JP6564244B2 - 発振装置および発振装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度検出結果に基づいて周波数の安定化を行う発振装置に関する。
発振装置であるＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator）として、例えば特許文献１に開示されているように、２つの水晶振動子及びこれらの水晶振動子の近傍にヒーター（ヒーター回路）を備えた構成が知られている。当該ＯＣＸＯにおいては、２つの水晶振動子の周波数差を利用して水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度検出結果に基づいて水晶振動子近傍に備えられたヒーターへの供給電力を制御することにより水晶振動子の温度を一定の範囲内に保ち、周囲の温度変化に対してＯＣＸＯの周波数を安定させている。
このようにＯＣＸＯは、水晶振動子の温度を一定の範囲内に保つことにより周波数の安定性を図るものであり、特に、上述の構成のＯＣＸＯは、２つの水晶振動子の周波数差を利用することにより正確な温度検出を行い、高精度での周波数調整を実現している。
ところが、上述の構成を備えるＯＣＸＯを実際に製造したとき、ヒーター回路の温度調節範囲に対応した理論的な周波数変動範囲を超えて、ＯＣＸＯから出力される周波数信号の周波数が変動してしまう場合があった。
ところが、上述の構成を備えるＯＣＸＯを実際に製造したとき、ヒーター回路の温度調節範囲に対応した理論的な周波数変動範囲を超えて、ＯＣＸＯから出力される周波数信号の周波数が変動してしまう場合があった。
ここで特許文献２には、音叉型の水晶振動子を気密封止するキャップ（振動子カバー）を洋白（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｚｎ系合金）やリン青銅で構成した例が記載されているが、本発明の構成については記載されていない。また、これらの材料は、比較的、熱伝導率が低く、ヒーター回路を用いて温度を安定化させる水晶振動子の振動子カバーの材料としては好ましくない。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、ヒーター回路による温度調節の結果を正確に反映した周波数信号を出力することが可能な発振装置を提供することにある。
本発明に係る発振装置は、容器内の基板上に配置された水晶振動子を備え、予め設定された周波数の周波数信号を出力する発振装置において、
前記水晶振動子を収容し、前記基板に対してはんだ付け固定された振動子カバーと、
前記水晶振動子に接続された発振回路と、
前記容器内の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備え、
前記振動子カバーは、リン脱酸銅により構成されていることを特徴とする。
前記水晶振動子を収容し、前記基板に対してはんだ付け固定された振動子カバーと、
前記水晶振動子に接続された発振回路と、
前記容器内の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備え、
前記振動子カバーは、リン脱酸銅により構成されていることを特徴とする。
上述の発振装置は、下記の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記ヒーター回路は、前記基板に取り付けられていること。
（ｂ）信号発生用の水晶振動子が設けられ、制御電圧に応じた周波数の周波数信号を出力すると共に、ＰＬＬ回路を構成する電圧制御発振部を備え、前記水晶振動子は、前記電圧制御発振部から得られた周波数信号と位相比較される基準周波数信号を得るための基準水晶振動子であり、前記信号発生用の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていること。
（ｃ）前記水晶振動子を第１の水晶振動子としたとき、前記第１の水晶振動子とは異なる第２の水晶振動子を備え、前記温度検出部は、前記第１の水晶振動子の発振周波数と、第２の水晶振動子の発振周波数との周波数差に対応する値に基づいて前記容器内の温度を検出し、前記第２の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていること。
また、他の発明は、容器内の基板上に配置された水晶振動子を備え、予め設定された周波数の周波数信号を出力する発振装置の製造方法において、
前記発振装置は、前記水晶振動子に接続された発振回路と、前記容器内の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備えることと、
前記水晶振動子は、リン脱酸銅により構成された振動子カバーに収容されていることと、
２２０〜２７０℃の温度範囲内の温度で、前記基板に対して前記振動子カバーをはんだ付け固定する工程を含むことと、を特徴とする。
（ａ）前記ヒーター回路は、前記基板に取り付けられていること。
（ｂ）信号発生用の水晶振動子が設けられ、制御電圧に応じた周波数の周波数信号を出力すると共に、ＰＬＬ回路を構成する電圧制御発振部を備え、前記水晶振動子は、前記電圧制御発振部から得られた周波数信号と位相比較される基準周波数信号を得るための基準水晶振動子であり、前記信号発生用の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていること。
（ｃ）前記水晶振動子を第１の水晶振動子としたとき、前記第１の水晶振動子とは異なる第２の水晶振動子を備え、前記温度検出部は、前記第１の水晶振動子の発振周波数と、第２の水晶振動子の発振周波数との周波数差に対応する値に基づいて前記容器内の温度を検出し、前記第２の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていること。
