特開 2022-34973 恒温槽付水晶発振器

(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】P2022034973

(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 2020138952

(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のパッケージ内の段差部分に水晶振動子２３を水平に搭載し、更に水晶振動子２３のほぼ全体を覆うように発熱素子のヒーターＩＣ２４を設置し、水晶振動子２３の下側でパッケージ内側の第１層２１ａの平面上に発振用ＩＣ２５、コンデンサ２６を設置し、パッケージの上部をリッド２７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の段差部分を備えるセラミックのパッケージと、
前記段差部分に搭載され、前記パッケージ内に水平に設置される水晶振動子と、
前記水晶振動子の上面に設けられた発熱素子と、
前記水晶振動子の下側で、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】

水晶振動子の四辺の角部分が段差部分に搭載され、
前記段差部分に形成された電極と、前記水晶振動子の角部分の裏面とが電気的に接続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】

水晶振動子と電気的に接続する段差部分には、バンプが形成され、当該バンプを覆うように導電性接着剤が形成されてい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】

水晶振動子の代わりに、パッケージ水晶発振器、温度補償型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２０１８－１５７３７７号公報「発振器、電子機器および移動体」（特許文献１）、特開２０１９－１５３８５１号公報「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は、パッケージ内の平面に振動素子を設置し、振動素子上に接着剤で発振用回路を設け、発振用回路の上面の電極とパッケージ内の段差部分に形成した電極とをワイヤーボンディングのワイヤーで接続した温度補償型水晶発振器が示されている。

【0006】

特許文献２は、パッケージ内に段差部分を形成し、当該段差部分に振動素子を搭載し、当該振動素子の裏面（下面）に発振素子を取り付け、当該発振素子がパッケージの平面（内側底面）から浮いた状態で保持される温度補償型水晶発振器が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１８－１５７３７７号公報

【特許文献2】特開２０１９－１５３８５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。

【0009】

尚、特許文献１は、パッケージの内側の側面に形成した段差部分に振動素子を搭載しているものの、当該振動素子の上面に発振用回路を設ける構造であるため、振動素子全体を効率的に加熱できるものではなく、更に、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。

【0010】

また、特許文献２は、パッケージの内側の側面に形成した段差部分に振動素子を搭載しているものの、当該振動素子の裏面（下面）に発振素子を取り付ける構造であるため、振動素子全体を効率的に加熱できるものではなく、更に、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。

【0011】

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】

【0012】

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の段差部分を備えるセラミックのパッケージと、段差部分に搭載され、パッケージ内に水平に設置される水晶振動子と、水晶振動子の上面に設けられた発熱素子と、水晶振動子の下側で、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。

【0013】

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、水晶振動子の四辺の角部分が段差部分に搭載され、段差部分に形成された電極と、水晶振動子の角部分の裏面とが電気的に接続されていることを特徴とする。

【0014】

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、水晶振動子と電気的に接続する段差部分には、バンプが形成され、当該バンプを覆うように導電性接着剤が形成されていることを特徴とする。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、水晶振動子の代わりに、パッケージ水晶発振器、温度補償型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】

【0018】

本発明によれば、凹形状で、内側の側面が階段状の段差部分を備えるセラミックのパッケージと、段差部分に搭載され、パッケージ内に水平に設置される水晶振動子と、水晶振動子の上面に設けられた発熱素子と、水晶振動子の下側で、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】

【0019】

【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】周波数温度特性を示す図である。

【図4】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】

【0020】

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の内側の側面で階段状の段差部分に水平に水晶振動子を設置し、更に水晶振動子を覆うように発熱素子のヒーターＩＣ（Integrated Circuit）を設置し、水晶振動子の下側でパッケージ内側の平面に発振回路となる発振用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。

【0021】

つまり、本発振器は、発熱素子が水晶振動子のほぼ全体を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水晶振動子を効率的に加熱できるものであり、また、水晶振動子を段差部分に水平に搭載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。

【0022】

［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。尚、図２では、リッド２７とシールリング２１ｅを取り除いた状態を示している。
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２１と、水晶振動子２３と、発熱素子のヒーターＩＣ２４と、発振用ＩＣ２５と、コンデンサ２６と、リッド２７とを基本的に有している。

【0023】

［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２１］
図１，２に示すように、セラミックベース２１は、第１層２１ａ～第４層２１ｄ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２１ａが底面を形成し、第２層２１ｂより上の層が側壁を形成している。

【0024】

そして、セラミックベース２１は、内側の側面が階段状になっている。つまり、下層の第２層２１ｂ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２層２１ｂと第３層２１ｃとの段差部分に、水晶振動子２３が搭載されている。
具体的には、第２層２１ｂの段差部分の平面に、水晶振動子２３を搭載するバンプ３０が形成されている。バンプ３０は、水晶振動子２３を浮かせるための箱状の突起部である。

