KR101562456B1 - 오븐 제어 수정 발진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오븐 제어 수정 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 민간용 통신 계측기, 통신 기지국 및 중계기, 방산용 계측기와 통신 장비 등에 사용되는 기준 주파수 발생장치인 오븐 제어 수정 발진기의 온도 안정도를 향상시키기 위한 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 오븐 제어 수정 발진기는 베이스, 기 베이스의 상단에 안착되며, 기준 주파수를 생성하는 수정 발진기, 상기 수정 발진기의 상단과 밀착되며, 표면 또는 내부에 금속 재질의 박판으로 형성된 열 확산 패턴을 형성하고 있는 회로 기판, 상기 회로 기판의 상단에 밀착되며, 상기 회로 기판으로 열을 공급하는 히터, 상기 수정 발진기, 회로 기판 및 히터를 내장하는 커버를 포함한다.

Description

오븐 제어 수정 발진기{Oven Controlled Crystal Oscillator}

본 발명은 오븐 제어 수정 발진기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 민간용 통신 계측기, 통신 기지국 및 중계기, 방산용 계측기와 통신 장비 등에 사용되는 기준 주파수 발생장치인 오븐 제어 수정 발진기의 온도 안정도를 향상시키기 위한 방안에 관한 것이다.

일반적으로 오븐 제어 수정 발진기(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)는 오븐에 의하여 수정 발진기의 동작 환경 온도를 조절하여 매우 정밀도가 높은 안정된 신호를 출력한다. OCXO는 고도화하고 다양화된 통신환경의 스펙트럼에서 요구되는 안정도가 높은 주파수의 제공을 필요로 하는 분야, 특히 고정밀도의 측정 장비 등의 분야에 이용된다. 그렇기 때문에 어떤 외부 온도 조건 하에서도 내부 온도를 높임으로써 일정한 온도를 유지시켜야 수정 발진기(crystal oscillator)의 안정도를 극대화시킬 수 있다.

일반적으로, OCXO는 크게 크리스탈(Crystal), 발진회로 및 오븐(Oven)의 세부분으로 구성되는데, 그 중요도는 크리스탈, 오븐, 발진회로 순으로 평가된다. 물론 OCXO의 성능은 세가지 규정의 유기적인 조합에 의하여 나타나지만 전자회로의 경우는 대부분 거의 비슷한 부품을 사용하기 때문에 어느 정도의 신뢰성은 확보되므로, 크리스탈 및 오븐에 그 성능 및 특성에 있어서 차이가 있다.

한국등록특허 제1028593호(발명의 명칭: 오븐 제어 수정 발진기 제어 장치 및 그 제어 방법)는 전원인가시 원천신호를 출력하는 오븐제어 수정 발진기, 상기 원천신호를 입력받아 원천신호 주파수보다 높은 주파수의 변조 신호로 변조하여 출력하는 주파수 변조부, 상기 오븐제어 수정 발진기로 공급되는 전류를 검출하는 전류 검출부, 상기 검출된 전류와 기준값을 비교하고, 그 비교결과에 따라 상기 주파수 변조부가 상기 변조 신호를 외부 장치로 송출하거나 송출 차단하도록 제어하는 제어부 및 상기 오븐제어 수정 발진기 제어장치는 상기 검출된 전류와 기준값을 비교하여 상기 검출된 전류의 크기가 상기 기준값 이하인 경우에는 상기 오븐제어 수정 발진기가 웜업 상태에 도달되었을 알리는 웜업 신호를 출력하는 비교기를 포함하는 오븐제어 수정 발진기 제어장치를 제안하고 있다.

