JP2016225738A - 発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の雰囲気の変動を受けにくく、安定した周波数の周波数信号を出力することが可能な発振装置を提供する。
【解決手段】発振装置１Ａは、振動子１０、２０に接続された発振回路１、２と、振動子１０、２０を加熱するためのヒーター回路５０と、を備え、第１の容器４１内に設けられた第１の基板３１には、振動子１０、２０、発振回路１、２、温度検出部６３、ヒーター回路５０が設けられる。この第１の容器４１は、第２の容器４２の内部空間に、その内壁から浮いた状態で収容され、第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間は、真空雰囲気となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度検出結果に基づいて周波数の安定化を行う発振装置に関する。

発振装置であるＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator）として、例えば特許文献１に開示されているように、２つの水晶振動子及びこれらの水晶振動子の近傍にヒーター（ヒーター回路）を備えた構成が知られている。当該ＯＣＸＯにおいては、２つの水晶振動子の周波数差を利用して水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度検出結果に基づいて水晶振動子近傍に備えられたヒーターへの供給電力を制御することにより水晶振動子の温度を一定の範囲内に保ち、周囲の温度変化に対してＯＣＸＯの周波数を安定させている。

このようにＯＣＸＯは、水晶振動子の温度を一定の範囲内に保つことにより周波数の安定性を図るものであり、特に、上述の構成のＯＣＸＯは、２つの水晶振動子の周波数差を利用することにより正確な温度検出を行い、高精度での周波数調整を実現している。
ところが、こうした高精度のＯＣＸＯであっても、ＯＣＸＯの周囲の雰囲気の変動（例えば、外気温度、気圧、湿度や気流の変動）が周波数の安定性に影響を及ぼしてしまう場合もある。

ここで特許文献２には、振動子（圧電振動子２：特許文献２で用いられている用語を併記する。以下同じ。）が封止された内側容器（恒温槽５）にヒーター（ヒータ部４）を設けると共に、この内側容器を外側容器（本体筐体９）内に収容し、前記内側容器が外側容器の内壁から浮いた状態となるように、支柱（リード端子９３）によって内側容器を支持したＯＣＸＯ（恒温槽型圧電発振器１）が記載されている。

また特許文献３、４には、振動子（水晶片１ａ、水晶振動子２：特許文献３の用語を先に、特許文献４の用語を後に併記する。以下、同じ。）が設けられた基板（第１回路基板５ａ、サブプリント基板４）を内側容器（熱筒１０、熱筒１８）内に配置し、当該基板が内側容器の内壁から浮いた状態となるように、支柱（気密端子８、金属支柱）によって基板を保持したＯＣＸＯ（恒温槽型発振器、高安定水晶発振器１）が記載されている。これらのＯＣＸＯにおいては、ヒーター（回路素子４、ヒーター１７）による内側容器の加熱や、内側容器自体への給電に伴う発熱により振動子の温度制御が行われる。さらにこれら内側容器は、外側容器（発振器用容器６、金属ケース１９）内に収容されると共に、外側容器の内壁から浮いた状態となるように、支柱（第２気密端子８ｂ、外部接続用リード端子１２）によって支持されている。

特開２０１３−５１６７６号公報：段落００４４、図１ 特開２０１４−１６１１３２号公報：段落００３６〜００３８、図１ 特開２０１０−１５４４００号公報：段落００２７〜００３０、図１ 特開２００５−２２３３９５号公報：段落００１８〜００２１、図１

上述のように、特許文献２〜４に記載の各ＯＣＸＯは、ヒーターを用いて振動子の温度制御を実行し（特許文献２）、またはヒーターや給電によって内側容器の温度を制御することにより、間接的に内側容器内の振動子の温度制御を実行する。

しかしながらこれらのＯＣＸＯにおいては、振動子の温度制御に用いられるヒーターや内部容器が外部容器内の雰囲気中に露出した状態となっている。このため、外部容器の周囲の雰囲気が変動すると、外部容器内の雰囲気を介して、ヒーターや内部容器を利用した温度制御機構が、前記変動の影響を受けてしまい、周波数安定性の低下を招きやすい構造となっている。

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、周囲の雰囲気の変動を受けにくく、安定した周波数の周波数信号を出力することが可能な発振装置を提供することにある。

本発明に係る発振装置は、振動子に接続された発振回路と、配置位置における前記振動子の温度を予め設定された温度に加熱するためのヒーター回路と、を備えた発振装置において、
第１の容器内に設けられた第１の基板と、
この第１の基板に各々設けられた、振動子、発振回路、前記振動子の配置位置における温度を検出するための温度検出部、この温度検出部の温度検出値により供給電力が制御されるヒーター回路と、
前記第１の容器を、その内部空間に収容すると共にその内壁から浮いた状態で支持部を介して支持する第２の容器と、を備え、
前記第１の容器と第２の容器との間の空間は、真空雰囲気であることを特徴とする。

