JPH082013B2 - 圧電発振器 - Google Patents

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、特にマイクロフォニッ
ク雑音の発生を抑止し、さらにはマイクロフォニック雑
音の発生を抑制しかつEMI（電磁波障害）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、例えば、衛星通信機器などの基本周波
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、マイクロフォニック
雑音の発生を抑止し、EMIの影響を防止するよう強く要
請されていた。

圧電発振器のマイクロフォニッ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53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C1、C2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53
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で半田付け固定す
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合は、その変化率は
相対的に大きくなるから、マイクロフォニック雑音を発
生させ易く、かつ外部からのEMI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の影響を受け
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58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
マイクロフォニッ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53の
発振を抑制することなくマイクロフォニック雑音発生の
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振点と一致し易い。

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、その間に緩衝材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の緩衝線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、外容器61と気密容器63との間に生
じた電気容量C3は、浮遊容量C1、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、マイクロフォニック雑音の
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、マイクロフォニック雑音の発
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、マイクロフォニッ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った。

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、新たなマイクロフォニッ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ず、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、マイクロフォニッ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、マイクロフォニッ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C1、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C1＝C2＝Ｃと仮定しても、一般性は失われず、
実際の適用に支障はない。

そこで、水晶振動子の水晶振動片のインピーダンスを
Zx、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C3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C1、C2はそれぞれ次のように表わされ
る。

C1＝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。

Zi＝（１−ａ）Zx/A＋（sC3＋Ａ）＊ ｛（１＋ａ）Zx＋AZo｝／ Ａ｛（１＋ａ）sC3Zx＋AsC3Zx＋ sC3＋Ａ｝ 但し、Ａ＝２＋sCZx,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＝０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、 Zi＝2Zx/（２＋sCZx）＋Zo すなわち、Ziに浮遊容量C1,C2の変化率ａを含まない
ので、マイクロフォニック雑音の発生はない。

（ロ）C3＝∽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、 Zi＝（Zo＋2Zx＋2Zx）/A −2aZx/A（１＋2Zx） すなわち、浮遊容量C1,C2の変化率ａを含みマイクロ
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
重層単層において生ずる電気容量の多層数分の１に低減
することができる。

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EMI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（ｂ）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、マイクロフォニック雑音の発生の抑止と同時に解決
している。

第３図はさらに他の実施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32の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。

以上の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、マイクロフォニック雑音を抑止す
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
二重層を付加すればよいので、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、振動に対して振動し変化する
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
なマイクロフォニッ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ト、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、マイクロフォニッ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る水晶振
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）は側断面図、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
の側断面図、同図（ｂ）はその実装例側面図である。 第６図は水晶振動子の他の従来例図であり、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−ICを用いた水晶発振器の回路図を示す。 11,21,31,41,47……気密容器、 12,32,42……電気絶縁体、 13,22,27,43……電気良導体、 14,23,34……水晶振動片、 15,24,45……電極、 16,26,35,46……保持器、 71……CMOS−IC。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リード線が貫通された金属からなる気密容
   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、前記圧電振動子は前記気密容
   器とそ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を電気的に互いに絶縁し少な
   くとも常磁性体を成分とする一層を含む少なくとも二重
   の電気多重層となしてその間に電気容量を生じさせてな
   る圧電振動子としたことを特徴とする圧電発振器。