WO2016190130A1 - 発振装置 - Google Patents

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WO2016190130A1
WO2016190130A1 PCT/JP2016/064261 JP2016064261W WO2016190130A1 WO 2016190130 A1 WO2016190130 A1 WO 2016190130A1 JP 2016064261 W JP2016064261 W JP 2016064261W WO 2016190130 A1 WO2016190130 A1 WO 2016190130A1
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crystal
frequency
crystal resonator
oscillation
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PCT/JP2016/064261
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依田友也
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日本電波工業株式会社
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    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
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    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
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    • H03L5/00—Automatic control of voltage, current, or power

Definitions

  • the present invention relates to an oscillation device that detects the temperature of an atmosphere in which a crystal resonator is placed and stabilizes the frequency based on the temperature detection result.
  • OCXO Electro Controlled Xtal Oscillator
  • Patent Document 1 a configuration including two crystal resonators and heaters (heater circuits) in the vicinity of these crystal resonators is known. It has been.
  • the temperature of the atmosphere in which the crystal resonator is placed is detected using the frequency difference between the two crystal resonators, and the power supplied to the heater provided near the crystal resonator is detected based on the temperature detection result.
  • the temperature of the crystal unit is kept within a certain range, and the frequency of the OCXO is stabilized against changes in ambient temperature.
  • the OCXO achieves frequency stability by keeping the temperature of the crystal resonator within a certain range.
  • the OCXO having the above-described configuration uses the frequency difference between the two crystal resonators. As a result, accurate temperature detection is performed, and frequency adjustment with high accuracy is realized.
  • the frequency of the frequency signal output from the OCXO may fluctuate beyond the theoretical frequency fluctuation range corresponding to the temperature adjustment range of the heater circuit. there were.
  • Patent Document 2 describes an example in which a cap (vibrator cover) that hermetically seals a tuning fork type crystal resonator is made of white (Cu—Ni—Zn alloy) or phosphor bronze.
  • white Cu—Ni—Zn alloy
  • phosphor bronze a cap that hermetically seals a tuning fork type crystal resonator is made of white (Cu—Ni—Zn alloy) or phosphor bronze.
  • these materials have a relatively low thermal conductivity, and are not preferable as a material for a resonator cover of a crystal resonator that stabilizes temperature using a heater circuit.
  • JP 2013-51676 A Paragraph 0044
  • FIG. JP 2010-16759 A Paragraphs 0024 to 0025
  • the present invention has been made under such circumstances, and an object thereof is to provide an oscillation device capable of outputting a frequency signal that accurately reflects the result of temperature adjustment by a heater circuit.
  • An oscillating device includes a crystal resonator disposed on a substrate in a container and outputs a frequency signal having a preset frequency.
  • a vibrator cover that houses the crystal vibrator and is soldered and fixed to the substrate;
  • An oscillation circuit connected to the crystal unit;
  • a temperature detector for detecting the temperature in the container;
  • the output is increased or decreased based on the temperature detected by the temperature detector, and a heater circuit for adjusting the temperature in the container is provided,
  • the vibrator cover is made of phosphorous deoxidized copper.
  • the above-described oscillation device may have the following features.
  • (A) The vibrator cover is soldered to the substrate at a temperature within a temperature range of 220 to 270 ° C.
  • (B) The heater circuit is attached to the substrate.
  • (C) A crystal oscillator for signal generation is provided, and outputs a frequency signal having a frequency corresponding to a control voltage, and further includes a voltage controlled oscillation unit that constitutes a PLL circuit, and the crystal oscillator includes the voltage controlled oscillation A reference crystal unit for obtaining a reference frequency signal whose phase is compared with a frequency signal obtained from the unit, wherein the crystal unit for signal generation is made of a metal having a lower annealing temperature than the phosphorous deoxidized copper.
  • the vibrator cover housed in the vibrator cover and having a low annealing temperature is fixed to the substrate by soldering.