上述の発振装置は、下記の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記第１の基板は、支持部材により、前記第１の容器の内壁から浮いた状態で支持されていること。
（ｂ）前記第１の容器の内部の空間は、真空雰囲気であること。または、前記第１の容器の内部の空間は、不活性ガス雰囲気であること。
（ｃ）前記第１の容器は、前記支持部に支持された第２の基板上に支持されていること。

本発明によれば、第１の容器内に設けられた第１の基板上に、振動子と、この振動子の温度制御を行うヒーター回路とを設けると共に、さらに第２の容器内に、その内壁から浮いた状態で第１の容器を配置している。そして、これら第１の容器と第２の容器との間の空間を真空雰囲気として真空断熱を行っているので、第１の容器の内部が、第２の容器の周囲の雰囲気の変動の影響を受けにくく、振動子の温度制御を安定して行うことが可能となり、周波数の安定性が向上する。

実施の形態に係る発振装置のブロック図である。 前記発振装置の縦断側面図である。 前記発振装置を他の方向から見た縦断側面図である。 前記発振装置に設けられている基板の平面図である。 前記基板上に配置されている水晶振動子及び振動子カバーの縦断側面図及び横断平面図である。 水晶振動子の一般的な周波数温度特性を示した特性図である。 参考例及び比較例に係る発振装置の周波数温度特性を示す説明図である。

図１は本発明の実施形態に係る発振装置１Ａの全体を示すブロック図である。
発振装置１Ａには、第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０と、これらの水晶振動子を発振させる第１の発振回路１、第２の発振回路２とが含まれる。第１の発振回路１、第２の発振回路２は、例えばコルピッツ型の発振回路により構成される。

第１の発振回路１、第２の発振回路２の後段側には、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ブロック５、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路部２００、レジスタ７や分周器２０３が接続されている。ＤＳＰブロック５は、温度検出部５３、ＰＩ演算部５４、１次補正部５６、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）部５５を含んでいる。さらに第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０の近傍には、ヒーター回路５０が設けられている。
ここで、既述の第１の発振回路１、第２の発振回路２、ＤＳＰブロック５、ＰＬＬ回路部２００、レジスタ７、及び分周器２０３は例えば一つの集積回路部（ＬＳＩ）３００内に形成されている。

また発振装置１Ａは、外部メモリ８２を備え、外部メモリ８２には発振装置１Ａを動作させるための各種パラメータが格納されている。外部メモリ８２に格納されたパラメータは、ＬＳＩ３００内のレジスタ７に読み込まれ、このレジスタ７を介してパラメータを利用するブロックへと読み出される。

以下の説明では、第１の発振回路１により第１の水晶振動子１０を発振させて得られた周波数信号をｆ１とし、第２の発振回路２により第２の水晶振動子２０を発振させて得られた周波数信号をｆ２とする。
第１の発振回路１からの周波数信号ｆ１は、ＰＬＬ回路部２００内に設けられている後述のＶＣＸＯ（Voltage Controlled Xtal Oscillator、電圧制御発振器）から得られた周波数信号との位相比較が行われる基準周波数信号を得るために用いられる。さらに周波数信号ｆ１は、その配置位置における水晶振動子１０、２０の温度を検出する目的にも用いられる。一方で、第２の発振回路２からの周波数信号ｆ２は、配置位置における水晶振動子１０、２０の温度検出の目的のみに用いられる。

初めに、周波数信号ｆ１、ｆ２を用いた温度検出の手法について説明する。第１の発振回路１からの周波数信号ｆ１及び第２の発振回路２からの周波数信号ｆ２は温度検出部５３に入力され、ｆ１−ｆ２に対応する値であるΔＦが演算される。ΔＦは、配置位置における水晶振動子１０及び２０の温度に対して比例関係にある値であり、温度検出値に相当しているということができる。

さらに、温度検出部５３の出口側には、不図示の加算部が設けられており、外部メモリ８２から読み出され、レジスタ７に格納された水晶振動子１０、２０の温度設定値に対応する値（以下、「温度設定値」と呼ぶ）と、温度検出部５３にて算出された温度検出値ΔＦとの差分値が後段のＰＩ演算部５４へと出力される。なお、加算部の図示を省略した便宜上、図１においては、レジスタ７内の温度設定値を温度検出部５３に入力した状態を示している。

