JP4298580B2 - 恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器 - Google Patents
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Description
本発明は恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器（以下、高安定発振器とする）を技術分野とし、特に熱の利用が効率的な高安定発振器に関する。
（発明の背景）この種の水晶発振器は、恒温槽によって水晶振動子の動作温度を一定に維持して周波数安定度が高く、例えば光通信用の基地局に使用される。近年では、産業用でも小型化が浸透し、対応が求められている。
（従来技術の一例）第７図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は高安定発振器の一部断面図、同図（ｂ）は恒温槽への水晶振動子の挿入図である。
高安定発振器は、第１と第２の回路基板１（ａｂ）に配置（搭載）された水晶振動子２、恒温槽３、発振用素子４及び温度制御素子５を備えてなる。第１回路基板１ａは金属ベース６を絶縁貫通した外部端子としての金属ピン７ａに支持される。第２回路基板１ｂは第１回路基板１ａに植設された金属ピン７ｂに支持される。
水晶振動子２は例えばＡＴカットやＳＣカットの水晶片（付図示）を一対のリード線８が導出した金属ケース９からなる振動子容器に密閉封入してなる。恒温槽３は恒温槽本体（金属筒）１０に熱線１１を巻回してなり、水晶振動子２を収容する。あるいは、水晶振動子２の振動子容器に熱線１１を直接に巻回してなる（不図示）。そして、第２回路基板１ｂの一主面における中央に配置され、接着剤１２によって固着される。
なお、特に、水晶振動子２を真空封止とした場合には、振動子容器（金属カバー）からの輻射熱によって水晶片の温度が決定されるので、気体を封入した場合に比較して熱容量が小さい。これに対し、恒温槽本体１０を使用すると、これ自体による熱容量が大きくなるので、急激な温度変化に対して過敏な応答性がなく、発振周波数の瞬時的な変化を防止して安定度を高められる。但し、起動特性は低下する。また、例えば封止後の水晶振動子２が不良であった場合は熱線等をも廃棄せざるを得ないが、恒温槽本体１０を使用すれば水晶振動子２のみを交換すればよいので、経済的な利便性がある。
発振用素子４は水晶振動子２とともに発振回路を構成し、第２回路基板１ｂの他主面に配置される。温度制御素子５は少なくとも温度感温素子としてのサーミスタ５ａを含み、トランジスタとともに恒温槽３の温度を制御する温度制御回路を構成する。そして、サーミスタ５ａを除いて第１回路基板１ａの外周に配置される。温度制御回路は例えばサーミスタを恒温槽３に接合して恒温槽３の槽内温度を検出する。そして、検出温度に基づいて熱線１１に供給する電力を制御し、恒温槽３の槽内温度を一定に維持する。符号１７は金属カバーである。
このようなものでは、恒温槽３によって水晶振動子２の動作温度を一定にするので、温度変化による振動周波数の周波数変化を防止する。換言すると、水晶振動子２の周波数温度特性に基づいた発振周波数の変化を防止する。また、発振用素子４を搭載した第２回路基板１ｂを恒温槽３上に配置するので、回路素子自体の温度特性による周波数変化も防止する。これらのことから、周波数安定度を高めて例えば周波数偏差を0.05ｐｐｍ以下にして、特に産業用に採用される。
また、ここでは第２回路基板１ｂに発振用素子４を搭載して金属ピン７ｂによって第１回路基板１ａに電気的に接続し、第１回路基板１ａの金属ピン７ａが外部端子として導出する。したがって、第２回路基板１ｂの金属ピン７ｂは直接に外部には導出しないので、外部への熱の放出を防止する。
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の高安定発振器では、第２回路基板１ｂは接着剤１２によって恒温槽３上に接合する。したがって、恒温槽３（熱線１１）からの熱は特に接着剤１２によって遮断され、第２回路基板１ｂ上の発振用素子４に対する熱効率が悪い。なお、一般の接着剤１２は熱導電性が悪い。
また、熱伝導性の接着剤１２を適用したとしても、接着剤１２の厚み制御が困難で塗りむら等を生じ、第２回路基板１ｂの熱分布が不安定になる。そして、金属カバー１７を被せた後は、容器内部で対流を生じて第２回路基板１ｂ上の発振用素子４に温度変化を生じる。特に、温度感応素子（サーミスタ５ａ）とともに温度依存性の大きい熱高感度素子としての例えば電圧可変容量素子が直接的に影響を受けて特性を低下させる。さらに恒温槽３は恒温槽本体１０に熱線１１を巻回して製造されるので、コストが高い問題もあった。
（発明の目的）本発明は基本的に熱の効率を高めた高安定発振器を提供することを目的とする。
