JP5320908B2 - 恒温槽用温度制御装置 - Google Patents
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Description
通信機器、情報機器、計測機器、又は放送機器等に用いられる高安定発振器の恒温槽の温度を一定に保持するための恒温槽用温度制御装置に関する。
高安定発振器は、発振周波数を決める原子共鳴器の温度を一定に保持することにより、安定的な発振を可能とする発振器である。このような高安定発振器には、例えば、ＯＣＸＯ（Oven Controlled Xtal Oscillator：温度制御型水晶発振器）とルビジウム原子発振器がある。
図１は、一般的な高安定発振器の構成を示す図であり、（ａ）はＯＣＸＯの構成を示す図、（ｂ）はルビジウム原子発振器の構成を示す図である。
図１（ａ）に示すように、ＯＣＸＯは、原子共鳴器である水晶振動子１を収容する恒温槽２と発振回路網３を含み、恒温槽２内で水晶振動子１を外部の環境温度に対して一定の温度に保持している。ＯＣＸＯでは、水晶振動子１の固有振動数に基づく発振信号は発振回路網３に入力され、発振回路網３から発振出力が出力される。
このようなＯＣＸＯにおいて、恒温槽２内にはヒータが配設され、ヒータの温度を一定に保持するための制御装置は、例えば、恒温槽２又は発振回路網３の内部に配設されている。制御装置については、図２を用いて後述する。
また、図１（ｂ）に示すように、ルビジウム原子発振器は、原子共鳴器であるルビジウムランプセル４、フィルタセル５、共鳴ガスセル６及び空洞共振器７の各々を収納する恒温槽２Ａ、２Ｂ、２Ｃを含み、ルビジウムランプセル４、フィルタセル５、共鳴ガスセル６及び空洞共振器７の各々を一定温度に保持している。共鳴ガスセル６から出力されるガスセル透過光は、フォトセル８で光電変換され、プリアンプ９を経て発振回路網３に入力される。発振回路網３からは、発振出力が出力される。
このようなルビジウム原子発振器において、恒温槽２Ａ〜２Ｃ内にはヒータが配設され、ヒータの温度を一定に保持するための制御装置は、例えば、恒温槽２Ａ〜２Ｃ、又は発振回路網３の内部に配設されている。制御装置については、図２を用いて後述する。
このように、高安定発振器では、発振周波数を決める原子共鳴器を外部の環境温度に対して安定した一定の温度に保持し、発振出力の発振周波数を安定させている。
ここで、一般的に、ＯＣＸＯの水晶振動子の温度特性はカットアングルにより決まるため、恒温槽２の設定温度（目標値）は、高安定発振器が適用される機器の環境温度に応じて、７０℃以上に設定されることが多い。ＯＣＸＯの恒温槽２の設定温度は、高くても１００℃を超えることは少ない。また、ルビジウム原子発振器の恒温槽２Ａ〜２Ｃの設定温度は、７０℃〜１２０℃であることが一般的である。
このように、高安定発振器の恒温槽の設定温度は、一般的に７０℃以上であり、適用される機器の環境条件による温度上限は、一般的に７０℃以下であるため、高安定発振器の温度制御回路には、加熱型の温度制御回路が用いられている。
ところで、恒温槽の設定温度が比較的低温（例えば、２５℃）である高安定発振器の場合は、温度を上昇又は低下させることのできるペルチェ素子が使われることが多い。
しかしながら、温度を上昇させることに比べ、温度を低下させることは熱効率が低いため、高安定発振器が大型化するという欠点がある。一般的に、ＯＣＸＯや原子発振器は、使用スペースに制約があるため、冷却型の恒温槽は用いられず、昇温型の恒温槽が用いられている。
近年、ＯＣＸＯやルビジウム原子発振器等の高安定発振器を取り巻く環境は厳しく、さらなる小型化が望まれている。また、その一方、高安定発振器が適用されるコンピュータやサーバ等の機器の高速化、大容量化が進み、機器の内部温度が上昇しているため、高安定発振器には、より高い環境温度に耐えうることが求められている。
ここで、より高い環境温度に耐えるには、恒温槽の設定温度を上げる必要がある。これは、上述のように恒温槽を冷却型にすると高安定発振器が大型になるため、大型化を避けるべく、温度設定を環境温度よりも高くして昇温型にするためである。
このような場合に必要となる原子共鳴器の温度特性の変更は、ＯＣＸＯでは、水晶振動子のカットアングルの変更によって実現され、ルビジウム原子発振器では、ルビジウムランプ、フィルタセル、及びガスセル内の封入ガスの種類や圧力等の変更によって実現される。
図２は、一般的な高安定発振器の恒温槽の温度制御を行う恒温槽用温度制御装置の構成を示す図である。
従来の恒温槽用温度制御装置は、恒温槽を昇温するためのヒータ１０、感温素子１１Ａを有するブリッジ回路１１、ブリッジ回路１１の不平衡電圧に応じた電圧を出力するオペアンプ１２、及びオペアンプ１２の出力がベースに入力されるトランジスタ１３を含む。
ヒータ１０は、恒温槽の温度を一定に保持するためのヒータ線であり、恒温槽の筐体に取り付けられる。ヒータ１０は、電源（Ｖｃｃ）とトランジスタ１３のコレクタとの間に接続される。
感温素子１１Ａは、周囲の温度によって抵抗値が変化するサーミスタ等の素子であり、ヒータ１０の温度を検出するために設けられている。感温素子１１Ａは、電源（Ｖｃｃ）とオペアンプ１２の間に配設されるブリッジ回路１１に組み込まれている。
ブリッジ回路１１は、電源（Ｖｃｃ）とオペアンプ１２の間に配設され、感温素子１１Ａと３つ固定抵抗器を含み、不平衡電圧がオペアンプの入力端子に入力されるように配設されている。ここで、感温素子１１Ａの抵抗値をＲｔ（Ω）、３つの固定抵抗器の抵抗値をＲａ（Ω）、Ｒｂ（Ω）、Ｒｃ（Ω）とすると、ブリッジ回路１１の平衡条件はＲｔ＝Ｒａ×Ｒｃ÷Ｒｂと表される。感温素子１１Ａの抵抗値Ｒｔは、恒温槽の温度が目標値である設定温度のときにＲａ×Ｒｃ÷Ｒｂ（Ω）になるように設定される。
