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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022034972
(43)【公開日】2022-03-04
(54)【発明の名称】恒温槽付水晶発振器
(51)【国際特許分類】
   H03B 5/32 20060101AFI20220225BHJP
【FI】
H03B5/32 H
H03B5/32 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2020138951
(22)【出願日】2020-08-19
(71)【出願人】
【識別番号】000232483
【氏名又は名称】日本電波工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100093104
【弁理士】
【氏名又は名称】船津 暢宏
(72)【発明者】
【氏名】松本 隆司
【テーマコード(参考)】
5J079
【Fターム(参考)】
5J079AA04
5J079BA02
5J079BA39
5J079BA43
5J079CA04
5J079CA12
5J079CB07
5J079HA05
5J079HA16
5J079HA25
5J079HA28
5J079HA30
(57)【要約】
【課題】 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を提供する。
【解決手段】 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、コンデンサ16を設置し、パッケージの上部をリッド17で蓋をした恒温槽付水晶発振器である。
【選択図】 図1
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
[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。
【0003】
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。
【0004】
[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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2015-186108号公報
【特許文献2】特開2014-197732号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【課題を解決するための手段】
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【発明の効果】
【0021】
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。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】本発振器の断面説明図である。
図2】本発振器の平面説明図である。
図3】水晶基板の平面説明図である。
図4】周波数温度特性を示す図である。
図5】温度スロープ特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
[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。
【0026】
[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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
[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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
[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。
【0033】
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。
【0034】
[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。
【0035】
[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。
【0036】
[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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
[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。
【0041】
[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。
【0042】
[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。
【産業上の利用可能性】
【0043】
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。
【符号の説明】
【0044】
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
図1
図2
図3
図4
図5