JP2017208637A - 恒温槽型電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 温度センサ2で計測した外気温4に基づく実測温度Ticと、設定温度Trとを比較し、両者の差が小さくなるように制御された恒温槽100内に収納されており、特性が環境温度により影響を受ける水晶振動子3の温度が所定の固定値である目標温度Ttargになるように制御する制御系101を有する恒温槽型水晶発振装置であって、制御系101は、実測温度Ticが低下しているときには、設定温度Trが高くなるように、また実測温度Ticが上昇しているときには、設定温度Trが低くなるように、固定値である目標温度Ttargに所定の帰還量δTを加算して実測温度Ticと比較する新たな設定温度Trを生成する。
【選択図】 図1
Description
ここで、まず以下の説明で用いる記号の内容を定義しておく。
設定温度:Tr
熱源(ヒータ)の温度:Tht
温度センサによる実測温度(外気温に基づくIC内の回路温度):Tic
恒温槽内の水晶振動子の温度:Tx
恒温槽の外部温度(外気温):Tout
水晶振動子の目標温度(ターゲット):Ttarg
回路ケ゛イン:B
熱源が発生する熱量(消費電力):P
熱源と恒温槽の外部との間の熱抵抗:Θho
熱源と温度センサとの間の熱抵抗:Θhc
熱源と水晶振動子との間の熱抵抗:Θhx
温度センサと恒温槽の外部との間の熱抵抗:Θco
水晶振動子と恒温槽の外部との間の熱抵抗:Θxo
部品実装時の各部品間熱抵抗で決まるモジュール係数(定数):M(Mht, Mic, Mx)
図3は、OCXOにおける熱エネルギーの流れと各部の温度との関係を説明する示す模式図である。同図に示すように、通常、ヒータで形成される熱源1で発生する熱は、熱抵抗Θhcに基づき温度センサ2に、熱抵抗Θhxに基づき水晶振動子3に、さらに熱抵抗Θhoを介して恒温槽100の外部の外気4にそれぞれ漏出し、各部を加熱する。同時に、温度センサ2からは熱抵抗Θcoに基づき漏出する熱で、また水晶振動子3からは熱抵抗Θxoに基づき恒温槽100から漏出する熱で外気4を加熱する。
まず、外気温4が一定となり平衡状態となった時の各部の温度の関係について考察する。
P = (Tht - Tout) / Θho
上式をThtについて解いて下式を得る。
Tht = P・Θho + Tout・・・(1)
ここで、熱抵抗Θhoを熱源1に関する定数をモジュール係数Mhtと定義すると、上式(1)は下式(2)で表わされる。
Tht = P・Mht + Tout・・・(2)
(Tht - Tic) / Θhc = (Tic - Tout) / Θco
Tic = Tout + P・Θho・Θco / (Θhc + Θco)
Tic = P・Mic + Tout・・・(3)
Tx =Tout+ P・Θho・Θxo / (Θhx + Θxo)
Tx = P・Mx + Tout・・・(4)
次に、外気温Toutが変動した場合の、一般的なOCXOの回路動作を考察する。OCXOは、設定温度Trと温度センサ2により検出された実測温度Ticとの温度差を検知し、この温度差が小さくなるような電流を熱源(ヒータ)1に供給することで、恒温槽100内の温度を一定に保持するように構成してある。
P=B・(Tr - Tic)・・・(5)
Tic = B・Mic・(Tr - Tic) + Tout
Tr - Tic = -B・Mic・(Tr - Tic) + Tr - Tout
上式をTr - Tic について解いて下式(6)を得る。
Tr - Tic = {1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout)・・・(6)
Tic = -{1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout) + Tr・・・(7)
Tic - Tx = P・(Mic - Mx)
上式に式(5)を代入して温度Txについて解くと下式を得る。
Tx = Tic - B・(Mic - Mx)・(Tr - Tic)
さらに、上式を設定温度Trから辺々引いて整理することで下式を得る。
Tr - Tx = {1 + B・(Mic - Mx)}・(Tr - Tic)
さらに、上式に式(6)を代入することで下式(8)を得る。
Tr - Tx = {1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout)・・・(8)
