JP2009200747A - 水晶振動子の恒温構造及びこれを用いた恒温型の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度制御を容易にし、ＥＭＩ対策を充分にした水晶振動子の恒温構造及び恒温型発振器を提供する。
【解決手段】金属ベースの外底面からリード線が導出して前記リード線と電気的に接続した水晶片を金属カバーによって密閉封入してなる水晶振動子１とともに、発熱用のチップ抵抗３ａと温度感応素子３ｂとパワートランジスタとを熱遮断用の切り込み領域１５が設けられた回路基板４に搭載し、前記水晶振動子１の動作温度を一定にする水晶振動子１の恒温構造において、前記チップ抵抗３ａと温度感応素子３ｂとは前記切り込み領域１５内として前記パワートランジスタは前記切り込み領域１５外とし、前記チップ抵抗３ａは前記切り込み領域１５内に配置された前記リード線を取り囲んで複数個が幅方向に並べられて環状に配置され、前記チップ抵抗３ａのうちの隣接するチップ抵抗３ａは長辺方向の両端側の電極同士が接続して直列接続した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子の恒温構造及びこれを用い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、水晶振動子の動作温度を一定にする恒温構造に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は、水晶振動子の動作温度を一定に維持することから周波数安定度が高く（周波数偏差が概ね0.05ppm以下）、例えば光通信用とした基地局等の通信設備に使用される。このようなものの一つに、発熱用のチップ抵抗を用いて、例えばヒータ線を券回した恒温槽を用いたものに比較して簡素化した本出願人によるものがある（特許文献１及び２）。

（従来技術の一例、特許文献１、２）
第７図乃至第９図は一従来例を説明する図で、第７図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図、第８図（ａ）は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は水晶片の平面図、第９図は温度制御回路図である。

恒温型発振器は水晶振動子１とともに発振回路を形成する発振用素子２と、水晶振動子１の動作温度を一定にする温度制御素子３とを回路基板４に配設する。回路基板４は金属ベース５のガラス６によって気密化されたリード線（気密端子）７に保持され、例えば抵抗溶接によって金属カバー８が接合される。リード線７は外底面から導出して電源、出力及びアース端子等とする。

水晶振動子１は、金属ベース９に対して水晶片１０を水平方向に保持し、前述同様に抵抗溶接によって金属カバー１１を被せて密閉封入される。金属ベース９は、例えば互いに直交する方向の一組及び他組の両端部に４本のリード線（気密端子）１２を有し、外底面から導出する。そして、外底面から導出した４本のリード線１２が回路基板４に挿通して図示しない半田によって接続する。

水晶片１０は両主面に励振電極１３ａを有して一組の両端部に引出電極１３ｂを延出し、これに対応した一組のリード線１２（ａｂ）に接続したサポータ１４に電気的に接続して保持される。また、水晶片１０の他組の両端部はこれに対応した他組のリード線１２（ｃｄ）に接続したサポータ１４に機械的にのみ接続する。これらの４点保持によって耐衝撃性を良好にする。

温度制御素子３は少なくとも発熱用のチップ抵抗３ａ、水晶振動子１の動作温度を検出する温度感応素子３ｂ、及びパワートランジスタ３ｃとを有し、温度変化に対する水晶振動子１の動作温度を一定にする。チップ抵抗３ａは水晶振動子１の下面側としてリード線１２を取り囲んで正方形の環状として、切り込み１５ａによる回路基板４の切り込み領域１５内に配置される。

この例では、チップ抵抗３ａと水晶振動子１の底面との間には伝熱板１６が設けられる。伝熱板１６は中央領域に貫通孔を有し、外周にはチップ抵抗３ａを収容する窪みを有する。温度感応素子３ａは例えば２個のサーミスタからなり、伝熱板１６の貫通孔内となる回路基板４上に配置される。パワートランジスタ３ｃは基本的に切り込み領域１５内とし、水晶振動子１に接近して形成される。なお、符号１７は熱伝導性の樹脂シート（伝熱シート）、同１８はリード線７の挿通孔である。

