JP2010098348A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子の動作温度をリアルタイムに検出する恒温型発振器を提供する。
【解決手段】一対と他対のリード線が絶縁・貫通した金属ベースと、一対と他対のリード線に接続した一対と他対のサポータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、両主面の励振電極対１Ｂから外周部に引出電極１Ｃの延出した水晶片１とを有し、水晶片１の外周部は一対のサポータ１２ａ、１２ｂに電気的・機械的に接続し、他対のサポータ１２ｃ、１２ｄには水晶片１の素子が露出した外周部が機械的に接続した水晶振動子１を備え、水晶振動子１を含む発振出力回路２及び温度補償回路３を回路基板５に配設し、他対のサポータ１２ｃ、１２ｄと水晶片１の素地が露出した外周部とは金属性の接合材によって熱結合して接続し、他対のリード線には水晶片１の動作温度を検出する温度感応抵抗４thが電気的に接続した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は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リアルタイムに検出する恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は特に水晶振動子の動作温度を一定にすることから、例えば周波数安定度の要求される基地局用の通信機器に適用される。このようなものの一つに、抵抗溶接や令間圧接によって接合された、リード線を有する金属容器内に水晶片を密閉封入したリードタイプの水晶振動子を用いたものがある。

（従来技術の一例）
第６図乃至第８図は一従来例の恒温型発振器を説明する図である。但し、第６図（ａ）は恒温型発振器の図、同図（ｂ）は同回路図、第７図は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は簡易的な平面図、第８図は回路基板における一主面の平面図である。

恒温型発振器（第６図）は水晶振動子１を含む発振出力回路２及び温度補償回路３の各回路素子４を回路基板５の両主面に配設する。そして、発振器用ベース６のガラス７によって気密化されて、絶縁・貫通したリード線（所謂気密端子）８に回路基板５の外周部を電気的・機械的に接続し、発振器用カバー９を被せてなる。

水晶振動子１（第７図）は例えばＡＴカットやＳＣカットとした水晶片１Ａを、金属ベース１０ａとカバーとからなる金属容器１０に密閉封入してなる。水晶片１Ａは両主面に励振電極対１Ｂを有し、一端部両側に引出電極１Ｃ対１Ｃを延出する。金属ベース１０ａは互いに直交する直線上の両端部に、前述同様にガラス７によって絶縁・貫通した一対と他対のリード線１１（ａｂ）（ｃｄ）が表面上に突出する。各リード線１１の先端には舌辺１２ｘを有するＬ字状としたサポータ１２（ａｂ）（ｃｄ）の水平部が例えばスポット溶接によって接続する。金属ベース１０ａの底面には図示しないアース用のリード線が接続する。

そして、一対のサポータ１２（ａｂ）の水平部には引出電極１Ｃの延出した水晶片１Ａの両端部が導電性接着剤１３ａによって固着し、電気的・機械的に接続する。また、他対のサポータ１２（ｃｄ）の水平部には水晶片１Ａの素地を露出した両端部が接着剤１３によって固着し、機械的に接続する。そして、例えば抵抗溶接によって、金属ベース１０ａに金属カバー１０ｂが接合し、水晶片１Ａを密閉封入する。

これらの水晶振動子１（ＡＴやＳＣカット）では、いずれの場合でも、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。例えば第９図に示したように、ＡＴカットでは三次曲線（同図の曲線イ）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（第６図）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抵抗４th（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（以下、加熱抵抗４ｈとする）４ｈへ電源Ｖccからの電力を供給する。これにより、加熱抵抗４ｈ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。動作温度は例えば常温以上での極小値又は極大値となる８０℃近傍とする（前第８図）。

回路基板５（第６図及び第９図）は母材を例えばガラスエポキシとして図示しない回路パターンが形成される。そして、この例では、回路基板５の一主面の中央領域には、互いに同一形状とした図示しない伝熱シート（樹脂）を介在させて伝熱金属板２１が配置される。伝熱金属板２１は外周部に回路基板５を露出する凹部を、中央に開口部を、その外周に５個の図示しない貫通孔を有する。そして、伝熱金属板２１上には水晶振動子１（金属ベース１０ａ）の底面が伝熱シートを介在指せて密着し、各リード線１１が伝熱金属板２１及び回路基板５の貫通孔を経て、回路基板５の他主面に導出して図示しない半田によって接続する。

