JP2009200817A - 恒温型の水晶発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度変化に対する動作温度の追従性を高め、しかも小型化を促進した恒温型の水晶発振器を提供する。
【解決手段】2個の水晶端子8a及びダミー端子8b1、8b2を実装端子として底面に有する容器本体6に水晶片1Aを収容して金属カバ7ーを接合した表面実装用の水晶振動子1と、前記水晶振動子とともに発振回路を形成する発振用素子2と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御素子3とをセラミックからなる回路基板4に配設し、前記温度制御素子は少なくとも発熱用抵抗と、前記発熱用抵抗に電力を供給するパワートランジスタ3cと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応抵抗とを備えた恒温型の水晶発振器において、前記発熱用抵抗及び前記温度感応抵抗はいずれも膜抵抗とした発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bからなり、前記発熱用膜抵抗は前記水晶振動子の下面となる第2基板4bの上面に形成された構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は表面実装用の水晶振動子(以下、表面実装振動子とする)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、温度変化に対して応答性に優れた恒温型発振器に関する。
(発明の背景)
恒温型発振器は一般には恒温槽が用いられ、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。近年では、これらの通信設備でも小型化が浸透し、その一貫として表面実装振動子が適用されつつある。このようなものの一つに本出願人によるものがある(特許文献1)。
(従来技術の一例、特許文献1、2)
第10図(abc)は一従来例を説明する図で、第10図(a)は恒温型発振器の断面図、同図(b)は表面実装振動子の底面図、同図(c)は温度制御回路の図である。
恒温型発振器は表面実装振動子1及び発振回路を形成する発振用素子2と、表面実装振動子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に配設し、これらを金属容器5内に密閉封入してなる。表面実装振動子1はセラミックからなる凹状の容器本体6に水晶片1Aを固着し、金属カバー7を被せて密閉封入する。
容器本体5における外底面(裏面)の4角部には、実装端子としての水晶端子8a及びダミー端子8bを有する。水晶端子8a(2個)は一組の対角部に設けられ、図示しない水晶片の励振電極に接続する。ダミー端子8b(2個)は他組の対角部に設けられ、通常では、図示しないビアホール等によって金属カバー7に接続し例えばアース端子となる。
温度制御素子3は表面実装振動子1の動作温度を一定にし、少なくとも発熱用チップ抵抗3a(例えば2個)、表面実装振動子1Aの動作温度を検出する温度感応抵抗3b、及びパワートランジスタ3cとを有する。温度感応抵抗3bは例えば温度上昇とともに抵抗値が低下するサーミスタとする。また、パワートランジスタ3cは温度感応抵抗3bの温度に基づく抵抗値によって制御された電力を発熱用のチップ抵抗3aに供給する。
具体的には、例えば第10図(c)に示したように、オペアンプ12の一方の入力端には温度感応抵抗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、基準電圧との基準温度差電圧をパワートランジスタ3cのベースに印加し、発熱用チップ抵抗3aへ直流電圧DCから電力を供給する。これにより、温度感応抵抗3bの温度に依存した抵抗値によって発熱用チップ抵抗3aへの電力を制御し、表面実装振動子1の動作温度を一定にする。
回路基板4は第1基板4aと第2基板4bとからなり、第1基板4aは金属ピン9によって第2基板4bを保持する。第1基板4aはガラスエポキシとして、表面実装振動子1及び発熱用チップ抵抗3a、温度感応抵抗3b、パワートランジスタ3cを除く回路素子2xが下面に配設される。第2基板4bはセラミックとして、上面には表面実装振動子1が配設され、下面には温度制御素子3中のパワートランジスタ3cを除く発熱用チップ抵抗3a及び温度感応抵抗3bが配設される。
そして、第1基板4aと第2基板4bとの間には発熱用チップ抵抗3aと温度感応抵抗3bを覆うシリコン系の熱伝導性樹脂10が塗布される。なお、パワートランジスタ3cは背丈が高いため、第2基板4bの端部側に配設される。金属容器5は金属ベース5aとカバー5bとからなる。金属ベース5aの気密端子11は第1基板4aを保持し、カバー5は抵抗溶接によって気密封止する。
通常では、金属ベース5aに金属カバー5bを接合する前に、表面実装振動子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、表面実装振動子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を調整して表面実装振動子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、例えば第2基板4bの外周上に配設される。