한국공개특허 제2002-0023879호(발명의 명칭: 상온 항온조 제어 수정발진기 및 mr 제어 방법)는 베이스(1)와 커버(2)로 형성된 케이스 내부 공간에 격판(3)으로 형성된 상온 항온조(4)의 내측 하부에 하부 열전소자(5)가 부착되고, 하부 열전소자(5)의 양측단에 테프론(6)이 입설되며, 테프론(6)의 상단에 상부 열전소자(7)가 부착되고, 양측 테프론(6)의 가운데에 정확한 온도를 검출하기 위하여 온도 센서와 Micro Computer를 내장한 소형 IC를 이용한 온도 검출부 및 정확하고 안정된 주파수를 보다 더 신속히 출력하고 기동시간에 빨리 도달하기 위하여 상온에서 주파수 온도 특성이 넓은 평탄점을 갖는 Z축을 기준으로 AT-CUT 설계 기준값의 수정 진동자(8)로 구성된 TCXO와 SoC의 기판(9)이 설치되며, 상온 항온조(4)의 외부에 수정 발진기 (10)에 정전압의 전원을 공급하는 발진기 레귤레이터(11)와 SoC(12)에 정전압의 전원을 공급하는 SoC 레귤레이터(13) 및 스위칭 회로의 기판(14)이 설치되어 구성됨을 특징으로 하는 상온 항온조 제어 수정 발진기를 제안하고 있다.

일반적으로 오븐 제어 수정 발진기의 주파수 안정도는 온도를 얼마나 정밀하게 제어하는지에 따라 달라지는데 이는 수정 발진기에서 소모되는 전력량과 그에 따른 물리적인 크기에 따라 좌우된다. 또한 오븐 제어 수정 발진기는 고온에서 낮은 변곡점을 갖도록 수정편을 절단하거나, 전자회로에 따라 제어가 가능하도록 구성된다.

종래의 방법으로는 온도 변화에 대한 주파수 변화량과 관련된 특성에 한계가 있으며, 사용 가능한 시험 환경의 온도 범위도 제한적이다. 따라서 이러한 단점을 보완한다면 종래보다 더욱 높은 온도 안정도와 정밀도를 갖는 오븐 제어 수정 발진기의 제작이 가능할 것이다.

본 발명이 해결하려는 과제는 외부 온도의 변화량과 상관없이 발생되는 기준 주파수의 변화량을 감소시킬 수 있는 오븐 제어 수정 발진기를 제안함에 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 수정편에 대한 오븐 제어뿐만 아니라 회로 기판에 장착된 전자 부품까지 열을 전달시켜 온도 변화에 대한 주변 회로의 성능 변화를 최소화하는 방안을 제안함에 있다.

이를 위해 본 발명의 오븐 제어 수정 발진기는 베이스, 기 베이스의 상단에 안착되며, 기준 주파수를 생성하는 수정 발진기, 상기 수정 발진기의 상단과 밀착되며, 표면 또는 내부에 금속 재질의 박판으로 형성된 열 확산 패턴을 형성하고 있는 회로 기판, 상기 회로 기판의 상단에 밀착되며, 상기 회로 기판으로 열을 공급하는 히터, 상기 수정 발진기, 회로 기판 및 히터를 내장하는 커버를 포함한다.

본 발명에 따른 오븐 제어 수정 발진기는 회로 기판 내부에 금속 재질의 열 발산 패턴을 넓게 분포시키고, 회로 기판의 상판과 하판 사이에 열전달이 용이하도록 비아홀(금속홀)을 추가함으로써 열원인 트랜지스터에 의한 발열 효과가 수정편 뿐만 아니라, 주변 회로에 까지 전달되도록 한다. 또한 회로 기판 내의 구리 패턴을 넓게 분포시킴으로써 주파수 발진기 전체의 그라운드 층이 강화되며 이에 따라 전기적인 차폐효과를 유발하여 위상잡음을 줄이는 효과가 있다.

이와 같은 방식을 사용함으로써 온도 변화에 민감한 수정편 뿐만 아니라, 주변 회로를 구성하는 전자 부품에 대해서도 외부 온도 변화에 둔감해 지도록 하여, 온도 변화에 따른 주파수 변화량을 줄일 수 있다. 또한 주파수 발진기의 동작 가능한 외부 온도 범위를 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 고안정도, 고정밀의 오븐 제어 수정 발진기의 제작이 가능하므로 고안정도, 고정밀 스펙을 갖는 오븐 제어 수정 발진기를 요구하는 통신 분야에 효과적으로 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 구성하고 있는 수정 발진기, 회로 기판, 히터를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 회로 기판에 형성된 열 발산 패턴을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 회로 기판에 히터 이외에 온도 센서가 장착된 오븐 제어 수정 발진기를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 온도 변화에 따라 발생되는 기준 주파수를 도시하고 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 도시한 도면이다. 이하 도 1을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기의 형상 및 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 1에 의하면, 오븐 제어 수정 발진기는 신호핀, 베이스, 수정 발진기, 회로기판, 히터, 커버를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 오븐 제어 수정 발진기에 포함될 수 있다.

