JP2005223395A - 高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】形状を更に薄型化すると共に、電源投入後の立ち上がり特性が優れ、更には、耐衝撃性を向上させた信頼性の高い高安定水晶発振器を提供する
【解決手段】水晶振動子２と発振回路用部品３とをサブプリント基板４に搭載した水晶発振器ユニット５を、ベースプリント基板１４の所定の位置に金属支柱１５を用いて固定すると共に、サブプリント基板４と対向するベースプリント基板１４に、サブプリント基板４よりやや大きめの面積を有する金属膜１６を形成する。そこにヒーター１７の放熱部を直接接触させて固定し、金属膜１６とおおよそ同等の開口部面積を有する熱筒１８の下端周囲を、金属膜１６の外周部に沿ってハンダ等により接着固定して、サブプリント基板４に搭載された水晶発振器ユニット５を封止する。又、金属膜１６の外側の領域には、温度制御回路部品を搭載する。
【選択図】 図１

Description

本発明は高安定圧電発振器に関し、特に熱筒構造を改良して効率良い機密性を保ち、安定した発振動作を行いつつ、小型、薄型化した高安定圧電発振器に関するものである。

安定した周波数信号を供給する水晶発振器は、通信機器、電子機器等にクロック源として広く用いられているが、周囲温度の変動により数十ｐｐｍ程度の周波数変動を生じるため、その電気的特性を更に向上させた高安定水晶発振器が使用されることも多い。高安定水晶発振器は、水晶発振器の発振周波数の安定性を更に高めるため、周囲温度の影響を受けない方策として恒温槽を使用するものであり、水晶振動子と発振回路を構成する電気部品とを金属ブロックから成る恒温槽に収容し、ベースとなるプリント基板に実装した加熱用のヒーターを用い、恒温槽を８０°C程度に加熱して一定に保つことにより、外界の温度変動による周波数変動を抑圧したものである。

図５に、従来の高安定水晶発振器の構造例を示す。高安定水晶発振器１は、水晶振動子２と発振回路用部品３とをサブプリント基板４に搭載している水晶発振器ユニット５を、金属ブロックから成る熱筒６に収容し、この熱筒６の底面にはヒーター７を取り付けており、更に金属支柱１０を介して空中に保持するようベースプリント基板９より浮かせて固定している。これは、高安定水晶発振器の外部と熱筒６との熱結合を疎とした上で、ヒーターを用いて熱筒６内部の温度の安定化を図るためである。又、ベースプリント基板９の全体を金属ケース１１で覆うと共に、ベースプリント基板９の裏面には、外部接続用のリード端子１２が設けられている。

このような高安定水晶発振器は、内部に恒温槽を設けているため外形が比較的大きなものが多く、装置の構成が大規模な通信網の基地局等の基準周波数源として多く使用されていた。 しかし、近年、このような基地局においても装置の小型化が必要となり、高安定水晶発振器においても小型化が求められるようになってきた。従来の高安定水晶発振器の構造は、前述したように、水晶振動子と発振回路部品を収容した熱筒をベースプリント基板より浮かせて取り付けているため、高安定水晶発振器の薄型化を妨げる要因の一つとなっていた。そこで、高安定水晶発振器を薄型化する手段として、前記熱筒を小型化及び軽量化するため、金属ブロックではなく板金を折り曲げて加工したケース状とする方法が考えられている。

一方、高安定水晶発振器を薄型とするため、特開平５−８３０７５号公報に提示されているように、水晶振動子と恒温槽、或いは熱筒となる金属ブロックを横置きとして薄型化を図ったもの、特開２０００−１０１３５０号公報に提示されているように、金属ブロックを廃止してプリント基板上に配置したヒーターを水晶振動子パッケージに直接接触させて加熱する事により薄型化を図ったもの、特開２００２−３１４３３９号公報に提示されているように、恒温槽、或いは熱筒となる金属ブロックの形状を小型化して薄型化を図ったもの等が提案されている。
特開平５−８３０７５号公報 特開２０００−１０１３５０号公報 特開２００２−３１４３３９号公報

