JP5159552B2 - 水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は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、特に表面実装用の水晶振動子を（表面実装振動子とする）用いて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、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図及び第７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図は表面実装振動子の断面図、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）は表面実装用の表面実装振動子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、表面実装振動子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発振器用ベース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発振器用カバー９を被せてなる。但し、発振器用ベース７及び発振器用カバー９からなる発振器用容器には種々の形態があり、必要に応じて選択される。

表面実装振動子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シーム溶接等によって封止し、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は例えば底壁１０ａと枠壁１０ｂとの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実装端子１２としての水晶引出端子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７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（前第６図）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は表面実装振動子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４th（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、表面実装振動子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７図）。

回路基板５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、表面実装振動子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、表面実装振動子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。表面実装振動子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が表面実装振動子１の外周に配設される。これらの表面実装振動子１及びこれらの回路素子（４ｔ、４Tr、４th、４cv）は熱伝導性樹脂１３によって覆われる。あるいは、表面実装振動子１及びこれらの回路素子（４ｔ、４Tr、４th、４Cv）間に熱伝導性樹脂１３を充填して熱的に毛次ぐする。

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 特開２００７−８２１１３号公報 特開平１１−２１４９２９号公報

しかしながら、上記構成の恒温型発振器では、表面実装振動子１の外周に加熱抵抗４ｈを配設して加熱するので、熱伝導性樹脂１３によって熱結合するものの、伝熱効率が悪い問題があった。また、表面実装振動子１によって高さ寸法も小さくなるが、それでも他の回路素子に比較して高さ寸法や平面外形は大きいので、小型化や実装密度を阻害する問題もあった。

（発明の目的）
本発明は、加熱抵抗による伝熱効率を高めるとともに、低背化を促進して実装密度を高める水晶発振器、特に恒温型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、底壁と枠壁との積層セラミックからなる凹状とした容器本体内に水晶片を収容し、前記容器本体の開口端面に金属カバーを接合して前記水晶片を密閉封入した表面実装用の水晶引出端子を有し、前記水晶振動子とともに発振回路及び恒温型とする温度制御回路を形成する他の回路素子を回路基板に搭載し、前記温度制御回路は少なくとも発熱用のチップ抵抗を有する恒温型の水晶発振器において、前記水晶振動子は前記回路基板に設けた開口部に前記金属カバー側から挿入し、前記水晶振動子の外底面に設けた少なくとも水晶引出端子と前記回路基板の前記開口部の外周となる基板表面の回路端子とを電気的に接続し、前記底壁上には少なくとも前記発熱用のチップ抵抗が配設された構成とする。

このような構成であれば、表面実装振動子の底壁上に発熱抵抗が配設され、特に発熱抵抗の端子電極と底壁上の回路端子との直接的な熱結合によって、発熱抵抗から表面実装振動子に対する伝熱効率を高められる。また、表面実装振動子が頭部側から回路基板の開口部に挿入されるので、表面実装振動子の実質的な高さ寸法を小さくできる。そして、底壁上にチップ抵抗を配設するので、実装密度を高める。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記表面実装振動子の底壁の平面外形を前記枠壁のそれよりも大きくし、前記枠壁との積層面となる前記底壁の前記枠壁外周からの突出部に実装端子を有し、前記回路基板の回路端子に電気的に接続する。これにより、請求項１での構成を明確にするとともに、請求項１での表面実装振動子を従来同様の工程で製作できる。

同請求項３では、請求項１において、前記表面実装振動子の外底面には前記水晶片と電気的に接続した表面実装用の実装端子を有し、前記実装端子には金属リード板が接続して、前記金属リード板と前記回路基板の回路端子とが電気的に接続する。これにより、金属リード板の厚みを表面実装振動子の底壁よりも薄くできるので、高さ寸法をさらに小さくできる。

同請求項４では、請求項４において、前記水晶振動子の底壁の外周となる前記回路基板にはスリットが設けられて、前記スリットによる領域の内外を熱的に遮断する。これにより、請求項４での加熱抵抗による熱エネルギーを有効に活用できる。

（第１実施形態）
第１図乃至び第３図は本発明の第１実施形態を説明する図で、第１図（ａ）は恒温型発振器の特に回路基板の断面図、第２図（ａ）は同上面図、同図（ｂ）は同下面図、第３図は表面実装振動子の平面図である。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。

恒温型発振器は、前述したように（前第６図）、表面実装振動子１及び発振回路２や温度補償回路３の各回路素子４を回路基板５に配設する。発振回路２は電圧制御型とした発振段２ａ及び緩衝段２ｂからなる。温度補償回路３は少なくとも加熱抵抗４ｈ、温度感応素子４th及びパワートランジスタ４Trを有する。そして、発振器用ベース７のリード線８に回路基板５を保持し、発振器用カバー９を被せてなる。

