JP5252221B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は圧電発振器に関し、さらに詳しくは、周波数安定度を向上させた水晶発振器に関する。

安定した周波数信号を供給する圧電発振器は、通信機器、電子機器等にクロック源として広く用いられているが、周囲温度の変動により数十ｐｐｍ程度の周波数変動を生じるため、周波数温度特性を向上させた水晶振動子を用いた高安定水晶発振器が使用されることが多い。しかし、周波数温度特性を向上させた水晶振動子を用いた高安定水晶発振器は高価であり、コスト面で問題となる。また、水晶振動子と逆の周波数温度特性を有するコンデンサを用いることで周波数温度特性を向上させた温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）が利用されることもあるが、ＴＣＸＯは高価なため、コスト面で問題となる。

そこで、下記先行文献１に従来技術として記載されている高安定圧電発振器は、水晶振動子を励起させる発振回路部と、ヒーター、サーミスタなどを含み水晶振動子の温度を制御する温度制御部とをプリント基板に実装した後、温度制御部の上に重ねるように水晶振動子を搭載し、温度制御部でサーミスタの周囲の温度を検出して、それに応じてヒーターを制御し、サーミスタの周囲の温度、すなわち水晶振動子の温度を常に一定になるように制御している。しかし、このような高安定発振器においては、ヒーターから発生する熱が水晶振動子のみならず、プリント基板にも伝導するため、ヒーターの制御応答が遅くなり、サーミスタの周囲の温度を一定に保つことができないため、高安定発振器の周波数安定度が劣化するという問題がある。また、同様にサーミスタは水晶振動子のみならずプリント基板からも熱が伝導するため、水晶振動子の温度とサーミスタが検出する温度とには温度差が生じ、正確な温度制御ができないという問題もある。さらには、圧電振動子と、ヒーター及びサーミスタとの間に熱伝導性の良好な接着剤などを用いなければならないという問題もある。

さらに、下記先行文献１に記載の高安定圧電発振器は、水晶振動子をプリント基板に実装した後、サーミスタ、ヒーター及び温度制御部をフレキシブル基板に実装し、これを圧電振動子の外周に密着させることで、水晶振動子の温度をより正確に感知して、ヒーターにより水晶振動子の温度を一定に保つことができる。このような高安定圧電発振器は、ヒーターから見た熱容量負荷が小さくなるので、温度制御部の応答時間が速くなって温度安定が向上し、その結果高安定発振器の周波数安定度が改善される。しかし、ヒーターからサーミスタ及び水晶振動子への熱伝導経路が異なる、すなわち、水晶振動子はフレキシブル基板を介してヒーターから熱が伝わるのに対し、サーミスタは直接ヒーターから及びフレキシブル基板を介して水晶振動子から熱が伝わるため、サーミスタが検出する温度と水晶振動子の温度とは正確に一致しないという問題がある。また、フレキシブル基板は高価であり、コスト面で問題となる。

特開２０００−１０１３４６号

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、低コストで周波数安定度が高い圧電発振器を提供することである。

本発明の好ましい実施形態による圧電発振器は、プリント基板と、圧電振動子と、該圧電振動子を励起するための発振回路部と、該圧電振動子の温度を検出するための温度検出部と、該圧電振動子の温度を一定に保つためのヒーターと、該温度検出部の出力に基づいて該ヒーターを制御する制御部とを有し、該圧電振動子及び該温度検出部が、近接して該プリント基板の一方の面に実装され、該ヒーターが、該プリント基板の他方の面の、該圧電振動子及び該温度検出部に対して真裏の位置に実装される。

温度検出器を水晶振動子と同一面に実装し、近接させ、さらにヒーターを、プリント基板の他方の面の、水晶振動子及び温度検出器に対して真裏の位置に実装する。これにより、ヒーターから水晶振動子への熱伝導経路とヒーターから温度検出器への熱伝導経路とが同じであるので、水晶振動子及び温度検出器の温度を略同等とすることができ、より正確に水晶振動子の温度を検出することができる。

好ましい実施形態においては、上記プリント基板が、内部の配線層に１又は複数のベタパターンを内装し、該ベタパターンが、上記圧電振動子及び上記温度検出部と、上記ヒーターとで挟まれるように内装されている。

水晶振動子及び温度検出器とヒーターとに挟まれる部分のプリント基板内に熱伝導性の高いベタパターンを内装する。これにより、ベタパターンが内装される部分のプリント基板の厚み方向の熱伝導性が向上し、ヒーターから水晶振動子及び温度検出器への熱伝導効率が上がるので、素早く水晶振動子の温度を制御することができる。また、プリント基板に内装されたベタパターンによって水晶振動子及び発振回路から生じる高周波ノイズによるプリント基板の裏面に実装された回路への悪影響を防ぐことができる。

