JP2010093536A

JP2010093536A - 恒温型の水晶発振器

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Publication number: JP2010093536A
Application number: JP2008261426A
Authority: JP
Inventors: Manabu Ito; 学伊藤
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: US7965146B2; CN101719756B; CN101719756A; JP4739387B2; US20100085125A1

Abstract

【課題】高さ寸法を小さくして作業性を良好にし、温度分布を均一にする恒温型発振器を提供する。
【解決手段】水晶片を密閉封入した水晶振動子１と、発振段及び緩衝段を有する発振出力回路と、温度補償回路と、水晶振動子１と発振出力回路及び温度補償回路の回路素子４とを配設する回路基板５を備え、温度補償回路は発熱用のチップ抵抗と、パワートランジスタと、温度感応素子とを有し、回路基板５の一側板面には第１熱伝導性樹脂１５ａを介在させて水晶振動子１の主面が対向して配設されると共に、チップ抵抗は水晶振動子１に隣接して配設され、水晶振動子１と第２熱伝導性樹脂１５ｂによって熱的に結合した恒温型水晶発振器に於いて、水晶振動子１はフランジ１４を回路基板５の溝１６に挿入し、加熱抵抗は水晶振動子１の一対のリード線間を含んでリード線１２を挟み込み、水晶振動子１の外周を取り囲んで回路基板５の一側板面に配設された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明はリードタイプの水晶振動子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、特に高さ寸法を小さくした恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は水晶振動子の動作温度を一定として、周囲温度が変化しても周波数安定度を高めることから、例えば基地局とした通信設備の無線機器に適用される。近年では、旧来の熱線を券回した恒温槽に代えて熱源を加熱抵抗として恒温構造を簡易にする。このようなものの一つに、リードタイプの水晶振動子を用いた恒温型発振器がある。

（従来技術の一例）
第２図及び第３図は一従来例を説明する図で、第２図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は同回路図、第３図（ａ）は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は同周波数温度特性図である。

恒温型発振器（第２図）はリードタイプの水晶振動子１と、発振出力回路２及び温度制御回路３を形成する各回路素子４と、水晶振動子１を含む回路素子４を配設する回路基板５とを有する。そして、発振器用ベース（金属ベース）７のガラス６によって気密化されたリード線８（所謂気密端子）によって回路基板５を保持し、抵抗溶接等によって発振器用カバー（金属カバー）９を被せてなる。この場合、発振器用ベース４と発振器用カバー９との外周に突出したフランジ１０が接合して密閉封入する。

水晶振動子１（第３図）は金属ベース１１の一対のリード線（気密端子）１２に接続したサポータ１２ａによって、水晶片１Ａの励振電極１ｘから引出電極１ｙの延出した両端部を保持する。そして、金属ベース１１と金属カバー１３とのフランジ１４を前述同様に抵抗溶接によって接合し、水晶片１Ａを密閉封入する。水晶片１Ａは例えばＳＣカットやＡＴカットとし、８０℃近傍を極値とした周波数温度特性を有する。例えばＡＴカットでは三次曲線「第３図（ｂ）の曲線イ」となり、ＳＣカットでは二次曲線（同図の曲線ロとする）となる。なお、図の縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆで、ｆは常温での周波数、Δｆは常温での周波数ｆに対する周波数差である。

発振出力回路２は、発振回路としての発振段２ａと緩衝増幅器等を有する緩衝段２ｂとからなる。発振段２ａは水晶振動子１とともに共振回路を形成する図示しない分圧コンデンサ及び発振用トランジスタを有するコルピッツ型とする。ここでは、例えば発振ループ内に電圧可変容量素子４Cvを有する電圧制御型とする。図中のＶccは電源、Ｖoutは出力、Ｖcは制御電圧である。

温度制御回路３は、オペアンプ４OAの一方の入力端に温度感応素子（例えばサーミスタ）４thと抵抗４R1による温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４R2、４R3による基準電圧Ｖrを印加する。そして、基準電圧Ｖrと温度感応電圧Ｖtとの差電圧をパワートランジスタ４Trのベースに印加し、発熱素子としてのチップ抵抗（以下、加熱抵抗４ｈとする）４ｈへ電源Ｖccからの電力を供給する。これにより、温度感応素子４th４thの温度に依存した抵抗値によって加熱抵抗４ｈへの電力を制御し、水晶振動子１の動作温度を一定にする。動作温度は例えば常温以上での極小値又は極大値となる８０℃近傍とする（前第３図）。

回路基板５（前第２図）は例えばガラスエポキシ基板として図示しない回路パターンが形成され、水晶振動子１を含む各回路素子４が両主面に配設される。そして、発振器用ベースのリード線８に保持される。この例では、水晶振動子１と、温度補償回路のうちの加熱抵抗４ｈ、パワートランジスタ４Tr及び温度感応素子４thとが回路基板５の一側板面に配設される。回路基板５の一側板面（下面）は発振器用ベース７側とし、他側板面（上面）を発振器用カバー９側とする。

