JP7484429B2 - 発振器、電子機器、及び移動体 - Google Patents
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Description
先ず、実施形態1に係る発振器1を挙げて図1から図4を参照して説明する。説明の便宜上、図1から図4、及び後述する実施形態2を示す図7は互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、及びZ軸を図示している。図1に示すように、発振器1は平面視において長方形をなしており、当該長方形の長辺方向をX軸、短辺方向をY軸としている。X軸において、矢印の先端側を右もしくは右側として、基端側を左もしくは左側とする。Y軸において、矢印の先端側を奥側として、基端側を手前ともいう。Z軸は、厚さもしくは高さとし、矢印の先端側を上方といい、基端側を底もしくは下方として説明する。
本実施形態の発振器1は、容器10、水晶振動子20、IC50などから構成されている。
容器10は、パッケージ本体18、リッド19などから構成されている。パッケージ本体18は、水晶振動子20、IC50を収容する筐体である。リッド19は、パッケージ本体18の上面を覆う金属の蓋体である。
水晶振動子20は、圧電体として水晶基板を用いた振動片である。
IC50は、集積回路素子(Integrated Circuit)であり、発振回路30、インダクター24などを含んで構成されている。
基板14は、好適例において、下層の第2基板13と、上層の第1基板11との2層構成としている。基板14は、表面を第1面14aとし、裏面となる第1面の反対面を第2面14bとする。なお、基板14は、第2基板13、上層の第1基板11ともに、セラミックス基板を用いている。なお、ガラスや、樹脂等の絶縁性の基板材料、又は、それらを複合した絶縁性の基板材料を用いても良い。
基板14は、第1面14aと第2面14bとの間に導体層12を設ける。すなわち、第2基板13と、上層の第1基板11との間には、導体層12が設けられている。導体層12は、モリブデン(MO)や、タングステン(W)などの導電性金属材料から形成された配線パターンである。
第1枠体15の左部の内壁は、第2枠体16の左部の内壁より収容空間S側に突出した段差を有している。第1枠体15の段差は、水晶振動子20を支持する支持台として機能する。第2枠体及び第1枠体15は、第1面14aに接合され、水晶振動子20およびIC50を収容する収容空間Sを形成している。水晶振動子20は、半田などの導電性材料からなる接合部材としてのバンプ43を介して、接続配線41と電気的に接続するとともに、第1枠体15の段差に固定される。接続配線41は、第1枠体15の内部を下方に向かって貫通するビアホール46を介して振動子配線42と電気的に接続されている。
基板14を底とし、額縁状の第1枠体15、第2枠体16で囲われた内部領域が、収容空間Sとなる。なお、第1枠体15、第2枠体16の材質は、第1基板11と同様である。
図4は、基板に実装されたICをリッド側から見た透視平面図である。
基板14の第1面14aには、IC50が能動面を下にして、フェースダウン実装されている。図4に示すように、IC50の能動面には、複数の接続パッド70~74が設けられている。複数の接続パッド70~74は、金や半田などの導電性材料からなるバンプ43を介して、第1面14aの配線パターンと接合される。
ここで、配線パターン80と導体層12との間も電気的に接続されており、導体層12はグランド電位に接地されている。
接続パッド71,72は、発振回路30と水晶振動子20とを電気的に接続するための接続端子である。図2に示すように、接続パッド71,72は、バンプ43を介して、第1面14aの振動子配線42と電気的に接続される。そして、前述したように、振動子配線42は、第1枠体15の段差部のビアホール46、接続配線41、及び、バンプ43を介して、水晶振動子20と電気的に接続する。このように、振動子配線42は、水晶振動子20及び発振回路30と接続されて発振ループを形成する。
インダクター24は、好適例として、スパイラルインダクターを用いる。スパイラルインダクターは、IC50の能動面の表層に設けられ、例えば、アルミニウム層等の金属線を複数回、周回させることで形成されている。このように、IC50は、インダクター24を内蔵することにより、外付けインダクターに比べて、小型化を実現している。
図5は、発振器の回路ブロック構成図である。
図5に示すように、IC50は、発振回路30とPLL回路40とを含み、発振回路30と水晶振動子20とを電気的に接続し、発振回路30で水晶振動子20を発振させる。
IC50は、発振回路30から出力した基準クロック信号RFCKを、PLL回路40にて、1/N分周したフィードバッククロック信号FBCKと同期させることにより、基準クロック信号RFCKのN倍の周波数を持つクロック信号CKQを接続パッド74から出力する。
図1に戻る。
