(57)【要約】【課題】使用温度の高温側が８５℃と高温の場合、高安定圧電発振器に使用する電子部品等の熱エージングによる劣化を防止する設計手段を得る。【解決手段】圧電振動子と発振用電子部品とを収容した第１の恒温槽と、該第１の恒温槽を収容する第２の恒温槽と、各恒温槽の温度を制御する温度制御用手段と、を備え、前記第１の恒温槽の温度を前記第２の恒温槽の温度より低く設定する高安定圧電発振器において、前記圧電振動子近傍に熱源を配設したことを特徴とする高安定圧電発振器。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と発振用電子部品とを収容した第１の恒温槽と、
該第１の恒温槽を収容する第２の恒温槽と、
各恒温槽の温度を制御する温度制御用手段と、を備え、
前記第１の恒温槽の温度を前記第２の恒温槽の温度より低く設定する高安定圧電発振器において、
前記圧電振動子近傍に熱源を配設したことを特徴とする高安定圧電発振器。
【請求項２】
前記第１の恒温槽と前記第２の恒温槽とはペルチェ素子を用いて温度制御がなされており、
前記圧電振動子としてＳＣカット水晶振動子を用いると共に、
前記第１の恒温槽の温度をＳＣカット水晶振動子の頂点温度近傍に設定したことを特徴とする請求項１に記載の高安定圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高安定圧電発振器に関し、特に二重恒温槽の内側の恒温槽の温度制御素子としてペルチェ素子を用いることにより、その温度を外側の恒温槽より低く設定した高安定圧電発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高安定水晶発振器（ＯＣＸＯ）は優れた周波数精度、周波数温度特性、周波数エージング特性等を有することから、移動体無線基地局から高精度の測定器まで多くの用途に用いられている。高安定水晶発振器の構造は、周囲温度が変動しても発振周波数が変化しないように、水晶振動子及び発振回路を恒温槽内に収容した構造となっている。より高精度を要する高安定水晶発振器には、２回回転カットのＳＣカット水晶振動子やＩＴカット水晶振動子が用いられており、ＡＴカット水晶振動子を用いた場合に比べて、応力感度特性や耐熱衝撃特性等に優れた水晶発振器が得られることが知られている。
【０００３】
図３は横軸を周波数、縦軸をリアクタンスとした場合、ＳＣカット水晶振動子の共振近傍のリアクタンス特性を示す図であって、励起される３つのモードの中一番低い周波数である主振動は厚みすべり振動モード（Ｃモード）、該振動モードより高周波側に厚みねじれモード（Ｂモード）、厚み縦モード（Ｃモード）等が存在する。主振動のＣモード（共振周波数ｆ１）に隣接するＢモードの共振周波数（ｆ２）は、Ｃモードの共振周波数ｆ１より約９〜１０％程度高周波側に存在するため、周波数ジャンプ現象等を引き起こさないように発振回路に工夫を施している。
【０００４】
図４はＳＣカット振動子（Ｃモード）の周波数温度特性を示す図であって、横軸を温度（℃）、縦軸を規格化した周波数変化量（Δｆ／ｆ）とすると、変曲点温度（Ｔｉ）が約９５℃にある３次曲線を呈する。そして、変曲点温度（Ｔｉ）より低温側で零温度係数を示す頂点温度Ｔｐは、切断する２回回転角に依存し、頂点温度Ｔｐの設定範囲は６５℃〜８１℃程度となる。従って、恒温槽内の温度を頂点温度Ｔｐ近傍に設定することにより、安定した周波数が得られることになる。
例えば、高安定水晶発振器の使用温度範囲が０℃から５０℃の範囲であると、恒温槽内の温度を使用温度の上限である５０℃より１０℃から２０℃高い温度、例えば７０℃を保持するように構成する。そして、頂点温度Ｔｐが７０℃近傍のＳＣカット水晶振動子を用いれば、発振器の周囲の温度に影響されず、安定した周波数が出力される。
【０００５】
図５は高安定水晶発振器の構造を示す断面図であって、プリント基板２１にＳＣカット水晶振動子２２、発振用の電子部品２３、感温素子２４等を実装したものを恒温槽２５内に収容し、該恒温槽２５の周囲にはヒーター２６を巻き付けている。そして、プリント基板２１からは電源用端子、出力用端子等２７、２７・・が恒温槽２５及びベース２８をハーメチック端子等を用いて絶縁的に貫通している。さらに、ベース２８はケース２９によって覆われ、その接合部は半田付け等により密封される。恒温槽の動作は端子２７に電圧を印加するとヒーター２６に電流が流れ、感温素子と制御回路とにより、恒温槽２５の温度を一定に保持するように動作する。
【０００６】
近年、使用される周囲温度が高温でも安定に動作する高安定水晶発振器が要求されている。例えば、使用温度範囲が０℃から８５℃の場合、恒温槽の温度を使用温度の上限の８５℃より高い９５℃近傍に設定する必要がある。
