JP3950633B2 - 水晶発振器 - Google Patents
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- H03B7/00—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes
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- H03B5/32—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
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- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶発振器を産業上の技術分野とし、特に常温以下となる低温領域の温度点で、発振周波数が急激（不連続的）に変化する異常発振を防止した水晶発振器に関する。
【０００２】
（発明の背景）水晶発振器は周波数及び時間の基準源として、各種の電子機器例えば通信機器に内蔵される。このようなものの一つに、例えば多くの通信回線量を確保する広帯域型無線通信機器がある。これらは、一般に屋外に敷設され、温度変化の激しい環境下での使用が求められている。
【０００３】
（従来技術の一例）第４及び第５図は従来例を説明する図で、第４図は水晶発振器のブロック回路図、第５図は構造断面図である。
水晶発振器は、概ね、水晶振動子１と発振回路部２からなり、例えばコルピッツ型の発振回路３を形成する。水晶振動子１は例えばＡＴカットとした水晶片に電極を形成する（未図示）。そして、リード端子４の導出した金属容器５内に水晶片を保持して密閉封入される。
【０００４】
発振回路部２は、水晶振動子１（インダクタ成分）と図示しない共振回路を形成するコンデンサや発振用の増幅器等からなる。通常では、発振出力を増幅する発振増幅段７が接続する。そして、これらの水晶振動子１及びその他の各素子７は、リード端子８を有する回路基板９上に配置され、図示しないカバーを被せて封入される。
【０００５】
このようなものでは、特に水晶振動子１の周波数温度特性を主因として、発振周波数は温度によって変化する。この場合、水晶振動子１をＡＴカットとするので、常温（２５℃）近傍に変曲点を有する三次曲線となる。
【０００６】
これらの中でも、一般には、常温以下の低温領域に極大値を、常温以上の高温領域に極小値を有する、周波数温度特性が選択される（第６図）。すなわち、常温を中心とした広範囲の温度領域にわたり、発振周波数を極大値から極小値の範囲内に抑えることから、選択される。なお、極大値及び極小値の温度点は切断角度に依存する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の水晶発振器では、０℃以下とした低温領域の温度点で異常発振を生ずる問題があった。但し、ここでの異常発振とは、発振周波数が周波数温度特性に応じて緩やかに変化するのではなく、不連続的に変化する現象を言い、通称では発振周波数のジャンプと呼ばれる。
【０００８】
すなわち、周波数温度特性が何らかの理由あるいは条件が重なったことにより、例えば第７図に示したように、０℃以下のある温度点で極めて小さな共振点を持ち、これにより発振周波数が急激に変化する。これは、マイクロジャンプとも形容され、製造工程における周波数温度特性の測定時には発見されない。このようなことから、０℃以下となる環境下では、低温領域での異常発振を避けられない問題があった。但し、全ての水晶発振器に生ずるものではない。
【０００９】
なお、この従来例では単に水晶発振器としたが、例えば水晶発振器の発振閉ループ中に図示しない電圧可変容量素子を挿入して補償電圧を印加する。あるいは、発振閉ループ中にサーミスタとコンデンサの並列回路からなる温度補償回路を挿入し、周波数温度特性を補償して平坦にする所謂温度補償型の水晶発振器においても同様に異常発振を生ずる。
【００１０】
すなわち、これらの場合であっても、水晶振動子１自体は周囲温度に依存して低温領域に共振点を有する周波数温度特性を示すので、温度補償しても急激な周波数変化を避けられず、異常発振を生ずる。なお、マイクロジャンプは、例えば密閉容器内の水晶片表面に０℃以下での結露が生じる結果等の諸説があるものの、現時点ではその詳細は解明されていない。
【００１１】
（発明の目的）本発明は０℃以下となる低温領域での異常発振を防止した水晶発振器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（着目点及び利用）本発明は水晶振動子が０℃以下の低温領域での異常発振を生ずる温度点以上にすれば問題は生じない点に着目し、恒温槽型の水晶発振器（特開平１−１９５７０６号公報）で示される例えば発熱源となるパワートランジスタに水晶振動子を収容した恒温槽を当接する点を利用した。
