JP2009284372A - 水晶振動子の恒温構造 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱用のチップ抵抗からの伝熱効率を高め、第２に高さ寸法を小さくした水晶振動子の恒温構造及びこれを用いた恒温型発振器を提供する。
【解決手段】水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子を回路基板４に配設し、前記水晶振動子の動作温度を少なくとも加熱用のチップ抵抗３ａを有する温度制御素子によって一定にし、前記チップ抵抗３ａはチップ母体の一主面に抵抗皮膜の形成されてなる水晶振動子の恒温構造において、前記チップ抵抗３ａは前記水晶振動子の下面側となる前記回路基板４に設けた空所１３に配置されるとともに、前記抵抗皮膜の形成された一主面は前記水晶振動子の下面に対面して配置され、前記水晶振動子は前記空所１３を覆って前記回路基板４上に配置された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子の恒温構造及びこれを用いた恒温型の水晶発振器（以下、恒温型発振器とする）を技術分野とし、特に、水晶振動子の動作温度を一定にする恒温構造に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は一般には恒温槽が用いられ、水晶振動子の動作温度を一定に維持することから周波数安定度が高く（周波数偏差が概ね0.05ppm以下）、例えば光通信用とした基地局等の通信設備に使用される。近年では、これらの通信設備でも小型化が浸透し、その一貫として表面実装型の水晶振動子（以下、表面実装振動子とする）が適用される。このようなものの一つに本出願人によるものがある（特許文献１）。

（従来技術の一例、特許文献１、２）
第４図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は表面実装振動子の底面図、同図（ｃ）は温度制御回路の図である。

恒温型発振器は表面実装振動子１及び発振回路を形成する発振用素子２と、表面実装振動子１の動作温度を一定にする温度制御素子３とを回路基板４に配設し、これらを金属容器５内に密閉封入してなる。表面実装振動子１はセラミックからなる凹状の容器本体６に水晶片１Ａを固着し、金属カバー７を被せて密閉封入する。

容器本体５における外底面（裏面）の４角部には、実装端子としての水晶端子８ａ及びダミー端子８ｂを有する。水晶端子８ａ（２個）は一組の対角部に設けられ、図示しない水晶片の励振電極に接続する。ダミー端子８（２個は）他組の対角部に設けられ、通常では、図示しないビアホール等によって金属カバー７に接続し、例えばアース端子となる。

温度制御素子３は表面実装振動子１の動作温度を一定にし、少なくともチップ抵抗３ａ（例えば２個）、表面実装振動子１Ａの動作温度を検出する温度感応素子３ｂ、及びパワートランジスタ３ｃとを有する。チップ抵抗３ａはセラミックからなるチップ母体の一主面に抵抗皮膜３ｘを有し、両端側に図示しない電極を有する。温度感応素子３ｂは例えば温度上昇とともに抵抗値が低下するサーミスタとする。また、パワートランジスタ３ｃは温度感応素子３ｂの温度に基づく抵抗値によって制御された電力を発熱用のチップ抵抗３ａに供給する。

具体的には、例えば第６図（ａ）に示したように、オペアンプ１２の一方の入力端には温度感応素子３ｂと抵抗Ｒａによる温度感応電圧を、他方の入力端には抵抗Ｒｂ、Ｒｃによる基準電圧を印加する。そして、基準電圧との基準温度差電圧をパワートランジスタ３ｃのベースに印加し、チップ抵抗３ａへ直流電圧ＤＣから電力を供給する。これにより、温度感応素子３ｃの温度に依存した抵抗値によってチップ抵抗３ａへの電力を制御し、表面実装振動子１の動作温度を一定にする。

なお、この例では、温度感応素子３ｂは表面実装振動子１のダミー端子８（ａｂ）の一方あるいは両方に接続する。そして、ダミー端子８ｂはアースには接地せず、浮き電極とする。これにより、温度感応素子３ｂは表面実装振動子１と配線路によって熱的に結合するので、表面実装動子１の動作温度を直接的（リアルタイム）に検出して温度変化に対する応答性を良好にする。

回路基板４は第１基板４ａと第２基板４ｂの二段構造とし、第１基板４ａは金属ピン９によって第２基板４ｂを保持する。第１基板３ａはガラスエポキシとして、表面実装振動子１及びチップ抵抗３ａ、温度感応素子３ｂ、パワートランジスタ３ｃを除く、発振用素子２及び温度制御素子３が下面に配設される。

