JP2005117093A - 温度制御回路とこれを用いた高安定水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高安定水晶発振器用温度制御回路における温度センサ感度を大きくし、水晶振動子の保持温度を精度よく設定する手段を得る。
【解決手段】 サーミスタ、差動オペアンプ、定電圧素子、パワートランジスタ、ヒータからなる高安定水晶発振器用温度制御回路であって、前記定電圧素子で生成する定電圧を抵抗と第１のサーミスタとで分圧した電圧を前記差動オペアンプのプラス側入力に、前記定電圧を第２のサーミスタと可変抵抗とで分圧した電圧をマイナス側入力に加えてヒータ回路を制御するようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高安定水晶発振器の温度制御回路に関し、特に温度センサ部の感度を改良した温度制御回路に関するものである。

高安定水晶発振器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の近傍の温度を一定に保つような構造となっている。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カット水晶振動子等が用いられており、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。

従来の高安定水晶発振器は、アルミニウムブロックに穴空け加工し、該穴に水晶振動子と感温素子のサーミスタとを収容すると共に、アルミニウムブロックの周囲にニクロム線を巻いた恒温槽を用いたタイプの高安定水晶発振器が一般的であった。しかし、その周波数安定度は優れているものの、アルミニウムのブロックが小型化、低消費電力化の妨げになっていた。そこで、これを改善すべく、特開平１１−２１４９２９号報にアルミニウムブロックを省略し、水晶振動子の金属カンを直接加熱して温度制御するたタイプの高安定水晶発振器が開示されている。
また、特開平１１−３１７６２２号報には感温素子のサーミスタを複数直列接続して、センサ感度を改善した温度制御回路も開示されている。

図６は高安定水晶発振器の内部の主要部の構造を示す側面断面図であって、プリント基板３１の一方の面に表面実装型の小型ヒータ３２を、間隔を隔して複数個配置すると共に、該ヒータ３２と接するように水晶振動子３３を載置する。水晶振動子３３の底部絶縁部を貫通して伸びるリード端子３４を曲げてプリント基板３１に半田付けした上で、リード端子３４に接するように表面実装型の小型ヒータ３５がプリント基板３１上に配置されている。さらに、小型ヒータ３５と接触するように感温素子のサーミスタ３６を配置すると共に、プリント基板３１の他方の面に発振回路３７と温度制御回路３８とを半田付けする。なお、水晶振動子３３は水晶基板３９の両面に金属の薄膜電極４０を蒸着等の手段で付着し、リード端子にて保持された状態で金属カンの中に真空密封したものである。

図７は、水晶振動子の温度を一定に保持するための温度制御回路の構成を示す図である。温度制御回路の構成は、温度センサであるサーミスタＴＨ１と抵抗Ｒ１とを直列接続し、その中点を抵抗Ｒ４を介して差動オペアンプＯＰのマイナス側入力と接続する。そして、抵抗Ｒ２とＲ３とを直列接続し、その中点を差動オペアンプＯＰのプラス側入力と接続する。また、抵抗Ｒ２とサーミスタＴＨ１の他方の端子は定電圧素子Reg（定電圧ＩＣ）を介して電源Ｖｃｃに接続すると共に、抵抗Ｒ１、Ｒ３の他方の端子は接地する。差動オペアンプＯＰの出力とマイナス入力との間には帰還抵抗Ｒ５を接続する。さらに、差動オペアンプＯＰの出力は抵抗Ｒ６を介してパワートランジスタＴＲ１のベースに接続し、エミッタを接地すると共に、電源Ｖｃｃとコレクタとの間に小型ヒータ素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を並列接続する。なお、抵抗Ｒ７はベースバイアス抵抗、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はバイパス容量である。

