JP7396496B2 - 恒温槽型圧電発振器 - Google Patents

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Description

本発明は、恒温槽型圧電発振器に関する。
水晶振動子等の圧電振動子は、固有の周波数温度特性に基づいて、温度に応じて振動周波数が変化する。そこで、圧電振動子の周囲の温度を一定に保つために、恒温槽内に圧電振動子を封入した恒温槽型圧電発振器（Ｏｖｅｎ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｘｔａｌ（ｃｒｙｓｔａｌ） Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：以下、「ＯＣＸＯ」とも言う。）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第６３７６６８１号公報
上述したようなＯＣＸＯにおいて、圧電振動子、発振用ＩＣ、ヒータ用ＩＣ等が離間して配置された場合、圧電振動子、発振用ＩＣ、ヒータ用ＩＣ等の間で温度差が発生する可能性があり、これに起因して、ＯＣＸＯによる温度調整の精度が悪化する可能性がある。このため、ＯＣＸＯの発振周波数が不安定になることが懸念される。
本発明は上述したような実情を考慮してなされたもので、圧電振動子、発振用ＩＣ、およびヒータ用ＩＣをできる限り接近させて配置することによって、発振周波数の安定化を図ることが可能な恒温槽型圧電発振器を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、コア部が断熱用のパッケージの内部に密閉状態で封入された恒温槽型圧電発振器であって、前記コア部は、コア基板を介して前記パッケージに支持されており、前記コア部は、少なくとも発振用ＩＣ、圧電振動子、およびヒータ用ＩＣが順に積層された構成になっていることを特徴とする。
上記構成によれば、コア部を発振用ＩＣ、圧電振動子、およびヒータ用ＩＣの積層構造とすることによって、発振用ＩＣと圧電振動子とを接近させた状態でコア部の温度制御が行われるので、発振用ＩＣと圧電振動子との温度差を小さくすることができ、ＯＣＸＯによる高精度な温度調整を行うことが可能になる。また、発振用ＩＣとヒータ用ＩＣとの間に圧電振動子が挟まれた構成になっており、発振用ＩＣがヒータ用ＩＣから分離されるので、圧電振動子の発振周波数のノイズを低減することができる。さらに、コア基板を介してコア部がパッケージに固定されているので、ＯＣＸＯが搭載される実装基板からの応力がコア部に伝わりにくくなり、コア部の保護を図ることができる。
上記構成において、前記発振用ＩＣおよび前記圧電振動子の互いの対向面同士、前記圧電振動子および前記ヒータ用ＩＣの互いの対向面同士、ならびに、前記ヒータ用ＩＣおよび前記コア基板の互いの対向面同士のうち少なくとも１つの対向面同士は、熱伝導促進部材により固定されていることが好ましい。
上記構成によれば、コア部の構成部材（発振用ＩＣ、水晶振動子、ヒータ用ＩＣ）およびコア基板のそれぞれの対向面同士が熱伝導促進部材を介して接することによって、コア部の構成部材およびコア基板の間で熱移動が起きやすくなり、コア部を迅速に熱平衡状態にすることができる。これにより、ＯＣＸＯによる高精度な温度調整を行うことが可能になる。
上記構成において、前記発振用ＩＣと前記圧電振動子の平面視における面積を比較した際に、上方に位置する一方の部材の方が他方の部材よりも小さく、かつ、前記圧電振動子と前記ヒータ用ＩＣの平面視における面積を比較した際に、上方に位置する一方の部材の方が他方の部材よりも小さくなっており、前記発振用ＩＣと前記圧電振動子との間では、面積が相対的に小さい一方の部材の対向面の全体が、他方の部材に対向しており、前記圧電振動子と前記ヒータ用ＩＣとの間では、面積が相対的に小さい一方の部材の対向面の全体が、他方の部材に対向していることが好ましい。
上記構成によれば、コア部の構成部材のうち、平面視の面積が相対的に小さい方の部材の接合面全体が、大きい方の部材の被接合面に対向しているので、コア部の温度を均一化させることができる。
上記構成において、前記コア部の下面の全体が、前記コア基板に接合されていることが好ましい。
上記構成によれば、コア部の下面の全体がコア基板に接合されていることにより、コア基板とこれに接合されたコア部の全体の温度を均一化させることができる。
上記構成において、前記コア基板は、前記パッケージの内底面との間に空間を有する状態で前記パッケージに接合されていることが好ましい。
上記構成によれば、コア基板とパッケージの内底面との間の空間によって断熱効果を高めることができる。
上記構成において、前記パッケージの内部には、対向する一対の段差部が形成されており、前記コア基板は、前記一対の段差部間に架け渡されるように配置されていることが好ましい。
上記構成によれば、パッケージに段差部を設けることで、コア部をパッケージの内部に容易に固定することができる。また、コア基板の下方に空間を形成することができるため、断熱効果を高めることができる。
上記構成において、前記コア基板と前記パッケージの内底面との間には、介在物が設けられていることが好ましい。
上記構成によれば、介在物を設けることによって、コア基板とパッケージの内底面との間の空間を容易に確保することができる。
上記構成において、前記圧電振動子が、ガラスまたは水晶からなる第１、第２封止部材と、水晶からなり両主面に励振電極が形成された振動部を有する圧電振動板とを備え、前記第１封止部材と前記第２封止部材とが、前記圧電振動板を介して積層して接合され、内部に配された前記圧電振動板の前記振動部が気密封止される構成になっていることが好ましい。
上記構成によれば、コア部の圧電振動子として、上述のような振動部が内部に気密封止されたサンドイッチ構造の圧電振動子が用いられているので、コア部の低背化および小型化を図ることができ、コア部の熱容量を小さくすることができる。これにより、ＯＣＸＯのヒータ発熱量を抑えることができ、消費電力を抑えることができる。しかも、コア部の温度追従性を向上させることができ、ＯＣＸＯの安定性を向上させることができる。また、サンドイッチ構造の圧電振動子では、接着剤を用いずに振動部が気密封止されるので、接着剤から発生したアウトガスによる熱対流の悪影響を抑制することができる。つまり、振動部を気密封止する空間内で、接着剤から発生したアウトガスが循環することによって熱対流が発生し、振動部の精度良い温度制御が妨げられる可能性がある。しかし、サンドイッチ構造の圧電振動子では、そのようなアウトガスが発生しないため、振動部の精度良い温度制御が可能になる。