しかしながら、図５に示した従来の高安定水晶発振器は、熱筒を小型化及び軽量化するため、金属ブロックではなく板金を折り曲げて加工したケース状とし薄型化出来るものの、更に高安定水晶発振器を薄型化する上では限界があり、又、ヒーターにより熱筒を加熱した際に、ヒーター⇒熱筒⇒ピン⇒サブプリント基板⇒水晶振動子、及び発振回路用部品と伝熱してゆくため、熱伝導の経路が長く、高安定水晶発振器を起動してから発振周波数が安定するまでの時間が長くなり、高安定水晶振動子を使用する上で問題となっていた。

一方、高安定水晶発振器は高い信頼性が要求され、数十年に亘る長期の性能保証が求められる場合が多いが、従来の高安定水晶発振器は、金属支柱により熱筒を空中に固定していたため、特に横方向への支持剛性は低くなっており、高安定水晶発振器が想定外の強い衝撃を受けた時に、金属支柱が変形した状態になれば電気的性能や信頼性に多大な影響を与える。又、衝撃により金属支柱の弾性や粘性によって一瞬、或いは一時的に金属支柱が変形しケースに接触すれば、電気的短絡やケースへの熱の放散が発生し、性能の変化や回路部品の破壊を引き起こすことも想定される。

本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであって、形状を更に薄型化すると共に、電源投入後高安定水晶発振器が安定した周波数信号を出力するまでの時間を短縮させ、更には、耐衝撃性を向上させた信頼性の高い高安定水晶発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係わる高安定圧電発振器は、以下の構成をとる。
請求項１記載の高安定圧電発振器は、圧電振動子と発振回路用部品を収容した熱筒を有する高安定圧電発振器において、圧電振動子と発振回路用部品とを搭載したサブプリント基板をベースプリント基板に立設した複数の金属支柱を用いて接続固定し、ベースプリント基板のサブプリント基板側に、サブプリント基板よりやや大きめの面積を有する金属膜を形成すると共に、該金属膜の所定の位置にヒーターを接触固定し、開口部を有する熱筒の該開口縁部と前記金属膜の外周部とをハンダ接合して前記サブプリント基板とヒーターとを封止すると共に、ベースプリント基板の金属膜の外側に、温度制御回路部品を搭載するよう構成する。

請求項２記載の高安定圧電発振器は、前記ベースプリント基板の金属膜の外周部の外側に、金属膜を囲むように複数のスリットを設けるよう構成する。

請求項３記載の高安定圧電発振器は、発振器内部に圧電振動子と発振回路用部品とを保温する構造を備えた高安定圧電発振器において、多層構造のベースプリント基板の一部に金属膜によるベタパターンが内装され、該ベタパターン部分の表面に圧電振動子と発振回路用部品とを搭載し、前記ベタパターンをベースプリント基板の表面に所定の大きさだけ露出させ、該露出部分に、ヒーターを接触固定すると共に、ベースプリント基板の裏面に温度制御回路部品を搭載するよう構成する。

請求項４記載の高安定圧電発振器は、前記ベースプリント基板のベタパターンの外周部の外側に、ベタパターンを囲むように複数のスリットを設けるよう構成する。

請求項１記載の発明は、水晶振動子及び発振回路用部品を搭載したサブプリント基板をベースプリント基板に取り付け後、下面に開口部を有する熱筒をベースプリント基板に直接ハンダ接合して前記サブプリント基板を封止すると共に、熱筒内をヒーターにて加熱することによりサブプリント板を保温した。従って、従来の高安定水晶発振器に比べその構造を薄型化すると共に、サブプリント基板を所定の温度に保温するまでの時間が短縮され、電源投入後短時間で安定した周波数信号を得ることが可能となり、高安定水晶発振器を使用する上で大きな効果を発揮する。又、熱筒の構造は開口部を有する簡易なものとなり、高安定水晶発振器のコストを低減することが可能である。

請求項２記載の発明は、ベースプリント基板の加熱した部分の外周に、外周を囲むよう複数のスリットを設けたため、過熱した熱がベースプリント基板を介して外部に放熱することを防止出来、より安定した水晶発振器を得られることから、高安定水晶発振器を使用する上で大きな効果を発揮する。

請求項３記載の発明は、熱筒を省略して水晶振動子及び発振回路用部品を搭載したベースプリント基板を直接加熱したので、従来の高安定水晶発振器に比べその構造を薄型化すると共に、水晶振動子及び発振回路用部品を所定の温度に保温するまでの時間が短縮され、電源投入後短時間で安定した周波数信号を得ることが可能となり、高安定水晶発振器を使用する上で大きな効果を発揮する。又、熱筒を省略したことから、高安定水晶発振器のコストを低減することが可能である。

