JP2006324937A - 温度制御回路とそれを用いた高安定圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】高安定水晶発振器の水晶振動子に近接して温度センサを配置して温度制御を行う場合、発振器の機種によって振動子の周囲の温度分布が異なり、確認試験によって温度センサの最適の装着箇所を決定する際に長時間を要する。
【解決手段】水晶振動子を挟むように接地した印刷配線基板４ａ、４ｂに装着したサーミスタＴＨ１〜ＴＨ３のそれぞれに切換器Ｓ１〜Ｓ３を直列接続するよう構成すると共に、ケース７を開放したとき、容易に前記切換器Ｓ１〜Ｓ３の開閉操作を行うことができるに印刷配線基板４ａの上面に前記切換器Ｓ１〜Ｓ３を装着する。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度制御回路に関し、特に高安定圧電発振器に用いられる温度制御回路であって、温度センサの設置箇所を容易に選択することができる温度制御回路とそれを用いた高安定圧電発振器に関する。

従来、通信機器あるいは測定器等の基準の周波数信号源に用いられる水晶発振器は、温度変化に対して高い精度で出力周波数が安定していることが求められている。極めて高い周波数安定度が得られる水晶発振器としては、電気的特性が温度の影響を受け易い水晶振動子等の電子部品の周囲温度を、例えば８０℃前後の一定温度に保つことによって、水晶振動子の周波数温度特性を一定に保つ高安定水晶発振器が知られている。
図４は、従来の高安定水晶発振器の温度制御回路の一例を示す電気回路図である。同図に示すように、本温度制御回路２０は、高安定水晶発振器の水晶振動子（図示しない）等の温度を検知し、検知した情報に基づいた電流を出力する制御部１１と、該制御部１１からの電流値に基づいて水晶振動子を加熱するためのヒーター回路部１２とを備えている。

前記制御部１１は、電源Ｖｃｃと接地間に接続された抵抗Ｒ１、Ｒ２の直列回路の前記抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続中点を差動増幅器ＩＣ１のプラス入力端（＋）と接続し、また、電源Ｖｃｃと接地間に接続された抵抗Ｒ３と温度センサとしてのサーミスタＴＨ１１の直列回路の接続中点を前記差動増幅器ＩＣ１のマイナス（−）入力に接続すると共に、該差動増幅器ＩＣ１の出力を帰還抵抗Ｒ４を介して前記差動増幅器ＩＣ１のマイナス入力端（−）に接続するよう構成したものである。

前記ヒーター回路部１２は、電力用ＭＯＳ ＦＥＴ（以下、ＦＥＴという）Ｑ１とヒーターＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４で構成され、前記ヒーターＨ１は電源ＶｃｃとＦＥＴＱ１のソースＳとの間に接続され、また、ヒーターＨ２、Ｈ３、Ｈ４はそれぞれＦＥＴＱ１のドレインＤと接地間に接続される。
前記差動増幅器ＩＣ１の出力はＦＥＴＱ１のゲートＧに接続される。なお、コンデンサＣ１は交流ノイズ除去用のコンデンサである。

図の温度制御回路を備えた高安定水晶発振器の温度制御動作は次のとおりである。
ヒーターＨ１〜Ｈ４によって加熱される水晶振動子（図示しない）等に近接配置された前記サーミスタＴＨ１１は、その抵抗値が周囲温度に従って変化するため、差動増幅器ＩＣ１の（＋）入力と（−）入力との間の電位差が変化し、これに伴い差動増幅器ＩＣ１の出力、即ち前記ＦＥＴＱ１のゲートＧに加わる電圧が制御される。
これによって、ＦＥＴＱ１のドレイン電流、即ちヒーターＨ１〜Ｈ４の発熱温度が制御されて前記水晶振動子等の周囲温度を所定の温度に維持することが可能になる。

例えば、温度が上昇した場合、前記サーミスタＴＨ１１の抵抗値が小さくなり、これに伴って差動増幅器ＩＣ１の（−）入力の電位がさがり、そのため差動増幅器ＩＣ１の（＋）と（−）入力端子間の電位差が大きくなって、該差動増幅器ＩＣ１の出力電圧が増加する。
これによって、ＦＥＴＱ１のゲート・ソース間の電位差が減少してヒーターＨ１〜Ｈ４を流れるＦＥＴＱ１のドレイン電流が減少する。その結果、ヒーターＨ１〜Ｈ４の発熱量が少なくなって温度が低下する。
一方、温度が低下するとサーミスタＴＨ１１の抵抗値が大きくなり上記の説明とは逆に前記ヒーターＨ１〜Ｈ４の発熱量が増加して温度が上昇する。このようにして、水晶振動子等の周囲温度は一定に保たれる。
特開２０００−１８３６４９号公報

