JP6081286B2 - 恒温槽付水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）に係り、特に低背化を図りつつ温度安定性を向上させることができ、更に、半田リフロー時に水晶振動子を所定の位置に実装できる恒温槽付水晶発振器に関する。

［先行技術の説明：図４］
恒温槽付水晶発振器は、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、高安定の発振周波数が得られるものである。
従来の恒温槽付水晶発振器について図４を用いて説明する。図４は、従来の恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は分解説明図、（ｂ）は外観説明図である。
図４（ａ）に示すように、従来の恒温槽付水晶発振器は、回路基板４１の一方の面（ここでは下面）に、熱源４２と、温度センサ４３と、放熱絶縁シート４４と、水晶振動子４５と、熱筒４６とを備えた構成となっている。

熱源４２は、トランジスタ又は抵抗体で構成され、熱を放出する。
温度センサ４３は、サーミスタで構成され、水晶振動子４５の温度を検出する。
放熱絶縁シート４４は、回路基板４１に搭載された熱源４２及び温度センサ４３を覆うものであり、後述する熱筒４６と熱源４２及び温度センサ４３との間に設けられている。

水晶振動子４５は、特定の周波数を発振する。水晶振動子４５は、金属製のケースに封入された構成であり、ケースから２本のリード端子が突出している。
熱筒４６は、リード端子を除いて水晶振動子４５の全体を覆う金属製の筒であり、熱源４２からの熱を効率よく水晶振動子４５に伝導する。熱筒４６は、例えばアルミニウム等で構成される。

そして、従来の恒温槽付水晶発振器では、図４（ａ）（ｂ）に示すように、回路基板４１の一方の面に、熱源４２と、温度センサ４３が搭載され、放熱絶縁シート４４を介して、熱筒４６に格納された水晶振動子４５が搭載された構成である。水晶振動子４５のリード端子は、金属ベースを貫通して他方の面に引き出されている。

そして、図示は省略するが、各電子部品が搭載された回路基板４１（図４（ｂ））は、更に、凹部空間を備えた金属カバーに格納されて、金属カバーの凹部空間の開口部を覆う金属ベースにピンで固定される。つまり、部品が搭載された回路基板４１が、金属カバー内部の空間に格納され、金属ベースによって封止されて、恒温槽付水晶発振器が構成される。金属カバーと金属ベースによって封止された空間が恒温槽となっている。

［従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路：図５］
従来の恒温槽付水晶発振器に用いられている温度制御回路について図５を用いて説明する。図５は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、図５に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲとを有している。

［接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のコレクタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のエミッタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。

また、サーミスタＴＨの一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、サーミスタＴＨの他端が抵抗Ｒ１の一端に接続され、抵抗Ｒ１の他端が接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端が接地されている。
また、差動増幅器ＩＣ１０には、図示はしていないが、駆動用として電源電圧ＤＣが印加され、ＧＮＤにも接続している。

そして、サーミスタＴＨの他端と抵抗Ｒ１の一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と−端子とを、抵抗Ｒ５を介して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。

［各部］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の温度を検出する。
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、サーミスタＴＨと抵抗Ｒ１との間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に、差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅し、出力する。

パワートランジスタＴｒ１は、ＮＰＮ型のトランジスタで、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベース電流に応じてコレクタとエミッタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
ヒーター抵抗ＨＲは、流れる電流に応じて発熱する。
ここで、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲが熱源となっている。

ＯＣＸＯにおいて、熱源、サーミスタＴＨのセンサ、水晶振動子を一体化させることができれば温度特性の性能は高くなるが、実際には、上記３つの部分は電気的に繋がっていないために物理的に接続できていないものである。
そのため、３つの部分を極力近くに配置して、上述した放熱絶縁シート４４等の絶縁物を介して設置していた。

