JP2007110698A

JP2007110698A - 高安定用とした恒温型の水晶発振器

Info

Publication number: JP2007110698A
Application number: JP2006250229A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mitome; 博之見留; Manabu Ito; 学伊藤; Takashi Uchida; 剛史内田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: JP4976087B2

Abstract

【課題】恒温型発振器にて一定温度を保つために伝熱構造として熱伝導係数の大きな金属板からなる伝熱板を採用し、熱効率の向上を図るとともに低背化に対応した恒温型発振器を提供する。
【解決手段】水晶片を密閉封入した水晶振動子（振動子用容器）１の底面から複数のリード線１（ａｂ）が延出して回路基板７上に立設した水晶振動子１と、回路基板７上に配置されて水晶振動子１とともに発振回路を構成する発振用素子１４と、回路基板７上に配置されて水晶振動子１の動作温度を一定にする温度制御回路を構成する加熱用チップ抵抗４、サーミスタ６及び温度制御素子１５とを少なくとも有し、加熱用チップ抵抗４と水晶振動子１の底面との間には伝熱板２を設けてなる恒温型発振器であって、伝熱板２は加熱用チップ抵抗４を嵌入する切欠部２Ｂを有し、伝熱板２と加熱用チップ抵抗４及び回路基板７との間には放熱シート３が密着した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱用チップ抵抗を用いて高安定用とした恒温型の水晶発振器（以下、恒温型発振器とする）を技術分野とし、特に水晶振動子と加熱用チップ抵抗との間における熱伝導の効率を向上した伝熱板を有する恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は周波数安定度が要求される、例えば移動体通信用の基地局に適用され、一般には、水晶振動子の動作温度を一定にする恒温槽が採用される。近年では、これらが内蔵される通信機器を含む電子機器の小型化に伴い、恒温型発振器自体の大きさも更なる小型化、特に薄型化が要求されている。

(従来技術の一例)
第７図は一従来例（特許文献１参照）を説明する恒温型発振器の断面図である。ここでの恒温型発振器は第１基板７Ａと第２基板７Ｂとを上下に配置した二段構造とする。第１基板７Ａと第２基板７Ｂとはベース１０及びカバー９からなる発振器筐体内に密閉封入される。第１基板７Ａはベース１０を貫通したハーメチック端子（気密端子）８Ａによって保持される。第２基板７Ｂは第１基板７Ａ上の金属ピン８Ｂによって保持される。

第１基板７Ａ上には温度制御回路を形成する温度制御素子１５が、第２基板７Ｂには発振回路を形成する発振用素子１４が主として、それぞれ両主面に配置される。そして、第１基板７Ａとの第２基板７Ｂの対向面上には、恒温槽１２で覆われた水晶振動子１が配置される。恒温槽１２は第２基板７Ｂ上に開口面側が固着される。恒温槽１２の外周には熱線１３が巻回され、外表面には槽内温度を検出するサーミスタ６が設けられる。そして、恒温槽１２の閉塞端側は第一基板７Ａに配置されたパワートランジスタ５に密着する。

このようなものでは、パワートランジスタ５及びサーミスタ６を含む温度制御素子１５からなる温度制御回路によって、即ちサーミスタ６の検出温度に基づいてパワートランジスタ５から熱線１３への電流を制御することによって、特に周波数温度特性を有する水晶振動子１の動作温度を一定に維持する。通常では、水晶振動子１（ＡＴカット）の動作温度は、３次曲線となる周波数温度特性における高温側の極小値（例えば７０℃）に設定される。これにより、周波数変動を0.05ppm程度に維持することが可能となる。

第８図はさらに他の従来例（特許文献２参照）を説明する恒温型発振器の図であり、特に巻回作業を要して工数及びコストのかかる熱線１３を排除した恒温型発振器の分解組立図である。ここでの恒温槽１２は水晶振動子１が一端側から挿入される収容部を有し、空間部を形成する一対の脚部が一主面側に延出する。

回路基板７の中央部には例えば３個の加熱用チップ抵抗４が並設され、その間には熱高感度素子であるサーミスタ６及び発振用素子１４のうちの電圧可変容量素子１４Ａが配置される。回路基板７上には熱伝導板としての一対の金属パターン１６が平行に形成され、加熱用チップ抵抗４の両端側の電極が電気的に接続して固着される。回路基板７の外周領域にはパワートランジスタ５を含む温度制御素子１５が配置される。

