JP2005065224A - 薄型高安定圧電発振器、及び表面実装型薄型高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動子の金属ケースの一方の面にマザープリント基板に搭載した発振回路部品を密着させる一方で、圧電振動子の金属ケースの他方の面にフレキシブルプリント基板に搭載したヒータ抵抗を密着させるようにしたので、ヒータ抵抗は圧電振動子を加熱するだけでなく、間接的に発振回路部品をも効率的に加熱することができる。
【解決手段】 圧電振動子１と、圧電振動子本体２ａを片面に支持すると共にリード端子２ｂを配線パターンに接続するマザープリント基板３と、マザープリント基板の片面上に搭載されて圧電振動子本体の片面と密着配置される発振回路部品５と、マザープリント基板の他面上に搭載される調整回路部品６と、圧電振動子本体の他面に添設された内部プリント基板７と、内部プリント基板に搭載されて該圧電振動子本体の他面と密着配置されたヒータ抵抗８と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

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、金属ブロック等の恒温槽を用いることなく、極限に近い薄型化を達成すると共に、発振周波数の安定化、低消費電力化、組立性の向上、及び低コスト化という各種要請を同時に満足することができる薄型高安定圧電発振器に関する。

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、軽量化が市場から求められている。即ち、従来の恒温槽型圧電発振器の高さ寸法は、通常２０ｍｍ以上であり、場合によっては５０ｍｍ程度の高さ寸法まで大型化したものも多用されていた。しかし、近年、各種機器の小型化に対応して、恒温槽型圧電発振器についても他の大型部品と同等の高さ寸法まで低背化することが強く求められている。現在、本出願人が開発している恒温槽型圧電発振器の内で最も薄型化されているものの高さ寸法は９．２ｍｍであるが、これよりも更に薄型化した恒温槽型圧電発振器が市場から求められている。ところで、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等の恒温槽（ｏｖｅｎ）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、ヒータからの熱が圧電振動素子に達して、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。
例えば、従来の表面実装型の恒温槽型圧電発振器（特許文献１の図５に開示）は、水晶振動子等の圧電振動子及び発振器側プリント基板を横向きにした状態で金属ブロック（オーブン）内に収容し、この金属ブロックの外面にヒータ線を巻付けている。この金属ブロックは、上面に発振回路部品を搭載したマザープリント基板上に所定のギャップを隔てて固定され、金属ブロックとマザープリント基板を金属ケース内に収容している。金属ケースの底部から突出したリード部材を利用して、機器本体側のプリント基板上に実装される。このリード部材からマザープリント基板上の配線パターンを介して回路部品に対して電流が供給され、更に圧電振動子やヒータ線に対して電流が供給される。しかし、このタイプの恒温槽型圧電発振器にあっては、使用する金属ブロック自体の高さが大きく、しかもこの金属ブロックをマザープリント基板の上面から浮上させた状態で固定しているため、圧電振動子の厚さに比して恒温槽型圧電発振器本体の厚さが大幅に厚くなる。このため、発振器全体の高さが大きくなる。

次に、ヒータ線を用いることなく更なる薄型化を図った恒温槽型圧電発振器（特許文献１の図６に開示）として、下面に回路部品を搭載したマザープリント基板の上面に搭載したヒータ抵抗と接するように圧電振動子を横臥状態で配置し、この圧電振動子に対して下面が開放した金属ブロックをかぶせ、更にこれらの構成要素を金属ケースにて包囲したものが提案されている。このタイプの恒温槽型圧電発振器は、圧電振動子の厚さを恒温槽型圧電発振器本体の厚さに近づけることができるが、この程度の薄型化では発振器全体の高さ寸法を９．２ｍｍとするのが限界であり、それ以下に抑えることは不可能である。また、圧電振動子を加熱する為に依然としてアルミ合金等から成る厚肉の金属ブロックを必要とする為、これが小型化、低背化を阻害する大きな要因となっていた。また、マザープリント基板の下面に発振回路部品を搭載することになる為、発振回路部品がヒータから離間するばかりでなく、金属ケースの底部ベースと近接することになり、放熱量が大きくなって発振回路部品の温度変化が大きくなる為、発振器の温度特性に悪影響を及ぼしていた。発振器の温度特性の安定化のためには、圧電振動子のみならず、発振回路部品の温度の一定化が重要であるにも拘わらず、このような要請を満たし得る構造ではなかった。
これらの問題を解決して更なる薄型化を図るために、本出願人は特許文献１において、マザープリント基板に形成した切欠き内に圧電振動子を嵌合してマザープリント基板の肉厚分だけ薄型化を図ると共に、これらの構成要素を表裏両側から夫々フレキシブルプリント基板により包囲し、さらにフレキシブルプリント基板に搭載したヒータ抵抗を圧電振動子の表裏両面に密着させ、更にこれらの構成要素をケースにより包囲した構造の表面実装型薄型高安定圧電発振器を提案した。この圧電発振器は、６．２ｍｍまでの薄型化を達成することに成功している。
特開２００１−２７４６２６公報