本発明は、特許請求の範囲の請求項１に示したように、水晶片を密閉封入する振動子用容器を含めて水晶振動子の温度を一定に維持する恒温槽本体と、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記恒温槽本体の槽内温度を制御する温度制御回路を構成する温度制御素子と、前記恒温槽本体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載する回路基板とを備える、恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器において、前記回路基板の一主面に発熱用のチップ抵抗と前記発振用素子及び前記温度制御素子のうちの温度依存性の大きい熱高感度素子とを配置し、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体とを熱伝導性の物質で直接的に熱結合し、前記恒温槽本体は収容部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記収容部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置した構成とする。
また、請求項６に示したように、水晶片を密閉封入する振動子用容器を含めて水晶振動子の温度を一定に維持する恒温槽本体と、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記恒温槽本体の槽内温度を制御する温度制御回路を構成する温度制御素子と、前記恒温槽本体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載する回路基板とを備える、恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器において、前記回路基板の一主面に発熱用のチップ抵抗と前記発振用素子及び前記温度制御素子のうちの温度依存性の大きい熱高感度素子とを配置し、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体とを熱伝導性の物質で直接的に熱結合し、前記恒温槽本体は平板部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記空間部の上方部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部の下方部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置したことを特徴とする恒温槽を用いた構成とする。
このような請求項１又は６の構成であれば、回路基板に配置されたチップ抵抗が熱伝導性の物質によって恒温槽本体と直接的に熱結合するので、基本的に恒温槽を形成する。また、チップ抵抗は
回路基板に直接的に熱を供給するので、熱効率を良好にして回路基板の熱分布も均一にする。特に、熱高感度素子はチップ抵抗と直接的に熱結合するので、熱高感度素子はチップ抵抗の発熱温度に対する依存度が高い。さらに、チップ抵抗を熱源とするので例えば熱線の巻回作業を不要にして製造コストを安価にする。
回路基板に直接的に熱を供給するので、熱効率を良好にして回路基板の熱分布も均一にする。特に、熱高感度素子はチップ抵抗と直接的に熱結合するので、熱高感度素子はチップ抵抗の発熱温度に対する依存度が高い。さらに、チップ抵抗を熱源とするので例えば熱線の巻回作業を不要にして製造コストを安価にする。
そして、請求項１の構成では、前記恒温槽本体は収容部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記収容部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置する。これにより、振動子用容器のみの場合よりも恒温槽の熱容量を大きくし、温度変化に対して鈍感となって、発振周波数の瞬間的な変化を防止する。但し、起動特性は遅くなる。
また、請求項６の構成では、前記恒温槽本体は平板部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記空間部の上方部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部の下方部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置する。これにより、請求項１と同様に恒温槽の熱容量を大きくするとともに、例えば平板材をコ字状に折曲すればよいのでコストの低減を図れる。
（実施態様項）
