JP4483138B2

JP4483138B2 - 高安定圧電発振器の構造

Info

Publication number: JP4483138B2
Application number: JP2001205580A
Authority: JP
Inventors: 富雄佐藤
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2002314339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高安定圧電発振器の構造に関し、特に恒温槽とプリント板とを一体化し、小型化、薄型化を図った高安定圧電発振器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高安定水晶発振器は周波数精度、周波数温度特性、周波数エージング特性等が一般の圧電発振器に比べて優れているために、各種測定器、移動体無線基地局から衛星通信用機器まで広範囲に使用されている。特に近年、携帯電話機の普及に伴い、基地局用として低消費電力で、小型の高安定水晶発振器の需要が増大している。
周知のように、高安定水晶発振器の構成を大別すると、水晶振動子、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、感温素子等の電子部品と、プリント基板と、熱源を有する小型恒温槽と、上記部品を収容する金属ケース及びベース等から構成される。
そして、小型恒温槽内に水晶振動子、発振用増幅器及び感温素子等を収容することにより、水晶発振器の周囲温度が変化しても、水晶振動子の温度を常に一定に保つような構造となっている。なお、小型恒温槽としては、例えば金属ブロックにヒータを巻着付けた恒温槽、あるいは金属ブロックに発熱体を固着した恒温槽等各種のタイプが実用化されている。
【０００３】
図７は従来の高安定水晶発振器の構造を示す断面図であって、プリント基板３１の一方の表面に水晶振動子３２を内蔵した小型恒温槽３３の底部を固定すると共に、該水晶振動子３２の端子をプリント基板３１上に形成された回路と接続する。さらに、プリント基板３１の他方の表面には発振回路及び増幅回路３５、恒温槽３３のヒータ制御回路３６等が半田付けされている。そして、逆Ｌ字型のサポート３７を取り付けたベース３８に前記プリント基板３１を載置、固定した後、ベース３８に金属ケース３９取り付けて、高安定水晶発振器を構成している。なお、発振用及び小型恒温槽の電源の供給、接地及び発振出力の導出等はベース３８に取り付けたハーメチック端子３４、３４・・を介して行われる。
【０００４】
しかし、上記のように水晶振動子３２のみを開放型の小型恒温槽３３に内蔵するタイプの高安定水晶発振器においては、水晶振動子３２及び発振回路等が熱的に完全な密閉状態ではないために、高安定水晶発振器の周囲の温度変化の影響を受け、周波数の安定度が大きな恒温槽を用いた従来の高安定水晶発振器にくらべ劣るという問題があった。この問題を解決するために、図８に示すようにプリント基板３１の両面に水晶振動子３２、発振回路及び増幅回路３５、ヒータ制御回路３６、ヒーター４０及びパワートランジスタ４１を半田付けすると共に、これらをアルミニウムブロック３３ａ、３３ｂにて包囲したタイプの高安定水晶発振器が製作されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構造の高安定水晶発振器においては、ヒーター４０とアルミニウムブロック３３ａ、３３ｂとの間に隙間が生じ、両者の間の熱の伝導がスムースに行われず、内部の温度が安定化するには時間が掛かり過ぎ、高安定水晶発振器の立ち上がりが遅いという問題があった。熱伝導をスムースに行うにはヒーター４０とアルミニウムブロック３３ａ、３３ｂとを接するように加工すればよいが、機械加工では極めて難しい。そこで熱伝導性のよい樹脂を充填する方法があるが、凹陥部内においてヒーター４０とアルミニウムブロック３３ａ、３３ｂとの間を樹脂で充填するのは難しく、密閉構造の内部を目視することができず、充填の状態を確認もできないという問題が新たに生じる。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、周波数安定度が高く、小型で薄型の高安定型水晶発振器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る高安定圧電発振器の構造の請求項１記載の発明は、一枚のプリント基板の両面に、圧電振動子と、該圧電振動子を励振するための発振回路と、ヒーターと、該ヒーターの温度制御を行う温度制御回路とを配置し、前記プリント基板の上面を第１の金属ブロックにて包囲すると共に、前記プリント基板の下面を第２の金属ブロックにて包囲した高安定発振器であって、前記金属ブロックの端部に切欠部を設け、該切欠部に対応するプリント基板上に前記ヒーターを配置すると共に、前記切欠部内に樹脂を充填したことを特徴とする高安定圧電発振器である。
