JP5809851B2 - 恒温槽付水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子と水晶振動子を格納してその温度を一定に保つ恒温槽と水晶振動子を用いる発振回路とを備える恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）に関する。

水晶振動子とこの水晶振動子とを備えてこれらを一体型の部品とした水晶発振器は、回路基板上などに実装し外部から電源電圧を供給するだけで所定の正確な周波数の発振信号を出力することから、各種の電子機器において、周波数や時間の基準源として広く用いられている。

水晶振動子の振動周波数は高い安定度を有するものの、水晶に固有の周波数温度特性に基づき、温度に応じてわずかに変化する。そこで、特に正確な発振周波数を出力する水晶発振器として、水晶振動子の温度を一定に保つ恒温槽内に水晶振動子を格納した恒温槽付水晶発振器がある。恒温槽は、電熱ヒーターにより加熱される構成とすることが一般的である。恒温槽内に設けた温度センサによって恒温槽内の温度を検出し、検出結果をヒーターの駆動回路のフィードバックすることによって、恒温槽内の温度が一定に保たれるようになっている。水晶振動子の周波数温度特性において温度変化に対する周波数変化が最小となるような温度に恒温槽の温度を設定することにより、周囲温度の影響によって恒温槽内の温度が微小に変動したとしても、恒温槽付水晶発振器の発振周波数が最も安定に保たれることになる。水晶振動子を構成する水晶片の水晶結晶からの切り出し方位にも依存するが、水晶振動子の振動周波数は、例えば温度に対して２次あるいは３次関数で変化するので、その関数曲線での頂点となる温度（ＺＴＣ；ゼロ温度係数点）では微小な温度変化に対しては振動周波数は変化しないこととなる。そこで、恒温槽の温度は、一般に、水晶振動子のＺＴＣ温度に設定される。

図５は、従来の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。

恒温槽１０内に、水晶振動子Ｘと、恒温槽１０内の温度を検出するサーミスタＴｈとが収容されている。恒温槽１０は、電熱式のヒーターＨで加熱されるようになっており、ヒーターＨの一端は電源端子１１に接続し、他端は駆動用のパワートランジスタ１５のコレクタに接続している。トランジスタ１５のエミッタは接地している。図示したものでは、ヒーターＨは恒温槽１０内に設けられている。水晶振動子Ｘは、水晶振動子Ｘを利用する発振回路１３に電気的に接続し、発振回路１３からの発振信号は出力端子１４に出力される。図示したものでは発振回路１３は恒温槽１０の外部に配置されているが、恒温槽１０内に発振回路１３を設けてもよい。電源端子１１には外部から電源電圧Ｖｃｃ１が供給されるが、より安定した電源電圧Ｖｃｃ２を電源電圧Ｖｃｃ１から発生する安定化電源回路１２が設けられている。発振回路１３は電源電圧Ｖｃｃ２を供給されている。

サーミスタＴｈとしては、非直線的な負の抵抗温度特性（抵抗温度係数が負であるような抵抗温度特性）を有するものが用いられる。サーミスタＴｈでの検出結果をフィードバックしてヒーターＨを駆動するために、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と差動増幅器１６とが設けられ、差動増幅器１６の出力がパワートランジスタ１５のベースに接続している。サーミスタＴｈの一端は電源電圧Ｖｃｃ２に接続し、他端は差動増幅器１６の反転入力端子（−）に接続している。この反転入力端子（−）と接地点との間に抵抗Ｒ１が設けられている。差動増幅器１６の非反転入力端子（＋）と電源電圧Ｖｃｃ２の間に抵抗Ｒ２が設けられ、非反転入力端子（＋）と接地点の間に抵抗Ｒ３が設けられている。サーミスタＴｈ、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、差動増幅器１６及びパワートランジスタ１５によって、恒温槽１０に対する温度制御回路が構成されていることになる。温度制御回路を構成する各素子は、サーミスタＴｈを除いて、恒温槽１０の外部に設けられ、周囲温度の影響を受けることになる。

