器の外周より内側に位置し、接合部材を介して前記容器を固定する固定部と、前記固定部から前記容器の外周に向かって延在する延在部と、を有する。

第１実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図１中のＡ－Ａ線における断面図。図１中のＢ－Ｂ線における断面図。第２実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図４中のＣ－Ｃ線における断面図。第３実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図６中のＤ－Ｄ線における断面図。第４実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図８中のＥ－Ｅ線における断面図。第５実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図１０中のＦ－Ｆ線における断面図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る発振器１について、ダブルシール構造の温度補償型発振器を一例として挙げ、図１、図２、及び図３を参照して説明する。
尚、図１において、発振器１の内部の構成を説明する便宜上、第１リッド２７を取り外した状態を図示している。また、図１、図２、及び図３において、第１容器５に設けられた内部端子１９と外部端子２０とを電気的に接続する配線や第２容器３０内に設けられた端子及び配線は、図示を省略している。

また、説明の便宜上、以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。

本実施形態に係る発振器１は、図１、図２、及び図３に示すように、容器としての第２容器３０に集積回路４１と振動子４３とを収容した温度補償型発振器４０と、温度補償型発振器４０を収容する第１容器５と、を有する。

温度補償型発振器４０は、集積回路４１と、振動子４３と、振動子４３及び集積回路４１を収容する第２容器３０と、を有する。

第２容器３０は、セラミック等からなる第２ベース３１と、金属、セラミック、ガラス等からなる第２リッド３２と、で構成され、シールリングや低融点ガラス等の接合部材３６を介して第２ベース３１と第２リッド３２とが接合されている。

第２ベース３１は、図２及び図３に示すように、平板状の第１基板３３と、中央部が除去された環状の第２基板３４と、環状の開口が第２基板３４より大きい第３基板３５と、を積層して形成されている。また、第１基板３３の第２基板３４とは反対側の面に複数の端子３７が設けられている。環状の第２基板３４と第３基板３５とによって、第２ベース３１の内部に振動子４３と集積回路４１とを収容する収容空間Ｓ２が形成される。収容空間Ｓ２は、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されている。尚、収容空間Ｓ２の雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

第１基板３３の収容空間Ｓ２側の面に、金属バンプや半田等の導通性の接合部材４２を介して集積回路４１が固定され、第２基板３４の第３基板３５と重ならない部分の面に、導電性接着剤等の導通性の接合部材４６を介して振動子４３が固定されている。

尚、集積回路４１は、第１基板３３の収容空間Ｓ２側の面に設けられた図示しない配線や図示しない貫通電極等を介して、端子３７と電気的に接続されている。また、振動子４３は、第２基板３４の第３基板３５と重ならない部分の面に設けられた図示しない端子や図示しない貫通電極等を介して、集積回路４１と電気的に接続されている。

集積回路４１は、第２容器３０内に収容され、振動子４３を発振させるための発振回路と、所定の温度範囲で振動子４３の発振周波数の所望する周波数からのずれを温度補償する温度補償回路と、収容空間Ｓ２内の温度を検出する温度センサーと、を有する。

振動子４３は、平板状の基板４４と、基板４４の表裏の関係にある２つの面に設けられている励振電極４５と、を有する。振動子４３は、Ｘ方向の一方の端部を接合部材４６で第２容器３０に固定された片持ち梁構造である。励振電極４５は、２つの面に設けられた図示しないリード電極や導通性の接合部材４６を介して、集積回路４１と電気的に接続されている。振動子４３は、励振電極４５を含む基板４４の質量に応じた周波数で発振する。尚、振動子４３としては、例えば、水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子、その他の圧電振動子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子等を用いることができる。基板４４の材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。

第１容器５は、セラミック等からなる第１ベース１０と、金属、セラミック、ガラス等からなる第１リッド２７と、で構成され、シールリングや低融点ガラス等の接合部材２８を介して第１ベース１０と第１リッド２７とが接合されている。これにより、第１容器５は、第２容器３０を気密封止している。