  • the crystal unit is a first crystal unit
  • the first crystal unit includes a second crystal unit different from the first crystal unit
  • the temperature detection unit includes the first crystal unit.
  • the temperature in the container is detected based on a value corresponding to the frequency difference between the oscillation frequency of the second crystal oscillator and the oscillation frequency of the second crystal oscillator, and the second crystal oscillator is annealed from the phosphorous deoxidized copper. It is accommodated in a vibrator cover made of a metal having a low temperature, and the vibrator cover having a low annealing temperature is fixed to the substrate by soldering.
  • phosphorous deoxidized copper having a high thermal conductivity and a high annealing temperature is used as a vibrator cover of a crystal vibrator provided in an oscillation device provided with a heater circuit.
  • the temperature of the crystal unit can be easily controlled by the heater circuit, while suppressing the softening of the resonator cover when soldering to the board, the distortion caused by the softening causes the frequency signal frequency. The influence on the fluctuation can be reduced.
  • FIG. 4 is a longitudinal side view and a transverse plan view of a crystal resonator and a resonator cover arranged on the substrate. It is the characteristic view which showed the general frequency temperature characteristic of the crystal oscillator.
  • FIG. 6 is a first explanatory view showing a change in mechanical characteristics of a vibrator cover material with respect to a heating temperature.
  • FIG. 10 is a second explanatory view showing a change in mechanical characteristics of the vibrator cover material with respect to the heating temperature. It is explanatory drawing which shows the frequency temperature characteristic of the oscillation apparatus which concerns on an Example and a comparative example.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the entirety of an oscillation device 1A according to an embodiment of the present invention.
  • the oscillation device 1A includes a first crystal resonator 10 and a second crystal resonator 20, and a first oscillation circuit 1 and a second oscillation circuit 2 that oscillate these crystal resonators.
  • the first oscillating circuit 1 and the second oscillating circuit 2 are constituted by Colpitts type oscillating circuits, for example.
  • a DSP (Digital Signal Processor) block 5 a PLL (Phase Locked Loop) circuit unit 200, a register 7 and a frequency divider 203 are connected to the subsequent stage side of the first oscillation circuit 1 and the second oscillation circuit 2.
  • the DSP block 5 includes a temperature detection unit 53, a PI calculation unit 54, a primary correction unit 56, and a PWM (Pulse Width Modulation) unit 55.
  • a heater circuit 50 is provided in the vicinity of the first crystal unit 10 and the second crystal unit 20.
  • the first oscillation circuit 1, the second oscillation circuit 2, the DSP block 5, the PLL circuit unit 200, the register 7, and the frequency divider 203 described above are included in, for example, one integrated circuit unit (LSI) 300. Is formed.
  • LSI integrated circuit unit
  • the oscillation device 1A includes an external memory 82, and various parameters for operating the oscillation device 1A are stored in the external memory 82.
  • the parameter stored in the external memory 82 is read into the register 7 in the LSI 300 and is read out to the block using the parameter via the register 7.
  • the frequency signal obtained by oscillating the first crystal resonator 10 by the first oscillation circuit 1 is set as f1
  • the second crystal resonator 20 is oscillated by the second oscillation circuit 2.
  • the frequency signal obtained be f2.
  • the phase of the frequency signal f1 from the first oscillation circuit 1 is compared with a frequency signal obtained from a VCXO (Voltage Controlled Xtal Oscillator) provided in the PLL circuit unit 200, which will be described later. Used to obtain a reference frequency signal.
  • the frequency signal f1 is also used for the purpose of detecting the temperature of the atmosphere in which the crystal resonators 10 and 20 are placed (the temperature in the container 41 described later).
  • the frequency signal f2 from the second oscillation circuit 2 is used only for the purpose of detecting the temperature of the atmosphere in which the crystal resonators 10 and 20 are placed.
  • the frequency signal f1 from the first oscillation circuit 1 and the frequency signal f2 from the second oscillation circuit 2 are input to the temperature detection unit 53, and ⁇ F that is a value corresponding to f1-f2 is calculated.