신호핀(102)은 수정 발진기에 발생된 신호를 외부로 제공하는 기능을 수행하며, 제공하는 신호의 개수에 따라 다수 개의 핀으로 구성될 수 있다.

베이스(104)는 상부에 수정 발진기(106)가 안착되며, 커버(112)와 함께 내측에 수정 발진기(106)를 실장한다. 메탈로 구성되는 베이스(104)의 상부면에는 진동판용 전극단자, 가열부재용 전극단자, 온도감지센서용 전극단자가 각각 형성된다. 이러한 전극단자들은 메탈로 이루어진 베이스(104)의 상부면과 전기적 간섭이 일어나지 않도록 절연재를 포함하여 구성됨이 바람직하다. 진동판용 전극단자, 가열부재용 전극단자, 온도감지센서용 전극단자는 대응되는 단자핀과 연결된다.

수정 발진기(106)는 베이스의 상단에 안착되며, 기준 주파수를 생성한다.

회로기판(108)은 일측에서 수정 발진기(106)와 밀착되며, 타측에서 히터(110)와 밀착된다. 도 1에 의하면 회로기판(108)의 하부는 수정 발진기(106)의 상면에 밀착되며, 상부는 히터(110)와 밀착된다. 본 발명에서 제안하는 회로기판의 구조에 대해서는 후술하기로 한다.

히터(110)의 하부는 회로기판(108)이 밀착된 상태로 위치하며, 수정 발진기 (106)내부의 온도를 항온 상태로 유지하기 위해 수정 발진기의 특정 부위에 열을 공급하는 것이 아니라 접촉 전체면을 통해 수정 발진기(106)로 열을 발산한다.

커버(112)는 수정 발진기(106), 회로 기판(108) 및 히터(110)을 외부로부터 보호하기 위해 수정 발진기(106), 회로 기판(108) 및 히터(110)를 실장한다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 구성하고 있는 수정 발진기, 회로 기판, 히터를 도시하고 있다. 이하 도 2를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기, 회로 기판, 히터의 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 2에 의하면, 회로 기판(108)의 상단은 히터(110)와 밀착되며, 하단은 수정 발진기(106)에 밀착된다. 또한, 본 발명의 회로 기판(108)은 내부 또는 외부 표면에 히터(110)에서 공급받은 열을 수정 발진기(106)로 균일하게 제공하기 위한 열 발산 패턴(200)을 형성한다. 도 2는 회로 기판의 내부에 열 발산 패턴(200)이 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 회로 기판의 표면에 열 발산 패턴(200)을 형성할 수 있다.

이와 같이 회로 기판(108)의 내부 또는 표면에 열 발산 패턴을 형성함으로써 히터(110)로부터 공급받은 열은 회로 기판(108)의 전체면에 균일하게 발산되며, 회로 기판(108)의 전체면으로부터 균일하게 발산된 열은 접촉된 수정 발진기(106) 표면으로 발산된다.

이와 같이 종래 수정 발진기의 특정 지점으로만 열을 제공함으로써 수정 발진기 내부의 온도가 균일하게 유지할 수 없었으나, 본 발명은 회로 기판에 열 발산 패턴을 형성함으로써 수정 발진기의 전면으로 열을 공급(발산)할 수 있게 된다.

또한, 도 2는 회로 기판의 내부에 하나의 층으로 형성된 열 발산 패턴을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 열 발산 패턴은 회로 기판의 내부 또는 표면 중 적어도 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 형성되는 패턴 역시 동일한 패턴으로 형성하거나, 상이한 패턴으로 형성할 수 있다.