第２基板４ｂはセラミックとして、上面には表面実装振動子１及び背丈の高いパワートランジスタ３ｃが配設され、下面には発熱用のチップ抵抗３ａ及び温度感応素子３ｂが配設される。そして、第１基板４ａと第２基板４ｂとの間にはチップ抵抗３ａと温度感応素子３ｂを覆うシリコン系の熱伝導性樹脂１０が塗布される。金属容器５は金属ベース５ａとカバー４ｂとからなる。金属ベース５ａの気密端子１１ｂは第１基板４ａを保持し、カバー５は抵抗溶接によって気密封止する。

通常では、金属ベース５ａに金属カバー４ｂを接合する前に、表面実装振動子１の３次曲線となる周波数温度特性を個々に測定する。そして、表面実装振動子１の動作温度とする高温側の極小値の温度が８０℃の場合には、例えば温度制御回路の抵抗Ｒａを調整して表面実装振動子１の動作温度を８０℃に設定する。さらに、発振回路の図示しない調整コンデンサによって発振周波数ｆを公称周波数に一致させる。このことから、抵抗Ｒａ及び調整コンデンサ等の交換を要する調整素子２Ａは、例えば第２基板４ａの外周上に配設される。

このようなものでは、第２基板４ｂは熱伝導性を良好とするセラミックとし、表面実装振動子１を上面に、発熱用のチップ抵抗３ａを下面に配置する。また、第２基板４ｂには、基本的には、チップ抵抗３ａ、温度感応素子３ｂ及びパワートランジスタ３ｃのみを配置するので、第２基板４ｂの平面外形を小さくする。

さらに、第１基板４ａをセラミックよりも熱伝導性に劣るガラスエポキシとするので、金属ピン９を経て熱的に結合した第２基板４ｂからの放熱を少なくする。特に、熱的に結合したリード線１１からの放熱を少なくする。これらから、表面実装振動子１に対するチップ抵抗３ａからの伝熱効率を高める。
特開２００５−３４１１９１号公報 特開２００６−３１１４９６号公報 特開２００７−２７４４５６号公報 特開２００７−２７４４５５号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の恒温型発振器では、第２基板４ｂを熱伝導性の良好なセラミックとするものの、表面実装振動子１と発熱用のチップ抵抗３ａとは第２基板の反対面に配置される。したがって、チップ抵抗３ａによる熱が第２基板４ｂに吸熱にされる。そして、チップ抵抗３ａの直接の熱源となる抵抗皮膜３ｘの設けられた一主面は第１基板４ａ側となる。これらから、したがって、チップ抵抗３ａ（抵抗皮膜３ｘ）からの水晶振動子１の底面に対する伝熱効率の低下する問題があった。

また、第２基板４ｂからの放熱を少なくするため、第２基板４ｂを小さくして基本的にチップ抵抗３ａ、温度感応素子３ｂ及びパワートランジスタ３ｃのみとし、これら以外の発振用素子２や温度制御素子３は第１基板１（ガラスエポキシ）に配設する。したがって、第１基板４ａと第２基板４ｂとの２段構造となるので、高さ寸法が大きくならざるを得ない問題もあった。

（発明の目的）
本発明は第１に発熱用のチップ抵抗からの伝熱効率を高め、第２に高さ寸法を小さくした水晶振動子の恒温構造及びこれを用いた恒温型発振器を提供することを目的とする。

（水晶振動子の恒温構造）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子を回路基板に配設し、前記水晶振動子の動作温度を少なくとも加熱用のチップ抵抗を有する温度制御素子によって一定にし、前記チップ抵抗はチップ母体の一主面に抵抗皮膜の形成されてなる水晶振動子の恒温構造において、前記チップ抵抗は前記水晶振動子の下面側となる前記回路基板に設けた空所に配置されるとともに、前記抵抗皮膜の形成された一主面は前記水晶振動子の下面に対面して配置され、前記水晶振動子は前記空所を覆って前記回路基板上に配置された構成とする。

（恒温型発振器）
本発明の請求項５に示したように、請求項１の前記回路基板を有する水晶振動子の保持構造として、温度制御回路を形成する温度制御素子と、前記水晶振動子とともに発振回路を形成する発振用素子とを、実装端子を有する発振器用容器内に収容して恒温型発振器を構成する。