  • ⁇ F is a value proportional to the temperature of the atmosphere in which the crystal units 10 and 20 are placed, and can be said to correspond to a temperature detection value.
  • an adder (not shown) is provided on the outlet side of the temperature detector 53 and corresponds to the temperature set values of the crystal units 10 and 20 read from the external memory 82 and stored in the register 7.
  • a difference value between the value (hereinafter referred to as “temperature set value”) and the temperature detection value ⁇ F calculated by the temperature detection unit 53 is output to the PI calculation unit 54 in the subsequent stage.
  • FIG. 1 shows a state in which the temperature set value in the register 7 is input to the temperature detecting unit 53. *
  • the PI calculation unit 54 outputs a PI calculation value, which is a control signal for adjusting the output of the heater circuit 50, to the subsequent PWM unit 55 by integrating the difference value between the temperature set value and the temperature detection value ⁇ F. To do.
  • the PI calculation value is also used as a correction value for the frequency setting value when obtaining the above-described reference frequency signal in the PLL circuit unit 200.
  • the PWM unit 55 is for converting the digital value output from the PI calculation unit 54 into an analog signal.
  • the aforementioned register 7 stores in advance the duty ratio read from the external memory 82, and the operation of the PWM unit 55 is controlled based on this duty ratio.
  • a D / A (digital / analog) converter may be used instead of the PWM unit 55.
  • the output of the heater circuit 50 provided in the vicinity of the crystal units 10 and 20 is adjusted using the output of the PWM unit 55 as a control signal.
  • the heater circuit 50 includes a power transistor, and the power supplied from the power source 60 is supplied to the collector of the power transistor. Then, the output (heat generation amount) of the heater circuit 50 can be increased or decreased by supplying the control signal to the base of the power transistor and increasing or decreasing the current flowing between the collector and the emitter.
  • the electric power supplied from the power supply 60 is also supplied to the above-described LSI 300 and the like, and the electric power is stabilized by the voltage stabilizing circuit 6 including an LDO (low voltage dropout regulator) or the like.
  • the PLL circuit unit 200 that uses the frequency signal f1 obtained from the first oscillation circuit 1 and outputs a frequency signal with a stable frequency even when the ambient temperature changes will be described.
  • the PLL circuit unit 200 is configured in the LSI 300 and includes a DDS (Direct Digital Synthesizer) circuit unit, a phase comparison unit, a charge pump unit, and a VCXO oscillation circuit (not shown).
  • the PLL circuit unit 200 is connected to a signal generating crystal resonator 201 and a loop filter 202 that are oscillated by an oscillation circuit in the PLL circuit unit 200 and constitute a VCXO together with the oscillation circuit.
  • the PLL circuit unit 200 may be provided with a frequency divider that divides the frequency signal obtained from the VCXO. *
  • frequency setting is performed using the frequency setting value read from the external memory 82 and stored in the register 7. Specifically, the PI calculation value output from the PI calculation unit 54 is multiplied by a coefficient by the primary correction unit 56 to calculate a frequency correction value, and the frequency correction value is converted into the frequency set value by the addition unit 58. Is added. The corrected frequency setting value obtained in this way is input to the DDS circuit unit. Furthermore, for the frequency set value, for example, correction using a frequency correction value obtained from the temperature detection value ⁇ F that is the output of the temperature detection unit 53 may be performed. *
  • the DDS circuit unit reads out amplitude data from a waveform table (not shown) using the frequency signal f1 output from the first oscillation circuit 1 as an operation clock, and a digital reference frequency signal corresponding to the corrected frequency setting value. Is generated. From this point of view, the first crystal unit 10 can be said to be a reference crystal unit for obtaining the reference frequency signal. *
  • a digital frequency signal obtained by oscillating the crystal unit 201 of the VCXO is frequency-divided as necessary, and then phase-compared with a reference frequency signal by a phase comparator, and a signal corresponding to the phase difference Is converted into an analog signal by the charge pump unit and input to the loop filter 202.
