(57)【要約】【課題】  安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる温度制御回路及び恒温槽付水晶発振器を提供する。【解決手段】  抵抗R10の一端、抵抗R11の一端、ヒータ抵抗RH1の一端に電源電圧が印加され、サーミスタTH1の他端、温度感温素子ZZの他端、トランジスタQ2のコレクタ側をグランド共通にする回路であって、オペアンプIC2の入力端子に温度感温素子ZZの一端を接続し、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を徐々に高くなるよう制御を行うものであり、グランド共通型とすることで、制御温度幅を狭くし、恒温槽設定温度を周囲動作温度の上昇に伴い徐々に上昇させることで、安定性の高いSC−cutの水晶振動子を使用可能とする恒温槽付水晶発振器の温度制御回路である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温槽付水晶発振器の温度制御回路であって、
オペアンプと、ＰＮＰ型のトランジスタとを備え、
電源電圧が、第１の抵抗の一端と、第２の抵抗の一端と、ヒータ抵抗の一端に印加され、
前記第１の抵抗の他端がサーミスタの一端に接続され、当該サーミスタの他端が接地され、
前記第２の抵抗の他端が温度感温素子の一端に接続され、当該温度感温素子の他端が接地され、
前記第１の抵抗の他端と前記サーミスタの一端を接続する線から分岐して第３の抵抗を介して前記オペアンプに一方の入力端子に入力され、
前記第２の抵抗の他端と前記温度感温素子の一端を接続する線から分岐して第４の抵抗を介して前記オペアンプの他方の入力端子に入力され、
前記オペアンプの出力が第５の抵抗を介して帰還して前記一方の入力端子に入力されると共に、第６の抵抗を介して前記トランジスタのベースに入力され、
前記トランジスタのエミッタに前記ヒータ抵抗の他端が接続され、
前記トランジスタのコレクタが接地され、
前記各接地される部分は、グランド共通配線に接続され、
前記温度感温素子は、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を高くなるよう制御を行うことを特徴とする温度制御回路。
【請求項２】
温度感温素子は、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を段階的に高くなるよう制御を行うことを特徴とする請求項１記載の温度制御回路。
【請求項３】
温度感温素子は、リニア正温度係数抵抗を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の温度制御回路。
【請求項４】
温度感温素子は、サーミスタを用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の温度制御回路。
【請求項５】
グランド共通配線を銅パターンで形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の温度制御回路。
【請求項６】
ＰＮＰ型のトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタを用いたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の温度制御回路。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか記載の温度制御回路を備え、水晶振動子としては、SC−cutの水晶振動子を用いたことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に係り、特に、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる温度制御回路及び恒温槽付水晶発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
［従来の技術］
恒温槽付水晶発振器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator）は、温度を一定に保つ温度槽を備える水晶発振器である。この恒温槽付水晶発振器では、AT−cut又はSC−cutの水晶振動子が使用されており、その温度特性は、３次曲線である。そして、OCXOでは、一番温度が安定している局の部分で温度制御がされている。
【０００３】
OCXOは、一般的に動作温度が０℃から＋７０℃程度となっている。その際に、熱源を温める機構しかないため、＋８０℃と言った高温で熱源が温度制御されている。
但し、構造にもよるが、一般的に動作温度と熱源との温度差は、７〜１０℃以上で、内部の制御温度と動作温度が近づくと制御できなくなる。
【０００４】
このように槽内の温度が高温に保たれているため、内部の部品である抵抗、コンデンサ、半導体等の信頼性を常に考える必要がある。
