JP5624864B2 - 温度制御型水晶振動子及び水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、温度制御型水晶振動子に係り、特に出力周波数を安定させ、落下に対して堅牢で、小型化を図ることができ、量産性に優れた温度制御型水晶振動子及び水晶発振器に関する。

［先行技術の説明：図８］
従来の温度制御型水晶振動子の構成について図８を用いて説明する。図８は、従来の温度制御型水晶振動子の概略構成を示す平面図である（非特許文献１）。尚、図８では、非特許文献１において断面図で記載されている構成を平面図で示している。

図８に示すように、従来の温度制御型水晶振動子は、円板状に形成されたＳＣカットの水晶ブランク５０の両面に形成された水晶電極（励振電極）５１ａ及び５１ｂと、水晶ブランク５０の外周に沿って両面に半周ずつ形成され、水晶ブランク５０を加熱するヒータ５２ａ及び５２ｂと、水晶ブランク５０の温度を検出する温度センサ５３とを備えている。

水晶ブランク５０の表面に設けられた水晶電極５１ａは、図８の上方向に設けられた電極に接続し、裏面に設けられた水晶電極５１ｂは、下方向に設けられた電極に接続し、ヒータ５２ａ及び５２ｂは、図８の左右方向に設けられた電極に接続している。

温度センサ５３は、熱電対で構成されており、水晶ブランク５０の一方の面（ここでは表面）で、ヒータ５２ａ近傍の水晶基板表面に１点で接触して温度を検出する。
更に、熱伝導による放熱を防ぐために、上記構成を真空パッケージ（ＴＯ−８パッケージ）に封入して温度制御型水晶振動子を形成している。

そして、上記温度制御型水晶振動子を用いた水晶発振器では、温度制御回路が、温度センサ５３で検出された温度に基づいてヒータ５２ａ，５２ｂへの電流又は電圧を制御するようになっている。
ＳＣカットの水晶ブランクを用いた場合、約８５℃の温度となるよう制御されている。

［関連技術］
尚、水晶振動子に関する技術としては、 "Long term stability (aging) of evacuated hybrid OCXO", Igor Abramzon et al, 2001 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition （非特許文献１）がある。
非特許文献１には、ＯＣＸＯについて、温度やエイジングによる周波数変動の影響が記載されている。

尚、温度制御型水晶振動子に関する技術としては、実開平６−８５５２３号公報（特許文献１）、特開平１１−４１０３２号公報（特許文献２）がある。
特許文献１には、表面弾性波素子において、圧電性基板の櫛型電極と同じ面で電極の両側に温度センサとヒータを配置したものが記載されている。
特許文献２には、水晶振動子のケースの外側に、温度センサとヒータを有する筒状のキャップを設けた構成が記載されている。

更に、関連する技術として、特開平９−１５３７６１号公報（特許文献３）、特開２００４−３４３６８１号公報（特許文献４）、特開２００５−１２４１２９号公報（特許文献５）がある。
特許文献３には、表面実装型水晶振動子において、パッケージの底部裏面に凹部空間を設け、凹部空間に温度補償用電子部品を配置することが記載されている。

特許文献４には、温度補償型水晶振動子において、振動子と接合する面の反対側の凹部に温度補償ＩＣを実装することが記載されている。
特許文献５には、恒温槽を用いた水晶発振器において、発熱用のチップ抵抗と、発振用素子と、温度依存性の大きい温度制御素子を基板の同一面に配置して熱伝導性の物質で直接的に接合することが記載されている。

実開平６−８５５２３号公報 特開平１１−４１０３２号公報 特開平９−１５３７６１号公報 特開２００４−３４３６８１号公報 特開２００５−１２４１２９号公報

"Long term stability (aging) of evacuated hybrid OCXO", Igor Abramzon et al, 2001 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition

しかしながら、従来の温度制御型水晶振動子では、熱電対を水晶ブランクに一点で接触させているため、温度を正確に検出することができず出力周波数が不安定になるという問題点があり、また、落下等の衝撃によって熱電対と水晶とが離れてしまう恐れがあり、振動や衝撃に対して脆弱であるという問題点があった。
更に、従来の温度制御型水晶振動子では、パッケージに個別に真空封止する構成であり、小型化及び量産が困難であるという問題点があった。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、出力周波数を安定させ、落下等の衝撃に対して堅牢で、小型化及び量産性の向上を図ることができる温度制御型水晶振動子及び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、電極が両面に設けられた水晶板と、水晶板を加熱するヒータと、水晶板の温度を検出するセンサとを備えた温度制御型水晶振動子であって、水晶板と、水晶板の周囲を囲むように形成された外周部と、水晶板と外周部とを接続する接続部とを有する水晶ブランクを備え、水晶ブランクにおいて、ヒータ及びセンサが、水晶板の一方又は他方の面において形成された電極の周囲を囲むよう形成され、電極、ヒータ、センサが、各々引出線によって外周部の端子に接続されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、接続部上に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、ワイヤボンディングであることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、ヒータ及びセンサが、水晶のα−β転移温度未満で形成された抵抗体で形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、水晶板の一辺に接続部が設けられ、片持ち型であること特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、接続部が同一辺上の二箇所に設けられていることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、水晶板の対向する二辺に接続部が設けられ、両持ち型であることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、水晶板が、凹部を備えた２枚のシリコン板の間に挟まれて、両シリコン板の凹部に格納された状態で、真空接合されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子において、シリコン板は、電磁界を遮蔽するシールド効果が得られる抵抗率を有することを特徴としている。

また、本発明は、上記温度制御型水晶振動子と発振回路と温度制御回路とを備えた水晶発振器であって、発振回路の入力側に設けられるバリキャップダイオードを温度制御型水晶振動子の水晶板に設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、バリキャップダイオードを、水晶板のヒータが形成された面に設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、バリキャップダイオードを、水晶板のヒータが形成された面とは異なる面に設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、温度制御回路に、ヒータへの電流を調整するチップ抵抗を接続したことを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、発振回路と温度制御回路とが集積回路で構成され、集積回路に、設定された抵抗値によりヒータへの電流を調整する抵抗と、複数の抵抗値を記憶する不揮発性メモリとを備え、不揮発性メモリに記憶された複数の抵抗値の中から選択された抵抗値が抵抗に設定されることを特徴としている。

本発明によれば、電極が両面に設けられた水晶板と、水晶板を加熱するヒータと、水晶板の温度を検出するセンサとを備えた温度制御型水晶振動子であって、水晶板と、水晶板の周囲を囲むように形成された外周部と、水晶板と外周部とを接続する接続部とを有する水晶ブランクを備え、水晶ブランクにおいて、ヒータ及びセンサが、水晶板の一方又は他方の面において形成された電極の周囲を囲むよう形成され、電極、ヒータ、センサが、各々引出線によって外周部の端子に接続されている温度制御型水晶振動子としているので、センサと水晶板との接触面積を広くして、水晶板の温度をより正確に検出して出力周波数を安定させると共に、振動や衝撃に対する耐性を向上させて堅牢な構造とすることができる効果がある。

また、本発明によれば、電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、接続部上に形成されている上記温度制御型水晶振動子としているので、引出線のパターンを、ヒータ又は温度センサと同一工程で形成することができ、製造工程を簡易にすることができる効果がある。

また、本発明によれば、電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、ワイヤボンディングである上記温度制御型水晶振動子としているので、細い接続部に複数の引出線を形成するための精度の高い微細加工を不要とし、簡易な製造設備でも容易に製造可能とする効果がある。

また、本発明によれば、ヒータ及びセンサが、水晶のα−β転移温度未満で形成された抵抗体で形成されている上記温度制御型水晶振動子としているので、水晶の特性を維持することができる効果がある。