図1に示すように、振動片としての水晶振動子20は、水晶基板21と、水晶基板21の上下両主面に設けられた励振電極22と、水晶基板21のX方向の一方の端部で上下両主面に設けられた電極パッド26と、励振電極22と電極パッド26とを電気的に接続するリード電極23と、を含む。水晶基板21の上下両主面に設けられた電極パッド26は、図示しない側面電極で上面の電極パッド26と下面の電極パッド26とが電気的に接続されている。水晶基板21の上面に設けられた励振電極22は、水晶基板21の上面に設けられたリード電極23を介して電極パッド26と電気的に接続され、水晶基板21の下面に設けられた励振電極22は、水晶基板21の下面に設けられたリード電極23を介して電極パッド26と電気的に接続されている。そして、図2に示すように、電極パッド26は、バンプ43を介して、接続配線41と電気的に接続される。
図1に示すように、導体層12は、IC50の発振回路30、及び、水晶振動子20の電極パッド26と重なるように配置されたベタパターンである。平面視にて、発振回路30は、振動子配線42とインダクター24との間に配置されている。導体層12は、インダクター24とは重なっていない。詳しくは、導体層12は、IC50のインダクター24と重なる部分は切り欠き形状となっており、インダクター24とは重なっていない。切り欠き形状は、X軸方向に延びる切欠き辺12aと、Y軸方向に延びる切欠き辺12bとから形成されており、インダクター24は、切欠き辺12a、及び、切欠き辺12bから、平面的に離れている。換言すれば、導体層12は、平面視にてインダクター24の周囲の少なくとも2方向を囲んで設けられている。
尚、導体層12は、平面視にてインダクター24の周囲に設けられたガードリング24aとも重なっていない。
図6は、導体層12の有無による位相雑音特性の変化を示す図表である。
図6の図表90は、横軸にオフセット周波数(Hz)、縦軸に位相雑音(dBc/Hz)を取り、発振器1によるオフセット周波数(Hz)に対する位相雑音(dBc/Hz)の特性を測定したデータである。
グラフ92は、本願の発振器1の構成であり、導体層12が発振ループを形成する部位と重なり、インダクター24とは重ならない状態で測定したデータである。
両者を比較した結果は、グラフ92に示すように、オフセット周波数の全域において、グラフ91よりも、2dBc/Hzほど位相雑音特性が向上していることが解る。これは、グランド電位の導体層12がインダクター24と重なると、通電時にインダクター24で形成される磁界が、導体層12により遮蔽されてしまうため、インダクター24の特性が劣化してしまうからである。このインダクター24の特性劣化は、LC発振回路の発振特性にも影響を及ぼしていた。
図1に戻る。
上記したように、グランド電位の導体層12が発振ループを形成する部位と重なるように選択配置されているため、導体層12がシールドパターンとして機能し、発振特性を安定させることができる。
図2に示すように、IC50は基板14にフェースダウン実装され、水晶振動子20は、IC50の上側において第1枠体15の段差部に支持されている。そして、水晶振動子20の上側にリッド19が設けられている。つまり、IC50のインダクター24からリッド19までの距離は、IC50の厚さ分に加えて、水晶振動子20までの距離、水晶振動子20の厚さ分、水晶振動子20からリッド19までの距離の合計となる。つまり、インダクター24からグランド電位のリッド19までの距離が大きく設定されている。換言すれば、リッド19と基板14の第1面14aとの距離は、導体層12と第1面14aとの距離より大きく設定されている。これにより、通電時にインダクター24で形成される磁界が、リッド19により遮蔽されてしまうことを防止している。
上記において、発振器1は、電圧制御水晶発振器(VCXO)として例示したが、振動片や発振器1の種類をこれに限定するものではない。振動片としては、例えば、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子、ATカット水晶振動子、SCカット水晶振動子、その他の圧電振動子やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動子などを用いても良い。
基板14は、第1面14aと第2面14bとの間に導体層12を有し、導体層12は、平面視にて振動子配線42と重なり、且つ、インダクター24とは重ならない構成となっている。
これにより、グランド電位の導体層12がインダクター24と重なることによる、インダクター24の特性劣化を防止することができる。詳しくは、通電時にインダクター24で形成される磁界が、導体層12により遮蔽されることを防止できる。
従って、発振特性が安定し、位相雑音特性が良い発振器1を提供することができる。
これにより、グランド電位の導体層12がシールド層として機能するため、発振器1の発振特性が安定する。
これによれば、所望の発振周波数が得られる発振器1を提供することができる。
これによれば、通電時にインダクター24で形成される磁界が、リッド19により遮蔽されてしまうことを防止することができる。
次に、実施形態2に係る電子デバイスとしての発振器1aについて、図7を参照して説明する。
また、平面視において発振器1aは、実施形態1で示した導体層12の形状をインダクター24の一辺のみと平行に延ばした長方形状としての切欠き辺12aと切欠き辺12bとでインダクター24を挟んで設けることもできる。
また、導体層12の形状をインダクター24のもう片方の辺のみと平行に延ばした略矩形状と切欠き辺12bと図示しない導体層12dとでインダクター24を挟んで設けることもできる。言い換えれば、導体層12は、平面視にてインダクター24の周囲の少なくとも2方向を囲んで設けられていればよい。