また、熱源において、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ端子部分が発熱するが、常に電位が生じている。ヒーター抵抗ＨＲは、母材がセラミックで、その上面に発熱する抵抗膜が形成されており、その部分が発熱する。
しかしながら、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲの熱源は、周囲温度の変化によって発熱量に差があることが知られている。

［円柱型の水晶振動子：図６］
また、長期に亘って周波数を安定させる水晶振動子として、円柱型の水晶振動子がある。
円柱型の水晶振動子について図６を用いて説明する。図６は、円柱型の水晶振動子の概観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
図６（ａ）（ｂ）に示すように、円柱型の水晶振動子は、水晶ブランクが搭載されたベース５１が金属製のカバー５２で覆われて、リード端子５３がベース５１から下に突出した構成であり、カバー５２の周辺部分に相当するフランジ５４とベース５１とがハンダによって接合されている。
尚、ケースのフランジ５４とベース５１が接合されて、水晶振動子本体から外側に突出している部分全体をフランジということもある。

図６の水晶振動子を恒温槽付水晶発振器に用いた場合、金具や絶縁放熱材を通して水晶振動子に熱を伝える必要があり、これらは、銅等の金属に比べると熱伝導率が下がるため、熱が効率よく伝わらず、温度の安定性が低下してしまう。

［関連技術］
尚、恒温槽付水晶発振器に関する技術としては、特許第４７３９３８７号公報「恒温槽型の水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献１）がある。
特許文献１には、恒温槽付水晶発振器において、回路基板に樹脂シートから成る第１熱伝導性樹脂を介在させて水晶振動子を搭載し、水晶振動子とチップ抵抗と温度感温素子が液状樹脂が硬化した第２熱伝導性樹脂によって熱的に結合した構成が記載されている。

特許第４７３９３８７号公報

しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器では、熱筒を用いると高さ方向の寸法を低減することが困難であり、また、熱筒を用いないと温度の安定性が十分ではないという問題点があった。
また、従来の円柱型の水晶振動子を用いた恒温槽付水晶発振器では、熱が効率よく伝わらず、温度の安定性が低いという問題点があった。

更に、熱筒をなくして水晶振動子を直接基板に半田付け（リフロー実装）すれば、低背化を図ることができるが、リードタイプの水晶振動子をリフロー実装すると、リフロー時に半田が流動して、水晶振動子の実装位置がずれてしまうという問題点があった。

尚、特許文献１には、温度制御回路を、発熱部であるトランジスタのコレクタと、サーミスタ及び水晶振動子のカバーとを、金属の共通パターンを介して基板のＧＮＤ層に接続する構成として、熱を効率的に伝え、温度安定性を向上させることについての記載はない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、低背化を図りつつ温度安定性を向上させることができ、更に、半田リフローによる実装時に水晶振動子を所定の位置に実装できる恒温槽付水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、水晶振動子と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、一端において外周全体に外側に突出したフランジを備え、回路基板は、フランジの一部が挿入される凹部を備え、温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタのコレクタとサーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、水晶振動子が、フランジの一部が凹部に挿入された状態で位置決めされて、金属パターンに接続されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、電源電圧とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、パワートランジスタのコレクタと、サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、凹部が、回路基板を貫通しているスリットであることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、凹部が、回路基板を貫通していない溝であることを特徴としている。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、円柱型の水晶振動子と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、回路基板に接合される面の外周全体に外側に突出したフランジを備え、フランジには水晶振動子のグランド端子が接続され、回路基板は、水晶振動子が搭載される部分に凹部が形成され、凹部の周囲に水晶振動子と接続する半田付けパターンを備え、温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタのコレクタとサーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、水晶振動子が、グランド端子と、回路基板の半田付けパターンとが半田付けされて金属パターンに接続されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、電源電圧と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、パワートランジスタのコレクタと、サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、パワートランジスタの代わりに、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを備えてもよい。

