JP5998872B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電発振器に関する。

圧電振動子の温度を調整することにより特性の安定化が図られるＯＣＸＯ（温度制御型水晶発振器）などの圧電発振器の構造として、ヒーター上に圧電振動子を搭載することで、ヒーターと圧電振動子とを一体化したものが知られている。

下記の特許文献１には、水晶振動子デバイスにおいて、圧電振動子を、ヒーターユニットを含む集積回路チップによって支持することが開示されている。このような構造によれば、ヒーターにより発生した熱を圧電振動子に直接伝えることができる。従って、圧電振動子を収容した真空封止部の外にヒーターを配置した構造と比べると、熱効率や、熱制御の応答感度などが向上し、結果として低消費電力化することができると考えられる。

特開２０１０−２１３２８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成において、ヒーターによって発生した熱は、圧電振動子以外にも、ヒーターの裏面から基板に伝わってしまうという課題がある。特許文献１においては、ヒーターの裏面から基板に熱が伝わってしまうことについて十分な配慮がなされていない。

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、圧電発振器において、ヒーターの裏面から基板に伝わる熱を低減し、低消費電力化することに関連している。

本発明の幾つかの態様において、圧電発振器は、断熱部材と、前記断熱部材に固定されたヒーター回路チップと、前記ヒーター回路チップに支持された圧電振動子と、を有する。
そして、前記断熱部材は、板状部と、１つ又は複数の脚部とを有し、前記板状部の第１の面側に前記ヒーター回路チップが位置し、前記板状部の前記第１の面と反対の面側に前記１つ又は複数の脚部が位置し、前記断熱部材の前記第１の面に平行な断面の面積は、前記板状部における値よりも、前記１つの脚部における値、又は、前記複数の脚部における値の合計値の方が小さい。
この態様によれば、圧電発振器が、ヒーター回路チップが断熱部材に固定されており、断熱部材が板状部と脚部とを有し、断熱部材の断面の面積は、板状部における値よりも、脚部における値の方が小さいものとしている。これにより、ヒーターの裏面から基板に伝わる熱を低減することができる。

上述の態様において、基板及び電子部品をさらに有し、前記基板に、前記１つ又は複数の脚部が固定されており、前記基板と前記板状部との間に、前記電子部品が配置されていることが望ましい。
これによれば、断熱部材が脚部を有することによって形成された空間に電子部品を配置できるので、スペース効率を向上することができる。また、電子部品がヒーター回路チップからの熱に直接さらされることを抑制することができる。

上述の態様において、前記板状部は、金属層と、前記金属層より熱伝導率が小さい断熱層とを有することが望ましい。
これによれば、断熱部材が金属層を有するので、ヒーター回路チップからの赤外線が基板に到達して熱が外部に漏れることを抑制することができる。

上述の態様において、前記ヒーター回路チップと、前記１つ又は複数の脚部とは、前記第１の面に対する平面視で互いに重ならない位置に有することが望ましい。
これによれば、ヒーター回路チップから脚部までの熱伝導経路を長くして、断熱部材による断熱効果を向上することができる。

上述の態様において、前記板状部の前記第１の面と反対の面側における第１〜第４の端部に、それぞれ前記第１〜第４の前記脚部が位置することが望ましい。
これによれば、４つの脚部によって板状部を安定的に支持することができる。

上述の態様において、前記第１〜第４の前記脚部は、それぞれが少なくとも一部に角錐又は円錐の形状を有することが望ましい。
これによれば、脚部のうち、強度の向上が必要な部分の断面を大きくし、他の部分の断面を小さくすることにより、強度の向上と熱伝導の抑制とを実現することができる。

上述の態様において、前記第１〜第４の前記脚部は、それぞれが少なくとも一部に角錐台又は円錐台の形状を有していてもよい。
これによれば、脚部のうち、強度の向上が必要な部分の断面を大きくし、他の部分の断面を小さくすることにより、強度の向上と熱伝導の抑制とを実現することができる。