好ましい実施形態においては、上記ベタパターンが、上記圧電振動子及び上記温度検出部の実装面積と略同等以上である。

ベタパターンが、圧電振動子及び温度検出部の実装面積と略同等以上であることにより、水晶振動子及び温度検出器に対して全体へヒーターからの熱を効率良く伝えることができる。

好ましい実施形態においては、上記プリント基板が、内部に複数の配線層を有する多層プリント基板であり、該各配線層に該ベタパターンを含む。

各配線層にベタパターンを含むことで、プリント基板の厚み方向の熱伝導性がさらに向上し、ヒーターから水晶振動子及び温度検出器への熱伝導効率が上がるので、素早く水晶振動子の温度を制御することができる。

好ましい実施形態においては、上記温度検出部が、直接接続された複数のダイオードを温度検出素子として含む。

ダイオードは素子の大きさが小さいので、水晶振動子３の近くに配置することが可能であり、水晶振動子３の温度をより正確に検出することができる。また、ダイオードを温度検出として用いることで、安価及び簡便な温度検出器５を実現することができる。

本発明の圧電発振器は、ヒーター７から水晶振動子３への熱伝導経路とヒーター７から温度検出器５への熱伝導経路とを同じに、水晶振動子３及び温度検出器５の温度を略同等とすることができるので、より正確に水晶振動子３の温度を検出することができ、周波数安定度に優れる。

本発明の好ましい実施形態による圧電発振器を示す断面図である。 本発明の好ましい実施形態による圧電発振器を示す上面図である。 本発明の好ましい実施形態による温度検出器及び制御回路である。

以下、本発明の好ましい実施形態による圧電発振器１について、図を参照して説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明を援用する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による圧電発振器１を示す断面図である。図２は、本発明の好ましい実施形態による圧電発振器１を示す上面図である。圧電発振器１は、プリント基板２と、水晶振動子３と、発振回路４と、温度検出器５と、制御回路６と、ヒーター７とを有する。発振回路４は、水晶振動子３と電気的に接続され、水晶振動子３を励振し、その発振出力をクロック信号等の基準信号として外部に出力する。温度検出器５は、水晶振動子３の温度を検出する。制御回路６は、水晶振動子３の温度が一定になるように、温度検出器５の検出結果に基づいてヒーター７をオンオフ制御する。

水晶振動子３、発振回路４及び温度検出器５は、プリント基板２の一方の面（以下、表面）に実装され、温度検出器５は水晶振動子３に近接した位置に実装される。温度検出器５を水晶振動子３と同一面に実装し、近接させることで、より正確に水晶振動子３の温度を検出することができる。制御回路６及びヒーター７は、プリント基板の他方の面（以下、裏面）に実装される。特にヒーター７は、水晶振動子３及び温度検出器５に対して真裏の位置に実装される。言い換えると、図２に示すように、プリント基板２の表面から見たとき、水晶振動子３及び温度検出器５と重なるように、プリント基板２の裏面に実装される。これにより、ヒーター７から水晶振動子３への熱伝導経路とヒーター７から温度検出器５への熱伝導経路とが同じ、つまり、ヒーター７からプリント基板２を介して水晶振動子３及び温度検出器５へ熱が伝わるので、水晶振動子３及び温度検出器５の温度を略同等とすることができ、より正確に水晶振動子３の温度を検出することができる。

プリント基板２は、多層プリント基板であり、内部に２層の配線層を有する。プリント基板２は、その配線層にベタパターン８を内装する。本実施例では、ベタパターン８として、銅箔等の導電体で形成された電源プレーンとグランドプレーンが内装されている。ベタパターン８は、水晶振動子３及び温度検出器５とヒーター７とで挟まれる位置に内装される。言い換えると、ベタパターン８は、水晶振動子３及び温度検出器５の真下の各配線層に内装される。水晶振動子３及び温度検出器５とヒーター７とに挟まれる部分のプリント基板２内に熱伝導性の高いベタパターン８を内装することで、その部分のプリント基板２の厚み方向の熱伝導性が向上し、ヒーター７から水晶振動子３及び温度検出器５への熱伝導効率が上がるので、素早く水晶振動子３の温度を制御することができる。また、各配線層それぞれにおいて、水晶振動子３及び温度検出器５とヒーター７とで挟まれる位置にベタパターン８を内装することで、よりプリント基板２の厚み方向の熱伝導性が向上し、より素早く水晶振動子３の温度を制御することができる。さらに、ベタパターン８は、水晶振動子３及び発振回路４から生じる高周波ノイズによるプリント基板２の裏面に実装された回路への悪影響を防ぐことができる。

