JP5188484B2

JP5188484B2 - 恒温型の水晶発振器

Info

Publication number: JP5188484B2
Application number: JP2009229173A
Authority: JP
Inventors: 学伊藤; 博之見留; 武雄追田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: US20120161887A1; JP2011077963A; CN102035468B; US8390390B2; CN102035468A

Description

本発明は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、水晶振動子は勿論として発振回路を構成する発振用素子の温度変化をも抑制する恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は特に水晶振動子の動作温度を一定に維持することから、周波数温度特性に依存した周波数変化を引き起こすことなく、例えば０．１ｐｐｍ以下や１ｐｐｂオーダーとした高安定の発振周波数を得られる。そして、これらは特に通信設備の固定局として適用される。

（従来技術の一例、特許文献１参照)
第４図は特許文献１に記載された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）は回路基板の平面図である。なお、第4図（ａ）は同図（ｂ）のＡ−Ａ線を通る断面図である。

恒温型発振器１は、発振回路及び温度制御回路が形成された回路基板２を、金属ベース３及び金属カバー４からなる容器に密閉封入してなる。回路基板２には、水晶振動子５が搭載された導熱板６、水晶振動子５とともに発振回路を構成する発振用素子７、水晶振動子５の温度を検出する温度センサとしてのサーミスタ８、サーミスタ８の検出する温度に応じて水晶振動子５を加熱する加熱抵抗９及び温度制御回路を構成するパワートランジスタ１０ａ等の温度制御素子１０が搭載される。以下、詳細に説明する。

恒温型発振器１は、図示しない配線パターンの設けられたガラスエポキシ材からなる回路基板２を有する。回路基板２の一主面にはアルミからなる矩形状の導熱板６が装着される。導熱板６は、４角部にネジ１１を螺合して回路基板２にネジ止めされる。導熱板６の４側面には、導熱板６の厚さ方向に連通して、当該４側面に開放された開放部１２（ａ〜ｄ）が形成される。また、導熱板６の中央部には中央貫通孔１３が形成される。

回路基板２との対向面に対する導熱板６の反対面には、外底面「第４図（ａ）では上方」からリード線（振動子リード線１４）の延出した水晶振動子５が搭載される。水晶振動子５はＳＣカットの水晶片（図示せず）を収容しており、当該水晶片は振動子リード線１４と電気的に接続する。振動子リード線１４は、導熱板６に形成された貫通孔に挿通されて回路基板２に接合し、回路基板２に搭載された発振回路を構成する発振用素子７と電気的に接続する。発振用素子７には、発振回路（例えばコルピッツ型の必須素子）以外に用途に応じたコンデンサやインダクタ及び緩衝増幅回路としてのトランジスタ等が含まれる。

また、回路基板２には、水晶振動子５の温度を一定に保つための温度制御回路が形成される。温度制御回路は水晶振動子５の温度を検出して温度センサとなるサーミスタ８、サーミスタ８の検出する温度に応じて水晶振動子５を加熱する加熱抵抗９及びパワートランジスタ１０ａ等の温度制御素子１０からなる。

サーミスタ８は導熱板６の中央貫通孔１３に配置される。また、加熱抵抗９としてはチップ抵抗が用いられ、開放部１２（ｂｄ）に配置される。そして、パワートランジスタ１０ａは開放部１２（ａｃ）に配置される。なお、加熱抵抗９とともに、パワートランジスタ１０ａの放出する熱量は水晶振動子５の加熱に用いられる。

回路基板２における導熱板６の４角部の周囲にはスリット１５が設けられ、加熱抵抗９及びパワートランジスタ１０ａの発熱量が外部へ逃げることを防止し、水晶振動子５を効率的に加熱する。このような回路基板２は、金属ベース３及び金属カバー４からなる容器に密閉封入される。

金属ベース３は平板状であり、４角部には金属ベース３を貫通するリード線「発振器リード線１６（ａ〜ｄ）」が設けられて、恒温型発振器１の接続端子（リード線としての気密端子）となる。アースとなる発振器リード線１６ａは銀ロー１７を用いて金属ベース３と接合され、電源端子や出力端子等となるアース以外の発振器リード線１６（ｂ〜ｄ）は、ガラス１８を用いて金属ベース３の貫通孔に絶縁して接合される。