図７に示す温度制御回路について簡単に説明すると、差動オペアンプＯＰはプラス側入力とマイナス側入力との電圧差に応じた電圧を出力するように動作する。差動オペアンプＯＰのプラス側入力には、定電圧素子Regで制御された定電圧が抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧されて印加されている。サーミスタＴＨ１の近傍が低温であるとサーミスタＴＨ１の抵抗が大きくなり、マイナス側入力の電圧が高くなるので、出力電圧は高くなる。差動オペアンプＯＰの出力電圧が高いとパワートランジスタＴＲ１のベース電圧が高くなるので、ヒータＨ１、Ｈ２、Ｈ３に供給されるコレクタ電流も大きくなり、温度も上昇する。設定された温度、即ちサーミスタＴＨ１の抵抗が低下し、マイナス側入力の電圧と、プラス側入力の電圧（抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧された一定の電圧）とがほぼ等しくなると、所定の一定の温度を保持するように動作する。
特開平１１−２１４９２９号公報 特開平１１−３１７６２２号公報

解決しようとする問題点は、従来の高安定水晶発振器の温度制御回路においては、感温素子であるサーミスタＴＨ１の温度感度特性（Ｂ定数）が温度制御回路の精度を決定することになるが、汎用のサーミスタ素子では十分に温度感度が得られないため、水晶振動子の近傍の温度を精度よく保持することは難しかった。

本発明は、サーミスタと差動オペアンプと定電圧素子とパワートランジスタとヒータと含む高安定水晶発振器用温度制御回路において、前記定電圧素子で生成する定電圧を抵抗と第１のサーミスタとで分圧した電圧を前記差動オペアンプのプラス側入力に加え、前記定電圧を第２のサーミスタと可変抵抗とで分圧した電圧をマイナス側入力に加えてヒータ回路を制御するため、温度センサ感度を大きくできるので水晶振動子の温度を精度よく保持することを特徴とする。

本発明の高安定水晶発振器用の温度制御回路は、差動オペアンプのプラス側、マイナス側のそれぞれの入力に感温素子のサーミスタを用いて、センサ感度を高めたので、ヒータと感温素子、ヒータと水晶振動子とのタイムラグを少なくし、水晶振動子の温度を精度よく制御できるという利点がある。

図１は本発明に係る高安定水晶発振器の構造を示す側面断面図であって、プリント基板１の一方の面に表面実装型の小型ヒータ２を、間隔を隔して配置すると共に、該ヒータ２と接するように水晶振動子３を載置する。ヒータ２の間にサーミスタ４を配置すると共に、水晶振動子３の金属カンに密着固定する。そして、水晶振動子３の底部と発振回路用のプリント基板５との間にサーミスタ６を挟むように、水晶振動子３の底部を絶縁貫通するリード端子７をプリント基板６に半田付けすると共に、該プリント基板６の他方の面には発振回路用の電子部品８を半田付けする。
一方、プリント基板１の他方の面に温度制御用の電子部品９を半田付けすると共に、プリント基板１と５をＬ字型金具１０等を用いて固定する。そして、ベース１１に絶縁貫通する端子１２とプリント基板１とを導通固定した上で、金属ケース１３をベース１１に被せて高安定水晶発振器を構成する。
なお、水晶振動子３は水晶基板１４の両面に金属の薄膜電極１５を蒸着等の手段で付着し、リード端子７で保持した状態で金属カンの中に真空密封したものである。

図２は本発明に係る高安定水晶発振器用の温度制御回路の実施例を示す図であって、抵抗Ｒ１とサーミスタＴＨ１とを直列接続して分圧回路を構成すると共に、その中点を差動オペアンプ（ＣＭＯＳタイプ）ＯＰのプラス側入力と接続し、サーミスタＴＨ１の他方の端子を接地する。そして、サーミスタＴＨ２と可変抵抗Ｒ２とを直列接続して分圧回路を構成し、その中点を差動オペアンプＯＰのマイナス側入力と接続すると共に、可変抵抗Ｒ２の他の端子を可変抵抗Ｒ３と直列接続し、可変抵抗Ｒ３の他方の端子を接地する。さらに、抵抗Ｒ１とサーミスタＴＨ２の一方の端子は定電圧素子Reg（定電圧ＩＣ）を介して電源Ｖｃｃに接続する。差動オペアンプＯＰの出力とマイナス入力との間には帰還抵抗Ｒ４を接続する。そして、差動オペアンプＯＰの出力は抵抗Ｒ５を介してMOS EFTのパワートランジスタＴＲ１のゲートに接続し、電源Ｖｃｃとドレインとの間に小型ヒータ素子Ｈ１を、ソースとを接地との間にヒータＨ２を接続する。なお、容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はバイパス容量である。
MOS EFTのパワートランジスタは電圧制御であるため、小型のＣ−ＭＯＳ差動オペアンプを用いることが可能となる。

