JP3842605B2 - 表面実装用の水晶発振器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装用の水晶発振器(以下表面実装発振器とする)を産業上の技術分野とし、特に衝撃時の周波数変動を防止した表面実装発振器に関する。
【0002】
【従来の技術】
(発明の背景)表面実装発振器は小型・軽量であることから、特に各種携帯型の電子機器例えば携帯電話に採用される。近年では、発振周波数の周波数偏差も一段と厳しく、携帯電話では例えば基準周波数(公称周波数)に対して周波数変化率を例えば±1ppm以内にすることが要求されている。
【0003】
(従来技術の一例)第5図は一従来例を説明する表面実装発振器の断面図である。
表面実装発振器は、容器本体1にICチップ2と水晶片3とを収容して、金属カバー4を被せて密閉封入してなる。容器本体1は積層セラミックからなり、凹部の内壁に段部を有する。そして、外表面となる底面及び側面には、表面実装用の各実装電極5を有する(参照:特許第2969526号)。
【0004】
ICチップ2は発振回路(但し水晶振動子3Aを除く)を集積化してなり、一主面に図示しない、一対の水晶端子、電源、出力及びアース等の各端子を露出する。発振回路は第6図に示したように、水晶振動子3Aと共振回路を形成するアース電位に接地された2個のコンデンサからなる発振容量C(ab)と、共振回路に依存した発振周波数を帰還増幅する発振用増幅器6からなる。なお、符号7は帰還抵抗である。
【0005】
そして、フェースダウンボンディング(FDB)によって、容器本体1の凹部底面に各端子が露出した一主面が固着される。FDBは、例えばICチップ2の一主面に露出した各端子に金(Au)バンプを設けて、超音波熱圧着によって固着する。ICチップ2の水晶端子を除く各端子は実装電極5に接続する。
【0006】
水晶片3は例えばATカットからなり、図示しない一対の励振電極を両主面に設けて一端部両側に引出電極を延出する。そして、引出電極の延出した一端部両側を凹部内壁の段部に導電性接着剤8によって固着する。この場合、水晶片3の他端部は段部上に当接あるいは接近して載置される。水晶片3の一対の引出電極はICチップ2の水晶端子に接続する。金属カバー4は、容器本体1の側壁上面に設けた金属リング9にシーム溶接によって接合され、開口面を封止する。
【0007】
このようなものでは、容器本体1の一つの凹部内にICチップ2と水晶片3とを収容する。したがって、例えば容器本体1の断面をH構造として一主面の凹部に水晶片3を収容して封止し、他主面の凹部にICチップ2を収容した表面実装発振器に比較して、特に高さ方向の寸法を小さくできる。なお、H構造の場合には、ICチップ2を固着する際、H状の水平部の厚みを大きくして圧着時の強度を高める必要性から、高さ寸法が大きくなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
(従来技術の問題点)しかしながら、上記構成の表面実装発振器では、落下衝撃時に周波数変動を起こす問題があった。すなわち、第7図に示したように、表面実装発振器の完成後、1.5m上方からのコンクリートに対する落下衝撃後、発振周波数が高い方向に変動して基準周波数に対する規格(例えば偏差Δf/fが1ppm以内)を満足しない問題があった。
【0009】
なお、ここでの落下衝撃試験は、表面実装発振器を3次元(XYZ)方向にしてそれぞれ正負方向にして2回ずつ落下させてこれを1サイクルとし、各サイクル時(この場合は10サイクル)の周波数変化(Δf/f)を記録したものである。また、サンプル数は10個の場合であり、図では周波数変化が最大、最小のものを示している。但し、発振周波数(公称周波数)は、14.4MHzである。
【0010】
(発明の目的)本発明は、高さ寸法を小さく維持するとともに、衝撃による周波数変化を防止して周波数偏差(変化量)の厳しい表面実装発振器を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