具体的には、オペアンプＯＰの一方の入力端には温度感応素子３ｂと抵抗Ｒａによる温度感応電圧を、他方の入力端には抵抗Ｒｂ、Ｒｃによる基準電圧を印加する。そして、基準電圧との差電圧をパワートランジスタ３ｃのベースに印加し、発熱用のチップ抵抗３ａへ電源（直流電圧）ＤＣから電力を供給する（第９図）。これにより、温度感応素子３ｂの温度に依存した抵抗値によってチップ抵抗３ａへの電力を制御し、水晶振動子１の動作温度を一定にする。

通常では、金属ベース５に金属カバー８を接合する前に、水晶振動子１の３次曲線となる周波数温度特性を個々に測定する。そして、水晶振動子１の動作温度とする高温側の極小値の温度が８０℃の場合には、例えば温度制御回路の抵抗Ｒａを調整して水晶振動子１の動作温度を８０℃に設定する。さらに、発振回路の図示しない調整コンデンサによって発振周波数ｆを公称周波数に一致させる。このことから、抵抗Ｒａ及び調整コンデンサ等の交換を要する調整素子２Ａは、例えば回路基板４の上面外周上に配設される。
特開２００５−３４１１９１号公報 ２００７−１１０６９８号公報 ２００６−３１１４９６号公報

（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、パワートランジスタ３ｃを水晶振動子１に接近して配置して、パワートランジスタ３ｃを熱源として利用する。この場合、パワートランジスタ３ｃは温度感応素子３ｂの周囲温度に応答した抵抗値に基づいて出力が制御される。したがって、パワートランジスタ３ｃの発熱量が周囲温度に応じて変化するので、水晶振動子１に供給される熱量の制御が困難になる。

また、発熱用のチップ抵抗３ａは長辺方向が水晶振動子１のリード線１２を取り囲んで正方形を周回する方向に沿って配置され、伝熱板１６及び伝熱シート１７を経て水晶振動子１の金属ベース９に伝熱される。したがって、水晶振動子１の金属ベース９（円形）と各チップ抵抗３ａの例えば角部と中央部の対向面積は異なるものの、伝熱板１６によって金属ベース９の外周に対する熱分布は均一化される。

しかし、水晶片１０の励振電極１３ａと電気的に接続したリード線１２（ａｂ）に対しては、チップ抵抗３ａから伝熱板１６を経て放熱される。したがって、水晶振動子１の動作温度となる励振電極１３ａに対する伝熱効果は低下する。また、チップ抵抗３ａの配置される個数は長辺の長さに依存し、例えば短辺方向に並べた場合に比較して個数が少なくなる。これにより、チップ抵抗３ａとした熱源の発熱量が充分に確保できなくなる。

さらに、チップ抵抗３ａは長辺方向に並べられて周回するので、これらを周回する電流から発生する磁界は回路基板４の表面から裏面（又は裏面から表面）への同一方向となる。したがって、例えば温度変化時には電流値も変化するので、電磁波の発生源となって所謂ＥＭＩ（電磁波障害）を引き起こす問題があった。この場合、例えば恒温型発振器の発振周波数に対して低周波雑音となり、位相雑音特性を悪化させる。

（発明の目的）
本発明は熱分布を均一にするとともにリード線に対する伝熱効果を高めて温度制御を容易にし、ＥＭＩ対策を充分にして位相雑音特性を良好にする水晶振動子の恒温構造及びこれを用いた恒温型発振器を提供することを目的とする。

（水晶振動子の恒温構造）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、金属ベースの外底面からリード線が導出して前記リード線と電気的に接続した水晶片を金属カバーによって密閉封入してなる水晶振動子とともに、発熱用のチップ抵抗と温度感応素子とパワートランジスタとを熱遮断用の切り込み領域が設けられた回路基板に搭載し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする水晶振動子の恒温構造において、前記チップ抵抗と温度感応素子とは前記切り込み領域内として前記パワートランジスタは前記切り込み領域外とし、前記チップ抵抗は前記切り込み領域内に配置された前記リード線を取り囲んで複数個が幅方向に並べられて環状に配置され、前記チップ抵抗のうちの隣接するチップ抵抗は長辺方向の両端側の電極同士が接続して直列接続した構成とする。

