JP2017195430A - 恒温槽付圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用品のヒータを用いた場合の課題を解決することにより、製造コストを低減し得る圧電発振器を提供する。【解決手段】圧電発振器１０は、プリント配線板１１と、プリント配線板１１上に実装されたヒータ１２と、ヒータ１２上に設けられ、金属ケース１３１内に振動素子１３２が封入された圧電振動子１３と、を備えたものである。ヒータ１２は、直方体状を呈し、その両端において一方の面１２１から一方の面１２１に対向する他方の面１２２までを覆う端子１２３ａ，１２３ｂを有する。端子１２３ａ，１２３ｂは、一方の面１２１においてプリント配線板１１に電気的に接続され、他方の面１２２において絶縁膜１４を介して金属ケース１３１に接する。絶縁膜１４は、金属ケース１３１の少なくとも端子１２３ａ，１２３ｂに接する部分に巻回された絶縁シートである。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）などの恒温槽付圧電発振器に関する。

移動通信機器や伝送通信機器に用いる周波数デバイスとして、恒温槽内に振動素子を収容した恒温槽付圧電発振器が知られている（例えば特許文献１参照）。この恒温槽付圧電発振器は、周囲温度の変化に対して発振周波数の変化が極めて少ないという特長を有しており、例えば携帯端末用基地局の基準信号源として用いられる。以下、「恒温槽付圧電発振器」を単に「圧電発振器」と略称する。

図５［Ａ］は関連技術１の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図５［Ｂ］は図５［Ａ］におけるＶｂ−Ｖｂ線断面図であり、図５［Ｃ］は図５［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。図６は、図５における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本関連技術１の圧電発振器５０は、プリント配線板５１と、プリント配線板５１上に実装されたヒータ５２と、ヒータ５２上に設けられ、金属ケース５３１内に振動素子５３２が封入された圧電振動子５３と、を備えたものである。ヒータ５２は、直方体状を呈し、その両端において一方の面５２１にのみ端子５２３ａ，５２３ｂを有する。端子５２３ａ，５２３ｂは、プリント配線板５１に電気的に接続される。ヒータ５２の一方の面５２１に対向する他方の面５２２は、金属ケース５３１に接する。

圧電発振器５０の構成について、更に詳しく説明する。図５及び図６に示すように、圧電発振器５０は、ＯＣＸＯであり、プリント配線板５１、ヒータ５２及び圧電振動子５３の他にも、ヒータ５２上に圧電振動子５３を固定する接着剤５５、プリント配線板５１と外部との電気的導通を得る接続ピン５６１〜５６４、並びにこれらを収容する底板部材５７及び蓋部材５８なども備えている。

プリント配線板５１上には、ヒータ５２の他に、電子部品５１１〜５１８が実装され、リード線５３５ａ，５３５ｂや接続ピン５６１〜５６４が電気的に接続されている。電子部品５１１〜５１８は、圧電振動子５３の発振回路やヒータ５２の電源回路などを構成している。

圧電振動子５３は、金属ケース５３１及び振動素子５３２の他に、振動素子５３２を金属ケース５３１内に保持する保持板５３６を有する。振動素子５３２は、圧電片５３３と、圧電片５３３の両面に形成された励振電極５３４ａ，５３４ｂと、励振電極５３４ａ，５３４ｂに電気的に接続するリード線５３５ａ，５３５ｂとから構成されている。振動素子５３２の発振周波数は、金属ケース５３１及びヒータ５２が恒温槽の役割を果たすことにより、周囲温度の影響を受けずに安定している。

次に、圧電発振器５０の主な製造方法について説明する。まず、金属ケース５３１内に振動素子５３２を封入して圧電振動子５３を組み立てる。一方、プリント配線板５１上にはヒータ５２等を実装する。続いて、プリント配線板５１に実装されたヒータ５２の他方の面５２２に液状材料５５’（図６）を塗布し、その上に金属ケース５３１を押し付けることにより、ヒータ５２上に接着剤５５を介して圧電振動子５３を固定する。液状材料５５’は固化する前の接着剤５５である。最後に、ヒータ５２及び圧電振動子５３等が実装されたプリント配線板５１を、底板部材５７及び蓋部材５８によって収容することにより、圧電発振器５０が完成する。

