(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子の両端側に接続して共振回路を形成する発振容量Ｃa、Ｃbと前記共振回路に依存した発振周波数を帰還増幅する発振用増幅素子を集積化したＩＣチップを容器本体の凹部底面に固着して、前記容器本体の凹部内壁に設けた段部に水晶振動子となる水晶片の一端部を保持し、前記容器本体の凹部開口面を金属カバーによって封止するとともに、前記水晶片と前記ＩＣチップとの間の浮遊容量Ｃ1が前記発振容量Ｃaに並列接続し、前記水晶片と前記金属カバーとの間の浮遊容量Ｃ２が前記発振容量Ｃbに並列接続してなる表面実装用の水晶発振器において、前記浮遊容量Ｃ1と前記浮遊容量Ｃ2の変化による発振周波数の変化量に応じ、前記ＩＣチップと前記金属カバーとの間隙ｄは一定に維持したまま、前記水晶振動子から見た直列等価容量の変化を小さくする方向に前記水晶片とＩＣチップの間隙ｄ1及び前記水晶片と前記金属カバーとの間隙ｄ2が設定されたことを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記発振容量ＣaとＣbとがＣa≒Ｃbのときには、前記水晶片と前記ＩＣチップの間隙ｄ1及び前記水晶片と前記金属カバー４の間隙ｄ2をｄ1≒ｄ2とした請求項１の水晶発振器。
【請求項３】
前記発振容量ＣaとＣbとがＣa＞Ｃbのときには、前記水晶片と前記ＩＣチップの間隙ｄ1及び前記水晶片と前記金属カバーの間隙ｄ2をｄ1＜ｄ2とした請求項１の水晶発振器。
【請求項４】
前記発振容量ＣaとＣbとがＣa＜Ｃbのときには、前記水晶片と前記ＩＣチップの間隙ｄ1及び前記水晶片と前記金属カバーの間隙ｄ2をｄ1＞ｄ2とした請求項１の水晶発振器。
【請求項５】
前記ＩＣチップと前記金属カバーの間隙は0.5ｍｍ以下である請求項１の水晶発振器。
【請求項６】
前記発振容量Ｃa、Ｃbの少なくともいずれか一方電圧可変容量素子である請求項１の水晶発振器。
【請求項７】
前記発振周波数の変化量は±１ｐｐｍ以内である請求項１の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装用の水晶発振器（以下表面実装発振器とする）を産業上の技術分野とし、特に衝撃時の周波数変動を防止した表面実装発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）表面実装発振器は小型・軽量であることから、特に各種携帯型の電子機器例えば携帯電話に採用される。近年では、発振周波数の周波数偏差も一段と厳しく、携帯電話では例えば基準周波数（公称周波数）に対して周波数変化率を例えば±１ｐｐｍ以内にすることが要求されている。
【０００３】
（従来技術の一例）第５図は一従来例を説明する表面実装発振器の断面図である。
表面実装発振器は、容器本体１にＩＣチップ２と水晶片３とを収容して、金属カバー４を被せて密閉封入してなる。容器本体１は積層セラミックからなり、凹部の内壁に段部を有する。そして、外表面となる底面及び側面には、表面実装用の各実装電極５を有する（参照：特許第２９６９５２６号）。
【０００４】
ＩＣチップ２は発振回路（但し水晶振動子３Ａを除く）を集積化してなり、一主面に図示しない、一対の水晶端子、電源、出力及びアース等の各端子を露出する。発振回路は第６図に示したように、水晶振動子３Ａと共振回路を形成するアース電位に接地された２個のコンデンサからなる発振容量Ｃ（ａｂ）と、共振回路に依存した発振周波数を帰還増幅する発振用増幅器６からなる。なお、符号７は帰還抵抗である。
【０００５】
