JP4426375B2

JP4426375B2 - 恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器

Info

Publication number: JP4426375B2
Application number: JP2004148797A
Authority: JP
Inventors: 学伊藤
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: CN1700589A; CN100576720C; JP2005333315A

Description

本発明は恒温型とし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）この種の高安定発振器は、恒温槽によって水晶振動子の動作温度を一定に維持するので周波数安定度が高く、例えば産業用とした光通信の基地局に使用される。近年では、これらのもの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２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）は水晶振動子の外観図である。

高安定発振器は第１と第２の回路基板１（ａｂ）を備えてなる。第１回路基板１ａは金属ベース２を絶縁貫通した外部端子としての金属ピン３ａに支持される。そして、恒温槽４及び温度制御素子５を配置し、温度を一定に維持する温度制御機構を構成する。恒温槽４は一端側が開放した金属筒からなり、外周には熱線６を巻回するとともに温度検出素子としてのサーミスタ５Ａを固着する。そして、第１回路基板１ａ上に配置された電力制御用のパワートランジスタ５Ｂ上に固定される。

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３ｂに支持され、恒温槽４の開放面を閉塞する。そして、水晶振動子７及び発振用素子８が両主面に配置され、発振回路を構成する。発振回路は例えば電圧可変容量素子８Ａを有する電圧制御型とする。水晶振動子７は例えば５本のリード線９が底面から導出した金属容器７Ａ内（ＴＯ５型）にＡＴやＳＣカットとした図示しない水晶片を密閉封入してなる。水晶片は板面を水平にして金属容器内に保持され、特に通信機器に高安定用として採用される。

そして、水晶振動子７のリード線９が第２回路基板１ｂを挿通して半田（不図示）によって固着され、一主面側の金属容器７Ａ（水晶振動子７）が恒温槽４内に収容される。また、電圧可変容量素子８Ａ等の温度によって特性が変化する温度依存性の高い発振用素子８は回路基板１ｂの一主面に配置される。そして、恒温槽４内に収容される。図中の符号１０は発振器用の金属カバーである。

このようなものでは、恒温槽４によって水晶振動子７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７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８を搭載した第２回路基板１ｂを恒温槽４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。特に、電圧可変容量素子８Ａ等温度依存性の高い熱高感度素子を恒温槽４内に収容するので、周波数安定度をさらに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。

そして、ここでは、恒温槽４を含む温度制御機構を第１回路基板１ａに、水晶振動子を含む発振回路を第２回路基板１ｂに配置する。したがって、温度制御機構と発振回路とを別個に製作できるので、設計及び製造を容易にする。また、第２回路基板１ｂに発振用素子８を搭載して金属ピン３ｂ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３ａ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３ｂ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。
特開平１−１９５７０６

（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、温度制御機構と発振回路とを別個に製作するので第１と第２回路基板１（ａｂ）を要する。そして、水晶振動子７を収容する恒温槽を使用するので、大型化を回避できない。特に、第１及び第２回路基板１（ａｂ）を上下に配置するので、特に背丈寸法が大きくなる問題があった。

また、水晶振動子７とは別個に熱線９を巻回した恒温槽４を使用するので、高価になる問題もあった。なお、水晶振動子７の金属容器７Ａを恒温槽４に兼用するものもあるが、いずれにしても熱線９を巻回するので、作業手間が掛かって高価になる。

（発明の目的）本発明は構造を簡易にして特に背丈寸法を小さくし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（請求項１）に示したように、複数のリード線が底面から導出した水晶振動子に熱を供給して温度を一定にする加熱供給体と、前記水晶振動子とともに電圧制御型の発振回路を構成する少なくとも電圧可変容量素子を含む発振用素子と、前記水晶振動子の温度を制御する温度制御回路を構成する少なくともサーミスタ及びパワートランジスタを含む温度制御素子と、前記加熱供給体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載するとともに、前記水晶振動子のリード線を挿通して搭載する回路基板とを備える、恒温型とした高安定用の水晶発振器において、前記加熱供給体は、前記リード線の挿通孔を有して前記回路基板に装着され、前記水晶振動子の底面と対面して熱伝導性の樹脂によって直接的に熱結合し、互いに直交する方向となる外周部の一組と他組の両端部に第１及び第２窪みを有し、中央領域に開口部を有する導熱板と、
前記導熱板の第１及び第２窪みに位置して前記回路基板に装着され、前記導熱板と熱伝導性の樹脂によって熱結合した加熱用のチップ抵抗のみ又は前記チップ抵抗及び前記パワートランジスタとからなり、前記開口部には、温度依存性の大きな熱高感度素子としての少なくとも前記発振用素子の電圧可変容量素子及び前記温度制御素子のサーミスタが配置されるとともに、熱伝導性の樹脂によって前記導熱板と熱結合した構成とする。

