JP2008035143A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の恒温槽を用いた高安定な圧電発振器では、複数の基板上に、恒温槽、発振回路や恒温槽制御回路などを内蔵した集積回路素子や電子素子、及び圧電振動子等個々の電子部品を配置固着し組み上げることにより構成されているため、製作時間が非常にかかり、且つその作業も自動化或いは標準化することが困難であった。又、このように各種電子部品により構成されているため、小型化にも限界があった。
【解決手段】高安定の圧電発振器において、容器体の外部基板実装側主面と反対側の主面上に平板状のペルチェ素子を、このペルチェ素子の吸熱側主面を容器体の外部基板実装側主面と反対側の主面に熱伝導性接着材を介して密着固定し、ペルチェ素子の電源端子が該容器体内に搭載された集積回路素子内のペルチェ素子制御回路と電気的に接続している圧電発振器。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電発振器に関し、特にサーモモジュールにより圧電発振器の温度変化を無くするにより、この温度変化に起因する発振周波数変動をほぼゼロとした高安定圧電発振器に関する。

従来、電子機器には、その電子機器内に搭載される各種電子部品の一つである圧電発振器が、電子機器或いは電子機器に搭載される電子部品の基準信号やクロック信号等の発生源として用いられている。特に、基準周波数発信装置や通信システムのインフラ系装置及び航法機器等の周波数或いは時間基準として用いる圧電発振器としては、周波数安定度を高めるために、圧電振動素子等の温度変化による特性（圧電振動素子では主として振動周波数）が変化する素子類を恒温槽中に収納し温度制御することにより、発振器としての発振周波数の高安定化を図った恒温槽付の圧電発振器（例えばＯＣＸＯ等）が用いられている。

図３は従来の圧電発振器の一形態を示した概略断面図である。即ち、第１の基板５１の表面には、発振回路及び温度センサ（不図示）からの温度データ信号により恒温槽５２の温度を制御する恒温槽制御回路を内蔵する集積回路素子５３や電子素子５４等により構成される電子回路網が形成されており、所定の間隔を空けて第１の基板５１上に、ネジ５５により第１の基板５１に固定される第２の基板５６が配置されている。この第２の基板５６上には、内部に圧電振動子５７を収納した恒温槽５２が配置固定されている。この圧電振動子５７は集積回路素子５３の発振回路と電気的に接続し、又、恒温槽５２内のサーモモジュール（例えば抵抗ヒータなど）は、集積回路素子５３の恒温槽制御回路と電気的に接続し、温度センサからの温度データ信号により恒温槽５２の温度を制御する。

このように構成された第１の基板５１及び第２の基板５２を、第３の基板５８に組み込まれたリード端子線５９に、第１の基板５１に形成された外部接続用電極端子を電気的に接続させつつ機械的に固定し、更に、第３の基板５８の外周に箱状の金属製蓋体６０を嵌め込み固着させて圧電発振器５０を構成する。尚、蓋体６０の内側には断熱材６１が配設されており、恒温槽５７から発せられた熱を発振器外に放熱することを防いでいる。

又、別形態の基準周波数発生装置として、装置の一部分の温度を制御するサーモモジュールとしてペルチェ素子を用い、圧電発振器等や他の電子素子類を内部に搭載した金属製ケース上にペルチェ素子を搭載した形態のものが発明されている。

上述したような圧電発振器等については、以下のような先行技術文献に開示がある。
特開平１１−２３４０４１号公報 特開２００１−１９６８５９公報 特開２００３−６９４２２公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

しかし、上述した圧電発振器では、複数の基板上に、恒温槽、発振回路や恒温槽制御回路などを内蔵した集積回路素子や電子素子、及び圧電振動子等個々の電子部品を配置固着し組み上げることにより構成されているため、製作時間が非常にかかり、且つその作業も自動化或いは標準化することが困難であった。又、このように各種電子部品により構成されているため、小型化にも限界があった。