しかしながら、上記公報に記載された圧電発振器にあっては、フレキシブルプリント基板上に搭載したヒータ抵抗を圧電発振器の表裏両面と密着させているため、マザープリント基板上に搭載した発振回路部品とヒータ抵抗とは離間した位置関係にあり、発振回路部品の加熱温度の安定性に支障が生じ得る。また、表裏両面側をフレキシブルプリント基板により塞がれたマザープリント基板上に調整回路部品としてのコンデンサ等が搭載されているため、組付け完了後に調整回路部品を調整することが不可能となる。
本発明が解決しようとする課題は、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、大型化の原因となる金属ブロック等の恒温槽を用いることなく、極限に近い薄型化を達成すると共に、発振周波数の安定化、低消費電力化、組立性の向上、及び低コスト化という各種要請を同時に満足することができる薄型高安定圧電発振器を提供することにある。
更に、圧電振動子のみならず、発振回路部品をもヒータ抵抗によって十分に加熱して特性を安定化させるとともに、調整回路部品については外部に露出させることにより任意に調整作業を実施することを可能とする薄型高安定圧電発振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、金属ケース内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子本体、及び該圧電振動子本体の底部から突出したリード端子を備えた圧電振動子と、該圧電振動子本体を片面に支持すると共に該リード端子を配線パターンに接続するマザープリント基板と、該マザープリント基板の片面上に搭載されて該圧電振動子本体の片面と密着配置される発振回路部品と、該マザープリント基板の他面上に搭載される調整回路部品と、該圧電振動子本体の他面に添設される内部プリント基板と、該内部プリント基板に搭載されて該圧電振動子本体の他面と密着配置されたヒータ抵抗と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記内部プリント基板は、フレキシブルプリント基板であり、前記フレキシブルプリント基板の一端は、前記マザープリント基板の片面にまで延在していることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、前記ヒータ抵抗は、予め前記内部プリント基板の面上に接続固定されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１、２又は３において、前記内部プリント基板の一部を含む前記圧電振動子本体の外面を包囲するように、前記マザープリント基板に対して板金製箱体を組み付けた構造を備えたことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１、２、３又は４に記載の高安定圧電発振器を、表面実装用のベースプリント基板上に搭載し、該高安定圧電発振器を含む該ベースプリント基板上の空間を金属製発振器ケースにて包囲したことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５において、前記ベースプリント基板と前記内部プリント基板と前記マザープリント基板との間の電気的接続を少なくとも一本の導通ピンにて確保したことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、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、大型化の原因となる金属ブロック等の恒温槽を用いることなく、極限に近い薄型化を達成すると共に、発振周波数の安定化、低消費電力化、組立性の向上、及び低コスト化という各種要請を同時に満足することができる薄型高安定圧電発振器を提供することができる。
即ち、本発明では、圧電振動子の金属ケースの一方の面にマザープリント基板に搭載した発振回路部品を密着させる一方で、圧電振動子の金属ケースの他方の面に薄肉の内部プリント基板（剛性を有した薄い硬質プリント基板或いはフレキシブルプリント基板）に搭載したヒータ抵抗を密着させるようにしたので、ヒータ抵抗は圧電振動子を加熱するだけでなく、間接的に発振回路部品をも効率的に加熱することができる。しかも、マザープリント基板、内部プリント基板、及び板金製箱体によって包囲された弊所内に発振回路部品は収容されるので保温性も高くなり、温度特性が改善される。
また、調整回路部品は、マザープリント基板の外側面に露出配置されるので、任意の時点での調整が可能となる。
ベースプリント基板上に対して、薄肉の内部プリント基板とマザープリントを電気的に接続する手段として導通ピンを用いたので、組立作業を容易化して生産性を高めることができる。