Tx = -{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout) + Tr・・・(9)
上述の如き従来技術に関する考察の結果、設定温度Trを或る固定値に定めている以上、水晶振動子3の温度Txは一定値にできないという結論を得、熱源1に供給する熱エネルギが熱源1から漏洩する熱量に等しいという知見に鑑み、設定温度Trと外気温Toutとの温度差(Tr-Tout)が大きい時、すなわち外気温Toutが低い時は、水晶振動子1の目標温度である設定温度Tr自体を、外気温Toutによって可変とすることに思い至った。
1) 温度センサで計測した外気温に基づく実測温度と、設定温度とを比較し、両者の差が小さくなるように制御された筐体である恒温槽内に収納されており、環境温度により特性が変化するデバイスの温度が所定の固定値である目標温度になるように制御する制御系を有する恒温槽型電子機器であって、
前記制御系は、前記実測温度が低下しているときには、前記設定温度が高くなるように、また前記実測温度が上昇しているときには、前記設定温度が低くなるように、固定値である前記目標温度(Ttarg)に所定の帰還量(δT)を加算して前記実測温度と比較する新たな設定温度を生成すること。
前記実測温度を表す実測信号V_Ticと、前記設定温度を表す設定信号V_Trとを比較して両者の温度差を表す温度差信号を送出するコンパレータと、
前記温度差信号に基づき前記熱源の発熱量を制御する制御手段と、
前記温度差信号に基づき前記帰還量を表わす帰還信号を生成する帰還定数設定部を有する帰還系と、
温度設定部に設定した目標温度を表わす目標温度信号V_Ttargと前記帰還信号V_δTとを加算して前記設定信号V_Trを生成して前記コンパレータの一方の入力とする加算器と、
外気温に基づく温度を実測するとともに、前記外気温を表わす実測温度信号Ticを生成して前記コンパレータの他方の入力とする温度センサと、
を有すること。
前記帰還量は、前記ヒータに供給される電流または前記ヒータで消費される電力に基づき生成すること。
図1は本発明の第1実施形態に係る恒温槽型水晶発振装置(OCXO)を示すブロック図である。同図に示すように、恒温槽100内には、その内部温度を一定に制御するための制御系101とともに、発振回路12で駆動される水晶振動子3が収納してある。ここで、水晶振動子3が外気温(環境温度)Toutにより影響を受けるデバイスである。
ここで、ヒータ(熱源)1と恒温槽100の外部(外気4)との間の熱抵抗をΘho、温度センサ2と恒温槽100の外部(外気4)との間の熱抵抗をΘco、ヒータ(熱源)1と温度センサ2との間の熱抵抗をΘhcとして(Θho・Θco)/(Θhc+Θco)をモジュール係数Micと定義するとともに、B=回路ゲイン、α=1/(1+Mic・B)とする。
上記収束条件は、以下の考察により導出した。
本実施形態においては、ある外気温Toutの時に、設定温度Trと温度センサ2で計測する実測温度Ticとの温度差(Tr−Tic)をコンパレータ8で検出するとともに該温度差(Tr−Tic)に帰還定数設定部7で所定の帰還係数を掛けて帰還量δTを生成している。このとき、式(6)より下式の比例関係が成立している。
Tr - Tic = α・(Tr - Tout)
但し、α= 1/(1 + Mic・B)
P = B・(Tr - Tic)
であるから、設定温度Trと実測温度Ticとの温度差は、熱源1の電力の測定値などにより、実際に検出可能である。
P = B・α・(Tr - Tout)
P(0) = B・α・(Ttarg - Tout)
Tr(1)= Ttarg + Fb・P(0)
P(1) = B・α・(Tr(1) - Tout)
= B・α・(Ttarg + Fb・P(0) - Tout)
= B・α・(Ttarg - Tout)+ B・α・Fb・P(0)
= (1 + B・α・Fb)・P(0)
Tr(2)= Ttarg + Fb・P(1)
= Ttarg + Fb・(1 + B・α・Fb)・P(0)
P(2) = B・α・(Tr(2) - Tout)
= B・α・(Ttarg + Fb・(1 + B・α・Fb)・P(0) - Tout)
= B・α・(Ttarg - Tout) + B・α・Fb・(1 + B・α・Fb)・P(0)
={ 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2}・P(0)
Tr(3)= Ttarg + Fb・P(2)
