JP2018142899A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化すると共に、熱処理の問題がなく、温度補償用回路及び水晶振動子への周波数制御回路の熱の影響を小さくした水晶発振器を提供する。【解決手段】発振器は、セラミックベース１の平面内に、パッケージ化された水晶振動子２とその上面に設けられた温度補償用回路４と、周波数制御回路３を、バイパスコンデンサ５を挟んで配置し、温度補償用回路４及び水晶振動子２が周波数制御回路３の熱の影響を受けにくく、更に水晶振動子１と温度補償用回路４とが密着していることで、温度補償用回路４が水晶振動子１の温度を反映して動作しする。【選択図】図１

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に、小型化すると共に、熱処理の問題がなく、周波数制御回路への水晶振動子の熱の影響を小さくできる水晶発振器に関する。

［従来の技術］
従来の通信プロトコルのＮＴＰ（Network Time Protocol）は、Stratum と呼ばれる階層構造を持ち、そのStratum 3 の規格に対応するための高精度の温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature-compensated crystal Oscillator）では、集積回路（ＩＣ）の動作周波数が６０ＭＨｚ程度までである。
そのため、６０ＭＨｚを超える出力周波数が必要な場合は、逓倍する必要があり、それによって、発振器の外形が大きくなっていた。

また、高精度に対応するために、経年変化、ヒステリシスの改善策として、一般的に水晶振動子に熱処理を施す等の対策を行っているが、水晶ブランクがＩＣと同じキャビティに搭載された場合に、熱処理によりＩＣが破損する懸念がある。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２０１６−１３４７３６号公報「発振器、電子機器及び移動体」（セイコーエプソン株式会社）［特許文献１］、特開２００７−０１３５６９号公報「圧電発振器」（京セラキンセキ株式会社）［特許文献２］、特許第３８４１３０４号公報「圧電発振器、及びその製造方法」（セイコーエプソン株式会社）［特許文献３］がある。

特許文献１には、水晶振動子と、発振用ＩＣと、制御用ＩＣとを実装基板上に配置した発振器が示されている。
特許文献２には、キャビティ構造の基板上にパッケージされた圧電振動子と集積回路素子が搭載された圧電発振器が示されている。
特許文献３には、パッケージされた圧電振動子の上にＩＣチップが搭載された圧電発振器が示されている。

特開２０１６−１３４７３６号公報 特開２００７−０１３５６９号公報 特許第３８４１３０４号公報

しかしながら、従来の水晶発振器では、逓倍回路を別に設ける必要があるため、形状が大きくなり、また、水晶振動子の熱処理によってＩＣが破損するおそれがあるという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、小型化すると共に、熱処理の問題がなく、更に、温度補償用回路及び水晶振動子への周波数制御回路の熱の影響を小さくした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、凹形状のセラミックベースを備える水晶発振器であって、セラミックベースの凹形状の内側において、当該内側の平面の一方の半面に配置されたパッケージ化された水晶振動子と、平面の他方の半面に配置された周波数制御回路と、水晶振動子上に設けられた温度補償用回路とを有することを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、水晶振動子と温度補償用回路とが熱伝導性の接着剤で接着されていることを特徴とする。

本発明は、上記水晶発振器において、水晶振動子と周波数制御回路との間に、電源とグランドの間に接続されるバイパスコンデンサが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、凹形状のセラミックベースを備え、セラミックベースの凹形状の内側において、当該内側の平面の一方の半面にパッケージ化された水晶振動子を配置し、その平面の他方の半面に周波数制御回路を配置し、水晶振動子上に温度補償用回路を設けた水晶発振器としているので、小型化できると共に、熱処理の問題がなく、温度補償用回路及び水晶振動子への周波数制御回路の熱の影響を小さくできる効果がある。

本発振器の平面説明図である。 本発振器の断面説明図である。

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水晶発振器は、凹形状のキャビティの平面において、その半分にパッケージ化した水晶振動子を配置し、別の半分に周波数制御回路を配置し、更に水晶振動子の上に温度補償用回路を設けた構成としているので、キャビティ内に水晶振動子、周波数制御回路と温度補償用回路を収容して小型化できると共に、水晶振動子と周波数制御回路とを離すことで、周波数制御回路の熱の影響を温度補償用回路及び水晶振動子に及ぼすことがなく、水晶振動子は熱処理されて検査されたものが搭載されるため、回路が熱処理されずに済み、回路の破損を防止できるものである。

［本発振器：図１，図２］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本発振器）について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本発振器の平面説明図であり、図２は、本発振器の断面説明図である。
本発振器は、図１及び図２に示すようにセラミックベース１が凹形状のキャビティを備えており、その内側の平面に、パッケージ化された水晶振動子２と、周波数制御回路３が配置され、更に水晶振動子２の上に温度補償用回路４が設けられ、上面には蓋としてのリッド６が設けられる構成となっている。

［本発振器の各部］
次に、本発振器の各部について説明する。
セラミックベース１は、複数のセラミック板を積層してキャビティ構造を形成している。
セラミックベース１の平面（キャビティ内部の底面）には、金属の電極及び配線パターンが形成され、外部への引出線も形成されている。