トランジスタ１３は、ベースにオペアンプ１２の出力端子が接続され、コレクタにヒータ１０を介して電源（Ｖｃｃ）が接続され、エミッタは接地されている。
なお、オペアンプ１２は、分圧用の抵抗器Ｒ１、Ｒ２とキャパシタ（Ｃ０）を含み、オペアンプ１２とトランジスタ１３の間には抵抗器Ｒ３が接続されている。
このような恒温槽用温度制御装置において、環境温度の低下とともに恒温槽の温度が低下し、不平衡電圧が出力されると、オペアンプ１２の出力に応じてトランジスタ１３が駆動される。トランジスタ１３がオンにされてコレクタ電流が流れると、ヒータ１０がオンとなり、恒温槽の温度が上昇される。恒温槽の温度が目標値に達すると、不平衡電圧が零となってトランジスタ１３がオフにされる。このようにして、恒温槽の温度が一定に保持される。
次に、恒温槽の環境温度と、ヒータ１０に流れる電流（ヒータ電流）、ヒータ１０の消費電力、及びトランジスタ１３の消費電力との関係について説明する。
図３は、恒温槽の環境温度に対するヒータ電流と消費電力の関係を示す特性図である。図３に示す特性図において、横軸が環境温度であり、左側の縦軸がヒータ１０の消費電力、右側の縦軸がヒータ１０の電流値を表す。
恒温槽の環境温度が上昇すると、ブリッジ回路１１の不平衡電圧が低下するため、ヒータ電流を減少させるようにトランジスタ１３が駆動される。一方、環境温度が低下すると、ブリッジ回路１１の不平衡電圧が増大するため、ヒータ電流を増大させるようにトランジスタ１３が駆動される。ここで、ヒータ１０で消費される電力は、ヒータ１０に流れる電流の２乗にヒータ１０の抵抗値を掛けて得られる。
ところで、トランジスタ１３の消費電力は、図４に示す通りとなる。
図４は、環境温度に対するトランジスタの消費電力を表す特性図である。図４において、横軸は環境温度であり、縦軸はトランジスタ１３の消費電力を表す。なお、恒温槽の設定温度（目標値）は８０℃であるとする。
電源電圧をＶｃｃ（Ｖ）、ヒータ電流をＩ（Ａ）、ヒータ１０の抵抗値をＲＨ（Ω）、コレクタ−エミッタ間の電圧をＶＣＥ（Ｖ）、ヒータ１０での電圧降下分をＲＨ×Ｉ（Ｖ）とすると、電源電圧Ｖｃｃは一定であるため、ＶＣＥは次式（２）で表される。
ＶＣＥ＝Ｖｃｃ−ＲＨ×Ｉ ・・・（２）
このため、トランジスタ１３での消費電力Ｐｔｒ（Ｗ）は、次式（３）で求められる。
このため、トランジスタ１３での消費電力Ｐｔｒ（Ｗ）は、次式（３）で求められる。
Ｐｔｒ＝（Ｖｃｃ−ＲＨ×Ｉ）×Ｉ ・・・（３）
以上より、トランジスタ１３での消費電力は、図４に示すように、電流Ｉが最大電流値の半分のときに最大となることが判る。
以上より、トランジスタ１３での消費電力は、図４に示すように、電流Ｉが最大電流値の半分のときに最大となることが判る。
ここで、環境温度が０℃のときは、トランジスタ１３のコレクターエミッタ間の抵抗値は略零となるため、図４に示すように、トランジスタ１３の消費電力は零となる。そして、このとき（環境温度が０℃のとき）ヒータ１０の消費電力は最大（Ｖｃｃ２／ＲＨ）となる。
また、環境温度が設定温度と同一の８０℃のときは、トランジスタ１３はオフにされ、ヒータ１０に電流は流れないため、トランジスタ１３の消費電力は零になる。
以上より、恒温槽の設定温度が８０℃に設定されている場合は、環境温度が４０℃のあたりで、トランジスタ１３の消費電力が最大になることが判る。
なお、トランジスタ１３の最大消費電力は、ヒータ１０の最大消費電力の約１／４である。
次に、トランジスタ１３の信頼性について考える。一般的に、トランジスタのチップ温度には、ジャンクション温度（例えば、１５０℃）と表現される、使用環境下における上限が設定される。
図２に示す恒温槽用温度制御装置におけるトランジスタ１３の温度Ｔｔｒ（℃）は、トランジスタ１３の環境温度をＴＡ（℃）、熱抵抗をθｊＡ（℃／Ｗ）、トランジスタの消費電力をＰｔｒ（Ｗ）とすると、次式（４）で表される。
Ｔｔｒ＝ＴＡ＋θｊＡ×Ｐｔｒ ・・・（４）
熱抵抗θｊＡは、使用するトランジスタチップやトランジスタチップを実装するプリント基板のパターンや設置する部分の放熱によっても変動する値であるが、近似的には、図４に示すトランジスタ１３の消費電力を乗じた値がトランジスタチップの温度上昇となる。図４の特性から考えれば、トランジスタ１３の消費電力は、恒温槽の設定温度の半分の温度近辺で最大となる。このため、トランジスタ１３のチップ温度は、使用環境の中心温度で最大になると言える。これは、トランジスタ１３の代わりにＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）を用いても同様である。
特開２００５−０９２３０２号公報
特開２００３−２４１５６５号公報
熱抵抗θｊＡは、使用するトランジスタチップやトランジスタチップを実装するプリント基板のパターンや設置する部分の放熱によっても変動する値であるが、近似的には、図４に示すトランジスタ１３の消費電力を乗じた値がトランジスタチップの温度上昇となる。図４の特性から考えれば、トランジスタ１３の消費電力は、恒温槽の設定温度の半分の温度近辺で最大となる。このため、トランジスタ１３のチップ温度は、使用環境の中心温度で最大になると言える。これは、トランジスタ１３の代わりにＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）を用いても同様である。
現在、高安定発振器にはさらなる小型化が要求されている。このため、恒温槽とヒータ駆動用のトランジスタ又はＦＥＴ等のスイッチング素子とを物理的に離すことはできない。
このように恒温槽とスイッチング素子が近接していると、スイッチング素子は恒温槽からの熱伝導を受け、さらに自らの発熱が加わるため、スイッチング素子のチップ温度は恒温槽の温度と同等かそれ以上の温度になる場合がある。
スイッチング素子のチップ温度の上昇は、半導体であるスイッチング素子の劣化を促進させるため、スイッチング素子の寿命が短くなり、長期的な信頼性の低下等の問題を招く可能性がある。