第１ベース１０は、図２及び図３に示すように、平板状のベース基板７と、複数の開口部１４によって規定される十字形状の載置部１６を有する第１基板１１と、中央部が除去された環状の第２基板１２と、環状の開口が第２基板１２より大きい第３基板１３と、を積層して形成されている。また、第２基板１２の第３基板１３と重ならない部分の面に、図１に示すように、複数の内部端子１９が設けられている。更に、ベース基板７の第１基板１１とは反対側の面に複数の外部端子２０が設けられている。尚、内部端子１９と外部端子２０とは、図示しない貫通電極等を介して電気的に接続されている。環状の第２基板１２と第３基板１３とによって、第１ベース１０の内部に温度補償型発振器４０を収容する収容空間Ｓ１が形成される。収容空間Ｓ１は、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されている。尚、収容空間Ｓ１の雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

ベース基板７は、Ｘ方向及びＹ方向に広がりを有し、Ｚ方向を厚さとする。ベース基板７に第１基板１１を積層することにより、ベース基板７の平板部１５から第２容器３０側に突出する載置部１６が形成される。尚、本実施形態では、第１基板１１の開口部１４は、Ｚ方向からの平面視で、温度補償型発振器４０の第２容器３０の４隅に対応して４つ配置されている。

載置部１６は、Ｚ方向からの平面視で、第２容器３０と重なる面積が、第２容器３０の面積より小さい。また、載置部１６は、Ｚ方向からの平面視で、第２容器３０の外周より内側に位置し、第２容器３０を固定する固定部１７と、固定部１７から第２容器３０の外周に向かって延在する延在部１８と、を有する。固定部１７は、４つの開口部１４の中央に位置する。延在部１８は、隣り合う開口部１４同士の間に位置する。

固定部１７は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の絶縁性のある接合部材５０を介して第２容器３０の第２リッド３２を固定することで、温度補償型発振器４０を固定している。
第２容器３０を固定する固定部１７の面積が第２容器３０の面積より小さく、熱伝導率の小さい接合部材５０で固定しているので、第２容器３０の面積でベース基板７に固定する場合に比べ、第２容器３０とベース基板７との熱の授受を小さくすることができる。
本実施形態で載置部１６は、延在部１８が固定部１７から第２容器３０の外周側に延在している。図１に示すように、延在部１８は固定部１７からＸ方向のプラス側とマイナス側へ、Ｙ方向のプラス側とマイナス側へ、４方向に延在し、載置部１６が第２容器３０とＺ方向からの平面視で重なる部分は、十字形状となっている。また、延在部１８は、図２に示すように、第２容器３０との間に空隙を有している。尚、「十字形状」とは固定部１７の４辺のそれぞれから４方向に延在部１８が延出している形状を指す。

載置部１６が第２容器３０と重なる部分が十字形状で、延在部１８と第２容器３０との間に空隙があるので、第２容器３０を小面積で固定することができ、過度な衝撃が加わった場合に延在部１８と第２容器３０とが接触することで、第２容器３０の衝撃による変位を規制することができる。また、十字形状は載置部１６を構成する第１基板１１の一部をくり抜くことにより容易に形成できるため、製造効率に優れるという利点がある。尚、本実施形態では、載置部１６が十字形状であるが、これに限定することはなく、固定部１７の四隅から第２容器３０の外周側に延在するＸ字形状や固定部１７の一方の端部に接する二隅と、一方の端部と対向する他方の端部と、から第２容器３０の外周側に延在するＹ字形状でも構わない。尚、固定部１７は、平面視で、温度補償型発振器４０の重心と重なっていることが望ましい。これにより、小面積であっても温度補償型発振器４０を安定的に支持できる。

また、第２リッド３２がベース基板７の固定部１７に固定された第２容器３０は、第２ベース３１に設けられた端子３７と第１ベース１０に設けられた内部端子１９とがボンディングワイヤー５２を介して電気的に接続されている。従って、第２ベース３１に設けられた端子３７とベース基板７に設けられた外部端子２０とは、ボンディングワイヤー５２、内部端子１９、及び図示しない貫通電極等を介して電気的に接続されているので、温度補償型発振器４０で温度補償された所望の周波数を外部端子２０から出力することができる。

