JP2022032487A - 水晶発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な周波数温度特性を有しつつ、発振周波数の高精度な調整が容易な水晶発振装置を提供することにある。
【解決手段】 ＧＴカットの水晶振動子１０，２０と、前記水晶振動子１０，２０を発振させる発振回路、該発振回路の出力周波数にロックさせるＰＬＬ部及び出力分周器を有する発振制御部５と、を有し、前記水晶振動子１０，２０と発振制御部５とが一つのパッケージに収納され、前記水晶振動子１０，２０は、所定の周波数温度特性となるように調整された厚みの励振電極を有し、前記発振制御部５は、所定の分周比と、前記周波数温度特性を有する前記水晶振動子１０，２０の振動周波数とに基づいて出力周波数が調整される。
【選択図】 図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り １．自社（リバーエレテック株式会社）のウェブサイト ２０２０年６月５日公開 ２．電波新聞 ２０２０年６月１０日 第４面 ３．日刊工業新聞 ２０２０年６月１０日 第９面 ４．プロダクトナビ ２０２０年７－８月号 第１４頁 ２０２０年７月２７日発行 ５．新製品情報 ２０２０年８月号 第２８頁 ２０２０年８月１日発行

本発明は、広い温度範囲で良好な周波数精度が得られるＧＴカットの水晶振動子とＰＬＬを含む発振制御部とを１パッケージ化した水晶発振装置に関するものである。

水晶振動子は、水晶結晶から切り出されるカット角に応じて、振動モードや周波数温度特性が異なる。ＡＴカットの水晶振動子は、小型で比較的広い温度範囲で安定した発振周波数を得ることができるため、広く使用されている。また、ＡＴカット水晶振動子に温度補償回路を追加した温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）も広く使用されている。このＴＣＸＯは、広い温度範囲でより優れた周波数温度特性を有しているが、温度補償回路の動作温度範囲は限定されたものとなっている。一方、ＧＴカット水晶振動子は、水晶振動子単体での周波数温度特性がＡＴカット水晶振動子よりも良好なため、ＴＣＸＯのような温度補償回路を使用することなく、優れた周波数温度特性を得ることができるという特徴を有している。

前記水晶振動子は、カット角に応じて、目標とする発振周波数が得られるように、形状や各部の寸法、励振電極パターンなどが設定される。ただし、このような設定値に基づいて製造された場合であっても、製造条件や周囲環境によって目標値からずれる場合がある。このため、製造の最終段階で出力周波数の微調整が行われている。

上記周波数調整を容易にするため、ＡＴカットの水晶振動子からなる水晶発振器と発振制御部とを１パッケージ化した水晶発振装置が知られている（特許文献１）。前記発振制御部には、電圧制御型発振器（ＶＣＯ）、ＰＬＬ回路、分周回路等を含んでいる。また、特許文献２には、常温での周波数調整するための電極箇所と、周波数温度特性を調整する電極箇所とを別々に設け、それぞれ独立に調整可能なＧＴカット水晶振動子の周波数調整方法が開示されている。

特開２００１－１７７４０６号公報 特開昭５７－１８８１２１号公報

上記水晶振動子と発振制御部とを備えた従来の水晶発振装置は、主にＡＴカットの水晶振動子が使用されている。このようなＡＴカットの水晶振動子と発振制御部とを１パッケージ化することによって、実装設計及び発振周波数の調整が容易となるが、ＧＴカットの水晶振動子のような良好な周波数温度特性を得ることができない。

一方、ＴＣＸＯでは、温度が変化したときのＡＴカット水晶振動子の周波数誤差を補正するために、発振回路の発振ループ内に負荷容量が温度により変化する回路が含まれている。このため、温度による周波数ズレと逆特性になる負荷容量に調整（温度補償）することで、温度が変化したときの周波数誤差を小さくしている。しかしながら、負荷容量で周波数を調整できる範囲は限定的であること、また、１２５℃を超えるような温度においては、温度補償回路が正常に動作しないといった問題を有していた。