特に、近年の高安定発振器には、機器の小型化や適用される機器の種類の多様化等の要求が増加しているため、より信頼性の高い恒温槽用温度制御装置の開発が求められている。
そこで、ヒータ駆動用のスイッチング素子の温度上昇を抑制して長期的に高い信頼性を保持することのできる恒温槽用温度制御装置を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の一観点の恒温槽用温度制御装置は、高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、電流出力端子が前記加熱素子に接続されるとともに、電流入力端子が電源回路に接続され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子とを含む。
本発明の実施の形態の他の観点の恒温槽用温度制御装置は、高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、電流入力端子が前記加熱素子を介して電源回路に接続されるとともに、電流出力端子が接地され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子とを含む。
ヒータ駆動用のスイッチング素子の温度上昇を抑制して長期的に高い信頼性を保持することのできる恒温槽用温度制御装置を提供できる。
以下、本発明の恒温槽用温度制御装置を適用した実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
図５は、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置の回路構成を示す図である。
図５は、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置の回路構成を示す図である。
実施の形態１の恒温槽用温度制御装置は、ヒータ１００、感温素子１１０Ａを有するブリッジ回路１１０、オペアンプ１２０、トランジスタ１３０、コンパレータ１４０、平滑フィルタ１５０、及び三角波発振器１６０を含む。実施の形態１の恒温槽用温度制御装置は、ディスクリート部品として作製されるものである。
ヒータ１００は、恒温槽の温度を一定に保持するために配設される加熱素子であり、例えば、ニクロム線等のヒータ線であればよい。ヒータ１００は、一端が平滑フィルタ１５０のコイル１５１とキャパシタ１５２との中間点に接続され、他端は接地される。
ヒータ１００は恒温槽の筐体内に配設される。恒温槽自体の構成は、背景技術の説明で用いた図１（ａ）、（ｂ）に示す恒温槽２、又は２Ａ〜２Ｃと同一であってよい。また、高安定発振器は小型化されており、恒温槽用温度制御装置は高安定発振器の内部に配設されるため、トランジスタ１３０はヒータ１００から熱伝導を受ける程度に接近している。
ブリッジ回路１１０は、レギュレータ（Ｒｅｇ）を介して電源（Ｖｃｃ）に接続されており、感温素子１１０Ａと３つ固定抵抗器を含む。ブリッジ回路１１０は、感温素子１１０Ａに伝達される熱（温度）を不平衡電圧という電圧信号に変換する回路である。ブリッジ回路１１０の出力端子は、オペアンプ１２０の入力端子に接続されており、不平衡電圧はオペアンプ１２０に入力される。
感温素子１１０Ａは、温度によって抵抗値が変化する素子であり、恒温槽の温度を検出できるように、恒温槽の近傍に取り付けられていればよい。感温素子１１０Ａには、例えば、サーミスタや白金抵抗を用いることができる。
なお、感温素子１１０Ａと３つの抵抗器を含むブリッジ回路１１０の構成は、図２（背景技術）に示すブリッジ回路１１と同一であり、感温素子１１０Ａの抵抗値Ｒｔは、恒温槽の温度が目標値である設定温度のときにＲｔ＝Ｒａ×Ｒｃ÷Ｒｂ（Ω）になるように設定される。
オペアンプ１２０は、ブリッジ回路１１０から入力される不平衡電圧を検出する検出回路であり、不平衡電圧を増幅し、不平衡電圧に応じた電圧を出力する。なお、オペアンプ１２０は、分圧用の抵抗器Ｒ１、Ｒ２とキャパシタ（Ｃ０）を備える。
トランジスタ１３０は、ヒータ１００の駆動用のスイッチング素子である。トランジスタ１３０は、電流入力端子であるコレクタが電源（Ｖｃｃ）に接続され、電流出力端子であるエミッタが平滑フィルタ１５０のコイル１５１に接続され、制御端子であるベースが抵抗器Ｒ３を介してコンパレータ１４０の出力端子に接続されている。コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号がベースに入力されると、コレクタ−エミッタ間が導通され、ヒータ１００に電流が供給される。
コンパレータ１４０は、反転入力端にオペアンプ１２０の出力端子が接続されるとともに、非反転入力端に三角波発振器１６０が接続されている。コンパレータ１４０は、オペアンプ１２０から入力される電圧値に応じたＰＷＭ（Pulse Width Modulation:パルス幅変調）信号を出力するＰＷＭ信号発生回路である。すなわち、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号は、三角波発振器１６０の発振周波数に同期し、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じたパルス幅を有する変調信号である。
平滑フィルタ１５０は、コイル１５１とキャパシタ１５２を含み、トランジスタ１３０のエミッタから供給される電流を平滑化する。コイル１５１のインダクタンスとキャパシタ１５２の静電容量は、電源（Ｖｃｃ）の電圧値やヒータ１００の定格値に応じて適宜設定すればよい。
三角波発振器１６０は、コンパレータ１４０でＰＷＭ信号を得るためのキャリア信号を生成するキャリア生成回路である。なお、キャリアは三角波に限定されるものではなく、鋸波や正弦波であってもよい。このため、三角波発振器１６０の代わりに、鋸波又は正弦波を生成可能な発振器を用いてもよい。