上述の態様において、前記脚部が門型であってもよい。また、前記脚部が鼎型であってもよい。

上述の態様において、前記圧電振動子は、第１の端部と、第１の端部と反対側の第２の端部と、を有し、前記ヒーター回路チップは、前記圧電振動子の前記第１の端部を支持することが望ましい。
これによれば、圧電振動子が片持ちで支持されているので、圧電振動子を支持する部材からの応力を低減することができる。

第１の実施形態に係る圧電発振器を示す図。 第２の実施形態に係る圧電発振器を示す図。 板状部に関する変形例を示す一部断面図。 脚部に関する変形例を示す側面図。 断熱部材を製造する方法の１つの例を示す斜視図。 断熱部材を製造する方法の他の例を示す斜視図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す図である。図１（Ａ）は真空封止キャップの一部を切除した状態を示す平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線における断面図である。

第１の実施形態に係る圧電発振器１０は、圧電振動子２０と、接続部材３０と、ヒーター回路チップ４０と、断熱部材５０と、基板６０と、電子部品７０と、真空封止キャップ８０とを有している。図１（Ａ）において、手前側の構成要素によって隠れて見えない部分は、破線で示されている。図１（Ｂ）においては、圧電発振器１０に含まれる構成要素のうち、断熱部材５０、基板６０及び真空封止キャップ８０についてはそれらの切断面が示されている。それら以外の構成要素については図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線よりも後方に位置するため、各構成要素の側面が図１（Ｂ）に示されている。

圧電振動子２０としては、例えば、水晶振動子が用いられる。圧電振動子２０は、コンデンサーや増幅器などの回路素子（図示せず）とともに発振回路を構成するが、圧電振動子２０の温度に応じて、発振回路の発振周波数が変動し得る。圧電振動子２０の温度と発振回路の発振周波数との関係は直線状ではなく、２次曲線又は３次曲線に近似され得る。そこで、例えば上述のＯＣＸＯにおいては、圧電振動子２０の温度変化に対する発振回路の発振周波数の変化率が０付近となる温度域まで圧電振動子２０が加熱されることにより、高精度の発振回路が実現される。

圧電振動子２０は、接続部材３０を介してヒーター回路チップ４０に固定されることにより、ヒーター回路チップ４０に支持されている。接続部材３０は、圧電振動子２０をヒーター回路チップ４０に固定するとともに、圧電振動子２０と、発振回路を構成する他の回路素子（図示せず）とを、電気的に接続する。接続部材３０は、導電性接着剤によって構成されてもよい。

圧電振動子２０は、第１の端部２１、及び、第１の端部２１と反対側の第２の端部２２を有している。圧電振動子２０は、第１の端部２１がヒーター回路チップ４０に支持されており、第２の端部２２はヒーター回路チップ４０に支持されていない。このように、圧電振動子２０が片持ちで支持されているので、圧電振動子２０を支持する部材からの応力を低減することができる。

ヒーター回路チップ４０は、電流が流れるとジュール熱を発生する抵抗素子（図示せず）が形成されたチップである。ヒーター回路チップ４０が、圧電振動子２０を加熱し、所定の温度域に維持することにより、圧電振動子２０の発振周波数を安定化することができる。ヒーター回路チップ４０は、温度センサー（図示せず）や温度制御回路（図示せず）を含んでもよい。また、ヒーター回路チップ４０は、圧電振動子２０に接続されて発振回路を構成する回路素子（図示せず）を含んでもよい。ヒーター回路チップ４０にはボンディングワイヤー４１が接続され、ボンディングワイヤー４１は、基板６０に形成された配線（図示せず）などに接続される。

断熱部材５０は、ガラス、あるいは熱伝導率の低いタイプのセラミック材料で構成される。断熱部材５０は、板状部５１と、複数の脚部５２とを有している。板状部５１は、第１の面５３を有する。板状部５１の第１の面５３側に、ヒーター回路チップ４０が位置している。ヒーター回路チップ４０は、板状部５１の第１の面５３側に固定されることにより、断熱部材５０に固定されている。

複数の脚部５２は、板状部５１の第１の面５３と反対の面側に位置している。複数の脚部５２は、例えば、４本の脚部を含み、これら４本の脚部が、板状部５１の４隅（第１〜第４の端部）にそれぞれ位置している。