本発明によれば、水晶振動子と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、一端において外周全体に外側に突出したフランジを備え、回路基板は、フランジの一部が挿入される凹部を備え、温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタのコレクタとサーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、水晶振動子が、フランジの一部が凹部に挿入された状態で位置決めされて、金属パターンに接続されている恒温槽付水晶発振器としているので、熱源となるパワートランジスタからの熱を、熱伝導率が大きい金属パターンを介して水晶振動子及びサーミスタに効率的に伝導させることができ、熱筒を用いなくても熱応答性及び温度安定性を向上させて、温度特性の優れた発振器を実現でき、また、低背化を図ることができ、更に、半田リフロー時に半田が流動しても、水晶振動子を所定の位置に固定して実装することができるものである。

また、本発明によれば、温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、電源電圧とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、パワートランジスタのコレクタと、サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されている上記恒温槽付水晶発振器としているので、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタとサーミスタのグランド端子とを共通の金属パターンに接続することができ、効率的にパワートランジスタからの熱を伝導させ、熱応答特性及び温度安定性を向上させて、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。

また、本発明によれば、円柱型の水晶振動子と、水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、回路基板に接合される面の外周全体に外側に突出したフランジを備え、フランジには水晶振動子のグランド端子が接続され、回路基板は、水晶振動子が搭載される部分に凹部が形成され、凹部の周囲に水晶振動子と接続する半田付けパターンを備え、温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタのコレクタとサーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、水晶振動子が、グランド端子と、回路基板の半田付けパターンとが半田付けされて金属パターンに接続されている恒温槽付水晶発振器としているので、熱源となるパワートランジスタからの熱を、熱伝導率が大きい金属パターンを介して水晶振動子及びサーミスタに効率的に伝導させて、熱応答性及び温度安定性を向上させ、長期に亘って周波数特性が良好で且つ温度特性の優れた発振器を実現できると共に、リード端子が設けられている水晶振動子の底面中央部に半田がつかないようにして、リード端子とグランド端子とが接続されるのを防ぐ効果がある。

また、本発明によれば、温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、電源電圧と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、パワートランジスタのコレクタと、サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されている上記恒温槽付水晶発振器としているので、水晶振動子のグランド端子とパワートランジスタとサーミスタのグランド端子とを共通の金属パターンに接続することができ、効率的にパワートランジスタからの熱を伝導させ、熱応答特性及び温度安定性を向上させて、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は分解説明図、（ｂ）は外観説明図である。 本発明の実施の形態に係る温度制御回路の回路図である。 本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は外観説明図、（ｂ）は部分説明図である。 従来の恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は分解説明図、（ｂ）は外観説明図である。 従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。 円柱型の水晶振動子の概観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、温度制御回路として、ＰＮＰ型のパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタのエミッタに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタを設けた回路を用いて、水晶振動子を基板の共通パターンに直接半田付け実装し、また、ケースのフランジの一部を基板に形成されたスリットに挿入する構成としており、パワートランジスタのコレクタからの熱を、共通接続する水晶振動子及びサーミスタに効率的に伝導させて、熱筒を用いなくても熱応答性及び温度安定性を向上させることができ、低背化を図ると共に温度特性の優れた発振器を実現でき、更に、半田リフローにより水晶振動子を実装する際に、水晶振動子が移動するのを防ぎ、所定の実装位置に実装することができるものである。

また、本発明に係る恒温槽付水晶発振器は、円柱型の水晶振動子と上記温度制御回路とを用い、基板上において、水晶振動子が搭載される領域に凹部を形成して、当該凹部の外周部と水晶振動子のフランジ裏面を半田付けして、水晶振動子とパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタとを共通パターンで接続した構成としており、パワートランジスタのコレクタからの熱を、共通接続する水晶振動子及びサーミスタに効率的に伝導させて、熱応答性及び温度安定性を向上させることができ、また、水晶振動子のリード端子とＧＮＤ端子とが半田で接続されるのを防ぐことができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は分解説明図、（ｂ）は外観説明図である。
図１（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器（第１の恒温槽付水晶発振器）の発振器は、回路基板１１の一方の面に、熱源１２と、サーミスタ１３と、水晶振動子１４とを備えた構成である。

