JP2000295066A - 熱モジュール水晶振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 水晶振動子の広い温度範囲内で周波数温度特
性に優れ、かつ外部環境変化に対し良好で、極めてスト
レスの少ない良好な高安定・高性能の水晶振動子を実現
する。 【解決手段】 熱モジュール水晶振動子の筐体１０３の
内部の中心部に位置する水晶振動子１０１は、リードタ
イプの水晶振動子や、セラミックパツケージを使用した
表面実装タイプの水晶振動子である。水晶振動子１０１
自体は、受動素子ではあるが、外部から電気信号が加わ
った場合には、水晶固有の機械振動が発生し、水晶の周
辺に熱を放射している。この水晶振動子１０１の周りを
取り囲むように空間１０２に断熱・冷却媒質である液体
または気体あるいは固体を充填することにより、外部か
らの環境変化、つまり熱的影響である放射・対流や水晶
振動子のリード端子１０４，１０５からの熱の伝導を抑
圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は厚み振動を利用した水晶振
動子の保持構造に関し、特に高安定性・高品質が要求さ
れる移動体通信分野での携帯電話機用や光通信分野にお
ける各種基準信号発信源として使用される機能部品の心
臓部である水晶発振器に使用される水晶振動子の温度に
対する周波数安定特性の広帯域化を目的とした断熱・冷
却構造の水晶振動子の実現方法に関するものである。本
発明を適用した熱モジュール水晶振動子は、広い温度範
囲内で周波数温度特性に優れ、かつ外部環境の変動に対
しても極めてストレスの少ない良好な高安定・高性能の
水晶振動子を再現性よく実現できる水晶振動子を提供す
る。

【０００２】

【従来の技術】超小型・高安定性が要求される移動体通
信機器や光通信機器等の分野において、水晶発振器は必
須のデバイスとしてその地位を確立している。これまで
の水晶発振器には、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸ
Ｏ）、ディジタル温度補償型水晶発振器（Ｄ−ＴＣＸ
Ｏ）、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）等があり、水
晶振動子とＬＳＩと抵抗・コンデンサ等の受動部品と組
合わせて、各種水晶発振器を実現している。従来の水晶
発振器に使用される水晶振動子は、保持器内に圧電材料
である水晶板に銀電極や金電極の形成された水晶振動素
子を保持し、導電性接着剤で水晶振動素子の引出し電極
と保持器内に形成されたリード端子部を電気的に接続
し、かつ機械的に固定している。その後、周波数調整等
の製造工程を経た後、水晶振動素子の支持固定された保
持器に金属キャップを載せ電着、シーム溶接等の手段で
気密封止される。検査工程で、物理的検査や電気的検査
をおこない製品の良否を判定している。特に、Ｄ−ＴＣ
ＸＯやＴＣＸＯの規格の厳しい水晶発振器に使用される
高安定水晶振動子に関しては、動作温度範囲で全数周波
数温度特性検査が行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】急速な各種通信機器
の小型化、軽量化、高機能化、低コスト化の要請に対し
て従来の技術で実現する水晶発振器では対応が困難な状
況下になってきた。これまでの開発の主眼は、最適な発
振回路に合うように回路網的なアプローチで水晶発振回
路全体の性能向上と高機能化をはかってきた。しかしな
がら、肝心な水晶振動子自体の改善努力はなおざりにさ
れてきた感は否めない。こでまでの水晶振動子単体の性
能では、広い温度範囲で安定な周波数温度特性を得るこ
とは、物理的に不可能である。具体的には、板スリット
に水晶板を保持した構造のＵＭ−１やＵＭ−５等の金属
保持器による水晶振動子は、温度変化による周波数安定
度が比較的安定ではあるが、広い温度範囲で高安定な水
晶振動子を実現するための技術的な検討が充分行われて
いないことから、特定の温度範囲で周波数偏差の厳しい
水晶振動子に対しては選別による製品出荷を余儀なくさ
れている。一方、最近急速に普及してきたセラミックパ
ッケージを使った表面実装の水晶振動子では、セラミッ
ク材料と水晶板との導電性接着剤による直接接続法のた
め、接続箇所での応力開放等の問題もあり周波数温度変
動規格幅は、ＵＭ−１やＵＭ−５タイプの水晶振動子よ
りは緩和されている。