また、ベタパターン８は、図２で示すように、プリント基板２の表面から見たときに、水晶振動子３及び温度検出器５と重なるように各配線層に内装される。言い換えると、プリント基板２の各配線層に内装されるベタパターン８の面積が、プリント基板２上における水晶振動子３及び温度検出器５の実装面積の合計と略同等以上である。これによって、水晶振動子３及び温度検出器５に対して全体へヒーター７からの熱を効率良く伝えることができる。好ましくは、ベタパターン８の面積が、プリント基板２上における水晶振動子３及び温度検出器５の実装面積の合計と略同等であり、これによってベタパターン８を介して他の回路が実装される部分のプリント基板２へ放熱されることを最小限に抑えることができる。なお、各配線層に内装されるベタパターン８は、複数であってもよく、この場合は、同一配線層に内装される複数のベタパターン８が、プリント基板２の表面から見たときに水晶振動子３及び温度検出器５と重なるように、水晶振動子３及び温度検出器５の真下の位置に内装され、それらの面積の合計が、プリント基板２上における水晶振動子３及び温度検出器５の実装面積の合計と略同等以上であれば良い。

次に、本発明の好ましい実施形態による温度検出器５及び制御回路６について説明する。図３は、本発明の好ましい実施形態による温度検出器５及び制御回路６を示す回路図である。

温度検出器５は、図３に示すように直列接続されたダイオードＤ１、Ｄ２及び抵抗Ｒ１を有し、これらによる定電圧Ｖ１の分圧を出力Ｖａとして、ダイオードＤ１のアノードと抵抗Ｒ１との接続ノードから出力する。ダイオードＤ１、Ｄ２は温度上昇に比例してジャンクション電圧が小さくなる性質を有するので、ダイオードＤ１、Ｄ２を温度検出素子として水晶振動子３の近傍に実装することで、水晶振動子３の温度が上昇すると出力Ｖａが小さくなり、水晶振動子３の温度が下降すると出力Ｖａが大きくなる。ダイオードＤ１、Ｄ２は素子の大きさが小さいので、水晶振動子３の近くに配置することが可能であり、水晶振動子３の温度をより正確に検出することができる。また、ダイオードＤ１、Ｄ２を温度検出として用いることで、安価及び簡便な温度検出器５を実現することができる。

制御回路６は、温度検出器５の出力Ｖａと基準電圧Ｖｆとを比較する比較器９と、比較器９の比較結果に応じてヒーター７をオンオフ制御するトランジスタＱ１、Ｑ２とを備える。本実施例では図３に示すように、オペアンプＵ１が比較器９として動作する。オペアンプＵ１の反転入力端子は、直列接続された抵抗Ｒ２とＲ３との接続ノードが接続され、抵抗Ｒ２及びＲ３による定電圧Ｖ１の分圧が基準電圧Ｖｆとして入力される。基準電圧Ｖｆは、水晶振動子３が所定の温度Ｔを保つように、ヒーター７をオンまたはオフするため基準電圧である。オペアンプＵ１の非反転入力端子は、温度検出器５に接続され、出力Ｖａが入力される。オペアンプＵ１の出力端子は、トランジスタＱ１のベース端子に接続され、出力Ｖａが基準電圧Ｖｆ以下のときにローレベルの電圧を、出力Ｖａが基準電圧Ｖｆよりも大きいときにハイレベルの電圧を比較結果として出力する。トランジスタＱ１、Ｑ２は、インバーテッドダーリントン接続され、トランジスタＱ１のエミッタ端子及びトランジスタＱ２のコレクタ端子がヒーター７に接続され、比較器９からハイレベルの電圧が入力されるとトランジスタＱ１、Ｑ２がオンしてヒーター７へ定電圧Ｖ２が供給され、比較器９からローレベルの電圧が入力されるとトランジスタＱ１、Ｑ２がオフしてヒーター７への定電圧Ｖ２の供給が停止される。

次に、温度検出器５及び制御回路６の動作について説明する。水晶振動子３の温度が上昇すると、ダイオードＤ１、Ｄ２の温度が上昇してジャンクション電圧が小さくなるので、温度検出器５の出力Ｖａが小さくなる。水晶振動子３の温度が所定の温度Ｔまで上昇、すなわち出力Ｖａが基準電圧Ｖｆ以下になると、オペアンプＵ１はローレベルの電圧を比較結果として出力するので、トランジスタＱ１、Ｑ２が共にオフされる。その結果、ヒーター７は定電圧Ｖ２が供給されないので、水晶振動子３及び温度検出器５への加熱を停止する。このとき、水晶振動子３及び温度検出器５は、空気中やプリント基板２等へ放熱し、温度が下がる。一方、水晶振動子３の温度が下がると、ダイオードＤ１、Ｄ２の温度が下がってジャンクション電圧が大きくなるので、温度検出器５の出力Ｖａが大きくなる。水晶振動子３の温度が所定の温度Ｔまで下降、すなわち出力Ｖａが基準電圧Ｖｆより大きくなると、オペアンプＵ１はハイレベルの電圧を比較結果として出力するので、トランジスタＱ１、Ｑ２が共にオンされる。その結果、ヒーター７は定電圧Ｖ２が供給され、水晶振動子３及び温度検出器５を加熱する。このように水晶振動子３が所定の温度Ｔのときにヒーター７がオンオフ制御されるように基準電圧Ｖｆを設定すれば、水晶振動子３を一定の温度に保つことができ、水晶振動子３の周波数安定度を向上させることができる。