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）は本発明の一実施形態に係る薄型高安定圧電発振器の内部構造を示す縦断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はその右側面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は表面実装型薄型小安定圧電発振器の縦断面図、及び要部平面図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は分解斜視図である。
この薄型高安定圧電発振器１は、金属ケース内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子本体２ａ、及び圧電振動子本体２ａの底部から突出したリード端子２ｂを備えた水晶振動子等の圧電振動子２と、この圧電振動子２を横臥した状態で下面に搭載すると共にリード端子２ｂを配線パターンに対して電気的に接続したマザープリント基板３と、マザープリント基板３の下面に搭載されて圧電振動子本体２ａの上面と密着配置される発振回路部品５と、マザープリント基板３の上面に搭載されるコンデンサ等の調整回路部品６と、圧電振動子本体２ａの下面側に添設されると共にマザープリント基板３の下面にまで延在したフレキシブルプリント基板７（例えば、厚さ０．１ｍｍ）と、を概略備えている。フレキシブルプリント基板（内部プリント基板）７は、フレキシブルシート上に配線パターンを形成した構成を備え、その上面には圧電振動子本体２ａの下面と密着配置されたヒータ抵抗８と、ヒータ抵抗近傍に配置されたサーミスタ９が搭載されている。
フレキシブルプリント基板７の一端は、マザープリント基板３の端縁寄りの下面に添設された状態で、マザープリント基板３と共に導通ピン１０によって貫通されることによって、夫々の配線パターン間の電気的な接続が確保される。また、組立作業が容易化し、生産性を高めることができる。
ヒータ抵抗８は、予めフレキシブルプリント基板７の面上に接続固定する。フレキシブルプリント基板を圧電振動子２に組み付ける場合には、例えば接着剤によってヒータ抵抗８を圧電振動子本体２ａの下面に固定する。
更に、フレキシブルプリント基板７の一部（主として圧電振動子本体２ａの下面に添設された部分）を含む圧電振動子本体２ａの外面を包囲するように、マザープリント基板３に対して板金製箱体（オーブンケース）１１を組み付け固定する。
板金製箱体１１は、薄肉且つ低廉な板金を単に箱状に成型したものであり、図示のように組み付けることによって、フレキシブルプリント基板７上のヒータ８と発振回路部品５を圧電振動子本体２ａの両面に夫々密着させつつ、圧電振動子２をマザープリント基板３に対して固定一体化する。板金製箱体１１と、フレキシブルプリント基板７やマザープリント基板７との接合部は、必要に応じて接着剤にて固定する。
周知のように、圧電発振器に使用する回路部品としては、発振回路部品５、温度制御回路部品等を備えている。温度制御回路は、サーミスタ９等の温度検知素子からの検知温度に基づいてヒータ抵抗８の発熱を制御して、圧電振動子２の温度を一定に保持する。
調整回路部品６としてのコンデンサは、例えば、発振周波数の調整や、温度制御用の調整部品として使用される。