特開２０１５−８００８２号公報

本関連技術１の圧電発振器５０は、一方の面５２１にのみ端子５２３ａ，５２３ｂを有するヒータ５２の他方の面５２２に金属ケース５３１が接するように、ヒータ５２上に接着剤５５を介して圧電振動子５３を固定していた。そのため、端子５２３ａ，５２３ｂが金属ケース５３１に接することはあり得ないので、端子５２３ａ，５２３ｂ同士が金属ケース５３１によって短絡することはなかった。

以下、図５及び図６に図１［Ｃ］を加えて説明する。ところで、近年、図１［Ｃ］に示すように、一方の面１２１から他方の面１２２までを覆う端子１２３ａ，１２３ｂを有するヒータ１２が、汎用品として普及し始めている。この汎用品のヒータ１２は、安価かつ容易に入手できるので、圧電発振器５０に用いることが望まれる。

しかしながら、本関連技術１では、ヒータ１２の他方の面１２２に金属ケース５３１が接するように、ヒータ５２上に接着剤５５を介して圧電振動子５３を固定すると、端子１２３ａ，１２３ｂが金属ケース５３１に接することにより、端子１２３ａ，１２３ｂ同士が金属ケース５３１によって短絡するおそれがあった。なお、実際には、端子１２３ａ，１２３ｂと金属ケース５３１との間に薄い接着剤５５が存在することになるが、信頼性が低下することは避けられない。

そこで、本発明の目的は、汎用品のヒータを用いた場合の課題を解決する圧電発振器を提供することにある。

本発明は、
基板と、
この基板上に実装されたヒータと、
このヒータ上に設けられ、金属ケース内に振動素子が封入された圧電振動子と、
を備えた圧電発振器であって、
前記ヒータは、直方体状を呈し、その両端において一方の面から当該一方の面に対向する他方の面までを覆う端子を有し、
この端子は、前記一方の面において前記基板に電気的に接続され、前記他方の面において絶縁膜を介して前記金属ケースに接する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、基板側から圧電振動子側までを覆う端子を両端に有するヒータの上に圧電振動子を設けても、端子と圧電振動子の金属ケースとの間に絶縁膜が介在するので、両端の端子同士が金属ケースによって短絡することを防止できる。したがって、圧電発振器の構成部品であるヒータに汎用品を用いることができるので、圧電発振器の製造コストを低減できる。

図１［Ａ］は実施形態１の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、図１［Ｃ］は図１［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。 図１における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。 図３［Ａ］は実施形態２の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図３［Ｂ］は図３［Ａ］におけるIIIｂ−IIIｂ線断面図であり、図３［Ｃ］は図３［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。 図３における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。 図５［Ａ］は関連技術１の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図５［Ｂ］は図５［Ａ］におけるＶｂ−Ｖｂ線断面図であり、図５［Ｃ］は図５［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。 図５における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１［Ａ］は実施形態１の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、図１［Ｃ］は図１［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。図２は、図１における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態１の圧電発振器１０は、基板の一例としてのプリント配線板１１と、プリント配線板１１上に実装されたヒータ１２と、ヒータ１２上に設けられ、金属ケース１３１内に振動素子１３２が封入された圧電振動子１３と、を備えたものである。ヒータ１２は、直方体状を呈し、その両端において一方の面１２１から一方の面１２１に対向する他方の面１２２までを覆う端子１２３ａ，１２３ｂを有する。端子１２３ａ，１２３ｂは、一方の面１２１においてプリント配線板１１に電気的に接続され、他方の面１２２において絶縁膜１４を介して金属ケース１３１に接する。絶縁膜１４は、金属ケース１３１の少なくとも端子１２３ａ，１２３ｂに接する部分に巻回された絶縁シートである。

圧電発振器１０の構成について、更に詳しく説明する。図１及び図２に示すように、圧電発振器１０は、ＯＣＸＯであり、プリント配線板１１、ヒータ１２、圧電振動子１３及び絶縁膜１４の他にも、ヒータ１２上に圧電振動子１３を固定する接着剤１５、プリント配線板１１と外部との電気的導通を得る接続ピン１６１〜１６４、並びにこれらを収容する底板部材１７及び蓋部材１８なども備えている。

