JP2008306480A

JP2008306480A - 圧電発振器

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Publication number: JP2008306480A
Application number: JP2007151917A
Authority: JP
Inventors: Shunsuke Shigematsu; 俊輔重松
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP5205822B2

Abstract

【課題】低背化を妨げることなく、より安定した温度特性が得られるより信頼性の高い圧電発振器を提供する。
【解決手段】圧電振動子１と発振回路を構成する発振部と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部２と、当該圧電振動子の温度を検知するセンサ部３と、当該センサ部の検知温度に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御してなるトランジスタ４と、これらを搭載してなる基板とを有する圧電発振器であって、前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域を具備するとともに、前記ヒータ部と前記トランジスタが密接した状態で基板上に配置された加熱集合領域を形成し、前記恒温領域に対して加熱集合領域が近接あるいは密接した状態で配置されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、恒温槽付圧電発振器（以下、ＯＣＸＯ）の改善に関するものである。

特許文献１、２に示すように、圧電発振器の中には、外部の温度変化に影響することなく、圧電振動子を恒温槽内で温度制御することにより周波数の高安定化を行った恒温槽付圧電発振器（以下、ＯＣＸＯ）が従来から存在している。このようなＯＣＸＯでは周波数安定度として１×１０^-7〜１×１０^-10程度の圧電振動子で得られる最高水準の周波数安定度を得ることができるため、無線基地局や伝送ラインなどの基準周波数として利用されている。このようなＯＣＸＯの分野においてもさらなる高安定化や軽薄短小化が求められているのが現状である。
特開２００６−１４２０８号特開２００６−９４１９７号

ＯＣＸＯでは、特に温度による周波数ばらつきが影響する圧電振動子を所定の一定温度（例えば８０℃）に加熱し一定に保つ必要がある。このとき、ヒータ線や膜抵抗体などからなるヒータ部が前記圧電振動子を所定温度まで加熱すると、この加熱された温度を圧電振動子の近傍に配置されたサーミスタなどのセンサ部が温度を検知し、当該センサ部の温度検出情報に応じて制御回路によりスイッチング用のトランジスタが制御され、前記ヒータ部への電流を制御して前記ヒータ部の温度を所定温度に保つように構成されている。

しかしながら、加熱要素としては前記ヒータ部に限らずスイッチング用のトランジスタからも発熱するため、温度によってヒータ部とトランジスタの発熱配分が異なるといった問題があった。これらの問題につき、図５に示すような一般的なトランジスタを用いた温度制御回路に基づいてヒータ部とトランジスタとの発熱量を比較して説明する。ヒータ部を流れる電流とトランジスタのコレクタに流れ込む電流は常に等しく、これをヒータ電流とする。またトランジスタの発熱に寄与する電流は、トランジスタのHfeが十分に大きいものにすればコレクタ電流のみを考えればよい。ここで制御回路はセンサ部で検出する温度が一定となるようにトランジスタを制御するので、ヒータ電流は周囲温度によって直線的に変化する、特に低温側では大電流となる一方で、高温側では小電流となるように変化する。また、電源電圧が一定であると、トランジスタのコレクタ電圧はヒータ部による電圧降下分だけ電源電圧よりも低くなるので、ヒータ部の端子間電圧は低温側では大きく高温側では小さくなるとともに、トランジスタのコレクタ、エミッタ間電圧は逆に低温側では小さく、高温側では大きくなる。そして、発熱量は各素子の電力（電圧X電流）に比例し、ヒータ部とトランジスタを流れる電流は等しく前記ヒータ電流であるから、ヒータ部とトランジスタとの発熱量の配分比は前記電圧の比に等しくなる。つまり両者の発熱量の配分比は、低温側ではヒータ部からの発熱がより支配的となり、高温側ではトランジスタからの発熱がより支配的となるように作用する。以上のような理由により恒温槽内の温度勾配が周囲温度によって変化することがあった。結果としてＯＣＸＯの温度特性のさらなる高精度化を阻害するといった問題点があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低背化を妨げることなく、より安定した温度特性が得られるより信頼性の高い圧電発振器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は次の構成により実現をすることができる。

