JP6058974B2

JP6058974B2 - 恒温槽付水晶発振器

Info

Publication number: JP6058974B2
Application number: JP2012240749A
Authority: JP
Inventors: 博之見留
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014090391A

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器に係り、特に熱源部品と温度センサと水晶振動子との間の熱抵抗を低減して温度を安定化させ、出力周波数を安定させることができる恒温槽付水晶発振器に関する。

［先行技術の説明］
恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）は、水晶振動子を恒温槽内に設置して外気温度と遮断し、熱源部品や温度センサを備えた温度制御回路によって水晶振動子の温度を一定に保つものである。
これにより、ＯＣＸＯは、出力周波数の温度による変動を抑え、安定した出力周波数が得られるものである。

ＯＣＸＯでは、熱源部品と、温度センサと、水晶振動子及び他の回路部品（以下、単に「水晶振動子」とする）との熱結合を良好にして温度ムラを無くし、温度制御を安定させることが重要である。

［恒温槽付水晶発振器の実装例：図３］
一般的な恒温槽付水晶発振器の実装例について図３を用いて説明する。図３は、恒温槽付水晶発振器の実装例を示す模式説明図であり、（ａ）は斜め上方向から見た図、（ｂ）は斜め下方向から見た図である。
図３（ａ），（ｂ）に示すように、恒温槽付水晶発振器は、例えば、ガラスエポキシ樹脂等から成る基板１４の下側に温度センサ（サーミスタ）１６、ヒータ抵抗等の熱源部品１７といった回路構成部品が搭載される。回路構成部品が搭載された基板はＨＩＣ（Hybrid IC）基板となる。

そして、基板１４の下面に、回路構成部品を覆うように放熱シート１３が搭載され、放熱シート１３の下面にピンタイプの水晶振動子１２が搭載され、水晶振動子１２のリード端子１８が基板１４に半田付けされて固定されている。
そして、各種部品が搭載された基板１４が、ベース１１上にネジで固定され、更に金属製のカバー１５が搭載されて恒温槽付水晶発振器が形成されている。

［従来の恒温槽付水晶発振器に用いられる水晶振動子の構成：図４］
次に、従来の恒温槽付水晶発振器における水晶振動子の構成について図４を用いて説明する。図４は、従来の恒温槽付水晶発振器におけるＨＩＣ基板の構成を示す模式断面説明図である。
図４に示すように、従来の恒温槽付水晶発振器におけるＨＩＣ基板は、基板１４の下面に熱源１７、サーミスタ１６が搭載され、更に放熱シート１３を介して水晶振動子１２が密着して搭載されている。

水晶振動子１２は、水晶板に電極が形成された水晶ブランク１２１と、金属製のリード端子である水晶リード１２２が取り付けられた水晶ベース１２３が、金属製の水晶カバー１２４で覆われた構成である。水晶リード１２２は、水晶カバー１２４の外側に突出し、基板１４に半田によって固定されている。

水晶ベース１２３は、金属製で、水晶ブランク１２１が搭載されている面（表面とする、図では左側）は凸形状となっており、表面とは反対の裏面（図では右側）は、凹形状となっている。更に、水晶ベース１２３の外周部は、縁状に突出するフランジ部が設けられており、水晶カバー１２４のフランジ部と接着されている。

そして、水晶ベース１２３の裏面側の凹部には、水晶カバー１２４の内部を封止するため、ガラス部１２５が形成されている。ガラス部１２５の熱伝導率は、１Ｗ／ｍ・Ｋと小さい。
また、水晶ベース１２３裏面凹部の空間の内、ガラス部１２５が形成されていない部分は開空間となっている。すなわち、この空間には空気が充満している。
空気の熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋであって、極めて小さいものである。

