JP4803758B2

JP4803758B2 - 発振装置

Info

Publication number: JP4803758B2
Application number: JP2008297508A
Authority: JP
Inventors: 憲司笠原
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: US20100127784A1; JP2010124348A; US8203391B2

Description

本発明は、発振装置に係り、特に温度特性に優れ、小型で低価格で量産可能な発振装置に関する。

［先行技術の説明］
温度変化に対して安定した周波数を発振する発振器として、水晶発振回路と温度補償回路とを組み合わせた構成の温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ；Temperature Compensated Crystal Oscillator）がある。

また、近年、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）やフェムトセル等の小型通信システムの開発が盛んに行われている。
これらの用途においては、通常のＴＣＸＯの温度特性を越える良好な温度特性が要求されることが多い。

例えば、一般的なＴＣＸＯの温度特性が±２００ppb程度（使用温度範囲：−２０℃〜＋７０℃）であるのに対し、要求される温度特性は±５０ppb程度（使用温度範囲：−２０℃〜＋７０℃）であり、通常のＴＣＸＯでは実現することは困難である。

また、ＴＣＸＯに比べて温度特性が良好な発振装置として、恒温槽を備えたＯＣＸＯ（Oven Controlled Crystal Oscillator）があるが、ＴＣＸＯに比べて高価で大型であるという欠点がある。そのため、ＴＣＸＯとＯＣＸＯの中間程度の温度特性を備え、小型で低価格の発振装置が必要となっている。

［従来の発振装置の構成］
そこで、ＴＣＸＯの温度を一定に保つことにより、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性の改善を図った発振装置がある。
ＴＣＸＯの温度を一定にする従来の発振装置の構成について図３を用いて説明する。図３は、従来の発振装置の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
図３に示すように、従来の発振装置は、ガラエポ（ガラスエポキシ）基板１１上に、ＴＣＸＯ１２と、パワートランジスタ１３と、温度制御用のＯＰアンプ１４と、ヒータ抵抗１５とが搭載された構成となっている。
そして、ＴＣＸＯ１２と各種電子部品が搭載された基板１１が、ベース（図示せず）上に配置され、更にベースにカバー（図示せず）がかけられて封止される構造となっていた。

このように、従来の発振装置では、ＴＣＸＯ以外の部品点数が多く、部品がＴＣＸＯ１２の周辺に配置されているため、発振装置全体の平面積を小さくすることが困難であり、体積もＴＣＸＯ単体と比べて大幅に大きく（１０倍以上）、また、高価なものとなってしまう。

［先行技術文献］
発振装置の構造に関する従来技術としては、特開２００５−２２３３９５（特許文献１、出願人：東洋通信機）、特開２００７−２０１６１６（特許文献２、出願人：エプソントヨコム）、特開２００７−２３５４８２（特許文献３、出願人：京セラキンセキ）がある。
特許文献１には、ＴＣＸＯにおいて、ベース基板側に、温度制御回路、発熱素子を内蔵した集積回路を搭載した基板を設け、その上に発振装置と発振回路を搭載したサブ基板を接続した構造を備えた発振器が記載されている。

また、特許文献２には、フレキシブル基板によって、温度補償回路、発振回路を搭載したＩＣを包囲して、その上に圧電振動子パッケージを搭載する構造を備えた発振器が記載されている。
特許文献３には、第１の空間と第２の空間が基板を挟んで相対する方向に形成され、第１の空間には圧電振動片を収納し、第２の空間には、温度センサ、温度補償回路、発振回路を内蔵したＩＣが収納された発振器が記載されている。