上記構成において、前記圧電振動板は、略矩形に形成された振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有しており、前記発振用ＩＣが、平面視において、前記圧電振動板の前記外枠部の少なくとも一部の領域に重畳していることが好ましい。
上記構成によれば、発振用ＩＣの熱が、外枠部を介して圧電振動板の振動部に伝達しやすくなるため、コア部の温度をより均一化させやすくすることができる。
本発明の恒温槽型圧電発振器によれば、コア部を発振用ＩＣ、圧電振動子、およびヒータ用ＩＣの積層構造とすることによって、圧電振動子、発振用ＩＣ、およびヒータ用ＩＣができる限り接近させて配置されるので、発振周波数の安定化を図ることができる。
図１は、本実施の形態にかかるＯＣＸＯの概略構成を示す断面図である。 図２は、図１のＯＣＸＯのコア部およびコア基板の概略構成を示す断面図である。 図３は、図２のコア部およびコア基板を示す平面図である。 図４は、図２のコア部の水晶発振器（水晶振動子および発振用ＩＣ）の各構成を模式的に示した概略構成図である。 図５は、図４の水晶発振器の第１封止部材の第１主面側の概略平面図である。 図６は、図４の水晶発振器の第１封止部材の第２主面側の概略平面図である。 図７は、図４の水晶発振器の水晶振動板の第１主面側の概略平面図である。 図８は、図４の水晶発振器の水晶振動板の第２主面側の概略平面図である。 図９は、図４の水晶発振器の第２封止部材の第１主面側の概略平面図である。 図１０は、図４の水晶発振器の第２封止部材の第２主面側の概略平面図である。 図１１は、変形例１にかかるＯＣＸＯの概略構成を示す断面図である。 図１２は、図１１のＯＣＸＯの平面図である。 図１３は、変形例２にかかるＯＣＸＯの概略構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本実施の形態にかかるＯＣＸＯ１は、図１に示すように、セラミック製等で略直方体のパッケージ（筐体）２の内部にコア部５が配置され、リッド３によって気密封止された構造とされている。パッケージ２は、例えば、７．０×５．０ｍｍのサイズとされている。パッケージ２には、上方が開口された凹部２ａが形成されており、凹部２ａの内部にコア部５が気密状態で封入されている。凹部２ａを囲う周壁部２ｂの上面には、リッド３が封止材８によって固定されており、パッケージ２の内部が密封状態（気密状態）になっている。封止材８としては、例えばＡｕ－Ｓｕ合金や、はんだ等の金属系封止材が好適に用いられるが、低融点ガラス等の封止材を用いてもよい。パッケージ２の内部空間は、真空、または低圧の窒素やアルゴン等の熱伝導率が低い雰囲気であることが好ましい。
パッケージ２の周壁部２ｂの内壁面には、接続端子（図示省略）の並びに沿った段差部２ｃが形成されており、段差部２ｃに形成された接続端子に、板状のコア基板４を介してコア部５が接続されている。コア基板４は、例えばポリイミド等の耐熱性および可撓性を有する樹脂材料からなる。なお、コア基板４を水晶によって形成してもよい。
コア基板４は、パッケージ２の対向する一対の段差部２ｃ，２ｃ間に架け渡されるように配置されており、一対の段差部２ｃ，２ｃの間であってコア基板４の下側の部分には、空間２ｄが形成されている。そして、段差部２ｃの段差面上に形成された接続端子が、導電性接着剤７を介してコア基板４の下面４ｂに形成された接続端子（図示省略）に接続されている。また、コア部５の各構成部材に形成された外部端子（図示省略）が、ワイヤ６ａ，６ｂを介してコア基板４の上面４ａに形成された接続端子４ｃにワイヤボンディングにより接続されている。導電性接着剤７としては、例えばポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤等が用いられる。
次に、コア部５について、図２、図３を参照して説明する。図２、図３では、コア部５がコア基板４上に搭載された状態を図示している。コア部５は、ＯＣＸＯ１で使用される各種電子部品をパッケージングしたものであり、発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２が上側から順に積層された３層構造（積層構造）の構成になっている。発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２は、平面視におけるそれぞれの面積が、上方に向かって漸次小さくなっている。コア部５は、特に、温度特性の大きい水晶振動子５０、発振用ＩＣ５１、およびヒータ用ＩＣ５２の温度調整を行うことで、ＯＣＸＯ１の発振周波数を安定させるように構成されている。なお、コア部５の各種電子部品は封止樹脂によって封止されていないが、封止雰囲気によっては封止樹脂による封止を行うようにしてもよい。
水晶振動子５０および発振用ＩＣ５１によって、水晶発振器１００が構成される。発振用ＩＣ５１は、複数の金属バンプ５１ａ（図４参照）を介して水晶振動子５０上に搭載されている。発振用ＩＣ５１によって水晶振動子５０の圧電振動を制御することにより、ＯＣＸＯ１の発振周波数が制御される。水晶発振器１００の詳細については後述する。
水晶振動子５０および発振用ＩＣ５１の互いの対向面の間には、非導電性接着剤（アンダーフィル）５３が介在されており、非導電性接着剤５３によって水晶振動子５０および発振用ＩＣ５１の互いの対向面が固定されている。この場合、水晶振動子５０の上面（第１封止部材２０の第１主面２０１）と、発振用ＩＣ５１の下面とが、非導電性接着剤５３を介して接合される。非導電性接着剤５３としては、例えばポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤等が用いられる。また、水晶振動子５０の上面に形成された外部端子（図５に示す電極パターン２２）が、ワイヤ６ａを介してコア基板４の上面４ａに形成された接続端子４ｃにワイヤボンディングにより接続されている。
