JP6208472B2 - 恒温槽付水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽付水晶発振器に係り、特に、周波数対温度特性を改善できる恒温槽付水晶発振器に関する。

［従来の技術］
従来の恒温槽付水晶発振器は、水晶振動子を恒温槽（オーブン）内に配置し、ヒータで水晶振動子の周囲を一定温度に保つ構造であり、通常、水晶振動子と感熱素子（サーミスタ）、発熱素子（パワートランジスタ）が、それぞれ回路的に、レイアウト的に独立したものとなっている。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２００５−３３３３１５号公報「恒温槽を用いた高安定用の水晶発振器」（日本電波工業株式会社）［特許文献１］、特開２００５−１４３０６０号公報「圧電振動子及びこれを用いた圧電発振器」（東洋通信機株式会社）［特許文献２］がある。

特許文献１には、水晶発振器において、過熱供給体がリード線の挿通孔を有して回路基板に装着され、水晶振動子と対面して直接的に熱結合した導熱板と、導熱板に近接して回路基板に装着され、導熱板と熱結合した加熱用のチップ抵抗とから構成されることが示されている。

特許文献２には、圧電発振器において、金属ベース部材を貫通しうる２本のリード端子に導通固定した圧電素子を金属ケースで気密封止し、リード端子の一方が金属ケース若しくは金属ベース部材と接続されることが示されている。

特開２００５−３３３３１５号公報 特開２００５−１４３０６０号公報

しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器では、通常、水晶振動子と感熱素子、発熱素子が、それぞれ回路的及びレイアウト的に独立しているため、それぞれの部品の熱結合が疎になってしまい、周波数対温度特性が劣化するという問題点があった。

更に、バリキャップダイオードを用いた周波数可変機能付の水晶発振器の場合は、バリキャップダイオードも他の部品と同様に回路的及びレイアウト的に独立しており、熱結合が疎となっているため、バリキャップダイオードの端子間容量対温度特性により周波数対温度特性が変化して、周波数対温度特性が更に劣化するという問題点があった。

尚、特許文献１，２では、水晶振動子と感熱素子、発熱素子、更にバリキャップダイオードが回路的に及びレイアウト的に接続して熱結合を密にし、周波数対温度特性が劣化するのを防止できるものとはなっていない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、バリキャップダイオードを用いた周波数可変機能付の恒温槽付水晶発振器において、周波数対温度特性を改善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、恒温槽内に配置される水晶振動子と、周波数調整用のバリキャップダイオードと、恒温槽内の温度を調整する温度制御回路とを有する恒温槽付水晶発振器であって、温度制御回路が、温度を検出する感熱素子と、発熱素子となるパワートランジスタとを有し、水晶振動子のグランド端子と、感熱素子の一端と、パワートランジスタのエミッタと、バリキャップダイオードのアノードとを共通のグランド線に接続し、温度制御回路には、パワートランジスタのコレクタに接続するヒータが設けられ、水晶振動子が搭載される基板上に、水晶振動子の下を横断するようにヒータとパワートランジスタのコレクタを接続する接続パターンが形成され、接続パターンに近接して、水晶振動子のグランド端子と、感熱素子の一端と、パワートランジスタのエミッタと、バリキャップダイオードのアノードとを接続する共通のグランド線となるグランドパターンが形成されることを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、水晶振動子の下を横断するように形成される接続パターンに対して当該接続パターンの一方の端辺に近接して第１のグランドパターンが形成され、接続パターンの他方の端辺に近接して第２のグランドパターンが形成され、第１のグランドパターンと水晶振動子の第１のグランド端子が接続され、第２のグランドパターンとが水晶振動子の第２のグランド端子が接続され、第１のグランド端子と第２のグランド端子とが水晶振動子の金属カバーを介して接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、温度制御回路が、温度を検出する感熱素子と、発熱素子となるパワートランジスタとを有し、水晶振動子のグランド端子と、感熱素子の一端と、パワートランジスタのエミッタと、バリキャップダイオードのアノードとを共通のグランド線に接続し、温度制御回路には、パワートランジスタのコレクタに接続するヒータが設けられ、水晶振動子が搭載される基板上に、水晶振動子の下を横断するようにヒータとパワートランジスタのコレクタを接続する接続パターンが形成され、接続パターンに近接して、水晶振動子のグランド端子と、感熱素子の一端と、パワートランジスタのエミッタと、バリキャップダイオードのアノードとを接続する共通のグランド線となるグランドパターンが形成される恒温槽付水晶発振器としているので、バリキャップダイオードを用いた周波数可変機能付の恒温槽付水晶発振器において、水晶振動子と感熱素子、発熱素子、更にバリキャップダイオードが回路的に及びレイアウト的に接続して熱結合を密にし、周波数対温度特性を改善できる効果がある。

