JP2005143060A - 圧電振動子及びこれを用いた圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡素な手段で高精度な温度制御を可能とし、且つ小型化及び低価格化に対応する圧電発振器と該圧電発振器を構成する水晶振動子及び発振回路を提供する。
【解決手段】
金属ベース部材を貫通するように立設した２本のリード端子に導通固定した圧電振動素子を前記金属ベース部材に適合する金属ケースによって気密封止した構造を有する圧電振動子であって、前記リード端子の一方が前記金属ケース若しくは金属ベース部材と接続されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、恒温槽に少なくとも圧電振動子を収容した圧電発振器の構造に関して、特に前記圧電発振器の温度制御を簡素でありながら高精度に、且つ小型化及び低価格化を可能にするための圧電振動子及びそれを用いた高安定型圧電発振器の構造に関する。

高安定型水晶発振器は、周波数精度、周波数温度特性、周波数エージング特性等が優れているので測定装置、移動体無線基地局から衛星搭載用に至る通信機器まで幅広く使用されている。近年、その需要は益々高まると共に、高い周波数安定度が求められている。特に、携帯電話加入者の急増に伴い基地局も増設され、基地局に用いられる高安定発振器の需要も増大の一途を辿っている。

以下、従来の高安定型圧電発振器について説明する。
従来の高安定型圧電発振器には、例えば特開２００３−１４２９４３号公報で開示されたようなものがあり、図８はその構成を示す縦断面図である。
同図から明らかのように、感温素子を備えると共に発振回路および圧電振動子を実装したプリント基板（破線による図示）を収容する略直方体状の金属ブロック（恒温槽）１０１と、前記金属ブロック１０１の下面以外の全ての面に巻着するヒーター１０２と、前記金属ブロック１０１の下面に配設する半導体パワートランジスタ１０３と、前記金属ブロック１０１を固定するための取付穴を備えると共に外部との接続電極であるリード端子１０４を有する基板１０５と、上面に凹部を備える金属製の底板１０６と、圧電発振器筐体１１３と、を備えている。
前記金属ブロック１０１の下面に配設する前記半導体パワートランジスタ１０３と前記基板１０５の上面との（機械的な）干渉を回避するための間隙を形成するためにスペーサ１１１を介して金属ブロック１０１を前記基板１０４の上面に固定する。前記底板１０６と上面に備える凹部の底面に断熱材１１２を敷設する共に前記凹部の開口を閉止するように前記基板１０５を設置する。前記ヒーター１０２を巻着する前記金属ブロック１０１を一定の間隙を隔てて前記圧電発振器筐体１１３で被うと共に該間隙に前記断熱材１１２を充填する構造を有する。つまり、前記金属ブロック１０１の各表面を熱源（前記ヒーター１０２及び前記半導体パワートランジスタ１０３）で包囲することで該金属ブロック１０１を均等に加熱することができると共に、金属ブロック１０１と該金属ブロック１０１を一定の間隔を隔てて包囲するカバー類（前記圧電発振器筐体１１３及び前記底板１０６）との間隙に前記断熱材１１２を充填することで保温（断熱）効果を有する。

従来の高安定型圧電発振器では、ハーメチック端子からなるプラグにマウントした圧電振動素子を前記プラグと該プラグに適合する金属ケースによって気密封止する構造を有する、所謂外部電極にリード端子を用いたリードタイプ圧電振動子が採用されている。前記圧電振動子は前記金属ケースから放熱しやすい構造を有することから該金属ケース、即ち圧電振動子本体部を（該圧電振動子を実装した）前記プリント基板に当接させることで該プリント基板が断熱材として機能し前記圧電振動子本体部（前記金属ケース）からの放熱を抑止する。