しかしながら、高安定水晶発振器において、最も温度を安定に保ちたい部品は水晶振動子であり、特にその振動子パッケージ内部の水晶振動基板である。しかし、水晶振動基板は真空パッケージ内に収容されているため、直接水晶振動基板上の温度を検出することができない。
したがって、水晶振動子のパッケージに近接して温度センサを配置して温度を検出することによって近似的に水晶振動基板の温度を検出して温度制御を行うことになり、周囲の温度変化に対して高い精度で安定した出力周波数を発振する発振器を構成することが困難である。

このため、より水晶振動子パッケージの中心部に近い温度を検出する手段として、複数の温度センサを水晶振動子周囲に分散配置し、検出した温度の平均を使用するという手法がある。
例えば、温度センサとしてサーミスタを２つ使用して、これを水晶振動子パッケージの両側面に配置すると、水晶振動基板はその２つのセンサの中間に位置することになる。この２つのサーミスタ間の温度勾配が一定であると仮定すると、両サーミスタの検出温度の平均がこの水晶振動基板の温度であると推定できる。
２つのサーミスタの平均をとる手段の回路構成は、例えばサーミスタの並列接続により実現される。

しかし、水晶振動子パッケージをはじめとして、その周辺の構造は複雑であり、且つ熱的性質の異なる材料を多種使用しているため、水晶振動子やその周辺部の熱分布は一様ではない。そのため、複数のサーミスタ間の温度勾配も一定の勾配にはならない。
したがって、前述の複数のサーミスタを用いてその検出値の平均をその中問点の温度とする方法においては、振動子の周囲の構造が異なる発振器の機種ごとに最適のサーミスタ装着箇所の決定のために、多数回、サーミスタの位置を変更して確認試験を行う等、多大の時間を要するという欠点があった。
これに対して、複数のサーミスタ間の温度勾配を均一に近づける方法として、水晶振動子や発振回路部品を１つの金属のブロック（オーブン）に封入して、このオーブンを一定温度に制御加熱する方法があるが、製品サイズや重量面での制限、あるいはコスト面でこの手段を適用できない場合がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、容易に温度制御回路の温度センサの装着箇所を決定できて、高い精度で温度制御が可能な温度制御回路とそれを用いた高安定圧電発振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の温度制御回路においては、ヒーターと該ヒーターに電力を供給するトランジスタ増幅回路を含むヒーター回路部と、前記ヒーターによる被加熱物の温度変化を検出する温度センサと該温度センサの検出結果に基づいて前記トランジスタ増幅回路の入力電圧を制御する差動増幅器とを含む制御部と、で構成され、密封容器に収容された温度制御回路であって、前記温度センサを所定の複数個所に装着すると共に、前記温度センサのそれぞれに直列に切換器を接続したことを特徴とする。

請求項２の温度制御回路においては、ヒーターと該ヒーターに電力を供給するトランジスタ増幅回路を含むヒーター回路部と、前記ヒーターによる被加熱物の温度変化を検出する温度センサと該温度センサの検出結果に基づいて前記トランジスタ増幅回路の入力電圧を制御する差動増幅器とを含む制御部と、で構成され、密封容器に収容された温度制御回路であって、前記温度センサを所定の複数個所に装着して該温度センサを全て直列接続すると共に、各温度センサにそれぞれ並列に切換器を接続したことを特徴とする。

請求項３の温度制御回路においては、請求項１または請求項２のいずれかに記載の温度制御回路であって、前記密封容器を開放した際に、容易に前記切換器の開閉操作をすることができる位置に装着したことを特徴とする。
また、請求項４の温度制御回路においては、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の温度制御回路であって、前記切換器を抵抗体で構成したことを特徴とする。
さらに、請求項４の高安定圧電発振器においては、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の温度制御回路を用いて構成したことを特徴とする。

