TW201633696A - 微小化恆溫晶體振盪器 - Google Patents

Abstract

一種微小化恆溫晶體振盪器，其包括外殼、外電路板、內電路板、加熱電阻、石英晶體、振盪電路與溫控電路，其中外殼與外電路板構成可供其他元件安裝於內的密閉之內部空間，加熱電阻、石英晶體與振盪電路位於內電路板與外電路板中間，且石英晶體表面與加熱電阻底部緊密接觸，使得加熱電阻可對於石英晶體表面直接加熱，其熱傳效率高，可降低功耗，而振盪電路安裝於石英晶體底部，由於受溫控之石英晶體與作為發熱源之加熱電阻位於整個恆溫槽結構的中央，使得熱能較為集中，不易散失，有助於維持恆溫槽之溫度穩定度，維持石英晶體之溫度特性，藉以提升振盪器整體頻率輸出之穩定度。

Description

微小化恆溫晶體振盪器

本發明係有關於恆溫晶體振盪器，特別是指一種可減少發熱之功耗的微小化恆溫晶體振盪器。

恆溫晶體振盪器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO)的主要特點在於透過溫度控制電路與封閉式的結構使石英晶體的溫度保持恆定在一特定之工作溫度，故可將由周圍溫度變化引起的輸出頻率變化量削減到最小，來實現振盪器輸出頻率的穩定化。

請參照第1圖，傳統恆溫晶體振盪器10，其外殼11與底座電路板12所形成之內部空間為恆溫槽之區域，並將振盪電路16與石英晶體15設置於外殼11內部電路板13的一側，通常放置於內部電路板13之上方，加熱器14與溫控電路17則設置於內部電路板13的另一側，並藉由加熱器14作為發熱源對石英晶體15進行加熱至一特定之工作溫度，以維持恆溫槽內石英晶體15之溫度穩定。然而，由於發熱源(即加熱器14)和石英晶體15之間存在有內部電路板13的阻隔，其熱傳導路徑長，維持石英晶體15之工作溫度所需的功耗較大。此外，受溫控之石英晶體15表面非常接近外殼11，將導致石英晶體15所接收之熱能容易受外殼11外圍環境溫度變化之影響而散失，易受外部氣流擾動，而影響溫度之穩定。又，因為底座電路板12大 面積地接觸到外部，也易導致加熱器14之熱能散失，對溫度穩定產生影響。

相對於傳統尺寸體積較大之恆溫晶體振盪器，微小化恆溫晶體振盪器受限於尺寸結構小型化的要求，其恆溫槽之溫度穩定度不易維持，且易受外界環境溫度變化影響而不易維持，因此，本發明之申請人係為此特別開發一種微小化恆溫晶體振盪器，透過內部結構的設計，能夠促使發熱源對於石英晶體直接進行加熱，縮短熱傳路徑及減低加熱器發熱之散失，並降低功耗，藉由改善各種影響溫度穩定之因素，幫助達到振盪頻率之穩定輸出，而解決上述習知之問題與缺失。

有鑒於此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種微小化恆溫晶體振盪器，係讓發熱源直接對石英晶體表面進行加熱，以提高熱傳效率，降低功耗，同時，也藉由將受溫控之石英晶體與發熱源設置於結構中央，使熱能能夠集中，而不易散失，且據以構成之夾層結構較不易受到外部風擾所造成溫度變化之影響，易於維持溫度穩定度。

本發明的另一主要目的是提供一種微小化恆溫晶體振盪器，係在外電路板設計有斷熱凹槽，可縮小內部結構與外電路板之接觸面積，減低外電路板讓熱源散失至外部的現象，有助於維持恆溫槽溫度之穩定。