基板６０には、平面視で矩形状である窪み６１が形成されている。断熱部材５０の複数の脚部５２は、基板６０の窪み６１の位置で固定されている。このようにして複数の脚部５２が基板６０に固定されることにより、断熱部材５０が基板６０に支持されている。この構成によれば、ヒーター回路チップ４０から基板６０までの熱伝導の経路上に断熱部材５０が配置されているので、ヒーター回路チップ４０から基板６０に熱伝導することが抑制される。

電子部品７０は、基板６０と断熱部材５０の板状部５１との間に配置されている。ヒーター回路チップ４０が、温度センサー（図示せず）や温度制御回路（図示せず）を含んでいない場合には、これらのセンサーや回路を電子部品７０が含んでもよい。また、電子部品７０は、圧電振動子２０に接続されて発振回路を構成する回路素子（図示せず）を含んでもよい。電子部品７０にはボンディングワイヤー７１が接続され、ボンディングワイヤー７１は、基板６０に形成された配線（図示せず）などに接続される。電子部品７０は、ボンディングワイヤー７１を用いずに、例えばフリップチップによって、基板６０に形成された配線などに接続されてもよい。

真空封止キャップ８０は、圧電振動子２０、接続部材３０、ヒーター回路チップ４０、断熱部材５０及び電子部品７０と、基板６０の窪み６１とを覆って封止する。真空封止キャップ８０によって封止された空間の内部は真空に保持される。

ヒーター回路チップ４０から基板６０への熱伝導経路は、断熱部材５０の内部を、第１の面５３側から、板状部５１と脚部５２とを順に通る経路となる。この熱伝導経路による熱伝導を抑制するためには、断熱部材５０の熱伝導方向に垂直な断面（断熱部材５０の第１の面５３に平行な断面）の面積が小さいことが望ましい。一方、ヒーター回路チップ４０を固定してヒーター回路チップ４０の荷重を支えるという強度的な観点からは、断熱部材５０が、面積の広い板状部５１を有することが望ましい。

そこで、本実施形態においては、断熱部材５０が、板状部５１を含むとともに、板状部５１よりも断面の面積が小さい脚部を含むこととしている。特に、断熱部材５０が複数の脚部５２を含む場合には、複数の脚部５２における断面の面積の合計値が、板状部５１における断面の面積よりも小さくなるようにする。さらに、脚部５２の高さは、板状部５１の厚さより大きいのが好ましい。この構成によれば、断熱部材５０は、板状部５１によってヒーター回路チップ４０を確実に支持するとともに、ヒーター回路チップ４０から基板６０への熱伝導を抑制することができる。

また、図１（Ａ）に示されるように、ヒーター回路チップ４０と、複数の脚部５２とは、平面視で互いに重ならない位置に配置されている。この構成によれば、ヒーター回路チップ４０から脚部５２までの熱伝導経路の長さは、断熱部材５０の板状部５１の厚さ分だけではなく、平面視でのヒーター回路チップ４０と脚部５２との距離分も加えた長さとなる。従って、ヒーター回路チップ４０から複数の脚部５２のいずれかまでの最短の熱伝導経路の長さを、板状部５１の厚さよりも大きくすることができる。これにより、ヒーター回路チップ４０から基板６０への熱伝導を抑制することができる。

＜２．第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器を示す図である。図２（Ａ）は真空封止キャップの一部を切除した状態を示す平面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のIIＢ−IIＢ線における断面図である。

第２の実施形態に係る圧電発振器１０ａにおいては、断熱部材５０ａの平面視での面積が、圧電振動子２０の平面視での面積よりも小さい。図２（Ａ）において、手前側の構成要素によって隠れて見えない部分は、破線で示されている。図２（Ｂ）においては、圧電発振器１０ａに含まれる構成要素のうち、基板６０及び真空封止キャップ８０についてはそれらの切断面が示されている。それら以外の構成要素については図２（Ａ）のIIＢ−IIＢ線よりも後方に位置するため、各構成要素の側面が図２（Ｂ）に示されている。

