JP7075160B1 - 恒温槽型水晶発振器 - Google Patents
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Abstract
本発明に係る恒温槽型水晶発振器1~1Hは、ITカットの水晶片11,11A,11C,11Gを備える水晶振動素子10,10A,10C,10Gと、水晶振動素子の振動周波数を制御する振動制御回路22と、水晶振動素子への加熱と冷却とを繰り返すことにより水晶振動素子の温度を設定された温度範囲内に調節する温度調節体50,50A,50C,50G,50Hと、温度調節体に対する吸熱板および放熱板として機能する熱伝導板60,60A,60C,60E,60G,60Hと、温度調節体の温度を制御する温度制御回路24と、水晶振動素子を収容する筐体30,30A,30E,30F,30Hと、を有してなる。筐体は 、筐体の内側に、水晶振動素子が収容される振動素子収容空間31c、31Ac,31Ec,31Fc,31Gc,31Hcを画定する。
Description
図1は、本発振器の実施の形態を示す模式断面図である。
図2は、本発振器の機能ブロック図である。
同図は、水晶の結晶の直交座標系(XYZ)において、XZ軸に直交する面を、電気軸であるX軸を回転軸として「α」度回転(1回回転)し、「α」度回転後の直交座標系(XY´Z´)において、Z´軸を回転軸として「β」度回転(2回回転)した切断角度で、水晶片11が切断されていることを示す。本実施の形態において、水晶片11は、例えば、「α」34度25分30秒、「β」19度6分、の切断角度で切断されている。
同図は、縦軸に周波数偏差(ppm)を示し、横軸に温度(℃)を示す。同図は、「β」を19度6分で固定とし、「α」を34度22分30秒から30秒間隔で大きくしたときの、水晶振動素子10の周波数温度特性を示す。同図は、水晶振動素子10の偏曲点温度Tiが約75℃であり、偏曲点温度Tiよりも低温側で零温度係数を示す頂点温度T0が「β」の増加に応じて、約60℃~40℃の範囲で変動すること、を示す。
同図は、縦軸に周波数偏差(ppb)、横軸に温度(℃)を示す。同図は、「α」34度25分30秒、「β」19度6分、の切断角度で切断された水晶片11が用いられた水晶振動素子10の頂点温度T0が約42℃であることを示す。
第1主面電極12と第2主面電極13それぞれは、水晶片11に所定の電圧を印加する。第1主面電極12は、水晶片11の一方側の面(図1の紙面下側の面:下面)に配置されている。第2主面電極13は、水晶片11の他方側の面(図1の紙面上側の面:上面)に配置されている。第1主面電極12と第2主面電極13それぞれは、例えば、下地金属膜であるCr膜と、下地金属膜上に配置される金属膜であるAu膜と、により構成されている。
温度制御回路24は、抽出回路23により抽出されたBモードの信号に基づいて、温度調節体50に供給される電流を制御する。具体的には、温度制御回路24は、Bモードの信号に基づいて、水晶振動素子10の温度を検出し、水晶振動素子10の温度が所定温度(例えば、頂点温度T0)になるように温度調節体50に供給される電流(電流の向き、大きさ)を制御している。
図7に示されるとおり、従来のOCXOの温度制御は、加熱と自然放熱冷却とにより温度の上昇と下降とを制御する。そのため、特に、同温度制御は、温度の下降に時間を要する。これに対し、本発振器1の温度制御は、加熱と冷却とを強制的に実行できるため、温度の上昇と下降とに要する時間を短縮可能である。また、本発振器1の制御温度範囲は、従来のOCXOの制御温度範囲よりも狭い。
さらにまた、本発振器1の構成では、水晶振動素子10と回路部20とを収容する筐体30は、筐体30の内側の空間(振動素子収容空間31c)に気体(例えば、窒素)が充填されているとき、OCXOの恒温槽としても機能する。前述のとおり、本実施の形態において、振動素子収容空間31cの雰囲気は真空雰囲気である。そのため、振動素子収容空間31cは断熱層として機能し得るが、従来のOCXOの恒温槽(恒温槽の内側の雰囲気の温度を一定に保つ槽)としては機能しない。すなわち、本発振器1は、従来のOCXOのような恒温槽を有していない。そのため、本発振器1の外形寸法は、筐体と恒温槽筐体とにより水晶振動素子を2重に収容する従来のOCXOの外形寸法と比較して、小型化可能である。すなわち、例えば、本発振器1は、恒温槽筐体を備えない発振器(例えば、TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)またはSPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator))と同様の2520サイズ(長さ2.5mm、幅2.0mm)や1612サイズ(長さ1.6mm、幅1.2mm)にまで小型化可能である。
