(57)【要約】【課題】ヒータ制御回路からの制御電圧により発熱が制御されるヒータを備えたヒータ装置において、制御電圧の値が異常となったときにヒータの過熱を防止すること。【解決手段】例えば水晶振動子１０の温度をヒータ５を用いて例えば８０℃に安定させる発振装置において、温度検出信値に基づいてヒータ５の制御電圧をＩＣチップ３にて生成する。一方ヒータ５は制御電圧の上昇に伴い出力が小さくなるように構成する。ヒータ５の制御電圧の供給ラインである電圧供給路６１に正特性サーミスタ７１を介挿し、正特性サーミスタ７１とヒータ５との間と、直流電源７２との間にプルアップ抵抗７３を設ける。制御電圧の異常低下時には、正特性サーミスタ７１の抵抗値の増大により、制御電圧を所定の電圧に制限し、過熱防止を図る。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度制御対象の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の温度検出値と温度目標値とに基づいて制御電圧を出力するヒータ制御回路と、
前記ヒータ制御回路から制御電圧が供給されて発熱すると共に制御電圧が小さくなるにつれて出力が大きくなるように構成され、前記温度制御対象の温度を目標温度に加熱するためのヒータと、
前記制御電圧を前記ヒータに供給するための電圧供給路と、
前記ヒータ制御回路の異常時にヒータの過大な発熱を防止するための過熱防止回路と、を備え、
前記過熱防止回路は、
前記ヒータにより加熱される位置にて前記電圧供給路に介挿された正特性サーミスタと、
前記ヒータと正特性サーミスタとの間に一端が接続され、他端が直流電源に接続されたプルアップ抵抗と、を備え、
前記ヒータ制御回路からの制御電圧が異常に低下したときに前記ヒータに印加される制御電圧が正特性サーミスタとプルアップ抵抗との接続点の電圧に規制されることを特徴とするヒータ装置。
【請求項２】
温度制御対象の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の温度検出値と温度目標値とに基づいて制御電圧を出力するヒータ制御回路と、
前記ヒータ制御回路から制御電圧が供給されて発熱すると共に制御電圧が大きくなるにつれて出力が大きくなるように構成され、前記温度制御対象の温度を目標温度に加熱するためのヒータと、
前記制御電圧を前記ヒータに供給するための電圧供給路と、
前記ヒータ制御回路の異常時にヒータの過大な発熱を防止するための過熱防止回路と、を備え、
前記過熱防止回路は、
前記ヒータにより加熱される位置にて前記電圧供給路に介挿された正特性サーミスタと、
前記ヒータと正特性サーミスタとの間に一端が接続され、他端が接地されたプルダウン抵抗と、を備え、
前記ヒータ制御回路からの制御電圧が過大になったときに前記ヒータに印加される制御電圧が正特性サーミスタとプルアップ抵抗との接続点の電圧に規制されることを特徴とするヒータ装置。
【請求項３】
前記温度制御対象は、容器内に配置された圧電振動子を用いた発振器の当該容器内の雰囲気であり、
前記温度検出部は、前記容器内に配置された第１の圧電振動子と第２の圧電振動子との周波数差に対応する信号を温度検出値として出力するものであることを特徴とする請求項１または２記載のヒータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータ制御回路からの制御電圧により発熱が制御されるヒータを備えたヒータ装置において、制御電圧の値が異常になったときにヒータの過熱を防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒータ制御回路からの制御電圧により発熱が制御されるヒータを備えたヒータ装置の一例として、恒温槽付き水晶発振器（ＯＣＸＯ）に組み込まれたヒータ装置が挙げられる。ＯＣＸＯは、温度変化による水晶振動子の発振周波数の変動を抑えるために、容器内に水晶振動子とヒータとを設けて構成されており、例えばアナログ回路の中にヒータと温度検出部であるサーミスタとを設けた構成がしられている（特許文献１）。
【０００３】
一方、本発明者は、水晶振動子の発振周波数の安定化をより一層高めるために、２つの水晶振動子の発振周波数差に応じた差分信号が温度と直線関係にあることに着目して、前記差分信号と目標温度に対応する信号との差分を積分してヒータの制御電圧とする方式を検討している（特許文献２）。このような方式では、差分信号の演算と制御電圧の作成とをＬＳＩなどの集積回路チップにより行うことにより小型化を図れ、この点において得策である。
【０００４】
しかしながら、例えば制御電圧が大きくなることによりヒータの供給電力が小さくなる負の制御特性によりヒータ制御を行う場合には、ＬＳＩの故障や半田不良により制御電圧が異常に低下する（例えばゼロになる）と、ヒータ電力が最大となり、機器を熱的に壊してしまうおそれがある。また制御電圧が大きくなることによりヒータの供給電力が大きくなる正の制御特性によりヒータ制御を行う場合においても同様の問題がある。