なお、一定に保つ温度Ｔを、高温地域の気温よりも十分に高い温度（例えば、５６度付近）になるように基準電圧Ｖｆを設定することで、ヒーター７によって水晶振動子３及び温度検出器５の温度を支配的に制御することができる。また、一定に保つ温度Ｔを、水晶振動子３の周波数温度特性の変化率（温度変化に対する周波数の変動）が小さい温度付近になるように基準電圧Ｖｆを設定すれば、基準電圧Ｖｆを生成する抵抗Ｒ２、Ｒ３の抵抗値のばらつきによって基準電圧Ｖｆが数ｍＶずれたとしても、周波数のずれを小さく抑えることができる。

なお、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７は、必要に応じて追加する素子である。コンデンサＣ１は、定電圧Ｖ１のノイズ成分をカットするために、一端が定電圧源に接続され、他端は接地される。抵抗Ｒ４は、基準電圧Ｖｆを微調整するために、抵抗Ｒ３と並列接続される。抵抗Ｒ５及びコンデンサＣ２は、オペアンプＵ１の発振防止のために、それぞれ一端がオペアンプＵ１の出力端に、他端が非反転入力端子に接続される。抵抗Ｒ６、Ｒ７は、オペアンプＵ１を利得調整するために、抵抗Ｒ６はオペアンプＵ１の出力端子とトランジスタＱ１のベースとの間に、抵抗Ｒ７は一端が抵抗Ｒ６とトランジスタＱ１のベースとの間に接続され、他端は接地される。

以上、本発明に係る圧電発振器の好ましい実施形態の例について説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。例えば、本実施例において、発振回路４を水晶振動子３と同一面に実装するようにしたが、その限りではなく、水晶振動子３が実装される側の面に実装しても良い。

また、本実施例において、制御回路６をヒーター７と同一面に実装するようにしたが、その限りではなく、水晶振動子３が実装される側の面に実装してもよい。

さらに、本実施例において、プリント基板２の内部の配線層を２層としたが、その限りではなく、複数の配線層を有していれば良い。また、必ずしもこれらの各配線層全てにベタパターン８が配線されている必要はないが、好ましくは、プリント基板２の厚み方向の熱伝導率を向上させるために各配線層全てにベタパターン８を配線する。

さらに、本実施例において、ベタパターン８として電源プレーン及びグランドプレーンをプリント基板２に内装したが、この限りではなく、いずれか一方を複数内装するようにしても良い。

さらに、本実施例において、温度検出器５の出力Ｖａと基準電圧Ｖｆとの比較するための比較器としてオペアンプＵ１を用いたが、オペアンプＵ１の代わりにマイコンを用いることで、温度検出器５の出力Ｖａと基準電圧Ｖｆとを比較するようにしてもよい。

さらに、ヒーター７に供給される電圧Ｖ２をスイッチング電源などの大容量電源を用いて供給し、ヒーター７も大容量ヒーター、例えば大容量の抵抗器とすれば、プリント基板２を介する熱伝導性をさらに向上させることができる。

本発明は、圧電発振器に好適に採用され得る。

１ 圧電発振器
２ プリント基板
３ 水晶振動子
４ 発振回路
５ 温度検出器
６ 制御回路
７ ヒーター
８ ベタパターン
９ 比較器

Claims (1)

1. 内部の配線層に複数のベタパターンを内装する多層プリント基板と、
   圧電振動子と、
   該圧電振動子を励起するための発振回路部と、
   該圧電振動子の温度を検出するための温度検出部と、
   該圧電振動子の温度を一定に保つためのヒーターと、
   該温度検出部の出力に基づいて該ヒーターを制御する制御部とを有し、
   該圧電振動子及び該温度検出部が、近接して該多層プリント基板の一方の面に空間および他の部材を介することなく実装され、
   該ヒーターが、該多層プリント基板の他方の面の、該圧電振動子及び該温度検出部に対して該一方の面から見て重なる真裏の位置に空間および他の部材を介することなく実装され、
   該圧電振動子及び該温度検出部と、該ヒーターと、に挟まれるように内装されている該多層プリント基板の複数の該ベタパターンが、該圧電振動子及び該温度検出部の実装面積と略同等以上であり、少なくとも電源プレーンまたはグランドプレーンのいずれか一方を含む、
   圧電発振器。

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