このような請求項１の構成であれば、発熱用のチップ抵抗は回路基板の空所内に配置されるので、チップ抵抗による熱は空所内に蓄熱される。そして、チップ抵抗の熱源となる抵抗皮膜を有する一主面は水晶振動子の下面と対面するので、水晶振動子の下面への直接的な伝熱量が最も多くなって伝熱効率を高める。したがって、例えば温度感応素子に基づいた応答性を良好にして水晶振動子の動作温度を一定にする。

（恒温型発振器）
また、請求項５の構成であれば、請求項１における水晶振動子の恒温構造とした恒温型発振器なので、水晶振動子の動作温度を一定にして周波数安定度の高い恒温型発振器を得られる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層したガラスエポキシからなる少なくとも第１及び第２基板からなり、前記空所は前記第１基板に設けた開口部による凹部とする。これにより、チップ抵抗を熱伝導性に劣るガラスエポキシとした第２基板の空所に配置され、チップ抵抗の熱源となる抵抗皮膜の設けられた一主面が水晶振動子の底面と直接的に対面して熱的に結合するので、伝熱効率を高められる。

同請求項３では、請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層した少なくとも第１、第２及び第３基板からなり、前記第１及び第３基板はガラスエポキシとして前記第２基板をプリプレグ又は樹脂とし、前記チップ抵抗の下面側であって前記チップ抵抗の上面側となる前記第３基板には金属が充填したビアホール有する。これにより、チップ抵抗は熱伝導性に劣るガラスエポキシとした第１及び第３基板に遮断され、ビアホールを経て表面実装振動子の底面に集中して放熱される。したがって、伝熱効果を高められる。

同請求項４では、請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層した少なくとも第１及び第２基板からなり、前記第１基板はガラスエポキシとして前記第２基板をプリプレグ又は樹脂とする。これにより、第２基板をプリプレグとするので、表面実装振動子からの厚みを小さくできて、チップ抵抗からの熱を表面実装振動子の底面に集中的に放熱できる。したがって、この場合でも、伝熱効果を高められる。

同請求項６では、請求項５において、前記回路基板には前記温度制御素子と前記発振用素子とが配設される。これにより、積層板とした単一の回路基板して、温度制御素子と発振用素子とが配設されるので、高さ寸法を小さくできる。

（第１実施形態）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図である。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。

（水晶振動子の恒温構造）
本実施形態での水晶振動子の恒温構造は、回路基板４を例えばガラスエポキシからなる下側から順に第１及び第２基板４（ａｂ）とした積層板とし、例えば上面を開口した凹部１３ａからなる空所１３を有する。凹部１３ａの開口面は表面実装動子１の底面内とし、表面実装動子１の底面が開口面を覆って回路基板４上に配置される。

そして、発熱用のチップ抵抗３ａが図示しない両端側の電極が空所１３（凹部１３ａ）の内底面に固着される。この場合、チップ抵抗３ａの一主面に形成された熱源としての抵抗被膜３ｘが表面実装動子１の底面に対面する。チップ抵抗３ａは例えば２個として、直列あるいは並列に接続する。そして、例えば図示しない熱伝導性の接着剤が凹部１３ａ内に充填される。

ここでは、温度感応素子３ｂはチップ抵抗３ａと同様に空所１３の内底面に固着され、前述のように表面実装動子１の金属カバー７に接続したダミー端子８ｂに接続する。また、パワートランジスタ３ｃは凹部１３ａ内ではなく、回路基板４の表面に固着される。さらに、チップ抵抗３ａ、温度感応素子３ｂ及びパワートランジスタ３ｃを除く、これら以外の温度感応素子３を回路基板４の表面又は及び裏面に配設する。

このような水晶振動子の恒温構造であれば、発熱用のチップ抵抗３ａは凹部１３ａとした空所１３に配置され、抵抗被膜の形成された一主面が表面実装動子１の底面に対面する。したがって、チップ抵抗３ａによる熱は凹部内に蓄熱されるとともに、表面実装動子１の底面に直接的に伝熱される。したがって、表面実装動子１の底面に対する伝熱効率を高める。そして、凹部１３ａ内に熱伝導性の接着剤を充填するので、さらに伝熱効果を高める。

