JP4221814B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数制御デバイス等として使用される圧電発振器に関し、特に圧電振動子をヒータにより加熱するとともに、温度制御回路によってヒータ温度を制御する構成を備えた圧電発振器において、圧電振動子本体から導出された長尺なリード端子からの熱損失を防止して消費電力の低減を図った圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動体通信機器や伝送通信機器に用いる周波数制御デバイスである水晶発振器等の圧電発振器として、外部の温度変化に影響されることなく高安定な周波数を出力することができる恒温槽型圧電発振器が従来から知られている。
更に、近年これらの分野では、各種機器に対して、小型、軽量で携帯可能であることが求められてきているため、それに対応して恒温槽型圧電発振器についても小型、軽量化が求められている。
従来の恒温槽型圧電発振器は、高安定な周波数を得る為に、熱容量が大きい金属ブロックの凹所内に圧電振動子を収容し、更に金属ブロックをヒータにより所定の温度に加熱していた。しかし、大型の金属ブロックを用いると、発振器全体の嵩が増大するため、小型、軽量化という要請を満たすことができなかった。また、金属ブロックを介して圧電振動子内部の圧電振動素子を加熱する構成であったため、ヒータからの熱が水晶振動素子に達して、所望周波数に達するまでに時間を要するという問題があった。
このようなところから、図７(a) (b) に示すようにプリント基板１上に搭載したヒータ２上に直接圧電振動子本体１１を横臥させた状態で組み込み、更に圧電振動子本体１１から水平に導出された長尺なリード端子１３を下方へ向けてＬ字状に屈曲させてプリント基板上の発振回路４と接続させる構成を採用した圧電発振器が開発されている。この圧電発振器にあっては、ヒータ２により直接圧電振動子本体１１の金属キャップ１４を加熱するので、嵩が大きく、熱伝導に時間を要する金属ブロックの使用を省略することが可能となる。なお、符号３はヒータ２の通電を制御する温度制御回路、５は温度検知素子（サーミスタ）、１０は圧電振動子、１２は導体ベースである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電振動子本体１１内に位置する水晶振動素子等の圧電振動素子は、ヒータ２が接する金属キャップ１４からの輻射熱による影響よりも、金属導体から成るリード端子１３を介した熱伝導による影響をより強く受けるので、リード端子１３が図示のように長尺な場合には、金属キャップ１４をヒータにより加熱することにより内部の水晶振動素子を所望温度に昇温させたとしても、リード端子１３を介した熱損失が多くなり、水晶振動素子の周波数安定性が低下する。この不具合を解消する為にヒータによる発熱量を増大させる必要が生じ、消費電力の増大を招く。しかし、従来の構成においては、プリント基板１と、ヒータ２上に支持された水晶振動子本体１１との間の距離を短縮することに限界がある為、リード端子１３の短尺化には限界があり、リード端子を介した熱損失を低減することは困難であった。
本発明が解決しようとする課題は、圧電振動子を、プリント基板上に搭載したヒータ上に横臥させて加熱する構成を備えた圧電発振器において、圧電振動子本体から導出されるリード端子からの熱損失を防止して消費電力の低減を図った圧電発振器を提供することにある。換言すれば、リード端子の導出長をできるかぎり短く構成することにより、リード端子からの熱損失を最小限に抑え、更に必要に応じてリード端子を介した熱伝導によって水晶振動素子を効率的に加熱させることを課題とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、圧電振動子本体と該圧電振動子本体から延びるリード端子とを備えた圧電振動子と、該リード端子と接続される発振回路と、圧電振動子を加熱するヒータと、ヒータ温度を制御する温度制御回路と、これらを搭載するプリント基板と、を備えた圧電発振器において、上記プリント基板は、第１のプリント基板と、第１のプリント基板の上面に立設される第２のプリント基板とから成り、上記第２のプリント基板は、その内側面にサーミスタを搭載し、上記圧電振動子のリード端子を可能な限り短尺化することにより、圧電振動子本体を、第２のプリント基板の内側面のサーミスタに直近配置したことを特徴とする。