断熱部材５０ａは、板状部５１ａと、複数の脚部５２ａとを有している。第１の実施形態における断熱部材５０と同様に、第２の実施形態においても、複数の脚部５２ａにおける断面の面積の合計値が、板状部５１ａにおける断面の面積よりも小さくなるように構成されている。図２（Ａ）に示されるように、複数の脚部５２ａの各々は、平面視での厚さが薄い板状となっている。複数の脚部５２ａ同士をつなげたような形状とすることにより、断熱部材５０ａに含まれる脚部が実質的に１本となる場合があってもよい。また、断熱部材５０ａに含まれる脚部を２本とし、脚部が門型であってもよい。また、断熱部材５０ａに含まれる脚部を３本とし、脚部が鼎型であってもよい。

第２の実施形態において、電子部品７０は、基板６０と断熱部材５０ａの板状部５１ａとの間ではなく、断熱部材５０ａから平面視で離れた位置に配置されていてもよい。
他の点ついては第１の実施形態と同様である。

＜３．板状部に関する変形例＞
図３は、本発明の実施形態に係る圧電発振器の板状部に関する変形例を示す一部断面図である。上述の圧電発振器１０においては、熱伝導の他に、赤外線の放射（輻射熱）によっても、ヒーター回路チップ４０の熱が圧電発振器１０の外部に漏れる。そこで、断熱部材５０の板状部５１は、以下のように、赤外線を反射する金属層５４を有していてもよい。

図３（Ａ）に示される例では、板状部５１の第１の面５３側に金属層５４が配置されている。図３（Ｂ）に示される例では、板状部５１に含まれる断熱層５５及び断熱層５６の間に金属層５４が配置されている。図３（Ｃ）に示される例では、板状部５１の第１の面５３と反対の面側に金属層５４が配置されている。

これらの例によれば、ヒーター回路チップ４０からの熱伝導だけでなく、ヒーター回路チップ４０からの赤外線が基板６０に到達することも抑制される。金属層５４は、圧電振動子２０に向けて赤外線を反射することができるので、ヒーター回路チップ４０によって発生した熱を、圧電振動子２０を加熱するために効率的に利用することができる。なお、ここでは第１の実施形態における圧電発振器１０に含まれる断熱部材５０の変形例について説明したが、第２の実施形態における圧電発振器１０ａに含まれる断熱部材５０ａについても同様の変形が可能である。

＜４．脚部に関する変形例＞
図４は、本発明の実施形態に係る圧電発振器の脚部に関する変形例を示す側面図である。本発明においては、断熱部材５０に含まれる複数の脚部５２の各々が角柱の形状である場合に限定されず、円柱の形状であってもよいし、以下に述べるように他の形状であってもよい。

図４（Ａ）に示される例では、断熱部材５０に含まれる複数の脚部５２ｂの各々は、角錐又は円錐の形状を有している。このように、脚部５２ｂのうち、強度の向上が必要な部分の断面を大きくし、他の部分の断面を小さくすることにより、強度の向上と熱伝導の抑制とを実現し得る。

図４（Ｂ）に示される例では、断熱部材５０に含まれる複数の脚部５２ｃの各々は、角錐台又は円錐台の形状を有している。これにより、図４（Ａ）に示されたものと同様に、強度の向上と熱伝導の抑制とを実現し得る。また、角錐台又は円錐台とすることにより、脚部５２ｃと基板６０との固定を確実にし得る。

図４（Ｃ）に示される例では、断熱部材５０に含まれる複数の脚部５２ｄの各々は、角錐台又は円錐台の形状を有している。そして、脚部５２ｄの形状は、図４（Ｂ）に示される例とは上下逆の角錐台又は円錐台になっている。

図４（Ｄ）に示される例では、断熱部材５０に含まれる複数の脚部５２ｅの各々は、複数の角錐台又は円錐台を上下に重ねた形状を有している。すなわち、砂時計のような形状を有していてもよい。これにより、図４（Ａ）に示されたものと同様に、強度の向上と熱伝導の抑制とを実現し得る。また、脚部５２ｅと基板６０との固定を確実にし得る。

図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示された例以外でも、例えば、断熱部材５０に含まれる複数の脚部の各々が、少なくとも一部に、角錐、円錐、角錐台、又は円錐台の形状を含んでいてもよい。なお、ここでは第１の実施形態における断熱部材５０に含まれる脚部５２の変形例について説明したが、第２の実施形態における断熱部材５０ａに含まれる脚部５２ａについても同様の変形が可能である。

