JP2010154227A - 多段型とした恒温型の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子及び発振段以外となる回路素子の温度上昇による特性低下を防止するとともに、発熱素子によるエネルギー効率を高めて温度制御を容易にした恒温型の水晶発振器を提供する。
【解決手段】水晶振動子１と、発振段、緩衝段及び温度制御回路の回路素子４と、第１回路基板５ａ、第２回路基板５ｂ及び第３回路基板５ｃとを備えた恒温型の水晶発振器において、前記第１回路基板５ａ又は前記第２回路基板５ｂには発熱素子及び前記発熱素子と熱的に結合した前記発振段の回路素子４が配設され、前記第３回路基板５ｃには前記緩衝段の回路素子４と、前記温度制御回路の少なくとも前記発熱素子及び温度感応素子４ｃを除く回路素子４とを配設し、前記第３回路基板５ｃは前記第１回路基板５ａ及び前記第２回路基板５ｂとは空隙をもって離間して熱的に遮断された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は多段型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、特に周波数安定度の高い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周波数安定度が高く、例えばｐｐｂ（１／１０億）単位とした周波数偏差の求められる基地局用の通信機器に適用される。近年では、これらの基地局等でも小型化が浸透し、例えば熱線を券回した旧来の恒温熱筒に代えて、チップ抵抗等を発熱素子としたものがある。

（従来技術の一例、特許文献１）
第６図（ａｂｃ）は一従来例を説明する図で、第６図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は発振出力回路、同図（ｃ）は温度制御回路である。

恒温型発振器は、水晶振動子１と、発振出力回路２及び温度制御回路３を構成する回路素子４と、第１及び第２回路基板５（ａｂ）と、金属容器６とを有する。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、例えば外部端子を有する表面実装用の容器１ｂに密閉封入される。

そして、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７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４ａ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４ｂの一方の入力端に温度感応素子４ｃ（例えばサーミスタ）と抵抗４ｄによる温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４ｅ、４ｆ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４ｇ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。これにより、温度感応素子４ｃの温度に依存した抵抗値によって加熱抵抗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。

第１及び第２回路基板５（ａｂ）はいずれも配線パターンが形成され、例えば第１回路基板５ａはセラミックとして、第２回路基板５ｂはガラス９エポキシとする。第１回路基板５ａの一主面には水晶振動子１が配設され、他主面には例えば温度制御回路３の加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃが配設される。そして、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃ上からは液状の熱伝導性樹脂７が塗布されて硬化する。

第２回路基板５ｂにはこれら以外の発振出力回路２及び温度制御回路３の各回路素子４が両主面に配設され、特に発振段２ａの回路素子４が中央領域に配置される。そして、第１と第２回路基板５（ａｂ）とは金属ピン８ａによって電気的及び機械的に接続し、板面が対向する２段構造とする。この場合、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃ上に塗布された熱伝導性樹脂７が第２回路基板５ｂの中央領域に密着し、第２回路基板５ｂと熱的に結合して特に発振段２ａとなる回路素子４の動作温度を一定にする。

金属容器４は少なくとも４角部にガラス９によって気密化した所謂気密端子としたリード線８ｂが貫通した金属ベース６ａと抵抗溶接等によって封止される金属カバー６ｂとからなる。そして、金属ベース６ａのリード線８ｂには、第２回路基板５ｂが電気的・機械的に接続し、第１回路基板５ａとともに密閉封入される。

このようなものでは、発振出力Ｖoutの周波数温度特性を支配する水晶振動子１の動作温度を一定にするとともに、発振回路（発振段）２ａを形成する各回路素子４をも一定温度にする。したがって、水晶振動子１のみならず発振段２ａをも動作温度を一定とするので、これらの周波数温度特性の影響を受けずに周波数偏差Δｆ／ｆoを少なくとも±０．０１ｐｐｍ以上あるいはｐｐｂ単位とした周波数安定度を得られる。但し、ｆoは発振周波数の公称値、Δｆは公称値ｆoからのずれ量である。
特開２００５−３４１１９１号公報 特開２００５−２２３３９５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、周波数温度特性を支配的とする水晶振動子１のみならず、特に発振出力に影響の大きい発振段２ａの動作温度を一定にして高安定とする構造に起因して次の問題があった。すなわち、この例では、第１と第２回路基板５（ａｂ）とを熱伝導熱性樹脂７よって熱的に結合し、発振用トランジスタを含む発振段２ａの各回路素子４の動作温度を一定にする。