このような構成であれば、発振用素子及び温度制御素子の搭載される回路基板に設けたチップ抵抗によって導熱板を加熱し、これに水晶振動子を対面して直接的に熱結合するので、従来の恒温槽を不要にし、回路基板を一枚として構造を簡易にし、特に背丈寸法を小さくする。

（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窪みに前記チップ抵抗を、前記第２窪みに前記パワートランジスタを配置してなる。

同請求項３では、請求項１において、前記導熱板は前記回路基板の一主面と熱結合し、前記導熱板と対向する前記回路基板の他主面には前記発振用素子を配置してなる。

同請求項４では、請求項１において、前記導熱板の外周となる前記回路基板には貫通する切り込みが設けられる。

削除

同請求項４では、請求項１における前記導熱板の外周となる前記回路基板には貫通する切り込みが設けられる。これにより、導熱板とその外周の回路基板とを熱的に分離して放熱を防止する。

第１図は本発明の一実施例を説明する高安定発振器の図で、同図（ａ）は一部断面図、同図（ｂ）は要部平面図である。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同様に水晶振動子７の動作温度を一定にして恒温型とした水晶発振器からなる。ここでは、水晶振動子を含めた発振用素子８及び温度制御素子５を一枚の回路基板１に搭載（配置）し、これに加熱供給体１１を装着してなる。加熱供給体１１は基本的に導熱板１２と加熱用のチップ抵抗１３（ａｂ）とからなり、ここでは温度制御素子５のパワートランジスタ５Ｂ（1、2）をも前述のように加熱用として利用する。

導熱板１２は例えば正方形状としたアルミ板からなる。そして、一組の両端側に第１窪み１４ａを、これと直交する他組の両端側に第１窪み１４ｂを、中央領域に開口部１５を有する。一組及び他組の両端側は中央領域を中心とした同心円上に位置する。そして、開口部１５の外周には、水晶振動子７のリード線９が挿通する貫通孔１６が設けられる。そして、導熱板１２の４隅が図示しないネジによって第１回路基板１上に締結される。この例では、回路基板１と導熱板１２との間には図示しない熱導電性の樹脂が塗布され、両者を熱的に結合する。また、導熱板１２の４角部となる回路基板１には貫通した鉤状の切り込み１７が設けられる。

加熱用のチップ抵抗１３（ａｂ）は２個としてジュール熱による発熱抵抗体とし、回路基板１上に搭載された導熱板１２の一組の第１窪み１４ａにそれぞれ配置される。また、加熱用として利用するパワートランジスタ５Ｂ（1、2）は２個として導熱板１２の他組の第２窪み１４ｂにそれぞれ配置される。そして、これらの端子部が図示しない半田によって固着（装着）され、いずれも導熱板１２の外周に近接して配置される。そして、チップ抵抗１３（ａｂ）及びパワートランジスタ５Ｂ（1、2）を覆って熱導電性の樹脂（不図示）が塗布される。この場合、導熱板１２上からも樹脂が塗布され、チップ抵抗１３（ａｂ）及びパワートランジスタ５Ｂ（1、2）と導熱板１２とを熱的に結合する。

水晶振動子７は、前述同様の５本のリード線９が導出したＴＯ５型の金属容器７Ａに水晶片を密閉封入してなる。水晶振動子７の各リード線９は導熱板１２及び回路基板１の貫通通孔を挿通し、半田によって固着される。この場合、導熱板１２の貫通孔１６は回路基板１のそれよりも大きくして、リード線９と導熱板１２とは電気的に絶縁される。そして、金属容器７Ａの底面と導熱板１２とが面対向して熱導電性の樹脂（不図示）によって直接的に熱結合し、回路基板１の一主面に搭載される。

発振用素子８及び温度制御素子５のうちの熱高感度素子である電圧可変容量素子８Ａ及びサーミスタ５ａは導熱板１２の中央領域に設けた開口部１５に配置され、同様の樹脂によって導熱板１２と熱結合する。熱高感度素子を除く発振用素子８は導熱板１２と対向する回路基板１の他主面に配置して、同温度制御素子５は回路基板１の両主面の外周に配置して搭載される。

このような構成であれば、前述した効果の欄でも説明したように、発振用素子８及び温度制御素子５の搭載される回路基板１に設けたチップ抵抗１３（ａｂ）によって導熱板１２を加熱する。そして、これに水晶振動子７（金属容器７Ａの底面）を対面して直接的に熱結合するので、従来の恒温槽を不要にし、回路基板１を一枚として構造を簡易にし、特に背丈寸法を小さくできる。