また、他の発明は、容器内の基板上に配置された水晶振動子を備え、予め設定された周波数の周波数信号を出力する発振装置の製造方法において、
前記発振装置は、前記水晶振動子に接続された発振回路と、前記容器内の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備えることと、
前記水晶振動子は、リン脱酸銅により構成された振動子カバーに収容されていることと、
２２０〜２７０℃の温度範囲内の温度で、前記基板に対して前記振動子カバーをはんだ付け固定する工程を含むことと、を特徴とする。
本発明によれば、ヒーター回路を備えた発振装置に設けられる水晶振動子の振動子カバーとして、熱伝導率が高く、且つ、焼きなまし温度が高いリン脱酸銅を用いている。この結果、ヒーター回路による水晶振動子の温度制御を行いやすい状態を保ちつつ、基板へのはんだ付けを行う際の振動子カバーの軟化を抑制し、軟化に伴う歪みの発生などが周波数信号の周波数変動に与える影響を低減することができる。
図１は本発明の実施形態に係る発振装置１Ａの全体を示すブロック図である。
発振装置１Ａには、第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０と、これらの水晶振動子を発振させる第１の発振回路１、第２の発振回路２とが含まれる。第１の発振回路１、第２の発振回路２は、例えばコルピッツ型の発振回路により構成される。
発振装置１Ａには、第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０と、これらの水晶振動子を発振させる第１の発振回路１、第２の発振回路２とが含まれる。第１の発振回路１、第２の発振回路２は、例えばコルピッツ型の発振回路により構成される。
第１の発振回路１、第２の発振回路２の後段側には、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ブロック５、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路部２００、レジスタ７や分周器２０３が接続されている。ＤＳＰブロック５は、温度検出部５３、ＰＩ演算部５４、１次補正部５６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）部５５を含んでいる。さらに第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０の近傍には、ヒーター回路５０が設けられている。
ここで、既述の第１の発振回路１、第２の発振回路２、ＤＳＰブロック５、ＰＬＬ回路部２００、レジスタ７、及び分周器２０３は例えば一つの集積回路部（ＬＳＩ）３００内に形成されている。
ここで、既述の第１の発振回路１、第２の発振回路２、ＤＳＰブロック５、ＰＬＬ回路部２００、レジスタ７、及び分周器２０３は例えば一つの集積回路部（ＬＳＩ）３００内に形成されている。
また発振装置１Ａは、外部メモリ８２を備え、外部メモリ８２には発振装置１Ａを動作させるための各種パラメータが格納されている。外部メモリ８２に格納されたパラメータは、ＬＳＩ３００内のレジスタ７に読み込まれ、このレジスタ７を介してパラメータを利用するブロックへと読み出される。
以下の説明では、第１の発振回路１により第１の水晶振動子１０を発振させて得られた周波数信号をｆ１とし、第２の発振回路２により第２の水晶振動子２０を発振させて得られた周波数信号をｆ２とする。
第１の発振回路１からの周波数信号ｆ１は、ＰＬＬ回路部２００内に設けられている後述のＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator、電圧制御発振部）から得られた周波数信号との位相比較が行われる基準周波数信号を得るために用いられる。さらに周波数信号ｆ１は、水晶振動子１０、２０が置かれた雰囲気の温度（後述の容器４１内の温度）を検出する目的にも用いられる。一方で、第２の発振回路２からの周波数信号ｆ２は、水晶振動子１０、２０が置かれた雰囲気の温度検出の目的のみに用いられる。
第１の発振回路１からの周波数信号ｆ１は、ＰＬＬ回路部２００内に設けられている後述のＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator、電圧制御発振部）から得られた周波数信号との位相比較が行われる基準周波数信号を得るために用いられる。さらに周波数信号ｆ１は、水晶振動子１０、２０が置かれた雰囲気の温度（後述の容器４１内の温度）を検出する目的にも用いられる。一方で、第２の発振回路２からの周波数信号ｆ２は、水晶振動子１０、２０が置かれた雰囲気の温度検出の目的のみに用いられる。
初めに、周波数信号ｆ１、ｆ２を用いた温度検出の手法について説明する。第１の発振回路１からの周波数信号ｆ１及び第２の発振回路２からの周波数信号ｆ２は温度検出部５３に入力され、ｆ１−ｆ２に対応する値であるΔＦが演算される。ΔＦは水晶振動子１０及び２０が置かれている雰囲気の温度に対して比例関係にある値であり、温度検出値に相当しているということができる。
さらに、温度検出部５３の出口側には、不図示の加算部が設けられており、外部メモリ８２から読み出され、レジスタ７に格納された水晶振動子１０、２０の温度設定値に対応する値（以下、「温度設定値」と呼ぶ）と、温度検出部５３にて算出された温度検出値ΔＦとの差分値が後段のＰＩ演算部５４へと出力される。なお、加算部の図示を省略した便宜上、図１においては、レジスタ７内の温度設定値を温度検出部５３に入力した状態を示している。