一方、ＧＴカットの水晶振動子はＡＴカットの水晶振動子に比べて広い温度範囲で良好な周波数温度特性を有しているため、外付けの温度補償回路を組み合わせなくても良好な周波数特性を得ることができる。しかしながら、ＧＴカット水晶振動子にも製造バラツキが生じると共に、常温での周波数誤差や周波数温度特性のバラツキも発生するため、常温周波数や周波数温度特性の微調整は必要となる。ここで、常温周波数を調整するために、ＡＴカット水晶振動子と同じように水晶片の両面に形成されている電極の少なくとも片方を少しずつ削っていき、質量を軽くすることで周波数を調整した場合、電極を削ることにより周波数温度特性が連動して変化してしまい、本来有していた広い温度範囲で良好な周波数精度を維持できなくなる。それとは逆に、周波数温度特性を水晶片の両面に形成されている電極の少なくとも片方を少しずつ削りながら調整した場合には、常温周波数が目標周波数に到達しない。両方を同時に調整することは非常に困難である。これを解決するために、特許文献２では、常温での周波数調整するための電極箇所と、周波数温度特性を調整する電極箇所を別々に設け、それぞれ独立に調整できるとしている。しかしながら、大量に生産する場合に、このような微細な調整をすることは難しく、さらに実際にはある程度独立してはいるものの、連動性も有しており、完全に独立して微細な調整をすることは困難であった。

そこで、本発明の目的は、広い温度範囲で良好な周波数温度特性を有しつつ、発振周波数の高精度な調整が容易な水晶発振装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶発振装置は、ＧＴカットの水晶振動子と、前記水晶振動子を発振させる発振回路、該発振回路の出力周波数にロックさせるＰＬＬ部及び出力分周器を有する発振制御部と、を有し、前記水晶振動子と発振制御部とが一つのパッケージに収納されている。

本発明の水晶発振装置によれば、広い温度範囲において良好な周波数温度特性を有するＧＴカットの水晶振動子と、発振回路、ＰＬＬ部及び出力分周器を有する発振制御部とを１パッケージ化したことによって、ＧＴカットの水晶振動子が有する良好な周波数温度特性の下で発振周波数の高精度且つ容易な調整が可能となる。

本発明の水晶発振装置の内部構造を示す斜視図である。 水晶発振装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）基本構成によるＧＴカットの水晶振動素子の平面図、（ｂ）断面図（ｂ）である。 実使用形態のＧＴカットの水晶振動素子の平面図である。 ＧＴカットの水晶振動素子と、発振制御部とを配置したパッケージ内の平面図である。 励振電極の厚みによる周波数温度特性の変化を実験値で示したグラフである。 （ａ）１次温度係数αの変化、（ｂ）２次温度係数βの変化、（ｃ）主振動の周波数変化を示したグラフである。 所定の励振電極の厚みにおいて製造誤差を加味したときの周波数温度特性を示すグラフである。 励振電極の厚み毎にα調整したときの周波数温度特性を示すグラフである。

以下、本発明に係る水晶発振装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１に示すように、本発明の水晶発振装置１は、パッケージ２と、このパッケージ２内に収納されるＧＴカットの水晶振動素子（ＧＴカットブランク）１０と、１チップ化された発振制御部（集積ＩＣ）５とを備えている。前記パッケージ２は、前記ＧＴカットブランク１０と集積ＩＣ５とが平面配置可能な凹部３ａを有するセラミックケース（ケース）３と、このケース３を封止する金属リッド（リッド）４とによって構成されている。前記リッド４は、前記ケース３の凹部３ａの縁面３ｂは、リッド４が密着されるシール部となっている。なお、ＧＴカットについては、ＮＳ－ＧＴカットと称される場合もあり、以下の説明ではこれらを含めてＧＴカットとする。