すなわち請求項１に示すように、圧電振動子と、当該圧電振動子を発振子として圧電発振回路を構成する発振部と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部と、当該圧電振動子の温度を検知するセンサ部と、当該センサ部の検知温度に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御してなるトランジスタと、これらを搭載してなる基板とを有する圧電発振器であって、前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域を具備するとともに、前記ヒータ部と前記トランジスタが密接した状態で基板上に配置された加熱集合領域を形成し、前記恒温領域に対して加熱集合領域が近接あるいは密接した状態で配置されてなることを特徴とする。

上記構成により、前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域に対して、ヒータ部にトランジスタが密接した状態で配置された加熱集合領域を近接した状態で配置しているので、恒温領域への加熱をヒータ部にトランジスタが密接した加熱集合領域のみの同一箇所から行うことができ、恒温領域内の温度勾配の変動を低減させることができる。つまり、低温側の発熱支配領域であるヒータ部と高温側の発熱支配領域であるトランジスタを１つの領域にまとめて温度に関係なく常に同一箇所（加熱集合領域）からの恒温領域に対して加熱を行うことで、恒温領域内の温度勾配を一定のものとし温度特性の調整が行いやすくなる。また、加熱集合領域ではヒータ部に加えてトランジスタを具備しているので、加熱効率も高まりより短時間での加熱が可能となる。加えて熱的な設計もより細かに対応できるのでより高安定な恒温制御が行える。

また、請求項２に示すように、圧電振動子と、当該圧電振動子を発振子として圧電発振回路を構成する発振部と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部と、当該圧電振動子の温度を検知するセンサ部と、当該センサ部の検知温度に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御してなるトランジスタと、これらを搭載してなる基板とを有する圧電発振器であって、前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域を具備するとともに、前記ヒータ部と前記トランジスタを近接あるいは密接した状態で基板上に配置してこれらを熱伝導性樹脂により被覆した加熱集合領域を形成し、前記恒温領域に対して加熱集合領域が近接あるいは密接した状態で配置されてなることを特徴とする。

上記構成により、前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域に対して、ヒータ部にトランジスタが近接あるいは密接した状態で基板上に配置してこれらを熱伝導性樹脂により被覆した加熱集合領域を近接した状態で配置しているので、恒温領域への加熱を熱伝導性樹脂が存在する加熱集合領域のみの同一箇所から行うことができ、恒温領域内の温度勾配の変動を低減させることができる。つまり、低温側の発熱支配領域であるヒータ部と高温側の発熱支配領域であるトランジスタを１つの領域にまとめて温度に関係なく常に同一箇所（加熱集合領域）からの恒温領域に対して加熱を行うことで、恒温領域内の温度勾配を一定のものとし温度特性の調整が行いやすくなる。加熱集合領域ではヒータ部に加えてトランジスタを具備しているので、加熱効率も高まりより短時間での加熱が可能となる。加えて熱的な設計もより細かに対応できるのでより高安定な恒温制御が行える。また、前記ヒータ部と前記トランジスタが密接した状態で熱伝導性樹脂により覆われた加熱集合領域を構成することがさらに好ましい。このような構成ではより集中された領域で熱伝導性樹脂の表面から加熱することができるので、周辺環境温度の変動によって加熱箇所がばらつくことがない。結果としてさらなる温度勾配の安定化に寄与することができる。

また、請求項３に示すように、上述の構成に加えて、前記ヒータ部が基板上に形成された膜抵抗体からなることを特徴とする。

上記構成により、上述の作用効果に加えて、前記ヒータ部が基板上に形成された膜抵抗体からなることで、圧電発振器の低背化を妨げることなく、膜抵抗体のヒータ部にトランジスタを容易に密接配置、あるいは近接配置することができる。

本発明により、小型化低背化に対応でき、より安定した温度特性が得られる信頼性の高い圧電発振器を提供することができる。

以下、本発明による好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。本発明による第１の実施の形態につき圧電発振器を例にとり図１乃至図２とともに説明する。図１は本発明の実施の形態を示す模式的な断面図であり、図２は本発明の実施の形態を示す回路ブロック図である。

圧電発振器は、圧電振動子１と、当該圧電振動子を発振子として圧電発振回路を構成する発振部（図示せず）と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部２と、当該ヒータ部の温度を検知するセンサ部３と、当該センサ部の出力に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御するトランジスタ４と、前記圧電振動子とセンサ部とを密接した状態で配置格納された恒温槽５（恒温領域）と、これらを搭載してなるセラミックやガラスエポキシなどからなる基板６（回路基板６１、および第２の回路基板６２）と、以上を覆った金属製のケース７とからなる。