ＰＩ演算部５４は、前記温度設定値と温度検出値ΔＦとの差分値を積分することにより、ヒーター回路５０の出力を調節するための制御信号であるＰＩ演算値を後段のＰＷＭ部５５へ出力する。なお、このＰＩ演算値は、ＰＬＬ回路部２００内で既述の基準周波数信号を得る際の周波数設定値の補正値としても用いられる。
ＰＷＭ部５５は、ＰＩ演算部５４から出力されるディジタル値をアナログ信号に変換するためのものである。既述のレジスタ７には、外部メモリ８２から読み出されたデューティ比が予め格納されており、このデューティ比に基づいてＰＷＭ部５５の動作が制御される。なおＰＷＭ部５５に代えてＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器を用いてもよい。
水晶振動子１０、２０の近傍に設けられたヒーター回路５０は、このＰＷＭ部５５の出力を制御信号として出力が調節される。ヒーター回路５０はパワートランジスタを備え、電源６０から供給された電力が当該パワートランジスタのコレクタに供給される。そして、パワートランジスタのベースに前記制御信号を供給して、コレクタ−エミッタ間を流れる電流を増減することにより、ヒーター回路５０の出力（発熱量）を増減することができる。
なお、電源６０から供給される電力は、既述のＬＳＩ３００などにも供給され、当該電力は、ＬＤＯ（低電圧ドロップアウトレギュレータ）などからなる電圧安定化回路６によって安定化されている。
なお、電源６０から供給される電力は、既述のＬＳＩ３００などにも供給され、当該電力は、ＬＤＯ（低電圧ドロップアウトレギュレータ）などからなる電圧安定化回路６によって安定化されている。
次いで、第１の発振回路１から得た周波数信号ｆ１を利用し、周囲の温度が変化しても安定した周波数の周波数信号を出力するＰＬＬ回路部２００について説明する。既述のようにＰＬＬ回路部２００は、ＬＳＩ３００内に構成され、不図示のＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）回路部と、位相比較部と、チャージポンプ部と、ＶＣＸＯの発振回路と、を備える。さらにＰＬＬ回路部２００には、ＰＬＬ回路部２００内の発振回路により発振し、当該発振回路と共にＶＣＸＯを構成する信号発生用の水晶振動子２０１や、ループフィルタ２０２が接続されている。また、ＰＬＬ回路部２００には、ＶＣＸＯより得られた周波数信号を分周する分周器を設けてもよい。
ＰＬＬ回路部２００のＤＤＳ回路部に対しては、外部メモリ８２から読み出され、レジスタ７に格納された周波数設定値を用いて周波数設定が行われる。詳細には、ＰＩ演算部５４から出力されたＰＩ演算値に対して、１次補正部５６にて係数を乗算して周波数補正値を算出し、加算部５８にて周波数設定値に周波数補正値を加算する。こうして得られた補正後の周波数設定値がＤＤＳ回路部に入力される。さらに周波数設定値に対しては、例えば温度検出部５３の出力である温度検出値ΔＦから得られた周波数補正値を用いた補正を行ってもよい。
そしてＤＤＳ回路部は、第１の発振回路１から出力される周波数信号ｆ１を動作クロックとして、不図示の波形テーブルから振幅データを読み出し、前記補正後の周波数設定値に対応するディジタルの基準周波数信号を発生する。この観点で、第１の水晶振動子１０は、当該基準周波数信号を得るための基準水晶振動子であるといえる。
一方でＶＣＸＯの水晶振動子２０１を発振させて得られたディジタルの周波数信号は、必要に応じて分周された後、位相比較部にて基準周波数信号と位相比較され、位相差に応じた信号をチャージポンプ部でアナログ変換され、ループフィルタ２０２に入力される。ループフィルタ２０２では、アナログ変換された位相差が積分され、水晶振動子２０１の制御電圧とされる。ここで、ＶＣＸＯから得られた周波数信号は、得られた周波数をそのまま基準周波数信号と位相比較してもよいし、周波数を適宜、分周、逓倍してから基準周波数信号との位相比較を行ってもよい。ＶＣＸＯの水晶振動子２０１は、信号発生用の水晶振動子に相当している。
以上に説明した構成により、水晶振動子２０１を発振させて得られた周波数信号の周波数が、ＤＤＳ回路部にて発生させた基準周波数信号の周波数に近づくように周波数制御が実行され、安定した周波数の周波数信号がＶＣＸＯから出力される。ＶＣＸＯの周波数信号は、分周器２０３にて適宜、分周された後、発振装置１Ａから出力される。
以上に説明したように、ＯＣＸＯである発振装置１Ａは、温度検出結果に基づいて周波数設定値を補正するＴＣＸＯ（Temperature Compensated Xtal Oscillator）としても構成されており、ヒーター回路５０の作用と、温度検出値ΔＦ（上述の例では温度設定値と温度検出値ΔＦとの差分値を積分したＰＩ演算値）に基づく周波数補正とによる二重の周波数安定化措置がとられ、高精度で周波数を安定させることができる。
以上に説明した電気的構成を備える発振装置１Ａの組み立て構造につい図２〜図４を参照しながら説明する。
図２は発振装置１Ａ全体の縦断側面図であり、図３は発振装置１Ａの内部に配置された基板３１を上面側、及び下面側から見た平面図である。これらの図を用いて発振装置１Ａの立体的な構成について説明する。
図２は発振装置１Ａ全体の縦断側面図であり、図３は発振装置１Ａの内部に配置された基板３１を上面側、及び下面側から見た平面図である。これらの図を用いて発振装置１Ａの立体的な構成について説明する。
例えば発振装置１Ａは、既述の各水晶振動子１０、２０、２０１やＬＳＩ３００、外部メモリ８２などの各電子部品を基板３１の上面側、及び下面側に分けて配置した構成となっている。図２、図３に示すように、基板３１の上面側には、第１の水晶振動子１０、ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１、及び複数のヒーター回路５０が設けられている。一方で、基板３１の下面側には、第２の水晶振動子２０、ＬＳＩ３００、外部メモリ８２及びループフィルタ２０２が設けられている。
