(57)【要約】【課題】  ヒータの電流を制御して温度を制御する温度制御装置において、温度の安定に要する時間と、起動電流の大きさとの間で優先度を選択できる技術を提供する。【解決手段】  温度制御装置において演算部６の出力値を上限値に制限するためのディジタル回路からなる飽和処理回路部４を設け、上限値を書き換え可能なメモリ８に記憶するように構成する。上限値の値を大きくすれば被加熱体の温度安定時間が短縮される一方、ヒータ５の最大電流が大きくなる。上限値の値を小さくすれば被加熱体の温度安定時間が長くなる一方、ヒータ５の最大電流が小さくなる。メモリ８内の上限値の値を自由に設定することができることから、起動時における水晶振動子１０、２０の温度安定時間の短縮とヒータ５の最大電流の抑制との優先度を調整することができる。このため、発振装置のメーカーは、ユーザごとに前記優先度の要請に応じた発振装置を容易に制作することができる。【選択図】図１
2015095099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒータにより加熱される被加熱体の温度を目標温度に制御する温度制御装置において、
前記被加熱体に対応する温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部にて検出された温度検出値と目標温度との差分値に対応するディジタル値を求める差分演算部と、
前記差分演算部にて演算されたディジタル値を入力値として操作量を算出し、操作量をディジタル値として出力する調節部と、
前記調節部の後段に接続され、前記調節部の出力値を、予め設定された上限値に制限するためのディジタル回路からなる飽和処理回路部と、
前記上限値を記憶するための書き換え可能な記憶部と、
前記飽和処理回路部の出力値をアナログ信号に変換し、制御指令値として前記ヒータに出力するための変換部と、を備えたことを特徴とする温度制御装置。
【請求項２】
前記記憶部に対して上限値の書き込みまたは書き換えを行うための外部コンピュータが接続される接続部を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の温度制御装置と、
被加熱体となる水晶振動子に接続された発振回路と、
記憶部に記憶された上限値を書き換えるための外部コンピュータと接続するための接続部と、を備えることを特徴とする発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータにより加熱される被加熱体の温度を目標温度に制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品をヒータにより一定の温度に加熱して、電子部品の特性の安定化を図る場合があり、その一例としていわゆるオーブン付きの水晶発振器（ＯＣＸＯ）が挙げられる。水晶振動子は、温度により周波数が変動することから、出力周波数について高い安定度が要求される場合には、このようなタイプの水晶発振器が用いられる。  
【０００３】
ＯＣＸＯでは、水晶振動子の近くに設けられた温度検出部により、その雰囲気温度を検出し、雰囲気温度に従ってヒータの調節を行い周波数発振部の雰囲気温度を制御している。そのためＯＣＸＯを起動した後、周波数発振部の雰囲気温度は、設定温度よりも高温側へのオーバーシュート及び低温側へのアンダーシュートを繰り返しながら徐々に設定値に近づいていく。この時のＯＣＸＯに流れる起動電流の最大値や、周波数の安定までに要する時間は、ＯＣＸＯの回路を構成するトランジスタや抵抗などのハードウエアの配置レイアウトやスペックにより決定される。しかしながら顧客の使用用途により要求される起動時間や起動電流は異なるため、顧客の要求に合わせてハード構成を組み換えて、発振器の調整を行う必要があった。
【０００４】
特許文献１には、フィードバック制御により起動電流のオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する技術が記載されているが、起動電流の大きさや起動に要する時間を可変とするものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−７５６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的はヒータへの供給電力を制御して温度を制御する温度制御装置において、温度の安定に要する時間と、起動電流の大きさとの間で優先度を選択できる温度制御装置を提供することにある。また他の目的は、水晶振動子の発振周波数の安定までに要する時間と起動電流の大きさとの間で優先度を選択できる発振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の温度制御装置は、ヒータにより加熱される被加熱体の温度を目標温度に制御する温度制御装置において、