前記圧電振動子本体部を前記プリント基板に当接させ前記リードタイプ圧電振動子を前記プリント基板に実装するために（前記リードタイプ圧電振動子の）前記リード端子を例えば略Ｌ字状に折り曲げる必要があるが、その結果、リード端子長が長くなり露出する部分の表面積が大きくなり該リード端子を介して前記圧電振動素子から放熱する熱量を無視することができなくなる。そこで一般的には、前記リード端子を短い略直線状に加工し該リード端子に対応するリード電極を備えた（中継用の）配線基板を介して前記プリント基板に実装するという手段を講ずることで（前記リード端子の露出する表面積を削減し）リード端子からの放熱を抑止した。
特開２００３−１４２９４３号公報

近年、通信機器は小型化への傾向が高まっており、それに供される高安定型発振器も小型化及び低価格化の要求が望まれるようになった。しかしながら、従来の高安定型圧電発振器は、前記金属ブロック１０１の下面に前記半導体パワートランジスタ１０３を配設し前記スペーサ１１１によって金属ブロック１０１の高さ方向の位置を上げる、即ち前記金属ブロック１０１の下面に一定の間隙を必要とし、且つ前記圧電振動子は中継用の前記配線基板を介して前記プリント基板に実装する構造であるため、小型化するには困難であった。さらに部品点数が増加することから、材料費が増加すると共に組立工数も増加することでコストの低減化においても問題があった。

また、前記金属ブロック１０１が有する熱エネルギーが前記スペーサ１１１を介して前記基板１０５に、さらに前記リード端子１０４を介して前記底板１０６に伝搬し、僅かながら放熱する現象が発生していた。そこで、前記金属ブロック１０１の温度管理（温度制御）を高精度化、即ち前記感温素子の設置位置や該感温素子と前記熱源との（制御）ループの高精度化といった個々の要素を機能的に結び付けて最適化する必要があるが、従来の高安定型発振器では構造が複雑で且つ（温度制御を最適化するために必要な）要素が不適当であることから、前記金属ブロック１０１（に収容した前記圧電振動子）の温度を一定に保持するのが困難であった。

つまり解決しようとする問題点は、簡素な手段で高精度な温度制御を可能とし、且つ小型化及び低価格化に対応する圧電発振器、特に高安定型圧電発振器と該高安定型圧電発振器を構成する水晶振動子及び発振回路を提供することができない点である。

上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、金属ベース部材を貫通するように立設した２本のリード端子に導通固定した圧電振動素子を前記金属ベース部材に適合する金属ケースによって気密封止した構造を有する圧電振動子であって、前記リード端子の一方が前記金属ケース若しくは金属ベース部材と接続されていることを特徴とする。

本発明に係わる請求項２記載の発明は、請求項１に記載の圧電振動子を用いた圧電発振器であって、前記圧電振動子の一方のリード端子が電源ラインに導通接続されていることを特徴とする。

本発明に係わる請求項３記載の発明は、請求項２において、前記電源ラインがグランドラインであることを特徴とする。

本発明に係わる請求項４記載の発明は、請求項２または３において、圧電発振器の出力に前記圧電振動子の他方のリード端子と接続するトランジスタの出力を利用していることを特徴とする。

本発明に係わる請求項５記載の発明は、請求項２乃至４のいずれかにおいて、前記圧電振動子の一方のリード端子が該圧電振動子を搭載するためのプリント基板の電源用の配線パターンに機械的且つ電気的に接続していることを特徴とする。

本発明に係わる請求項６記載の発明は、請求項６において、少なくとも前記圧電振動子を加熱するための恒温槽に前記圧電振動子を嵌入したことを特徴とする。

本発明の圧電振動子及びこれを用いた圧電発振器は、簡素な手段で高精度な温度制御を可能とし、且つ小型化及び低価格化に対応することができるという利点がある。本発明に係わる請求項１記載の発明は前記圧電振動子の構造を単純化することが可能となり、請求項２または３記載の発明は前記圧電振動子を用いることで圧電発振器の構造を単純化することが可能となり、請求項４記載の発明は発振出力を単純な手段で増幅することが可能となり、請求項５または６記載の発明はこれらの発明を網羅した圧電発振器、特に高安定型圧電発振器を提供することが可能となる。

