JP2002208820A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶振動子と発振回路とを同時に温度制御可
能とし、周波数安定度の高安定化を図るとともに、金属
ブロックを使用することなく小型・軽量化を図ることが
可能な水晶発振器を提供する。 【解決手段】 プリント基板の内層には温度制御を必要
とする面、ここでは水晶振動子１と発振回路５とに対し
て相対する形態で、膜抵抗を形成したヒータ７がプリン
ト基板全体に網羅されている。ヒータ７は温度制御回路
６にて制御されたヒータ電流が温度制御用トランジスタ
から供給されるため、ヒータ７である膜抵抗端は温度制
御回路６とスルーホールを介して接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の属する技術分野】

【０００１】本発明は水晶発振器に関し、特に宇宙空間
の環境下で使用する温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ：
Ｏｖｅｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏ
ｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の温度制御型水晶発振器に
おいては、図７及び図８に示すように、膜抵抗を蒸着し
たアルミナ基板１７を金属ブロック１８表面に実装し、
水晶振動子１１を金属ブロック１８内に固定すること
で、水晶振動子１１の頭部を温度制御しているものであ
る。金属ブロック１８は取付け面への熱伝導を抑えるた
め、断熱ブロック１３にて覆われている。

【０００３】また、上記の温度制御型水晶発振器は金属
ブロック１８を有した断熱ブロック１３と、発振回路１
５と、温度制御回路１６と、温度制御用トランジスタ１
２とから構成されており、図７に示すように、水晶振動
子１１と金属ブロック１８との形状から決定する断熱ブ
ロック１３の形状にて温度制御型水晶発振器の構造及び
外形がほとんど決定されている。

【０００４】上記の温度制御型水晶発振器では水晶振動
子１１のみを温度制御しているため、環境温度の変動に
て発振回路１５の温度変動が生じることで、図９に示す
ように、発振回路１５の温度特性が発振周波数に影響を
及ぼす。このため、周波数温度安定度の偏差が大きく変
動する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の温度制
御型水晶発振器では、水晶振動子を含めた発振回路全体
に対して温度制御を行うことで、周波数安定度の高安定
化を図ることが可能であるが、温度制御を行うのに必要
なヒータ及び断熱のためのブロックの形状が大きくなる
ため、水晶振動子の頭部のみをヒータにて簡易的に温度
制御を行うことで、水晶振動子と発振回路との接続ライ
ンからの熱の逃げが生じたり、発振回路が温度制御され
ていないことによる周波数安定度の劣化が生ずるという
問題がある。

【０００６】また、水晶振動子を金属ブロック内に実装
し、金属ブロック表面にアルミナ基板に蒸着した膜抵抗
（ヒータ）を取付けているので、水晶振動子の形状にて
金属ブロックの形状、ヒータの形状が決定されてしまう
ため、温度制御を行うためのヒータ構造が大きくなると
いう問題がある。

【０００７】したがって、本発明の目的は上記の問題点
を解消し、水晶振動子と発振回路とを同時に温度制御す
ることができ、周波数安定度の高安定化を図ることがで
きるとともに、金属ブロックを使用することなく小型・
軽量化を図ることができる水晶発振器を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による水晶発振器
は、宇宙空間の環境下で使用する温度制御型の水晶発振
器であって、水晶振動子を含む発振回路を実装している
プリント基板の内層にヒータを内蔵するよう構成してい
る。

【０００９】すなわち、本発明の温度制御型水晶発振器
は、プリント基板内層に膜抵抗を有したヒータを形成
し、プリント基板上に水晶振動子と発振回路と温度制御
回路とを両面実装することで、達成されるものである。

【００１０】また、本発明の温度制御型水晶発振器は、
上記のヒータを内蔵するプリント基板を断熱ブロックで
覆うことで、宇宙空間の環境下で熱平衡を保ち、達成さ
れるものである。

【００１１】さらに、本発明の温度制御型水晶発振器
は、水晶振動子を含む発振回路を実装しているプリント
基板の内層に膜抵抗にて形成されたヒータが内蔵されて
いることで、外部環境温度に関係なく、常に水晶振動子
及び発振回路に対して直接的、集中的にヒータにて一定
の温度に保つことが可能となる。