＜５．製造方法＞
図５は、本発明の実施形態に係る圧電発振器の断熱部材を製造する方法の１つの例を示す斜視図である。断熱部材５０は、切削加工によって製造されることができる。まず、図５（Ａ）に示されるように、断熱部材の材料５９を直方体状に切り出す。次に、図５（Ｂ）に示されるように、材料５９の第１の面５３と反対の面側の中央部分を、回転鋸１００を用いて矢印ＶＢで示される方向に切削する。このとき、第１の面５３側まで切断しないように、切り込み深さを調整する。次に、図５（Ｃ）に示されるように、第１の面５３と反対の面側の中央部分を、回転鋸１００を用いて矢印ＶＣで示される方向に切削する。矢印ＶＢの方向と、矢印ＶＣの方向とは、ほぼ直交している。以上の工程により、複数の脚部５２を有する断熱部材５０を製造することができる。

図６は、本発明の実施形態に係る圧電発振器の断熱部材を製造する方法の他の例を示す斜視図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示されるように、断熱部材５０は、板状部５１となる部材に、複数の脚部５２となる部材を貼り付けて固定することにより、製造されることができる。

図５及び図６に示された方法以外にも、断熱部材５０は、加熱によって溶融させられた材料を型に入れた後、硬化させる方法によっても、製造することができる。

１０、１０ａ…圧電発振器、２０…圧電振動子、２１…第１の端部、２２…第２の端部、３０…接続部材、４０…ヒーター回路チップ、４１…ボンディングワイヤー、５０、５０ａ…断熱部材、５１、５１ａ…板状部、５２、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ…脚部、５３…第１の面、５４…金属層、５５、５６…断熱層、５９…材料、６０…基板、６１…窪み、７０…電子部品、７１…ボンディングワイヤー、８０…真空封止キャップ、１００…回転鋸。

Claims (10)

1. 断熱部材と、
   前記断熱部材に固定されたヒーター回路チップと、
   前記ヒーター回路チップに支持された圧電振動子と、
   を有する圧電発振器であって、
   前記断熱部材は、板状部と、少なくとも一つの脚部とを有し、
   前記板状部の第１の面側に前記ヒーター回路チップが位置し、
   前記板状部の前記第１の面と反対の面側に前記少なくとも一つの脚部が位置し、
   前記少なくとも一つの脚部の前記第１の面に平行な断面積は、前記板状部の前記第１の面に平行な断面積よりも小さい、圧電発振器。
2. 基板及び電子部品をさらに有し、
   前記基板に、前記少なくとも一つの脚部が固定されており、
   前記基板と前記板状部との間に、前記電子部品が配置されている、
   請求項１記載の圧電発振器。
3. 前記板状部は、金属層と、前記金属層より熱伝導率が小さい断熱層とを有する、
   請求項１又は請求項２記載の圧電発振器。
4. 前記ヒーター回路チップと、前記少なくとも一つの脚部とは、前記第１の面に対する平面視で互いに重ならない位置に有する、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の圧電発振器。
5. 前記断熱部材は、少なくとも第１〜第４の前記脚部を有し、
   前記板状部の前記第１の面と反対の面側における第１〜第４の端部に、それぞれ前記第１〜第４の前記脚部が位置する、
   請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の圧電発振器。
6. 前記第１〜第４の前記脚部は、それぞれが少なくとも一部に角錐又は円錐の形状を有する、
   請求項５記載の圧電発振器。
7. 前記第１〜第４の前記脚部は、それぞれが少なくとも一部に角錐台又は円錐台の形状を有する、
   請求項５記載の圧電発振器。
8. 前記脚部が門型であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の圧電発振器。
9. 前記脚部が鼎型であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の圧電発振器。
10. 前記圧電振動子は、第１の端部と、第１の端部と反対側の第２の端部と、を有し、
    前記ヒーター回路チップは、前記圧電振動子の前記第１の端部を支持する、
    請求項１乃至請求項９のいずれか一項記載の圧電発振器。

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