JP2010119031A - 恒温型の水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子の動作温度を直接的に検出してリアルタイムな温度制御を容易にした恒温型発振器を提供する。
【解決手段】第１電源端子２１Ｖccを外底面に有する容器本体と、前記容器本体に密閉封入された水晶片を有する水晶振動子と、前記容器本体に収容されて発振回路を形成するＩＣチップとを有する表面実装発振器１５と、前記水晶振動子の加熱抵抗４ｈ及び温度センサ４thを有する温度制御回路３と、これらを配設して第２電源端子８Ｖccを有する回路基板５とを備え、前記加熱抵抗４ｈ及び前記温度センサ４thの一端は前記第２電源端子８Ｖccに電気的に接続した恒温型の水晶発振器であって、前記第１電源端子２１Ｖccは前記第２電源端子８Ｖccに電気的に接続し、前記第１電源端子２１Ｖccと少なくとも前記温度センサ４thの一端とは導電路１４によって電気的に直接に接続した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は加熱源をチップ抵抗からなる加熱抵抗とした恒温型の水晶発振器（以下、恒温型発振器とする）を技術分野とし、特に水晶振動子の動作温度をリアルタイムに検出する恒温型発振器に関する。

（発明の背景）
恒温型発振器は水晶振動子の動作温度を一定にすることから、これに起因した水晶発振器の周波数温度特性を平坦にする。したがって、例えば0.1ｐｐｍ（１／1000万）以下やｐｐｂ（１／１０億）オーダでの周波数安定度の求められる基地局等の通信設備（無線装置）に適用される。このようなもの一つに、表面実装用の水晶発振器（以下、表面実装発振器とする）を用いて恒温型発振器としたものがある（特許文献１）。

第６図及び第７図は一従来例を説明する図で、第６図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は概略の同回路図、第７図は表面実装振動子の断面図、同図（ｂ）は同底面図である。

恒温型発振器（第６図）は表面実装振動子１と、発振回路２を形成する発振部２ａ及び温度制御回路３を形成する各回路素子４と、これらを配設する回路基板５とを有する。そして、ガラス６によって気密化された発振器用ベース７のリード線８によって回路基板５を保持し、抵抗溶接等によって発振器用カバー９を被せてなる。但し、発振器用ベース７及び発振器用カバー９からなる発振器用容器には種々の形態があり、必要に応じて選択される。

表面実装振動子１（第７図）は例えば凹状とした容器本体１０に水晶片１Ａを収容して、金属カバー１１によって開口端面の金属リング１０ａにシーム溶接等によって封止する。容器本体１０は例えば積層セラミックからなり、容器本体１０の内壁段部に水晶片１Ａの図示しない引出電極の延出した一端部両側が固着される水晶保持端子１９を有する。符号２０は導電性接着剤である。

そして、外底面の例えば一組の対角部に水晶片１Ａと電気的に接続する実装端子１２としての水晶端子１２ａを有し、他組の対角部にダミー端子１２ｂを有する。ダミー端子１２ｂは金属カバー１１と例えば貫通電極１４等を含む導電路によって電気的に接続し、通常ではアース電位に接地される。

水晶片１Ａは例えばＳＣカットやＡＴカットとし、いずれのカットの場合でも、常温２５℃以上の高温側となる８０℃近傍に極値を有し、温度よって振動周波数が変化する周波数温度特性を有する。例えばＡＴカットでは三次曲線（第８図の曲線イ）となり、ＳＣカットでは二次曲線（同図の曲線ロとする）となる。なお、図の縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆで、ｆは常温での周波数、Δｆは常温での周波数ｆに対する周波数差である。

発振回路２（前第６図）は、表面実装振動子１とともに共振回路を形成する図示しない分圧コンデンサやこれを増幅帰還する発振用トランジスタ等の発振部２ａを有して所謂コルピッツ型とする。ここでは、例えば発振ループ内に電圧可変容量素子４Cvを有する電圧制御型とする。図中のＶccは電源、Ｖoutは出力、Ｖgndはグランド（アース）ＶcはＡＦＣ電圧等の制御電圧であり、各リード線８を経て接続する。また、電源Ｖccは発振回路２及び温度制御回路に共通とする。

