JPH0220909A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電発振器に係わり、特にマイクロッオニツク
雑音の発生を抑止し、さらにはマイクロッオニツク雑音
の発生を抑制しかつＥＭＩ（電磁波障肯）の影響を防止
した水晶発振器に関する。

（発明の背景） 水晶、リチウムナイオベイト、ＰＺＴなどの圧電振動子
を用いた圧電発振器のうちで、特に周波数安定性に優れ
た水晶発振器は、例えは、衛星通信機器などの基準周波
数を得るのに数多く使われている。

しかし、近年、データ通信が盛んになるにつれて、基準
周波数など重要な信号の高品質化が厳しく求められるよ
うになり、圧電発振器において、マイクロッオニラグ雑
音の発生を抑止し、ＥＭｔの影響を防止するよう強く要
請されていた。

圧電発虎器のマイクロッオニツク雑音は次のような原理
で発生する。例えば、第５図（ａ）の水晶振動子におい
て、外部の機械的衝撃、振動が回路基板５８を経由して
水晶振動子の気密容器５１に伝達すると、水晶振動片５
３は気密容器５１内で保持器５４に片持ち保持されてい
るので、機械的に振動する。

一般に水晶振動子内部には、例えば、第６図（Ｃ）の他
の水晶振動子の等価回路において示すように、水晶振動
片６４の電極と気密容器６３との間に浮遊容量ＣＩ、Ｃ
２に相当する浮遊容量が存在する。

従って、第５図（ａ）の気密容器５１内で水晶振動片５
３が機械的に振動すると、前記浮遊容量はこの機械的振
動に同期して変化し、水晶振動子が接続する発振回路の
負荷容量を変化させたと同じ効果を発振回路に与える。

その結果、発振周波数はＦＭ変調されて雑音を発生して
出力周波数の品質が劣化する。この雑音の復調音が、丁
度マイクロフォンを叩くときに発生する音響に類似して
観測されることから、この名称が付けられた。

一般に、例えば、携帯用無線通信機の水晶発振器におい
て、外部の機械的衝撃、振動に対して容易に機械振動し
ない構造にするため、あるいは他の部品と衝突、接近を
避けるため、例えば、第５図（ｂ）の水晶振動子を回路
基板５８の接地パターン５９に固定具５７で半田付は固
定する方法がとられる。

かつ、消費電力を低減するため、発振回路の水晶振動子
の負荷容量をできる限り小さく選ぶ必要があり、例えば
、第７図の水晶発振回路において、コンデンサーＣ４、
Ｃ５、Ｃ６とＣＭＯＳ−ＩＣ７１と抵抗Ｒ１、Ｒ２と水
晶振動子７４とより構成される発振回路インピーダンス
の位相回転で決まる負荷容量を十数ＰＦの値に選ぶこと
がある。

このとき、例えば、第７図の水晶振動子７４の電極と気
密容器との間にある浮遊容量が外部の機械的衝撃、振動
で変化すると、負荷容量が小さ射場台は、その変化率は
相対的に大きくなるから、マイクロッオニツク雑音を発
生させ易く、かつ外部からのＥＭ１入射レベルが発振レ
ベルに比べて相対的に大きくなるから、ＥＭＩの影響を
受は易かった。

（従来の技術） 従来より、水晶振動子が外部からの機械的振動、衝撃の
影響を受けないようにするため、例えば、第５図（ｂ）
の水晶振動子の例に示すように、気密容器５１を回路基
板５日の接地パターン５９に固定具５７を介して接地・
固定する方法が有効であると考えられていた。

しかし、水晶振動子の内部構造を考察してみると、この
気密容器５１の固定・接地は発振周波数の安定化に必ず
しも有効な手段となり得ない。

すなわち、例えば、図示しないピアノ線などの弾性材か
らなる線状保持器は水晶振動片を柔軟に支持でき、発振
に影響を与えることが少ないので、従来から好んで用い
られてきたが、水晶振動片を弱い弾性片持ち支持する保
持系構成となるため、この機械的共振点は低く、特に水
晶振動片の主面垂直方向に加わる機械的衝撃、振動に対
して制振効果が劣り、この保持系を持つ水晶振動子はマ
イクロッオニツク雑音を発生し易かった。