ＰＩ演算部５４は、前記温度設定値と温度検出値ΔＦとの差分値を積分することにより、ヒーター回路５０の出力を調節するための制御信号であるＰＩ演算値を後段のＰＷＭ部５５へ出力する。なお、このＰＩ演算値は、ＰＬＬ回路部２００内で既述の基準周波数信号を得る際の周波数設定値の補正値としても用いられる。

ＰＷＭ部５５は、ＰＩ演算部５４から出力されるディジタル値をアナログ信号に変換するためのものである。既述のレジスタ７には、外部メモリ８２から読み出されたデューティ比が予め格納されており、このデューティ比に基づいてＰＷＭ部５５の動作が制御される。なおＰＷＭ部５５に代えてＤ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換器を用いてもよい。

水晶振動子１０、２０の近傍に設けられたヒーター回路５０は、このＰＷＭ部５５の出力を制御信号として出力が調節される。ヒーター回路５０はパワートランジスタを備え、電源６０から供給された電力が当該パワートランジスタのコレクタに供給される。そして、パワートランジスタのベースに前記制御信号を供給して、コレクタ−エミッタ間を流れる電流を増減することにより、ヒーター回路５０の出力（発熱量）を増減することができる。
なお、電源６０から供給される電力は、既述のＬＳＩ３００などにも供給され、当該電力は、ＬＤＯ（低電圧ドロップアウトレギュレータ）などからなる電圧安定化回路６によって安定化されている。

次いで、第１の発振回路１から得た周波数信号ｆ１を利用し、周囲の温度が変化しても安定した周波数の周波数信号を出力するＰＬＬ回路部２００について説明する。既述のようにＰＬＬ回路部２００は、ＬＳＩ３００内に構成され、不図示のＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）回路部と、位相比較部と、チャージポンプ部と、ＶＣＸＯの発振回路と、を備える。さらにＰＬＬ回路部２００には、ＰＬＬ回路部２００内の発振回路により発振し、当該発振回路と共にＶＣＸＯを構成する信号発生用の水晶振動子２０１や、ループフィルタ２０２が接続されている。また、ＰＬＬ回路部２００には、ＶＣＸＯより得られた周波数信号を分周する分周器を設けてもよい。

ＰＬＬ回路部２００のＤＤＳ回路部に対しては、外部メモリ８２から読み出され、レジスタ７に格納された周波数設定値を用いて周波数設定が行われる。詳細には、ＰＩ演算部５４から出力されたＰＩ演算値に対して、１次補正部５６にて係数を乗算して周波数補正値を算出し、加算部５８にて周波数設定値に周波数補正値を加算する。こうして得られた補正後の周波数設定値がＤＤＳ回路部に入力される。さらに周波数設定値に対しては、例えば温度検出部５３の出力である温度検出値ΔＦから得られた周波数補正値を用いた補正を行ってもよい。

そしてＤＤＳ回路部は、第１の発振回路１から出力される周波数信号ｆ１を動作クロックとして、不図示の波形テーブルから振幅データを読み出し、前記補正後の周波数設定値に対応するディジタルの基準周波数信号を発生する。

一方でＶＣＸＯの水晶振動子２０１を発振させて得られたディジタルの周波数信号は、必要に応じて分周された後、位相比較部にて基準周波数信号と位相比較され、位相差に応じた信号をチャージポンプ部でアナログ変換され、ループフィルタ２０２に入力される。ループフィルタ２０２では、アナログ変換された位相差が積分され、水晶振動子２０１の制御電圧とされる。ここで、ＶＣＸＯから得られた周波数信号は、得られた周波数をそのまま基準周波数信号と位相比較してもよいし、周波数を適宜、分周、逓倍してから基準周波数信号との位相比較を行ってもよい。ＶＣＸＯの水晶振動子２０１は、信号発生用の水晶振動子に相当している。

以上に説明した構成により、水晶振動子２０１を発振させて得られた周波数信号の周波数が、ＤＤＳ回路部にて発生させた基準周波数信号の周波数に近づくように周波数制御が実行され、安定した周波数の周波数信号がＶＣＸＯから出力される。ＶＣＸＯの周波数信号は、分周器２０３にて適宜、分周された後、発振装置１Ａから出力される。

以上に説明したように、ＯＣＸＯである発振装置１Ａは、水晶振動子１０、２０の配置位置における温度検出結果に基づいて周波数設定値を補正するＴＣＸＯ（Temperature Compensated Xtal Oscillator）としても構成されており、ヒーター回路５０の作用と、温度検出値ΔＦ（上述の例では温度設定値と温度検出値ΔＦとの差分値を積分したＰＩ演算値）に基づく周波数補正とによる二重の周波数安定化措置がとられ、高精度で周波数を安定させることができる。