しかし、この場合には、第２回路基板５ｂには、発振段２ａ以外の緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４も配設され、発振段２ａと同様に高温にさらされる。すなわち、発振周波数を決定する水晶振動子１や発振段２ａ以外の緩衝段２ｂや温度制御回路３の多数の回路素子４が高温にさらされる。したがって、これらの回路素子４は温度上昇による特性低下を生じ、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を不安定にする問題があった。

なお、発振周波数を決定する水晶振動子１から見た負荷容量（直列等価容量）に及ぼす緩衝段２ｂ以降での容量は極めて小さくて殆ど無視できる。したがって、緩衝段２ｂにおける回路素子４の周波数温度特性による発振周波数への影響も無視でき、これらの回路素子４の動作温度を一定にする必要は基本的にない。また、温度制御回路３は発振出力回路２とは電気的な接続はなく独立しているので、発振周波数に与える影響はない。これらにより、発振出力回路２の緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４の温度上昇による特性低下が問題になる。

さらに、第２回路基板５ｂには発振段２ａのみならず緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４が配設されるので、第２回路基板５ｂの熱容量は増加する。したがって、加熱抵抗４ｈによる熱量も多くを要し、消費電力が嵩んでエネルギー効率を悪化する。そして、加熱抵抗４ｈによって温度制御する領域も必然的に増加するので、金属容器６内の熱分布も不均一になって温度制御を困難にする問題もあった。

（発明の目的）
本発明は、水晶振動子及び発振段以外となる回路素子の温度上昇による特性低下を防止するとともに、発熱素子によるエネルギー効率を高めて温度制御を容易に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、水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子と、前記水晶振動子とともに発振出力回路を形成する発振段及び前記発振段の出力を緩衝増幅する緩衝段の回路素子と、前記水晶振動子を加熱する発熱素子及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子を少なくとも有し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路の回路素子と、前記水晶振動子及び前記回路素子の一部が少なくとも配置された第１回路基板と、前記第１回路基板に対して上下方向に配置され、前記水晶振動子及び前記回路素子の一部を除く回路素子が配設された前記第１回路基板以外の回路基板と、前記水晶振動子及び前記回路素子とこれらの配設された前記第１回路基板及びこれ以外の回路基板とを収容する金属容器とを備えた恒温型の水晶発振器において、前記第１回路基板以外の回路基板は第２回路基板と第３回路基板とからなり、前記第１回路基板又は前記第２回路基板には前記発熱素子及び前記発熱素子と熱的に結合した前記発振段の回路素子が配設され、前記第３回路基板には前記緩衝段の回路素子と、前記温度制御回路の少なくとも前記発熱素子及び前記温度感応素子を除く回路素子とを配設し、前記第３回路基板は前記第１及び前記第２回路基板とは空隙をもって離間して熱的に遮断された構成とする。

このような構成であれば、発振出力（周波数）に最も影響を与える水晶振動子及び発振段の回路素子と発熱素子とを熱的に結合して、水晶振動子及び発振段の回路素子との動作温度を一定とする。したがって、水晶振動子及び発振段の回路素子による周波数温度特性に基づいた周波数変化を防止して周波数安定度を高められる。

そして、発熱素子による加熱対象を水晶振動子と発振段の回路素子との最小要素とし、これ以外の緩衝段の回路素子、及び少なくとも発熱素子及び温度感応素子を除く温度制御回路の回路素子は、発熱素子とは熱的に遮断する。したがって、加熱対象を必要最低限の回路素子として最低限の熱容量とするので、発熱素子によるエネルギー効率を高められる。