又、このような形態の圧電発振器の場合、圧電発振器を構成する部品点数が多いので、各部品を調達するコスト及び時間が、恒温槽を有しない他の形態の圧電発振器に比べ非常にかかってしまう。更に、恒温槽のサーモモジュールとして抵抗ヒータが用いられているので、温度制御を繰り返すことにより抵抗ヒータの信頼性寿命に問題が生じてしまう虞があり、上述した圧電発振器はＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）型ではないため、マザーボード等の外部実装基板への圧電発振器の実装にマウンタ装置を使用することができない不便が生じていた。

更に、上記特許文献３に記載のような基準周波数発生装置では、ペルチェ素子と、そのペルチェ素子により温度のコントロールを行わなければならない圧電発振器内の圧電振動素子との間に、金属ケース、金属ケース内の雰囲気や充填剤及び圧電発振器本体パッケージ体等伝熱を遮断する作用を成す構成部材が幾層も形成されており、又、感温素子も圧電発振器本体外に離れて設けられている構造のため、圧電発振器内に搭載されている圧電振動素子又はその近辺の温度変化に即時に対応してペルチェ素子を制御することが難しく、又、ペルチェ素子が機能しても、その作用が圧電振動素子に達するまでにタイムラグが生じる場合があり、圧電振動素子又はその近辺の温度変化に即応した圧電発振器の温度コントロールが困難である課題がある。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、矩形状の主面外形を有し、外部基板実装側主面に開口部を形成する凹部を内部に形成した容器体のこの凹部内には、少なくとも発振回路を内蔵した集積回路素子と、この集積回路素子の所定の端子と電気的に接続した圧電振動素子が搭載されており、且つ凹部内を気密に封止して成る圧電発振器において、
前記圧電振動素子、前記集積回路素子、及びこの集積回路素子内の電子回路網と電気的に接続した感温素子を直接的に囲繞し内蔵する凹部を有する容器体の外部基板実装側主面と反対側の主面上に、平板状のペルチェ素子を、このペルチェ素子の吸熱側主面を容器体の外部基板実装側主面と反対側の主面に熱伝導性接着材を介して直接に密着させ固定し、更にペルチェ素子の電源端子が容器体内に搭載された集積回路素子内のペルチェ素子制御回路と電気的に接続し、感温素子からの凹部内の温度情報信号に基づきペルチェ素子制御回路によりペルチェ素子を制御することを特徴とする圧電発振器である。

又、上記ペルチェ素子の放熱側主面上には、ヒートシンクが搭載されていることを特徴とする前段落記載の圧電発振器でもある。

本発明の圧電発振器によれば、容器体表面にペルチェ素子と、容器体内のみに発振回路やペルチェ素子制御回路などを内蔵した集積回路素子や感温素子等の電子素子、及び圧電振動素子（圧電振動子内に搭載されている、平板状の圧電素板の表面に、励振用電極を含む所定の各種電極を形成した素子）等個々の電子部品や素子を単純な配置で固着して構成されているため、上述した従来の圧電発振器に比べ、その製作時間が大幅に短縮でき、且つその作業も自動化或いは標準化することが可能となる。又、このように小型化が可能な各種電子部品により構成されているため、圧電発振器としての更なる小型化も可能となる。

又、本発明のような形態の圧電発振器の場合、圧電発振器を構成する部品点数が少なく、且つ他の形態の圧電発振器で使用される汎用部品を共用できるので、部品を調達するコスト及び時間が、恒温槽を使用する形態の圧電発振器に比べ安価及び短縮できる。更に、恒温槽のサーモモジュールとしてペルチェ素子が用いられているので、精密な温度制御が可能で且つ温度変化に対する迅速な応答が可能となる。また、平板状のペルチェ素子は通常Ｐ型とＮ型の半導体を用いて形成されているので、抵抗ヒータに比べ信頼性寿命が長いので圧電発振器としての信頼性を長期維持できる。又、本発明の圧電発振器はＳＭＤ型であるため、マザーボード等の外部実装基板への圧電発振器の実装にマウンタ装置を使用することができ、実装作業が非常に簡易になる。