本実施形態の発振器１は、ベース基板７に設けられた振動子４３を収容する第２容器３０の面積より小さい面積を有する固定部１７に、第２容器３０を絶縁性の接合部材５０を介して固定しているので、ベース基板７と第２容器３０との接合面積が小さくなり、且つ、接合部材５０による熱伝導も低くなる。そのため、第２容器３０とベース基板７との熱の授受を減少させ、ベース基板７を介して外部の温度変化の影響を受け難くなり、また、第２容器３０からの放熱をし難くし、出力される発振周波数の周波数安定性の劣化を低減することができる。また、第２容器３０とベース基板７との接合面積が小さくなったことにより、ベース基板７のそり等により生じる応力が第２容器３０に伝達するのを低減することができる。

また、載置部１６が第２容器３０と重なる部分が十字形状で、延在部１８と第２容器３０との間に空隙があるので、過度な衝撃が加わった場合に延在部１８と第２容器３０とが接触することで、第２容器３０の衝撃による変位を規制することができる。

また、載置部１６が第１基板１１に形成された複数の開口部１４によって規定される形状であるので、発振器１の製造に際しては、第１基板１１に開口部１４を形成することで、容易に載置部１６を形成することができる。すなわち、載置部１６は製造効率に優れた構造である。

また、第１ベース１０と第１リッド２７とが接合されて第２容器３０を気密封止していることで、第１容器５内の対流によって外部の温度変化の影響を受け易くなる虞を低減することができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る発振器１ａについて、図４及び図５を参照して説明する。尚、図４は、説明する便宜上、第１リッド２７を取り外した状態を図示している。

本実施形態の発振器１ａは、第１実施形態の発振器１に比べ、第２容器３０とベース基板７との接合面積が異なること以外は、第１実施形態の発振器１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

発振器１ａは、図４及び図５に示すように、第２容器３０とベース基板７に設けられた載置部１６との接合面積が第２容器３０の面積よりも小さく、第２容器３０が固定部１７と延在部１８の一部とに接合部材５０ａを介して固定されている。延在部１８の一部まで固定することにより、より安定して第２容器３０をベース基板７に固定することができる。

本実施形態の発振器１ａは、第２容器３０とベース基板７に設けられた載置部１６との接合面積が第２容器３０の面積よりも小さいため、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る発振器１ｂについて、図６及び図７を参照して説明する。尚、図６は、説明する便宜上、第１リッド２７を取り外した状態を図示している。

本実施形態の発振器１ｂは、第１実施形態の発振器１に比べ、第２容器３０と固定部１７との間に断熱部材６０が配置されていること以外は、第１実施形態の発振器１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

発振器１ｂは、図６及び図７に示すように、第２容器３０とベース基板７との間にセラミック等の熱伝導率の小さい断熱部材６０が配置されている。断熱部材６０は、接合部材５０を介してベース基板７の固定部１７に固定され、第２容器３０は、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の絶縁性の接着剤である接合部材６１を介して断熱部材６０に固定されている。

本実施形態の発振器１ｂは、第２容器３０とベース基板７の固定部１７との間に断熱部材６０が配置されているので、第２容器３０とベース基板７との熱の授受をより減少させることができる。

４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る発振器１ｃについて、図８及び図９を参照して説明する。尚、図８は、説明する便宜上、第１リッド２７を取り外した状態を図示している。

本実施形態の発振器１ｃは、第１実施形態の発振器１に比べ、ベース基板７と第２容器３０との間に回路部品７０が配置されていること以外は、第１実施形態の発振器１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

発振器１ｃは、図８及び図９に示すように、第１基板１１に形成された開口部１４内に配置された回路部品７０を更に備える。すなわち、ベース基板７の平板部１５と第２容器３０との間で、Ｚ方向からの平面視で、第２容器３０と重なる位置に回路部品７０が配置されている。回路部品７０は、金属バンプや半田等の導通性の接合部材７１を介して平板部１５に固定されている。回路部品７０は、平板部１５に設けられた図示しない配線や図示しない貫通電極等を介して、第１ベース１０に設けられた内部端子１９と電気的に接続されている。

本実施形態の発振器１ｃは、回路部品７０を第２容器３０と重なる位置に配置しているので、回路部品７０を配置するスペースを確保する必要がなくなり、小型化を図ることができる。また、回路部品７０として、例えば、温度センサーを用いた場合には、温度検出精度が高まり、出力される発振周波数の周波数安定性をより向上させることができる。

５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る発振器１ｄについて、図１０及び図１１を参照して説明する。尚、図１０は、説明する便宜上、第１リッド２７を取り外した状態を図示している。