  • the analog-converted phase difference is integrated and used as a control voltage for the crystal unit 201.
  • the frequency signal obtained from the VCXO may be phase-compared with the reference frequency signal as it is, or the frequency may be appropriately divided and multiplied before phase comparison with the reference frequency signal is performed. May be.
  • the VCXO crystal unit 201 corresponds to a crystal unit for signal generation. *
  • the frequency control is executed so that the frequency of the frequency signal obtained by oscillating the crystal resonator 201 approaches the frequency of the reference frequency signal generated by the DDS circuit unit, and a stable frequency is obtained.
  • the frequency signal of the VCXO is appropriately divided by the frequency divider 203 and then output from the oscillation device 1A.
  • the oscillation device 1A which is an OCXO, is also configured as a TCXO (Temperature Compensated Xtal Oscillator) that corrects the frequency setting value based on the temperature detection result.
  • TCXO Temporal Compensated Xtal Oscillator
  • Double frequency stabilization measures are taken by frequency correction based on the value ⁇ F (PI calculation value obtained by integrating the difference value between the temperature setting value and the temperature detection value ⁇ F in the above example), and the frequency is stabilized with high accuracy. be able to.
  • FIGS. 2 is a longitudinal side view of the entire oscillation device 1A
  • FIG. 3 is a plan view of the substrate 31 arranged inside the oscillation device 1A as viewed from the upper surface side and the lower surface side.
  • the three-dimensional configuration of the oscillation device 1A will be described with reference to these drawings.
  • the oscillation device 1 ⁇ / b> A has a configuration in which each electronic component such as the crystal resonators 10, 20, 201, the LSI 300, and the external memory 82 is arranged separately on the upper surface side and the lower surface side of the substrate 31.
  • the first crystal unit 10, the VCXO-side crystal unit 201, and a plurality of heater circuits 50 are provided on the upper surface side of the substrate 31.
  • the second crystal unit 20, the LSI 300, the external memory 82, and the loop filter 202 are provided on the lower surface side of the substrate 31. Note that each of the crystal resonators 10, 20, and 201 shown in FIG.
  • FIG. 1 is a crystal resonator element housed in the resonator cover (for example, the crystal resonator element 10a in FIG. 4 for the example of the first crystal resonator 10).
  • the reference numerals of the crystal resonators 10, 20, and 201 are attached to the entire electronic component including each resonator cover and the crystal resonator element.
  • FIG. 4A shows a longitudinal side view of the first crystal unit 10
  • FIG. 4B shows a transverse plan view.
  • the crystal resonator element 10a of the first crystal resonator 10 has a thickness corresponding to the frequency of the frequency signal f1 output from the first oscillation circuit 1, and is, for example, above and below the crystal element 101 having a rectangular planar shape. It is an energy confinement type vibrator in which thin-film excitation electrodes 102 and 103 are provided on both surfaces so as to face each other with the crystal piece 101 interposed therebetween.
  • An opening for inserting the crystal vibrating piece 10a is provided on one surface of the vibrator cover 111 that accommodates the crystal vibrating piece 10a, and the opening is airtightly closed by the lid body 113.
  • one side of the crystal piece 101 constituting the crystal vibrating piece 10 a is fixed to one surface of the lid 113.
  • the upper and lower surfaces of the crystal vibrating piece 10a on which the excitation electrodes 102 and 103 are formed. Is disposed between the inner wall surface of the vibrator cover 111 via a gap. As a result, the surface on which the excitation electrodes 102 and 103 are provided becomes a free vibration surface that is not restrained by other members.
  • the excitation electrodes 102 and 103 are electrically connected to conductive connection pins 114 that penetrate the lid 113. Then, from the internal space 112 surrounded by the vibrator cover 111 and the lid body 113, the other end side of the connection pin 114 extended to the outside is connected to a wiring pattern (not shown) printed on the substrate 31. As a result, the crystal resonator element 10 a of the first crystal resonator 10 is electrically connected to the first oscillation circuit 1 inside the LSI 300.
