JP2008028619A - 圧電振動子収納ケース、熱源ユニット、高安定圧電発振器及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子に熱的なダメージを与えることなく、圧電振動子の金属ケースと熱源
体との間の熱抵抗を極力小さくすることができる高安定圧電発振器を提供する。
【解決手段】収納ケースにパワートランジスタ１３をハンダにより接続することにより熱
源ユニット５を構成し、この熱源ユニット５の振動子収納部２及びサーミスタ収納部３に
水晶振動子１２及びサーミスタ１８を収納する。熱源ユニット５に収納された水晶振動子
１２とサーミスタ１８は、プリント基板１１の下面側に配置され、水晶振動子１２のリー
ド端子１２ｂ及びサーミスタ１８のリード端子１８ｂが夫々プリント基板１１上の所定の
ランドに接続される。
【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、特に高安定な周
波数を出力可能な高安定圧電発振器に好適な収納ケース、熱源ユニット、高安定圧電発振
器及びその製造方法に関する。

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、軽量であることが求められてきているため、それに対応して高安定圧
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。

例えば、特許文献１には、熱線を巻装して水晶振動子を収納した恒温槽の両面側に発振
回路用素子を配設した第１の基板と発振用トランジスタを配設した第２の基板とを組み合
わせると共に、発振器用カバーに嵌装される本体と蓋体とからなる断熱容器に収納するよ
うにした恒温槽型の圧電発振器が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されている圧電発振器は、２枚の基板を高さ方向に並
べた２階建て構造になっているため、圧電発振器の高さ（厚み）が高くなるという問題点
があった。

そこで、このような問題点を鑑みた水晶発振器として例えば特許文献２がある。
図７は、特許文献２に開示されている水晶発振器の構造を示した断面図である。
図７に示す水晶発振器１００は、端子１０１が接続された１枚のプリント基板１０２上
に水晶振動子１０３やその他の各素子１０４が実装されている。さらにプリント基板１０
２上にパワートランジスタ１０５を実装し、このパワートランジスタ１０５に水晶振動子
１０３を当接させるようにしている。
特開平１−１９５７０６号公報 特開２００２−２２３１２２公報

ところで、図７に示した水晶発振器１００においては、水晶振動子１０３の金属ケース
１０３ａにパワートランジスタ１０５を当接させるときに、水晶振動子１０３の金属ケー
ス１０３ａとパワートランジスタ１０５との間の熱抵抗を極力小さくする必要がある。熱
抵抗を極力小さくするには、パワートランジスタ１０５を水晶振動子１０３の金属ケース
１０３ａに直接ハンダ付けすることが考えられる。

しかしながら、パワートランジスタ１０５を水晶振動子１０３の金属ケース１０３ａに
直接ハンダ付けした場合は、ハンダ付け時に水晶振動子１０３に熱的なダメージが加わる
。この結果、水晶発振器において周波数ずれが発生し、長期安定度が劣化するという問題
点があった。特に、近年、高安定水晶発振器においても小型化の要求が高まり、小型の水
晶振動子を用いた高安定圧電発振器の開発が行われているが、水晶振動子を小型化した場
合は、容積が大きい水晶振動子では問題にならなかった熱的なダメージによる周波数ズレ
等が問題になっている。

本発明は上記のような点を鑑みてなされたものであり、水晶振動子に熱的なダメージを
与えることなく、圧電振動子の金属ケースと熱源体との間の熱抵抗を極力小さくすること
ができる圧電振動子収納ケース、熱源ユニット、高安定圧電発振器及びその製造方法を提
供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の圧電振動子収納ケースは、金属ケース内に圧電振動
素子が気密封止された圧電振動子本体と、圧電振動子本体の底部から突出した２本のリー
ド端子とを備えた圧電振動子の金属ケースを収納する圧電振動子収納ケースであり、前記
圧電振動子の金属ケースを収納するための振動子収納部を備えるようにした。
このように構成すれば、圧電振動子収納ケースと圧電振動子の金属ケースとの間の熱抵
抗を極力小さくすることができる。

本発明の圧電振動子収納ケースは、圧電振動子の近傍温度を感熱する感熱素子を収納す
る感熱素子収納部を備えていることを特徴とする。
このように構成すれば、圧電振動子の温度を正確に感熱することが可能になるため、適
正な温度制御可能になる。

