JP4641294B2 - 恒温槽型水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）に係り、特に安定した周波数温度特性を有する恒温槽型水晶発振器に関する。

恒温槽型水晶発振器は、水晶振動子を、温度が一定に保たれたケースの中に搭載したものであり、環境温度に影響されにくく、安定した周波数特性を備えた水晶発振器である。
従来の恒温槽型水晶発振器の構造について図４及び図５を用いて説明する。図４は、従来の恒温槽型水晶発振器の構造を示す断面図である。図５は、従来の恒温槽型水晶発振器の基板１の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は右側面図である。

図４及び図５に示すように、従来の恒温槽型水晶発振器（以下、「ＯＣＸＯ」と称する）は、カバー７と、ベース８とに囲まれた空間内に、水晶振動子等の各種電子部品を搭載した基板１を設け、基板１がピン９によってベース８に固定された構造となっている。

そして、基板１の一方の面（図３ではベース８と対向する面）に、表面実装用の水晶振動子２と、温度センサ５と、抵抗器３とトランジスタ４が設けられ、基板１の他方の面に発振回路及び温度制御回路等の他の電子部品６が設けられている。尚、電子部品６は、水晶振動子２と同一の面にも設けられている。そして、抵抗器３及びトランジスタ４は熱を発生する発熱体である。

そして、図５（ａ）に示すように、水晶振動子２の周囲に、温度センサ５、抵抗器３及びトランジスタ４が配置されており、抵抗器３及びトランジスタ４で発生する熱は、基板１及び基板配線を介して水晶振動子２及び温度センサ５に伝わるものである。

尚、恒温槽型水晶発振器の従来技術としては、平成１１年８月６日公開の特開平１１−２１４９２９号「圧電発振器」（出願人：東洋通信機株式会社、発明者：佐藤富雄）がある。
この従来技術は、発振回路と複数の表面実装型加熱ヒータと、温度制御回路とを基板上に配置し、圧電振動子と発振回路と温度制御回路を同時に加熱するよう、圧電振動子のケースと圧電振動子のリード端子部とをそれぞれ別個の加熱ヒータにより同時に加熱するものであり、起動特性及び、立ち上がり時間特性に優れた水晶発振器を提供することができるものである。
また、恒温槽型水晶発振器の別の従来技術としては、特開２００１−１２７５７９、特開２００３−２２４４２５、特開２００５−１１７１８９がある。

特開平１１−２１４９２９号公報 特開２００１−１２７５７９号公報 特開２００３−２２４４２５号公報 特開２００５−１１７１８９号公報

しかしながら、従来の恒温槽型水晶発振器の構造では、抵抗器３及びトランジスタ４といった発熱体で発生する熱が基板上に均一に伝わりにくいため、温度センサ５と水晶振動子２や他の電子部品との間で温度差が生じ、信頼性の高い温度制御ができず、出力周波数の周波数温度特性が悪化するという問題点があった。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、発熱体で発生する熱を基板上に均一に伝導させ、基板の温度を均一に保ち、信頼性の高い温度制御を安定して行って周波数温度特性を向上させることができる恒温槽型水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するように、少なくとも前記発熱体を基板とで挟み込むよう、熱伝導性の高い材料から成る平板状の高熱伝導性部材を設けたことを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽型水晶発振器において、高熱伝導性部材が金属板、セラミック板又はシリコン板であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤に密着して基板に設置されていることを特徴としている。

