JP2005175703A - 高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造がシンプルで組み立てが容易で、小型・薄型化に適し、更に低コストで製造できる高安定圧電発振器を提供する。
【解決手段】 圧電振動子１０のフランジ１２を上部周縁に係止しつつ円筒ケースを嵌合支持する貫通孔２１を有した恒温槽プリント基板２０と、上面に金属製フランジを支持した恒温槽プリント基板上面に密着配置され且つ発振回路部品を含む主要部品を下面に搭載するとともに圧電振動子のピンと電気的に接続され、更に上面には調整部品を搭載した発振回路プリント基板３０と、恒温槽プリント基板の上面に搭載されるパワートランジスタ、ヒータと、を備えた発振器ユニット２と、を備え、貫通孔２１の内壁、及び上部周縁にグランドメッキパターン２３ａ、２３ｂを形成してグランドメッキパターンに圧電振動子の円筒ケース外周面及びフランジ下面を密着させ、更にパワートランジスタ又はヒータの各接地側端子をグランドメッキパターンと電気的及び熱的に接続した。
【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、金属オーブンを使用せずに低コスト化を図りながらも、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。
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、金属ブロックは、高価であるため発振器全体のコスト増を回避することができなかった。
本出願人の提案に係る特開２００１−１６０３４公報には、更なる薄型化を図った高安定圧電発振器が開示されているが、この発振器も金属オーブンを使用するため、大型化、コストアップという欠点を依然として解消できていない。
更に、図７は本出願人の提案に係る従来の高安定圧電発振器の構成を示す断面図であり、この発振器は、一枚のプリント基板１０１の表裏面に夫々発振回路、出力回路等の回路部品１０１、ヒータ・パワートランジスタなどの温度制御回路部品１０２を搭載し、水晶振動子を挿入する金属製オーブンブロック１０５をプリント基板１０１下面に密着させた上でプリント基板上方から金属製蓋ブロック１０６をネジ１０７によって固定することによって、オーブンブロック１０５との強い熱結合を確保している。更に、プリント基板１０１の端縁を貫通する接続ピン１１０をベース１１１に貫通させると共に、プリント基板上に搭載された各部品を含む空間をケース１１２によって包囲している。
このように従来の発振器は、高い温度・周波数安定度を確保するための金属ブロックを使用しているが、金属ブロックは大幅なコスト高をもたらすとともに、プリント基板と接続するためにネジ１０７などが必要となり、作業性が低下して生産性が低下するという欠点を有している（特開２００２−２２３１２８公報）。
特開２００１−１６０３４公報 特開２００２−２２３１２８公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、恒温槽としてガラスエポキシなどの安価な絶縁材料から成るプリント基板を用いることにより、構造がシンプルで組み立てが容易で、小型・薄型化に適し、更に低コストで製造できる高安定圧電発振器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、圧電振動素子を内蔵した金属製円筒ケース、円筒ケースの一端に一体化された金属製フランジ、及び円筒ケース内の圧電振動素子と接続されて該フランジを貫通して外部に突出した複数のピンを備えた圧電振動子と、圧電振動子のフランジを上部周縁に係止しつつ円筒ケースを嵌合支持する貫通孔を有した恒温槽プリント基板と、上面に金属製フランジを支持した恒温槽プリント基板上面に配置され且つ発振回路部品を含む電子部品を搭載するとともに圧電振動子のピンと電気的に接続した発振回路プリント基板と、を備えた圧電発振器であって、恒温槽プリント基板の貫通孔の内壁、及び貫通孔の上部周縁にグランドメッキパターンを形成して該グランドメッキパターンに圧電振動子の円筒ケース外周面及びフランジ下面を密着させ、恒温槽プリント基板の上面にパワートランジスタ及びヒータを搭載し、該パワートランジスタ又はヒータの各接地側接続端子を前記グランドメッキパターンに電気的及び熱的に接続したことを特徴とする。
ガラスエポキシ等の熱伝導性の低い絶縁材料を絶縁基板として用いるプリント基板を恒温槽として利用する為には、圧電振動子を収容保持する貫通孔周辺の加熱、保温が重要となる。本発明では、貫通孔内壁、周縁に夫々グランドメッキパターンを連続形成し、このグランドメッキパターン上に各発熱部品を搭載し、且つ各発熱部品の接続端子を電気的にも接続するように構成したので、高価、且つ大型の金属ブロックから成るオーブンを使用せずに、所定のスペックを満たすことができる高安定圧電発振器を提供することができる。
請求項２の発明は、請求項１において、前記発振回路プリント基板の下面には、発振回路部品を含む主要部品を搭載し、上面には調整部品を搭載し、下面側の発振回路部品を含む主央部品を、圧電振動子のフランジ中央部に形成した凹所内に嵌合するように構成したことを特徴とする。
圧電振動子のケース構造として、フランジ中央部に凹所を有したものがある。この凹所を発振回路部品の嵌合凹所として有効利用することにより、薄型化を達成できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記恒温槽プリント基板の肉厚内部に前記グランドメッキパターンと電気的且つ熱的に接続した内層グランドメッキパターンを配置したことを特徴とする。
貫通孔の内周のみならず、恒温槽プリント基板の肉厚内部にもグランドメッキパターンを設けて、発熱部品からの熱の伝導を受けるように構成することにより、貫通孔内の圧電振動子をより効率的に加熱することができる。
請求項４の発明は、請求項１、２又は３において、前記パワートランジスタとヒータとの間を接続するための配線パターンを恒温槽プリント基板上に設け、該配線パターンの幅を、パワートランジスタとヒータの各接続端子の各幅のうちの大きい方の２倍以上としたことを特徴とする。
このようにパワートランジスタとヒータの各接続端子の内の幅広の接続端子よりも広い大面積の配線パターンを設けることにより、グランドメッキパターン以外の配線パターンによって絶縁基板に対して熱を伝える能力を高めることができる。
請求項５の発明は、請求項４において、前記パワートランジスタとヒータとの間を接続するための配線パターンが、前記恒温槽プリント基板の貫通孔の上部周縁に形成された環状のグランドメッキパターンの外径側に同心円状に形成された円弧状パターンであることを特徴とする。
パワートランジスタとヒータの各ホット側接続端子間を接続する配線パターンを恒温槽プリント基板上に設け、この配線パターンをグランドメッキパターンの外径側に円弧状に配置することにより、無理のないレイアウトによるパターン設計を実現できる。