この構成では、水晶振動子ＸのＺＴＣ温度でのサーミスタＴｈの抵抗値と抵抗Ｒ１との比が、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との比に一致するように各抵抗Ｒ１〜Ｒ３を設定しておくことにより、差動増幅器１６は、恒温槽１０内の温度が上昇してサーミスタＴｈの抵抗値が小さくなればトランジスタ１５のコレクタ電流が減少し、逆に温度が低下してサーミスタＴｈの抵抗値が大きくなればコレクタ電流が増加するように、トランジスタ１５を制御する。トランジスタ１５のコレクタ電流はヒーターＨを流れる電流であるから、結局、恒温槽１０内の温度はＺＴＣ温度に維持されるように、ヒーター電流が制御されることになる。

実際には、図５に示した回路では、恒温槽１０内の温度がちょうどＺＴＣ温度であるときのヒーター電流はゼロとなるのに対し、恒温槽１０からの熱の散逸があるので、正確には恒温槽１０内の温度はＺＴＣ温度にまでは到達せず、ＺＴＣ温度に対してある偏差を有する。この偏差を補償するために、ＺＴＣ温度よりやや高い温度が制御目標となるように抵抗Ｒ１〜Ｒ３を設定することも考えられるが、恒温槽１０から散逸する熱量は周囲温度に依存するので、恒温槽１０の温度が周囲温度に影響を受けてしまうことになる。そこで、特許文献１に示す恒温槽付水晶発振器では、図５に示した回路のおける抵抗Ｒ２として、直線的な正の抵抗温度特性を有し、周囲温度に応じて抵抗が変化するように配置されたものを使用し、周囲温度が低ければヒーターＨに流れる電流がより大きくなるようにして、恒温槽内の温度をＺＴＣに維持できるようにしている。

特許文献２には、恒温槽内の温度を検出するサーミスタの他に、周囲温度を検出するサーミスタも設け、恒温槽内の温度に基づくクローズループ制御と周囲温度に基づくオープンループ制御とを行い、恒温槽内の温度を所定の温度とすることが開示されている。

特開２００５−１６５６３０号公報 特開２０１１−４３８２号公報

水晶振動子のＺＴＣは、同じ切断方位の水晶片を使用し、同じ振動周波数であるとしても、水晶振動子ごとに少しずつ異なっている。そのため、より高い周波数精度の恒温槽付水晶発振器を製造する際には、水晶振動子を恒温槽内に格納した上で、恒温槽を加熱するヒーターを駆動して恒温槽の温度を変えながら発振周波数を観測してＺＴＣ温度を求め、求めたＺＴＣ温度に応じて温度制御回路内の各抵抗の値を決定し抵抗値の調整を行うことになる。例えば、図５に示した回路構成の場合であれば、抵抗Ｒ１〜Ｒ３の少なくとも１つの調整を行うが、実際には、抵抗Ｒ１の調整を行うことが多い。しかしながらこのように調整を行うとしても、恒温槽の構造や恒温槽内でのサーミスタの配置によっては、サーミスタの温度が厳密に水晶振動子の温度と一致しなくなり、また、恒温槽から周囲への放熱量が周囲温度に依存することから、サーミスタでの検出温度に基づいて求めたＺＴＣ温度（見掛け上のＺＴＣ温度）自体が周囲温度によって変化することになる。恒温槽内のサーミスタで検出した温度に応じて制御を行うので、見掛け上のＺＴＣ温度が変動するようでは適切な制御を行えなくなる。また、水晶振動子のＺＴＣに応じて温度制御回路内の各抵抗値を調整したとしても、これらの抵抗自体も抵抗温度係数を有して周囲温度に応じて抵抗値を変えるから、それについての補償を行うことも考えなければならない。

結局、高精度な恒温槽付水晶発振器を構成するためには、恒温槽内の温度を検出するサーミスタのほかに周囲温度を検出する温度センサを設けるだけでは不十分であり、温度制御回路における構成と調整方法とについて十分な配慮を行う必要がある。

