JP2008035314A - 圧電振動子、高安定圧電発振器用ヒータユニット、及び高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】プリント基板上に横臥させた状態で圧電振動子本体をヒータに密着させると共に
、圧電振動子本体底部から基板面と平行に延びたリード端子を途中から基板面に向けて屈
曲、或いは湾曲させた構成を備えた表面実装型の高安定圧電発振器において、ヒータによ
って圧電振動子本体内の圧電振動素子に伝達された熱がリード端子を介して基板側へ逃げ
ることにより、圧電振動素子の周波数を高精度に制御することが難しくなり、その結果と
して発振器の出力周波数が変動しやすくなる、という問題を解決する。
【解決手段】金属ケース内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子本体２と、圧電振動
子本体の底部から突出した２本のリード端５子と、を備えた圧電振動子１であって、各リ
ード端子の先端部に対して、リード端子よりも熱伝導性の低い導電性接続部材６を夫々電
気的機械的に接続した。
【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使用される圧電振動子
の改良に関し、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、圧電振動子から延びてプリント
基板上に接続されるリード端子からの放熱に起因した発振周波数の変動を解消することが
できる圧電発振器、高安定圧電発振器用ヒータユニット、及び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。

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
ロックを介して圧電振動子内部の圧電振動素子を加熱する構成であったため、ヒータから
の熱が圧電振動素子に達して、所望周波数に達するまでに長い時間を要するという問題が
あった。

そこで、特開２００２−２２３１２２には、金属ブロックを用いないタイプの表面実装
型高安定圧電発振器が開示されている。図６は従来の表面実装型高安定圧電発振器を示し
たものであって、金属ケース１０２内に圧電振動素子を気密封止した圧電振動子本体１０
１と、圧電振動子本体内の一端部により圧電振動素子を支持すると共に外部へ突出した他
端部でプリント基板上の配線パターンと接続される２本のリード端子１０５と、を備えた
圧電振動子１００を、プリント基板１１０上に横臥した状態で搭載すると共に、この圧電
振動子本体１０１とプリント基板面との間にヒータとしてのパワートランジスタ１１１を
介在させることにより金属ケース１０２内部の圧電振動素子を加熱する構成を備えている
。圧電振動子本体から延びる二本のリード端子は基板面と平行に延びてから基板上の配線
パターンに向けて屈曲（湾曲）させた構成を備えている。プリント基板１１０上には発振
回路部品、温度制御回路部品等の回路部品１１２を搭載すると共に、圧電振動子１１０、
パワートランジスタ１１１、回路部品１１２等を含むプリント基板上の空間を金属製発振
ケース１１３により包囲した構成を備えている。

しかし、このようなタイプの高安定圧電発振器にあっては、パワートランジスタ１１１
から圧電振動子本体に伝わった熱が、コバール等の熱伝導性の高い金属材料からなるリー
ド端子１０５を介してプリント基板側へ逃げやすく、圧電振動素子の周波数を高精度に制
御することが難しくなり、その結果として発振器の出力周波数が変動しやすくなる、とい
う問題がある。
特開２００２−２２３１２２公報

以上のように従来の高安定圧電発振器にあっては、圧電振動子本体をプリント基板面と
平行に横臥させてヒータと接触させて加熱することにより本体内部の圧電振動素子を適正
温度に維持すると共に、圧電振動子本体から延びるリード端子を一旦基板面と平行に突出
させてから適所にて基板面側に屈曲、或いは湾曲させて基板面の配線パターンと半田接続
していた。一方、金属ケース内部で圧電振動素子を支持するリード端子は、金属ケースの
ベース部に設けた挿通孔内にハーメチックガラス部を介して気密貫通させる必要があるた
め、リード端子の材質としてコバール等の導通性及び熱伝導性の良好な材料を使用するの
が一般的である。