【００１３】
（解決手段）本発明は、水晶振動子を熱源体に当接して、常温以下とする低温領域の温度点での異常発振を生ずる温度以上に維持したことを基本的な解決手段とする。
【００１４】
【作用】
本発明は水晶振動子を熱源体に当接して異常発振を生ずる温度以上に維持するので、周囲温度が異常発振を生ずる低温領域の温度になっても、水晶振動子は異常発振を生ずる温度にはならない。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１５】
【実施例】
第１図は本発明の一実施例を説明する水晶発振器の図である。なお、前従来例図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。
水晶発振器は、前述したように、ＡＴカットとした水晶片がリード端子４を有する金属容器５内に密閉封入された水晶振動子１、コンデンサ及び発振用の増幅器を有する発振回路部２、及び発振増幅段６からなる（前第４図参照）。そして、水晶振動子１及びその他の各素子７は回路基板９上に配設される。
【００１６】
そして、この実施例では、発振回路とは独立したリード端子１０を有するパワートランジスタ１１を回路基板９に設置する。そして、水晶振動子１はパワートランジスタ１１に当接して載置される。ここでは、水晶振動子１（金属容器５）の主面をパワートランジスタ１１に対面させて当接し、リード端子４を折曲して回路基板の配線パターン（未図示）に接続する。
【００１７】
このような構成であれば、水晶振動子１はパワートランジスタ１１の発熱によって少なくとも０℃以上の温度を維持する。したがって、周囲温度が０℃以下となる低温領域の温度以下に変化しても、水晶振動子１は０℃以上になる。これにより、０℃以下の温度点で生ずる異常発振を引き起こすことなく、安定した発振周波数を供給できる。
【００１８】
【他の事項】
上記実施例では、水晶振動子１はリード端子４を有する金属容器５内に水晶片を密閉封入したが、例えば裏面に実装電極を有するセラミック容器内に水晶片を密閉封入した表面実装用の水晶振動子であっても適用できる。この場合、表面実装用の水晶振動子１上にパワートランジスタ１１を載置すればよい（第２図）。
【００１９】
また、水晶振動子の温度は０℃以上に維持するとしたが、例えば低温領域での異常発振を生ずる温度が明確な場合は、その温度以上に維持すればよい。また、熱源体にはパワートランジスタ１１を採用したが、例えばセラミックヒータとしたり、ニクロム線を水晶振動子に巻回したりしてもよく、要は水晶振動子の温度が低温領域での異常発振を起こす温度点以上の温度に維持する手段であればよい。
【００２０】
また、水晶振動子を単に熱源体上に載置したが、例えば熱源体に供給する電流を感温素子（ポジスタやサーミスタ）により制御して、低温時には発熱量を大きくするようにしてもよい。例えば第３図に示したようにパワートランジスタ１１のベースバイアス抵抗１２（ａｂ）の接地側１２ｂを温度とともに抵抗値の減少するサーミスタとする。
【００２１】
このようにすれば、温度の上昇とともにバイアス電圧は低くなるのでエミッタ・コレクタ間の電流は減少して発熱量は小さくなる。逆に言えば、温度の下降ともにバイアス電圧は高くなるのでエミッタ・コレクタ間の電流は増加して発熱量は大きくなる。符号１３はコレクタ側の負荷抵抗である。
【００２２】
この場合、既存の恒温槽を用いた水晶発振器とは異なる。即ち既存の恒温槽は水晶振動子を一定の例えば高温側の極小値となる温度に維持するので制御回路は厳格（複雑）なものとなるが、本発明では一定温度以上にすればよいので制御回路はきわめて簡単になる。したがって、両者は明らかに相違する。
【００２３】
また、単なる水晶発振器として説明したが、例えば周波数温度特性を平坦にする前述した温度補償発振器の場合には、温度補償回路の感温素子を熱源体に近接して配置し、水晶振動子の温度を検出して補償すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、水晶振動子を熱源体に当接して、０℃以下とする低温領域の温度点での異常発振を生ずる温度以上に維持したので、低温領域での異常発振を防止した水晶発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例を説明する制御回路図である。
【図４】従来例を説明する水晶発振器のブロック回路図である。
【図５】従来例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図６】従来例を説明する水晶振動子の周波数温度特性である。
【図７】従来例の問題点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 発振回路部、３ 発振回路、４、８、１０ リード端子、５ 金属容器、６ 発振増幅段、７ 回路素子、９ 回路基板、１１ パワートランジスタ、１２ バイアス抵抗、１３ 負荷抵抗．