プリント配線板１１は、例えば合成樹脂板上に銅箔などでランド及び配線パターン（図示せず）が形成された一般的なものである。プリント配線板１１上には、ヒータ１２の他に電子部品１１１〜１１８が実装され、リード線１３５ａ，１３５ｂや接続ピン１６１〜１６４が電気的に接続されている。電子部品１１１〜１１８は、表面実装型の抵抗器、コンデンサ、トランジスタ、ＩＣなどであり、圧電振動子１３の発振回路やヒータ１２の電源回路などを構成している。プリント配線板１１上へのヒータ１２等の実装には、はんだ又は導電性接着剤など（図示せず）が用いられる。

ヒータ１２は、例えば温度センサ及び温度制御回路を用いてフィードバック制御をするものでもよいし、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタを用いてオープン制御をするものでもよい。また、ヒータ１２は、直方体状であり、表面実装用の端子１２３ａ，１２３ｂを有し、一方の面１２１側がプリント配線板１１に実装され、他方の面１２２が絶縁膜１４を介して圧電振動子１３に接する。なお、直方体状の概念には立方体状も含まれる。

圧電振動子１３は、金属ケース１３１及び振動素子１３２の他に、振動素子１３２を金属ケース１３１内に保持する保持板１３６を有する。振動素子１３２としては厚みすべり振動素子を用いているが、その代わりに例えば音叉型屈曲振動素子や輪郭すべり振動素子など、どのような振動素子を用いてもよい。

振動素子１３２は、圧電片１３３と、圧電片１３３の両面に形成された励振電極１３４ａ，１３４ｂと、励振電極１３４ａ，１３４ｂに電気的に接続するリード線１３５ａ，１３５ｂとから構成されている。圧電片１３３は、例えば、圧電材料である水晶が円板状に加工されたものである。励振電極１３４ａ，１３４ｂは、二つ一対となっており、圧電片１３３の両主面に互いが対向するように形成されている。励振電極１３４ａ，１３４ｂには、圧電片１３３の両端において導電性接着剤などでリード線１３５ａ，１３５ｂが接続されている。

金属ケース１３１は、例えば銅、亜鉛及びニッケルの合金である洋白からなり、中空の直方体状（断面凹状）である。保持板１３６は、例えば長方形状であり、リード線１３５ａ，１３５ｂが絶縁体を介して貫通している。振動素子１３２は、保持板１３６と金属ケース１３１とが抵抗溶接などによって気密封止されることにより、金属ケース１３１内に保持される。金属ケース１３１内の雰囲気は窒素又は真空になっている。

金属ケース１３１内に収容された振動素子１３２は、リード線１３５ａ，１３５ｂを介して励振電極１３４ａ，１３４ｂに電圧が印加されると、圧電効果及び逆圧電効果により圧電片１３３が振動を開始する。その圧電片１３３の振動の周波数すなわち振動素子１３２の発振周波数は、振動素子１３２が存在する雰囲気の温度に依存する。そのため、金属ケース１３１は、ヒータ１２によって一定温度に維持される。つまり、金属ケース１３１及びヒータ１２が恒温槽の役割を果たしている。

絶縁膜１４は、金属ケース１３１に巻回された絶縁シートである。その絶縁シートとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンからなる厚さ０．１ｍｍのテープを用いている。このテープは、薄くても破れにくく、かつ熱伝導性も良好であるので、絶縁膜１４として好適である。また、絶縁シートとして熱収縮チューブなどを用いてもよい。なお、絶縁膜１４は、金属ケース１３１の少なくとも端子１２３ａ，１２３ｂに接する部分に巻回すればよいので、例えば端子１２３ａに接する部分と端子１２３ｂに接する部分との二枚に分けてもよい。

接着剤１５は、例えば、液状材料１５’（図２）が常温で硬化する一液縮合型のシリコーンゴムである。液状材料１５’が硬化すると、ヒータ１２上に接着剤１５を介して圧電振動子１３が固定される。

接続ピン１６１〜１６４は、一端がプリント配線板１１に電気的に導通し、他端が絶縁体を介して底板部材１７を貫通し外部に露出する。接続ピン１６１〜１６４の他端は、他のプリント配線板に圧電発振器１０を実装するために使われる。接続ピン１６１〜１６４及びリード線１３５ａ，１３５ｂの材料には、例えばコバール（Kovar）が用いられる。コバールは、鉄にニッケル及びコバルトを配合した合金であり、常温付近での熱膨張率が金属のなかで低く硬質ガラスに近いので、例えば硬質ガラス封着用やＩＣリードフレームに用いられる。