しかしながら、発振回路を構成する電子部品の定格は８５℃程度までのものが多く、これ以上での使用が保証されていない。高温で使用可能な軍事用、衛星用部品も存在するが、極めてコスト高となってしまう。さらに、水晶振動子も高温度でエージングが加速され、周波数ズレ等をもたらすおそれもある。また、ＳＣカット水晶振動子の頂点温度Ｔｐは８１℃程度が上限であり、それ以上に設定することはできない。
【０００７】
そこで、特開平３−１０４４０４号に開示せれているようにペルチェ素子（ペルチェ効果、即ち異種の導体（または半導体の）の接点に電流を流したとき、熱の発生または、吸熱が起きる現象を用いた素子である。発熱量または吸熱量は電流に比例し、また電流の向きを逆にすると熱の発生と吸熱が逆になる）を用いた高安定水晶発振器も提案されている。例えば、使用温度範囲が０℃から８５℃の場合、恒温槽の槽内温度を７０℃に設定すると、ペルチェ素子と温度制御回路とにより７０℃に保持すべく、恒温槽は加熱または冷却される。このとき水晶振動子としてＴｐ＝７０℃のＳＣカット水晶振動子を用いることができる。
【０００８】
図６はペルチェ素子を用いた高安定水晶発振器の構造を示す断面図であって、プリント基板３１にＳＣカット水晶振動子３２、発振用の電子部品３３、感温素子３４等を実装したものを恒温槽３５内に収容し、該恒温槽３５にペルチェ素子３６を付着させる。そして、プリント基板３１からは電源用端子、出力用端子等３７、３７・・が恒温槽３５及びベース３８をハーメチック端子等を用いて絶縁的に貫通している。さらに、ベース３８はケース３９によって覆われ、その嵌合部は半田付け等により密封される。電源端子３７と通してペルチェ素子３６に電流を流すことにより恒温槽３５の温度を所定の温度、例えば７０℃に一定に保持することができる。
【０００９】
【特許文献】特開平３−１０４４０４号公報。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示したペルチェ素子を用いた高安定水晶発振器においては、周囲温度が７０℃近傍のときに、熱容量等により槽内温度を７０℃に保持することは極めて難しいという問題があった。恒温槽の温度制御は周囲温度から少なくとも１０℃から２０℃離れた高温に設定する方が安定し、制御し易いことは周知の通りである。
【００１１】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであって、要求される温度範囲が０℃から８５℃と広範囲の場合でも安定に動作し、且つ用いられている水晶振動子及び電子部品のエージングによる劣化を極めて少なくした高安定水晶発振器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係わる請求項１記載の発明は、圧電振動子と発振用電子部品とを収容した第１の恒温槽と、該第１の恒温槽を収容する第２の恒温槽と、各恒温槽の温度を制御する温度制御用手段と、を備え、前記第１の恒温槽の温度を前記第２の恒温槽の温度より低く設定する高安定圧電発振器において、前記圧電振動子近傍に熱源を配設したことを特徴とする。
【００１３】
また請求項２記載の発明は、請求項１において、前記第１の恒温槽と前記第２の恒温槽とはペルチェ素子を用いて温度制御がなされており、前記圧電振動子としてＳＣカット水晶振動子を用いると共に、前記第１の恒温槽の温度をＳＣカット水晶振動子の頂点温度近傍に設定したことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る高安定水晶発振器の構造を示す断面図であって、第１のプリント基板１の一方の主面、例えば下面にＳＣカット水晶振動子２と該ＳＣカット水晶振動子２を包囲するヒーター９とを搭載し、他方の主面、例えば上面に温度制御回路及び発振回路を構成する電子部品３、第１の感温素子４をそれぞれ搭載したものを第１の恒温槽５内に収容し、該恒温槽５の周囲にペルチェ素子６を接着する。さらに、第１の恒温槽５をより大きな第２の恒温槽７に収容し、第２の恒温槽７に第２の感温素子８を接着した上で、第２の恒温槽７の周囲全体を断熱材１０で包囲する。
そして、ベース１１に半田付けしたハーメチック端子１２、１２・・を通して、増幅回路、温度制御回路１３を搭載した第２のプリント基板１４を固定すると共に、該リード端子１２、１２・・を断熱材１０、第２の恒温槽７及び第１の恒温槽５を絶縁的に貫通させて、第１のプリント基板１上に形成したプリント回路とそれぞれ接続する。ベース１１は金属ケース１５で覆われ、その嵌合部は半田付等を用いて密封される。