以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態としての高安定型水晶発振器の構成を示す縦断面図、図１（ｂ）は側面図である。
第１の実施形態の高安定型水晶発振器（以下「ＯＣＸＯ」と示す。）１０は、金属ベース（プラグ）１ａを貫通するように立設した２本のリード端子に水晶振動素子（不図示）、例えばＳＣカット水晶素板の両主面に形成した励振電極より延在する配線パターンを導通固定し前記プラグ１ａと該プラグ１ａに適合する金属ケース１ｂとによって気密封止する構造を有する水晶振動子１と、少なくとも該水晶振動子１を収容するための金属槽２と該金属槽２を加熱するための２個の発熱体（例えばセラミック抵抗素子）３ａ及び３ｂとからなる恒温層（オーブン）４と、前記金属槽２の温度を監視するための感温素子（例えばサーミスタ）５ａ及び５ｂと、発振回路と温度制御回路とを構成する電子部品群６と、プリント基板７と、ハーメチックガラス部を貫通するリード電極を設けるベース８と、該ベース８の上面を封止するための金属カバー９と、を備えている。前記プリント基板７の一方主面に前記恒温槽４を配設すると共に、他方主面に少なくとも前記電子部品群６を実装する。該プリント基板７を前記リード電極に半田接続することにより機械的にも支持した上で、前記ベース８と前記金属カバー９とを接合する構造を有する。外部環境からの影響を防止する手段として、前記プリント基板７を断熱材で包囲する若しくは前記ベース８と金属カバー９との接合を真空や窒素雰囲気で気密封止する。

前記金属槽２の温度と前記感温素子５ａ及び５ｂが検出する温度との温度差を極力小さくするために、前記水晶振動子１を前記金属槽２に嵌入し、前記金属槽２の（加熱及び放熱する）熱量を考慮して前記発熱体３ａ及び３ｂを適所、例えば発熱体３ａは熱伝導性が小さい前記プラグ１ａ近傍且つ発熱体３ｂは水晶振動子１の先端（前記プラグ１ａの反対側）近傍であって水晶振動子１と前記プリント基板７の一方主面（上面）との間に設置する共に、該発熱体のそれぞれが出力する熱エネルギーを個別に調整するための前記温度制御回路と電気的に接続する前記感温素子５ａ及び５ｂをそれぞれの制御対象である前記発熱体３ａ及び３ｂの近傍に設置することで高感度な温度制御を可能にしている。

前記水晶振動子１は、その一方のリード端子、即ち出力端子１ｃを前記金属ケース１ｂに導通固定し該金属ケース１ｂと電気的に接続する前記金属槽２を介して、即ち金属槽２が前記水晶振動子１の一方の出力端子となって電源ライン、特にシグナルグランド（ＧＮＤ）ラインと機械的及び電気的に接続し、他方のリード端子（出力端子）１ｄを前記発振回路の入力と電気的に接続している。

図２は図１に示すように各部品を配置したＯＣＸＯに係わる発振回路及び温度制御回路の第１の実施形態を示した回路図である。
図２において、サーミスタＴＨ１及びＴＨ２は前記感温素子５ａ及び５ｂに、パワーＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ１）のソース（Ｓ）に接続されているヒータＨ２が前記発熱体３ａ及びＴＲ１のドレイン（Ｄ）に接続されているヒータＨ１が前記発熱体３ｂに相当する。またＸｔａｌは前記水晶振動子１、ＩＣ１は定電圧電源ＩＣ、ＩＣ２は発振用ＩＣ、ＩＣ３はインバーター入力バッファアンプ、ＩＣ４はＣＭＯＳインバータであって、Ｃ４乃至７及びＬ１は前記水晶振動子１のＢモード発振抑圧回路を構成する。温度制御回路２１では主熱源としての役割を備える前記発熱体３ｂの一方の電極を、及び前記感温素子５ａ及び５ｂの一方の電極をＧＮＤラインに電気的に接続し、及び発振回路２２では温度制御対象である前記水晶振動子１の一方の出力端子１ｃをＧＮＤラインに直接、即ち出力端子１ｃとＧＮＤラインとの間に何も介在せずに接続している。