(問題点の考察)上記問題につき、以下の考察をした。すなわち、上記構成の表面実装発振器では、水晶片3の上下面にICチップ2と金属カバー4が存在する。そして、ICチップ2の他主面(水晶片3と対向する面)には金属導体(チップ導体とする)が形成され、金属カバー4とともにアース電位に接地される。
【0012】
したがって、第6図の等価回路に示したように、水晶片3における両主面の励振電極(水晶振動子3Aの両端子)とチップ導体及び金属カバー4との間には浮遊容量C1,C2を生ずる。そして、これらの浮遊容量C1、C2は前述した発振容量Ca、Cbに並列に接続される。
【0013】
なお、ここでは、ここでは発振容量Caに浮遊容量C1が、発振容量Cbに浮遊容量C2が接続するとしているが、水晶片3の主面が逆の面となって固着されると、発振容量Caに浮遊容量C2が、発振容量Cbに浮遊容量C1が接続する。
【0014】
水晶片3とICチップ2との間の浮遊容量C1は、例えば発振用増幅器6の入力側の発振用コンデンサCaに、水晶片3と金属カバー4との浮遊容量C2は発振用増幅器6の出力側の発振用コンデンサにそれぞれ並列に接続される。
【0015】
ここでは、水晶片3の他端部は固着されておらず、一端部の固定端に対して言わば自由端となる。この状況下で、表面実装発振器が落下して衝撃を受けると、水晶片3は一端部を固定端として他端部が上下方向に搖動する。但し、水晶片3の他端部は段部に当接あるいは接近しているので、下方向への搖動(移動)は制限される。これにより、水晶片3の一端部を固定端とする導電性接着剤8にも応力が生じる。そして、導電性接着剤8は状態を異ならせて変形し、例えば水晶片3が他端部に向かって斜め上方向に傾斜して保持される。要するに、水晶片3の他端部が浮き上がる。
【0016】
このため、水晶片3とICチップ2及び金属カバー4の実質的な間隙d1、d2が変化して、これに伴う浮遊容量C1、C2も変化する。この場合、間隙d1は大きくなる方向なので浮遊容量C1は小さくなる減少方向に、間隙d2は小さくなる方向なので浮遊容量C2は大きくなる増加方向に変化する。なお、浮遊容量C1、C2は、周知のようにC1=εS1/d1、C2=εS2/d2によって決定される。但し、εは間隙の誘電率、S1は水晶片3の励振電極とICチップ2の、S2は金属カバー4との対向面積である。
【0017】
そして、浮遊容量C1、C2は、前述した発振容量Ca、Cbに並列に接続されるので、浮遊容量C1、C2の変化は発振周波数にも変動をもたらす。すなわち、水晶発振器の発振周波数は、水晶振動子3Aから回路側を見た直列等価容量に依存する。そして、直列等価容量が小さいほど発振周波数は高くなる。この場合の直列等価容量CQは(1)式になる。但し、CxはCaとC1の、CyはCbとC2の合成容量である。なお、厳格には発振用増幅器6の入出力容量が加味されるが、説明には差し支えないので便宜的に省略する。
【0018】
(事例1)ここで、先ず、発振容量CaとCbを同一値(Ca=Cb)として、間隔d1=d2即ち落下衝撃前の初期の浮遊容量C1=C2とすると、合成容量Cx、Cyも同量となる。そして、落下衝撃後には前述したように水晶片3の他端部が浮いて実質的な間隔d1が大きくなるので、落下衝撃後の浮遊容量C1は小さくなる(変化量ΔC1とする)。また、浮遊容量C2は、逆に間隔d2が小さくなるので大きくなる(変化量ΔC2とする)。
【0019】
この場合、発振容量Ca、Cb及び初期の浮遊容量C1、C2は同一値なので、浮遊容量C1、C2の減少及び増加方向の変化量ΔC1、ΔC2並びに合成容量Cx、Cyの変化量ΔCx、Cyもほぼ同量になる。なお、落下衝撃によって浮遊容量C1が減少すれば合成容量Cxも減少し、浮遊容量C2が増加すれば合成容量Cyも増加する。
【0020】
そして、基本的には、浮遊容量C1、C2及びこれによる合成容量Cx、Cyが増えれば、直列等価容量CQも増加して発振周波数は低くなる。これとは逆に、浮遊容量C1、C2及びこれによる合成容量Cx、Cyが減れば、直列等価容量CQも減少して発振周波数は高くなる。この場合には、増加及び減少方向の変化量ΔC1、ΔC2及びこれによるΔCx、ΔCyがほぼ同量になるので、上昇及び下降する発振周波数の変化量も相殺されて、衝撃前後での周波数変化が少ない。