本発明の圧電振動子収納ケースは、感熱素子収納部が振動子収納部の外面に接続されて
いることを特徴とする。
このように構成すれば、振動子収納部の高さを低くすることができる。

本発明の熱源ユニットは、本発明の圧電振動子収納ケースと、圧電振動子収納ケースに
ハンダにより接続された熱源体と、を備えている。
このように構成すれば、圧電振動子に対して熱源体を直接ハンダ付けすることなく、圧
電振動子の金属ケースと熱源体との間の熱抵抗を極力小さくすることができる。従って、
圧電振動子を振動子収納部に収納する前に振動子収納部に熱源体をハンダ付けしておけば
圧電振動子に熱的なダメージを与えることがない。
本発明の熱源ユニットは、熱源体をパワートランジスタとしたことで熱源体の構造が簡
単になるという利点がある。

本発明の高安定圧電発振器は、プリント基板と、本発明の熱源ユニットと、熱源ユニッ
トの振動子収納部に収納された圧電振動子と、熱源ユニットの感温素子収納部に収納され
た感温素子と、プリント基板と圧電振動子と感温素子を含む熱源ユニットとを包囲する発
振器ケースと、プリント基板に接続された端子と、を備えていることを特徴とする。
このように構成すれば、圧電振動子に対して熱源体を直接ハンダ付けすることなく、圧
電振動子の金属ケースと熱源体との間の熱抵抗を極力小さくすることができる。従って、
圧電振動子を振動子収納部に収納する前に振動子収納部に熱源体をハンダ付けしておけば
圧電振動子に熱的なダメージを与えることがない。この結果、高安定圧電発振器の周波数
ずれを防止することができ、高安定圧電発振器の長期安定度を向上させることが可能にな
る。特に、熱的ダメージが問題となる小型圧電振動子を用いて高安定圧電発振器を構成す
る場合に好適なものとなる。

本発明の高安定圧電発振器は、プリント基板に形成した貫通穴内に熱源ユニットの熱源
体又は圧電振動子を配置したことを特徴とする。
このように構成すれば、従来のようにプリント基板上に熱源体と圧電振動子を当接させ
る場合よりプリント基板の厚み分だけ低背化を図ることができる。またプリント基板の高
さ方向の位置を自由に設定することが可能になるため、プリント基板、圧電振動子、及び
熱源体を収納する発振器ケースの設計自由度が向上するという利点がある。

本発明の高安定圧電発振器は、プリント基板に形成した切り欠き穴内に熱源ユニットの
熱源体又は圧電振動子を配置した。
このように構成すれば、従来のようにプリント基板上に熱源体と圧電振動子を当接させ
る場合よりプリント基板の厚み分だけ低背化を図ることができる。またプリント基板の高
さ方向の位置を自由に設定することが可能になるため、プリント基板、圧電振動子、及び
熱源体を収納する発振器ケースの設計自由度が向上するという利点がある。

本発明の高安定圧電発振器は、本発明の高安定圧電発振器の製造方法であって、熱源ユ
ニットの振動子収納部に熱源体をハンダにより接続する第１の工程と、振動子収納部に熱
源体を接続した後、振動子収納部内に圧電振動子を収納する第２の工程とを含むことを特
徴とする。
このようにすれば、圧電振動子収納ケースの振動子収納部に熱源体をハンダ付けした後
、振動子収納部に圧電振動素子を収納することができるので、圧電振動子に熱ダメージを
与えることなく、圧電振動子に熱源体を接続することが可能になる。

先ず、本発明の高安定圧電発振器に用いられる圧電振動子収納ケースの実施形態につい
て説明する。
図１は本発明の高安定圧電発振器に用いられる圧電振動子収納ケースの構造を示した図
である。
この図１に示す収納ケース１（圧電振動子収納ケース）は、水晶振動子（圧電振動子）
１２を収納する金属製の振動子収納部２と、サーミスタ（感温素子）１８を収納する金属
製のサーミスタ収納部(感熱素子収納部)３とから構成され、振動子収納部２の側面にサー
ミスタ収納部３がハンダ４により接続されている。なお、収納ケース１は熱伝導性の高い
材料であれば、必ずしも金属製である必要はない。

