JP6891929B2 - 温度補償型水晶発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、発振器、電子機器及び移動体に関する。

温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated CrystalOscillator）は、水晶振動子と当該水晶振動子を発振させるための集積回路（ＩＣ：Integrated Circuitが所定の温度範囲で水晶振動子の発振周波数の所望の周波数（公称周波数）からのずれ（周波数偏差）を補償（温度補償）することにより、高い周波数精度が得られる。このような温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。

特開２０１４−１０７８６２号公報 特開２０１０−１０３８０２号公報

しかしながら、現状では、ヒーターを搭載した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）に迫る周波数温度特性を有する温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）は存在しないため、高い周波数精度が要求される通信機器や基地局に利用される発振器はその大半が恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）であり、コストアップの要因となっている。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、高い周波数精度が要求される電子機器にも利用可能な温度補償型の発振器を提供することができる。また、本発明のいくつかの態様によれば、当該発振器を用いた電子機器及び移動体を提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る発振器は、振動素子と、発振回路及び温度補償回路が収容されている半導体装置と、を含み、−５℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である。

振動素子と発振回路とにより、例えば、ピアース発振回路、インバーター型発振回路、コルピッツ発振回路、ハートレー発振回路などの種々の発振回路が構成されてもよい。

本適用例に係る発振器は、−５℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下というＯＣＸＯの周波数温度特性に迫る、他に類を見ない温度補償型の発振器である。従って、例えば、ＯＣＸＯが利用されているような高い周波数精度が要求される電子機器にも本適用例に係る発振器を利用可能である。

［適用例２］
上記適用例に係る発振器は、−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下であってもよい。

本適用例に係る発振器は、−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下というＯＣＸＯの周波数温度特性に迫る、他に類を見ない温度補償型の発振器であり、高い周波数精度が要求される電子機器にも利用可能である。

［適用例３］
上記適用例に係る発振器において、前記振動素子の周波数温度特性の３次以上の近似式に対する前記振動素子の周波数偏差が、−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下であってもよい。

本適用例によれば、発振器の温度補償調整において、発振回路や温度補償回路の温度特性のばらつきを考慮しても、周波数温度特性が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の発振器を実現するための温度補償データを生成しやすくなるので、発振器の歩留りを向上させることができる。

［適用例４］
上記適用例に係る発振器において、平面視で、前記半導体装置と前記振動素子とは重なっていてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、振動素子と半導体装置は空間的に互いに近接した場所に配置されるので、半導体装置の発熱が振動素子に短時間で伝導し、半導体装置と振動素子の温度差を従来よりも小さくすることができる。その結果、本適用例に係る発振器によれば、温度補償回路による温度補償の誤差が小さくなり、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現可能である。

［適用例５］
上記適用例に係る発振器において、前記振動素子は、容器に収容されており、前記半導体装置は、前記容器に接合されていてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、振動素子を収容する容器に半導体装置が直付けされているので、半導体装置の発熱が振動素子に短時間で伝導し、半導体装置と振動素子の温度差を従来よりも小さくすることができる。その結果、本適用例に係る発振器によれば、温度補償回路による温度補償の誤差が小さくなり、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現可能である。

［適用例６］
上記適用例に係る発振器において、前記容器は、ベースと前記ベースを封止しているリッドとを含み、前記半導体装置は、前記リッドに接合されていてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、振動素子を収容する容器のリッドに半導体装置が直付けされているので、半導体装置の発熱が振動素子に短時間で伝導し、半導体装置と振動素子の温度差を従来よりも小さくすることができる。その結果、本適用例に係る発振器によれば、温度補償回路による温度補償の誤差が小さくなり、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現可能である。

［適用例７］
上記適用例に係る発振器において、前記リッドの材料は金属であってもよい。

本適用例に係る発振器によれば、振動素子を収容する容器のリッドの熱伝導率が高いので、半導体装置の発熱がリッドを介して振動素子により短時間で伝導し、半導体装置と振動素子の温度差を従来よりもさらに小さくすることができる。その結果、本適用例に係る発振器によれば、温度補償回路による温度補償の誤差がさらに小さくなり、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現しやすい。