また、本発明は、基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、高熱伝導性部材が、平板状の金属板、セラミック板又はシリコン板であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置され、高熱伝導性部材が、水晶振動子よりも厚みが薄い抵抗器を覆い、水晶振動子の三方の側面に接するよう設置されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記恒温槽型水晶発振器において、熱伝導性の低い断熱部材を、高熱伝導性部材を覆うように設置したことを特徴としている。
また、本発明は、基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、高熱伝導性部材が平板状の銅版であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置されたことを特徴としている。
また、本発明は、基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、高熱伝導性部材が、平板状の金属板、セラミック板又はシリコン板であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置され、接着剤をシリコン樹脂又はエポキシ樹脂としたことを特徴としている。
また、本発明は、上記恒温槽型水晶発振器において、熱伝導性の低い部材は、断熱性の高い樹脂又をコーティングして形成したことを特徴としている。
また、本発明は、上記恒温槽型水晶発振器において、熱伝導性の低い部材は、断熱シートを塗布して形成したことを特徴としている。
また、本発明は、上記恒温槽型水晶発振器において、高熱伝導性部材の厚さは、水晶振動子の高さと抵抗器の高さの差にほぼ等しいことを特徴としている。

本発明によれば、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するように、少なくとも前記発熱体を基板とで挟み込むよう、熱伝導性の高い材料から成る平板状の高熱伝導性部材を設けた恒温槽型水晶発振器としているので、発熱体から発せられた熱を、高熱伝導性部材を介して水晶振動子及び温度センサに伝えることにより、基板内の温度のばらつきを小さくして、信頼性の高い温度制御を行うことができ、周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、高熱伝導性部材が金属板、セラミック板又はシリコン板であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤に密着して基板に設置されている恒温槽型水晶発振器としているので、接着剤によって高熱伝導性部材を固定しつつ、十分な熱伝導性を備えて、周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、基板の、水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、高熱伝導性部材が、平板状の金属板、セラミック板又はシリコン板であり、高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置され、高熱伝導性部材が、水晶振動子よりも厚みが薄い抵抗器を覆い、水晶振動子の三方の側面に接するよう設置されている恒温槽型水晶発振器としているので、高熱伝導性部材を、水晶振動子と抵抗器の厚みの違いによって発生する空間にほぼ収まるように設置することができ、装置全体の大きさ及び厚さを増大させることなく形成でき、装置を収納するカバーの形状を変更せずにすむと共に、小型化を妨げる恐れがないという効果がある。

また、本発明によれば、熱伝導性の低い断熱部材を、高熱伝導性部材を覆うように設置した恒温槽型水晶発振器としているので、高熱伝導性部材の表面からの放熱を防ぎ、基板の温度を均一に保持しやすくし、一層安定した温度制御を行って周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器は、基板の、水晶振動子が設けられた一面に、抵抗、トランジスタ、水晶振動子、温度センサに接するよう熱伝導性の高い物質から成る熱伝導用の部材（高熱伝導性部材）を設置し、発熱体である抵抗及びトランジスタからの熱を当該熱伝導用の部材を介して迅速に水晶振動子及び温度センサ等に伝えることにより、基板内の温度差を無くして、温度制御の信頼性を向上させ、周波数温度特性を向上させることができるものである。

本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯ（本装置）の基板の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は右側面図である。
尚、本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯの全体構成は、図４に示した従来のＯＣＸＯと同様の構成であるため、ここでは説明を省略するが、カバー及びベースに囲まれた空間に、水晶振動子を搭載した基板が固定された構造となっている。

図１に示すように、本ＯＣＸＯの基板１の両面に設けられた電子部品の種類及び配置は、図４及び図５に示した従来のＯＣＸＯと同一である。そして、図１（ａ）に示すように、表面実装用の水晶振動子２が設けられた面と同じ面に、水晶振動子２の周囲をコの字型に取り囲むように高熱伝導板１０を設置している点が本ＯＣＸＯの特徴部分となっている。高熱伝導板１０は、請求項に記載した「高熱伝導性部材」に相当する。

高熱伝導板１０は、基板１よりも高い熱伝導性を有する物質で構成される板であり、例えば銅（Cu）板等の金属板やセラミック板が考えられる。比熱が小さく、軽く、加工が容易な材料が好ましい。
具体的には、高熱伝導板１０は、水晶振動子２の周囲に設置された抵抗器３及び温度センサ５をほぼ覆い、且つトランジスタ４、水晶振動子２に接するように取り付けられている。また、高熱伝導板１０は、熱伝導性の比較的高い材料（シリコン、エポキシ樹脂等）から成る接着剤によって電子部品上に固定されており、接着剤は熱伝導の妨げにならないものである。

