(57)【要約】【課題】【解決手段】水晶発振器の温度制御のためのシステムが提供されている。そのシステムは、基板上に配置され、その上に水晶発振器が配置された熱伝導性支持体と、基板内の水晶発振器の周りに配置されたサーマルビア配列と、支持体と連絡する少なくとも１つの第１の加熱器と、サーマルビア配列と連絡する熱エンクロージャと、エンクロージャと連絡する少なくとも１つの第２の加熱器とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶発振器の温度制御のためのシステムであって、
基板上に配置された熱伝導性支持体であって、前記水晶発振器が、前記熱伝導性支持体と熱的に接触するように前記熱伝導性支持体上に配置された熱伝導性支持体と、
前記基板内の前記水晶発振器の周りに配置されたサーマルビア配列と、
前記支持体と連絡する少なくとも１つの第１の加熱器と、
前記サーマルビア配列と連絡する熱的なエンクロージャと、
前記エンクロージャと連絡する少なくとも１つの第２の加熱器と
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、発振器筐体を備えるシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記エンクロージャ内に配置された発振器回路要素を備えるシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記支持体と連絡する温度制御デバイスを備えるシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記第１の加熱器および前記第２の加熱器は、第１および第２の別個の制御装置によって制御されるシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記第１の加熱器を制御する第１の制御装置と、前記第２の加熱器を制御する第２の制御装置とを備え、
前記第１の制御装置は、前記第２の制御装置と通信するシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記エンクロージャ内に配置された断熱ガスを備えたシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のシステムであって、前記断熱ガスは、空気、窒素、アルゴン、および、それらの混合気体からなる群から選択されるシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記エンクロージャ内に配置された固体の断熱材を備えるシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムであって、前記基板は、断熱材を備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムであって、さらに、前記基板に配置されたスロットを備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムであって、前記基板の上面の下に配置され、前記サーマルビアと熱連絡する金属面を備えるシステム。
【請求項１３】
水晶発振器であって、
単一のプリント基板と、
第１の加熱器と、
前記単一のプリント基板上に配置され、前記加熱器と熱連絡する金属面と、
前記金属面上に配置された圧電共振器と、
前記金属面の周りに配置された第１の熱エンクロージャと、
前記第１の熱エンクロージャの外部に配置された少なくとも１つの第２の加熱器と
を備える水晶発振器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の水晶発振器であって、さらに、前記プリント基板を取り囲む第２のエンクロージャ筐体を備える水晶発振器。
【請求項１５】
請求項１３に記載の水晶発振器であって、さらに、前記第１の熱エンクロージャ内に配置された少なくとも１つの発振器回路要素を備える水晶発振器。
【請求項１６】
請求項１３に記載の水晶発振器であって、さらに、前記プリント基板内に配置されたサーマルビアを備える発振器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の水晶発振器であって、前記サーマルビアは、熱伝導性の内部層と連絡する水晶発振器。
【請求項１８】
請求項１３に記載の水晶発振器であって、さらに、温度検知制御システムを備え、それにより、前記金属面が発振器の動作温度に維持される水晶発振器。
【請求項１９】
請求項１８に記載の水晶発振器であって、前記温度検知制御システムは、比例制御される水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶発振器に関し、特に、プリント基板上のダブルオーブン発振器のための加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ）は、高周波用途で用いられる。ダブルオーブン式の構造は、安定した動作温度を確保することにより、圧電共振器の機能に影響して周波数に誤差を導入する温度変動を低減する。ダブルオーブン式の構成は、両方のオーブンを最大動作周囲温度を上回る温度に維持することによって動作する。水晶の特性は、周波数−温度曲線の傾きが０になる点のこの動作温度に適合される。この曲線は、一般に、温度に対する周波数の依存を記述する３次または４次の多項式によって表される。この依存の性質により、わずかな温度の振動でも、周波数安定性に顕著な影響を及ぼす結果となる。
【０００３】
２つのオーブン内に発振器の水晶を配置すると、第２の（外側の）オーブンによって、周囲温度の変動から第１の（内側の）オーブンを断熱することができる。しかしながら、かかるシステムは、複雑で構築に費用がかかり、複数のプリント基板を必要とする。複数の基板に関連して、複数の基板を接続する複雑さが生じる。また、複数の基板の利用によって、より大きいパッケージが必要となり、筐体の体積を小さくすることが困難になる。