つまり、第１の恒温槽付水晶発振器は、図５に示した従来の恒温槽付水晶発振器で用いられていた放熱絶縁シート４４及び熱筒４６を備えない構成であり、水晶振動子１４が直接回路基板１１に半田付けされた構成となっている。
ここで、水晶振動子１４は、半田リフローによって回路基板１１に実装されている。
熱筒４６を備えないことにより、高さ方向の寸法を低減でき、更に熱伝導率の低い放熱絶縁シート４４を不要として、代わりに金属パターンを介在させることにより、熱を効率的に伝え、温度の安定性を向上させるものである。

そして、図１（ｂ）に示すように電子部品が搭載された回路基板１１が、金属カバー（図示せず）の凹部に格納され、金属カバーの凹部開口部を覆う金属ベースにピンによって固定されて封止され、第１の恒温槽付水晶発振器が構成されている。金属カバーと金属ベースによって封止された空間が恒温槽となる。尚、第１の恒温槽付水晶発振器において、回路基板１１は、水晶振動子１４や熱源１２が搭載された面が金属ベースに対向するよう金属カバーに格納される。

［各部］
第１の恒温槽付水晶発振器の各部について説明する。
第１の恒温槽付水晶発振器では、熱源１２としてＰＮＰパワートランジスタを用いている。尚、図１では、熱源１２となるＰＮＰパワートランジスタを２つ備えた構成を示している。
サーミスタ１３は、水晶振動子１４の温度を検出する温度センサである。

水晶振動子１４は、ベースに取り付けられた水晶ブランクが金属製のケースに封入された構成であり、金属ケースから２本のリード端子が突出している。尚、水晶振動子１４のケースにおいて、リードが突出している側の外周全体に、外側に突出した縁（へり、つば）状のフランジ１４ａが設けられている。
そして、水晶振動子１４は、カバーの一面（ＧＮＤ端子に相当）が回路基板１１上に形成された金属パターン１６に直接半田付けで接合され、接地されている。

［スリット１５］
第１の恒温槽付水晶発振器の特徴として、回路基板１１は、水晶振動子１４のフランジ１４ａの一部（図１の例では、フランジ１４ａの下側の縁）が挿入されるスリット１５を備えている。
スリット１５を設けることにより、水晶振動子１４が回路基板１１上に搭載された場合に、フランジ１４ａの一部がスリット１５に収まり、水晶振動子１４のＧＮＤ端子となるカバーの一面を回路基板１１に密着させ、熱の伝導を促進すると共に、低背化を図ることができるものである。

更に、スリット１５は、水晶振動子１４を所定の位置に固定するものであり、水晶振動子１４を回路基板１１の正しい位置に搭載した場合に、フランジ１４ａの一部がスリット１５に挿入されるように形成されている。つまり、水晶振動子１４は、スリット１５にフランジ１４の一部が挿入されることにより、所定の位置に位置決めされるものである。

具体的には、半田リフローによって水晶振動子１４を回路基板１１に搭載する際に、回路基板１１と水晶振動子１４との間の半田がリフローにより流動したとしても、スリット１５にフランジ１４ａの一部が挿入されているため、水晶振動子１４の位置を予め決められた所定の位置に固定することができ、水晶振動子１４の位置ずれを防ぎ、適切な位置に実装することができるものである。
また、スリット１５を設けることによって、水晶振動子１４が過熱された場合に、熱を外部に放出することができるものである。

尚、スリット１５の代わりに、回路基板１１のフランジ１４ａに相当する位置に、スリット１５と同程度の開口部を備え、回路基板１１を貫通しない凹部（溝、ザグリ）を設けてもよい。
ザグリを設けた場合も、ザグリにフランジ１４ａの一部が挿入されるので、リフロー時に水晶振動子１４が所定の位置からずれないように固定することができるものである。

