JP7424941B2 - 恒温槽付水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器に係り、特に、内部の熱を外部に漏らさない簡易な構成を実現し、小型化に対応して、周波数温度特性及び温度スロープ特性を向上させる恒温槽付水晶発振器に関する。

［従来の技術］
従来、水晶振動子の持つ温度特性と正反対の特性を持つ回路（温度補償回路）を内蔵し、広い温度範囲にわたって良好な温度特性が得られる温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）がある。

また、恒温槽によって水晶発振器、または水晶振動子の温度を一定に保ち、周囲温度の変化に よる出力周波数の変化が、最も少なくなるようにした恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）がある。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２０１５－１８６１０８号公報「電子部品、電子機器および移動体」（特許文献１）、特開２０１４－１９７７３２号公報「振動子、発振器、電子機器、および移動体」（特許文献２）がある。

特許文献１には、振動片を効率よく加熱するために、パッケージ内を上下に分ける搭載板を設け、その搭載板の上に発熱用ＩＣ等の発熱体を設置し、その発熱体の上に振動片が設けられ、搭載板の下側には電子素子が設置されている電子部品が示されている。

尚、搭載板をセラミック、ガラスエポキシ等の素材で形成することが示されており、その他の素材として、水晶の電圧単結晶等も示されている。但し、搭載板は十字形状の貫通孔を中央に形成するので、水晶板を用いる場合は、一旦水晶板を形成した後に加工する必要がある。
また、発熱体は振動片の一部の下側に設けられるので、振動片全体を均等に加熱するものとはなっていない。

特許文献２には、パッケージ内の恒温状態を保つために、プリント基板上に回路素子を搭載し、プリント基板から振動子を浮かせて保持する接続板を設け、接続板に取り付けられた振動子の底面に加熱素子を設けた発振器が示されている。

特許文献２では、振動子の底面が下を向く場合と上を向く場合が示されている。
振動子の底面が下を向く場合には、プリント基板から浮かせた接続板の水平面の表面（上面）に振動子が形成され、その振動子の底面に加熱素子が設けられ、その下側に回路素子が配置される構成となる。尚、加熱素子が振動子に取り付けられる部分には、接続板の水平面は形成されていない。

また、振動子の底面が上を向く場合には、接続板の水平面の裏面（下面）に、平面（表面）を下にし、底面を上にした振動子が形成され、その振動子の底面に加熱素子が搭載され、振動子の平面の下側に回路素子が配置される構成となる。

特開２０１５－１８６１０８号公報 特開２０１４－１９７７３２号公報

しかしながら、従来の温度補償水晶発振器又は恒温槽付水晶発振器では、近年、１℃当たりの周波数変動（温度スロープ）の要求規格が厳しくなっており、特に小型化に伴って内部の熱が外部に漏れないような構成とすることが難しいという問題点があった。

尚、特許文献１は、搭載板の上に発熱体を形成し、その発熱体が水晶片の一部に接しているため、水晶片を効率的に加熱できるものではなく、更に、水晶片及び発熱体の配線接続を複雑にするもので、構成を簡易にして発熱効率を高め、熱を逃がさないようにして、周波数温度特性、温度スロープ特性を向上させる構成の記載がない。