更に、本発明の圧電発振器では、ペルチェ素子と、そのペルチェ素子により温度のコントロールを行わなければならない圧電発振器内の圧電振動素子との間には、容器体及び容器体と圧電振動素子間の雰囲気しか伝熱を阻害する構成部材が形成されておらず、又、感温素子も圧電発振器本体内の圧電振動素子が搭載されている凹部内の同じ空間内に設けられている構造のため、圧電発振器内に搭載されている圧電振動素子又はその近辺の温度変化に即時に対応してペルチェ素子を制御することができ、又、ペルチェ素子が機能して、その作用が即時に圧電振動素子に達することが可能であり、圧電振動素子又はその近辺の温度変化に即応した圧電発振器の温度コントロールが可能となる。

因って、本発明によれば、構造が簡単で且つ小型化に対応でき、更にサーモモジュールの温度制御が精密且つ簡易にすることができる、安価且つ発振周波数変動が著しく低い高安定な圧電発振器を提供できる効果を奏する。

以下に、本発明における圧電発振器の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明における圧電発振器の一形態を示した概略断面図である。図２は、本発明における圧電発振器の他の形態を示した概略断面図である。尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示せず、また寸法も一部誇張して図示している。特に各部分の厚み寸法は誇張して図示している。

図１には、本発明における圧電発振器の一形態の概略断面図を示す。即ち、材質がセラミックスで形成されており、矩形状の主面外形を有し、外部基板実装側主面（以下、他方の主面という）に開口部を形成する凹部１２を内部に形成した容器体１１が形成されている。この容器体１１の凹部１２を囲繞する側壁部の凹部１２開口側頂面の４つの角部には、外部の実装基板へ圧電発振器１０を導通固着させるための外部接続用電極端子２２が形成されている。

この凹部１２内には、容器体１１の主面に平行する段差平面を開口部側へ向けた形態の２段の段差部が、開口部の最も近くに形成された第２の段差部１４は凹部１２内側面全周に、残りの１段の段差部（第１の段差部１３）は、凹部１２内で対向する一対の側壁面のみに形成されている。

このように各段差部が形成された凹部１２内には圧電発振器１０を構成する各電子部品が搭載されている。凹部１２内の底面上には、外部接続用電極端子２２や後述するペルチェ素子１５や圧電振動素子１６と電気的に接続した集積回路素子接続用電極パッド１７が形成されており、この集積回路素子接続用電極パッド１７上には集積回路素子１８が配置され、且つ導電性接着材，ハンダ或いはバンプ等の導電性接合材を介して導通固着されている。尚、この集積回路素子１８内には、発振回路、感温素子、感温素子からの温度データによって機能する温度補償回路及びペルチェ素子制御回路などが内蔵されている。

又、対向する一対の第１の段差部１３のうちの一方の段差平面上には、集積回路素子１８の所定の端子と電気的に接続した、圧電振動素子接続用電極パッド１９が１対形成されており、この圧電振動素子接続用電極パッド１９上には、圧電素板の表面に励振用電極を含め各種所定の電極を形成した圧電振動素子１６が配置され、導電性接合材を介して導通固着されている。

更に、凹部１２内側面全周に形成した第２の段差部１４の段差平面上には、その段差全周平面にわたり外形形状がリング状の金属接合層２０が形成されており、この金属接合層２０の上に凹部１２の開口部を覆う形態の金属製の蓋体２１を、第２の段差部１４上に嵌め込む形態で配置し、金属接合層２０と蓋体２１の接触部分を加熱溶融させることにより密着させ、集積回路素子１８及び圧電振動素子１６を内部に搭載した凹部１２の空間を気密に封止する。

このような構成の容器体１１の外部基板実装側主面と反対側の主面（以下、一方の主面という）上には、Ｐ型及びＮ型半導体により形成され、平板状であり、且つ容器体１１の一方の主面の大きさより小さい主面形状のペルチェ素子１５が、ペルチェ素子１５の吸熱側主面を容器体１１の一方の主面に熱伝導性接着材２３を介して密着固定されている。ペルチェ素子１５の吸熱側主面の大きさを容器体１１の一方の主面より小さくすることにより、ペルチェ素子１５吸熱側主面全面を使用することができ、容器体１１からペルチェ素子１５への熱伝導を効率良くすることができる。