なお、この場合、水晶振動子（発振段）から見た緩衝段及び温度制御回路の回路素子による容量分は極めて小さい。したがって、緩衝段及び温度制御回路の回路素子が周波数温度特性をもったとしても、水晶振動子から見た負荷容量（直列等価容量）の変化は無視できて、発振段での発振周波数に対する影響は無視できる。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記第1回路基板は一主面に前記水晶振動子が他主面に前記発熱素子が配設されるとともに前記第２回路基板には前記発振段の回路素子が配設され、前記第１回路基板の前記発熱素子と前記第２回路基板とは熱伝導性樹脂によって熱的に結合する。これにより、発熱素子に対する水晶振動子及び発振段の回路素子の熱的な結合を具体的にする。

同請求項３では、請求項１において、前記第１回路基板には前記水晶振動子とともに前記発振段の回路素子が配設されて熱筒に収容され、前記熱筒は前記第２回路基板に配設された前記発熱素子と熱伝導性樹脂によって熱的に結合する。これにより、発熱素子に対する水晶振動子及び発振段の回路素子の熱的な結合を具体的にする。この場合、水晶振動子及び発振段の回路素子が熱筒に収容されるので、金属容器よりも容積も小さく熱筒内の温度分布も安定するので、温度制御を容易にして周波数安定度をさらに高められる。

同請求項４では、請求項１において、前記発熱素子はチップ抵抗又は前記温度制御回路のうちのパワートランジスタとする。これにより、水晶振動子等を加熱する発熱素子を明確にする。なお、発熱素子はチップ抵抗のみ、パワートランジスタのみ、又は両方を併用した場合も含む。

（第１実施形態）
第１図は本実施例の一実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。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。

恒温型発振器は、前述したように、水晶振動子１と、前第６図に示す発振出力回路２及び温度制御回路３を構成する回路素子４と、第１及び第２回路基板５（ａｂ）と、金属容器６とを有する。そして、この実施形態では、第１及び第２回路基板５（ａｂ）以外に第３回路基板５ｃを有する。

第１回路基板５ａの一主面には前述同様に表面実装用とした水晶振動子１が、他主面には加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃが配設される。そして、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃ上には熱伝導性樹脂７が塗布されて第２回路基板５ｂの一主面に密着して熱的に結合する。この例では、従来例とは逆として、第１回路基板５ａを下側（ベース側）として、第２回路基板５ｂを上側（カバー側）とする。

第２回路基板５ｂの他主面（上面）には発振出力回路のうちの発振閉ループを形成する発振段２ａの回路素子４が配設される。ここでは、例えばコルピッツ型とする分圧コンデンサや発振用トランジスタ、及び電圧制御型とする電圧可変容量素子や発振周波数の調整用としたトリマコンサが含まれる。なお、第２回路基板５ｂの上面は金属カバー６ｂの接合前に露出するので、トリマコンサを含めてその他の調整用の回路素子４が配設される。これらにより、第１回路基板５ａの加熱抵抗４ｈと水晶振動子１、及び第２回路基板５ｂの発振段２ａとした回路素子４は熱的に結合する。

第３回路基板５ｃには発振出力回路２の緩衝段２ｂ、及び加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃを除く温度制御回路３の回路素子４が配設される。但し、温度制御回路３のパワートランジスタ４ｇを発熱素子として使用する場合には、第１又は第２回路基板５ｂに配設される。そして、第３回路基板５ｃは金属ベース６ａのリード線８ｂに接続して保持され、第２回路基板５ｂが金属ピン８ａによって第３回路基板５ｃに接続して保持される。要するに、金属ベース６ａ側から、第３、第１及び第２回路基板５ｃ、５ａ、５ｂの順となる多段構造として、第３回路基板５ｃは第１及び第２回路基板５（ａｂ）と間隙を有して熱的に遮断される。