水晶振動子１は主面が回路基板５の一側板面に対向し、回路基板の中央領域に配設された例えば２個の加熱抵抗４ｈに当接する。そして、一対のリード線１２が折曲して回路基板５を貫通し、他側板面にて図示しない半田等によって固着される。パワートランジスタ４TRは水晶振動子１の外側として、温度感応素子４thが加熱抵抗４ｈの間に温度感応素子４thが配設される。これらの水晶振動子１及び回路素子４ｈ、４Tr、４thは熱伝導性樹脂１５によって覆われる。ここでは、温度に依存して特性の変化が大きい電圧可変容量素子４Cvが加熱抵抗４ｈの間に配設される。

これら以外の発振出力回路２及び温度補償回路の回路素子４が回路基板５の他側板面とした上面や、一側板面とした下面の熱伝導樹脂１３の領域外となる外周部に配設される。特に、発振周波数に影響を及ぼす発振段２ａの各回路素子４は熱伝導性樹脂１５で覆われた領域に対向した回路基板５の上面に配置される。また、例えば発振周波数を調整するコンデンサ等の調整素子は回路基板５の上面に配設され、調整を容易にする。

そして、例えば調整素子としての半田付けされたコンデンサや抵抗の交換作業を要する場合は、回路基板５をガラスエポキシ基板とすることによって、調整素子の半田付けによる交換作業を容易にする。すなわち、半田付け時の熱がガラスエポキシによって蓄熱されるので、半田付けを容易にする。例えばセラミック基板とした場合は、熱が逃げやすく、交換時の半田付け作業が困難になる。
特開２０００−３１５９１６号公報特開２００６−３１１４９６号公報特開平２００５−３４１１９１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、加熱抵抗４ｈ上に水晶振動子１の主面を当接して配置するので、高さ寸法が大きくなる問題があった。このことから、例えば第４図に示したように、水晶振動子１の下面から加熱抵抗を除去し、水晶振動子の外周を取り囲んで複数の加熱抵抗を配置する。これにより、高さ寸法を小さくすることが考えられた。なお、第４図では便宜的に加熱抵抗４th等は便宜的に省略している。

しかし、この場合には、水晶振動子１のフランジ１４が回路基板２に当接して傾斜するので、フランジの突出分が高くなる。そして、一対のリード線の屈曲部に負荷が加わり、例えば気密端子のガラスにクラックを生じたりして、回路基板に対する取付作業を困難にする問題があった。さらには、金属ベース側での熱伝導樹脂の厚みが大きくなって、金属カバーの主面からの回路基板に対する熱伝導が不均一になる問題もあった。

（発明の目的）
本発明は高さ寸法を小さくして作業性を良好にし、さらには温度分布を均一にする恒温型発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、一対のリード線が導出した金属ベースと金属カバーとのフランジが接合して水晶片を密閉封入した水晶振動子と、前記水晶振動子とともに形成される発振段及び緩衝段を有する発振出力回路と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路と、前記水晶振動子と前記発振出力回路及び前記温度制御回路の回路素子とを配設する回路基板とを備え、前記温度制御回路は発熱用のチップ抵抗と、前記チップ抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子とを少なくとも有し、前記回路基板の一側板面には第１熱伝導性樹脂を介在させて前記水晶振動子の主面が対向して配設されるとともに、前記発熱用のチップ抵抗は前記水晶振動子に隣接して配設され、前記水晶振動子と第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合した恒温型の水晶発振器であって、前記水晶振動子は前記フランジを前記回路基板に設けられた溝に挿入され、前記水晶振動子の主面は前記第１熱伝導性樹脂を介在させて前記回路基板の一側板面と密着し、前記加熱抵抗は前記水晶振動子の一対のリード線間を含んで前記リード線を挟み込むとともに、前記水晶振動子の外周を取り囲んで前記回路基板の一側板面に配設された構成とする。

このような構成であれば、水晶振動子のフランジが回路基板の溝に挿入されるので、水晶振動子（金属カバー）の主面は回路基板の一側板面に対して基本的に水平方向となる。したがって、フランジの突出分に応答して高さを小さくできる。そして、水晶振動子の主面と回路基板の一側板面との間隙を最小にして第１熱伝導樹脂の厚みも小さくなる。これにより、金属カバーの主面からの回路基板に対する伝導熱を最大とした上で、回路基板の温度分布を均一にできる。また、水晶振動子を回路基板に取り付ける際、特に一対のリード線が回路基板を挿通して接続する場合、屈曲部に加わる負荷も小さくなって作業性を良好にできる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記第１熱伝導性樹脂は粘着性の樹脂シートとし、前記第２熱伝導性樹脂は液状樹脂を塗布して硬化する。これにより、第１熱伝導性樹脂を樹脂シートとするので、液状樹脂を塗布する場合よりも作業性を良好にする。