  • the connection pin 114 that penetrates the lid 113 is insulated from the lid 113. *
  • the first crystal unit 10 for detecting the temperature in the container 41 and obtaining the frequency signal f1 used as the operation clock of the DDS circuit unit is capable of detecting changes in ambient temperature and changes with time.
  • a crystal piece 101 having a size larger than that of other crystal resonators (the second crystal resonator 20 and the crystal resonator 201 on the VCXO side) is used.
  • the size of the first crystal resonator 10 including the resonator cover 111 is also the largest among the three crystal resonators 10, 20, and 201. *
  • the second crystal resonator 20 is an energy confinement type resonator substantially the same as the first crystal resonator 10 described with reference to FIGS. 4A and 4B.
  • the frequency signal f2 is used only for the purpose of detecting the temperature in the container 41, and does not generate an operation clock for the DDS circuit unit. For this reason, the frequency stability of the second crystal resonator 20 with respect to changes in ambient temperature is not required as much as that of the first crystal resonator 10. Therefore, from the viewpoint of miniaturization of the oscillation device 1A, in the example shown in FIGS. 2 and 3A, the length of one side of the crystal piece is about half that of the first crystal unit 10, and The second crystal resonator 20 having a small size is employed. *
  • the frequency signal output from the VCXO is phase-compared with the reference frequency signal by the PLL circuit unit 200, and the frequency is adjusted so that the phase is aligned with the reference frequency signal.
  • the reference frequency signal is stabilized with high accuracy by stabilizing the temperature in the container 41 by the heater circuit 50 and correcting the frequency setting value based on the temperature detection value ⁇ F.
  • the frequency stability of the crystal unit 201 on the VCXO side is required by the first crystal unit 10 or so. It has not been.
  • the crystal resonator 201 is smaller than the second crystal resonator 20 in favor of downsizing the oscillation device 1A.
  • the crystal resonator element of the crystal unit 201 on the VCXO side may be the energy confinement type resonator described with reference to FIGS. 4A and 4B, or an IDT (Inter Digital Transducer) may be provided on the surface of the crystal unit.
  • a SAW (Surface Acoustic Wave) vibrator formed may be used. *
  • the crystal resonator 10 and the crystal resonator 201 on the VCXO side are arranged on the upper surface side of the substrate 31.
  • the first crystal unit 10 having the largest dimension is disposed at a position near the center in the short side direction and one end side in the long side direction of the substrate 31,
  • the crystal unit 201 on the VCXO side having the smallest dimension is disposed adjacent to the first crystal unit 10 so that the directions of the long sides thereof are aligned.
  • a plurality of heater circuits 50 are arranged along each side of the substrate 31 on the upper surface side of the substrate 31 around the region where the crystal resonators 10 and 201 are arranged.
  • seven heater circuits 50 are arranged at intervals along three sides that are not occupied by the first crystal unit 10.
  • the crystal resonators 10 and 201 and the heater circuit 50 are soldered to the substrate 31 by, for example, a reflow method.
  • the remaining second crystal unit 20 is provided at the center of the lower surface side of the substrate 31, and the LSI 300 is arranged adjacent to the second crystal unit 20. Further, an external memory 82 and a loop filter 202 are provided on the lower surface side of the substrate 31. These second crystal resonator 20 and LSI 300 are also soldered to the substrate 31 by, for example, a reflow method. *
  • the substrate 31 on which the various electronic components described above are arranged is accommodated in, for example, a metal container 41 and is arranged in a state of being floated in the internal space of the container 4 by the conductive support pins 64.
  • the support pins 64 are electrically connected to electronic components provided on the substrate 31.
  • conductive connection pins 61 are provided for connecting the oscillation device 1A to a device in which the oscillation device 1A is incorporated.
  • the connection pins 61 are electrically connected to the support pins 64 that support the substrate 31 and are insulated from the container 41.