回路基板２は、発振器リード線１６（ａ〜ｄ）に保持され、金属ベース３の上方に配置される。発振器リード線１６（ａ〜ｄ）は回路基板２上の発振用素子７及び温度制御素子１０と電気的に接続する。そして、金属ベース３には、金属カバー４が抵抗溶接によって接合され、回路基板２が密閉封入される。

このようなものでは、恒温型発振器１の周囲温度が変化して水晶振動子５の温度が変化すると、水晶振動子５の温度変化をサーミスタ８が検出し、温度制御回路によって加熱抵抗９の発熱量が調整されて、結果的に水晶振動子５の温度が一定（例えば約８５℃）に保たれる。したがって、発振周波数の変化を抑えられる。

特開２００５−３３３３１５号公報（「従来技術の一例」参照）

（従来技術の問題点）
しかしながら、恒温型発振器１の周囲温度が変化したときの消費電力の特性（以下、消費電力特性という。）を検討すると、加熱抵抗９（チップ抵抗）とパワートランジスタ１０ａとでは異なる消費電力特性を示す。第５図に発明者によって行われた消費電力特性の測定結果概略を示す。なお、消費電力に応じた発熱量となり、加熱抵抗９は周囲温度が恒温槽の基準温度８５℃以下になると消費電力も増加して発熱量が多くなる。これに対し、パワートランジスタ１０ａは周囲温度が約２５℃のときに消費電力が最大になって発熱量も最大にとなる。

第５図には、低温側では加熱抵抗９の消費電力の方が大きく、高温側ではパワートランジスタ１０ａの消費電力の方が大きいことが示される。また、従来例では第４図（ｂ）に示すとおり、加熱抵抗９とパワートランジスタ１０ａとは、異なる開放部１２に配置されるため、離間する。したがって、低温側では、パワートランジスタ１０ａ付近より加熱抵抗９付近の方が高温になり、高温側では、加熱抵抗９付近よりパワートランジスタ１０ａ付近の方が高温になる。要するに、回路基板の全体的な温度分布が不均一になる。

この場合、例えば急激な温度変化や風圧があった場合には、回路基板２上の温度分布も影響を受けるので、前述のように元々の温度分布が不均一な場合には、予測を超えたさらに複雑な温度分布になる。したがって、水晶振動子５に接近して配置されたサーミスタ８での検出温度に基づいた電力を供給されると、水晶振動子の動作温度を規定温度内に制御できても、周辺に配置された各発振用素子の温度制御が困難になる。

そして、各発振用素子７は多かれ少なかれ温度によって特性が変化する温度特性を有する。したがって、各発振用素子７の動作温度を制御することを困難にすることから、例えばｐｐｂオーダとした発振周波数の安定度が損なわれる問題があった。

（発明の目的）
本発明は発振用素子の温度変化を低減して安定した発振周波数を得られる恒温型発振器の提供を目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、回路基板に装着された導熱板と、前記導熱板における前記回路基板との対向面の反対面に搭載された水晶振動子と、前記回路基板に搭載された、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子及び前記水晶振動子の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出する温度に応じて前記水晶振動子を加熱して前記回路基板に搭載された加熱抵抗と、前記温度センサ及び前記加熱抵抗とともに温度制御回路を構成して前記回路基板に搭載された少なくともパワートランジスタを含む温度制御素子とを有する恒温型の水晶発振器において、前記導熱板の外周部には前記水晶振動子を中心とした点対称となる位置に少なくとも厚さ方向に連通した開放部が２つ以上形成され、前記開放部の全てに同数の前記パワートランジスタ及び前記加熱抵抗がそれぞれ一つ以上配置された構成とする。

このような構成であれば、開放部の全てに同数のパワートランジスタ及び加熱抵抗がそれぞれ一つ以上配置されるため、開放部単位でみると消費電力特性が同一となる。また、導熱板の外周部には水晶振動子を中心とした点対称となる位置に開放部が２つ以上形成される。よって、水晶振動子に接近して配置された温度センサでの検出温度に基づいた電力がパワートランジスタ及び加熱抵抗に供給されると、水晶振動子の動作温度を規定温度内に制御すると共に、周辺に配置された各発振用素子の温度も制御される。すなわち、回路基板の温度分布が均一になる。

また、急激な温度変化や風圧があった場合は回路基板上の温度分布も影響を受ける。しかし、前記の通り、回路基板の温度分布を均一にできるため、それらの影響も一定になることから各発振用素子の温度制御が困難になることはない。したがって、例えばｐｐｂオーダとして発振周波数の安定度が損なわれることを回避できる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記開放部は前記導熱板の側面に開放された構成とする。これにより、恒温型発振器の小型化に伴って導熱板が小型化しても開放部の形成が可能となる。