本発明は、上記圧電振動子は、導体ベースと、導体ベースを気密貫通するリード端子と、該リード端子の上部により支持された圧電振動素子と、該圧電振動素子を含む導体ベース上の空間を気密封止する金属キャップと、から成り、 上記導体ベースの中央部には凹陥部を有し、上記第２のプリント基板面により封止された該凹陥部内に上記サーミスタを位置させたことを特徴とする。
本発明は、上記導体ベースの外周縁部と第２のプリント基板との間にヒータを配置したことを特徴とする。
本発明は、上記ヒータをリード端子に近接配置したことを特徴とする。
本発明は、上記圧電振動子を包囲する断面コ字状の金属ブロックを上記第１のプリント基板上に固定したことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した形態例に基づいて詳細に説明する。
図１(a) 及び(b) は本発明の圧電発振器の一例の組み付け直前の状態を示す正面図及び平面図、図１(c) 及び(d) は上記圧電発振器の組み付け完了状態を示す正面図及び平面図である。また、図２は圧電振動子と第２のプリント基板との関係を示す斜視図である。
この圧電発振器は、水平な第１のプリント基板２１と、第１のプリント基板上にほぼ垂直に立設された第２のプリント基板２２と、圧電振動子２３と、第１のプリント基板２上に搭載されたヒータ２４と、第１のプリント基板２１の下面に搭載された温度制御回路２５と、第２のプリント基板２２の内側面（右側面）に搭載されたサーミスタ３０と、第２のプリント基板２２の外側面（左側面）に搭載された発振回路３１と、を有する。なお、発振回路３１は、第１のプリント基板２１側に設けてもよい。
本発明の特徴的な構成は、第１のプリント基板２１上のヒータ２４上に圧電振動子本体を横臥させて支持した圧電発振器において、第１のプリント基板上に立設した第２のプリント基板２２の内側面にサーミスタ３０を搭載し、このサーミスタ３０に対して可能な限り、圧電振動子本体４０を近接配置することにより、圧電振動子本体４０から引き出されるリード端子３６を可能な限り短尺化し、もってリード端子を介した熱損失を低減するようにした点にある。
即ち、圧電振動子２３は、導体ベース３５を気密貫通する２本のリード端子３６の端部に図１に示さない圧電振動素子を支持し、更に導体ベース３５との間で圧電振動素子を気密封止する金属キャップ３７を導体ベース３５に固定した構成を備えている。導体ベース３５、圧電振動素子、金属キャップ３７は、圧電振動子本体４０を構成している。
【０００６】
図２に示すように第２のプリント基板２２には２つのスルーホール２２ａが形成され、これらのスルーホール２２ａ内に各リード端子３６が挿通されてハンダ固定されることにより、発振回路３１との電気的接続が行われる。
次に、図１に基づいて組み付け手順を説明すると、図１(a) (b) (c) (d) に示すように第２のプリント基板２２上のスルーホール２２ａ内に圧電振動子２３のリード端子３６を挿通してハンダにより固定すると共に、圧電振動子本体４０を構成する金属キャップ３７をヒータ２４上に横臥させる。この際、必要に応じてヒータ２４と金属キャップ３７とを固定する。
図１の例のように導体ベース３５の底面をフラットに構成した場合には、導体ベース３５の底面がサーミスタ３０に当接した状態で、リード端子３６と第２のプリント基板２２との固定が行われる。この場合、リード端子３６が、第２のプリント基板２２と導体ベース３５との間に露出するため、この露出したリード端子部分からの熱損失が発生するが、従来例に示した長尺のリード端子に比べて大幅に短尺であるため、発生する熱損失量は無視し得る程度に少なくなる。
【０００７】
次に、図３(a) 及び(b) は本発明の変形例に使用する圧電振動子の構造を示す外観図、及び第２のプリント基板上に搭載した状態の縦断面図である。この圧電振動子２３は、中央部に凹陥部３５ａを有した導体ベース３５を気密貫通する２本のリード端子３６の端部に圧電振動素子３８を支持し、更に導体ベース３５との間で圧電振動素子を気密封止する金属キャップ３７を導体ベース３５に固定した構成を備えている。