しかし、このタイプの高安定発振器にあっては、ヒータから圧電振動子本体に伝わった
熱が、コバール等の熱伝導性の高い金属材料からなるリード端子を介してプリント基板側
へ逃げやすく、圧電振動素子の周波数を高精度に制御することが難しくなり、その結果と
して発振器の出力周波数が変動しやすくなる、という問題がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、プリント基板上に横臥させた状態で圧電振
動子本体をヒータに密着させると共に、圧電振動子本体底部から基板面と平行に延びたリ
ード端子を途中から基板面に向けて屈曲、或いは湾曲させた構成を備えた表面実装型の高
安定圧電発振器において、ヒータによって圧電振動子本体内の圧電振動素子に伝達された
熱がリード端子を介して基板側へ逃げることにより、圧電振動素子の周波数を高精度に制
御することが難しくなり、その結果として発振器の出力周波数が変動しやすくなる、とい
う問題を解決することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明に係る圧電振動子は、金属ケース内に圧電振動素子を
気密封止し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であって、前記各リード端子の先端部に対して、該リード端子よ
りも熱伝導性の低い導電性接続部材を夫々電気的機械的に接続したことを特徴とする。
圧電振動子本体から突出した線状のリード端子をプリント基板上の配線パターンに接続
するタイプにあっては、圧電振動子本体内の圧電振動素子をヒータによって加熱しようと
しても、リード端子からプリント基板側へ熱が逃げ易い。リード端子は圧電振動素子と直
結している部材であるため、周波数が変動し易い。特に、周囲の温度が低いとき、放熱に
よる影響を受けやすい。本発明では、リード端子とプリント基板との間に熱伝導性の低い
部材（導電性接続部材）を介在させることにより、リード端子から逃げる熱量を低減する
ことができる。

また本発明は、前記導電性接続部材は、前記リード端子と同材質であり、且つ該リード
端子よりも小径の線材であることを特徴とする。
導電性接続部材は、例えばリード端子と同等の導電性を有した材料とすることができる
が、この場合には導電性接続部材の断面積をリード端子の断面積よりも小さくすることに
より熱伝導性を低下させる必要がある。

また本発明は、前記導電性接続部材は、前記リード端子とは異材質であることを特徴と
する。
導電性接続部材をリード端子の材質よりも熱伝導性の低い材質とすることにより、更に
効果的にリード端子からの放熱を防止することができる。導電性接続部材の熱伝導性がリ
ード端子よりも小さい結果として、導電性接続部材の電気抵抗値がリード端子材料よりも
高くなることも有り得るが、導電性接続部材の長さは数ｍｍ程度であるため、電気抵抗値
による導通性が悪化する虞はない。

また本発明は、前記導電性接続部材の断面積は、前記リード端子の断面積よりも小さい
ことを特徴とする。
導電性接続部材をリード端子の材質よりも熱伝導性の低い材質とするばかりでなく、そ
の断面的をリード端子よりも小さくする（小径化する）ことにより、更に効果的にリード
端子からの放熱を防止することができる。この場合、小径化した導電性接続部材の機械的
強度、即ち剛性を考慮してその径を設定すればよい。

また本発明は、前記各リード端子の先端部を所要長切断することにより短尺化したリー
ド端子の切断端部に対して、夫々前記各導電性接続部材を接続したことを特徴とする。
リード端子を予め短尺化しておき、その切断端部に導電性接続部材を接続してもよい。

また本発明は、前記各リード端子の中間部適所に前記各導電性接続部材を接続した後で
、該各リード端子の余剰先端部を切断した構成を備えていることを特徴とする。
予めリード端子を短尺化するのではなく、長尺のままのリード端子の中間部適所に導電
性接続部材を接続固定してから余剰先端部を切除してもよい。この構造によった方が導電
性接続部材の接続手順が簡易になる場合もある。

また本発明は、前記各リード端子に対して前記各導電性接続部材を固定手段により固定
したことを特徴とする。

また本発明は、前記固定手段は、半田、又は熱収縮性チューブであることを特徴とする
。

また本発明は、前記導電性接続部材の一端部をコイル状部とし、該コイル状部内に前記
リード端子の一端部を挿通した状態で、前記固定手段により固定したことを特徴とする。
導電性接続部材の一端部をコイル状部とすることにより、リード端子との位置合わせが
容易化する。