サーミスタを用いて温度制御を行っているときの周囲温度と恒温槽内の実際の温度との関係は、大まかに言えば、例えば、図６（ａ）の太線に示すように、周囲温度の上昇に対するヒータ発熱量の低減が不十分であって周囲温度が上昇するにつれて恒温槽温度も上昇する場合と、図６（ｂ）の太線に示すように、周囲温度の上昇に対するヒータ発熱量を抑制が過剰であって周囲温度が上昇するにつれて恒温槽温度が下降する場合がある。図６（ａ）と（ｂ）のどちらの温度特性となるかは、恒温槽自体やその周辺部の構造や熱的環境、恒温槽内でのサーミスタの配置などの種々の要因に依存する。いずれの場合においても、図示点線に示すように、周囲温度によらずに恒温槽温度が一定となりしかもその温度が真のＺＴＣ温度であるような補正が行われるように、温度制御回路を構成して調整しなければならない。

本発明の目的は、水晶振動子ごとのＺＴＣ温度の違いに対応でき、周囲温度が変動しての周波数変動をきたすことがない恒温槽付水晶発振器を提供することにある。

本発明の恒温槽付水晶発振器は、恒温槽と、恒温槽内に収容された水晶振動子と、水晶振動子を用いる発振回路と、恒温槽を加熱するヒーターと、恒温槽内の温度が水晶振動子のゼロ温度係数点の温度となるようにヒーターを駆動する温度制御回路と、を有する恒温槽付水晶発振器において、温度制御回路は、ヒーターに直列に設けられたパワートランジスタと、パワートランジスタを駆動する差動増幅器と、恒温槽内に設けられて負の抵抗温度特性を有し、電源電圧と差動増幅器の反転入力端子との間に接続されたサーミスタと、反転入力端子と接地点との間に設けられゼロ温度係数点の温度の調整に用いられる第１の抵抗と、電源電圧と差動増幅器の非反転入力端子との間に設けられた第２の抵抗と、接地点と非反転入力端子との間に設けられた第３の抵抗と、を備え、第２の及び第３の抵抗の一方は、複数の抵抗素子を有する抵抗集合体として構成され、抵抗集合体を構成する複数の抵抗素子のうちの一つの抵抗素子は、正の抵抗温度特性を有して周囲温度を検出する温度検出用抵抗素子であることを特徴とする。

本発明では、一般に非直線性が大きな負の抵抗温度特性を有するサーミスタによって恒温槽内温度を検出してこれを差動増幅器の反転入力端子（すなわち（−）入力）にフィードバックするとともに、第１及び第２の抵抗からなり差動増幅器の非反転入力端子（すなわち（＋）入力）に接続されるいわゆる抵抗ネットワーク内に、少なくとも２つの通常の抵抗素子の他に、正の抵抗温度特性を有して周囲温度を検出する抵抗素子を設けるようにしている。これにより、水晶振動子ごとのＺＴＣ温度の違いに対応できるとともに、周囲温度の変化による見掛け上のＺＴＣ温度の変化を補償することができて、恒温槽付水晶発振器における発振周波数をさらに安定したものとすることができる。

本発明の実施の一形態の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。 本発明の別の実施形態の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。 さらに別の実施形態の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。 さらに別の実施形態の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。 従来の恒温槽付水晶発振器の構成を示す回路図である。 （ａ），（ｂ）は、周囲温度と恒温槽温度との関係の例を示すグラフである。

次に、本発明の好ましい実施の形態の恒温槽付水晶発振器について説明する。

図１に示す本発明の実施の一形態の恒温槽付水晶発振器は、図５に示したものと同様のものであるが、温度制御回路での回路構成の点で、図５に示したものと異なっている。具体的には図１に示す回路では、図５に示す回路における抵抗Ｒ２の代わりに、抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３が設けられている。抵抗Ｒ２１の一端には電源電圧Ｖｃｃ２が供給され、この抵抗Ｒ２１の他端は接続点１７に接続する。この接続点１７と差動増幅器１６の非反転入力端子（＋）との間に抵抗Ｒ２２，Ｒ２３が並列に設けられている。図１に示した回路は、周囲温度と実際の恒温槽温度とが図６（ａ）に示すような関係（周囲温度が上昇すると恒温槽温度も上昇する関係）にあるときに、周囲温度によらずに恒温槽温度を一定にして水晶振動子ＸのＺＴＣ温度とするための回路である。