振動子収納部２は、その内径が水晶振動子１２の金属ケース１２ａの外面より僅かに大
きい。従って、水晶振動子１２を振動子収納部２内に収納した場合は、水晶振動子１２の
金属ケース１２ａと振動子収納部２とを当接（密着）させることができ、振動子収納部２
と水晶振動子１２との熱結合を大きくすることができる。
サーミスタ収納部３は、その内部にサーミスタ１８を収納可能とされる。この場合、サ
ーミスタ１８は熱伝導性の高いシリコン樹脂等を充填することによりサーミスタ収納部３
内に固定される。
水晶振動子１２は、金属ケース１２ａ内に図示しない水晶振動素子（圧電振動素子）を
気密封止した水晶振動子本体１２ｄと、金属ケース１２ａの底部１２ｃから突出した２本
のリード端子１２ｂとを備えている。

以下、上記した圧電振動子収納ケースの構造を踏まえて本発明の高安定水晶発振器の実
施形態を説明する。なお、本実施形態では高安定圧電発振器の一例として高安定水晶発振
器を例に挙げて説明する。
図２は本発明の第１の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した図であり、（ａ
）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示す一点鎖線Ａ−Ａで切断した縦断面図である。なお、（
ａ）では高安定水晶発振器の内部が分かり易いように発振器ケースの図示は省略する。
この図２に示す高安定水晶発振器は、プリント基板１１と、プリント基板１１に接続さ
れる水晶振動子（圧電振動子）１２と、プリント基板１１に接続され水晶振動子１２を加
熱するパワートランジスタ（熱源体）１３と、少なくともプリント基板１１、水晶振動子
１２、及びパワートランジスタ１３を包囲する発振器ケース１４と、プリント基板１１と
接続された端子１５とを備えている。

プリント基板１１には、上記した水晶振動子１２やパワートランジスタ１３と共に発振
回路と加熱制御回路を構成する各種部品１６が実装されている。また、プリント基板１１
には水晶振動子１２の温度を検知するためのサーミスタ１８が配置されている。
そして本実施形態では、図１に示した収納ケース１にパワートランジスタ１３をハンダ
により接続することにより熱源ユニット５を構成する。そして、熱源ユニット５の振動子
収納部２及びサーミスタ収納部３には、それぞれ水晶振動子１２及びサーミスタ１８を収
納するようにしている。このとき、熱源ユニット５に収納された水晶振動子１２とサーミ
スタ１８は、プリント基板１１の下面側に配置され、水晶振動子１２のリード端子１２ｂ
及びサーミスタ１８のリード端子１８ｂが夫々プリント基板１１上の所定のランド（配線
パターンの一部）に接続される。また水晶振動子１２を収納した熱源ユニット５がプリン
ト基板１１と略平行になるように、水晶振動子１２のリード端子１２ｂが折り曲げられて
いる。

さらに、プリント基板１１上において、水晶振動子１２を収納した熱源ユニット５と平
面的に重なる部分に貫通穴２０を形成し、この貫通穴２０内にパワートランジスタ１３を
配置するようにしている。このとき、パワートランジスタ１３のリード端子１３ａは、図
３に示すような貫通穴２０の端縁に形成したキャスタレーション構造、即ち上面（又は下
面）電極と側面電極とを有する電極（以下、キャスタレーション電極と称する）１７に夫
々ハンダ付けするようにしている。

このように構成すれば、水晶振動子１２に対してパワートランジスタ１３を直接ハンダ
付けすることなく、水晶振動子１２の金属ケース１２ａとパワートランジスタ１３との間
の熱抵抗を極力小さくすることができる。従って、水晶振動子１２を収納ケース１に収納
する前に収納ケース１にパワートランジスタ１３をハンダ付けて熱源ユニット５を構成し
ておけば、水晶振動子１２に熱的なダメージを与えることがない。この結果、高安定圧電
発振器の発振周波数ずれを防止することができ、長期安定度を向上させることが可能にな
る。特に、熱的ダメージが問題となる小容積の小型水晶振動子１２を用いて高安定圧電発
振器を構成する場合に好適なものとなる。

また本実施形態では、プリント基板１１の貫通穴２０内にパワートランジスタ１３を配
置することでプリント基板１１上にパワートランジスタ１３と水晶振動子１２を当接させ
た状態で配置するよりも、プリント基板１１の厚み分だけ高安定水晶発振器の高さ（厚み
）を薄くすることが可能になる。つまり、高安定水晶発振器の低背化を実現することも可
能になる。
また本実施形態では、熱源体としてパワートランジスタ１３を用いたことで、例えば水
晶振動子１２に抵抗線など巻装して構成する場合より熱源体の構造を簡略化することがで
きる。また貫通穴２０の端縁に形成したキャスタレーション電極１７にパワートランジス
タ１３のリード端子１３ａを接続することで、パワートランジスタ１３の高さ位置を容易
に調整することができるという利点がある。