そのため、熱源部品１７からの熱は、熱伝導率が小さいガラス部１２５及び空気を介して水晶ブランク１２１まで伝導されることになる。
また、水晶振動子をＯＣＸＯ等に搭載する際には、ベース１１とカバー１５とで封止される内部空間に窒素を充填したり、真空にする場合がある。
窒素の熱伝導率は空気とほぼ等しく、真空の熱伝導率はほぼ０Ｗ／ｍ・Ｋである。

［従来の恒温槽付水晶発振器における熱伝導：図４］
従来の恒温槽付水晶発振器における熱伝導について図４を用いて説明する。
従来の恒温槽付水晶発振器では、基板１４に実装された熱源部品１７からの熱を、熱伝導により水晶振動子１２の水晶ブランク１２１に伝導している。
図４に熱源部品１７から水晶ブランク１２までの熱伝導の経路を示す。
図４の構成では、サーミスタ１６が熱源部品１７に囲まれた位置に配置されているので、サーミスタ１６と熱源部品１７との間の熱抵抗は小さい。

しかし、サーミスタ１６及び熱源部品１７から水晶ブランク１２１までの経路が長く、熱伝導率の小さいガラス部１２５及び空気を経由するため、サーミスタ１６や熱源部品１７と水晶ブランク１２１との間の熱抵抗が大きくなっている。
そのため、サーミスタ１６と水晶ブランク１２１との間に温度差が生じてしまい、温度制御の精度が低下して、周波数温度特性等の安定度の悪化を招いてしまう。

［関連技術］
尚、水晶振動子に関する技術としては、特開平１０−２７６０５６号公報「表面実装水晶振動子およびその製造方法」（セイコーインスツルメンツ株式会社、特許文献１）、特開平１１−１６８３４９号公報「電子部品および圧電振動子」（株式会社大真空、特許文献２）、特開２００８−０３５３１４号公報「圧電振動子、高安定圧電発振器用ヒータユニット、及び高安定圧電発振器」（エプソントヨコム株式会社、特許文献３）がある。

特許文献１には、長手方向の一側面が開口し、短手方向の一側面に円筒形水晶振動子のリード端子を導出する開口部を有するケースの内部に、水晶振動子を有機樹脂接着剤で接着固定することが記載されている。

特許文献２には、下部周縁に金属製のフランジを備えたベースとキャップとを溶接する電子部品において、ベースのフランジ領域を除く上面に、ベースとキャップとの間にできる隙間の上部を塞ぐフレキシブル絶縁シートを設置することが記載されている。

特許文献３には、金属ケース内に圧電振動子を気密封止した圧電振動子において、リード端子の先端部に、リード端子よりも熱伝導性の低い導電性接続部材を電気的機械的に接続することが記載されている。

特開平１０−２７６０５６号公報特開平１１−１６８３４９号公報特開２００８−０３５３１４号公報

しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器では、熱源部品から水晶ブランクへの熱伝導の経路上において、水晶ベースの裏面部に熱伝導率の低いガラス部が設けられているため、熱源部品及びサーミスタと水晶ブランクとの間の熱抵抗が大きく、周波数温度特性が劣化してしまうという問題点があった。

尚、特許文献１〜３には、水晶ベースとガラス部とで形成される凹部の空間に、熱伝導性のシリコーン樹脂を充填することは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、熱源部品及びサーミスタと水晶ブランクとの間の熱抵抗を低減させ、周波数温度特性を良好にすることができる恒温槽付水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、ケース内に格納された水晶ブランクと、水晶ブランクの電極から引き出されたリードと、リードが貫通し、水晶ブランク側の面が凸形状で、反対側が凹形状の水晶ベースとを備え、水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間には、リードを固定するガラス部が形成されると共に、ガラス部に接して、凹部の内部空間のみに熱伝導性の熱伝導部が形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、熱伝導部が、シリコーンで形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、一方の面が水晶振動子のケースに密着し、他方の面が熱源部品及び回路部品に密着する放熱シートを備えたことを特徴としている。

