JPH09260947A - 水晶発振器および温度制御型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 印加電力が少なく、電力印加から短時間で所
定の発振周波数が発振されるような水晶発振器を得る。 【解決手段】 水晶板１の上に発熱部として発熱パター
ン６を形成し、上記発熱パターン６に電極３によって外
部から電源を印加し、水晶板１を直接加熱することで、
熱経路の各構成物の熱収支が均衡する時間が不要とな
り、加熱範囲を小さくすることで、加熱に必要な電力を
削減できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、発振周波数の温
度安定度と短時間の起動が要求される水晶発振器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の水晶発振器は図５に示すように、
水晶板１と、水晶板１の両面に形成された電極パターン
２、上記電極パターン２に接続され、水晶板１を保持す
る電極３、電極３を保持する絶縁体４、水晶板１を保護
するキャップ５より構成される。水晶板１で発生した原
振は、電極パターン２、電極３を通して発振器外部へ伝
達される。また、従来の温度制御型水晶発振器は、図６
に示すとおり、上記水晶発振器より伝達された原振を所
定の信号に増幅する、信号増幅部１１と、水晶板１を所
定の温度に維持するための、温度制御回路部１２、水晶
発振器を加熱するためのヒータ１３、水晶発振器をケー
スから断熱固定するための断熱台座１４、ケース１５、
カバー１６、温度制御型水晶発振器を断熱する断熱スペ
ーサ１７、断熱ワッシャ１８、温度制御型水晶発振器を
取付ベース２０に取付けるねじ１９から構成されてい
る。

【０００３】温度制御型水晶発振器は、温度変動に対す
る周波数変動を最小化するため、図７に示すような水晶
板１の温度に対する発振周波数の特性を利用している。
図において、３１は制御される温度の中心値、３２は所
定の周波数変動の範囲、３３は所定の周波数変動３２を
満たす下限温度、３４は所定の周波数変動３２を満たす
上限温度である。

【０００４】ヒータ１３により、水晶板１が加熱され、
水晶板１の発振周波数が所定の範囲３２に達する。この
まま加熱することにより、水晶板１は、制御される温度
の中心値３１を通過する。このとき、水晶板１の発振周
波数は、所定の周波数の変動の範囲３２の下限を通過す
る。さらに加熱を続けることにより、水晶板１の温度は
上昇し、所定の周波数の変動の範囲３２の上限に近づ
く。このとき、ヒータ１３の加熱停止により、水晶板１
は自然冷却され、温度が低下すると同時に、発振周波数
が、所定の周波数変動３２の下限を通過し、低温側の周
波数変動３２の上限に近づく。再度ヒータ１３に電力が
印加され、水晶板１の温度が上昇することにより、発振
周波数が所定の範囲に保持される。

【０００５】このように、ヒータ１３による加熱と加熱
停止による温度低下で水晶板１を所定の温度範囲に維持
することで、温度制御型水晶発振器の発振周波数は所定
の範囲に保持されている。このとき、ヒータ１３による
発熱は水晶発振器のキャップ５表面に具備され、キャッ
プ５、絶縁体４、電極３、電極パターン２と伝達され、
水晶板１が加熱される。図８は水晶発振器を断熱台座に
取付けた状態を示す図で、図において、ヒータ１３を具
備した水晶発振器は断熱台座１４に固定される。水晶発
振器が固定された断熱台座１４は温度制御型水晶発振器
のケースに固定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の温度制御型水晶
発振器は以上のように構成されているため、温度制御型
水晶発振器に電源を印加した後、水晶発振器はヒータ１
３による加熱が開始されるが、ヒータ１３による発熱
は、図９に示す電熱経路伝わって水晶板１に伝熱されて
おり、電熱経路の構成物がそれぞれ熱容量を有すること
から、ヒータ１３による発熱がまず電熱経路の構成物の
加熱に使用されることになる。このため、各構成物の熱
収支が均衡し、水晶板１が所定の温度に達して、所定の
発振周波数が得られるまでに時間が必要となっている。