  • the oscillation device 1A having the above-described configuration, since the inside of the container 41 is adjusted to a constant temperature by the heater circuit 50, the change in the temperature of the atmosphere in which each crystal resonator 10, 20, 201 is placed is suppressed and stable. It has the ability to output frequency signals of frequencies. However, when the oscillating device 1A in which a high frequency stabilization measure is actually manufactured, the frequency signal output from the oscillating device 1A exceeds the frequency range corresponding to the temperature adjustment range in the heater circuit 50. An event that the frequency fluctuated was confirmed.
  • the above-described heater circuit 50 can adjust the temperature in the container 41 so as to be within a control range of 20 mm.
  • an SC-cut crystal piece 101 is used, and the temperature setting values of the crystal resonators 10 and 20 depend on the zero temperature coefficient point (ZTC point: Zero-Temperature Coefficient) of the SC-cut crystal.
  • ZTC point Zero-Temperature Coefficient
  • the output of the heater circuit 50 is adjusted so as to coincide with the temperature at which the frequency change is minimized, the theoretical frequency fluctuation can be suppressed to ⁇ 0.1 ppb or less.
  • FIG. 5 shows the frequency temperature characteristics of the SC cut crystal, and the temperature range shown by the solid line shows the approximate temperature control range by the heater circuit 50.
  • the actual frequency fluctuation range was about ⁇ 2 to ⁇ 7 ppb, and a large frequency fluctuation corresponding to a temperature fluctuation of ⁇ 2 ° C. or more was observed, as indicated by the broken line in FIG.
  • the frequency temperature characteristic of the oscillation device 1A when the ambient temperature is changed shows a positive linear line, and the frequency temperature of the SC-cut crystal shown in FIG. The behavior is different from the characteristic (see FIG. 8).
  • the inventor conducted further studies on elements that affect the frequency temperature characteristics of the oscillation device 1A in addition to the temperature control by the heater circuit 50.
  • the selection of the material of the vibrator cover 111 (including the lid body 113; the same applies hereinafter) that accommodates the quartz crystal resonator element 10a of the first quartz crystal vibrator 10 greatly affects the frequency-temperature characteristics of the oscillation device 1A. I found out. *
  • the first crystal unit 10 used for detecting the temperature in the container 41 and oscillating the operation clock of the DDS circuit unit is output from the oscillation device 1A in response to a change in ambient temperature.
  • the effect on the frequency stability of the frequency signal is greatest. For this reason, it is necessary to adjust the temperature of the internal space 112 of the vibrator cover 111 on which the crystal vibrating piece 10a is placed with high accuracy.
  • the crystal resonator element 10a of the first crystal resonator 10 is larger in size than the crystal resonator elements of the other crystal resonators 20 and 201, and it is necessary to uniformly heat the entire crystal resonator element 10a. . *
  • the vibrator cover 111 that accommodates the quartz crystal vibrating piece 10a is copper having good thermal conductivity, and among them, an oxygen-free oxygen that has high thermal conductivity and does not cause hydrogen embrittlement. Copper (thermal conductivity of about 390 W / m ⁇ K) was employed. *
  • the lower surface side of the vibrator cover 111 is fixed to the substrate 31 with solder 115.
  • the vibrator cover 111 is heated to about 270 ° C. in the range of 220 to 270 ° C.
  • the annealing temperature of oxygen-free copper is about 200 ° C., and annealing occurs during soldering, and the vibrator cover 111 is softened.
  • the frequency of the frequency signal f1 may change due to distortion generated in the crystal vibrating piece 10a due to the influence of the temperature distribution formed on the vibrator cover 111. It is also estimated that the capacitance component formed between the quartz crystal resonator element 10a and the vibrator cover 111 changes due to the distortion of the vibrator cover 111 itself, thereby changing the frequency of the f1.
  • a frequency signal f1 is used for detecting the temperature in the container 41 or using the frequency signal f1 as an operation clock, the frequency of the reference frequency signal output from the DDS circuit unit changes, and the frequency signal output from the oscillation device 1A. It is thought that even the frequency of changes.