【００１２】プリント基板上には水晶振動子及び発振回
路の他に、内層に設けたヒータを制御するための温度制
御回路を実装することで、小型化・軽量化を図ることが
可能となる。

【００１３】プリント基板とその外部環境とを断熱ブロ
ックで遮断することで、熱的な平衡を保っているため、
宇宙空間の環境下において、外的な環境変動にとらわれ
ずに温度制御型水晶発振器として一定な温度維持を図る
ことが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１及び図２は本発明の一実施
例による温度制御型水晶発振器の構成を示す図である。
図１（ａ）は本発明の一実施例による温度制御型水晶発
振器の平面図であり、図１（ｂ）は本発明の一実施例に
よる温度制御型水晶発振器の側面図であり、図２は図１
のＡＡ線に沿う矢視方向の断面図である。

【００１５】これら図１及び図２において、本実施例に
よる温度制御型水晶発振器の外周３は熱伝導率の低い素
材を用いた断熱ブロックであり、内部回路の発熱温度が
外部に逃げないよう、また外部温度が内部回路に影響を
与えないように、外部との断熱構造を図っている。

【００１６】この断熱ブロック３の内部にはヒータを内
蔵したプリント基板４が取付けられており、このプリン
ト基板４には水晶振動子１及び温度制御用トランジスタ
２が搭載されている。

【００１７】図３は図１のプリント基板４の構成を示す
図である。図３（ａ）はプリント基板４の平面図であ
り、図３（ｂ）はプリント基板４の側面図であり、図３
（ｃ）はプリント基板４の底面図である。

【００１８】これら図３（ａ）〜（ｃ）において、プリ
ント基板４には本実施例による温度制御型水晶発振器を
構成する発振回路５と温度制御回路６とが実装されてお
り、温度制御を必要とする水晶振動子１及び発振回路５
をプリント基板４の片側面（部品面）上に取付けてい
る。また、特に温度制御を必要とはしないが、温度制御
をしたほうが好ましい温度制御用トランジスタ２と温度
制御回路６とをプリント基板の反対面（半田面）上に取
付けている。

【００１９】図４は図１のプリント基板４の内部構成を
示す図である。図４において、プリント基板４の内層に
は、温度制御を必要とする面、ここでは水晶振動子１と
発振回路５とに対して相対する形態で、内層に膜抵抗を
形成したヒータ７がプリント基板４全体に網羅されてい
る。

【００２０】このヒータ７は温度制御回路６にて制御さ
れたヒータ電流が温度制御用トランジスタ２から供給さ
れるため、ヒータ７である膜抵抗端は温度制御回路６と
スルーホールを介して接続されている。

【００２１】宇宙空間における環境下においては大気の
対流が生じないため、発熱体を含んだ回路は熱の伝導、
熱の輻射によって周囲との熱平衡を保つ。従来の技術に
おいては、図７及び図８に示すような構造を用いている
ため、ヒータにて温度制御された温度は断熱ブロック１
３にて断熱効果があり、水晶振動子１１の頭部は常に一
定の温度を保つが、ヒータにて制御された温度の一部は
水晶振動子１１と発振回路１５との接続ラインを伝導
し、発振回路１５から断熱ブロック１３とは反対の構造
体に熱の逃げが生じる。

【００２２】このため、環境温度に対する発振回路１５
上の温度は一次的な傾斜を有しており、熱平衡が保たれ
ていないものである。発振回路１５上の電気・電子部品
に温度傾斜が生じることで、部品の温度特性が発振周波
数に影響を与え、周波数偏差として見えてしまう。

【００２３】これに対し、本実施例によるヒータ７を内
蔵したプリント基板４を用いた温度制御型水晶発振器は
回路全体をヒータ７内蔵のプリント基板４上に実装され
ており、プリント基板４全体を断熱ブロック３にて覆う
ことで、外部環境温度との熱の流動を抑えているため、
水晶振動子１及び発振回路５は常に内層のヒータ７にて
一定の温度に保たれる。

【００２４】このため、回路上の電気・電子部品に温度
傾斜が生じることはなく、部品の温度特性が発振周波数
に影響を与えることはない。また、本実施例では従来の
技術のような金属ブロックを用いることもないので、回
路全体を一枚のプリント基板４及び断熱ブロック３のみ
で構成することができ、小型・軽量化の実現が可能とな
る。

