JP2010062713A - 恒温型の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】高さ寸法を小さくした上で、伝熱効率を良好とした恒温型発振器を提供する。
【解決手段】回路基板の一主面に水晶振動子１を配設するとともに前記回路基板の他主面に前記水晶振動子１の主面と対面して発熱体としてのチップ抵抗を配設し、前記チップ抵抗によって前記水晶振動子１を加熱して前記水晶振動子１の動作温度を一定にした恒温型の水晶発振器において、前記回路基板の一主面に前記水晶振動子１の主面と対向する加熱用金属膜１２を設け、前記水晶振動子１の主面と前記加熱用金属膜１２との間に熱伝導材８を介在させて熱結合し、前記加熱用金属膜１２は前記チップ抵抗の電極端子と複数の電極貫通孔１４によって熱結合した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は発熱体をチップ抵抗とし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、特に水晶振動子に対する伝熱性を高めた恒温型発振器に関する。

（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することから、特に周波数安定度の高い例えば0.1ｐｐｍ以上とした基地局用の通信機器に採用される。このようなものの一つに、例えば特許文献１に示されるように、発熱体としてチップ抵抗を使用して小型化を計ったものがある。

（従来技術の一例）
第４図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図で、同図（ｂ）は同発振出力回路の図、同図（ｃ）は温度補償回路の図である。

恒温型発振器は、水晶振動子１を含む発振出力回路２及び温度制御回路３を有し、水晶振動子１とともに各回路素子４を第１及び第２回路基板５（ａｂ）に配設する。そして、これらを発振器用容器６に収容してなる。水晶振動子１は例えばＡＴカットやＳＣカットとした水晶片１ａを有し、水晶片１ａは金属ベース１ｂの一対のリード線１ｃに電気的・機械的に接続して金属カバー１ｄによって密閉封入される。

そして、水晶振動子１はいずれのカットの場合でも、常温２５℃以上の高温側となる８０℃近傍を極値とし、温度よって振動周波数が変化する周波数温度特性を有する。例えばＡＴカットでは三次曲線（第 図の曲線イ）となり、ＳＣカットでは二次曲線（同図の曲線ロとする）となる。なお、図の縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆで、ｆは常温での周波数、Δｆは常温での周波数ｆに対する周波数差である。

発振出力回路２は、発振回路としての発振段２ａと緩衝増幅器等を有する緩衝段２ｂとからなる。発振段２ａは水晶振動子１とともに共振回路を形成する図示しない分圧コンデンサ、及び発振用トランジスタを有するコルピッツ型とする。ここでは、例えば発振ループ内に電圧可変容量素子４Cvを有する電圧制御型とする。図中のＶccは電源、Ｖoutは出力、Ｖcは制御電圧である。

温度制御回路３は、オペアンプ４OAの一方の入力端に温度感応素子（例えばサーミスタ）４thと抵抗４r1による温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４r2、４r3による基準電圧Ｖrを印加する。そして、基準電圧Ｖrと温度感応電圧Ｖtとの差電圧をパワートランジスタ４Trのベースに印加し、発熱素子としてのチップ抵抗（加熱抵抗とする）４ｈへ、電源Ｖccからの電力を供給する。加熱抵抗４ｈはこの例では２個（４h1、4h2）とする。これにより、温度感応素子４thの温度に依存した抵抗値によって加熱抵抗４ｈへの供給電流を制御し、パワートランジスタ４Trの熱量も加味して水晶振動子１の動作温度を一定にする。

第１及び第２回路基板５（ａｂ）はいずれもエポキシ材からなり、第１回路基板５ａの外周部が金属ピン７によって第２回路基板５ｂ上に支持され、板面を対向した多段（２段）構造とする。金属ピン７は第１及び第２回路基板５（ａｂ）の図示しない回路パターンを電気的に接続する。第１回路基板の上面となる中央領域には温度制御回路３の加熱抵抗４h1、４h2、パワートランジスタ４Tr、及び温度感応素子４thが配設（固着）される。

そして、水晶振動子１の主面（金属カバー１ｂの主面）がこれらの素子４（ｈ1、ｈ2、Ｔr、ｔｈ）上に、熱伝導性樹脂８を介在させて配設される。この場合、背丈の最も高いパワートランジスタ４Trが水晶振動子１（金属ベース１ｄ）の先端側主面に配置され、温度感応素子４thが加熱抵抗４h1、４h2の間となる。水晶振動子１は金属ベース１ｃから導出した一対のリード線１ｄが第１回路基板１ａを貫通して接続する。