また、本発明によれば、水晶板が、凹部を備えた２枚のシリコン板の間に挟まれて、両シリコン板の凹部に格納された状態で、真空接合されている上記温度制御型水晶振動子としているので、温度制御型水晶振動子を水晶ウエハ上で形成し、シリコン板をシリコンウエハ上で形成して、３枚のウエハを接合してから個々の温度制御型水晶振動子に切断することにより、量産性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、シリコン板が、電磁界を遮蔽するシールド効果が得られる抵抗率を有する上記温度制御型水晶振動子としているので、外部の電磁波の影響を受けにくくすることができる効果がある。

また、本発明によれば、上記温度制御型水晶振動子と発振回路と温度制御回路とを備えた水晶発振器であって、発振回路の入力側に設けられるバリキャップダイオードを温度制御型水晶振動子の水晶板に設けた水晶発振器としているので、バリキャップダイオードの温度変動を水晶と同じにして、水晶に対して精度の高い温度制御を行って、出力周波数を安定させることができる効果がある。

また、本発明によれば、温度制御回路に、ヒータへの電流を調整するチップ抵抗を接続した上記水晶発振器としているので、適切な抵抗値のチップ抵抗を選択して接続することにより、ヒータ温度を、搭載された水晶振動子の周波数−温度特性の変曲点付近の温度とすることができ、水晶振動子の個体差に応じて、温度による周波数変動をできるだけ小さくするヒータ温度に調整することができ、一層安定した出力周波数を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、発振回路と温度制御回路とが集積回路で構成され、集積回路に、設定された抵抗値によりヒータへの電流を調整する抵抗と、複数の抵抗値を記憶する不揮発性メモリとを備え、不揮発性メモリに記憶された複数の抵抗値の中から選択された抵抗値が抵抗に設定される上記水晶発振器としているので、適切な抵抗値を設定して、ヒータ温度を、搭載された水晶振動子の周波数−温度特性の変曲点付近の温度とすることができ、水晶振動子の個体差に応じて、温度による周波数変動をできるだけ小さくするヒータ温度に調整することができ、一層安定した出力周波数を得ることができると共に、チップ抵抗を外付けするのに比べて実装及び調整の作業を簡易にすることができる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の概略説明図である。 第１の水晶振動子の構成を示す模式説明図である。 第２の水晶振動子の構成を示す説明図である。 両持ちタイプの第１の水晶振動子の構成例を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の構成を示す説明図である。 本発振器の回路構成図である。 本発振器における水晶振動子の構成を示す説明図である。 従来の温度制御型水晶振動子の概略構成を示す平面図である。

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温度制御型水晶振動子は、両面に電極が形成された水晶板と、水晶板の周囲に形成された外周部と、水晶板と外周部とを接続する接続部とを備え、ヒータと温度センサとが、水晶板の一方の面に形成された電極の周囲を囲むように形成され、電極、ヒータ、温度センサがそれぞれ引出線によって外周部の端子に接続されているものであり、温度センサが水晶板と点ではなくより広い面積で接触することにより、水晶板の温度をより正確に検出して出力周波数を安定させると共に、振動や衝撃に対する耐性を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子は、上記構成の水晶ブランクをシリコン板によって上下から挟み込んで真空封止し、その後個別に切断するようにしているので、容易に小型化することができ、量産性に優れているものである。

また、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、上記構成の温度制御型水晶振動子と発振回路とを備え、水晶板の、ヒータが形成された面にバリキャップダイオードを設けたものであり、発振回路における温度変化の大きい要因となるバリキャップダイオードを水晶ブランク上に固定することにより、バリキャップダイオードを含んだ状態で温度検出を行うことができるものである。

更に、本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、ヒータ温度を、水晶振動子の周波数−温度特性の変曲点付近の温度に制御するよう、適切な抵抗値を備えたチップ抵抗を温度制御回路に接続する構成として、水晶振動子の個体差を吸収して安定した出力を得ることができるものである。

［本発明の第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の概略説明図である。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子（第１の水晶振動子）は、振動片が形成された水晶ブランク１０を、上下から板２０と板３０とで挟みこんで接合し真空封入した構成となっている。