発振用ＩＣ５１は、平面視における面積が水晶振動子５０よりも小さくなっており、発振用ＩＣ５１の全体が、平面視で水晶振動子５０の範囲内に位置している。発振用ＩＣ５１の下面の全体が、水晶振動子５０の上面（第１封止部材２０の第１主面２０１）に接合されている。
ヒータ用ＩＣ５２は、例えば発熱体（熱源）と、発熱体の温度制御用の制御回路（電流制御用の回路）と、発熱体の温度を検出するための温度センサとが一体になった構成とされている。ヒータ用ＩＣ５２によってコア部５の温度制御を行うことにより、コア部５の温度が略一定の温度に維持され、ＯＣＸＯ１の発振周波数の安定化が図られている。
水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面の間には、非導電性接着剤５４が介在されており、非導電性接着剤５４によって水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面が固定されている。この場合、水晶振動子５０の下面（第２封止部材３０の第２主面３０２）と、ヒータ用ＩＣ５２の上面とが、非導電性接着剤５４を介して接合される。非導電性接着剤５４としては、例えばポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤等が用いられる。ヒータ用ＩＣ５２の上面に形成された外部端子（図示省略）が、ワイヤ６ｂを介してコア基板４の上面４ａに形成された接続端子４ｃにワイヤボンディングにより接続されている。
水晶振動子５０は、平面視における面積がヒータ用ＩＣ５２よりも小さくなっており、水晶振動子５０の全体が、平面視でヒータ用ＩＣ５２の範囲内に位置している。水晶振動子５０の下面（第２封止部材３０の第２主面３０２）の全体が、ヒータ用ＩＣ５２の上面に接合されている。
ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面の間には、導電性接着剤５５が介在されており、導電性接着剤５５によってヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面が固定されている。この場合、ヒータ用ＩＣ５２の下面と、コア基板４の上面４ａとが、導電性接着剤５５を介して接合される。これにより、ヒータ用ＩＣ５２が導電性接着剤５５およびコア基板４を介してグランド接続されるようになっている。導電性接着剤５５としては、例えばポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤等が用いられる。なお、例えばワイヤ等を介してヒータ用ＩＣ５２がグランド接続される場合には、導電性接着剤の代わりに、上述した非導電性接着剤５３，５４と同様の非導電性接着剤を用いてもよい。
コア基板４の上面４ａには、上述したように、多数の接続端子４ｃが形成されている。また、コア基板４の上面４ａには、複数（図３では２つ）のチップコンデンサ（バイパスコンデンサ）４ｄが配置されている。なお、チップコンデンサ４ｄのサイズや数については特に限定されない。
コア部５に用いられる水晶振動子５０の種類は特に限定されるものではないが、デバイスを薄型化しやすい、サンドイッチ構造のデバイスを好適に使用できる。サンドイッチ構造のデバイスは、ガラスや水晶からなる第１、第２封止部材と、例えば水晶からなり両主面に励振電極が形成された振動部を有する圧電振動板とから構成され、第１封止部材と第２封止部材とが、圧電振動板を介して積層して接合され、内部に配された圧電振動板の振動部が気密封止される構成になっているデバイスである。
このようなサンドイッチ構造の水晶振動子５０と、発振用ＩＣ５１とが一体的に設けられた水晶発振器１００について、図４～図１０を参照して説明する。
水晶発振器１００は、図４に示すように、水晶振動板（圧電振動板）１０、第１封止部材２０、第２封止部材３０、および発振用ＩＣ５１を備えて構成されている。この水晶発振器１００では、水晶振動板１０と第１封止部材２０とが接合され、水晶振動板１０と第２封止部材３０とが接合されることによって、略直方体のサンドイッチ構造のパッケージが構成される。すなわち、水晶発振器１００においては、水晶振動板１０の両主面のそれぞれに第１封止部材２０および第２封止部材３０が接合されることでパッケージの内部空間（キャビティ）が形成され、この内部空間に振動部１１（図７、図８参照）が気密封止される。
水晶発振器１００は、例えば、１．０×０．８ｍｍのパッケージサイズであり、小型化と低背化とを図ったものである。また、小型化に伴い、パッケージでは、キャスタレーションを形成せずに、スルーホールを用いて電極の導通を図っている。第１封止部材２０上に搭載される発振用ＩＣ５１は、水晶振動板１０とともに発振回路を構成する１チップ集積回路素子である。また、水晶発振器１００は、上述したヒータ用ＩＣ５２上に、非導電性接着剤５４を介して搭載される。
水晶振動板１０は、図７、図８に示すように、水晶からなる圧電基板であって、その両主面（第１主面１０１，第２主面１０２）が平坦平滑面（鏡面加工）として形成されている。水晶振動板１０として、厚みすべり振動を行うＡＴカット水晶板が用いられている。図７、図８に示す水晶振動板１０では、水晶振動板１０の両主面１０１，１０２が、ＸＺ´平面とされている。このＸＺ´平面において、水晶振動板１０の短手方向（短辺方向）に平行な方向がＸ軸方向とされ、水晶振動板１０の長手方向（長辺方向）に平行な方向がＺ´軸方向とされている。
水晶振動板１０の両主面１０１，１０２には、一対の励振電極（第１励振電極１１１，第２励振電極１１２）が形成されている。水晶振動板１０は、略矩形に形成された振動部１１と、この振動部１１の外周を取り囲む外枠部１２と、振動部１１と外枠部１２とを連結することで振動部１１を保持する保持部（連結部）１３とを有している。すなわち、水晶振動板１０は、振動部１１、外枠部１２および保持部１３が一体的に設けられた構成となっている。保持部１３は、振動部１１の＋Ｘ方向かつ－Ｚ´方向に位置する１つの角部のみから、－Ｚ´方向に向けて外枠部１２まで延びている（突出している）。
第１励振電極１１１は振動部１１の第１主面１０１側に設けられ、第２励振電極１１２は振動部１１の第２主面１０２側に設けられている。第１励振電極１１１，第２励振電極１１２には、これらの励振電極を外部電極端子に接続するための引出配線（第１引出配線１１３，第２引出配線１１４）が接続されている。第１引出配線１１３は、第１励振電極１１１から引き出され、保持部１３を経由して、外枠部１２に形成された接続用接合パターン１４に繋がっている。第２引出配線１１４は、第２励振電極１１２から引き出され、保持部１３を経由して、外枠部１２に形成された接続用接合パターン１５に繋がっている。