特開２００５−２２３３９５号公報特開２００７−２０１６１６号公報特開２００７−２３５４８２号公報

しかしながら、図３に示したＴＣＸＯの温度を一定にする従来の発振装置では、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性は改善されるものの、部品点数が多く小型化が困難であり、また、高価であるという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、ＴＣＸＯとＯＣＸＯの中間程度の良好な周波数温度特性を備え、安価で小型の発振装置を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、温度補償型水晶発振器を搭載した発振装置であって、セラミックから成り、下側に開口部を有する凹部を備えた箱型の形状で、温度補償型水晶発振器と同程度の平面積で、温度補償型水晶発振器と同程度の大きさに形成されたベースと、当該凹部に格納され、凹部内部の温度を一定に保持するよう制御する温度制御回路と温度センサと発熱素子とを内蔵した半導体チップと、開口部を封止するカバーとを有する恒温ユニットを備え、温度補償型水晶発振器が、恒温ユニットのベースの上面部に密着して搭載されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記発振装置において、ベースは、開口部が設けられている面に入出力用電極が設けられ、温度補償型水晶発振器が搭載される面に発振器搭載用電極が設けられ、温度補償型水晶発振器が、ベースの発振器搭載用電極が設けられた面に固定されると共に、発振器搭載用電極及び入出力用電極を介して外部と電気的に接続されることを特徴としている。

また、本発明は、上記発振装置において、ベースの温度補償型水晶発振器が搭載される面に、温度補償型水晶発振器を覆う金属製のカバーが取り付けられていることを特徴としている。

また、本発明は、上記発振装置において、凹部の開口部がカバーで封止される代わりに、凹部にモールド樹脂が充填されて半導体チップが覆われていることを特徴としている。

本発明によれば、温度補償型水晶発振器を搭載した発振装置であって、セラミックから成り、下側に開口部を有する凹部を備えた箱型の形状で、温度補償型水晶発振器と同程度の平面積で、温度補償型水晶発振器と同程度の大きさに形成されたベースと、当該凹部に格納され、凹部内部の温度を一定に保持するよう制御する温度制御回路と温度センサと発熱素子とを内蔵した半導体チップと、開口部を封止するカバーとを有する恒温ユニットを備え、温度補償型水晶発振器が、恒温ユニットのベースの上面部に密着して搭載されている発振装置としているので、半導体チップが温度補償型水晶発振器に密着して設けられたベースの凹部空間を一定温度となるよう制御することで、温度補償型水晶発振器を効率よく加熱して温度を一定に保つことができ、温度補償型水晶発振器の単体に比べて周波数温度特性を向上させることができると共に、ベースを搭載される温度補償型水晶発振器と同程度の大きさに形成し、電子部品を半導体チップに集積したことにより、小型化を実現することができる効果がある。

また、本発明によれば、ベースの温度補償型水晶発振器が搭載される面に、温度補償型水晶発振器を覆う金属製のカバーが取り付けられている上記発振装置としているので、温度補償型水晶発振器の温度を一層安定させて、より良好な特性を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、凹部の開口部がカバーで封止される代わりに、凹部にモールド樹脂が充填されて半導体チップが覆われている上記発振装置としているので、部品点数を削減し、工程を簡略化してコストを低減することができる効果がある。

［発明の概要］
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る発振装置は、ＴＣＸＯと同程度の平面積の箱状に形成されたセラミックベースの内部空間に、温度センサと、発熱素子と、温度制御回路を内蔵した半導体チップを搭載した恒温ユニットを設け、当該恒温ユニットの上面部にＴＣＸＯを搭載して電気的に接続可能とした構成であり、セラミックベース内部の半導体チップを搭載した空間が擬似オーブンとして機能して、ＴＣＸＯを効率的に加熱して温度を一定に保ち、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性を向上させることができ、また、複数の部品をＩＣ化することにより平面積及び体積を低減し、更に、一般的なＴＣＸＯを用いることにより、小型で優れた温度特性の発振装置を安価に実現できるものである。

［本実施の形態に係る恒温ユニットの構成：図１］
図１は、本発明の実施の形態に係る発振装置（本発振装置）に用いられる恒温ユニットの概略構成図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は断面図であり、（ｃ）は下面図である。
恒温ユニットは、本発振装置の特徴部分であって、ＴＣＸＯを搭載するためのベースとなる部分であり、搭載されるＴＣＸＯとほぼ同程度の大きさに形成されている。
図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、恒温ユニット８は、主要な構成としてセラミックベース１と、カバー２と、半導体チップ３とを備えており、半導体チップ３は、ボンディングワイヤ４によってセラミックベース１の配線（図示せず）と接続されている。

セラミックベース１は、セラミックで形成され、内部に矩形の凹部が形成されたものであり、図１（ｂ）の例では、凹部の開口部が下側になるように配置され、セラミックベース１内部の凹部の上面部に半導体チップ３が搭載されている。尚、セラミックベースは、請求項に記載されたベースに相当している。