又、容器体１１の一方の主面上に固着されたペルチェ素子１５の電源端子は、容器体１１の一方の主面上に形成された電極パッド（不図示）を介して、容器体１１の凹部１２内に搭載された集積回路素子１８内のペルチェ素子制御回路と電気的に接続している。このペルチェ素子制御回路は、同じ集積回路素子１８内の感温素子により測定した凹部１２内温度によってペルチェ素子１５に供給する電流を制御し、ペルチェ素子１５の吸熱量を制御し、凹部１２内温度を所定の温度（＋数℃〜＋２５℃）で一定に保持する。

更に、ペルチェ素子１５の吸熱側主面とは反対の放熱側主面上には、ペルチェ素子１５の放熱側主面から放熱される熱を更に効率よく放熱させるためのヒートシンク２４が、熱伝導性接着剤により搭載されている。又、このヒートシンク２４を設けたことにより、放熱する熱を容器体１１より離れた位置で拡散放熱することができ、放熱した熱が再度圧電発振器本体に影響を及ぼすことを防止することが可能となる。

本実施例１に開示したような構造の圧電発振器とすることにより、外部からの加熱や内部からの発熱により生じた容器体１１の熱をペルチェ素子１５により強制的に吸熱することによって、温度変化に因らず所定の一定温度に常に保持され且つ気密封止された凹部１２内に、集積回路素子１８及び圧電振動素子１６を単純な構造に配置できるため、安価且つ発振周波数変動が著しく低い高安定な圧電発振器とすることができる。

図２には、本発明における圧電発振器の他の形態の概略断面図を示す。即ち、材質がセラミックスで形成されており、矩形状の主面外形を有し、外部基板実装側主面（以下、他方の主面という）に開口部を形成する凹部３２を内部に形成した容器体３１が形成されている。この容器体３１の凹部３２を囲繞する側壁部の凹部３２開口側頂面全周には、後述する基板３３と密着するための金属製接合層３４が形成されている。

この凹部３２内には圧電発振器３０を構成する各種電子部品が搭載されている。凹部３２内の底面上には、後述する基板３３の容器体３１側主面に配置された集積回路素子１８の所定の端子と電気的に接続した、圧電振動素子接続用電極パッド３５が１対形成されており、この圧電振動素子接続用電極パッド３５上には、圧電素板の表面に励振用電極を含め各種所定の電極を形成した圧電振動素子１６が配置され、導電性接合材を介して導通固着されている。

又、容器体３１の凹部３２を囲繞する側壁部の凹部３２開口側頂面全周に形成された接合層３４上には、凹部３２の開口部を全面覆う形態の基板３３が配置されており、この基板３３と接合層３４とを密着させることにより、凹部３２内空間を気密に封止している。又、この基板３３の外部基板実装側主面（容器体３１側主面と反対の主面）の４つの角部には、外部のマザーボード等の実装基板へ圧電発振器３０を導通固着させるための外部接続用電極端子３６が形成されている。

この基板３３の容器体３１側主面の凹部１２空間に露出した部分には、外部接続用電極端子３６や後述するペルチェ素子３８や圧電振動素子１６と電気的に接続した集積回路素子接続用電極パッド３７が形成されており、この集積回路素子接続用電極パッド３７上には集積回路素子１８が配置され、且つ導電性接着材，ハンダ或いはバンプ等の導電性接合材を介して導通固着されている。尚、この集積回路素子１８内には、発振回路、感温素子、感温素子からの温度データによって機能する温度補償回路及びペルチェ素子制御回路などが内蔵されている。

このような構成の容器体３１の外部基板実装側主面と反対側の主面（以下、一方の主面という）上には、Ｐ型及びＮ型半導体により形成され、平板状であり、且つ容器体３１の一方の主面の大きさより小さい主面形状のペルチェ素子３８が、ペルチェ素子３８の吸熱側主面を容器体３１の一方の主面に熱伝導性接着材３９を介して密着固定されている。ペルチェ素子３８の吸熱側主面の大きさを容器体３１の一方の主面より小さくすることにより、ペルチェ素子３８吸熱側主面全面を使用することができ、容器体３１からペルチェ素子３８への熱伝導を効率良くすることができる。

