JP2003309432A - 高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用温度の高温側が８５℃と高温の場合、
高安定圧電発振器に使用する電子部品等の熱エージング
による劣化を防止する設計手段を得る。 【解決手段】 圧電振動子と電子部品とを収容した第
１の恒温槽と、第１の恒温槽を収容する第２の恒温槽
と、第２の恒温槽を包む断熱材、ケース等からなる高安
定圧電発振器であって、第１の恒温槽の温度をペルチェ
素子等を用いて第２の恒温槽の温度より低く設定した構
成の高安定圧電発振器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高安定圧電発振器に
関し、特に二重恒温槽の内側の恒温槽の温度制御素子と
してペルチェ素子を用いることにより、その温度を外側
の恒温槽より低く設定した高安定圧電発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】高安定水晶発振器（ＯＣＸＯ）は優れた
周波数精度、周波数温度特性、周波数エージング特性等
を有することから、移動体無線基地局から高精度の測定
器まで多くの用途に用いられている。高安定水晶発振器
の構造は、周囲温度が変動しても発振周波数が変化しな
いように、水晶振動子及び発振回路を恒温槽内に収容し
た構造となっている。より高精度を要する高安定水晶発
振器には、２回回転カットのＳＣカット水晶振動子やＩ
Ｔカット水晶振動子が用いられており、ＡＴカット水晶
振動子を用いた場合に比べて、応力感度特性や耐熱衝撃
特性等に優れた水晶発振器が得られることが知られてい
る。

【０００３】図２は横軸を周波数、縦軸をリアクタンス
とした場合、ＳＣカット水晶振動子の共振近傍のリアク
タンス特性を示す図であって、励起される３つのモード
の中一番低い周波数である主振動は厚みすべり振動モー
ド（Cモード）、該振動モードより高周波側に厚みねじ
れモード（Bモード）、厚み縦モード（Cモード）等が存
在する。主振動のＣモード（共振周波数ｆ１）に隣接す
るＢモードの共振周波数（ｆ２）は、Cモードの共振周
波数ｆ１より約９〜１０％程度高周波側に存在するた
め、周波数ジャンプ現象等を引き起こさないように発振
回路に工夫を施している。

【０００４】図３はＳＣカット振動子（Ｃモード）の周
波数温度特性を示す図であって、横軸を温度（℃）、縦
軸を規格化した周波数変化量（Δｆ／ｆ）とすると、変
曲点温度（Ｔｉ）が約９５℃にある３次曲線を呈する。
そして、変曲点温度（Ｔｉ）より低温側で零温度係数を
示す頂点温度Ｔｐは、切断する２回回転角に依存し、頂
点温度Ｔｐの設定範囲は６５℃〜８１℃程度となる。従
って、恒温槽内の温度を頂点温度Ｔｐ近傍に設定するこ
とにより、安定した周波数が得られることになる。例え
ば、高安定水晶発振器の使用温度範囲が０℃から５０℃
の範囲であると、恒温槽内の温度を使用温度の上限であ
る５０℃より１０℃から２０℃高い温度、例えば７０℃
を保持するように構成する。そして、頂点温度Ｔｐが７
０℃近傍のＳＣカット水晶振動子を用いれば、発振器の
周囲の温度に影響されず、安定した周波数が出力され
る。

【０００５】図４は高安定水晶発振器の構造を示す断面
図であって、プリント基板２１にＳＣカット水晶振動子
２２、発振用の電子部品２３、感温素子２４等を実装し
たものを恒温槽２５内に収容し、該恒温槽２５の周囲に
はヒーター２６を巻き付けている。そして、プリント基
板２１からは電源用端子、出力用端子等２７、２７・・
が恒温槽２５及びベース２８をハーメチック端子等を用
いて絶縁的に貫通している。さらに、ベース２８はケー
ス２９によって覆われ、その接合部は半田付け等により
密封される。恒温槽の動作は端子２７に電圧を印加する
とヒーター２６に電流が流れ、感温素子と制御回路とに
より、恒温槽２５の温度を一定に保持するように動作す
る。