水晶ブランク１０は、ＡＴカット又はＳＣカットの水晶片であり、後述するように、外枠部分に相当する外周部と、振動片に相当する内部領域とを備えている。外周部と内部領域との間には両者を分離する空間（すきま）が形成され、細い首状の接続部によって外周部と内部領域とが接続されている。尚、内部領域は、請求項に記載した水晶板に相当している。

更に、内部領域には、両面に水晶電極５が設けられ、一方の面（図１では下面）には、内部領域の温度を検出する温度センサ６と、内部領域を加熱するヒータ７とが水晶電極５の周囲を取り囲むように形成されている。水晶ブランク１０の具体的な構成については後述する。温度センサ６は、請求項に記載したセンサに相当する。

板２０及び３０は、リン又はホウ素を注入して抵抗率を下げたシリコン等で形成され、それぞれ、水晶ブランク１０を格納する凹部が形成されている。
また、板３０の下面には水晶ブランク１０の水晶電極５、温度センサ６、ヒータ７と接続する複数の電極３１が設けられている。その内の１つは、板２０をグランドレベルにするＧＮＤ電極となっている。尚、水晶ブランク１０には、板２０をグランドレベルにするためのビアホールが形成されており、板３０のＧＮＤ電極に接続している。例えば、板２０を低抵抗のシリコンで形成し、板３０を高抵抗のシリコンで形成する。

このように、板２０及び３０を適当な抵抗率のシリコンで形成することにより、シールド効果が得られ、外部の電磁波の影響を受けにくくするものである。
尚、板２０及び３０をガラスで形成することも可能であるが、その場合にはシールド効果は得られない。
また、板２０、水晶ブランク１０、板３０の３層を接合した構成としているのは、後述する第２及び第３の実施の形態でも同様である。

［第１の水晶振動子の構成：図２］
次に、第１の水晶振動子の構成について図２を用いて説明する。図２は、第１の水晶振動子の構成を示す模式説明図である。
図２に示すように、第１の水晶振動子は、水晶ブランク１０において、内部領域１と、外周部２とを備え、内部領域１と外周部２との間には、分離部４としての間隙が形成されている。また、内部領域１と外周部２とは、接続部３によって接続されている。
尚、内部領域１と外周部２の厚さは同等である。

このように、内部領域１と外周部２との間を細い接続部３によって接続することにより、ヒータ７によって加熱された内部領域１から外周部２に熱が逃げるのを防ぐことができるものである。
また、第１の水晶振動子は、接続部３によって振動部分である内部領域１の一辺を保持する片持ちタイプとなっている。

そして、内部領域１には、両面に励振電極として水晶電極５が形成され、内部領域１のいずれか一方の面において、水晶電極５の周囲に帯状（又は線状）の温度センサ６が形成され、更にその外側に帯状（又は線状）のヒータ７が形成されている。
尚、ここでは、温度センサ６が内側、ヒータ７が外側に形成されているが、反対にヒータ７を内側、温度センサ６を外側とすることも可能である。
また、温度センサ６とヒータ７とを別々の面に形成することも可能である。

温度センサ６は、定電圧印加時に温度によって電流が変動する抵抗体で形成されており、電流値が温度検出に用いられるものである。
ヒータ７は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の抵抗体で形成されており、水晶ブランク１０を所望の温度（８５℃付近）にまで加熱することが可能なものである。
また、温度センサ６及びヒータ７は、水晶α−β転移温度（５７３℃）未満の温度でスパッタによって形成されている。

このように、第１の水晶振動子では、温度センサ６を振動片である水晶ブランク１０の内部領域１に点で接触させるのではなく、内部領域１の水晶電極５の周囲に帯状に配置して接触面積を広くしていることにより、温度検出の精度を向上させることができると共に、落下等の衝撃があっても水晶との接触を保持することができ、衝撃に強い構成となっている。