【0021】
(事例2)次に、発振容量CaとCbを同一値(Ca=Cb)として、間隔d1>d2即ち浮遊容量C1<C2とすると、合成容量はCx<Cyになる。この場合、落下衝撃後の浮遊容量C1は間隔d1が大きいので、減少方向での変化量ΔC1(及び合成容量Cxの変化量ΔCx)は小さくなる。逆に、浮遊容量C2は間隔d2が小さいので、増加方向での変化量ΔC2(及び合成容量Cyの変化量ΔCy)は大きくなる。したがって、減少方向の変化量ΔC1(及びΔCx)よりも増加方向での変化量ΔC2(及びΔCy)の方が大きいので、衝撃後の発振周波数は低下する。
【0022】
(事例3)次に、発振容量C(ab)CaとCbを同一値(Ca=Cb)として、間隔d1<d2即ち浮遊容量C1>C2とすると、合成容量はCx>Cyになる。この場合、落下衝撃後の浮遊容量C1は間隔d1が小さいので、減少方向での変化量ΔC1(及び合成容量Cxの変化量ΔCx)は大きくなる。また、浮遊容量C2は間隔d2が大きいので、増加方向での変化量ΔC2(及び合成容量Cyの変化量ΔCy)は小さくなる。したがって、減少方向の変化量ΔC1(及びΔCx)が増加方向での変化量ΔC2(及びΔCy)よりも大きいので、衝撃後の発振周波数は上昇する。
【0023】
(問題提起の試作品)ちなみに、試作品の水晶発振器では、ICチップの表面(知プ導体から金属カバー4までの距離dが0.5mm程度で、表面実装発振器の構造から、水晶片3とICチップ2の間隙d1は水晶片3と金属カバー4の間隙d2よりも格段に小さい。したがって、上述した事例3に相当して、水晶片3とICチップ2の間隙d1による減少方向での変化となる浮遊容量C1の変化量ΔC1が大きいので、落下衝撃後の周波数変化量が大きくしかも高い方向に変化したことが実証される。
【0024】
なお、従来では、高さ寸法も大きく、換言するとチップ導体から金属カバー4までの距離が大きくこのような問題は発生しなかった。すなわち、距離が大きければ発生する浮遊容量C1及びC2自体が小さく、落下衝撃による距離変動に伴う容量変化があっても発振周波数に与える影響は無視できるので、このような問題は生じなかった。
【0025】
(解決手段)本発明は、発振容量Ca、Cbに並列接続した浮遊容量C1、C2の変化による発振周波数の変化量に応じ、ICチップ2と金属カバー4との間隙dは一定に維持したまま、水晶振動子3Aから見た直列等価容量の変化を小さくする方向に、ICチップ2の間隙d1及び水晶片3と金属カバー4との間隙d2を設定したことを基本的な解決手段とする。
【0026】
【作用】
本発明では、上記解決手段により、落下衝撃後の浮遊容量C1、C2に変化があっても、水晶振動子3Aから見た直列等価容量の変化を小さくする。したがって、発振周波数の変化量「周波数偏差Δf/f(ppm)、fは公称の発振周波数、Δfは発振周波数からの周波数変化量、ppm」を小さくする。
【0027】
また、ICチップ2と金属カバー4との間隙dは一定に維持したまま、水晶片3とICチップ2の間隙d1及び金属カバー4の間隙d2を設定するのみなので、高さ寸法を小さくする。換言すると、各間隙d1及びd2を大きくすれば浮遊容量C1、C2を小さくしてその影響を避けられるが、その必要がないので間隙dを一定に維持できる。以下、本発明の各実施例によって作用とともに詳述する。
【0028】
【実施例】
第1図は本発明の第1実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
表面実装発振器は、前述と同様に、容器本体1の凹部底面に固着されて発振用コンデンサ及び増幅器を集積化したICチップ2と、凹部内壁の段部に一端部を保持されて両主面に励振電極を有する水晶片3(水晶振動子3A)と、凹部の開口面を封止する金属カバー4とからなる。
【0029】
第1実施例は、発振容量CaとCbとがCa≒Cbの場合である。この場合は、ICチップ2と金属カバー4との間隙dを従来と同じ例えば5mmに維持し、水晶片3とICチップ2との間隙d1、及び水晶片3と金属カバー4との間隙d2をd1≒d2とする。
【0030】