【０００７】この時間を短縮するためには、各構成物の
熱収支が均衡する時間を短縮するため、ヒータ１３の発
熱量を増加する必要があるが、例えば人工衛星搭載機器
のように、印加できる電力に制限がある場合は、発熱量
の増大は印加電力の増大になり適用することができなか
った。また、電力印加から所定の発振周波数が得られる
までに時間がかかることは、温度制御型水晶発振器の冗
長構成をとることによって信頼度を向上させているシス
テムにおいては、主系、従系の切り替え時に発振途絶時
間が長くなるため、切り替え時のシステム全体の信頼度
を低下させる要因となるなどの問題点があった。

【０００８】図９において、１は所定の温度に制御され
る水晶板、１０１は水晶板内部の熱抵抗、１２２は水晶
板１と電極間の熱抵抗、１０３は電極の熱抵抗、１０４
は電極を保持している絶縁部の熱抵抗、１０５はキャッ
プ５の熱抵抗、１１３は発熱部であるヒータ１３、１１
４は水晶発振器を固定している断熱台座１４の熱抵抗、
１１５は断熱台座が固定されているケースである。発熱
部１１３で発生した熱量は、熱抵抗１０５、熱抵抗１０
４、熱抵抗１０３、熱抵抗１２２、熱抵抗１０１を伝わ
った後、水晶板１が加熱し、水晶板１が所定の発振周波
数を発振する。この際、発熱部の熱量の一部は熱抵抗１
１４および、熱抵抗１０５、熱抵抗１１４を伝わり、ケ
ース１１５で排熱される。これは、ヒータ１３のよる発
熱の一部は、断熱台座１４をとおしてケース１５に伝達
されることを表している。従って、発振周波数の安定に
必要な水晶板１の加熱以外にヒータ１３の発熱が伝達さ
れている。これが、温度制御型水晶発振器への印加電力
増加の要因となっている。

【０００９】また、ケース１５に伝達された熱が、温度
制御型水晶発振器取付ベース２０に伝達されるため、発
熱のための印加電力量を最小化するために、ケース１５
を断熱スペーサによりさらに断熱する必要があり、温度
制御型水晶発振器を具備する機器においては、取付用部
品点数削減の妨げとなっている。また、温度制御型水晶
発振器の組立の際に、水晶発振器のキャップにヒータを
巻き付けることが必要で、組立時間増加の要因となって
いる。また、水晶発振器を断熱台座１４を使用してケー
ス１５内に取付けなければならず、温度制御型水晶発振
器のケース１５を大きくする必要があるなど、温度制御
型水晶発振器及び温度制御型水晶発振器が取付けられる
機器の小型、軽量化の妨げになるなどの問題点があっ
た。

【００１０】この発明は上記の課題を解決するためにな
されたもので、印加電力と、印加から所定の発振周波数
の発振までの時間を最小化することを目的とする。ま
た、水晶発振器の断熱を向上させ、水晶発振器の実装の
自由度を向上することを目的とする。また、温度制御型
水晶発振器の組立時間の削減を計ることを目的とする。
また、温度制御型水晶発振器および温度制御型水晶発振
器の取付けられる機器の小型、軽量化を計ることを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明による水晶発
振器は、水晶板１の上に発熱部として発熱パターン６を
形成し、上記発熱パターン６に電極によって外部から電
源を印加し、水晶板１を直接加熱することで、従来必要
としていた熱経路の各構成物の熱収支が均衡する時間が
不要となり、加熱範囲を小さくすることで、加熱に必要
な電力を削減できるようにした。

【００１２】また、第２の発明による温度制御型水晶発
振器は、水晶板１に発熱体を具備した水晶発振器を温度
制御型水晶発振器に具備したことで、電力印加から、所
定の発振周波数が得られるまでの時間を最小化し、ま
た、ヒータ１３の取付けが不要となるようにした。