特に、長期信頼性（部品寿命）は、温度が高い程、劣化が早くなる。一般的に使用されているアレニウスの定義では、温度が１０℃上がると、寿命は１／２になることが知られている。
【０００５】
一方、OCXOで主に使用されているSC−cutの水晶振動子の温度特性は、変曲点＋９５℃を持つ３次カーブとなっている。
そして、一番温度の安定している極点は、実際に１０℃程度のばらつきを持つ（例えば、＋８０℃＋／−５℃）。このばらつきは、水晶を切断加工する際の切断精度による製造ばらつきである。
【０００６】
しかも、変曲点が極点に近ければ近い程、つまり、極点から変曲点までの温度差が小さければ小さい程、ばらつきが大きくなり、SC−cutの水晶振動子においては、歩留まりが悪くなる原因となっている。
【０００７】
近年、市場の要求で、広い動作温度範囲のOCXOが求められている。
０〜＋７０℃の動作温度範囲から−４０〜＋８５℃の動作温度範囲を求める傾向が増えてきている。これは、装置の省エネ化などで空冷機能の規模が小さくなっていることや、屋外に配置される場合を想定しているためである。
【０００８】
そのため、上述したように、恒温槽の動作点が高くなる傾向にある。例えば、＋８５℃を設定温度とした場合に７℃上の＋９２℃で、更に製造ばらつきが加わると＋９２℃＋／−５℃となり、低温側の＋８７℃の水晶振動子だと、極点＋８５℃から＋２℃しか温度差がないため、制御できなくなる。
【０００９】
逆に、高温側の＋９７℃では、変曲点＋９５℃付近となり、加工精度を超えており、製造できないものとなる。
更に、恒温槽内部の温度自体もより高くなり、信頼性が劣化する原因となっている。
【００１０】
［水晶振動子の温度特性曲線：図４］
ここで、SC−cutの水晶振動子、IT−cutの水晶振動子、AT−cutの水晶振動子の温度特性の曲線について図４を参照しながら説明する。図４は、SC−cut、IT−cut、AT−cutの水晶振動子の温度特性曲線を示す図である。
図４（ａ）に示すように、SC−cutの水晶振動子では変曲点が＋９５℃であり、図４（ｂ）に示すように、IT−cutの水晶振動子では変曲点が＋７５℃であり、図４（ｃ）に示すように、AT−cutの水晶振動子では変曲点が＋２５℃である。
【００１１】
動作温度範囲−４０〜＋８５℃の要求に応えるためには、特に、上限温度＋８５℃に対応するには、上記水晶振動子の中で一番安定なSC−cutの水晶振動子を採用することは難しく、変曲点＋７５℃のIT−cut、更に安定性に劣るAT−cutの水晶振動子を使用せざるを得なかった。
【００１２】
［従来の恒温槽温度制御回路：図５］
次に、従来の恒温槽温度制御回路について図５を参照しながら説明する。図５は、従来の恒温槽温度制御回路を示す回路図である。
従来の恒温槽温度制御回路は、図５に示すように、電源電圧Ｖccがサーミスタ（NTC）TH1、抵抗R11、ヒータ抵抗RH1の一端に印加され、また、オペアンプIC2にも供給されている。
【００１３】
サーミスタTH1の他端には抵抗R10の一端が接続し、他端が接地され、抵抗R11の他端には抵抗R12の一端が接続され、多端が接地されている。
サーミスタTH1の他端と抵抗R10の一端を接続する線が分岐して抵抗R13を介してオペアンプIC2の（−）入力端子に入力され、抵抗R11の他端と抵抗R12の一端を接続する線が分岐して抵抗R14を介してオペアンプIC2の（＋）入力端子に入力される。
【００１４】
オペアンプIC2の出力は抵抗R16を介してトランジスタQ2のベースに入力されると共に、抵抗R15を介して（−）入力端子に帰還して入力される。
尚、オペアンプIC2は、グランド端子が接地される。
トランジスタQ2のコレクタにはヒータ抵抗RH1の他端が接続され、トランジスタQ2のエミッタは接地されている。
【００１５】
［従来の恒温槽温度制御回路の温度特性：図６］
次に、従来の恒温槽温度制御回路における温度特性について図６を参照しながら説明する。図６は、従来の恒温槽温度制御回路における温度特性を示す図である。
図６では、ヒータ抵抗の電力、トランジスタ（パワトラ）の電力、更にそれらを総合した総電力を示している。
図６に示すように、８３℃以上で９４℃以下の範囲内で、温度制御幅は７〜１０℃となっている。
【００１６】
［従来の設定温度：図７］
従来の設定温度について図７を参照しながら説明する。図７は、周囲動作温度と恒温槽設定温度を示す図である。
図７に示すように、従来では、周囲動作温度が、例えば、５℃、２５℃、７５℃で恒温槽の設定温度が、ピークでそれぞれ８０℃と一定になるよう設定されている。
【００１７】
［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開２０１２−１３４９１０号公報「温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、電子機器及び温度制御方法」（セイコーエプソン株式会社）［特許文献１］、特開２０１３−０３８７６５号公報「恒温槽付水晶発振器の温度制御回路」（日本電波工業株式会社）［特許文献２］がある。