以上説明した実施の形態によれば、本発振器1は、ITカットの水晶片11を備える水晶振動素子10と、水晶振動素子10の振動周波数を制御する振動制御回路22と、水晶振動素子10を加熱または冷却することにより水晶振動素子10の温度を設定された温度範囲(例えば、頂点温度T0近傍)内に調整する温度調節体50と、温度調節体50に対する吸熱板および放熱板として機能する熱伝導板60と、温度調節体50の温度を制御する温度制御回路24と、水晶振動素子10を収容する筐体30と、を有してなる。この構成によれば、本発振器1は、ヒータを用いて温度制御を行う従来のOCXOと比較して、短時間で水晶振動素子10の温度を下げることができると共に、細かな温度制御を実現できる。その結果、本発振器1における制御温度範囲は、±1℃程度の極めて狭い範囲に制御される。また、ペルチェ素子である温度調節体50の冷却効率は向上する。さらに、筐体30は、筐体30の内側に、水晶振動素子10が収容される振動素子収容空間31cを画定する。この構成によれば、水晶振動素子10は、従来の恒温槽を有するOCXOのように、恒温槽筐体に間接的に収容されるのではなく、筐体30のみに直接的に収容される。すなわち、本発振器1の外形寸法は、筐体と恒温槽筐体とにより水晶振動素子を2重に収容する従来のOCXOの外形寸法と比較して、小型化可能である。
次に、本発振器の別の実施の形態(以下「第2実施形態」という。)について、先に説明した実施の形態(以下「第1実施形態」という。)と異なる点を中心に説明する。第2実施形態における本発振器において、温度調節体と熱伝導板との配置が、第1実施形態における本発振器と異なる。以下の説明において、第1実施形態と共通する要素、および第1実施形態と姿勢(配置および向き)のみが異なる要素については、同一の符号が付され、その説明の一部または全ては省略される。
図9は、本発振器の機能ブロック図である。
以上説明した実施の形態によれば、本発振器1Aは、ITカットの水晶片11Aを備える水晶振動素子10Aと、水晶振動素子10Aの振動周波数を制御する振動制御回路22と、水晶振動素子10Aを加熱または冷却することにより水晶振動素子10Aの温度を設定された温度範囲(例えば、頂点温度T0近傍)内に調整する温度調節体50Aと、温度調節体50Aに対する吸熱板および放熱板として機能する熱伝導板60Aと、温度調節体50Aの温度を制御する温度制御回路24と、水晶振動素子10Aを収容する筐体30Aと、を有してなる。この構成によれば、第1実施形態と同様に、本発振器1Aは、従来のOCXOと比較して、短時間で水晶振動素子10Aの温度を下げることができると共に、細かな温度制御を実現できる。その結果、本発振器1Aにおける制御温度範囲は、±1℃程度の極めて狭い範囲に制御される。また、ペルチェ素子である温度調節体50Aの冷却効率は向上する。さらに、筐体30Aは、筐体30Aの内側に、水晶振動素子10Aが収容される振動素子収容空間31Acを画定する。この構成によれば、第1実施形態と同様に、水晶振動素子10Aは、筐体30Aのみに直接的に収容される。すなわち、本発振器1Aの外形寸法は、恒温槽筐体を備えていないTCXOまたはSPXOと略同じ外形寸法まで小型化可能である。
次に、第2実施形態の変形例について、先に説明した第2実施形態と異なる点を中心に説明する。
先ず、第2実施形態における本発振器の第1の変形例(以下「第1変形例」という。)について説明する。第1変形例における本発振器は、熱伝導板(温度調節ユニット)が水晶振動素子(水晶片)に当接している点が、第2実施形態における本発振器と異なる。
次に、第2実施形態における本発振器の第2の変形例(以下「第2変形例」という。)について説明する。第2変形例における本発振器は、水晶振動素子の形状と、水晶振動素子と熱伝導板とが対向している領域が、第2実施形態における本発振器と異なる。
次に、第2実施形態における本発振器の第3の変形例(以下「第3変形例」という。)について説明する。第3変形例における本発振器は、熱伝導板(温度調節ユニット)が水晶振動素子(水晶片)に当接している点が、第2変形例における本発振器と異なる。
次に、第2実施形態における本発振器の第4の変形例(以下「第4変形例」という。)について説明する。第4変形例における本発振器は、段部の形状と熱伝導板の形状とが、第2実施形態における本発振器と異なる。
次に、第2実施形態における本発振器の第5の変形例(以下「第5変形例」という。)について説明する。第5変形例における本発振器は、段部の形状と、熱伝導板が筐体に当接していない点と、が第2実施形態における本発振器と異なり、水晶振動片の構成が第1実施形態における本発振器と共通する。
次に、第2実施形態における本発振器の第6の変形例(以下「第6変形例」という。)について説明する。第6変形例における本発振器は、温度調節体(温度調節ユニット)が水晶振動素子(水晶片)に実装されている点が第2実施形態における本発振器と異なる。
振動素子収容空間31Gcに配置されている。
次に、本発振器の別の実施の形態(以下「第3実施形態」という。)について、先に説明した第1実施形態と第2実施形態と異なる点を中心に説明する。以下の説明において、第1実施形態と第2実施形態と共通する要素、および第1実施形態と第2実施形態と姿勢(配置および向き)のみが異なる要素については、同一の符号が付され、その説明の一部または全ては省略される。