【０００４】
したがって、単一のプリント基板上に構成された発振器デバイスに温度安定性を提供する技術が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の一実施形態は、水晶発振器の温度制御のためのシステムを提供する。そのシステムは、基板上に配置され、その上に水晶発振器が配置された熱伝導性支持体と、基板内の水晶発振器の周りに配置されたサーマルビア配列と、支持体と連絡する少なくとも１つの第１の加熱器と、サーマルビア配列と連絡する熱エンクロージャと、エンクロージャと連絡する少なくとも１つの第２の加熱器とを有する。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、発振器筐体をさらに備えるかかるシステムを提供する。
【０００７】
本発明のさらなる実施形態は、エンクロージャ内に配置された発振器回路要素をさらに備えるかかるシステムを提供する。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態は、支持体と連絡する温度制御装置をさらに備えるかかるシステムを提供する。
【０００９】
本発明の一実施形態は、水晶発振器を提供する。その水晶発振器は、単一のプリント基板と、第１の加熱器と、単一のプリント基板上に配置され、加熱器と熱連絡する金属面と、金属面上に配置された圧電共振器と、金属面の周りに配置された第１の熱エンクロージャと、第１の熱エンクロージャの外部に配置された少なくとも１つの第２の加熱器とを備える。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、プリント回路基板を取り囲む第２のエンクロージャをさらに備えるかかる水晶発振器を提供する。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態は、少なくとも１つの回路要素が第１の熱エンクロージャ内に配置された発振器回路をさらに備えるかかる水晶発振器を提供する。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態は、プリント回路基板内に配置されたサーマルビアをさらに備えるかかる水晶発振器を提供する。
【００１３】
本発明のさらにまた別の実施形態は、サーマルビアが熱伝導性の内部層と連絡するかかるシステムを提供する。
【００１４】
さらに別の水晶発振器は、比例制御された温度検知制御システムを備えており、それにより、金属面が発振器の動作温度に維持される。
【００１５】
本明細書に記載の特長および利点は、すべてを包含するものではなく、特に、図面、明細書、および、特許請求の範囲を参照すれば、多くのさらなる特長および利点が存在することは、当業者にとって明らかである。また、本明細書で用いられる用語は、主に、読みやすさと教示の目的とで選択されており、本発明の主題の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の平面図を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上の疑似ダブルオーブン発振器の立断面図を示すブロック図。
【図３】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の第１のオーブンが有効である場合の熱分析を示すグラフ。
【図４】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の第２のオーブンが有効である場合の熱分析を示すグラフ。
【図５】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の第１および第２のオーブンが有効である場合の熱分析を示すグラフ。
【図６】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の電力供給における±５％の電圧変化に対する周波数電圧安定性を示すグラフ。
【図７】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器の位相雑音を示すグラフ。
【図８】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器のアラン偏差を示すグラフ。
【図９】シングルオーブン発振器に対する空気流およびＣＯ2 ブラストの影響を示すグラフ。
【図１０】本発明の一実施形態に従って構成された単一のプリント基板上のダブルオーブン発振器に対する空気流およびＣＯ2 ブラストの影響を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１および２に示したように、高い温度安定性を必要とする水晶発振器３０は、基板１３上に配置された加熱された熱伝導面１２と熱的に接触しており、基板１３自体が筐体１８内に配置されている。金属化された面１２は、第１の加熱素子１４によって加熱され、一実施形態においては、この加熱素子１４は、温度センサ／調節器１６を備えた熱散逸加熱素子である。一実施形態において、温度検知および調節機能は、制御されたフィードバックシステムによって実行される。サーマルビア２２のビア配列は、面１２を取り囲むように基板上に配置される。本発明の一実施形態において、その配列は、正方形、円形、楕円形、長方形、または、熱エンクロージャ３６と共に用いられるよう構成された別の適切な幾何配列であってよい。配列は、所望の第２のオーブンエンクロージャ２４の外周の周りに配置されてよい。かかるビアは、接地電流の導電体であってよい。図２に示す一実施形態において、その他の温度に敏感な構成要素３４が、配列の内部に配置されてよい。上述のサーマルビアは、回路基板の材料以外の熱伝導性材料であってよく、それによって熱が流れうる。ビア材料の例としては、銅および熱伝導性エポキシが挙げられる。