前記被加熱体に対応する温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部にて検出された温度検出値と目標温度との差分値に対応するディジタル値を求める差分演算部と、
前記差分演算部にて演算されたディジタル値を入力値として操作量を算出し、操作量をディジタル値として出力する調節部と、
前記調節部の後段に接続され、前記調節部の出力値を、予め設定された上限値に制限するためのディジタル回路からなる飽和処理回路部と、
前記上限値を記憶するための書き換え可能な記憶部と、
前記飽和処理回路部の出力値をアナログ信号に変換し、制御指令値として前記ヒータに出力するための変換部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の発振装置は、上述の温度制御装置と、被加熱体となる水晶振動子に接続された発振回路と、
記憶部に記憶された上限値を書き換えるための外部コンピュータと接続するための接続部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、温度制御装置において調節部の出力値を上限値に制限するためのディジタル回路からなる飽和処理回路部を設け、上限値を書き換え可能な記憶部に記憶するように構成している。上限値の値を大きくすれば被加熱体の温度安定時間が短縮される一方、ヒータの最大電流が大きくなり、逆に上限値の値を小さくすれば被加熱体の温度安定時間が長くなる一方、ヒータの最大電流が小さくなる。従って、本発明によれば、記憶部内の上限値の値を自由に設定あるいは選択することができることから、起動時における被加熱体の温度安定時間の短縮とヒータの最大電流の抑制との優先度を調整することができる。また本発明を水晶振動子を用いた発振装置に適用した場合には、起動時における発振周波数の安定時間の短縮とヒータの最大電流の抑制との優先度を調整することができる。このため、発振装置のメーカーは、ユーザごとに前記優先度の要請に応じた発振装置を容易に制作することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る温度制御装置を備えたＯＣＸＯの構成を示すブロック図である。
【図２】前記温度制御装置に設けられている周波数差検出部のブロック図である。
【図３】前記周波数差検出部の入出力波形の説明図である。
【図４】周波数検出部のディジタル出力値と温度との関係を示す特性図である。
【図５】前記温度制御装置に設けられている飽和処理回路のブロック図である。
【図６】飽和処理回路における論理値の対応関係を示す説明図である。
【図７】実施例に係るＯＣＸＯの起動からの経過時間に対する起動電流を示す特性図である。
【図８】実施例に係るＯＣＸＯの起動からの経過時間に対する起動電流を示す特性図である
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明の実施形態にかかる温度制御装置を用いた発振装置の全体を示すブロック図である。この発振装置は、ＯＣＸＯとして構成されている。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。例えば短冊状の水晶片Ｘｂ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。このため第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は熱的に結合されたものということができる。
【００１１】
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。これら発振回路１、２の出力は、いずれについても例えば水晶振動子１０、２０のオーバートーン（高調波）であってもよいし、基本波であってもよい。
【００１２】
ここで便宜上、第１の発振回路１から周波数ｆ１の周波数信号が出力され、第２の発振回路２から周波数ｆ２の周波数信号が出力されるものとすると、周波数ｆ１の周波数信号は、例えば発振装置の発振出力として外部へと出力される。図１中、３は周波数差検出部であり、この周波数差検出部３は概略的な言い方をすれば、ｆ１とｆ２との差分と、Δｆｒとの差分である、ｆ２−ｆ１−Δｆｒを取り出すための回路部である。Δｆｒは、基準温度例えば２５℃におけるｆ１（ｆ１ｒ）とｆ２（ｆ２ｒ）との差分である。ｆ１とｆ２との差分の一例を挙げれば、例えば数ＭＨｚである。本発明は、周波数差検出部３によりｆ１とｆ２との差分に対応する値と、基準温度例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分に対応する値との差分であるΔＦを計算することにより成り立つ。この実施形態の場合、より詳しく言えば、周波数差検出部３で得られる値は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝である。