本発明の請求項２又は７では、請求項１の前記熱伝導性の物質は柔軟性物質であって、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に前記柔軟性物質を設けて密着する。これにより、発熱用のチップ抵抗と熱高感度素子と恒温槽本体とが柔軟性物質によって密着し、熱結合を直接的にする。
本発明の請求項２又は７では、請求項１の前記熱伝導性の物質は柔軟性物質であって、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に前記柔軟性物質を設けて密着する。これにより、発熱用のチップ抵抗と熱高感度素子と恒温槽本体とが柔軟性物質によって密着し、熱結合を直接的にする。
同請求項３又は８では、請求項２の前記柔軟性物質はシート状であって、前記発熱用のチップ抵抗及び前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に設けられる。これにより、例えば回路基板上のチップ抵抗及び高感度素子と恒温槽本体との間にシート状とした柔軟性物質を例えば厚みを大きくして介在させれば、チップ抵抗及び高感度素子の外周に食い込んで密着するので作業も良好にする。
同請求項４又は９では、請求項１、２、３又は６、７、８の前記熱高感度素子は温度制御素子のうちの温度感応素子又は及び発振用素子のうちの電圧可変容量素子とする。これにより、例えば温度感応素子とした場合は、発熱用のチップ抵抗（及び恒温槽本体）の温度をリアルタイムに検出するので、温度制御の応答性を良好にする。また、電圧可変容量素子とした場合は、チップ抵抗の発熱温度に依存して一定温度になるので温度変化による特性低下を防止する。
同請求項５又は１０では、請求項１の前記回路基板の他主面には発振用素子が配置される。これにより、発振用素子の温度を一定にして周波数安定度を良好にする。
(実施例１)
第１図及び第２図は本発明の第１実施例を説明する高安定発振器の図で、第１図（ａ）は要部の組立分解図、同図（ｂ）は短手方向の要部断面図、第２図は恒温槽本体の一方の脚を除去した長手方向の断面図である。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。
第１図及び第２図は本発明の第１実施例を説明する高安定発振器の図で、第１図（ａ）は要部の組立分解図、同図（ｂ）は短手方向の要部断面図、第２図は恒温槽本体の一方の脚を除去した長手方向の断面図である。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。
高安定発振器は前述したように水晶振動子２、恒温槽３、発振用素子４及び温度制御素子５を備え、これらを１枚の回路基板１に配置してなる。ここでの恒温槽３は恒温槽本体（金属筒）１３と発熱用のチップ抵抗１４からなる。恒温槽本体１３は水晶振動子２の収容部を有して、短手方向の両側から脚部が延出して一主面に空間部としての窪み１５を有する。収容部及び窪み１５は長手方向の両側を開放する。収容部の一端側は熱伝導性の柔軟性物質１９である樹脂１９Ａが充填されて水晶振動子（振動子用容器）の頭部領域と熱的に結合する。
チップ抵抗１４は回路基板１の一主面における中央領域に３個が並列的に配置され、金属パターン１６に半田によって電気的に接続して固着される。各チップ抵抗１４の間には温度制御素子５としてのサーミスタ５ａと、発振用素子４としての電圧可変容量素子４ａとが配置される。チップ抵抗１４、サーミスタ５ａ及び電圧可変容量素子４ａ上には例えば絶縁を兼ねた熱伝導性の柔軟性物質１９が設けられる。
この例では、熱伝導性の柔軟性物質１９はシート状とした（株）ジェルテックのλＧＥＬ（登録商標）１９Ｂが敷設される。この場合、チップ抵抗１４と恒温槽本体１３の底面との間隙よりも厚みを大きくする。そして、両者間に介在したシート状のλＧＥＬ１９Ｂを恒温槽本体１３によって押圧する。これにより、シート状のλＧＥＬ１９をチップ抵抗１４、サーミスタ５ａ及び電圧可変容量素子４ａの外周を食い込ませて密着させる。
恒温槽本体１３は脚部が金属パターン１６に接触して、例えば穴１８を挿通したネジによって回路基板１に固定される。サーミスタ５ａは窪み１５内の温度を検出し、電圧可変容量素子４ａは発振回路を電圧制御型として図示しない制御電圧によって発振周波数を可変する。電圧可変容量素子４ａを除く発振用素子は回路基板１の他主面における中央領域に配置される。サーミスタ５ａを除く温度制御素子５は他主面の外周領域に配置される。
このような構成であれば、発明の効果で述べたように、回路基板１に配置されたチップ抵抗１４が熱伝導性の柔軟性物質１９であるシート状のλＧＥＬ１９Ｂによって恒温槽本体１３と直接的に熱結合するので、基本的に恒温槽３を形成する。この場合、熱伝導性の柔軟性物質１９は３つのチップ抵抗１４を１つの熱源として熱容量を大きくする。また、チップ抵抗１４は回路基板１に直接的に熱を供給するので、熱効率を良好にして回路基板１の熱分布も均一にする。この例では、恒温槽本体１３の脚部がチップ抵抗１４の接続する金属パターン１６に接合するので、熱の伝導を更に良好にする。したがって、発振素子４の一定に維持して温度特性による周波数変化を防止する。
