(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温型の水晶発振器であって、
前記水晶発振器内部の温度を感知する温度検出素子から出力された温度信号と目標温度に対応する予め設定した目標温度入力信号との差を第１差信号として生成する検出回路と、
温度変動による前記第１差信号の変化を抽出した抽出信号と前記第１差信号を加算して前記第１差信号の前記温度変動の影響を抑えた加算信号を生成し、前記加算信号に基づいて前記発振器内に設けた発熱を制御する加熱供給体素子の発熱量を制御する温度制御回路と、
水晶振動子の周波数を補正するための周波数補正信号と前記抽出信号との差を検出して第２差信号とし、前記第２差信号に基づいて前記水晶振動子の振動周波数を安定にする周波数補正回路と、
を具備することを特徴とする水晶発振器。
【請求項２】
前記周波数補正回路は、前記抽出信号に代えて、前記温度制御回路の前記加熱供給体素子を制御する信号を用い、前記周波数補正信号と前記加熱供給体素子を制御する信号との差を検出して第２差信号とする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】
前記温度制御回路は、前記加熱供給体素子が複数あるとき、前記加熱供給体素子ごとの電圧値を比較して、比較結果に基づいて前記加熱供給体素子ごとに供給する電流を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の水晶発振器。
【請求項４】
前記比較は差動増幅器を用いることを特徴とする請求項３に記載の水晶発振器。
【請求項５】
前記抽出信号は積分器によって算出することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振器の温度制御の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外気温度の変化に対して影響を受け難いように、恒温槽を用いた小型水晶発振器がある。実現する方法として、恒温槽内に水晶振動子とその周辺回路を収納する方法としてＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator）が知られている。ＯＣＸＯを採用することで、外気温度変化により変化しやすい発振周波数を電気的に補正（温度補償）して、水晶発振器を安定に発振させることができる。
【０００３】
例えば、一般的なＳＣ−ｃｕｔ振動子のＯＣＸＯの周波数の安定化には、最大使用温度＋１０℃程度で決められた温度範囲（例えば、図５に示す温度特性の上に凸の破線で囲まれた範囲Ｃ）を設定する。そして、その設定した温度範囲の温度安定度が一番良い頂点温度を中心に温度補償をする。
【０００４】
従来は図６（ａ）に示すように温度センサ１０１、増幅器１０２、加算器１０３、目標温度設定入力端子１０４、増幅器１０５、増幅調整用抵抗１０６、ヒータ用電源端子１０７、ヒータ１０８、トランジスタ１０９を用いた回路により温度補償をしている。つまり温度センサ１０１により検知した温度に対応する電圧値を増幅器１０２で所望の電圧まで増幅し、目標温度設定入力端子１０４から入力される所定の電圧値とを加算器１０３で加算し、その結果に基づいて増幅器１０５とトランジスタ１０９により、ヒータ用電源端子１０７に接続されたヒータ１０８に流れる電流を制御して恒温槽内の温度調整をする。
【０００５】
しかし、この構成では外気温度が変化すると、図６（ｂ）に示す波形になる（Ｃ１０１で測定した電圧波形）。同図の波形は目標温度設定入力端子１０４から入力された入力値に対しての変化を示している。例えば、外気温度中心（常温）の場合は、図５に示す温度範囲Ｃにおいて、＋８０℃で一定温度となり、水晶振動子を中心に回路全体の温度をヒータにより制御した図である。外気温度の変化がなければ、電圧波形は目標温度設定入力端子１０４からの入力値を中心に制御される。しかし、外気温度が低下（外気温度下降）または外気温度が上昇（外気温度上昇）が生じた場合は、電圧波形Ｃ１０１の波形は目標温度設定入力端子１０４からの入力値に対して非対称に変動する。これは、熱応答特性が変化することにより発生する。例えば、外気温度が＋４０℃で、温度制御において、回路全体での熱蓄積量、熱放散量が一致している場合は、外気温度が＋４０℃を超えると、熱蓄積量が増し、熱放散量が減ってしまい全体が冷め難くなり、やや高温側で温度が安定することになる。