本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の回路図である。 本発振器の回路配置を示す図である。

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、水晶振動子のグランド端子と、感熱素子のサーミスタと、発熱素子のパワートランジスタのエミッタと、更にバリキャップダイオードのアノードとを共通のグランド線で接続したものであり、これにより各素子の熱結合を密にでき、引いては周波数対温度特性を改善できるものである。

［本発振器：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器（本発振器）について図１を参照しながら説明する。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回路図である。
本発振器は、図１に示すように、水晶振動子１と、発振回路（OSC）２と、発振器バッファ（OSC Buffer）３と、コンデンサ４と、バリキャップダイオード５とを備え、温度制御回路として、第１の抵抗（Ｒ1）１１と、サーミスタ１２と、第２の抵抗（Ｒ2）１３と、第３の抵抗（Ｒ3）１４と、オペアンプ（ＯＰＡＭＰ）１５と、ＮＰＮ型のパワートランジスタ１６と、ヒータ１７とを有している。

［本発振器の接続関係］
本発振器は、図１に示すように、制御電圧入力端子（Ｖcont）がコンデンサ４の一端に接続し、コンデンサ４の他端が水晶振動子１の入力端子に接続し、水晶振動子１の出力端子が発振回路２の入力端子に接続し、発振回路２の出力端子が発振器バッファ３の入力端子に接続し、発振器バッファ３の出力端子が本発振器の出力端子（Out put）に接続している。
また、制御電圧入力端子には、バリキャップダイオード５のカソード側が接続し、バリキャップダイオード５のアノード側と水晶振動子１のグランド（ＧＮＤ）端子が接地される。

温度制御回路は、電源電圧端子（Ｖcc）に第１の抵抗（Ｒ1）１１の一端と、第２の抵抗（Ｒ2）１３の一端と、ヒータ１７の一端が接続され、第１の抵抗１１の他端がサーミスタ１２の一端に接続され、サーミスタ１２の他端が接地される。
また、第２の抵抗１３の他端に第３の抵抗１４の一端が接続され、第３の抵抗１４の他端が接地されている。

そして、第１の抵抗の他端とサーミスタ１２の一端との間の点がオペアンプ１５のプラス（＋）入力端子に接続し、第２の抵抗１３の他端と第３の抵抗１４の一端との間の点がオペアンプ１５のマイナス（−）入力端子に接続している。
オペアンプ１５の出力端子がパワートランジスタ１６のベース（Ｂ）に接続し、パワートランジスタ１６のコレクタ（Ｃ）にヒータ１７の他端が接続され、パワートランジスタ１６のエミッタ（Ｅ）が接地されている。

ここで、本発振器の特徴部分としては、バリキャップダイオード５のアノード側と水晶振動子１のＧＮＤ端子と、サーミスタ１２の他端と第３の抵抗１４の他端、パワートランジスタ１６のエミッタが共通のグランド（ＧＮＤ）線で接続されて、接地されている。
これにより、水晶振動子１と感熱素子（サーミスタ１２）、発熱素子（パワートランジスタ１７）、バリキャップダイオード５が回路的に接続して熱結合を密にし、周波数対温度特性を向上させるものである。

［本発振器の各部］
本発振器の各部について説明する。
水晶振動子１と発振回路２は、電源電圧が印加されることにより振動を開始し、その振動を発振器バッファ３に出力する。尚、水晶振動子１のグランド端子は共通のグランド線に接続されている。
発振器バッファ３は、水晶振動子１から入力された振動を増幅して発振信号を出力端子に出力する。

制御電圧を可変にすることにより、バリキャップダイオード５の容量値が変化するため、水晶振動子１に対する負荷容量を可変させ、発振周波数を制御することができる。
バリキャップダイオード５は、カソードが制御電圧入力端子とコンデンサ４の一端に接続され、アノードが共通のグランド線に接続されている。

［温度制御回路の動作］
次に、温度制御回路の動作について説明する。
サーミスタ１２は、感熱素子であり、検出した温度によって流れる電流が変化する。
従って、第１の抵抗（Ｒ1）１１とサーミスタ１２との間の点の電圧は、サーミスタ１２での検出温度に応じて変化し、オペアンプ１５のプラス（＋）入力端子に入力される。

第２の抵抗（Ｒ2）１３と第３の抵抗（Ｒ3）１４との間の点の電圧は、温度に拘わらず一定であり、基準電圧としてオペアンプ１５のマイナス（−）入力端子に入力される。
そして、オペアンプ１５は、検出温度に応じた電圧と基準電圧との差分によって出力電圧をパワートランジスタ１６のベース（Ｂ）に出力する。

ＮＰＮ型のパワートランジスタ１６は、オペアンプ１５からの出力電圧をベース（Ｂ）に入力し、ベースに入力される電圧に応じてコレクタ（Ｃ）からエミッタ（Ｅ）に電流を流す。
パワートランジスタ１６とヒータ１７は、発熱素子となるが、主に発熱するのは、パワートランジスタ１６である。