そして、振動、衝撃等にも耐えられるように、第１の恒温槽５、第２の恒温槽７、断熱材１０、第２のプリント基板１４及びベース１１の間にはそれぞれ絶縁材１６、１６・・を挟んで接着剤等で固定した構造とする。
【００１５】
本発明の特徴は第１と第２の恒温槽５、７を用いた二重恒温槽としたものにおいて、ペルチェ素子に内側の第１の恒温槽の熱を外側の第２の恒温槽へ移動させる電流制御を行う。つまり、ペルチェ素子に第２の恒温槽を加熱し第１の恒温槽を冷却すると共に第２の恒温槽より低い温度で一定となるように電流制御を行なう。
図２はペルチェ素子のペルチェ効果を示すもので、第２の恒温槽（図２での「一方」に相当）の温度と第１の恒温槽側（図２での「他方」に相当）の温度との差は、使用するペルチェ素子の性能及び構造により異なるが、図２からおよそ３５℃と予測できる。
この事から、本発明実施形態の高安定圧電発振器は、例えば第２の恒温槽の温度を９５℃に設定すると、第１の恒温槽のペルチェ素子に密着する部分はおよそ６０℃になる。また、第１の恒温槽に収容した発振器、特に前記ＳＣカット水晶振動子は前記ヒーター９と前記温度制御回路とを用いて、第１の恒温槽より高い一定温度、例えば７５℃になるように制御する。
このように内側の恒温槽を外側の恒温槽より低く温度設定した二重恒温槽構造とすることにより、使用温度範囲が０℃から８５℃と広温度範囲の要求の場合でも、ＳＣカット水晶振動子を用いることができ、応力感度特性や耐熱衝撃特性等の優れた特徴を享受することができる。また、第２の恒温槽は使用温度範囲の上限８５℃よりも十分に高い温度に設定しているので、周囲温度にかかわらず安定した温度制御が可能であり、第１の恒温槽はＳＣカット水晶振動子の頂点温度７５℃よりも十分に低い温度（６０℃）に設定されているので、ＳＣカット水晶振動子をヒーター９により７５℃に保持するための安定した温度制御が得られる。更に、第１の恒温槽は８５℃よりも低い温度なのでＳＣカット水晶振動子のエージング、電子部品の劣化等を防止することができる。
【００１６】
以上の説明ではＳＣカット水晶振動子を用いて本発明を説明したが、本発明はＡＴカット水晶振動子にも適用できることは言うまでもない。
【００１７】
以上では水晶振動子を用いて本発明を説明したが、本発明は水晶振動子のみに限定するものではなくランガサイト、四方酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を用いた振動デバイスに適用できることは云うまでもない。
【００１８】
このように構成することにより、要求される温度範囲が０℃から８５℃と広範囲の場合でも安定に動作し、且つ用いられている水晶振動子及び電子部品のエージングによる劣化を極めて少なくした高安定水晶発振器が得られる。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、内部の恒温槽の温度を使用温度範囲より低く設定することができるので、圧電振動子、電子部品等の熱エージングによる劣化を抑圧できるという効果を有する。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、ＳＣカット水晶振動子に適用した例であり、内部恒温槽の温度をＳＣカット水晶振動子の頂点温度Ｔｐの設計範囲内に設定することができ、水晶振動子、電子部品の劣化を防ぐという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高安定圧電発振器の構造を示す断面図である。
【図２】ペルチェ素子のペルチェ効果を示す図である。
【図３】ＳＣカット水晶振動子のＣモード、Ｂモード、Ａモードの周波数レスポンスを示す図である。
【図４】ＳＣカット水晶振動子のＣモードの周波数温度特性を示す図である。
【図５】従来の高安定水晶発振器の構造を示す断面図である。
【図６】恒温槽の温度制御素子としてペルチェ素子を用いた高安定水晶振動子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・第１のプリント基板
２・・圧電振動子
３・・電子部品
４・・第１の感温素子
５・・第１の恒温槽
６・・ペルチェ素子
７・・第２の恒温槽
８・・第２の感温素子
９・・ヒーター
１０・・断熱材
１１・・ベース
１２・・リード端子
１３・・増幅回路、温度制御回路
１４・・第２のプリント基板
１５・・ケース
１６・・絶縁材
【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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