請求項６の発明は、請求項４又は５において、前記恒温槽プリント基板の肉厚内部に、パワートランジスタとヒータとの間を接続する配線パターンの少なくとも一部を配置したことを特徴とする。
発熱部品としてのパワートランジスタとヒータの各ホット側接続端子間を接続する配線パターンを恒温槽プリント基板上に設け、この配線パターンを恒温槽プリント基板の肉厚内部に配置することにより、発熱部品のホット側接続端子からの熱をも圧電振動子側に伝達させることができる。
請求項７の発明は、請求項１乃至６の何れか一項に記載の高安定圧電発振器を金属ケースで包囲したことを特徴とする。
請求項１乃至６の発明では、金属ケースを用いない発振器ユニットを高安定圧電発振器として構成する場合に関するものであり、請求項７は、この高安定圧電発振器を金属ケースで包囲した構成に関するものである。
なお、第３の実施形態に係る高安定圧電発振器のダブルオーブン構造は、図１０に示したピン型高安定圧電発振器にも適用することができる。
次に、フレキシブルプリント基板４０上に搭載するヒータユニット４２としては、パワートランジスタとヒータ抵抗を並置して使用するのが一般であるが、０．６ｍｍ程度に薄型化が可能なヒータ抵抗に対して、これまでパワートランジスタとして、１ｍｍ以下に薄型化されたタイプは市場に提供されていなかった。このため、パワートランジスタがヒータ抵抗を上回る厚み分だけ発振器全体の高さが大きくならざるを得なかった。
これに対して米国、インターナショナル・レクティファイアー社が開発した「Ｄｉｒｅｃｔ ＦＥＴ」（製品番号ＩＲＦ６６０４）は、パワートランジスタとして世界で始めて０．６ｍｍ程度に薄型化することに成功した製品である。このパワートランジスタを本発明のヒータユニット４２の一部品として使用することにより、ヒータユニット４２を搭載したフレキシブルプリント基板の全厚を薄くして、発振器全体の低背化に貢献することが可能となる。