［金属パターン１６］
そして、第１の恒温槽付水晶発振器では、温度制御回路を後述する構成としたことにより、水晶振動子１４のＧＮＤ端子と、熱源１２であるパワートランジスタのコレクタと、サーミスタ１３のＧＮＤ端子とが、回路基板１１上に形成された共通の金属パターン１６によって電気的に接続されたものとなっている。

金属パターン１６は、銅等の金属で形成されており、熱伝導性に優れている。
このため、熱源１２からの熱を損失なく水晶振動子１４及びサーミスタ１３に伝導させることができ、水晶振動子１４、熱源１２、サーミスタ１３を熱的にも結合させる。
更に、スリット１５に水晶振動子１４のフランジ１４ａの一部が挿入されることで、水晶振動子１４がＧＮＤパターンに密着する面積が広くなり、熱の伝導を一層良好にしている。

［熱伝導性の比較］
従来、水晶振動子と熱源との間に設けられていた放熱絶縁シートの熱伝導率は６．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）とかなり低い。また、従来の恒温槽付水晶発振器に用いられていた熱筒の代表的な材質であるアルミニウムの熱伝導率は２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
これに対し、共通のＧＮＤパターンに用いられる銅の熱伝導率は、３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）と良好である。

第１の恒温槽付水晶発振器では、放熱絶縁シートを用いておらず、水晶振動子１４と熱源１２とが銅から成る共通のＧＮＤパターンである金属パターン１６のみを介して接しているため、従来に比べて熱が非常に伝わり易くなっており、温度安定性を向上させることができるものである。

更に、第１の恒温槽付水晶発振器は、熱筒を備えていないため、発振器全体の熱容量が従来に比べて低くなる。これにより、発振器の起動時に、水晶振動子がある一定の温度に達して温度が安定した状態となるまでの時間を短縮することができるものである。
このように、第１の恒温槽付水晶発振器では、従来に比べて熱伝導率を上げ、且つ熱容量を低下させたことにより、起動時に周波数が安定するまでの時間を短縮し、その後の温度安定性も向上させることができるものである。

［低背化］
第１の恒温槽付水晶発振器では、従来、効率的に熱を伝導させる手段として用いられていた熱筒を不要とし、水晶振動子１４のフランジ１４ａを挿入するスリット１５又はザグリを設けたことにより、発振器全体の高さ方向の寸法を低減して低背化を図ることができるものである。

［回路基板１１上の配置：図１］
次に、第１の恒温槽付水晶発振器の回路基板１１上における配置について図１（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図１（ａ）（ｂ）に示すように、回路基板１１の一方の面（ここでは上面）に、スリット１５に水晶振動子１４のフランジ１４ａが収まるように水晶振動子１４が搭載され、リード端子が回路基板１１に形成された貫通孔を介して他方の面に引き出されている。

熱源１２であるＰＮＰパワートランジスタは、水晶振動子１４の真横に密着又は近接して配置され、更にサーミスタ１３も水晶振動子１４及び熱源１２の真横に密着又は近接して配置される。上述したように、水晶振動子１４、熱源１２、サーミスタ１３は、回路基板１１上の共通の金属パターン１６に接続されている。
このように、水晶振動子１４、熱源１２、サーミスタ１３の間の距離を最短とすることで、熱をより効率的に伝えることができ、温度安定性を高めるものである。
尚、図１では、ＰＮＰパワートランジスタを２つ使用して、更に温度安定度を高めている。

［温度制御回路：図２］
次に、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路について図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る温度制御回路の回路図である。尚、図２の温度制御回路は、第１の恒温槽付水晶発振器及び後述する第２の恒温槽付水晶発振器に用いられている。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路（本温度制御回路）は、恒温槽の温度を制御するものであり、その結果として水晶振動子の温度を制御している。
本温度制御回路は、図２に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲと、電流制限用トランジスタＴｒ２とを有している。
そして、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２が、ＰＮＰ型トランジスタとなっている。