また、特許文献２は、振動子をプリント基板から浮かせる接続板が水晶基板ではなく、また、加熱素子が振動子の裏面にワイヤーボンディングで接続するため、接続板での配線構造を複雑にするもので、構成を簡易にして発熱効率を高め、熱を逃がさないようにして、周波数温度特性、温度スロープ特性を向上させる構成の記載がない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、内部の熱を外部に漏らさない簡易な構成を実現し、小型化に対応して、周波数温度特性及び温度スロープ特性を向上させた恒温槽付水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、恒温槽付水晶発振器であって、凹形状で、内側の側面が階段状となっているセラミックのパッケージと、パッケージ内を上下で仕切る水晶基板と、水晶基板に搭載される温度補償型水晶発振器と、温度補償型水晶発振器の上面を覆うように設けられた発熱素子と、水晶基板の下側で、パッケージの内側平面に設けられた電子部品と、パッケージの上部を覆うリッドと、を有することを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、パッケージの内側の側面には、水晶基板を搭載する階段状の段差部分が形成されていることを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、水晶基板には、温度補償型水晶発振器に接続する電極パターンが形成され、電極パターンが、水晶基板の端辺で導電性接着剤によりパッケージの段差部分に固定されることを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、発熱素子が、ヒーターＩＣであり、ワイヤーボンディングでパッケージに接続されていることを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、電子部品が、コンデンサであり、パッケージの内側平面には当該コンデンサが設けられていることを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、温度補償型水晶発振器の代わりに、水晶振動子、パッケージ水晶発振器又は電圧制御水晶発振器を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、凹形状で、内側の側面が階段状となっているセラミックのパッケージと、パッケージ内を上下で仕切る水晶基板と、水晶基板に搭載される温度補償型水晶発振器と、温度補償型水晶発振器の上面を覆うように設けられた発熱素子と、水晶基板の下側で、パッケージの内側平面に設けられた電子部品と、パッケージの上部を覆うリッドと、を有する恒温槽付水晶発振器としているので、小型化に対応した簡易な構成で発熱効率を高め、熱を逃がさないようにして、周波数温度特性、温度スロープ特性を向上させることができる効果がある。

本発振器の断面説明図である。 本発振器の平面説明図である。 水晶基板の平面説明図である。 周波数温度特性を示す図である。 温度スロープ特性を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器（本発振器）は、セラミックのパッケージ内を上下に仕切る水晶基板の上に温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）を搭載し、更にＴＣＸＯの全体を覆うように発熱素子のヒーターＩＣ（Integrated Circuit）を設置し、水晶基板の下側でパッケージ内側の平面に矩形波を出力する波形成型用ＩＣとコンデンサ等の電子部品を設置し、パッケージの上部をリッドで蓋をしたものであり、小型化に対応して簡易な構成で発熱効率を高め、熱を逃がさないようにして、周波数温度特性、温度スロープ特性を向上させることができるものである。

つまり、本発振器は、発熱素子がＴＣＸＯを全体に覆う構成であるため、特許文献１の発熱素子が水晶片の一部に接する構造に比べてＴＣＸＯを効率的に加熱できるものであり、また、ＴＣＸＯの搭載板を水晶基板とする構成であるため、特許文献２の台座のような接続板に水晶振動子を搭載する構造に比べて構成を簡易にできるものである。

［本発振器：図１，２］
本発振器の構成について図１，２を参照しながら説明する。図１は、本発振器の断面説明図であり、図２は、本発振器の平面説明図である。
本発振器は、図１，２に示すように、パッケージとなるセラミックベース１１と、水晶基板１２と、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）１３と、発熱素子のヒーターＩＣ１４と、矩形波を出力する波形成型ＩＣ１５と、コンデンサ１６と、リッド１７とを基本的に有している。

［各部：図１，２］
本発振器の各部について具体的に説明する。
［セラミックベース１１］
図１，２に示すように、セラミックベース１１は、第１層１１ａ～第６層１１ｆのセラミック層が積層され、凹形状のパッケージとなっている。尚、第１層１１ａと第２層１１ｂが底面を形成し、第３層１１ｃより上の層が側壁を形成している。

そして、セラミックベース１１は、内側の側面が階段状になっている。つまり、下層の第３層１１ｃの側壁の幅が広く、上層になれば側壁の幅が狭くなっている。
尚、第３層１１ｃと第４層１１ｄとの段差部分に、水晶基板１２が搭載されている。

また、第４層１１ｄと第５層１１ｅとの段差部分には、ヒーターＩＣ１４と接続するワイヤーボンディングのワイヤー１８ａが取り付けられる。従って、当該段差部分にヒーターＩＣ１４に電気的に接続する電極が形成されている。

［水晶基板１２：図３］
水晶基板１２は、ＴＣＸＯ１３に内蔵される水晶片と同じ素材で形成されている。同じ素材とすることでコストを安くできる。
また、水晶基板１２の熱伝導率は、ガラスエポキシ樹脂とセラミックの中間である。