このようなものでは、第2基板4bは熱伝導性を良好とするセラミックとして発熱用チップ抵抗3aを含む温度制御素子3を配設するので、伝熱効率を高める。また、第1基板4aを熱伝導性に劣るガラスエポキシとするので、放熱を抑制する。したがって、効率のよい恒温構造として小型化を図れる。
特開2005−341191号公報 特開2006−311496号公報 2001―127579号公報 2001−308640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、温度制御素子としての発熱用チップ抵抗3aや温度感応抵抗3bは、表面実装振動子1の配置される第2基板4bの上面とは反対面の下面に配置される。したがって、発熱用チップ抵抗3aからの熱は、第2基板4b及び表面実装振動子1の底面との間隙を経由して表面実装振動子1に伝熱されて水晶片1Aに到達する。
そして、温度感応抵抗3bは発熱用チップ抵抗3aの間として近接して並設される。したがって、温度感応抵抗3bは、発熱用チップ抵抗3aの発熱温度が表面実装振動子1よりも先に伝熱され、表面実装振動子1の温度よりも発熱用チップ抵抗3aによる発熱温度を検出する。このことから、表面実装振動子1は設定された基準の動作温度とは異なり、温度変化時には発熱用チップ抵抗3aの発熱温度に依存した動作温度となり、温度変化に対する追従性が低下する問題があった。
このことから、特許文献2に示されるように、表面実装振動子1のダミー端子8bを温度感応抵抗3bに接続する。ダミー端子は例えば温度感応抵抗と抵抗Raとの間に接続し、アース電位には接地せずに電位が浮いている電極となる。これにより、温度感応抵抗は水晶振動子の動作温度をリアルタイムに検出するので、温度変化に対する追従性を良好にする。
しかし、この場合でも、温度感応抵抗がリアルタイムに表面実装振動子の温度を検出しても、前述のように発熱用チップ抵抗からの熱は第2基板及び間隙を経由して表面実装振動子に伝熱される。したがって、表面実装振動子は制御回路の設定する温度に時間的に遅れて到達するので、温度変化に対する追従性が低下する問題があった。
さらに、第2基板の上面に表面実装振動子を下面に温度制御素子を配置した両面実装とするので、表面実装振動子の平面外形を維持した上で高さ寸法を小さくすることが困難な問題があった。
(発明の目的)
本発明は温度変化に対する動作温度の追従性を高め、しかも小型化を促進した恒温型発振器を提供することを目的とする。
(着目点及び発想)
本発明は特許文献1や2に示される膜抵抗に着目し、発熱用チップ抵抗及び温度感応抵抗を発熱用膜抵抗及び温度感応膜抵抗として構成することを発想した。
(解決手段)
本発明は、特許請求の範囲(請求項1)に示したように、実装端子としての2個の水晶端子及びダミー端子を底面に有する容器本体に水晶片を収容して金属カバーを接合した表面実装用の水晶振動子と、前記水晶振動子とともに発振回路を形成する発振用素子と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御素子とをセラミックからなる回路基板に配設し、前記温度制御素子は少なくとも発熱用抵抗と、前記発熱用抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応抵抗とを備えた恒温型の水晶発振器において、前記発熱用抵抗及び前記温度感応抵抗はいずれも膜抵抗とした発熱用膜抵抗及び温度感応膜抵抗からなり、前記発熱用膜抵抗は前記水晶振動子の下面となる前記回路基板に形成された構成とする。
このような構成であれば、表面実装振動子の下面となる回路基板上に発熱用膜抵抗を設けるので、表面実装振動子の底面に万遍なく直接的に伝熱する。したがって、平面的に見た温度分布を均一にして伝熱効果を高められる。そして、発熱用膜抵抗とするので、水晶振動子の下面となる回路基板に形成しても高さ寸法を大きくすることなく、従来例よりも高さ寸法を小さくできる。
これに対し、従来例では、発熱用チップ抵抗はディスクリート素子とするので、発熱用チップ抵抗の複数個を配置しても各発熱用チップ抵抗の間には空隙を生じる。したがって、平面的に見た温度分布にはバラツキを生じて伝熱効率を低下させる。そして、発熱用チップ抵抗を水晶振動子の下面に設ける場合には、水晶振動子とは反対面に設けるので、高さ寸法を大きくする。
(実施態様項)
本発明の請求項2では、請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記ダミー端子に接近して形成されるとともに前記ダミー端子と配線路によって接続する。これによれば、温度感応膜抵抗膜を水晶振動子のダミー端子に接続するので、水晶振動子の動作温度を直接的に検出する。したがって、表面実装振動子に対する伝熱及び動作温度の検出をいずれも直接的にするので、温度変化に対する追従性を高められる。