前記水晶振動子１及び図２に示す回路で主に構成する前記ＯＣＸＯ１０は、前記発熱体３ａ（Ｈ２）及び３ｂ（Ｈ１）からの熱エネルギーを（前記金属槽２を介して）前記水晶振動子１（前記金属ケース１ｂ）の下側に伝搬すると共に、前記プリント基板７の配線パターン、特にＧＮＤパターンも加熱し前記熱エネルギーが前記一方の出力端子１ｃを介して前記水晶振動素子に直接伝搬することで、低消費電力化を実現している。また、前記水晶振動子１を所定の温度に加熱し保温すると共に、前記他方の出力端子１ｄからの放熱する熱エネルギーに相当する熱量を、及び前記プラグ１ａを保温するための熱量を前記発熱体３ａ（Ｈ２）から供給することで、高い周波数安定度を得ることが可能となる。さらに前記水晶振動子１の各出力端子近傍を絶縁性樹脂でコーティングすることによって、前記他方の出力端子１ｄからの放熱される熱エネルギーを蓄熱し前記発熱体３ａ（Ｈ２）の効率を高めることが可能となり消費電力の更なる低減化に効果を有する。

前記発振回路２２の変形実施例として図３及び図４に、また第２の実施形態の発振回路として図５に示す。
図３に示す発振回路は、前記水晶振動子１の他方の出力端子１ｄと発振用トランジスタＴＲ１のベースとの間に周波数可変素子を挿入し、発振（器）出力はコレクタと電源間に抵抗Ｒ７を挿入しコレクタより取り出す。
図４に示す発振回路は、発振出力を前記水晶振動子１の他方の出力端子１ｄよりハイインピーダンスにて取り出す。
図５に示す発振回路（第２の実施形態）は第１の実施形態と異なり、前記水晶振動子１の一方の出力端子１ｃを直接ＶＣＣ（電源電圧）側に接続してある。

前記一方の出力端子を前記金属ケースに導通固定させるその他の手段として、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、プラグ６１ａを被うと共に金属ケース６１ｂ及び一方の出力端子６１ｃと導通固定し且つ他方の出力端子６１ｄと絶縁する金属板６６を前記水晶振動子に設置し、前記一方の出力端子６１ｃは前記金属板６６との接合部以外は切断し前記他方の出力端子６１ｄは前記プリント基板との接合に適する曲げ加工を施す手段がある。

前述する２通りの前記一方の出力端子及び前記金属ケースを導通固定させる手段では各出力端子に曲げ加工を施し更には前記金属板を追加する必要があり前記ＯＣＸＯのコストに影響を及ぼす虞がある。そこで、図７に示すように、プラグ７１ａを導体で構成することで該プラグ７１ａを前記（擬似）一方の出力端子とし他方の出力端子７１ｄは前記プラグ７１ａに設ける絶縁ガラス部７９を貫通するリード端子とした水晶振動子を採用することで、水晶振動子のコストを抑止する手段もある。

前記ＯＣＸＯ１０の変形実施例として、前記金属槽２を削除し（前記水晶振動子１の一方の出力端子となる）前記金属ケース１ｂに直接、前記発熱体３ａ及び３ｂと前記感温素子５ａ及び５ｂとを配設しても構わない。また、前記水晶振動子１が表面実装型デバイス（ＳＭＤ）であった場合には、前記プリント基板７に実装した該ＳＭＤ水晶振動子を挟んで対向するように、前記発熱体３ａ及び前記感温素子５ａと前記発熱体３ｂ及び前記感温素子５ｂとを配置する構造のＯＣＸＯであっても構わない。