（恒温型発振器）
本発明の同請求項５では、請求項１の前記水晶振動子は発振回路及び温度制御回路とともに実装端子を有する容器内に収容されて恒温型の水晶発振器を構成する。

（水晶振動子の恒温構造）
このような請求項１の構成であれば、発熱用のチップ抵抗と温度感応素子とは切り込み領域内としてパワートランジスタは切り込み領域外とする。したがって、パワートランジスタは熱源として利用せず、熱源はチップ抵抗のみとなる。これにより、温度変化時におけるパワートランジスタの発熱量の変動分を考慮せず、温度変化には依存しない発熱用のチップ抵抗の発熱量を制御すればよいので、水晶振動子の動作温度に対する温度制御を容易にする。

また、発熱用のチップ抵抗は金属ベースのリード線を取り囲んで環状に配置される。したがって、チップ抵抗からの熱がリード線に対して直接的に放射されるので、従来例のように伝熱板を用いた場合よりも伝熱効果が高まる。この場合、リード線は水晶片の励振電極に電気的（熱的）に接続するので影響は大きい。

そして、リード線を取り囲んで配置されるチップ抵抗は幅方向に並べられて環状に配置される。したがって、リード線を取り囲む領域（包囲領域）の形状に沿ってチップ抵抗を配置できる。この場合、チップ抵抗の幅が小さいほど、包囲領域の形状に沿って配置できる。そして、チップ抵抗の個数を多くして、熱源の発熱量を高められる。

さらに、チップ抵抗は幅方向に並べられて隣接するチップ抵抗は両端側の電極同士が接続した直列接続とする。したがって、隣接するチップ抵抗に流れる電流は逆向きとなるので、これによって発生する磁界も逆向きとなって相殺される。したがって、温度変化によって制御電流が変化しても電磁波の発生を抑制するので、ＥＭＩ対策を充分にする。そして、発振周波数の位相雑音特性を良好にする。

（恒温型発振器）
また、請求項５の構成であれば、水晶振動子の恒温構造によって温度制御を容易にしてＥＭＩ対策を充分として位相雑音特性を良好とした恒温型発振器を得られる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記金属ベースは前記回路基板に対面して配置され、前記チップ抵抗と前記温度感応素子とは前記金属ベースの外周下面内に配置される。これにより、温度感応素子の主面全面が金属ベースに対面するので、伝熱効果を高められる。

同請求項３では、請求項２において、前記金属ベースは円形状として、前記チップ抵抗は放射状に配置される。これにより、チップ抵抗は金属ベースの形状に倣って円形状に配置されるので、熱分布を均一にする。

同請求項４では、請求項１において、前記金属ベースはフランジを有する矩形状として前記リード線は前記金属カバーの主面に対して直交方向に折曲した先端部を有し、前記金属カバーの主面を前記回路基板に対面し、前記チップ抵抗は前記金属ベースのフランジ及び前記リード線の先端部を取り囲んで配置される。この場合においても、金属ベースのフランジ及びリード線に効率よく伝熱される。

（第１実施形態）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造示す断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図、同図（ｃ）は作用を説明する便宜的なチップ抵抗の一部拡大平面図である。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。

本実施形態における水晶振動子１の恒温構造は、水晶振動子１と温度制御素子３とを回路基板４に配置してなる。水晶振動子１は前述したように外底面からリード線１２の導出した金属ベース９上に水晶片１０を水平方向に保持してなる。リード線１２は気密端子として互いに直交する一組及び他組の両端部に計４本が設けられる（前第８図参照）。

そして、水晶片１０の引出電極１３ｂの延出した一組の両端部がこれに対応した一組のリード線１２（ａｂ）に設けたサポータ１４に電気的に接続して固着される。また、水晶片１０の他組の両端部はこれに対応した他組のリード線１２（ｃｄ）に設けたサポータ１４に機械的にのみ固着される。