為實現上述目的，本發明提供一種微小化恆溫晶體振盪器，包含外殼、外電路板、內電路板、加熱電阻、石英晶體、振盪電路與溫控電路。其中，外殼與外電路板構成可供其他元件安裝於內的密閉之內部空間，且外電路板頂部具有第一安裝面。內電路板設置於內部空間內，且內 電路板頂部和底部分別具有第二安裝面和第三安裝面，並藉由複數金屬引線而電性連接至外電路板之第一安裝面。加熱電阻與石英晶體放置於恆溫槽結構之中央部份；溫控電路安裝於內電路板之第二安裝面或第三安裝面，加熱電阻安裝於內電路板之第三安裝面，加熱電阻底部具有第四安裝面。石英晶體安裝於加熱電阻之第四安裝面。而振盪電路安裝於外電路板之第一安裝面，並位於外電路板與石英晶體之間。

也就是說，在本發明之微小化恆溫晶體振盪器結構中，乃將石英晶體安裝於加熱電阻底部，讓加熱電阻可對於石英晶體表面直接加熱，有效縮短熱傳路徑，熱傳效率高，可降低功耗。再者，由於受溫控之石英晶體與作為發熱源之加熱電阻位於整個恆溫槽結構的中央，使得熱能較為集中，不易散失，有助於維持溫度之穩定。進一步，本發明可於外電路板之第一安裝面設置有斷熱凹槽，能防止熱能透過外電路板散失，而提高溫度之穩定度。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

10‧‧‧恆溫晶體振盪器

11‧‧‧外殼

12‧‧‧底座電路板

13‧‧‧內部電路板

14‧‧‧加熱器

15‧‧‧石英晶體

16‧‧‧振盪電路

17‧‧‧溫控電路

20‧‧‧微小化恆溫晶體振盪器

21‧‧‧外殼

22‧‧‧外電路板

221‧‧‧第一安裝面

222‧‧‧斷熱凹槽

223‧‧‧外部電極

23‧‧‧內電路板

231‧‧‧第二安裝面

232‧‧‧第三安裝面

233‧‧‧金屬引線

24‧‧‧加熱電阻

241‧‧‧第四安裝面

25‧‧‧石英晶體

251‧‧‧石英晶片

252‧‧‧導電膠

253‧‧‧陶瓷封裝

254‧‧‧第五安裝面

255‧‧‧銲錫

256‧‧‧金屬上蓋

26‧‧‧振盪電路

261‧‧‧振盪電路晶片

262‧‧‧連結導線

263‧‧‧陶瓷封裝

264‧‧‧銲錫

265‧‧‧振盪電路被動元件

271‧‧‧溫控電路控制元件

272‧‧‧溫控電路調整元件

273‧‧‧溫控電路控制元件

28‧‧‧熱敏電阻

第1圖為一種傳統恆溫晶體振盪器的剖視結構圖。

第2圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器的剖視結構圖。

第3圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器中第一安裝面的平面圖。

第4圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器中第二安裝面的 平面圖。

第5圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器中第三安裝面的平面圖。

第6圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器中第四安裝面的平面圖。

第7圖為本發明之實施例所提供之恆溫晶體振盪器中第五安裝面的平面圖。

根據本發明所揭露之微小化恆溫晶體振盪器，請參照第2圖，其繪示本發明之實施例所提供之微小化恆溫晶體振盪器20的剖視結構。

本實施例中，微小化恆溫晶體振盪器20主要是由外殼21、外電路板22、內電路板23、加熱電阻24、石英晶體25、振盪電路26與溫控電路(包括溫控電路控制元件271及溫控電路調整元件272)等所組成，並將影響溫度之主要關鍵的加熱電阻24與石英晶體25放置在整個恆溫槽結構的中央位置。以下再依序對於各個組成元件作詳細介紹。