以上説明した実施の形態によれば、本発振器1Hは、ITカットの水晶片11Aを備える水晶振動素子10Aと、水晶振動素子10Aの振動周波数を制御する振動制御回路22と、水晶振動素子10Aを加熱または冷却することにより水晶振動素子10の温度を設定された温度範囲(例えば、頂点温度T0近傍)内に調整する温度調節体50Hと、温度調節体50Hに対する吸熱板および放熱板として機能する熱伝導板60Hと、温度調節体50Hの温度を制御する温度制御回路24と、水晶振動素子10Aを収容する筐体30Hと、を有してなる。この構成によれば、本発振器1Hは、従来のOCXOと比較して、短時間で水晶振動素子10Aの温度を下げることができると共に、細かな温度制御を実現できる。その結果、本発振器1Hにおける制御温度範囲は、±1℃程度の極めて狭い範囲に制御される。また、ペルチェ素子である温度調節体50Hの冷却効率は向上する。さらに、筐体30Hは、筐体30Hの内側に、水晶振動素子10Aが収容される振動素子収容空間31Hcを画定する。この構成によれば、水晶振動素子10Aは、OCXOのように、恒温槽筐体に間接的に収容されるのではなく、筐体30Hのみに直接的に収容される。すなわち、本発振器1Hの外形寸法は、恒温槽筐体を備えていないTCXOまたはSPXOと略同じ外形寸法まで小型化可能である。
なお、以上説明した各実施形態において、本発明における筐体の内側の空間(振動素子収容空間)は、例えば、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気でもよい。
次に、以上説明した各実施形態から把握される本発明の実施態様について、各実施形態において記載された用語と符号とを援用しつつ、以下に記載する。
10 水晶振動素子
11 水晶片
22 振動制御回路
23 抽出回路
24 温度制御回路
30 筐体
31 ベース
31a 開口部
31c 振動素子収容空間
32 カバー
32a 上面(表面)
32b 下面(裏面)
50 温度調節体
50a 上面(他方の面)
50b 下面(一方の面)
60 熱伝導板
1A 恒温槽型水晶発振器
10A 水晶振動素子
11A 水晶片
11A1 厚肉部
11A2 薄肉部
30A 筐体
31A ベース
31Aa 開口部
31Ac 振動素子収容空間
331A1a,331A2a 実装面
331A1b,331A2b 当接面
50A 温度調節体
50Aa 上面(一方の面)
50Ab 下面(他方の面)
60A 熱伝導板
60Aa 上面(温度調節体が取り付けられている面)
60Ab 下面(反対側の面)
S1 隙間
1B 恒温槽型水晶発振器
SB1 隙間
1C 恒温槽型水晶発振器
10C 水晶振動素子
11C 水晶片
11C1 厚肉部
11C2 薄肉部
50C 温度調節体
50Ca 上面(一方の面)
50Cb 下面(他方の面)
60C 熱伝導板
60Ca 上面(温度調節体が取り付けられている面)
60Cb 下面(反対側の面)
SC1 隙間
1D 恒温槽型水晶発振器
SD1 隙間
1E 恒温槽型水晶発振器
30E 筐体
31E ベース
31Ea 開口部
31Ec 振動素子収容空間
311E1a,311E2a 実装面
311E1b,311E2b 当接面
60E 熱伝導板
60Ea 上面(温度調節体が取り付けられている面)
60Eb 下面(反対側の面)
SE1 隙間
1F 恒温槽型水晶発振器
30F 筐体
31F ベース
31Fa 開口部
31Fc 振動素子収容空間
60F 熱伝導板
60Fa 上面(温度調節体が取り付けられている面)
60Fb 下面(反対側の面)
1G 恒温槽型水晶発振器
10G 水晶振動素子
11G 水晶片
30G 筐体
31Gc 振動素子収容空間
50G 温度調節体
60G 熱伝導板
1H 恒温槽型水晶発振器
30H 筐体
31Hc 振動素子収容空間
315Ha 第1開口部
315Hb 第2開口部
32H 第1カバー
32Ha 上面(裏面)
32Hb 下面(表面)
33H 第2カバー
50H 温度調節体
Claims (21)
- 水晶振動素子を収容する筐体を収容し、前記筐体の外部環境空間の温度を所定温度に保つ恒温槽、を有さない恒温槽型水晶発振器であって、
ITカットの水晶片を備える前記水晶振動素子と、
前記水晶振動素子の振動周波数を制御する振動制御回路と、
前記水晶振動素子への加熱と冷却とを繰り返すことにより前記水晶振動素子の温度を設定された温度範囲内に調節する温度調節体と、
前記温度調節体に対する吸熱板および放熱板として機能する熱伝導板と、
前記温度調節体の温度を制御する温度制御回路と、
前記筐体と、
を有してなり、
前記筐体は、前記筐体の内側に、前記水晶振動素子が収容される振動素子収容空間を画定し、
前記振動素子収容空間は、真空雰囲気であり、
前記水晶振動素子の前記温度は、前記振動素子収容空間内に放射される電磁波を介した熱エネルギーの伝達により前記温度範囲内に調節される、
ことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。 - 前記温度調節体と前記熱伝導板とは、前記振動素子収容空間に配置される、
請求項1記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、
開口部を有し、前記水晶振動素子が実装されるベースと、
前記開口部を封止するカバーと、
を備え、
前記カバーは、
前記筐体の外部環境空間に面する表面と、
前記振動素子収容空間に面する裏面と、