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶発振器を産業上の技術分野とし、特に常温以下となる低温領域の温度点で、発振周波数が急激（不連続的）に変化する異常発振を防止した水晶発振器に関する。
【０００２】
（発明の背景）水晶発振器は周波数及び時間の基準源として、各種の電子機器例えば通信機器に内蔵される。このようなものの一つに、例えば多くの通信回線量を確保する広帯域型無線通信機器がある。これらは、一般に屋外に敷設され、温度変化の激しい環境下での使用が求められている。
【０００３】
（従来技術の一例）第４及び第５図は従来例を説明する図で、第４図は水晶発振器のブロック回路図、第５図は構造断面図である。
水晶発振器は、概ね、水晶振動子１と発振回路部２からなり、例えばコルピッツ型の発振回路３を形成する。水晶振動子１は例えばＡＴカットとした水晶片に電極を形成する（未図示）。そして、リード端子４の導出した金属容器５内に水晶片を保持して密閉封入される。
【０００４】
発振回路部２は、水晶振動子１（インダクタ成分）と図示しない共振回路を形成するコンデンサや発振用の増幅器等からなる。通常では、発振出力を増幅する発振増幅段７が接続する。そして、これらの水晶振動子１及びその他の各素子７は、リード端子８を有する回路基板９上に配置され、図示しないカバーを被せて封入される。
【０００５】
このようなものでは、特に水晶振動子１の周波数温度特性を主因として、発振周波数は温度によって変化する。この場合、水晶振動子１をＡＴカットとするので、常温（２５℃）近傍に変曲点を有する三次曲線となる。
【０００６】
これらの中でも、一般には、常温以下の低温領域に極大値を、常温以上の高温領域に極小値を有する、周波数温度特性が選択される（第６図）。すなわち、常温を中心とした広範囲の温度領域にわたり、発振周波数を極大値から極小値の範囲内に抑えることから、選択される。なお、極大値及び極小値の温度点は切断角度に依存する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の水晶発振器では、０℃以下とした低温領域の温度点で異常発振を生ずる問題があった。但し、ここでの異常発振とは、発振周波数が周波数温度特性に応じて緩やかに変化するのではなく、不連続的に変化する現象を言い、通称では発振周波数のジャンプと呼ばれる。
【０００８】
すなわち、周波数温度特性が何らかの理由あるいは条件が重なったことにより、例えば第７図に示したように、０℃以下のある温度点で極めて小さな共振点を持ち、これにより発振周波数が急激に変化する。これは、マイクロジャンプとも形容され、製造工程における周波数温度特性の測定時には発見されない。このようなことから、０℃以下となる環境下では、低温領域での異常発振を避けられない問題があった。但し、全ての水晶発振器に生ずるものではない。
【０００９】
なお、この従来例では単に水晶発振器としたが、例えば水晶発振器の発振閉ループ中に図示しない電圧可変容量素子を挿入して補償電圧を印加する。あるいは、発振閉ループ中にサーミスタとコンデンサの並列回路からなる温度補償回路を挿入し、周波数温度特性を補償して平坦にする所謂温度補償型の水晶発振器においても同様に異常発振を生ずる。
【００１０】
すなわち、これらの場合であっても、水晶振動子１自体は周囲温度に依存して低温領域に共振点を有する周波数温度特性を示すので、温度補償しても急激な周波数変化を避けられず、異常発振を生ずる。なお、マイクロジャンプは、例えば密閉容器内の水晶片表面に０℃以下での結露が生じる結果等の諸説があるものの、現時点ではその詳細は解明されていない。
【００１１】
（発明の目的）本発明は０℃以下となる低温領域での異常発振を防止した水晶発振器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（着目点及び利用）本発明は水晶振動子が０℃以下の低温領域での異常発振を生ずる温度点以上にすれば問題は生じない点に着目し、恒温槽型の水晶発振器（特開平１−１９５７０６号公報）で示される例えば発熱源となるパワートランジスタに水晶振動子を収容した恒温槽を当接する点を利用した。
【００１３】
（解決手段）本発明は、水晶振動子を熱源体に当接して、常温以下とする低温領域の温度点での異常発振を生ずる温度以上に維持したことを基本的な解決手段とする。
【００１４】
【作用】
本発明は水晶振動子を熱源体に当接して異常発振を生ずる温度以上に維持するので、周囲温度が異常発振を生ずる低温領域の温度になっても、水晶振動子は異常発振を生ずる温度にはならない。以下、本発明の一実施例を説明する。
【００１５】
【実施例】