そして、第１回路基板５ａの上面には例えば図示しないトリマコンデンサ等の調整用の回路素子４が配設されとともに、上下面には発振周波数に影響を及ぼす電圧可変容量素子４Cvを含む発振段２ａの回路素子４を配設する。第２回路基板５ｂは例えば積層面にシールド用の金属膜９を有する積層板とし、外底面に実装端子１０を有する。そして、第２回路基板５ｂの内底面上には緩衝段２ｂや温度補償回路３のその他の回路素子４が配設される。発振器用容器６はベースを兼用する第２回路基板５ｂ上に金属カバー１１を接合してなる。
特開２００５−３４１１９１号公報 特開２００８−２８６２０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、加熱抵抗４ｈのみならずパワートランジスタ４Trをも熱源とするので、電源のエネルギー効率を高めるものの、高さが加熱抵抗４h1、４h2よりも大きいので、両者間に段差を生じる。したがって、水晶振動子１と加熱抵抗４h1、４h2との間に介在する熱伝導性樹脂８の厚みも大きくなって、熱伝導性樹脂８による熱損失を生じて伝熱効率に欠ける問題もあった。

また、水晶振動子１は金属ベース１ｂから導出したリード線１ｃが折曲して第１回路基板１ａに接続する。そして、パワートランジスタ４Trを含めて加熱抵抗４ｈ上に水晶振動子１の主面が対向して配設（積層）されるので、高さ寸法が基本的に大きくなる問題があった。

このことから、例えば特許文献１に示されるように、回路基板１４をセラミックとして、表面実装用とした水晶振動子２を一主面に、これに対向した加熱抵抗１５（ａｂ）を他主面に配設する。これにより、水晶振動子２と加熱抵抗１５（ａｂ）を積層せずに、回路基板１４の両主面に配設するので、高さ寸法を小さくする。そして、セラミック（第１回路基板５ａ）の熱伝導性を利用して加熱抵抗４ｈの熱を水晶振動子２の主面（底面）に伝熱するので、水晶振動子２を加熱できる。

しかし、この場合には、セラミックを熱伝導材として適用するものの、セラミックは金属に比較すれば熱伝導率が概ね１／１０以下なので、伝熱効率に欠ける問題があった。そして、パワートランジスタは直接的な熱源としないので、エネルギー効率を低下させる問題もあった。

（発明の目的）
本発明は高さ寸法を小さくした上で、伝熱効率を良好とした恒温型発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、回路基板の一主面に水晶振動子を配設するとともに前記回路基板の他主面に前記水晶振動子の主面と対面して発熱体としてのチップ抵抗を配設し、前記チップ抵抗によって前記水晶振動子を加熱して前記水晶振動子の動作温度を一定にした恒温型の水晶発振器において、前記回路基板の一主面に前記水晶振動子の主面と対向する加熱用金属膜を設け、前記水晶振動子の主面と前記加熱用金属膜との間に熱伝導材を介在させて熱結合し、前記加熱用金属膜は前記チップ抵抗の電極端子と複数の電極貫通孔によって熱結合した構成とする。

このような構成であれば、水晶振動子と加熱抵抗とは回路基板の互いに反対面に配置されるので、高さ寸法を小さく維持する。そして、回路基板の一主面の金属膜には電極貫通孔によって他主面に配設された加熱抵抗の熱が直接的に伝熱される。そして、金属膜に対向した水晶振動子の主面には熱伝導材を経て金属膜から伝熱される。したがって、セラミックよりも１０倍以上となる熱伝導率を有する金属を熱伝導材として適用するので、加熱抵抗から金属膜を経ての水晶振動子に対する伝熱効率を高められる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記回路基板の他主面には前記チップ抵抗に対する電力供給用のパワートランジスタが配置され、前記パワートランジスタのコレクタは幅広とした導通金属膜によって前記加熱用金属膜と接続する。これにより、パワートランジスタの熱も加味した熱源となるので、従来同様に熱エネルギーを有効に活用できる。

同請求項３では、請求項１において、前記チップ抵抗は長辺に沿った両側に端子電極を有して、前記回路基板の他主面に設けた回路端子に接続し、前記回路端子は前記金属膜と前記電極貫通孔によって直接に接続する。これにより、チップ抵抗からの熱が長辺の電極によって伝熱されるので、短辺に電極を設けた場合よりも効率的になる。