【００１８】
特許文献１には、温度制御回路において、第１の感温素子、第２の感温素子、第３の感温素子を用いて、パワートランジスタの発熱量を制御するもので、特に、差動増幅器は、第２の感温素子が検出する温度が低い程、制御の比率を大きくし、第３の感温素子が検出する温度が高い程、制御の比率を大きくすることが示されている。
【００１９】
特許文献２には、恒温槽付水晶発振器の温度制御回路において、ＰＮＰ型のパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタ側を金属の共通パターンでグランドレベルに接続する構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２０１２−１３４９１０号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３８７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路では、OCXOの動作温度範囲を広くしたいという要求に対して、安定性の高いSC−cutの水晶振動子を採用することが難しいという問題点があった。
【００２２】
尚、特許文献１では、温度特性の補正のために第１〜３の感温素子を用いるものであって、特許文献１，２では、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽設定温度が徐々に高くなるような制御まで行うものとはなっていない。
【００２３】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる温度制御回路及び恒温槽付水晶発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、恒温槽付水晶発振器の温度制御回路であって、オペアンプと、ＰＮＰ型のトランジスタとを備え、電源電圧が、第１の抵抗の一端と、第２の抵抗の一端と、ヒータ抵抗の一端に印加され、第１の抵抗の他端がサーミスタの一端に接続され、当該サーミスタの他端が接地され、第２の抵抗の他端が温度感温素子の一端に接続され、当該温度感温素子の他端が接地され、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端を接続する線から分岐して第３の抵抗を介してオペアンプに一方の入力端子に入力され、第２の抵抗の他端と温度感温素子の一端を接続する線から分岐して第４の抵抗を介してオペアンプの他方の入力端子に入力され、オペアンプの出力が第５の抵抗を介して帰還して一方の入力端子に入力されると共に、第６の抵抗を介してトランジスタのベースに入力され、トランジスタのエミッタにヒータ抵抗の他端が接続され、トランジスタのコレクタが接地され、各接地される部分は、グランド共通配線に接続され、温度感温素子は、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を高くなるよう制御を行うことを特徴とする。
【００２５】
本発明は、上記温度制御回路において、温度感温素子が、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を段階的に高くなるよう制御を行うことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、上記温度制御回路において、温度感温素子が、リニア正温度係数抵抗を用いたことを特徴とする。
【００２７】
本発明は、上記温度制御回路において、温度感温素子が、サーミスタを用いたことを特徴とする。
【００２８】
本発明は、上記温度制御回路において、グランド共通配線を銅パターンで形成したことを特徴とする。
【００２９】
本発明は、上記温度制御回路において、ＰＮＰ型のトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタを用いたことを特徴とする。
【００３０】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路を備え、水晶振動子としては、SC−cutの水晶振動子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、電源電圧が、第１の抵抗の一端と、第２の抵抗の一端と、ヒータ抵抗の一端に印加され、サーミスタの他端が接地され、温度感温素子の他端が接地され、トランジスタのコレクタが接地され、各接地される部分は、グランド共通配線に接続され、オペアンプの他方の入力端子に接続する温度感温素子は、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を高くなるよう制御を行う恒温槽付水晶発振器の温度制御回路としているので、グランド共通型とすることで、制御温度幅を従来より狭くし、更に、恒温槽設定温度を周囲動作温度の上昇に伴い上昇させることで、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態に係る恒温槽温度制御回路の回路図である。