本発明によれば、従来の金属ブロックから成る高価な恒温槽に代えて、発熱部品としてのヒータ抵抗、パワートランジスタ等を搭載し得るガラスエポキシなどのプリント基板を恒温槽として兼用するようにしたので、構造がシンプルで組み立てが容易で、小型・薄型化に適し、更に低コストで製造できる高安定圧電発振器を提供することができる。

以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る表面実装型の圧電発振器の構成を示す平面横断面図、図２はその正面縦断面図、図３は回路構成図、図４（ａ）及び（ｂ）は圧電振動子の構成を示す正面縦断面図、及び底面図である。
本発明の高安定圧電発振器１は、発振器ユニット２と、発振器ユニット２を包囲する外側金属ケース３と、から概略構成されている。
発振器ユニット２は、圧電振動子１０と、圧電振動子１０を収容する貫通孔２１を有した恒温槽プリント基板２０と、発振回路プリント基板３０と、接続ピン４０等、から概略構成されている。
圧電振動子１０は、図４に示すように水晶振動素子等の圧電振動素子を内蔵した金属製円筒ケース１１、円筒ケース１１の底部に一体化され外底面中央に凹所１２ａを有した金属製フランジ１２、及び円筒ケース内の圧電振動素子と接続されてフランジの凹所１２ａを貫通して外部に突出した複数のピン１３を備えている。凹所１２ａの深さはフランジ１２の肉厚に相当し、例えば０．６〜０．９ｍｍ程度である。ピン１３がフランジ１２を貫通する穴には絶縁用のハーメチックガラスが充填されている。
恒温槽プリント基板２０は、ガラスエポキシ等の絶縁材料から成る絶縁基板２１と、絶縁基板２１の表裏に形成した配線パターンを備え、絶縁基板２１の中央部には圧電振動子１０の円筒ケース１１を上下逆向き（フランジ１２側を上向き）にして収容する貫通孔２２を有する。更に、貫通孔２２の内壁、及び貫通孔の上部周縁にかけて厚肉のグランドメッキパターン２３ａ、２３ｂを形成する。貫通孔２２内壁にグランドメッキパターン２３ａには圧電振動子１０の円筒ケース１１の外周面を密着させ、貫通孔の上部周縁のグランドメッキパターン２３ｂにはフランジ１２の下面を密着させる。