【０００６】
また、逆に外気温度が＋４０℃未満では、熱蓄積量が減り、熱放散量が増すことになり、温度制御において回路全体が温まり難く、やや低温側で温度が安定する。従って、外気温度が＋４０℃から離れる度合いに応じて、周波数安定度が変化してしまうことになる。
また、上記のように外気温度に依存しないように、図７(a)に示す熱源と水晶振動子の熱伝導のため導熱板を用いた発振器だけでなく、図７(b)に示す恒温槽を有するいわゆるシングルオーブン構造の発振器に関する別提案もされている。
【０００７】
なお、図示はしていないが、外気温度変動に対する安定度向上には、サーミスタなどで温度測定をした各温度の補正値を決定し、メモリに記憶する。そして外気温度に応じてディジタル−アナログ変換して発振器内の水晶振動子の制御をする可変容量ダイオードの電圧を制御する方法もある。
【０００８】
ここで図７について説明する。図７(a)は導熱板を用いた発振器の一部断面図と要部平面図である。同図(b)はシングルオーブン構造の一部断面図である。同図（ａ）に示した発振器の回路基板６０１は金属ベース６０２と金属カバー６０３で覆うように設けた例である。回路基板６０１には、水晶振動子６０４とその周辺回路が搭載されている。周辺回路は発振回路と温度補償回路と加熱供給体から構成される。発振回路は水晶振動子６０４を発振するための回路である。温度補償回路は温度変化による回路への影響を抑えて、水晶振動子６０４が安定な発振をするように制御する回路である。導熱板６０８はアルミ板などの金属板を用いる。例えば、図７（ａ）に示すように一組の両端側に窪みを設け、これと直交する他組の両端側に窪みを設けて、中央領域に開口部６０５を設ける。開口部６０５の外周には、水晶振動子６０４のリード線６０６が挿通する貫通孔６０７が設けられる。そして、導熱板６０８の４隅が図示しないネジによって回路基板６０１上に締結される。この例では、回路基板６０１と導熱板６０８との間には図示しない熱導電性の樹脂が塗布され、両者を熱的に結合する。
【０００９】
本図では加熱供給体（チップ抵抗６０９ａ、ｂ）を２個設けジュール熱による発熱抵抗体とし、回路基板６０１上に搭載された導熱板６０８の一組の窪みにそれぞれ配置される。また、加熱用として利用するトランジスタ（パワートランジスタ）６１０は導熱板６０８の他組の窪みにそれぞれ配置される。ここでチップ抵抗６０９ａ、ｂおよびトランジスタ６１０は熱導電性の樹脂に覆われている。この場合、導熱板６０８上からも樹脂が塗布され、チップ抵抗６０９ａ、ｂおよびトランジスタ６１０と導熱板６０８とを熱的に結合する。
【００１０】
トランジスタ６１０および温度検出素子６１１のうちの熱高感度素子（電圧可変容量素子およびサーミスタ）は、導熱板６０８の中央領域に設けた開口部６０５に配置され、同様の樹脂によって導熱板６０８と熱結合する。熱高感度素子を除くトランジスタ６１０は導熱板６０８と対向する回路基板６０１の他主面に配置して、温度検出素子６１１は回路基板６０１の両主面の外周に配置して搭載される。
【００１１】
図７（ｂ）はシングルオーブン構造である。基板６１２に発振器を設け金属ベース６１３と金属カバー６１４で全体を覆うようにし、内部温度を熱線６１５などの発熱体の温度制御することで一定に保ち、周波数を安定させる。
【００１２】
特許文献１によれば、恒温槽を用いた発振器の消費電力を大幅に低減し、また恒温槽内／外の温度を検知する感温素子も感温素子の仕様により温度検知する場所（恒温槽の内／外）を選択することにより、構成部品管理の簡略化を行う提案がされている。
【００１３】
特許文献２によれば、圧電振動子と増幅回路及び可変容量ダイオードを用い発振回路を、圧電振動子を一定温度に保つための恒温槽内に配設する。そして、温度変化に伴う増幅回路の電気的特性の変化により圧電発振器の発振周波数が変動するのを抑圧するよう可変容量ダイオードの容量値を制御するための制御電圧を出力する電圧発生回路もさらに備える。電圧発生回路は、正特性または負特性のサーミスタを感温素子として用い、制御電圧を制御することにより温度変化によって生じる増幅回路の電気的特性の変動に伴う周波数変化を回路的に補償する。上記により周波数温度特性に優れる小型の恒温槽型水晶発振器を容易に実現する提案がされている。