図３(b) に示すように、第２のプリント基板２２上に圧電振動子２３を組み付けた時に、導体ベース３５の外周縁部３５ｂが第２のプリント基板２２上に密着し、サーミスタ３０及びリード端子３６は、第２のプリント基板２２と導体ベース３５との間の空間に封止された状態となるため、短尺なリード端子３６から大気中に放熱が発生する虞れがなくなり、圧電振動素子３８の周波数安定性を高めるとともに、ヒータによるエネルギーの消費量を最小限に抑えることができる。また、サーミスタ３０が閉空間内においてリード端子３６及び導体ベース３５に近接配置されている為、圧電振動素子３８により近い位置での温度測定が可能となり、温度制御回路を用いたヒータ温度制御における熱応答性を高め、外気の変動に対して高い追従性を有した周波数制御を行うことができる。
【０００８】
次に、図４は本発明の他の実施の形態（図３(b) の変形例）の要部構成を示す断面図であり、この実施の形態では圧電振動子２３を構成する導体ベース３５の外周縁部３５ｂは、第２のプリント基板２２上に搭載された２つの第２のヒータ（チップ型）４０を介して第２のプリント基板２２上に固定されている。このため、第１のプリント基板上のヒータ２４を用いた加熱と併せて、効率的に圧電振動子２３の導体ベース３５及び金属キャップ３７を加熱することができる。導体ベース３５とリード端子３６とはハーメチックガラス等を介して固定されている為、導体ベース３５をヒータ４０により加熱することにより、リード端子３６を介して内部の圧電振動素子３８を効率的に加熱することができる。
なお、この形態例では、第２のプリント基板２２上に圧電振動子本体やリード端子を加熱するヒータ４０を配置したので、第１のプリント基板２１上のヒータ２４を省略することもできる。
【０００９】
更に、図５(a) 及び(b) は図４の変形例を示す要部断面図、及び分解斜視図であり、この実施の形態に係る圧電発振器は、第２のプリント基板２２上に設けた２つの第２のヒータ４０が導体ベース３５の外周縁部３５ｂのみならず、各リード端子３６に対しても同時に接触（或は近接）するように構成されている点が特徴的である。
このように構成することにより、導体ベース３５及び金属キャップ３７のみならず、リード端子３６をも直接加熱することができるので、効率的に圧電振動素子３８を加熱し、所望の周波数に制御することができる。
なお、この形態例では、第２のプリント基板２２上に圧電振動子本体やリード端子を加熱するヒータ４０を配置したので、第１のプリント基板２１上のヒータ２４を省略することもできる。
なお、図４と図５に示した各実施の形態では、第２のプリント基板と導体ベースの外周縁部との間に間隙ができるので、外部の冷気がリード端子に接触することとなるが、第２のヒータがリード端子に接近、或は接触しているので、外部の冷気による降温を補うに十分な加熱、保温が可能となる。
最後に、図６は上記各実施の形態に示した圧電発振器に、恒温槽としての金属ブロックをかぶせることにより恒温槽型に構成した例を示している。この金属ブロック５０は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が良好で熱容量の大きな金属を用いてコ字状に構成したものであり、この金属ブロック５０が図示のように圧電振動子２３及びサーミスタ３０を被覆するようにかぶせてた上で、第１のプリント基板２１上に固定する。
【００１０】
圧電振動子２３の加熱はヒータ２４等により直接行うため、熱容量の大きな金属ブロックが不要となり、小型化することができる。また、発振回路３１は、金属ブロック５０外に位置することとなるため、恒温槽の大型化を回避することができる。
また、金属ブロック内にサーミスタ３０を配置した場合には、環境温度変化による発振回路３１の動作の変動を検知することができないが、発振回路３１の近傍に他のサーミスタを配置して発振回路の周辺の温度変化を検知するように構成することにより、この検知データに基づいてヒータの温度を制御することが可能であり、その結果、周波数安定度を確保することができる。
なお、このように構成した恒温槽型圧電発振器は、例えば基地局等に用いられる発振器のように、温度に対する高い安定性が求められる場合であって、形状が多少大型化することに支障がない場合に好適である。即ち、コ字状の単純な形状の金属ブロックをかぶせるだけで熱容量を増大させて、温度安定性を高めることが可能となる。