水晶振動板１０の両主面（第１主面１０１，第２主面１０２）には、水晶振動板１０を第１封止部材２０および第２封止部材３０に接合するための振動側封止部がそれぞれ設けられている。第１主面１０１の振動側封止部としては振動側第１接合パターン１２１が形成されており、第２主面１０２の振動側封止部としては振動側第２接合パターン１２２が形成されている。振動側第１接合パターン１２１および振動側第２接合パターン１２２は、外枠部１２に設けられており、平面視で環状に形成されている。
また、水晶振動板１０には、図７、図８に示すように、第１主面１０１と第２主面１０２との間を貫通する５つのスルーホールが形成されている。具体的には、４つの第１スルーホール１６１は、外枠部１２の４隅（角部）の領域にそれぞれ設けられている。第２スルーホール１６２は、外枠部１２であって、振動部１１のＺ´軸方向の一方側（図７、図８では、－Ｚ´方向側）に設けられている。第１スルーホール１６１の周囲には、それぞれ接続用接合パターン１２３が形成されている。また、第２スルーホール１６２の周囲には、第１主面１０１側では接続用接合パターン１２４が、第２主面１０２側では接続用接合パターン１５が形成されている。
第１スルーホール１６１および第２スルーホール１６２には、第１主面１０１と第２主面１０２とに形成された電極の導通を図るための貫通電極が、スルーホールそれぞれの内壁面に沿って形成されている。また、第１スルーホール１６１および第２スルーホール１６２それぞれの中央部分は、第１主面１０１と第２主面１０２との間を貫通した中空状態の貫通部分となる。
次に、第１封止部材２０は、図５、図６に示すように、１枚のＡＴカット水晶板から形成された直方体の基板であり、この第１封止部材２０の第２主面２０２（水晶振動板１０に接合する面）は平坦平滑面（鏡面加工）として形成されている。なお、第１封止部材２０は振動部を有するものではないが、水晶振動板１０と同様にＡＴカット水晶板を用いることで、水晶振動板１０と第１封止部材２０の熱膨張率を同じにすることができ、水晶発振器１００における熱変形を抑制することができる。また、第１封止部材２０におけるＸ軸、Ｙ軸およびＺ´軸の向きも水晶振動板１０と同じとされている。
第１封止部材２０の第１主面２０１には、図５に示すように、発振回路素子である発振用ＩＣ５１を搭載する搭載パッドを含む６つの電極パターン２２が形成されている。発振用ＩＣ５１は、金属バンプ（例えばＡｕバンプなど）５１ａ（図４参照）を用いて電極パターン２２に、ＦＣＢ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｂｏｎｄｉｎｇ）法により接合される。また、本実施の形態では、６つの電極パターン２２のうち、第１封止部材２０の第１主面２０１の４隅（角部）に位置する電極パターン２２は、上述したコア基板４の上面４ａに形成された接続端子４ｃにワイヤ６ａを介して接続されている。これにより、発振用ＩＣ５１が、ワイヤ６ａ、コア基板４、パッケージ２等を介して、外部に電気的に接続されるようになっている。
第１封止部材２０には、図５、図６に示すように、６つの電極パターン２２のそれぞれと接続され、第１主面２０１と第２主面２０２との間を貫通する６つのスルーホールが形成されている。具体的には、４つの第３スルーホール２１１が、第１封止部材２０の４隅（角部）の領域に設けられている。第４，第５スルーホール２１２，２１３は、図５、図６の＋Ｚ´方向および－Ｚ´方向にそれぞれ設けられている。
第３スルーホール２１１および第４，第５スルーホール２１２，２１３には、第１主面２０１と第２主面２０２とに形成された電極の導通を図るための貫通電極が、スルーホールそれぞれの内壁面に沿って形成されている。また、第３スルーホール２１１および第４，第５スルーホール２１２，２１３それぞれの中央部分は、第１主面２０１と第２主面２０２との間を貫通した中空状態の貫通部分となる。
第１封止部材２０の第２主面２０２には、水晶振動板１０に接合するための封止側第１封止部としての封止側第１接合パターン２４が形成されている。封止側第１接合パターン２４は、平面視で環状に形成されている。
また、第１封止部材２０の第２主面２０２では、第３スルーホール２１１の周囲に接続用接合パターン２５がそれぞれ形成されている。第４スルーホール２１２の周囲には接続用接合パターン２６１が、第５スルーホール２１３の周囲には接続用接合パターン２６２が形成されている。さらに、接続用接合パターン２６１に対して第１封止部材２０の長軸方向の反対側（－Ｚ´方向側）には接続用接合パターン２６３が形成されており、接続用接合パターン２６１と接続用接合パターン２６３とは配線パターン２７によって接続されている。
次に、第２封止部材３０は、図９、図１０に示すように、１枚のＡＴカット水晶板から形成された直方体の基板であり、この第２封止部材３０の第１主面３０１（水晶振動板１０に接合する面）は平坦平滑面（鏡面加工）として形成されている。なお、第２封止部材３０においても、水晶振動板１０と同様にＡＴカット水晶板を用い、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ´軸の向きも水晶振動板１０と同じとすることが望ましい。
この第２封止部材３０の第１主面３０１には、水晶振動板１０に接合するための封止側第２封止部としての封止側第２接合パターン３１が形成されている。封止側第２接合パターン３１は、平面視で環状に形成されている。
第２封止部材３０の第２主面３０２には、４つの電極端子３２が設けられている。電極端子３２は、第２封止部材３０の第２主面３０２の４隅（角部）にそれぞれ位置する。なお、本実施の形態では、上述したように、電極パターン２２、ワイヤ６ａを介して外部との電気的に接続が行われるが、電極端子３２を用いて外部との電気的な接続を行うことも可能になっている。