これにより、抵抗器３及びトランジスタ４からの熱は、熱伝導性の比較的高い接着剤及びそれよりも更に熱伝導性の高い高熱伝導板１０によって熱が迅速に伝わるために、同一の高熱伝導板１０に接する水晶振動子２及び温度センサ５及び他の電子部品間の温度差を小さくすることができ、基板内の温度のばらつきを低減するものであり、周囲の環境温度にかかわらず、一層安定した周波数を出力することができるものである。

また、図１（ｂ）〜（ｅ）に示すように、基板１に設置されている抵抗器３及び温度センサ５の高さ（基板面からの高さ、厚み）は、水晶振動子２やトランジスタ４に比べて低いため、抵抗器３が設置されている部分には、水晶振動子２の周囲を取り囲むように空間的な余裕が発生している。そこで、本装置では、高熱伝導板１０の厚さを、この空間の隙間を埋めるくらいの厚さに形成している。

これにより、高熱伝導板１０を設置した基板１全体の大きさや厚さは、従来のものとほとんど変わらず、図５に示したカバー７の形状や大きさを変更することなく本装置を形成することができ、装置の小型化・軽量化を妨げず、高熱伝導板付きＯＣＸＯをコンパクトに形成することができ、さらに高熱伝導板１０の材料コストを低減できるものである。コの字型に形成しても、抵抗器３及び水晶振動子２とは十分な接触面積を保持することができ、十分良好な熱伝導性を得ることができるものである。
尚、抵抗器３の高さが水晶振動子２の高さとほぼ同じであれば、高熱伝導板１０を水晶振動子２を含む基板１の面全体を覆うように設置することも可能である。

更に、図１では示していないが、高熱伝導板１０を設けた基板１の片面全体を、熱伝導性の低い樹脂による断熱コーティング又は断熱シートで覆ってもよい。これにより、高熱伝導板１０がずれたり剥がれたりするのを防ぐと共に、均一に伝導させた熱を外部に放射させにくくし、均一な状態を保持することができ、一層安定な周波数温度特性を得ることができるものである。断熱コーティング及び断熱シートは、熱伝導性の低いシリコン樹脂やエポキシ樹脂で実現可能である。断熱コーティング又は断熱シートは、請求項に記載した「断熱部材」に相当する。
尚、放熱しやすい高熱伝導板１０のみを断熱樹脂又は断熱シートで覆ってもある程度の断熱効果は期待でき、また、基板の両面を覆うようにすると一層の断熱効果が得られる。

次に、高熱伝導板１０の材料の違いによる周波数温度特性について図２を用いて説明する。図２は、本装置における高熱伝導板１０の材料の違いと周波数温度特性の関係を示すグラフ図である。
図２の「状態１」に、高熱伝導板１０を設けない場合の周波数温度特性を示す。高熱伝導板１０を設けない場合、−３０〜＋８０℃の温度範囲において、周波数温度特性は１ppm以上変動してしまうことがわかる（「状態１」参照）。

「状態２」は、高熱伝導板１０としてシリコン板を用いた場合の周波数温度特性である。シリコン板を高熱伝導板１０に適用すると、−３０〜＋８０℃の温度範囲において、周波数温度特性の変動は±０．４ppm以内となり、高熱伝導板１０が設置されていない「状態１」と比較して、かなり改善されていることが認められる。

また、「状態３」は、高熱伝導板１０として銅板を用いた場合の周波数温度特性である。銅板を用いた場合、−３０〜＋８０℃の温度範囲において、周波数温度特性の変動は±０．１ppm以内となり、「状態１」及び「状態２」と比較して大幅に改善されている。
また、「状態２」と「状態３」を比較すると「状態３」のほうが良好な周波数温度特性が得られることから、高熱伝導板１０としては、熱伝導率の高い材料を用いたほうが好ましいことがわかる。