以上に説明した電気的構成を備える発振装置１Ａの組み立て構造につい図２〜図６を参照しながら説明する。
図２、図３は発振装置１Ａ全体を各々別方向から見た縦断側面図であり、図４は発振装置１Ａの内部に配置された第１の基板３１を上面側、及び下面側から見た平面図である。これらの図を用いて発振装置１Ａの立体的な構成について説明する。

例えば発振装置１Ａは、既述の各水晶振動子１０、２０、２０１やＬＳＩ３００、外部メモリ８２などの各電子部品を第１の基板３１の上面側、及び下面側に分けて配置した構成となっている。図２、図３、図４に示すように、第１の基板３１の上面側には、第１の水晶振動子１０、ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１、及び複数のヒーター回路５０が設けられている。一方で、第１の基板３１の下面側には、第２の水晶振動子２０、ＬＳＩ３００、外部メモリ８２及びループフィルタ２０２が設けられている。
なお、図１に示した各水晶振動子１０、２０、２０１は、振動子カバー内に収容された水晶振動片（例えば第１の水晶振動子１０の例につき、図５の水晶振動片１０ａ）に対応するが、説明の便宜上、図２〜図４においては、各振動子カバー及び水晶振動片を含む電子部品全体に水晶振動子１０、２０、２０１の符号を付してある。

第１、第２の水晶振動子１０、２０は、ほぼ同じ構成を備えるので、図５を参照しながら、第１の水晶振動子１０の構成について説明する。図５（ａ）は第１の水晶振動子１０の縦断側面図を示し、図５（ｂ）は横断平面図を示している。
第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａは、第１の発振回路１から出力される周波数信号ｆ１の周波数に対応する厚さを有し、例えば平面形状が矩形である水晶片１０１の上下両面に、当該水晶片１０１を介して互いに対向するように、薄膜状の励振電極１０２、１０３を設けた、エネルギー閉込め型の振動子となっている。

水晶振動片１０ａを収容する振動子カバー１１１の一面には、水晶振動片１０ａを挿入するための開口が設けられ、蓋体１１３によってこの開口が気密に塞がれる。前記水晶振動片１０ａを構成する前記水晶片１０１は、例えばその一辺側が、蓋体１１３の一面に固定されている。そして、振動子カバー１１１の内部空間１１２に前記水晶振動片１０ａを挿入して、蓋体１１３にて前記開口を塞いだとき、励振電極１０２、１０３が形成された水晶振動片１０ａの上面及び下面は、振動子カバー１１１の内壁面との間に隙間を介して配置される。この結果、励振電極１０２、１０３が設けられた面は、他の部材によって拘束されない自由振動面となる。

励振電極１０２、１０３は、蓋体１１３を貫通する導電性の接続ピン１１４に電気的に接続されている。そして、振動子カバー１１１と蓋体１１３とに囲まれた内部空間１１２から、外部へと延伸された前記接続ピン１１４の他端側を第１の基板３１上にプリントされた配線パターン（不図示）に接続することにより、ＬＳＩ３００内部の第１の発振回路１に対して、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａが電気的に接続される。なお、蓋体１１３を貫通する接続ピン１１４は、当該蓋体１１３に対して絶縁されている。
また図５（ａ）に示すように、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａを収容した振動子カバー１１１は、その下面側が第１の基板３１に対してはんだ１１５で固定されている。

既述のように、その配置位置における温度を検出する目的、及びＤＤＳ回路部の動作クロックとして用いられる周波数信号ｆ１を得るための第１の水晶振動子１０は、周囲の温度変化や経時変化に対して安定した周波数信号を得るため、他の水晶振動子（第２の水晶振動子２０、及びＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１）よりも大きなサイズの水晶片１０１を用いて構成されている。このため、振動子カバー１１１を含む第１の水晶振動子１０のサイズも、３つの水晶振動子１０、２０、２０１のなかで最も大きい。

一方、第２の水晶振動子２０には、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明した第１の水晶振動子１０とほぼ同様のエネルギー閉込め型の振動子が用いられるが、その周波数信号ｆ２は第１の容器４１内の温度を検出する目的のみに用いられ、ＤＤＳ回路部の動作クロックの生成を行わない。このため、第２の水晶振動子２０について、周囲の温度変化に対する周波数の安定性は、第１の水晶振動子１０ほどまでには要求されない。そこで、発振装置１Ａの小型化の観点から、図２、図４（ａ）に示す例では、水晶片の一辺の長さが第１の水晶振動子１０の半分程度であり、振動子カバーのサイズも小さな第２の水晶振動子２０が採用されている。

さらにＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１については、当該ＶＣＸＯより出力される周波数信号は、ＰＬＬ回路部２００にて基準周波数信号と位相比較され、この基準周波数信号と位相が揃うように周波数調整される。そして、基準周波数信号に対しては、ヒーター回路５０による第１の容器４１内の温度安定化や、温度検出値ΔＦに基づく周波数設定値の補正により、高い精度で周波数の安定化が図られている。

このように、受動的に周波数調整がなされるＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１単体の周波数安定性についても、周囲の温度変化に対する周波数の安定性は、第１の水晶振動子１０ほどまでには要求されていない。そこで、当該水晶振動子２０１については、発振装置１Ａの小型化を優先して、第２の水晶振動子２０よりもさらに小型のものが用いられている。ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１の水晶振動片は、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明したエネルギー閉込め型の振動子でもよいし、水晶片の表面にＩＤＴ（Inter Digital Transducer）を形成してなるＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動子であってもよい。

以上に説明した各水晶振動子１０、２０、２０１のうち、水晶振動子１０と、ＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１とが第１の基板３１の上面側に配置されている。
詳細には、図４（ｂ）に示すように、最も寸法の大きな第１の水晶振動子１０が、第１の基板３１の短辺方向中央部、長辺方向の一端側に寄った位置に配置され、寸法が最も小さいＶＣＸＯ側の水晶振動子２０１は、第１の水晶振動子１０と隣り合って、互いの長辺の向きを揃えるようにして配置されている。

これら水晶振動子１０、２０１が配置されている領域の周囲の第１の基板３１の上面側には、第１の基板３１の各辺に沿って複数のヒーター回路５０が配置されている。図４（ａ）に示した例では、第１の水晶振動子１０によって占有されていない３辺に沿って７個のヒーター回路５０が互いに間隔を開けて配置されている。
各水晶振動子１０、２０１やヒーター回路５０は、例えばリフロー方式により第１の基板３１にはんだ付けされている。

一方、残る第２の水晶振動子２０は、第１の基板３１の下面側の中央部に設けられ、この第２の水晶振動子２０となり合ってＬＳＩ３００が配置されている。さらに、第１の基板３１の下面側には、外部メモリ８２やループフィルタ２０２が設けられている。これら第２の水晶振動子２０やＬＳＩ３００などについても、例えばリフロー方式にて第１の基板３１にはんだ付けされている。

以上に説明した各種電子部品が配置された第１の基板３１は、図２、図３に示すように金属製の第１の容器４１内に収容されている。第１の容器４１の内部において、第１の基板３１は、支持部材である複数本の導電性の第１の支持ピン６４によって支持され、第１の容器４１の内壁から浮いた状態（内壁と接触していない状態）となるように、配置されている。第１の支持ピン６４は、第１の基板３１に設けられた各電子部品に対して電気的に接続されている。

これら第１の支持ピン６４は、第１の容器４１の底板部４１２を貫通して、第１の容器４１の底面から下方側へ向けて伸び出している。また、第１の支持ピン６４が第１の容器４１を貫通する位置において、第１の支持ピン６４と第１の容器４１との間には、不図示の絶縁封止部材が設けられ、第１の支持ピン６４と第１の容器４１とが電気的に絶縁されると共に、第１の容器４１の内部が気密に保たれている。
また第１の容器４１の下面には、前記第１の支持ピン６４と電気的に接続された複数本の接続ピン６１が、下方側へ向けて伸び出すように設けられている（図２）。

このように、第１の基板３１上に構成されると共に、第１の容器４１内に収容された発振装置１Ａは、第１の容器４１内がヒーター回路５０によって一定の温度に調節されているので、各水晶振動子１０、２０、２０１が置かれる雰囲気の温度の変化を抑え、安定した周波数の周波数信号を出力する能力を有している。
ところが、高度な周波数安定化措置が図られている前記発振装置１Ａを実際に製作したとき、外気温度の変化や気流の発生など、周囲の雰囲気の変動に起因して発振装置１Ａから出力される周波数信号の安定性が低下してしまう事象が確認された。

そこで発明者は、こうした周波数変動の原因について検討を行った。例えば上述のヒーター回路５０は、２０ミリ℃の制御幅内に収まるように第１の容器４１内の温度を調節することができる。このとき、例えばＳＣカットの水晶片１０１を用い、各水晶振動子１０、２０の温度設定値が、ＳＣカット水晶の零温度係数点（ＺＴＣ点：Zero-Temperature Coefficient、水晶振動子の温度変化による周波数変化が最低となる温度）と一致するようにヒーター回路５０の出力を調節すると、理論上の周波数変動は±０．１ｐｐｂ以下に抑えることができる。
例えば図６は、ＳＣカット水晶の周波数温度特性を示し、実線で示した温度範囲がヒーター回路５０による概略の温度制御範囲を示している。