また、この例では、凹部１３ａの形成される回路基板４を熱伝導性に劣るガラスエポキシとするので、凹部１３ａ内に熱が蓄熱されやすい。そして、ガラスエポキシよりも熱伝導性に優れたセラミックからなる表面実装動子１の底面への伝熱効果がさらに高まる。そして、温度変化に依存して発熱量の異なるパワートランジスタは凹部１３ａ外として、凹部１３ａ内の温度はチップ抵抗３ａのみに依存するので、温度制御を容易にできる。

（恒温型発振器）
恒温型発振器は、このような恒温構造とした回路基板４の表裏面に、表面実装動子１とともに発振回路を形成する発振用素子２を配設する。そして、前述した金属ベース５ａの実装端子としてのリード線１１に回路基板４を保持し、金属カバー５ｂを被せて密閉封入した発振器用容器に収容する。なお、回路基板４は必ずしも密閉封入ではなく、実装端子を有する発振器用容器内に収容されればよい。

したがって、この場合には、表面実装動子の動作温度を周囲温度の変化に拘わらず一定に維持するので、発振周波数を高精度にした高安定の恒温型発振器を得られる。そして、回路基板４を単一として温度感応素子３及び発振用素子２を配設するので、恒温型発振器の高さを小さくできる。

（第２実施形態）
第２図は本発明の第２実施形態を説明する水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器（但し、発振器用容器は除く）の断面図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は簡略又は省略する。

第２実施形態（特許文献４参照）では、回路基板４は第１〜第３基板４（ａｂｃ）を有する積層板とし、第１及び第３基板４（ａｃ）はガラスエポキシとし、第２基板４ｂはガラスや炭素繊維等に樹脂を含浸したプリプレグ又は樹脂とする。この例では、第１基板４ａの積層面に図示しない回路パターンを形成して半溶融状のプリプレグを固着して硬化させる。第２基板４ｂ（プリプレグ）の表面実装振動子１を覆う厚みは皮膜程度の最小とする。

そして、プリプレグの表面に回路パターンやプリプレグにビアホールを設けて、第３基板４ｃを接合する。第３基板４ｃの積層面にはプリプレグの回路パターンに接合する回路パターンを有し、図示しないビアホールによって第３基板３ｃの表面に延出する。ここでは、第３基板３ｃの表面実装振動子１の下面となる第３基板にはビアホール１４が形成される。なお、第３基板４ｃの厚みは第１及び第２基板４（ａｂ）よりも小さくする。

そして、第３基板４ｃの表面上には表面実装動子１が配置され、抵抗皮膜３ｘが形成されたチップ抵抗３ａの一主面と対向（対面）する。この例では、温度感応素子３とパワートランジスタは第３基板の表面上として、温度感応素子３は表面実装動子１に接近してダミー端子に接続する。

このような水晶振動子の恒温構造であれば、チップ抵抗３ａはプリプレグとした第２基板４ｂに埋設され、表面実装振動子１の底面までの距離を最小とする。この場合、表面実装振動子の体積分が空所１３となる。そして、ここでは、表面実装振動子１の底面下となる第３基板４ｃにビアホール（金属）１４を設ける。したがって、第２基板に埋設されたチップ抵抗３ａ（抵抗皮膜３ｘ）からの熱は、熱伝導性に優れたビアホール１４を経て表面実装振動子１の底面に集中的に放熱される。

したがって、従来例に比較して伝熱効率に優れて一定な温度に維持する水晶振動子の恒温構造となる。そして、温度制御回路を形成する温度制御素子３と、表面実装動子とともに発振回路を形成する発振用素子３とを、図示しない実装端子を有する発振器用容器内に収容して恒温型発振器を構成することにより、発振周波数を高精度にして高さを小さくできる。

なお、この例においては、第１基板４ａの積層面側にはチップ抵抗３ａのみを配設したが、例えば他の発振用素子２や温度制御素子３を配設して高さ寸法を小さくすることもできる。さらに、第３基板４ｃの積層面側にもこれらの素子を配置することもできる。

（第３実施形態）
第３図は本発明の第３実施形態を説明する水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器（（但し、発振器用容器は除く）の断面図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は簡略又は省略する。