前記凹部３ａの底部には、ＧＴカットブランク１０がマウントされるマウント電極１６及び集積ＩＣ５との電気的接続のための電極パターン（図示せず）が形成されている。前記ＧＴカットブランク１０は振動部１２の両側面から延びる一対の支持アーム１３が接続されるフレーム１４が導電性接着剤を介してマウント電極１６に固定及び電気的に接続される。集積ＩＣ５は、ボンディングワイヤ７を介して前記凹部３ａ内の電極パターン上に電気的に接続されている。なお、集積ＩＣ５は、フリップチップによって実装する場合もある。本実施形態では、ＧＴカットブランク１０と集積ＩＣ５とを平面状に配置しているが、上下に重ねて配置する場合もある。前記ケース３の裏面には基板に実装するための複数の外部電極６が形成されている。前記外部電極６には、電圧を供給するＶＣＣ、ＧＮＤの他、集積ＩＣ５を制御する制御信号端子を含んでいる。

図２は上記水晶発振装置１の構成をブロック図で示したものである。集積ＩＣ５は、発振回路、デジタル方式のＰＬＬ部及び出力分周器を備えている。ＰＬＬ部は、発振回路によって出力される信号とプログラマブル分周器を介して帰還された信号の位相を比較する位相比較器と、位相比較器を通した信号を平滑化するローパスフィルタと、入力信号によって発振周波数を制御するＶＣＯと、ＶＣＯによって制御された信号を外部から任意の分周比に変換するプログラマブル分周器とを備えている。

図３は、基本形状からなるＧＴカットブランク１０の平面形態（ａ）及び振動部の断面形態（ｂ）を示したものである。このＧＴカットブランク１０は、輪郭振動を伴う基本形状からなり、幅縦・長さ縦結合モードの振動を発生させるための四角形状の振動板１１と、この振動板１１の一側面から外方向に延びる支持アーム１３と、この支持アーム１３を支持するフレーム１４とを備えて一体形成されている。

幅縦・長さ縦結合モードは、通常、長さ縦モードの振動周波数を調整して、幅縦モードに結合させることにより、温度特性の良好な振動子特性を得る。前記支持アーム１３は、長さ縦モードの振動に対する錘として機能すると共に、バネ性を有しているため、長さ縦振動を抑制しながら周波数を調整する役割を備えている。

前記ＧＴカットブランク１０は、機械軸（Ｙ軸）に垂直となるＹ板水晶を、電気軸（Ｘ軸）を回転軸として角度θx＝＋４５°～＋５３°回転し、更に、前記Ｘ軸の回転後の新軸（Ｙ´軸）を回転軸として、角度θy＝４０°～５０°回転した回転角（カット角）θで切り出され、上下面及び四方向の側面を有する薄板状の水晶基板を所定の形状に加工して形成されている。また、前記Ｙ軸の回転後の新軸であるＹ´軸に垂直な面となる振動板１１の表面及び裏面には極性の異なる少なくとも一対の励振電極１７，１８（１７の裏面側）が対向して配置されている。なお、前記振動板１１、支持アーム１３及びフレーム１４は、前記水晶基板を所定形状に加工して形成される。なお、ここでの軸の取り方はＪＩＳＣ６７０４の定義に従っており、Ｘ軸のプラス回転はＪＩＳＣ６７０４のＡＴカット側の回転と定義しており、以下も同様である。

前記振動板１１は、幅縦の主振動を生じさせるように対向する一対の主振動辺１２ｃ，１２ｄが間隔Ｍで設定され、長さ縦の副振動を生じさせるように前記主振動辺（１２ｃ，１２ｄ）と直交する方向に対向する一対の副振動辺１２ａ，１２ｂが間隔Ｓで設定された四角形状の振動部１２によって形成されている。

前記主振動辺間隔（Ｍ）、副振動辺間隔（Ｓ）、振動板１１の厚み（Ｔ）との辺比は、発振させる周波数によって異なるが、本実施形態では、Ｍは７３３μｍ、辺比Ｓ／Ｍ＝１．０３７、辺比Ｔ／Ｍ＝０．０４１として、周波数４．５ＭＨｚのＧＴカット水晶振動子とした。その他の周波数の場合には、辺比Ｓ／Ｍ＝１～１．４５の範囲で設定され、振動板１１の厚み（Ｔ）は辺比Ｔ／Ｍが０．１よりも小さくなるように設定される。

