JP5977197B2 - 温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、および温度制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、温度制御方法に関する。
携帯電話の基地局や伝送装置および測定器等の基準クロック源に用いられる水晶発振器では、周囲の温度変化に対して高い周波数安定度(周波数精度)が要求されている。
水晶発振器に用いられている水晶振動子(圧電振動子)は温度特性を有し、温度に対して出力周波数が変化してしまうため、その温度特性をキャンセルするような制御を行う必要がある。
水晶発振器に用いられている水晶振動子(圧電振動子)は温度特性を有し、温度に対して出力周波数が変化してしまうため、その温度特性をキャンセルするような制御を行う必要がある。
この水晶振動子の温度特性をキャンセルするようにした発振器として、一般的に電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled X’TAL Oscillator）や、水晶振動子の温度特性を補正するための温度補償回路を有した温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated X’TAL Oscillator）、さらに、水晶振動子等の電子部品を一定温度に保たれた恒温槽内に収納した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled X’TAL Oscillator）が知られている。
温度補償型水晶発振器では０.５ｐｐｍ程度の高い周波数安定度が得られ、恒温槽型水晶発振器では０.５〜１００ｐｐｂといった極めて高い周波数安定度が得られる。
また、温度補償型水晶発振器においては、半導体集積回路を用いることで水晶振動子以外の外付け部品は必要なく、出力周波数は半導体集積回路内の調整回路により簡単に調整可能となっている。
また、温度補償型水晶発振器においては、半導体集積回路を用いることで水晶振動子以外の外付け部品は必要なく、出力周波数は半導体集積回路内の調整回路により簡単に調整可能となっている。
一方、恒温槽型水晶発振器においては温度検出回路として用いているサーミスタや、ヒータとして用いている抵抗などの外付け部品を有し(例えば特許文献１参照)、出力周波数や温度制御は外付け部品を用いて調整している(例えば特許文献２参照)。
従来の恒温槽型水晶発振器では、出力周波数や温度制御の調整は水晶の温度特性だけではなく、サーミスタやヒータなどの外付け部品を実装する配置や、これら外付け部品のバラツキや温度特性にも依存するため、出力周波数や温度制御の調整は、それらを考慮して個別に調整する必要がある。そのため、調整が複雑であり、調整に時間がかかるという問題があった。
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであり、出力周波数や温度制御の調整に関しては半導体集積回路を用いて、電気的に調整することによって、出力周波数や温度制御の調整を容易に行うことが可能な温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、温度制御方法を提供することを目的としている。
本発明の一態様は、温度変化により特性が変動する感温素子（例えば図１に示す、振動子ＳＳ）がパッケージ内に実装されたモジュールの温度制御回路であって、前記パッケージ内に実装された発熱回路（例えば図１に示す、発熱回路Ｈ）と、前記パッケージ内温度を検出するｎ個（ｎ≧１ ｎは整数）の温度検出回路（例えば図１に示す、温度検出回路ＴＳ）と、前記温度検出回路の１つ以上の出力および前記パッケージ内の熱伝導特性に基づき前記発熱回路の発熱量を制御して前記感温素子の温度を調整する制御回路（例えば図１に示す、制御回路ＣＣ）と、を備え、前記制御回路は、前記発熱回路の消費電力を検出する消費電力検出回路（例えば図３に示す、消費電力検出回路ＰＤＣ）を有し、前記消費電力と前記熱伝導特性とに基づき前記発熱量を制御することを特徴とする温度制御回路、である。
本発明の一態様は、温度変化により特性が変動する感温素子（例えば図１に示す、振動子ＳＳ）がパッケージ内に実装されたモジュールの温度制御回路であって、前記パッケージ内に実装された発熱回路（例えば図１に示す、発熱回路Ｈ）と、前記パッケージ内温度を検出するｎ個（ｎ≧１ ｎは整数）の温度検出回路（例えば図１に示す、温度検出回路ＴＳ）と、前記温度検出回路の１つ以上の出力および前記パッケージ内の熱伝導特性に基づき前記発熱回路の発熱量を制御して前記感温素子の温度を調整する制御回路（例えば図１に示す、制御回路ＣＣ）と、を備え、前記温度検出回路を複数有し、前記制御回路は、前記温度検出回路の複数の検出信号の差分値を検出する温度差分検出回路（例えば図４に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦ）を備え、前記差分値と前記熱伝導特性とに基づき前記発熱量を制御することを特徴とする温度制御回路、である。
少なくとも１つの前記温度検出回路は、前記パッケージ内の前記発熱回路の近傍に配置されるものであってよい。
前記温度検出回路を複数有し、前記温度検出回路は、前記パッケージ内の前記発熱回路の近傍と前記パッケージ内の前記発熱回路から離れた位置とに配置されるものであってよい。
前記温度検出回路を複数有し、前記温度検出回路は、前記パッケージ内の前記発熱回路の近傍と前記パッケージ内の前記発熱回路から離れた位置とに配置されるものであってよい。
前記感温素子は振動子、発振子、および圧電素子のいずれかであって、前記感温素子を発振させる発振回路（例えば図１に示す、発振回路ＯＳＣ）と、前記発振回路の発振周波数を出力する発振信号出力回路（例えば図１に示す、発振信号出力回路ＦＯ）と、を備えていてよい。
本発明の他の態様は、上記態様のうちのいずれかに記載の温度制御回路（例えば図１に示す、半導体集積回路ＩＣ）と、感温素子（例えば図１に示す、振動子ＳＳ）と、を含むことを特徴とする恒温槽型圧電発振器、である。
本発明の他の態様は、上記態様のうちのいずれかに記載の温度制御回路（例えば図１に示す、半導体集積回路ＩＣ）と、感温素子（例えば図１に示す、振動子ＳＳ）と、を含むことを特徴とする恒温槽型圧電発振器、である。
本発明の他の態様は、温度変化により特性が変動する感温素子と発熱回路と温度検出回路とがパッケージ内に実装されたモジュールにおいて、前記感温素子の温度を調整する温度制御方法であって、前記パッケージ内の熱伝導特性を取得するステップと、前記発熱回路の消費電力を検出するステップと、検出した消費電力と前記熱伝導特性とに基づき、前記温度検出回路の温度検出値に基づくパッケージ内温度と前記感温素子周囲の温度との温度差を算出するステップと、算出した前記温度差に基づき、前記感温素子の温度を調整するための、前記パッケージ内温度の目標温度を算出するステップと、前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも低い場合には前記発熱回路での消費電力を増加させ、前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも高い場合には前記発熱回路での消費電力を減少させるステップと、を備えることを特徴とする温度制御方法、である。
本発明の他の態様は、温度変化により特性が変動する感温素子と発熱回路と複数の温度検出回路とがパッケージ内に実装されたモジュールにおいて、前記感温素子の温度を調整する温度制御方法であって、前記パッケージ内の熱伝導特性を取得するステップと、前記複数の温度検出回路による温度検出値と前記熱伝導特性とに基づき、前記パッケージ周囲の環境温度を算出するステップと、前記環境温度からパッケージ内温度と前記感温素子周囲の温度差を算出するステップと、算出した前記温度差に基づき、前記感温素子の温度を調整するための、前記パッケージ内温度の目標温度を算出するステップと、前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも低い場合には前記発熱回路での消費電力を増加させ、前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも高い場合には前記発熱回路での消費電力を減少させるステップと、を備えることを特徴とする温度制御方法、である。