【０００５】
そこで例えば外部ロジック回路を設けて温度を検知して保護することも考えられるが、高温のため回路を構成することが難しく、仮にそのロジック回路が正常に動作するとしても、回路規模が大きくなり、電子機器の外装体である容器内に入れることが困難であるし、価格が高くなってしまう。また温度ヒューズを用いる方式では、雰囲気温度が例えば７０度もの高い温度では、使用寿命が短いという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１―２５１１４１号（図１、段落００１４）
【特許文献２】特開２０１２―１７００５０号（図１、段落００１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、ヒータ制御回路からの制御電圧により発熱が制御されるヒータを備えたヒータ装置において、制御電圧の値が異常になったときのヒータの過熱防止を、簡単な構成でかつ低コストで実現できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のヒータ装置は、温度制御対象の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の温度検出値と温度目標値とに基づいて制御電圧を出力するヒータ制御回路と、
前記ヒータ制御回路から制御電圧が供給されて発熱すると共に制御電圧が小さくなるにつれて発熱量が大きくなるように構成され、前記温度制御対象の温度を目標温度に加熱するためのヒータと、
前記制御電圧を前記ヒータに供給するための電圧供給路と、
前記ヒータ制御回路の異常時にヒータの過大な発熱を防止するための過熱防止回路と、を備え、
前記過熱防止回路は、
前記ヒータにより加熱される位置にて前記電圧供給路に介挿された正特性サーミスタと、
前記ヒータと正特性サーミスタとの間に一端が接続され、他端が直流電源に接続されたプルアップ抵抗と、を備え、
前記ヒータ制御回路からの制御電圧が異常に低下したときに前記ヒータに印加される制御電圧が正特性サーミスタとプルアップ抵抗との接続点の電圧に規制されることを特徴とする。
他の発明のヒータ装置は、温度制御対象の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の温度検出値と温度目標値とに基づいて制御電圧を出力するヒータ制御回路と、
前記ヒータ制御回路から制御電圧が供給されて発熱すると共に制御電圧が大きくなるにつれて発熱量が大きくなるように構成され、前記温度制御対象の温度を目標温度に加熱するためのヒータと、
前記制御電圧を前記ヒータに供給するための電圧供給路と、
前記ヒータ制御回路の異常時にヒータの過大な発熱を防止するための過熱防止回路と、を備え、
前記過熱防止回路は、
前記ヒータにより加熱される位置にて前記電圧供給路に介挿された正特性サーミスタと、
前記ヒータと正特性サーミスタとの間に一端が接続され、他端が接地されたプルダウン抵抗と、を備え、
前記ヒータ制御回路からの制御電圧が過大になったときに前記ヒータに印加される制御電圧が正特性サーミスタとプルアップ抵抗との接続点の電圧に規制されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、ヒータ制御回路からの制御電圧により発熱が制御されるヒータを備えたヒータ装置において、制御電圧が小さくなるにつれてヒータの発熱量が大きくなる（小さくなる）構成においては、正特性サーミスタとプルアップ抵抗（プルダウン抵抗）とを組み合わせている。制御電圧が異常に低下（上昇）したときには、正特性サーミスタの抵抗値が大きくなり、制御電圧は、正特性サーミスタとプルアップ抵抗（プルダウン抵抗）との接続点の電圧に制限される。従って、制御電圧の値が異常となったときのヒータの過熱防止を、簡単な構成でかつ低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のヒータ装置を発振装置に適用した第１の実施形態の全体を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態の要部の回路構成の詳細を示す回路図である。
【図３】前記実施形態における部品の配置構造例を示す断面図である。
【図４】ヒータの出力と制御電圧との関係を示す特性図である。
【図５】周波数差検出部の出力であるディジタル値と温度との関係を示す特性図である。
【図６】正特性サーミスタの温度−抵抗変化比の関係を示す特性図である。
【図７】前記実施形態における過熱防止回路の動作を説明するための説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の要部を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[第１の実施形態]