図２に示す温度制御回路について簡単に説明すると、温度が設定温度より低いときにはサーミスタＴＨ１、ＴＨ２の抵抗が高くので、プラス側入力電圧Ｖ_＋は高くなり、マイナス側の入力電圧Ｖ₋は低くなる。そして、ＣＭＯＳ型差動オペアンプＯＰの出力はオープン利得をＡとして、電圧Ａ（Ｖ_＋−Ｖ₋）が出力され、該電圧がＭＯＳ−ＥＦＴトランジスタのゲートに印加されるので、ソース、ドレイン間には出力電圧Ａ（Ｖ_＋−Ｖ₋）に応じた電流が供給され、ヒータＨ１、Ｈ２が加熱される。加熱されて水晶振動子の近傍の温度が高くなると、サーミスタＴＨ１、ＴＨ２の抵抗値が低下するので、プラス側入力電圧Ｖ_＋は下がり、マイナス側の入力電圧Ｖ₋は上昇して、電圧差（Ｖ_＋−Ｖ₋）が小さくなる。その結果、出力電圧Ａ（Ｖ_＋−Ｖ₋）は小さくなり、ソース、ドレイン間に供給される電流も小さくなる。やがて、入力電圧差（Ｖ_＋−Ｖ₋）が零となるとＭＯＳ−ＥＦＴトランジスタがＯＦＦとなるので電流の供給は停止し、設定された温度を保持することになる。
なお、温度制御用抵抗Ｒ２、Ｒ３を可変することにより、水晶振動子３の設定温度を変えることができる。

温度ｔ℃におけるサーミスタの抵抗Ｒ（ｔ）は、周知のように次式で表すことができる
Ｒ（ｔ）＝Ｒ_０ｅｘｐＢ（１／（ｔ＋273）−１／（ｔ_０+273）） （１）
ここで、ｔ_０は常温（２５℃）、Ｒ_０は常温での抵抗値、Ｂは所謂Ｂ定数である。
図２に示すようにプラス側入力電圧Ｖ_＋と、マイナス側の入力電圧Ｖ₋と、定電圧素子Ｒｅｇの出力Ｖｒｅｆとを用いて、差動オペアンプＯＰの出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ａ（Ｖ_＋−Ｖ₋）を求め、差動オペアンプＯＰの利得Ａを∞として、シミュレーションにより出力電圧Ｖｏｕｔの一例を求めたものが図３に示す直線Ａである。横軸を温度、縦軸を出力電圧Ｖｏｕｔとし、温度制御回路の定数は、Ｖｒｅｆ＝３．３Ｖ、Ｒ１＝２０ｋΩ、（Ｒ２＋Ｒ３）＝２０ｋΩ、Ｒ４＝２００ｋΩ、サーミスタＴＨ１、ＴＨ２のそれぞれのＢ定数をＢ＝４４００、それぞれ常温抵抗Ｒ_０をＲ_０＝２００ｋΩと設定した。直線Ｂは従来の温度制御回路、つまりサーミスタを１個用いた場合であり、図２においてサーミスタＴＨ１を固定抵抗２０ｋΩで置き換えることにより、出力電圧を求めものである。
本発明に係る温度制御回路の特性である直線Ａの傾斜、即ちセンサ感度は、−１．２Ｖ／℃である。つまり、１℃の温度変化に対し、１．２Ｖの電圧低下を示すことになる。これに対し、従来の回路の直線Ｂのセンサ感度は−０．６２Ｖ／℃であり、本発明に係る温度制御回路のセンサ感度は約２倍の感度を有すことになる。

