JP5300425B2

JP5300425B2 - 表面実装用の水晶発振器

Info

Publication number: JP5300425B2
Application number: JP2008287532A
Authority: JP
Inventors: 千里石丸; 俊勝幕田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: US20090189705A1; US7821348B2; CN101494446A; JP2009201097A; CN101494446B

Description

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）を技術分野とし、特にセット基板に対する実装端子を水晶検査端子に兼用した表面実装発振器に関する。

（発明の背景）
表面実装発振器は小型・軽量であることから、特に携帯型の電子機器に周波数や時間の基準源として採用される。このようなものの一つに、ＩＣチップと水晶片とを容器本体に収容して、水晶振動子の振動特性を測定する水晶検査端子を外表面に設けたものがある。

（従来技術の一例）
第５図及び第６図は一従来例を説明する図で、第５図（ａ）は表面実装発振器の一部破断とした正面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図、第６図はクロック用の発振回路図である。

表面実装発振器は凹状とした容器本体１にＩＣチップ２と水晶片３とを収容し、カバー４を接合し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、例えば一端側に内壁段部を有する。容器本体１の外底面の４角部には電源(Ｖdd)、出力(OUT)、アース（GND）及び機能端子からなる実装端子５を有する。機能端子はここではスタンバイ端子（ST）とする。

ＩＣチップ２は第６図の点線枠で示す発振回路６（但し、水晶振動子を除く）を集積化し、発振段６ａ、出力回路６ｂ、及び、機能回路としてのスタンバイ回路６ｃからなる。発振段６ａは例えばＣＭＯＳとしたインバータ素子からなる発振用増幅器７、及び水晶振動子３Ａと共振回路を形成する分割コンデンサＣ（ａｂ）を有する。図中の符号Ｒfは帰還抵抗であり、点線枠の線上に付した□はＩＣ端子である。

出力回路６ｂはインバータ素子（ＣＭＯＳ等）からなる複数の緩衝増幅器８を発振用増幅器７に直列接続し、発振出力を増幅して例えば波形を矩形状に整形する。スタンバイ回路６ｃは水晶発振器を特にクロック用とした場合に用いられ、発振用増幅器７及び緩衝用増幅器８を必要に応じて動作又は停止させる。これにより、電力消費を少なくする。

この場合、スタンバイ端子５(ST)からの制御信号（LOW又はHIGH）に応じてスタンバイ回路６ｃは動作する。そして、スタンバイ端子５(ST)からの制御信号をLOW又はHIGHとしたときのスタンバイ回路６ｃに基づき、発振用及び緩衝用増幅器７、８は動作又は停止する。

ＩＣチップ２はＩＣ端子を有する回路機能面が容器本体１の内底面に固着される（所謂フリップチップボンディング）。例えばＩＣ端子に設けた金属バンプ９が超音波熱圧着等によって、容器本体１の内底面に設けた回路端子に電気的・機械的に接続される。ＩＣ端子中の電源、出力、アース及びスタンバイ端子は、容器本体１のこれらに対応する外底面の実装端子５（Ｖdd、OUT、GND、ST）と配線路によって電気的に接続する。

水晶片３は両主面には励振電極１０（ａｂ）を有し、例えば水晶片の一端部両側に引出電極１１（ａｂ）を延出する。そして、引出電極１１（ａｂ）の延出した水晶片３の一端部両側は、容器本体１の内壁段部に設けた図示しない一対の水晶保持端子に導電性接着剤１２によって固着される。

一対の水晶保持端子はＩＣ端子中の水晶端子に配線路によって電気的に接続する。そして、容器本体１の例えば対向する外側面に設けた水晶検査端子１３と積層面を経て電気的に接続する。これにより、水晶片３の励振電極１０はＩＣ端子中の水晶端子のみならず、水晶検査端子１３とも並列的に接続する。

容器本体１の開口端面にはシーム溶接等によってカバー４が接合され、ＩＣチップ２及び水晶片３を密閉封入する。そして、容器本体１の水晶検査端子１３に図示しない測定器からのプローブを当接し、水晶振動子のクリスタルインピーダンス（ＣＩ）等を含めた振動特性が検査される。なお、カバー４を接合した際の応力等によって振動特性が変化することから、カバー封止後の振動特性が検査される。
特開２００７−１４２８６９号公報