【0025】

尚、第３層２１ｃの下側にも第２層２１ｂが形成されるが、段差部分における第２層２１ｂの平面部分は、図２に示すように、水晶振動子２３の四隅が搭載される部分に形成され、水晶振動子２３の短辺及び長辺に沿って形成されるものとはなっていない。
図２では、４つの角部分に形成され、当該角部分は、密なドットを付して示している。そして、角部分の第２層２１ｂのパッケージ中央側に水晶振動子２３が搭載される構成としているので、水晶振動子２３の長短辺と第２層２１ｂ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２１ａまで突き抜けて達している。
この水晶振動子２３の長短辺に沿った隙間が、ヒーターＩＣ２４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。

【0026】

また、第３層２１ｃと第４層２１ｄとの段差部分には、ヒーターＩＣ２４と接続するワイヤーボンディングのワイヤー２８ａが取り付けられる。従って、当該段差部分にヒーターＩＣ２４に電気的に接続する電極が形成されている。

【0027】

［水晶振動子２３］
水晶振動子２３は、水晶片を容器に収納したもので、当該容器の底面四隅に電極が形成されている。
水晶振動子２３の底面四隅に形成された電極部分が、第２層２１ｂの段差部分のバンプ３０に搭載され、そのバンプ３０を覆うように形成された導電性接着剤２９により第２層２１ｂに固定され、電気的に接続される。つまり、水晶振動子２３の裏面の四隅が第２層２１ｂの段差部分のバンプ３０に接するよう配置される。

【0028】

ここでは、第２層２１ｂの段差部分のバンプに水晶振動子２３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）、温度補償回路を付加して周囲温度の変化による周波数の変動を少なくする温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）、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）を搭載してもよい。
また、ＳＰＸＯ、ＴＣＸＯ、ＶＣＸＯの場合、発振用ＩＣをその内部に設けるようにしている。

【0029】

［ヒーターＩＣ２４］
発熱素子のヒーターＩＣ２４は、水晶振動子２３の表面全体をほぼ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２８ａにより第３層２１ｃに接続している。
第３層２１ｃの平面部分は、図２に示すように、パッケージの両短辺の内側に帯状に形成されるものであり、図２ではワイヤー２８ａが接続する電極部分（電極パターン）を粗いドットで示している。
ヒーターＩＣ２４が、水晶振動子２３の表面全体的に覆うように形成されているので、水晶振動子２３を均一に温めることができ、効率的である。

【0030】

［発振用ＩＣ２５］
発振用ＩＣ２５は、発振回路となるもので、セラミックベース２１の第１層２１ａ上に設置されている。
発振用ＩＣ２５は、第１層２１ａ上の配線にワイヤーボンディングのワイヤー２８ｂで接続している。また、発振用ＩＣ２５に波形成型用ＩＣも合わせて一体化し矩形波を出力できる構成にしてもよい。

【0031】

［コンデンサ２６］
コンデンサ２６は、第１層２１ａ上に設置される電子部品である。
［リッド２７］
リッド２７は、パッケージの蓋となる部分で、第４層２１ｄ上に形成されえたシールリング２１ｅに接着固定される。尚、図２では、パッケージの内側が分かるように、シールリング２１ｅとリッド２７を取り除いたものとなっている。

【0032】

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。

【0033】

本発振器は、ヒーターＩＣ２４が水晶振動子２３を全体的に覆う構成であるため、特許文献１，２に比べて水晶振動子２３を効率的に加熱できるものであり、また、水晶振動子２３の下側に発振用ＩＣ２５を配置する構成であるため、特許文献１，２に比べて構造を簡易にできるものである。

【0034】

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。

【0035】

［周波数温度特性：図３］
本発振器の周波数温度特性について図３を参照しながら説明する。図３は、周波数温度特性を示す図である。
図３は、温度（Temperature(℃)）に対する周波数変化率（Frequency Deviation：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１００℃以上を除いて周波数変化率は、０～０．１ｐｐｍの間で安定している。

【0036】

［温度スロープ特性：図４］
次に、本発振器の温度スロープ特性について図４を参照しながら説明する。図４は、温度スロープ特性を示す図である。
図４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。

【0037】

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、セラミックベース２１のパッケージ内の段差部分に水晶振動子２３を水平に搭載し、更に水晶振動子２３のほぼ全体を覆うように発熱素子のヒーターＩＣ２４を設置し、水晶振動子２３の下側でパッケージ内側の第１層２１ａの平面上に発振用ＩＣ２５とコンデンサ２６を設置し、パッケージの上部をリッド２７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】

【0038】

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】

【0039】

２１…セラミックベース、 ２１ａ…第１層、 ２１ｂ…第２層、 ２１ｃ…第３層、 ２１ｄ…第４層、 ２１ｅ…シールリング、 ２３…水晶振動子、 ２４…ヒーターＩＣ、 ２５…発振用ＩＣ、 ２６…コンデンサ、 ２７…リッド、 ２８ａ，２８ｂ…ワイヤー、 ２９…導電性接着剤、 ３０…バンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】