そこで、例えば、第５図（ａ）の水晶振動子の例に示す
ように、薄い弾性材からなる板状保持器５４を用い、水
晶振動片５３の辺縁部で水晶振動片を浅く挟持し、少量
の接着剤で固定して、この保持系の機械的共振点を高い
周波数域に移行させ、その主面垂直方向に加わる機械的
衝撃、振動に対する制振効果を高め、かつ水晶振動片５
３の発振を抑制することなくマイクロッオニツク雑音発
生の少ない発振を得るようにしている。

水晶振動片５３が気密容器５１と接触するのを防ぐため
、インシュレーター５２を気密容器５１に内挿させるこ
とがある。

しかし、外部の機械的衝撃、振動の周波数が水晶振動片
５３の保持系の機械的共振点と一致すると共鳴振動する
。さらに、この水晶振動子の実装回路基板に既に多くの
小型部品が高密度実装されていると、回路基板全体の機
械的共振周波数も一般に高くなる傾向を示し、この水晶
振動子の保持系共娠点と一致し易い。

また、水晶振動子が回路基板に固定されると、外部の機
械的衝撃、振動は減衰することなく水晶振動子に直接伝
播し水晶振動片５３を強く振動させ易い。

あるいは、強い衝撃により、板状保持器５４が衝撃を吸
収緩和できず、水晶振動片５３は簡単に破損することが
あった。

これらの問題点を解決するため、例えば、第６図（ａ）
の水晶振動子において、気密容器６３に外容器６１を設
け、その間にＭ桁材６２を充填し、かつ外部引出しリー
ド線６６と水晶振動子リード線の間を緩衝線６５により
接続して、外部からの機械的衝撃、振動を機械的に緩和
する手段がとられる。

この技術は外容器６１を恒温槽とした水晶発振器等に好
んで利用されており、外部からの機械的衝撃、振動に含
まれる高い周波数成分を緩衝材６２が吸収減衰する効果
と、板状保持器の機械的共振点が高い周波数域に移行す
ることの不整合性により、望ましい相補的効果を奏する
。

さらに、第６図（ａ）の水晶振動子の等価回路である同
図（Ｃ）において、外客器６１と気密容器６３との間に
生じた電気容量Ｃ３は、浮遊容量ＣＩ、Ｃ２と直列接続
となるから、それら浮遊容量の変化を電気的に緩和する
よう機能する。

これらの相乗効果により、マイクロッオニツク雑音の発
生を効果的に抑止させている。

（従来技術の欠点） しかしながら、これらの技術をもってしても、なお根本
的な解決とはなりえず、マイクロッオニツク雑音の発生
の根本的な抑止とＥＭＩの影響の防止とを可能にする解
決策が強く望まれていた。

すなわち、板状保持器を用いると、この保持系の機械的
共振点を、比較的低いレベルの高い周波数域に移行でき
、マイクロッオニツク雑音の発生を低減できるが、この
保持系の機械的共振点に近い周波数の振動に対して解決
されていない。

さらに、この板状保持器は水晶振動片に歪を与えその周
波数温度特性を変化させ、かつ発振を抑制して等価抵抗
値を高め易く、水晶発振器の周波数・出力特性を劣化さ
せていた。

また、衝撃に対して、水晶振動片は剛体支持に近いため
容易に破損し易かフた。

なお、ＥＭＩの影響を防止するには、例えば、第５図（
ａ）の気密容器５１あるいは第６図（ａ）の外用器６１
に常磁性体を用いる必要があるが、気密容器５１の封止
に必要な材質的条件と、ＥＭＩ防止に求められている材
質的条件とに差異を生じ、その整合に時に困難があった
。

これらの課題の他に、例えば、第６図（ａ）の水晶振動
子において、形状はどうしても大きくなり勝ちであり、
狭い空間に収納する目的には適しない。また、気密容器
６３が緩衝材６２の中で振動すると電気容量Ｃ３の変化
となり、新たなマイクロッオニツク雑音を発生させる恐
れがあった。