【００１１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、圧電振動子を、プリント基板上に搭載したヒータ上に横臥させて加熱する構成を備えた圧電発振器において、圧電振動子本体から導出されるリード端子を可能な限り短尺化したので、リード端子からの熱損失増大を防止して消費電力の低減を図ることができる。換言すれば、リード端子の導出長をできるかぎり短く構成し、且つリード端子を閉空間内に封止したり、或はヒータにより加熱することにより、リード端子からの熱損失を最小限に抑え、更にリード端子を介した加熱によって水晶振動素子を効率的に加熱することができる。
なお、本発明は、圧電振動子を横臥させるヒータを第１のプリント基板上に設ける代わりに、立設した他のプリント基板上のヒータを利用して圧電振動子を加熱する構成としても良いので、この場合には圧電発振器の全高を低減できる。
また、構成が極めて簡略なコ字型金属ブロックを圧電振動子上にかぶせることにより恒温槽型に転換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a) 及び(b) は本発明の圧電発振器の一例の組み付け直線の状態を示す正面図及び平面図、(c) 及び(d) は上記圧電発振器の組み付け完了状態を示す正面図及び平面図。
【図２】圧電振動子と第２のプリント基板との関係を示す斜視図。
【図３】 (a) 及び(b) は本発明の変形例に使用する圧電振動子の構造を示す外観図、及び第２のプリント基板上に搭載した状態の縦断面図。
【図４】本発明の他の実施の形態（図３(b) の変形例）の要部構成を示す断面図。
【図５】 (a) 及び(b) は図４の変形例を示す要部断面図、及び分解斜視図。
【図６】 (a) 及び(b) は本発明の圧電発振器を恒温槽型に構成した場合の説明図。
【図７】 (a) 及び(b) は従来例の説明図。
【符号の説明】
２１ 第１のプリント基板、２２ 第２のプリント基板、２３ 圧電振動子、２４ ヒータ、２５ 温度制御回路、３０ サーミスタ、３１ 発振回路、３５ 導体ベース、３５ａ 凹陥部、３５ｂ 外周縁部、３６ リード端子、３７ 金属キャップ、３８ 圧電振動素子、４０ 圧電振動子本体、５０ 金属ブロック

Claims (5)

1. 圧電振動子本体と該圧電振動子本体から直線状に延びるリード端子とを備えた圧電振動子と、該リード端子と接続される発振回路と、圧電振動子を加熱するヒータと、ヒータ温度を制御する温度制御回路と、これらを搭載するプリント基板と、を備えた圧電発振器において、
   前記プリント基板は、前記ヒータを搭載する第１のプリント基板と、該第１のプリント基板の上面に略直交して立設されてその一面にサーミスタを搭載した第２のプリント基板と、から成り、
   前記リード端子を前記第２のプリント基板の一面に対して略直交して接続し、
   前記圧電振動子本体を前記第２のプリント基板上の前記サーミスタに近接、又は当接配置したことを特徴とする圧電発振器。
2. 前記圧電振動子は、導体ベースと、導体ベースを気密貫通するリード端子と、該リード端子の上部により支持された圧電振動素子と、該圧電振動素子を含む導体ベース上の空間を気密封止する金属キャップと、から成り、
   前記導体ベースの中央部には凹陥部を有し、該凹陥部内に前記サーミスタを位置させるよう前記圧電振動子を配置したことを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。
3. 前記導体ベースの外周縁部と第２のプリント基板との間にヒータを配置したことを特徴とする請求項２記載の圧電発振器。
4. 前記ヒータをリード端子に近接、又は当接配置したことを特徴とする請求項３記載の圧電発振器。
5. 前記圧電振動子を包囲する断面コ字状の金属ブロックを前記第１のプリント基板上に固定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電発振器。

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