同請求項３では、請求項１において、前記水晶振動子と加熱抵抗とが前記第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合した回路基板の平面領域を熱結合領域とし、前記回路基板の一側板面とは反対面となる他側板面の前記熱結合領域には、前記発振段の回路素子が配設される。これにより、特に発振周波数に影響を及ぼす発振段の回路素子の動作温度も安定するので、これらの回路素子の温度特性による周波数変化を防止できる。

同請求項４では、請求項１において、前記回路基板はガラスエポキシ基板として発振器用ベースのリード線に保持され、前記発振器用ベースには発振器用カバーが接合して発振器用容器を形成し、前記水晶振動子の配設された前記回路基板の一側板面は前記発振器用ベースに対向し、前記回路基板の他側板面には調整用の回路素子が配設される。これにより、例えば発振周波数の調整を容易にできる。特に、ガラスエポキシ基板とするので、調整用の回路素子の取り外しによる交換を要する場合は、半田付け作業を容易にできる。

同請求項５では、請求項１において、前記回路基板の一側板面には前記水晶振動子及び前記発熱用のチップ抵抗とともに前記温度感応素子が配設されて、前記第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合して熱結合領域とする。これにより、発熱用のチップ抵抗（熱源）と水晶振動子と温度感応素子とを熱的に結合するので、これらの温度を均一にしてリアルタイムな温度制御を可能にする。

第１図は本発明の一実施形態を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の便宜的な断面図、同図（ｂ）は回路基板の下面となる一側板面の平面図である。

恒温型発振器は、前述のように、金属ベース１１と金属カバー１３とのフランジ１４を抵抗溶接によって接合して水晶片１Ａを密閉封入し、一対のリード線１２が導出した水晶振動子１を有する（前第図参照）。水晶振動子１は回路基板５の一側板面として中央領域に配設され、発振器用ベース７に対向する。そして、一対のリード線１２が折曲して先端が他側板面に貫通して半田によって接続する。回路基板５は発振器用ベース７のリード線８に保持され、発振器用ベース７には発振器用カバー９が接合される。

ここでは、回路基板５には貫通した溝１６が設けられ、水晶振動子１のフランジ１４が溝１６に挿入する。水晶振動子１（金属カバー１３）の主面は回路基板５の一側板面と水平方向とし、第１熱伝導樹脂１５ａを介在させて密着する。第１熱伝導性樹脂１５ａは粘着性の樹脂シートとする。そして、回路基板５の一側板面には水晶振動子１の外周を取り囲んで加熱抵抗４ｈが配設される。

具体的には、加熱抵抗４ｈは、水晶振動子１の一対のリード線１２間及びその外側に配設されて、各リード線１２を挟み込む。そして、金属ベース１１及び金属カバー１３の外周に隣接し、これらを取り囲んで配設される。但し、この例では、例えばパワートランジスタ４Ｔrをも熱源として例えば金属カバー１３の頭部に、さらには温度感応素子４thや電圧可変容量素子４Cvが配設される。これらは、液状樹脂として塗布した後に硬化する第２熱伝導性樹脂１５ｂによって覆われ、それぞれが熱的に結合する。そして、第２熱伝導性樹脂１５ｂに覆われた平面領域を回路基板５の熱結合領域とする。

回路基板５の一側板面とは反対面の他側板面には、これら以外の発振出力回路２や温度補償回路３の各回路素子４が配設される。特に、他側板面（上面）となる回路基板５の熱結合領域（熱伝導性樹脂１５ｂの塗布領域）には、発振周波数に影響を及ぼす発振段２ａの回路素子４が配設される。そして、熱結合領域内及び熱結合領域外には緩衝段２ｂや温度補償回路３の回路素子４が配設される。特に、発振周波数を調整する回路素子４は、発振器用カバー９側となる回路基板５の上面（他側板面）に配設される。

このような構成であれば、発明の効果の欄でも記載するように、水晶振動子１のフランジ１４が回路基板５の溝１６に挿入されるので、水晶振動子１（金属カバー１３）の主面は回路基板５の一側板面に対して基本的に水平方向となる。したがって、フランジ１４の突出分に応答して高さを小さくできる。そして、水晶振動子１の主面と回路基板５の一側板面との間隙を最小にして第１熱伝導樹脂１５ａの厚みも小さくなる。

これにより、金属カバー１３の主面からの回路基板５に対する伝導熱を最大とした上で、回路基板５の温度分布を均一にできる。また、水晶振動子１を回路基板５に取り付ける際、特に一対のリード線１２が回路基板５を挿通して接続する場合、屈曲部に加わる負荷も小さくなって作業性を良好にできる。