図４は本発明の第２の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した上面図である。
なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
図４に示す高安定水晶発振器は、前記図２に示した高安定水晶発振器において振動子収
納部２の側面に接続されていたサーミスタ収納部３を、振動子収納部２の上面、即ちパワ
ートランジスタ１３をハンダ付けした面に接続するように構成したものである。このよう
にサーミスタ収納部３を振動子収納部２１の上面に接続すると、サーミスタ収納部３を振
動子収納部２の側面に接続する場合より後述する熱源ユニット５の組み立て作業が容易に
なるという利点がある。

図５は本発明の第３の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した上面図である。
なお、図４と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。また、縦断面図は図４（ｂ
）と同じなので図示は省略する。
図５に示す高安定水晶発振器では、水晶振動子１２のリード端子１２ｂを折り曲げて配
置したときに、水晶振動子１２を収納した熱源ユニット５とプリント基板１１とが平面的
に重なる部分に略コの字状の切り欠き２１を形成し、この切り欠き２１内に熱源ユニット
５のパワートランジスタ１３を配置するようにしている。この場合も、パワートランジス
タ１３のリード端子１３ａは、切り欠き２１の端縁に形成したキャスタレーション電極１
７に夫々ハンダ付けされる。

このように構成した場合も、水晶振動子１２に対してパワートランジスタ１３を直接ハ
ンダ付けすることなく、水晶振動子１２の金属ケース１２ａとパワートランジスタ１３と
の間の熱抵抗を極力小さくすることができる。従って、水晶振動子１２を収納ケース１に
収納する前に収納ケース１にパワートランジスタ１３をハンダ付けしておけば、水晶振動
子１２に熱的なダメージを与えることがないので、前記第１の実施形態の高安定水晶発振
器と同様の効果が得られる。また、本実施形態ではプリント基板１１の切り欠き２１内に
パワートランジスタ１３を配置して収納ケース１にハンダ接続した場合も、高安定水晶発
振器の低背化を実現することができる。

なお、第３の実施形態では、サーミスタ収納部３を振動子収納部２の上面に接続するよ
うにしているが振動子収納部２の側面に接続されている場合も同様に構成できることは言
うまでもない。

次に、本発明の高安定圧電発振器の特徴的な製造工程を説明する。
図６は本実施形態の高安定圧電発振器の特徴的な製造工程を模式的に示した図である。
この場合、先ず（ａ）に示すように振動子収納部２とサーミスタ収納部３を用意し、振
動子収納部２とサーミスタ収納部３との間にクリームハンダ３１を塗布する。次に、（ｂ
）に示すように、クリームハンダ３１を塗布した位置にサーミスタ収納部３をセットした
後、（ｃ）に示すように振動子収納部２の上面にパワートランジスタ１３をセットするた
めのクリームハンダ３１を塗布する。この後、（ｄ）に示すように振動子収納部２の上面
にパワートランジスタ１３をセットしてリフローによりハンダ付けを行うようにする。こ
れにより、パワートランジスタ１３をハンダ付けした熱源ユニット５を作製することがで
きる。この後、（ｅ）（ｆ）に示すように熱源ユニット５の振動子収納部２及びサーミス
タ収納部３に夫々水晶振動子１２とサーミスタ１８を収納する。
このようにすれば、水晶振動子１２を熱源ユニット５の振動子収納部２に収納する前に
パワートランジスタ１３をハンダ付けしておくことができるので、水晶振動子１２に熱的
なダメージを与えることなく、水晶振動子１２とパワートランジスタ１３との熱抵抗を極
力小さくすることができる。