［適用例８］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの発振器を備えている。

本適用例によれば、従来にはない周波数温度特性を有する温度補償型の発振器を用いるので、高い周波数精度の電子機器を従来よりも低コストで実現することも可能である。

［適用例９］
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの発振器を備えている。

本適用例によれば、従来にはない周波数温度特性を有する温度補償型の発振器を用いるので、例えば、信頼性の高い移動体を実現することも可能である。

本実施形態の発振器の斜視図。 図２（Ａ）は第１実施形態の発振器の断面図、図２（Ｂ）は第１実施形態の発振器の上面図、図２（Ｃ）は発振器の底面図。 本実施形態の発振器の機能ブロック図。 本実施形態の発振器の製造方法の手順の一例を示すフローチャート図。 本実施形態の発振器の周波数温度特性の一例を示す図。 振動素子の周波数偏差についての説明図。 図７（Ａ）は第２実施形態の発振器の断面図、図７（Ｂ）は第２実施形態の発振器の上面図。 本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図。 本実施形態の電子機器の外観の一例を示す図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、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。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．発振器
１−１．第１実施形態
［発振器の構成］
図１及び図２は、第１実施形態の発振器の構造の一例を示す図である。図１は、発振器の斜視図であり、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ’断面図である。また、図２（Ｂ）は、発振器の上面図であり、図２（Ｃ）は、発振器の底面図である。ただし、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のリッド５が無い状態で図示されている。

図１及び図２（Ａ）に示すように、本実施形態の発振器１は、半導体装置である集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）２、振動素子（振動片）３、パッケージ４、リッド（蓋）５、外部端子（外部電極）６を含んで構成されている。

振動素子３としては、例えば、水晶振動素子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振素子、その他の圧電振動素子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動素子などを用いることができる。振動素子３の基板材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。振動素子３の励振手段としては、圧電効果によるものを用いてもよいし、クーロン力による静電駆動を用いてもよい。

パッケージ４は、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３とを同一空間内に収容する。具体的には、パッケージ４には、凹部が設けられており、リッド５で凹部を覆うことによって集積回路（ＩＣ）２と振動素子３とを収容する。パッケージ４の内部又は凹部の表面には、集積回路（ＩＣ）２の２つの端子（後述する図３のＸＯ端子及びＸＩ端子）と振動素子３の２つの端子（励振電極３ａ及び３ｂ）とをそれぞれ電気的に接続するための不図示の配線が設けられている。また、パッケージ４の内部又は凹部の表面には、各外部端子６と電気的に接続された不図示の配線が設けられており、各配線と集積回路（ＩＣ）２の各端子とは金等のボンディングワイヤー７でボンディングされている。

振動素子３は、その表面及び裏面にそれぞれ金属の励振電極３ａ及び３ｂを有しており、励振電極３ａ及び３ｂを含む振動素子３の質量に応じた所望の周波数（発振器１に要求される周波数）で発振する。

本実施形態では、振動素子３は、パッケージ（容器）８に収容されている（振動素子３は、ベース８ａ上に配置されている電極パッド１１と導電性接着材等の接続部材１２にて固定されている）。パッケージ８は、ベース８ａとベース８ａを封止しているリッド（蓋）８ｂとを含み、ベース８ａは、リジン等の接着部材９によってパッケージ４に接合されている。また、集積回路（ＩＣ）２は、接着部材９によってパッケージ８に接合されている。特に、本実施形態では、集積回路（ＩＣ）２は、接着部材９によってリッド８ｂに接合されている。そして、図２（Ｂ）に示すように、発振器１を上面から視た平面視で、集積回路（ＩＣ）２とパッケージ８（振動素子３）とは重なっている。

図２（Ｃ）に示すように、発振器１は底面（パッケージ４の裏面）に、電源端子である外部端子ＶＤＤ１，接地端子である外部端子ＶＳＳ１、周波数制御用の信号が入力される端子である外部端子ＶＣ１及び出力端子である外部端子ＯＵＴ１の４個の外部端子６が設けられている。外部端子ＶＤＤ１には電源電圧が供給され、外部端子ＶＳＳ１は接地される。

図３は発振器１の機能ブロック図である。図３に示すように、発振器１は、振動素子３と振動素子３を発振させるための集積回路（ＩＣ）２とを含む発振器であり、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３はパッケージ４に収容されている。

集積回路（ＩＣ）２は、電源端子であるＶＤＤ端子、接地端子であるＶＳＳ端子、出力端子であるＯＵＴ端子、周波数を制御する信号が入力される端子であるＶＣ端子、振動素子３との接続端子であるＸＩ端子及びＸＯ端子が設けられている。ＶＤＤ端子、ＶＳＳ端子、ＯＵＴ端子及びＶＣ端子は、集積回路（ＩＣ）２の表面に露出しており、それぞれ、パッケージ４に設けられた外部端子ＶＤＤ１，ＶＳＳ１，ＯＵＴ１，ＶＣ１と接続されている。また、ＸＩ端子は振動素子３の一端（一方の端子）と接続され、ＸＯ端子は振動素子３の他端（他方の端子）と接続される。