請求項４記載の発明は、ベースプリント基板の加熱した部分の外周に、外周を囲むよう複数のスリットを設けたため、過熱した熱がベースプリント基板を介して外部に放熱することを防止出来、より安定した水晶発振器を得られることから、高安定水晶発振器を使用する上で大きな効果を発揮する。

以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
第一の実施例を説明すると、従来、高安定水晶発振器は、ヒーターを用いて熱筒内部の温度の安定化を図るために、熱筒を金属支柱を用いて空中に保持するようベースプリント基板より浮かせた構造を採用していたが、本実施例においてはこれを止め、水晶振動子及び発振回路用部品を搭載したサブプリント基板をベースプリント基板に取り付け後、下面に開口部を有する熱筒をベースプリント基板に直接ハンダ接合して前記サブプリント基板を封止すると共に、熱筒内に設置したヒーターにより加熱することによりサブプリント板に搭載された水晶振動子及び発振回路用部品を所定の温度に保温した。

図１は、本発明に係る高安定水晶発振器の第一の実施例を示す構造図であり、図１（ａ）は高安定水晶発振器の構造を説明するための図を示し、図１（ｂ）はベースプリント基板の上面図を示す。
図１（ａ）を説明すると、高安定水晶発振器１３は、水晶振動子２と発振回路用部品３とをサブプリント基板４に搭載している水晶発振器ユニット５を、ベースプリント基板１４の所定の位置に金属支柱１５を用いて固定すると共に、固定したサブプリント基板４と対向するベースプリント基板１４に、サブプリント基板４よりやや大きめの面積を有する金属膜１６を形成する。該金属膜１６には、ヒーター１７の放熱部を直接接触させて固定し、金属膜１６とおおよそ同等の開口部面積を有する熱筒１８の下端周囲を、金属膜１６の外周部に沿ってハンダ等により接着固定して、サブプリント基板４に搭載された水晶発振器ユニット５とヒーター１７とを封止する。

本実施例においては、ヒーター１７として、温度制御回路を構成する部品であり、動作時発熱するパワートランジスタを使用し、熱筒１８内の金属膜１６を過熱して熱筒１８内を所定の温度に保温する。
又、ベースプリント基板１４の金属膜１６の外側に、温度制御回路部品を搭載すると共に（図（ａ）には図示していない）、ベースプリント基板１４の全体を金属ケース１９で覆い、ベースプリント基板１４の裏面には、高安定水晶発振器１３をメインプリント基板等に固定するための外部接続用リード端子１２を設けている。

次に、図１（ｂ）を説明すると、ベースプリント基板１４には、金属膜１６として熱筒１８の開口部とおおよそ同等のベタパターンが設けられており、パワートランジスタから成るヒーター１７を放熱部が直接金属膜１６に接触するよう搭載すると共に、金属膜１６の外周部に熱筒１８の開口部の下端周囲をハンダ接合する。又、符号２０は、水晶発振器ユニット５を固定するための金属支柱１５の取り付け穴である。一方、ベースプリント基板１４の金属膜１６より外側の外周部の領域には、温度制御回路部品２１を搭載し、符号２２は、高安定水晶発振器１３をメインプリント基板等に固定するためのリード端子１２の取り付け穴である。

そこで、本発明に係わる第一の実施例における高安定水晶発振器１３は上述したような構造であるので、電源を投入すると、パワートランジスタから成るヒーター１７の放熱部が発熱することにより、金属膜１６が加熱され、次第に金属膜１６全体に放熱されることにより熱筒１８が過熱され、所定の温度で熱筒１８の内部を保温する。一方、金属膜１６が加熱されることにより水晶発振器ユニット５を支持している金属支柱１５を経由して水晶発振器ユニット５を構成するサブプリント基板４が過熱され、従ってサブプリント基板４に搭載されている水晶振動子２や発振回路用部品３も所定の温度に保温される。本実施例においては、上述したように二つの経路で熱伝導するため、高安定水晶発振器の電源を投入してから所定の温度に保温されるまでの時間が短縮される。