【０００６】近年、使用される周囲温度が高温でも安定
に動作する高安定水晶発振器が要求されている。例え
ば、使用温度範囲が０℃から８５℃の場合、恒温槽の温
度を使用温度の上限の８５℃より高い９５℃近傍に設定
する必要がある。しかしながら、発振回路を構成する電
子部品の定格は８５℃程度までのものが多く、これ以上
での使用が保証されていない。高温で使用可能な軍事
用、衛星用部品も存在するが、極めてコスト高となって
しまう。さらに、水晶振動子も高温度でエージングが加
速され、周波数ズレ等をもたらすおそれもある。また、
ＳＣカット水晶振動子の頂点温度Ｔｐは８１℃程度が上
限であり、それ以上に設定することはできない。

【０００７】そこで、特開平３−１０４４０４に開示せ
れているようにペルチェ素子（ペルチェ効果、即ち異種
の導体（または半導体の）の接点に電流を流したとき、
熱の発生または、吸熱が起きる現象を用いた素子であ
る。発熱量または吸熱量は電流に比例し、また電流の向
きを逆にすると熱の発生と吸熱が逆になる）を用いた高
安定水晶発振器も提案されている。例えば、使用温度範
囲が０℃から８５℃の場合、恒温槽の槽内温度を７０℃
に設定すると、ペルチェ素子と温度制御回路とにより７
０℃に保持すべく、恒温槽は加熱または冷却される。こ
のとき水晶振動子としてＴｐ＝７０℃のＳＣカット水晶
振動子を用いることができる。

【０００８】図５はペルチェ素子を用いた高安定水晶発
振器の構造を示す断面図であって、プリント基板３１に
ＳＣカット水晶振動子３２、発振用の電子部品３３、感
温素子３４等を実装したものを恒温槽３５内に収容し、
該恒温槽３５にペルチェ素子３６を付着させる。そし
て、プリント基板３１からは電源用端子、出力用端子等
３７、３７・・が恒温槽３５及びベース３８をハーメチ
ック端子等を用いて絶縁的に貫通している。さらに、ベ
ース３８はケース３９によって覆われ、その嵌合部は半
田付け等により密封される。電源端子３７と通してペル
チェ素子３６に電流を流すことにより恒温槽３５の温度
を所定の温度、例えば７０℃に一定に保持することがで
きる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示したペルチェ素子を用いた高安定水晶発振器において
は、周囲温度が７０℃近傍のときに、熱容量等により槽
内温度を７０℃に保持することは極めて難しいという問
題があった。恒温槽の温度制御は周囲温度から少なくと
も１０℃から２０℃離れた高温に設定する方が安定し、
制御し易いことは周知の通りである。本発明は上記問題
を解決するためになされたものであって、要求される温
度範囲が０℃から８５℃と広範囲の場合でも安定に動作
し、且つ用いられている水晶振動子及び電子部品のエー
ジングによる劣化を極めて少なくした高安定水晶発振器
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る高安定圧電発振器の請求項１記載の発明
は、圧電振動子と発振用電子部品とを収容した第１の恒
温槽と、第１の恒温槽を収容する第２の恒温槽と、各恒
温槽の温度を制御する温度制御用手段とを備えた高安定
圧電発振器において、前記第１の恒温槽の温度を第２の
恒温槽の温度より低く設定したことを特徴とする高安定
圧電発振器である。請求項２記載の発明は、前記第１の
恒温槽はペルチェ素子を用いて温度制御がなされてお
り、前記圧電素子としてＳＣカット水晶振動子を用いる
と共に、前記第１の恒温槽の温度をＳＣカット水晶振動
子の頂点温度近傍に設定したことを特徴とする請求項１
に記載の高安定圧電発振器である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示した実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る高
安定水晶発振器の構造を示す断面図であって、第１のプ
リント基板１にＳＣカット水晶振動子２、電子部品３、
第１の感温素子４をそれぞれ搭載したものを第１の恒温
槽５内に収容し、該恒温槽５の周囲にペルチェ素子６を
接着する。さらに、第１の恒温槽５をより大きな第２の
恒温槽７に収容し、第２の恒温槽７に第２の感温素子８
を接着した上で、該感温素子８から離して恒温槽の周囲
にヒーター９を巻いた上で、第２の恒温槽７の周囲全体
を断熱材１０で包囲する。そして、ベース１１に半田付
けしたハーメチック端子１２、１２・・を通して、増幅
回路、温度制御回路１３を搭載した第２のプリント基板
１４を固定すると共に、該リード端子１２、１２・・を
断熱材１０、第２の恒温槽７及び第１の恒温槽５を絶縁
的に貫通させて、第１のプリント基板１上に形成したプ
リント回路とそれぞれ接続する。ベース１１は金属ケー
ス１５で覆われ、その嵌合部は半田付等を用いて密封さ
れる。そして、振動、衝撃等にも耐えられるように、第
１の恒温槽５、第２の恒温槽７、断熱材１０、第２のプ
リント基板１４及びベース１１の間にはそれぞれ絶縁材
１６、１６・・を挟んで接着剤等で固定した構造とす
る。