圧電振動子２は、金属ケース２ａ’内に図示しない圧電振動素子（圧電基板上に励振電極を形成した素子）を気密封止した構造の圧電振動子本体２ａと、該金属ケース２ａ’と絶縁した状態でその内部に気密貫通して圧電振動素子の励振電極と導通するリード端子２ｂと、を備えている。
圧電振動子本体の金属ケース２ａ’の底部外周には通常鍔部２ａ”が突出形成されているため、図１のように圧電振動子２をマザープリント基板３の下面に横臥して搭載した際には、鍔部２ａ”がマザープリント基板３と当接することにより、金属ケース２ａ’の上面との間にギャップが形成される。本発明では、このギャップを利用して発振回路部品５を収納配置しているので、その分だけ厚さ寸法を低減できる。更に、鍔部２ａ”とフレキシブルプリント基板７との接触によって金属ケース２ａ’の下面とフレキシブルプリント基板７の上面との間にもギャップが形成されるので、このギャップ内にヒータ抵抗８を収納配置することができ、その結果更なる薄型化を達成できることとなる。
このように圧電振動素子本体２の金属ケース２ａ’を間に挟んで、上下位置に発振回路部品５とヒータ抵抗８を密着配置しているので、発振回路部品５は金属ケース２ａ’を介した熱伝導によって十分に加熱されてその温度を安定させることができる。
更に、フレキシブルプリント基板７と板金製箱体１１によって保温性を高めることができる。
このように板金製箱体１１によって、圧電振動子２、回路部品５、６を搭載したマザープリント基板３、ヒータ抵抗８を搭載したフレキシブルプリント基板７を一体化した高安定圧電発振器１は、図２、図３に示した如き表面実装用のベースプリント基板２１上に搭載し、高安定圧電発振器１を含むベースプリント基板２１上の空間を金属製発振器ケース２２にて包囲することにより表面実装型高安定圧電発振器２３とすることができる。
即ち、ベースプリント基板２１の上面には予め金属製発振器ケース２２の裾部を着座して半田接続するためのアースパターン２５を形成し、更にベースプリント基板２１の周縁には機器本体側のプリント基板上に表面実装するための外部電極２６が形成されている。
高安定圧電発振器１は、金属ケース２ａ’の一部を固定用部品３０を介してベースプリント基板２１上のアースパターン等に浮いた状態で固定されると共に、マザープリント基板３とフレキシブルプリント基板７を貫通する導通ピン１０がベースプリント基板２１上の配線パターンに接続される。
このように金属ケース２ａ’がベースプリント基板２１、及び金属製発振器ケース２２と非接触の状態を維持しているため、発振器内部の熱が外部へ漏れ出ることが防止される。

図４は本発明の高安定圧電発振器における「周囲温度対周波数変化」特性を示す図である。
本発明の高安定圧電発振器１によれば、特許文献１の図６に示された従来の高安定圧電発振器に比べて、その温度−周波数特性は同等、或いはそれ以上の値を示している。
図５は本発明の発振器における「周囲温度対消費電流」特性を示す図である。
本発明の高安定圧電発振器１によれば、消費電力は常温で０．８Ｗ程度であり、特許文献１の図６に示された従来の発振器に比べて約１／２となっている。
このように、本発明では、大型化、高背化の原因となる金属ブロック等の恒温槽を用いることなく、恒温槽と同等の保温効果を発揮して発振周波数の安定化、低消費電力化を図ることができ、しかも極限に近い薄型化を達成すると共に、組立性の向上、及び低コスト化という各種要請を同時に満足することが可能となる。
更に、温度制御を必要とされる他の回路部品である発振回路部品に対しても、圧電振動子を加熱するためのヒータ抵抗からの熱を効率よく伝達して加熱することができる。
また、組立後に調整を要する回路部品については、フレキシブルプリント基板及びマザープリント基板によって隠蔽されない外部に露出配置するようにしたので、金属製発振器ケース２２をかぶせる前の時点での調整が可能となるばかりでなく、金属製発振器ケースをかぶせた後で再調整を必要とする場合は該ケースだけをベースプリント基板２１から取り外した上で簡単に調整を行うことができる。