さらに、この緩衝材６２による振動エネルギーの吸収減
衰はその厚みと密接に関係しており、水晶発振器の小型
化でその厚みを制限せざるを得す、所望する吸収減衰効
果を期待できなかった。

（発明の目的） 本発明は、マイクロッオニツク雑音の発生を抑止した圧
電発振器を提供することを第１の目的とする。

本発明は、マイクロッオニツク雑音の発生を抑止しかつ
ＥＭＩの影響を防止した圧電発振器を提供することを第
２の目的とする。

（発明の解決手段） 本発明は、リード線が貫通された気密容器内に保持され
前記リード線に電気的に接続された圧電振動片を気密封
止してなる圧電振動子を発振回路に接続した圧電発振器
において、この圧電振動子の気密容器に電気的に互いに
絶縁された少なくとも二重の電気多重層を設け、その間
に電気容量を生じさせるたことを第１の解決手段とする
。

本発明は、電気多重層を少なくとも常磁性体を成分とす
る一層を含む電気的に互いに絶縁された層となし、その
間に電気容量を生じさせたことを第２の解決手段とする
。

（発明の作用） 水晶振動片の電極と気密容器に内設された電気良導体と
の間に存在する浮遊容量をＣＩ、Ｃ２とすると、水晶振
動片が気密容器のほぼ中央に位置しているので、静止状
態においてＣｌ＝Ｃ２＝Ｃと仮定しても、−殺性は失わ
れず、実際の適用に支障はない。

そこで、水晶振動子の水晶撮動片のインピーダンスをＺ
ｘ、気密容器と気密容器に内設する電気良導体との間の
電気容量を０３とし、水晶振動片が機械的振動している
とすると、浮遊容量ＣＩ、Ｃ２はそれぞれ次のように表
オつされる。

ＣＩ＝Ｃ（１＋ａ） Ｃ２＝Ｃ（１−ａ） ここで、ａは機械的振動による浮遊容量の変化率を示す
。

この水晶振動子の一方の端子と接地との間に発振器の接
続終端インピーダンスＺＯを接続すると、水晶振動子の
他方の端子側よりみた入力端インピーダンスＺｉは次式
のように近似表現される。

Ｚ　ｉ　＝　（１−ａ）Ｚｘ／Ａ＋　（ｓＣ３＋Ａ）＊
（（１＋ａ）Ｚｘ＋ＡＺｏ）　　／ Ａ　　Ｃ（１＋ａ）ＳＣ３ＺＸ＋ＡＳＣ３ＺＸ＋ｓＣ３
＋Ａ） 但し、Ａ＝２＋５ＣＺｘ　、ａ＜＜１゜ｓ＝ｊω（角周
波数） ここで、Ｃ３の効果を検証するため、Ｃ３の特別な場合
を考察する。

（イ）Ｃ３＝Ｏの場合 これは、気密容器が接地されていない場合、あるいは電
気二重層の電気容量が十分に小さく無視できる場合に相
当する。このとき、 Ｚ　１＝２Ｚｘ／　（２＋５ＣＺｘ）＋Ｚ。

すなわち、Ｚｉに浮遊容量ＣＩ、Ｃ２の変化率ａを含ま
ないので、マイクロッオニツク雑音の発生はない。

（ロ）Ｃ３＝閃の場合 これは、金属製気密容器のみからなる気密容器を直接接
地した場合、あるいは気密容器に内設されている電気良
導体を直接接地した場合に相当する。このとき、 Ｚ　ｉ＝　　（Ｚｏ＋２Ｚｘ＋２Ｚｘ　　）／Ａ−２ａ
Ｚｘ／Ａ　　（１＋２Ｚｘ） すなわち、浮遊容ｆｌｃ１．Ｃ２の変化率ａを含みマー
イクロフォニック雑音を顕著に発生する。