ところが、実際の周波数変動幅は±２〜±７ｐｐｂ程度になり、図６中に破線で温度範囲を示すように、±２℃以上の温度変動に相当する大きな周波数変動が観察された。
そこで発明者は、ヒーター回路５０による温度制御以外に、発振装置１Ａの周波数温度特性に影響を与える要素について、さらなる検討を行った。その結果、後述の比較例に示すように、第１の容器４１の周囲の雰囲気の変動が、依然として周波数信号の安定性に影響を与える一つの要因となっていることが分かった。

そこで本例の発振装置１Ａにおいては、これら外部の雰囲気の変動の影響を低減するため、上述の第１の容器４１を、さらに第２の容器４２内に収容した構造となっている。
即ち図２、図３に示すように、第１の容器４１は、当該第１の容器４１の下面から下方側へ向けて突出している既述の第１の支持ピン６４の下端部に接続された第２の基板３２によって支持されている。この第２の基板３２は、さらに支持部である複数本の第２の支持ピン６２によって支持され、第１の容器４１及び第２の基板３２が、第２の容器４２の内壁から浮いた状態（内壁と接触していない状態）となるように、配置されている。

前記第２の基板３２の下面（第１の容器４１と対向する面とは反対側の面）には、既述の電圧安定化回路６が設けられている。ヒーター回路５０の影響を受けて温度が上昇する第１の容器４１に対して、第２の基板３２によって遮られる位置（第１の容器４１と直接、対向しない位置）に熱の影響を受け易い電子部品（本例においては電圧安定化回路６）を配置することにより、熱の影響を抑えて周波数の安定性の向上に貢献することができる。
さらに、第２の基板３２上における第１の容器４１の周囲には、例えばヒーター回路５０を構成するパワートランジスタへの電力供給に用いられる周辺回路８３などが設けられている（図３）。

第２の基板３２を支持する第２の支持ピン６２は、第２の容器４２の底板部４１２を貫通して、第２の容器４２の底面から下方側へ向けて伸び出している。また、第２の支持ピン６２が第２の容器４２を貫通する位置において、第２の支持ピン６２と第２の容器４２との間には、不図示の絶縁封止部材が設けられ、第２の支持ピン６２と第２の容器４２とが電気的に絶縁されると共に、第２の容器４２の内部は気密に保たれている。

さらに第１の容器４１の下面に設けられた既述の複数の接続ピン６１についても、第２の基板３２及び第２の容器４２の底板部４２２を貫通して、第２の容器４２の底面から下方側へ向けて伸び出している。これら接続ピン６１と第２の容器４２との間にも不図示の絶縁封止部材が設けられ、各接続ピン６１と第２の容器４２とが電気的に絶縁されると共に、第２の容器４２の内部は気密に保たれている。
尚上記接続ピン６１の一部は、第２の基板３２に設けられた電圧安定化回路６や周辺回路８３に対しても電気的に接続されている。

図２、図３を用いて説明した発振装置１Ａの構造をまとめると、第１の容器４１、及びこの第１の容器４１を支持する第２の基板３２は、第２の容器４２内に収容され、第２の容器４２の内壁から浮いた状態となるように第２の支持ピン６２によって支持されている。また、発振装置１Ａの主要な電子部品が配置された第１の基板３１は、前記第１の容器４１内に収容され、第１の容器４１の内壁から浮いた状態となるように第１の支持ピン６４によって支持されている。そして、第１の容器４１及び第２の容器４２の内部は、各々、外部から気密に区画されている。

従って、第１の基板３１に配置された各種電子部品は、第２の容器４２及び第１の容器４１によって、第２の容器４２の周囲の雰囲気に対して、２重に隔離された状態となっている。また、第２の容器４２に対する第１の容器４１の熱的接触、及び第１の容器４１に対する第１の基板３１の熱的接触も、第１、第２の支持ピン６４、６２による支持などに、最低限に制限されている。このような構造により、発振装置１Ａを構成する電子部品は、第２の容器４２の周囲の雰囲気の変動の影響を受けにくく、ヒーター回路５０による温度制御を安定して行うことができる。

これらの構造的な特徴に加え、本例の発振装置１Ａは、第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間が真空雰囲気（大気圧よりも低い圧力雰囲気）となっている。
真空雰囲気となっている第２の容器４２内の圧力は、大気圧雰囲気と比較して真空断熱の効果が得られる圧力であれば特段の限定はないが、例えば１ｋＰａ以下、好適には０．１ｋＰａ以下の圧力に調節される。