そして、フェースダウンボンディング（ＦＤＢ）によって、容器本体１の凹部底面に各端子が露出した一主面が固着される。ＦＤＢは、例えばＩＣチップ２の一主面に露出した各端子に金（Ａu）バンプを設けて、超音波熱圧着によって固着する。ＩＣチップ２の水晶端子を除く各端子は実装電極５に接続する。
【０００６】
水晶片３は例えばＡＴカットからなり、図示しない一対の励振電極を両主面に設けて一端部両側に引出電極を延出する。そして、引出電極の延出した一端部両側を凹部内壁の段部に導電性接着剤８によって固着する。この場合、水晶片３の他端部は段部上に当接あるいは接近して載置される。水晶片３の一対の引出電極はＩＣチップ２の水晶端子に接続する。金属カバー４は、容器本体１の側壁上面に設けた金属リング９にシーム溶接によって接合され、開口面を封止する。
【０００７】
このようなものでは、容器本体１の一つの凹部内にＩＣチップ２と水晶片３とを収容する。したがって、例えば容器本体１の断面をＨ構造として一主面の凹部に水晶片３を収容して封止し、他主面の凹部にＩＣチップ２を収容した表面実装発振器に比較して、特に高さ方向の寸法を小さくできる。なお、Ｈ構造の場合には、ＩＣチップ２を固着する際、Ｈ状の水平部の厚みを大きくして圧着時の強度を高める必要性から、高さ寸法が大きくなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の表面実装発振器では、落下衝撃時に周波数変動を起こす問題があった。すなわち、第７図に示したように、表面実装発振器の完成後、1.5ｍ上方からのコンクリートに対する落下衝撃後、発振周波数が高い方向に変動して基準周波数に対する規格（例えば偏差Δｆ／ｆが１ｐｐｍ以内）を満足しない問題があった。
【０００９】
なお、ここでの落下衝撃試験は、表面実装発振器を３次元（ＸＹＺ）方向にしてそれぞれ正負方向にして２回ずつ落下させてこれを１サイクルとし、各サイクル時（この場合は１０サイクル）の周波数変化（Δｆ／ｆ）を記録したものである。また、サンプル数は１０個の場合であり、図では周波数変化が最大、最小のものを示している。但し、発振周波数（公称周波数）は、14.4ＭHzである。
【００１０】
（発明の目的）本発明は、高さ寸法を小さく維持するとともに、衝撃による周波数変化を防止して周波数偏差（変化量）の厳しい表面実装発振器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（問題点の考察）上記問題につき、以下の考察をした。すなわち、上記構成の表面実装発振器では、水晶片３の上下面にＩＣチップ２と金属カバー４が存在する。そして、ＩＣチップ２の他主面（水晶片３と対向する面）には金属導体（チップ導体とする）が形成され、金属カバー４とともにアース電位に接地される。
【００１２】
したがって、第６図の等価回路に示したように、水晶片３における両主面の励振電極（水晶振動子３Ａの両端子）とチップ導体及び金属カバー４との間には浮遊容量Ｃ1，Ｃ2を生ずる。そして、これらの浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は前述した発振容量Ｃa、Ｃbに並列に接続される。
【００１３】
なお、ここでは、ここでは発振容量Ｃaに浮遊容量Ｃ1が、発振容量Ｃbに浮遊容量Ｃ2が接続するとしているが、水晶片３の主面が逆の面となって固着されると、発振容量Ｃaに浮遊容量Ｃ2が、発振容量Ｃbに浮遊容量Ｃ1が接続する。
【００１４】
水晶片３とＩＣチップ２との間の浮遊容量Ｃ1は、例えば発振用増幅器６の入力側の発振用コンデンサＣaに、水晶片３と金属カバー４との浮遊容量Ｃ2は発振用増幅器６の出力側の発振用コンデンサにそれぞれ並列に接続される。
【００１５】