第２封止部材３０には、図９、図１０に示すように、第１主面３０１と第２主面３０２との間を貫通する４つのスルーホールが形成されている。具体的には、４つの第６スルーホール３３は、第２封止部材３０の４隅（角部）の領域に設けられている。第６スルーホール３３には、第１主面３０１と第２主面３０２とに形成された電極の導通を図るための貫通電極が、第６スルーホール３３それぞれの内壁面に沿って形成されている。このように第６スルーホール３３の内壁面に形成された貫通電極によって、第１主面３０１に形成された電極と、第２主面３０２に形成された電極端子３２とが導通されている。また、第６スルーホール３３それぞれの中央部分は、第１主面３０１と第２主面３０２との間を貫通した中空状態の貫通部分となっている。また、第２封止部材３０の第１主面３０１では、第６スルーホール３３の周囲には、それぞれ接続用接合パターン３４が形成されている。なお、電極端子３２を用いて外部との電気的な接続を行わない場合には、電極端子３２、第６スルーホール３３等を設けない構成としてもよい。
上記の水晶振動板１０、第１封止部材２０、および第２封止部材３０を含む水晶発振器１００では、水晶振動板１０と第１封止部材２０とが振動側第１接合パターン１２１および封止側第１接合パターン２４を重ね合わせた状態で拡散接合され、水晶振動板１０と第２封止部材３０とが振動側第２接合パターン１２２および封止側第２接合パターン３１を重ね合わせた状態で拡散接合されて、図４に示すサンドイッチ構造のパッケージが製造される。これにより、パッケージの内部空間、つまり、振動部１１の収容空間が気密封止される。
この際、上述した接続用接合パターン同士も重ね合わせられた状態で拡散接合される。そして、接続用接合パターン同士の接合により、水晶発振器１００では、第１励振電極１１１、第２励振電極１１２、発振用ＩＣ５１および電極端子３２の電気的導通が得られるようになっている。
具体的には、第１励振電極１１１は、第１引出配線１１３、配線パターン２７、第４スルーホール２１２および電極パターン２２を順に経由して、発振用ＩＣ５１に接続される。第２励振電極１１２は、第２引出配線１１４、第２スルーホール１６２、第５スルーホール２１３および電極パターン２２を順に経由して、発振用ＩＣ５１に接続される。
水晶発振器１００において、各種接合パターンは、複数の層が水晶板上に積層されてなり、その最下層側からＴｉ（チタン）層とＡｕ（金）層とが蒸着形成されているものとすることが好ましい。また、水晶発振器１００に形成される他の配線や電極も、接合パターンと同一の構成とすれば、接合パターンや配線および電極を同時にパターニングでき、好ましい。
上述のように構成された水晶発振器１００では、水晶振動板１０の振動部１１を気密封止する封止部（シールパス）１１５，１１６は、平面視で、環状に形成されている。シールパス１１５は、上述した振動側第１接合パターン１２１および封止側第１接合パターン２４の拡散接合によって形成され、シールパス１１５の外縁形状および内縁形状が略八角形に形成されている。同様に、シールパス１１６は、上述した振動側第２接合パターン１２２および封止側第２接合パターン３１の拡散接合によって形成され、シールパス１１６の外縁形状および内縁形状が略八角形に形成されている。
上述したように、本実施の形態では、コア部５は、コア基板４を介してパッケージ２に支持されており、コア部５は、少なくとも発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２を有しており、発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２の順に積層された構成になっている。そして、ヒータ用ＩＣ５２において、発熱体に供給する電流を制御することによって、コア部５の温度調整を行って、コア部５の温度を略一定の温度に維持するようにしている。
本実施の形態によれば、コア部５を発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２の積層構造とすることによって、発振用ＩＣ５１と水晶振動子５０とを接近させた状態でコア部５の温度制御が行われるので、発振用ＩＣ５１と水晶振動子５０との温度差を小さくすることができ、ＯＣＸＯ１による高精度な温度調整を行うことが可能になる。また、発振用ＩＣ５１とヒータ用ＩＣ５２との間に水晶振動子５０が挟まれた構成になっており、発振用ＩＣ５１がヒータ用ＩＣ５２から分離されるので、水晶振動子５０の発振周波数のノイズを低減することができる。さらに、コア基板４を介してコア部５がパッケージ２に固定されているので、ＯＣＸＯ１が搭載される実装基板からの応力がコア部５に伝わりにくくなり、コア部５の保護を図ることができる。
また、発振用ＩＣ５１および水晶振動子５０の互いの対向面が、非導電性接着剤５３により固定されており、水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面が、非導電性接着剤５４により固定されおり、ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面が、導電性接着剤５５により固定されている。この構成によれば、コア部５の構成部材（発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、ヒータ用ＩＣ５２）およびコア基板４のそれぞれの対向面同士が接着剤を介して接しているので、コア部５の構成部材およびコア基板４の間で熱移動が起きやすくなり、コア部５を迅速に熱平衡状態にすることができる。これにより、ＯＣＸＯ１による高精度な温度調整を行うことが可能になる。
また、本実施の形態では、発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２は、平面視におけるそれぞれの面積が、上方に向かって漸次小さくなっており、発振用ＩＣ５１と水晶振動子５０との間では、面積が相対的に小さい一方の部材（発振用ＩＣ５１）の対向面の全体が、他方の部材（水晶振動子５０）の対向面に接合されており、水晶振動子５０とヒータ用ＩＣ５２との間では、面積が相対的に小さい一方の部材（水晶振動子５０）の対向面の全体が、他方の部材（ヒータ用ＩＣ５２）の対向面に接合されている。この構成によれば、コア部５の構成部材のうち、平面視の面積が相対的に小さい方の部材の接合面全体が、大きい方の部材の被接合面に接合されているので、コア部５の温度を均一化させることができる。また、コア部５の下面であるヒータ用ＩＣ５２の下面の全体が、コア基板４に接合されているので、コア部５の下面の全体がコア基板４に接合されていることにより、コア基板４とこれに接合されたコア部５の全体の温度を均一化させることができる。