図１に示す構成において、抵抗Ｒ１，Ｒ３，Ｒ２１，Ｒ２２は、抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子であるのに対し、抵抗Ｒ２３としては、周囲温度を検出する温度センサとして、直線的な正の抵抗温度特性を有する抵抗素子が使用される。抵抗Ｒ１は、水晶振動子ＸでのＺＴＣ温度のばらつきを補正するＺＴＣ調整用抵抗であり、水晶振動子Ｘについて実測されたＺＴＣ温度に応じて値が設定される。これに対し、抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３は温度制御回路における感度調整用の抵抗である。上述したように、サーミスタＴｈでの温度検出値に基づく見掛け上のＺＴＣ温度は周囲温度によって変わり得るが、これらの３個の感度調整用の抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３と周囲温度を検出する正の抵抗温度特性を有する抵抗Ｒ２３とによって、周囲温度が変化したとしても水晶振動子Ｘの温度設定を常にＺＴＣ温度とすることが可能になる。例えば、この水晶発振器の周囲温度として想定される温度範囲内の２点において、サーミスタＴｈで検出される恒温槽１０内の温度を変化させながら水晶振動子Ｘの振動周波数を求めて見掛け上のＺＴＣ温度を求めることにより、このような見掛け上のＺＴＣ温度が変化しないような抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３の抵抗値を決定することができる。

図２に示した本発明の別の実施形態の恒温槽付水晶発振器は、図５に示したものと同様のものであるが、抵抗Ｒ２の代わりに、抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子である抵抗Ｒ２４と直線的な正の抵抗温度特性を有する抵抗Ｒ２５とを直列に接続したものを設けている点で、図５に示したものと異なっている。抵抗Ｒ１，Ｒ３も、抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子で構成されている。図２に示した回路も、周囲温度と実際の恒温槽温度とが図６（ａ）に示すような関係にあるときに、周囲温度によらずに恒温槽温度を一定にして水晶振動子ＸのＺＴＣ温度とするための回路である。図２の回路において、抵抗Ｒ１はＺＴＣ調整用抵抗であり、抵抗Ｒ３，Ｒ２４は感度調整用の抵抗であり、抵抗Ｒ２５は周囲温度を検出するための抵抗である。２個の感度調整用の抵抗Ｒ３，Ｒ２４を上述と同様に設定することで、周囲温度が変化したとしても水晶振動子Ｘの温度設定を常にＺＴＣ温度とすることが可能になる。

図３に示すさらに別の実施形態の恒温槽付水晶発振器は、図５に示したものと同様のものであるが、温度制御回路での回路構成の点で、図５に示したものと異なっている。具体的には図３に示す回路では、図５に示す回路における抵抗Ｒ３の代わりに、抵抗Ｒ３１〜Ｒ３３が設けられている。抵抗Ｒ３１の一端は接地され、この抵抗Ｒ３１の他端は接続点１８に接続する。この接続点１８と差動増幅器１６の非反転入力端子（＋）との間に抵抗Ｒ３２，Ｒ３３が並列に設けられている。図３に示した回路は、図１に示した回路とは異なり、周囲温度と実際の恒温槽温度とが図６（ｂ）に示すような関係（周囲温度が上昇すると恒温槽温度が下降する関係）にあるときに、周囲温度によらずに恒温槽温度を一定にして水晶振動子ＸのＺＴＣ温度とするための回路である。