このようにすれば、発振容量Ca、Cbに並列接続した落下衝撃前の浮遊容量C1、C2は同量になる。そして、前述したように、落下衝撃後における水晶片3の他端部の上方向への傾斜によって、間隙d1及びd2に依存した減少及び増加する方向での浮遊容量C1、C2の変化量ΔC1、C2は、変化方向(±)を互いに逆としていずれもほぼ同量になる。すなわち、間隙d1、d2を等しくして互いに逆方向に増加減少するので、これによる変化量ΔC1、ΔC2も逆方向で同量となる。
【0031】
これに伴い、減少及び増加する合成容量Cx、Cyの変化量ΔCx、ΔCyも同量となり、水晶振動子3Aから見た直列等価容量CQの変化を少なくする。したがって、落下衝撃前後での発振周波数の変化を防止する。ちなみに、前述した落下衝撃試験(10サイクル、10個)の結果では、第2図に示したように、すべてが0.3ppm以内になり、そのバラツキも極めて小さいものとなった。これにより、厳しい周波数偏差例えば±1ppm以内の規格を充分に満足する。そして、ICチップ2と金属カバー4との間隙dを一定に維持したままなので、高さ寸法を小さくを維持できる。
【0032】
【第2実施例】
第2図は本発明の第2実施例を説明する表面実装発振器の断面図で、前第1実施例と同一部分の説明は簡略又は省略する。
すなわち、第2実施例は、発振容量C(ab)CaとCbとがCa>Cbの場合である。この場合は、水晶片3とICチップ2との間隙d1、及び水晶片3と金属カバー4との間隙d2をd1<d2とする。但し、ICチップ2と金属カバー4との間隙dは従来と同じに維持する。
【0033】
このようにすれば、落下衝撃前の浮遊容量C1、C2は、間隔d1がd2よりも相対的に小さいので、C1>C2になる。そして、落下衝撃後は、同様に、水晶片3とICチップ2の間隔d1がd2よりも小さいので、減少方向での浮遊容量C1の変化量ΔC1は大きくなる。逆に、水晶片3と金属カバー4の間隔d2はd1よりも相対的に大きいので、増加方向での浮遊容量C2の変化量ΔC2は小さくなる。
【0034】
そして、減少方向での変化量ΔC1が大きい浮遊容量C1は、発振容量Ca(>Cb)に並列接続され。したがって、浮遊容量C1が発振容量Cbに接続された場合に比較し、発振容量CaがCbよりも大きいので、合成容量Cxの変化量ΔCxは小さくなる。これにより、等価直列容量CQの変化も小さくなる。したがって、第1実施例と同様に、落下衝撃前後での周波数変化を防止して厳しい規格を満足するとともに、小型化を維持する。
【0035】
【第3実施例】
第3実施例は、発振容量CaとCbとがCa<Cbの場合である。この場合は、水晶片3とICチップ2との間隙d1、及び水晶片3と金属カバー4との間隙d2をd1>d2とする(前第4図参照)。但し、ICチップ2と金属カバー4との間隙dは従来と同じに維持する。
【0036】
このようにすれば、落下衝撃前の浮遊容量C1、C2は、間隔d2がd1よりも相対的に小さいのでC2>C1になるとともに、落下衝撃後は増加方向での浮遊容量C2の変化量ΔC2も相対的に大きくなる。逆に、水晶片3と金属カバー4の間隔d2はd1よりも相対的に小さいので、減少方向での浮遊容量C1の変化量ΔC1は小さくなる。
【0037】
そして、増加方向での変化量ΔC2が大きい浮遊容量C2は、発振容量Cb(>Ca)に並列接続される。したがって、浮遊容量C2が発振容量Caに接続した場合に比較し、発振容量CbがCaよりも大きいので、合成容量Cyの変化量ΔCyは小さくなる。これにより、等価直列容量CQの変化も小さくなる。したがって、前各実施例と同様に、落下衝撃前後での周波数変化を防止して厳しい規格を満足するとともに、小型化を維持する。
【0038】
【他の事項】
上記実施例では発振容量Ca、Cbを固定値のコンデンサとしたが、第4図に示したようにこれに代えて電圧可変容量素子とし、これに制御電圧Vcを印加して容量値を変化させて発振周波数を可変する所謂電圧制御型の場合でも同様に適用できる。この場合、例えば制御電圧Vcを表面実装発振器の周波数温度特性を補償する温度補償電圧として、温度補償水晶発振器を構成する。但し、公称の発振周波数となる基準の容量値を対象として間隙d1、d2は設定される。図中の符号10は高周波素子抵抗である。
【0039】