なお、図１に示した各水晶振動子１０、２０、２０１は、振動子カバー内に収容された水晶振動片（例えば第１の水晶振動子１０の例につき、図４の水晶振動片１０ａ）に対応するが、説明の便宜上、図２〜図４においては、各振動子カバー及び水晶振動片を含む電子部品全体に水晶振動子１０、２０、２０１の符号を付してある。
なお、図１に示した各水晶振動子１０、２０、２０１は、振動子カバー内に収容された水晶振動片（例えば第１の水晶振動子１０の例につき、図４の水晶振動片１０ａ）に対応するが、説明の便宜上、図２〜図４においては、各振動子カバー及び水晶振動片を含む電子部品全体に水晶振動子１０、２０、２０１の符号を付してある。
第１、第２の水晶振動子１０、２０は、ほぼ同じ構成を備えるので、図４を参照しながら、第１の水晶振動子１０の構成について説明する。図４（ａ）は第１の水晶振動子１０の縦断側面図を示し、図４（ｂ）は横断平面図を示している。
第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａは、第１の発振回路１から出力される周波数信号ｆ１の周波数に対応する厚さを有し、例えば平面形状が矩形である水晶片１０１の上下両面に、当該水晶片１０１を介して互いに対向するように、薄膜状の励振電極１０２、１０３を設けた、エネルギー閉込め型の振動子となっている。
第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａは、第１の発振回路１から出力される周波数信号ｆ１の周波数に対応する厚さを有し、例えば平面形状が矩形である水晶片１０１の上下両面に、当該水晶片１０１を介して互いに対向するように、薄膜状の励振電極１０２、１０３を設けた、エネルギー閉込め型の振動子となっている。
水晶振動片１０ａを収容する振動子カバー１１１の一面には、水晶振動片１０ａを挿入するための開口が設けられ、蓋体１１３によってこの開口が気密に塞がれる。前記水晶振動片１０ａを構成する水晶片１０１は、例えばその一辺側が、蓋体１１３の一面に固定されている。そして、振動子カバー１１１の内部空間１１２に前記水晶振動片１０ａを挿入して、蓋体１１３にて前記開口を塞いだとき、励振電極１０２、１０３が形成された水晶振動片１０ａの上面及び下面は、振動子カバー１１１の内壁面との間に隙間を介して配置される。この結果、励振電極１０２、１０３が設けられた面は、他の部材によって拘束されない自由振動面となる。
励振電極１０２、１０３は、蓋体１１３を貫通する導電性の接続ピン１１４に電気的に接続されている。そして、振動子カバー１１１と蓋体１１３とに囲まれた内部空間１１２から、外部へと延伸された前記接続ピン１１４の他端側を基板３１上にプリントされた配線パターン（不図示）に接続することにより、ＬＳＩ３００内部の第１の発振回路１に対して、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａが電気的に接続される。なお、蓋体１１３を貫通する接続ピン１１４は、当該蓋体１１３に対して絶縁されている。
既述のように、容器４１内の温度を検出する目的、及びＤＤＳ回路部の動作クロックとして用いられる周波数信号ｆ１を得るための第１の水晶振動子１０は、周囲の温度変化や経時変化に対して安定した周波数信号を得るため、他の水晶振動子（第２の水晶振動子２０、及びＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１）よりも大きなサイズの水晶片１０１を用いて構成されている。このため、振動子カバー１１１を含む第１の水晶振動子１０のサイズも、３つの水晶振動子１０、２０、２０１のなかで最も大きい。
一方、第２の水晶振動子２０には、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明した第１の水晶振動子１０とほぼ同様のエネルギー閉込め型の振動子が用いられるが、その周波数信号ｆ２は容器４１内の温度を検出する目的のみに用いられ、ＤＤＳ回路部の動作クロックの生成を行わない。このため、第２の水晶振動子２０について、周囲の温度変化に対する周波数の安定性は、第１の水晶振動子１０ほどまでには周要求されない。そこで、発振装置１Ａの小型化の観点から、図２、図３（ａ）に示す例では、水晶片の一辺の長さが第１の水晶振動子１０の半分程度であり、振動子カバーのサイズも小さな第２の水晶振動子２０が採用されている。
さらにＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１については、当該ＶＣＸＯより出力される周波数信号は、ＰＬＬ回路部２００にて基準周波数信号と位相比較され、この基準周波数信号と位相が揃うように周波数調整される。そして、基準周波数信号に対しては、ヒーター回路５０による容器４１内の温度安定化や、温度検出値ΔＦに基づく周波数設定値の補正により、高い精度で周波数の安定化が図られている。
このように、受動的に周波数調整がなされるＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１単体の周波数安定性についても、周囲の温度変化に対する周波数の安定性は、第１の水晶振動子１０ほどまでには要求されていない。そこで、当該水晶振動子２０１については、発振装置１Ａの小型化を優先して、第２の水晶振動子２０よりもさらに小型のものが用いられている。ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１の水晶振動片は、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明したエネルギー閉込め型の振動子でもよいし、水晶片の表面にＩＤＴ（Inter Digital Transducer）を形成してなるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子であってもよい。