圧電振動子１は、励振電極と引出電極が形成されたＡＴカットやＳＣカットなどの水晶振動板が支持部材を介して金属性の気密端子の内部側リード端子１１（一部のみ図示）に取り付けられており、金属製の蓋１２により気密封止されている。このように構成された圧電振動子１は、図２に示すように、集積回路素子やその他の電子部品などの回路部品１３よりなる発振回路１４に接続されて発振部を構成している。

ヒータ部２は厚膜印刷抵抗などの膜抵抗体からなり必要な配線パターン（図示せず）とともに前記第２の回路基板６２の上面に印刷形成されている。この膜抵抗体からなるヒータ部の上部には当該ヒータ部への電流を制御するトランジスタ４が密接した状態で配置されており、当該トランジスタ４のリード端子４１を介して前記第２の回路基板６２の配線パターン（図示せず）に電気的機械的に接続されている。トランジスタ４として本形態ではより加熱に適したパワートランジスタを用いた。このように構成された第２の回路基板６２が全体として加熱集合領域をなしており、第２の回路基板に設けられたリード端子６２１，６２１（一部のみ図示）を介して後述する回路基板６１の配線パターン（図示せず）に電気機械的に接続されている。

センサ部３はサーミスタなどからなり、前記圧電振動子１と当該センサ部３とがお互いに密接した状態で恒温槽５の内部に配置されている。恒温槽５は例えばアルミなどの伝熱性の優れた金属ケースからなり、恒温槽の内部に前記圧電振動子１の本体部分とセンサ部３がそれぞれ密接した状態で隙間なく格納されている。このように構成された恒温槽５は、圧電振動子１とセンサ部３とに各々設けられた圧電振動子用リード端子１１とセンサ部用リード端子３１（一部のみ図示）を介して後述する回路基板６１の配線パターン（図示せず）に電気機械的に接続されている。この時、加熱集合領域としての第２の回路基板６２に対して圧電振動子とセンサ部とがお互いに密接した状態で配置された恒温槽５が密接した状態で配置されている。本実施形態では、図１に示すように、前記トランジスタ４の上部にヒータ部２が印刷形成された第２の回路基板６２が密接して配置され、第２の回路基板６２の対向面（スイッチング素子とヒータ部が存在しない面）の上部に密接した状態で恒温槽５を配置している。

そして、回路基板６１の上部には、回路部品１３と前記第２の回路基板６２、前記恒温槽５の内部に収納された圧電振動子１とセンサ部３とが回路基板に形成された配線パターンに電気的機械的に接合されているとともに、各部品がお互いに必要な接続がなされて回路を構成している。

図２はこれらの回路ブロック図の一例を示している。すなわち、圧電振動子１と回路部品１３が圧電発振回路を構成する一方で、恒温槽５の内部に格納された圧電振動子１とセンサ部３に対して、ヒータ部２とトランジスタ４からなる加熱集合領域が密接して一定温度となるように加熱する。この時、圧電振動子１と同一環境にあるセンサ部３が恒温槽内部の温度を検知すると、温度制御回路ではセンサ部３からの+温度出力情報を受け取ってその情報に応じて処理演算して前記スイッチング素子としてのトランジスタ４に対してヒータ部２への電流を制御している。センサ部３の温度出力情報が所定温度（例えば８０℃）より低いと温度制御回路部が判断した場合、温度制御回路から前記トランジスタに対してヒータ部２への電流を増加してヒータ部２を主として加熱させることで所定温度に近づけるように制御する。センサ部の温度出力情報が所定温度（例えば８０℃）より高いと温度制御回路部が判断した場合、温度制御回路から前記パワートランジスタに対してヒータ部２への電流を減少させることでヒータ部２が加熱されないように制御する。このとき、トランジスタ４の抵抗が増加してトランジスタ４を主として加熱するが、ヒータ部２に比べて加熱量が少なく設定されているので、所定温度（例えば８０℃）の状態を維持することができる。このように、センサ部３の温度出力情報に応じてヒータ部の電流をトランジスタが可変することで、ヒータ部を主体としてより高温に加熱させるか、トランジスタの発熱で加熱することが制御されるので、恒温槽５の内部温度が所定温度（例えば８０℃）に一定に保たれる。以上のように構成された回路基板６１に対して金属のケース７を被せて圧電発振器の完成となる。