【００１４】
特許文献３によれば、恒温槽を支える支持個所を１ヶ所とし、熱の逃げが少なくし、外部からの熱の伝達が少なくなり、恒温槽を安定な温度に保ち、安定な周波数が得られ、また支持具に温度センサを取り付け、その温度の変化を感知することにより、外部との温度差から将来の温度変化を予測し恒温槽の温度を制御することにより、より安定な周波数が得られる提案がされている。
【特許文献１】特開平１０−３０３６４５号公報
【特許文献２】特開２００２−１３５０５１号公報
【特許文献３】特開２００５−１５９７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、シングルオーブン構造の場合には、特許文献１〜３に記載の提案では、外気温度の変化に対して恒温槽内（回路全体）の温度が変化しやすいという問題がある。また、外気温度が変化しても安定度を維持する手段として、水晶振動子を中心に回路全体の温度を一定に保つオーブンの外側に外気温度変化を遮断して高安定化を維持するために、図７（ｂ）に示すシングルオーブン構造や、別の方法としてダブルオーブン構造にしてもよいが、消費電流が増大する欠点がある。
【００１６】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、恒温型の構造において、外気温度の変化を検知して温度制御することで生じる周波数安定度の差を低減する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】
【００１７】
本発明の態様のひとつである恒温型の水晶発振器は、上記水晶発振器内部の温度を感知する温度検出素子から出力された温度信号と目標温度に対応する予め設定した目標温度入力信号との差を第１差信号を生成する検出回路と、温度変動による上記第１差信号の変化を抽出した抽出信号と上記第１差信号を加算して上記第１差信号の上記温度変動の影響を抑えた加算信号を生成し、上記加算信号に基づいて前記発振器内に設けた発熱を制御する加熱供給体素子の発熱量を制御する温度制御回路と、水晶振動子の周波数を補正するための周波数補正信号と上記抽出信号との差を検出して第２差信号とし、上記第２差信号に基づいて水晶振動子の振動周波数を安定にする周波数補正回路と、を具備する構成とする。
【００１８】
好ましくは、上記周波数補正回路は、上記温度制御回路の上記加熱供給体素子を制御する信号を加算信号としてもよい。
好ましくは、上記温度制御回路は、上記加熱供給体素子が複数あるとき、上記加熱供給体素子ごとに相対的に温度制御を行ってもよい。
【００１９】
好ましくは、上記温度制御回路は、上記加熱供給体素子ごとの発熱量を制御する各制御信号を比較して、比較結果に基づいて上記制御信号を調整する構成としてもよい。
好ましくは、比較は差動増幅器であってもよい。
【００２０】
好ましくは、上記抽出信号は積分器によって算出してもよい。
上記構成により、外気温度が一定のときは、温度制御を行うと結果として加熱供給体素子の両端電圧は一定となる。また、加熱供給体素子の電流も一定となる。
【００２１】
外気温度が一定の温度よりも上昇した場合に、恒温槽内の温度を安定に維持するためには、加熱供給体素子の両端電圧を下げ、加熱供給体素子に電流を下げる。反対に、外気温度が一定の温度よりも降下した場合、温度を安定に維持するためには、加熱供給体素子の両端電圧を上げ加熱供給体素子の電流を上げる。外気温度が大きければ大きいほど、常温時の加熱供給体素子の電圧および加熱供給体素子の電流の差も大きいので、この電圧差を検出して、外気温度変動時の周波数安定度の補正をすることによって、周波数安定度を向上させる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、外気温度変動を検知して水晶発振器内の温度制御をして発振周波数を補正することで周波数安定度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下図面に基づいて、本発明の実施形態について詳細を説明する。
（実施例１）
（回路構成）