また、本発明は、基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器の製造方法であって、ケース内に格納された水晶ブランクの電極から引き出されたリードが貫通するように、水晶ブランク側の面が凸形状で反対側が凹形状の水晶ベースを取り付け、水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間に、ペースト状のガラスを塗布して焼成してリードを固定するガラス部を形成し、ガラス部に接するように、凹部の内部空間のみに熱伝導性物質を塗布して硬化させて熱伝導部を形成して、水晶振動子を製造することを特徴としている。

本発明によれば、基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器であって、水晶振動子は、ケース内に格納された水晶ブランクと、水晶ブランクの電極から引き出されたリードと、リードが貫通し、水晶ブランク側が凸形状で、反対側が凹形状の水晶ベースとを備え、水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間には、リードを固定するガラス部が形成されると共に、ガラス部に接して、凹部の内部空間のみに熱伝導性の熱伝導部が形成されている恒温槽付水晶発振器としているので、断熱性の高い空気の代わりに熱伝導性の熱伝導部を設けることにより、熱源部品からの熱を水晶ブランクに効率よく伝導することができ、恒温槽内の温度を安定化させて温度制御の精度を向上させ、出力周波数の特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、熱伝導部はシリコーンから成る上記恒温槽付水晶発振器としているので、簡易な工程で低コストで熱伝導部を形成することができ、良好な特性の恒温槽付水晶発振器を簡易に実現することができる効果がある。

また、本発明によれば、一方の面が水晶振動子のケースに密着し、他方の面が熱源部品及び回路部品に密着する放熱シートを備えた恒温槽付水晶発振器としているので、熱源部品からの熱を一層伝導し易くして、出力周波数の特性を一層良好にすることができる効果がある。
また、本発明によれば、基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器の製造方法であって、ケース内に格納された水晶ブランクの電極から引き出されたリードが貫通するように、水晶ブランク側の面が凸形状で反対側が凹形状の水晶ベースを取り付け、水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間に、ペースト状のガラスを塗布して焼成してリードを固定するガラス部を形成し、ガラス部に接するように、凹部の内部空間のみに熱伝導性物質を塗布して硬化させて熱伝導部を形成して、水晶振動子を製造する恒温槽付水晶発振器の製造方法としているので、簡易な工程で低コストで熱伝導部を形成することができ、良好な特性の恒温槽付水晶発振器を簡易に実現することができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器のＨＩＣ基板の構成を示す断面説明図である。本恒温槽付水晶発振器に適用する水晶振動子の構成例を示す模式説明図である。恒温槽付水晶発振器の実装例を示す模式説明図であり、（ａ）は斜め上方向から見た図、（ｂ）は斜め下方向から見た図である。従来の恒温槽付水晶発振器におけるＨＩＣ基板の構成を示す断面説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、ピンタイプの水晶振動子を用いた恒温槽付水晶発振器であって、水晶ベースの裏面にガラス部を備え、水晶ベースの裏面とガラス部とで形成される空間に、熱伝導性のシリコーン樹脂を充填したものであり、ガラス及び空気に比べて熱伝導性が高いシリコーンをガラス部に密着して設けることにより、熱源部品と水晶ブランクとの間の熱抵抗を低減して、恒温槽内部の熱伝導を良好にし、温度制御を安定させ、周波数温度特性を良好にすることができるものである。

［実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の構成概要：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の構成概要について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器のＨＩＣ基板の構成を示す断面説明図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器（本恒温槽付水晶発振器）は、図３に示した従来の恒温槽付水晶発振器と同様に実装されており、各種部品が搭載されたガラエポ基板（ＨＩＣ基板）が、ベース上にネジで固定され、更に金属製のカバーが搭載されている。

そして、図１に示すように、本恒温槽付水晶発振器のＨＩＣ基板は、基板２１の下面にヒータ抵抗等の熱源部品２３、温度制御回路のサーミスタ２２が搭載され、更に放熱シート２４を介してピンタイプの水晶振動子２５が密着して搭載されている。サーミスタ２２は、請求項に記載した回路部品に相当する。
放熱シート２４の熱伝導率は、７Ｗ／ｍ・Ｋである。