水晶振動子２は、熱処理が既に施された水晶ブランクをパッケージ内に収納したものである。
水晶振動子２の底面には、金属電極が形成されており、半田によりセラミックベース１の金属電極と接続される。
そして、水晶振動子２は、図１において、セラミックベース１の平面の左半分（一方の半分）の領域に配置されている。

周波数制御回路３は、発振周波数を制御し、逓倍等を行う回路であり、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）ＩＣ等である。
そして、周波数制御回路３は、図１において、セラミックベース１の平面の右半分（他方の半分）の領域に配置されている。

温度補償用回路４は、例えば、ＴＣＸＯ用のＩＣ等である。
当該ＩＣは、温度補償機能を有する発振回路であり、温度センサ、温度補償回路、水晶発振回路等を内蔵している。ここでは、当該ＩＣを「温度補償用回路」と称する。
そして、ＩＣ内の温度センサが水晶振動子２に接触（密着）する構成としているので、水晶振動子２内の水晶ブランクと温度センサの温度差を小さくすることができるものである。

温度補償用回路４は、水晶振動子２の上に熱伝導性の接着剤によって接着されている。
熱伝導性の接着剤は、熱伝導率の高い接着剤であり、例えば、シリコン樹脂に熱伝導率が高い特性を有する金属粉として銀（Ａｇ）を含有させたものである。
これにより、水晶振動子２の熱が温度補償用回路４に容易に伝達され、温度補償用回路４が温度補償を適正に行うことができるものである。

バイパスコンデンサ５は、電源とグランドの間に接続されるものであり、直流電源に重畳するノイズをバイパスして安定した電源電圧を供給すると共に、ＩＣに供給される電源電圧の変動を防ぐものである。
そして、バイパスコンデンサ５は、水晶振動子２と周波数制御回路３との間に配置されている。

［製造方法］
キャビティのセラミックベース１のキャビティ内に、水晶振動子２、逓倍等を行う周波数制御回路３、コンデンサ５及び温度補償用回路４が搭載され、ワイヤーボンディングで各部品とセラミックベース１の電極とが接続されて、リッド６が上面に設けられる。

つまり、セラミックベース１のキャビティの平面上に必要な部品を搭載したことで、水晶発振器を小型化できる。
従来のセラミックベースの表と裏に部品を配置したＨ構造では、高さ方向にかさばり、構造が複雑になり、加えて樹脂の注入が必要になるが、本発振器では、高さ方向にはかさばらず、樹脂の封入を必要としないため、製造工程が簡易で製造コストも抑えることができる。

また、従来の水晶発振器では、ＩＣを基板に実装後に、水晶ブランクを搭載し、水晶のＤＬＤ（Drive Level Dependency：圧電素子の励振レベル依存特性）検査、温度特性検査等で不良となった場合に、良品のＩＣも水晶振動子と共に廃棄されていたが、本発振器では、検査済みの良品のパッケージ化された水晶振動子が搭載されるため、水晶振動子に起因する不具合で良品のＩＣが廃棄されることがなく、不良コストを削減できるものである。

また、従来の発振器では、製品サイズが大きくなると、実装や負荷等の影響によりＴＣＸＯ単体の温度特性が再現されにくく、高精度化が困難になっていたが、本発振器では、水晶振動子２の上に温度補償用回路４を搭載した状態で、温度特性の調整ができるので、小型で高精度高周波のＴＣＸＯが実現できるものである。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、セラミックベース１の平面内に、パッケージ化された水晶振動子２とその上面に設けられた温度補償用回路４と、周波数制御回路３を、バイパスコンデンサ５を挟んで配置しているので、周波数制御回路３が水晶振動子１の熱の影響を受けにくく、更に水晶振動子１と温度補償用回路４とが密着していることで、温度補償用回路４が水晶振動子１の温度を反映して動作するものとなり、また、キャビティ内にコンパクトに高さ方向が大きくならない小型の発振器を実現できる効果がある。

本発明は、小型化すると共に、熱処理の問題がなく、温度補償用回路及び水晶振動子への周波数制御回路の熱の影響を小さくした水晶発振器に好適である。

１…セラミックベース、 ２…水晶振動子、 ３…周波数制御回路、 ４…温度補償用回路、 ５…バイパスコンデンサ、 ６…リッド

Claims (3)

1. 凹形状のセラミックベースを備える水晶発振器であって、
   前記セラミックベースの凹形状の内側において、当該内側の平面の一方の半面に配置されたパッケージ化された水晶振動子と、
   前記平面の他方の半面に配置された周波数制御回路と、
   前記水晶振動子上に設けられた温度補償用回路とを有することを特徴とする水晶発振器。
2. 水晶振動子と温度補償用回路とが熱伝導性の接着剤で接着されていることを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
3. 水晶振動子と周波数制御回路との間に、電源とグランドの間に接続されるバイパスコンデンサが配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。