伝熱金属板２１における外周部の凹部及び中央の開口部内に露出した回路基板５には加熱抵抗４ｈ及び温度感応抵抗４thが配設される。さらに、これらの外周となる回路基板５には熱的に遮断する切り込み１４が設けられる。そして、切り込み領域内となる回路基板５の他主面にはパワートランジスタ４Ｔrや発振周波数に影響を及ぼす電圧可変容量素子４Cvを含む発振段の回路素子４が配設される。また、切り込み１４領域外の回路基板５にはこれら以外の緩衝段２ｂや温度補償回路３の回路素子４が配設される。
特開２００５−３３３３１５号公報 ２００７−１１０６９８号公報 実公昭６２−２８２８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、水晶振動子１の動作温度を検出する温度感応抵抗４thは伝熱金属板２１における中央の開口部に配置されるものの、熱伝導性樹脂（不図示）を経ての金属ベース１０ａの温度を検出する。この場合、水晶振動子１の動作温度を決定する水晶片１Ａは、金属容器１０内の雰囲気（例えば窒素ガスや真空）を経て金属ベース１０ａに伝熱される。したがって、温度感応抵抗４thは水晶片１Ａとは直接的に熱結合しないので、リアルタイムな水晶振動子１（水晶片１Ａ）の動作温度を検出できない問題があった。この場合、温度制御回路による追従性を悪化させ、周波数安定度を損なう結果となる。

（発明の目的）
本発明は水晶振動子（水晶片）の動作温度をリアルタイムに検出する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、一対と他対のリード線が絶縁・貫通して表面上に突出した金属ベースと、前記金属ベースの表面上に突出した一対と他対のリード線に接続した一対と他対のサポータと、両主面の励振電極対から外周部に引出電極の延出した水晶片とを有し、前記引出電極対の延出した水晶片の外周部は前記一対のサポータに電気的・機械的に接続し、前記他対のサポータには前記水晶片の素地が露出した外周部が機械的に接続した水晶振動子を備え、前記水晶振動子を含む発振出力回路及び温度制御制御回路を回路基板に配設してなる恒温型の水晶発振器において、前記他対のサポータと前記水晶片の素地が露出した外周部とは金属性の接合材によって熱結合して機械的に接続し、前記他対のリード線には前記水晶片の動作温度を検出する温度感応抵抗が電気的に接続した構成とする。

このような構成であれば、温度感応抵抗は、金属性の接合材、サポータ及びリード線を経て水晶片の素地が露出した外周部と接続する。要するに、温度感応抵抗は熱伝導性に優れた金属のみからなる金属路を経て水晶片に接続する。したがって、水晶片の温度がリアルタイム（直接的）に温度感応抵抗４thによって検出される。

本発明の請求項２では、請求項１において、前記金属性の接合材は導電性接着剤とする。したがって、導電性接着剤中の例えば銀フィラーの結合によって金属と同等の熱伝導性を得る。但し、導電性接着剤に限らず例えば共晶合金を用いたサポータとの接合であっても同様である。

同請求項３では、請求項１において、前記温度感応抵抗は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記他対のリード線が電気的に接続した前記回路基板の回路端子に接続する。これにより、温度感応抵抗は水晶片と金属路を経て接続し直接的に熱結合するので、請求項１での効果を得られる。

同請求項４では、請求項１において、前記温度感応抵抗としてのチップ素子（加熱抵抗４ｈ）は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記表面上の他対のリード線に導通保持板によって電気的に接続する。これにより、加熱抵抗は水晶片とともに金属容器内に収容されるとともに水晶片からの金属路（伝熱路）長が短くなるので、温度検出がさらにリアルタイムになる。

同請求項５では、請求項１において、前記温度感応抵抗は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記水晶片の外周部に設けられた回路端子に接続し、前記回路端子は前記他対のリード線に電気的に接続する。これにより、加熱抵抗が水晶片にさらに接近し、水晶片の温度を直接的に検出できる。

同請求項６では、請求項１において、前記温度感応抵抗は抵抗膜からなり、前記他対のリード線に電気的に接続する。これにより、抵抗膜が水晶片に密着するので、さらに水晶片の温度を直接的に検出できる。

（第１実施形態、請求項１及び２に相当）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は水晶振動子に対する結線図、同図（ｂ）は回路基板の一部拡大断面図である。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（前第 図参照）は、前述したように、水晶片１Ａの引出電極１Ｃが延出した直線上の両端部、及びこれと直交して素地を露出した直線上の両端部が、金属ベース１０ａの一対及び他対のリード線１１（ａｂ）（ｃｄ）に接続したサポータ１２（ａｂ）（ｃｄ）に保持され、金属カバー１０ｂを接合して水晶片１Ａが密閉封入された水晶振動子１を有する。そして、水晶振動子１を含む発振出力回路２及び温度補償回路３の各回路素子４が回路基板５に配設される。