そして、水晶電極５と、温度センサ６と、ヒータ７の引出線は、いずれも、接続部３に形成されて、外周部２に設けられた端子にそれぞれ接続されている。裏面の水晶電極５の引出線は接続部３の裏面に設けられている。

第１の水晶振動子では、金属電極５、温度センサ６、ヒータ７はいずれも水晶ウエハ上でスパッタ及びエッチングにより、それぞれ、金属電極５、温度センサ６、ヒータ７と同一工程で形成することができ、製造工程を簡易にすることができるものである。

また、板２０及び板３０をそれぞれシリコンウエハ上で形成し、板２０、水晶ブランク１０、板３０のウエハ工程が完了後に、真空中で３枚のウエハを積層して接合し、各水晶ブランク１０を真空封入する。水晶ブランク１０の外周部２は、縁部分で板２０及び板３０と接合され、内部領域１は、板２０及び板３０に形成された凹部に格納される。
その後、切断して、個々の温度制御水晶振動子を得るものである。ウエハの状態で接合してから切断するため、個々の水晶片を１つずつパッケージに封入するのに比べて量産性に優れているものである。

［第２の水晶振動子の構成：図３］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子について説明する。
上述した第１の水晶振動子では、細い接続部３の上に、水晶電極５と、温度センサ６と、ヒータ７の引出線を全て並列して形成しており、水晶ブランク１０上に引出線のパターンを形成するという製造工程は簡易であるものの、線幅及び間隔を狭くしなければならず、精度の高い微細加工技術が要求される。
本発明の第２の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子（第２の水晶振動子）は、高度な微細加工技術がなくても製造可能なものとしている。

図３は、第２の水晶振動子の構成を示す説明図である。
図３に示すように、第２の水晶振動子は、水晶ブランク１０において、内部領域１の構成は第１の水晶振動子とほぼ同様であり、両面に水晶電極５が形成され、一方の面の水晶電極５の周囲に温度センサ６と、ヒータ７とが形成されている。
そして、第２の水晶振動子では、水晶電極５、温度センサ６、ヒータ７の引出線をワイヤボンディング９によって形成し、分離部４を跨いで外周部に設けられた端子に接続している。

これにより、第２の水晶振動子では、細い接続部３に複数の引出線を形成しなくて済み、簡易な製造設備でも容易に製造可能となるものである。

［両持ちタイプの例：図４］
次に、両持ちタイプの例について図４を用いて説明する。図４は、両持ちタイプの第１の水晶振動子の構成例を示す説明図である。
図４に示すように、両持ちタイプの第１の水晶振動子は、水晶ブランク１０において、内部領域１と外周部２とを接続する２つの接続部３ａ及び３ｂが設けられている。
接続部３ａ及び３ｂは、内部領域１の対向する２辺を保持するように形成されている。
そして、接続部３ａの表面には、水晶電極５ａ、温度センサ６、ヒータ７の引出線が形成され、接続部３ｂの裏面には、裏面に設けられた水晶電極５ｂの引出線が形成されている。

尚、ここでは水晶ブランク１０の表面の引出線を、全て接続部３ａ側から取り出すようにしているが、一部又は全部を接続部３ｂから取り出すようにしてもよい。例えば、温度センサ６の引出線を接続部３ｂ側から取り出すようにすると、接続部３ａに形成される水晶電極５ａ及びヒータ７の引出線の間隔を広くすることができ、製造工程における加工が容易になるものである。

［第３の水晶振動子の構成：図５］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の構成を示す説明図である。
図５に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子（第３の水晶振動子）は、水晶ブランク１０において、内部領域１と外周部２とを接続する２つの接続部３ａ及び３ｂが、内部領域１の同一辺上に設けられている。