また、パッケージ２の内部には、対向する一対の段差部２ｃが形成されており、コア基板４は、一対の段差部２ｃ間に架け渡されるように配置されているので、パッケージ２に段差部２ｃを設けることによって、コア部５をパッケージ２の内部に容易に固定することができる。また、コア基板４の下方に空間２ｄを形成することができるため、断熱効果を高めることができる。
さらに、本実施の形態では、コア部５の圧電振動子として、上述のような振動部１１が内部に気密封止された低背化が可能なサンドイッチ構造の水晶振動子５０が用いられているので、コア部５の低背化および小型化を図ることができ、コア部５の熱容量を小さくすることができる。これにより、ＯＣＸＯ１のヒータ発熱量を抑えることができ、消費電力を抑えることができる。しかも、コア部５の温度追従性を向上させることができ、ＯＣＸＯ１の安定性を向上させることができる。また、サンドイッチ構造の水晶振動子５０では、上述したように、接着剤を用いずに振動部１１が気密封止されるので、接着剤から発生したアウトガスによる熱対流の悪影響を抑制することができる。つまり、振動部１１を気密封止する空間内で、接着剤から発生したアウトガスが循環することによって熱対流が発生し、振動部１１の精度良い温度制御が妨げられる可能性がある。しかし、サンドイッチ構造の水晶振動子５０では、そのようなアウトガスが発生しないため、振動部１１の精度良い温度制御が可能になる。
ところで、コア部５の熱源として、ヒータ抵抗を有するヒータ基板を用いた場合、ヒータ基板が大型化する可能性があるが、本実施の形態によれば、そのような大型のヒータ基板を用いなくても、必要なヒータ発熱量を確保することができ、コア部５のさらなる小型化を図ることができ、コア部５の熱容量をさらに小さくすることができる。なお、コア部５の大きさを限定しない場合、コア部５の熱源として、ヒータ抵抗を有するヒータ基板を用いることは可能である。
また、水晶振動板１０は、略矩形に形成された振動部１１と、振動部１１の外周を取り囲む外枠部１２と、振動部１１と外枠部１２とを連結する保持部１３とを有しており、発振用ＩＣ５１が、平面視において、水晶振動板１０の外枠部１２の少なくとも一部の領域に重畳している。これにより、発振用ＩＣ５１の熱が、外枠部１２を介して水晶振動板１０の振動部１１に伝達しやすくなるため、コア部５の温度をより均一化させやすくすることができる。
ここで、パッケージ２は、封止や、エージング、経年変化等により、熱ダメージや、経時ダメージを受けることになる。このため、接着剤（導電性接着剤７，５５、非導電性接着剤５３，５４）として、耐熱性の低い樹脂系接着剤を用いた場合、分解、軟化等によりパッケージ２内にガスが発生し、ＯＣＸＯ１の高精度の温度調整が妨げられる可能性がある。そこで、本実施の形態では、そのような接着剤として、熱伝導率が低く、耐熱性が高いポリイミド系接着剤、エポキシ系接着剤を用いることによって、そのような不具合が発生することを抑制するようにしている。
本発明は、その精神や主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
上記実施の形態では、圧電振動子として、サンドイッチ構造の水晶振動子５０を用いたが、これに限らず、それ以外の構造を有する圧電振動子を用いてもよい。また、金属バンプを用いたＦＣＢ法により発振用ＩＣ５１の水晶振動子５０への搭載を行ったが、これに限らず、ワイヤボンディングや、導電性接着剤等により発振用ＩＣ５１の水晶振動子５０への搭載を行ってもよい。また、ワイヤボンディングによりヒータ用ＩＣ５２のコア基板４への搭載を行ったが、これに限らず、金属バンプを用いたＦＣＢ法や、導電性接着剤等によりヒータ用ＩＣ５２のコア基板４への搭載を行ってもよい。また、ワイヤボンディングにより水晶振動子５０からコア基板４への電気的接続を行ったが、これに限らず、金属バンプを用いたＦＣＢ法や、導電性接着剤等により水晶振動子５０をヒータ用ＩＣ５２に搭載することで、水晶振動子５０をヒータ用ＩＣ５２を介してコア基板４に電気的に接続するようにしてもよい。
上記実施の形態では、コア部５が、少なくとも発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２が上側から順に積層された構成であったが、これとは逆に、コア部５が、少なくともヒータ用ＩＣ５２、水晶振動子５０、および発振用ＩＣ５１が上側から順に積層された構成であってもよい。
コア部５は、少なくとも発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２が順に積層された構成を有していればよく、発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２の積層構造に、例えばヒータ基板等を付加する構成としてもよい。例えばヒータ基板、発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２が、上側から順に積層された４層構造としてもよいし、あるいはヒータ用ＩＣ５２、水晶振動子５０、発振用ＩＣ５１、およびヒータ基板が、上側から順に積層された４層構造としてもよい。これらの場合、発振用ＩＣ５１に発熱体であるヒータ基板を積層することによって、コア部５の温度をより均一化させることができる。
上記実施の形態では、発振用ＩＣ５１および水晶振動子５０の互いの対向面、水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面、ならびに、ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面が、それぞれ接着剤（非導電性接着剤５３，５４、導電性接着剤５５）によって固定されていた。しかし、これに限らず、発振用ＩＣ５１および水晶振動子５０の互いの対向面、水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面、ならびに、ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面のうち少なくとも１つの対向面が、接着剤によって固定されていればよく、接着剤以外の手段によって対向面を固定してもよい。この場合、発振用ＩＣ５１と水晶振動子５０との間では、面積が相対的に小さい一方の部材（発振用ＩＣ５１）の全体が、他方の部材（水晶振動子５０）に対向しており、水晶振動子５０とヒータ用ＩＣ５２との間では、面積が相対的に小さい一方の部材（水晶振動子５０）の全体が、他方の部材（ヒータ用ＩＣ５２）に対向していればよい。また、コア部５の下面の全体が、コア基板４に対向していればよい。
