(57)【要約】【課題】  本発明は、小型化、省電力化を可能とした水晶発振器を提供することを課題とする。【解決手段】  ２重化したヒータ線路１４、１５を持つヒータ１１ｂの内側に恒温対象物を配置する。ヒータ線路１４及び１５には、その物理的配置に対して逆相の駆動電流を流すことによって、ヒータ線路１４、１５に載っているノイズを相殺する。これによって、温度制御にＰＷＭ等を用いることが出来る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータ線路を多重化したヒータと、
前記ヒータを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記ヒータは、２重化した前記ヒータ線路を有し、前記制御手段は、２つの前記ヒータ線路に、その物理的配置に対して逆相の駆動電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。
【請求項３】
前記ヒータは、該ヒータによって恒温状態に保持される恒温対象物を前記ヒータ線路で包み込むように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ヒータをＰＷＭ方式によって制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の水晶発振器。
【請求項５】
水晶発振器における恒温対象物の保温方法であって、
前記恒温対象物を２重化されたヒータ線路で包み込まれるよう配置し、
前記２重化されたヒータ線路に、その物理的配置に対して逆相の駆動電流を流して前記恒温対象物を保温することを特徴とする保温方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度変化に対して高い周波数精度を補償する水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
周辺温度の変化に対して発振周波数の安定を高めた水晶発振器としては、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）や恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）が知られている。
ＴＣＸＯは、周辺温度の変化に対して周辺温度変化に対応して発振周波数を補正する温度補償用の回路を設けたもので、またＯＣＸＯは、水晶振動子や発振回路を内部温度を一定に保った恒温槽内に配置して、これらの周囲温度変化に対する影響を少なくした構成を持つものである。
【０００３】
ＴＣＸＯは、低電力化に適しているが１０-7以下の高い周波数精度の温度補償を行なうのは、技術的に難しい。一方ＯＣＸＯは、高い発振周波数の精度を達成するにはＴＣＸＯに比べて有利であるが、低電力化の面において不利であった。
【０００４】
この点に対処するため、例えば特許文献１に開示されているＯＣＸＯでは、省電力化を図るため、熱伝導と輻射の両方を用いて効率良く保温できるように、ヒータを熱伝導性基板の上に設ける構成が開示されている。この特許文献１の構成は、水晶片をヒータで囲むようには設置出来ないので、外部温度変化による影響が大きくなってしまうという欠点がある。
【特許文献１】米国特許第５９１７２７２号明細書（Ｆｉｇ．１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＯＣＸＯにおいて消費電力が大きくなってしまう要因の１つには、恒温槽の温度を一定に保つための温度制御の為の回路が複雑になってしまうことがある。
温度制御の仕方としては、回路の小型化・集積化が困難なアナログ方式と、小型化・集積化が容易なパルス幅変調方式（ＰＷＭ）がある。
【０００６】
ＰＷＭによる制御は、ヒータ駆動回路が比較的小型化できることから、レーザダイオードの温度制御用に使われているが、温度制御駆動信号にパルス残留成分が乗ってしまう。このような駆動信号をヒータに加えた場合、ヒータから発生する電磁界が、隣接して配置された水晶発振器の発振信号にノイズを重畳してしまうので、温度制御には不向きであった。
【０００７】