底板部材１７及び蓋部材１８は、例えば銅と亜鉛の合金である真鍮からなり、ともに中空の直方体状（断面凹状）である。蓋部材１８は、プリント配線板１１、ヒータ１２、圧電振動子１３等を覆うように底板部材１７に取り付けられる。つまり、蓋部材１８の一端には底板部材１７よりも大きい開口が形成されており、その開口に底板部材１７が嵌合され、両者が抵抗溶接によって気密封止されている。

次に、圧電発振器１０の主な製造方法について説明する。まず、金属ケース１３１内に振動素子１３２を封入して圧電振動子１３を組み立て、金属ケース１３１に絶縁膜１４を巻回する。一方、プリント配線板１１上にはヒータ１２等を実装する。続いて、プリント配線板１１に実装されたヒータ１２の他方の面１２２に液状材料１５’（図２）を塗布し、その上に絶縁膜１４が巻回された金属ケース１３１を押し付けることにより、ヒータ１２上に接着剤１５を介して圧電振動子１３を固定する。最後に、ヒータ１２及び圧電振動子１３等が実装されたプリント配線板１１を、底板部材１７及び蓋部材１８によって収容することにより、圧電発振器１０が完成する。

次に、圧電発振器１０の作用及び効果について説明する。

圧電発振器１０によれば、プリント配線板１１側から圧電振動子１３側までを覆う端子１２３ａ，１２３ｂを両端に有するヒータ１２の上に圧電振動子１３を設けても、端子１２３ａ，１２３ｂと圧電振動子１３の金属ケース１３１との間に絶縁膜１４が介在するので、端子１２３ａ，１２３ｂ同士が金属ケース１３１によって短絡することを防止できる。したがって、圧電発振器１０の構成部品であるヒータ１２に汎用品を用いることができるので、圧電発振器１０の製造コストを低減できる。

また、本実施形態１における絶縁膜１４は、金属ケース１３１に巻回された絶縁シートである。そのため、関連技術１のように液体状態の接着剤を介して圧電振動子を固定するよりも、例えば均一な厚みの絶縁シートを選択することにより、絶縁膜１４の厚みを容易に均一化できる。したがって、絶縁膜１４の厚みを均一に形成できるので、圧電振動子１３の金属ケース１３１を介した端子１２３ａ，１２３ｂ同士の短絡を確実に防止できる。また、絶縁膜１４を極めて薄くできるので、ヒータ１２から金属ケース１３１への熱伝導を絶縁膜１４が妨げることを抑制できる。更に、ヒータ１２上に接着剤１５を介して圧電振動子１３を固定する際には、既に金属ケース１３１に巻回されている。そのため、ヒータ１２上に圧電振動子１３を固定する工程では、従来通りの位置決め精度でよい。以上のことにより、圧電発振器１０の製造コストを更に低減できる。

次に、実施形態２について説明する。図３［Ａ］は実施形態２の圧電発振器を一部切り欠いて示す平面図であり、図３［Ｂ］は図３［Ａ］におけるIIIｂ−IIIｂ線断面図であり、図３［Ｃ］は図３［Ｂ］におけるヒータを抜き出して示す断面図である。図４は、図３における圧電発振器の一部を示す分解斜視図である。以下、これらの図面に基づき説明する。ただし、実施形態１における構成要素と実質的に同一のものについては、同一の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本実施形態２の圧電発振器２０における絶縁膜２４ａ，２４ｂは、端子１２３ａ，１２３ｂ上に塗布された液状材料２４ａ’，２４ｂ’（図４）が固化したものである。液状材料２４ａ’，２４ｂ’としては、絶縁性に優れ常温で硬化する一液型の合成樹脂が、取り扱いが容易であることから望ましい。

圧電発振器２０の製造工程では、プリント配線板１１に実装されたヒータ１２の他方の面１２２において、端子１２３ａ，１２３ｂのそれぞれの上に液状材料２４ａ’，２４ｂ’を塗布し、液状材料２４ａ’，２４ｂ’が固化して絶縁膜２４ａ，２４ｂになった後に、その上に液状材料１５’（図４）を塗布する。なお、絶縁膜２４ａ，２４ｂは、別々に端子１２３ａ，１２３ｂ上に形成されているが、ヒータ１２の他方の面１２２全体に液状材料２４ａ’，２４ｂ’を塗布することにより、それらを一体化してもよい。