温度制御回路３は、オペアンプ４OAの一方の入力端に温度センサ４th（例えばサーミスタ）４thと抵抗４R1による温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４R2、４R3による基準電圧Ｖrを印加する。そして、基準電圧Ｖrと温度感応電圧Ｖtとの差電圧をパワートランジスタ４Trのベースに印加し、発熱素子としてのチップ抵抗（以下、加熱抵抗４ｈとする）４ｈへ電源Ｖccからの電力を供給する。これにより、温度センサ４thの温度に依存した抵抗値によって加熱抵抗４ｈへの電力を制御し、表面実装振動子１の動作温度を一定にする。動作温度は例えば常温以上での極小値又は極大値となる８０℃近傍とする（前第７図）。

回路基板５は図示しない回路パターンが形成され、表面実装振動子１を含む各回路素子４が両主面に配設される。この例では、表面実装振動子１と、温度補償回路のうちの加熱抵抗４ｈ、パワートランジスタ４Tr及び温度センサ４thとが回路基板５の下面に配設される。表面実装振動子１は中央領域として、加熱抵抗４ｈが、パワートランジスタ４Tr及び温度センサ４thはその外周に配設される。

但し、ここでは、温度に依存して特性の変化が大きい電圧可変容量素子４Cvが表面実装振動子１の外周に配設される。これらの表面実装振動子１及びこれらの回路素子（４ｔ、４Tr、４th、４cv）は熱伝導性樹脂１３によって覆われる。あるいは、表面実装振動子１及びこれらの回路素子（４ｔ、４Tr、４th、４Cv）間に熱伝導性樹脂１３を充填して熱的に結合する。

そして、これら以外の発振出力回路２及び温度補償回路の回路素子４が回路基板５の上面に配設される。この場合、例えば発振周波数の調整用コンデンサ等は回路基板５の上面に配設され、調整を容易にする。そして、特に、発振周波数に影響を及ぼす発振段２ａの各回路素子４は熱伝導性樹脂１３で覆われた領域に対向した回路基板５の上面に配置される。
特開２００６−３１１４９６号公報 ＵＳ７２５３６９４Ｂ２号公報 ＵＳ２００７／０２６８０７９Ａ１号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の恒温型発振器では、加熱抵抗４ｈと水晶振動子１とを熱伝導性樹脂１３によって熱的に結合するものの、熱伝導性樹脂１３の熱伝導率は、回路パターンとしての導電路例えば金（Ａu）や銅（Ｃu）等の金属に比較して１／１００以下であり、水晶振動子に対する伝熱効率に劣る問題があった。ちなみに、熱伝導性樹脂１３例えばＫＥ−３４６７の熱伝導率は２．４であり、導電路としてのＡuは３１９、Ｃuは４０３となる。

これに対し、温度制御回路３の加熱抵抗４ｈと温度センサ４thとはいずれも一端側を電源（Ｖcc）側とし、第９図（回路パターン）に示したように回路基板５の導電路１４によって電気的に直接に接続する。したがって、加熱抵抗４ｈによる発熱温度は熱伝導率の高い導電路（金属、Ａｕ）を経て直接的に温度センサ４thに伝熱され、両者の温度は一致（接近）する。

一方、温度制御回路２と発振回路３とはこれらの電源Ｖccを同一として接続しても、加熱抵抗４ｈと表面実装振動子１の水晶端子１２ａとは発振回路２を経て電気的に接続する。したがって、加熱抵抗４ｈによる発熱温度は発振部２ａの回路素子４によって吸熱され、表面実装振動子１（容器本体１０）には直接的に伝熱されない。これにより、表面実装振動子１の動作温度は、加熱抵抗４ｈによる発熱温度よりも低下して時間的に遅れて発熱温度に接近する。

このことから、加熱抵抗４ｈの発熱温度と温度センサ４thの検出温度とは一致しても、温度センサ４thの検出温度は表面実装振動子１の動作温度とは一致せず、これより高い発熱温度を動作温度として検出する。そして、温度センサ４thの検出温度は、時間の経過ととともに、水晶振動子の動作温度に接近する。したがって、特に、温度センサ４thの検出温度が表面実装振動子１の動作温度に一致しないことから、周囲温度に対してリアルタイムな温度制御を困難にする問題があった。

また、これらの恒温型発振器では、表面実装振動子１を採用するものの、他の回路素子４はディスクリート部品として回路基板５に配設されるので、簡素化を阻害する問題もあった。