도 2에 의해 히터에서 생성된 열이 수정 발진기의 상부 전면에 균일하게 공급됨을 알 수 있다. 물론 히터와 상대적으로 가까운 위치가 상대적으로 먼 위치에 비해 많은 열이 공급되나, 열 발산 패턴을 이용하여 위치에 따른 공급되는 열의 차이를 최소화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 회로 기판에 형성된 열 발산 패턴을 도시하고 있다. 도 3에 의하면 열 발산 패턴(200)은 청색으로 도시되어 있으며, 소자와 상호 간섭이 발생하지 않는 경우, 회로 기판의 전면에 형성됨을 알 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 다층 구조를 갖는 회로 기판의 경우, 소자가 형성되는 층과 열 발산 패턴이 형성되는 층을 달리 형성할 수 있다.

물론 회로 기판(108)의 전체면 상에 열 발산 패턴(200)을 형성하는 것이 바람직하지만, 상술한 바와 같이 기판에 형성되는 소자의 위치 또는 특성을 고려하여 열 발산 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 회로 기판에 히터 이외에 온도 센서가 장착된 오븐 제어 수정 발진기를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 히터 이외에 온도 센서가 회로 기판에 장착된 오븐 제어 수정 발진기의 구조에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 4에 의하면, 회로 기판(108)은 상단 또는 하단에 적어도 하나의 온도 센서(400)가 장착되어 있으며, 온도 센서(400)에 의해 센싱된 회로 기판의 온도 분포를 이용하여 히터(110)에서 발산하는 온도를 제어할 수 있다. 즉, 온도 센서(400)에 의해 센싱된 온도를 항상 일정하기 유지할 수 있도록 히터(110)에서 발산하는 온도를 제어한다. 이와 같이 온도 센서(400)에 의해 센싱된 온도를 일정하게 유지함으로써 수정 발진기(106) 내부 역시 항상 일정한 온도를 유지할 수 있게 된다. 또한, 수정 발진기(106) 내부의 온도를 항상 일정하게 유지함으로써 수정 발진기는 오븐 제어 수정 발진기 외부의 온도에 상관없이 동일한 크기를 갖는 기준 주파수를 생성한다. 물론 온도 센서 이외에 다른 상이한 소자를 부착될 수 있다.

또한, 회로 기판(108)에 장착되는 소자가 외부의 온도에 민감한 경우, 열 발산 패턴에 의해 회로 기판(108)의 온도를 일정한 온도로 유지시킴으로써, 온도 변화에 따른 해당 소자의 특성 변화를 감소시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기를 도시한 도면이다. 이하 도 5를 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 오븐 제어 수정 발진기에 대해 상세하게 알아보기로 한다.

도 5에 의하면, 오븐 제어 수정 발진기는 신호핀, 베이스, 수정 발진기, 회로기판, 히터를 포함한다. 물론 상술한 구성 이외에 다른 구성이 본 발명에서 제안하는 오븐 제어 수정 발진기에 포함될 수 있다.

신호핀(102)은 수정 발진기에 발생된 신호를 외부로 제공하는 기능을 수행하며, 제공하는 신호의 개수에 따라 다수 개의 핀으로 구성될 수 있다.

베이스(104)는 상부에 수정 발진기(106)가 안착되며, 커버(112)와 함께 내측에 수정 발진기(106)를 실장한다. 메탈로 구성되는 베이스(104)의 상부면에는 진동판용 전극단자, 가열부재용 전극단자, 온도감지센서용 전극단자가 각각 형성된다. 이러한 전극단자들은 메탈로 이루어진 베이스(104)의 상부면과 전기적 간섭이 일어나지 않도록 절연재를 포함하여 구성됨이 바람직하다. 진동판용 전극단자, 가열부재용 전극단자, 온도감지센서용 전극단자는 대응되는 단자핀과 연결된다.

수정 발진기(106)는 베이스의 상단에 안착되며, 기준 주파수를 생성한다.

회로기판(108)은 일측에서 수정 발진기(106)와 밀착되며, 타측에서 히터(110)와 밀착된다. 도 5에 의하면 회로기판(108)의 하부는 수정 발진기(106)에 밀착되며, 상부는 히터(110)와 밀착된다.