【０００４】

【問題を解決するための手段】本発明の熱モジュール水
晶振動子は、これまで単体での理論的に予測され実現さ
れてきた周波数温度特性の改善をめざし、新しい試みと
して、本発明では、下記の水晶振動子の保持構造を採用
することで、広い温度範囲で周波数温度変動の少ない水
晶振動子を実現できる。

【０００５】本発明の水晶振動子は、保持構造が二重構
造からなる水晶振動子からなり、特に保持構造の内側に
水晶板の厚み振動を励振する電極が水晶板の上下に形成
してなる水晶振動素子を支持固定して気密封止後、この
内側に構成された水晶振動子周辺を取り囲むように保温
・冷却用液体または気体あるいは固体を充填し、保持器
全体を気密封止して断熱・冷却モジュール構造とする水
晶振動子である。

【０００６】本発明の水晶振動子は、熱設計によりこれ
までの水晶振動子の高性能化を達成しようとする試みで
あって、これまで水晶振動子単体での理論的・物理的に
予測される温度に対する周波数安定度幅を広い温度範囲
で得ることができる周波数温度特性パターンを達成する
ことと、同時に水晶振動子の熱に対するストレスと特性
変化を未然に防止した高機能・高安定水晶振動子を実現
することである。熱モジュール水晶振動子の内部構造と
して中心部に配置される水晶振動子は、従来の作り方の
水晶振動子と何ら特別な技術を必要としない。この水晶
振動子の周辺を取り囲むように断熱・冷却溶媒を水晶振
動子全体を取り囲むようにすることが理想的ではある
が、水晶振動子の電気的引き出し部が存在するために、
電気的引き出し部の一部は断熱・冷却溶媒で覆うことは
難しいが、実験で充分初期の目的を達成できることがわ
かった。

【０００７】

【実施例】

【０００８】次に本発明の概念を図面を参照にして説明
する。

【０００９】図１は、本発明の熱モジュール水晶振動子
のブロックダイヤである。熱モジュール水晶振動子の筐
体１０３の内部の中心部に位置する水晶振動子１０１
は、リードタイプの水晶振動子や、セラミックパツケー
ジを使用した表面実装タイプの水晶振動子である。水晶
振動子１０１自体は、受動素子ではあるが、外部から電
気信号が加わった場合には、水晶固有の機械振動が発生
し、水晶の周辺に熱を放射している。この水晶振動子１
０１の周りを取り囲むように１０２に、断熱・冷却媒質
である液体または気体あるいは固体を充填することによ
り、外部からの環境変化、つまり熱的影響である放射・
対流や水晶振動子のリード端子１０４，１０５からの熱
の伝導を抑圧することで、従来の水晶振動子が温度に対
して有する周波数変化を温度範囲を実質的に拡大し、周
波数温度特性を通常の水晶振動子では得られない特性を
実現することにある。シュミレーション結果と実験によ
り、断熱・冷却媒質を適切に選ぶことにより、充分実用
的な大きさの水晶振動子が得られることもわかった。

【００１０】従来の水晶振動子では、気密封止された水
晶振動子は断熱・冷却媒質では覆われていないため、外
界環境の変化が水晶振動子に直接伝わる。周囲温度の変
化に応答して、水晶自体の物理的変化が周波数温度特性
変化として反応する。この為、ＴＣＸＯやＤ−ＴＣＸＯ
では水晶発振器を構成する場合に、広い範囲で温度補償
を行う際、回路網的温度補償を行っている。しかしなが
らこの方法では、水晶振動子の時定数と温度補償回路素
子の時定数が異なっていることから、温度に対する応答
特性は厳密な意味で違いが起こる。温度補償した温度範
囲の両端である低温側と高温側において、経時的変化が
発生する恐れがある。また、水晶振動子が高い温度に直
接さらされることから、ストレスや応力開放による長期
的な周波数変動は大きい。

【００１１】しかしながら、本発明の熱モジュール水晶
振動子は、二重構造の特に、断熱・冷却媒質で水晶振動
子の周辺を覆うことで、外部環境変化が直接水晶振動子
に及ぶことを避けた構造とすることで、耐環境性の向上
と熱ストレスによる水晶振動子に与える長期的なエージ
ングの改善を目指せるような対策をおこなった。