また本発明に係る高安定圧電発振器用ヒータユニットは、前記圧電振動子と、該圧電振
動子の各リード端子に対して接続された前記導電性接続部材の他端部を配線パターンと接
続した状態で支持するプリント基板と、該プリント基板上に搭載された回路部品と、前記
圧電振動子本体外面に密着配置されたヒータ抵抗と、を備えたことを特徴とする。

また本発明に係る高安定圧電発振器は、前記高安定圧電発振器用ヒータユニットを搭載
するマザープリント基板と、該高安定圧電発振器用ヒータユニットを含む前記マザーボー
ド上の空間を包囲する金属製発振器ケースと、備えたことを特徴とする。

以下、本発明を図面に示した形態例に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る圧電振動子としての水晶振動
子の構成を示す斜視図、正面縦断面図、及び側部縦断面図である。
この水晶振動子１は、金属ケース３内に水晶振動素子（圧電振動素子）１０を気密封止
した水晶振動子本体２と、金属ケース３の底部４から突出した２本のリード端子５と、を
備え、且つ各リード端子５の先端部に対して、リード端子よりも熱伝導性の低い導電性接
続部材６を夫々電気的機械的に接続した構成が特徴的である。
水晶振動素子１０は中央部に振動部を備えた水晶基板１１の表裏両面に励振電極１２を
形成すると共に各励振電極１２から水晶基板の対向する端縁に向けてリードパターン１３
を引き出した構成を備えている。

リード端子５は金属ケースの底部（ベース）４に設けた貫通穴内を貫通した金属ケース
内外へ延びており、貫通穴とリード端子との間はハーメチックガラス７によって絶縁され
、且つ気密的に封止されている。各リード端子５の内側端部は水晶振動素子１０の各リー
ドパターン１３と接続され、各リード端子５の外側端部には導電性接続部材６が半田等の
任意の固定手段８によって電気的機械的に固定されている。
水晶振動子１を製造する段階ではリード端子は通常の長さを有するが、導電性接続部材
６を接続する際にリード端子を所要長に切断して短尺化する。これは、水晶振動子１を製
造する当初にリード端子を短尺化しておくと、水晶振動子１の性能を検査する際に検査用
端子をリード端子に接続する上で不便となるからである。

導電性接続部材６は、リード端子５と同材質の線材を小径化することによって熱伝導率
を低下させたり、或いはリード端子構成材料よりも熱伝導率の低い金属材料を更に小径化
したものであり、後述するプリント基板上の配線パターン上に導電性接続部材６の他端部
を半田固定することにより、水晶振動子１はプリント基板上に接続される。
導電性接続部材６は、リード端子５を経由してプリント基板側へ逃げようとする熱量を
低減するための放熱防止手段であり、リード端子と同材質から構成する場合にはリード端
子よりも大幅に小径化することにより熱伝導性を低減させる必要がある。また、リード端
子材料よりも熱伝導性の低い材料を使用する場合にもできるだけ小径化を図って熱伝導率
の更なる低下を図るのがこのましい。但し、導電性接続部材の機械的支持強度の低下を防
ぐ必要から、リード端子と同等の径にすることは可能であるが、この場合にも導電性接続
部材全体からの伝導熱量が十分に小さくなるように使用する材質、径を配慮する必要があ
る。なお、一般に導電性が高い金属材料程、熱伝導性も良好となるため、導電性接続部材
６としてはリード端子５の材質よりも導電性が低い（電気抵抗値の高い）材料が選定され
る。なお、小径化した結果として機械的強度が低下しないようにその径、断面形状、及び
使用材料の剛性を十分に配慮する。導電性接続部材６の断面形状は円形である必要はない
が、製造手数を考慮すると円形となることが多い。
例えば、リード端子５をコバールで構成する一方、導電性接続部材６を銅ニッケル合金
で構成する。このように各材質を選定した場合、リード端子５の直径を例えば０．４〜０
．５ｍｍとし、導電性接続部材６の直径を０．１〜０．２ｍｍ程度とすることが可能とな
る。