内部領域１の構成は、第１の水晶振動子とほぼ同様であり、内部領域１の両面に水晶電極５が設けられ、一方の面に温度センサ６とヒータ７とが水晶電極５の三方を取り囲むように形成されている。
そして、温度センサ６とヒータ７の引出線は、接続部３ａ及び３ｂに形成されて、外周部２の端子に接続されている。
また、水晶電極５の引出線は、接続部３ａ又は３ｂを通るように形成される。
これにより、それぞれの接続部３に形成される引出線の数を少なくすることができ、製造工程における加工を容易にすることができるものである。

［実施の形態に係る温度制御型水晶振動子の効果］
本発明の実施の形態に係る温度制御型水晶振動子によれば、水晶ブランク１０の内部領域１の両面に水晶電極５を設け、一方の面の水晶電極５の周囲を取り囲むように温度センサ６とヒータ７とを形成しているので、温度センサ６と水晶ブランク１０との接触面積を広くすることができ、正確な温度検出を行って出力周波数を安定させることができると共に、衝撃に対する耐性を向上させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る水晶振動子によれば、内部領域１と、その周囲の外周部２との間に、両者を分離する空間である分離部４を設け、内部領域１と外周部２とを、細い首状の接続部３によって接続した構成としているので、内部領域１の熱が外部に逃げるのをできるだけ抑制することができ、温度変動を防ぎ、出力を安定させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る水晶振動子によれば、水晶ウエハ上で形成された水晶ブランク１０を、シリコンウエハ上に形成されたシリコンの板２０及び板３０で挟みこんで３層を接合し、その後切断して形成しているので、量産性を向上させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る第２の水晶振動子によれば、水晶電極５と、温度センサ６と、ヒータ７の引出線をワイヤボンディングによって形成して、外周部２の端子に接続する構成としているので、高度な微細加工技術を用いずに形成でき、簡易な装置でも製造可能とすることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る第３の水晶振動子によれば、２つの接続部３ａ及び３ｂを内部領域１の同一辺と外周部２とを接続するように設けているので、引出線を両方の接続部に分けて形成することができ、配線パターン形成を容易にすることができる効果がある。

［本実施の形態に係る水晶発振器：図６］
次に、本発明の実施の形態に係る水晶発振器について説明する。
本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本発振器）は、上述した本実施の形態に係る温度制御型水晶振動子を備えた発振器である。
図６は、本発振器の回路構成図である。
図６に示すように、本発振器は、外部からの制御電圧の入力端子（AFC）と、出力端子（OUT）の間に、抵抗４１と、発振回路（VCXO CORE）４２と、出力バッファ（出力Buf）４３とが直列に接続され、抵抗４１と出力バッファ４３との間に、発振回路４２に並列に温度制御型水晶振動子１１が接続されている。
そして、抵抗４１と発振回路４２との間にバリキャップダイオード１２の一端が接続され、他端が接地されている。

更に、本発振器は、温度制御型水晶振動子の温度を制御する温度制御回路（Thermal Regulator）４５と、定電圧を供給する定電圧電源（VREG）４４とを備えている。
温度制御回路４５は、温度センサ６からの検出温度が入力されると、それに基づいてヒータ７への電流を制御する。その際、温度制御回路４５は、水晶振動子の周波数−温度特性の変曲点付近の温度を目標温度としてヒータ７を制御する。ＳＣカットの水晶ブランクの場合、８５℃付近である。
水晶振動子１１は、上述した第１〜第３の水晶振動子のいずれかと同じ構成であり、内部領域１と、温度センサ６と、ヒータ７とを備えている。

上記構成部分のうち、抵抗４１と、発振回路４２と、定電圧回路４４と、温度制御回路４５とは、ＬＳＩに集積されて形成されている。また、水晶振動子１１は、図１に示したように水晶ブランク１０上に形成され、真空封入されている。
そして、本発振器の特徴として、バリキャップダイオード１２も水晶ブランク１０上に設けて、真空封入する構成としている。

バリキャップダイオード１２は、温度特性が悪いため、水晶ブランク１０上に設けることにより水晶ブランク１０と熱結合させて、バリキャップダイオード１２の温度変化を水晶と同じにすることができ、温度センサ６ではバリキャップダイオード１２を含んだ状態で温度検出するため、出力を安定させることができるものである。