第２の容器４２内を真空雰囲気にする手法としては、例えば第１の容器４１や第２の基板３２を予め組み付けた第２の容器４２の底板部４２２と、そのカバー部４２１とを用意し、目的とする第２の容器４２内の圧力と同じ圧力になるように減圧された空間内でこれら底板部４２２とカバー部４２１とを接合して、第２の容器４２を組み立てる手法が挙げられる。

一方で、第１の容器４１の内部については、例えば窒素などの不活性気体が封入された大気圧と同程度の圧力雰囲気であってもよいし、第２の容器４２側と同様の真空雰囲気であってもよい。
第１の容器４１内に気体が封入されている場合には、各水晶振動子１０、２０、２０１は、ヒーター回路５０からの熱輻射や第１の基板３１やはんだ１１５を介した熱伝導、第１の容器４１内の気体を介した熱伝達によって加熱される。また、第１の容器４１内が真空雰囲気である場合は、これら水晶振動子１０、２０、２０１は、主としてヒーター回路５０からの熱輻射や第１の基板３１などを介した熱伝導により加熱される。温度検出部５３にて検出される温度は、これらの伝熱形態にてヒーター回路５０により加熱された水晶振動子１０、２０の温度である。

第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間を真空雰囲気とし、必要に応じてさらに第１の容器４１内を真空雰囲気とすることにより、第１の基板３１に設けられた各水晶振動子１０、２０、２０１などの電子部品を、第２の容器４２の周囲の雰囲気から真空断熱することができる。これらの電子部品が、第２の容器４２の周囲の雰囲気の変動の影響を受けにくくなり、ヒーター回路５０による温度制御を安定して行うことができる。
なお、ヒーター回路５０による温度調節を行いやすくする観点から、各水晶振動子１０、２０、２０１において、振動子カバー１１１内は不活性気体などが封入され、大気圧と同程度の圧力雰囲気となっている。

本実施の形態に係る発振装置１Ａによれば、以下の効果がある。第１の容器４１内に設けられた第１の基板３１上に、振動子（第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０、信号発生用の水晶振動子２０１）と、これら振動子１０、２０、２０１の温度制御を行うヒーター回路５０とを設けると共に、さらに第２の容器４２内に、その内壁から浮いた状態で第１の容器４１を配置している。そして、これら第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間を真空雰囲気として真空断熱を行っているので、第１の容器４１の内部が、第２の容器４２の周囲の雰囲気の変動の影響を受けにくく、振動子１０、２０、２０１の温度制御を安定して行うことが可能となり、周波数の安定性が向上する。

ここで、図２、図３には、発振装置１Ａの各電子部品を搭載した第１の基板３１が第１の容器４１の内壁から浮いた状態となるように、第１の基板３１を第１の支持ピン６４によって支持した例を示した。但し、本例の発振装置１Ａにおいては、第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間を真空雰囲気としたことによる断熱効果が高いので、第１の基板３１は必ずしも第１の容器４１の内壁から浮いた状態となっていなくてもよい。例えば、発振装置１Ａの各電子部品を第１の基板３１の上面側に配置し、当該第１の基板３１が第１の容器４１の底板部４１２の上面に接するように載置してもよい。

また、第１の水晶振動子１０を第１の容器４１内の温度検出用に用いることは必須ではなく、例えば熱電対やサーミスタを用いて温度検出を行い、これらの素子の温度検出結果に基づいてヒーター回路５０の出力を調節してもよい。この場合には、第１の水晶振動子１０は、基準周波数信号を得るためのみに用いられ、第２の水晶振動子２０は設けられない。

さらに、第１の水晶振動子１０を用いて得られた周波数信号ｆ１を、ＤＤＳ回路部の動作クロックとして用いることも必須の要件ではない。例えば、当該周波数信号ｆ１を基準周波数信号として、ＶＣＸＯより得られた周波数信号との位相比較を行ってもよい。

（温度周波数特性実験）
第２の容器４２の有無の特性差を確認するために、第１、第２の容器４１、４２を備えた発振装置、及び第１の容器４１のみを備えた従来構造の発振装置の周波数温度特性を比較した。
Ａ．実験条件
（参考例１、２）第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間に、大気圧と同程度の圧力の窒素が封入されている点を除き、図２〜図５を用いて説明した発振装置１Ａと同様の構成を備えた発振装置を２台製作し、周囲の温度を−４０℃〜＋８５℃の範囲で変化させながら、各発振装置から出力される周波数信号の周波数の温度特性を測定した。第１の容器４１内は大気圧と同程度の圧力の窒素が封入されており、第１の水晶振動子１０の水晶振動片１０ａには、Ｍ−ＳＣ（Modified SC）カットの水晶片１０１を用いた。温度特性の測定にあたっては、第１、第２の水晶振動子１０、２０の温度設定値が９３℃となるようにヒーター回路５０にて温度制御を行った。本発振装置の周波数設定値は２０ＭＨｚである。
（比較例１、２）第２の容器４２を備えていない点を除いて参考例１、２と同様の構成の２台の発振装置を製作し、参考例１、２と同様の手法で周波数信号の周波数の温度特性を測定した。