そして、加熱用チップ抵抗４上に放熱シート３を敷設して、恒温槽１２の脚部を金属パターン１６上に固着する。これにより、加熱用チップ抵抗４等を恒温槽１２の脚部の空間部内に収容する。この場合、放熱シート３は加熱用チップ抵抗４と恒温槽１２の脚部が延出する一主面に密着する。なお、回路基板７の両主面にはその他の発振用素子１４及び温度制御素子１５が配設され、発振器筐体内に収容される。

このようなものでは、恒温槽１２と加熱用チップ抵抗４の間には放熱シート３が介在して密着するので、恒温槽１２と水晶振動子１間の熱結合を高める。また、回路基板７には金属パターン１６が設けられ、加熱用チップ抵抗４と恒温槽１２との熱的結合を高める。これらにより、加熱用チップ抵抗４から発生する熱が効率よく水晶振動子１に伝達されて熱伝導の効率を向上する。したがって、前述した熱線１３を有する恒温槽１２を使用することなく、動作温度を一定に維持した恒温型発振器が得られる。

また、回路基板７を一枚として発振用素子１４及び温度制御素子１５を搭載するので、前述の第７図で示した第１基板７Ａには温度制御素子を、第２基板７Ｂには発振用素子１４を配設して二段構造とした場合に比較し、薄型化を実現できる。但し、二段構造の場合は発振回路と温度制御回路とを別個にして並列的に形成できるメリットがある。
特開平１−１９５７０６特開２００５-１２４１２９

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の恒温型発振器では、第７図及び第８図のいずれにしても恒温槽１２を基本的に使用するので、小型化、特に薄型化を阻害する問題があった。特に、熱線１３を有する恒温槽１２（第７図）の場合は、熱線１３からは内側だけでなく外側にも熱が放射されることから熱の損失が大きい。また、脚部を有する恒温槽１２（第８図）の場合は、脚部を形成するのでその加工費が嵩む。

（発明の目的）
本発明は熱伝導の向上を図り、小型化特に薄型化を促進した恒温型発振器の提供を目的とする。

本発明の特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶片を密閉封入した振動子用容器の底面から複数のリード線が延出して回路基板上に立設した水晶振動子と、前記回路基板上に配置されて前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記回路基板上に配置されて前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路を構成する少なくとも加熱用チップ抵抗及びサーミスタを含む温度制御素子とを有し、前記加熱用チップ抵抗と前記振動子用容器の底面との間には伝熱板を設けてなる恒温型発振器であって、前記伝熱板は前記加熱用チップ抵抗を嵌入する切欠部を有し、前記伝熱板と前記加熱用チップ抵抗及び又は前記伝熱板と前記回路基板との間には放熱体が密着した構成とする。

このような構成であれば、加熱用チップ抵抗と振動子用容器の底面との間には伝熱板を設けて、水晶振動子（振動子用容器）を収容する従来の恒温槽を排除する。したがって、伝熱板の厚さのみが基本的に付加されるのみなので、恒温型発振器の薄型化を促進できる。また、ここでは、伝熱板に設けた切欠部に加熱用チップ抵抗を嵌入するので、加熱用チップ抵抗の上面及び側面と伝熱板の切欠部とが面対向する。そして、加熱用チップ抵抗と伝熱板の切欠部との間には放熱体が密着するので、加熱用チップ抵抗からの熱が直接的に伝熱板に供給される。さらに切欠部の無い伝熱板内周部と回路基板との間にも放熱体が密着し、加熱用チップ抵抗から回路基板に伝わった熱がこの放熱体から伝熱板に供給される。したがって、加熱用チップ抵抗からの熱が無駄なく伝熱板に供給されて振動子用容器を加熱する。

（実施態様、請求項２〜５）
同請求項２では、請求項１の前記切欠部は前記伝熱板の外周部に環状に設けられ、前記加熱用チップ抵抗は複数個が前記切欠部に均等に配置された構成とする。これにより、振動子容器の底面には偏りのない均等な熱が供給され、安定した温度分布を維持できる。

同請求項３では、請求項１の前記加熱用チップ抵抗は前記パワートランジスタと電源との間に複数個が並列、直列又は直並列に接続された構成とする。これにより、例えばパワートランジスタに一個の加熱用チップ抵抗を接続した場合に比較し、熱を分散させて振動子容器の底面に対して温度分布の均一化を図れる。

同請求項４では、請求項３の前記加熱用チップ抵抗の複数個と前記パワートランジスタとの複数組が、前記回路基板上に配置されている構成とする。これにより、加熱用チップ抵抗の複数とパワートランジスタとの一組の場合よりも、振動子用容器の底面における温度分布の均一化をさらに図れる。

同請求項５では、請求項１の前記放熱体は弾性を有するシート状とする。これにより、加熱用チップ抵抗と伝熱板の切欠部及び回路基板と伝熱板底面との密着度を高めて熱伝導性を高める。