前記振動部１２には、表面に第１の励振電極１７、裏面に第２の励振電極１８が形成されている。この第１及び第２の励振電極１７，１８に対して逆位相の電圧をフレーム１４及び支持アーム１３を介して印加することで、前記主振動辺（１２ｃ，１２ｄ）及び副振動辺（１２ａ，１２ｂ）が撓み変形して幅縦・長さ縦結合モードの振動が生じる。なお、結合している場合には、主振動辺間隔（Ｍ）が伸びるときには副振動辺間隔（Ｓ）は縮み、主振動辺間隔（Ｍ）が縮むときには副振動辺間隔（Ｓ）は伸びる振動をする。

前記支持アーム１３は、前記一方の副振動辺（１２ａ，１２ｂ）の中央に接続され、フレーム１４との間が連続した一つの経路によって弾性を有して結ばれた形状になっている。このような梁形状を有した支持アーム１３は、幅縦モードの主振動の振動節部である辺（１２ａ，１２ｂ）の中央に接続されているため、主振動への影響が微少なものとなっている。さらに辺（１２ａ，１２ｂ）の中央は副振動の振動腹部でもあるため、支持アーム１３は副振動の振動を適度に抑制し、副振動で発振することを防ぐようにも設計されている。

図１に示したように、前記ＧＴカットブランク１０は、フレーム１４を介してケース３に固定され、前記支持アーム１３を介して振動部１２の第１の励振電極１７及び第２の励振電極１８に電圧が印加される。前記フレーム１４及び支持アーム１３は、振動部１２を支持するための強度を保持しつつ、可能な限り軽量であることが望ましい。

前記支持アーム１３は、長さ縦モードの振動に対する錘として機能すると共に、バネ性を有しており、副振動の周波数を主振動の周波数に対して、本実施形態では９０．８１％～９０．８７％低い値に調整する役割を備える。設計によっては８８％～９４％の範囲に設定される場合もある。また、主振動の振動を妨げないために、前記支持アーム１３は副振動方向に屈曲した部分を有して長く形成するのが好ましい。図４は実使用形態のＧＴカットブランク２０の平面図、図５は前記ＧＴカットブランク２０と集積ＩＣ５とを１パッケージ化した平面図である。本実施形態のＧＴカットブランク２０は、図３に示したＧＴカットブランク１０と同様に、幅縦・長さ縦結合モードの振動を発生させるための四角形状の振動板１１と、この振動板１１の両側面から外方向に延びる一対の支持アーム２３と、この一対の支持アーム２３を支持するフレーム２４とを備えて一体形成されている。前記一対の支持アーム２３は、主振動の振動を妨げることのないように、屈曲部２５を多数設けた構成となっている。本実施形態では、ケース３の凹部３ａ内にコンパクトに収容させるため、屈曲部２５を四角形状の振動部１２の両側面から左右対称となるようにフレーム２４に向けて蛇行させるようにして形成した。このように、屈曲部２５を複数有する一対の支持アーム２３によって振動部１２を支持することによって、不要振動のない良好な周波数温度特性を得ることができる。前記フレーム２４は、導電性接着剤１５を介してマウント電極１６に電気的に接続される。また、図５に示したように、前記ＧＴカットブランク２０と、集積ＩＣ５とを一つのパッケージ２内に収納し、相互に電気的接続を図ることで、出力周波数の安定化と調整の容易化の両方を同時に図ることができる。

上記構成からなるＧＴカットブランク２０は、水晶ブランクのフォトリソ製造工程の加工精度で±３０００ｐｐｍ程度の周波数精度となるように加工され、周波数温度特性の調整は、励振電極１７，１８の厚みを調整することによって行う。

図６は励振電極の厚みによる周波数温度特性を示した実験結果であり、図７は図６の実験結果によって得られる１次温度係数αと２次温度係数βの変化及び主振動の周波数変化の関係を示したものである。ここで、図７（ａ），（ｂ）の横軸は励振電極の厚み（Å）、縦軸は周波数温度係数を示す。図７（ｃ）の横軸は励振電極の厚み（Å）、縦軸は振動周波数（ＭＨｚ）を示す。なお、励振電極の構成は、コンタクトメタルとして厚みが５０Åのクロム（Ｃｒ）、主電極には金（Ａｕ）を使用しており、グラフに示した励振電極の厚みは表裏の合計値を示している。