【図２】本温度制御回路における温度特性を示す図である。
【図３】本温度制御回路の周囲動作温度と恒温槽設定温度を示す図である。
【図４】SC−cut、IT−cut、AT−cutの水晶振動子の温度特性曲線を示す図である。
【図５】従来の恒温槽温度制御回路を示す回路図である。
【図６】従来の恒温槽温度制御回路における温度特性を示す図である。
【図７】周囲動作温度と恒温槽設定温度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る温度制御回路は、サーミスタの他端、温度感温素子の他端、トランジスタのコレクタ側をグランド共通にする回路であって、オペアンプの入力端子に温度感温素子を接続し、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を徐々に高くなるよう制御を行うものであり、グランド共通型とすることで、制御温度幅を従来より狭くし、更に、恒温槽設定温度を周囲動作温度の上昇に伴い徐々に上昇させることで、安定性の高いSC−cutの水晶振動子でも使用可能となり、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できるものである。
【００３４】
［本温度制御回路：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽温度制御回路（本温度制御回路）について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る恒温槽温度制御回路の回路図である。
本温度制御回路は、図１に示すように、グランド（ＧＮＤ）共通型の恒温槽温度制御回路であり、電源電圧Ｖccが抵抗R10、抵抗R11、ヒータ抵抗RH1の一端に印加され、また、オペアンプIC2にも供給されている。
【００３５】
抵抗R10の他端にはサーミスタ（NTC）TH1の一端が接続し、他端が接地され、抵抗R11の他端には温度感温素子ZZの一端が接続され、多端が接地されている。
抵抗R10の他端とサーミスタTH1の一端を接続する線が分岐して抵抗R13を介してオペアンプIC2の（−）入力端子に入力され、抵抗R11の他端と温度感温素子ZZの一端を接続する線が分岐して抵抗R14を介してオペアンプIC2の（＋）入力端子に入力される。
【００３６】
オペアンプIC2の出力は、抵抗R16を介してトランジスタQ2のベースに入力されると共に、抵抗R15を介して（−）入力端子に帰還して入力される。
尚、オペアンプIC2は、グランド端子が接地される。
トランジスタQ2は、ＰＮＰ型のパワートランジスタ（MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：電界効果トランジスタも含む）であり、エミッタにはヒータ抵抗RH1の他端が接続され、トランジスタQ2のコレクタは接地されている。
トランジスタQ2をMOSFETとした場合には、Ｐチャネル（Pch）MOSFETであり、ベースがゲートに、コレクタがドレインに、エミッタがソースに相当する。
【００３７】
図１の温度制御回路では、サーミスタTH1の他端、温度感温素子ZZの他端、トランジスタQ2のコレクタが共通のグランド線に接続するＧＮＤ共通型の温度制御回路となっている。
尚、請求項における第１の抵抗が抵抗R10に、第２の抵抗が抵抗R11に、第３の抵抗が抵抗R13に、第４の抵抗が抵抗R14に、第５の抵抗が抵抗R15に、第６の抵抗が抵抗R16に相当している。
【００３８】
［ＧＮＤ共通型の温度特性：図２］
次に、本温度制御回路のＧＮＤ共通型の恒温槽温度制御回路における温度特性について図２を参照しながら説明する。図２は、本温度制御回路における温度特性を示す図である。
図２では、ヒータ抵抗の電力、トランジスタ（パワトラ）の電力、更にそれらを総合した総電力を示している。
温度制御幅は、図６の従来例が７〜１０℃であるのに対して、図２の例では、約２℃（１〜３℃）と狭くしている。
【００３９】
このＧＮＤ共通型にすることにより、ＧＮＤ共通配線として銅パターンを使用できるので、熱抵抗が従来より小さくなり、熱応答性が優れたものとなる。
そのため、恒温槽の制御利得を大きくすることができ、制御温度幅を小さくでき、最低制御温度差を小さくできるものである。
【００４０】
［温度感温素子］
図１の温度感温素子ZZは、リニア正温度係数抵抗やサーミスタを使った抵抗ネットワークが形成される。特に、温度感温素子ZZは、リニア正温度係数抵抗が望ましい。