を備える、
請求項2記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記温度調節体の一方の面は、前記カバーの前記裏面に取り付けられ、
前記温度調節体の他方の面は、前記熱伝導板に取り付けられ、
前記熱伝導板の前記温度調節体が取り付けられている面の反対側の面は、前記水晶振動素子に向けられる、
請求項3記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記ベースは、
前記水晶振動素子が実装される実装面と、
前記熱伝導板が当接する当接面と、
を備える、
請求項3または4記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記カバーの表裏方向視において、前記当接面は、前記実装面の外側に配置される、
請求項5記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記カバーの表裏方向において、前記当接面は、前記実装面よりも前記カバー側に配置される、
請求項5または6記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記表裏方向において、前記カバーと前記水晶振動素子との間の距離は、前記カバーと前記当接面との間の距離よりも大きい、
請求項7記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記熱伝導板は、前記水晶片に当接する、
請求項2乃至7のいずれかに記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記水晶片は、厚肉部と、前記厚肉部よりも薄い薄肉部と、を有し、
前記熱伝導板は、前記厚肉部に当接する、
請求項9記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記熱伝導板は、前記水晶振動素子との間に隙間を介して、前記水晶振動素子と対向する、
請求項2乃至8のいずれかに記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記温度調節体は、前記水晶片に実装される、
請求項2または3記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、
開口部を有し、前記水晶振動素子が実装されるベースと、
前記開口部を封止するカバーと、
を備え、
前記カバーは、
前記筐体の外部空間に面する表面と、
前記振動素子収容空間に面する裏面と、
を備え、
前記温度調節体の一方の面は、前記カバーの前記表面に取り付けられ、
前記温度調節体の他方の面は、前記熱伝導板に取り付けられる、
請求項1記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、
第1開口部と第2開口部とを有し、前記水晶振動素子が収容されるベースと、
前記第1開口部を封止する第1カバーと、
前記第2開口部を封止する第2カバーと、
を備え、
前記温度調節体は、前記第1カバーに取り付けられる、
請求項1記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記第1カバーは、
前記筐体の外部空間に面する表面と、
前記振動素子収容空間に面する裏面と、
を備え、
前記温度調節体は、前記第1カバーの前記表面に取り付けられ、
前記水晶振動素子は、前記第1カバーの前記裏面に実装される、
請求項14記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、
開口部を有し、前記水晶振動素子が実装されるベースと、
前記開口部を封止する金属製のカバーと、
を備え、
前記温度調節体は、前記カバーに取り付けられる、
請求項1記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、前記振動制御回路と前記温度制御回路とを収容する、
請求項1乃至16のいずれかに記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記筐体は、前記筐体の内側に、前記振動制御回路と前記温度制御回路とが収容される回路収容空間を画定し、
前記振動素子収容空間は、前記回路収容空間と隔離される、
請求項17記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記温度範囲は、30℃乃至50℃の範囲内に設定される、
請求項1乃至18のいずれかに記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記温度範囲は、35℃乃至45℃の範囲内に設定される、
請求項19記載の恒温槽型水晶発振器。 - 前記水晶振動素子のBモードの信号を抽出する抽出回路、
を有してなり、
前記温度制御回路は、
前記Bモードの信号に基づいて、前記温度調節体に流れる電流を制御する、
請求項1乃至20のいずれかに記載の恒温槽型水晶発振器。
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