第１図は本発明の一実施例を説明する水晶発振器の図である。なお、前従来例図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。
水晶発振器は、前述したように、ＡＴカットとした水晶片がリード端子４を有する金属容器５内に密閉封入された水晶振動子１、コンデンサ及び発振用の増幅器を有する発振回路部２、及び発振増幅段６からなる（前第４図参照）。そして、水晶振動子１及びその他の各素子７は回路基板９上に配設される。
【００１６】
そして、この実施例では、発振回路とは独立したリード端子１０を有するパワートランジスタ１１を回路基板９に設置する。そして、水晶振動子１はパワートランジスタ１１に当接して載置される。ここでは、水晶振動子１（金属容器５）の主面をパワートランジスタ１１に対面させて当接し、リード端子４を折曲して回路基板の配線パターン（未図示）に接続する。
【００１７】
このような構成であれば、水晶振動子１はパワートランジスタ１１の発熱によって少なくとも０℃以上の温度を維持する。したがって、周囲温度が０℃以下となる低温領域の温度以下に変化しても、水晶振動子１は０℃以上になる。これにより、０℃以下の温度点で生ずる異常発振を引き起こすことなく、安定した発振周波数を供給できる。
【００１８】
【他の事項】
上記実施例では、水晶振動子１はリード端子４を有する金属容器５内に水晶片を密閉封入したが、例えば裏面に実装電極を有するセラミック容器内に水晶片を密閉封入した表面実装用の水晶振動子であっても適用できる。この場合、表面実装用の水晶振動子１上にパワートランジスタ１１を載置すればよい（第２図）。
【００１９】
また、水晶振動子の温度は０℃以上に維持するとしたが、例えば低温領域での異常発振を生ずる温度が明確な場合は、その温度以上に維持すればよい。また、熱源体にはパワートランジスタ１１を採用したが、例えばセラミックヒータとしたり、ニクロム線を水晶振動子に巻回したりしてもよく、要は水晶振動子の温度が低温領域での異常発振を起こす温度点以上の温度に維持する手段であればよい。
【００２０】
また、水晶振動子を単に熱源体上に載置したが、例えば熱源体に供給する電流を感温素子（ポジスタやサーミスタ）により制御して、低温時には発熱量を大きくするようにしてもよい。例えば第３図に示したようにパワートランジスタ１１のベースバイアス抵抗１２（ａｂ）の接地側１２ｂを温度とともに抵抗値の減少するサーミスタとする。
【００２１】
このようにすれば、温度の上昇とともにバイアス電圧は低くなるのでエミッタ・コレクタ間の電流は減少して発熱量は小さくなる。逆に言えば、温度の下降ともにバイアス電圧は高くなるのでエミッタ・コレクタ間の電流は増加して発熱量は大きくなる。符号１３はコレクタ側の負荷抵抗である。
【００２２】
この場合、既存の恒温槽を用いた水晶発振器とは異なる。即ち既存の恒温槽は水晶振動子を一定の例えば高温側の極小値となる温度に維持するので制御回路は厳格（複雑）なものとなるが、本発明では一定温度以上にすればよいので制御回路はきわめて簡単になる。したがって、両者は明らかに相違する。
【００２３】
また、単なる水晶発振器として説明したが、例えば周波数温度特性を平坦にする前述した温度補償発振器の場合には、温度補償回路の感温素子を熱源体に近接して配置し、水晶振動子の温度を検出して補償すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、水晶振動子を熱源体に当接して、０℃以下とする低温領域の温度点での異常発振を生ずる温度以上に維持したので、低温領域での異常発振を防止した水晶発振器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例を説明する制御回路図である。
【図４】従来例を説明する水晶発振器のブロック回路図である。
【図５】従来例を説明する水晶発振器の断面図である。
【図６】従来例を説明する水晶振動子の周波数温度特性である。
【図７】従来例の問題点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 発振回路部、３ 発振回路、４、８、１０ リード端子、５ 金属容器、６ 発振増幅段、７ 回路素子、９ 回路基板、１１ パワートランジスタ、１２ バイアス抵抗、１３ 負荷抵抗．
Claims (1)
- 温度に応答して共振周波数が変化する周波数温度特性を有した水晶振動子と発振回路とからなる水晶発振器において、前記水晶振動子を発振回路とは独立したパワートランジスタからなる熱源体に当接して、前記水晶振動子は前記パワートランジスタの発熱温度以上の温度に応答して共振周波数が変化するとともに、前記パワートランジスタは０℃以下とする低温領域の温度点での異常発振を生ずる温度以上の０℃以上に前記水晶振動子を維持したことを特徴とする水晶発振器。
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