本実施形態の発振器１ｄは、第１実施形態の発振器１に比べ、ベース基板７ｄの構造が異なり、ヒーター８０とヒーター制御用集積回路８４とが配置されていること以外は、第１実施形態の発振器１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

発振器１ｄは、図１０及び図１１に示すように、温度補償型発振器４０の第２容器３０の端子３７が配置されている面に、熱伝導率の高い導電性接着剤等の接合部材８１を介してヒーター８０が固定されている。すなわち、ヒーター８０が第２ベース３１に固定されている。ヒーター８０に設けられた端子８２と第１ベース１０ｄに設けられた内部端子２１とがボンディングワイヤー５３を介して電気的に接続されている。

第１容器５ｄのベース基板７ｄは、上面側に窪む凹部２４が形成されている。凹部２４の内底面２５に、金属バンプや半田等の導通性の接合部材８５を介してヒーター８０を制御するヒーター制御用集積回路８４が固定されている。また、ヒーター制御用集積回路８４は、凹部２４の内底面２５に設けられた図示しない配線や図示しない貫通電極等を介して、第１ベース１０ｄに設けられた内部端子２１と電気的に接続されている。そのため、ヒーター制御用集積回路８４によりヒーター８０を一定温度に制御することで、温度補償型発振器４０を一定温度に保持することができ、出力される発振周波数の周波数安定性をより向上させることができる。

本実施形態の発振器１ｄは、ヒーター８０が固定された第２容器３０を第２容器３０の面積よりも小さい面積を有する固定部１７で、ベース基板７ｄに固定しているため、第２容器３０とベース基板７ｄとの熱の授受を減少でき、特に、ヒーター８０により加熱された第２容器３０からの放熱を低減できるので、ヒーター８０の消費電力を抑制することができる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…発振器、５…第１容器、７…ベース基板、１０…第１ベース、１１…第１基板、１２…第２基板、１３…第３基板、１４…開口部、１５…平板部、１６…載置部、１７…固定部、１８…延在部、１９…内部端子、２０…外部端子、２７…第１リッド、２８…接合部材、３０…容器としての第２容器、３１…第２ベース、３２…第２リッド、３３…第１基板、３４…第２基板、３５…第３基板、３６…接合部材、３７…端子、４０…温度補償型発振器、４１…集積回路、４２…接合部材、４３…振動子、４４…基板、４５…励振電極、４６…接合部材、５０…接合部材、５２…ボンディングワイヤー、６０…断熱部材、７０…回路部品、Ｓ１，Ｓ２…収容空間。

Claims

振動子が収容された容器と、
前記容器が搭載される第１ベースと、を備え、
前記第１ベースは、平面視で、前記容器と重なる面積が、前記容器の面積より小さい載置部を含み、
前記載置部は、
平面視で、前記容器の外周より内側に位置し、接合部材を介して前記容器を固定する固定部と、
前記固定部から前記容器の外周に向かって延在する延在部と、を有する、
発振器。
前記載置部は、前記容器と重なる部分が十字形状である、
請求項１に記載の発振器。
前記第１ベースは、
平板状のベース基板と、
前記ベース基板と前記容器との間に位置し、前記載置部を含む第１基板と、を含み、
前記載置部は、前記第１基板に形成された複数の開口部によって規定される形状である、
請求項１又は請求項２に記載の発振器。
前記延在部は、前記容器との間に空隙を有する、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発振器。
前記延在部の一部は、前記接合部材を介して前記容器に固定される、
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発振器。
前記接合部材は、絶縁性の接着剤である、
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発振器。
前記第１ベースと接合されて前記容器を気密封止する第１リッドを更に備える、
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の発振器。
前記容器は、第２ベースと第２リッドを含み、前記第２リッドが前記固定部に固定され、前記第２ベースがボンディングワイヤーを介して前記第１ベースに電気的に接続される、
請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の発振器。
前記第２ベースに固定されたヒーターを更に備える、
請求項８に記載の発振器。
前記容器は、前記容器と前記載置部との間に、断熱部材を介して前記第１ベースに搭載される、
請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の発振器。
前記開口部内の前記容器と重なる位置に配置され、前記ベース基板に搭載された回路部品を更に備える、
請求項３に記載の発振器。