このような構成であれば、特に発振周波数を決定する水晶振動子１及び発振段２ａの回路素子４と加熱抵抗４ｈとを熱的に結合する。この場合、発振周波数の周波数温度特性を支配する水晶振動子１と加熱抵抗４ｈとの熱的結合を特に大きくし、次に発振段２ａの回路素子４との熱的結合を強くする。そして、加熱抵抗４ｈを含む温度制御回路３によって、水晶振動子１及び発振段２ａの回路素子４の動作温度を一定にするので、発振周波数を安定に維持できる。

この場合、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は第３回路基板５ｃに配設され、第１及び第２回路基板５（ａｂ）とは間隙を有して熱的に遮断される。したがって、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は高熱にさらされることなく、極度の高温にはならずに常温よりも高い程度の温度になる。したがって、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は高温動作による特性低下を防止する。これにより、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を良好に維持する。

そして、加熱抵抗４ｈによる加熱対象は、第１及び第２回路基板５（ａｂ）の水晶振動子１及び発振段２ａの回路素子４となって、第３回路基板５ｃに配設された緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は基本的に除外される。したがって、加熱抵抗４ｈによる加熱対象としての熱容量は小さくなるので、エネルギー効率が高まる。そして、第１及び第２回路基板５（ａｂ）の水晶振動子１及び発振段２ａの回路素子４を対象とした温度分布となるので、温度制御も容易になる。

（第２実施形態）
第２図は本実施例の第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、前第１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、熱筒１０を使用して、温度制御をさらに容易にするとともにｐｐｂ単位での周波数安定度を確実にする。すなわち、第２実施形態形態では、水晶振動子１と発振段２ａの回路素子４を第１回路基板５ａに配設する。水晶振動子１は例えば抵抗溶接による金属容器１ｂ内に水晶片１ａを密閉封入してなり、第１回路基板５ａの一主面（下面）に配設される。

この場合、金属容器１ｂのリード線１ｄが一主面から他主面（上面）側に挿通して図示しない半田によって固着される。そして、電圧可変容量素子や調整用コンデンサを含む発振段２ａの回路素子４が上面に配設される。ここでは、第１回路基板５ａの上面には調整用コンデンサ以外の調整素子、さらには温度感応抵抗素子４ｃが配設される。第１回路基板５ａは水晶振動子１を下面側とし、凹状とした熱筒１０の閉塞面に設けられてガラス９によって気密化されて貫通したリード線８ａに外周部が保持される。そして、凹状とした熱筒１０の開口端面は例えば樹脂基板１０ａによって密閉される。

凹状とした熱筒１０は閉塞面を貫通したリード線８ａが第２回路基板５ｂ上に接続して保持される。第２回路基板５ｂ上には例えば２個の加熱抵抗４ｈが配設され、シート状の熱伝導性樹脂７を介在させて熱筒１０の閉塞面に当接する。第２回路基板５ｂは金属ピン８ｃによって第３回路基板５ｃ上に保持される。

第３回路基板５ｃは第２回路基板５ｂに対して間隙を有して熱的に遮断され、下面側には緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４が配設される。そして、ガラス９によって気密化された金属ベース６ａのリード線８ｂに第３回路基板５ｃの外周部が接続して保持される。金属ベース６ａの外周には金属カバー６ｂが半田等によって接合されて発振器用の金属容器６を形成する。

このような構成であれば、加熱抵抗４ｈによって熱筒１０が加熱され、温度感応素子４ｃを含む温度制御回路３によって、熱筒１０内の温度即ち水晶振動子１や発振段２ａの回路素子４の動作温度が一定に維持される。したがって、第１実施形態と同様に、発振周波数を高安定にする。この場合、加熱抵抗４ｈによる加熱対象は熱筒１０内に制限されて温度分布を一定にするので、第１実施形態に比較して温度制御を容易にして、ｐｐｂ単位とした周波数安定度を確実に維持できる。

そして、この例でも、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４が配設された第３回路基板５ｃは、加熱抵抗４ｈの配設された第２回路基板５ｂや熱筒１０とは間隙を有して熱的に遮断される。したがって、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は、外気温度が常温であるにも拘わらず、加熱抵抗４ｈによる高温動作を強いられることがない。したがって、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を良好に維持する。