（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、特に小型化が促進するほど、例えば平面外形が2.0×1.6ｍｍ以下になるほど、水晶検査端子１３の面積も小さくなってプローブの当接が困難になる。また、水晶検査端子１３は発振器の動作には本来不要であり、容器本体１の外側面に有することから、例えば浮遊容量の発生原因となり、発振周波数に影響を及ぼす問題も生ずる。

（発明の目的）
本発明は水晶検査端子に実装端子を兼用して小型化を促進する表面実装発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、電源端子、アース端子、出力端子及び機能端子とした４個の実装端子を外底面に有する容器本体にＩＣチップと水晶片とを収容し、少なくとも前記水晶片を密閉封入してなる表面実装用の水晶発振器において、前記出力端子は出力回路と前記水晶片の一方の励振電極と第１切換回路を介在させて電気的に接続し、前記機能端子は機能回路と前記水晶片の他方の励振電極と第２切換回路を介在させて電気的に接続し、前記第１切換回路と前記第２切換回路とは前記電源端子に接続した電圧検出回路からの切換信号によって動作した構成とする。

このような構成であれば、出力端子と機能端子とを第１及び第２切換回路によって水晶片に接続できるので、水晶振動子の振動特性する水晶検査端子に兼用できる。そして、出力端子と機能端子とを第１及び第２切換回路によって出力回路と機能回路とに接続することにより、通常通りに出力端子と機能端子として機能できる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記発振回路を動作させる通常の電源電圧が前記電源端子に印加されたとき、前記電圧検出回路からの切換信号は前記出力回路と前記機能回路とを前記出力端子と前記機能端子とに電気的に接続し、前記電源電圧よりも高い電圧が前記電源端子に印加されたとき、前記電圧検出回路からの切換信号は前記水晶片の一方と他方との励振電極を、前記出力端子と前記機能端子とに電気的に接続する。

これにより、発振回路を動作させる通常の電源電圧は例えば3.3Ｖとすると、これ以上の例えば5Ｖが電源端子に印加されたとき、出力端子と機能端子とを一対の水晶検査端子として利用できる。そして、通常での電源電圧3.3Ｖでは、出力端子は出力回路に、機能回路は機能端子に接続して通常通りに動作する。

同請求項３では、請求項１において、前記機能回路はスタンバイ回路又は電圧制御回路とする。これにより、機能回路を特定にし、本発明の対象とする水晶発振器はクロック用又は電圧制御用であることを明確にする。

第１図は本発明の一実施形態を説明するクロック用とした水晶発振器の回路図である。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。

水晶発振器は、前述したように、外底面の４角部に実装端子５を有する凹状とした容器本体１にＩＣチップ２と水晶片３とを収容し、カバー４を接合して密閉封入してなる。実装端子５は、この例でも電源(Ｖcc)、出力(OUT)、アース(GND)及び機能端子としてのスタンバイ端子(ST)からなる。

ＩＣチップ２は、水晶振動子３Ａを除く発振回路６としての、発振段６ａ、出力回路６ｂ及び機能回路としてのスタンバイ回路６ｃを集積化し、容器本体１の内底面にフリップチップボンディングされる。ＩＣ端子中の電源、出力、アース及びスタンバイ端子は、容器本体１のこれらに対応する外底面の実装端子５(Ｖcc、OUT、GND、ST)と電気的に接続する。水晶片３は励振電極１０から引出電極１１の延出した一端部両側が、容器本体１の内壁段部に導電性接着剤１２によって固着される。

この実施形態では、発振回路６の出力回路６ｂと接続した実装端子５中の出力端子５(OUT)は、水晶振動子３Ａの一方の端子となる水晶片３の一方の励振電極１０ａ（引出電極１１ａ）と第１切換回路１４ａを介在させて電気的に接続する。要するに、出力端子５(OUT)は、出力回路６ｂのみならず、水晶片３の一方の励振電極１０ａ（水晶振動子３Ａの一方の端子）とも第１切換回路１４ａによって電気的に接続する。

また、機能回路としてのスタンバイ回路６ｃと接続した実装端子５中のスタンバイ端子５(ST)は、水晶振動子３Ａの他方の端子となる水晶片３の他方の励振電極１０ｂ（引出電極１１ｂ）と第２切換回路１４ｂを介在させて電気的に接続する。要するに、スタンバイ端子５(ST)は、スタンバイ回路６ｃのみならず、水晶片３の他方の励振電極１０ｂ（水晶振動子３Ａの他方の端子）とも第２切換回路１４ｂによって電気的に接続する。