以上に説明した各水晶振動子１０、２０、２０１のうち、水晶振動子１０と、ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１とが基板３１の上面側に配置されている。
詳細には、図３（ｂ）に示すように、最も寸法の大きな第１の水晶振動子１０が、基板３１の短辺方向中央部、長辺方向の一端側に寄った位置に配置され、寸法が最も小さいＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１は、第１の水晶振動子１０と隣り合って、互いの長辺の向きを揃えるようにして配置されている。
詳細には、図３（ｂ）に示すように、最も寸法の大きな第１の水晶振動子１０が、基板３１の短辺方向中央部、長辺方向の一端側に寄った位置に配置され、寸法が最も小さいＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１は、第１の水晶振動子１０と隣り合って、互いの長辺の向きを揃えるようにして配置されている。
これら水晶振動子１０、２０１が配置されている領域の周囲の基板３１の上面側には、基板３１の各辺に沿って複数のヒーター回路５０が配置されている。図３（ａ）に示した例では、第１の水晶振動子１０によって占有されていない３辺に沿って７個のヒーター回路５０が互いに間隔を開けて配置されている。
各水晶振動子１０、２０１やヒーター回路５０は、例えばリフロー方式により基板３１にはんだ付けされている。
各水晶振動子１０、２０１やヒーター回路５０は、例えばリフロー方式により基板３１にはんだ付けされている。
一方、残る第２の水晶振動子２０は、基板３１の下面側の中央部に設けられ、この第２の水晶振動子２０となり合ってＬＳＩ３００が配置されている。さらに、基板３１の下面側には、外部メモリ８２やループフィルタ２０２が設けられている。これら第２の水晶振動子２０やＬＳＩ３００などについても、例えばリフロー方式にて基板３１にはんだ付けされている。
以上に説明した各種電子部品が配置された基板３１は、例えば金属製の容器４１内に収容され、導電性の支持ピン６４によって容器４の内部空間に浮いた状態で配置されている。支持ピン６４は、基板３１に設けられた電子部品と電気的に接続されている。また容器４１の下面には、発振装置１Ａが組み込まれる機器に対して当該発振装置１Ａを接続するための導電性の接続ピン６１が設けられている。接続ピン６１は、基板３１を支持する支持ピン６４と電気的に接続されると共に、容器４１からは絶縁されている。
上述の構成を備える発振装置１Ａは、容器４１内がヒーター回路５０によって一定の温度に調節されているので、各水晶振動子１０、２０、２０１が置かれる雰囲気の温度の変化を抑え、安定した周波数の周波数信号を出力する能力を有している。
ところが、高度な周波数安定化措置が図られている前記発振装置１Ａを実際に製作したとき、ヒーター回路５０に温度調節範囲に対応した周波数範囲を超えて、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数が変動してしまう事象が確認された。
ところが、高度な周波数安定化措置が図られている前記発振装置１Ａを実際に製作したとき、ヒーター回路５０に温度調節範囲に対応した周波数範囲を超えて、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数が変動してしまう事象が確認された。
そこで発明者は、こうした周波数変動の原因について検討を行った。例えば上述のヒーター回路５０は、２０ミリ℃の制御幅内に収まるように容器４１内の温度を調節することができる。このとき、例えばＳＣカットの水晶片１０１を用い、各水晶振動子１０、２０の温度設定値が、ＳＣカット水晶の零温度係数点（ＺＴＣ点：Zero-Temperature Coefficient、水晶振動子の温度変化による周波数変化が最低となる温度）と一致するようにヒーター回路５０の出力を調節すると、理論上の周波数変動は±０．１ｐｐｂ以下に抑えることができる。
例えば図５は、ＳＣカット水晶の周波数温度特性を示し、実線で示した温度範囲がヒーター回路５０による概略の温度制御範囲を示している。
例えば図５は、ＳＣカット水晶の周波数温度特性を示し、実線で示した温度範囲がヒーター回路５０による概略の温度制御範囲を示している。
ところが、実際の周波数変動幅は±２〜±７ｐｐｂ程度になり、図５中に破線で温度範囲を示すように、±２℃以上の温度変動に相当する大きな周波数変動が観察された。また後述の比較例（図８）に示すように、周囲の温度を変化させたときの発振装置１Ａの周波数温度特性は、正の一次直線を示し、図５に示すＳＣカットの水晶の周波数温度特性とは異なる挙動を示す（図８参照）。
そこで発明者は、ヒーター回路５０による温度制御以外に、発振装置１Ａの周波数温度特性に影響を与える要素について、さらなる検討を行った。その結果、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａを収容する振動子カバー１１１（蓋体１１３を含む。以下同じ）の材料の選択が、発振装置１Ａの周波数温度特性に大きな影響を及ぼすことを見出した。