表面実装振動子１は、ここでも底壁１０ａと枠壁１０ｂとを有する積層セラミックからなる凹状とした容器本体１０に水晶片１Ａを収容し、金属カバー１１を被せて密閉封入する。ここでは（第３図）、容器本体１０の底壁１０ａは、平面外形を枠壁１０ｂのそれより大きくする。この例では底壁１０ｂの全外周を枠壁１０ｂよりも大きくするが、長さ方向のみあるいは幅方向のみが大きくてもよい。

そして、底壁１０ａの内底面に設けた図示しない一対の水晶端子から、枠壁外周からの底壁１０ａの突出部となる表面（及び端面）に実装端子１２としての水晶引出端子１２ａを形成する。なお、底壁１０ａの突出部となる表面は枠壁１０ｂの積層面側となる。また、図示しない端面の実装端子１２は所謂半田フィレットを形成する。

この例では、実装端子１２として、これ以外に、それぞれ一対とした加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１２ｃを有する。加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１２ｃは、外底面に設けた図示しない加熱抵抗端子及び温度感応素子端子からスルーホール加工（貫通電極孔）によって突出部表面の外周部に延出する。

そして、加熱抵抗端子は枠壁１０ｂに設けた例えば図示しないスルーホール加工（貫通電極孔）を含む導電路によって金属カバー１１に電気的に接続する。なお、第４図はこれらの接続関係を示す結線図である。すなわち、ここでは例えば２個の加熱抵抗４ｈを直列接続した加熱抵抗群４Ｈのパワートランジスタ４Trとの接続点と金属カバー１１とを導電路によって電気的に接続する。

回路基板５は中央領域に板面を貫通した開口部１５を有する。開口部１５の外周となる回路基板５の表面には前述の水晶引出端子１２ａ、加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１４ｃと電気的に接続する回路端子１６を有する。そして、中央部領域を含む容器本体１０の底壁外周を取り囲んで切り込み１７が形成される。

回路基板５の開口部１５には表面実装振動子１が頭部から挿入され、容器本体１０の底壁１０ａの突出部表面に設けた水晶引出端子１２ａ、加熱抵抗引出端子１２ｂ温度感応素子引出端子１２ｃの各実装端子１２が、これらに対応した回路基板５の各回路端子１６に例えば図示しない半田によって電気的・機械的に接続する。なお、表面実装振動子１の回路基板５への装着前後に加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４thがこれらの加熱抵抗端子１３ｂ及び温度感応素子端子１３ｃに半田等によって接続する。

そして、この例では、表面実装振動子１の頭部が突出した回路基板５の一主面（下面）の切り込み領域内には、表面実装振動子１を取り囲んで加熱抵抗４ｈ及びパワートランジスタ４Trが配置される。さらには、特に発振周波数に影響を与える特に電圧可変容量素子４CVを含む発振段の回路素子４が配設される。そして、表面実装振動子１の外周と開口部１５の間隙、及び例えば各回路素子４間には図示しない熱伝導性樹脂が塗布されて各回路素子４を熱的に結合する。なお、発振回路２の緩衝段２ｂや前述以外の温度補償回路の回路素子４は切り込み領域外に配置される。

このような構成であれば、発明の効果の欄でも記載するように、表面実装振動子１の底壁１０ａに発熱抵抗４ｈが配設され、特に発熱抵抗４ｈの端子電極と底壁１０ａ上の回路端子（発熱抵抗端子）とが直接的にな熱結合する。したがって、発熱抵抗４ｈから表面実装振動子１に対する伝熱効率を高められる。また、表面実装振動子１が頭部側から回路基板５の開口部１５に挿入されるので、表面実装振動子１の実質的な高さ寸法を小さくできる。そして、底壁１０ａ上にチップ抵抗４ｈを配設するので、実装密度を高める。

また、この例では、表面実装振動子１の底壁１０ａの平面外形を枠壁１０ｂのそれよりも大きくし、枠壁１０ｂとの積層面となる底壁１０ａの突出部表面に実装端子１２形成する。したがって、従来同様の工程で表面実装振動子１を製作できて新たな工程を要しないので、生産性を高める。そして、表面実装振動子１（底壁１０ａ）の上面となる外底面上には加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４thを配設してこれらの各引出電極を底壁１０ａの突出部表面に延出する。したがって、底壁１０ａの外底面をもいわば回路基板として利用するので、実装密度を高められる。

さらに、ここでは、加熱抵抗４ｈの一端が金属カバー１１に枠壁１０ｂの導電路等によって電気的に接続するので、加熱抵抗４ｈと金属カバーとは熱的に結合する。したがって、表面実装振動子１は底壁１０ａと金属カバーとの両主面側から加熱されるので、いわば熱筒として機能し、水晶片１Ａに対する伝熱効果を高める。