本実施形態では、集積回路（ＩＣ）２は、発振回路１０、出力回路２０、周波数調整回路３０、ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）回路３２、温度補償回路４０、温度センサー５０、レギュレーター回路６０、記憶部７０、及びシリアルインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路８０を含んで構成されている。なお、集積回路（ＩＣ）２は、これらの要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の要素を追加した構成としてもよい。

レギュレーター回路６０は、ＶＤＤ端子から供給される電源電圧ＶＤＤ（正の電圧）に基づき、発振回路１０、周波数調整回路３０、ＡＦＣ回路３２、温度補償回路４０、出力回路２０の一部又は全部の電源電圧または基準電圧となる一定電圧を生成する。

記憶部７０は、不揮発性メモリー７２とレジスター７４とを有しており、外部端子から、シリアルインターフェース回路８０を介して、不揮発性メモリー７２又はレジスター７４に対するリード／ライトが可能に構成されている。本実施形態では、発振器１の外部端子と接続される集積回路（ＩＣ）２の端子はＶＤＤ，ＶＳＳ，ＯＵＴ，ＶＣの４つしかないため、シリアルインターフェース回路８０は、例えば、ＶＤＤ端子の電圧が閾値よりも高い時に、ＶＣ端子から入力されるクロック信号とＯＵＴ端子から入力されるデータ信号を受け付け、不揮発性メモリー７２あるいはレジスター７４に対してデータのリード／ライトを行う。

不揮発性メモリー７２は、各種の制御データを記憶するための記憶部であり、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）やフラッシュメモリーなどの書き換え可能な種々の不揮発性メモリーであってもよいし、ワンタイムＰＲＯＭ（One Time Programmable Read Only Memory）のような書き換え不可能な種々の不揮発性メモリーであってもよい。

不揮発性メモリー７２には、周波数調整回路３０を制御するための周波数調整データや、温度補償回路４０を制御するための温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）が記憶される。さらに、不揮発性メモリー７２には、出力回路２０やＡＦＣ回路３２をそれぞれ制御するためのデータ（不図示）も記憶される。

周波数調整データは、発振器１の周波数を調整するためのデータであり、発振器１の周波数が所望の周波数からずれていた場合に、周波数調整データを書き換えることで、発振器１の周波数が所望の周波数に近づくように微調整することができる。

温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）は、発振器１の温度補償調整工程において算出される、発振器１の周波数温度特性の補正用のデータであり、例えば、振動素子３の周波数温度特性の各次数成分に応じた１次〜ｎ次の係数値であってもよい。ここで、温度補償データの最大次数ｎとしては、振動素子３の周波数温度特性を打ち消し、さらに、集積回路（ＩＣ）２の温度特性の影響も補正可能な値が選択される。例えば、ｎは振動素子３の周波数温度特性の主要な次数よりも大きい整数値であってもよい。例えば、振動素子３がＡＴカット水晶振動素子であれば、周波数温度特性は３次曲線を呈し、その主要な次数は３であるので、ｎとして３よりも大きい整数値（例えば、５又は６）が選択されてもよい。なお、温度補償データは、１次〜ｎ次のすべての次数の補償データを含んでもよいし、１次〜ｎ次のうちの一部の次数の補償データのみを含んでもよい。

不揮発性メモリー７２に記憶されている各データは、集積回路（ＩＣ）２の電源投入時（ＶＤＤ端子の電圧が０Ｖから所望の電圧まで立ち上がる時）に不揮発性メモリー７２からレジスター７４に転送され、レジスター７４に保持される。そして、周波数調整回路３０にはレジスター７４に保持される周波数調整データが入力され、温度補償回路４０にはレジスター７４に保持される温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）が入力され、出力回路２０やＡＦＣ回路３２にもレジスター７４に保持される各制御用のデータが入力される。