上述した接着剤（非導電性接着剤５３，５４、導電性接着剤５５）は一例であって、熱伝導率が比較的高い熱伝導促進部材であれば、それ以外の部材を用いてもよい。そのような熱伝導促進部材としては、上述した接着剤のほか、例えば、樹脂フィルム、高熱伝導性樹脂フィルム、金属ろう材を用いることが可能である。高熱伝導性樹脂フィルムは、例えば、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂等の樹脂フィルムであって、熱伝導率が、１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを言う。高熱伝導性でない通常の樹脂フィルムは、熱伝導率が、０．３Ｗ／ｍ・Ｋ程度となっている。
例えば、図１１、図１２に示す変形例１や、図１３に示す変形例２では、水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面が熱伝導促進部材５６により固定され、ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面が熱伝導促進部材５７により固定されている。一方、水晶振動子５０および発振用ＩＣ５１の互いの対向面の間には、アンダーフィルが介在しない構成となっており、水晶振動子５０および発振用ＩＣ５１の互いの対向面は、複数の金属バンプ５１ａによって固定されており、熱伝導促進部材による応力の影響を回避できるようになっている。なお、水晶振動子５０およびヒータ用ＩＣ５２の互いの対向面の間や、ヒータ用ＩＣ５２およびコア基板４の互いの対向面の間においても、熱伝導促進部材を用いずに他の固定手段によって固定するようにしてもよい。
上記実施の形態では、コア基板４を経由してコア部５とパッケージ２との電気的な接続を行ったが、コア基板４を経由せずにコア部５とパッケージ２とを電気的に接続してもよい。つまり、コア部５を構成する発振用ＩＣ５１、水晶振動子５０、およびヒータ用ＩＣ５２のうちの少なくとも１つから、ワイヤを介してパッケージ２との電気的な接続を行ってもよい。この変形例にかかるＯＣＸＯ１について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は、変形例１にかかるＯＣＸＯ１の概略構成を示す断面図である。図１２は、図１１のＯＣＸＯ１の平面図である。
変形例１にかかるＯＣＸＯ１は、図１１、図１２に示すように、セラミック製等で略直方体のパッケージ（筐体）２の内部にコア部５が配置され、リッド（蓋）３によって気密封止された構造とされている。パッケージ２は、例えば、５．０×３．２ｍｍのサイズとされている。パッケージ２には、上方が開口された凹部２ａが形成されており、凹部２ａの内部にコア部５が気密状態で封入されている。凹部２ａを囲う周壁部２ｂの上面には、リッド３が封止材８を介してシーム溶接によって固定されており、パッケージ２の内部が密封状態（気密状態）になっている。封止材８としては、例えばＡｕ－Ｓｕ合金や、はんだ等の金属系封止材が好適に用いられるが、低融点ガラス等の封止材を用いてもよい。また、これらに限らず、金属リングを用いたシーム封止や金属リングを用いないダイレクトシーム封止、ビーム封止などの手法による封止部材の構成を採用することも可能である（真空度を低下させない上では、シーム封止が好ましい）。パッケージ２の内部空間は、真空（例えば真空度が１０Ｐａ以下）、または低圧の窒素やアルゴンなどの熱伝導率が低い雰囲気であることが好ましい。なお、図１２では、リッド３を取り外した状態のＯＣＸＯ１を示しており、ＯＣＸＯ１の内部の構造を示している。
パッケージ２の周壁部２ｂの内壁面には、接続端子（図示省略）の並びに沿った段差部２ｃが形成されている。コア部５は、対向する一対の段差部２ｃ，２ｃ間における凹部２ａの底面（パッケージ２の内底面）に、板状のコア基板４を介して配置されている。あるいは、段差部２ｃは、凹部２ａの底面の四方を囲むように形成されていてもよい。コア基板４は、例えばポリイミド等の耐熱性および可撓性を有する樹脂材料からなる。なお、コア基板４を水晶によって形成してもよい。
コア基板４は、非導電性接着剤７ａにより凹部２ａの底面（パッケージ２の内底面）に接合されており、コア基板４の下側の部分には空間２ｄが形成されている。また、コア部５の各構成部材に形成された外部端子（図示省略）は、ワイヤ６ａ，６ｂを介して段差部２ｃの段差面上に形成された接続端子にワイヤボンディングにより接続されている。非導電性接着剤７ａ，７ａの内方側には、スペーサ部材２ｆ，２ｆが設けられている。
非導電性接着剤７ａ，７ａが、コア基板４の長手方向の両端部に配置されており、コア基板４の短手方向（図１２の紙面に直交する方向）に沿って直線状に配置されている。各スペーサ部材２ｆは、非導電性接着剤７ａの側方に隣接するように配置されており、コア基板４の短手方向に沿って直線状に配置されている。このように、非導電性接着剤７ａ，７ａの内方側において、コア基板４とパッケージ２の内底面の間に、スペーサ部材２ｆ，２ｆが介在している。スペーサ部材２ｆ，２ｆによって、コア基板４の長手方向の両端部が支持されている。
コア基板４は、例えばポリイミド等の耐熱性および可撓性を有する樹脂材料からなる。スペーサ部材２ｆは、例えばモリブデン、タングステン等のペースト材からなる。このように、コア基板４とパッケージ２の内底面との間には、非導電性接着剤７ａおよびスペーサ部材２ｆの介在物が設けられており、介在物によってコア基板４とパッケージ２の内底面との間の空間２ｄを容易に確保することができる。また、スペーサ部材２ｆによって、パッケージ２の内底面に塗布された非導電性接着剤７ａの厚みが規定されるので、コア基板４とパッケージ２の内底面の間の空間２ｄの幅を容易に規定することができる。スペーサ部材２ｆの厚みは、５～５０μｍであることが好ましい。
上記実施の形態では、パッケージ２はシングルパッケージとされているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１３に示すようなＨ型パッケージや、２段重ねパッケージを使用することもできる。図１３は、変形例２にかかるＯＣＸＯ１の概略構成を示す断面図である。