図３に示す構成において、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３１，Ｒ３２は、抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子であるのに対し、抵抗Ｒ３３としては、周囲温度を検出する温度センサとして、直線的な正の抵抗温度特性を有する抵抗素子が使用される。抵抗Ｒ１はＺＴＣ調整用抵抗であり、抵抗Ｒ２，Ｒ３１，Ｒ３２は温度制御回路における感度調整用の抵抗である。上述したように、サーミスタＴｈでの温度検出値に基づく見掛け上のＺＴＣ温度は周囲温度によって変わり得るが、これらの３個の感度調整用の抵抗Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ３と周囲温度を検出する正の抵抗温度特性を有する抵抗Ｒ３３とによって、周囲温度が変化したとしても水晶振動子Ｘの温度設定を常にＺＴＣ温度とすることが可能になる。例えば、この水晶発振器の周囲温度として想定される温度範囲内の２点において、サーミスタＴｈで検出される恒温槽１０内の温度を変化させながら水晶振動子Ｘの振動周波数を求めて見掛け上のＺＴＣ温度を求めることにより、このような見掛け上のＺＴＣ温度が変化しないような抵抗Ｒ２、Ｒ３１，Ｒ３２の抵抗値を決定することができる。

図４に示したさらに別の実施形態の恒温槽付水晶発振器は、図５に示したものと同様のものであるが、抵抗Ｒ３の代わりに、直線的な正の抵抗温度特性を有する抵抗Ｒ３４と抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子である抵抗Ｒ３５とを直列に接続したものを設けている点で、図５に示したものと異なっている。抵抗Ｒ１，Ｒ２も、抵抗温度係数が小さな通常の抵抗素子で構成されている。図４に示した回路も、周囲温度と実際の恒温槽温度とが図６（ｂ）に示すような関係にあるときに、周囲温度によらずに恒温槽温度を一定にして水晶振動子ＸのＺＴＣ温度とするための回路である。図４の回路において、抵抗Ｒ１はＺＴＣ調整用抵抗であり、抵抗Ｒ２，Ｒ３５は感度調整用の抵抗であり、抵抗Ｒ３４は周囲温度を検出するための抵抗である。２個の感度調整用の抵抗Ｒ２，Ｒ３５を上述と同様に設定することで、周囲温度が変化したとしても水晶振動子Ｘの温度設定を常にＺＴＣ温度とすることが可能になる。

１０：恒温槽、１１：電源端子、１２：安定化電源回路、１３：発振回路、１４：出力端子、１５：パワートランジスタ、１６：差動増幅器、１７，１８：接続点、Ｈ：ヒーター、Ｔｈ：サーミスタ、Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ２１〜Ｒ２５，Ｒ３１〜Ｒ３５：抵抗、Ｘ：水晶振動子。

Claims (2)

1. 恒温槽と、前記恒温槽内に収容された水晶振動子と、前記水晶振動子を用いる発振回路と、前記恒温槽を加熱するヒーターと、前記恒温槽内の温度が前記水晶振動子のゼロ温度係数点の温度となるように前記ヒーターを駆動する温度制御回路と、を有する恒温槽付水晶発振器において、
   前記温度制御回路は、
   前記ヒーターに直列に設けられたパワートランジスタと、
   前記パワートランジスタを駆動する差動増幅器と、
   前記恒温槽内に設けられて負の抵抗温度特性を有し、電源電圧と前記差動増幅器の反転入力端子との間に接続されたサーミスタと、
   前記反転入力端子と接地点との間に設けられ前記ゼロ温度係数点の温度の調整に用いられる第１の抵抗と、
   前記電源電圧と前記差動増幅器の非反転入力端子との間に設けられた第２の抵抗と、
   前記接地点と前記非反転入力端子との間に設けられた第３の抵抗と、
   を備え、
   前記第２の抵抗は、複数の抵抗素子を有する抵抗集合体として構成され、
   前記抵抗集合体は、前記抵抗集合体の一端と接続点との間に設けられた第１の抵抗素子と、前記接続点と前記抵抗集合体の他端との間に設けられた第２の抵抗素子と、前記第２の抵抗素子に対して並列に設けられて正の抵抗温度特性を有し、周囲温度を検出する温度検出用抵抗素子と、を有することを特徴とする、恒温槽付水晶発振器。
2. 外部電源電圧が供給される電源端子と、
   前記電源端子に接続し、前記外部電源電圧から、前記外部電源電圧よりも安定した前記電源電圧を発生する安定化電源回路と、
   を備え、前記発振回路には前記電源電圧が供給され、前記ヒーターには前記外部電源電圧が供給される、請求項１に記載の恒温槽付水晶発振器。
   

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