本発明の請求項３では、請求項２において、前記導熱板は矩形状であり、前記開放部は前記導熱板における４側面の中央部に形成された構成とする。本発明の請求項４では、請求項２において、前記導熱板は矩形状であり、前記開放部は前記導熱板における４角部に形成された構成とする。これにより、恒温型発振器の構成を具体的にする。

本発明の請求項５では、請求項１において、前記開放部は内側面が閉塞された構成とする。これにより、開放部に配置されたパワートランジスタ及び加熱抵抗の放出する熱量の大部分が導熱板に伝わるため、水晶振動子の効率的な加熱が可能となる。

本発明の請求項６では、請求項３又は５において、前記導熱板は４角部で前記回路基板にネジ止めされた構成とする。本発明の請求項７では、請求項４又は５において、前記導熱板は４辺の中央部で前記回路基板にネジ止めされた構成とする。

これにより、パワートランジスタ及び加熱抵抗の放出する熱は、導熱板及びネジを経由して、回路基板における導熱板と対向する主面の反対面に伝わる。よって、当該反対面におけるネジで囲まれた領域は、パワートランジスタ及び加熱抵抗に加えてネジでも加熱されるので、略全周から加熱されることになる。したがって、当該ネジで囲まれた領域は、温度分布がより均一になって、当該ネジで囲まれた領域に配置された発振用素子の温度も均一に保たれて、安定した発振周波数が得られる。

本発明の第１実施形態を説明する図で、（ａ）は恒温型発振器の断面図、（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回路基板の平面図である。本発明の第３実施形態を説明する回路基板の平面図である。一従来例を説明する図で、（ａ）は恒温型発振器の断面図、（ｂ）は回路基板の平面図である。チップ抵抗とパワートランジスの消費電力特性を表す図である。

（第１実施形態、請求項１、２、３、６に相当）
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、第１図（ａ）は同図（ｂ）のＢ−Ｂ線を通る断面図である。また、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。

本実施形態の恒温型発振器１は、従来例と同様に、発振回路及び温度制御回路が形成された回路基板２を、金属ベース３及び金属カバー４からなる容器に密閉封入してなる。回路基板２には、水晶振動子５が搭載された導熱板６、水晶振動子５とともに発振回路を構成する発振用素子７、水晶振動子５の温度を検出して温度センサとなるサーミスタ８、サーミスタ８の検出する温度に応じて水晶振動子５を加熱する加熱抵抗９及び温度制御回路を構成するパワートランジスタ１０ａ等の温度制御素子１０が搭載される。

そして、本実施形態では、導熱板６と回路基板２との間に放熱シート１９が配置される。ただし、放熱シート１９のサーミスタ８、加熱抵抗９及びパワートランジスタ１０ａが搭載される領域は除去されており、サーミスタ８等が回路基板２にハンダ付けできるようにする。また、導熱板６の４側面には開放部１２（ａ〜ｄ）が形成される。そして、開放部１２（ａ〜ｄ）にはパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９がそれぞれ一つ配置される。

このような構成であれば、開放部１２（ａ〜ｄ）の全てにパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９がそれぞれ一つ配置されるため、開放部１２（ａ〜ｄ）単位でみると消費電力特性が同一となる。また、開放部１２（ａ〜ｄ）は水晶振動子５を中心とした点対称となる位置に配置される。

よって、水晶振動子５に接近して配置されたサーミスタ８での検出温度に基づいた電力がパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９に供給されると、水晶振動子５の動作温度を規定温度内に制御すると共に、周辺に配置された各発振用素子７の温度も制御される。すなわち、回路基板２の温度分布が均一になる。

また、急激な温度変化や風圧があった場合は回路基板２上の温度分布も影響を受ける。しかし、前記の通り、回路基板２の温度分布を均一にできるため、それらの影響も一定になることから各発振用素子の温度制御が困難になることはない。したがって、例えばｐｐｂオーダとして発振周波数の安定度が損なわれることを回避できる。

さらに、パワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９を囲むように、回路基板２にスリット１５が形成されており、スリット１５で囲まれた領域は恒温型発振器１の周囲温度の影響を受けにくい。したがって、当該領域は特に温度分布の均一性が高く、当該領域に発振周波数に与える影響の大きい発振用素子７を配置することで、発振周波数の安定性がより高くなる。