［本温度制御回路における接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のコレクタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。

また、抵抗Ｒ１の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ１の他端がサーミスタＴＨの一端に接続され、サーミスタＴＨの他端がＧＮＤに接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端がＧＮＤに接地されている。

そして、抵抗Ｒ１の他端とサーミスタＴＨの一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の入力端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の入力端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と入力端子（−端子）とを、抵抗Ｒ５を介して帰還して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
尚、図示していないが、差動増幅器ＩＣ１０には、動作のために電源電圧ＤＣが印加され、またＧＮＤに接続している。

また、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタに電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとの間の点が電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに接続し、電流制限用トランジスタＴｒ２のコレクタがパワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。

［本温度制御回路の各部］
［サーミスタＴＨ］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
本温度制御回路では、サーミスタＴＨの他端がパワートランジスタＴｒ１のコレクタとグランドレベルで共通のＧＮＤ層に接続される点に特徴がある。

つまり、サーミスタＴＨの他端とパワートランジスタＴｒ１のコレクタが、熱伝導性が良好な銅から成るＧＮＤ層を介して物理的電気的に接続可能となったことで、熱応答性を向上させることができるものである。

［差動増幅器ＩＣ１０］
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、抵抗Ｒ１とサーミスタＴＨとの間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅して出力する。

［パワートランジスタＴｒ１］
パワートランジスタＴｒ１は、ＰＮＰ型トランジスタであり、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベースへの印加電圧に応じてエミッタとコレクタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタＴｒ１は、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって、ヒーター抵抗ＨＲに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗ＨＲを熱源にせず、パワートランジスタＴｒ１だけが熱源となる。特に、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ（ＧＮＤ側）が発熱する。
尚、パラートランジスタＴｒ１をＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成してもよい。

［ヒーター抵抗ＨＲ］
ヒーター抵抗ＨＲは、電源電圧ＤＣが印加され、パワートランジスタＴｒ１の動作によって、流れる電流に応じて発熱する。
但し、ヒーター抵抗ＨＲは、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって流れる電流が制限されるので、電流制限回路を備えない従来の温度制御回路に比べて熱源にはならないものである。
尚、図１の例では、パワートランジスタＴｒ１及びパラートランジスタＴｒ２を熱源１２として示している。

［電流制限用トランジスタＴｒ２］
電流制限用トランジスタＴｒ２は、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧ＤＣに接続するエミッタとパワートランジスタＴｒ１のベースに接続するコレクタを流れる電流が制御される。

つまり、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流に応じて、電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに印加される電圧が可変となり、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も可変となる。

具体的には、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が大きくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２と電流検出抵抗により最大電流が決まり、ヒーター抵抗の発熱量が制限され、パワートランジスタＴｒ１で主に消費される。
また、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が小さくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も小さくなり、トランジスタＴｒ２は動作しなくなる。

［第１の実施の形態の効果］
本発明の１の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器によれば、温度制御回路として、熱源１２であるＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタ１３の一端を銅から成る共通のＧＮＤパターン（金属パターン１６）に接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けた回路を用い、回路基板１１にスリット１５を設け、水晶振動子１４のフランジ１４ａをスリット１５に挿入した状態で、水晶振動子１４のケース（ＧＮＤ端子）を上述した共通のＧＮＤパターンに直接半田付けして実装する構成としており、熱源をパワートランジスタＴｒ１一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタからの熱を、熱伝導率の高い銅の金属パターン１６によって水晶振動子１４及びサーミスタ１３に効率的に伝導させて、熱筒を用いなくても熱応答性及び温度安定性を向上させることができ、温度特性の優れた発振器を実現でき、また、低背化を図ることができると共に、スリット１５又はザグリにフランジ１４ａの一部が挿入されることによって、水晶振動子１４を回路基板１１上の所定の位置に固定して、半田リフロー時に水晶振動子１４の位置がずれるのを防ぐことができる効果がある。