【００２５】次に、本発明の一実施例について図１〜図
４を参照して詳細に説明する。図２を参照すると、図２
における断熱ブロック３はガラスエポキシ素材（伝導
率：０．２９Ｗ／ｍ・Ｋ）、もしくはレキソライト素材
（伝導率：０．１５Ｗ／ｍ・Ｋ）等の熱伝導率の小さな
素材を用いる必要がある。本実施例では素材の加工が容
易であるガラスエポキシ素材を採用している。

【００２６】図４ではヒータ７内蔵のプリント基板４の
素材はガラスエポキシ素材としている。本来、ヒータ７
内蔵のプリント基板４は熱伝導率のよいものを用いるの
が好ましいが、本実施例では回路の実装が容易であるガ
ラスエポキシ素材を使用している。

【００２７】その際、水晶振動子１及び発振回路５に対
して熱伝導が良くなるように、基板上の空きスペースに
は極力銅箔が残るようにし、逆に、断熱ブロック３への
取付けねじ周辺では断熱ブロック３と熱的なアイソレー
ションがとれるように、銅箔を残さずかつ断熱ブロック
３に対して接触面積が小さくないように工夫されてい
る。

【００２８】プリント基板４の内層には膜抵抗（ヒータ
７）を形成しており、この膜抵抗は単位あたりの電力定
格を考慮し、薄膜抵抗にて構成されている。プリント基
板４の表裏両面には発振回路５、温度制御回路６が実装
されるため、リード部品を用いた際にはプリント基板４
の内層の膜抵抗に干渉しないように、膜抵抗の抵抗位置
を調整している。電気・電子部品は主にリードレス部品
を用い、部品実装の際にプリント基板４の内層の膜抵抗
に干渉しない配慮が必要である。また、プリント基板４
の内層の膜抵抗端と温度制御回路６とは電力供給のた
め、スルーホールにて接続されている。

【００２９】図５は本発明の一実施例による温度制御型
水晶発振器の周波数温度安定度特性と、温度制御型水晶
発振器内部の温度モニタ（Ａ〜Ｃ）比較例を示す図であ
る。図５（ａ）は本発明の一実施例による温度制御型水
晶発振器の周波数温度安定度／真空特性を示す図であ
り、図５（ｂ）は本発明の一実施例による温度制御型水
晶発振器の内部モニタ温度／真空特性を示す図である。
これら図１〜図５を参照して本発明の一実施例の特徴部
分について詳細に説明する。

【００３０】宇宙空間における環境下においては大気の
対流が生じないため、発熱体を含んだ回路は熱の伝導、
熱の輻射によって周囲との熱平衡が保たれる。従来の技
術においては、図７及び図８に示す構造を用いてモニタ
Ｄ，Ｅ，Ｆにて水晶振動子１１、発振回路１５の３ポイ
ントの環境温度に対する熱平衡温度と周波数偏差とをモ
ニタしている。このモニタ結果は図９に示すようにな
る。

【００３１】図９に示すように、水晶振動子１１の温度
（モニタＤ）は環境温度の変動に対して一定温度を保っ
ているが、発振回路１５における２ポイントの測定温度
（モニタＥ，Ｆ）は環境温度に対して一次的な傾斜を有
しており、熱平衡が保たれていないものである。このモ
ニタＥ，Ｆでの傾斜と比例し、周波数温度偏差も一次傾
斜であり、周波数温度偏差が大きいものである。

【００３２】本実施例によるヒータ７を内蔵したプリン
ト基板４を用いた温度制御型水晶発振器は回路全体をプ
リント基板４の内層にヒータ７を用いており、プリント
基板４全体を断熱ブロック３にて外部温度との熱の流動
を抑えているため、水晶振動子１、発振回路５は常に内
層のヒータ７にて一定の温度に保たれる。

【００３３】この回路を用いて、周波数温度偏差と内部
温度とをモニタした結果を図５に示す。モニタＡ，Ｂ，
Ｃ（図２参照）にてモニタした温度は多少の温度誤差が
あるものの、図９に示すモニタ結果に比べて環境温度の
変動に左右されておらず、また回路全体を一定温度に保
っているため、その際の周波数温度偏差も小さくなって
いる。