本発明は（イ）の原理に着目してなされたもので、気密
容器に電気良導体と電気絶縁体とよりなる電気二重層を
形成させ、この間に電気容量を生じさせたものである。

この場合、発生した電気容量をできる限り小さくするた
め、例えば、上記電気二重層を多数積層した構成の電気
多重層となして、この各積層の電気容量が互いに直列接
続となることにより、全体の電気容量をほぼ電気二重層
単層においで生ずる電気容量の多層数分の１に低減する
ことかできる。

そして、上記電気多重層に常磁性体と電気良導体を組み
合わせることにより、例えば、電気磁気遮蔽効果等を利
用でき、外部から入射されるＥＭ！の影響をも防止でき
る。

（実施例） 第１図（ａ）は本発明の一実施例を説明する金属製気密
容器に電気二重層を設けてなる水晶振動子の図で、同図
（ａ）はその斜視図、同図（１））はその断面図、同図
（ｃ）はその電気二重層内層の斜視図である。電気二重
層は、気密容器１１の内壁に密着して同図（ｃ）に示す
電気絶縁体１２に被覆された電気良導体１３と、気密容
器１１とから構成される。なお、電気二重層の電気容量
値は、電気絶縁体１２の誘電率と厚みと電気良導体１３
の有効面積とを変えることにより小さく設定できる。電
気良導体１３は水晶片１４の電極１５に略対向した位置
に配置される。また、水晶振動片１４は弾性線材からな
る保持器１６により支持され、従来の保持系の構成をそ
のまま使用している。

第２図（ａ）は他の実施例を示す表面実装用の水晶振動
子の図で、同図の（ａ）はその斜視図、同図（ｂ）はそ
の断面図である。この実施例では、電気二重層を電気絶
縁体からなる気密容器２１の内外壁面上に電気二重層を
設けてなる。この電気二重層は、電気良導体または常磁
性体からなる膜面または板面２２及び２７を、蒸着また
は接着により気密容器２１に密着させてなるもので、一
般に電気絶縁体からなる気密容器２１のＥＭＩに影響さ
れ易い欠点を、マイクロッオニツク雑音の発生の抑止と
同時に解決している。

第３図はさらに他の実に例を示す水晶振動子の図で、第
１図の実施例の電気二重層を簡易型にしたものである。

すなわち、気密容器３１の内壁面上に水晶振動片３４の
電極に対向して電気絶縁体３２と、電気良導体３３を接
着して電気二重層を形成させている。なお、電気二重層
は気密容器３１の筒状部壁面内に機械的に密着し形成さ
せてもよく、例えば、気密容器３１に内接する筒状の電
気絶縁体３２を、弾発材からなる板状の電気良導体３３
を折曲し圧着させることにより、接着を利用することな
く容易に形成することができる。

また、単板状の電気絶縁体３２０片面に塗装または蒸着
等の方法を用いて部分電気良導体膜３３を形成し、これ
を気密容器３１内に圧着または接着させて電気二重層を
形成することもできる。

第４図はさらに他の実施例図であるボタン型水晶振動子
の図で、気密容器となるカバー４４の内壁面上に、電気
絶縁体４２と電気良導体４３とを積層して接着し、水晶
振動片の電極４５にほぼ対向させ、電気二重層を形成さ
せている。なお、気密容器となるベース４７内面上の電
気二重層についても同様にして形成させている。ここで
、第３図の実施例と同様に、電気絶縁体４２または４８
の上に電気良導体膜４３または４９を形成させ、それぞ
れ気密容器内面に接着させることにより、電気二重層を
形成させることもできる。

以上に実施例を説明したが、いずれも気密容器に電気多
重層を設けたので、マイクロッオニツク雑音を抑止する
。そして、電気二重層の一層を常磁性体とすることによ
りＥＭＩの影響を防止する。

そして、これらの実施例では、公知の構成、例えばピア
ノ線による保持器構造等を適用して、気密容器に電気二
重層を１寸前すればよいので、既存の製造工程及び条件
を変更する′必要がない。従って製造コストを格別高め
ることなく実現できる。

さらに、この水晶振動子を発振回路基板に固定したり或
は外容器内に緩衝材を充填したりする必要もなく小型化
でき、接地等に特別な配慮を必要とせず、他の部品と同
等な取扱いができ、水晶発振器の組立製造に有利である
。