第３実施形態では、回路基板４は第１基板４ａと第２基板４ｂとからなり、第１基板４ａはガラスエポキシとして、第２基板４ｂは前述のプリプレグとする。ここでも、プリプレグは半溶融状とし、チップ抵抗３ａを覆って固着された後、硬化される。そして、第２基板４ｂの積層面及び第２基板４ｂの表面には前述したように図示しない回路パターンが形成され、第２基板４ｂのビアホールによって電気的に接続する。

要するに、第２実施形態での第３基板４ｃを排除した構成とする。但し、ここでは表面実装振動子１の底面下にはビアホール１４は形成しない。勿論、水晶振動子の下面となる第２基板４ｂにビアホールを設けてもよい。なお、この例においても、プリプレグに代えて樹脂であってもよい。

この場合でも、表面実装振動子１を覆う第２基板４ｂの厚みは被膜程度の最小とするので、チップ抵抗３ａ（抵抗被膜３ｘ）からの熱は、表面実装振動子の底面に集中する。したがって、第２実施形態に比較して高さ寸法をさらに小さくできて、伝熱効果を高められる。なお、第３実施形態においても第２実施形態と同様に第１基板４ｃの積層面側に発振用素子２や温度制御素子３を配置してさらに小型化できる。

（他の事項）
上記実施形態では表面実装動子を対象とした恒温構造としたが、図示しないリード線の導出した金属ベース上に水晶片を保持して金属カバーを被せた水晶振動子の場合であっても基本的に適用できる。この場合、リード線は折曲されて水晶振動子（金属カバー）の主面が回路基板に対面して固着される。

また、第１〜第３実施形態では積層基板の少なくともいずれかにガラスエポキシを適用したが、例えばセラミック等の他の材料であっても、基本的には、表面実装振動子の下面となる空所に表面実装振動子を配置して伝熱効果を高められ、これを本発明から除外するものではない。

本発明の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図である。 本発明の第２実施形態を説明する水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器（但し、発振器用容器は除く）の断面図である。 本発明の第３実施形態を説明する水晶振動子の恒温構造に基づいた恒温型発振器（（但し、発振器用容器は除く）の断面図である。 一従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は表面実装振動子の底面図、同図（ｃ）は温度制御回路の図である。

符号の説明

１ 表面実装振動子、２ 発振用素子、３ 温度制御素子、４ 回路基板４、５ 金属容器、６ 容器本体、７ 金属カバー、８ 実装端子、９ 金属ピン、１０ 熱伝導性樹脂、１１ 気密端子、１２ オペアンプ、１３ 空所、１４ 貫通孔（ビアホール）。

Claims (6)

1. 水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子を回路基板に配設し、前記水晶振動子の動作温度を少なくとも加熱用のチップ抵抗を有する温度制御素子によって一定にし、前記チップ抵抗はチップ母体の一主面に抵抗皮膜の形成されてなる水晶振動子の恒温構造において、前記チップ抵抗は前記水晶振動子の下面側となる前記回路基板に設けた空所に配置されるとともに、前記抵抗皮膜の形成された一主面は前記水晶振動子の下面に対面して配置され、前記水晶振動子は前記空所を覆って前記回路基板上に配置されたことを特徴とする水晶振動子の恒温構造。
2. 請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層したガラスエポキシからなる少なくとも第１及び第２基板からなり、前記空所は前記第１基板に設けた開口部による凹部である水晶振動子の恒温構造。
3. 請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層した少なくとも第１、第２及び第３基板からなり、前記第１及び第３基板はガラスエポキシとして前記第２基板をプリプレグ又は樹脂とし、前記チップ抵抗の下面側であって前記チップ抵抗の上面側となる前記第３基板には金属が充填したビアホール有する水晶振動子の恒温構造。
4. 請求項１において、前記回路基板は下側から順に積層した少なくとも第１及び第２基板からなり、前記第１基板はガラスエポキシとして前記第２基板をプリプレグ又は樹脂とした水晶振動子の恒温構造。
5. 請求項１の前記回路基板を有する水晶振動子の保持構造として、温度制御回路を形成する温度制御素子と、前記水晶振動子とともに発振回路を形成する発振用素子とを、実装端子を有する発振器用容器内に収容してなる恒温型の水晶発振器。
6. 請求項５において、前記回路基板には前記温度制御素子と前記発振用素子とが配設された恒温型の水晶発振器。

Images