温度制御を、ＰＷＭによる制御によって実現しようとした場合、ＰＷＭによる制御で生じるノイズを効果的に除去する方法が従来はなかった為に、ノイズが載っていない直流電圧を増減した信号を用いる温度制御の方法を採らざるを得ない。よってこの場合、ヒータ駆動用素子のトランジスタには、コレクタ損失の大きいものを使用せざるを得ないので、回路定数の設定が複雑になり、また使用する素子が大型化するため、制御回路は複雑で大きなものにになってしまう。
【０００８】
上記問題点を鑑み、本発明は、小型化、低電力化を実現した水晶発振器及び水晶発振器に於ける保温方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するため、本発明による水晶発振器は、ヒータ及び制御手段を備える。
ヒータは、ヒータ線路を多重化した構成を持つ。
【００１０】
制御手段は、前記ヒータを制御する。
この構成により、多重化されたヒータによって恒温対象物は、保温される。
また前記ヒータは、ヒータ線路を２重化しており、前記制御手段は、２つの前記ヒータ線路に、その物理的配置に対して逆相の駆動電流を流す構成としても良い。
【００１１】
この構成によって、互いに逆相の電流が流れるヒータ線路によって、ヒータ線路上のノイズが互いに相殺されるので、ヒータによって恒温状態に保持される恒温対象物はヒータ線路上のノイズの影響を受けない。
【００１２】
更に前記ヒータは、該ヒータによって恒温状態に保持される恒温対象物を前記ヒータ線路で包み込むように配置される構成としても良い。
この構成によって、恒温対象物を外部温度変化による影響を受けずに設定された温度に保つことができる。
【００１３】
また前記制御手段は、前記ヒータをＰＷＭ方式によって制御する。この構成によって、発振器の小型化、省電力化を実現することが出来る。
また本発明は、水晶発振器のみではなく、水晶発振器における恒温対象物の保温方法もその範囲に含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、恒温対象物を外部温度変化による影響を受けずに設定された温度に保つことができるので、温度変化に対して、安定した高い周波数精度の発振を行なうことが出来る。
【００１５】
また、ヒータの制御にＰＷＭ等のヒータ線路にノイズが載る制御方式を採用することが出来る。更には、ＰＷＭ制御を用いることによって、温度制御回路の小型化、省電力化を実現することが出来る。
【００１６】
更には、発振器を小型化することが出来るので、発振器を起動してから、短時間で安定した発振出力を行なえるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照しながら本発明による発振器の一実施形態について説明する。
本実施形態の発振器では、水晶振動子等、温度変化によって発振器の発振周波数に影響を与える構成要素を恒温対象物として恒温状態に保持するヒータの、ヒータ線路を複数、互いに隣接して配置する。そして各々のヒータ線路の物理的配置に対して、逆相の駆動電流を流すことによって、駆動信号に重畳した交流ノイズ成分を互いにうち消し、ヒータに囲まれた部分の電磁界が少ない領域に水晶発振器を配置する。これにより、ヒータの温度制御にパルス幅変調方式による制御等、駆動信号にノイズが載る可能性のある制御方式を用いても、２つのヒータ線路それぞれが互いに打ち消し合い、ノイズを消すことができる。
【００１８】
図１（ａ）に従来の発振器で用いられるヒータ、同図（ｂ）に本実施形態における発振器のヒータの構成を示す図である。
同図（ａ）に示すように、水晶発振器に用いられる従来のヒータ１１ａは、基板の中心に配置された、水晶片や発振回路を構成する回路素子等の恒温状態に保つ対象物を包み込むようにループ型のヒータ線路１２が基板上に設けられている。
【００１９】