不揮発性メモリー７２が書き換え不可能である場合には、発振器１の検査時において、外部端子からシリアルインターフェース回路８０を介して、不揮発性メモリー７２から転送される各データが保持されるレジスター７４の各ビットに直接各データが書き込まれて発振器１が所望の特性を満たすように調整・選択され、調整・選択された各データが最終的に不揮発性メモリー７２に書き込まれる。また、不揮発性メモリー７２が書き換え可能である場合には、発振器１の検査時において、外部端子からシリアルインターフェース回路８０を介して、不揮発性メモリー７２に各データが書き込まれるようにしてもよい。ただし、不揮発性メモリー７２への書き込みは一般に時間がかかるため、発振器１の検査時には、検査時間を短縮するために、外部端子からシリアルインターフェース回路８０を介してレジスター７４の各ビットに直接各データが書き込まれ、調整・選択された各データが最終的に不揮発性メモリー７２に書き込まれるようにしてもよい。

発振回路１０は、振動素子３の出力信号を増幅して振動素子３にフィードバックすることで、振動素子３を発振させ、振動素子３の発振に基づく発振信号を出力する。例えば、レジスター７４に保持された制御データによって、発振回路１０の発振段電流が制御されてもよい。

周波数調整回路３０は、レジスター７４に保持された周波数調整データに応じた電圧を発生させて、発振回路１０の負荷容量として機能する可変容量素子（不図示）の一端に印加する。これにより、所定の温度（例えば、２５℃）かつＶＣ端子の電圧が所定の電圧（例えば、ＶＤＤ／２）となる条件下での発振回路１０の発振周波数（基準周波数）がほぼ所望の周波数となるように制御（微調整）される。

ＡＦＣ回路３２は、ＶＣ端子の電圧に応じた電圧を発生させて、発振回路１０の負荷容量として機能する可変容量素子（不図示）の一端に印加する。これにより、発振回路１０の発振周波数（振動素子３の発振周波数）が、ＶＣ端子の電圧値に基づき制御される。例えば、レジスター７４に保持された制御データによって、ＡＦＣ回路３２のゲインが制御されてもよい。

温度センサー５０は、その周辺の温度に応じた信号（例えば、温度に応じた電圧）を出力する感温素子である。温度センサー５０は、温度が高いほど出力電圧が高い正極性のものであってもよいし、温度が高いほど出力電圧が低い負極性のものであってもよい。なお、温度センサー５０としては、発振器１の動作が保証される所望の温度範囲において、温度変化に対して出力電圧ができるだけ線形に変化するものが望ましい。

温度補償回路４０は、温度センサー５０からの出力信号が入力され、振動素子３の周波数温度特性を補償するための電圧（温度補償電圧）を発生させて、発振回路１０の負荷容量として機能する可変容量素子（不図示）の一端に印加する。これにより、発振回路１０の発振周波数が、温度によらずほぼ一定になるように制御される。本実施形態では、温度補償回路４０は、１次電圧発生回路４１−１〜ｎ次電圧発生回路４１−ｎ及び加算回路４２を含んで構成されている。

１次電圧発生回路４１−１〜ｎ次電圧発生回路４１−ｎは、それぞれ、温度センサー５０からの出力信号が入力され、レジスター７４に保持された１次補償データ〜ｎ次補償データに応じて、周波数温度特性の１次成分からｎ次成分を補償するための１次補償電圧〜ｎ次補償電圧を発生させる。

加算回路４２は、１次電圧発生回路４１−１〜ｎ次電圧発生回路４１−ｎがそれぞれ発生させる１次補償電圧〜ｎ次補償電圧を加算して出力する。この加算回路４２の出力電圧が温度補償回路４０の出力電圧（温度補償電圧）となる。

出力回路２０は、発振回路１０が出力する発振信号が入力され、外部出力用の発振信号を生成し、ＯＵＴ端子を介して外部に出力する。例えば、レジスター７４に保持された制御データによって、出力回路２０における発振信号の分周比や出力レベルが制御されてもよい。

このように構成された発振器１は、所望の温度範囲において、温度によらず、外部端子ＶＣ１の電圧に応じた一定の周波数の発振信号を出力する電圧制御型の温度補償型発振器（振動素子３が水晶振動素子であればＶＣ−ＴＣＸＯ（Voltage Controlled Temperature Compensated Crystal Oscillator））として機能する。

［発振器の製造方法］
図４は、本実施形態の発振器１の製造方法の手順の一例を示すフローチャート図である。図４の工程Ｓ１０〜Ｓ７０の一部を省略又は変更し、あるいは、他の工程を追加してもよい。また、可能な範囲で、各工程の順番を適宜変更してもよい。