本発明の一態様によれば、出力周波数や温度制御に関しては電気的に調整することによって容易に行うことが可能なので、出力周波数や温度制御用の外付け部品が不要となり小型化を図ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明を適用した恒温槽型圧電発振器１の一例を示すブロック図である。
図１における恒温槽型圧電発振器１は、同一パッケージＰＫＧ内に、半導体集積回路ＩＣと、温度に対して周波数が変動する振動子ＳＳと、を備える。半導体集積回路ＩＣには発熱回路Ｈと、少なくとも１個以上の温度検出回路ＴＳと、発熱回路Ｈの発熱量を制御する制御回路ＣＣと、振動子ＳＳを発振させるための発振回路ＯＳＣと、発振回路ＯＳＣからの信号を受けて所望の波形および振幅レベルを出力する発振信号出力回路ＦＯと、を備える。なお、発振回路ＯＳＣは、内部および外部信号によって、当該発振回路ＯＳＣの発振器等価容量ＣＬを変えることで出力周波数を調整する機能を有していてもよい。
図１は、本発明を適用した恒温槽型圧電発振器１の一例を示すブロック図である。
図１における恒温槽型圧電発振器１は、同一パッケージＰＫＧ内に、半導体集積回路ＩＣと、温度に対して周波数が変動する振動子ＳＳと、を備える。半導体集積回路ＩＣには発熱回路Ｈと、少なくとも１個以上の温度検出回路ＴＳと、発熱回路Ｈの発熱量を制御する制御回路ＣＣと、振動子ＳＳを発振させるための発振回路ＯＳＣと、発振回路ＯＳＣからの信号を受けて所望の波形および振幅レベルを出力する発振信号出力回路ＦＯと、を備える。なお、発振回路ＯＳＣは、内部および外部信号によって、当該発振回路ＯＳＣの発振器等価容量ＣＬを変えることで出力周波数を調整する機能を有していてもよい。
制御回路ＣＣは、温度検出回路ＴＳが検出した温度データと、パッケージＰＫＧと振動子ＳＳと半導体集積回路ＩＣのそれぞれと温度検出回路ＴＳとの間の熱伝導特性と、に基づいて発熱回路Ｈの発熱量を制御する。
図２は、図１中の制御回路ＣＣの一例を示すブロック図である。
制御回路ＣＣは、図２に示すように、同一パッケージＰＫＧ内の半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの配置位置間の距離における熱伝導特性を反映して制御信号を調整する調整回路ＡＣと、調整回路ＡＣの出力に基づいて発熱回路Ｈへの制御信号を出力する制御信号出力回路ＣＣＯと、を備える。
図２は、図１中の制御回路ＣＣの一例を示すブロック図である。
制御回路ＣＣは、図２に示すように、同一パッケージＰＫＧ内の半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの配置位置間の距離における熱伝導特性を反映して制御信号を調整する調整回路ＡＣと、調整回路ＡＣの出力に基づいて発熱回路Ｈへの制御信号を出力する制御信号出力回路ＣＣＯと、を備える。
図３は、調整回路ＡＣの一例を示すブロック図であって、消費電力検出回路を用いた調整回路である。
図３に示すように、調整回路ＡＣは、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈにおける消費電力を検出する消費電力検出回路ＰＤＣと、消費電力検出回路ＰＤＣの出力に基づいて、制御信号出力回路ＣＣＯへの調整信号を出力する調整信号出力回路ＡＣＯと、を備える。
図３に示すように、調整回路ＡＣは、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈにおける消費電力を検出する消費電力検出回路ＰＤＣと、消費電力検出回路ＰＤＣの出力に基づいて、制御信号出力回路ＣＣＯへの調整信号を出力する調整信号出力回路ＡＣＯと、を備える。
図４は、調整回路ＡＣの他の例を示すブロック図であって、温度差分検出回路ＴＤＩＦを用いた調整回路である。
つまり、図３に示す調整回路ＡＣは、消費電力検出回路ＰＤＣを備え、消費電力検出回路ＰＤＣの出力信号に基づいて調整信号を生成するようにしているが、図４に示す調整回路ＡＣは、消費電力検出回路ＰＤＣに代えて温度差分検出回路ＴＤＩＦを設け、温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力に基づいて、制御信号出力回路ＣＣＯへの調整信号を生成するものである。
つまり、図３に示す調整回路ＡＣは、消費電力検出回路ＰＤＣを備え、消費電力検出回路ＰＤＣの出力信号に基づいて調整信号を生成するようにしているが、図４に示す調整回路ＡＣは、消費電力検出回路ＰＤＣに代えて温度差分検出回路ＴＤＩＦを設け、温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力に基づいて、制御信号出力回路ＣＣＯへの調整信号を生成するものである。
図４に示すように、調整回路ＡＣは、温度差分検出回路ＴＤＩＦと、温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力に基づいて制御信号出力回路ＣＣＯへの調整信号を出力する調整信号出力回路ＡＣＯと、を備える。温度差分検出回路ＴＤＩＦは、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈにおける発熱による半導体集積回路ＩＣ内部の温度勾配を、少なくとも２個以上の温度検出回路ＴＳの出力電圧を基に温度差分を検出することによって取得する。
図５は、パッケージＰＫＧ、振動子ＳＳ、および半導体集積回路ＩＣで構成され、図３に示す消費電力検出回路ＰＤＣを備えた調整回路ＡＣを用いて、発振回路Ｈを制御するようにしたモジュール内における熱抵抗を用いた熱的な結合を示したものであり、図５（ａ）はモデル図、図５（ｂ）は熱回路図である。
図５（ａ）に示すように、半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間には熱抵抗θjaがある。また、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間には熱抵抗θjxがあり、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外部との間には熱抵抗θxaが存在する。
図５（ａ）に示すように、半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間には熱抵抗θjaがある。また、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間には熱抵抗θjxがあり、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外部との間には熱抵抗θxaが存在する。
また、図５（ｂ）に示す半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈでの消費電力ＰＷと、熱抵抗θja、θjx、θxaと、によってパッケージＰＫＧ内の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳは、環境温度（パッケージＰＫＧの外部の温度）Ｔaよりも温度が上昇する。ここでは、半導体集積回路ＩＣの温度をＩＣ温度Ｔjとし、振動子ＳＳの温度を振動子温度Ｔxとする。
ここで、図５（ｂ）より、ＩＣ温度Ｔjと振動子温度Ｔxと環境温度Ｔaとの間には、熱抵抗θja、θjx、θxaおよび消費電力ＰＷを用いて次式（１）および（２）に示す関係式が成り立つ。
（１）式および（２）式より環境温度Ｔaを消去してＩＣ温度Ｔjについて解くと、ＩＣ温度Ｔjは次式（３）で表すことができる。
ここで、（３）式より、半導体集積回路ＩＣのＩＣ温度Ｔjと振動子ＳＳの温度Ｔxとは、熱抵抗θja、θjx、θxaおよび半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈの消費電力ＰＷで表される温度差が生じることがわかる。
さらに（３）式の関係より、半導体集積回路ＩＣ内の温度を検出する温度検出回路ＴＳで検出されたＩＣ温度Ｔj、熱抵抗θja、θjx、θxa、および消費電力ＰＷを実際の値に反映させ、上記の温度差、すなわちＩＣ温度Ｔjと振動子ＳＳの温度Ｔxとの温度差（ＰＷ×（θja×θjx）／（θja＋θjx＋θxa））をオフセット量とし、このオフセット量だけ温度が変化するように半導体集積回路ＩＣ内で調整することで、振動子ＳＳの温度Ｔxを一定に保つことが可能となることがわかる。