それに対して、本実施形態の水晶発振器で用いられるヒータ１１ｂは、同図（ｂ）に示すようにヒータ線路を２重に備え、ヒータ線路１３の内側にヒータ線路１４が配置された構成を持つ。そして、２つのヒータ線路１３、１４は、ヒータをドライブする温度制御回路とたすき状に接続されており、互いに逆方向に電流が流れる。これによってヒータ線路１４上に載ったノイズとヒータ線路１３上に載ったノイズが互いに打ち消し合い、恒温状態に保つ対象物をノイズから防ぐ。よってこのヒータの制御にＰＷＭによる制御を用いても、そのヒータをドライブする信号に載っているノイズが水晶発振回路の出力に影響を与えないので、高い精度の発振信号を出力できる発振器を実現することが出来る。
【００２０】
尚以下の説明では、図１（ａ）に示した一般的なヒータをＳＤＨ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｈｅａｔｅｒ）、図１（ｂ）に示した本実施形態の発振器で用いられるヒータをＤＤＨ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｄｒｉｖｅｎ  Ｈｅａｔｅｒ）と呼ぶ。
【００２１】
図２及び図３は、ヒータとヒータによって恒温状態に置かれる対象物の配置例を示す図である。
図２は、ヒータによって恒温状態に保持する対象物として、水晶発振回路をヒータの内側に配置した例である。
【００２２】
同図の例では、セラミック基板２１の上に厚膜焼成のヒータ抵抗体によって形成したＤＤＨ２２を配置する。そして恒温状態に保つ対象物として、水晶振動子やＶＣＸＯを構成する回路要素を集積化してセラミック等のパッケージに内包しているＩＣチップ２３、サーミスタ等のＤＤＨ２２の内側の温度を感知する温度センサ２４、及びＩＣチップ２３内に収容できない大容量のコンデンサ等のディスクリート部品２５を、ＤＤＨ２２によって包み込まれるように、ＤＤＨ２２に囲まれた部分のその中心位置に配置している。
【００２３】
また図３は、恒温状態に保持する対象として、図２に示したＩＣチップ３３、温度センサ３４、及びディスクリート部品３５の他に、ＤＤＨ３２をコントロールする温度制御回路３６をＤＤＨ３２の内側に配置した場合の例を示す図である。
【００２４】
この温度制御回路３６は、温度の変化に基づいて変化する温度センサ３４の抵抗値に基づいて、ＤＤＨ３２をＰＷＭ制御して、セラミック基板３１上に形成されたＤＤＨ３２の内側に配置されているチップ３３、温度センサ３４、ディスクリート部品３５、及び温度制御回路３６の温度を一定に保つ。
【００２５】
この図２及び図３に示した構成の発振器では、恒温状態に保つ対象物をＤＤＨ２２（ＤＤＨ３２）によって包み込んで保温するので、恒温対象物は外部温度変化による影響を受けずに設定された温度に保たれる。
【００２６】
また温度制御回路による制御にＰＷＭ方式を採用して、ＤＤＨ２２（ＤＤＨ３２）をドライブする電流のパルス幅を変化させることによって温度を制御し、その結果ＤＤＨ２２（ＤＤＨ３２）に流れる電流に交流ノイズ成分が載っていても、ＤＤＨ２２（ＤＤＨ３２）の２重になっている２つのヒータ線路の電磁場は互いに打ち消し合うので、その内部位置に配置された、発振回路のチップ等の恒温対象物はヒータ線路上に載っているノイズの影響を受けず、よって本来の高い周波数精度の発振を実現することが出来る。
【００２７】
更には、ＰＷＭ方式による温度制御を行なうことが出来るので、装置全体の小型化、低電力化を実現することが出来、携帯機器等に採用することも出来る。また機器の小型化により、恒温状態に保つ対象物の温度を規定値にするのに要する時間を短くすることができ、起動から安定した発振出力を行なうまでに要する時間を短縮することが出来る。
【００２８】
尚図２、図３では温度センサ２４、３４は、恒温状態に保持する対象物の近傍に１つのみ配置されているが、ＤＤＨ２２、３２の内側に複数の温度センサを配置する構成としても良い。この場合には、複数の温度センサを直列に配置し、全体の抵抗値を元に温度を制御したり、複数の温度センサを並列に接続し、各温度センサの値の多数決をとって、温度制御を行なう等の方法を用いる。またこの場合の温度センサの配置は、基板の温度分布等を考慮してＤＤＨ２２、３２の内側部分の四隅と中央等、適宜な位置を選択する。
【００２９】
図４は、本実施形態における水晶発振器の回路構成例を示すブロック図である。同図の回路図は、ＤＤＨをＰＷＭ方式によって制御する場合の構成を例として示したものであり、制御する温度制御回路を中心として記載しており、ＤＤＨの制御に関する部分以外の記載は簡略化されている。