発振回路プリント基板３０は、上面に圧電振動子１０のフランジ２３ｂを支持した恒温槽プリント基板２０の上面に密着配置されるとともに、発振回路部品を含む主要な電子部品（図示せず）を下面に搭載するとともに圧電振動子のピンと電気的に接続され、更に発振回路プリント基板３０の上面には調整部品３１を搭載する。主要部品は、発振回路プリント基板３０と恒温槽プリント基板２０との間に挟まれた状態となることによって、恒温槽プリント基板２０上の発熱部品と近接配備され、直近位置にて加熱を受けることができる。なお、発振回路プリント基板３０と恒温槽プリント基板２０との間に形成される空隙内には、シリコン樹脂を充填する。
本発明の特徴的な構成は、恒温槽プリント基板２０の貫通孔周縁に形成したグランドメッキパターン２３ｂ上にパワートランジスタ２５、及びヒータ抵抗２６の少なくとも一部を搭載して熱的に接続すると共に、パワートランジスタ２５、ヒータ抵抗２６の接地側接続端子を当該グランドメッキパターン２３ｂに対して電気的に接続するように配備した点にある。パワートランジスタ２５、ヒータ抵抗２６の接続端子がグランドメッキパターン２３ｂ上に搭載されるように半田接続により、パワートランジスタ２５、ヒータ抵抗２６の各ＧＮＤ端子を電気的に接続する。この際、パワートランジスタ２５、ヒータ抵抗２６の本体の一部がグランドメッキパターン２３ｂに接触して熱的にも結合するように構成する。なお、発熱部品の一つであるパワートランジスタは、温度制御回路を駆動するための手段である。
即ち、図３に示す回路図に基づいて説明すれば、例えばヒータ抵抗Ｈ３３とヒータ抵抗Ｈ３４の各ＧＮＤ側端子をグランドメッキパターン２３ｂに半田接続することとなる。
このように構成することにより、グランドメッキパターン２３ｂと一体化したグランドメッキパターン２３ａにこれら発熱部品からの熱が効率よく伝達され、圧電振動子１０の円筒ケース１１を効率よく加熱することができる。
なお、グランドメッキパターン２３ｂは、貫通孔２２の周縁部に円形環状に配置する必要はなく、点線で示すようにパワートランジスタ２５やヒータ抵抗２６を搭載する張出し部２３ｃを突出させてもよい。

次に、図５は本発明の他の実施形態に係る高安定圧電発振器の恒温槽プリント基板の要部構成を示す平面図であり、この実施形態ではグランドメッキパターン２３ｂの外径側の基板面上の離間位置にグランドメッキパターン２３ｂとは電気的に独立したホット側メッキパターン（配線パターン）２３ｄを配置し、更にパワートランジスタと２５ヒータ抵抗２６の何れか一方、例えばヒータ抵抗２６のＧＮＤ端子をグランドメッキパターン２３ｂ上に半田接続する一方で、ヒータ抵抗２６のホット端子（接続端子）とパワートランジスタ２５のホット端子を同一のホット側メッキパターン２３ｄに半田接続している。このホット側メッキパターン２３ｄを介してヒータ抵抗２６とパワートランジスタ２５からの熱が絶縁基板２１に伝わって貫通孔２２周辺の絶縁基板２１、グランドメッキパターン２３ｂを加熱する。
この実施形態では、パワートランジスタとヒータとの間を接続するための配線パターンであるホット側メッキパターン２３ｄを恒温槽プリント基板上に設け、配線パターン２３ｄの幅を、パワートランジスタとヒータの各接続端子の各幅のうちの大きい方の２倍以上とした。このようにパワートランジスタとヒータの各接続端子の内の幅広の接続端子よりも広い大面積の配線パターンを設けることにより、グランドメッキパターン以外の配線パターンによって絶縁基板に対して熱を伝える能力を高めることができる。
或いは、グランドメッキーパターン２３ａ、２３ｂの外径側の恒温槽プリント基板上面に、上述したグランドメッキパターン以外の大面積の配線パターンとして円弧状のメッキパターンを設けてその上に発熱部品を搭載し、且つ各発熱部品のＧＮＤ端子を電気的に接続するようにしてもよい。
また、図６（ａ）にて後述するようにこの配線パターン２３ｄを絶縁基板内に延在させて貫通孔近傍にまで配線することによって、発熱部品の熱を無駄なく圧電振動子に伝達させることができる。