図１３に示すＨ型パッケージのＯＣＸＯ１は、上方が開口された凹部２ａ以外に、下方が開口された凹部２ｅが形成されたパッケージ２を有している。コア部５の実装部となる主面（凹部２ａが形成された主面）と反対側の他主面に形成される凹部２ｅには、ヒータ用ＩＣ５２と組み合わせて使用される調整用電子部品としてチップコンデンサ４ｄなどの回路部品（例えば、はんだで取り付けられる回路部品）を配置することができる。チップコンデンサ４ｄを配置する凹部２ｅは、凹部２ａとは異なり、リッドによって封止する必要はない。
ここで、チップコンデンサ４ｄは、コア部５と同じ空間内（凹部２ａ内）に配置することも可能であるが、図１３に示すように、コア部５と異なる空間内（凹部２ｅ内）に回路部品を配置することでコア部５が収容される空間内の熱容量を小さくし、小電力での温度制御や、コア部５の温度追従性の向上を図ることができる。また、気密封止された凹部２ａ内部の雰囲気に対して、はんだやフラックスなどによる事後的なガスの発生をなくすことができる。このため、ガスの悪影響をコア部５に対して与えることがなくなり、電気的特性のさらなる安定化を実現できるうえで望ましい。
この出願は、２０２０年７月３１日に日本で出願された特願２０２０－１３０４２１号に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本出願に組み込まれるものである。
本発明は、圧電振動子、発振用ＩＣ、およびヒータ用ＩＣを有するコア部を備えた恒温槽型圧電発振器に利用可能である。
１ 恒温槽型圧電発振器
２ パッケージ
４ コア基板
５ コア部
５０ 水晶振動子（圧電振動子）
５１ 発振用ＩＣ
５２ ヒータ用ＩＣ
１００ 水晶発振器

Claims (9)

  1. コア部が断熱用のパッケージの内部に密閉状態で封入された恒温槽型圧電発振器であって、
    前記コア部は、コア基板を介して前記パッケージに支持されており、
    前記コア部は、少なくとも発振用ＩＣ、圧電振動子、およびヒータ用ＩＣが順に積層された構成になっていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  2. 請求項１に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記発振用ＩＣおよび前記圧電振動子の互いの対向面同士、前記圧電振動子および前記ヒータ用ＩＣの互いの対向面同士、ならびに、前記ヒータ用ＩＣおよび前記コア基板の互いの対向面同士のうち少なくとも１つの対向面同士は、熱伝導促進部材により固定されていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  3. 請求項２に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記発振用ＩＣと前記圧電振動子の平面視における面積を比較した際に、上方に位置する一方の部材の方が他方の部材よりも小さく、かつ、前記圧電振動子と前記ヒータ用ＩＣの平面視における面積を比較した際に、上方に位置する一方の部材の方が他方の部材よりも小さくなっており、
    前記発振用ＩＣと前記圧電振動子との間では、面積が相対的に小さい一方の部材の対向面の全体が、他方の部材に対向しており、
    前記圧電振動子と前記ヒータ用ＩＣとの間では、面積が相対的に小さい一方の部材の対向面の全体が、他方の部材に対向していることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  4. 請求項２または３に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記コア部の下面の全体が、前記コア基板に対向していることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  5. 請求項１～４のいずれか１つに記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記コア基板は、前記パッケージの内底面との間に空間を有する状態で前記パッケージに接合されていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  6. 請求項５に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記パッケージの内部には、対向する一対の段差部が形成されており、
    前記コア基板は、前記一対の段差部間に架け渡されるように配置されていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  7. 請求項５に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記コア基板と前記パッケージの内底面との間には、介在物が設けられていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  8. 請求項１～７のいずれか１つに記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記圧電振動子が、ガラスまたは水晶からなる第１、第２封止部材と、水晶からなり両主面に励振電極が形成された振動部を有する圧電振動板とを備え、前記第１封止部材と前記第２封止部材とが、前記圧電振動板を介して積層して接合され、内部に配された前記圧電振動板の前記振動部が気密封止される構成になっていることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
  9. 請求項８に記載の恒温槽型圧電発振器において、
    前記圧電振動板は、略矩形に形成された振動部と、前記振動部の外周を取り囲む外枠部と、前記振動部と前記外枠部とを連結する連結部とを有しており、
    前記発振用ＩＣが、平面視において、前記圧電振動板の前記外枠部の少なくとも一部の領域に重畳していることを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
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