図２に示すサーミスタＴＨ２は、図１に示した２つのヒータ２の間に配置して、熱源との熱結合を強くし、サーミスタＴＨ１は図１に示した水晶振動子３の底部に配置する。サーミスタＴＨ２とヒータ２（図２のＨ１、Ｈ２）との熱結合が強い場合には、ヒータ２（Ｈ１、Ｈ２）から発生する熱と感知するサーミスタＴＨ２とのタイムラグが小さく、所謂ハンチング現象が発生しにくく、安定な温度制御が可能となる。
また、水晶振動子３の温度に最も大きな影響を及ぼすのは、水晶基板１４に付着した電極１５と直結するリード端子７であるが、図１に示すようにヒータ２からの離れており、ヒータ２とサーミスタＴＨ１との感知温度とにタイムラグが発生するおそれがあったが、本発明の温度制御回路を用いることにより、センサ感度を大きく設定することが可能となったのでこのおそれも解消した。

図４は本発明に係る第２の実施例の温度制御回路の構成を示す図であって、図２と異なるところは、図１に示すサーミスタＴＨ１に可変抵抗Ｒ６を並列接続したことと、サーミスタＴＨ２に可変抵抗Ｒ７を並列接続したことである。
即ち、発振器の構造に応じてサーミスタＴＨ１、ＴＨ２のB定数を可変するのでなく、並列抵抗Ｒ６、Ｒ７を可変することにより、それぞれのサーミスタのＢ定数を可変するに等しい効果を得ることができる。

図５は本発明に係る第３の実施例の温度制御回路の構成を示す図であって、図２と異なるところは、図１に示すサーミスタＴＨ１にサーミスタＴＨ３を並列接続したことと、サーミスタＴＨ２にサーミスタＴＨ４を並列接続したことである。
即ち、図２に示す回路はサーミスタ２個を用いて温度制御を行うようにしたものであるが、より高精度の高安定水晶発振器を実現するには、複数のサーミスタを分散配置して温度制御を行う方が適している。図4は複数のサーミスタを分散配置した１例として４個のサーミスタを用いる場合の温度制御回路の構成を示す。

本発明に係る高安定水晶発振器の構造を示した概略側面断面図である。 本発明に係る第１の実施例の温度制御用回路の構成を示す図である。 温度と出力電圧との関係を示す図である。 本発明に係る第２の実施例の温度制御用回路の構成を示す図である。 本発明に係る第３の実施例の温度制御用回路の構成を示す図である。 従来の小型の高安定水晶発振器の構造を示した概略側面断面図である。 従来の温度制御用回路の構成を示す図である。

符号の説明

１、５ プリント基板
２ ヒータ
３ 水晶振動子
４、６ サーミスタ
７ リード端子
電子部品
１０ Ｌ型金具
１１ ベース
１２ 端子
１３ ケース
１４ 水晶基板
１５ 電極
Ｒ１、Ｒ４、Ｒ５ 抵抗
Ｒ２、Ｒ３、Ｒ６、Ｒ７ 可変抵抗
ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４ サーミスタ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 容量
ＯＰ ＣＭＯＳ型差動オペアンプ
ＴＲ１ ＭＯＳ型ＥＦＴ
Ｈ１、Ｈ２ ヒータ

Claims (5)

1. ヒータを所定の温度に制御するための温度制御回路であって、
   定電圧を出力する定電圧素子と、該定電圧素子の出力を分圧する第１サーミスタと抵抗とを有する第１の分圧回路と、前記定電圧素子の出力を分圧する第２のサーミスタと可変抵抗とを有する第２の分圧回路と、前記第１の分圧回路にて分圧した電圧をプラス側入力端に前記第２の分圧回路にて分圧した電圧をマイナス側入力端にそれぞれ入力した差動アンプの出力を以て温度を制御することを特徴とする温度制御回路。
2. 前記可変抵抗が２つの可変抵抗を直列接続して構成したものであることを特徴とする請求項１に記載の温度制御回路。
3. 前記第１のサーミスタに抵抗を並列接続し、前記第２のサーミスタに抵抗を並列接続したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の温度制御回路。
4. 前記第１のサーミスタに第３のサーミスタを並列接続し、前記第２のサーミスタに第４のサーミスタを並列接続したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の温度制御回路。
5. 水晶発振器にヒータを内蔵すると共に請求項１乃至４のいずれかに記載の温度制御回路にてヒータの温度を制御したことを特徴とする高安定水晶発振器。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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