温度制御素子３は発熱用のチップ抵抗３ａ、温度感応素子３ｂ及び第１、第２パワートランジスタ３ｃ1、３ｃ2を有し、さらに温度制御回路を形成するその他の回路素子からなる。そして、チップ抵抗３ａは回路基板４の円状に設けられた切り込み１５ａによる切り込み領域１５の内周に沿って放射状として配置される。すなわち、切り込み領域１５の内周に沿ってチップ抵抗３ａの幅方向に並べられる。

この場合、隣接するチップ抵抗３ａは長さ方向の両端側の電極１９（ａｂ）同士が配線路２０によって電気的に接続して直列接続とする。ここでは、チップ抵抗３ａは半周ずつがそれぞれ直列接続して、電源端子２０(DC)及び第１と第２のパワートランジスタ３ｃ1、３ｃ2にそれぞれ接続する（第２図の温度制御回路を参照）。

そして、チップ抵抗３ａ上には伝熱シート１７を介在させて水晶振動子１の金属ベース９が密着する。但し、チップ抵抗３ａは金属ベース９の下面内（底面内）とする。また、水晶振動子１の下面には図示しない熱伝導性の樹脂が塗布される。

温度感応素子３ｂは２個の直列接続として、水晶振動子１の金属ベース９の中央下面となる回路基板４の切り込み領域１５内に配置される。なお、温度感応素子３ｂは常温抵抗値を調整することから２個の直列とする。そして、温度感応素子３ｂの分割抵抗Ｒaと接続する一端は水晶振動子１における他組のリード線１２（ｃｄ）の一方又は両方と配線路によって接続する（前第２図参照）。

第１と第２のパワートランジスタ３ｃ1、３ｃ2及びこれら以外の温度制御素子３は、切り込み領域１５の外側として配置される。そして、これらの温度制御素子３は電源端子２０（DC）とアース端子２０(GND)との間に図示しない回路パターンによって電気的に接続する。

このような水晶振動子１の恒温構造であれば、発明の効果の欄でも記載したように、従来では熱源としたパワートランジスタ３ｃを切り込み領域１５外として、熱源をチップ抵抗３ａのみとする。したがって、温度変化時におけるパワートランジスタ３ｃの発熱量の変動分を考慮せず、チップ抵抗３ａによる温度変化には変動しない発熱量を制御すればよいので、水晶振動子１の温度制御を容易にする。さらに、ここでは、切り込み領域１５内にはチップ抵抗３ａと温度感応素子３ｂのみとするので、切り込み領域１５内に対する他の回路素子による熱分布への影響もなく、設計を容易にできる。

また、発熱用のチップ抵抗３ａは金属ベース９のリード線１２を取り囲んで環状として配置される。したがって、チップ抵抗３ａからの熱がリード線１２に対して直接的に放射されて水晶片１０の励振電極１３ａに伝熱する。また、チップ抵抗３ａは金属ベース９の下面内として全面的に伝熱される。したがって、チップ抵抗３ａに対する水晶振動子１の熱応答性を良好にする。

そして、リード線１２を取り囲むチップ抵抗３ａは幅方向として放射状に配置されるので、リード線１２を取り囲む領域の形状に沿ってここでは円形状にチップ抵抗３ａを配置できて熱分布を均一にする。この場合、チップ抵抗３ａの幅が小さいほど、包囲領域の形状に沿って配置できて熱分布をさらに均一にする。そして、チップ抵抗３ａの個数を多くして、発熱量を高められる。

また、チップ抵抗３ａは幅方向に並べられて隣接するチップ抵抗３ａは両端側の電極１９（ａｂ）同士が接続した直列接続とする。したがって、隣接するチップ抵抗３ａに流れる電流Ｉは逆向きとなるので、これによって発生する磁界も逆向きとなって相殺される（第１図（ｃ））。したがって、温度変化によって制御電流が変化しても電磁波の発生を抑制するので、ＥＭＩ対策を充分にする。そして、低周波雑音を小さくして発振周波数の位相雑音特性を良好にする。