【００３０】
本実施形態の水晶発振器は、図２に示した発振回路４５、ＤＤＨ４６及びサーミスタ等の温度センサ４９がセラミック等の基板によって熱結合されており、発振回路４５及び発振回路４５近傍に配置された温度センサ４９をＤＤＨ４６のヒータ線路４７、４８が２重に囲むよう配置されている。
【００３１】
またＤＤＨ４６及び温度センサ４９は、エラー信号発生器４１、積分器４２及びＰＷＭ設定器４３からなる温度制御回路と電気的に接続されており、温度制御回路は、温度センサ４９の熱による抵抗値の変化に基づいて、ＤＤＨ４６をＰＷＭ制御する。
【００３２】
エラー信号発生器４１は、抵抗Ｒ１、Ｒ３、オペアンプＡ１、及び可変抵抗ＶＲによって生成される規定電圧と、温度センサ４９、抵抗Ｒ２、Ｒ４、及びオペアンプＡ２で構成される増幅器の出力電圧をチョッパアンプＡ３、抵抗Ｒ５、Ｒ６によって構成される差動増幅器によって比較し、その差分値を積分器４２に入力する。尚電圧源Ｅはエラー信号発生器４１及び積分器４２の基準電圧を与える電圧源である。
【００３３】
積分器４２では、抵抗Ｒ７、Ｒ８及びコンデンサＣ１によって形成されるローパスフィルタによってチョッパアンプＡ３の出力から不要なノイズ成分をカットした後、アンプＡ４、コンデンサＣ２、Ｃ３及び抵抗Ｒ９によって構成される積分器によって温度時定数にタイミングを合わせたエラー信号を生成して、ＰＷＭ設定器４３に入力する。
【００３４】
このエラー信号は、ＤＤＨ４６の内側の温度が設定温度から外れたことをＰＷＭ設定器４３に通知するもので、ＤＤＨ４６の内側の温度が可変抵抗ＶＲによって設定された設定温度より温度が上がり温度センサ４９の抵抗値が上がると、積分器４２からＰＷＭ設定器４３にプラスの電圧のエラー信号が、逆に設定温度より温度が下がり温度センサ４９の抵抗値が下がると、積分器４２からＰＷＭ設定器４３にマイナスの電圧のエラー信号が入力される。ＰＷＭ設定器４３はこのエラー信号の電圧値に応じて、ＤＤＨ４６をドライブする電流のパルス幅を伸縮させて温度制御を行なう。尚この時必要に応じて、ＰＷＭ設定器４３とＤＤＨ４６との間にローパスフィルタ４４を設け、ＰＷＭ設定器４３から出力されるエラー信号に載っているノイズをこのローパスフィルタ４４によって除去してからＤＤＨ４６に入力する構成としても良い。
【００３５】
図５は、本実施形態における発振回路を構成する構成要素の配置例を示す断面図である。本実施形態における発振回路は、小型化を実現するために、各構成要素を容器内に立体的に配置している。
【００３６】
同図において、本実施形態の発振回路は、セラミック基板５１上に厚膜抵抗によって形成されたＤＤＨ５２の内側に、恒温対象物である、発振器を構成するチップ５３及び温度を検知する温度センサ５４を配置し、これらを断熱材５５によって真空封止している。またセラミック基板５１の逆側には、ローパスフィルタを構成するコンデンサ５７及びインダクタンス５８が実装されているガラスエポキシ基板５６が連結具５９ａ、５９ｂによって接続されている。
【００３７】
また図４に示したエラー信号発生器４１、積分器４２及びＰＷＭ設定器４３から構成される温度制御回路を集積化した集積回路６１、電源やヒータ電流モニター用のデカップリング用のコンデンサ６２及び６３、制御温度設定や基準電圧調整用抵抗器６４が、ガラスエポキシ基板６０上に配置されており、この基板６０が連結具６５ａ、６５ｂによってガラスエポキシ基板５６と対向する形で連結し、金属カバー６６によってこれらを封止している。
【００３８】
この構成によって、ＤＤＨ５２によって暖められるセラミック基板５１の面積を小さくすることが出来、消費電力も小さくすることが出来る。またＤＤＨ５２によって真空封止した内部の温度を反応良く調整することが出来る。
【００３９】
またこの構成により、外部温度の変化はまずＤＤＨ５２が影響を受け、次に温度センサ５４及びチップ５３の温度が影響を受ける構成となる。そして温度センサ５４が受けた外部温度の変化による影響をエラー信号として取り出し、温度制御回路によってヒータ電流としてＤＤＨ５２にフィードバックすることにより温度制御を行なう。これによって、チップ５３等が配置されているＤＤＨ５２の内側に閉ざされた部分は、外部に熱が逃げにくく、領域内温度勾配を低く押さえる事が出来る。