次に、図６（ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の変形実施形態の要部構成を示す断面図であり、何れも恒温槽プリント基板２０を構成する絶縁基板２１の肉厚内部に伝熱用の金属パターン（内層グランドメッキパターン）２７ａを埋設配置した構成が特徴的である。
まず、図６（ａ）の例では、発熱部品（パワートランジスタ２５、ヒータ抵抗２６）のＧＮＤ端子を搭載する表面パターン２８ａから基板内部に金属パターン（配線パターン）２７ａを延在させてグランドメッキパターン２３ａに導通させることにより、発熱部品からの熱がグランドメッキパターン２３ａに伝達されるように構成する。また、発熱部品のホット端子を搭載する表面パターン２８ｂから基板内部の適所にまで金属パターン（配線パターン）２７ｂを延在させて発熱部品からの熱が基板を加熱するように構成する。
なお、恒温槽プリント基板２０上面に露出した金属パターン２７ａ、２７ｂを幅広の円弧状パターンとすることにより、各発熱部品からの熱を効率的に内部の金属パターンに伝達することが可能となる。
図６（ｂ）は図６（ａ）の金属パターン２７を多層構造で基板内に配置した例を示している。
接続ピン４０は、恒温槽プリント基板２０の両端部近傍を貫通すると共に、上端部にて発振回路プリント基板３０上の配線パターンと接することにより、両プリント基板２０、３０間を電気的、機械的に接続する。
外側金属ケース３は、金属ベース５０と、金属ベース５０に固定した金属蓋５１とから成り、金属ベース５０には各接続ピン４０の下部が貫通して下方へ突出している。接続ピン４０の下部は、図示しない機器本体側のマザーボード上に搭載する際に使用される。
なお、金属ケース３は必須ではなく、本発明の高安定圧電発振器は、発振器ユニット２のみで構成することもできる。
なお、発振回路プリント基板３０の下面中央部に発振回路部品を含む主要部品を局所的に集中配備するとともに、圧電振動子１０のピン１３を接続することによって圧電振動子１０を搭載した構成を備えている。主要部品は、０．５〜０．７ｍｍ程度の高さを有している。従って、主要部品は、圧電振動子のフランジの凹所１２ａ（深さ０．９ｍｍ）内に嵌合可能な高さ寸法を有している。これら主要部品を圧電振動子の凹所１２ａ内に嵌合可能な範囲に集中配備することにより、主要部品の高さ分だけ、発振器ユニットの高さを減縮することができる。なお、主要部品とは、発振回路の発振周波数に大きく影響を与える電子部品としての発振用トランジスタ、トランジスタに付随する抵抗、コンデンサ、周波数可変バリキャップ等を含む。
また、発振回路プリント基板３０の上面には、調整部品３１を搭載しているため、外側金属ケース３により包囲する前に調整作業を完了することができる。

ところで、高安定圧電発振器において、優れた温度特性を得るためには下記の２点が重要である。
（１）圧電振動子の温度特性が優れること、特に圧電振動子内の圧電振動素子に直結しているピン１３及び振動子基部（フランジ及びその近傍）に対する十分な加熱、保温を行うと。
（２）発振回路の発振周波数に大きく寄与する部品類を適切に加熱、保温すること。即ち、発振ループを構成する主要部品を十分に加熱、保温すること。
上記の各条件を満たすため、本発明では、圧電振動子の基部（ピン１３とフランジ１２近傍）と主要部品を近接させ、圧電振動子の基部に温度制御対象部品を集中させている。更に、ヒータ抵抗、パワートランジスタ等の発熱部品を恒温槽プリント基板２０上に搭載し、貫通孔２２内外のグランドメッキパターン２３ａ、２３ｂ及び貫通孔周辺の絶縁基板部分を集中的に加熱して、圧電振動子の円筒ケース１１の外周を加熱、保温できるようにしている。
金属ブロックから成る恒温槽に比べて、ガラスエポキシ等から成る絶縁基板２１を恒温槽として利用する恒温槽プリント基板２０は、大幅に低コストでありながら熱伝導性は低いが、被加熱対象物としての圧電振動子１０を収容する貫通孔２１の内壁、表面側周縁部に設けたメッキパターンを介して絶縁基板の局所的に集中加熱するようにしているので、圧電振動子１０を十分に加熱、保温することができる。
従って、本発明では上記条件（１）（２）を備えているため、恒温槽プリント基板２０の貫通孔２１は、有底の空所である必要はなく、上下方向へ貫通した空所であっても十分に恒温槽として機能し得る。つまり、圧電振動子１０の基部を中心として加熱する構成とすれば十分であり、恒温槽プリント基板２０の貫通孔２１の下方が開放しているために、圧電振動子１０の円筒ケース１１の先端が露出状態となっていても温度制御上の不具合は生じない。むしろ、加工手数という点からすれば、有底の空所を形成するよりも、貫通穴としての空所を形成する方が容易である。