본 발명과 관련하여 회로기판(108)은 비아홀(Via hole; 금속홀)(300)을 형성한다. 이와 같이 회로기판에 비아홀(300)을 형성함으로써, 상단에 밀착되어 있는 히터(110)에서 발산된 열은 금속재질로 형성된 비아홀(300)을 통해 회로기판(108)의 하단으로 전달된다. 이 경우 회로 기판(108)에 하단에 열 발산 패턴(200)을 형성하며, 비아홀(300)과 연결된다. 이와 같이 열 발산 패턴(200)과 비아홀(300)이 연결된 경우, 비아홀(300)을 통해 전달된 열은 열 발산 패턴(200)을 통해 회로 기판의 하단에 균일하게 분포하게 된다.

히터(110)의 하부는 회로기판(108)이 밀착된 상태로 위치하며, 수정 발진기 (106)내부의 온도를 항온 상태로 유지하기 위해 수정 발진기의 특정 부위에 열을 공급하는 것이 아니라 접촉 전체면을 통해 수정 발진기(106)로 열을 발산한다.

커버(112)는 수정 발진기(106), 회로 기판(108) 및 히터(110)을 외부로부터 보호하기 위해 수정 발진기(106), 회로 기판(108) 및 히터(110)를 실장한다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 온도 변화에 따라 발생되는 기준 주파수를 도시하고 있다. 이하 도 6을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 외부 온도 변화에 따라 발생되는 기준 주파수에 대해 알아보기로 한다.

도 6에 의하면, 가로축은 오븐 제어 수정 발진기의 외부 온도(ㅀC)이며, 세로축은 주파수 변화량(기준주파수10㎒-출력주파수(㎐))을 의미한다. 도 6을 살펴보면, 오븐 제어 수정 발진기는 외부 온도에 상관없이 일정 범위 내의 기준 주파수를 출력(생성)함을 알 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

100: 오븐 제어 수정 발진기 102: 신호핀
104: 베이스 106: 수정 발진기
108: 회로 기판 110: 히터
112: 커버 200: 열 발산 패턴
300: 비아홀 400: 온도 센서

Claims (6)

1. 베이스;
   상기 베이스의 상단에 안착되며, 기준 주파수를 생성하는 수정 발진기;
   상기 수정 발진기의 상단과 밀착되며, 표면 또는 내부에 금속 재질의 박판으로 형성된 열 확산 패턴을 형성하고 있는 회로 기판;
   상기 회로 기판의 상단에 밀착되며, 상기 회로 기판으로 열을 공급하는 히터;
   상기 수정 발진기, 회로 기판 및 히터를 내장하는 커버를 포함하며,
   상기 회로 기판은 금속 재질의 금속홀을 형성하며,
   상기 히터에서 생성된 열은 상기 금속홀을 경유하여 상기 회로 기판의 하부표면에 형성된 열 확산 패턴 또는 상기 회로 기판의 내부에 형성된 열 확산 패턴으로 공급됨을 특징으로 하는 오븐 제어 수정 발진기.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 회로 기판의 상단에 밀착되는 히터의 표면적은 상기 회로 기판의 표면적보다 상대적으로 작으며, 상기 금속홀은 상기 히터와 밀착되는 상기 회로 기판 상에 형성됨을 특징으로 하는 오븐 제어 수정 발진기.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 회로 기판 상에는 온도센서가 장착되며,
   상기 온도 센서에서 센싱한 온도를 이용하여 상기 히터에서 공급하는 열의 온도를 제어함을 특징으로 하는 오븐 제어 수정 발진기.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 회로 기판은 적어도 2개의 층으로 구성되며,
   상기 열 확산 패턴은 상기 회로 기판 상에 형성된 소자가 위치하고 있는 층과 동일한 층에 위치하거나, 별도의 층에 열 확산 패턴을 형성함을 특징으로 하는 오븐 제어 수정 발진기.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 회로 기판 상에 형성된 소자와 수정 발진기는 상기 히터로부터 공급받은 열에 의해 항온 상태를 유지함을 특징으로 하는 오븐 제어 수정 발진기.

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