［第２の実施の形態：図３］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の構成について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器に用いられる発振器の構成を示す模式説明図であり、（ａ）は外観説明図、（ｂ）は部分説明図である。
本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器（第２の恒温槽付水晶発振器）は、図６に示した円柱型の水晶振動子と、図２に示した温度制御回路とを備えたものである。
上述したように、円柱型の水晶振動子は、長期に亘って安定した周波数特性を備えたものであり、第２の恒温槽付水晶発振器では、更に温度安定性を向上させた恒温槽付水晶発振器を実現したものである。

図３（ａ）に示すように、第２の恒温槽付水晶発振器の発振器は、回路基板２１の一方の面（ここでは上面）に、熱源２２と、サーミスタ２３と、図６に示した円柱型の水晶振動子２４とが搭載された構成である。
水晶振動子２４の下面外周には、外側に突出するフランジ２４ａが形成されている。尚、ここでは、ベースとケースとが接合されて外側に突出した部分全体をフランジと称している。
熱源２２としてはＰＮＰパワートランジスタを用いているが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴとしてもよい。尚、ここでは、熱源２２を２つ備えて、温度安定性を一層高めたものとしている。

また、第２の恒温槽付水晶発振器でも上述の図２に示した温度制御回路が用いられており、水晶振動子２４のフランジ２４ａの裏側に相当するベースと、熱源２２と、サーミスタ２３とが、共通の金属パターン２５に接続されて接地された構成としている。金属パターン２５は、銅等によって形成されており、熱伝導性が高い。
これにより、熱源２２のＰＮＰパワートランジスタＴｒ１のコレクタからの熱が、サーミスタ２３及び水晶振動子２４に効率的に伝導され、温度安定性を向上させることができるものである。
そして、図３（ａ）の発振器が金属カバーの凹部に格納され、凹部を覆う金属ベースにピンによって固定されて封止されて、第２の恒温槽付水晶発振器が構成される。

第２の恒温槽付水晶発振器の特徴として、図３（ｂ）に示すように、回路基板２１の上面において、水晶振動子２４が搭載される部分に、水晶振動子２４のフランジ２４ａより小さい開口を備えた凹部（ザグリ）２６が形成されている。
また、回路基板２１には、水晶振動子２４と、ＰＮＰパワートランジスタＴｒ１と、サーミスタ２３とを共通接続して接地する金属パターン２５が形成されている。
そして、凹部２６の底面には、水晶振動子２４のリード端子が貫通する貫通孔２７が形成され、リード端子が回路基板２１の裏面に引き出されるようになっている。

更に、第２の恒温槽付水晶発振器では、凹部２６の開口部外周に環状の半田付け用パターン２６ａ（黒塗りで示している）が形成されている。つまり、凹部２６は、半田付け用パターン２６ａの内側に形成されているものである。
半田付け用パターン２６は、金属パターン２５に接続しており、これにより、熱源２２と、サーミスタ２３と、水晶振動子２４とが共通の金属パターン２５に電気的に接続して、更に熱的にも結合するものである。

そして、水晶振動子２４を回路基板２１に搭載する際には、フランジ２４ａの裏側に相当するベースの裏面（ここでは下面）のみ半田付けを行って、ベースの裏面の外周部と、回路基板２１の凹部２６の外周部分に形成された半田付け用パターン２６ａとを接合する。
ここで、水晶振動子２４のベース裏面全体を半田付けした場合、水晶振動子２４のベースとリードとが半田で接続される可能性があるが、回路基板２１に凹部２６を備えて空間を設け、凹部の外周部分と水晶振動子２４のフランジ２４ａの下面とを半田付けすることにより、リード端子に半田がつかないようにして、ＧＮＤに接続するベース部分とリードとが接続されるのを防ぐことができるものである。