【００３４】図６は本発明の他の実施例による温度制御
型水晶発振器の断面図である。図６において、本発明の
他の実施例による温度制御型水晶発振器は、金属プレー
ト９に実装することを容易にするという目的のため、断
熱ブロック３を更に金属ブロック（図示せず）で覆い、
金属プレート９等の温度制御型水晶発振器の実装面に取
付ける形態となっている。

【００３５】このように、従来の金属ブロックにヒータ
を取付けていた構造を、プリント基板４の内層にヒータ
７を形成することによって、回路の一体化が可能となる
ので、小型・軽量化を図ることができる。

【００３６】また、プリント基板４の内層にヒータ７を
形成することによって、水晶振動子１と発振回路５とを
同時に温度制御することができるので、周波数の温度偏
差を抑圧することができる。

【００３７】尚、本発明は断熱ブロック３の素材をガラ
スエポキシ素材に限らず、レキソライト、ＢＴレジン等
の低熱伝導率を有する素材を使用することも可能であ
る。また、太陽光等の熱を受けない環境下で使用する場
合には断熱ブロック３を図６に示すような形状にし、直
接、金属プレート９に実装することも可能である。

【００３８】さらに、ヒータ７を内蔵するプリント基板
４としてはガラスエポキシ素材ではなく、ポリイミド基
板等にて形成することも可能である。さらにまた、ヒー
タ７を内蔵するプリント基板４の内層はプリント基板４
と同一材質のガラスエポキシ素材ではなく、アルミナ基
板に蒸着した膜抵抗から形成するヒータ７をガラスエポ
キシ素材のプリント基板４で挟み込み、接着することも
可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、宇
宙空間の環境下で使用する温度制御型の水晶発振器にお
いて、水晶振動子を含む発振回路を実装しているプリン
ト基板の内層にヒータを内蔵することによって、水晶振
動子と発振回路とを同時に温度制御することができ、周
波数安定度の高安定化を図ることができるとともに、金
属ブロックを使用することなく小型・軽量化を図ること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例による温度制御型水
晶発振器の平面図、（ｂ）は本発明の一実施例による温
度制御型水晶発振器の側面図である。

【図２】図１のＡＡ線に沿う矢視方向の断面図である。

【図３】（ａ）は図１のプリント基板の平面図、（ｂ）
は図１のプリント基板の側面図、（ｃ）は図１のプリン
ト基板の底面図である。

【図４】図１のプリント基板の内部構成を示す図であ
る。

【図５】（ａ）は本発明の一実施例による温度制御型水
晶発振器の周波数温度安定度／真空特性を示す図、
（ｂ）は本発明の一実施例による温度制御型水晶発振器
の内部モニタ温度／真空特性を示す図である。

【図６】本発明の他の実施例による温度制御型水晶発振
器の断面図である。

【図７】（ａ）は従来例による温度制御型水晶発振器の
平面図、（ｂ）は従来例による温度制御型水晶発振器の
側面図である。

【図８】図７のＢＢ線に沿う矢視方向の断面図である。

【図９】（ａ）は従来例による温度制御型水晶発振器の
周波数温度安定度／真空特性を示す図、（ｂ）は従来例
による温度制御型水晶発振器の内部モニタ温度／真空特
性を示す図である。

【符号の説明】

１ 水晶振動子 ２ 温度制御用トランジスタ ３ 断熱ブロック ４ プリント基板 ５ 発振回路 ６ 温度制御回路 ７ ヒータ ９ 金属プレート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙空間の環境下で使用する温度制御型
   の水晶発振器であって、水晶振動子を含む発振回路を実
   装しているプリント基板の内層にヒータを内蔵するよう
   構成したことを特徴とする水晶発振器。
2. 【請求項２】 前記発振回路からなる発振器全体を前記
   ヒータで温度制御するよう構成したことを特徴とする請
   求項１記載の水晶発振器。
3. 【請求項３】 前記プリント基板上に水晶発振回路と前
   記ヒータの温度制御回路とを実装するよう構成したこと
   を特徴とする請求項１記載の水晶発振器。