圧電発振器２０の基本的な作用及び効果は、実施形態１の圧電発振器と同様である。また、本実施形態２における絶縁膜２４ａ，２４ｂは、端子１２３ａ，１２３ｂ上に塗布された液状材料２４ａ’，２４ｂ’が固化したものである。そのため、ヒータ１２の他方の面１２２に塗布された液状材料１５’とは別に、端子１２３ａ，１２３ｂのそれぞれの上に液状材料２４ａ’，２４ｂ’を塗布することで、関連技術１と比べてより確実に端子１２３ａ，１２３ｂ同士の短絡を抑制できる。また、液状材料２４ａ’，２４ｂ’を液状材料１５’と同じものとすることもでき、製造工程を簡素化でき、製造コストを低減できる。

また、本実施形態２のように端子１２３ａ，１２３ｂ上にのみ絶縁膜２４ａ，２４ｂを設けた場合は、ヒータ１２から金属ケース１３１への熱伝導を絶縁膜２４ａ，２４ｂが妨げることを更に抑制できる。例えば、絶縁膜２４ａ，２４ｂとして、端子１２３ａ，１２３ｂ上にのみ貼付した絶縁シートとしてもよい。その絶縁シートとしては、例えば前述したポリテトラフルオロエチレンからなる厚さ０．１ｍｍのテープが好適である。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。例えば、各実施形態における絶縁膜は、金属ケースを表面処理することにより形成した絶縁膜や、金属ケースに被着させた絶縁膜などに置き換えてもよい。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

本発明は、例えば水晶やセラミックからなる振動素子を備えた恒温槽付圧電発振器であれば、どのようなものにでも利用可能である。

＜実施形態１＞
１０ 圧電発振器
１１ プリント配線板（基板）
１１１〜１１８ 電子部品
１２ ヒータ
１２１ 一方の面
１２２ 他方の面
１２３ａ，１２３ｂ 端子
１３ 圧電振動子
１３１ 金属ケース
１３２ 振動素子
１３３ 圧電片
１３４ａ，１３４ｂ 励振電極
１３５ａ，１３５ｂ リード線
１３６ 保持板
１４ 絶縁膜
１５ 接着剤
１５’ 液状材料
１６１〜１６４ 接続ピン
１７ 底板部材
１８ 蓋部材
＜実施形態２＞
２０ 圧電発振器
２４ａ，２４ｂ 絶縁膜
２４ａ’，２４ｂ’ 液状材料
＜関連技術１＞
５０ 圧電発振器
５１ プリント配線板
５１１〜５１８ 電子部品
５２ ヒータ
５２１ 一方の面
５２２ 他方の面
５２３ａ，５２３ｂ 端子
５３ 圧電振動子
５３１ 金属ケース
５３２ 振動素子
５３３ 圧電片
５３４ａ，５３４ｂ 励振電極
５３５ａ，５３５ｂ リード線
５３６ 保持板
５５ 接着剤
５５’ 液状材料
５６１〜５６４ 接続ピン
５７ 底板部材
５８ 蓋部材

Claims (4)

1. 基板と、
   この基板上に実装されたヒータと、
   このヒータ上に設けられ、金属ケース内に振動素子が封入された圧電振動子と、
   を備えた恒温槽付圧電発振器であって、
   前記ヒータは、直方体状を呈し、その両端において一方の面から当該一方の面に対向する他方の面までを覆う端子を有し、
   この端子は、前記一方の面において前記基板に電気的に接続され、前記他方の面において絶縁膜を介して前記金属ケースに接する、
   ことを特徴とする恒温槽付圧電発振器。
2. 前記絶縁膜は、前記金属ケースの少なくとも前記端子に接する部分に巻回された絶縁シートである、
   請求項１記載の恒温槽付圧電発振器。
3. 前記絶縁膜は、前記端子上に塗布された液状材料が固化したものである、
   請求項１記載の恒温槽付圧電発振器。
4. 前記絶縁膜は、前記端子上に貼付された絶縁シートである、
   請求項１記載の恒温槽付圧電発振器。

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