水晶基板１２は、図３に示すように、上面の四隅から中央に向けて電極が形成されている。図３は、水晶基板の平面概略図である。
水晶基板１２の中央に形成された四角い電極部分にＴＣＸＯ１３の四隅が搭載され、ＴＣＸＯ１３の電極と接続される。
水晶基板１２の四隅に形成された四角い電極部分が上側になるよう第３層１１ｃの段差部分に搭載され、導電性接着剤１９により第３層１１ｃに固定され、電気的に接続される。つまり、水晶基板１２の裏面の四隅が第３層１１ｃの段差部分に接するよう配置される。

そして、角部分の第３層１１ｃのパッケージ中央側に水晶基板１２が搭載される構成としているので、水晶基板１２の長短辺と第２層１１ｃの内側の側面との間には隙間が形成され、当該隙間は、第１層１１ａまで突き抜けて達している。
この水晶基板１２の長短辺に沿った隙間が、ヒーターＩＣ１４で温めた空気を対流させ、パッケージ内で均等に熱を効果的に伝達できるものとなる。

［ＴＣＸＯ１３］
ＴＣＸＯ１３は、水晶片を容器内に収納して、発振回路と温度補償回路を備え、周囲温度の変化による周波数の変化量を少なくしたものである。尚、当該容器の底面四隅に電極が形成されている。

ここでは、水晶基板１２上にＴＣＸＯ１３を搭載したが、温度制御や温度補償をしていないパッケージ水晶発振器（ＳＰＸＯ：Simple Packaged Crystal Oscillator）、外部からの制御電圧によって出力周波数を可変又は変調できる電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）を水晶基板１２に搭載してもよい。
また、ＴＣＸＯ１３の代わりに、水晶振動子を水晶基板１２に搭載してもよい。この場合は、波形成型ＩＣ１５が配置されるセラミックベース１１の第２層１１ｂ上に発振回路からなる発振用ＩＣが設置されることになる。尚、波形成型ＩＣ１５と発振用ＩＣは一体化してもよい。

［ヒーターＩＣ１４］
発熱素子のヒーターＩＣ１４は、ＴＣＸＯ１３の表面全体を覆うように固定されており、ワイヤーボンディングのワイヤー１８ａにより第４層１１ｄに接続している。
ヒーターＩＣ１４が、ＴＣＸＯ１３の表面全体を覆うように形成されているので、ＴＣＸＯ１３を均一に温めることができ、効率的である。

［波形成型ＩＣ１５］
波形成型ＩＣ１５は、矩形波を出力する回路（波形成型回路）となるもので、セラミックベース１１の第２層１１ｂ上に設置されている。
波形成型ＩＣ１５は、第２層１１ｂ上の配線にワイヤーボンディングのワイヤー１８ｂで接続している。
尚、本発振器において、波形成型ＩＣ１５は必須な構成ではなく、設けられない場合もある。

［コンデンサ１６］
コンデンサ１６は、第２層１１ｂ上に設置される電子部品である。
［リッド１７］
リッド１７は、パッケージの蓋となる部分で、第６層１１ｆ上に形成されえたシールリング１１ｇに接着固定される。尚、図２では、第６層１１ｆを図示しているが、その部分は、リッド１７が搭載される部分であり、実際は図１に示すように、シールリング１１ｇが形成されるものである。

パッケージとしては、セラミックよりガラスエポキシ樹脂の方が熱を逃がさないので、優れているが、製造工程でガラスエポキシ樹脂に高温の熱処理を行うことができないことを考慮すると、パッケージにはセラミックを用いる方が耐熱性に優れている。
ＴＣＸＯ１３を搭載する基板をガラスエポキシ樹脂基板とせず、水晶基板１２としたのも、耐熱性を考慮してのことである。