本発明の実施形態により、前記ヒータ部２が第２の回路基板６２上に形成された膜抵抗体からなることで、圧電発振器の低背化を妨げることがない。前記圧電振動子１とセンサ部３とがお互いに密接した状態で配置された恒温槽５に対して、膜抵抗体のヒータ部２にトランジスタ４が密接した状態で配置された加熱集合領域としての第２の回路基板６２を密接した状態で配置しているので、恒温槽５への加熱を第２の回路基板６２のみの同一箇所から行うことができ、恒温槽内の温度勾配の変動を低減させることができる。つまり、低温側の発熱支配領域であるヒータ部２と高温側の発熱支配領域である前記トランジスタ４を１つの領域にまとめて温度に関係なく常に同一箇所（第２の回路基板６２）からの恒温槽５に対して加熱を行うことで、恒温槽内の温度勾配を一定のものとし温度特性の調整が行いやすくなる。また、加熱集合領域ではヒータ部２に加えて加熱機能を具備するトランジスタ４を具備しているので、加熱効率も高まりより短時間での加熱が可能となる。加えて熱的な設計もより細かに対応できるのでより高安定な恒温制御が行える。小型化低背化に対応でき、より安定した温度特性が得られる信頼性の高い圧電発振器を提供することができる。加えて、センサ部３を圧電振動子１と同じ恒温槽５の内部に近接配置しているので、圧電振動子１の温度変化の状態がより忠実に感知される好ましい形態となっている。

なお、本発明では、上述の実施形態（図１）に開示する配置順序に限定されるものでなく、前記ヒータ部２と前記トランジスタ４とが密接しており、これらの加熱集合領域に対して圧電振動子１とセンサ部３が近接あるいは密接して配置された恒温槽５が近接あるいは密接配置されていればよい。例えば、図３（ａ）に示すように、前記第２の回路基板６２（加熱集合領域）が前記恒温槽５の上部に密接して配置されてもよく、図３（ｂ）に示すように、第２の回路基板６２と前記ヒータ部２とが密接し、第２の回路基板６２と前記トランジスタ４とが密接し、結果として前記ヒータ部２と前記トランジスタ４が第２の回路基板６２を介してその対向面に密接した状態で配置したものでもよい。さらに、図３（ｃ）に示すように第２の回路基板６２を介することなく回路基板６１のみで配置形成することでさらなる低背化と実現する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、センサ部３を圧電振動子１と同じ恒温槽５の内部に密接配置しているが、圧電振動子１のみを恒温槽５で覆って当該恒温槽５にセンサ部３を近接させて検知するより簡略化されて小型化向けの構成にも適用できる。圧電振動子１とセンサ部３のみでなく圧電振動子１と回路部品１３を含めた圧電発振回路の構成全体を恒温槽の内部に近接あるいは密接配置し温度制御するものにも適用してもよい。また、上記実施形態では外部ケース内部にある金属ケースにより囲まれた恒温槽５を用いたものを恒温領域として特定した例に説明しているが、前記加熱集合領域から金属ブロックなどを介して直接伝熱される領域を恒温領域として特定したものでもよく、あるいは前記加熱集合領域から空間を介して放熱される外部ケース７などの空間全体を恒温領域として特定したものであってもよい。また、トランジスタ４の構造として、単体トランジスタのみで回路構成してもよく、ダーリントン接続のトランジスタでも構成してもよい。加熱要素としてのヒータ部２のみでなくペルチェ素子などの冷却要素を加味した圧電発振器にも適用できる。加えて、圧電振動子１やセンサ部３・トランジスタ４としてリード端子を具備したものを例にしているが面実装型部品を用いてもよく、組み込まれた圧電発振器の最終形態としても面実装型のものにも適用できる。