請求項２記載の発明は一枚のプリント基板の片面に、圧電振動子と、該圧電振動子を励振するための発振回路と、ヒーターと、該ヒーターの温度制御を行う温度制御回路とを配置し、前記プリント基板の上面を第１の金属ブロックにて包囲すると共に、前記プリント基板の下面を第２の金属ブロックにて包囲した高安定発振器であって、前記第１の金属ブロックの端部に切欠部を設け、該切欠部に対応するプリント基板上に前記ヒーターを配置すると共に、前記切欠部内に樹脂を充填し、第２の金属ブロックを平坦な板状部材としたことを特徴とする高安定圧電発振器である。
請求項３記載の発明は発振器を構成するパワートランジスタを前記ヒーターと同様に、金属ブロックの端部に設けた切欠部に対応するプリント基板上に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高安定圧電発振器である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明に係る高安定水晶発振器の構造を示す斜視図、同図（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ断面図であって、水晶振動子１と、発振回路、増幅回路及び温度制御回路を構成するトランジスタ、抵抗、コンデンサ及び感温素子等の電子部品２とがプリント基板３の両主面に半田付けされ、これらの電子部品をアルミニウム製の上下２つに分割されたブロック４ａ、４ｂにてプリント基板３の中央部諸共密封するように構成されている。そして、金属のベース５の隅に半田付けで固定したハーメチック端子６、６、・・に、上記プリント基板３に形成したスルーホールを通して半田付けにて固定すると共に、ベース５にケース７を被せて、半田付けにて密閉する。なお、ハーメチック端子を介して電圧の印加、接地、発振出力の取り出しが行われる。
【０００８】
ケース７及びベース５にて密閉された内部構造は、図１（ａ）のＰ−Ｐにおける断面図を同図（ｂ）に示すように、上下のブロック４ａ、４ｂが、電子部品２を搭載したプリント基板３の中央部を上下両側から挟み込むようにして密閉し、ねじ８、８、・・で固定する構造となっている。そして、ブロック４ａ、４ｂの外側に延びたプリント基板の端部に設けたスルーホールに、ベース５に半田付けされたハーメチック端子６、６，・・を貫通させ、半田付けすることにより、プリント基板３諸共一体化したアルミニウムブロックを支持する構造となっている。
また、図１（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図であって、上下のブロック４ａ、４ｂの中央部の両端は矩形の切り込みが施され、この空間を利用してプリント基板３の端部両面に熱の発生源であるセラミックヒーター９、９、・・とパワートランジスタ１０とを備えた構造となっている。なお、上記空間には熱伝導性の良好な樹脂を充填することにより、発生した熱の効率を高めている。
【０００９】
本発明の特徴は水晶振動子１、電子部品２及びセラミックヒーター等全ての電気部品を一枚のプリント基板３の両面に搭載すると共に、水晶振動子１、発振回路用電子部品、感温素子等の周波数の安定度に不可欠な部品をプリント基板３の上下からアルミニウム製のブロック４ａ、４ｂを用いて挟み込み、熱的に完全に密閉したことである。このような構造とすることにより熱分布が安定化し、小型化及び薄型化が可能となると共に、高安定水晶発振器の低コスト化が図られる。
【００１０】
ここで、本発明の構造を分かり易くするために、各機構部品毎に分けて説明する。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ電子部品を実装したプリント基板３の表面（以下、Ｂ面と称す）と、裏面（以下、Ｐｔ面）の構成を示す平面図である。プリント基板３には４個の孔１１が開けられており、該孔１１を介して上下のブロック４ａ、４ｂが接合し、プリント基板３とブロック４ａ、４ｂとを一体的に固定する。図２（ａ）に示すＢ面の中央部には裏面のＰｔ面に取り付けた水晶振動子１の端子１２が４本プリント基板３を貫通し半田付けにて固定される。該端子１２を避けるように電子部品２、２・・が配置されている。さらに、Ｂ面の図中左右の両端にもハーメチック端子６を避けて電子部品２、２・・が配置されている。そして、Ｂ面の図中上下の両端には恒温槽の熱源であるセラミックヒーター９、９・・が配設されている。なお、小点模様１３で示したものはプリント基板３に設けた半田メッキされたグランド面であると共に、該面がブロック４ａの一部と接触し、密閉を保つようになっている。