また、（３）式において振動子ＳＳの温度Ｔxは定数として扱ってよく、温度検出回路ＴＳ等で振動子ＳＳの温度Ｔxを取得する必要はない。
なお、熱抵抗θja、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得してもよい。また、発熱回路Ｈでの発熱量として２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣのＩＣ温度Ｔｊ（温度検出回路ＴＳで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図５（ｂ）の熱回路図に基づいて計算から取得してもよい。
なお、熱抵抗θja、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得してもよい。また、発熱回路Ｈでの発熱量として２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣのＩＣ温度Ｔｊ（温度検出回路ＴＳで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図５（ｂ）の熱回路図に基づいて計算から取得してもよい。
図６は、図３に示す消費電力検出回路ＰＤＣを含む調整回路ＡＣにより、発熱回路Ｈを制御するようにした半導体集積回路ＩＣの一例を示す回路図である。
図６において、発熱回路Ｈは、電源ＶＤＤおよびＶＳＳ接地間に、直列に接続されたＰＭＯＳ素子（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）ＨＰおよび抵抗素子ＨＲを含んで構成される。
また、調整回路ＡＣは、ＰＭＯＳ素子（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）ＰＤＣＰによって発熱回路Ｈでの消費電流をカレントミラーによって検出することで消費電力ＰＷ相当の情報を得ることが可能な消費電力検出回路ＰＤＣと、電源電圧と熱抵抗θja、θjx、θxaとの関係を可変抵抗素子ＲＡＣで調整することで温度差のオフセット量を補正する調整信号出力回路ＡＣＯと、を備える。調整信号出力回路ＡＣＯは、具体的には、可変抵抗素子ＲＡＣを、電源電圧とＰＭＯＳ素子ＨＰおよびＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰのカレントミラー比と熱抵抗の関係（θja×θjx）／（θja＋θjx＋θxa）の積に基づいて調整することにより、オフセット量を補正する。また前記可変抵抗素子ＲＡＣの調整は半導体集積回路ＩＣの記憶回路によって、モジュールに組立てた後でも、基盤に実装した後でも調整可能である。
図６において、発熱回路Ｈは、電源ＶＤＤおよびＶＳＳ接地間に、直列に接続されたＰＭＯＳ素子（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）ＨＰおよび抵抗素子ＨＲを含んで構成される。
また、調整回路ＡＣは、ＰＭＯＳ素子（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）ＰＤＣＰによって発熱回路Ｈでの消費電流をカレントミラーによって検出することで消費電力ＰＷ相当の情報を得ることが可能な消費電力検出回路ＰＤＣと、電源電圧と熱抵抗θja、θjx、θxaとの関係を可変抵抗素子ＲＡＣで調整することで温度差のオフセット量を補正する調整信号出力回路ＡＣＯと、を備える。調整信号出力回路ＡＣＯは、具体的には、可変抵抗素子ＲＡＣを、電源電圧とＰＭＯＳ素子ＨＰおよびＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰのカレントミラー比と熱抵抗の関係（θja×θjx）／（θja＋θjx＋θxa）の積に基づいて調整することにより、オフセット量を補正する。また前記可変抵抗素子ＲＡＣの調整は半導体集積回路ＩＣの記憶回路によって、モジュールに組立てた後でも、基盤に実装した後でも調整可能である。
この調整信号出力回路ＡＣＯはオペアンプＯＰＡを有し、オペアンプＯＰＡの「＋入力」に振動子ＳＳの設定温度相当のＴx設定信号ＴxCTRLを入力し、「−入力」に消費電力検出回路ＰＤＣの出力信号を入力することで振動子ＳＳを加熱するために必要な半導体集積回路ＩＣの発熱量相当の信号が、調整回路ＡＣからの調整信号として出力される。
この調整回路ＡＣから出力される調整信号と温度検出回路ＴＳの温度データとが等しくなるように、制御回路ＣＣにて発熱回路Ｈを制御することで、振動子ＳＳの温度を設定温度で一定に保つことが可能となる。つまり、図６に示すように、制御信号出力回路ＣＣＯに含まれるオペアンプＯＰＣの「＋入力」にオペアンプＯＰＡの出力信号を入力し、オペアンプＯＰＣの「−入力」にｎ個の温度検出回路ＴＳの検出信号を入力し、オペアンプＯＰＣの出力信号を、消費電力検出回路ＰＤＣのＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰおよび発振回路ＨのＰＭＯＳ素子ＨＰのゲートに入力する。
この調整回路ＡＣから出力される調整信号と温度検出回路ＴＳの温度データとが等しくなるように、制御回路ＣＣにて発熱回路Ｈを制御することで、振動子ＳＳの温度を設定温度で一定に保つことが可能となる。つまり、図６に示すように、制御信号出力回路ＣＣＯに含まれるオペアンプＯＰＣの「＋入力」にオペアンプＯＰＡの出力信号を入力し、オペアンプＯＰＣの「−入力」にｎ個の温度検出回路ＴＳの検出信号を入力し、オペアンプＯＰＣの出力信号を、消費電力検出回路ＰＤＣのＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰおよび発振回路ＨのＰＭＯＳ素子ＨＰのゲートに入力する。
なお、温度検出回路ＴＳの検出信号としては、ｎ個の温度検出回路ＴＳの検出信号のうちの少なくとも１つの信号を用いれば良いが、複数の検出信号の平均値の演算結果や、複数の検出信号のうちのいずれかを代表値として選択した結果を温度検出回路の信号としても良い。
ここで、図６では、図３に示す消費電力検出回路ＰＤＣを含む調整回路ＡＣにより、発熱回路Ｈを制御するようにした半導体集積回路ＩＣの一例を示したが、図６に示す構成に限らず、以下のような別の構成も適用することができる。
ここで、図６では、図３に示す消費電力検出回路ＰＤＣを含む調整回路ＡＣにより、発熱回路Ｈを制御するようにした半導体集積回路ＩＣの一例を示したが、図６に示す構成に限らず、以下のような別の構成も適用することができる。
すなわち、発熱回路ＨはＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＰＮＰ素子を用いてもよい。
またオペアンプＯＰＣの極性を変え、図６において電源ＶＤＤとＶＳＳとを上下入れ換え、ＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＮＭＯＳ素子やＮＰＮ素子を用いてもよい。
また、発熱回路Ｈにおいて、ＰＭＯＳ素子ＨＰにより十分に発熱が可能であるならば抵抗素子ＨＲを設けなくてもよい。
またオペアンプＯＰＣの極性を変え、図６において電源ＶＤＤとＶＳＳとを上下入れ換え、ＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＮＭＯＳ素子やＮＰＮ素子を用いてもよい。
また、発熱回路Ｈにおいて、ＰＭＯＳ素子ＨＰにより十分に発熱が可能であるならば抵抗素子ＨＲを設けなくてもよい。
また、制御回路ＣＣをアナログ回路で構成した場合について説明したが、デジタル回路で構成しても良い。
以上は、消費電力検出回路ＰＤＣを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御する場合の説明である。
次に、図４に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御する場合について説明する。
以上は、消費電力検出回路ＰＤＣを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御する場合の説明である。
次に、図４に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御する場合について説明する。