第１図は本実施例の一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１回路基板の平面図（上面図）、同図（ｃ）は加熱抵抗の平面図である。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。

恒温型発振器は、前述したように、水晶振動子１、発振出力回路２及び温度補償回路３を有する回路構成とする「前第 図（ｂ）参照」。水晶振動子１及び各回路素子４はいずれもエポキシ材とした第１及び第２回路基板５（ａｂ）に配設される。第２回路基板５ｂは実装端子１０を有して発振器用容器６のベースを兼用し、金属カバー１１が接合される。

水晶振動子１は、前述とは逆に第１回路基板５ａの下面として配設され、上面には前述のように２個の加熱抵抗４h1、４h2、パワートランジスタ４Tr、及び温度感応素子４thが配設される。但し、上面にはトリマコンサ等の調整素子も配設される。そして、第１回路基板５ａの上下面には発振周波数に影響を及ぼす特に発振段２ａの回路素子４が配設される。また、第２回路基板５ｂには発振周波数への影響が少ない緩衝段２ｂや温度補償回路３の回路素子４が配設される。

第１回路基板５ａの下面には金属膜１２が中央領域に形成され、水晶振動子１（金属カバー１ｄ）の主面が対向して配設される。水晶振動子１は金属ベース１ｃの突出した外周部が第１回路基板５ａに設けた切欠部（付番なし）に挿入され、水晶振動子１の主面と金属膜１２との間にはシート状とした熱伝導性樹脂８が介在して密着する。そして、金属膜１２は水晶振動子１の先端側（金属カバー１ｄの先端側）よりも突出して除々に狭まる突出部１２ａを有する。

加熱抵抗４h1、４h2は一方向に長い矩形状とし、いずれもが長辺方向に沿った両側に端子電極１５（ａｂ）を有する。そして、第１回路基板５ａの上面に形成された各回路端子１３（ａｂ）、１３（ｃｄ）に図示しない半田によって接続する。各回路端子１３（ａｂ）、１３（ｃｄ）は電極貫通孔１４（ａｂ）、１４（ｃｄ）によって、第１回路基板５ａの下面に導出する。そして、各回路端子１４（ａｂ）、１４（ｃｄ）のそれぞれ内側となる回路端子１４（ｂｃ）は下面に設けた金属膜１２に接続する。これに対し、それぞれ外側となる回路端子１４（ａｄ）は金属膜１２とは独立して接続しない。

要するに、第２図の一部図に示したように、パワートランジスタ４Trのコレクタ側となる加熱抵抗４h1、４h2の一方の端子は電極貫通孔１４（ｂｃ）によって金属膜１２に導通して共通接続する。すなわち、金属膜１２はパワートランジスタ４Trのコレクタと加熱抵抗４h1、４h2の一方の端子とを接続する導電路として機能するとともに、加熱抵抗４h1、４h2からの熱が直接的に伝熱される。これに対し、電源側（Ｖcc）となる加熱抵抗４h1、４h2の他方の端子は環状電極１２ｘと接続するものの、金属膜１２とは非導通として接続しない。但し、加熱抵抗４h1、４h2の他方の端子は上面の図示しない線路によって電源（Ｖcc）と電気的に接続する。

パワートランジスタ４Trは金属膜１２の突出部１２ａ、及びこれと対向した２個の金属膜１１２（ｂｃ）を、それぞれコレクタ（Ｃ）、エミッタ（Ｅ）、ベース（Ｂ）の接続する回路端子１３（ＣＥＢ）とする。そして、表面実装タイプとしたパワートランジスタ４Trの各端子電極が接続する。

このような構成であれば、加熱抵抗４h1、４h2による熱が、各一方の端子電極と接続した電極貫通孔１４（ｂｃ）によって、水晶振動子１の主面と全面的に対向した金属膜１２に直接的に伝熱される。そして、水晶振動子１の主面と金属膜１２とは熱伝導樹脂８によって密着することから、金属膜１２からの漏らさず伝熱される。この場合、水晶振動子１は金属ベース１ｃの突出部が第１回路基板５ａの切欠部に挿入されることから、熱伝導樹脂８の厚みは最小限にできる。したがって、熱伝導性樹脂８による熱損失を最小にして伝熱効果を高められる。