第１図乃至第３図は本発明の一実施形態を説明する恒温型発振器の図で、第１図は組立分解図、第２図は一部断面図、第３図はカバーを除く平面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

恒温型発振器は、前述したと同様に、水晶振動子１、発振用素子１４及び温度制御用素子１５が回路基板７上に配置される。そして、従来例の恒温槽１２に代わる伝熱板２及び放熱体３を有し、ベース１０とカバー９からなる発振器用容器内に密閉封入される。ここでの回路基板７は例えば中央領域を囲んで切り込み１１が設けられる。

水晶振動子１は例えばＴＯ８型の振動子用容器内に図示しない水晶片を密閉封入して、底面からリード線１（ａｂ）が導出する。そして、回路基板７の切り込み１１内の中央領域に立設する。なお、回路基板７はベース１０の外部端子となる気密端子８によって保持される。図では、便宜上、上下関係が逆向きになっている。

発振用素子１４は温度に対して特性変化が大きい熱高感度素子である電圧可変容量素子１４Ａが切り込み１１内の中央領域における中心部に、特性変化の小さい抵抗やコンデンサ等は切り込み１１より外周領域に配置される。温度制御素子１５は熱源である加熱用チップ抵抗４及びパワートランジスタ５と温度を検出するサーミスタが切り込み１１内の中央領域に、それ以外は外周領域に配置される。

ここでは、加熱用チップ抵抗４の８個が中央領域内の内周側に、正方形とした環状で均等に配置される。そして、４個のパワートランジスタ５が中央領域内の環状とした各辺の加熱用チップ抵抗４の外側に配置される。この場合、第４図に示したように、パワートランジスタ５と電源Ｖccとの間に２個ずつの加熱用チップ抵抗４が接続して一組とし、その４組が配置される。そして、サーミスタ６を含む温度制御回路からのパワートランジスタ５に対するベースバイアス電圧によって、加熱用チップ抵抗４への発熱電流が制御される。サーミスタ６は、回路基板７の中央領域における中心部に電圧可変容量素子１４Ａとともに配置される。

伝熱板２は例えば正方形としたアルミ材からなり、中央部に貫通孔２Ａを有してＬ字状とした環状の切欠部２Ｂが外周を周回する。そして、伝熱板２は回路基板７の中央領域に底面が図示しないネジ等によって固定され、貫通孔２Ａ内に電圧可変容量素子１４Ａ及びサーミスタ６を収容する。また、貫通孔２Ａ内には水晶振動子１のリード線１（ａｂ）が挿通し、振動子用容器の底面外周が伝熱板２上に密接する。

放熱体３は弾性を有するシート状とした熱伝導性樹脂からなる。ここでは、２枚の放熱シート３（ＡＢ）からなり、第１の放熱シート３Ａは伝熱板２の周回する切欠部２Ｂと加熱用チップ抵抗４との間に介在して両者と密着する。この場合、放熱シート３Ａの弾性によって加熱用チップ抵抗４が上面から側面にかけて埋設し、上面及び側面と密着する。

第２の放熱シート３Ｂは水晶振動子１のリード線１（ａｂ）が貫通し、伝熱板２の底面と回路基板７との間に介在して両者と密着する。但し、放熱シート３Ｂの中央は貫通孔を有し、電圧可変容量素子１４Ａとサーミスタ６とを収容し、シリコン１７を充填する。シリコンを貫通孔に充填することで加熱用チップ抵抗４より伝わった回路基板中央部の熱を無駄なく伝熱板に供給することで、振動子を加熱し、熱分布の均一化及び安定化を図る。

このような構成であれば、発明の効果の欄でも述べたように、加熱用チップ抵抗４と水晶振動子（振動子用容器）１の底面との間には伝熱板２を設けて、振動子用容器を収容する従来の恒温槽１２を排除する。したがって、伝熱板２の厚さのみが基本的に付加されるのみなので、恒温型発振器の薄型化を促進できる。そして、回路基板７、放熱シート３、伝熱板２、水晶振動子１の順で密着させて一体化するので、熱伝導を十分にして恒温型として機能できる。

また、ここでは、伝熱板２に設けた切欠部２Ｂに加熱用チップ抵抗４を嵌入するので、加熱用チップ抵抗４の上面及び側面と伝熱板２の切欠部２Ｂとが面対向する。そして、加熱用チップ抵抗４と伝熱板２の切欠部２Ｂとの間には放熱シート３Ａが密着するので、加熱用チップ抵抗４からの熱が直接的に伝熱板２に供給される。したがって、加熱用チップ抵抗４からの熱が無駄なく伝熱板２に供給されて振動子用容器を加熱する。