このような実施の形態１の恒温槽用温度制御装置において、環境温度の低下とともに恒温槽の温度が低下し、ブリッジ回路１１０から不平衡電圧が出力されると、不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号がコンパレータ１４０から出力される。コンパレータ１４０から出力されたＰＷＭ信号はトランジスタ１３０のベースに入力されるため、トランジスタ１３０のエミッタからは、ＰＷＭ信号に応じた電流が出力される。トランジスタ１３０のエミッタからされた電流は、平滑フィルタ１５０を経て平滑化されてヒータ１００に供給される。
これにより、ヒータ１００が発熱し、恒温槽の温度が設定温度に向けて上昇する。恒温槽の温度が設定温度に達すると、感温素子１１０Ａの抵抗値ＲｔがＲｔ＝Ｒａ×Ｒｃ÷Ｒｂを満たすので、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧は零となる。これにより、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号のデューティ比は０％となり、トランジスタ１３０はオフにされる。このようにして、恒温槽の温度が一定に保持される。
以上、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置によれば、ヒータ１００への電流供給を制御するトランジスタ１３０は、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によって駆動される。
ここで、トランジスタ１３０には、コレクタ−エミッタ間電流とベース−エミッタ間電流が通流するが、ベース−エミッタ間電流は、コレクタ−エミッタ間電流に比べると微小であるため、ベース−エミッタ間電流を省略して考える。
トランジスタ１３０がオンのときは、トランジスタ１３０のコレクタ−エミッタ間の抵抗値は略零となるため、コレクタ−エミッタ間に電流が通流してもトランジスタ１３０による消費電力は略零となる。
一方、トランジスタ１３０がオフのときは、コレクタ−エミッタ間は導通されず、抵抗値は非常に大きく、コレクタ−エミッタ間に電流は通流しないため、トランジスタ１３０による消費電力は略零となる。
このように、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置によれば、環境温度によらず、トランジスタ１３０での消費電力は略零となる。
図２に示した従来の恒温槽用温度制御装置では、恒温槽の設定温度と感温素子１１Ａで検出される温度とに差がある場合は、トランジスタ１３が常にオンにされて電力消費が生じた。そして、従来の恒温槽用温度制御装置のトランジスタにおける最大消費電力は、ヒータ１０における最大消費電力の約１／４であった。これは、トランジスタ１３における消費電力をＷｔｒ、コレクタ−エミッタ間の電圧をＶｃｅ、コレクタ−エミッタ間に通流する電流をＩ、ヒータ１０の抵抗値をＲＨ、電源電圧をＶｃｃ（一定値）とすると、以下の式（１）によって導出される。
Ｗｔｒ＝Ｖｃｅ×Ｉ
＝Ｖｔｒ×（Ｖｃｃ−Ｖｔｒ）／ＲＨ
＝（Ｖｃｃ×Ｖｔｒ−Ｖｔｒ２）／ＲＨ
＝−（１／ＲＨ）×（Ｖｔｒ２−Ｖｃｃ×Ｖｔｒ）・・・（１）
ここで、式（１）はＶｔｒ＝０、又はＶｔｒ＝ＶｃｃのときにＷｔｒ＝０となる。Ｗｔｒの極大値（最大値）は、Ｖｔｒ＝Ｖｃｃ／２のときに得られ、Ｗｔｒ＝Ｖｃｃ２／４ＲＨとなる。これより、従来の恒温槽用温度制御装置のトランジスタ１３での最大消費電力は、ヒータ１０での最大消費電力（Ｖｃｃ２／ＲＨ）の１／４であることが導出される。
＝Ｖｔｒ×（Ｖｃｃ−Ｖｔｒ）／ＲＨ
＝（Ｖｃｃ×Ｖｔｒ−Ｖｔｒ２）／ＲＨ
＝−（１／ＲＨ）×（Ｖｔｒ２−Ｖｃｃ×Ｖｔｒ）・・・（１）
ここで、式（１）はＶｔｒ＝０、又はＶｔｒ＝ＶｃｃのときにＷｔｒ＝０となる。Ｗｔｒの極大値（最大値）は、Ｖｔｒ＝Ｖｃｃ／２のときに得られ、Ｗｔｒ＝Ｖｃｃ２／４ＲＨとなる。これより、従来の恒温槽用温度制御装置のトランジスタ１３での最大消費電力は、ヒータ１０での最大消費電力（Ｖｃｃ２／ＲＨ）の１／４であることが導出される。
これに対して、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置のトランジスタ１３０では、環境温度によらず消費電力が略零となるため、トランジスタ１３０の消費電力は従来の恒温槽用温度制御装置のトランジスタ１３よりも最大で約Ｖｃｃ２／４ＲＨ程低減される。
従って、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置のトランジスタ１３０の温度上昇は、従来の恒温槽用温度制御装置のトランジスタに比べて、消費電力が少なくなった分だけ抑えられる。
このように、実施の形態１によれば、トランジスタ１３０の温度上昇を従来の恒温槽用温度制御装置よりも抑えることができ、長期的に高い信頼性を保持することのできる恒温槽用温度制御装置を提供することができる。
また、ヒータ１００を駆動するためのトランジスタ１３０の温度上昇を抑制できるため、従来よりも小型のトランジスタを用いることができる。これにより、従来よりも恒温槽用温度制御装置をさらに小型化することができる。
以上では、ＮＰＮ型のトランジスタ１３０を用いる形態について説明したが、トランジスタ１３０は、ＰＮＰ型であってもよい。
また、以上では、ヒータ１００に通流する電流を制御するスイッチング素子としてトランジスタ１３０を用いる形態について説明したが、トランジスタ１３０の代わりに、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果型トランジスタ）を用いてもよい。