また、振動子収納部２にパワートランジスタ１３とサーミスタ収納部３とをそれぞれハ
ンダ付けする作業を、同じ工程内でまとめて実施することができ、振動子収納部２内に水
晶振動子１２を収納する作業と、サーミスタ収納部３にサーミスタ１８を収納する作業と
を同じ工程内でまとめて実施することができるので、作業性が向上し全体の生産効率を高
めることができる。なお、サーミスタ収納部３を振動子収納部２１の上面に接続するよう
にすると、サーミスタ収納部３を振動子収納部２の側面に接続する場合よりも振動子ユニ
ットの組み立て作業が容易になるので、更に全体の生産効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、プリント基板１１の貫通穴２０または切り欠き２１を形成し、
この貫通穴２０または切り欠き２１内にパワートランジスタ１３を配置するようにしてい
るが、この貫通穴２０または切り欠き２１の位置に収納ケース１に収納した水晶振動子１
２を配置するように構成することも可能である。この場合は、水晶振動子１２のリード端
子１２ｂが、プリント基板１１の貫通穴２０又は切り欠き２１の端縁に形成された電極１
７に対して接続されることになる。このようにプリント基板１１に貫通穴２０または切り
欠き２１を形成し、この貫通穴内又は切り欠き内にパワートランジスタ１３又は水晶振動
子１２を収納した収納ケース１を配置すると、プリント基板１１の高さ方向の位置を自由
に設定することが可能になるため、プリント基板１１や水晶振動子１２、パワートランジ
スタ１３を収納する発振器ケース１４の設計自由度が向上するという利点がある。

また本実施形態では、熱源体としてパワートランジスタ１３を例に挙げて説明したが、
例えば抵抗線やチップ抵抗、ペルチェ素子等を用いることも可能である。
また、本実施形態では、水晶を圧電材料とした高安定水晶発振器について説明したが、
本発明は水晶以外の圧電材料を用いた高安定圧電発振器にも適用することができる。
また、本実施形態において説明した高安定水晶発振器の構造はあくまでも一例であり、
本発明の高安定圧電発振器の構成が本実施形態の構造に限定されるものではない。

本発明の高安定圧電発振器に用いられる収納ケースの構造を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した図である。 パワートランジスタのリード端子が接続される電極構造を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る高安定水晶発振器の構造を示した上面図である。 本実施形態の高安定圧電発振器の特徴的な製造工程を模式的に示した図である。 従来の水晶発振器の構造を示した断面図である。

符号の説明

１…収納ケース、２…振動子収納部、３…サーミスタ収納部、４…ハンダ、５…熱源ユ
ニット、１１…プリント基板、１２…水晶振動子、１３…パワートランジスタ、１３ａ…
リード端子、１４…発振器ケース、１５…端子、１７…キャスタレーション電極、１８…
サーミスタ、１８ｂ…リード端子、２０…貫通穴、３１…クリームハンダ

Claims (9)

1. 金属ケース内に圧電振動素子が気密封止された圧電振動子本体と、該圧電振動子本体の
   底部から突出した２本のリード端子とを備えた圧電振動子を収納するための圧電振動子収
   納ケースであって、前記金属ケースを収納する振動子収納部を備えたことを特徴とする圧
   電振動子収納ケース。
2. 前記圧電振動子の近傍温度を感熱する感熱素子を収納する感熱素子収納部を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子収納ケース。
3. 前記感熱素子収納部が前記振動子収納部の外面に接続されていることを特徴とする請求
   項２に記載の圧電振動子収納ケース。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧電振動子収納ケースと、該圧電振動子収
   納ケースにハンダにより接続された熱源体と、を備えていることを特徴とする熱源ユニッ
   ト。
5. 前記熱源体がパワートランジスタであることを特徴とする請求項４に記載の熱源ユニッ
   ト。
6. プリント基板と、請求項４または請求項５のいずれかに記載の熱源ユニットと、前記熱
   源ユニットの前記振動子収納部に収納された圧電振動子と、前記熱源ユニットの前記感温
   素子収納部に収納された感温素子と、前記プリント基板と前記圧電振動子と前記感温素子
   を含む前記熱源ユニットとを包囲する発振器ケースと、前記プリント基板に接続された端
   子と、を備えていることを特徴とする高安定圧電発振器。
7. 前記プリント基板に形成した貫通穴内に前記熱源ユニットの熱源体又は前記圧電振動子
   を配置したことを特徴とする請求項６に記載の高安定圧電発振器。
8. 前記プリント基板に形成した切り欠き穴内に前記熱源ユニットの熱源体又は前記圧電振
   動子を配置したことを特徴とする請求項６に記載の高安定圧電発振器。
9. 請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の高安定圧電発振器の製造方法であって、熱
   源ユニットの振動子収納部に熱源体をハンダにより接続する第１の工程と、前記振動子収
   納部に前記熱源体を接続した後、前記振動子収納部内に前記圧電振動子を収納する第２の
   工程とを含むことを特徴とする高安定圧電発振器の製造方法。

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