特に、熱高感度素子であるサーミスタ５ａ及び電圧可変容量素子４ａはチップ抵抗１４と直接的に熱結合するので、チップ抵抗１４の発熱温度に対する依存度が高い。したがって、サーミスタ５ａの場合は、恒温槽本体１３の温度を直接的（リアルタイム）に検出できて、応答性（追従性）を良好にする。また、電圧可変容量素子の場合は、温度に依存する電圧−容量特性の変化を防止して発振周波数を安定にする。特に、窪み１５によって覆われるので、対流の影響がなく回路基板の他主面に配置した場合よりも温度を一定に維持できる。
また、チップ抵抗１４を熱源とするので例えば熱線の巻回作業を不要にして製造コストを安価にする。この例では、回路基板１を一枚として発振用素子４及び温度制御素子５を搭載するので、さらに製造原価を安くする。そして、回路基板１を一枚として効率的な構造なので放熱分を少なくする。また、恒温槽本体１３によって熱容量を大きくするので、急激な温度変化に対しての発振周波数の変化を防止する。但し、この場合の熱容量は、恒温槽本体１３、熱伝導性の柔軟性物質１９（樹脂１９Ａ及びλＧＥＬ１９Ｂ）の総和となる。
なお、第１実施例においては、恒温槽本体１３の窪みは両端を開放したが、閉塞面としてもよい。この場合、開放面からの放熱を防止するのでさらに効率的にする。そして、窪み１５を複数に分割して（第３図）、複数の窪み１５にチップ抵抗１４や熱高感度素子を配置することもできる。
(実施例２)
第４図は本発明の第２実施例を説明する高安定発振器の要部断面である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は省略する。
第４図は本発明の第２実施例を説明する高安定発振器の要部断面である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は省略する。
第２実施例では、恒温槽本体１３は平板部１３ａの両端側から一対の脚部１３ｂが延出して断面コ字状の空間部を有してなる。例えば金属板をコ字状に折曲して形成される。そして、空間部の上方部（平板部側）に水晶振動子２を配置し、例えば平板部１３ａと熱伝導性の柔軟性物質である樹脂１９ａで接着し、熱的に結合する。そして、空間部の下方部となる回路基板１上には、発熱用のチップ抵抗１４と熱高感度素子であるサーミスタ５ａと電圧可変容量素子４ａとを配置する。そして、水晶振動子２と熱高感度素子との間には熱伝導性の柔軟性物質１９であるシート状のλＧＥＬ９Ｂを密着して介在させる。
このような構成であっても、第１実施例と同様に熱導電性の柔軟性物質１９としてのλＧＥＬ１９Ｂによって、チップ抵抗１４からの熱が水晶振動子２に伝搬して基本的に恒温槽を形成する。したがって、第１実施例と同様の効果を奏する。そして、この場合でも、コ字状とした恒温槽本体１３が熱容量を大きくして急激な温度変化に対しても発振周波数を安定にする。また、恒温槽本体１３は金属板をコ字状に折曲すればよいので、切削加工等を不要にしてコストの低減を図れる。
なお、この実施例において、例えば第５図に示したように、折曲時に突起部２１を設けて水晶振動子２を保持するようにしてもよい。
(実施例３、参考例)
第６図は本発明の第３実施例を説明する高安定発振器の要部断面で、前各実施例と同一部分の説明は省略する。
第３実施例では、恒温槽本体１３は水晶振動子２の振動子用容器とする。そして、振動子用容器（水晶振動子２）の下面に、発熱用のチップ抵抗１６と熱高感度素子としてのサーミスタ５ａ及び電圧可変容量素子４ａを配置する。ここでは、回路基板１に搭載されたチップ抵抗１６及び熱高感度素子上に熱伝導性の柔軟性物質１９としての樹脂１９Ｂを塗布する。そして、水晶振動子２を重ねて樹脂を硬化させる。
このような構成であっても、熱伝導性の柔軟性物質１９としての樹脂１９Ｂによって、チップ抵抗１４からの熱が水晶振動子２に伝搬して基本的に恒温槽を形成するので、前第１及び第２実施例と同様の効果を奏する。そして、前述の恒温槽本体１３を使用しないので、コストの低減をさらに図れる。この場合、熱導電性の柔軟性物質１９（樹脂１９Ｂ）の量によって熱容量を制御できる。
（他の事項）上記実施例では、回路基板を１枚として製造原価を安くしたが、機能面を重視する場合は従来例と同様に２枚の回路基板を使用してもよい。この場合でも恒温槽本体１３上には発振用素子４を搭載した回路基板１が設けられる。
また、恒温槽本体１３の窪み１５にはサーミスタ５ａ及び電圧可変容量素子４ａを配置したが、例えば発振回路のトランジスタ等を配置してもよく、要は温度依存性の高い回路素子を配置すればよい。また、チップ抵抗は必要に応じて１個叉は４個以上としてもよい。