また、以上では、トランジスタ１３０を駆動するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号発生回路としてコンパレータ１４０を用いる形態について説明したが、コンパレータ１４０の代わりにオペアンプを用いてもよい。
また、以上では、平滑フィルタ１５０を含む形態について説明したが、平滑フィルタ１５０は必ずしも必要ではなく、含まない回路構成であってもよい。
また、以上では、レギュレータ（Ｒｅｇ）を含む形態について説明したが、レギュレータ（Ｒｅｇ）必ずしも必要ではなく、含まない回路構成であってもよい。
また、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置の構成要素のうち、電源（Ｖｃｃ）、ヒータ１００、トランジスタ１３０、及び平滑フィルタ１５０の接続関係については、上述の回路のものの他に、図６及び図７に示すような回路にしてもよい。なお、図６及び図７では、ブリッジ回路１１０、オペアンプ１２０、コンパレータ１４０、及び三角波発振器１６０は省略する。
図６（ａ）乃至（ｄ）及び図７（ａ）乃至（ｃ）は、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置の変形例を示す回路図である。
図６（ａ）は、トランジスタ１３０がＰＮＰ型となり、トランジスタ１３０のベースとコンパレータ１４０の間に第２のスイッチング素子であるトランジスタ１３１が接続されている。
トランジスタ１３１は、ＮＰＮ型のトランジスタであり、コレクタが抵抗器Ｒ４を介してトランジスタ１３０のベースに接続され、エミッタが接地され、ベースに抵抗器Ｒ３を介してコンパレータ１４０の出力端子が接続されている。
また、平滑フィルタ１５０は、ダイオード１５３を含む。ダイオード１５３は、出力端子がトランジスタ１３０のコレクタとコイル１５１との中間点に接続され、入力端子は接地されている。このように平滑フィルタ１５０にダイオード１５３を挿入することにより、トランジスタ１３０のオフに伴って生じるリップル電流が削減され、トランジスタ１３０のコレクタから出力される電流の平滑化がより効率的に行われる。
このような回路構成により、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によってトランジスタ１３１がオンにされると、トランジスタ１３０がオンにされ、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図６（ｂ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図５に示すトランジスタ１３０の代わりに、ＰＮＰ型のＦＥＴ１３２が接続され、図６（ａ）のトランジスタ１３１の代わりに、第２のスイッチング素子であるＮＰＮ型のＦＥＴ１３３が接続されている。ＦＥＴ１３２のゲート−ソース間には抵抗器Ｒ５が接続されている。
ＰＷＭ信号によってＦＥＴ１３３がオンにされると、ＦＥＴ１３２がオンにされ、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図６（ｃ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図５に示すトランジスタ１３０がＰＮＰ型となる。
また、平滑フィルタ１５０は、ダイオード１５３を含む。ダイオード１５３は、出力端子がトランジスタ１３０のコレクタとコイル１５１との中間点に接続され、入力端子は接地されている。このように平滑フィルタ１５０にダイオード１５３を挿入することにより、トランジスタ１３０のコレクタから出力される電流の平滑化がより効率的に行われる。
このような回路構成により、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によってトランジスタ１３０がオンにされると、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図６（ｄ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図６（ｃ）に示すトランジスタ１３０の代わりに、ＰＮＰ型のＦＥＴ１３２が接続されている。
コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によってＦＥＴ１３２がオンにされると、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図７（ａ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図５に示すＮＰＮ型のトランジスタ１３０のベースとコンパレータ１４０の出力端子との間に、第２のスイッチング素子であるＰＮＰ型のトランジスタ１３１が接続されている。
また、トランジスタ１３１のエミッタには第２の電源（Ｖｃｃ２）が接続されている。第２の電源の電圧値Ｖｃｃ２は、Ｖｃｃ２>Ｖｃｃの関係が成立するように設定される。
さらに、平滑フィルタ１５０は、ダイオード１５３を含む。ダイオード１５３は、出力端子がトランジスタ１３０のエミッタとコイル１５１との中間点に接続され、入力端子は接地されている。このように平滑フィルタ１５０にダイオード１５３を挿入することにより、トランジスタ１３０のエミッタから出力される電流の平滑化がより効率的に行われる。
コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によってトランジスタ１３１がオンにされると、トランジスタ１３０がオンにされ、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図７（ｂ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図７（ａ）に示すトランジスタ１３０の代わりに、ＮＰＮ型のＦＥＴ１３２が接続され、トランジスタ１３１の代わりに、ＰＮＰ型のＦＥＴ１３３が接続されている。その他の構成は、図７（ａ）に示す回路と同一である。
コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号によってＦＥＴ１３３がオンにされると、ＦＥＴ１３２がオンにされ、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ１００に供給される。
図７（ｃ）に示す恒温槽用温度制御装置では、図７（ｂ）に示すダイオード１５３の代わりに、ＮＰＮ型のＦＥＴ１５４が接続されている。その他の構成は、図７（ｂ）に示す回路と同一である。
ＦＥＴ１５４には、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号が入力されるため、ＦＥＴ１５４は、ＦＥＴ１３３と同期してオンにされる。これにより、ＦＥＴ１３２及び１３３がオンされてＦＥＴ１３２のソースから出力される電流が平滑回路１５０に流入すると、ＦＥＴ１５４がオンにされているため、電流の平滑化が効率的に行われる。
以上、図６及び図７に実施の形態１の恒温槽用温度制御装置の様々な変形例を示したが、すべての変形例において、トランジスタ１３０、１３１、又はＦＥＴ１３２、１３３の消費電力は略零である。
このため、トランジスタ１３０、１３１、又はＦＥＴ１３２、１３３の温度上昇を従来の恒温槽用温度制御装置よりも抑えることができ、長期的に高い信頼性を保持することのできる恒温槽用温度制御装置を提供することができる。
また、ヒータ１００を駆動するためのトランジスタ１３０、１３１、又はＦＥＴ１３２、１３３の温度上昇を抑制できるため、従来よりも小型のトランジスタを用いることができる。これにより、恒温槽用温度制御装置を従来よりも、さらに小型化を図ることができる。
なお、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置は、通信機器、情報機器、計測機器、放送機器等に用いられる高安定発振器に内蔵することができ、発振器としては、例えば、ＯＣＸＯ、ルビジウム原子発振器、又はセシウム原子発振器を用いることができる。
［実施の形態２］
図８は、実施の形態２の恒温槽用温度制御装置の回路構成を示す図であり、（ａ）は、ヒータ駆動用のスイッチング素子としてトランジスタを有する回路、（ｂ）はヒータ駆動用のスイッチング素子としてＦＥＴを有する回路を示す。
図８は、実施の形態２の恒温槽用温度制御装置の回路構成を示す図であり、（ａ）は、ヒータ駆動用のスイッチング素子としてトランジスタを有する回路、（ｂ）はヒータ駆動用のスイッチング素子としてＦＥＴを有する回路を示す。
図８（ａ）に示すように、実施の形態２の恒温槽用温度制御装置は、電源（Ｖｃｃ）、ヒータ２００、トランジスタ２３０、ダイオード２５３、及び接地点の接続関係が実施の形態１の恒温槽用温度制御装置と異なる。具体的には、電源（Ｖｃｃ）と接地点の位置が入れ替わり、これに伴ってヒータ２００、トランジスタ２３０、及びダイオード２５３の接続関係が変更されている。その他は、実施の形態１の恒温槽用温度制御装置と同一であるため、同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
ヒータ２００は、一端が電源（Ｖｃｃ）に接続され、他端は平滑フィルタ１５０のコイル１５１とキャパシタ１５２の接続点に接続されている。このように接続関係が異なるだけで、ヒータ２００自体は、実施の形態１のヒータ１００と同一である。
トランジスタ２３０は、電流入力端子であるコレクタが平滑フィルタ１５０のコイル１５１に接続され、電流出力端子であるエミッタが接地され、制御端子であるベースがコンパレータ１４０の出力端子に接続されている。このように接続関係が異なるだけで、トランジスタ２３０自体は、実施の形態１のトランジスタ１３０と同一である。
ダイオード２５３は、ヒータ２００とトランジスタ２３０の接続関係の変更に伴い、実施の形態１とは整流方向が逆になるように接続されている。このように接続関係が異なるだけで、ダイオード２５３自体は、実施の形態１のダイオード１５３と同一である。
このような実施の形態２の恒温槽用温度制御装置において、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号がトランジスタ２３０のベースに入力されると、コレクターエミッタ間が導通され、電源（Ｖｃｃ）からヒータ２００に電流が供給される。ヒータ２００に供給される電流は、ＰＷＭ信号のディーティ比に応じた電流値であるため、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ２００に供給される。
また、図８（ｂ）に示す恒温槽用温度制御装置は、図８（ａ）に示すトランジスタ２３０の代わりに、ＮＰＮ型のＦＥＴ２３２が接続されている点が図８（ａ）に示す恒温槽用温度制御装置と異なる。その他の構成は図８（ａ）に示す恒温槽用温度制御装置と同一であるため、同一又は同等の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
ＦＥＴ２３２は、電流入力端子であるドレインに平滑フィルタ１５０のコイル１５１が接続され、電流出力端子であるソースが接地され、制御端子であるゲートにコンパレータ１４０の出力端子が接続される。
このような恒温槽用温度制御装置において、コンパレータ１４０から出力されるＰＷＭ信号がＦＥＴ２３２のゲートに入力されると、ドレインーソース間が導通され、電源（Ｖｃｃ）からヒータ２００に電流が供給される。ヒータ２００に供給される電流は、ＰＷＭ信号のディーティ比に応じた電流値であるため、ブリッジ回路１１０の不平衡電圧に応じた電流がヒータ２００に供給される。