一般的に、水晶で形成された圧電振動子（水晶振動子）の周波数温度係数α，β，γと周波数偏差Δｆ／ｆとの間には３次までのテイラー展開項をとり、以下のように表される。
Δｆ／ｆ＝α（ｔ－ｔ_０）＋β（ｔ－ｔ_０）^２＋γ（ｔ－ｔ_０）^３
ただし、α：１次温度係数
β：２次温度係数
γ：３次温度係数
ｔ_０：テイラー展開温度
水晶振動子は、ｔ_０＝２０℃または２５℃で使用温度範囲たとえば－４０～＋１２５℃で周波数温度特性が最小になるようにα＝０付近の最適値に設定され、そのときのβ，γの値によって周波数温度特性が決定される。

本発明の水晶発振装置１においては、ＧＴカットブランク２０の調整を周波数温度特性に限定させるだけでよい。このため、主振動の周波数の変化にかかわらず周波数温度特性が設定した温度範囲で最小になるように、１次温度係数αと２次温度係数βとが概ねゼロ値になるような厚みに励振電極１７，１８を加工する。良好な周波数温度特性を得るためには、αとβがともにゼロ値になることが望ましく、このような結果となるようにＧＴカットブランク２０のカット角や辺比Ｓ／Ｍ、辺比Ｔ／Ｍなどが予め設定されている。本実施形態では、励振電極１７，１８の合計厚みを７００Åから１６００Åまでの範囲で加工調整することによって、広い温度範囲でフラットな周波数温度特性を得ることができる。周波数温度特性に対しての寄与率は、α＞β＞γであることは知られており、図７に示した実験結果によって、α＞βであることが確認されている。本実施形態の構成においてＧＴカットブランク２０を製造した場合には、３次温度係数γは０．０２×１０^－１０／℃^３前後となり、周波数温度特性への影響は小さいものとなる。このため、γについての図示は省略している。図８に示したように、水晶ブランクの加工寸法バラツキによってαのバラツキが発生した場合には、励振電極の厚み（Ａｕ膜厚）を調整することによってαを変化させる。このときβ、γもやや連動するが効果が少ないため、図９に示したような良好な周波数温度特性を維持することができる。このように、ＧＴカットブランク２０は、振動部幅と周波数が比例関係になるため、加工精度が良ければ周波数温度特性は追加調整が不要な程度まで小さく抑えることができる。

なお、励振電極の厚みによる周波数温度特性の調整は、以下に示すような複数の手法が取られる。
（１）ウェハ工程において、抜き取りで周波数温度特性を測定し、ウェハ全体に同一厚みの励振電極を形成することで周波数温度特性を調整する。この場合、ウェハ全体をプラズマエッチング、イオンビームエッチング、アルゴンビームエッチング等によって励振電極の厚みを調整する場合と、成膜によって励振電極の厚みを調整する場合の二通りの対応が可能である。
（２）ウェハ工程でＧＴカットブランク個々の周波数温度特性を測定し、個々に励振電極の厚みをプラズマエッチング、イオンビームエッチング、アルゴンビームエッチング等の加工などによって周波数温度特性を調整する。
（３）ＧＴカットブランクをケースに収納した後、発振回路で個々に周波数温度特性を測定し、個々に励振電極の厚みをプラズマエッチング、イオンビームエッチング、アルゴンビームエッチング等の加工などによって周波数温度特性を調整する。

このようにして調整されたＧＴカットブランク２０は、集積ＩＣ５と共にケース３内に収納して封止した後、次に示すような最終の周波数調整が行われる。図２に示したＰＬＬ部では、ＶＣＯが水晶発振回路に位相ロックするように制御電圧を出力する。制御電圧は６桁以上の分解能を有しており、例えばＶＣＯの出力周波数を１ｐｐｍ以下の精度で制御することができる。また、出力分周器における分周比は、１／５１２、１／２５６、１／１９６、１／１８０・・・等）の中から選定することができる。