第１及び第２切換回路１４（ａｂ）は電源端子５（Ｖdd）に接続した電圧検出回路１５からの切換信号によって動作する。電圧検出回路１５は電源端子５（Ｖdd）への印加電圧を検出する。この場合、発振回路６を動作させる定格の電源電圧Ｖddを例えば3.3Ｖとすると、電圧検出回路１５はこれより高い例えば4.5Ｖを切換電圧として動作する。そして、例えば電源電圧が4.5Ｖを越えるとHIGH（１信号）とし、4.5Ｖ未満ではLOW（０信号）とした切換信号を出力する。切換信号は第１及び第２切換回路１４（ａｂ）のみならず、ここではスタンバイ回路６ｃにも印加される。

第２図は電圧検出回路１５の具体的な回路例である。すなわち、電圧検出回路１５は±の２入力端及び１出力端を有するオペアンプＯＡからなる比較器１６を備える。そして、電源端子５からの電源電圧（Ｖdd）を抵抗Ｒ1を経てのダイオードＤによる定電圧例えば0.8Ｖとする。「第３図（ａ）」の曲線Ｖref」。そして、これを基準電圧Ｖref（0.8Ｖ）としてオペアンプＯＡの−入力端に印加する。

また、オペアンプの＋入力端には、電源電圧Ｖddからの分圧抵抗Ｒ2、Ｒ3による比較電圧Ｖａ「第３図（ａ）の右上り直線Ｖa」を印加する。なお、第３図（ａ）の直線Ｖaは分圧抵抗Ｒ1、Ｒ2の抵抗比を一定とした電源電圧Ｖddに対する電圧特性である。そして、ここでは、基準電圧Ｖrefと比較電圧Ｖaとの交点を抵抗比によって前述の切換電圧（4.5Ｖ）とする。これにより、比較器１５は電源電圧Ｖddが定格の電圧3.3Ｖよりも高い例えば５Ｖのとき出力端にHIGH（１信号）を出力し、これ未満の電圧ではLOW（０信号）を出力する。

この場合、切換信号がLOWのとき、第１切換回路１４ａは出力端子５(OUT)を出力回路６ｂに接続し、第２切換回路１４ｂはスタンバイ端子５(ST)をスタンバイ回路６ｃに接続する。そして、切換信号がHIGHのとき、第１切換回路１４ａは出力端子５(OUT)を水晶振動子３Ａの一方の端子（水晶片３の一方の励振電極１０ａ）に接続し、スタンバイ端子５(ST)を水晶振動子３Ａの他方の端子（他方の励振電極１０ｂ）に接続する。

このようなものでは、例えばＩＣチップ２及び水晶片３を容器本体１に収容して密閉封入した後、電源端子５(Vcc)に切換電圧（4.5Ｖ）以上の5Ｖを印加し、電圧検出回路１５の出力となる切換信号をHIGHにする。これにより、第１及び第２切換回路１４（ａｂ）が動作し、出力端子５(OUT)とスタンバイ端子５(ST)とを水晶振動子３Ａの一対の端子「水晶片３の一対の励振電極１０（ａｂ）」に接続する。そして、この状態で、出力端子５(OUT)とスタンバイ端子５(ST)とに測定器からのプローブを当接して水晶振動子３Ａの振動特性を検査する。この場合、切換信号(HIGH)はスタンバイ回路６ｃにも印加されて発振用増幅器７の動作を停止させる。

また、振動特性の検査後に、セット基板に搭載した際は、電源端子５（Ｖdd）には切換電圧（4.5Ｖ）以下となる定格の電源電圧3.3Ｖが印加される。この場合、電圧検出回路１５は切換電圧4.5Ｖ以下の電圧によって出力の切換信号をLOWとし、第１及び第２切換回路１４（ａｂ）に印加する。したがって、第１及び第２切換回路１４（ａｂ）は出力端子５（OUT）を出力回路６ｂに、スタンバイ端子５(ST)をスタンバイ回路６ｃに切換接続する。これにより、定格の電源電圧3.3Ｖが印加されると、発振回路６は通常通りに動作する。この場合、スタンバイ回路６ｃに印加される切換信号はLOW（０信号）なので、通常通りに動作する。すなわち、実装端子５（ＳＴ）からの信号に基づいて動作する。