= Ttarg + Fb・{ 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2}・P(0)
P(3) = B・α・(Tr(3) - Tout)
= B・α・[Ttarg + Fb・{ 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2}・P(0) - Tout]
= B・α・(Ttarg - Tout) + B・α・Fb・{ 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2}
・P(0)
= { 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2 + (B・α・Fb)3}・P(0)
・・・
P(n) = { 1 + B・α・Fb + (B・α・Fb)2 + (B・α・Fb)3 + ・・・ +(B・α・Fb)n}・P(0)
|(B・α・Fb)| < 1
但し、α= 1/(1 + Mic・B)
である。
P(∞) = {1 / (1 - B・α・Fb)}・P(0)
Tr(∞) = Ttarg + {Fb / (1 - B・α・Fb)}・P(0)
ここで、α= 1/(1 + Mic・B), P(0) = B・α・(Ttarg - Tout)であり、また
{Fb / (1 - B・α・Fb)}・P(0)が帰還量δTとなる。
Tx(∞) = -{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・(Tr(∞) - Tout) + Tr(∞) = {1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・Tout + B・(Mic - Mx)・{1/(1 +
Mic・B)}・Tr(∞)
= {1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・Tout + B・(Mic - Mx)・{1/(1 +
Mic・B)}・[Ttarg + {Fb / (1 - B・α・Fb)}・P(0)]
= {1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・Tout + B・(Mic - Mx)・{1/(1 +
Mic・B)}・[Ttarg + {Fb / (1 - B・α・Fb)}・B・α・(Ttarg - Tout)]
= [{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)} - B・(Mic - Mx)・{1/(1 + Mic
・B)}・{Fb / (1 - B・α・Fb)}・B・α]・Tout + B・(Mic - Mx)・{1/(1
+ Mic・B)}・{1 + Fb / (1 - B・α・Fb)}・B・α・Ttarg・・・(10)
となる。
[{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)} - B・(Mic - Mx)・{1/(1 + Mic・B)}・{Fb / (1 - B・α・Fb)}・B・α] = 0
図2は本発明の第2実施形態に係る恒温槽型水晶発振装置を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態における帰還系104はコンパレータ8の出力である温度差信号V_(Tr−Tic)を直接帰還させるように構成してある。すなわち、帰還量信号V_δTは、直接帰還系104に帰還したコンパレータ8の出力に基づき生成している。
上記実施形態では外気温(環境温度)Toutにより影響を受けるデバイスを水晶振動子3を例に採り、恒温槽型電子機器としてOCXOの場合について説明したが、勿論OCXOに限定するものではない。本発明は恒温槽100内に収納するデバイスの温度を一定に保持したい場合、すなわち外気温Toutにより特性が変化するデバイスを収納する場合には、特別な制限を設けることなく適用し得る。この場合、収納したデバイスの特性の安定化を図り得る。
2 温度センサ
3 水晶振動子
4 外気
5 温度設定部
6 加算器
7 帰還定数設定部
8 コンパレータ
10 トランジスタ
11 温度差検出部
12 発振回路
13 位相補償部
14 クランプ回路
100 恒温槽
101、103 制御系
102,104 帰還系
前記実測温度を表す実測温度信号と、前記設定温度を表す設定信号とを比較して両者の温度差を表す温度差信号を送出するコンパレータと、