既述のように、容器４１内の温度検出、及びＤＤＳ回路部の動作クロックの発振用に用いられる第１の水晶振動子１０は、周囲の温度変化に対して、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の安定性に対する影響が最も大きい。このため、水晶振動片１０ａが置かれている振動子カバー１１１の内部空間１１２の温度も高い精度で調節する必要がある。また、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａは、他の水晶振動子２０、２０１の水晶振動片に比べてそのサイズも大きく、水晶振動片１０ａの全体を均一に加熱する必要がある。
そこで、改善前の発振装置１Ａにおいては、水晶振動片１０ａを収容する振動子カバー１１１は、熱伝導性の良好な銅、そのなかでも熱伝導率が高く、水素脆化のおそれもない無酸素銅（熱伝導率約３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）を採用していた。
一方で図４に示すように、前記振動子カバー１１１は、その下面側が基板３１に対してはんだ１１５で固定されている。この振動子カバー１１１を基板３１にはんだ付けする際には、リフロー方式の場合、２２０〜２７０℃の範囲の２７０℃程度まで振動子カバー１１１が加熱される。ところが、無酸素銅の焼きなまし温度は、およそ２００℃程度であり、はんだ付けの際に焼きなましが発生して、振動子カバー１１１が軟化してしまう。
振動子カバー１１１の軟化が発生すると、振動子カバー１１１に形成される温度分布の影響により水晶振動片１０ａに生じる歪みによって周波数信号ｆ１の周波数が変化してしまうおそれがある。また、振動子カバー１１１自体の歪みによって、水晶振動片１０ａと振動子カバー１１１との間に形成される容量成分が変化し、これにより前記ｆ１の周波数が変化することも推定される。このような周波数信号ｆ１を、容器４１内の温度検出や周波数信号ｆ１を動作クロックとして用いると、ＤＤＳ回路部から出力される基準周波数信号の周波数が変化し、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数までもが変化してしまうものと考えられる。
そこで本発明の発振装置１Ａにおいては、第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１を構成する材料として、無酸素銅と比較して焼きなまし温度が高い（約３００℃）、リン脱酸銅を選択している。リン脱酸銅は、無酸素銅と比較すると熱伝導率が低い（約３４０Ｗ／ｍ・Ｋ）が、水素脆化のおそれがなく、また洋白（焼きなまし温度約６００〜８００℃、熱伝導率約３０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋ）やリン青銅（焼きなまし温度約５００〜７００℃、熱伝導率約７０〜８０Ｗ／ｍ・Ｋ）と比較して熱伝導性が良好な材料である。このため、ヒーター回路５０による温度調節の作用を殆ど減殺することなく、振動子カバー１１１の軟化の影響を低減することができる。
ここで例えば図６は、リン脱酸銅、及び無酸素銅についての（１）引張強さ：加熱処理したリン脱酸銅または無酸素銅の各試験片について引張試験を行ったとき、試験片の破断時に当該試験片に加えられていた力、（２）耐力：引張試験と同様の試験により、試験片の伸びが０．２％となった際に試験片に加えられていた力を示している。また図７は、リン脱酸銅、及び無酸素銅についての（３）ビッカース硬さ：加熱処理したリン脱酸銅または無酸素銅の各試験片についてビッカース硬さを測定した結果、（４）伸び：（１）の引張試験に用いた試験片の破断時の伸びを示している。
それぞれのデータは、リン脱酸銅について「ＪＩＳ Ｈ０５００（伸銅品用語）の『２５１２ 焼きなまし軟化曲線』の項に併記のデータ」、無酸素銅について「一般社団法人日本伸銅協会ホームページ 伸銅品板条材料特性試験データ 焼鈍軟化特性 Ｃ１０２０−Ｈ材」を出典としている。
それぞれのデータは、リン脱酸銅について「ＪＩＳ Ｈ０５００（伸銅品用語）の『２５１２ 焼きなまし軟化曲線』の項に併記のデータ」、無酸素銅について「一般社団法人日本伸銅協会ホームページ 伸銅品板条材料特性試験データ 焼鈍軟化特性 Ｃ１０２０−Ｈ材」を出典としている。
図６、図７の横軸は試験片の加熱温度を示している。図６は、引張強さ及び耐力［Ｎ／ｍｍ２］を示し、リン脱酸銅の引張強さは、白抜きの四角、無酸素銅の引張強さは白抜きのひし形でプロットしてある。また、リン脱酸銅の耐力は、バツ印、無酸素銅の耐力は白抜きの三角でプロットしてある。一方、図７はビッカース硬さ［ＨＶ］及び試験片の伸び［％］を示している。図７において、左側の縦軸はビッカース硬さを示し、リン脱酸銅は白抜きの四角、無酸素銅は白抜きのひし形でプロットしてある。また、図７の右側の縦軸は、試験片の伸びを示し、リン脱酸銅はバツ印、無酸素銅は白抜きの三角でプロットしてある。ここで、焼きなましが発生する温度を把握するうえでは、加熱温度に対する各データの変化の様子を確認することができればよい。このため縦軸の表示範囲の便宜上、図７のリン脱酸銅の伸びのデータ（バツ印）については、試験データの１０分の１の値をプロットしてある。
図６、図７に示す結果によると、無酸素銅は、加熱温度が２００℃を超えると、引張強さ、耐力及びビッカース硬さが急激に低下し、第１の水晶振動子１０をはんだ付けする温度２２０〜２７０℃で焼きなましが発生することが分かる。一方で、リン脱酸銅は、加熱温度が３００℃近傍となるまで引張強さ、耐力及びビッカース硬さは低下せず、上記のはんだ付け温度の範囲では焼なましの発生は見られない。