さらに、この実施形態では温度感応素子３ｂは水晶片１０を機械的にのみ保持する他組のリード線１２ｃ（１２ｄ）に接続する。そして、他組のリード線１２（ｃｄ）はサポータ１４を経て水晶片１０と直接的に接続するので、これと電気的に接続した言わば熱的に結合した温度感応素子３ｂは水晶片１０の動作温度を直接的に検出できる。したがって、水晶振動子１の動作温度をリアルタイムに検出するので温度制御の応答性を向上する。

また、発熱用のチップ抵抗３ａは半周ずつを直列接続して第１と第２のパワートランジスタ３ｃ1、３ｃ2に接続する。したがって、全周のチップ抵抗３ａを直列接続した場合よりも、各半周にチップ抵抗３ａの抵抗値は小さくなる。したがって、各パワートランジスタ３ｃ1、３ｃ2電流も増加して発熱量も増加するので、温度変化に対する応答性を良好にする。

なお、水晶振動子１のリード線１２は互いに直交した両端部に設けた４本としたが、例えば１２０°間隔で配置した３本としてそのうちの２本は引出電極１３ｂに接続して、１本のみが機械的にのみ接続した３端子の場合でも適用できる。

（第１実施形態の適用）
そして、このような水晶振動子１の保持構造を適用して、第３図に示したように、例えば回路基板４の表面や裏面に発振用素子２を配置して、あるいは別個の回路基板４に発振用の回路素子を配置して２段構造とし、従来例と同様にリード線７を有する金属ベース５に保持して金属カバー８を接合すれば、高安定とした恒温型発振器を得られる。但し、金属ベース５に代えて、実装端子を有する絶縁ベースとして表面実装型とする場合でも適用できる。そして、切り込み領域１５内には温度依存性の高い回路素子を配置することもできる。

（第２実施形態）
第４図は本発明の第２実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造を示す断面図、同図（ｂ）は水晶振動子１を除く平面図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は簡略又は省略する。

第２実施形態では、水晶振動子１は金属ベースに水晶片１０を垂直方向として、図示しないサポータ１４によって引出電極１３ｂの延出した両端部が電気的に接続して、一対のリード線が導出した２端子構造とする。そして、リード線の先端部がカバーの主面に対して垂直方向に折曲した水晶振動子１を対象とした恒温構造の例である。

水晶振動子１は金属ベース９のフランジ９ａ及びリード線１２の折曲した先端部が図示しない切り込みに挿入されて、リード線１２が半田付けされる。回路基板４は金属ベース９のフランジ９ａ及びリード線１２の配置領域を周回する切り込み領域１５が形成される。そして、切り込み領域１５の内周に沿って発熱用のチップ抵抗３ａが環状に配置されて、リード線１２及びフランジ９ａの配置領域を周回する。

この場合でも、チップ抵抗３ａは基本的に幅方向に並べられ、隣接するチップ抵抗３ａは両端部の電極１９が接続して直列接続とする。但し、この例ではフランジ９ａの両側（図の上下）ではチップ抵抗３ａの長さ方向に並べられる。そして、温度感応素子３ｂが切り込み領域１５内で一対のリード線１２の間となる回路基板４上に配置される。

そして、回路基板４の切り込み領域１５外には、前述同様にパワートランジスタ３ｃを含むその他の温度制御素子３が配置される。これらは図示しない配線路によって電源端子２０（DC）とアース端子２０(GND)との間に電気的に接続する。

このような水晶振動子１の恒温構造であっても、第１実施形態と同様に、熱的に遮断する切り込み領域１５内には発熱用のチップ抵抗３ａと温度感応素子３ｂのみを配置して、温度変化によって発熱量も変化するパワートランジスタ３ｃを切り込み領域１５外に配置する。したがって、温度変化に依存しないチップ抵抗３ａのみを熱源とするので、水晶振動子１の温度制御を容易にできる。

そして、チップ抵抗３ａは両端部の電極１９（ａｂ）同士が接続して直列接続とするので、磁界が相殺されることから、ＥＭＩ対策を充分にして低周波雑音を抑制し、位相雑音特性を良好にする。また、チップ抵抗３ａは幅方向に並べられるので、個数も増えて熱分布を均一にする等の効果を奏する。