本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器によれば、水晶振動子２が設けられた基板１の片面に、抵抗器３、トランジスタ４、水晶振動子２、温度センサ５に接するよう、高い熱伝導性を備えた高熱伝導板１０を設けた恒温槽型水晶発振器としているので、発熱体である抵抗器３及びトランジスタ４からの熱を少ない損失で迅速に水晶振動子２や温度センサ５に伝えて、基板１内の温度を均一にすることができ、恒温槽の温度制御の信頼性及び精度を高め、周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

また、本装置によれば、高熱伝導板１０は、比較的熱伝導性の高い樹脂から成る接着剤により電子部品に接着されているので、抵抗器等の発熱体からの熱伝導を妨げず、周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

また、本装置によれば、高熱伝導板１０を設けた側の基板の面全体を、熱伝導性の低い樹脂で覆う構成としてもよく、これにより、熱が外部に放熱されるのを防ぎ、温度の均一状態を保持することができ、周波数温度特性を一層向上させることができる効果がある。

更にまた、本装置によれば、高熱伝導板１０の厚さを、水晶振動子２と抵抗器３の高さの差程度とし、高熱伝導板１０を水晶振動子２と抵抗器３の高さの差によって発生する空間に水晶振動子２を取り囲むようコの字型の形状に形成して設置しているので、装置全体の大きさや厚さを変えることなく高熱伝導板１０を設置できると共に、抵抗器３及び水晶振動子２に十分な面積で接して、良好な熱伝導性を保持し、更に、高熱伝導板１０やカバーの材料コストを抑えることができる効果がある。

次に、本発明の別の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器について図３を用いて説明する。図３は、本発明の別の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器（別のＯＣＸＯ）の基板の構成を示す平面図である。尚、別のＯＣＸＯを構成する水晶発振器の電子部品等の構成は、図１に示したＯＣＸＯと同様であるため、電子部品等には図１と同様の符号を付して説明する。
そして、図３に示すように、別のＯＣＸＯでは、金属製の高熱伝導板１０の代わりに、熱伝導性の高い樹脂（高熱伝導樹脂）１１が基板１の片面に塗布されている点が特徴となっている。

高熱伝導樹脂１１は、シリコン樹脂、エポキシ樹脂等の熱伝導性の高い樹脂であり、基板１に、水晶振動子２、抵抗器３、トランジスタ４、温度センサ５、他の電子部品６等の電子部品の実装が完了してから、液体樹脂の適量を垂らす等の手法により、基板の片面をほぼ覆うように塗布されるものである。高熱伝導性樹脂１１は、その後乾燥させることにより硬化させる。

高熱伝導性樹脂１１は、上述した高熱伝導板１０に比べると熱伝導性は高くないが、基板１への実装が極めて容易且つ安価であり、また、電子部品に密着するため、熱を伝導する効果はある程度期待でき、従来と比較して、周波数温度特性の向上を図ることができるものである。

本発明の別の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器によれば、水晶振動子２が設けられた基板１の片面に、抵抗器３、トランジスタ４、水晶振動子２、温度センサ５をほぼ覆うように、高い熱伝導性を備えた高熱伝導性樹脂１１が塗布された恒温槽型水晶発振器としているので、発熱体である抵抗器３及びトランジスタ４からの熱を迅速に水晶振動子２や温度センサ５に伝えて、基板１内の温度のばらつきを低減することができ、恒温槽の温度制御の精度を高め、周波数温度特性を向上させることができる効果がある。

また、別の恒温槽型水晶発振器によれば、高熱伝導性樹脂１１は、基板１への塗布が容易であり、安価であるため、従来の恒温槽型水晶発振器の製造プロセスを大幅に変更することなく、簡易に良好な周波数温度特性を実現できる効果がある。