【００１２】本発明の特徴は第１と第２の恒温槽５、７
を用いた二重恒温槽としたものにおいて、第２の恒温槽
の温度をヒーター９と温度制御回路とを用いて、要求さ
れる使用温度の高温より１０℃から２０℃高く、例えば
９５℃に設定すると共に、第１の恒温槽の温度を、ペル
チェ素子を用いて第２の恒温槽の温度より低く設定する
ところにある。即ち、使用するＳＣカット水晶振動子の
頂点温度Ｔｐを例えば７０℃とすれば、第１の恒温槽の
温度を７０℃近傍に設定するのである。このように内部
の恒温槽を外部の恒温槽より低く温度設定した二重恒温
槽構造とすることにより、使用温度範囲が０℃から８５
℃と広温度範囲の要求の場合でも、ＳＣカット水晶振動
子を用いることができ、応力感度特性や耐熱衝撃特性等
の優れた特徴を享受することができる。また、外側の第
２の恒温槽は使用温度範囲の上限８５℃よりも十分に高
い温度に設定しているので、周囲温度にかかわらず安定
した温度制御が可能であり、内側の第１の恒温槽は第２
の恒温槽よりも十分に低い温度に設定されているので、
こちらも安定した温度制御が得られる。更に、第１の恒
温槽は８５℃よりも低い温度なのでＳＣカット水晶振動
子のエージング、電子部品の劣化等を防止することがで
きる。

【００１３】以上の説明ではＳＣカット水晶振動子を用
いて本発明を説明したが、本発明はＡＴカット水晶振動
子にも適用できることは言うまでもない。

【００１４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成した
ので、請求項１に記載の発明は内部の恒温槽の温度を使
用温度範囲より低く設定することができるので、圧電振
動子、電子部品等の熱エージングによる劣化を抑圧でき
るという優れた効果を表す。請求項２に記載の発明はＳ
Ｃカット水晶振動子に適用した例であり、内部恒温槽の
温度をＳＣカット水晶振動子の頂点温度Ｔｐの設計範囲
内に設定することができ、水晶振動子、電子部品の劣化
を防ぐという優れた効果を表す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高安定圧電振動子の構造を示す断
面図である。

【図２】ＳＣカット水晶振動子のＣモード、Ｂモード、
Ａモードの周波数レスポンスを示す図である。

【図３】ＳＣカット水晶振動子のＣモードの周波数温度
特性を示す図である。

【図４】従来の高安定水晶発振器の構造を示す断面図で
ある。

【図５】恒温槽の温度制御素子としてペルチェ素子を用
いた高安定水晶振動子の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１・・第１のプリント基板 ２・・圧電振動子 ３・・電子部品 ４・・第１の感温素子 ５・・第１の恒温槽 ６・・ペルチェ素子 ７・・第２の恒温槽 ８・・第２の感温素子 ９・・ヒーター １０・・断熱材 １１・・ベース １２・・リード端子 １３・・増幅回路、温度制御回路 １４・・第２のプリント基板 １５・・ケース １６・・絶縁材

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子と発振用電子部品とを収容し
   た第１の恒温槽と、第１の恒温槽を収容する第２の恒温
   槽と、各恒温槽の温度を制御する温度制御用手段とを備
   えた高安定圧電発振器において、 前記第１の恒温槽の温度を第２の恒温槽の温度より低く
   設定したことを特徴とする高安定圧電発振器。
2. 【請求項２】 前記第１の恒温槽はペルチェ素子を用い
   て温度制御がなされており、前記圧電素子としてＳＣカ
   ット水晶振動子を用いると共に、前記第１の恒温槽の温
   度をＳＣカット水晶振動子の頂点温度近傍に設定したこ
   とを特徴とする請求項１に記載の高安定圧電発振器。