また、水晶片3と金属カバーとの間隙d2を小さくすることによって、導電性接着剤8が金属リング9や金属カバー4に接触するおそれがある場合(特に第3実施例の場合)、導電性接着剤8は水晶片3の下面のみに塗布してもよい。そして、これにより、保持強度が損なわれる場合は絶縁性の接着剤を水晶片3の上面から塗布してもよく、任意に適用できる。
【0040】
また、容器本体1の上面には金属リング9を設けて金属カバー8をシーム溶接によって接合したが、金属リング9に代えてメタライズによる金属膜であっても、シーム溶接に代えてビーム溶接等であってもよい。要は、水晶片3との間に浮遊容量C2を形成するカバーの場合に適合する。
【0041】
【発明の効果】
本発明は、発振容量Ca、Cbに並列接続した浮遊容量C1、C2の変化による発振周波数の変化量に応じ、ICチップと金属カバーとの間隙は一定に維持したまま、水晶振動子から見た直列等価容量の変化を小さくする方向に、ICチップの間隙及び水晶片と金属カバーとの間隙を設定したので、高さ寸法を小さく維持するとともに衝撃による周波数変化を防止して周波数偏差の厳しい表面実装発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図2】本発明の第1実施例の作用を説明する落下衝撃の特性図である。
【図3】本発明の第2実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図4】本発明の他の適用例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【図5】従来例(及び第3実施例)を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図6】従来例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【図7】本発明の第1実施例の作用を説明する落下衝撃の特性図である。
【符号の説明】
1 容器本体、2 ICチップ、3 水晶片、4 金属カバー、5 実装電極、6 発振用増幅器、7 帰還抵抗、8 導電性接着剤、9 金属リング、10高周波素子抵抗.
Claims (7)
- 水晶振動子の両端側に接続して共振回路を形成する発振容量Ca、Cbと前記共振回路に依存した発振周波数を帰還増幅する発振用増幅素子を集積化したICチップを容器本体の凹部底面に固着して、前記容器本体の凹部内壁に設けた段部に水晶振動子となる水晶片の一端部を保持し、前記容器本体の凹部開口面を金属カバーによって封止するとともに、前記水晶片と前記ICチップとの間の浮遊容量C1が前記発振容量Caに並列接続し、前記水晶片と前記金属カバーとの間の浮遊容量C2が前記発振容量Cbに並列接続してなる表面実装用の水晶発振器において、前記浮遊容量C1と前記浮遊容量C2の変化による発振周波数の変化量に応じ、前記ICチップと前記金属カバーとの間隙dは一定に維持したまま、前記水晶振動子から見た直列等価容量の変化を小さくする方向に前記水晶片とICチップの間隙d1及び前記水晶片と前記金属カバーとの間隙d2が設定されたことを特徴とする水晶発振器。
- 前記発振容量CaとCbとがCa≒Cbのときには、前記水晶片と前記ICチップの間隙d1及び前記水晶片と前記金属カバー4の間隙d2をd1≒d2とした請求項1の水晶発振器。
- 前記発振容量CaとCbとがCa>Cbのときには、前記水晶片と前記ICチップの間隙d1及び前記水晶片と前記金属カバーの間隙d2をd1<d2とした請求項1の水晶発振器。
- 前記発振容量CaとCbとがCa<Cbのときには、前記水晶片と前記ICチップの間隙d1及び前記水晶片と前記金属カバーの間隙d2をd1>d2とした請求項1の水晶発振器。
- 前記ICチップと前記金属カバーの間隙は0.5mm以下である請求項1の水晶発振器。
- 前記発振容量Ca、Cbの少なくともいずれか一方電圧可変容量素子である請求項1の水晶発振器。
- 前記発振周波数の変化量は±1ppm以内である請求項1の水晶発振器。
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