図７は、パッケージＰＫＧ、振動子ＳＳ、半導体集積回路ＩＣを備え、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御するようにしたモジュールにおいて、温度検出回路ＴＳを２個備えた場合の、モジュール内における熱抵抗を用いた熱的な結合を示したものであって、図７（ａ）は熱的な結合を示すモデル図、図７（ｂ）は熱回路図である。
図７（ａ）において、半導体集積回路ＩＣ内には発熱回路Ｈの近傍に配置された温度検出回路ＴＳ１と、発熱回路Ｈから離れた箇所に配置される温度検出回路ＴＳ２と、が内蔵されている。
図７（ａ）に示すように、半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間には、熱抵抗θja1およびθja2があり、発熱回路Ｈ（温度検出回路ＴＳ１）と温度検出回路ＴＳ２との間には熱抵抗θicがあり、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間には熱抵抗θjxがあり、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外部と間には熱抵抗θxaが存在する。
図７（ａ）に示すように、半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間には、熱抵抗θja1およびθja2があり、発熱回路Ｈ（温度検出回路ＴＳ１）と温度検出回路ＴＳ２との間には熱抵抗θicがあり、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間には熱抵抗θjxがあり、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外部と間には熱抵抗θxaが存在する。
ここで半導体集積回路ＩＣ内において、熱抵抗θicの影響で発熱回路Ｈからの距離に応じた熱勾配が生じるため、温度検出回路ＴＳ１の配置位置における温度Ｔj1は温度検出回路ＴＳ２の配置位置における温度Ｔj2に比べて温度が高くなる。
図７（ｂ）より、温度検出回路ＴＳ１、ＴＳ２により検出されるＩＣ温度Ｔj1、Ｔj2と振動子温度Ｔxと環境温度Ｔaとの間には、熱抵抗θja1、θja2、θic、θjx、θxaおよび消費電力ＰＷを用いて、次式（４）〜（６）に示す関係式が成り立つ。
図７（ｂ）より、温度検出回路ＴＳ１、ＴＳ２により検出されるＩＣ温度Ｔj1、Ｔj2と振動子温度Ｔxと環境温度Ｔaとの間には、熱抵抗θja1、θja2、θic、θjx、θxaおよび消費電力ＰＷを用いて、次式（４）〜（６）に示す関係式が成り立つ。
（５）式および（６）式より、環境温度Ｔaを消去すると次式（７）に示す関係式が成り立つ。
関係式（７）より、半導体集積回路ＩＣの温度Ｔj1、Ｔj2と熱抵抗θja2、θicとの関係から環境温度Ｔaを算出し、熱抵抗θjx、θxaとの関係より半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳ間の温度差を算出して、上記の温度差を半導体集積回路ＩＣ内で補正するように半導体集積回路ＩＣの温度Ｔj1を制御することで振動子ＳＳの温度Ｔxを一定に保つことが可能となることがわかる。
また、（７）式において振動子ＳＳの温度Ｔxは定数として扱ってよく、温度検出回路ＴＳ等で振動子ＳＳの温度Ｔxを取得する必要はない。
なお、熱抵抗θja1、θja2、θic、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得してもよい。また、発熱回路Ｈでの発熱量として２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ1（温度検出回路ＴＳ1で検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj2（温度検出回路ＴＳ2で検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図７（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得してもよい。
なお、熱抵抗θja1、θja2、θic、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得してもよい。また、発熱回路Ｈでの発熱量として２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ1（温度検出回路ＴＳ1で検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj2（温度検出回路ＴＳ2で検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図７（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得してもよい。
また、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いた場合は（５）式〜（７）式からもわかるように熱抵抗θja1には無関係の関係式が成り立つため、熱抵抗θja2、θic、θjx、θxaにおいて、例えば、熱抵抗の比θja2/θic、θjx/θxaを取得しても良い。そのために発熱回路Ｈでの発熱量として１つの発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量について、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ1（温度検出回路ＴＳ1で検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj2（温度検出回路ＴＳ2で検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図７（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得してもよい。
次に、パッケージＰＫＧ、振動子ＳＳ、および半導体集積回路ＩＣを備え、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御するようにしたモジュールにおいて、温度検出回路ＴＳを２個以上とした場合について説明する。
図８は、パッケージＰＫＧ、振動子ＳＳ、および半導体集積回路ＩＣを備え、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御するようにしたモジュールにおいて、温度検出回路ＴＳを２個以上備えるモジュール内における熱抵抗を用いた熱的な結合を示したものであって、図８（ａ）はモデル図、図８（ｂ）は熱回路図である。
図８は、パッケージＰＫＧ、振動子ＳＳ、および半導体集積回路ＩＣを備え、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御するようにしたモジュールにおいて、温度検出回路ＴＳを２個以上備えるモジュール内における熱抵抗を用いた熱的な結合を示したものであって、図８（ａ）はモデル図、図８（ｂ）は熱回路図である。
図８において、半導体集積回路ＩＣ内には、発熱回路Ｈの近傍に配置された発熱回路Ｈ近傍の温度を検出するｍ個の温度検出回路ＴＳ１と発熱回路Ｈから離れた箇所に配置される発熱回路Ｈから離れた箇所の温度を検出するｎ個の温度検出回路ＴＳ２と、が内蔵されている。半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間には、熱抵抗θja1およびθja21〜θja2nがあり、発熱回路Ｈ（温度検出回路ＴＳ１）と温度検出回路ＴＳ２との間には熱抵抗θic21〜θic2nがあり、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間には熱抵抗θjxがあり、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外側との間には熱抵抗θxaが存在する。
ここで半導体集積回路ＩＣ内では、熱抵抗θic21〜θic2nの影響で発熱回路Ｈからの距離に応じた熱勾配が生じるため、温度検出回路ＴＳ１１〜ＴＳ１ｍの配置位置における発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔj11〜Ｔj1mは温度検出回路ＴＳ２１〜ＴＳ２ｎの配置位置における、発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2nに比べて温度が高くなる。
