JP4744578B2 - 恒温型の水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は表面実装用の水晶振動子を用いた恒温型の水晶発振器（以下、恒温型発振器とする）を技術分野とし、特に発熱用のチップ抵抗（以下、発熱抵抗とする）からの伝熱効率を高めた恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は水晶振動子の動作温度を一定として、周囲温度が変化しても周波数安定度を高めることから、例えば基地局とした通信設備の無線機器に適用される。近年では、旧来の熱線を券回した恒温槽に代えて熱源を加熱抵抗として恒温構造を簡易にする。そして、水晶振動子を表面実装用として、高さ寸法を小さくした恒温型発振器がある（特許文献１、２）。

（従来技術の一例）
第６図〜第８図は一従来例を説明する図で、第６図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は同回路図、第７図は水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は同周波数温度特性図である。

恒温型発振器（第６図）は表面実装用の水晶振動子１と、発振出力回路２及び温度制御回路３を形成する各回路素子４と、水晶振動子１を含む回路素子４を配設する回路基板５とを有する。そして、ガラス６によって気密化された金属ベース７のリード線８によって回路基板５を保持し、抵抗溶接等によって金属カバー９を被せてなる。

水晶振動子１（第７図）は例えば凹状とした容器本体１０に水晶片１Ａを収容して、例えば金属カバー１１によって開口端面を封止し、図示しない励振電極及び引出電極を両主面に有する水晶片１Ａを密閉封入する。容器本体１０は例えば積層セラミックからなり、外底面の例えば一組の対角部に水晶片１Ａの引出電極と電気的に接続する水晶端子１２ａを有し、他組の対角部にダミー端子１２ｂを有する。ダミー端子１２ｂは金属カバー１１と例えば貫通電極１４等を含む導電路によって電気的に接続し、アース電位に接地する。

水晶片１Ａは例えばＳＣカットやＡＴカットとし、いずれのカットの場合でも、常温２５℃以上の高温側となる８０℃近傍を極値とし、温度よって振動周波数が変化する周波数温度特性を有する。例えばＡＴカットでは三次曲線（第８図の曲線イ）となり、ＳＣカットでは二次曲線（同図の曲線ロとする）となる。なお、図の縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆで、ｆは常温での周波数、Δｆは常温での周波数ｆに対する周波数差である。

発振出力回路２は、発振回路としての発振段２ａと緩衝増幅器等を有する緩衝段２ｂとからなる。発振段２ａは水晶振動子１とともに共振回路を形成する図示しない分圧コンデンサ及び発振用トランジスタを有するコルピッツ型とする。ここでは、例えば発振ループ内に電圧可変容量素子４Cvを有する電圧制御型とする。図中のＶccは電源、Ｖoutは出力、Ｖcは制御電圧である。

温度制御回路３は、オペアンプ４OAの一方の入力端に温度感応素子（例えばサーミスタ）４thと抵抗４R1による温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４R2、４R3による基準電圧Ｖrを印加する。そして、基準電圧Ｖrと温度感応電圧Ｖtとの差電圧をパワートランジスタ４Trのベースに印加し、発熱素子としてのチップ抵抗（以下、加熱抵抗４ｈとする）４ｈへ電源Ｖccからの電力を供給する。これにより、温度感応素子４th４thの温度に依存した抵抗値によって加熱抵抗４ｈへの電力を制御し、水晶振動子１の動作温度を一定にする。動作温度は例えば常温以上での極小値又は極大値となる８０℃近傍とする（前第８図）。

回路基板５（前第６図）は母材を例えばガラスエポキシとして図示しない回路パターンが形成され、水晶振動子１を含む各回路素子４が両主面に配設される。この例では、水晶振動子１と、温度補償回路のうちの加熱抵抗４ｈ、パワートランジスタ４Tr及び温度感応素子４thとが回路基板５の下面に配設される。水晶振動子１は中央領域として、加熱抵抗４ｈが、パワートランジスタ４Tr及び温度感応素子４thはその外周に配設される。但し、ここでは、温度に依存して特性の変化が大きい電圧可変容量素子４Cvが水晶振動子１の外周に配設される。これらの水晶振動子１及び回路素子４は熱伝導性樹脂１３によって覆われる。