また、第１熱伝導性樹脂１５ａは粘着性の樹脂シートとするので、液状樹脂を塗布する場合よりも作業性を良好にする。また、第２熱伝導性樹脂１５ｂの塗布されて熱結合領域とする回路基板５の他側板面には、発振周波数に影響を及ぼす発振段２ａの回路素子４が配設される。したがって、発振段２ａの回路素子４の動作温度も安定するので、これらの温度特性による周波数変化をも防止できる。

また、回路基板５の発振器用カバー９側となる上面には調整用の回路素子４が配設されので、例えば発振周波数の調整を容易にできる。特に、回路基板５をガラスエポキシ基板とした場合は、調整用の回路素子４の取り外しによる交換を要するとき、放熱を防止して半田付け作業を容易にできる。

また、この例では、熱源としての加熱抵抗４ｈ及びパワートランジスタ４Trと水晶振動子１と温度感応素子４thとを第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合して熱結合領域とする。したがって、特に、熱源と水晶振動子１と温度感応素子との温度を均一にしてリアルタイムな温度制御を可能にする。

（他の事項）
上記実施形態では、パワートランジスタ４Trを加熱抵抗４ｈとともに水晶振動子１の外周に並べたが、加熱抵抗４ｈの外側として並べてもよい。この場合、例えばパワートランジスタ４Trと各加熱抵抗４ｈとの発熱量の差に基づく、温度分布の不均一性を排除できる。なお、パワートランジスタ４Trを第２熱伝導性樹脂１５ｂの外側として熱源から除外すれば、さらに温度分布の均一性を良好にする。但し、熱源としてのエネルギーを無駄にするので、必要に応じて選択される。

また、第２熱伝導性樹脂１５ｂは水晶振動子、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４th等を覆うとしたが、これらの各素子（１、４ｈ、４th等）の間に充填して熱的に結合してあればよく、必ずしも各素子上から覆う必要はない。

本発明の一実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は恒温型発振器の便宜的な断面図、同図（ｂ）は回路基板の下面となる一側板面の平面図である。従来例を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は回路図である。従来例を説明する水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は同周波数温度特性図である。従来例を説明する回路基板の便宜的な断面図である。

符号の説明

１水晶振動子、２発振出力回路、３温度補償回路、４回路素子、５回路基板、６ガラス、７発振器用ベース、８、１２リード線、９発振器用カバー、１０、１４フランジ、１１金属ベース、１３金属カバー、１５熱伝導性樹脂、１６溝。

Claims

一対のリード線が導出した金属ベースと金属カバーとのフランジが接合して水晶片を密閉封入した水晶振動子と、
前記水晶振動子とともに形成される発振段及び緩衝段を有する発振出力回路と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路と、前記水晶振動子と前記発振出力回路及び前記温度制御回路の回路素子とを配設する回路基板とを備え、
前記温度制御回路は発熱用のチップ抵抗と、前記チップ抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子とを少なくとも有し、
前記回路基板の一側板面には第１熱伝導性樹脂を介在させて前記水晶振動子の主面が対向して配設されるとともに、前記発熱用のチップ抵抗は前記水晶振動子に隣接して配設され、前記水晶振動子と第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合した恒温型の水晶発振器であって、
前記水晶振動子は前記フランジを前記回路基板に設けられた溝に挿入され、前記水晶振動子の主面は前記第１熱伝導性樹脂を介在させて前記回路基板の一側板面と密着し、
前記加熱抵抗は前記水晶振動子の一対のリード線間を含んで前記リード線を挟み込むとともに、前記水晶振動子の外周を取り囲んで前記回路基板の一側板面に配設されたことを特徴とする恒温型の水晶発振器。
請求項１において、前記第１熱伝導性樹脂は粘着性の樹脂シートとし、前記第２熱伝導性樹脂は液状樹脂を塗布して硬化した恒温型の水晶発振器。
請求項１において、前記水晶振動子と加熱抵抗とが前記第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合した回路基板の平面領域を熱結合領域とし、前記回路基板の一側板面とは反対面となる他側板面の前記熱結合領域には、前記発振段の回路素子が配設された恒温型の水晶発振器。
請求項１において、前記回路基板はガラスエポキシ基板として発振器用ベースのリード線に保持され、前記発振器用ベースには発振器用カバーが接合して発振器用容器を形成し、前記水晶振動子の配設された前記回路基板の一側板面は前記発振器用ベースに対向し、前記回路基板の他側板面には調整用の回路素子が配設された恒温型の水晶発振器。
請求項１において、前記回路基板の一側板面には前記水晶振動子及び前記発熱用のチップ抵抗とともに前記温度感応素子が配設されて、前記第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合して熱結合領域とした恒温型の水晶発振器。