図８（ｂ）よりＩＣ温度Ｔj11〜Ｔj1m、Ｔj21〜Ｔj2nと振動子温度Ｔxと環境温度Ｔaの間には、熱抵抗θja1、θja21〜θja2n、θic21〜θic2n、θjx、θxaを用いて以下のような関係式（８）〜（１０）が成り立つ。すなわち、基本的には前記（５）式および（６）式のような関係式が成り立つ。
図８（ｂ）よりＩＣ温度Ｔj11〜Ｔj1m、Ｔj21〜Ｔj2nと振動子温度Ｔxと環境温度Ｔaの間には、熱抵抗θja1、θja21〜θja2n、θic21〜θic2n、θjx、θxaを用いて以下のような関係式（８）〜（１０）が成り立つ。すなわち、基本的には前記（５）式および（６）式のような関係式が成り立つ。
計算の仕方としてはいろいろな手段がある。例えば、複数の温度検出回路で検出された複数の値の平均値を取得、あるいは複数の値のどれか一つを選択するなどがある。また組み合わせ方もいろいろある。以下はｍ＝１、ｎ＝２とした場合の例を示す。
（９）および（１０）式から、環境温度Ｔaの計算結果の平均をとって（８）式に代入しても良いし、（９）および（１０）の環境温度Ｔaの計算結果のどちらかを選択して（８）式に代入しても良い。
もしくは（１０）式は、環境温度Ｔaに関して解いているが、発熱回路Ｈ近傍の温度Ｔj11に関して解いても良い。
（８）、（９）式、および（９）、（１０）式から、発熱回路Ｈ近傍の温度Ｔj11に関して計算して、その計算結果の平均もしくはどちらかを選択して制御回路の入力としても良い。
そして、例えば、（９）式から、温度検出回路ＴＳ１１、ＴＳ２１で検出されたＩＣ温度Ｔj11、Ｔj21、熱抵抗θja21、θic21に基づき環境温度Ｔaを算出する。
そして、算出した環境温度Ｔaを用いて（８）式から、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間の温度差を算出して、この温度差を半導体集積回路ＩＣ内で補正するように半導体集積回路ＩＣの温度Ｔj1を制御することで、振動子ＳＳの温度Ｔxを一定に保つことが可能となる。
そして、算出した環境温度Ｔaを用いて（８）式から、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間の温度差を算出して、この温度差を半導体集積回路ＩＣ内で補正するように半導体集積回路ＩＣの温度Ｔj1を制御することで、振動子ＳＳの温度Ｔxを一定に保つことが可能となる。
また、（１１）式において振動子ＳＳの温度Ｔxは定数として扱ってよく、温度検出回路ＴＳ等で振動子ＳＳの温度Ｔxを取得する必要はない。なお、熱抵抗θja1、θja21〜θja2n、θic21〜θic2n、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得しても良い。また、発熱回路Ｈでの発熱量として、２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ11〜Ｔｊ1m（温度検出回路ＴＳ11〜ＴＳ1mで検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2n（温度検出回路ＴＳ21〜ＴＳ2nで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図８（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得してもよい。
また、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いた場合は（８）式〜（１１）式からもわかるように熱抵抗θja1には無関係の関係式が成り立つため、熱抵抗θja21〜θja2n、θic21〜θic2n、θjx、θxaにおいて、例えば、熱抵抗の比θja21/θic21〜θja2n/θic2n、θjx/θxaを取得しても良い。そのために発熱回路Ｈでの発熱量として、１つの発熱量を条件設定し、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ11〜Ｔｊ1m（温度検出回路ＴＳ11〜ＴＳ1mで検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2n（温度検出回路ＴＳ21〜ＴＳ2nで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図８（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得してもよい。
図９は、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いて、発熱回路Ｈを制御する半導体集積回路ＩＣの一例を示す回路図である。
図９において、発熱回路ＨはＰＭＯＳ素子ＨＰと抵抗素子ＨＲとを含んで構成される。
また調整回路ＡＣは、発熱回路Ｈの近傍に配置された少なくともｍ＝１以上の温度検出回路ＴＳ１と、発熱回路Ｈから離れた箇所に配置される少なくともｎ＝１以上の温度検出回路ＴＳ２と、の温度差を検出する温度差分検出回路ＴＤＩＦを備え、さらに熱抵抗θjx、θxaの関係を可変抵抗素子Ｒjx、Ｒxaで調整する調整信号出力回路ＡＣＯを備える。
図９において、発熱回路ＨはＰＭＯＳ素子ＨＰと抵抗素子ＨＲとを含んで構成される。
また調整回路ＡＣは、発熱回路Ｈの近傍に配置された少なくともｍ＝１以上の温度検出回路ＴＳ１と、発熱回路Ｈから離れた箇所に配置される少なくともｎ＝１以上の温度検出回路ＴＳ２と、の温度差を検出する温度差分検出回路ＴＤＩＦを備え、さらに熱抵抗θjx、θxaの関係を可変抵抗素子Ｒjx、Ｒxaで調整する調整信号出力回路ＡＣＯを備える。
さらに、温度差分検出回路ＴＤＩＦは、オペアンプＯＰＴＤＩＦを備え、オペアンプＯＰＴＤＩＦの「＋入力（正転入力側）」には、発熱回路Ｈから離れた箇所に配置される少なくともｎ＝１以上の温度検出回路ＴＳ２(少なくとも１つの信号で良いが、複数の信号の平均値の結果や、複数の信号からどれかを選択した結果を信号としても良い)の出力信号を入力し、「−入力（反転入力側）」に発熱回路Ｈの近傍に配置された少なくともｍ＝１以上の温度検出回路ＴＳ１(少なくとも１つの信号で良いが、複数の信号の平均値の結果や、複数の信号からどれかを選択した結果を信号としても良い)の出力信号を入力する。また、オペアンプＯＰＴＤＩＦの「−入力（反転入力側）」と温度検出回路ＴＳ１との間には可変抵抗Ｒｉｃが介挿され、オペアンプＯＰＴＤＩＦの「−入力（反転入力側）」と出力端との間に可変抵抗Ｒｊａ２が介挿されている。
そして、オペアンプＯＰＴＤＩＦが温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力となる。なお、温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力は、少なくとも１つの信号で良いが、複数の信号の平均値の結果や、複数の信号からどれかを代表値として選択した結果を信号としても良い。
調整信号出力回路ＡＣＯは、オペアンプＯＰＡを備え、オペアンプＯＰＡの「＋入力（正転入力側）」に振動子ＳＳの設定温度相当のＴx設定信号ＴxCTRLを入力し、「−入力（反転入力側）」に温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力信号を入力することで、振動子ＳＳを加熱するために必要な半導体集積回路ＩＣの発熱量相当の信号が調整回路ＡＣから出力される。なお、オペアンプＯＰＡの「−入力（反転入力側）」には、可変抵抗Ｒｘａを介して温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力信号が入力される。また、オペアンプＯＰＳの「−入力（反転入力側）」と出力端との間には、可変抵抗Ｒｊｘが入力される。
調整信号出力回路ＡＣＯは、オペアンプＯＰＡを備え、オペアンプＯＰＡの「＋入力（正転入力側）」に振動子ＳＳの設定温度相当のＴx設定信号ＴxCTRLを入力し、「−入力（反転入力側）」に温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力信号を入力することで、振動子ＳＳを加熱するために必要な半導体集積回路ＩＣの発熱量相当の信号が調整回路ＡＣから出力される。なお、オペアンプＯＰＡの「−入力（反転入力側）」には、可変抵抗Ｒｘａを介して温度差分検出回路ＴＤＩＦの出力信号が入力される。また、オペアンプＯＰＳの「−入力（反転入力側）」と出力端との間には、可変抵抗Ｒｊｘが入力される。