ここでは、水晶片３の他端部は固着されておらず、一端部の固定端に対して言わば自由端となる。この状況下で、表面実装発振器が落下して衝撃を受けると、水晶片３は一端部を固定端として他端部が上下方向に搖動する。但し、水晶片３の他端部は段部に当接あるいは接近しているので、下方向への搖動（移動）は制限される。これにより、水晶片３の一端部を固定端とする導電性接着剤８にも応力が生じる。そして、導電性接着剤８は状態を異ならせて変形し、例えば水晶片３が他端部に向かって斜め上方向に傾斜して保持される。要するに、水晶片３の他端部が浮き上がる。
【００１６】
このため、水晶片３とＩＣチップ２及び金属カバー４の実質的な間隙ｄ1、ｄ2が変化して、これに伴う浮遊容量Ｃ1、Ｃ2も変化する。この場合、間隙ｄ1は大きくなる方向なので浮遊容量Ｃ1は小さくなる減少方向に、間隙ｄ2は小さくなる方向なので浮遊容量Ｃ2は大きくなる増加方向に変化する。なお、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は、周知のようにＣ1＝εＳ1／ｄ1、Ｃ2＝εＳ2／ｄ2によって決定される。但し、εは間隙の誘電率、Ｓ1は水晶片３の励振電極とＩＣチップ２の、Ｓ2は金属カバー４との対向面積である。
【００１７】
そして、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は、前述した発振容量Ｃa、Ｃbに並列に接続されるので、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2の変化は発振周波数にも変動をもたらす。すなわち、水晶発振器の発振周波数は、水晶振動子３Ａから回路側を見た直列等価容量に依存する。そして、直列等価容量が小さいほど発振周波数は高くなる。この場合の直列等価容量ＣQは（１）式になる。但し、ＣxはＣaとＣ1の、ＣyはＣbとＣ2の合成容量である。なお、厳格には発振用増幅器６の入出力容量が加味されるが、説明には差し支えないので便宜的に省略する。
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【００１８】
（事例１）ここで、先ず、発振容量ＣaとＣbを同一値（Ｃa＝Ｃb）として、間隔ｄ1＝ｄ2即ち落下衝撃前の初期の浮遊容量Ｃ1＝Ｃ2とすると、合成容量Ｃx、Ｃyも同量となる。そして、落下衝撃後には前述したように水晶片３の他端部が浮いて実質的な間隔ｄ1が大きくなるので、落下衝撃後の浮遊容量Ｃ1は小さくなる（変化量ΔＣ1とする）。また、浮遊容量Ｃ2は、逆に間隔ｄ2が小さくなるので大きくなる（変化量ΔＣ2とする）。
【００１９】
この場合、発振容量Ｃa、Ｃb及び初期の浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は同一値なので、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2の減少及び増加方向の変化量ΔＣ1、ΔＣ2並びに合成容量Ｃx、Ｃyの変化量ΔＣx、Ｃyもほぼ同量になる。なお、落下衝撃によって浮遊容量Ｃ1が減少すれば合成容量Ｃxも減少し、浮遊容量Ｃ2が増加すれば合成容量Ｃyも増加する。
【００２０】
そして、基本的には、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2及びこれによる合成容量Ｃx、Ｃyが増えれば、直列等価容量ＣQも増加して発振周波数は低くなる。これとは逆に、浮遊容量Ｃ1、Ｃ2及びこれによる合成容量Ｃx、Ｃyが減れば、直列等価容量ＣQも減少して発振周波数は高くなる。この場合には、増加及び減少方向の変化量ΔＣ1、ΔＣ2及びこれによるΔＣx、ΔＣyがほぼ同量になるので、上昇及び下降する発振周波数の変化量も相殺されて、衝撃前後での周波数変化が少ない。
【００２１】