同請求項3では、請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記ダミー端子に接近して形成されるとともに前記ダミー端子と配線路によって接続し、前記ダミー端子は前記水晶振動子の金属カバーと電気的に接続する。これにより、温度感応膜は水晶振動子の内部温度に依存した金属カバーの温度を検出するので、水晶振動子の内部温度をさらに直接的に検出できる。
同請求項4では、請求項1において、前記発熱用膜抵抗は、前記セラミックからなる回路基板の表面又は回路基板内に埋設される。これにより、本発明の構成をさらに明確にする。
同請求項5では、請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記水晶振動子の下面となる前記回路基板に形成される。これにより、温度感応膜抵抗を水晶振動子の下面に設けても高さ寸法を小さくできる。
(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)は恒温型発振器の断面図、同図(b)は第2基板の平面図である。なお、前従来例と同一部分の説明は簡略又は省略する。
恒温型発振器は、前述したように、ガラスエポキシからなる第1基板4aとセラミックからなる第2基板4bとを2段構造として金属容器5に収容する。第1基板4aは金属ベース5aの気密端子11に保持され、第2基板4bは第1基板4aの金属ピン9によって保持される。第1基板4aは下面側に発振用素子2を主として搭載し、第2基板4bは上面側に表面実装振動子1及び温度制御素子3を搭載する。但し、第2基板4bは上面側に図示されない前述した調整素子が搭載され、これ以降の実施形態でも同様である。
そして、本発明では、温度制御子3における従来例での発熱用チップ抵抗3a及び温度感応抵抗3bは、いずれも膜抵抗からなる発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bとする。発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bはいずれも第2基板4bの上面に形成され、例えばセラミック生地に印刷されて焼成される。
発熱用膜抵抗13aは表面実装振動子1の底面下となる第2基板4bの上面に形成される。例えば表面実装振動子1の実装端子8(水晶端子8a、ダミー端子8b)が接続する回路端子8′(8a′、8b′)間を含む中央領域に形成され、十字状とする。発熱用膜抵抗13bの両端側(図の上下)は電源DCとパワートランジスタTrに接続した金属ピン9(ab)に接続する。
温度感応膜抵抗13aは表面実装振動子1の例えば搭載領域外として、他組の対角部とした一方のダミー端子8b1(回路端子8b1′)に接近して形成される。温度感応膜抵抗13aの一端側は電源DCに接続する金属ピン9cに接続し、他端側が一方のダミー端子8b1に接続する。
そして、第2図の結線図に示したように、一方のダミー端子8b1は表面実装振動子1の容器本体6内で結線されて他方のダミー端子8b2に接続する。また、ダミー端子8b1、8b2はいずれも金属カバー7にビアホール等によって接続する。これにより、ダミ端子8b1、8b2ともに電位が浮いている電極となる。
なお、一方の対角部の水晶端子8aは金属ピン9(ef)に接続し、図示しない発振用増幅器の入出力端に接続する。これにより、第2基板4bの金属ピン9(a〜f)は計6本となる。また、発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bは図示しない切り込みが設けられて各抵抗値が調整される。
このような構成であれば、発熱用膜抵抗13aは十字状として表面実装振動子1の底面に全面的に伝熱するので、表面実装振動子1は温度制御回路に基づいた動作温度にリアルタイムに応答する。なお、発熱用膜抵抗13aと表面実装振動子1の底面との間隙は概ね半田の厚み分となるが、半田厚みは概ね100μm程度なので、発熱用膜抵抗13aは表面実装振動子1の底面に近接してほぼ直接に伝熱する。但し、例えば接着剤を塗布して密着させることもできる。
この場合、従来例では、発熱用チップ抵抗3aの複数個を配置したとしてもディスクリート素子とするので、各発熱用チップ抵抗3aとの間には空隙を生じる。したがって、平面的に見た温度分布にはバラツキを生じて伝熱効率を低下する。これに対し、本実施形態では、発熱用膜抵抗13aとするので、温度分布を均一にして伝熱効果を高められる。
そして、温度感応膜抵抗13bは表面実装振動子1のダミー端子8bに接続し、さらに金属カバー7に熱的に結合する。したがって、表面実装振動子1の内部温度を金属カバー7及びダミー端子を8b経て直接的(リアルタイム)に検出できる。したがって、発熱用膜抵抗13aに対する表面実装振動子1の動作温度及び温度感応膜抵抗13bの検出温度はいずれもリアルタイムに応答するので、温度変化に対する追従性を高める。
これらにより、表面実装振動子1は例えば3字曲線となる周波数温度特性の極値温度(例えば80℃)の一定温度で動作するので、恒温型発振器の周波数安定度を高精度に維持できる。また、発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bとするので、恒温型発振器の高さ寸法を小さくできる。