図４の例では、まず、パッケージ４に集積回路（ＩＣ）２と振動素子３（振動素子３を収容したパッケージ８）を搭載する（Ｓ１０）。工程Ｓ１０により、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３は、パッケージ４の内部又は凹部の表面に設けられた配線によって接続され、集積回路（ＩＣ）２に電源を供給すると集積回路（ＩＣ）２と振動素子３とが電気的に接続される状態になる。

次に、リッド５によりパッケージ４を封止し、熱処理を行ってリッド５をパッケージ４に接着させる（Ｓ２０）。この工程Ｓ２０により、発振器１の組み立てが完了する。

次に、発振器１の基準周波数（基準温度Ｔ０（例えば、２５℃）での周波数）を調整する（Ｓ３０）。この工程Ｓ３０では、基準温度Ｔ０で発振器１を発振させて周波数を測定し、周波数偏差が０に近づくように周波数調整データを決定する。

次に、発振器１のＶＣ感度を調整する（Ｓ４０）。この工程Ｓ４０では、基準温度Ｔ０において、外部端子ＶＣ１に所定の電圧（例えば、０ＶやＶＤＤ）を印加した状態で発振器１を発振させて周波数を測定し、所望のＶＣ感度が得られるように、ＡＦＣ回路３２の調整データを決定する。

次に、発振器１の温度補償調整を行う（Ｓ５０）。この温度補償調整工程Ｓ５０では、所望の温度範囲（例えば、−４０℃以上８５℃以下）において、複数の温度で発振器１の周波数を測定し、測定結果に基づいて、発振器１の周波数温度特性を補正するための温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）を生成する。具体的には、温度補償データの算出プログラムが、複数の温度での周波数の測定結果を用いて、発振器１の周波数温度特性（振動素子３の周波数温度特性と集積回路（ＩＣ）２の温度特性を含む）を、温度（温度センサー５０の出力電圧）を変数とするｎ次の式で近似し、近似式に応じた温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）を生成する。例えば、温度補償データの算出プログラムは、基準温度Ｔ０における周波数偏差を０とし、かつ、所望の温度範囲での周波数偏差の幅を小さくするような温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）を生成する。

次に、記憶部７０の不揮発性メモリー７２に、工程Ｓ３０、Ｓ４０及びＳ５０で得られた各データを記憶させる（Ｓ６０）。

最後に、発振器１の周波数温度特性を測定し、良否を判定する（Ｓ７０）。この工程Ｓ７０では、温度を徐々に変化させながら発振器１の周波数を測定し、所望の温度範囲（例えば、−４０℃以上８５℃以下）において周波数偏差が所定範囲内にあるか否かを評価し、周波数偏差が所定範囲内にあれば良品、所定範囲内になければ不良品と判定する。

［発振器の周波数温度特性］
図５（Ａ）〜図５（Ｆ）は、本実施形態の発振器１の周波数温度特性の評価結果の一例を示す図である。図５（Ａ）〜図５（Ｆ）は、それぞれ異なる６個のサンプルについて、温度を−４０℃〜＋８５℃まで徐々に変化させた時の周波数偏差（測定した周波数の所望の周波数（公称周波数）からのずれ）をプロットした図である。図５（Ａ）〜図５（Ｂ）に示すように、６個のサンプルすべてについて、０℃以上＋７０℃以下の温度範囲で周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である。また、６個のサンプルすべてについて、−５℃以上＋８５℃以下の温度範囲での周波数偏差も−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である。さらに、６個のサンプルすべてについて、−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲での周波数偏差も−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である。

０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲は市場に存在する発振器の周波数温度特性を規定する代表的な温度範囲であり、少なくとも、−５℃以上＋８５℃以下あるいは−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を有する温度補償型の発振器はこれまで存在していない。すなわち、本実施形態の発振器１は、他に類を見ない新規な温度補償型の発振器であり、例えば、ＯＣＸＯが利用されているような高い周波数精度が要求される電子機器にも本実施形態の発振器１を利用可能である。

図２（Ｂ）に示したように、本実施形態の発振器１は、上面から視た平面視で、集積回路（ＩＣ）２とパッケージ８（振動素子３）とが重なっている。このように、振動素子３と集積回路（ＩＣ）２は空間的に互いに近接した場所に配置されており、しかも、振動素子３を収容するパッケージ８のリッド８ｂに集積回路（ＩＣ）２が直付けされているので、集積回路（ＩＣ）２の発熱が振動素子３に短時間で伝導するため、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３の温度差を従来よりも小さくすることに成功している。その結果、本実施形態の発振器１では、温度補償回路４０による温度補償の誤差が小さくなり、上記の特性を実現可能にしている。