この調整回路ＡＣの出力信号と温度検出回路ＴＳ１（少なくとも１つの信号で良いが、複数の信号の平均値の結果や、複数の信号からどれかを選択した結果を信号としても良い）の信号が等しくなるように制御信号出力回路ＣＣＯにて制御することで振動子ＳＳの温度を設定温度で一定に保つことが可能となる。すなわち、制御信号出力回路ＣＣＯは、オペアンプＯＰＣを備え、「＋入力（正転入力側）」に調整回路ＡＣの出力信号が入力され、「−入力（反転入力側）」に温度検出回路ＴＳ１の検出信号が入力される。そして、オペアンプＯＰＣの出力が、制御回路ＣＣからの制御信号として、発熱回路ＨのＰＭＯＳ素子ＨＰのゲートに入力される。
なお、前記可変抵抗Ｒic、Ｒja2、Ｒxa、Ｒjxは、図７に示す熱的な結合を示すモデル図における、熱抵抗θic、θja2、θxa、θjxに基づいて設定すればよい。また前記可変抵抗Ｒic、Ｒja2、Ｒxa、Ｒjxの調整は半導体集積回路ＩＣの記憶回路によって、モジュールに組立後でも基盤に実装後にも調整可能である。
図９に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを有する半導体集積回路ＩＣにおいて、以下のような別の構成も考えることができる。
図９に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを有する半導体集積回路ＩＣにおいて、以下のような別の構成も考えることができる。
すなわち、発熱回路ＨはＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＰＮＰ素子を用いてもよい。
またオペアンプＯＰＣの極性を変え、電源ＶＤＤとＶＳＳを上下入れ換え、ＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＮＭＯＳ素子やＮＰＮ素子を用いてもよい。
またＰＭＯＳ素子ＨＰにより十分に発熱が可能であるならば抵抗ＨＲを設けなくてもよい。
またオペアンプＯＰＣの極性を変え、電源ＶＤＤとＶＳＳを上下入れ換え、ＰＭＯＳ素子ＨＰの代わりにＮＭＯＳ素子やＮＰＮ素子を用いてもよい。
またＰＭＯＳ素子ＨＰにより十分に発熱が可能であるならば抵抗ＨＲを設けなくてもよい。
また制御回路ＣＣを、アナログ回路で構成した場合について説明したが、デジタル回路で構成しても良い。
図１０は、図３に示す、消費電力検出回路ＰＤＣを用いて発熱回路Ｈの温度制御を行う場合の、温度制御調整シーケンスの一例を示すフローチャート図である。
図１０を参照しながら、消費電力検出回路ＰＤＣを用いて温度制御を行う際の手順について説明する。
図１０は、図３に示す、消費電力検出回路ＰＤＣを用いて発熱回路Ｈの温度制御を行う場合の、温度制御調整シーケンスの一例を示すフローチャート図である。
図１０を参照しながら、消費電力検出回路ＰＤＣを用いて温度制御を行う際の手順について説明する。
まず、振動子ＳＳの温度を一定に制御するために、パッケージＰＫＧの外部−半導体集積回路ＩＣ間、半導体集積回路ＩＣ−振動子ＳＳ間、振動子ＳＳ−パッケージＰＫＧの外部間の熱伝導特性を取得する（ステップＳ１００）。つまり、図５に示す、半導体集積回路ＩＣとパッケージＰＫＧの外部との間の熱抵抗θja、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間の熱抵抗θjx、振動子ＳＳとパッケージＰＫＧの外部との間の熱抵抗θxaを取得する。
これら熱伝導特性としての熱抵抗θja、θjx、θxaは、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得してもよい。また、発熱回路Ｈでの発熱量として、２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣのＩＣ温度Ｔｊ（温度検出回路ＴＳで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図５（ｂ）の熱回路図に基づいて計算により取得すればよい。
次いで、取得した熱伝導特性（つまり、熱抵抗θja、θjx、θxa）と振動子ＳＳの設定温度のデータとを図３に示す、調整回路ＡＣにて設定する（ステップＳ１０１）。具体的には、図６に示す、調整信号出力回路ＡＣＯの可変抵抗素子ＲＡＣを電源電圧とＰＭＯＳ素子ＨＰとＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰのカレントミラー比と熱抵抗の関係（θja×θjx）／（θja＋θjx＋θxa）の積に基づいて設定し、振動子ＳＳの設定温度データを振動子ＳＳの設定温度相当のＴx設定信号ＴxCTRLに入力することにより、設定する。
そして、温度制御のシーケンスとしてまず、発熱回路Ｈにおける消費電力ＰＷを検出する（ステップＳ１０２）。具体的には、この消費電力ＰＷは、図６に示す、消費電力検出回路ＰＤＣのＰＭＯＳ素子ＰＤＣＰによって発熱回路ＨのＰＭＯＳ素子ＨＰでの消費電流をカレントミラーすることにより、消費電力相当の情報を消費電流のカレントミラーされた電流値として検出する。
そして、消費電力ＰＷの検出結果に基づいて、半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳ間の温度差を算出し（ステップＳ１０３）、その結果より振動子ＳＳの温度を一定に保つための半導体集積回路ＩＣのＩＣ設定温度を算出する（ステップＳ１０４）。すなわち、例えば、（３）式から、振動子ＳＳの温度を一定に保つためのＩＣ設定温度を演算する。この演算は、例えば、図示しない演算装置、或いは、ユーザが、電流値として検出した消費電力ＰＷと、（３）式の各パラメータとから演算し、ＩＣ設定温度（Ｔｊ）として設定すればよい。
そして、ＩＣ設定温度よりＩＣ温度が低い場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０６に移行して、発熱回路Ｈでの消費電力を増加させる。これによって、発熱回路Ｈの発熱量を増加し（ステップＳ１０７）、その結果、振動子ＳＳの温度が上昇して一定温度に近づく。
またＩＣ設定温度よりＩＣ温度が高い場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０８をへてステップＳ１０９に移行し、発熱回路Ｈでの消費電力を減少させる。これによって、発熱回路Ｈの発熱量が減少し（ステップＳ１１０）、その結果、振動子ＳＳの温度が低下して一定温度に近づく。一方、ＩＣ設定温度よりＩＣ温度が低くもなく、高くもない場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０８を経てステップＳ１０２に戻る。つまり、発熱回路Ｈの発熱量の調整は行わない。
またＩＣ設定温度よりＩＣ温度が高い場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０８をへてステップＳ１０９に移行し、発熱回路Ｈでの消費電力を減少させる。これによって、発熱回路Ｈの発熱量が減少し（ステップＳ１１０）、その結果、振動子ＳＳの温度が低下して一定温度に近づく。一方、ＩＣ設定温度よりＩＣ温度が低くもなく、高くもない場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０８を経てステップＳ１０２に戻る。つまり、発熱回路Ｈの発熱量の調整は行わない。
以上の、ステップＳ１０２からステップＳ１１０の処理を、半導体集積回路ＩＣの温度に応じて繰り返し行うことにより、半導体集積回路ＩＣの温度はＩＣ設定温度と等しくなる温度で安定する。
図１１は、図３に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを用いて発熱回路Ｈの温度制御を行う場合の、温度制御調整シーケンスの一例を示すフローチャート図である。図１１を参照しながら、温度差分検出回路ＴＤＩＦを用いて温度制御を行う際の手順について説明する。