各リード端子５に対して導電性接続部材６を接続する方法としては、例えば完成された
水晶振動子１から延びる各リード端子５の先端部を所要長切断することにより短尺化した
リード端子の切断端部に対して、夫々各導電性接続部材６を半田等の固定手段８を用いて
接続する方法や、各リード端子５の中間部適所に各導電性接続部材６を固定手段８を用い
て接続した後で、各リード端子の余剰先端部を切断する方法が考えられる。

図２（ａ）及び（ｂ）はリード端子に対する導電性接続部材の接続方法（接続構造）の
一例を示す説明図であり、この例では導電性接続部材６の一端部をコイル状に形成したコ
イル状部６ａとし、コイル状部６ａの内部にリード端子の一端部を挿通した状態で、両者
を半田２０（固定手段）により固定している。導電性接続部材６は水晶振動子本体２と並
行なプリント基板面に接続されるため、リード端子５から屈曲、或いは湾曲した状態で接
続される。リード端子５と導電性接続部材６とがなす角度は任意である。

この例では、直線状線材である導電性接続部材６の一端部に設けたコイル状部６ａをリ
ード端子５と接続してから導電性接続部材を屈曲させた例を示したが、導電性接続部材６
の本体に対してコイル状部６ａを予め屈曲した状態で形成してもよい。この場合には、コ
イル状部をリード端子に挿通して固定した後に屈曲させる工程を省略することができる。
また、導電性接続部材６の接続に際して予めリード端子を所要長に切断して短尺化して
おいてもよいが、長尺のリード端子の中間部適所にコイル状部６ａを挿通して半田等によ
って固定したからリード端子の余剰先端部を切断、除去するようにしてもよい。

また、導電性接続部材６をリード端子に対して予め固定するのではなく、導電性接続部
材の一端部をプリント基板側に固定しておき、この導電性接続部材の他端部に対して水晶
振動子のリード端子を接続するようにしてもよい。
また、必要に応じてリード端子、或いは導電性接続部材の適所に保温性を有した塗料を
塗布するようにしてもよい。

図３は固定手段として絶縁性の熱収縮チューブを使用した構成例であり、例えばコイル
状部６ａの外周に予め熱収縮チューブ２１を被覆しておいてから、コイル状部内にリード
端子を挿通して両者の導通を確保し、その後に熱収縮チューブ２１を加熱して収縮させて
各部と密着させることによって両者を機械的に固定すると共に、接続部の絶縁性、保温性
を確保することができる。

図４は本発明に係る水晶振動子を備えた高安定水晶発振器（高安定圧電発振器）の構成
例を示す図である。
この高安定水晶発振器３０は、水晶振動子１と、水晶振動子１の水晶振動子本体２（金
属ケース３）を片面に支持すると共にリード端子５を配線パターンに接続するプリント基
板３１と、プリント基板３１上に搭載されて水晶振動子本体２の片面と密着配置される発
振回路部品、温度補償回路部品等の回路部品３２と、ヒータ抵抗（パワートランジスタ等
）３３、ピン３６を介してプリント基板３１を支持すると共に底部に表面実装用の実装端
子３５ａを備えたマザープリント基板３５と、プリント基板３１及びプリント基板に搭載
された各構成要素を含む空間を包囲する金属製発振器ケース３７と、を備えている。

なお、水晶振動子１、プリント基板３１、ヒータ３３、回路部品３２は、水晶発振器用
ヒータユニット（圧電発振器用ヒータユニット）を構成している。
水晶振動子１は、リード端子５の端部からプリント基板３１面に向けて延びた導電性接
続部材６の端部をプリント基板面の配線パターンと半田接続されることによって搭載され
ている。