【００１３】
図２は、周波数差検出部３の具体例を示している。３１はフリップフロップ回路（Ｆ／Ｆ回路）であり、このフリップフロップ回路３１の一方の入力端に第１の発振回路１からの周波数ｆ１の周波数信号が入力され、他方の入力端に第２の発振回路２から周波数ｆ２の周波数信号が入力され、第１の発振回路１からの周波数ｆ１の周波数信号により第２の発振回路２からの周波数ｆ２の周波数信号をラッチする。以下において記載の冗長を避けるために、ｆ１、ｆ２は、周波数あるいは周波数信号そのものを表しているとして取り扱う。フリップフロップ回路３１からは、ｆ１とｆ２との周波数差に対応する値である（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の周波数をもつ信号が出力される。
【００１４】
フリップフロップ回路３１の後段には、ワンショット回路３２が設けられ、ワンショット回路３２では、フリップフロップ回路３１から得られたパルス信号における立ち上がりにてワンショットのパルスを出力する。図３（ａ）〜（ｄ）はここまでの一連の信号を示したタイムチャートである。ワンショット回路３２は、本例の周波数差検出部３に設けられたパルス作成部に相当する。
【００１５】
ワンショット回路３２の後段にはＰＬＬ（Phase  Locked  Loop）が設けられ、このＰＬＬは、ラッチ回路３３、積分機能を有するループフィルタ３４、加算部３５及びＤＤＳ（Direct  Digital  Synthesizer）回路部３６により構成されている。ラッチ回路３３はＤＤＳ回路部３６から出力された鋸波をワンショット回路３２から出力されるパルスによりラッチするためのものであり、ラッチ回路３３の出力は、前記パルスが出力されるタイミングにおける前記鋸波の信号レベルである。ループフィルタ３４は、この信号レベルである直流電圧を積分し、加算部３５はこの直流電圧とΔｆｒ（基準温度例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分）に対応する直流電圧とを加算する。Δｆｒに対応する直流電圧のデータは例えば不図示のメモリに格納されている。またループフィルタ３４の出力側には、予め設定した時間における入力値の移動平均を求める平均化回路３７を設けられている。
【００１６】
図４は、周波数差検出部３のディジタル出力値と温度との関係を示しており、当該出力が温度に対して直線関係にあることが分かる。従って周波数差検出部３の出力値（ディジタル値）は水晶振動子１０、２０が置かれている温度の検出値に対応しているということができる。従って、水晶振動子１０、２０、発振回路１、２及び周波数差検出部３はディジタルの温度検出値を得るための温度検出部である。
【００１７】
図１に説明を戻すと、周波数差検出部３の後段に差分演算部である第１の加算部６０が設けられている。例えばＡＴカットの水晶振動子では、周波数と温度との関係は３次曲線となり、周波数は−４０℃付近においてピークとなり、８５℃付近においてボトムとなる。本例の温度制御装置においては、目標温度は例えば８５℃である。
【００１８】
図４に示すように温度検出部にて得られたディジタル出力値（周波数検出部３のディジタル出力値）は温度が上昇するにつれて正の値から負の値へと減少している。従って第１の加算部６０は、周波数差検出部からのディジタル値と温度目標値に対応するディジタル値とを加算しているが得られた加算値であるディジタル値は、目標とする温度からその時の温度を差し引いた温度差に対応する大きさとなっている。即ち温度が−４０℃から例えば目標とする温度８５℃に近づくにつれて、第１の加算部６０の加算値は減少する。従って第１の加算部６０は、温度目標値と温度検出値との差分を求める差分演算部であるということができる。
【００１９】
第１の加算部６０の後段には、前記第１の加算部６０にて演算された差分値に応じて、ヒータ５への給電量を調節する操作量の演算を行う調節部（演算部）６が接続されている。演算部６は、差分値の大きさに比例した操作量を得るために、当該差分値に比例ゲインを乗算するＰ演算部６１と、差分値の時間積分値を演算する積分回路からなるＩ演算部６２と、Ｐ演算部６１及びＩ演算部６２の出力を加算する第２の加算部６３とを備えている。
【００２０】
演算部６の後段には飽和処理回路部４が接続されている。飽和処理回路部４は、ヒータ５に供給される直流電圧に相当する、演算部６から出力された値（入力値）の上限値と下限値とを設定するための設定部となる回路である。飽和処理回路部４は、入力値が下限値よりも小さいときには下限値を出力し、上限値よりも大きいときには上限値を出力し、下限値と上限値との間にあるときにはそのまま入力値が出力されるように構成される。