（発明の目的）
本発明は水晶振動子の動作温度を直接的に検出してリアルタイムな温度制御を容易にした恒温型発振器を提供することを目的とする。

（着目技術及び問題点）
本発明は、特許文献１に示されるように、表面実装振動子（容器本体）の外底面の浮き端子とした実装端子（通常のアース端子）に温度センサの一端を電気的に接続する。これにより、電気的接続としての例えばＡuとした金属からなる熱伝導率の高い導電路によって、水晶振動子の動作を直接に検出する技術に着目した。しかし、この場合は、本来、無用な導電路を形成するので、配線パターンを複雑にする問題を生じる。

（解決手段）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、第１電源端子を含む表面実装用の第１実装端子を外底面に有する容器本体と、前記容器本体に密閉封入された水晶片を有する水晶振動子と、前記容器本体に収容されて少なくとも前記水晶振動子とともに発振回路を形成するＩＣチップとを有する表面実装発振器と、前記水晶振動子を加熱するチップ素子からなる加熱抵抗及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度センサを少なくとも有する温度制御回路と、前記表面実装発振器と前記加熱抵抗と前記温度センサを少なくとも配設して第２電源端子を含む第２実装端子とを有する回路基板とを備え、前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端は前記第２電源端子に電気的に接続した恒温型の水晶発振器であって、前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端とともに前記表面実装発振器の第１電源端子は前記回路基板の第２電源端子に電気的に接続し、前記表面実装発振器の第１電源端子と少なくとも前記温度センサの一端とは導電路によって電気的に直接に接続した構成とする。

このような構成であれば、表面実装発振器の容器本体の外底面に設けられた第１電源端子は、回路基板に配設された加熱抵抗及び温度センサの一端とともに、回路基板の第２電源端子に電気的に接続する。そして、表面実装発振器（容器本体）の第１電源端子と温度センサとの一端は導電路によって電気的に直接に接続する。

したがって、水晶片の密閉封入された容器本体（水晶振動子）と温度センサとの温度は熱伝導率の高い導電路によって熱的に結合するので、水晶振動子の動作温度を直接に検出できる。これにより、周囲温度に対してリアルタイムな温度制御を容易にする。なお、表面実装発振器の第１電源と加熱抵抗及び温度線の一端は、元々、電気的に接続するので、新たな導電路を設ける必要がないので、回路基板の配線を容易にする。

（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端とともに前記表面実装発振器の第１電源端子は前記回路基板の第２電源端子に前記第２回路基板の導電路によって電気的に直接に接続する。これにより、表面実装発振器（容器本体）の水晶振動子と加熱抵抗及び温度センサは導電路によって熱的に結合する。したがって、水晶振動子の動作温度と温度センサの検出温度及び加熱抵抗の発熱温度のいずれもが同一温度に接近するので、リアルタイムな温度制御をさらに容易にする。

同請求項３では、請求項１において、前記温度センサと前記加熱抵抗との一端間には定電圧回路を有し、前記表面実装発振器の第１電源端子と前記温度センサの一端とは導電路によって電気的に直接に接続する。これにより、電源に含まれるノイズを除去して発振回路の出力を良好にする。また、第１電源端子と前記温度センサの一端とは導電路によって接続するので、請求項１での効果を維持する。

同請求項４では、請求項１において、前記温度制御回路は、前記第２電源端子に一端が接続した温度センサによる制御電圧と基準電圧を入力されるオペアンプと、前記オペアンプの出力をベースに印加されてコレクタの出力電流を制御されるエミッタ接地としたパワートランジスタと、前記パワートランジスタのコレクタと前記第２電源端子との間に配置された前記加熱抵抗とからなる。これにより、温度制御回路を明確にする。

（第１実施形態）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は同断面図、同図（ｂ）は同回路図、同図（ｃ）は模式的な回路素子と導電路との接続図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

恒温型発振器は、従来例の表面実装振動子１に代わる表面実装発振器１５及び従来同様の回路素子４を回路基板５に配設し、発振器用ベース７のリード線８に保持して発振器用カバー９を被せてなる。表面実装発振器１５は、例えば第２図に示したように、積層セラミックからなる凹状とした容器本体１６の内底面にＩＣチップ１７をバンプ１８によってフリップチップボンディングする。ＩＣチップ１７は少なくとも前述した発振部２ａ及び電圧可変容量素子４Ｃｖを集積化し、電圧制御型の発振回路２を形成する。