なお、第1実施形態では、第1基板4aの下面側に発振用素子2を主とした回路素子を配置したが、これとは逆に、例えば第3図に示したように、第1基板の上面側に配置することもできる。この場合、熱伝導性の良好なセラミックとした第2基板4bに回路素子2xが対向するので、第2基板4bから回路素子2xに直接的に放熱される。そして、第2基板4bからの放熱は、ガラスエポキシとした第1基板4aによって遮断される。したがって、回路素子2xの保温効果も高まり、特に、温度依存性の高い回路素子2xの特性を一定に維持できる。
(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恒温型発振器の断面図である。なお、これ以降の実施形態では前実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。
第2実施形態では、発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bを上面に設けたセラミックからなる第2基板4bを、回路素子2xを下面に配置した第1基板4a上に積層する。第1基板4aの上面と第2基板4bの下面には、発振回路及び温度制御回路を形成する図示しない配線路がスルーホールや端面を経て形成され、第1基板4aと第2基板4bとの配線路が半田によって接合される。
この場合、第1基板4a上に直接的に積層するので、第1実施形態での金属ピン9を排除することから、恒温型発振器の高さ寸法を小さくできる。そして、熱伝導が良好なセラミックからなる第2基板4bを熱伝導に劣るガラスエポキシからなる第1基板4aに積層する。したがって、第2基板4bの下面からの放熱が遮断されて、発熱用膜抵抗13aからの表面実装振動子1に対する放熱(伝熱)効果が高まる。
(第3実施形態)
第5図は本発明の第3実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。第3実施形態では、第1基板4a及び第2基板4bに代えて、セラミックからなる単一の回路基板4とする。そして、回路基板4は金属ベース5aの気密端子11に保持される。この場合でも、回路基板4の上面には、表面実装振動子1と発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bを含む温度制御素子3が配置され、下面に発振用素子2を主として配置される。これにより、単一の回路基板4のみを金属容器5に収容するので、恒温型発振器の高さ寸法をさらに小さくできる。
(第4、第5及び第6実施形態)
第6図(abc)は本発明の第4、第5及び第6実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。
第4、第5及び第6実施形態では、いずれの場合も、金属ベース5aに代えて、ガラスエポキシからなる絶縁ベース14として表面実装用とする。絶縁ベース14は積層面にシールド用の金属膜15を有し、外底面には実装端子16を有する。そして、絶縁ベース14の内底面上には金属ピン9によって回路基板4が保持される。回路基板4は表面実装振動子1及び発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13b等の温度制御素子3を下面に有する。
そして、第4実施形態「第6図(a)」では、表面実装振動子1の下面を含む絶縁ベース14の内底面には発振用素子2を主とした回路素子が配置され、回路基板4の上面には調整用素子2Aが配置される。また、第5実施形態「第6図(b)」では、表面実装振動子1の下面を除く絶縁ベース14の外周領域に回路素子が配置され、回路基板4の上面には調整用素子2Aを含む回路素子2xが配置される。さらに、第6実施形態「第6図(c)」では、金属ピン9を排除して、絶縁ベース14に積層構造からなる凹所を設けて表面実装振動子1等を凹所内に配置する。
このような構成であれば、発熱用抵抗膜13a及び温度感応膜抵抗13bによって前実施形態と同様に温度変化に対する追従性を良好し、周波数安定度を高精度に維持する。そして、金属ベース5aに代えて絶縁ベース14として回路素子2xを配置するので、いずれの場合も高さ寸法を小さくできる。特に、第5及び第6実施形態では表面実装振動子1の下面には回路素子を配置しないので、さらに小さくできる。そして、第6実施形態では金属ピン9を使用しないので、部品点数を減らして簡素化できる。
(第7及び第8実施形態)
第7図(ab)は本発明の第7及び第8実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。第7及び第8実施形態では、いずれの場合でも、第1実施形態(第1図)での第1基板4aをガラスエポキシからセラミックとして、第1基板4aの上面側に発熱用膜抵抗13aを設ける。
そして、第7実施形態「第7図(a)」では、前第1実施形態と同様に、第2基板4bに発熱用膜抵抗13aを設ける。これにより、表面実装振動子1の底面からの伝熱のみならず、第1基板4aに設けた発熱用膜抵抗13aによって金属カバー7側からも伝熱するので、特に温度上昇時の追従性を良好にする。なお、金属カバー7はセラミックよりも伝熱性に優れるので、金属カバー7側からの伝熱効果が大きい。
