JP2022036479A - 発振器 - Google Patents

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が搭載されるベース基板１１と、平面視で、第２容器３０と重なる位置において、ベース基板１１上に設けられた３つ以上の突起部１５と、第２容器３０と、突起部１５の少なくとも１つとを接合する接合部材５０と、を備える。【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を得ようとす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ベース基板と、平面視で、前記容器と重なる位置において、前記ベース基板上に設けられた３つ以上の突起部と、前記容器と、前記突起部の少なくとも１つとを接合する接合部材と、を備える。

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ベースとしての第２ベース３１と、金属、セラミック、ガラス等からなるリッドとしての第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、環状の開口部が第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。なお、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、図２に示すように、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が固定されている。また、第２基板３４の第３基板３５と重ならない部分の面に、図３に示すように、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。

なお、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の収容空間Ｓ２に収容され、振動子４３を発振させるための発振回路６１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６２と、収容空間Ｓ２内の温度を検出する温度センサー６３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シール部材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。

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、環状の開口部が第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１１の第２基板１２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。なお、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１１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１１の温度補償型発振器４０と対向する上面１４には、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と重なる位置、つまり、第２容器３０の外周より内側の位置に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性のバンプ部材で形成された複数の突起部１５が設けられている。

突起部１５は、バンプ部材となるペースト状のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の接着剤をディスペンサー等で、ベース基板１１の上面１４上に半球状に塗布し、その後、加熱して硬化させることで形成することができる。ディスペンサーからの吐出量を一定とすることで、突起部１５の直径や高さを均一とすることができる。そのため、第２容器３０をベース基板１１の上面１４に沿って平行に固定することができる。

各々の突起部１５は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン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を接合することで、温度補償型発振器４０をベース基板１１に固定している。
第２容器３０を固定する突起部１５の面積、より厳密には、第２容器３０と突起部１５とを接合する接合部材５０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１１に固定する場合に比べ、第２容器３０とベース基板１１との熱の授受を小さくすることができる。また、本実施形態では、各々の突起部１５は、シール部材２８と重ならない位置に設けられている。このため、突起部１５からシール部材２８を介して振動子４３に至る熱伝導の経路を長くすることができ、振動子４３の温度をより安定させることができる。

本実施形態で突起部１５は、ベース基板１１の上面１４に５つ設けられている。第１突起部２１は、ベース基板１１の略中央に配置され、第２突起部２２と第３突起部２３とは、第１突起部２１を挟み、Ｘ方向に沿って配置され、第４突起部２４と第５突起部２５とは、第１突起部２１を挟み、Ｙ方向に沿って配置されている。そのため、第２容器３０をベース基板１１と略平行に固定することができる。

尚、本実施形態では、突起部１５をベース基板１１に５つ配置しているが、これに限定することはなく、突起部１５は、３つ以上であれば構わない。突起部１５が３つの場合には、平面視で、第２容器３０と重なる位置に三角形状に配置することで、第２容器３０をベース基板１１と略平行に固定することができる。また、本実施形態では、５つの突起部１５の全てに接合部材５０を介して第２容器３０を固定しているが、これに限定することはなく、第２容器３０を固定する突起部１５は、１つ以上であれば構わない。

また、第２リッド３２がベース基板１１の突起部１５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１１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１１に設けられた３つ以上の突起部１５に、振動子４３を収容する第２容器３０の面積より小さい面積で、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１１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１１との熱の授受を減少させ、ベース基板１１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１１との接合面積が小さくなったことにより、ベース基板１１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。

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を固定している突起部１５の個数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、ベース基板１１の上面１４に５つの突起部１５が設けられており、第２容器３０が接合部材５０を介して第１突起部２１のみに固定されている。また、第１突起部２１より第２容器３０の外周側に設けられた第２突起部２２及び第３突起部２３は、第２容器３０との間に空隙を有している。同様に、第１突起部２１より第２容器３０の外周側に設けられた第４突起部２４及び第５突起部２５も第２容器３０との間に空隙を有している。第２容器３０を第１突起部２１のみで固定しているので、第２容器３０とベース基板１１との接合面積がより小さくなり、第２容器３０とベース基板１１との熱の授受をより減少させることができる。また、本実施形態では、少なくとも第１突起部２１は、シール部材２８と重ならない位置に設けられている。このため、突起部１５からシール部材２８を介して振動子４３に至る熱伝導の経路を長くすることができ、振動子４３の温度をより安定させることができる。

また、第２突起部２２、第３突起部２３、第４突起部２４、及び第５突起部２５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第２突起部２２、第３突起部２３、第４突起部２４、及び第５突起部２５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。

本実施形態の発振器１ａは、第２容器３０を第１突起部２１のみでベース基板１１に固定しているので、第２容器３０とベース基板１１との接合面積がより小さくなり、第２容器３０とベース基板１１との熱の授受をより減少させることができる。