又、容器体３１の一方の主面上に固着されたペルチェ素子３８の電源端子は、容器体３１の一方の主面上に形成された電極パッド（不図示）を介して、基板３３上で且つ凹部３２内に搭載された集積回路素子１８内のペルチェ素子制御回路と電気的に接続している。このペルチェ素子制御回路は、同じ集積回路素子１８内の感温素子により測定した凹部３２内温度によってペルチェ素子３８に供給する電流を制御し、ペルチェ素子３８の吸熱量を制御し、凹部３２内温度を所定の温度（＋数℃〜＋２５℃）で一定に保持する。

更に、ペルチェ素子３８の吸熱側主面とは反対の放熱側主面上には、ペルチェ素子３８の放熱側主面から放熱される熱を更に効率よく放熱させるためのヒートシンク４０が、熱伝導性接着剤により搭載されている。又、このヒートシンク４０を設けたことにより、放熱する熱を容器体３１より離れた位置で拡散放熱することができ、放熱した熱が再度圧電発振器本体に影響を及ぼすことを防止することが可能となる。

本実施例２に開示したような構造の圧電発振器とすることにより、外部からの加熱や内部からの発熱により生じた容器体３１の熱をペルチェ素子３８により強制的に吸熱することによって、温度変化に因らず所定の一定温度に常に保持され且つ気密封止された凹部３２内に、集積回路素子１８及び圧電振動素子１６を単純な構造に配置できるため、安価且つ発振周波数変動が著しく低い高安定な圧電発振器とすることができる。

尚、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上記各実施例では容器体の材質としてセラミックスを用いたものを例示したが、所望する凹部内温度にするための熱量をペルチェ素子から供給でき、且つ強度を損ねることなく凹部内温度を長期間一定に保持できるのであれば、樹脂やガラスなどの他の材質の容器体でも構わない。

又、上記各実施例では集積回路素子内に感温素子を内蔵した形態を示し説明を行ったが、本発明は上記実施例に開示の形態に限定するものではなく、集積回路素子とは別個に容器体の凹部空間内に感温素子を搭載し、その感温素子と集積回路素子内に形成された温度補償回路及びペルチェ素子制御回路などと電気的に接続した形態でも構わない

図１は、本発明における圧電発振器の一形態を示した概略断面図である。 図２は、本発明における圧電発振器の他の形態を示した概略断面図である。 図３は、従来の恒温槽付きの高安定圧電発振器を示した概略断面図である。

符号の説明

１０，３０・・・圧電発振器
１１，３１・・・容器体
１２，３２・・・凹部
１５，３８・・・ペルチェ素子
１６・・・圧電振動素子
１８・・・集積回路素子（感温素子内蔵）
２１・・・蓋体
２３，３９・・・熱伝導性接着剤
２４，４０・・・ヒートシンク

Claims (2)

1. 矩形状の主面外形を有し、外部基板実装側主面に開口部を形成する凹部を内部に形成した容器体の該凹部内には、少なくとも発振回路を内蔵した集積回路素子と、該集積回路素子の所定の端子と電気的に接続した圧電振動素子が搭載されており、且つ該凹部内を気密に封止して成る圧電発振器において、
   該圧電振動素子、該集積回路素子、及び集積回路素子内の電子回路網と電気的に接続した感温素子を直接的に囲繞し内蔵する該凹部を有する該容器体の該外部基板実装側主面と反対側の主面上に、平板状のペルチェ素子を、該ペルチェ素子の吸熱側主面を該容器体の該外部基板実装側主面と反対側の主面に熱伝導性接着材を介して直接に密着させ固定し、更に該ペルチェ素子の電源端子が該容器体内に搭載された集積回路素子内のペルチェ素子制御回路と電気的に接続し、該感温素子からの該凹部内の温度情報信号に基づき該ペルチェ素子制御回路により該ペルチェ素子を制御することを特徴とする圧電発振器。
2. 該ペルチェ素子の放熱側主面上には、ヒートシンクが搭載されていることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。

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