そして、これら以外の発振出力回路２及び温度補償回路の回路素子４が回路基板５の上面に配設される。この場合、例えば発振周波数の調整用コンデンサ等は回路基板５の上面に配設され、調整を容易にする。そして、特に、発振周波数に影響を及ぼす発振段２ａの各回路素子４は熱伝導性樹脂１３で覆われた領域に対向した回路基板５の上面に配置される。
特開２００６−３１１４９６号公報 特開平２００５−３４１１９１号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の恒温型発振器では、加熱抵抗４ｈ及びパワートランジスタ４Trと特に水晶振動子１とを熱伝導性樹脂１３によって熱的に結合するものの、熱伝導性樹脂１３の熱伝導率は、回路パターンとしての導電路例えば金（Ａu）や銅（Ｃu）等の金属に比較して
１／１００以下であり、水晶振動子に対する伝熱効率に劣る問題があった。ちなみに、熱伝導性樹脂１３例えばＫＥ−３４６７の熱伝導率は２．４であり、導電路としてのＡuは３１９、Ｃuは４０３となる。

（発明の目的）
本発明は水晶振動子を表面実装型とするとともに加熱抵抗及びパワートランジスタを熱源とし、伝熱効率を高めた恒温型発振器を提供することを目的とする。

（解決手段）
本発明の恒温型の水晶発振器は、実装端子としての２個の水晶端子及びダミー端子が外底面に設けられた少なくとも底壁層を有する容器本体に水晶片が収容され、カバーによって密閉封入された表面実装用の水晶振動子と、前記水晶振動子とともに形成される発振段及び緩衝段を有する発振出力回路と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路と、前記水晶振動子と前記発振出力回路及び前記温度制御回路の回路素子とを配設する回路基板とを備え、前記温度制御回路は、一方の端子が電源端子に接続された発熱用のチップ抵抗と、前記チップ抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子とを少なくとも有する恒温型の水晶発振器であって、前記水晶振動子のダミー端子は前記回路基板上のダミー用回路端子に接続されており、前記ダミー用回路端子は、前記発熱用のチップ抵抗の他方の端子と前記パワートランジスタのコレクタとが電気的に接続されている回路基板の導電路に接続されているとともに、前記水晶振動子の底面中央領域と全面的に対向して前記回路基板上に延在していることを特徴とする。

このような構成であれば、水晶振動子のダミー端子はチップ抵抗（加熱抵抗）の一方の端子と回路基板の導電路によって接続する。したがって、加熱抵抗からの熱は導電路を経て水晶振動子のダミー端子に伝熱され、水晶振動子に直接的に供給される。これにより、加熱抵抗と水晶振動子とは熱結合が強くなって、水晶振動子への伝熱効率を高められる。

本発明では、更に、前記発熱用のチップにおける一方の端子は前記パワートランジスタのコレクタと前記回路基板の導電路によって電気的に接続する。これにより、発熱抵抗のみならず、パワートランジスタからの熱も導電路によって水晶振動子に直接的に供給され、伝熱効率をさらに高める。

更に、前記ダミー用回路端子は前記水晶振動子の底面中央領域と全面的に対向して前記回路基板上に延在する。これにより、加熱抵抗からの熱が中央領域に延在したダミー端子によって水晶振動子の底面に全面的に放熱されるので、伝熱効率をさらに高められる。

同請求項２では、請求項１において、少なくとも前記水晶振動子と前記発熱用のチップ抵抗、前記パワートランジスタ及び前記温度感応素子は前記回路基板の一主面に配設されて熱伝導性樹脂によって覆われとともに、前記回路基板の他主面にはこれらを除く他の回路素子が配設される。