また、第8実施形態では「第7図(b)」では、第2基板4bの発熱用膜抵抗13aに代えて温度感応膜抵抗13bを表面実装振動子1の下面となる第2基板4bの表面に形成する。これによれば、発熱用膜抵抗13aと温度感応膜抵抗13bとは表面実装振動子1の両主面側に配置される。
したがって、温度感応膜抵抗13bは、発熱用膜抵抗13aの発熱温度の影響を受けずに、表面実装振動子1の動作温度を独立的に検出できる。これにより、表面実装振動子1の動作温度と温度感応膜抵抗13bによる検出温度とが一致することから、設計及び調整を容易にできる。なお、第1基板4aに温度感応膜抵抗13bを設けて、第2基板4bに発熱用膜抵抗13aを設けても良い。
(他の事項)
上記実施形態例えば第1実施形態では発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bは第2基板4bの表面に設けたが、例えば第8図に示したように、第2基板4bを積層基板として基板内に埋設してもよい。これは、発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bを第1基板4aに形成する場合でも同様である。
また、発熱用膜抵抗13aは十字状として温度感応膜抵抗13bは表面実装振動子1の領域外となる第2基板4b上に形成したが、例えば第9図に示したように、発熱用膜抵抗13aは凸状として温度感応膜抵抗13bは表面実装振動子1の実装端子8の間として表面実装振動子1の下面に設けることもできる。この場合、発熱用膜抵抗13a及び温度感応膜抵抗13bのいずれをも表面実装振動子の下面とするので、第2基板4bの平面外形を小さくできる。
本発明の第1実施形態を説明する図で、同図(a)は恒温型発振器の断面図、同図(b)は第2基板の平面図である。 本発明の第1実施形態を説明する温度感応膜抵抗とダミー端子との結線図である。 本発明の第1実施形態の他の例を説明する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恒温型発振器の断面図である。 本発明の第3実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。 本発明の第4〜第6実施形態を説明する図で、同図(a)は第4実施形態を、同図(b)は第5実施形態を、同図(c)は第6実施形態を示す恒温型発振器の断面図である。 本発明の第7及び第8実施形態を説明する図で、同図(a)は第7実施形態を、同図(b)は第8実施形態を示す恒温型発振器の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。 本発明のまたさらに他の実施形態を説明する第2基板の平面図である。 一従来例を説明する図で、第10図(a)は恒温型発振器の断面図、同図(ab)は表面実装振動子の底面図、同図(c)は温度制御回路の図である。
符号の説明
1 表面実装振動子、2 回路素子、3 温度制御素子、4 回路基板、5 金属容器、6 容器本体、7 金属カバー、8 実装端子、9 金属ピン、10 熱伝導性樹脂、11 気密端子、12 オペアンプ、13a 発熱用膜抵抗、13b 温度感応膜抵抗。

Claims (5)

  1. 実装端子としての2個の水晶端子及びダミー端子を底面に有する容器本体に水晶片を収容して金属カバーを接合した表面実装用の水晶振動子と、前記水晶振動子とともに発振回路を形成する発振用素子と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御素子とをセラミックからなる回路基板に配設し、
    前記温度制御素子は少なくとも発熱用抵抗と、前記発熱用抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応抵抗とを備えた恒温型の水晶発振器において、
    前記発熱用抵抗及び前記温度感応抵抗はいずれも膜抵抗とした発熱用膜抵抗及び温度感応膜抵抗からなり、前記発熱用膜抵抗は前記水晶振動子の下面となる前記回路基板に形成されたことを特徴とする恒温型の水晶発振器。
  2. 請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記ダミー端子に接近して形成されるとともに前記ダミー端子と配線路によって接続した恒温型の水晶発振器。
  3. 請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記ダミー端子に接近して形成されるとともに前記ダミー端子と配線路によって接続し、前記ダミー端子は前記水晶振動子の金属カバーと電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
  4. 請求項1において、前記発熱用膜抵抗は、前記回路基板の表面又は回路基板内に埋設された恒温型の水晶発振器。
  5. 請求項1において、前記温度感応膜抵抗は前記水晶振動子の下面となる前記回路基板に形成された恒温型の水晶発振器。
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