【００２１】
この例では飽和処理回路部４は、図５に示すように例えばディジタルコンパレータ４１、４２とセレクタ４３とを備えている。一方のディジタルコンパレータ４１の負の入力端には、上限値が入力され、他方のディジタルコンパレータ４２の正の入力端には下限値が接続されている。ディジタルコンパレータ４１の正の入力端及びディジタルコンパレータ４２の負の入力端には入力値が入力される。セレクタ４３の端子Ｓ１、Ｓ２に入力される論理値の組み合わせにより内部スイッチのオンオフが選択されて入力端ＩＮ１〜ＩＮ３のうちの一つが選択されその入力値が出力される。セレクタ４３はＳ１、Ｓ２の論理値の組と出力との対応関係が図６に示される関係になるように構成される。
【００２２】
例えば飽和処理回路部４には、制御部をなすコントローラ８０が接続されており、コントローラ８０は、メモリ８、ＣＰＵ８１、及びインターフェイス８２を備えている。なお図１中の８３はバスである。前記飽和処理回路部４における上限値と下限値とは、例えば１６ビットのディジタル値としてメモリ８に記憶されており、ＣＰＵ８１により各々メモリ８から読みだされる。インターフェイス８２は、接続部となる接続端子部８４と接続されており、接続端子部８４に外部コンピュータ９を接続して、外部コンピュータ９からの命令によりメモリ８に記憶されている上限値及び下限値が変更できるように構成されている。
【００２３】
セレクタ４３から出力される信号は、ディジタル信号をアナログ信号に変換するための変換部であるＤ／Ａ変換器６５に入力される。Ｄ（ディジタル）／Ａ（アナログ）変換器６５は、セレクタ４３から出力されるディジタル値に応じた量の直流電圧を出力する。  
Ｄ／Ａ変換器６５の後段には、ヒータ５が設けられている。例えばヒータ５は、Ｄ／Ａ変換器６５の出力端がベースに接続されると共に不図示の電源部にコレクタ接続されるトランジスタとこのトランジスタのエミッタとアースとの間に接続された抵抗とにより構成される。トランジスタのベースに供給される電圧と、トランジスタの消費電力及び抵抗の消費電力との合計電力と、の関係は直線関係になっており、このためＰ演算部６１、Ｉ演算部６２にて得た操作量に基づいてヒータ５の発熱量を直線的に制御することができる。この例では、トランジスタもヒータ５の一部となっており、水晶振動子１０、２０とヒータ５とは、共通の筐体内に格納されている。
【００２４】
上述の実施の形態の作用について説明する。まず、予めメーカーにおいて、発振装置に外部コンピュータ９を接続し、ユーザの要求に合わせて外部コンピュータ９によりメモリ８に記憶される飽和処理回路部４における上限値と下限値との設定が行われる。ユーザが発振装置を使用する場合において、例えば第１の加算部６０に入力される目標温度は８５℃に設定して、−４０℃の雰囲気温度において発振装置を使用する場合を考える。即ち第１及び第２の水晶振動子２１、２２により検出される温度（温度検出値）は−４０℃となる。
演算部６で演算される差分値は目標温度と温度検出値の温度差（８５℃−（−４５℃））に相当する大きな値であり、飽和処理回路部４がない場合には、前記差分値に基づいて演算部６にて演算されたディジタル値がＤ／Ａ変換部６５に入力され、制御電力に変換されてヒータ５に入力される。
【００２５】
このためヒータ５に一気に大きな電流が流れて発熱し、雰囲気温度が−４０℃から大きく上昇して、目標温度である８５℃を越える。従って第１の加算部６０の加算値、即ち演算部６に入力される値が減少し、ヒータ５に流れる電流が減少する。なお雰囲気温度が目標温度である８５℃を越えて、第１の加算部６の出力値が０以下になるとヒータ５はオフとなる。このため雰囲気温度の上昇が止まり、降温に転じて温度が低くなることから、図１に示す制御ループの作用によりヒータ５の電流が大きくなろうとする。こうしてヒータ５の電流が大きくオーバーシュート、アンダーシュートした後、再度小さなオーバーシュート、アンダーシュートを繰り返してヒータ５の電流が安定化し、雰囲気温度が目標温度である８５℃に維持される。
【００２６】
ここで飽和処理回路部４を設けた場合について述べる。例えば目標温度と温度検出値との温度差が大きい場合には、演算部６から大きなディジタル値が出力されることになる。飽和処理回路部４は、前述のようにヒータ５に流れる電流が上限値から下限値までの範囲の値となるように構成されている。そのため演算部６から上限値を越える大きなディジタル値が出力されて場合にも、飽和処理回路部４から出力される入力値は、上限値を超えない値となる。従ってヒータ５に一気に大きな電流が流れることがないため、オーバーシュートが小さくなる。また水晶振動子１０、２０の雰囲気温度が目標温度を超えた場合には、第１の加算部６０の加算値が負の値となり、演算部６から小さなディジタル値が出力されることになるが、入力値が０となる場合にはヒータ５がオフとなる。ヒータ５に流れる電流のオーバーシュートが抑制され、ヒータ５の発熱量が抑制されているため、ヒータ５の出力がオフになった場合にも水晶振動子１０、２０の雰囲気温度が一気に大きく変化しない。従ってヒータ５に流れる電流のアンダーシュートが抑制される。