この場合、熱伝導樹脂によって、加熱抵抗及びパワートランジスタからの熱が水晶振動子に万遍なく伝熱されて水晶振動子の温度分布を均一にするともに、温度感応素子による検出温度を安定にする。したがって、水晶振動子の温度制御を容易にする。また、他主面にはこれらを除く他の回路素子が配設されるので、これらの回路素子も動作温度が安定する。

同請求項３では、請求項１において、前記水晶振動子のカバーは金属カバーとして、前記水晶振動子は励振電極の形成された水晶片の両主面が前記容器本体の底壁及び前記金属カバーと対面して配置され、前記容器本体の底面に設けられたダミー端子は、前記容器本体内の導電路によって前記金属カバーと電気的に接続する。これにより、加熱抵抗からの熱が導電路を経て金属カバーに伝熱され、さらに金属カバーから水晶片の主面に対して放熱する。したがって、水晶片の主面を全面的に加熱するので、伝熱効率を高められる。

請求項４では、請求項１において、前記発熱用のチップ抵抗は複数として前記水晶振動子の外周を取り囲んで配設されて、前記複数のチップ抵抗から発生するジュール熱は均一とする。これにより、水晶振動子のさらに万遍なく加熱して温度分布を均一にする。

請求項５では、請求項１において、前記発熱用のチップ抵抗は複数として並列接続され、前記並列接続の一端が前記パワートランジスタのコレクタとともに前記ダミー端子に接続し、前記並列接続の他端が電源に接続する。これにより、加熱抵抗の複数がダミー端子に接続して加熱するので、直列接続に比較して、伝熱効率をさらに高められる。

同請求項６では、請求項１において、前記水晶振動子は励振電極の形成された水晶片の主面が前記容器本体の底壁と対面して配置され、前記容器本体の底面に設けられたダミー端子は、前記容器本体の底壁中央領域に延在する。これにより、底壁に全面的に設けたダミー端子によって、水晶片の主面が全面的に加熱されるので、伝熱効率が高められる。この場合、請求項４の構成を加味すれば、さらに伝熱効率を高められる。

同請求項７では、請求項１において、前記回路基板は少なくとも４角部が発振器容器を形成するベースのリード線に保持されて、金属カバーが接合される。これにより、恒温型発振器の最終構成を具体的にする。

第１図は本発明の一実施形態を説明する恒温型発振器の特に回路基板の下面の図ある。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。

恒温型発振器（前第６図）は前述したように、表面実装用とした水晶振動子１及び発振出力回路２、温度制御回路３の各回路素子４を両主面に配設した回路基板５を、発振器用容器６内に収容してなる。回路基板５は外周部が発振器容器の金属ベース７のリード線（気密端子）８に保持され、電気的・機械的に接続される。回路基板５は配線パターン（導電路）を銅箔としたガラスエポキシ材からなる。

回路基板５の下面（一主面）には水晶振動子１及び温度制御回路３のうちの加熱抵抗４ｈ、ワートランジスタ及び温度感応素子４th、さらには温度依存性の大きい電圧可変容量素子４Cvが配設される。そして、これらの水晶振動子１を含む回路素子４は熱伝導性樹脂１３によって覆われる。回路基板５の上面（他主面）にはこれら以外の調整素子を含む回路素子４が配設される。

水晶振動子１（前第７図）は凹状とした容器本体１０の外底面に一対の水晶端子１２ａ及びダミー端子１２ｂを有する。一組の角部の水晶端子１２ａは水晶片１Ａと電気的に接続し、他組の角部のダミー端子１２ｂは金属カバー１１と貫通電極１４を含む導電路によって電気的に接続する。