前記電子部品群６において少なくとも発振回路を構成する電子部品群を前記水晶振動子１と共に前記恒温層４に収容しても構わない。

発振回路と温度制御回路とを有するＯＣＸＯを用いて本発明を説明したが、該ＯＣＸＯにＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路を付加して動作レベルの安定化を図る、即ち高い周波数安定度を得たＯＣＸＯであっても構わない。

ＯＣＸＯを用いて本発明を説明したが、ＴＣＸＯ、ＶＣ−ＴＣＸＯ、ＶＣＸＯ、ＳＰＸＯ、ＳＡＷ発振器等のデバイスに適用できることは云うまでもない。

ＳＣカット水晶素板を用いて本発明を説明したが、本発明はＳＣカットに限定するものではなくＡＴカット、ＢＴカット、ＣＴカット、ＤＴカット、ＳＣカット、ＧＴカット等のカットアングルの水晶素板（水晶振動素子）に適用できる。

また本発明は、水晶振動子（水晶振動素子）のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等のその他の圧電材に適用できることは云うまでもない。

本発明の実施形態の高安定型水晶発振器の構成を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図である。 第１の実施形態の発振回路及び温度制御回路を示した回路図である。 第１の実施形態の発振回路の変形例を示した回路図である。 第１の実施形態の発振回路の変形例を示した回路図である。 第２の実施形態の発振回路を示した回路図である。 本発明の水晶振動子の出力端子と金属ケースとの導通固定する手段を示すもので、（ａ）は固定前の斜視図、（ｂ）固定後の斜視図である。 本発明の水晶振動子の出力端子と金属ケースとの導通固定する手段を示す斜視図である。 従来のの高安定型水晶発振器の構成を示す縦断面図である。

１・・水晶振動子 １ａ・・プラグ １ｂ・・金属ケース
１ｃ・・一方の出力端子 １ｄ・・他方の出力端子
２・・金属槽 ３ａ、３ｂ・・発熱体 ４・・恒温層（オーブン）
５ａ、５ｂ・・感温素子（サーミスタ） ６・・電子部品群
７・・プリント基板 ８・・ベース ９・・金属カバー
１０・・高安定型水晶発振器
２１・・温度制御回路 ２２・・発振回路
６１ａ・・プラグ ６１ｃ・・一方の出力端子 ６１ｄ・・他方の出力端子
６６・・金属板
７１ａ・・プラグ ７１ｄ・・他方の出力端子 ７９・・絶縁ガラス部
１０１・・金属ブロック １０２・・発熱体（ヒーター）
１０３・・半導体パワートランジスタ １０４・・リード端子
１０５・・基板 １０６・・底板 １１１・・スペーサ
１１２・・断熱材 １１３・・圧電発振器筐体

Claims (6)

1. 金属ベース部材を貫通するように立設した２本のリード端子に導通固定した圧電振動素子を前記金属ベース部材に適合する金属ケースによって気密封止した構造を有する圧電振動子であって、
   前記リード端子の一方が前記金属ケース若しくは金属ベース部材と接続されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 請求項１に記載の圧電振動子を用いた圧電発振器であって、前記圧電振動子の一方のリード端子が電源ラインに導通接続されていることを特徴とする圧電発振器。
3. 前記電源ラインがグランドラインであることを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器。
4. 圧電発振器の出力に前記圧電振動子の他方のリード端子と接続するトランジスタの出力を利用していることを特徴とする請求項２または３に記載の圧電発振器。
5. 前記圧電振動子の一方のリード端子が該圧電振動子を搭載するためのプリント基板の電源用の配線パターンに機械的且つ電気的に接続していることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の圧電発振器。
6. 少なくとも前記圧電振動子を加熱するための恒温槽に前記圧電振動子を嵌入したことを特徴とする請求項５に記載の圧電発振器。
   
   

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