また、切欠部２Ｂは伝熱板２の外周部に環状に設けられ、加熱用チップ抵抗４は複数個が切欠部２Ｂに均等に配置されるので、振動子容器の底面には偏りのない均等な熱が供給され、安定した温度分布を維持できる。ここでは、加熱用チップ抵抗４はパワートランジスタ５と電源Ｖccとの間に２個が並列に接続されて、これらの４組が配置される。したがって、パワートランジスタ５に一個の加熱用チップ抵抗を接続した場合よりも、熱を分散できて、振動子用容器の底面における温度分布の均一化を図る。

また、放熱体３は弾性を有するシート状とするので、放熱シート３Ａは加熱用チップ抵抗４と伝熱板２、放熱シート３Ｂは回路基板７と伝熱板２との密着度を高めて熱伝導性を高める。また、伝熱板２は板状で熱容量が小さいため起動特性に優れた発振器となる。

（他の事項）
伝熱板２の構造として、実装する基板上のスペースがある場合には第５図のように加熱用チップ抵抗４及びパワートランジスタ５の上面及び側面をすべて覆うような凹部を設けた伝熱板２にしても良い。このような構造であれば、前項で説明した伝熱板２に比べて加熱用チップ抵抗４から発生する熱を上面及び側面から受け取ることができるとともに熱源からの熱を逃しにくくなるため、より効率の良い熱伝導が可能となる。

また、回路基板７の切込み１１は、加熱用チップ抵抗４やパワートランジスタ５の熱源、及びサーミスタ６、電圧可変容量素子１４Ａの熱高感度素子の配置される中央領域を取り囲んで設けたが、必要に応じてその外周にも設けてその他の発振用素子１４及び温度制御素子１５を取り囲んで設けてもよい。この場合（第６図参照）、切り込みを二重にすることによって熱を閉じ込めて外周からの放熱を防止して効率を高める。

また、放熱体３は水晶振動子１（振動子用容器）の底面と伝熱板２との間に設けて密着させてもよい。この場合、放熱体３はシート状ではなく、熱伝導性の樹脂を塗布して硬化させてもよい。

また、加熱チップ抵抗４の配置として実施例では第４図に示した並列接続について記したが、加熱チップ抵抗４を直列又は直並列に接続することでも同様に熱源の分散により振動子用容器の底面における温度分布の均一化を図る。

本発明の第一実施例を説明する恒温型発振器の組立分解図である。本発明の第一実施例を説明する恒温型発振器における伝熱板の要部断面図である。本発明の第一実施例における回路基板平面図である。本発明の一実施例を説明する温度制御回路の一例である。本発明の第二実施例を説明する恒温型発振器における伝熱板の要部拡大図である。本発明の一実施例を説明する回路基板平面図である。従来例を説明する図で恒温型発振器の一部断面図である。従来例を説明する恒温型発振器の図で要部の組立分解図である。

符号の説明

１水晶振動子、２伝熱板、３放熱シート、４加熱用チップ抵抗、５パワートランジスタ、６サーミスタ、７回路基板、８金属ピン、９カバー、１０ベース、１１切り込み、１２恒温槽、１３熱線、１４発振用素子、１５温度制御素子、１６金属パターン、１７シリコン。

Claims

水晶片を密閉封入した振動子用容器の底面から複数のリード線が延出して回路基板上に立設した水晶振動子と、前記回路基板上に配置されて前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記回路基板上に配置されて前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路を構成する少なくとも加熱用チップ抵抗及びサーミスタを含む温度制御素子とを有し、前記加熱用チップ抵抗と前記振動子用容器の底面との間には伝熱板を設けてなる恒温型発振器であって、
前記伝熱板は前記加熱用チップ抵抗を嵌入する切欠部を有し、前記伝熱板と前記加熱用チップ抵抗及び又は前記伝熱板と前記回路基板との間には放熱体が密着したことを特徴とする水晶発振器
前記切欠部が前記伝熱板の外周部に環状に設けられ、前記加熱用チップ抵抗が複数個、前記切欠部に均等に配置された請求項１の水晶発振器。
前記温度制御回路において、前記加熱用チップ抵抗はパワートランジスタと電源との間に複数個が並列、直列又は直並列に接続されている請求項１の水晶発振器。
前記加熱用チップ抵抗の複数個と前記パワートランジスタとの複数組が、前記回路基板上に配置されている請求項３の水晶発振器。
前記伝熱板と前記加熱用チップ抵抗との間に配置される前記放熱体が、弾性を有するシート状である請求項１の水晶発振器。