又、従来のように熱筒を、金属支柱を用いて空中に保持するようベースプリント基板より浮かせた構造を止めて、熱筒の開口部をベースプリント基板に直接ハンダ接合したため、高安定水晶発振器の構造を薄型化すると共に、耐衝撃性を向上させた信頼性の高い高安定水晶発振器を実現出来る。熱筒は下面に開口部を有し、ベースプリント基板に形成した金属膜を熱筒のベースに代用しているため、熱筒の構造を簡素化させて高安定水晶発振器の低コスト化に貢献する。

次に、第一の実施例に示した高安定水晶発振器の変形例を示す。
図２は、本発明に係る高安定水晶発振器の第二の実施例を示すベースプリント基板の上面図である。本第二の実施例は、第一の実施例において示した構造と同様な構造であるが、金属膜１６をヒーター１７により加熱した際に、加熱した熱が加熱領域以外のベースプリント基板１４に放熱しないよう、加熱領域の四方に沿ってベースプリント基板１４に複数のスリット２３を設けたものである。従って本実施例によれば、熱筒内部の保温効果が高まり、より安定した高安定水晶発振器の電気的性能を得ることが可能となる。

次に、高安定水晶発振器の第三の実施例を示す。
図３は、本発明に係る高安定水晶発振器の第三の実施例を示す構造図であり、図３（ａ）は高安定水晶発振器の構造を説明するための図を示し、図３（ｂ）はベースプリント基板の上面図を示す。本実施例は、水晶振動子及び発振回路用部品から構成される水晶発振器部品をその一部を多層基板化したベースプリント基板の多層化部分に直接取り付けており、この水晶発振器部品を取り囲むようにベースプリント基板の多層化部分に金属膜によるベタパターンを内装した。更に、該ベタパターンをベースプリント基板の表面に所定の大きさだけ露出させ、露出したベタパターン部分にヒーターの放熱部を接触させて取り付け、ヒーターが発熱することにより前記ベタパターン全域を加熱して前記水晶発振器部品を保温する構造とし、この実施例においては、水晶発振器部品を直接過熱して保温するため、熱筒を省略した。

図３（ａ）を説明すると、高安定水晶発振器２４は、その一部を多層基板化したベースプリント基板２５の多層化部分に水晶振動子２及び発振回路用部品３からなる水晶発振器部品２６を搭載し、該水晶発振器部品２６を取り囲むようにベースプリント基板２５の多層化部分に金属膜によるベタパターン２７を内装すると共に、該ベタパターン２７を所定の大きさだけベースプリント基板２５の表面に露出させ、この露出しているベタパターン部分にヒーター１７の放熱部分を直接接触させて固定し、ベタパターン２７の全域を加熱する事により水晶発振器部品２６を保温する構造である。

本実施例においては、ヒーター１７として、温度制御回路を構成する部品であり、動作時発熱するパワートランジスタを使用している。前述したように、水晶発振器部品２６を搭載するベースプリント基板２５の領域は、内層にベタパターン２７を形成するため多層基板となっており、水晶発振器部品２６への電源の供給や発振周波数出力を外部に取り出すためにスルーホールが設けられている。又、ベースプリント基板２５の裏面には、温度制御回路部品２１を搭載すると共に、高安定水晶発振器２４をメインプリント基板等に固定するための外部接続用リード端子１２を設けており、更に、ベースプリント基板２５の全体を金属ケース２８で覆っている。

次に、図３（ｂ）を説明すると、ベースプリント基板２５には、一部多層化して水晶発振器部品２６を搭載している領域を囲むように内層にベタパターン２７を形成すると共に、その一部をベースプリント基板２５の表面に露出しており、この露出部分のベタパターンにヒーター１７の放熱部分を直接接触させて固定している。又、符号２９は、高安定水晶発振器２４をメインプリント基板等に固定するためのリード端子１２の取り付け穴である。
そこで、本発明に係わる第三の実施例における高安定水晶発振器２４は上述したような構造であるので、電源を投入すると、パワートランジスタから成るヒーター１７が発熱することによりベタパターン２７部分が加熱され、ベースプリント基板２５の水晶発振器部品２６を搭載した周辺領域が保温される。ヒーター１７は、ベースプリント基板２５の水晶発振器部品２６を搭載した領域を直接加熱するので、高安定水晶発振器２４の電源を投入してから所定の温度に保温されるまでの時間が短縮される。