以上の検討に基づき、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａを収容する振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅を選択することにより、後述の実施例に示すように周囲の温度を変化させたときの発振装置１Ａの周波数偏差を±１．７ｐｐｂ以下の精度に向上させることができた。
一方で、第１の水晶振動子１０と比較して、相対的に周波数安定性の影響が低い第２の水晶振動子２０やＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１の水晶振動片を収容する振動子カバーについては、リン脱酸銅よりも焼きなまし温度が低い無酸素銅を用いてもよいし、焼きなまし温度がリン脱酸銅よりも高い鉄系の材料を用いてもよい。例えば容器４１がセラミック製の場合には、４２アロイ（ニッケル４２％、鉄５７％の鉄系合金、焼きなまし温度：約８００℃以上）などのように、熱膨張率がセラミックと同程度の振動子カバーを用いることで、基板３１と振動子カバーとの接合部や、当該振動子カバーの膨張の影響が基板３１、支持ピン６４を介して容器４１に伝わることによる容器４１の破損を防ぐこともできる。
一方で、第１の水晶振動子１０と比較して、相対的に周波数安定性の影響が低い第２の水晶振動子２０やＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１の水晶振動片を収容する振動子カバーについては、リン脱酸銅よりも焼きなまし温度が低い無酸素銅を用いてもよいし、焼きなまし温度がリン脱酸銅よりも高い鉄系の材料を用いてもよい。例えば容器４１がセラミック製の場合には、４２アロイ（ニッケル４２％、鉄５７％の鉄系合金、焼きなまし温度：約８００℃以上）などのように、熱膨張率がセラミックと同程度の振動子カバーを用いることで、基板３１と振動子カバーとの接合部や、当該振動子カバーの膨張の影響が基板３１、支持ピン６４を介して容器４１に伝わることによる容器４１の破損を防ぐこともできる。
ここで、図２〜図４を用いた上述の説明においては、便宜上、水晶振動片１０ａや振動子カバー１１１を含めて「第１の水晶振動子１０」との呼称を用いた。一方で、特許請求の範囲に記載の発明特定事項と明細書中の呼称との対応関係を示しておくと、「水晶振動片１０ａ」が水晶振動子に相当する。そして、振動子カバー１１１は、この水晶振動子（水晶振動片１０ａ）を収容し、基板３１に対してはんだ付け固定されている。
本実施の形態に係る発振装置１Ａによれば、以下の効果がある。ヒーター回路５０を備えた発振装置１Ａに設けられる水晶振動片１０ａ（水晶振動子）の振動子カバー１１１として、熱伝導率が高く、且つ、焼きなまし温度が高いリン脱酸銅を用いている。この結果、ヒーター回路５０による水晶振動片１０ａの温度制御を行いやすい状態を保ちつつ、振動子カバー１１１を基板３１へはんだ付けする際の歪みの発生を抑制し、当該歪みが周波数信号の周波数変動に与える影響を低減することができる。
ここで、第１の水晶振動子１０を容器４１内の温度検出用に用いることは必須ではなく、例えば熱電対やサーミスタを用いて温度検出を行い、これらの素子の温度検出結果に基づいてヒーター回路５０の出力を調節してもよい。この場合には、第１の水晶振動子１０は、基準周波数信号を得るためのみに用いられ、第２の水晶振動子２０は設けられない。
また、第１の水晶振動子１０を用いて得られた周波数信号ｆ１を、ＤＤＳ回路部の動作クロックとして用いることも必須の要件ではない。例えば、当該周波数信号ｆ１を基準周波数信号として、ＶＣＸＯより得られた周波数信号との位相比較を行ってもよい。
（温度周波数特性実験）
第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅、または無酸素銅を採用し、発振装置１Ａの周波数温度特性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例１〜３）第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅を用い、最高温度が２７０℃となるリフロー方式にて、基板３１に振動子カバー１１１をはんだ付けで固定した。この方法で、図２〜図４を用いて説明した構成の発振装置１Ａを３台製作し、周囲の温度を−４０℃〜＋８５℃の範囲で変化させながら、各発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の温度特性を測定した。第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａには、Ｍ−ＳＣ（Modified SC）カットの水晶片１０１を用い、第１、第２の水晶振動子１０、２０の温度設定値が９３℃となるようにヒーター回路５０にて温度制御を行った。発振装置１Ａの周波数設定値は１０ＭＨｚである。
（比較例１〜３）振動子カバー１１１の材料を無酸素銅とした点を除いて、実施例１〜３と同様の手法で３台の発振装置１Ａを製作し、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の温度特性を測定した。
第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅、または無酸素銅を採用し、発振装置１Ａの周波数温度特性を測定した。
Ａ．実験条件
（実施例１〜３）第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅を用い、最高温度が２７０℃となるリフロー方式にて、基板３１に振動子カバー１１１をはんだ付けで固定した。この方法で、図２〜図４を用いて説明した構成の発振装置１Ａを３台製作し、周囲の温度を−４０℃〜＋８５℃の範囲で変化させながら、各発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の温度特性を測定した。第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａには、Ｍ−ＳＣ（Modified SC）カットの水晶片１０１を用い、第１、第２の水晶振動子１０、２０の温度設定値が９３℃となるようにヒーター回路５０にて温度制御を行った。発振装置１Ａの周波数設定値は１０ＭＨｚである。