本発振器は、ヒーターＩＣ１４がＴＣＸＯ１３を全体に覆う構成であるため、特許文献１に比べてＴＣＸＯ１３を効率的に加熱できるものであり、また、ＴＣＸＯ１３の搭載板を水晶基板１２とする構成であるため、台座のような接続板を用いた特許文献２に比べて構造を簡易にできるものである。

従って、本発振器は、小型化に伴って温度に対する周波数変動を抑えるために、簡易な構成で内部の熱を外部に漏らさない構成を実現している。
つまり、従来の発振器のように複雑な構成では、小型化と周波数温度特性及び温度スロープ特性の改善の両方を実現するのは困難であるが、本発振器では、両方を実現するものである。以下、特性の改善について説明する。

［周波数温度特性：図４］
本発振器の周波数温度特性について図４を参照しながら説明する。図４は、周波数温度特性を示す図である。
図４は、温度（Temperature(℃)）に対する周波数変化率（ΔF/F(ppm)）を示すもので、従来のＴＣＸＯでは変動が大きいが、本発振器では温度に対して周波数変化率は、０～０．１ｐｐｍの間で安定している。

［温度スロープ特性：図５］
次に、本発振器の温度スロープ特性について図５を参照しながら説明する。図５は、温度スロープ特性を示す図である。
図５は、温度（Temperature(℃)）に対する温度スロープ（Temp Slope(ppb/deg.C)）を示すもので、従来のＴＣＸＯでは不安定に上下動して変動が大きいが、本発振器では温度に対して温度スロープは、０ｐｐｂ／ｄｅｇ．Ｃを中心に安定している。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、セラミックベース１１のパッケージ内を水晶基板１２で上下に仕切り、水晶基板１２の上にＴＣＸＯ１３を搭載し、更にＴＣＸＯ１３の全体を覆うように発熱素子のヒーターＩＣ１４を設置し、水晶基板１２の下側でパッケージ内側の第２層１１ｂの平面上に波形成型用ＩＣ１５とコンデンサ１６を設置し、パッケージの上部をリッド１７で蓋をした構成としているので、小型化に対応して簡易な構成で発熱効率を高め、熱を逃がさないようにして、周波数温度特性、温度スロープ特性を向上させることができる効果がある。

本発明は、小型化に伴い、内部の熱を外部に漏らさない構成を実現し、周波数温度特性及び温度スロープ特性を向上させた恒温槽付水晶発振器に好適である。

１１…セラミックベース、 １１ａ…第１層、 １１ｂ…第２層、 １１ｃ…第３層、 １１ｄ…第４層、 １１ｅ…第５層、 １１ｆ…第６層、 １１ｇ…シールリング、 １２…水晶基板、 １３…温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）、 １４…ヒーターＩＣ、 １５…波形成型ＩＣ、 １６…コンデンサ、 １７…リッド、 １８ａ，１８ｂ…ワイヤー、 １９…導電性接着剤

Claims (6)

1. 恒温槽付水晶発振器であって、
   凹形状で、内側の側面が階段状となっているセラミックのパッケージと、
   前記パッケージ内を上下で仕切る水晶基板と、
   前記水晶基板に搭載される温度補償型水晶発振器と、
   前記温度補償型水晶発振器の上面を覆うように設けられた発熱素子と、
   前記水晶基板の下側で、前記パッケージの内側平面に設けられた電子部品と、
   前記パッケージの上部を覆うリッドと、を有することを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
2. パッケージの内側の側面には、水晶基板を搭載する階段状の段差部分が形成されていることを特徴とする請求項１記載の恒温槽付水晶発振器。
3. 水晶基板には、温度補償型水晶発振器に接続する電極パターンが形成され、
   前記電極パターンが、前記水晶基板の端辺で導電性接着剤によりパッケージの段差部分に固定されることを特徴とする請求項２記載の恒温槽付水晶発振器。
4. 発熱素子は、ヒーターＩＣであり、ワイヤーボンディングでパッケージに接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。
5. 電子部品は、コンデンサであり、パッケージの内側平面には前記コンデンサが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。
6. 温度補償型水晶発振器の代わりに、水晶振動子、パッケージ水晶発振器又は電圧制御水晶発振器を用いたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。