なお、リッド８ｂの材料は金属であることが望ましい。リッド８ｂの熱伝導率が高いので、集積回路（ＩＣ）２の発熱がリッド８ｂを介して振動素子３により短時間で伝導し、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３の温度差を従来よりもさらに小さくすることができる。その結果、温度補償回路４０による温度補償の誤差がさらに小さくなり、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現しやすい。

また、図４の温度補償調整工程Ｓ５０では、発振器１の周波数温度特性（振動素子３の周波数温度特性と集積回路（ＩＣ）２の温度特性を含む）を、温度（温度センサー５０の出力電圧）を変数とするｎ次の式で近似し、近似式に応じた温度補償データ（１次補償データ、・・・、ｎ次補償データ）を生成するので、上記の特性を実現するためには、発振器１の周波数温度特性をより正確に近似することが求められる。ここで、発振器１の周波数温度特性において振動素子３の周波数温度特性が支配的であるため、振動素子３の周波数温度特性をより正確に近似すること、言い換えれば、振動素子３の周波数温度特性の近似式に対する周波数偏差が小さいことが望ましい。

例えば、振動素子３がＡＴカット振動素子であれば、図６に示すように、その周波数温度特性（図６の実線）は３次曲線を呈する（主要な次数が３である）ので、振動素子３の周波数温度特性の３次以上の近似式（図６の破線）に対する振動素子３の周波数偏差ｄＦ／Ｆが、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下であることが望ましい。このようにすれば、温度補償調整工程Ｓ５０において、集積回路（ＩＣ）２の温度特性のばらつきを考慮しても、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の発振器１を実現するための温度補償データを生成しやすくなる。その結果、図４の工程Ｓ７０において、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の範囲内か否かを評価すると良品となる確率が高くなるので、歩留りを向上させることができる。

なお、振動素子３の周波数温度特性は、励振電極３ａ、３ｂの位置や形状、振動素子３の形状や寸法などのパラメーターによって変化するため、振動素子３の設計段階において、例えば、量産時における特性ばらつきの上限や下限でも周波数温度特性にディップが生じないようにパラメーター値を決定することで、−４０℃以上＋８５℃以下で周波数偏差ｄＦ／Ｆが−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である振動素子３を実現可能である。

さらに、温度補償調整工程Ｓ５０において、生成される温度補償データに、集積回路（ＩＣ）２の温度特性をより反映させるために、周波数を測定する温度の数を多くすることや、発振器１の周波数温度特性をより高次の式で近似することも有効である。例えば、振動素子３がＡＴカット振動素子であれば、−４０℃以上＋８５℃において１０点以上の温度で周波数を測定し、発振器１の周波数温度特性を５次以上の式で近似するのが望ましい。このようにすれば、温度補償調整工程において、集積回路（ＩＣ）２の温度特性も加味して、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の発振器１を実現するための温度補償データを生成しやすくなる。その結果、歩留りをさらに向上させることができる。

１−２．第２実施形態
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、第２実施形態の発振器の構造を示す図である。図７（Ａ）は、第２実施形態の発振器の断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）であり、図７（Ｂ）は、第２実施形態の発振器の上面図である。ただし、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のリッド５が無い状態で図示されている。なお、第２実施形態の発振器１の斜視図及び底面図は、第１実施形態の発振器１（図１及び図２（Ｃ））と同様であるため、その図示及び説明を省略する。同様に、第２実施形態の発振器１の構成及びその製造方法は、第１実施形態の発振器１（図３及び図４）と同様であるため、その図示及び説明を省略する。

図７（Ａ）に示すように、第２実施形態の発振器１は、第１実施形態と同様に、半導体装置である集積回路（ＩＣ）２、振動素子３、パッケージ４、リッド５、外部端子６を含んで構成されている。

パッケージ４は、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３とを同一空間内に収容する。具体的には、パッケージ４には、凹部が設けられており、リッド５で凹部を覆うことによって集積回路（ＩＣ）２と振動素子３とを収容する。パッケージ４の内部又は凹部の表面には、集積回路（ＩＣ）２の２つの端子（図３のＸＯ端子及びＸＩ端子）と振動素子３の２つの端子（励振電極３ａ及び３ｂ）とをそれぞれ電気的に接続するための不図示の配線が設けられている。また、パッケージ４の内部又は凹部の表面には、各外部端子６と電気的に接続された不図示の配線が設けられており、各配線と集積回路（ＩＣ）２の各端子とは金等のボンディングワイヤー７でボンディングされている。