本発明による温度制御回路においては、所定の位置に設置した複数の温度センサのそれぞれに切換器を接続するよう構成すると共に、この温度制御回路を用いて構成し、密封容器に収容した発振器の前記密封容器を開放したとき、容易に前記切換器の開閉操作を行うことができる箇所に装着するようにした。
その結果、複数の温度センサの中から最適の箇所の温度センサを選定のための多数回の確認試験において、多大の時間を要するという問題を解決することができる。
更に、前記切換器を抵抗体としてその抵抗値を調整することによって所望の箇所の温度センサの感度を簡単に調整することが可能になった。
したがって、本発明によれば、温度制御回路を用いた発振器の温度センサの最適の装着箇所を決定するために多大の時間を要するという問題を解決して、低コストで且つ優れた性能をもつ温度制御回路と高安定圧電発振器を提供する上で著しい効果を発揮できる。

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、本発明に係わる高安定圧電発振器としての水晶発振器の温度制御回路の実施の一形態例を示す電気回路図である。
同図に示すように、本温度制御回路１０は、水晶振動子（図示しない）等の温度を検知し、この情報に基づいた電流を出力する制御部１と、該制御部１からの電流値に基づいて水晶振動子等を加熱するためのヒーター回路部２とを備えている。

前記制御部１は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、サーミスタＴＨ１、ＴＨ２、Ｈ３と、切換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３と、差動増幅器ＩＣ１と、で構成される。
そして、この制御部１の回路構成は、図４の制御部１１におけるサーミスタＴＨ１１を、切換器Ｓ１とサーミスタＴＨ１の直列回路と切換器Ｓ２とサーミスタＴＨ２の直列回路と切換器Ｓ３とサーミスタＴＨ２の直列回路とを並列に接続した回路に置き換えた以外は、図４の制御部１１と同一である。
また、前記ヒーター回路部２は、ヒーターＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４と電力用ＭＯＳ ＦＥＴ（以下、ＦＥＴという）Ｑ１とで構成され、このヒーター回路部２の回路構成及び動作は、図４のヒーター回路部１２と全く同一である。
したがって、共通部分の詳細な説明は省略する。

同図において、切換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、図示しない水晶振動子の周囲適所に装着されて前記差動増幅器ＩＣ１の（−）入力端子と接地間に接続された複数（図の場合は、３個）のサーミスタＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３のそれぞれに直列に接続される。
そして、本温度制御回路１０を用いた高安定水晶発振器のサーミスタの装着箇所の決定のための確認試験において、不要と判断されるサーミスタは、そのサーミスタに接続されている切換器を開放することによって非接続状態とすることができる。

図２は、図１に示す温度制御回路１０を備えた高安定水晶発振器の構造の一例を示す縦断面図である。同図に示すように、本高安定水晶発振器は、上面に前記温度制御回路１０の切換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を装着し、下面に水晶振動子３とサーミスタＴＨ１、ＴＨ２とヒーターＨ１、Ｈ２とを装着した印刷配線基板４ａと、上面にヒーターＨ３、Ｈ４とサーミスタＴＨ３とを装着した印刷配線基板４ｂとを備えている。なお、前記切換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、ジャンパー線とし、該切換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３のそれぞれ開閉は、その着脱でこれを行うことができる。
温度制御回路１０の他の部品と発振増幅回路部品は、前記印刷配線基板４ｂの下面あるいはその他適所に装着されるが、いずれも簡略のため図示を省略した。

前記印刷配線基板４ａ、４ｂは、該印刷配線基板４ａ、４ｂを貫通し、ベース部材５に固定された金属ピン６に固定され、且つ前記印刷配線基板４ａのサーミスタＴＨ１、ＴＨ２、ヒーターＨ１、Ｈ２と、前記印刷配線基板４ｂのヒーターＨ３、Ｈ４とサーミスタＴＨ３と、で前記水晶振動子３を挟み込むように固定される。
そして、前記ベース部材５にケース７を被せて密封することによって、本高安定水晶発振器が構成される。

上記構造にすることによって、サーミスタの最適の位置を選定する確認試験を行うときに、高安定水晶発振器の前記ケース７を取り除くと、切換器Ｓ１〜Ｓ３は、図２において最上部に装着されているので、容易にこれを操作（ジャンパー線の着脱操作）することができ、短時間のうちに不要のサーミスタを非接続状態とし、必要のサーミスタを接続状態とすることができる。