尚、実施形態1と同様、導体層12は、平面視にてインダクター24の周囲に設けられたガードリング24aとも重なっていない。
基板14の第1面14aと第2面14bとの間に設けた導体層12は、インダクター24の周囲4方向を囲んで設けられるので、通電時にインダクター24で形成される磁界が、導体層12により遮蔽されることを防止できる。
従って、より発振特性が安定し、より位相雑音特性が良い発振器1aを提供することができる。
次に、実施形態3に係る電子デバイスとしての発振器1,1aを備えている電子機器の一例として、スマートフォン100を挙げて説明する。なお、以下の説明では、発振器1を適用した構成を例示して説明する。
スマートフォン100の制御部105には、表示部110の表示画像を制御するための基準クロック等として機能する発振器1が内蔵されている。
このような電子機器は、上述した発振器1を備えていることから、上記実施形態で説明した効果が反映され、性能に優れている。
以上述べたように、本実施形態に係る発振器1を備えた電子機器は、安定した発振特性が得られる電子部品を備えているので、安定した電子部品により制御されるため、信頼性の高い電子機器を提供することができる。
次に、実施形態4に係る電子デバイスとしての発振器1,1aを備えている移動体の一例として、自動車150を挙げて説明する。なお、以下の説明では、発振器1を適用した構成を例示して説明する。
以上述べたように、本実施形態に係る発振器1を備えた移動体は、安定した発振特性が得られる電子部品を備えており、安定した電子部品により制御されるため、信頼性の高い移動体を提供することができる。
Claims (11)
- 励振電極を有する振動片と、
前記振動片の前記励振電極に電気的に接続される発振回路、およびインダクターを有する集積回路素子と、
前記振動片および前記集積回路素子が配置されているとともに、前記励振電極および前記発振回路と接続されて発振ループを形成する振動子配線が配置されている第1面、および前記第1面の反対面となる第2面を有する基板と、を備え、
前記基板は、前記第1面と前記第2面との間に導体層を有し、
前記導体層は、平面視にて前記振動子配線と重なり、且つ前記インダクターとは重ならず、
前記励振電極は、前記平面視にて前記発振回路と重なり、且つ前記インダクターとは重ならない、
発振器。 - 互いに直交する3つの軸をX軸、Y軸、およびZ軸としたとき、
前記集積回路素子は、
前記X軸に沿って延在する第1辺と、
前記第1辺の対辺である第2辺と、
前記Z軸に沿った平面視において前記第1辺と前記インダクターとの間に設けられ、前記導体層と電気的に接続された第1の接続パッドと、
前記平面視において前記第2辺と前記インダクターとの間に設けられ、クロック信号が出力される第2の接続パッドと、を有し、
前記平面視において、前記導体層は、前記第1辺と前記インダクターとの間に延在し、且つ前記第2辺と前記インダクターとの間に延在しない、
請求項1に記載の発振器。 - 前記導体層は、前記平面視にて前記発振回路と重なる、
請求項1又は請求項2に記載の発振器。 - 前記導体層は、前記平面視にて前記インダクターの周囲の少なくとも2方向を囲んで設けられている、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記集積回路素子は、能動面が前記第1面に対向して、導電性の接合部材を介して前記第1面に接合されている、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記集積回路素子は、PLL回路を含み、
前記PLL回路は、
前記発振回路からの発振信号の位相とフィードバック信号の位相とを比較する位相比較回路と、
前記位相比較回路からの出力信号に基づいて発振周波数が制御される電圧制御発振回路と、
前記電圧制御発振回路からの出力信号を分周して前記フィードバック信号を生成する分周回路と、を含み、
前記電圧制御発振回路は、前記インダクターを含むLC発振回路である、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記導体層は、接地されている、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記平面視にて、前記発振回路は前記振動子配線と前記インダクターとの間に配置されている、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発振器。 - 前記第1面に接合され、前記振動片および前記集積回路素子を収容する収容空間を形成する枠体と、
前記収容空間を覆う前記枠体に接合される金属の蓋体と、をさらに備え、
前記蓋体は接地されており、
前記蓋体と前記第1面との距離は、前記導体層と前記第1面との距離より大きい、
請求項1から請求項8に記載の発振器。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の発振器を備えている電子機器。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の発振器を備えている移動体。
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