振動素子３は、その表面及び裏面にそれぞれ金属の励振電極３ａ及び３ｂを有しており、励振電極３ａ及び３ｂを含む振動素子３の質量に応じた所望の周波数（発振器１に要求される周波数）で発振する。

本実施形態では、振動素子３は、ベース８ａとリッド８ｂとを含むパッケージ８に収容されており（振動素子３は、ベース８ａ上に配置されている電極パッド１１と導電性接着材等の接続部材１２にて固定されており）、リッド８ｂは、リジン等の接着部材９によってパッケージ４に接合されている。また、集積回路（ＩＣ）２は、接着部材９によってパッケージ８に接合されている。特に、本実施形態では、集積回路（ＩＣ）２は、接着部材９によってベース８ａ（端子面）に接合されている。

図７（Ｂ）に示すように、本実施形態でも、第１実施形態（図２（Ｂ））と同様に、発振器１を上面から視た平面視で、集積回路（ＩＣ）２とパッケージ８（振動素子３）とは重なっている。このように、振動素子３と集積回路（ＩＣ）２は空間的に互いに近接した場所に配置されており、しかも、振動素子３を収容するパッケージ８のベース８ａに集積回路（ＩＣ）２が直付けされているので、集積回路（ＩＣ）２の発熱が振動素子３に短時間で伝導するため、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３の温度差を従来よりも小さくすることに成功している。特に、平面視で、集積回路（ＩＣ）２を接合部材１２に重ねることにより集積回路（ＩＣ）２と振動素子３との間の熱伝達路が短くなるので、より効果的に温度差を小さくすることができる。その結果、本実施形態の発振器１でも、第１実施形態と同様に、温度補償回路４０による温度補償の誤差が小さくなり、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現可能にしている。

すなわち、第２実施形態の発振器１も、第１実施形態と同様に、−５℃以上＋８５℃以下あるいは−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を有する、他に類を見ない新規な温度補償型の発振器であり、例えば、ＯＣＸＯが利用されているような高い周波数精度が要求される電子機器にも本実施形態の発振器１を利用可能である。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、振動素子３の周波数温度特性の近似式に対する周波数偏差が小さいことが望ましく、例えば、振動素子３がＡＴカット振動素子であれば、振動素子３の周波数温度特性の３次以上の近似式に対する振動素子３の周波数偏差ｄＦ／Ｆが、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下であることが望ましい。このようにすれば、温度補償調整工程Ｓ５０において、集積回路（ＩＣ）２の温度特性のばらつきを考慮しても、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で周波数温度特性−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の発振器１を実現するための温度補償データを生成しやすくなり、歩留りを向上させることができる。

さらに、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、温度補償調整工程Ｓ５０において、周波数を測定する温度の数を多くすることや、発振器１の周波数温度特性をより高次の式で近似することで、集積回路（ＩＣ）２の温度特性も加味して、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下で周波数温度特性−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の発振器１を実現するための温度補償データを生成しやすくなり、歩留りをさらに向上させることができる。

１−３．変形例
上述した各実施形態の発振器１は、種々に変形可能である。

例えば、上述した各実施形態の発振器１は、振動素子３（振動素子３を収容するパッケージ８の上面）に集積回路（ＩＣ）２が搭載されているが、集積回路（ＩＣ）２に振動素子３（振動素子３を収容するパッケージ８の上面）が搭載された構造でもよい。このような構造の発振器でも、発振器を上面から視た平面視で、集積回路（ＩＣ）２とパッケージ８（振動素子３）とは重なっており、振動素子３と集積回路（ＩＣ）２は空間的に互いに近接した場所に配置され、しかも、振動素子３を収容するパッケージ８のリッド８ｂ又はベース８ａに集積回路（ＩＣ）２が直付けされることで、集積回路（ＩＣ）２の発熱が振動素子３に短時間で伝導する。従って、集積回路（ＩＣ）２と振動素子３の温度差を従来よりも小さくなるため、温度補償回路４０による温度補償の誤差が小さくなり、０℃以上＋７０℃以下、−５℃以上＋８５℃以下、あるいは−４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下の特性を実現可能である。

また、例えば、上述した各実施形態の発振器１は、温度補償機能と電圧制御機能（周波数制御機能）を有する発振器（ＶＣ−ＴＣＸＯ等）であるが、電圧制御機能（周波数制御機能）を有さない温度補償型発振器（ＴＣＸＯ等）であってもよい。