図１１は、図３に示す、温度差分検出回路ＴＤＩＦを用いて発熱回路Ｈの温度制御を行う場合の、温度制御調整シーケンスの一例を示すフローチャート図である。図１１を参照しながら、温度差分検出回路ＴＤＩＦを用いて温度制御を行う際の手順について説明する。
まず、振動子ＳＳの温度を一定に温度制御するために、パッケージＰＫＧの外部−半導体集積回路ＩＣ間、半導体集積回路ＩＣ−振動子ＳＳ間、振動子ＳＳ−パッケージＰＫＧの外部間の熱伝導特性を取得する（ステップＳ２００）。
この熱伝導特性は、例えば、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得しても良い。また、発熱回路Ｈでの発熱量として、２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ11〜Ｔｊ1m（温度検出回路ＴＳ11〜ＴＳ1mで検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2n（温度検出回路ＴＳ21〜ＴＳ2nで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図８（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得する。
この熱伝導特性は、例えば、パッケージの構造やパッケージ内部の半導体集積回路ＩＣおよび振動子ＳＳの配置より熱伝導率を基に計算から取得しても良い。また、発熱回路Ｈでの発熱量として、２つ以上の発熱量を条件設定し、条件設定した発熱量それぞれについて、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ11〜Ｔｊ1m（温度検出回路ＴＳ11〜ＴＳ1mで検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2n（温度検出回路ＴＳ21〜ＴＳ2nで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図８（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得する。
また、温度差分検出回路ＴＤＩＦを備えた調整回路ＡＣを用いた場合は前述のように熱抵抗θja1には無関係の関係式が成り立つため、熱抵抗θja21〜θja2n、θic21〜θic2n、θjx、θxaにおいて、例えば、熱抵抗の比θja21/θic21〜θja2n/θic2n、θjx/θxaを取得しても良い。そのために発熱回路Ｈでの発熱量として、１つの発熱量を条件設定し、発熱回路Ｈでの発熱量が条件設定した発熱量であるときの、半導体集積回路ＩＣの発熱回路Ｈ近傍のＩＣ温度Ｔｊ11〜Ｔｊ1m（温度検出回路ＴＳ11〜ＴＳ1mで検出）および発熱回路Ｈから離れた箇所の温度Ｔj21〜Ｔj2n（温度検出回路ＴＳ21〜ＴＳ2nで検出）と振動子ＳＳの温度Ｔｘ（振動子ＳＳの温度特性より算出（例えばＡＴカットされた水晶振動子は３次の温度特性を有し、その発振周波数より温度を算出することは可能））をそれぞれ取得し、取得した各種情報を用いて図８（ｂ）の熱回路図に基づいた計算から取得する。
そして、取得した熱伝導特性と振動子ＳＳの設定温度のデータを調整回路ＡＣにおいて設定する（ステップＳ２０１）。具体的には、図９に示す、可変抵抗Ｒic、Ｒja2、Ｒxa、Ｒjxを、取得した熱抵抗θic、θja2、θxa、θjxに基づいて設定する。
温度制御のシーケンスとしてはまず、半導体集積回路ＩＣ内の少なくとも２箇所以上の温度検出回路ＴＳの温度を検出する（ステップＳ２０２）。温度検出回路ＴＳの温度の検出結果すなわち、半導体集積回路ＩＣ内部の温度から環境温度Ｔaを算出する（ステップＳ２０３）。環境温度Ｔaから半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間の温度差を算出し（ステップＳ２０４）、算出した温度差から振動子ＳＳの温度を一定に保つための半導体集積回路ＩＣのＩＣ設定温度を算出する（ステップＳ２０５）。
温度制御のシーケンスとしてはまず、半導体集積回路ＩＣ内の少なくとも２箇所以上の温度検出回路ＴＳの温度を検出する（ステップＳ２０２）。温度検出回路ＴＳの温度の検出結果すなわち、半導体集積回路ＩＣ内部の温度から環境温度Ｔaを算出する（ステップＳ２０３）。環境温度Ｔaから半導体集積回路ＩＣと振動子ＳＳとの間の温度差を算出し（ステップＳ２０４）、算出した温度差から振動子ＳＳの温度を一定に保つための半導体集積回路ＩＣのＩＣ設定温度を算出する（ステップＳ２０５）。
次にＩＣ設定温度よりＩＣ温度が低い場合には、ステップＳ２０６からステップＳ２０７に移行し、発熱回路Ｈの消費電力を増加させる。これによって、振動子ＳＳの温度が上昇して一定温度に近づく（ステップＳ２０８）。
また、ＩＣ温度がＩＣ設定温度よりも高い場合には、ステップＳ２０６からステップＳ２０９を経てステップＳ２１０に移行し、発熱回路Ｈの消費電力を減少させる。これによって、発熱回路Ｈの発熱量が減少し（ステップＳ２１１）、振動子ＳＳの温度が低下して一定温度に近づく。
また、ＩＣ温度がＩＣ設定温度よりも高い場合には、ステップＳ２０６からステップＳ２０９を経てステップＳ２１０に移行し、発熱回路Ｈの消費電力を減少させる。これによって、発熱回路Ｈの発熱量が減少し（ステップＳ２１１）、振動子ＳＳの温度が低下して一定温度に近づく。
以上のステップＳ２０２からＳ２１１の状態を半導体集積回路ＩＣの温度に応じて繰り返し行い、半導体集積回路ＩＣの温度はＩＣ設定温度と等しくなる温度で安定する。
また、振動子ＳＳは、発熱回路Ｈの発熱量を制御回路ＣＣによって調整することで、振動子ＳＳの温度に対する出力周波数の変化が最小となる温度(例えばＡＴカットやＳＣカットされた水晶振動子におけるゼロ温度係数(ＺＴＣ：Zero Temperature Coefficient)点となる温度)に調整される。
また、振動子ＳＳは、発熱回路Ｈの発熱量を制御回路ＣＣによって調整することで、振動子ＳＳの温度に対する出力周波数の変化が最小となる温度(例えばＡＴカットやＳＣカットされた水晶振動子におけるゼロ温度係数(ＺＴＣ：Zero Temperature Coefficient)点となる温度)に調整される。
また、振動子ＳＳの出力周波数の調整は、図１２に示す発振回路ＯＳＣに内蔵された容量Ｃ１およびＣ２の容量値を電気的に調整することで所望の出力周波数に調整することができる。
図１２に示す発振回路ＯＳＣは、例えば、振動子ＳＳと並列に、抵抗Ｒｆｂと反転信号を出力する増幅器Ａとが接続されてなり、さらに、並列に接続された振動子ＳＳ、抵抗Ｒｆｂ、増幅器Ａの両端のそれぞれと接地との間に、可変容量Ｃ１およびＣ２が接続されてなる。
図１２に示す発振回路ＯＳＣは、例えば、振動子ＳＳと並列に、抵抗Ｒｆｂと反転信号を出力する増幅器Ａとが接続されてなり、さらに、並列に接続された振動子ＳＳ、抵抗Ｒｆｂ、増幅器Ａの両端のそれぞれと接地との間に、可変容量Ｃ１およびＣ２が接続されてなる。
なお、上記実施形態では、制御回路ＣＣを構成する各回路および発熱回路Ｈ、発振回路ＯＳＣ、発振信号出力回路ＦＯを半導体集積回路ＩＣ内にワンチップで構成する場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば複数の半導体集積回路で構成したり、外付けとしても良い。
また、感温素子は、振動子に限らず、発振子、および圧電素子であってもよい。
また、感温素子は、振動子に限らず、発振子、および圧電素子であってもよい。
上述のように、本発明によれば、出力周波数や温度制御に関しては電気的に調整することによって容易に行うことが可能なので、出力周波数や温度制御用の外付け部品が不要となり小型化を図ることができる。
ＳＳ 振動子
ＩＣ 半導体集積回路
ＯＳＣ 発振回路
ＦＯ 発振信号出力回路
Ｈ 発熱回路
ＴＳ、ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ１１〜ＴＳ１ｍ、ＴＳ２１〜ＴＳ２ｎ 温度検出回路
ＣＣ 制御回路
ＣＣＯ 制御信号出力回路
ＡＣ 調整回路
ＡＣＯ 調整信号出力回路
ＰＤＣ 消費電力検出回路
ＴＤＩＦ 温度差分検出回路
θjx 半導体集積回路−振動子間の熱抵抗
θxa 振動子−パッケージ間の熱抵抗
θja、θja1、θja2、θja21〜θja2n 半導体集積回路−パッケージ間の熱抵抗
θic、θic21〜θic2n 発熱回路−温度検出回路ＴＳ２間の熱抵抗
Ｔa 環境温度
Ｔx 振動子温度