また、ここでは、加熱抵抗４h1、４h2の他方の端子は電極貫通孔１４（ａｄ）によって、第１回路基板５ａの下面に伝熱される。そして、この例では、特に、金属膜１２とは接続しないものの環状電極１２ｘに接続する。したがって、環状電極１２ｘからも、これと密着した熱伝導樹脂８を経て水晶振動子１の主面に伝熱されるので、さらに伝熱効果を高める。但し、環状電極１２ｘがなくとも伝熱効果は高まる。

そして、加熱抵抗４h1、４h2は長辺に沿った両側に端子電極１５（ａｂ）を有するので、短辺に沿った両側に設けた場合に比較し、加熱抵抗４h1、４h2から放熱が効率的になる。さらに、パワートランジスタ４Trのコレクタ（Ｃ）は、幅広した突出部１２ａに接続して金属膜１２に直接的に伝熱する。したがって、パワートランジスタ４Trのコレクタ抵抗による発熱をも利用するので、エネルギー効率を高める。

そして、パワートランジスタ４Tr、発熱抵抗４h1、４h2、及び温度感応素子４thは第１回路基板５ａの上面として水晶振動子１は下面とする。したがって、従来例のように、パワートランジスタ４Tr、発熱抵抗４h1、４h2、及び温度感応素子４thの上面に水晶振動子の主面を配置した場合に比較して、リード線１ｃを有する水晶振動子１を用いた場合でも高さ寸法を小さくできる。

（他の事項）
上記実施形態では電極貫通孔１４は加熱抵抗４h1、４h2の各端子電極１５（ａｂ）にそれぞれ１個ずつ設けたが、複数個として伝熱効率を高めることもできる。また、パワートランジスタ４Trに対して各チップ抵抗４h1、４h2を並列に設けたが、例えば第３図に示したように、各チップ抵抗４h1、４h2ごとにパワートランジスタ４Tr1、４Tr2を設けてもよい。これらはパワートランジスタ４Trの仕様等によって決定される。

また、加熱抵抗４ｈは２個としたが、必要に応じて任意に決定できる。そして、恒温型発振器は表面実装型としたが、図示しない金属ベースからリード線の導出したタイプであっても適用でき、特に、第１回路基板５ａの基板の構成を主としていれば本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の一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１回路基板の平面図（上面図）、同図（ｃ）は加熱抵抗の平面図である。 本発明の一実施形態での第１回路基板及び温度補償回路との結線を示す一部図である。 本発明の他の適用例を説明温度補償回路の一部図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図で、同図（ｂ）は同発振出力回路の図、同図（ｃ）は温度補償回路の図である。 従来例を説明する水晶振動子の周波数温度特性である。

符号の説明

１ 水晶振動子、２ 発振出力回路、３ 温度補償回路、４ 回路素子、４Cv 電圧可変容量素子、４th 温度感応素子、４Tr パワートランジスタ、４ｈ 加熱抵抗、５ 回路基板、６ 発振器用容器、７ 金属ピン、８ 熱伝導性樹脂、９ シールド用の金属膜、１０ 実装端子、１１ 金属カバー、１２ 金属膜、１３ 回路端子、１４ 電極貫通孔、１５ 端子電極。

Claims (3)

1. 回路基板の一主面に水晶振動子を配設するとともに前記回路基板の他主面に前記水晶振動子の主面と対面して発熱体としてのチップ抵抗を配設し、前記チップ抵抗によって前記水晶振動子を加熱して前記水晶振動子の動作温度を一定にした恒温型の水晶発振器において、前記回路基板の一主面に前記水晶振動子の主面と対向する加熱用金属膜を設け、前記水晶振動子の主面と前記加熱用金属膜との間に熱伝導材を介在させて熱結合し、前記加熱用金属膜は前記チップ抵抗の電極端子と複数の電極貫通孔によって熱結合したこと特徴とする恒温型の水晶発振器。
2. 請求項１において、前記回路基板の他主面には前記チップ抵抗に対する電力供給用のパワートランジスタが配置され、前記パワートランジスタのコレクタは幅広とした導通金属膜によって前記加熱用金属膜と接続した恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記チップ抵抗は長辺に沿った両側に電極を有し、前記長辺を対向して配置された２個からなり、前記チップ抵抗間には温度感応素子が配置された恒温型の水晶発振器。