２．電子機器
図８は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。また、図９は、本実施形態の電子機器の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。

本実施形態の電子機器３００は、発振器３１０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図８の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振器３１０は、集積回路（ＩＣ）３１２と振動素子３１３とを備えている。集積回路（ＩＣ）３１２は、振動素子３１３を発振させて発振信号を発生させる。この発振信号は発振器３１０の外部端子からＣＰＵ３２０に出力される。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、発振器３１０から入力される発振信号をクロック信号として各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。

発振器３１０として例えば上述した各実施形態の発振器１を適用することにより、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

本実施形態の電子機器３００の一例として、上述した発振器３１０を基準信号源、あるいは電圧可変型発振器（ＶＣＯ）等として用いて、例えば、端末と有線または無線で通信を行う端末基地局用装置等として機能する伝送装置が挙げられる。発振器３１０として、例えば上述した各実施形態の発振器１を適用することにより、例えば通信基地局などに利用可能な、周波数精度の高い、高性能、高信頼性を所望される電子機器３００を従来よりも低コストで実現することも可能である。

３．移動体
図１０は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１０に示す移動体４００は、発振器４１０、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行うコントローラー４２０，４３０，４４０、バッテリー４５０、バックアップ用バッテリー４６０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１０の構成要素（各部）の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振器４１０は、不図示の集積回路（ＩＣ）と振動素子とを備えており、集積回路（ＩＣ）は振動素子を発振させて発振信号を発生させる。この発振信号は発振器４１０の外部端子からコントローラー４２０，４３０，４４０に出力され、例えばクロック信号として用いられる。

バッテリー４５０は、発振器４１０及びコントローラー４２０，４３０，４４０に電力を供給する。バックアップ用バッテリー４６０は、バッテリー４５０の出力電圧が閾値よりも低下した時、発振器４１０及びコントローラー４２０，４３０，４４０に電力を供給する。

発振器４１０として例えば上述した各実施形態の発振器１を適用することにより、信頼性の高い移動体を実現することができる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 発振器、２ 集積回路（ＩＣ）、３ 振動素子、３ａ，３ｂ 励振電極、４ パッケージ、５ リッド、６ 外部端子（外部電極）、７ ボンディングワイヤー、８ パッケージ、８ａ ベース、８ｂ リッド、９ 接着部材、１０ 発振回路、１１ 電極パッド、１２ 接続部材、２０ 出力回路、３０ 周波数調整回路、３２ ＡＦＣ回路、４０ 温度補償回路、４１−１ １次電圧発生回路、４１−ｎ ｎ次電圧発生回路、４２ 加算回路、５０ 温度センサー、６０ レギュレーター回路、７０ 記憶部、７２ 不揮発性メモリー、７４ レジスター、８０ シリアルインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路、３００ 電子機器、３１０ 発振器、３１２ 集積回路（ＩＣ）、３１３ 振動素子、３２０ ＣＰＵ、３３０ 操作部、３４０ ＲＯＭ、３５０ ＲＡＭ、３６０ 通信部、３７０ 表示部、４００ 移動体、４１０ 発振器、４２０，４３０，４４０ コントローラー、４５０ バッテリー、４６０ バックアップ用バッテリー

Claims (5)

1. ＡＴカット水晶振動素子と、
   ベース、および、前記ベースとの間で前記ＡＴカット水晶振動素子を封止しており金属材料からなる第１リッドを備えた第１パッケージと、
   発振回路および温度補償回路が収容されている半導体装置と、
   凹部を有し、前記凹部内に前記第１パッケージおよび前記半導体装置を収容している容器、および、前記凹部の開口を塞いでいる第２リッドを備えた第２パッケージと、
   含み、
   前記第１パッケージは、前記ベースが前記凹部の内底面に取り付けられており、
   前記半導体装置は、平面視で前記第１パッケージと重なるよう配置され、かつ、前記第１リッドに取り付けられており、
   −５℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下であり、
   ヒーターを含まない温度補償型水晶発振器。
2. −４０℃以上＋８５℃以下の温度範囲で、周波数偏差が−１５０ｐｐｂ以上＋１５０ｐｐｂ以下である、請求項１に記載の温度補償型水晶発振器。
3. 平面視で、前記半導体装置と前記ＡＴカット水晶振動素子とは重なっている、請求項１または２に記載の温度補償型水晶発振器。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を備えている、電子機器。
5. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度補償型水晶発振器を備えている、移動体。

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