【００１２】図２は本発明で実現される熱モジュール水
晶振動子の側面からみた断面図である。水晶板２０１の
両面に電極２０２，２０３が形成されている水晶振動素
子を板サポート２０４に導電性接着剤で保持固定され、
金属キャップ２０５を使用して、保持器ベース２０８に
電着や冷間圧接等の手段で気密封止されている。この水
晶振動子の周りを空間２０６を設けて再度、金属キャツ
プ２０７で保持器ベース２０８に気密封止を行う。な
お、リード端子２０９は、外部への電気端子である。こ
の空間２０６に水晶振動子の取り囲むように液体または
気体あるいは固体もしくはその混合体を充填する。充填
方法としては、後から最外側から穴をあけ充填後、空け
た穴を再度封印する方法もあるが、ここでは、最外側の
キャップの内部に液体を満たして封止治具に設定してお
き、気体の場合は気密雰囲気を気体で満たしておいて、
既に製作された水晶振動子を逆向き方向からに封止治具
に設定されたキャップに挿入し、封止をすることで目的
とする液体または気体あるいは固体で水晶振動子が覆わ
れた二重構造の水晶振動子を実現できる。なお、詳細な
説明は省略するが、セラミックパッケージを使用したＳ
ＭＤタイプの水晶振動子では、セラミックパツケージを
二重堀構造とし、内部に水晶振動素子を収納して気密封
止し、外側の囲いには断熱・冷却用液体または気体ある
いは固体を充填した二重構造とすることで、本発明の熱
モジュール水晶振動子を実現できる。

【００１３】図３は、実際に本発明を適用した時の実験
結果である。中心周波数２１．２５ＭＨｚのＵＭ−５水
晶振動子に外周が２ｍｍ程一回り大きなキャップを使
い、この中に充填材としてメチルアルコール（熱伝導率
−４０℃で０．２２３Ｗ／ｍ／Ｋ，６０℃で０．１８６
Ｗ／ｍ／Ｋ，ここでＷ：ワット、ｍ：メータ、Ｋ：温
度）を使用して実験した時に得られた周波数温度特性パ
ターンである。非常に広い範囲内で周波数温度特性が安
定であることがわかる。参考の為に、従来の水晶振動子
の温度特性パターンを合わせて載せる。

【００１４】

【発明の効果】以上のとうり、本発明の熱モジュール水
晶振動子は、二重構造の特に、断熱・冷却媒質で水晶振
動子の周辺を覆うことで、外部環境変化が直接水晶振動
子に及ぶことを避けた構造とする。本発明の効果とし
て、広い温度範囲で温度特性の良好な耐環境性に優れ、
熱ストレスによる水晶振動子に与える長期的なエージン
グの改善を目指せるような対策となっている。外部環境
変化や経時特性に関しても良好で、その工業的価値は極
めて高い。なお、本発明の熱モジュール水晶振動子は、
圧電材料として、ＡＴカット水晶を主体に説明したが、
他のＢＴカット水晶等についても同様であり、またタン
サル酸リチウムや四方酸リチウム等の他の圧電材料を使
った水晶振動子についても適用できることは、言及する
までもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱モジュール水晶振動子の原理を示すの概念図
である。

【図２】熱モジュール水晶振動子の構造の側面の断面図
である。

【図３】熱モジュール水晶振動子の周波数温度特性であ
る。

【符号の説明】

１０１ 水晶振動子 １０２ 水晶振動子の周りの空間 １０３ 筐体 １０４ リード端子 １０５ リード端子 ２０１ 水晶板 ２０２ 電極 ２０３ 電極 ２０４ 板サポート ２０５ 金属キャップ ２０６ 空間 ２０７ 金属キャップ ２０８ ベース ２０９ リード端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密保持機構として二重容器から形成さ
   れた水晶振動子において、該気密保持機構の内側に水晶
   板の厚み振動を励振する電極が水晶板の上下に形成して
   なる水晶振動素子を支持固定して気密封止し、この内側
   の機密保持構成された水晶振動子の周辺を取り囲むよう
   に液体または気体あるいは固体を充填した容器の全体を
   気密封止構造としたことを特徴とする熱モジュール水晶
   振動子。