ちなみに、本実施形態の恒温型発振器では周囲温度に対する周波数偏差Δｆ／ｆoは、第３図（直線Ａ）に示したように、例えば-20〜80℃の範囲で±２ｐｐｂ以内の周波数安定度になる。これに対し、例えば第４図に示したように、加熱抵抗４ｈの配置された第２回路基板５ｂの下面に緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４を配設した場合は、周波数変化Δｆ／ｆは±１０ｐｐｂとなる（第３図の直線Ｂ）。

したがって、本実施形態での緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４を加熱抵抗４ｈから離間して熱的な影響を避けた場合の効果が明確になる。なお、いずれの直線ＡＢでも温度上昇とともに周波数偏差Δｆ／ｆは低下するが、これとは逆に周波数偏差Δｆ／ｆが上昇する場合があり、これらは回路側と水晶振動子の温度特性に依存する。

（他の事項）
上記実施形態では、加熱抵抗４ｈ体をチップ素子として第２回路基板５ｂ上に配設したが、例えば第５図に示したように第２回路基板５ｂ内に埋設してもよい。そして、加熱抵抗４ｈ体を印刷等による図示しない膜抵抗として第２回路基板５ｂの表面上にあるいは面内に形成してもよい。この場合、回路基板は例えばセラミックとする。また、熱源としては加熱抵抗４ｈに代えてパワートランジスタ４ｇとしても、両者を併用してもよいことは勿論である。

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２実施形態の作用を説明する周波数偏差特性である。 本発明の第２実施形態の作用を説明する比較対象とした恒温型発振器の断面図である。 本発明の他の例を説明する恒温型発振器の断面図である。 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）は発振回路の概略図、同図（ｃ）温度制御回路図である。 従来例を説明するＡＴカット及びＳＣカットとした水晶振動子の周波数温度特性図である。

符号の説明

１ 水晶振動子、２ 発振出力回路、３ 温度制御回路、４ 回路素子、５ 回路基板、６ 金属容器、７ 熱伝導性樹脂、８ リード線（金属ピン）、９ ガラス、１０ 熱筒。

Claims (4)

1. 水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子と、前記水晶振動子とともに発振出力回路を形成する発振段及び前記発振段の出力を緩衝増幅する緩衝段の回路素子と、前記水晶振動子を加熱する発熱素子及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子を少なくとも有し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路の回路素子と、
   前記水晶振動子及び前記回路素子の一部が少なくとも配置された第１回路基板と、前記第１回路基板に対して上下方向に配置され、前記水晶振動子及び前記回路素子の一部を除く回路素子が配設された前記第１回路基板以外の回路基板と、前記水晶振動子及び前記回路素子とこれらの配設された前記第１回路基板及びこれ以外の回路基板とを収容する金属容器とを備えた恒温型の水晶発振器において、前記第１回路基板以外の回路基板は第２回路基板と第３回路基板とからなり、前記第１回路基板又は前記第２回路基板には前記発熱素子及び前記発熱素子と熱的に結合した前記発振段の回路素子が配設され、前記第３回路基板には前記緩衝段の回路素子と、前記温度制御回路の少なくとも前記発熱素子及び前記温度感応素子を除く回路素子とを配設し、前記第３回路基板は前記第１及び前記第２回路基板とは空隙をもって離間して熱的に遮断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、前記第１回路基板は一主面に前記水晶振動子が他主面に前記発熱素子が配設されるとともに前記第２回路基板には前記発振段の回路素子が配設され、前記第１回路基板の前記発熱素子と前記第２回路基板とは熱伝導性樹脂によって熱的に結合した恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記第１回路基板には前記水晶振動子とともに前記発振段の回路素子が配設されて熱筒に収容され、前記熱筒は前記第２回路基板に配設された前記発熱素子と熱伝導性樹脂によって熱的に結合した恒温型の水晶発振器。
4. 請求項１において、前記発熱素子はチップ抵抗又は前記温度制御回路のうちのパワートランジスタとした恒温型の水晶発振器。