半導体チップ３は、少なくとも温度センサ、発熱素子、温度制御回路が内蔵されているＩＣチップであり、セラミックベース１内の温度を特定の温度とするよう制御する。
温度センサは周囲の温度を測定する。
発熱素子は、熱を発生する。
温度制御回路は、温度センサからの温度のデータに基づいて、セラミックベース１内の空間の温度を、設定された温度に保つよう発熱素子への電流供給を制御する。

そして、セラミックベース１の凹部の開口部には、カバー（蓋）２が取り付けられ、カバー２はモールド材によってセラミックベース１の開口部に固定されている。カバー２を設けることにより、セラミックベース１の凹部空間は外部から遮断され、放熱を防ぎ、温度の変動を小さくすることができるものである。

このように、本発振装置の恒温ユニット８では、セラミックベース１の凹部に半導体チップ３を格納して封止し、半導体チップ３上の温度制御回路が、凹部空間の温度を一定に保持するよう動作することにより、凹部空間は擬似的なオーブンとして機能する。
そして、これにより、本発振装置の恒温ユニット８は、一般的なＯＣＸＯの恒温槽に比べて簡易且つ小型の構成で、セラミックベース１の上面部に搭載されるＴＣＸＯを一定温度に温めるようになっている。

また、図１（ｃ）に示すように、本発振装置の恒温ユニット８では、セラミックベース１の底面部に、電源供給や信号入出力のための電極パターンとして、入出力端子パターン６が形成されている。

そして、図１（ａ）に示すように、本発振装置の恒温ユニット８は、セラミックベース１の上面部に温度を一定に保持される対象としての部品（ここではＴＣＸＯ）を搭載するための電極パターンとして、ＴＣＸＯ搭載用パターン５が形成されている。
本発振装置は、このセラミックベース１の上面部の上にＴＣＸＯ（図示せず）が搭載されて構成されるものである。

つまり、本発振装置は、図１に示した恒温ユニット８の上面部にＴＣＸＯが搭載され、電気的に接続可能に固定されて、一体となった状態の構成であり、擬似恒温槽付加型ＴＣＸＯと表すことができるものである。

図３に示した従来の発振装置では、発熱素子や温度制御回路がそれぞれ別々の電子部品としてＴＣＸＯの周辺部の基板上に搭載されていたのに対して、本発振装置の恒温ユニット８では、１つのチップに集積してＴＣＸＯの下部に設けることにより、発振装置の小型化及び低コスト化を図ることができるものである。

更にまた、恒温ユニット８のセラミックベース１の形状や、ＴＣＸＯ搭載用パターン５の形状及び配置を変更するといった簡単な調整で種々のＴＣＸＯに対応した恒温ユニットを形成することができ、要求される特性に応じたＴＣＸＯを用いて、温度特性の優れた発振装置を安価に形成することができるものである。

［本実施の形態に係る発振装置の構成：図２］
次に、本実施の形態に係る発振装置及びその使用例の構成について図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態に係る発振装置（本発振装置）の概略構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図である。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発振装置は、上述した恒温ユニット８の上部にＴＣＸＯ７が搭載された構成となっている。
ＴＣＸＯ７は、ハンダや導電性接着剤等によってセラミックベース１上のＴＣＸＯ搭載用パターン５に接続されると共に、恒温ユニット８のセラミックベース１の上面部に固定されている。

図２（ｂ）に示すように、恒温ユニット８の平面積（セラミックベース１の平面積）はＴＣＸＯ７の平面積とほぼ同等であり、図３に示した従来の発振装置に比べて大幅に小さく、また、体積も２倍程度であり、図３に示した従来の発振装置に比べて十分な小型化を実現することができるものである。

更に、本発振装置では、ＴＣＸＯ７に恒温ユニット８が密着して設けられているので、ＴＣＸＯ７を効率的に温めることができ、ＴＣＸＯ７の温度変動を小さくして、周波数温度特性を一層改善することができるものである。

そして、図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発振装置を利用して製造される製品の基板１０の上に本発振装置が搭載されて用いられるようになっている。

