(57)【要約】      （修正有）【課題】熱容量を小さくして温度制御を容易にし、温度上昇による特性低下を防止する恒温型発振器を提供する。【解決手段】水晶振動子１とともに発振段及び緩衝段の回路素子４と、発熱体及び温度感応素子を少なくとも有して水晶振動子１の動作温度を一定にする温度制御回路の回路素子４と、水晶振動子１、温度感応素子及び発振段の回路素子４を少なくとも配設した第１回路基板５ａ及びこれを収容する熱筒１０と、緩衝段の回路素子４及び温度感応素子を少なくとも除く温度制御回路の回路素子４を配設して熱筒１０とは離間して支持する第２回路基板５ｂとを有する多段型とした恒温型発振器であって、発熱体は熱筒１０とし、熱筒１０はジュール熱を発生する抵抗値を有する材料からなり、熱筒１０には外部からの電力を供給するリード線１１が接続した構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子と、
前記水晶振動子とともに発振出力回路を形成する発振段及び前記発振段の出力を緩衝増幅する緩衝段の回路素子と、
前記水晶振動子を加熱する発熱体及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子を少なくとも有し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路の回路素子と、
前記水晶振動子、前記温度感応素子及び前記発振段の回路素子を少なくとも配設した第１回路基板と、
前記第１回路基板を支持する第１気密端子が底面を貫通し、前記第１回路基板を収容する熱筒と、
前記緩衝段の回路素子及び前記温度感応素子を少なくとも除く前記温度制御回路の回路素子を配設し、前記気密端子が接続して前記熱筒を支持するとともに前記熱筒とは離間した第２回路基板と、
前記熱筒及び前記第２回路基板を収容した発振器用容器とを有する多段型とした恒温型の水晶発振器であって、
前記発熱体は前記熱筒とし、前記熱筒はジュール熱を発生する抵抗値を有する材料からなり、前記熱筒には外部からの電力を供給するリード線が接続したことを特徴とする恒温型の水晶発振器。
【請求項２】
請求項１において、前記熱筒は凹状として開口端面が絶縁基板によって閉塞され、前記リード線は前記熱筒の対向する両側面の上端側に電気的に接続した恒温型の水晶発振器。
【請求項３】
請求項１において、前記熱筒はステンレス又はタングステンからなる恒温型の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多段型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、特に熱筒を用いた周波数安定度の高い恒温型発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
（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周波数安定度が高く、例えばｐｐｂ（１／１０億）単位とした周波数偏差の求められる基地局用の通信機器に適用される。近年では、これらの基地局等でも小型化が浸透し、例えば熱線を券回した旧来の恒温熱筒に代えて、チップ抵抗等を発熱素子としたものがある。
【０００３】
（従来技術の一例、特許文献１）
第４図（ａｂｃ）は一従来例を説明する図で、第４図（ａ）は恒温型発振器の断面図、同図（ｂ）は発振出力回路、同図（ｃ）は温度制御回路である。
【０００４】
恒温型発振器は、水晶振動子１と、発振出力回路２及び温度制御回路３を構成する回路素子４と、第１及び第２回路基板５（ａｂ）と、発振器用容器６とを有する。水晶振動子１は例えばＡＴカットやＳＣカットとした水晶片１ａを有し、例えば外部端子を有する表面実装用の容器１ｂに密閉封入される。
【０００５】
そして、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℃近傍を極値とし、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５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。
【０００６】
発振出力回路２は、発振回路としての発振段２ａと緩衝増幅器等を有する緩衝段２ｂとからなる。発振段２ａは水晶振動子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及び発振用トランジスタを有する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４ａを有する電圧制御型とする。図中のＶccは電源、Ｖoutは出力、Ｖcは制御電圧である。
【０００７】
温度制御回路３は、オペアンプ４ｂの一方の入力端に温度感応素子４ｃ（例えばサーミスタ）と抵抗４ｄによる温度感応電圧Ｖtを、他方の入力端に抵抗４ｅ、４ｆ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４ｇのベースに印加し、発熱素子としてのチップ抵抗（加熱抵抗とする）４ｈへ電源Ｖccからの電力を供給する。これにより、温度感応素子４ｃ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、水晶振動子１の動作温度を一定にする。