【００２７】
雰囲気温度が、例えば−４０℃の場合ディジタル値が一気に上昇し、これに伴いヒータ５に流れる電流が急激に大きくなるが、ディジタル値が上限値に達すると前記電流の最大値は上限値に応じた値に制限される。このため前記電流のオーバーシュートが抑えられ、前記上限値の大きさによっては、オーバーシュートが発生しない。一方前記上限値が低くなるとヒータ５の最大発熱量が小さくなることから雰囲気温度の昇温スピードが遅くなり、雰囲気温度が安定するまでの時間は、飽和処理回路部４を設けない場合に比べて長くなる。従って雰囲気を短時間で安定させることを優先させる場合には前記上限値を大きくし、ヒータ５に流れる電流の最大値を小さくすることを優先させる場合には、前記上限値を小さくすればよいことになる。
【００２８】
上述の発振装置においてメモリ８を書き換えて上限値を３２７６７、下限値を−３２７６８に設定した場合における起動電流の変化を図７に示す。また上限値を２５００、下限値を−３２７６８に設定した場合における起動電流の変化を図８に示す。なおＯＣＸＯの場合には、起動電流の大部分は、ヒータ５に流れる電流である。
図７と図８を比較すると、上限値を高い値に設定した場合には、ヒータ５の電流値の上限が高くなる。また温度検出値が安定するまでの時間、即ち起動時間が短くなる。一方上限値を低い値に設定した場合ヒータ５の電流値の上限が低くなる。また起動時間が長くなる。従ってメモリ８に記憶させる上限値の値を変更することにより、発振装置の起動電流と、発振周波数の安定までに要する時間との優先度を調整できることになる。
【００２９】
上述実施形態では、温度制御装置において演算部６の出力値を上限値に制限するためのディジタル回路からなる飽和処理回路部４を設け、上限値を書き換え可能なメモリ８に記憶するように構成している。上限値の値を大きくすれば被加熱体の温度安定時間が短縮される一方、ヒータ５の最大電流が大きくなり、逆に上限値の値を小さくすれば被加熱体の温度安定時間が長くなる一方、ヒータ５の最大電流が小さくなる。従って、メモリ８内の上限値の値を自由に設定することができることから、起動時における被加熱体である水晶振動子１０、２０の温度安定時間の短縮とヒータ５の最大電流の抑制との優先度を調整することができる。このため、発振装置のメーカーは、ユーザごとに前記優先度の要請に応じた発振装置を容易に制作することができる。
【００３０】
また予めメモリ８に複数の上限値の値を記憶させておき、外部コンピュータにより、所定の値を選択するようにしてもよく、この場合においてもメモリ８内の上限値を外部コンピュータ９により書き換えることができるという意味に相当する。このように構成した場合にも飽和処理回路部４における上限値を変更することができるため起動時間とヒータ５の電流値の上限とを調整することができる。
本発明の温度制御装置は、発振装置に適用することに限らず、例えば被処理体を一定温度で加熱処理する加熱処理装置などにも適用できる。
さらに書き換え可能なメモリ８として例えばレジスタを用い、外部コンピュータ９から直接上限値を書き込むようにしてもよい。あるいは外部コンピュータに限らず、装置に入力操作部が設けられていて、この入力操作部により上限値を書き換えてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１            第１の発振回路
２            第２の発振回路
３            周波数差検出部
４            飽和処理回路
５            ヒータ
６            調節部
８            メモリ
９            外部コンピュータ
１０          第１の水晶振動子
２０          第２の水晶振動子
４１、４２    ディジタルコンパレータ
４３          セレクタ
８０          コントローラ
８４          接続端子部
【図１】
2015095099.tif 000003
【図２】
2015095099.tif 000004
【図３】
2015095099.tif 000005
【図４】
2015095099.tif 000006
【図５】
2015095099.tif 000007
【図６】
2015095099.tif 000008
【図７】
2015095099.tif 000009
【図８】
2015095099.tif 000010