このように、本発振装置は、上述した恒温ユニット８に一般的なＴＣＸＯを後付けで搭載することができるため、量産可能なＴＣＸＯを用いて、更に優れた周波数温度特性を実現する発振装置を安価に製造することができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る発振装置によれば、内部に凹部が形成され、下側に開口部を備えたセラミックベース１の凹部に、温度制御回路と、温度センサと、発熱素子を内蔵し、温度を一定に制御する半導体チップ３を搭載し、開口部をカバー２によって封止した恒温ユニット８を備え、当該恒温ユニット８のセラミックベース１の上面部にＴＣＸＯ７を搭載した構成であり、恒温ユニット８がＴＣＸＯ７の温度を一定に保つことにより、ＴＣＸＯ単体に比べて周波数温度特性を向上させ、ＴＣＸＯとＯＣＸＯの中間程度の周波数温度特性を得ることができる効果がある。

また、本発振装置によれば、恒温ユニット８に用いられる電子部品を半導体チップ３に集積し、恒温ユニット８とＴＣＸＯ７の大きさを同程度として、上下に重ねた構成としているので、図３に示した発振装置や従来のＯＣＸＯに比べて、発振装置全体の大きさを大幅に小型化することができる効果がある。

更に、本発振装置によれば、量産可能なＴＣＸＯを後付けで恒温ユニット８に搭載するようにしているので、周波数温度特性の優れた発振装置を、安価に且つ大量に製造することが可能となる効果がある。
また、恒温ユニット８をセラミック素材のベースで形成していることでも、量産時の低価格化を実現できる効果がある。

尚、図１の構成において、セラミックベース１の開口部をカバー２で覆って密封する代わりに、凹部全体にモールド材を注入して、半導体チップ３とボンディングワイヤ４を覆うようにしてもよく、部品点数を削減し、工程を簡略化して製造コストを低減できるものである。
また、図示は省略するが、本発振装置の恒温ユニット８上に、ＴＣＸＯ７を覆う金属製のカバーを搭載してもよく、一層ＴＣＸＯの温度を安定させ、特性を向上させることができるものである。

本発明は、特に温度特性に優れ、小型で低価格で量産可能な発振装置に適している。

本発明の実施の形態に係る発振装置（本発振装置）に用いられる恒温ユニットの概略構成図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は縦断面図であり、（ｃ）は下面図である。本実施の形態に係る発振装置（本発振装置）の概略構成図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図である。従来の発振装置の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。

符号の説明

１…セラミックベース、２…カバー、３…半導体チップ、４…ボンディングワイヤ、５…ＴＣＸＯ搭載用パターン、６…入出力端子パターン、７…ＴＣＸＯ、８…恒温ユニット、１１…ガラエポ基板、１２…ＴＣＸＯ、１３…パワートランジスタ、１４…ＯＰアンプ、１５…ヒータ抵抗

Claims

温度補償型水晶発振器を搭載した発振装置であって、
セラミックから成り、下側に開口部を有する凹部を備えた箱型の形状で、前記温度補償型水晶発振器と同程度の平面積で、前記温度補償型水晶発振器と同程度の大きさに形成されたベースと、前記凹部に格納され、前記凹部内部の温度を一定に保持するよう制御する温度制御回路と温度センサと発熱素子とを内蔵した半導体チップと、前記開口部を封止するカバーとを有する恒温ユニットを備え、
前記温度補償型水晶発振器が、前記恒温ユニットの前記ベースの上面部に密着して搭載されていることを特徴とする発振装置。
ベースは、開口部が設けられている面に入出力用電極が設けられ、温度補償型水晶発振器が搭載される面に発振器搭載用電極が設けられ、
前記温度補償型水晶発振器が、前記ベースの前記発振器搭載用電極が設けられた面に固定されると共に、前記発振器搭載用電極及び前記入出力用電極を介して外部と電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の発振装置。
ベースの温度補償型水晶発振器が搭載される面に、前記温度補償型水晶発振器を覆う金属製のカバーが取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の発振装置。
凹部の開口部がカバーで封止される代わりに、前記凹部にモールド樹脂が充填されて半導体チップが覆われていることを特徴とする請求項３記載の発振装置。