Ｂ．実験結果
参考例１、２、比較例１、２の結果を図７に示す。図７の横軸は、発振装置の周囲の雰囲気の温度［℃］、縦軸は周波数設定値に対して発振装置から出力された周波数信号の周波数偏差（（周波数設定値−出力周波数）／周波数設定値）［ｐｐｂ］を示している。ここで、参考例１、２と、比較例１、２とを重ねて表示すると、各実験結果の識別が困難となるため、図７には参考例１、２の周波数偏差に＋２ｐｐｂのオフセット値を加算した結果を示してある。同図中、参考例１、比較例１は、太い実線で示し、参考例２、比較例２は細い実線で示してある。

図７に示す結果によれば、参考例１、２に係る発振装置は、周囲の温度を−４０℃〜＋８５℃の範囲で変化させたときの周波数偏差の変化は約２．３ｐｐｂであった。また、周囲の温度を変化させていったときの周波数の変動（温度に依存する雑音）も比較的小さく、直線に近い周波数温度特性が得られた。このように、２つの参考例１、２における周波数偏差の相違は、比較的小さく、異なる発振装置であっても、周囲の温度が同じであれば、周波数の揃った周波数信号を出力できていることが分かる。

これに対して、比較例１、２に係る発振装置では、上述の温度が変化に対する周波数偏差の変化は、約２．５〜３ｐｐｂ程度の範囲でばらつき、特に０℃以下の低温領域では、周波数偏差の値が比較的大きく相違する傾向がみられる。また、周囲の温度を変化させていったときの周波数の変動（温度に依存する雑音）についても、大きな凸凹が観察された。このように、２つの比較例１、２の周波数偏差の相違は、参考例１、２と比べると大きく（特に低温領域）、周囲の温度が同じであっても、発振装置が異なると、周波数信号の周波数がずれてしまう場合があることが分かる。

以上に検討した参考例１、２、比較例１、２の結果によれば、ヒーター回路５０により温度調整される振動子（第１の水晶振動子１０、第２の水晶振動子２０など）が設けられた第１の基板３１を二重の容器（第１、第２の容器４１、４２）内に収容することにより、周囲の雰囲気の変動（例えば温度変化）に対して、安定した周波数の周波数信号を出力できることが確認できた。
従って、第１の容器４１と第２の容器４２との間の空間を真空状態として真空断熱を行うことにより、さらなる周波数特性の向上（周囲の雰囲気の変動に対する周波数の安定性の向上）が可能となることが分かる。

１Ａ 発振装置
１ 第１の発振回路
１０ 第１の水晶振動子
１０ａ 水晶振動片（水晶振動子）
１１１ 振動子カバー
２ 第２の発振回路
２０ 第２の水晶振動子
２００ ＰＬＬ回路部
２０１ 水晶振動子（ＶＣＸＯ）
３１ 第１の基板
３２ 第２の基板
４１ 第１の容器
４２ 第２の容器
５３ 温度検出部
５０ ヒーター回路
６２ 第２の支持ピン
６４ 第１の支持ピン

Claims (5)

1. 振動子に接続された発振回路と、配置位置における前記振動子の温度を予め設定された温度に加熱するためのヒーター回路と、を備えた発振装置において、
   第１の容器内に設けられた第１の基板と、
   この第１の基板に各々設けられた、振動子、発振回路、前記振動子の配置位置における温度を検出するための温度検出部、この温度検出部の温度検出値により供給電力が制御されるヒーター回路と、
   前記第１の容器を、その内部空間に収容すると共にその内壁から浮いた状態で支持部を介して支持する第２の容器と、を備え、
   前記第１の容器と第２の容器との間の空間は、真空雰囲気であることを特徴とする発振装置。
2. 前記第１の基板は、支持部材により、前記第１の容器の内壁から浮いた状態で支持されていることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
3. 前記第１の容器の内部の空間は、真空雰囲気であることを特徴とする請求項１または２に記載の発振装置。
4. 前記第１の容器の内部の空間は、不活性ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１または２に記載の発振装置。
5. 前記第１の容器は、前記支持部に支持された第２の基板上に支持されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の発振装置。

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