そして、容器本体の内壁段部に図示しない励振電極から引出電極の延出した水晶片１Ａの一端部両側を固着する。内壁段部には水晶保持端子１９を有し、水晶片１Ａの引出電極と導電性接着剤２０によって電気的・機械的に接続する。そして、開口端面に設けた金属リング１６ａに例えばシーム溶接によって金属カバー１１を接合する。これにより、水晶片１Ａを密閉封入して水晶振動子を形成する。

容器本体１０の外底面にはＩＣチップ１７の回路機能面の図示しないＩＣ端子と導電路によって電気的に接続した表面実装用の第１実装端子２１を４角部に有する。これらの実装端子２１は第１電源、出力、アース及び制御端子（Ｖcc、Ｖout、Ｖgnd、Ｖｃ）からなる。

そして、第１実施形態では、表面実装発振器１５（容器本体１６）の第１電源端子２１Ｖccは、温度制御回路３の温度センサ４th及び加熱抵抗４ｈの一端とともに、回路基板５の電源端子８Ｖccに電気的に接続する。ここでは、回路基板５の導電路１４によって電気的に直接に接続する。なお、導電路１４は回路基板５をガラスエポキシ材とした場合はＣｕとし、セラミックとした場合は下地電極をＷとしてＮｉ及びＡｕがメッキされる。

このような構成であれば、表面実装発振器１５の容器本体１６の外底面に設けられた第１電源端子２１Ｖccは、回路基板５に配設された加熱抵抗４ｈ及び温度センサ４thの一端とともに、回路基板５の第２電源端子８Ｖccに電気的に接続する。ここでは、表面実装発振器１５の第１電源端子２１Ｖccと、加熱抵抗４ｈ及び温度センサ４thの一端と、回路基板５の第２電源端子８Ｖccとは導電路１４によって直接に電気的に接続する。

したがって、水晶片１Ａの密閉封入された容器本体１６即ち水晶振動子と、温度センサ４thと、加熱抵抗４ｈとは熱伝導率の高い導電路によって熱的に結合するので、これらの温度はそれぞれ接近する。これにより、周囲温度に対してリアルタイムな温度制御を容易にする。

そして、表面実装発振器１５の第１電源端子２１Ｖccと加熱抵抗４ｈ及び温度センサ４thの一端は、元々、電気的に接続する。したがって、新たな導電路を設ける必要もなく、回路基板５の導電路による配線パターンを容易にする。また、表面実装振動子１に代えて表面実装発振器１５とするので、恒温型発振器の構造を簡易にして回路基板５に対する配置を容易にする。但し、調整用部品等はディスクリートして回路基板５の上面に配置する。

なお、例えば第２図（ｂ）に示したように、表面実装発振器１５（容器本体１６）の第１電源端子２１Ｖccと金属カバー１１とを貫通電極２２を経て電気的に接続する。さらに、容器本体１６の底壁を積層構造として第１電源端子２１Ｖccと接続する金属膜２３を設けてもよい。これらの場合、金属カバー１１及び金属膜２３によって容器本体１６の加熱を容易にするので、さらにリアルタイムな温度制御が可能になる。

（第２実施形態）
第３図は本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の回路図である。なお、第１実施形態と同一部分の説明は省略する。

第２実施形態は、温度補償回路３の発熱抵抗４ｈと基準電圧Ｖｒを形成する第２抵抗の一端との間となる電源ラインに従来同様に定電圧回路２４を設け電源Ｖccに含まれるノイズを除去して発振回路の出力を良好にする。この場合でも、表面実装発振器１５の第１電源端子２１Ｖccと温度センサ４thの一端とは導電路によって接続する。

したがって、水晶片１Ａの収容された容器本体１６（水晶振動子）と温度センサ４thとは導電路によって熱的に結合する。これにより、温度センサ４thは水晶振動子の動作温度を直接的に検出するので、従来よりも、温度制御回路３による温度補償動作を良好にできる。