なお、第２実施形態では、例えば第５図に示したように、水晶振動子１の金属カバー１１に発熱用のチップ抵抗３ａを導電シート１７を介在させて密着させ、全体的に加熱することもできる。この場合、金属カバー１１を周回する切り込みを設けて水晶振動子１全体を取り囲む切り込み領域１５を形成することもできる。また、これらの場合でも、図示しない発振用素子２を配置すれば恒温型発振器を形成できることは勿論である。なお、第４図（ａ）では、例えば温度補償素子３の厚みを便宜的に小さく記載してある。

（他の事項）
上記実施形態ではチップ抵抗３ａは回路基板４の一主面のみに配置したが、例えば第１実施形態（第１図）に対応した第６図に示したように、発熱用のチップ抵抗３ａを回路基板４の他主面にもリード線１２を周回して環状（放射状）に配置したり、リード線１２の中央にも配置したりしてもよい。このようにすれば、励振電極１３ａや水晶片１０に直接に接続した４本のリード線１２をさらに加熱するので、応答性をさらに良好にできる。

本実施例の第１実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造示す断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図、同図（ｃ）は作用を説明する便宜的なチップ抵抗の一部拡大平面図である。 本実施例の第１実施形態で使用する温度制御回路の図である。 本実施例の一実施形態を適用した恒温型発振器の断面図である。 本発明の第２実施形態を説明する図で、同図（ａ）は水晶振動子の恒温構造を示す断面図、同図（ｂ）は水晶振動子１を除く平面図である。 本発明の他の例を説明する水晶振動子の恒温構造の断面図である。 本実施例のさらに他の例を説明する水晶振動子の保持構造の断面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は回路基板の平面図である。 従来例を説明する図で、同図第８図（ａ）は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は水晶片の平面図である。 従来例を説明する温度制御回路図である。

符号の説明

１ 水晶振動子、２ 発振用素子、３ 温度制御素子、４ 回路基板、５ 金属ベース、６ ガラス、７、１２ リード線、８、１１ 金属カバー、９ 金属ベース、１０ 水晶片、１３ 励振及び引出電極、１４ サポータ、１５ 切り込み領域、１６ 伝熱板、１７ 伝熱シート、１８ 挿通孔、１９ 電極 ２０ 端子。

Claims (5)

1. 金属ベースの外底面からリード線が導出して前記リード線と電気的に接続した水晶片を金属カバーによって密閉封入してなる水晶振動子とともに、発熱用のチップ抵抗と温度感応素子とパワートランジスタとを熱遮断用の切り込み領域が設けられた回路基板に搭載し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする水晶振動子の恒温構造において、前記チップ抵抗と温度感応素子とは前記切り込み領域内として前記パワートランジスタは前記切り込み領域外とし、前記チップ抵抗は前記切り込み領域内に配置された前記水晶振動子のリード線を取り囲んで複数個が幅方向に並べられて環状に配置され、前記チップ抵抗のうちの隣接するチップ抵抗は長辺方向の両端側の電極同士が接続して直列接続したことを特徴とする水晶振動子の恒温構造。
2. 請求項１において、前記金属ベースは前記回路基板に対面して配置され、前記チップ抵抗と前記温度感応素子とは前記金属ベースの外周下面内に配置された水晶振動子の恒温構造。
3. 請求項２において、前記金属ベースは円形状として、前記チップ抵抗は放射状に配置された水晶振動子の恒温構造。
4. 請求項１において、前記金属ベースはフランジを有する矩形状として前記リード線は前記金属カバーの主面に対して直交方向に折曲した先端部を有し、前記金属カバーの主面を前記回路基板に対面し、前記チップ抵抗は前記金属ベースのフランジ及び前記リード線の先端部を取り囲んで配置された水晶振動子の恒温構造。
5. 請求項１の前記水晶振動子は発振回路及び温度制御回路とともに実装端子を有する容器内に収容されてなる恒温型の水晶発振器。