また、本発明では、ヒータ部２として膜抵抗体を用いたものに限ることとなく、かつヒータ部とトランジスタを密接配置することなく加熱集合領域を得ることができる。例えば、図４（ａ）に示す実施例では、チップ抵抗体からなるヒータ部２とチップ型トランジスタ４とが近接した状態で回路基板６に配置されており、これらを熱伝導性樹脂Ｎにより被覆形成している。この構成では、前記チップ抵抗体のヒータ部あるいはチップ型トランジスタがお互いに密接していなくても、これらを一体的に被覆した熱伝導性樹脂Ｎが加熱され、当該熱伝導性樹脂Ｎの形成領域を１つの加熱集合領域として構成することができる。結果として、圧電振動子とセンサ部を含む恒温領域に対して当該熱伝導性樹脂Ｎによる形成領域を近接あるいは密接することで、同じ場所からの加熱が実現でき、恒温領域内の温度勾配の変動を低減させることができる。熱伝導性樹脂Ｎとしては、熱伝導性の高いシリコーン系樹脂やエポキシ系樹脂を用いることで容易に実現できる。

また、このような熱伝導性樹脂を用いた構成は、図４（ｂ）に示すように、回路基板６の上面に膜抵抗体のヒータ部２を形成し、当該ヒータ部２とトランジスタ４を密接配置した構成にも採用することができる。すなわち、膜抵抗体からなるヒータ部２とトランジスタ４とが密接配置されており、これらを熱伝導性樹脂Ｎにより被覆形成している。このような構成では、上記図４（ａ）の構成による効果に加えて、より集中された領域で熱伝導性樹脂Ｄの表面から加熱することができるので、周辺環境温度の変動によって加熱箇所がばらつくことがない。結果としてさらなる温度勾配の安定化に寄与することができるより好ましい構成となる。

さらに、図４（ｃ）に示す構成では、回路基板６の上面に膜抵抗体のヒータ部２を形成し、当該ヒータ部２とトランジスタ４を密接配置されており、これらを熱伝導性樹脂Ｎにより被覆形成した加熱集合領域を得る。この加熱集合領域である熱伝導性樹脂Ｎの上面に圧電振動子１を接合することで、圧電振動子（恒温領域）と加熱集合領域とが密接され、圧電振動子に密接したセンサ部３（恒温領域）と加熱集合領域とが近接配置される。回路基板の反対側の面には、集積回路素子やその他の電子部品などの発振回路を構成する回路部品１３を配置している。このような構成では圧電振動子１に対して熱伝導性樹脂Ｎからの加熱が直接伝わることで熱効率を向上させ、さらなる省スペース化を実現することができるので、製品の小型化と低消費電力化が期待できる。加えて発振回路を構成する回路部品１３に対しても同時に所定温度に加熱することができるので、さらなる安定した温度特性が得られるより信頼性の高い圧電発振器が得られる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明の実施形態を示す模式的な断面図である。本発明の実施形態を示す模式的な回路ブロック図である。本発明の他の実施形態を示す模式的な断面図である。本発明の他の実施形態を示す模式的な断面図である。トランジスタを用いた温度制御回路図である。

符号の説明

１圧電振動子
２ヒータ部
３センサ部
４トランジスタ
５恒温槽
６基板
７ケース
Ｎ熱伝導性樹脂

Claims

圧電振動子と、当該圧電振動子を発振子として圧電発振回路を構成する発振部と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部と、当該圧電振動子の温度を検知するセンサ部と、当該センサ部の検知温度に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御してなるトランジスタと、これらを搭載してなる基板とを有する圧電発振器であって、
前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域を具備するとともに、
前記ヒータ部と前記トランジスタが密接した状態で基板上に配置された加熱集合領域を形成し、
前記恒温領域に対して加熱集合領域が近接あるいは密接した状態で配置されてなることを特徴とする圧電発振器。
圧電振動子と、当該圧電振動子を発振子として圧電発振回路を構成する発振部と、前記圧電振動子を加熱するヒータ部と、当該圧電振動子の温度を検知するセンサ部と、当該センサ部の検知温度に応じて前記ヒータ部の温度を所定温度に保つためにヒータ部への電流を制御してなるトランジスタと、これらを搭載してなる基板とを有する圧電発振器であって、
前記圧電振動子とセンサ部とがお互いに近接あるいは密接した状態で配置された恒温領域を具備するとともに、
前記ヒータ部と前記トランジスタを近接あるいは密接した状態で基板上に配置してこれらを熱伝導性樹脂により被覆形成した加熱集合領域を形成し、
前記恒温領域に対して加熱集合領域が近接あるいは密接した状態で配置されてなることを特徴とする圧電発振器。
前記ヒータ部が基板上に形成された膜抵抗体からなることを特徴とする特許請求項１または特許請求項２記載の圧電発振器。