水晶振動子２５は、基本的な構成は従来の水晶振動子と同様であり、水晶板に電極が形成された水晶ブランク２５１と、水晶リード２５２が取り付けられた水晶ベース２５３が、金属製の水晶カバー２５４で覆われた構成である。水晶カバー２５４の一面が、放熱シート２４に密着している。水晶リード２５２は、金属製で、水晶カバー２５４の外側に突出し、半田によって基板２１に固定されている。

水晶ベース２５３も金属製であり、水晶ブランク２５１が搭載される側は凸形状で、裏面は凹形状となっており、裏面の凹部（裏面凹部）には、従来と同様にガラス部２５５が設けられて、水晶リード２５２を固定すると共に、水晶カバー２５４の内部を気密に封止している。ガラス部２５５は、ぺースト状で塗布されて、焼成されて形成される。

そして、本恒温槽付水晶発振器の特徴として、水晶ベース２５３の裏面凹部の内部空間の内、ガラス部２５５が形成されていない部分に、熱を伝導し易く且つ絶縁性を備えた伝熱性物質（熱伝導性物質）から成る熱伝導部２５６が形成されている。

熱伝導部２５６は、例えば、水晶ベース２５３の奥部にガラス部２５５を形成した後に、更にシリコーン等の伝熱性物質を充填（塗布）して硬化させることにより形成される。
シリコーンの熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋであり、それ自体では極めて熱伝導が良好なものではないものの、ガラス（１Ｗ／ｍ・Ｋ）や、空気（０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ）に比べて十分に高いものである。

すなわち、本恒温槽付水晶発振器は、従来、熱伝導率が極めて低い空気が存在していた部分に、熱伝導部２５６を形成したものである。
これにより、本恒温槽付水晶発振器では、ガラス部２５５に加えて、ガラスよりも熱が伝わり易いシリコーン製の熱伝導部２５６が熱の経路となるため、ガラス部２５５と空気（又は窒素や真空）を介して伝導する場合に比べて、熱源部品２３から水晶ブランク２５１へ熱を効率よく伝導することができ、熱源部品２３、サーミスタ２２、水晶ブランク２５１の間の熱結合を強くすることができるものである。

また、本恒温槽付水晶発振器では、熱伝導部２５６をシリコーン樹脂の充填によって形成しているので、従来の恒温槽付水晶発振器の製造工程に簡易な工程を追加するだけでよく、良好な特性の恒温槽付水晶発振器を低コストで実現することができるものである。

［本水晶振動子の全体構成例：図２］
本恒温槽付水晶発振器に用いられる水晶振動子（本水晶振動子）の構成例について図２を用いて説明する。図２は、本恒温槽付水晶発振器に適用される水晶振動子の構成例を示す模式説明図である。
図２に示すように、本水晶振動子は、従来と同様の構成部分として、電極が形成された水晶ブランク２５１と、水晶ブランク２５１を保持するサポータ２５７と、サポータ２５７に接続する２本の水晶リード２５２と、水晶リード２５２を保持する水晶ベース２５３と、水晶ベース２５３の裏面凹部に形成されたガラス部２５５とを備え、本水晶振動子の特徴部分として、ガラス部２５５の裏面に、シリコーン製の熱伝導部２５６を備えている。
そして、水晶ベース２５３を覆うように金属製のカバー２５４が設けられている。

図２に示すように、ガラス部２５５によって、水晶リード２５２が水晶ベース２５３に固定されると共に、カバー２５４の内部が気密封止される。
そして、水晶ベース２５３の裏面凹部の空間は、内側にガラス部２５５、外側に熱伝導部２５６が充填されている。