更に、本発振器では、ＬＳＩの外部に、温度制御回路４５に接続するチップ抵抗４６を備えている。
温度制御回路４５では、できるだけ温度変動の影響を小さくするため、水晶ブランクの温度を周波数−温度特性の変曲点付近の温度とするようにヒータを制御し、ＳＣカットの水晶では約８５℃である。
しかし、水晶振動子の周波数−温度特性は、個々の水晶振動子によってバラツキがあり、変曲点となる温度も変動する。変曲点温度のバラツキは、主として水晶の製造バラツキに起因するものである。

そこで、本発振器では、個々の水晶振動子のバラツキを吸収するために、各水晶振動子の変曲点温度に合わせてチップ抵抗４６の抵抗値を変えて、ヒータ温度を当該水晶振動子の変曲点温度となるよう制御する。
具体的には、予め抵抗値の異なる複数種類のチップ抵抗４６を用意しておき、実装された水晶振動子の周波数−温度特性に応じて最適な抵抗値のチップ抵抗４６を温度制御回路４５に接続する。
これにより、水晶振動子の特性にバラツキがあっても、温度による周波数変動が小さくなる変曲点温度で動作させることができ、安定した出力が得られるものである。

また、別の構成として、チップ抵抗を設ける代わりに、ＬＳＩの中に、抵抗値を設定可能な抵抗と、当該抵抗の抵抗値を複数記憶した不揮発性メモリを組み込み、外部の通信線により不揮発性メモリから所望の抵抗値を選択して設定し、ヒータ温度を水晶振動子の個体差に応じて調整することも可能である。

［本発振器における水晶振動子の構成：図７］
次に、本発振器における水晶振動子の構成について図７を用いて説明する。図７は、本発振器における水晶振動子の構成を示す説明図である。
図７に示すように、本発振器における水晶振動子は、基本的な構成は、図２に示した第１の水晶振動子と同様であり、水晶ブランク１０の内部領域１の両面に水晶電極５を備え、一方の面に、水晶電極５の周囲に温度センサ６とヒータ７とが形成されている。

そして、本発振器における水晶振動子は、内部領域１の温度センサ６及びヒータ７が設けられた面に、バリキャップダイオード１２が搭載され、ワイヤボンディング１３で引出線に接続されている。バリキャップダイオード１２の引出線は、他の引出線と同様に、接続部３から外周部２の端子に接続されている。そして、当該端子とＬＳＩの端子とが接続されている。
バリキャップダイオード１２を表面実装型の構成とすれば、ワイヤボンディングの代わりに配線パターンのみで搭載可能となる。
このように、水晶ブランク上にバリキャップダイオード１２を設けて、真空封入することにより、温度変動による出力周波数変動を抑え、出力を一層安定させることができるものである。

また、バリキャップダイオード１２を、内部領域１の温度センサ６及びヒータ７とは反対の面に設けることも可能である。反対の面に設けることにより、バリキャップダイオード１２の引出線は、接続部３の裏面に形成されるため、配線パターンの形成が容易になるものである。

［実施の形態に係る水晶発振器の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、水晶振動子１１と、発振回路４２を含むＬＳＩとを備え、水晶振動子１１の水晶ブランク１０上に、発振回路４２に接続するバリキャップダイオード１２を搭載して真空封入した構成としているので、バリキャップダイオード１２の温度変動は水晶と同様に温度センサ６で温度を検出することができ、精度の高い温度制御を行って出力周波数を安定させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る水晶発振器によれば、搭載された水晶振動子の周波数−温度特性の変曲点付近の温度とするよう、適切な抵抗値を備えたチップ抵抗４６を温度制御回路４５に接続して設けているので、個々の水晶振動子の特性に応じて、当該水晶振動子の出力周波数の変動を小さくするようにヒータ温度を調整することができ、出力を安定させることができる効果がある。