【００４０】
図６は、ＤＤＨの別構成の例を示す図である。
これまでの説明では、図６（ａ）に示すように、２重化されているヒータ線路７２ａ、７３ａを基板７５上に並べて形成していたが、本実施形態のＤＤＨの構成はこれに限らず、他の構成、例えば基板７５に対して立体的に形成しても良い。
【００４１】
図６（ｂ）、（ｃ）はこの場合のＤＤＨの構成例である。
図６（ｂ）は、ＤＤＨを形成する１つ目のヒータ線路７２ｂを、図６（ａ）に示したＤＤＨの場合と同様、基板７５上の恒温対象物７１と同じ面に形成した後、基板７５のヒータ線路７２ｂを設けた面と逆の面にもう１つのヒータ線路７３ｂを設けている。
【００４２】
また図６（ｃ）では、１つ目のヒータ線路７２ｃを図６（ａ）に示したＤＤＨの場合と同様、基板７５の恒温対象物７１と同じ面に形成した後、ヒータ線路７２ｃの上に絶縁層７４を形成し、更にその上に第２のヒータ線路７３ｃを形成する。
【００４３】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれの形でＤＤＨを形成しても、本実施形態の発振器では、恒温対象物をヒータによって包み込んで保温することが出来、またヒータ線路上にノイズが載っても２つのヒータ線路上に生じる電磁界が互いに打ち消し合うので、ＤＤＨの中心に配置された回路要素は、ヒータ線路上に載っているノイズの影響を受けない。
【００４４】
尚上記例では、ＤＤＨは、２つのヒータ線路によって２重化して恒温対象物を包み込む構成としたが、複数のヒータ線路によって互いのノイズを相殺で出来れば、３つ以上のヒータ線路によって３重化以上で恒温対象物を包み込む構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）は従来の発振器で用いられるヒータ、（ｂ）に本実施形態における発振器のヒータの構成を示す図である。
【図２】本実施形態における水晶発振器のヒータ及び恒温対象物の配置例を示す図である。
【図３】本実施形態における水晶発振器のヒータ及び恒温対象物の別例の配置を示す図である。
【図４】本実施形態における水晶発振器の回路構成例を示すブロック図である。
【図５】本実施形態における発振回路を構成する構成要素の配置例を示す断面図である。
【図６】ＤＤＨの構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１      ヒータ
１２、１３、１４、４７、４８  ヒータ線路
２１、３１、５１              セラミック基板
２２、３２、４６、５２  ＤＤＨ
２３、３３、５３        ＩＣチップ
２４、３４、４９、５４  温度センサ
２５、３５              ディスクリート部品
３６                    温度制御回路
４１                    エラー信号発生器
４２                    積分器
４３                    ＰＷＭ設定器
４４                    ローパスフィルタ
４５                    発振回路
５５                    断熱材
５６、６０              ガラスエポキシ基板
５７                    インダクタンス
５８、６２、６３        コンデンサ
５９、６５              連結具
６１                    集積回路
６４                    抵抗器
６６                    金属カバー
【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６】
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【図５】
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