（第３実施形態）
第４図は本発明の第３実施形態の恒温型発振器を説明する特に表面実装発振器の模式的な図である。なお、前実施形態と同一部分の説明は省略する。

第３実施形態では、表面実装発振器１５は温度補償型所謂ＴＣＸＯとする。すなわち、ＩＣチップ１７は発振部２ａに加えて少なくとも温度センサ（例えばリニア抵抗）を有する温度補償機構を集積化して、電圧可変容量素子４Ｃｖに温度補償電圧を印加する。この場合、温度補償電圧は制御端子２１Ｖｃからの制御電圧Ｖｃと加算器２５によって合成されて印加される。このようなものでは、ＴＣＸＯによって予め温度補償された周波数温度特性を、さらに恒温型とする温度制御回路３によって微細に制御するので、周波数安定度を高められる。

（他の事項）
上記実施形態では表面実装発振器は容器本体１６の一主面の凹部内にＩＣチップ１７と水晶片１Ａとを収容したが、例えば第５図に示したようにしてもよい。すなわち、容器本体１６の一主面の凹部に水晶片１Ａを収容して密閉封入し、他主面の凹部にＩＣチップ１７を収容してもよい。この場合でも、第１電源端子２１Ｖccが少なくとも温度センサ４thの一端とともに第２電源８Ｖccに導電路によって接続するので、水晶振動子の動作温度を直接的に検出できる。

本発明の第１実施形態を説明する恒温型発振器の図で、同図（ａ）は同断面図、同図（ｂ）は同回路図、同図（ｃ）は模式的な回路素子と導電路との接続図である。 本発明に適用する表面実装発振器の断面図である。 本発明の第２実施形態を説明する恒温型発振器の回路図である。 本発明の第３実施形態の恒温型発振器を説明する特に表面実装発振器の模式的な図である。 本発明に適用する他例の表面実装発振器の断面図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は概略の同回路図である。 従来例を説明する表面実装振動子の図で、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同底面図である。 従来例を説明する水晶振動子（水晶発振器）の周波数温度特性図である。 従来例を説明する模式的な回路素子と導電路との接続図である。

符号の説明

１ 表面実装振動子、２ 発振回路、３ 温度補償回路、４ 回路素子、５ 回路基板、６ ガラス、７ 金属ベース、８ リード線、９ カバー、１０、１６ 容器本体、１１ 金属カバー、１２ 実装端子、１３ 熱伝導性樹脂、１４ 導電路、１５ 表面実装発振器、１７ ＩＣチップ、１８ バンプ、１９ 水晶保持端子、２０ 導電性接着剤、２１ 第１実装端子、２２ 貫通電極、２３ 金属膜、２４ 定電圧回路、２５ 加算器。

Claims (4)

1. 第１電源端子を含む表面実装用の第１実装端子を外底面に有する容器本体と、前記容器本体に密閉封入された水晶片を有する水晶振動子と、前記容器本体に収容されて少なくとも前記水晶振動子とともに発振回路を形成するＩＣチップとを有する表面実装発振器と、
   前記水晶振動子を加熱するチップ素子からなる加熱抵抗及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度センサを少なくとも有する温度制御回路と、
   前記表面実装発振器と前記加熱抵抗と前記温度センサを少なくとも配設して第２電源端子を含む第２実装端子とを有する回路基板とを備え、
   前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端は前記第２電源端子に電気的に接続した恒温型の水晶発振器であって、
   前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端とともに前記表面実装発振器の第１電源端子は前記回路基板の第２電源端子に電気的に接続し、
   前記表面実装発振器の第１電源端子と少なくとも前記温度センサの一端とは導電路によって電気的に直接に接続したことを特徴とする恒温型の水晶発振器。
2. 請求項１において、前記加熱抵抗及び前記温度センサの一端とともに前記表面実装発振器の第１電源端子は前記回路基板の第２電源端子に前記第２回路基板の導電路によって電気的に直接に接続したことを特徴とする恒温型の水晶発振器。
3. 請求項１において、前記温度センサと前記加熱抵抗との一端間には定電圧回路を有し、前記表面実装発振器の第１電源端子と前記温度センサの一端とは導電路によって電気的に直接に接続した恒温型の水晶発振器。
4. 請求項１において、前記温度制御回路は、前記第２電源端子に一端が接続した温度センサによる制御電圧と基準電圧を入力されるオペアンプと、前記オペアンプの出力をベースに印加されてコレクタの出力電流を制御されるエミッタ接地としたパワートランジスタと、前記パワートランジスタのコレクタと前記第２電源端子との間に配置された前記加熱抵抗とからなる恒温型の水晶発振器。