また、本実施の形態に係る水晶発振器によれば、チップ抵抗４６の代わりに、ＬＳＩに抵抗を組み込み、外部からの操作によって、複数の抵抗値が記憶された不揮発性メモリから所望の抵抗値を選択して、当該抵抗に設定するようにしているので、チップ抵抗４６を実装する作業をなくし、製造工程を簡易にすることができる効果がある。

本発明は、出力周波数を安定させ、落下に対して堅牢で、小型化を図ることができ、量産性に優れた温度制御型水晶振動子及び水晶発振器適している。

１...内部領域、 ２...外周部、 ３...接続部、 ４...分離部、 ５，５１...水晶電極、 ６...温度センサ、 ７，５２...ヒータ、 ９，１３...ワイヤボンディング、 １０，５０...水晶ブランク、 １１...水晶振動子、 １２...バリキャップダイオード、 ２０，３０...板、 ３１...電極、 ４１...抵抗、 ４２...発振回路、 ４３...出力バッファ、 ４４...定電圧電源、 ４５...温度制御回路、 ４６...チップ抵抗、 ５３...温度センサ（熱電対）

Claims (14)

1. 電極が両面に設けられた水晶板と、前記水晶板を加熱するヒータと、前記水晶板の温度を検出するセンサとを備えた温度制御型水晶振動子であって、
   前記水晶板と、前記水晶板の周囲を囲むように形成された外周部と、前記水晶板と前記外周部とを接続する接続部とを有する水晶ブランクを備え、
   前記水晶ブランクにおいて、前記ヒータ及び前記センサが、前記水晶板の一方又は他方の面において形成された前記電極の周囲を囲むよう形成され、
   前記電極、前記ヒータ、前記センサが、各々引出線によって前記外周部の端子に接続されている温度制御型水晶振動子。
2. 電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、接続部上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の温度制御型水晶振動子。
3. 電極の引出線、ヒータの引出線、及びセンサの引出線が、ワイヤボンディングであることを特徴とする請求項１記載の温度制御型水晶振動子。
4. ヒータ及びセンサが、水晶のα−β転移温度未満で形成された抵抗体で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の温度制御型水晶振動子。
5. 水晶板の一辺に接続部が設けられ、片持ち型であること特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の温度制御型水晶振動子。
6. 接続部が同一辺上の二箇所に設けられていることを特徴とする請求項５記載の温度制御型水晶振動子。
7. 水晶板の対向する二辺に接続部が設けられ、両持ち型であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の温度制御型水晶振動子。
8. 水晶板が、凹部を備えた２枚のシリコン板の間に挟まれて、前記両シリコン板の凹部に格納された状態で、真空接合されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の温度制御型水晶振動子。
9. シリコン板は、電磁界を遮蔽するシールド効果が得られる抵抗率を有することを特徴とする請求項８記載の温度制御型水晶振動子。
10. 請求項１乃至９のいずれか記載の温度制御型水晶振動子と発振回路と温度制御回路とを備えた水晶発振器であって、
    前記発振回路の入力側に設けられるバリキャップダイオードを前記温度制御型水晶振動子の水晶板に設けたことを特徴とする水晶発振器。
11. バリキャップダイオードを、水晶板の前記ヒータが形成された面に設けたことを特徴とする請求項１０記載の水晶発振器。
12. バリキャップダイオードを、水晶板の前記ヒータが形成された面とは異なる面に設けたことを特徴とする請求項１０記載の水晶発振器。
13. 温度制御回路に、ヒータへの電流を調整するチップ抵抗を接続したことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか記載の水晶発振器。
14. 発振回路と温度制御回路とが集積回路で構成され、
    前記集積回路に、設定された抵抗値によりヒータへの電流を調整する抵抗と、複数の抵抗値を記憶する不揮発性メモリとを備え、
    前記不揮発性メモリに記憶された複数の抵抗値の中から選択された抵抗値が前記抵抗に設定されることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか記載の水晶発振器。

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