【０００８】
第１及び第２回路基板５（ａｂ）はいずれも配線パターンが形成され、例えば第１回路基板５ａはセラミックとして、第２回路基板５ｂはガラス９エポキシとする。第１回路基板５ａの一主面には水晶振動子１が配設され、他主面には例えば温度制御回路３の加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃが配設される。そして、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃ上からは液状の熱伝導性樹脂７が塗布されて硬化する。
【０００９】
第２回路基板５ｂにはこれら以外の発振出力回路２及び温度制御回路３の各回路素子４が両主面に配設され、特に発振段２ａの回路素子４が中央領域に配設される。そして、第１と第２回路基板５（ａｂ）とは金属ピン８ａによって電気的及び機械的に接続し、板面が対向する２段構造とする。この場合、加熱抵抗４ｈ及び温度感応素子４ｃ上に塗布された熱伝導性樹脂７が第２回路基板５ｂの中央領域に密着し、第２回路基板５ｂと熱的に結合して特に発振段２ａとなる回路素子４の動作温度を一定にする。
【００１０】
発振器用容器６は少なくとも４角部にガラス９によって気密化したリード線即ち気密端子８ｂが貫通した金属ベース６ａと抵抗溶接等によって封止される金属カバー６ｂとからなる。そして、金属ベース６ａの気密端子８ｂには、第２回路基板５ｂが電気的・機械的に接続し、第１回路基板５ａとともに密閉封入される。
【００１１】
このようなものでは、発振出力Ｖoutの周波数温度特性を支配する水晶振動子１の動作温度を一定にするとともに、発振回路（発振段）２ａを形成する各回路素子４も一定温度にする。したがって、水晶振動子１のみならず発振段２ａをも動作温度を一定とするので、これらの周波数温度特性の影響を受けずに、周波数偏差Δｆ／ｆoを例えばｐｐｂ単位にできる。但し、ｆoは発振周波数の公称値、Δｆは公称値ｆoからのずれ量である。
【特許文献１】特開２００５−３４１１９１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２３３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
（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、発振器用容器６に発振周波数に影響を及ぼす水晶振動子１及び発振段２ａの回路素子４のみならず、これ以外の緩衝段２ｂ等の回路素子４をも収容する。したがって、発振器用容器６内の熱容量（空間積）も大きくなって、温度分布が不均一になることから、温度制御を困難にする問題があった。
【００１３】
このことから、例えば第６図に示したように、水晶振動子１と発振段２ｂの回路素子４及び温度補償回路３の少なくとも温度感応素子４ｃとを配設した第１回路基板５ａのみを凹状とした熱筒１０に収容する。水晶振動子１は例えば一対のリード線１ｄが導出した金属ベース１ｃ内に図示しないサポータによって水晶片１ａを保持し、抵抗溶接等によって金属カバー１ｂを接合してなる。
【００１４】
そして、温度補償回路３の少なくとも温度感応素子４ｃを除く回路素子４及び緩衝段２ｂの回路素子４を下面に配設した第２回路基板５ｂの上面側に熱筒１０を保持（支持）する。そして、第２回路基板５ｂの上面側に配設した発熱抵抗４ｈによって熱筒１０を加熱し、熱筒１０内の温度を一定に制御することが考えられた。なお、符号７は熱伝導シートである。
【００１５】
これにより、第１回路基板５ａを収容する熱筒１０内の空間積を小さくできるので、温度分布を均一にして温度制御を容易にする。しかし、この場合でも、発熱抵抗４ｈが熱筒１０の底面に熱結合するので、熱分布が底面側に集中して均一な温度分布が得られず、温度制御を困難にする問題があった。特に、ｐｐｂ単位での周波数安定度を要求される場合には問題が顕著になる。
【００１６】
また、いずれの場合でも、第２回路基板５ｂには、発振段２ａ以外の緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４も配設され、発振段２ａと同様に高温にさらされる。すなわち、発振周波数を決定する水晶振動子１や発振段２ａ以外の緩衝段２ｂや温度制御回路３の多数の回路素子４が高温にさらされる。したがって、これらの回路素子４は温度上昇による特性低下を生じ、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を不安定にする問題があった。
【００１７】
なお、発振周波数を決定する水晶振動子１から見た負荷容量（直列等価容量）に及ぼす緩衝段２ｂ以降での容量は極めて小さくて殆ど無視できる。したがって、緩衝段２ｂにおける回路素子４の周波数温度特性による発振周波数への影響も無視でき、これらの回路素子４の動作温度を一定にする必要は基本的にない。また、温度制御回路３は発振出力回路２とは電気的な接続はなく独立しているので、発振周波数に与える影響はない。これらにより、発振出力回路２の緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４の温度上昇による特性低下が問題になる。