また、導熱板１２は一組の両端側に設けた第１窪み１４ａに熱結合したチップ抵抗１３（ａｂ）を配置する。したがって、チップ抵抗１３は幾何学的に安定した対称な配置となり、導熱板１２を均一に加熱できる。また、導熱板１２の一組の両端側と直交する他組の両端側に設けた第２窪み１４ｂに導熱板１２と熱結合したパワートランジスタを配置する。したがって、上下左右に加熱体（チップ抵抗１３及びパワートランジスタ）が配置され、導熱板１２をさらに均一に加熱できる。そして、パワートランジスタの熱を利用して、チップ抵抗１３の消費電力を小さくできる。

また、導熱板の中央領域には開口部１５を設けて発振用素子８及び温度制御素子５のうちの温度依存性の大きな熱高感度素子としての電圧可変容量素子８Ａ及びサーミスタ５Ｂを導熱板１２と熱結合して配置する。これにより、熱高感度素子の温度依存性を解消して安定な特性を得られる。また、導熱板１２は回路基板１の一主面と熱結合し、これと対向する回路基板１の他主面には発振用素子８を配置する。したがって、発振用素子８の温度特性を一定にして発振周波数をさらに安定にする。

また、例えば水晶振動子７と導熱板１２との熱結合は熱伝導性の樹脂によるので、両者の密着性を良好にして熱伝導を効率的にする。また、導熱板１２の外周となる回路基板１には貫通する切り込みを設けるので、導熱板１２とその外周の回路基板１とを熱的に分離して放熱を防止する。

（他の事項）上記実施例では水晶振動子７は５本のリード線９が導出したＴＯ５型としたが、これに限らず少なくとも一対のリード線が導出した金属容器に水晶片を密閉封入したものに適用できる。また、チップ抵抗及１３（ａｂ）及びパワートランジスタ８Ａ（1、2）はそれぞれ２個としたが、必要に応じて増減できることは勿論であり、単一のチップ抵抗１３のみであったとしても適用できる。

また、導熱板１２の一組及び他組の両端に設けた窪み１４（ａｂ）は中央領域に設けた開口部であってもよい。そして、これらは排除して、単に正方形とした導熱板の外周にチップ抵抗１４等を設けることもできる。また、例えば導熱板１２と水晶振動子との熱結合は熱伝導性の樹脂としたが、これは溶融状の樹脂を塗布して硬化しても予め硬化したシート状であってもよい。そして、熱的結合は両者の密着度によるので、熱伝導性の樹脂は極端にはなくともよい。

本発明の一実施例を説明する高安定発振器の図で、同図（ａ）は一部断面図、同図（ｂ）は要部平面図である。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）は水晶振動子の外観図である。

１回路基板、２金属ベース、３金属ピン、４恒温槽、５温度制御素子、６
熱線、７水晶振動子、８発振用素子、９リード線、１０金属カバー、１１加熱供給体、１２導熱板、１３チップ抵抗、１４窪み、１５開口部、１６貫通孔、１７切り込み。

Claims

複数のリード線が底面から導出した水晶振動子に熱を供給して温度を一定にする加熱供給体と、
前記水晶振動子とともに電圧制御型の発振回路を構成する少なくとも電圧可変容量素子を含む発振用素子と、
前記水晶振動子の温度を制御する温度制御回路を構成する少なくともサーミスタ及びパワートランジスタを含む温度制御素子と、
前記加熱供給体、前記発振用素子及び前記温度制御素子を搭載するとともに、前記水晶振動子のリード線を挿通して搭載する回路基板とを備える、恒温型とした高安定用の水晶発振器において、
前記加熱供給体は、
前記リード線の挿通孔を有して前記回路基板に装着され、前記水晶振動子の底面と対面して熱伝導性の樹脂によって直接的に熱結合し、互いに直交する方向となる外周部の一組と他組の両端部に第１及び第２窪みを有し、中央領域に開口部を有する導熱板と、
前記導熱板の第１及び第２窪みに位置して前記回路基板に装着され、前記導熱板と熱伝導性の樹脂によって熱結合した加熱用のチップ抵抗のみ又は前記チップ抵抗及び前記パワートランジスタとからなり、
前記開口部には、温度依存性の大きな熱高感度素子としての少なくとも前記発振用素子の電圧可変容量素子及び前記温度制御素子のサーミスタが配置されるとともに、熱伝導性の樹脂によって前記導熱板と熱結合したことを特徴とする恒温型とした高安定用の水晶発振器。
請求項１において、前記第１窪みに前記チップ抵抗を、前記第２窪みに前記パワートランジスタを配置してなる、恒温型とした高安定用の水晶発振器。
請求項１において、前記導熱板は前記回路基板の一主面と熱結合し、前記導熱板と対向する前記回路基板の他主面には前記発振用素子を配置してなる、恒温型とした高安定用の水晶発振器。
請求項１において、前記導熱板の外周となる前記回路基板には貫通する切り込みが設けられた、恒温型とした高安定用の水晶発振器。