図５は本発明の水晶振動子を備えた水晶発振器と従来の水晶振動子を備えた水晶発振器
の夫々の周波数安定度を示す図である（−１０℃の温度条件下）。
即ち、符号Ａは本発明の導電性接続部材を備えた水晶振動子を図４の水晶発振器に搭載
した場合の周波数特性を示しており、Ｂは従来のリード端子を備えた水晶振動子を搭載し
た水晶発振器の周波数特性を示している。この表から明らかなように本発明の水晶振動子
を搭載した水晶発振器にあっては、リード端子を経由してプリント基板側へ放熱される熱
量が低減されるため、水晶振動素子の加熱温度を常に一定に維持することができ、周波数
を安定化させることが可能となる。

なお、上記実施形態では水晶振動子、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圧電デバイスにも適用することができる。

（ａ）（ｂ）及び（ｃ）は本発明の一実施形態に係る圧電振動子としての水晶振動子の構成を示す斜視図、正面縦断面図、及び側部縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）はリード端子に対する導電性接続部材の接続方法（接続構造）の一例を示す説明図である。 固定手段として絶縁性の熱収縮チューブを使用した構成例を示す図である。 本発明に係る水晶振動子を備えた高安定水晶発振器（高安定圧電発振器）の構成例を示す図である。 本発明の水晶振動子を備えた水晶発振器と従来の水晶振動子を備えた水晶発振器の夫々の周波数安定度を示す図である。 従来例の説明図である。

符号の説明

１…水晶振動子（圧電振動子）、２…水晶振動子本体（圧電振動子本体）、３…金属ケ
ース、４…底部、５…リード端子、６…導電性接続部材、６ａ…コイル状部、７…ハーメ
チックガラス、８…固定手段、１０…水晶振動素子（圧電振動素子）、１１…水晶基板（
圧電基板）、１２…励振電極、１３…リード端子、２０…半田、３０…高安定水晶発振器
（高安定圧電発振器）、３１…プリント基板、３２…回路部品、３３…ヒータ、３５…マ
ザープリント基板、３５ａ…実装端子、３６…ピン、３７…金属製発振器ケース。

Claims (11)

1. 金属ケース内に圧電振動素子を気密封止し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であって、
   前記各リード端子の先端部に対して、該リード端子よりも熱伝導性の低い導電性接続部
   材を夫々電気的機械的に接続したことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記導電性接続部材は、前記リード端子と同材質であり、且つ該リード端子よりも小径
   の線材であることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記導電性接続部材は、前記リード端子とは異材質であることを特徴とする請求項１に
   記載の圧電振動子。
4. 前記導電性接続部材の断面積は、前記リード端子の断面積よりも小さいことを特徴とす
   る請求項３に記載の圧電振動子。
5. 前記各リード端子の先端部を所要長切断することにより短尺化したリード端子の切断端
   部に対して、夫々前記各導電性接続部材を接続したことを特徴とする請求項１乃至４の何
   れか一項に記載の圧電振動子。
6. 前記各リード端子の中間部適所に前記各導電性接続部材を接続した後で、該各リード端
   子の余剰先端部を切断した構成を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一
   項に記載の圧電振動子。
7. 前記各リード端子に対して前記各導電性接続部材を固定手段により固定したことを特徴
   とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動子。
8. 前記固定手段は、半田、又は熱収縮性チューブであることを特徴とする請求項７に記載
   の圧電振動子。
9. 前記導電性接続部材の一端部をコイル状部とし、該コイル状部内に前記リード端子の一
   端部を挿通した状態で、前記固定手段により固定したことを特徴とする請求項１乃至８の
   何れか一項に記載の圧電振動子。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の圧電振動子と、該圧電振動子の各リード端子に対
    して一端部を接続された前記導電性接続部材の他端部を配線パターンと接続した状態で支
    持するプリント基板と、該プリント基板上に搭載された回路部品と、前記圧電振動子本体
    外面に密着配置されたヒータ抵抗と、を備えたことを特徴とする高安定圧電発振器用ヒー
    タユニット。
11. 請求項１０に記載の高安定圧電発振器用ヒータユニットを搭載するマザープリント基板
    と、該高安定圧電発振器用ヒータユニットを含む前記マザーボード上の空間を包囲する金
    属製発振器ケースと、備えたことを特徴とする高安定圧電発振器。

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