（事例２）次に、発振容量ＣaとＣbを同一値（Ｃa＝Ｃb）として、間隔ｄ1＞ｄ2即ち浮遊容量Ｃ1＜Ｃ2とすると、合成容量はＣx＜Ｃyになる。この場合、落下衝撃後の浮遊容量Ｃ1は間隔ｄ1が大きいので、減少方向での変化量ΔＣ1（及び合成容量Ｃxの変化量ΔＣx）は小さくなる。逆に、浮遊容量Ｃ2は間隔ｄ2が小さいので、増加方向での変化量ΔＣ2（及び合成容量Ｃyの変化量ΔＣy）は大きくなる。したがって、減少方向の変化量ΔＣ1（及びΔＣx）よりも増加方向での変化量ΔＣ2（及びΔＣy）の方が大きいので、衝撃後の発振周波数は低下する。
【００２２】
（事例３）次に、発振容量Ｃ（ａｂ）ＣaとＣbを同一値（Ｃa＝Ｃb）として、間隔ｄ1＜ｄ2即ち浮遊容量Ｃ1＞Ｃ2とすると、合成容量はＣx＞Ｃyになる。この場合、落下衝撃後の浮遊容量Ｃ1は間隔ｄ1が小さいので、減少方向での変化量ΔＣ1（及び合成容量Ｃxの変化量ΔＣx）は大きくなる。また、浮遊容量Ｃ2は間隔ｄ2が大きいので、増加方向での変化量ΔＣ2（及び合成容量Ｃyの変化量ΔＣy）は小さくなる。したがって、減少方向の変化量ΔＣ1（及びΔＣx）が増加方向での変化量ΔＣ2（及びΔＣy）よりも大きいので、衝撃後の発振周波数は上昇する。
【００２３】
（問題提起の試作品）ちなみに、試作品の水晶発振器では、ＩＣチップの表面（知プ導体から金属カバー４までの距離ｄが0.5ｍｍ程度で、表面実装発振器の構造から、水晶片３とＩＣチップ２の間隙ｄ1は水晶片３と金属カバー４の間隙ｄ2よりも格段に小さい。したがって、上述した事例３に相当して、水晶片３とＩＣチップ２の間隙ｄ1による減少方向での変化となる浮遊容量Ｃ1の変化量ΔＣ１が大きいので、落下衝撃後の周波数変化量が大きくしかも高い方向に変化したことが実証される。
【００２４】
なお、従来では、高さ寸法も大きく、換言するとチップ導体から金属カバー4までの距離が大きくこのような問題は発生しなかった。すなわち、距離が大きければ発生する浮遊容量Ｃ1及びＣ2自体が小さく、落下衝撃による距離変動に伴う容量変化があっても発振周波数に与える影響は無視できるので、このような問題は生じなかった。
【００２５】
（解決手段）本発明は、発振容量Ｃa、Ｃbに並列接続した浮遊容量Ｃ1、Ｃ2の変化による発振周波数の変化量に応じ、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄは一定に維持したまま、水晶振動子３Ａから見た直列等価容量の変化を小さくする方向に、ＩＣチップ２の間隙ｄ1及び水晶片３と金属カバー４との間隙ｄ2を設定したことを基本的な解決手段とする。
【００２６】
【作用】
本発明では、上記解決手段により、落下衝撃後の浮遊容量Ｃ1、Ｃ2に変化があっても、水晶振動子３Ａから見た直列等価容量の変化を小さくする。したがって、発振周波数の変化量「周波数偏差Δｆ／ｆ(ppm)、ｆは公称の発振周波数、Δｆは発振周波数からの周波数変化量、ｐｐｍ」を小さくする。
【００２７】
また、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄは一定に維持したまま、水晶片３とＩＣチップ２の間隙ｄ1及び金属カバー４の間隙ｄ2を設定するのみなので、高さ寸法を小さくする。換言すると、各間隙ｄ1及びｄ2を大きくすれば浮遊容量Ｃ1、Ｃ2を小さくしてその影響を避けられるが、その必要がないので間隙ｄを一定に維持できる。以下、本発明の各実施例によって作用とともに詳述する。
【００２８】
【実施例】
第１図は本発明の第１実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
表面実装発振器は、前述と同様に、容器本体１の凹部底面に固着されて発振用コンデンサ及び増幅器を集積化したＩＣチップ２と、凹部内壁の段部に一端部を保持されて両主面に励振電極を有する水晶片３（水晶振動子３Ａ）と、凹部の開口面を封止する金属カバー４とからなる。