そして、この実施形態では、加熱抵抗４ｈは複数として例えば１２個として、水晶振動子１の外周を取り囲んで配設される。ここでは、単一のパワートランジスタ４Trが加熱抵抗４ｈとともに水晶振動子１を取り囲んで例えば水晶振動子１の角部外周に配設される。加熱抵抗４ｈ（１２個）は、第２図の一部回路図に示すように、第１直列接続の４個と第２直列接続の８個とを並列接続する。加熱抵抗４ｈの４個と８個による並列接続の一端、即ち点線枠で示す加熱抵抗群４ｈの一端がパワートランジスタ４Trのコレクタに、加熱抵抗４ｈ群の他端が電源Ｖccに接続する。

この場合、第１直列接続と第２直列接続の加熱抵抗４ｈ間では異なる抵抗値とし、第１直列接続内及び第２直列接続内の加熱抵抗４ｈの抵抗値は同一とする。これにより、パワートランジスタ４Trの定格等に基づき、各１２個の加熱抵抗４ｈには均一なジュール熱を発生させる。また、第１直列接続の４個の加熱抵抗４ｈは第２直列接続の８個の加熱抵抗４ｈよりも外形が大きく、これらは加熱抵抗４ｈの回路基板５に対する配置等に起因する。

そして、ここでは、加熱抵抗群４Ｈの一端とパワートランジスタ４Trとを接続する回路基板５上の図示しない導電路は、水晶振動子１の他組の対角部としたダミー端子１２ｂの一方が接続するダミー用回路端子１４ｂに半田等によって固着して接続される。そして、ダミー用回路端子１４ｂは、水晶振動子１の底面中央領域と全面的に対向して回路基板５上に延在し、両者は電気的に接続する。なお、この結線関係を第３図に示す。但し、第３図での水晶振動子１の包囲枠は容器本体１０の模式的な底面図である。水晶振動子１の水晶端子１２ａは回路端子１４ａに接続する。

このような構成であれば、加熱抵抗４ｈとパワートランジスタ４Trを接続する導電路（Ｃu）が水晶振動子１のダミー用回路端子１４ｂに接続する。これにより、加熱抵抗４ｈ及びパワートランジスタ４Trからの熱が導電路を経てダミー用回路端子１４ｂに伝熱される。そして、水晶振動子１のダミー端子１２ｂを経て積層セラミックからなる容器本体１の底面に供給される。したがって、特に、主たる熱源としての加熱抵抗４ｈからの熱が伝熱性に優れた導電路を経て直接的に水晶振動子１の容器本体１０に供給されるので、伝熱効率を高める。

そして、この例では、ダミー用回路端子１４ｂは水晶振動子１の底面中央領域となる回路基板５に延在して形成され、水晶振動子１の底面と全面的に対向する。また、ダミー用回路端子１４ｂと接続する水晶振動子のダミー端子１２ｂは貫通電極等の導電路によって水晶振動子１の金属カバー１１と電気的に接続して熱的に結合する。したがって、底面中央領域のダミー用回路端子１４ｂ及び上面の金属カバー１１に対して効率的に伝熱されるので、言わば、熱筒を形成する。これらにより、伝熱効率をさらに高める。

さらに、これらの熱源としての加熱抵抗４ｈ及びパワートランジスタ４Trと、水晶振動子と温度感応素子４thとは熱伝導性樹脂１３によって覆われ、例えば熱分布を均一にする。したがって、リアルタイムな温度制御を容易にする。また、加熱抵抗４ｈは第１と第２直列接続の並列接続とするので、すべての加熱抵抗を直列接続とした場合に比較し、ダミー用回路端子１４への供給熱を大きくできる。

また、パワートランジスタ４Trを加熱抵抗４ｈとともに水晶振動子１の外周に並べたが、加熱抵抗４ｈの外側として並べてもよい。この場合、例えばパワートランジスタ４Trと各加熱抵抗４ｈとの発熱量の差に基づく、温度分布の不均一性を排除できる。なお、パワートランジスタ４Trを熱伝導性樹脂の外側として熱源から除外すれば、さらに温度分布の均一性を良好にする。但し、熱源としてのエネルギーを無駄にするので、必要に応じて選択される。