前記温度差信号に基づき前記熱源の発熱量を制御する制御手段と、
前記温度差信号に基づき前記帰還量を表わす帰還信号を生成する帰還定数設定部を有する帰還系と、
温度設定部に設定した目標温度を表わす目標温度信号と前記帰還信号V_δTとを加算して前記設定信号を生成して前記コンパレータの一方の入力とする加算器と、
外気温に基づく温度を実測するとともに、前記実測温度信号を生成して前記コンパレータの他方の入力とする温度センサと、
を有すること。
前記制御系は、
前記実測温度を表す実測温度信号と、前記設定温度を表す設定温度信号とを比較して両者の温度差を表す温度差信号を送出するコンパレータと、
前記温度差信号に基づき前記恒温槽内に収納された熱源の発熱量を制御する制御手段と、
前記温度差信号に基づき前記帰還量を表わす帰還量信号を生成する帰還定数設定部を有する帰還系と、
温度設定部に設定した目標温度を表わす目標温度信号と前記帰還量信号とを加算して前記設定温度信号を生成して前記コンパレータの一方の入力とする加算器と、
外気温に基づく温度を実測するとともに、前記実測温度信号を生成して前記コンパレータの他方の入力とする温度センサと、
を有すること。
Claims (8)
- 温度センサで計測した外気温に基づく実測温度と、設定温度とを比較し、両者の差が小さくなるように制御された筐体である恒温槽内に収納されており、環境温度により特性が変化するデバイスの温度が所定の固定値である目標温度になるように制御する制御系を有する恒温槽型電子機器であって、
前記制御系は、前記実測温度が低下しているときには、前記設定温度が高くなるように、また前記実測温度が上昇しているときには、前記設定温度が低くなるように、固定値である前記目標温度に所定の帰還量を加算して前記実測温度と比較する新たな設定温度を生成することを特徴とする恒温槽型電子機器。 - 前記制御系は、
前記実測温度を表す実測信号と、前記設定温度を表す設定信号とを比較して両者の温度差を表す温度差信号を送出するコンパレータと、
前記温度差信号に基づき前記熱源の発熱量を制御する制御手段と、
前記温度差信号に基づき前記帰還量を表わす帰還信号を生成する帰還定数設定部を有する帰還系と、
温度設定部に設定した目標温度を表わす目標温度信号と前記帰還信号とを加算して前記設定信号を生成して前記コンパレータの一方の入力とする加算器と、
外気温に基づく温度を実測するとともに、前記外気温を表わす実測温度信号を生成して前記コンパレータの他方の入力とする温度センサと、
を有することを特徴とする請求項1に記載する恒温槽型電子機器。 - 前記熱源から前記温度センサへの温度帰還の経路に基づく前記実測信号の変化に対し、電気的帰還の経路である前記帰還系における前記帰還信号の変化が遅れて追従するよう前記帰還系に位相補償手段を設けたことを特徴とする請求項2に記載する恒温槽型電子機器。
- 前記熱源と前記恒温槽の外部との間の熱抵抗をΘho、前記温度センサと前記恒温槽の外部との間の熱抵抗をΘco、前記熱源と前記温度センサとの間の熱抵抗をΘhcとして(Θho・Θco)/(Θhc+Θco)をモジュール係数Micと定義するとともに、B=前記温度差に対する熱量のゲイン、α=1/(1+Mic・B)、Fb=前記帰還系のゲインとするとき、{−1<(B・α・Fb)<1}の関係となっていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載する恒温槽型電子機器。
- 前記熱源は、ヒータで形成するとともに、前記制御手段は前記ヒータに供給する電流を制御するものとし、
前記帰還量は、前記ヒータに供給される電流または前記ヒータで消費される電力に基づき生成することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載する恒温槽型電子機器。 - 前記帰還量は、前記帰還系に直接帰還した前記コンパレータの出力に基づき生成することを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか一項に記載する恒温槽型電子機器。
- 前記帰還量(δT)≧0となるように、前記帰還系にクランプ手段を設けたことを特徴とする請求項6に記載する恒温槽型電子機器。
- 前記デバイスは、水晶振動子であることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載する恒温槽型電子機器。
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