図１は、本発明のヒータ装置を発振装置に適用した第１の実施形態を示す。この発振装置は、設定された周波数の周波数信号を出力する周波数シンセサイザとして構成されている。発振装置の全体構成について簡単に述べておくと、発振装置は第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０を備えており、これら第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は、共通の水晶片Ｘｂを用いて構成されている。即ち例えば短冊状の水晶片Ｘｂの領域を長さ方向に２分割し、各分割領域（振動領域）の表裏両面に励振用の電極を設ける。従って一方の分割領域と一対の電極１１、１２とにより第１の水晶振動子１０が構成され、他方の分割領域と一対の電極２１、２２とにより第２の水晶振動子２０が構成される。
【００１２】
第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０には夫々第１の発振回路１及び第２の発振回路２が接続されている。  
３は集積回路チップ（ＩＣチップ）であるＬＳＩであり、ＩＣチップ３内には、図２に示すように周波数差検出部３１、補正値演算部３２、ＰＬＬ回路部３３が設けられている。ＰＬＬ回路部の出力側には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４１及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）４２が接続されている。電圧制御発振器（ＶＣＯ）４２の出力が発振装置の発振出力であり、この発振出力はＰＬＬ回路部３３に帰還されている。
【００１３】
ＰＬＬ回路部３３は、第１の発振回路１からの発振出力をクロック信号とし、ディジタル値である周波数設定信号に基づいて生成されるパルス信号と電圧制御発振器（ＶＣＯ）４２からの帰還パルスとの位相差に相当する信号をアナログ化し、そのアナログ信号を積分してローパスフィルタ４１に出力する。周波数設定信号は、周波数設定値と補正値演算部３２からの補正値とを加算部３０にて加算した値である。この補正値は、第１の水晶振動子１０の温度が目標温度から変動した時にその変動分、つまり前記クロック信号の温度変動分を補償するための値である。
【００１４】
第１の発振回路１からの発振出力ｆ１と第２の発振回路２からの発振出力ｆ２との周波数差ｆ１−ｆ２に対応する値は、水晶振動子１０、２０が置かれている雰囲気の温度に対応し、温度検出値ということができる。なお、説明の便宜上ｆ１、ｆ２は、夫々第１の発振回路１及び第２の発振回路２の発振周波数をも表しているものとする。周波数差検出部３１は、この例では、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝の値を取り出しており、この値が温度に対して比例関係にある温度検出値に相当する。ｆ１ｒ及びｆ２ｒは、夫々基準温度例えば２５℃における第１の発振回路１の発振周波数及び第２の発振回路２の発振周波数である。
【００１５】
補正値演算部３２は、温度検出値と、予め作成した温度検出値と周波数補正値との関係と、に基づいて周波数補正値を算出する。更に温度検出値は、後述のように水晶振動子１、２を目標温度に維持するためのヒータ５の発熱制御のために用いられる。従ってこの実施形態の発振装置は、いわゆる恒温槽付きの発振装置（ＯＣＸＯ）と温度制御発振装置（ＴＣＸＯ）との融合装置であるということができる。
【００１６】
ヒータ５は、水晶振動子１、２を収納している容器の中に設けられており、温度制御対象である容器内の雰囲気(水晶振動子１、２)を目標温度に加熱する役割がある。図３はこの形態の一例を示す断面図であり、容器１００内に配置されたプリント基板１０１の上面側には、水晶振動子１０、２０、発振回路１、２及びＩＣチップ３が設けられ、プリント基板１０１の下面側には、ヒータ５が設けられている。  
図１に戻って、ヒータ５はダーリントン接続されたＰＮＰ型トランジスタである第１のトランジスタ５１及びＮＰＮ型トランジスタである第２のトランジスタ５２と、後段側の第２のトランジスタ５２のコレクタに抵抗５３を介して直流電圧を供給する電源部５４とを備え、前段側の第１のトランジスタ５１のベースに制御電圧が供給されるように構成される。
図４は、ヒータ５の出力(発熱量)と制御電圧との関係を示し、第１のトランジスタ５１のベースに供給される電圧（制御電圧）が小さくなると、電源部５４から第１及び第２のトランジスタ５１、５２に流れる電流が大きくなってヒータ５の発熱量が大きくなる。逆に前記制御電圧が大きくなると、電源部５４から第１及び第２のトランジスタ５１、５２に流れる電流が小さくなってヒータ５の発熱量が小さくなる。
【００１７】