又、従来のように熱筒を、金属支柱を介して空中に保持するようベースプリント基板より浮かせた構造を止めて、ベースプリント基板に水晶発振器部品を搭載してベースプリント基板を直接加熱したので、高安定水晶発振器の構造を一段と薄型化すると共に、耐衝撃性を向上させた信頼性の高い高安定水晶発振器を実現出来る。更に、熱筒を省略した構造であることから低コスト化に貢献する。

次に、第三の実施例に示した高安定水晶発振器の変形例を示す。
図４は、本発明に係る高安定水晶発振器の第四の実施例を示すベースプリント基板の上面図である。本第四の実施例は、第三の実施例において示した構造と同様な構造であるが、ベタパターン２７をヒーター１７により加熱した際に、加熱した熱が加熱領域以外のベースプリント基板２５に放熱しないよう、加熱領域の四方に沿ってベースプリント基板２５に複数のスリット３０を設けたものである。従って本実施例によれば、ベースプリント基板２５の水晶発振器部品２６を搭載した領域の保温効果が高まり、より安定した高安定水晶発振器の電気的性能を得ることが可能となる。

以上、発明の詳細について圧電発振器として水晶発振器を実施例として説明したが、本発明はこれに限られたものではなく、他の圧電振動子を使用した圧電発振器についても適応可能である。

本発明に係る高安定水晶発振器の第一の実施例を示す構造図である。 本発明に係る高安定水晶発振器の第二の実施例を示すベースプリント基板の上面図である。 本発明に係る高安定水晶発振器の第三の実施例を示す構造図である。 本発明に係る高安定水晶発振器の第四の実施例を示すベースプリント基板の上面図である。 従来の高安定水晶発振器の構造例である。

符号の説明

１・・高安定水晶発振器、 ２・・水晶振動子、
３・・発振回路用部品、 ４・・サブプリント基板、
５・・水晶発振器ユニット、 ６・・熱筒、
７・・ヒーター、 ８・・温度制御回路部品、
９・・ベースプリント基板、 １０・・金属支柱、
１１・・金属ケース、 １２・・リード端子、
１３・・高安定水晶発振器、 １４・・ベースプリント基板、
１５・・金属支柱、 １６・・金属膜、
１７・・ヒーター、 １８・・熱筒、
１９・・金属ケース、 ２０・・取り付け穴、
２１・・温度制御回路部品、 ２２・・取り付け穴、
２３・・スリット、 ２４・・高安定水晶発振器、
２５・・ベースプリント基板、 ２６・・水晶発振器部品、
２７・・ベタパターン、 ２８・・金属ケース、
２９・・取り付け穴、 ３０・・スリット

Claims (4)

1. 圧電振動子と発振回路用部品を収容した熱筒を有する高安定圧電発振器において、
   圧電振動子と発振回路用部品とを搭載したサブプリント基板をベースプリント基板に立設した複数の金属支柱を用いて接続固定し、
   ベースプリント基板のサブプリント基板側に、サブプリント基板よりやや大きめの面積を有する金属膜を形成すると共に、該金属膜の所定の位置にヒーターを接触固定し、
   開口部を有する熱筒の該開口縁部と前記金属膜の外周部とをハンダ接合して前記サブプリント基板とヒーターとを封止すると共に、ベースプリント基板の金属膜の外側に、温度制御回路部品を搭載したことを特徴とする高安定圧電発振器。
2. 前記ベースプリント基板の金属膜の外周部の外側に、金属膜を囲むように複数のスリットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の高安定圧電発振器。
3. 発振器内部に圧電振動子と発振回路用部品とを保温する構造を備えた高安定圧電発振器において、
   多層構造のベースプリント基板の一部に金属膜によるベタパターンが内装され、該ベタパターン部分の表面に圧電振動子と発振回路用部品とを搭載し、
   前記ベタパターンをベースプリント基板の表面に所定の大きさだけ露出させ、該露出部分に、ヒーターを接触固定すると共に、ベースプリント基板の裏面に温度制御回路部品を搭載したことを特徴とする高安定圧電発振器。
4. 前記ベースプリント基板のベタパターンの外周部の外側に、ベタパターンを囲むように複数のスリットを設けたことを特徴とする請求項３に記載の高安定圧電発振器。
   

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