１ 回路基板、２ 水晶振動子、３ 恒温槽、４ 発振用素子、５ 温度制御素子、６ 金属ベース、７ 金属ピン、８ リード線、９ 金属ケース、１０、１３ 恒温槽本体、１１ 熱線、１２ 接着剤、１４、チップ抵抗、１５ 窪み、１６ 金属板、１７ 金属カバー、１８ ネジ穴、１９ 熱伝導性の柔軟物質、１９Ａ λＧＥＬ １９Ｂ 樹脂 ２０ 突起部。
Claims (10)
- 水晶片を密閉封入する振動子用容器を含めて水晶振動子の温度を一定に維持する恒温槽本体と、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記恒温槽本体の槽内温度を制御する温度制御回路を構成する温度制御素子と、前記恒温槽本体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載する回路基板とを備える、恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器において、
前記回路基板の一主面に発熱用のチップ抵抗と前記発振用素子及び前記温度制御素子のうちの温度依存性の大きい熱高感度素子とを配置し、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体とを熱伝導性の物質で直接的に熱結合し、
前記恒温槽本体は収容部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記収容部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置したことを特徴とする恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器。 - 請求項１において、前記熱伝導性の物質は柔軟性物質であって、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に前記柔軟性物質を設けて密着した高安定用の水晶発振器。
- 請求項２において、前記柔軟性物質はシート状であって、前記発熱用のチップ抵抗及び前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に設けられた高安定用の水晶発振器。
- 請求項１、２、又は３において、前記熱高感度素子は温度制御素子のうちの温度感応素子又は及び発振用素子のうちの電圧可変容量素子である高安定用の水晶発振器。
- 請求項１において、前記回路基板の他主面には発振用素子が配置された高安定用の水晶発振器。
- 水晶片を密閉封入する振動子用容器を含めて水晶振動子の温度を一定に維持する恒温槽本体と、前記水晶振動子とともに発振回路を構成する発振用素子と、前記恒温槽本体の槽内温度を制御する温度制御回路を構成する温度制御素子と、前記恒温槽本体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載する回路基板とを備える、恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器において、
前記回路基板の一主面に発熱用のチップ抵抗と前記発振用素子及び前記温度制御素子のうちの温度依存性の大きい熱高感度素子とを配置し、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体とを熱伝導性の物質で直接的に熱結合し、
前記恒温槽本体は平板部の両端側から一対の脚部が延出した断面コ字状とする空間部を有し、前記空間部の上方部には前記水晶振動子を前記恒温槽本体と熱的に結合させて配置し、前記空間部の下方部には前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子とを配置したことを特徴とする恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器。 - 請求項６において、前記熱伝導性の物質は柔軟性物質であって、前記発熱用のチップ抵抗と前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に前記柔軟性物質を設けて密着した高安定用の水晶発振器。
- 請求項７において、前記柔軟性物質はシート状であって、前記発熱用のチップ抵抗及び前記熱高感度素子と前記恒温槽本体との間に設けられた高安定用の水晶発振器。
- 請求項６、７、又は８において、前記熱高感度素子は温度制御素子のうちの温度感応素子又は及び発振用素子のうちの電圧可変容量素子である高安定用の水晶発振器。
- 請求項６において、前記回路基板の他主面には発振用素子が配置された高安定用の水晶発振器。
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