（比較例１〜３）振動子カバー１１１の材料を無酸素銅とした点を除いて、実施例１〜３と同様の手法で３台の発振装置１Ａを製作し、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の温度特性を測定した。
Ｂ．実験結果
実施例１〜３、比較例１〜３の結果を図８に示す。図８の横軸は、発振装置１Ａの周囲の温度［℃］、縦軸は周波数設定値に対して発振装置１から出力された周波数信号の周波数偏差（（周波数設定値−出力周波数）／周波数設定値）［ｐｐｂ］を示している。また、同図中、実施例１は実線、実施例２は点線、実施例３は短い破線で示し、比較例１は長い破線、比較例２は一点鎖線、比較例３は二点鎖線で示してある。
実施例１〜３、比較例１〜３の結果を図８に示す。図８の横軸は、発振装置１Ａの周囲の温度［℃］、縦軸は周波数設定値に対して発振装置１から出力された周波数信号の周波数偏差（（周波数設定値−出力周波数）／周波数設定値）［ｐｐｂ］を示している。また、同図中、実施例１は実線、実施例２は点線、実施例３は短い破線で示し、比較例１は長い破線、比較例２は一点鎖線、比較例３は二点鎖線で示してある。
図８に示す結果によれば、実施例１〜３において、各発振装置１Ａの周囲の温度が最低（−４０℃）または最高（＋８５℃）のときの周波数偏差は、±１．７［ｐｐｂ］以下の範囲内であった。これに対して、比較例１〜３において、同様の周波数偏差は、±２．０〜±７．０［ｐｐｂ］の範囲まで大きくなった。
これらの結果によれば、第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅を選択することにより、周囲の温度の変化に対して、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の安定性が向上することを確認できた。
これらの結果によれば、第１の水晶振動子１０の振動子カバー１１１の材料としてリン脱酸銅を選択することにより、周囲の温度の変化に対して、発振装置１Ａから出力される周波数信号の周波数の安定性が向上することを確認できた。
１Ａ 発振装置
１ 第１の発振回路
１０ 第１の水晶振動子
１０ａ 水晶振動片（水晶振動子）
１１１ 振動子カバー
１１５ はんだ
２ 第２の発振回路
２０ 第２の水晶振動子
２００ ＰＬＬ回路部
２０１ 水晶振動子（ＶＣＸＯ）
３１ 基板
４１ 容器
５３ 温度検出部
５０ ヒーター回路
１ 第１の発振回路
１０ 第１の水晶振動子
１０ａ 水晶振動片（水晶振動子）
１１１ 振動子カバー
１１５ はんだ
２ 第２の発振回路
２０ 第２の水晶振動子
２００ ＰＬＬ回路部
２０１ 水晶振動子（ＶＣＸＯ）
３１ 基板
４１ 容器
５３ 温度検出部
５０ ヒーター回路
Claims (5)
- 容器内の基板上に配置された水晶振動子を備え、予め設定された周波数の周波数信号を出力する発振装置において、
前記水晶振動子を収容し、前記基板に対してはんだ付け固定された振動子カバーと、
前記水晶振動子に接続された発振回路と、
前記容器内の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備え、
前記振動子カバーは、リン脱酸銅により構成されていることを特徴とする発振装置。 - 前記ヒーター回路は、前記基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
- 信号発生用の水晶振動子が設けられ、制御電圧に応じた周波数の周波数信号を出力すると共に、ＰＬＬ回路を構成する電圧制御発振部を備え、
前記水晶振動子は、前記電圧制御発振部から得られた周波数信号と位相比較される基準周波数信号を得るための基準水晶振動子であり、
前記信号発生用の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発振装置。 - 前記水晶振動子を第１の水晶振動子としたとき、前記第１の水晶振動子とは異なる第２の水晶振動子を備え、
前記温度検出部は、前記第１の水晶振動子の発振周波数と、第２の水晶振動子の発振周波数との周波数差に対応する値に基づいて前記容器内の温度を検出し、
前記第２の水晶振動子は、前記リン脱酸銅より焼きなまし温度の低い金属により構成された振動子カバーに収容され、前記焼きなまし温度の低い振動子カバーが前記基板にはんだ付け固定されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の発振装置。 - 容器内の基板上に配置された水晶振動子を備え、予め設定された周波数の周波数信号を出力する発振装置の製造方法において、
前記発振装置は、前記水晶振動子に接続された発振回路と、前記容器内の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された温度に基づいて出力が増減され、前記容器内の温度を調節するためのヒーター回路と、を備えることと、
前記水晶振動子は、リン脱酸銅により構成された振動子カバーに収容されていることと、
２２０〜２７０℃の温度範囲内の温度で、前記基板に対して前記振動子カバーをはんだ付け固定する工程を含むことと、を特徴とする発振装置の製造方法。
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