ここでも、回路基板５の一主面には、外周に窪みを、中央に開口部を、その外周に貫通孔を有する伝熱金属板２１が熱伝導シート（不図示）を介在させて配置される。そして、外周の窪みには加熱抵抗４ｈが、中央の開口部には温度感応抵抗４thが配置される。また、伝熱金属板２１には熱伝導シートを介在して水晶振動子１の底面が密着し、一対及び他対のリード線１１（ａｂ）（ｃｄ）が熱伝導金属板及び回路基板５の貫通孔を挿通して、回路基板５の他主面にて半田２０によって接続する。

ここでは（第１図）、水晶振動子１は引出電極１Ｃの延出した水晶片１Ａの両端部のみならず、これと直交して水晶片１Ａの素地が露出した両端部も、他対のサポータ１２（ｃｄ）と導電性接着剤１３ａによって固着される（機械的に接続する）。また、水晶振動子１の金属ベース１０ａから導出された他対のリード線１１（ｃｄ）が挿通する回路基板５の貫通孔は内周面に金属膜１５ａを有する電極貫通孔１５とする。

そして、回路基板５の一主面に配設される温度感応抵抗（チップ素子）４thの両端側の端子電極１６が接続する回路端子１７は電極貫通孔１５に配線路によって接続する。これにより、温度補償回路２の温度間抵抗素子４thは水晶片１の素地が露出した両端部に接続する。但し、温度感応抵抗４thの端子電極１６は温度補償回路３の電源Ｖcc及び抵抗４R1に配線路によって接続する。また、引出電極１Ｂの延出した両端部は発振出力回路２に接続する。これらの接続関係は第２図にも示した恒温型発振器の回路図の通りである。なお、第２図中のｘｘは引出電極１Ｃの両端部、ｙｙはこれと直交した素地の露出した両端部を示す。

このような構成であれば、水晶片１Ａの素地が露出した両端部は他対のリード線１１（ｃｄ）に接続したサポータ１２（ｃｄ）と導電性接着剤１３ａによって接続する。この場合、導電性接着剤１３ａの銀フィラーの結合によって、水晶片１Ａとサポータ１２（ｃｄ）とは直接的に熱結合する。そして、他対のリード線１１（ｃｄ）は温度感応抵抗４thの端子電極１６と回路基板５の貫通電極１５を経て電気的に接続する。したがって、素地の露出した水晶片１Ａの両端部から温度感応抵抗４thまでは金属路によって接続して熱的に結合する。これにより、水晶振動子１の動作温度となる水晶片１Ａの温度をリアルタイムに検出し、温度制御を容易にして周波数高安定度の高い水晶発振器を得られる。

（第２実施形態、請求項１、２及び３）
第３図は本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は特に水晶振動子の断面図、同図（ｂ）はサポータ等を取り除いた便宜的な平面図である。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、前述のように水晶片１Ａの素地が露出した両端部は導電性接着剤１３ａによってサポータ１２（ｃｄ）に接続する。ここでは、これらのサポータ１２（ｃｄ）に接続した他対のリード線１１（ｃｄ）間に温度感応抵抗４thを電気的に接続し、特に水晶片１Ａの励振電極１Ｂに対向して配置される。この例では、他対のリード線１１の中間部に図示しない突出部を設ける。

そして、温度感応抵抗４thの両端側の端子電極には導通保持板１８の一端が接続し、他端の貫通孔が各リード線１１（ｃｄ）に挿通し、突出部に衝止して図示しない半田等によって電気的に接続する。これらにより、水晶片１Ａと温度感応抵抗４thとは金属ベース１０ａと金属カバー１０ｂからなる金属容器１０内に一体的に収容される。

このような構成であれば、温度感応抵抗４thは水晶片１Ａの励振電極１Ｂに対向するとともに接近して配置される。そして、水晶片１Ａとともに一体的に金属容器１０内に収容されて、他対のリード線１１（ｃｄ）間に電気的に接続する。したがって、水晶片１Ａから温度感応抵抗４thまでの金属路を短くして、特に励振電極１Ｂの設けられた領域の温度を同一雰囲気中で検出するので、さらにリアルタイムな温度検出となる。

（第３実施形態、請求項１、２、４）
第４図は本発明の第３実施形態を説明する恒温型発振器の、同図（ａ）は特に水晶振動子の断面図、同図（ｂ）はカバー等を除去した便宜的な平面図である。