【００１８】
（発明の目的）
本発明は、熱容量を小さくして温度分布を一定にし、温度制御を容易にする。そして、水晶振動子及び発振段以外となる回路素子の温度上昇による特性低下を防止する恒温型発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、水晶片が密封封入されて外部端子を有する水晶振動子と、前記水晶振動子とともに発振出力回路を形成する発振段及び前記発振段の出力を緩衝増幅する緩衝段の回路素子と、前記水晶振動子を加熱する発熱体及び前記水晶振動子の動作温度を検出する温度感応素子を少なくとも有し、前記水晶振動子の動作温度を一定にする温度制御回路の回路素子と、前記水晶振動子、前記温度感応素子及び前記発振段の回路素子を少なくとも配設した第１回路基板と、前記第１回路基板を支持する第１気密端子が底面を貫通し、前記第１回路基板を収容する熱筒と、前記緩衝段の回路素子及び前記温度感応素子を少なくとも除く前記温度制御回路の回路素子を配設し、前記気密端子が接続して前記熱筒を支持するとともに前記熱筒とは離間した第２回路基板と、前記熱筒及び前記第２回路基板を収容した発振器用容器とを有する多段型とした恒温型の水晶発振器であって、前記発熱体は前記熱筒とし、前記熱筒はジュール熱を発生する抵抗値を有する材料からなり、前記熱筒には外部からの電力を供給するリード線が接続した構成とする。
【発明の効果】
【００２０】
このような構成であれば、熱筒自体の抵抗値に基づくジュール熱によって、熱筒を直接に発熱体とする。そして、発振出力（周波数）に最も影響を与える水晶振動子及び発振段の回路素子とを第１回路基板に配設して発熱体としての熱筒に収容し、緩衝段等の回路素子は熱筒外の第２回路基板に配設する。したがって、熱筒の熱容量を小さくして温度分布を均一にすることから温度制御を容易にできる。
【００２１】
この場合、水晶振動子（発振段）から見た緩衝段及び温度制御回路の回路素子による容量分は極めて小さい。したがって、緩衝段及び温度制御回路の回路素子が周波数温度特性をもったとしても、水晶振動子から見た負荷容量（直列等価容量）の変化は無視できて、発振段での発振周波数に対する影響は無視できる。
【００２２】
そして、緩衝段や温度制御回路の回路素子は第２回路基板に配設され、熱筒とは間隙を有して熱的に遮断される。したがって、緩衝段や温度制御回路の回路素子は高熱にさらされることなく、極度の高温にはならずに常温よりも高い程度の温度になる。したがって、緩衝段や温度制御回路の回路素子は高温動作による特性低下を防止し、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を良好に維持する。これらのことから、周波数偏差をｐｐｂ単位として周波数安定度を高められる。
【００２３】
また、発熱素子による加熱対象は基本的に水晶振動子と発振段の回路素子との最小要素とし、これ以外の回路素子は熱筒外とする。したがって、加熱対象を必要最低限の回路素子として最低限の熱容量とするとともに、熱筒を直接に発熱体とするので、エネルギー効率を高められる。
【００２４】
（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記熱筒は凹状として開口端面が絶縁基板によって閉塞され、前記リード線は前記熱筒の対向する両側面の上端側に電気的に接続する。これにより、凹状とした熱筒の開口端面側から対向する側面間に電流を生ずるので、熱筒には万遍なくジュール熱が発生する。例えば熱筒の底面に一対のリード線を設けた場合には、底面のリード線間にジュール熱が発生するので、従来の発熱抵抗を設けた場合と同様に局所的な熱の発生となって温度分布を不均一にする。
【００２５】
同請求項３では、請求項１において、前記熱筒はステンレス又はタングステンからなる。これにより、熱筒の材料を明確にして特定する。ちなみに、ステンレスは抵抗値が３Ω、タングステンは２Ωとして、ジュール熱を充分に発生して熱筒を発熱体にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１実施形態）
第１図は本実施例の一実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。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。
【００２７】
恒温型発振器は、前述同様に、第１及び第２回路基板５（ａｂ）を上下方向に重ねた多段型とし、第１回路基板５ａは熱筒１０に収容される。そして、これらは、金属ベース６ａとカバー６ｂとの半田封止による発振器用容器６に封入される。この例では、第１回路基板５ａの下面には水晶片１ａが密閉封入された水晶振動子１が、上面には発振段２ａの回路素子４及び温度感応素子４ｃさらにはトリマコンデンサ等を含む調整用素子が配設される。第２回路基板５ｂの下面には緩衝段及び温度制御回路の温度感応素子４ｃを除く回路素子４が配設される。但し、温度補償回路３のパワートランジスタは必要に応じて第１回路基板５ａに配設される。