また、図２（ｂ）はプリント基板３のＰｔ面であり、該基板３の中央には水晶振動子１が取り付けられ、プリント基板３の図中左右端にはハーメチック端子６を避けるように電子部品２、２・・が配置されている。さらに、Ｐｔ面の図中上下の両端には恒温槽の熱源であるセラミックヒーター９、９・・とパワートランジスタ１０が配設されている。小点模様１３は上記のように半田メッキされたグランド面であると共に、ブロック４ｂと接触し、密閉空間を構成するようになっている。
【００１１】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ小型恒温槽を構成するアルミニウムブロックを２つに分割したものの平面図と側面図であって、同図（ａ）、（ｂ）は上半部のブロック４ａの平面図と側面図で、同図（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ下半部のブロック４ｂの平面図と側面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示す上半部のブロック４ａの４隅には下半部のブロック４ｂと接合するためのねじ穴１４ａが４個形成され、ブロック４ａの中央部に電子部品２の１つであるインダクタの頭部を収容するための凹み１５が形成されている。
また、図３（ｃ）、（ｄ）に示す下半部のブロック４ｂの４隅には、上半部のブロック４ａと接合するため、４個のねじ穴１４ｂが円形の突部１６の中央に形成されている。該突部１６はプリント基板３に開けられた４個の孔１１を通して、プリント基板の中央部を上下のブロック４ａ、４ｂにて一体的に挟むように構成されている。そして、ブロック４ｂの中央部には水晶振動子１のケースと嵌合する孔１７が開けられ、水晶振動子１とブロック４ｂと一体化するようにしている。
【００１２】
図４はプリント基板３の両面に電子部品、パワートランジスタ、セラミックヒーターを半田付けすると共に、Ｐｔ面に水晶振動子１を取り付けた後、該プリント基板３の中央部をアルミニウムのブロック４ａ、４ｂにて一体的に挟み込むように、４本のねじ８にて固定したものの断面図である。この際、プリント基板３上に半田付けしたセラミックヒーター９、パワートランジスタ１０と、アルミニウムブロック４ａ、４ｂとが形成する切欠部には熱伝導性の良好なシリコン樹脂を用いて充填し、両者間の熱の平衡が速やかに行われるようにしている。
なお、この場合は水晶振動子１とアルミニウムブロック４ｂとの間の隙間にもシリコン樹脂を充填することが望ましい。
【００１３】
図５は本発明の変形実施例で、高安定水晶発振器の高さを更に低減するために、アルミニウムブロック４’ｂの底面を削り、水晶振動子１のケースがアルミニウムブロックを貫通するようにした例である。
【００１４】
図６（ａ）、（ｂ）は本発明の他の変形実施例であって、同図（ａ）はケースとアルミニウムブロックの図示を省略し、プリント基板２０に水晶振動子２１と電子部品２２、２３等を搭載した様子を示す平面図、（ｂ）はケースの図示を省略し、アルミニウムブロック２５ａ、２５ｂを含めた高安定圧電発振器の断面図である。図５に示した高安定圧電発振器の高さを更に低減すべく、水晶振動子を含めて全ての電子部品をプリント基板の一方の面に搭載した高安定圧電発振器である。プリント基板２０の一方の面に高さを４．６mmと低背化した水晶振動子２１と、発振回路用の電子部品２２、２２と、増幅、温度制御用の電子部品２３、２３と、セラミックヒーター２４ａ、パワートランジスタ２４ｂ等が搭載されている。そして、プリント基板２０に開けられた４個の孔２５ｃを通して、プリント基板２０の中央部を上下のブロック２５ａ、２５ｂにて挟み、ねじにより固定されるように構成されている。そして、ブロック２５ａには水晶振動子２１と対応する位置に水晶振動子と嵌合する孔が開けられ、水晶振動子２１とブロック２５ａと一体化するようにしている。また、アルミニウムブロック２５ａには切欠部が形成され、該切欠部に対応したプリント基板２０上にはヒーター２４ａ、パワートランジスタ２４ｂを配置し、熱伝導性の良好なシリコン樹脂をそのすき間に充填するのは図５の例と同様である。