【００１３】第３の発明による水晶発振器は、水晶発振
器のキャップ５に断熱層を設けた。これにより水晶発振
器の断熱特性が向上し、水晶発振器の実装の自由度が向
上するようにした。

【００１４】また、第４の発明による温度制御型水晶発
振器は、水晶板１に発熱体を具備し、キャップ５に断熱
層を設けた水晶発振器を具備したことで、水晶発振器の
断熱特性が向上し、水晶発振器の取付けの際に、断熱台
座１４が不要になり、それによりケース１５の高さが削
減できるなど、温度制御型水晶発振器の小型化が計れる
ようにした。さらに、温度制御型水晶発振器を温度制御
型水晶発振器取付ベース２０に取付ける際に、断熱スペ
ーサ１７、断熱ワッシャ１８が不要となり、温度制御型
水晶発振器の取付けられる機器の部品点数の削減が計れ
るようにした。

【００１５】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の実施の形態１を示す
水晶発振器の部分断面図で、図において、１は所定の周
波数の信号を発振する水晶板、２は水晶板１の原振を伝
達する電極パターン、３は電極パターン２に接続され、
発振信号を外部に伝達する電極、４は電極３を保持する
絶縁体、５はキャップ、６は水晶板１を加熱する水晶板
に形成された発熱パターンである。水晶板１を加熱する
ために形成された発熱パターン６は、発熱パターン６用
に新たに具備した電極３により電力が印加され発熱す
る。発熱パターンの形成と、発熱パターン６と電極３の
接続方法は従来の方法が使用できる。発熱部を水晶板１
に具備したことにより、水晶板１を加熱する場合、キャ
ップ５に発熱体として取付けていたヒータを取付ける必
要がなくなる。

【００１６】実施の形態２．図２はこの発明の実施の形
態２を示す温度制御型水晶発振器の部分断面斜視図で、
図において１０は水晶板１に発熱部を具備した水晶発振
器、１１は水晶発振器１０から発振された信号を所定の
電力に増幅する信号増幅部、１２は水晶板１に形成され
た発熱パターン６に印加する電力を所定の範囲に制御
し、水晶板１の温度制御を行う、温度制御回路部、１４
は水晶発振器１０を断熱して取付ける断熱台座、１５は
ケース、１６はカバー、１７はケース１５を断熱して取
付ける断熱スペーサ、１８は取付けねじとケースを断熱
する断熱ワッシャ、１９は取付ねじである。信号増幅器
１１、温度制御回路部１２、断熱台座１４、ケース１
５、カバー１６、断熱スペーサ１７、断熱ワッシャ１
８、取付けねじ１９は従来と同様である。

【００１７】水晶発振器１０が断熱台座１４を介してケ
ース１５に取付けられる構造は従来の温度制御型水晶発
振器と同様である。この実施の形態における温度制御型
水晶発振器は、具備した水晶発振器の水晶板１上に発熱
パターン６が形成されているため、従来水晶発振器のキ
ャップに具備していたヒータを取付ける必要がなく、従
来、ヒータに印加していた電力を水晶発振器の発熱パタ
ーン６と接続されている電極３に接続することにより従
来と同様に機能する。加熱範囲が小さいことから、発熱
量を最小化でき、温度制御型水晶発振器の電力消費が従
来に比べ削減される。また、信号発振原の水晶板１を直
接加熱していることから、電力印加から所定の発振周波
数の発振までの時間が従来品に比べ短縮できる。

【００１８】実施の形態３．図３は、この発明の実施の
形態３を示す温度制御型水晶発振器の部分断面図で、図
において、５１は、キャップ５に具備した断熱層、その
他の部分は、実施の形態１と同様である。キャップ５に
断熱層を具備したことで、水晶発振器の取付けに断熱性
能を有する部材を使用する必要がなくなり、部品点数が
削減できる。なお、断熱層は、断熱物資や真空層が使用
される。