  • an annealing temperature is higher than that of oxygen-free copper (about 300 ° C.), and phosphorous deoxidized copper is used. Selected.
  • Phosphorus-deoxidized copper has lower thermal conductivity (about 340 W / m ⁇ K) than oxygen-free copper, but there is no risk of hydrogen embrittlement, and it is white (annealing temperature about 600-800 ° C, thermal conductivity) Compared to about 30 to 40 W / m ⁇ K) and phosphor bronze (annealing temperature about 500 to 700 ° C., thermal conductivity about 70 to 80 W / m ⁇ K), the material has good thermal conductivity. For this reason, the influence of the softening of the vibrator cover 111 can be reduced without substantially reducing the effect of the temperature adjustment by the heater circuit 50. *
  • FIG. 6 shows (1) Tensile strength for phosphorus-deoxidized copper and oxygen-free copper: when a tensile test was performed on each heat-treated phosphorous-deoxidized copper or oxygen-free copper test piece. (2) Yield strength: Indicates the force applied to the test piece when the elongation of the test piece reached 0.2% by the same test as the tensile test. ing. FIG. 7 also shows (3) Vickers hardness for phosphorus-deoxidized copper and oxygen-free copper: the results of measuring the Vickers hardness for each heat-treated phosphorous-deoxidized copper or oxygen-free copper test piece, (4) Elongation: The elongation at break of the test piece used in the tensile test of (1) is shown.
  • Respective data are for “Phosphorus deoxidized copper”, “Data written in the section of“ 2512 annealing softening curve ”in JIS H0500 (Goldened copper product term)”, and for oxygen-free copper, “Japan Copper and Brass Association website. Sheet material property test data annealing softening property C1020-H material "
  • FIG. 7 has shown the heating temperature of the test piece.
  • FIG. 6 shows the tensile strength and yield strength [N / mm 2 ].
  • the tensile strength of phosphorous-deoxidized copper is plotted as a white square, and the tensile strength of oxygen-free copper is plotted as a white diamond.
  • the proof stress of phosphorus deoxidized copper is plotted with cross marks, and the proof strength of oxygen-free copper is plotted with white triangles.
  • FIG. 7 shows Vickers hardness [HV] and test piece elongation [%].
  • the left vertical axis represents Vickers hardness
  • phosphorus deoxidized copper is plotted with white squares
  • oxygen-free copper is plotted with white diamonds.
  • shaft of the right side of FIG. 7 shows the elongation of the test piece
  • phosphorus deoxidized copper is plotted by the cross mark
  • oxygen-free copper is plotted by the white triangle.
  • the value of 1/10 of the test data is plotted for the phosphorus deoxidized copper elongation data (cross mark) in FIG.
  • the ambient temperature can be adjusted as shown in the examples described later. It was possible to improve the frequency deviation of the oscillation device 1A when changed to an accuracy of ⁇ 1.7 ppb or less.
  • a resonator cover that accommodates the crystal resonator element of the second crystal unit 20 or the VCXO-side crystal unit 201 that is relatively less affected by frequency stability is selected from the group consisting of phosphorous deoxidized copper.
  • oxygen-free copper having a lower annealing temperature than phosphorous-deoxidized copper may be used, or an iron-based material having a higher annealing temperature than phosphorous-deoxidized copper may be used.
  • a vibrator having the same thermal expansion coefficient as that of ceramic such as 42 alloy (42% nickel, 57% iron-based alloy, annealing temperature: about 800 ° C. or more), etc.
  • first crystal resonator 10 including the crystal resonator element 10 a and the resonator cover 111 is used.
  • the “crystal resonator element 10a” corresponds to a crystal resonator.
  • the vibrator cover 111 accommodates the crystal oscillator (crystal oscillator piece 10 a) and is fixed to the substrate 31 by soldering.
  • the oscillator 1A has the following effects.