そして、本発振器において、特徴的な構成は、水晶振動子１のグランド端子と、バリキャップダイオード５のアノードと、サーミスタ１２の他端と、第３の抵抗１４の他端と、パワートランジスタ１６のエミッタが共通のグランド線に接続され、各素子が電気的に接続されると共に熱結合している。

［本発振器のレイアウト：図２］
本発振器のレイアウトについて図２を参照しながら説明する。図２は、本発振器の回路配置を示す図である。
図２では、本発振器の各部を基板１０に配置し、上側から見た図となっている。
本発振器は、図２に示すように、基板１０上に共通のグランド線となるグランドパターン（第１のグランドパターン、第２のグランドパターン））２０ａ，２０ｂが形成され、また、接続パターン２１が形成されている。

接続パターン２１は、発熱素子のパワートランジスタ１６のコレクタ（Ｃ）が接続され、更にヒータ１７が接続されている。つまり、接続パターン２１は、パワートランジスタ１６のコレクタとヒータ１７を接続する線である。
また、グランドパターン２０ａは、バリキャップダイオード５のアノードと、感熱素子のサーミスタ１２の他端と、パワートランジスタ１６のエミッタ（Ｅ）が接続されている。

水晶振動子１の左下の角部と右上の角部にはグランド端子が設けられ、その他の角部には入力端子又は出力端子が設けられる。
水晶振動子１の２つのグランド端子の一方は、グランドパターン２０ｂに接続し、他方はグランドパターン２０ａに接続し、グランドパターン２０ａとグランドパターン２０ｂとは、水晶振動子１の金属カバーを介して電気的に接続している。

このように、パワートランジスタ１６とヒータ１７を接続する接続パターン２１が、水晶振動子１の下側を横断するよう基板１０上に形成され、その上下に形成されたグランドパターン（共通グランド線）２０ａ，２０ｂに水晶振動子１のグランド端子と、バリキャップダイオード５のアノードと、サーミスタ１２の他端と、パワートランジスタ１６のエミッタが接続されているので、水晶振動子１、サーミスタ１２、パワートランジスタ１６、バリキャップダイオード５が回路的に接続し、レイアウト的に近接して配置でき、これら素子の熱結合を密にして周波数対温度特性の劣化を防止できる。

［実施の形態の効果］
本発振器によれば、水晶振動子１のグランド端子と、感熱素子のサーミスタ１２の他端と、発熱素子のパワートランジスタ１６のエミッタと、更にバリキャップダイオード５のアノードとが回路的に及びレイアウト的に接続する構成としているので、これら素子の熱結合を密にし、引いては周波数対温度特性を改善できる効果がある。

本発明は、バリキャップダイオードを用いた周波数可変機能付の恒温槽付水晶発振器において、周波数対温度特性を改善できる恒温槽付水晶発振器に好適である。

１...水晶振動子、 ２...発振回路（OSC） 、 ３...発振器バッファ（OSC Buffer）、 ４...コンデンサ、 ５...バリキャップダイオード、 １０...基板、 １１...第１の抵抗（Ｒ1）、 １２...サーミスタ、 １３...第２の抵抗（Ｒ2）、 １４...第３の抵抗（Ｒ3）、 １５...オペアンプ（ＯＰＡＭＰ）、 １６...パワートランジスタ、 １７...ヒータ、 ２０ａ，２０ｂ...グランドパターン、 ２１...接続パターン

Claims (2)

1. 恒温槽内に配置される水晶振動子と、周波数調整用のバリキャップダイオードと、恒温槽内の温度を調整する温度制御回路とを有する恒温槽付水晶発振器であって、
   前記温度制御回路は、温度を検出する感熱素子と、発熱素子となるパワートランジスタとを有し、
   前記水晶振動子のグランド端子と、前記感熱素子の一端と、前記パワートランジスタのエミッタと、前記バリキャップダイオードのアノードとを共通のグランド線に接続し、
   前記温度制御回路には、前記パワートランジスタのコレクタに接続するヒータが設けられ、
   前記水晶振動子が搭載される基板上に、前記水晶振動子の下を横断するように前記ヒータと前記パワートランジスタのコレクタを接続する接続パターンが形成され、
   前記接続パターンに近接して、前記水晶振動子のグランド端子と、前記感熱素子の一端と、前記パワートランジスタのエミッタと、前記バリキャップダイオードのアノードとを接続する共通のグランド線となるグランドパターンが形成されることを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
2. 水晶振動子の下を横断するように形成される接続パターンに対して当該接続パターンの一方の端辺に近接して第１のグランドパターンが形成され、
   前記接続パターンの他方の端辺に近接して第２のグランドパターンが形成され、
   前記第１のグランドパターンと前記水晶振動子の第１のグランド端子が接続され、前記第２のグランドパターンとが前記水晶振動子の第２のグランド端子が接続され、前記第１のグランド端子と前記第２のグランド端子とが前記水晶振動子の金属カバーを介して接続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。

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