第３実施形態では、水晶片１Ａは素地の露出した両端部から配線路１９が延出して、中央にて対向した図示しない回路端子を有する。そして、回路端子に温度感応抵抗４thの端子電極を例えば導電性接着剤によって接続する。配線路１９の両端となる水晶片１Ａの両端部は、導電性接着剤１３ａによって他対のサポータ１２（ｃｄ）に電気的・機械的に接続する。他対のサポータ１２（ｃｄ）に接続したリード線１１（ｃｄ）は回路基板５の温度補償回路３に接続する。したがって、温度感応抵抗４thは水晶片１Ａの主面に直接に配設されるので、さらに水晶片１Ａの温度をリアルタイムに検出できる。

（第４実施形態、請求項１、２、５）
第５図は本発明の第４実施形態を説明する水晶振動子の便宜的な平面図である。

第４実施形態では、水晶片１Ａは素地の露出した両端部から前述同様に配線路１９が延出して、中央領域を温度感応抵抗４thとしての抵抗膜を設ける。そして、前述同様に、配線路１９の両端となる水晶片１Ａの両端部は、導電性接着剤１３ａによって他対のサポータ１２（ｃｄ）に電気的・機械的に接続する。他対のサポータ１２（ｃｄ）に接続したリード線１１（ｃｄ）は回路基板５の温度補償回路３に接続する。したがって、温度感応抵抗４thとしての膜抵抗は水晶片１Ａの主面に密着するので、さらに水晶片１Ａの温度をリアルタイムに検出できる。

（他の事項）
上記実施形態では、伝熱金属板２１を用いて水晶振動子１の底面を熱的に密着させる構造としたが、これに限らず、任意の構造とした場合でも、例えば伝熱金属板２１を排除して水晶振動子１の外周に加熱抵抗４ｈや温度感応抵抗４thを配設した場合でも同様に適用できる。要は、水晶片１Ａと温度感応抵抗４thとが金属路によって接続されていれば、同様の効果を得る。

そして、サポータ１２は舌辺１２ｘをＬ字状としたが、これに限らず例えば単なるＬ字状として水晶片１Ａの端面に設けられた金属膜とサポータの垂直部とを共晶合金等によって接続してもよい。これらのサポータや保持構造は任意にできる。

本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は水晶振動子に対する結線図、同図（ｂ）は回路基板の一部拡大断面図である。 本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の回路図である。 本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は特に水晶振動子の断面図、同図（ｂ）はサポータ等を取り除いた便宜的な平面図である。 本発明の第３実施形態を説明する恒温型発振器の、同図（ａ）は特に水晶振動子の断面図、同図（ｂ）はカバー等を除去した便宜的な平面図である。 本発明の第４実施形態を説明する水晶振動子の便宜的な平面図である。 一従来例の恒温型発振器を説明する図であり、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は同回路図である。 一従来例の恒温型発振器を説明する図であり、同図（ａ）は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は簡易的な平面図である。 一従来例の恒温型発振器を説明する回路基板における一主面の平面図である。 一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、５ 回路基板、６ 発振器用ベース、７ ガラス、８、１１ リード線、９ 発振器用カバー、１０ 金属容器、１２ サポータ、１３ａ 導電性接着剤、１４ 切り込み、１５ 電極貫通孔
、１６ 電極端子、１７ 回路端子、１８ 導通保持板、１９ 配線路、２０ 半田、２１ 伝熱金属板。

Claims (6)

1. 一対と他対のリード線が絶縁・貫通して表面上に突出した金属ベースと、前記金属ベースの表面上に突出した一対と他対のリード線に接続した一対と他対のサポータと、両主面の励振電極対から外周部に引出電極の延出した水晶片とを有し、
   前記引出電極対の延出した水晶片の外周部は前記一対のサポータに電気的・機械的に接続し、前記他対のサポータには前記水晶片の素地が露出した外周部が機械的に接続した水晶振動子を備え、
   前記水晶振動子を含む発振出力回路及び温度制御制御回路を回路基板に配設してなる恒温型の水晶発振器において、
   前記他対のサポータと前記水晶片の素地が露出した外周部とは金属性の接合材によって熱結合して機械的に接続し、
   前記他対のリード線には前記水晶片の動作温度を検出する温度感応抵抗が電気的に接続し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、前記金属性の接合材は導電性接着剤である恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記温度感応抵抗は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記他対のリード線が電気的に接続した前記回路基板５の回路端子に接続した恒温型の水晶発振器。
4. 請求項１において、前記温度感応抵抗は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記表面上の他対のリード線に導通保持板によって電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
5. 請求項１において、前記温度感応抵抗は両端側に端子電極を有するチップ素子であって、前記チップ素子の両端側の端子電極は、前記水晶片の外周部に設けられた回路端子に接続し、前記回路端子は前記他対のリード線に電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
6. 請求項１において、前記温度感応抵抗は抵抗膜からなり、前記他対のリード線に電気的に接続した恒温型の水晶発振器。