【００１５】
本発明の特徴は電子部品をプリント基板２０の一方の面に搭載したために、高安定発振器の高さが大幅に低減できたことと、プリント基板２０の上面側のアルミニウムブロック２５ａは図５のものとほぼ同じであるが、下面側のアルミニウムブロック２５ｂの構造を平坦な板状とすることができ、コストを低減できたことである。さらに、特開平３−１４３０３に開示されている断熱用のスリット２６複数個をプリント基板２０上に設けることにより、熱効率の向上を図ることもできる。
【００１６】
以上の説明では圧電振動子に水晶振動子を用いて説明したが、本発明はこれのみに限らず、ランガサイト振動子等を用いた圧電発振器にも適用できることは説明するまでもない。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、請求項１に記載の発明は小型、薄型であると共に、周波数安定度の優れた高安定圧電発振器が実現できるという優れた効果を表す。請求項２に記載の発明は、上記に加えてパワートランジスタの発熱を効率的に利用した高安定圧電発振器が実現できるという効果を表す。請求項３に記載の発明は、高安定圧電発振器を大幅に低背化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る高安定圧電発振器の構成を示す斜視図、（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。
【図２】（ａ）は電子部品を搭載したプリント基板のＢ面（表面）、（ｂ）はＰｔ面（裏面）の構成を示す平面図である。
【図３】（ａ）はアルミニウムブロックの上半部の平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）はブロックの下半部の平面図、（ｄ）はその側面図である。
【図４】プリント基板に電子部品を搭載し、さらに上下ブロックにて一体化したものの断面図である。
【図５】本発明の他の実施例の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施例の構成を示す、（ａ）平面図と、（ｂ）断面図である。
【図７】従来の高安定水晶発振器の構成を示す断面図である。
【図８】従来の他の構造の高安定水晶発振器の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１、２１・・水晶振動子
２、２２、２３・・電子部品
３、２０・・プリント基板
４ａ、４ｂ、４’ｂ、２５ａ、２５ｂ・・アルミニウムのブロック
５・・ベース
６・・端子
７・・ケース
８・・ねじ
９、２４ａ・・セラミックヒーター
１０、２４ｂ・・パワートランジスタ
１１・・プリント基板上の孔
１２・・水晶振動子の端子
１３・・半田メッキをほどこされたグランド
１４ａ・・ねじ穴
１５・・凹み
１６・・突部
１７・・水晶振動子用の穴
１８、１９・・プリント基板とブロックとでつくられた空間
２６・・スリット

Claims

一枚のプリント基板の両面に、圧電振動子と、該圧電振動子を励振するための発振回路と、ヒーターと、該ヒーターの温度制御を行う温度制御回路とを配置し、前記プリント基板の上面を第１の金属ブロックにて包囲すると共に、前記プリント基板の下面を第２の金属ブロックにて包囲した高安定発振器であって、
前記金属ブロックの端部に切欠部を設け、該切欠部に対応するプリント基板上に前記ヒーターを配置すると共に、前記切欠部内に樹脂を充填したことを特徴とする高安定圧電発振器。
一枚のプリント基板の片面に、圧電振動子と、該圧電振動子を励振するための発振回路と、ヒーターと、該ヒーターの温度制御を行う温度制御回路とを配置し、前記プリント基板の上面を第１の金属ブロックにて包囲すると共に、前記プリント基板の下面を第２の金属ブロックにて包囲した高安定発振器であって、
前記第１の金属ブロックの端部に切欠部を設け、該切欠部に対応するプリント基板上に前記ヒーターを配置すると共に、前記切欠部内に樹脂を充填し、第２の金属ブロックを平坦な板状部材としたことを特徴とする高安定圧電発振器。
発振器を構成するパワートランジスタを前記ヒーターと同様に、金属ブロックの端部に設けた切欠部に対応するプリント基板上に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の高安定圧電発振器。