【００２８】
熱筒１０は凹状として底面を貫通した気密端子８ａを有し、材料としては例えば抵抗値を３Ωとしたステンレスや、２Ωとしたタングステンの金属板単体からなる。そして、熱筒１０の底面を貫通した凹状内となる気密端子８ａの先端には第１回路基板５ａの外周が支持され、開口端面は絶縁板１０ａによって閉塞される。また、熱筒１０の底面を貫通した凹状外となる気密端子８ａの先端は第２回路基板５ｂの外周に接続して支持される。この場合、熱筒１０の底面は第２回路基板５ｂとは離間して支持される。
【００２９】
第２回路基板５ｂは金属ベース６ａの第１気密端子８ｂによって外周部が支持される。第１気密端子８ｂはアースを含めて緩衝段及び温度補償回路３と電気的に接続する。そして、金属ベース６ａは第１気密端子８ｂの外側に第２気密端子８ｃを有し、熱筒１０の対向する側面の上端側とリード線としての金属線１１によって電気的に接続する。なお、金属線１１によらずに、第２気密端子８ｃとしてのリード線が半田等によって直接に接続することもできる。
【００３０】
このようなものでは、第２気密端子８ｃ及び金属線１１を経ての外部からの電力が、熱筒１０の対向する側面の上端側に印加される。そして、高抵抗値とした熱筒１０はジュール熱によって発熱することから、熱筒１０自体が発熱体となる。したがって、従来例のように、発熱抵抗及び熱伝導シートを用いた場合よりも、直接的な加熱となるのでエネルギー効率を高められる。
【００３１】
そして、この場合は、特に熱筒１０の対向する側面の上端側に電力（電圧）が印加されるので、熱筒１０の側面及び底面を経て電流が周回する。したがって、熱筒１０には周回するジュール熱を生じて熱筒１０が全体的に加熱されるので、熱筒１０内部の温度分布を均一にする。これにより、温度制御を容易にする。
【００３２】
また、この例では、第２回路基板５ｂは熱筒１０とは離間して配置されるので、熱筒１０とは熱的に遮断される。したがって、緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４は、外気温度が常温であるにも拘わらず、加熱抵抗４ｈによる高温動作を強いられることがない。これにより、例えば常温時における発振周波数を含めた発振出力特性を良好に維持する。
【００３３】
ちなみに、本実施形態の恒温型発振器では周囲温度に対する周波数偏差Δｆ／ｆoは、第２図（直線Ａ）に示したように、例えば-20〜80℃の範囲で±２ｐｐｂ以内の周波数安定度になる。これに対し、例えば前第２図に示したように、加熱抵抗４ｈの配置された第２回路基板５ｂの下面に緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４を配設した場合は、周波数変化Δｆ／ｆは±１０ｐｐｂとなる（第２図の直線Ｂ）。
【００３４】
したがって、本実施形態での緩衝段２ｂや温度制御回路３の回路素子４を加熱抵抗４ｈから離間して熱的な影響を避けた場合の効果が明確になる。なお、いずれの直線ＡＢでも温度上昇とともに周波数偏差Δｆ／ｆは低下するが、これとは逆に周波数偏差Δｆ／ｆが上昇する場合あり、これらは回路側と水晶振動子の温度特性に依存にする。
【００３５】
（他の事項）
上記実施形態では熱筒１０は金属板単体としたが、例えば第３図に示したように、セラミックの積層面にタングステン等の金属ペースト１２を印刷して凹状とし、その後に焼成した金属積層板であってもよい。この場合、先端側のタングステンを露出して焼成し、金属線１１を接続する。この場合でも同様の効果を奏する。また、一対のリード線１ｄが導出した金属ベース１ｃ上に図示しないサポータによって水晶片１ａを保持して金属カバー１ｂを接合した水晶振動子を例としたが、従来例で述べた表面実装用とした水晶振動子を用いた場合でも同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。
【図２】本発明の実施形態の作用を説明する周波数偏差特性である。
【図３】本発明のその他の実施形態を説明する恒温型発振器の断面図である。
【図４】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）は発振回路の概略図、同図（ｃ）温度制御回路図である。
【図５】従来例を説明するＡＴカット及びＳＣカットとした水晶振動子の周波数温度特性図である。
【図６】従来例の他の例を説明する恒温型発振器の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  水晶振動子、２  発振出力回路、３  温度制御回路、４  回路素子、５  回路基板、６  金属容器、７  熱伝導性樹脂、８  気密端子（金属ピン）、９  ガラス、１０  熱筒、１１  金属線、１２  金属ペースト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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