本発明の一実施形態に係る高安定圧電発振器の要部構成を示す横断面図。 図１の圧電発振器の縦断面図。 発振器の回路構成の一例を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は圧電振動子の一例の一部断面正面図、及び底面図。 本発明の圧電発振器の他の実施形態の要部平面図。 （ａ）及び（ｂ）は夫々本発明の変形実施形態の要部構成を示す断面図。 従来例の説明図。

符号の説明

１ 高安定圧電発振器、２ 発振器ユニット、３ 外側金属ケース、１０ 圧電振動子、１１ 円筒ケース、１２ フランジ、１２ａ 凹所、１３ ピン、２０ 恒温槽プリント基板、２１ 絶縁基板、２２ 貫通孔、２３ａ、２３ｂ グランドメッキパターン、２５ パワートランジスタ、２６ ヒータ抵抗、２７ａ、２７ｂ 金属パターン、２８ａ、２８ｂ 表面パターン、３０ 発振回路プリント基板、４０ 接続ピン

Claims (7)

1. 圧電振動素子を内蔵した金属製円筒ケース、円筒ケースの一端に一体化された金属製フランジ、及び円筒ケース内の圧電振動素子と接続されて該フランジを貫通して外部に突出した複数のピンを備えた圧電振動子と、圧電振動子のフランジを上部周縁に係止しつつ円筒ケースを嵌合支持する貫通孔を有した恒温槽プリント基板と、上面に金属製フランジを支持した恒温槽プリント基板上面に配置され且つ発振回路部品を含む電子部品を搭載するとともに圧電振動子のピンと電気的に接続した発振回路プリント基板と、を備えた圧電発振器であって、
   恒温槽プリント基板の貫通孔の内壁、及び貫通孔の上部周縁にグランドメッキパターンを形成して該グランドメッキパターンに圧電振動子の円筒ケース外周面及びフランジ下面を密着させ、恒温槽プリント基板の上面にパワートランジスタ及びヒータを搭載し、該パワートランジスタ又はヒータの各接地側接続端子を前記グランドメッキパターンに電気的及び熱的に接続したことを特徴とする高安定圧電発振器。
2. 前記発振回路プリント基板の下面には、発振回路部品を含む主要部品を搭載し、上面には調整部品を搭載し、下面側の発振回路部品を含む主央部品を、圧電振動子のフランジ中央部に形成した凹所内に嵌合するように構成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。
3. 前記恒温槽プリント基板の肉厚内部に前記グランドメッキパターンと電気的且つ熱的に接続した内層グランドメッキパターンを配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の高安定圧電発振器。
4. 前記パワートランジスタとヒータとの間を接続するための配線パターンを恒温槽プリント基板上に設け、該配線パターンの幅を、パワートランジスタとヒータの各接続端子の各幅のうちの大きい方の２倍以上としたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の高安定圧電発振器。
5. 前記パワートランジスタとヒータとの間を接続するための配線パターンが、前記恒温槽プリント基板の貫通孔の上部周縁に形成された環状のグランドメッキパターンの外径側に同心円状に形成された円弧状パターンであることを特徴とする請求項４に記載の高安定圧電発振器。
6. 前記恒温槽プリント基板の肉厚内部に、パワートランジスタとヒータとの間を接続する配線パターンの少なくとも一部を配置したことを特徴とする請求項４又は５に記載の高安定圧電発振器。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の高安定圧電発振器を金属ケースで包囲したことを特徴とする高安定圧電発振器。

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