本實施例之外殼21，其材質為金屬或塑膠，相較於陶瓷外殼，具有體積較小，較不易散失熱量的優點；若外殼21為金屬材質，則可採用熱傳導率相對較低之金屬，例如不鏽鋼，其熱傳導係數為16.3W/mK，相較於黃銅與洋白銅之熱傳導係數分別為115與23~29W/mK，故以熱傳導率較低之不鏽鋼作為外殼21之材質為較佳選擇。而外電路板22安裝於外殼21底部，使外電路板22與外殼21得以共同界定一密閉之恆溫槽內部空間，可供其餘元件(容后詳述)設置於其內，而外電路板22頂部具有一第一安裝 面221，其餘元件皆位於第一安裝面221上方。請一併參照第3圖，繪示安裝於外電路板22之第一安裝面221的元件組成。相較於一般電路板為平板之結構，本發明之外電路板22係於第一安裝面221形成有一斷熱凹槽222，更詳細地說，於第2圖中除了銲錫264為必要之焊接點之外，外電路板22第一安裝面221的其餘部份是由表面向下凹陷而呈現半鏤空狀態，使非焊接以外之區域中間形成如圖所示之斷熱凹槽222，藉以將外電路板22和其餘元件的接觸面積減少，使熱能不易從外電路板22的表面逸散出去。另外，外電路板22底部具有數個外部電極223，以電性連結外部之電子元件。

內電路板23的頂部和底部分別具有一第二安裝面231和一第三安裝面232，並透過數條金屬引線233而電性連接至外電路板22之第一安裝面221；且金屬引線233可採用熱傳導率相對較低之金屬為之，例如KOVAR鐵鈷鎳合金，其熱傳導係數為17.3W/mK，相較於黃銅與洋白銅之熱傳導係數分別為115與23~29W/mK，故以熱傳導率較低之KOVAR鐵鈷鎳合金作為金屬引線233之材質為較佳選擇。請一併參照第4圖與第5圖，分別繪示安裝於內電路板23之第二安裝面231與第三安裝面232的元件組成。如第4圖所示，內電路板23之第二安裝面231表面設置有使用離散式電路構成的數個溫控電路控制元件271及一溫控電路調整元件272。另如第5圖所示，內電路板23之第三安裝面232表面亦設置有使用離散式電路構成的數個溫控電路控制元件273。在實務上，溫控電路控制元件273亦可採用積體化電路，以縮減必要之元件數量。而第三安裝面232表面也設置有一加熱電阻24與一熱敏電阻28。

加熱電阻24底部具有一第四安裝面241。請一併參照第6圖， 繪示安裝於加熱電阻24底部之第四安裝面241的元件組成，其包括一石英晶體25。

石英晶體25為石英晶片251透過導電膠252黏著固定於陶瓷封裝253內所構成，且陶瓷封裝253上方是以金屬上蓋256密封，使石英晶體25內部形成為一氣密空間。如前所述，石英晶體25頂部之金屬上蓋256直接接觸設置於加熱電阻24底部之第四安裝面241，且為使加熱電阻24底部與石英晶體25頂部之金屬上蓋256緊密接觸的目的，可藉由採用導熱膠等介質予以黏著固定，而石英晶體25底部則具有一第五安裝面254。請一併參照第7圖，繪示安裝於石英晶體25底部之第五安裝面254的元件組成，其包括利用銲錫255固定之一振盪電路26及數個振盪電路被動元件265。

振盪電路26為積體化之振盪電路晶片261透過連結導線262接合於陶瓷封裝263內所構成。如前所述，振盪電路26頂部經由銲錫255焊接結合於石英晶體25底部之第五安裝面254，而振盪電路26底部則亦經由銲錫264焊接結合於外電路板22之第一安裝面221，使得振盪電路26位於外電路板22與石英晶體25之間。而振盪電路26底部和第一安裝面221隔著斷熱凹槽222，且透過銲錫264焊接的方式，使得振盪電路26和外電路板22之第一安裝面221的接觸面積僅有位於振盪電路26角落的數個焊接點(即銲錫264)，能夠減少傳熱面積，避免熱能之逸散。