このようなことから、第１及び第２切換回路１４（ａｂ）は切換信号(HIGH)によって、出力端子５(OUT)とスタンバイ端子５(ST)とを水晶振動子３Ａの一対の端子「水晶片３の一対の励振電極１０（ａｂ）」に接続し、出力端子５(OUT)とスタンバイ端子５(ST)とを水晶検査端子に兼用する。したがって、従来例のように、容器本体１の外側面に独立的に水晶検査端子１３を設ける必要がなく、表面実装発振器の小型化を促進できる。

（他の事項）
上記実施形態形態では、電圧検出回路１５の出力がHIGHのとき、出力端子５(OUT)及びスタンバイ端子５(ST)と水晶振動子３Ａの一対の端子とを接続したが、この逆であって、電圧検出回路１５の出力がLOWのとき、これらを接続することもできる。また、切換電圧は4.5Ｖとしたが、基本的には電源電圧Ｖdd以上であればよい。

また、発振回路はクロック用として機能回路はスタンバイ回路６ｃとしたが、例えば第４図に示したように発振回路は電圧制御用として機能回路は電圧制御回路６ｄとしてもよい。この場合、電圧検出回路１５の切換信号がHIGH（１信号）のときは発振用増幅器７の動作を停止させる。電圧制御回路６ｄは電圧可変容量素子等を含み、制御電圧Ｖccを入力端子から印加されて負荷容量が変化して発振周波数を可変する。なお、機能回路はこれら以外であってもよく、機能回路と接続した実装端子５が切換回路１４によって切り替えられるものであればよい。

本発明の一実施形態を説明するクロック用とした水晶発振器の回路図である。本発明の一実施形態を説明する電圧検出回路の具体的な回路例である。本発明の一実施形態を説明する電圧検出回路の特性図である。本発明の他の例を示す電圧制御用とした水晶発振器の回路図である。一従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装発振器の一部破断とした正面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は水晶片の平面図である。一従来例を説明するクロック用とした水晶発振器の回路図である。

符号の説明

１容器本体、２ＩＣチップ、３水晶片、４カバー、５実装端子、６発振回
路、７発振用増幅器、８緩衝用増幅器、９バンプ、１０励振電極、１１引出電
極、１２導電性接着剤、１３水晶検査端子、１４切換回路、１５電圧検出回路、
１６比較器。

Claims

電源端子、アース端子、出力端子及び機能端子とした４個の実装端子を外底面に有する容器本体に発振回路を形成するＩＣチップと水晶片とを収容し、少なくとも前記水晶片を密閉封入してなる表面実装用の水晶発振器において、
前記ＩＣチップに前記電源端子に印加される電圧を検出する電圧検出回路を備え、
前記出力端子は出力回路と前記水晶片の一方の励振電極とに第１切換回路を介在させて電気的に接続し、
前記機能端子は機能回路と前記水晶片の他方の励振電極とに第２切換回路を介在させて電気的に接続してなり、
前記電圧検出回路は、±の２入力端及び１出力端を有するオペアンプと、前記電源端子に接続した抵抗Ｒ１とダイオードＤの直列回路と、前記抵抗Ｒ１とダイオードＤの直列回路と並列に接続した分圧抵抗Ｒ２,Ｒ３の直列回路を有し、
前記抵抗Ｒ１とダイオードＤの接続点における当該ダイオードで規定される定電圧が前記オペアンプの−入力端に基準電圧として接続され、
前記電源端子に印加される切り替え電圧を前記分圧抵抗Ｒ２とＲ３とで分圧した電圧が当該分圧抵抗Ｒ２とＲ３の接続点において前記基準電圧に対する比較電圧として前記オペアンプの＋入力端に接続され、
前記発振回路を動作させる通常の電源電圧が前記電源端子に印加されたとき、
前記電圧検出回路の前記オペアンプの出力端から出力される切換信号が前記出力回路と前記機能回路とを前記出力端子と前記機能端子とに電気的に接続し、
前記電源電圧よりも高い電圧が前記電源端子に印加されたとき、前記電圧検出回路の前記オペアンプの出力端から出力される切換信号が前記水晶片の一方と他方との励振電極を、前記出力端子と前記機能端子とに電気的に接続することを特徴とする表面実装用の水晶発振器。
請求項１において、前記機能回路はスタンバイ回路又は電圧制御回路の何れかであることを特徴とする表面実装用の水晶発振器。