また、開放部１２（ａ〜ｄ）は導熱板６の４側面に形成されるため、恒温型発振器１の小型化に伴って導熱板６が小型化しても開放部１２（ａ〜ｄ）の形成が可能となる。

また、従来例と同様に、導熱板６は４角部で回路基板２にネジ止めされるため、パワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９の放出する熱は、導熱板６及びネジ１１を経由して、回路基板２における導熱板６と対向する主面の反対面に伝わる。よって、当該反対面におけるネジ１１で囲まれた領域は、パワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９に加えてネジ１１でも加熱されるので、略全周から加熱されることになる。したがって、当該ネジ１１で囲まれた領域は、温度分布がより均一になって、当該領域に配置された発振用素子７の温度も均一に保たれて、安定した発振周波数が得られる。

また、導熱板６と回路基板２との間には放熱シートを配置するため、導熱板６と回路基板２との間隙が埋まって密着する。したがって、導熱板の熱が均一に回路基板に伝わり、発振用素子７の温度も均一に保たれて、安定した発振周波数が得られる。

（第２実施形態、請求項１、２、４、７に相当）
第２図は本発明の第２実施形態を説明する回路基板の平面図である。なお、前記実施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。

本実施形態の恒温型発振器１と第１実施形態の恒温型発振器１との相違点は開放部１２（ａ〜ｄ）の配置及び導熱板６のネジ止め場所である。すなわち、本実施形態の恒温型発振器１では、導熱板６の４角部に開放部１２（ａ〜ｄ）が形成され、開放部１２（ａ〜ｄ）にはパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９がそれぞれ１つ配置される。また、導熱板６は４辺の中央部で回路基板２にネジ止めされる。このような構成であれば、第１実施形態と同様に、発振用素子７の温度も均一に保たれて、安定した発振周波数が得られる。

（第３実施形態、請求項１、２、５、６に相当）
第３図は本発明の第３実施形態を説明する回路基板の平面図である。なお、前記実施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。

本実施形態の恒温型発振器１と第１実施形態の恒温型発振器１との相違点は開放部１２（ａ〜ｄ）の配置である。すなわち、本実施形態の恒温型発振器１では、導熱板６の４側面から内側の位置に開放部１２（ａ〜ｄ）が形成され、開放部１２（ａ〜ｄ）の内側面は閉塞する。そして、開放部１２（ａ〜ｄ）にはパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９がそれぞれ１つ配置される。

このような構成であれば、開放部１２（ａ〜ｄ）に配置されたパワートランジスタ１０ａ及び加熱抵抗９の放出する熱量の大部分が導熱板６に伝わるため、水晶振動子５の効率的な加熱が可能となる。

（他の事項）
上記実施形態ではスリット１５を形成したが、このスリット１５を形成しなくてもよい。回路基板２の小型化などで必要な面積を確保できないときに有効である。また、上記実施形態では、ＳＣカットの水晶片を収容した水晶振動子５を用いたが、ＡＴカットやＳＣカットの水晶片を収容した水晶振動子５を用いてもよい。

１恒温型発振器、２回路基板、３金属ベース、４金属カバー、５水晶振動子、６導熱板、７発振用素子、８サーミスタ、９加熱抵抗、１０温度制御素子、１０ａパワートランジスタ、１１ネジ、１２開放部、１３中央貫通孔、１４振動子リード線、１５スリット、１６発振器リード線、１７銀ロー、１８ガラス、１９放熱シート。

Claims

回路基板に装着された矩形状の導熱板と、
前記導熱板における前記回路基板との対向面の反対面に搭載された水晶振動子と、
前記回路基板に搭載され、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子及び前記水晶振動子の温度を検出する温度センサと、
前記回路基板に搭載され、前記温度センサの検出する温度に応じて前記水晶振動子を加熱する加熱抵抗と、
前記回路基板に搭載され、前記温度センサ及び前記加熱抵抗とともに温度制御回路を構成するパワートランジスタを含む温度制御素子とを有する恒温型の水晶発振器において、
前記導熱板の４角部のそれぞれには、少なくとも厚さ方向に連通した開放部が形成され、
前記４角部のそれぞれの前記開放部の全てに、前記パワートランジスタ及び前記加熱抵抗がそれぞれ一つ以上配置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、前記導熱板は４辺の中央部で前記回路基板にネジ止めされていることを特徴とする恒温型の水晶発振器。