【００２９】
第１実施例は、発振容量ＣaとＣbとがＣa≒Ｃbの場合である。この場合は、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄを従来と同じ例えば５ｍｍに維持し、水晶片３とＩＣチップ２との間隙ｄ1、及び水晶片３と金属カバー４との間隙ｄ2をｄ1≒ｄ2とする。
【００３０】
このようにすれば、発振容量Ｃa、Ｃbに並列接続した落下衝撃前の浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は同量になる。そして、前述したように、落下衝撃後における水晶片３の他端部の上方向への傾斜によって、間隙ｄ1及びｄ2に依存した減少及び増加する方向での浮遊容量Ｃ1、Ｃ2の変化量ΔＣ1、Ｃ2は、変化方向（±）を互いに逆としていずれもほぼ同量になる。すなわち、間隙ｄ1、ｄ2を等しくして互いに逆方向に増加減少するので、これによる変化量ΔＣ1、ΔＣ2も逆方向で同量となる。
【００３１】
これに伴い、減少及び増加する合成容量Ｃx、Ｃyの変化量ΔＣx、ΔＣyも同量となり、水晶振動子３Ａから見た直列等価容量ＣQの変化を少なくする。したがって、落下衝撃前後での発振周波数の変化を防止する。ちなみに、前述した落下衝撃試験（１０サイクル、１０個）の結果では、第２図に示したように、すべてが0.3ｐｐｍ以内になり、そのバラツキも極めて小さいものとなった。これにより、厳しい周波数偏差例えば±１ｐｐｍ以内の規格を充分に満足する。そして、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄを一定に維持したままなので、高さ寸法を小さくを維持できる。
【００３２】
【第２実施例】
第２図は本発明の第２実施例を説明する表面実装発振器の断面図で、前第１実施例と同一部分の説明は簡略又は省略する。
すなわち、第２実施例は、発振容量Ｃ（ａｂ）ＣaとＣbとがＣa＞Ｃbの場合である。この場合は、水晶片３とＩＣチップ２との間隙ｄ1、及び水晶片３と金属カバー４との間隙ｄ2をｄ1＜ｄ2とする。但し、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄは従来と同じに維持する。
【００３３】
このようにすれば、落下衝撃前の浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は、間隔ｄ1がｄ2よりも相対的に小さいので、Ｃ1＞Ｃ2になる。そして、落下衝撃後は、同様に、水晶片３とＩＣチップ２の間隔ｄ1がｄ2よりも小さいので、減少方向での浮遊容量Ｃ1の変化量ΔＣ1は大きくなる。逆に、水晶片３と金属カバー４の間隔ｄ2はｄ１よりも相対的に大きいので、増加方向での浮遊容量Ｃ2の変化量ΔＣ2は小さくなる。
【００３４】
そして、減少方向での変化量ΔＣ1が大きい浮遊容量Ｃ1は、発振容量Ｃa（＞Ｃb）に並列接続され。したがって、浮遊容量Ｃ1が発振容量Ｃbに接続された場合に比較し、発振容量ＣaがＣbよりも大きいので、合成容量Ｃxの変化量ΔＣxは小さくなる。これにより、等価直列容量ＣQの変化も小さくなる。したがって、第１実施例と同様に、落下衝撃前後での周波数変化を防止して厳しい規格を満足するとともに、小型化を維持する。
【００３５】
【第３実施例】
第３実施例は、発振容量ＣaとＣbとがＣa＜Ｃbの場合である。この場合は、水晶片３とＩＣチップ２との間隙ｄ1、及び水晶片３と金属カバー４との間隙ｄ2をｄ1＞ｄ2とする（前第４図参照）。但し、ＩＣチップ２と金属カバー４との間隙ｄは従来と同じに維持する。
【００３６】