図１の温度制御回路１０においては、切換器Ｓ１〜Ｓ３はジャンパー線を用いたが、これを抵抗体とすることができる。この場合は、不要のサーミスタは切換器（抵抗体）を取り除き、必要とし、且つサーミスタのセンサ感度を調整したい場合には、その抵抗体の抵抗値を選択することによって、当該サーミスタの見かけ上の感度を調整することが可能となる。
さらに、サーミスタＴＨ１〜ＴＨ３の感度調整の手段として、前記サーミスタＴＨ１〜ＴＨ３に並列に抵抗を接続して、この並列抵抗を前記切換器Ｓ１〜Ｓ３と同じ印刷配線基板４ａの上面に装着することによって、最適な並列抵抗の選択に要する時間を短縮することができる。

図３は、図１の温度制御回路における制御部の他の形態例を示す電気回路図である。
同図に示すように、本制御部８は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、サーミスタＴＨ４、ＴＨ５、Ｈ６と、切換器Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６と、差動増幅器ＩＣ１と、で構成され、図１の制御部１における３組のサーミスタと切換器との直列接続回路に替えて、３個のサーミスタＴＨ４、ＴＨ５、Ｈ６を直列接続して差動増幅器ＩＣ１の（−）入力端と接地間に接続し、且つ、各サーミスタＴＨ４、ＴＨ５、Ｈ６にそれぞれ並列に切換器Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を接続した回路構成を有する。
そして、本制御部８によるヒーター回路部２のヒーター電流の制御動作は、図１の場合と全く同じである。

この構成の場合は、図２に示す部品配置において、サーミスタＴＨ４〜Ｈ６は水晶振動子の周囲適所に装着され、切換器Ｓ４〜Ｓ６はそれぞれのサーミスタに並列に接続されて、印刷配線基板４ａの上面に装着される。この場合も切換器はジャンパー線であっても良いが、抵抗体とすれば、前述と同様にその抵抗体の抵抗値を選択することによって、サーミスタのセンサ感度を調整することができる。

本発明に係わる高安定圧電発振器としての水晶発振器の温度制御回路の実施の一形態例を示す電気回路図。 図１に示す温度制御回路１０を備えた高安定水晶発振器の構造の一例を示す縦断面図。 図１の温度制御回路における制御部の他の形態例を示す電気回路図。 従来の高安定水晶発振器の温度制御回路の一例を示す電気回路図。

符号の説明

１・・制御部、 ２・・ヒーター回路部、３・・水晶振動子、４ａ、４ｂ・・印刷配線基板、
５・・ベース部材、 ６・・金属ピン、 ７・・ケース、 ８・・制御部、
１０・・温度制御回路、 １１・・制御部、 １２・・ヒーター回路部、
２０・・温度制御回路、
Ｃ１・・コンデンサ、 Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４・・ヒーター、 ＩＣ１・・差動増幅器、
Ｑ１・・ＭＯＳ ＦＥＴ、 Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４・・抵抗、
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６・・切換器、
ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６、ＴＨ１１・・サーミスタ

Claims (5)

1. ヒーターと該ヒーターに電力を供給するトランジスタ増幅回路を含むヒーター回路部と、前記ヒーターによる被加熱物の温度変化を検出する温度センサと該温度センサの検出結果に基づいて前記トランジスタ増幅回路の入力電圧を制御する差動増幅器とを含む制御部と、で構成され、密封容器に収容された温度制御回路であって、
   前記温度センサを所定の複数個所に装着すると共に、前記温度センサのそれぞれに直列に切換器を接続したことを特徴とする温度制御回路。
2. ヒーターと該ヒーターに電力を供給するトランジスタ増幅回路を含むヒーター回路部と、前記ヒーターによる被加熱物の温度変化を検出する温度センサと該温度センサの検出結果に基づいて前記トランジスタ増幅回路の入力電圧を制御する差動増幅器とを含む制御部と、で構成され、密封容器に収容された温度制御回路であって、
   前記温度センサを所定の複数個所に装着して該温度センサを全て直列接続すると共に、各温度センサにそれぞれ並列に切換器を接続したことを特徴とする温度制御回路。
3. 前記密封容器を開放した際に、容易に前記切換器の開閉操作をすることができる位置に装着したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の温度制御回路。
4. 前記切換器を抵抗体で構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の温度制御回路。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の温度制御回路を用いて構成したことを特徴とする高安定圧電発振器。
   
   

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