図１はシングルオーブン構造（図７（ａ））の発振器内に設ける回路基板の温度補償回路のブロック図である。温度補償回路は、温度センサ１（温度検出素子：サーミスタなどの温度感知素子）、増幅器２、加算器３、目標温度設定入力端子４、増幅器５、積分器６、加算器７、増幅調整用抵抗８、ヒータ用電源端子９、ヒータ１０（加熱供給体素子：加熱用チップ抵抗、熱線など）、トランジスタ１１（パワートランジスタなど）、加算器１２、周波数補正入力端子１３、増幅器１４、抵抗器１５、可変容量ダイオード１６、水晶振動子１７、周波数出力端子１８から構成されている。温度センサ１とヒータ１０は回路基板上に設ける。温度センサ１とヒータ１０は水晶振動子１７の近くに配置するのが望ましい。また回路基板上に複数設けてもよい。
（動作説明）
図１に示した回路の電圧波形を図２に示す図で説明する。
【００２４】
水晶発振器内部の温度を感知する温度センサ１（温度検出素子）から出力された温度信号の電圧値を増幅器２で増幅する。本例では、図２の２−１に示すように、温度センサ１の出力電圧は、外気温の変化により変化する恒温槽内が常温のときに、一定の幅で振幅しながら安定している（範囲Ａ）。温度が低下しはじめると温度センサ１の電圧が下がりはじめる（範囲Ｂ、Ｃ）。また、温度上昇時は温度センサ１の電圧は、上昇しはじめる（範囲Ｄ、Ｅ、Ｆ）。図２の２−２に示すように、温度センサ１の出力電圧は増幅器２で増幅される。
【００２５】
目標温度設定入力端子４には、ヒータ１０によって水晶発振器の内部温度を目標温度にするための基準となる電圧値（目標温度入力信号）を入力する。目標とする温度は、図５に示した範囲Ｃ（破線：温度と周波数が安定する範囲）の略中心である８５℃のときに、温度センサ１が感知する恒温槽内の温度に対応した電圧を予め設定する。ここで、目標温度入力電圧は一定値である。
【００２６】
次に、増幅器２の電圧出力と目標温度入力電圧との差を検出して差信号（第１差信号）を出力する（検出回路）。本例では加算器３により検出している（図２の２−３）。
次に、温度変動による第１差信号の変化を抽出して抽出信号と第１差信号を加算して第１差信号の上記温度変動の影響を抑えた加算信号を生成して、加算信号に基づいてヒータ１０の発熱量を制御する（温度制御回路）。本例では、図２の２−４に示すように増幅器５は第１差信号を増幅する。ここで、増幅率は、後述するトランジスタ１１で制御するヒータ１０の発熱を十分制御できるように調整する。
【００２７】
また、積分器６の出力は、低温（範囲Ｃ）、高温（範囲Ｆ）に示したように、熱応答特性と反対の変化をさせる。外気温度が＋４０℃の温度制御において、熱蓄積量、熱放散量が一致している場合、外気温度が＋４０℃を超えると、熱蓄積量が増し、熱放散量が減ってしまい全体が冷め難くなる。やや高温側で温度が安定することになる（範囲Ｆ）。また、逆に外気温度が＋４０℃未満では、熱蓄積量が減り、熱放散量が増すことになり、温度制御において回路全体が温まり難く、やや低温側で温度が安定する（範囲Ｃ）。そこで、図２の２−５に示すように、抽出信号は積分器６で生成した信号を反転して出力するようにする。
【００２８】
次に、図２の２−６に示したように、抽出信号と第１差信号を入力とした加算器７の出力は、外気温度が下がれば、発振器内の温度が低下するため、温度を上昇させるように、トランジスタ１１のコレクタ電圧を下げてヒータ１０の電流を増加させる。逆に、外気温度が上がれば発振器内の温度を降下させるように、トランジスタ１１のコレクタ電圧を上げてヒータ１０の電流を減少させる。ここで、上記のようにコレクタ電流を制御するためには、積分器６の出力が増幅器５の出力を相殺しないようにする。つまり、従来どおりヒータ制御も行い、さらに範囲Ｃ、Ｆのように、外気温度が＋４０℃から離れた分の電圧だけ、積分器６の出力で調整をする。増幅器２と増幅器５の関係によってヒータ電流が制御できる。
【００２９】
次に、図２の２−７に示すように、水晶振動子の周波数を補正するために、予め補正用の電圧値（周波数補正信号）を設定して加算器１２に入力する。そして、上記抽出信号との差を検出して第２差信号とし、第２差信号に基づいて水晶振動子の振動周波数を安定にする（周波数補正回路）。つまり、外気温度の変動によって発振器内部が常に一定温度とならず、外気温度について周波数安定度が変化するが、外気温度の変動量に応じて、積分器６の出力が変化する。この変化を周波数補正入力端子１３の入力電圧との差によって必要に応じて増幅または減衰して、可変容量ダイオード１６の電圧を変化させることによって水晶振動子１７の発振が安定し、周波数出力端子１８の周波数安定度を向上させることができる。従って、外気温度が＋４０℃から離れる度合いに応じて、周波数安定度が変化しなくなる。