すなわち、この電気多重層は気密容器に密着して設けら
れるので、機械的衝撃、振動に対して撮動し変化するこ
となくその電気容量を安定させることができ、例えば、
第６図（ａ）の従来の水晶振動子においてあった気密容
器６３の振動による電気容量Ｃ３の変化に起因する新た
なマイクロッオニツク雑音の発生がない。

（その他の事項） 本発明は水晶発振器のみに適用限定されるべきでなく、
例えば、リチウムタンタレイ！・、リチウムナイオベイ
ト、セラミック圧電材等の圧電材料からなる圧電振動子
において、その気密容器内で保持器により中空に支持さ
れた構造を有する圧電振動子を使用する圧電発振器に広
く適用できるものである。

また、ＨＩＣ（混成集積回路）等よりなる発振器回路基
板に水晶振動片を搭載し、それを気密容器内に気密封止
してなる小型水晶発振器等において、この水晶振動片を
保持器により中空に支持す構造を有するものに対して、
前記気密容器に本発明を適用することができる。

さらに、本発明の実施例に示した電気多重層は二重層に
限らず多層に積層し構成できる。

いづれの実施例においても、電気良導体に、例えば、常
磁性体に電気良導体膜を塗装または蒸着させた金属板等
を用いることができる。

（発明の効果） 本発明は、以上に詳述したように、圧電振動片を封入す
る気密容器に電気多重層を設けてその間に電気容量を生
じさせたので、マイクロッオニ・ンク雑音の発生を抑止
できる。そして、電気多重層を電気良導体と常磁性体と
の積層とすることにより、ＥＭＩの影響を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる金属製気密容器を有すろ水晶振
動子の一実施例図であり、同図（ａ）は同水晶振動子の
斜視図、同図（ｂ）は副断面図、同図（ｃ）は電気二重
層構成する部分の構造斜視図である。 第２図は本発明に係わる表面実装用水晶振動子の他の一
実施例図であり、同図（ａ）は同水晶振動子の斜視図、
同図（ｂ）はその側断面図である。 第３図は本発明に係わる金属製気密容器を有する水晶振
動子の他の一実施例の側断面図である。 第４図は本発明に係わるボタン型水晶振動子の他の一実
施例の側断面図である。 第５図は水晶振動子の従来例図であり、同図（ａ）はそ
の譲す断面図、同図（ｂ）はその実装側側１．２１，３
１，４１．４７・・・・・・気密容器、２．３２．４２
・・・・・・電気絶縁体、３．２２，２７．４３・・・
・・・電気良導体、４．２３，３４・・・・・・水晶振
動片、５、　２４．４５・・・・・・電極、 ６．２６，３５，４６・・・・・・保持器、ｌ・・・・
・・ＣＭＯＳ−ＩＣ。 同図（ａ）は同水晶振動子の側断面図、同図（ｂ）はそ
の電気的模式図、同図（ｃ）はその等価回路図である。 第７図はＣＭＯＳ−１Ｃを用いた水晶発振器の回路図を
示す。 １図 第３１！！ 第４１！！ 第５図 （ａ） （ｂ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）リード線が貫通された気密容器内に保持され前記
   リード線に電気的に接続された圧電振動片を気密封止し
   てなる圧電振動子を発振回路に接続した圧電発振器にお
   いて、この圧電振動子の気密容器に電気的に互いに絶縁
   された少なくとも二重の電気多重層を設け、その間に電
   気容量を生じさせたことを特徴とする圧電発振器。
2. （２）前記電気多重層は、少なくとも常磁性体を成分と
   する一層を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の圧電発振器。
3. （３）前記電気多重層は、金属からなる気密容器と、こ
   の気密容器の内面に密着された電気絶縁体の内部または
   表面に設けられた電気良導体とからなることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の圧電発振器
   。
4. （４）前記電気多重層は、電気絶縁体からなる気密容器
   の内外壁面上に密着された電気良導体からなることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の圧電
   発振器。