そして、表面実装振動子１（底壁１０ａ）の外周となる回路基板５には切り込み１７を設けるので、切り込み領域の内外を熱的に遮断する。したがって、加熱抵抗４ｈ等による熱エネルギーを有効に活用できる。そして、切り込み領域内には発振段２ａの回路素子４を配設するので、これらの温度特性による周波数変化を防止できる。

（第２実施形態）
第３図は本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。なお、前第１実施形態と同一部分の説明は省略する。

第２実施形態では、表面実装振動子１の積層セラミックからなる容器本体１０は、従来同様に底壁１０ａと枠壁１０ｂの平面外形を基本的に同一とする。そして、容器本体１０における外底面の外周部には実装端子１２としての水晶引出端子１２ａ、加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１２ｃ有する。但し、加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１２ｃは外底面の加熱抵抗端子及び温度感応素子端子から延出する。

そして、水晶引出端子１２ａ、加熱抵抗引出端子１２ｂ及び温度感応素子引出端子１２ｃには金属リード板１８の一端が半田等によって電気的・機械的に接続する。そして、回路基板５の開口部１５に表面実装振動子１の頭部側から挿入し、金属リード板１８の他端を回路基板５上の各回路端子１６に半田等によって接続する。

このような構成であっても、表面実装振動子１の底壁１０ａ上に加熱抵抗４ｈを配設するので、直接的に伝熱して効率を高められる。そして、表面実装振動子１の実質的な高さ高さ寸法を小さくするともに、実装密度を高める等の第１実施形態と同様の効果を奏する。そして、ここでは、金属リード板１８を使用するので、第１実施形態での底壁１０ａよりも厚みを薄くできる。したがって、回路素子４を含む回路基板５の高さ寸法をさらに小さくできる。

（他の事項）
上記実施形態では、容器本体１０の外底面には加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４thを配設したが、これに限らず、例えば熱源としてパワートランジスタ４Trや温度依存性の強い電圧可変容量素子４Vc等をも追加して配設することもできる。要するに、容器本体１０の外底面に配設される素子は、基本的に、加熱抵抗４ｈは必須として、これ以外は、容器本体１０（底壁１０ａ）の外底面の外形面積や温度制御等の関係から任意に選択できる。そして、この場合でも、容器本体１０の外底面に発振回路の回路素子を配設することによって実装密度を高められる。

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を切り込み領域外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。さらに、加熱抵抗４ｈはチップ素子としたが、図示しない膜抵抗であってもよい。この場合、底壁１０ａを二層として積層面に形成してもよい。

本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の特に回路基板の断面図である。 本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の特に回路基板の平面図で、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は下面図である。 本発明の第１実施形態を説明する表面実装振動子の平面図である。 本発明の第１実施形態を説明する結線図である。 本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の特に回路基板の平面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は同回路図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は表面実装振動子の断面図、同図（ｂ）は同底面図、同図（ｃ）は同周波数温度特性図である。

符号の説明

１ 表面実装振動子、２ 発振回路、３ 温度補償回路、４ 回路素子、５ 回路基板、６ ガラス、７ 発振器用ベース、８ リード線、９ 発振器用カバー、１０ 容器本体、１０ａ 底壁、１０ｂ 枠壁、１１ 金属カバー、１２ 実装端子１２ 熱伝導性樹脂、１４ 貫通電極、１５ 開口部、１６ 回路端子、１７ 切り込み、１８ 金属リード板。

Claims (4)

1. 底壁と枠壁との積層セラミックからなる断面凹状とした容器本体内に水晶片を収容し、前記容器本体に設けた開口端面に金属カバーを接合して前記水晶片を密閉封入した表面実装用の振動子を有し、
   前記振動子とともに発振回路及び恒温型とするための温度制御回路を形成する他の回路素子を回路基板に搭載し、前記温度制御回路が少なくとも発熱用のチップ抵抗を有する恒温型の水晶発振器において、
   前記振動子を前記回路基板に設けた開口部に前記金属カバー側から挿入し、前記振動子の外底面に設けた少なくとも水晶引出端子と前記回路基板の前記開口部の外周となる基板表面に設けた回路端子とを電気的に接続し、前記底壁上に少なくとも前記発熱用のチップ抵抗が配設された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、前記振動子の前記底壁の平面外形形状を前記枠壁の平面外形形状よりも大きくし、前記枠壁との積層面となる前記底壁の前記枠壁外周からの突出部に実装端子を設け、前記実装端子を前記回路基板に設けた前記回路端子に電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記振動子の外底面に前記水晶片と電気的に接続した表面実装用の実装端子を有し、前記実装端子に金属リード板を接続して、前記金属リード板と前記回路基板に設けた前記回路端子とを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、前記振動子の前記底壁の外周となる前記回路基板に切り込みを設け、前記切り込みにより切り込み領域の内外を熱的に遮断した恒温型の水晶発振器。

Images