また、加熱抵抗４ｈは１２個として第１及び第２直列接続の並列接続としたが、例えば１２個の並列接続としてもよい。この場合、ダミー回路端子１４ｂの供給熱をさらに大きくできる。そして、加熱抵抗は１２個に限らず、任意に選定できる。また、パワートランジスタ４Trは１個としたが例えば加熱抵抗４ｈと同数としても形成できる。

本発明の一実施形態を説明する恒温型発振器の特に回路基板の下面の図ある。 本発明の一実施形態を説明する温度補償回路の一部図である。 本発明の一実施形態を説明する恒温型発振器の回路図である。 本発明の参考例を説明する恒温型の水晶発振器の回路図である。 本発明のさらに他の実施形態を説明する水晶振動子の底面図である。 従来例を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は回路図である。 従来例を説明する水晶振動子の断面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は同周波数温度特性図である。 従来例を説明するとともに本発明の着目した回路基板の下面図である。

符号の説明

１ 水晶振動子、２ 発振出力回路、３ 温度補償回路、４ 回路素子、５ 回路基板、６ ガラス、７ 金属ベース、８ リード線、９、１１ 金属カバー、１０ 容器本体、１２ａ 水晶端子、１２ｂ ダミー端子、１３ 熱伝導性樹脂、１４ 回路端子、１５ 導電路。

Claims (7)

1. 実装端子としての２個の水晶端子及びダミー端子が外底面に設けられた少なくとも底壁層を有する容器本体に水晶片が収容され、カバーによって密閉封入された表面実装用の水晶振動子と、
   前記水晶振動子とともに形成される発振段及び緩衝段を有する発振出力回路と、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路と、前記水晶振動子と前記発振出力回路及び前記温度制御回路の回路素子とを配設する回路基板とを備え、
   前記温度制御回路は、一方の端子が電源端子に接続された発熱用のチップ抵抗と、前記チップ抵抗に電力を供給するパワートランジスタと、前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子とを少なくとも有する恒温型の水晶発振器であって、
   前記水晶振動子のダミー端子は前記回路基板上のダミー用回路端子に接続されており、
   前記ダミー用回路端子は、前記発熱用のチップ抵抗の他方の端子と前記パワートランジスタのコレクタとが電気的に接続されている回路基板の導電路に接続されているとともに、前記水晶振動子の底面中央領域と全面的に対向して前記回路基板上に延在していること
   を特徴とする恒温型の水晶発振器。
2. 請求項１において、少なくとも前記水晶振動子と前記発熱用のチップ抵抗、前記パワートランジスタ及び前記温度感応素子は前記回路基板の一主面に配設されて熱伝導性樹脂によって覆われとともに、前記回路基板の他主面にはこれらを除く他の回路素子が配設された恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記水晶振動子のカバーは金属カバーとして、前記水晶振動子は励振電極の形成された水晶片の両主面が前記容器本体の底壁及び前記金属カバーと対面して配置され、前記容器本体の底面に設けられたダミー端子は、前記容器本体内の導電路によって前記金属カバーと電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
4. 請求項１において、前記発熱用のチップ抵抗は複数として前記水晶振動子の外周を取り囲んで配設されて、前記複数のチップ抵抗から発生するジュール熱は均一とした恒温型の水晶発振器。
5. 請求項１において、前記発熱用のチップ抵抗は複数として並列接続され、前記並列接続の一端が前記パワートランジスタのコレクタとともに前記ダミー端子に接続し、前記並列接続の他端が電源に接続した恒温型の水晶発振器。
6. 請求項１において、前記水晶振動子は励振電極の形成された水晶片の主面が前記容器本体の底壁と対面して配置され、前記容器本体の底面に設けられたダミー端子は、前記容器本体の底壁中央領域に延在した恒温型の水晶発振器。
7. 請求項１において、前記回路基板は少なくとも４角部が発振器容器を形成するベースのリード線に保持され、金属カバーが接合された構成とする。