制御電圧はＩＣチップ３内のヒータ制御回路から電圧供給路６１を介して第１のトランジスタ５１のベースに供給される。周波数差検出部３１からは、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝に相当するディジタル値が出力され、このディジタル値と温度との関係は例えば図５に示すように表される。前記ディジタル値は温度検出値に相当し、加算部６２にて温度目標値に対応するディジタル値に加算される。加算部６２の後段には、ループフィルタ６３、ＰＷＭ内挿部６４及びローパスフィルタ６５が設けられる。加算部６２からのディジタル値はループフィルタ６３にて積分され、その積分値に応じたＰＷＭパルスが一定期間ＰＷＭ内挿部６４から出力され、そのパルスがローパスフィルタ６５にて平均化される。従ってローパスフィルタ６５からは、ループフィルタ６３からのディジタル値に応じたアナログ電圧が得られる。
【００１８】
温度目標値に対応するディジタル値は正の値に設定され、この温度目標値から負の値である温度検出値を加算部６２にて差し引くことにより、ローパスフィルタ６１から出力されるアナログ電圧は、温度上昇に伴い増加することになる。従ってヒータ５には、温度上昇に伴い増加する制御電圧が入力される。この例では、加算部６２、ループフィルタ６３、ＰＷＭ内挿部６４及びローパスフィルタ６５は、ヒータ制御回路６に相当する。
【００１９】
ヒータ５の制御電圧の供給ラインである電圧供給路６１には、正特性サーミスタ７１が介挿されており、正特性サーミスタ７１とヒータ５との間と、直流電源７２との間には、プルアップ抵抗７３が設けられている。この例では、ヒータ５により加熱される容器１００（図３参照）内の温度目標値は例えば８０℃であり、また正特性サーミスタ７１の温度−抵抗変化比特性は図６に示すように表される。抵抗変化比とは、２５℃における抵抗値に対するその時の温度における抵抗値の比である。この例では、正特性サーミスタ７１、直流電源７２及びプルアップ抵抗７３は、制御電圧が異常に低下したときにヒータ５の過熱を防止するための過熱防止回路を構成している。
【００２０】
上述実施の形態の作用について説明する。先ず全体の動作について述べると、第１の発振回路１の発振出力をクロックとしてＰＬＬ回路部３が動作して電圧制御発振器４２から発振装置の出力信号が得られる。この出力信号の周波数は第１の水晶振動子１０の周波数温度特性の影響を受けるため、第１の水晶振動子１０が置かれる雰囲気をヒータ５により例えば８０℃に維持しようとしている。そこで、第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０の発振周波数差に対応する信号と温度との関係が例えば図５に示す関係にあることから、周波数差検出部３１の出力を温度検出値として取り扱っている。なお、この例では既述のように温度検出値に基づいて周波数設定値の補正も合わせて行っている。
【００２１】
周波数差検出部３１から得られるディジタル値と温度目標値とが夫々負及び正の符号で加算され、その加算値の積分値に対応するアナログ電圧がヒータ５の制御電圧としてヒータ５の第１のトランジスタ５１のベースに供給される。一方、周波数差検出部３１から得られるディジタル値は水晶振動子１０、２０が置かれている雰囲気温度の上昇により減少する（負の領域では負の値が大きくなる）。このため例えば発振装置の電源の投入直後のある時点に着目すると、初めは加算部６２からの演算値が小さいのでループフィルタ６３の出力値が小さく、ヒータ５の出力値は大きい。ヒータ５の発熱により前記雰囲気温度が上昇し、これにより加算部６２の演算値が急増し、ループフィルタ５の出力が増大する。
【００２２】
しかしヒータ５の特性は図４に示すようにいわば負の制御特性であるから、最初はヒータ５の出力は大きいが、制御電圧の上昇により発熱量が減少する。このため雰囲気温度の上昇の程度が緩やかになって制御電圧の上昇の程度も小さくなり、やがて、温度目標値に相当するディジタル値により決まる温度にて雰囲気温度が落ち着くことになる。
【００２３】
ここでＩＣチップ３に断線が生じるなどの異常や半田不良などにより、制御電圧が異常に低下した場合、例えば制御電圧がゼロになると、図７に示すように電圧供給路６１におけるヒータ制御回路６側が接地された状態（鎖線部分）と等価になる。このときＰ点における電圧は、直流電源７２の電圧Ｖｃをプルアップ抵抗（抵抗値Ｒ７３）と正特性サーミスタ７１（抵抗値Ｒ７１）とにより分圧した電圧（Ｖｃ×Ｒ７１／（Ｒ７３＋Ｒ７１））となる。
【００２４】
正特性サーミスタ７１の抵抗値は、図６に示すように８０℃のときには小さいので、制御電圧は定常時よりも小さくなり、図４に示すようにヒータ５の出力が大きくなって発熱量が増大し、雰囲気温度が上昇する。そして雰囲気温度が１２０℃付近を越えたあたりから正特性サーミスタ７１の抵抗値が急激に上昇するため、制御電圧が増大してヒータの出力が小さくなる。このため発振装置が焼損に至るまでの温度よりも低い温度に維持され、過熱による機器のトラブルを防止できる。