各部の材質及び熱伝導率について説明する。
カバー２５４は、例えば銅で形成され、熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋである。
水晶リード２５２は、例えばコバールから成り、熱伝導率は１６．７Ｗ／ｍ・Ｋである。
水晶ベース２５３は、例えば銅とコバールの合金で形成されている。
また、上述したように、ガラス部２５５の熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋであり、シリコーン製の熱伝導部２５６の熱伝導率は２Ｗ／ｍ・Ｋである。

ガラス部２５５の外側の空間に、断熱部材の空気の代わりに熱伝導部２５６を備えたことにより、本恒温槽付水晶発振器は、熱源部品２３と水晶ブランク２５１との間の熱抵抗を低減し、恒温槽内の温度ムラを無くして温度を安定化させ、出力周波数の特性を良好にすることができるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器によれば、熱源部品２３と、サーミスタ２２と、ピンタイプの水晶振動子２５を備え、水晶振動子２５の水晶ベース２５３の裏面凹部に、水晶リード２５２を水晶ベース２５３に固定するガラス部２５５を備え、水晶ベース２５３の裏面凹部のガラス部２５５が設けられていない外側の空間を、熱伝導性の熱伝導部２５６で充填した恒温槽付水晶発振器としているので、熱源部品２３からの熱を熱伝導部２５６を介して水晶ブランク２５１に効率よく伝導させることができ、熱源部品２３、サーミスタ２２、水晶ブランク２５１の間の熱抵抗を低減し、恒温槽内の温度を安定させて温度制御の精度を向上させ、出力周波数の温度周波数特性を良好にすることができる効果がある。

また、本恒温槽付水晶発振器によれば、熱伝導部２５６をシリコーンで形成しているので、ガラス部２５５の外側が空気で満たされていた従来の構成に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができると共に、特性の良好な恒温槽付水晶発振器を低コスト及び簡易なプロセスで製造することができる効果がある。

本発明は、熱源部品と温度センサと水晶振動子との間の熱抵抗を低減して温度を安定化させ、出力周波数を安定させることができる恒温槽付水晶発振器に適している。

１１...ベース、１２，２５...水晶振動子、１３，２４...放熱シート、１４，２１...基板、１５...カバー、１６，２２...サーミスタ、１７，２３...熱源部品、１２１，２５１...水晶ブランク、１２２，２５２...水晶リード、１２３，２５３...水晶ベース、１２４，２５４...水晶カバー、１２５，２５５...ガラス部、２５６...熱伝導部

Claims

基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器であって、
前記水晶振動子は、ケース内に格納された水晶ブランクと、前記水晶ブランクの電極から引き出されたリードと、前記リードが貫通し、前記水晶ブランク側の面が凸形状で、反対側が凹形状の水晶ベースとを備え、
前記水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間には、前記リードを固定するガラス部が形成されると共に、前記ガラス部に接して、前記凹部の内部空間のみに熱伝導性の熱伝導部が形成されていることを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
熱伝導部が、シリコーンで形成されていることを特徴とする請求項１記載の恒温槽付水晶発振器。
一方の面が水晶振動子のケースに密着し、他方の面が熱源部品及び回路部品に密着する放熱シートを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の恒温槽付水晶発振器。
基板上に、ピンタイプの水晶振動子と、熱源となる熱源部品と、温度制御回路を構成する回路部品とが搭載された恒温槽付水晶発振器の製造方法であって、
ケース内に格納された水晶ブランクの電極から引き出されたリードが貫通するように、前記水晶ブランク側の面が凸形状で反対側が凹形状の水晶ベースを取り付け、前記水晶ベースの凹形状の凹部の内部空間に、ペースト状のガラスを塗布して焼成して前記リードを固定するガラス部を形成し、前記ガラス部に接するように、前記凹部の内部空間のみに熱伝導性物質を塗布して硬化させて熱伝導部を形成して、前記水晶振動子を製造することを特徴とする恒温槽付水晶発振器の製造方法。