次に、図６（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は夫々図１に示した薄型高安定圧電発振器の変形例の正面縦断面図、平面図、及び側部縦断面図である。
図６の実施形態に係る薄型高安定圧電発振器が図１の実施形態と異なる点は、内部プリント基板としてのフレキシブルプリント基板７の代わりに、剛性を有した薄肉の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ）を基材とする硬質プリント基板７Ａを使用した点にある。硬質プリント基板７Ａは、フレキシブルプリント基板７と同等の薄い肉厚を有するが、柔軟性を有しないため、その一端をマザープリント基板３の下面にまで延在させることはできない。そのため、硬質プリント基板７Ａの一端は平面方向へ延長してピン１０により係止されることとなる。
従って、他の構成要件は、図１の発振器と同等である。
また、図７（ａ）及び（ｂ）は図２に対応する変形実施形態に係る表面実装型薄型高安定圧電発振器の正面縦断面図、及び平面図であり、図６に示した薄型高安定圧電発振器を表面実装用の構成としたものである。即ち、図７の実施形態は、フレキシブルプリント基板７に代えて硬質プリント基板７Ａを使用している点が図２の実施形態と異なっている。他の構成要素は、図２の発振器と同等である。
つまり、本発明では内部プリント基板としては、フレキシブルプリント基板７に限らず、硬質プリント基板７Ａの使用も可能である。

（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る薄型高安定圧電発振器の正面縦断面図、平面図、及び側部縦断面図。 （ａ）及び（ｂ）は表面実装型薄型高安定圧電発振器の正面縦断面図、及び平面図。 （ａ）及び（ｂ）は分解斜視図。 本発明の発振器の周囲温度−周波数変化を示す図。 本発明の発振器の周囲温度−消費電流を示す図。 （ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の他の実施形態に係る薄型高安定圧電発振器の正面縦断面図、平面図、及び側部縦断面図。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る表面実装型薄型高安定圧電発振器の正面縦断面図、及び平面図。

符号の説明

１ 薄型高安定圧電発振器、２ 圧電振動子、２ａ 圧電振動子本体、２ａ’ 金属ケース、２ａ” 鍔部、２ｂ リード端子、３ マザープリント基板、５ 発振回路部品、６ 調整回路部品、７ フレキシブルプリント基板（内部プリント基板）、７Ａ 硬質プリント基板（内部プリント基板）、８ ヒータ抵抗、９ サーミスタ、１０ 導通ピン、１１ 板金製箱体、２１ ベースプリント基板、２２ 金属製発振器ケース、２５ アースパターン、２６ 外部電極、３０ 固定用部品。

Claims (6)

1. 金属ケース内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子本体、及び該圧電振動子本体の底部から突出したリード端子を備えた圧電振動子と、
   該圧電振動子本体を片面に支持すると共に該リード端子を配線パターンに接続するマザープリント基板と、
   該マザープリント基板の片面上に搭載されて該圧電振動子本体の片面と密着配置される発振回路部品と、
   該マザープリント基板の他面上に搭載される調整回路部品と、
   該圧電振動子本体の他面に添設される内部プリント基板と、
   該内部プリント基板に搭載されて該圧電振動子本体の他面と密着配置されたヒータ抵抗と、を備えたことを特徴とする薄型高安定圧電発振器。
2. 前記内部プリント基板は、フレキシブルプリント基板であり、
   前記フレキシブルプリント基板の一端は、前記マザープリント基板の片面にまで延在していることを特徴とする請求項１に記載の薄型高安定圧電発振器。
3. 前記ヒータ抵抗は、予め前記内部プリント基板の面上に接続固定されていることを特徴とする請求項１、又は２の何れか一項に記載の薄型高安定圧電発振器。
4. 前記内部プリント基板の一部を含む前記圧電振動子本体の外面を包囲するように、前記マザープリント基板に対して板金製箱体を組み付けた構造を備えたことを特徴とする請求項１、２又は３の何れか一項に記載の薄型高安定圧電発振器。
5. 請求項１、２、３又は４に記載の高安定圧電発振器を、表面実装用のベースプリント基板上に搭載し、該高安定圧電発振器を含む該ベースプリント基板上の空間を金属製発振器ケースにて包囲したことを特徴とする表面実装型薄型高安定圧電発振器。
6. 前記ベースプリント基板と前記内部プリント基板と前記マザープリント基板との間の電気的接続を少なくとも一本の導通ピンにて確保したことを特徴とする請求項５に記載の表面実装型薄型高安定圧電発振器。

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