Ｔj、Ｔj1、Ｔj11〜Ｔj1m 発熱回路近傍の温度
Ｔj2、Ｔj21〜Ｔj2n 発熱回路から離れた箇所の温度
ＯＰＣ、ＯＰＡ、ＯＰＴＤＩＦ オペアンプ
ＨＰ 発熱用Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
ＨＲ 発熱用抵抗
ＴxCTRL 振動子温度設定
ＲＡＣ、Ｒic、Ｒja2、Ｒxa、Ｒjx、Ｒｆｂ 抵抗
Ｃ１、Ｃ２ 容量
Ａ 増幅器
ＩＣ 半導体集積回路
ＯＳＣ 発振回路
ＦＯ 発振信号出力回路
Ｈ 発熱回路
ＴＳ、ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＳ１１〜ＴＳ１ｍ、ＴＳ２１〜ＴＳ２ｎ 温度検出回路
ＣＣ 制御回路
ＣＣＯ 制御信号出力回路
ＡＣ 調整回路
ＡＣＯ 調整信号出力回路
ＰＤＣ 消費電力検出回路
ＴＤＩＦ 温度差分検出回路
θjx 半導体集積回路−振動子間の熱抵抗
θxa 振動子−パッケージ間の熱抵抗
θja、θja1、θja2、θja21〜θja2n 半導体集積回路−パッケージ間の熱抵抗
θic、θic21〜θic2n 発熱回路−温度検出回路ＴＳ２間の熱抵抗
Ｔa 環境温度
Ｔx 振動子温度
Ｔj、Ｔj1、Ｔj11〜Ｔj1m 発熱回路近傍の温度
Ｔj2、Ｔj21〜Ｔj2n 発熱回路から離れた箇所の温度
ＯＰＣ、ＯＰＡ、ＯＰＴＤＩＦ オペアンプ
ＨＰ 発熱用Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
ＨＲ 発熱用抵抗
ＴxCTRL 振動子温度設定
ＲＡＣ、Ｒic、Ｒja2、Ｒxa、Ｒjx、Ｒｆｂ 抵抗
Ｃ１、Ｃ２ 容量
Ａ 増幅器
Claims (8)
- 温度変化により特性が変動する感温素子がパッケージ内に実装されたモジュールの温度制御回路であって、
前記パッケージ内に実装された発熱回路と、
前記パッケージ内温度を検出するｎ個（ｎ≧１ ｎは整数）の温度検出回路と、
前記温度検出回路の１つ以上の出力および前記パッケージ内の熱伝導特性に基づき前記発熱回路の発熱量を制御して前記感温素子の温度を調整する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記発熱回路の消費電力を検出する消費電力検出回路を有し、前記消費電力と前記熱伝導特性とに基づき前記発熱量を制御することを特徴とする温度制御回路。 - 温度変化により特性が変動する感温素子がパッケージ内に実装されたモジュールの温度制御回路であって、
前記パッケージ内に実装された発熱回路と、
前記パッケージ内温度を検出するｎ個（ｎ≧１ ｎは整数）の温度検出回路と、
前記温度検出回路の１つ以上の出力および前記パッケージ内の熱伝導特性に基づき前記発熱回路の発熱量を制御して前記感温素子の温度を調整する制御回路と、
を備え、
前記温度検出回路を複数有し、
前記制御回路は、前記温度検出回路の複数の検出信号の差分値を検出する温度差分検出回路を備え、前記差分値と前記熱伝導特性とに基づき前記発熱量を制御することを特徴とする温度制御回路。 - 少なくとも１つの前記温度検出回路は、前記パッケージ内の前記発熱回路の近傍に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度制御回路。
- 前記温度検出回路を複数有し、
前記温度検出回路は、前記パッケージ内の前記発熱回路の近傍と前記パッケージ内の前記発熱回路から離れた位置とに配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温度制御回路。 - 前記感温素子は振動子、発振子、および圧電素子のいずれかであって、
前記感温素子を発振させる発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を出力する発振信号出力回路と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の温度制御回路。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の温度制御回路と、感温素子と、を含むことを特徴とする恒温槽型圧電発振器。
- 温度変化により特性が変動する感温素子と発熱回路と温度検出回路とがパッケージ内に
実装されたモジュールにおいて、前記感温素子の温度を調整する温度制御方法であって、
前記パッケージ内の熱伝導特性を取得するステップと、
前記発熱回路の消費電力を検出するステップと、
検出した消費電力と前記熱伝導特性とに基づき、前記温度検出回路の温度検出値に基づくパッケージ内温度と前記感温素子周囲の温度との温度差を算出するステップと、
算出した前記温度差に基づき、前記感温素子の温度を調整するための、前記パッケージ内温度の目標温度を算出するステップと、
前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも低い場合には前記発熱回路での消費電力を増加させ、
前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも高い場合には前記発熱回路での消費電力を減少させるステップと、
を備えることを特徴とする温度制御方法。 - 温度変化により特性が変動する感温素子と発熱回路と複数の温度検出回路とがパッケージ内に実装されたモジュールにおいて、前記感温素子の温度を調整する温度制御方法であって、
前記パッケージ内の熱伝導特性を取得するステップと、
前記複数の温度検出回路による温度検出値と前記熱伝導特性とに基づき、前記パッケージ周囲の環境温度を算出するステップと、
前記環境温度からパッケージ内温度と前記感温素子周囲の温度差を算出するステップと、
算出した前記温度差に基づき、前記感温素子の温度を調整するための、前記パッケージ内温度の目標温度を算出するステップと、
前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも低い場合には前記発熱回路での消費電力を増加させ、
前記パッケージ内温度が前記目標温度よりも高い場合には前記発熱回路での消費電力を減少させるステップと、
を備えることを特徴とする温度制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013109918A JP5977197B2 (ja) | 2013-05-24 | 2013-05-24 | 温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、および温度制御方法 |
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| JP2014230201A JP2014230201A (ja) | 2014-12-08 |
| JP5977197B2 true JP5977197B2 (ja) | 2016-08-24 |
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| JP2013109918A Active JP5977197B2 (ja) | 2013-05-24 | 2013-05-24 | 温度制御回路、恒温槽型圧電発振器、および温度制御方法 |
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-
2013
- 2013-05-24 JP JP2013109918A patent/JP5977197B2/ja active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11356057B2 (en) | 2019-10-17 | 2022-06-07 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Temperature control circuit, oscillation control circuit, and temperature control method |
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|---|---|
| JP2014230201A (ja) | 2014-12-08 |
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