【００２５】
上述実施の形態によれば、正特性サーミスタ７１とプルアップ抵抗７３とを組み合わせて過熱防止回路７を構成し、制御電圧の値が異常となったときには、ヒータ５の発熱の増大に伴って抵抗値が大きくなった正特性サーミスタ７１とプルアップ抵抗７３との接続点の電圧に制御電圧が制限される。このためヒータ５の過熱防止を、簡単な構成でかつ低コストで実現できる効果がある。
[第２の実施形態]
本発明は、制御電圧の増加に伴ってその出力が小さくなるヒータに限らず、制御電圧の増加に伴ってその出力が大きくなるいわば正の制御特性のヒータについても同様の過熱防止回路を構成することができる。図８はこのようなヒータ５を用いた発振装置の要部を示しており、トランジスタ５１、５２によりダーリントン接続した構成を採用している。この場合トランジスタ５１のベース電圧の上昇により、トランジスタ５１、５２に流れる電流が増大して発熱量が大きくなる。
【００２６】
またヒータ制御回路６に入力される温度目標値であるディジタル値は、例えば図５に示す周波数差検出部３１の出力特性における８０℃に相当するディジタル値に設定される。更にまた加算部６２は、周波数差検出部３１の出力値から温度目標値が差し引かれるように（図２における加算部６２の正、負の符号が逆になる）構成される。
【００２７】
そして過熱防止回路６は、電圧供給路５１に介挿された正特性サーミスタ７１と、正特性サーミスタ７１とヒータ５との間と、アースとの間に設けられたプルダウン抵抗７５とを備えている。
【００２８】
このような構成の発振装置においては、例えば前記雰囲気温度が例えば８０℃に至るまでは、温度上昇に伴ってループフィルタ６３の入力値が小さくなっていく。このため例えば発振装置の電源の投入直後は周波数差検出部３１の出力値が大きいので、ループフィルタ６３の出力値が急増する。ヒータ５の特性は正の制御特性であるから、制御電圧の急上昇により発熱量が上昇し、これに伴い周波数差検出部３１の出力値が小さくなる。このため制御電圧の上昇の程度が緩やかになり、雰囲気温度の上昇の程度が緩やかになって雰囲気温度が温度目標値に落ち着く。
【００２９】
ここでＩＣチップ３の不具合などにより制御電圧が異常に高くなったときには、ヒータ５の出力が増大して雰囲気温度が上昇するが、雰囲気温度が１２０℃付近を越えたあたりから正特性サーミスタ７１の抵抗値が急激に上昇する。図８のＰ点の電圧は、正特性サーミスタ７１とプルダウン抵抗７５との抵抗比で決まる電圧になるが、正特性サーミスタ７１の抵抗値の上昇に伴い、低い電圧に制限される。従って第２の実施形態においても、ヒータ５の過熱防止を、簡単な構成でかつ低コストで実現できる効果がある。
【００３０】
周波数差検出部３１は温度検出部に相当するが、本発明は温度検出部として、１個の水晶振動子の基準温度例えば２５℃における発振周波数に対する、測定時の発振周波数の比率を温度検出値とするようにしてもよいし、サーミスタに基づいて温度検出値を生成してもよい。  
また本発明のヒータ装置は発振装置に限られず、例えば半導体製造分野における基板のベーク処理装置などに適用してもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１                  第１の発振回路
２                  第２の発振回路
１０                第１の水晶振動子
２０                第２の水晶振動子
３                  ＩＣチップ
３１                周波数差検出部
５                  ヒータ
６                  ヒータ制御回路
６１                電圧供給路
７                  過熱防止回路
７１                正特性サーミスタ
７３                プルアップ抵抗
１００              容器
【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】
2014099807.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年12月28日(2012.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2014099807.tif 000011
【図２】
2014099807.tif 000012
【図３】
2014099807.tif 000013
【図４】
2014099807.tif 000014
【図５】
2014099807.tif 000015
【図６】
2014099807.tif 000016
【図７】
2014099807.tif 000017
【図８】
2014099807.tif 000018