更に、上述した恒温槽型水晶発振器と同様に、高熱伝導性樹脂１１を塗布した後（硬化後）に、熱伝導性の低い断熱樹脂を塗布したり、断熱シートで覆うことも可能であり、これにより、高熱伝導性樹脂１１の表面からの放熱を防ぎ、基板の温度を一層均一にして更に周波数温度特性を向上させることができる効果がある。
尚、断熱樹脂でなくても熱伝導性の低い素材ならば同様の効果は期待でき、例えば、紙やプラスチックフィルムを用いることも可能である。

本発明は、安定した周波数温度特性を有する恒温槽型水晶発振器に適している。

本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯ（本装置）の基板の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は右側面図である。 本装置における高熱伝導板１０の材料の違いと周波数温度特性の関係を示すグラフ図である。 本発明の別の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器（別のＯＣＸＯ）の基板の構成を示す平面図である。 従来の恒温槽型水晶発振器の構造を示す断面図である。 従来の恒温槽型水晶発振器の基板１の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は左側面図、（ｄ）は下面図、（ｅ）は右側面図である。

符号の説明

１…基板、 ２…水晶振動子、 ３…抵抗器、 ４…トランジスタ、 ５…温度センサ、 ６…他の電子部品、 ７…カバー、 ８…ベース、 ９…ピン、 １０…高熱伝導板、 １１…高熱伝導樹脂

Claims (12)

1. 基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、
   前記基板の、前記水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、前記水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するように、少なくとも前記発熱体を前記基板とで挟み込むよう、熱伝導性の高い材料から成る平板状の高熱伝導性部材を設けたことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
2. 高熱伝導性部材が金属板、セラミック板又はシリコン板であり、前記高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤に密着して基板に設置されていることを特徴とする請求項１記載の恒温槽型水晶発振器。
3. 基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、
   前記基板の、前記水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、前記水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、
   高熱伝導性部材が、平板状の金属板、セラミック板又はシリコン板であり、前記高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置され、
   高熱伝導性部材が、水晶振動子よりも厚みが薄い抵抗器を覆い、前記水晶振動子の三方の側面に接するよう設置されていることを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
4. 高熱伝導性部材が、トランジスタの側面に接するよう設置されていることを特徴とする請求項３記載の恒温槽型水晶発振器。
5. 熱伝導性の低い平面状の断熱部材を、高熱伝導性部材の上面を覆うように設置したことを特徴とする請求項１又は２記載の恒温槽型水晶発振器。
6. 熱伝導性の低い断熱部材を、高熱伝導性部材を覆うように設置したことを特徴とする請求項３又は４記載の恒温槽型水晶発振器。
7. 基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、
   前記基板の、前記水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、前記水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、
   高熱伝導性部材が平板状の銅板であり、前記高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置されたことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
8. 高熱伝導性部材が、銅板であることを特徴とする請求項３又は４記載の恒温槽型水晶発振器。
9. 基板の一方の面に、表面実装用の水晶振動子と、抵抗器及びトランジスタから成る発熱体と、温度センサとが設けられ、他方の面に別の電子部品が設けられた恒温槽型水晶発振器であって、
   前記基板の、前記水晶振動子、発熱体及び温度センサが設けられた面に、前記水晶振動子と発熱体及び温度センサに接するよう、熱伝導性の高い材料から成る高熱伝導性部材を設け、
   高熱伝導性部材が、平板状の金属板、セラミック板又はシリコン板であり、前記高熱伝導性部材が熱伝導性の高い接着剤を介して基板に設置され、
   接着剤をシリコン樹脂又はエポキシ樹脂としたことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。
10. 熱伝導性の低い断熱部材は、断熱性の高い樹脂をコーティングして形成したことを特徴とする請求項６又は７記載の恒温槽型水晶発振器。
11. 熱伝導性の低い断熱部材は、断熱シートを塗布して形成したことを特徴とする請求項６又は７記載の恒温槽型水晶発振器。
12. 高熱伝導性部材の厚さは、水晶振動子の高さと抵抗器の高さの差にほぼ等しいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか記載の恒温槽型水晶発振器。

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