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、突起部１５ｂを構成する材料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１ｂは、図６及び図７に示すように、ベース基板１１ｂの上面１４に５つの突起部１５ｂが設けられており、第２容器３０が接合部材５０を介して突起部１５ｂに固定されている。突起部１５ｂは、セラミック等からなるベース基板１１と同一の材料で形成されている。突起部１５ｂは、ベース基板１１と一体化して形成されていても良いが、絶縁性の接着剤等を介してベース基板１１に固定されていても良い。尚、第１突起部２１ｂは、ベース基板１１の略中央に配置され、第２突起部２２ｂと第３突起部２３ｂとは、第１突起部２１ｂを挟み、Ｘ方向に沿って配置され、第４突起部２４ｂと第５突起部２５ｂとは、第１突起部２１ｂを挟み、Ｙ方向に沿って配置されている。そのため、第２容器３０をベース基板１１と略平行に固定することができる。

本実施形態の発振器１ｂは、突起部１５ｂがセラミック等からなるベース基板１１と同一の材料で形成されているので、第２容器３０とベース基板１１との熱の授受を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、突起部１５ｃの構造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１ｃは、図８及び図９に示すように、ベース基板１１の上面１４に５つの突起部１５ｃが設けられており、第２容器３０が接合部材５０を介して突起部１５ｃに固定されている。突起部１５ｃは、第１バンプ部材１６と第２バンプ部材１７とを有し、ベース基板１１側から第１バンプ部材１６、第２バンプ部材１７の順で積層されている。第１バンプ部材１６及び第２バンプ部材１７は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂等の絶縁性の材料で構成され、第１バンプ部材１６と第２バンプ部材１７とは、同じ材料であっても良いし、異なる材料であっても良い。尚、第１突起部２１ｃは、ベース基板１１の略中央に配置され、第２突起部２２ｃと第３突起部２３ｃとは、第１突起部２１ｃを挟み、Ｘ方向に沿って配置され、第４突起部２４ｃと第５突起部２５ｃとは、第１突起部２１ｃを挟み、Ｙ方向に沿って配置されている。そのため、第２容器３０をベース基板１１と略平行に固定することができる。

突起部１５ｃは、第１バンプ部材１６をディスペンサー等で、ベース基板１１の上面１４上に半球状に塗布後、加熱して硬化させ、その後、第２バンプ部材１７をディスペンサー等で、第１バンプ部材１６上に塗布後、加熱して硬化させることで形成することができる。尚、本実施形態では、突起部１５ｃを２つのバンプ部材を積層して構成しているが、これに限定することはなく、突起部１５ｃを３つ以上のバンプ部材を積層して構成しても構わない。

本実施形態の発振器１ｃは、第２容器３０を固定する突起部１５ｃが第１バンプ部材１６と第２バンプ部材１７との２段構成なので、第２容器３０とベース基板１１との熱の伝導経路が長くなり、熱が伝わり難くなる。そのため、第２容器３０とベース基板１１との熱の授受をより減少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１１ｄ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。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１８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１１ｄは、上面１４側に窪む凹部２６が形成されている。凹部２６の内底面２９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２６の内底面２９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１８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突起部１５で、ベース基板１１ｄに固定しているため、第２容器３０とベース基板１１ｄ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、１０…第１ベース、１１…ベース基板、１２…第２基板、１３…第３基板、１４…上面、１５…突起部、１９…内部端子、２０…外部端子、２１…第１突起部、２２…第２突起部、２３…第３突起部、２４…第４突起部、２５…第５突起部、２７…第１リッド、２８…シール部材、３０…容器としての第２容器、３１…ベースとしての第２ベース、３２…リッドとしての第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、５２，５３…ボンディングワイヤー、６１…発振回路、６２…温度補償回路、６３…温度センサー、８０…ヒーター、８４…ヒーター制御用集積回路、Ｓ１，Ｓ２…収容空間。

Claims (9)

1. 振動子が収容された容器と、
   前記容器が搭載されるベース基板と、
   平面視で、前記容器と重なる位置において、前記ベース基板上に設けられた３つ以上の突起部と、
   前記容器と、前記突起部の少なくとも１つとを接合する接合部材と、を備える、
   発振器。
2. 前記容器は、ベースとリッドと、を含み、
   前記リッドが前記突起部に接合され、前記ベースがボンディングワイヤーを介して前記ベース基板に電気的に接続される、
   請求項１に記載の発振器。
3. 前記ベースと前記リッドとを接合するシール部材を含み、
   前記平面視で、前記リッドと接合される前記突起部は、前記シール部材と重ならない位置に設けられている、
   請求項２に記載の発振器。
4. 前記突起部は、絶縁性のバンプ部材で形成されている、
   請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発振器。
5. 前記突起部は、前記ベース基板と同一の材料で形成されている、
   請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の発振器。
6. 各々の前記突起部は、前記接合部材を介して前記容器と接合される、
   請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の発振器。
7. 前記突起部は、前記接合部材を介して前記容器と接合される第１突起部と、
   前記第１突起部より前記容器の外周側に設けられた第２突起部及び第３突起部と、を含み、
   前記第２突起部及び前記第３突起部と前記容器との間に空隙を有する、
   請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の発振器。
8. 温度センサー及び発振回路を含み、前記容器に収容された集積回路を更に備える、
   請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の発振器。
9. 前記容器に固定されたヒーターを更に備える、
   請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の発振器。

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