【００１８】
図２に示した一実施形態において、薄壁金属缶３６またはその他の適切なエンクロージャ（容器）が、ビア２２に半田付けまたは熱的に結合されることにより、加熱される面１２、水晶３０、および、その他の温度に敏感な構成要素３４の周りの第２のエンクロージャを形成する。１または複数の加熱素子および関連するフィードバック回路センサ２０を有する第２の加熱システムが、ビア２２および薄壁金属缶３６を加熱する。本発明の一実施形態において、かかる加熱素子２６は、熱散逸散素子であるが、その他の実施形態では、トランジスタ、抵抗器を利用してもよく、バイポーラまたはＭＯＳＦＥＴであってもよい。このように加熱されたビア２２は、熱壁すなわち熱障壁を形成し、基板内に配置された熱伝導性の内層３２への熱伝導路を提供する。このように、水晶３０および発振器要素３４は、所望の温度に加熱された熱的な覆いの中に収容される。本発明の一実施形態は、従来のダブルオーブンアセンブリと同様に、あらゆる側面を遮熱材で取り囲まれた「内側」オーブンアセンブリを有するダブルオーブンアセンブリを提供する。本発明の一実施形態では、さらなる外側筐体が提供され、受動的にダブルオーブンアセンブリを遮蔽する。
【００１９】
本発明の一実施形態では、事前にスズめっきした水晶フランジが、金属面に半田付けされる。少なくとも１つの加熱器および温度感知サーミスタが、金属板に直接接触して、水晶エンクロージャのガラス部分の下に配置される。発振回路（一実施形態では、コルピッツ発振回路）が、水晶エンクロージャの周りに配置される。同時に、これらの要素は、第１のオーブンを形成する。かかる実施形態においては、金属面は、最上層に配置されるよう構成され、水晶の下のその領域に配置される。２つのさらなる加熱器が、上述のサーマルビア配列に結合されて配置されてよい。かかる一実施形態において、加熱器は、金属面を取り囲み、ビア配列を形成された方形の銅部材に半田付けされる。熱伝導性の缶が、ビア配列に半田付けされる。方形の薄銅部材に配置されたサーマルビアは、内層に熱を伝達するために提供されてよい。加熱される内層を損傷することなく水晶の取り付けを行うために、制御された深さのビアまたはその他の同様な構造を用いてよい。かかる一実施形態において、銅の層は、温度センサに結合されてよい。
【００２０】
別の実施形態において、ＬＰＰ（薄型パッケージ）水晶パッケージを用いてもよく、その場合、ガラスが省略される。パックの底面は、金属またはセラミックであり、ＰＣＢ面に半田付けされる。かかる実施形態において、サーミスタは、水晶の側に配置される。
【００２１】
例１
二重オーブン（デュアルオーブン）の概念を用いて設計されたユニットを試験した。試験されたユニットは、ＣＯ−０８ユーロケース（eurocase）エンクロージャに収容された基板アセンブリを備える。使用された水晶は、ＨＣ−３７／Ｕホルダに収容された３倍波５ＭＨｚ  ＳＣである。
【００２２】
第１（内側）のオーブンを有効にし、第２（外側）のオーブンを無効にした場合の熱分析を、図３に示す。図に示すように、１０℃、３５℃、および、７０℃で、その設計の試験結果が提供されている。これを、第２のオーブンを有効にし、第１オーブンを無効にした場合の図４の熱分析結果と比較する。各シナリオの水晶での熱利得は、標準的なシングルオーブン・ユーロケースＯＣＸＯの熱利得と同程度である。
【００２３】
図５に示した熱分析は、両方のオーブンが有効である場合の性能を示す。水晶での熱利得に劇的な増大が見られ、温度係数の大きさにごくわずかな変化があった。
【００２４】
供給電圧の±５％の変化に対する周波数−電圧安定性を、図６に示す。かかるデバイスに対する位相雑音を図７に、アラン偏差を図８に示す。
【００２５】
空気流およびＣＯ2ブラストの存在下において、本発明の一実施形態に従って構成されたデュアル加熱器の周波数安定性は、ユーロケース・エンクロージャ内に収容された標準的な単一オーブンＯＣＸＯよりも著しく改善される（両ユニットは＋１０℃である）。単一オーブンに対する空気流およびＣＯ2ブラストの影響を、図９に示す。本発明の一実施形態に従って構成されたダブルオーブンに対する影響を、図１０に示す。
【００２６】
本実装の結果に基づくと、水晶での熱利得は、従来のダブルオーブンの熱利得と同程度である。したがって、単一の標準的構成のプリント基板で、複数のオーブン間の十分な熱的分離を達成できることが示された。
【００２７】
以上の本発明の実施形態の記載は、例示および説明を目的としたものである。本発明を網羅するものではなく、開示された厳密な形態に本発明を限定するものでもない。本開示に照らして、多くの変形または変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によっては限定されず、本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定される。
【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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【図７】
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【図８】
2011501620.tif 000010
【図９】
2011501620.tif 000011
【図１０】
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【国際調査報告】
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