（実施例２）
実施例２は図１に示した回路を変形した例である。図３は外部温度の検出をトランジスタ１１のコレクタとヒータ１０との間に発生する信号としている。ヒータ制御用の信号を加算器２１に入力して、周波数補正入力端子１３から入力される入力電圧との差によって必要に応じて増幅または減衰して、可変容量ダイオード１６の電圧を変化させる。このようにすることで周波数出力端子１８の周波数安定度を向上させる。実施例１と同様に発振周波数を安定して動作させることができる。
（実施例３）
図４は複数の加熱供給体素子（チップ抵抗や熱線を同時に用いてもよい）を制御する回路である。実施例１で示した回路に、同図に示すように加熱供給体素子であるヒータ１０ａ、１０ｂをトランジスタ１１ａ、１１ｂにより制御する。
【００３０】
制御は、比較器３１でヒータ１０ａとヒータ１０ｂの電圧値を比較する。その後、可変抵抗３２によりヒータ１０ｂに必要な電流を調整する。ヒータ１０ｂに必要な信号は、可変抵抗３２によりヒータ１０ａの信号に関連した振幅となるような値に設定する。可変抵抗は固定抵抗を使用してもかまわない。比較は差動増幅器などでもよい。
【００３１】
上記構成により、複数の加熱供給体素子を個別に制御でき、また他の加熱供給体素子の制御に基づいて発熱量を制御することができる。
なお、複数の加熱供給体素子の位置を考慮することでさらに温度補償性能が向上する。つまり、恒温槽内の温度が一定になるように、ヒータを回路基板の適切な場所に配置することで、恒温槽内の温度の安定化ができる。回路基板に加熱供給体素子を配置する場合は、トランジスタなどの発熱によるヒータ効果なども考慮し、同じ場所に加熱供給体素子などの発熱をするものが、まとまらないように分散する。
【００３２】
また、水晶振動子以外の周辺回路の温度特性を必要とする部分について、個別に温度調整を行うことが簡単にできる。
なお、熱線を利用した場合でも、制御信号をシングルオーブン構造内部の回路基板６０１に引き込み、ヒータと連動して温度調整をしてもよい。また、基板６１２上に検出回路、温度制御回路、周波数補正回路を設けてもかまわないし、上記各回路は異なる基板上に設けてもよい。
【００３３】
なお、上記構成はアナログ回路構成で説明したが、温度センサ１の出力信号をディジタル変換することで、制御系をディジタル化することが可能である（ディジタル信号処理はハードウエア構成でもよいし、ＣＰＵによるソフトウェア構成でもよい）。
【００３４】
また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１の回路図である。
【図２】実施例１の電圧波形を示す図である。
【図３】実施例２の回路図である。
【図４】実施例３の回路図である。
【図５】発振器の構造を示すものである。
【図６】温度設定範囲を示す図である。
【図７】従来の温度補償回路を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…温度センサ、２…増幅器、３…加算器、４…目標温度設定入力端子、
５…増幅器、６…積分器、７…加算器、８…増幅調整用抵抗、
９…ヒータ用電源端子、１０…加熱供給体素子（ヒータ）、
１１…トランジスタ、１２…加算器、１３…周波数補正入力端子、
１４…増幅器、１５…抵抗器、１６…可変容量ダイオード、１７…水晶振動子、
１８…周波数出力端子、２１…加算器、３１…比較器、３２…可変抵抗、
１０１…温度センサ、１０２…増幅器、１０３…加算器、
１０４…目標温度設定入力端子、１０５…増幅器、１０６…増幅調整用抵抗、
１０７…ヒータ用電源端子、１０８…ヒータ、１０９…トランジスタ、
６０１…回路基板、６０２…金属ベース、６０３…金属カバー、
６０４…水晶振動子、６０５…開口部、６０６…リード線、６０７…貫通孔、
６０８…導熱板、６０９…加熱供給体素子（ヒータ）、
６１０…トランジスタ（パワートランジスタなど）、６１１…温度検出素子、
６１２…基板、６１３…金属ベース、６１４…金属カバー、６１５…熱線
【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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