［第２の実施の形態の効果］
本発明の第２の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器によれば、温度制御回路として、熱源２２であるＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタ２３の一端を銅から成る共通の金属パターン２５に接続して接地し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けた回路を用い、円柱型の水晶振動子２４のフランジ２４ａの裏面と、熱源２２と、サーミスタ２３とを回路基板２１の金属パターン２５に共通接続しているので、熱源２２からの熱を効率よくサーミスタ２３及び水晶振動子２４に伝導させて、熱応答性及び温度安定性を向上させることができ、長期に亘って周波数特性が良好で且つ温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。

また、第２の恒温槽付水晶発振器によれば、回路基板２１の水晶振動子２４が搭載される部分に水晶振動子２４の外周より小さい凹部２６を形成し、水晶振動子２４のフランジ２４ａの裏面と、凹部２６の外周に形成された半田付けパターン２６ａとを半田付けした構成としているので、水晶振動子２４のベース裏面の外周以外の内側部分に半田がつかないようにして、ベースとリードとが半田で接続されるのを防ぐことができる効果がある。

本発明は、低背化を図りつつ温度安定性を向上させることができ、更に、半田リフロー時に水晶振動子を所定の位置に実装できる恒温槽付水晶発振器に適している。

１０...差動増幅器ＩＣ、 １１，２１，４１...回路基板、 １２，２２，４２...熱源、 １３，２３...サーミスタ、 １４，２４，４５...水晶振動子、 １５...スリット、 １６...金属パターン、 ２５...金属パターン、 ２６...凹部、 ２７...半田付け用パターン、 ４３...温度センサ、 ４４...放熱絶縁シート、 ４６...熱筒

Claims (7)

1. 水晶振動子と、前記水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、
   前記水晶振動子は、一端において外周全体に外側に突出したフランジを備え、
   前記回路基板は、前記フランジの一部が挿入される凹部を備え、
   前記温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、前記水晶振動子のグランド端子と前記パワートランジスタのコレクタと前記サーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、
   前記水晶振動子が、前記フランジの一部が前記凹部に挿入された状態で位置決めされて、前記金属パターンに接続されていることを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
2. 温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
   電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、
   前記電源電圧と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
   前記ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、前記差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、
   前記電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、
   前記パワートランジスタのコレクタと、前記サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されていることを特徴とする請求項１記載の恒温槽付水晶発振器。
3. 凹部が、回路基板を貫通しているスリットであることを特徴とする請求項１又は２記載の恒温槽付水晶発振器。
4. 凹部が、回路基板を貫通していない溝であることを特徴とする請求項１又は２記載の恒温槽付水晶発振器。
5. 円柱型の水晶振動子と、前記水晶振動子の温度を制御する温度制御回路とが回路基板に搭載された恒温槽付水晶発振器であって、
   前記水晶振動子は、前記回路基板に接合される面の外周全体に外側に突出したフランジを備え、前記フランジには水晶振動子のグランド端子が接続され、
   前記回路基板は、前記水晶振動子が搭載される部分に凹部が形成され、前記凹部の周囲に前記水晶振動子と接続する半田付けパターンを備え、
   前記温度制御回路は、熱源となるパワートランジスタと、温度センサであるサーミスタと、前記水晶振動子のグランド端子と前記パワートランジスタのコレクタと前記サーミスタのグランド端子とを共通接続する金属パターンとを備え、
   前記水晶振動子が、前記グランド端子と、前記回路基板の半田付けパターンとが半田付けされて、前記金属パターンに接続されていることを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
6. 前記温度制御回路が、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
   電源電圧が一端に供給され、他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力する温度センサであるサーミスタと、
   前記電源電圧と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記サーミスタに並列に設けられた信号線の電圧が他方の入力端子に入力され、出力が抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
   前記ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、前記差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、
   前記電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有し、
   前記パワートランジスタのコレクタと、前記サーミスタの他端とが共通接続する金属パターンで接続されて接地されていることを特徴とする請求項５記載の恒温槽付水晶発振器。
7. パワートランジスタの代わりに、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴを備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。

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