綜上所述，可以瞭解本發明之微小化恆溫晶體振盪器，乃於外殼與外電路板構成之恆溫槽內部結構中，於內電路板下方與外電路板上方設有加熱電阻、石英晶體、振盪電路與溫控電路之夾層結構，由於石英晶體安裝於加熱電阻底部，使得加熱電阻可對於石英晶體表面直接加熱， 也就是利用縮短熱傳路徑來達到提昇熱傳效率、降低功耗的目標，再者，更利用將石英晶體與加熱電阻設置於整體結構的中央位置，使得熱能集中，不易散失，而本發明所採用之夾層結構，較不易受到外部風擾之影響，有助於維持溫度之穩定。此外，本發明可將外電路板表面設置有斷熱凹槽，藉以減少熱傳面積，能防止熱從外電路板往外逸散，從而提高溫度之穩定度。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

20‧‧‧微小化恆溫晶體振盪器

21‧‧‧外殼

22‧‧‧外電路板

221‧‧‧第一安裝面

222‧‧‧斷熱凹槽

223‧‧‧外部電極

23‧‧‧內電路板

231‧‧‧第二安裝面

232‧‧‧第三安裝面

233‧‧‧金屬引線

24‧‧‧加熱電阻

241‧‧‧第四安裝面

25‧‧‧石英晶體

251‧‧‧石英晶片

252‧‧‧導電膠

253‧‧‧陶瓷封裝

254‧‧‧第五安裝面

255‧‧‧銲錫

256‧‧‧金屬上蓋

26‧‧‧振盪電路

261‧‧‧振盪電路晶片

262‧‧‧連結導線

263‧‧‧陶瓷封裝

264‧‧‧銲錫

271‧‧‧溫控電路控制元件

272‧‧‧溫控電路調整元件

273‧‧‧溫控電路控制元件

28‧‧‧熱敏電阻

Claims (10)

1. 一種微小化恆溫晶體振盪器，包含：一外殼；一外電路板，安裝於該外殼底部，並與該外殼共同界定一密閉之內部空間，且該外電路板頂部具有一第一安裝面；一內電路板，設置於該內部空間內並透過複數金屬引線電性連接至該外電路板之該第一安裝面，且該內電路板頂部和底部分別具有一第二安裝面和一第三安裝面；一溫控電路，安裝於該內電路板之該第二安裝面或該第三安裝面；一加熱電阻，安裝於該內電路板之該第三安裝面，該加熱電阻底部具有一第四安裝面；一石英晶體，安裝於該加熱電阻之該第四安裝面；及一振盪電路，安裝於該外電路板之該第一安裝面，並位於該外電路板與該石英晶體之間。
2. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該外殼之材質為金屬或塑膠。
3. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該外電路板之該第一安裝面包含一斷熱凹槽。
4. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該溫控電路包含複數溫控電路控制元件，該些溫控電路控制元件安裝於該內電路板之該第二安裝面或該第三安裝面，且該些溫控電路控制元件為離散式電路或積體化電路。
5. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該溫控電路包含一溫控電路調整元件，該溫控電路調整元件安裝於該內電路板之該第二安裝面。
6. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，更包含一熱敏電阻，該熱敏電阻安裝於該內電路板之該第三安裝面。
7. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該石英晶體係由一石英晶片透過至少一導電膠黏著固定於一陶瓷封裝內所構成，且該陶瓷封裝上方係以一金屬上蓋密封，使該石英晶體內部形成為一氣密空間。
8. 如請求項7所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該石英晶體之該金屬上蓋表面係與該加熱電阻底部之該第四安裝面為緊密接觸。
9. 如請求項8所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該石英晶體之該金屬上蓋表面係藉由一導熱膠黏著固定於該加熱電阻底部之該第四安裝面。
10. 如請求項1所述之微小化恆溫晶體振盪器，其中該振盪電路係由一積體化之振盪電路晶片透過至少一連結導線接合於一陶瓷封裝內所構成。