このようにすれば、落下衝撃前の浮遊容量Ｃ1、Ｃ2は、間隔ｄ2がｄ1よりも相対的に小さいのでＣ2＞Ｃ1になるとともに、落下衝撃後は増加方向での浮遊容量Ｃ2の変化量ΔＣ2も相対的に大きくなる。逆に、水晶片３と金属カバー４の間隔ｄ2はｄ１よりも相対的に小さいので、減少方向での浮遊容量Ｃ1の変化量ΔＣ１は小さくなる。
【００３７】
そして、増加方向での変化量ΔＣ2が大きい浮遊容量Ｃ2は、発振容量Ｃb（＞Ｃa）に並列接続される。したがって、浮遊容量Ｃ2が発振容量Ｃaに接続した場合に比較し、発振容量ＣbがＣaよりも大きいので、合成容量Ｃyの変化量ΔＣyは小さくなる。これにより、等価直列容量ＣQの変化も小さくなる。したがって、前各実施例と同様に、落下衝撃前後での周波数変化を防止して厳しい規格を満足するとともに、小型化を維持する。
【００３８】
【他の事項】
上記実施例では発振容量Ｃａ、Ｃｂを固定値のコンデンサとしたが、第４図に示したようにこれに代えて電圧可変容量素子とし、これに制御電圧Ｖcを印加して容量値を変化させて発振周波数を可変する所謂電圧制御型の場合でも同様に適用できる。この場合、例えば制御電圧Ｖcを表面実装発振器の周波数温度特性を補償する温度補償電圧として、温度補償水晶発振器を構成する。但し、公称の発振周波数となる基準の容量値を対象として間隙ｄ1、ｄ2は設定される。図中の符号１０は高周波素子抵抗である。
【００３９】
また、水晶片３と金属カバーとの間隙ｄ2を小さくすることによって、導電性接着剤８が金属リング９や金属カバー４に接触するおそれがある場合（特に第３実施例の場合）、導電性接着剤８は水晶片３の下面のみに塗布してもよい。そして、これにより、保持強度が損なわれる場合は絶縁性の接着剤を水晶片３の上面から塗布してもよく、任意に適用できる。
【００４０】
また、容器本体１の上面には金属リング９を設けて金属カバー８をシーム溶接によって接合したが、金属リング９に代えてメタライズによる金属膜であっても、シーム溶接に代えてビーム溶接等であってもよい。要は、水晶片３との間に浮遊容量Ｃ2を形成するカバーの場合に適合する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、発振容量Ｃa、Ｃbに並列接続した浮遊容量Ｃ1、Ｃ2の変化による発振周波数の変化量に応じ、ＩＣチップと金属カバーとの間隙は一定に維持したまま、水晶振動子から見た直列等価容量の変化を小さくする方向に、ＩＣチップの間隙及び水晶片と金属カバーとの間隙を設定したので、高さ寸法を小さく維持するとともに衝撃による周波数変化を防止して周波数偏差の厳しい表面実装発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の作用を説明する落下衝撃の特性図である。
【図３】本発明の第２実施例を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図４】本発明の他の適用例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【図５】従来例（及び第３実施例）を説明する表面実装発振器の断面図である。
【図６】従来例を説明する表面実装発振器の回路図である。
【図７】本発明の第１実施例の作用を説明する落下衝撃の特性図である。
【符号の説明】
１  容器本体、２  ＩＣチップ、３  水晶片、４  金属カバー、５  実装電極、６  発振用増幅器、７  帰還抵抗、８  導電性接着剤、９  金属リング、１０高周波素子抵抗．
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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