以上、実施の形態２の恒温槽用温度制御装置において、トランジスタ２３０又はＦＥＴ２３２の消費電力は略零である。
このため、トランジスタ２３０又はＦＥＴ２３２の温度上昇を従来の恒温槽用温度制御装置よりも抑えることができ、長期的に高い信頼性を保持することのできる恒温槽用温度制御装置を提供することができる。
また、ヒータ２００を駆動するためのトランジスタ２３０又はＦＥＴ２３２の温度上昇を抑制できるため、従来よりも小型のトランジスタを用いることができる。これにより、恒温槽用温度制御装置を従来よりも、さらに小型化を図ることができる。
［実施の形態３］
図９は、実施の形態３の恒温槽用温度制御装置のオペアンプの回路構成を示す図である。
図９は、実施の形態３の恒温槽用温度制御装置のオペアンプの回路構成を示す図である。
実施の形態１では、恒温槽用温度制御装置がディスクリート部品である形態について説明したが、実施の形態３では、ブリッジ回路１１０、オペアンプ１２０、トランジスタ１３０、及びコンパレータ１４０が集積回路として作製される。ここでは、集積回路として実現されるオペアンプ１２０の回路構成について説明する。
図９に示すように、実施の形態３のオペアンプ１２０は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor：ＭＯＳ型電界効果型トランジスタ）を集積化して作製される。図９に示す回路において、ＩＰ端子は非反転入力端、ＩＭ端子は反転入力端、ＡＶＤ端子は電源（Ｖｃｃ）、Ｏは出力、ＡＶＳ端子は接地電位を表す。
オペアンプ１２０は、Ｑ１〜Ｑ１１のＭＯＳＦＥＴを含む。Ｑ１とＱ２は、定電流回路となるＱ６への基準電流を生成するＭＯＳＦＥＴである。また、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ７、Ｑ８、及びＱ９は、入力段の作動回路となるＭＯＳＦＥＴであり、Ｑ６は固定電流を出力する定電流回路となるＭＯＳＦＥＴである。Ｑ１０及びＱ１１は、オペアンプとしての比較結果をＯ端子（出力端子）から外部に出力するためのバッファ回路となるＭＯＳＦＥＴである。
図９に示すように、オペアンプ１２０は集積化されたＭＯＳＦＥＴで作製することができるため、通常の半導体製造プロセスで作製することができる。
以上、実施の形態３によれば、恒温槽用温度制御装置に含まれる、ブリッジ回路１１０、オペアンプ１２０、トランジスタ１３０、及びコンパレータ１４０を集積回路として作製することができる。
なお、集積化は、ブリッジ回路１１０、オペアンプ１２０、トランジスタ１３０、及びコンパレータ１４０のすべてに対して行う必要はなく、これらのうちの少なくともいずれか一つであってもよい。
また、ＰＷＭ信号発生回路としてコンパレータ１４０の代わりにオペアンプを用いる場合に、ＰＷＭ信号発生回路としてのオペアンプをオペアンプ１２０と同様の集積回路にしてもよい。
以上、本発明の例示的な実施の形態の恒温槽用温度制御装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態１乃至３に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流出力端子が前記加熱素子に接続されるとともに、電流入力端子が電源回路に接続され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。
（付記２）
前記加熱素子と前記電流出力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑回路を含む、付記１に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記３）
高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流入力端子が前記加熱素子を介して電源回路に接続されるとともに、電流出力端子が接地され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。
（付記４）
前記加熱素子と前記電流入力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑フィルタを含む、付記３に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記５）
前記平滑回路は、整流素子を含む、付記２又は４に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記６）
前記整流素子は、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるＭＯＳＦＥＴである、付記５に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記７）
前記スイッチング素子の電流制御端子と前記ＰＷＭ信号発生回路との間に配設され、前記ＰＷＭ信号によって駆動される第２スイッチング素子をさらに含み、前記スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子によって駆動される、付記１乃至６のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記８）
第２のスイッチング素子に電力供給する第２電源を含む、付記７に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記９）
前記ブリッジ回路、前記検出回路、前記ＰＷＭ信号発生回路、又は前記スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つが集積化された、付記１乃至８のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記１）