例えば、分周比として１／１８０を選定した場合において、
（１）ＧＴカットブランク２０の振動周波数が４．０ＭＨｚ、水晶発振装置１の出力周波数を１２．３４ＭＨｚに調整する場合は、ＶＣＯの発振周波数をＧＴカットブランク２０の振動周波数の５５５．３倍となる２２２１．２００ＭＨｚにセットする。
（２）ＧＴカットブランク２０の振動周波数が４．１ＭＨｚ、水晶発振装置１の出力周波数を１２．３４ＭＨｚに調整する場合は、ＶＣＯの発振周波数をＧＴカットブランク２０の振動周波数の５４１．７５６倍となる２２２１．２００ＭＨｚにセットする。
このように、ＧＴカットブランク２０の振動周波数の何倍にＶＣＯの周波数をセットするかによって、水晶発振装置１の出力周波数を調整することができる。

周波数温度特性はＧＴカットブランク２０に依存するが、常温周波数精度はＶＣＯの調整に依存させるため、ＧＴカットブランク２０に関しては温度特性に特化した設計にすることができる。

通常、水晶発振器のコストアップの大きな原因の一つは、個々に周波数を測定しながら少しずつ調整するための手間のかかる工程を有することであるが、本発明の水晶発振装置では、ＰＬＬを介したデジタル的な調整となるので、調整に掛かるコストダウンが可能となる。一方、ＧＴカットブランクにあっては、周波数温度特性のみ調整すればよく、常温周波数偏差の調整は不要なので、容易に安定した特性となるような調整が可能である。

周波数のエージング特性をより改善するためには、ＧＴカットブランクの表面に形成する励振電極の安定性が不可欠である。水晶ブランクそのものは物理的及び化学的特性が安定しているが、励振電極は酸化等による質量変化、拡散による密度の変化、結晶化によるスチフネス変化に対する変動要因がある。このように、経年変化等によってＧＴカットブランク２０に不安定要因が生じた場合であっても、ＶＣＯによって外部からの再調整が可能になるといった利点がある。

１ 水晶発振装置
２ パッケージ
３ ケース
３ａ 凹部
３ｂ 縁面
４ リッド
５ 集積ＩＣ
６ 外部電極
７ ボンディングワイヤ
１０ ＧＴカットブランク（水晶振動子）
１１ 振動板
１２ 振動部
１２ａ，１２ｂ 副振動辺
１２ｃ，１２ｄ 主振動辺
１３ 支持アーム
１４ フレーム
１５ 導電性接着剤
１６ マウント電極
１７ 励振電極
１８ 励振電極
２０ ＧＴカットブランク（水晶振動子）
２３ 支持アーム
２４ フレーム
２５ 屈曲部

Claims (5)

1. ＧＴカットの水晶振動子と、
   前記水晶振動子を発振させる発振回路、該発振回路の出力周波数にロックさせるＰＬＬ部及び出力分周器を有する発振制御部と、を有し、
   前記水晶振動子と発振制御部とが一つのパッケージに収納されている水晶発振装置。
2. 前記水晶振動子は、所定の周波数温度特性となるように調整された厚みの励振電極を有し、
   前記発振制御部は、所定の分周比と、前記周波数温度特性を有する前記水晶振動子の振動周波数とに基づいて出力周波数が調整される請求項１に記載の水晶発振装置。
3. 前記水晶振動子は、幅縦モードの主振動を伴う一対の主振動辺及びこの一対の主振動辺と直交し、長さ縦モードの副振動を伴う一対の副振動辺からなる振動板と、
   前記一対の主振動辺の少なくとも一方から外方向に延びる支持アームと、
   前記振動板の外周に設けられ、前記支持アームの一端が接続されるフレームと、を備えている請求項１又は２に記載の水晶発振装置。
4. 前記支持アームは、前記主振動辺と前記フレームとの間が一つの経路によって結ばれ、その間に複数の屈曲部を有している請求項３に記載の水晶発振装置。
5. 前記パッケージは、前記水晶振動子と発振制御部とが平面配置される凹部を有するセラミックケースと、前記凹部内を気密封止する金属リッドとによって形成されている請求項１に記載の水晶発振装置。

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