温度感温素子ZZの取り付け位置は、外気に近い所に設置され、外気の影響を受けて抵抗が変化し、抵抗R14を介して制御しているオペアンプIC2の（＋）入力端子へ入力される。
【００４１】
温度感温素子ZZの特性は、周囲温度が上昇すると、温度感温素子ZZの抵抗値が上昇し、温度感温素子ZZの抵抗R14に接続する一端側の電圧が上昇し、オペアンプIC2の（＋）入力端子に入力される電圧値が上昇する。
つまり、周囲温度が上昇すると、恒温槽設定温度も上昇するよう動作する。そのため、恒温槽設定温度を動作温度の上限、例えば、＋７℃にしなくても、動作する。しかも、周囲温度が上がれば、動作点も上がっていくため、制御動作は継続される。
【００４２】
［本温度制御回路の設定温度：図３］
本温度制御回路の設定温度について図３を参照しながら説明する。図３は、本温度制御回路の周囲動作温度と恒温槽設定温度を示す図である。
図３に示すように、本温度制御回路では、温度感温素子ZZを設けたことにより、周囲動作温度が、例えば、５℃、２５℃、７５℃で恒温槽の設定温度が、それぞれ８４℃、８６℃、８８℃と２℃ずつ徐々に（段階的に）高くなるよう設定されている。
【００４３】
８６℃の設定温度は、ピークの値であるが、８４℃と８８℃の設定温度は、ピークからずれた制御点となる。制御点がずれるのは、温度感温素子ZZを設けたことによる。
制御点がずれても、ＧＮＤ共通型のより安定な温度制御回路としているので、２℃程度（１〜３℃）の幅で制御温度を動かすことができるので、問題は少ない。
このように、周囲動作温度に対して恒温槽設定温度を徐々に高くする制御では、安定度は少し悪くなるが、熱抵抗の値を小さいＧＮＤ共通型制御にすることで補うことができる。
【００４４】
例として、動作範囲０〜＋７０℃の発振器があるとすれば、設定温度＋７０℃の設定が可能である。これは、もし、市場で＋２５℃で使用されているとすると、従来では８０℃ぐらいに温度設定されていたものが、＋７０℃で制御される。
アレニウスの定義により、寿命が約２倍に伸びたことになり、長期信頼性の高い製品を実現できる。
これは、動作温度上限が＋８５℃、またはそれ以上でも同じことが言える。
【００４５】
SC−cutの水晶振動子の場合、実質上限の動作温度は、＋７０℃になるが、本温度制御回路では、SC−cutを使用しても＋８５℃まで使用できる。
つまり、SC−cutの水晶振動子の場合は一番安定している極点は、８０℃＋／−５℃で、設定温度の上限８５℃に温度制御幅２℃が加算されると、８７℃で、製造ばらつきが加わると、８７℃＋／−５℃が動作温度となる。
【００４６】
本温度制御回路がＧＮＤ共通型であるため、２℃の幅で温度制御を行うことができ、恒温槽内の設定温度も周囲動作温度に応じて徐々に上昇するようにしているので、８７℃＋／−５℃の動作温度で温度制御を行うことができる。
【００４７】
尚、水晶振動子の特性の一つに「容量比」というパラメータがある。容量比が大きいと回路による周波数の変動が小さく、容量比が小さいと周波数の変動が大きくなる。
一般に、SC−cutの水晶振動子は、容量比が大きく回路変動の影響が少なく、高い安定度のOCXOが実現できる。反対に、IT−cutやAT−cutの水晶振動子は、容量比が小さいので、周波数は容易に可変できるものの、安定度はSC−cutの水晶振動子より劣っている。
【００４８】
［実施の形態の効果］
本温度制御回路によれば、サーミスタTH1の他端、トランジスタQ2のコレクタ側をグランド共通にする回路であって、オペアンプIC2の入力端子に温度感温素子ZZを接続し、周囲動作温度の上昇に伴い、恒温槽内の設定温度を徐々に高くなるよう制御を行うものであり、グランド共通型とすることで、制御温度幅を従来より狭くし、更に、恒温槽設定温度を周囲動作温度の上昇に伴い徐々に上昇させることで、安定性の高いSC−cutの水晶振動子でも使用可能となり、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる効果がある。
【００４９】
また、本温度制御回路を備えた恒温槽付水晶発振器は、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できるため、発振器としても安定性の高い発振動作を行うことができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、安定性の高い水晶振動子を用いて広い動作温度範囲で温度制御を実現できる温度制御回路及び恒温槽付水晶発振器に好適である。
【符号の説明】
【００５１】
IC2...オペアンプ、  Q2...トランジスタ、  R10，R11，R12，R13，R14，R15，R16...抵抗、  RH1...ヒータ、  TH1...サーミスタ（NTC）、  ZZ...温度感温素子
【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】
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