高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流出力端子が前記加熱素子に接続されるとともに、電流入力端子が電源回路に接続され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。
（付記２）
前記加熱素子と前記電流出力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑回路を含む、付記１に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記３）
高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流入力端子が前記加熱素子を介して電源回路に接続されるとともに、電流出力端子が接地され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。
（付記４）
前記加熱素子と前記電流入力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑フィルタを含む、付記３に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記５）
前記平滑回路は、整流素子を含む、付記２又は４に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記６）
前記整流素子は、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるＭＯＳＦＥＴである、付記５に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記７）
前記スイッチング素子の電流制御端子と前記ＰＷＭ信号発生回路との間に配設され、前記ＰＷＭ信号によって駆動される第２スイッチング素子をさらに含み、前記スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子によって駆動される、付記１乃至６のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記８）
第２のスイッチング素子に電力供給する第２電源を含む、付記７に記載の恒温槽用温度制御装置。
（付記９）
前記ブリッジ回路、前記検出回路、前記ＰＷＭ信号発生回路、又は前記スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つが集積化された、付記１乃至８のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
１００、２００ ヒータ
１１０ ブリッジ回路
１１０Ａ 感温素子
１２０ オペアンプ
１３０、１３１、２３０ トランジスタ
１３２、１３３、１５４、２３２ ＦＥＴ
１４０ コンパレータ
１５０ 平滑フィルタ
１５１ コイル
１５２ キャパシタ
１５３、２５３ ダイオード
１６０ 三角波発振器
１１０ ブリッジ回路
１１０Ａ 感温素子
１２０ オペアンプ
１３０、１３１、２３０ トランジスタ
１３２、１３３、１５４、２３２ ＦＥＴ
１４０ コンパレータ
１５０ 平滑フィルタ
１５１ コイル
１５２ キャパシタ
１５３、２５３ ダイオード
１６０ 三角波発振器
Claims (6)
- 高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流出力端子が前記加熱素子に接続されるとともに、電流入力端子が電源回路に接続され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。 - 前記加熱素子と前記電流出力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑回路を含む、請求項１に記載の恒温槽用温度制御装置。
- 高安定発振器の恒温槽を加熱する加熱素子と、
前記恒温槽の温度によって抵抗値が変化する感温素子を有するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の不平衡電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路によって検出される不平衡電圧に応じたＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生回路と、
電流入力端子が前記加熱素子を介して電源回路に接続されるとともに、電流出力端子が接地され、前記ＰＷＭ信号発生回路によって発生されるＰＷＭ信号に基づいて駆動されるスイッチング素子と
を含む、恒温槽用温度制御装置。 - 前記加熱素子と前記電流入力端子との間に配設され、電流を平滑する平滑フィルタを含む、請求項３に記載の恒温槽用温度制御装置。
- 前記スイッチング素子の電流制御端子と前記ＰＷＭ信号発生回路との間に配設され、前記ＰＷＭ信号によって駆動される第２スイッチング素子をさらに含み、前記スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子によって駆動される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
- 前記ブリッジ回路、前記検出回路、前記ＰＷＭ信号発生回路、又は前記スイッチング素子のうちの少なくともいずれか一つが集積化された、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の恒温槽用温度制御装置。
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