【００１９】実施の形態４．図４は、この発明の実施の
形態４を示す温度制御型水晶発振器の部分断面図で、図
において、１０はキャップ５に断熱層を具備した実施の
形態３で示した水晶発振器、１１は信号増幅部と温度制
御回路部、１５はケース、１６はカバー、１９は取付ね
じである。水晶発振器１０が断熱層を具備したことによ
り水晶発振器１０をケース１５から断熱するために使用
した断熱台座１４が不要となり、また、ケース１５を温
度制御型発振器取付けベース２０から断熱していた断熱
スペーサ１７、断熱ワッシャ１８を使用する必要がなく
なり、温度制御型水晶発振器と温度制御型水晶発振器を
具備した機器の小型、軽量化が計れる。

【００２０】また、この実施の形態では、信号増幅部１
１と温度制御回路部１２を同一の基板上に形成したもの
を示したが、温度制御型水晶発振器の形状の都合で２枚
以上の基板に分割してもよい。

【００２１】

【発明の効果】第１の発明によれば、水晶板１に加熱部
を具備したことにより、水晶板１を直接加熱できるた
め、電力印加から、水晶板１が所定の発振周波数で発振
するまでの時間を最小化できる。

【００２２】また、第２の発明によれば、第１の発明に
よる水晶発振器を温度制御型水晶発振器に具備したこと
により、所定の発振周波数が得られる時間が最小化でき
た温度制御型水晶発振器が得られる。また、ヒータの取
付けが不要なことから、温度制御型水晶発振器の組立時
間が削減できる。

【００２３】第３の発明によれば、水晶発振器のキャッ
プ５に断熱層を具備したことで、水晶発振器を取付ける
際に断熱部材が不要となり、水晶発振器の実装の自由度
が向上する。

【００２４】また、第４の発明によれば、第３の発明に
よる水晶発振器を温度制御型水晶発振器に具備したこと
により、水晶発振器を断熱するための部材が不要とな
り、温度制御型水晶発振器及び、温度制御型水晶発振器
を具備した機器の小型軽量化が計れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明における、水晶発振器の実施の形態
１を示す、部分断面図である。

【図２】 この発明における、温度制御型水晶発振器の
実施の形態２を示す、部分断面斜視図である。

【図３】 この発明における、水晶発振器の実施の形態
３を示す、部分断面図である。

【図４】 この発明における、温度制御型水晶発振器の
実施の形態４を示す、部分断面斜視図である。

【図５】 従来の水晶発振器を示す、部分断面図であ
る。

【図６】 従来の温度制御型水晶発振器を示す、断面図
である。

【図７】 水晶板１の発振周波数の温度特性を示す一例
である。

【図８】 従来の水晶発振器のヒータと断熱台座の取付
け状態を示す、斜視図である。

【図９】 従来の温度制御型水晶発振器における電熱経
路を示す熱回路である。

【符号の説明】

１ 水晶板、２ 電極パターン、３ 電極、４ 絶縁体
部、５ キャップ、６発熱パターン、１１ 信号増幅
部、１２ 温度制御回路部、１３ ヒータ、１４ 断熱
台座、１５ ケース、５１ 断熱層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水晶板と、上記水晶板上に形成された電
   極パターンと、上記電極パターンに接続し、上記水晶板
   を保持する電極と、上記水晶板を保護するためのキャッ
   プとを具備した水晶発振器において、上記水晶板上に発
   熱パターンを形成したことを特徴とする水晶発振器。
2. 【請求項２】 水晶板の温度を制御するための電気回路
   と発振信号を増幅する電気回路を具備した温度制御型水
   晶発振器において、請求項１記載の水晶発振器を具備し
   たことを特徴とする温度制御型水晶発振器。
3. 【請求項３】 上記キャップに断熱層を設けたことを特
   徴とする請求項１記載の水晶発振器。
4. 【請求項４】 水晶板の温度を制御するための電気回路
   と発振信号を増幅する電気回路を具備した温度制御型水
   晶発振器において、請求項３記載の水晶発振器を具備し
   たことを特徴とする温度制御型水晶発振器。