  • Phosphorus deoxidized copper having a high thermal conductivity and a high annealing temperature is used as the vibrator cover 111 of the quartz crystal vibrating piece 10a (quartz crystal vibrator) provided in the oscillation device 1A provided with the heater circuit 50.
  • the quartz crystal vibrating piece 10a quartz crystal vibrator
  • the heater circuit 50 generation of distortion when the vibrator cover 111 is soldered to the substrate 31 is suppressed, and the distortion is a frequency variation of the frequency signal. Can be reduced.
  • the first crystal unit 10 for temperature detection in the container 41.
  • temperature detection is performed using a thermocouple or a thermistor, and the heater is based on the temperature detection results of these elements.
  • the output of circuit 50 may be adjusted.
  • the first crystal unit 10 is used only for obtaining the reference frequency signal, and the second crystal unit 20 is not provided.
  • the frequency signal f1 obtained by using the first crystal resonator 10 may be used as an operation clock of the DDS circuit unit.
  • the phase comparison with the frequency signal obtained from VCXO may be performed using the frequency signal f1 as a reference frequency signal.
  • the temperature characteristic of the frequency of the frequency signal was measured.
  • an M-SC (Modified SC) cut crystal element 101 is used, and the temperature setting value of the first and second crystal oscillators 10 and 20 is 93 ° C.
  • the frequency setting value of the oscillation device 1A is 10 MHz. (Comparative Examples 1 to 3) Except for the point that the material of the vibrator cover 111 is oxygen-free copper, three oscillators 1A are manufactured in the same manner as in Examples 1 to 3, and output from the oscillator 1A. The temperature characteristic of the frequency of the frequency signal is measured.
  • Example 1 is indicated by a solid line
  • Example 2 is indicated by a dotted line
  • Example 3 is indicated by a short broken line
  • Comparative Example 1 is indicated by a long broken line
  • Comparative Example 2 is indicated by a one-dot chain line
  • Comparative Example 3 is indicated by a two-dot chain line. It is.

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Abstract

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。 発振装置１Ａは、予め設定された周波数の周波数信号を出力し、発振回路１に接続された水晶振動子１０ａは、振動子カバー１１１内に収容され、この振動子カバー１１１を容器４１内の基板３１上にはんだ付けすることにより、水晶振動子１０ａが容器４１内の基板３１上に配置される。ヒーター回路５０は、温度検出部５３により検出された温度に基づき、容器４１内の温度調節を行う。このとき、水晶振動子１０ａを収容する振動子カバー１１１は、リン脱酸銅により構成されている。

Description

発振装置
　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。　
　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。
特開２０１３－５１６７６号公報：段落００４４、図１ 特開２０１０－１６７５９号公報：段落００２４～００２５、図１
　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。　
　上述の発振装置は、下記の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記振動子カバーは、２２０～２７０℃の温度範囲内の温度で基板に対してはんだ付けされたものであること。
（ｂ）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。
（ｃ）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。
　（ｄ）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。
　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。
実施の形態に係る発振装置のブロック図である。 前記発振装置の縦断側面図である。 前記発振装置に設けられている基板の平面図である。 前記基板上に配置されている水晶振動子及び振動子カバーの縦断側面図及び横断平面図である。 水晶振動子の一般的な周波数温度特性を示した特性図である。 加熱温度に対する振動子カバー材料の機械的特性の変化を示す第１の説明図である。 加熱温度に対する振動子カバー材料の機械的特性の変化を示す第２の説明図である。 実施例及び比較例に係る発振装置の周波数温度特性を示す説明図である。
　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。　
　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。　
　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。　
　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。　
　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。　
　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。　
　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。　
　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（ａ）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。　
　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と隣り合って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。　
　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小となる温度）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。　
　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。　
　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。　
　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。　
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。　
　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。
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

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　前記振動子カバーは、２２０～２７０℃の温度範囲内の温度で基板に対してはんだ付けされたものであることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
  3. 　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または２に記載の発振装置。
  4. 　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、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。
  5. 　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４のいずれか一つに記載の発振装置。
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