JP6088722B1

JP6088722B1 - 恒温槽型電子機器

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Publication number: JP6088722B1
Application number: JP2016098615A
Authority: JP
Inventors: 昌明神谷; 竜司有吉
Original assignee: INTERCHIP CO.,LTD.
Current assignee: INTERCHIP CO.,LTD.
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2036-05-17
Also published as: US11165388B2; JP2017208637A; US20190222173A1; WO2017199956A1

Abstract

【課題】恒温槽内に収納される水晶振動子の温度を一定に保持して、水晶振動子の安定的な動作を保証し得る恒温槽型水晶発振装置を提供する。【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

本発明は恒温槽型電子機器に関し、恒温槽型水晶発振装置に適用して有用なものである。

水晶発振装置に適用される水晶振動子は温度に対する発振周波数の特性が大きく変動するという性質を有しており、これを補償して高精度で安定的な周波数特性を担保するため、種々の技術が提案されている。従来より知られている恒温槽型水晶発振装置（以下、ＯＣＸＯと称す）もその一種である（例えば特許文献１参照）。

この種のＯＣＸＯは、温度センサで計測した外気温に関連する実測温度と、設定温度とを比較し、両者の差が小さくなるように熱源を制御して筐体である恒温槽内に収納されている水晶振動子の温度を所定の目標温度に保持するものである。さらに詳言すると、通常、温度センサ、所定の目標温度が設定されている温度設定部、コンパレータ、トランジスタ等の制御手段、熱源であるヒータ等を、水晶振動子を駆動する発振回路とともに集積してモジュール化し、当該モジュールを水晶振動子とともに恒温槽内に収納して構成している。

かかるＯＣＸＯでは、主にモジュール内の温度を検出する温度センサと水晶振動子の距離が離間していることに起因して温度センサで検出した温度に基づきモジュール内の温度をヒータ等により水晶振動子の目標温度である所定の設定温度に制御しても、この設定温度と、発振周波数を規定する水晶振動子の温度との間には乖離が生起される。水晶振動子の温度は、恒温槽からの熱の漏洩等、種々の要因に左右されるからである。

このように従来技術に係るＯＣＸＯでは、不可避的に恒温槽からの熱の漏洩を生起しているので、水晶振動子を一定温度に保持し続けることは困難である。このため、発振周波数の変動の原因となる。

そこで、特許文献１に係るＯＣＸＯでは、ヒータの発熱量を制御すべくモジュール内の温度を検出する温度センサが出力する温度信号を演算処理部にも取り込んでいる。そして、予め求めておいた各ＯＣＸＯ毎の補正関数を利用して前記演算処理部で前記内部温度信号に基づき所定の演算を行い、発振周波数の補正量を表す補正信号を得る。この補正信号に基づき、例えば電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の制御電圧を制御して発振周波数の補正を行っている。すなわち、特許文献１に開示するＯＣＸＯは、ＯＣＸＯを基本構造として採用するとともに温度補償（ＴＣ）の考え方を適用して周囲温度が変化しても広い温度範囲で安定した高精度の発振周波数を得ることができるように工夫している。ＯＣＸＯを基本構造として採用するとともに温度補償（ＴＣ）の考え方を適用して周囲温度が変化しても広い温度範囲で安定した高精度の発振周波数を得ることができるように工夫している従来技術として他にも特許文献２、特許文献３が存在する。

米国特許第７，５７３,３４５号明細書米国特許公開２００３／０１９７５６７号公報特開２０１０−２１３１０２号公報

特許文献１〜３に記載するＯＣＸＯは、これらが有する水晶振動子の温度変化を一定にすることが不可能であるという前提で、温度補償（ＴＣ）の考え方を適用している。すなわち、ＯＣＸＯにＴＣの考え方を組み合わせることで、周囲温度が変化しても広い温度範囲で安定した高精度の発振周波数を得ることができるようにしている。このため、補償のための構成が複雑になるという新たな課題を生起する。

例えば、特許文献１に開示されたＯＣＸＯでは、水晶振動子の発振周波数の温度特性が非線形となることと相俟って、温度補償のための補正関数を作成するのに周囲温度の複数の計測点における各ＯＣＸＯ毎の発振周波数をそれぞれ検出する必要がある。したがって、この補正関数の作成が面倒である。

かかる問題は、水晶振動子の温度変化を一定にすることが不可能であるという前提の下で、ＴＣを実施する特許文献２および特許文献３においても同様に存在する。温度特性が非線形となる水晶振動子の発振周波数の温度補正を行うための補正関数を生成する必要があるからである。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑み、恒温槽から外気への熱の漏洩を生起している場合でも、恒温槽内に収納される水晶振動子等、温度に対して特性が大きく変動するデバイスの温度を一定に保持して、前記デバイスの安定的な動作を保証し得る恒温槽型電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、従来のＯＣＸＯにおける熱エネルギの流れと各部の温度との関係を分析することにより得た新たな知見に基づくものである。そこで、まず前記分析結果およびこれに基づく新たな知見に関して説明する。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。

＜記号の定義＞
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)

＜ＯＣＸＯにおける熱エネルギの流れ＞
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。

＜外気温が一定の時の温度の関係＞
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。

この時、熱源１（温度Tht）が発生する熱量と、熱源１から外気４に漏洩する総熱量は釣りあっているので、下式の関係が成立する。
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)

この場合は外気温Toutが一定となった平衡状態であるから、外気温Toutは定数、発生する熱量Pも、ここでは定数である。すなわち、熱源(ヒータ)１の温度Thtは、定数である熱量Pを傾きとし、定数である外気温Toutをy切片とした、モジュール係数Mについての一次関数となっている（M=Mht）。

次に、熱源１から回路が受け取る熱量、すなわち温度センサ２が受け取る熱量と、温度センサ２から外気４に流れ出る熱量が釣り合っていることから下式の関係が成立する。
（Tht - Tic) / Θhc = (Tic - Tout) / Θco

ここで、式（１）の熱源１の温度Thtを代入して実測温度Ticについて解くと下式を得る。
Tic = Tout + P・Θho・Θco / (Θhc + Θco)

ここで、モジュール係数Mic = Θho・Θco / (Θhc + Θco) と定義すると、次式を得る。
Tic = P・Mic + Tout・・・(３)

式（３）は、実測温度Ticが、式（２）の場合と同様に、定数である熱量Pを傾きとし、定数である外気温Toutをy切片とした、モジュール係数M（=Mic）についての一次関数となることを示している。

水晶振動子３の部分の温度Txも全く同様にして、次式で表すことができる。
Tx =Tout+ P・Θho・Θxo / (Θhx + Θxo)

ここで、Mx = Θho・Θxo / (Θhx + Θxo) と定義すると、水晶振動子３の温度Ｔｘは次式（４）で表される。
Tx = P・Mx + Tout・・・(４)

上式（４）によれば、水晶振動子３の温度Txも、定数である熱量Pを傾きとし、定数である外気温Toutをy切片とした、モジュール係数M（＝Mx）についての一次関数となっている。

上述の如きモジュール係数Mと温度Tht、Tic、Txとの関係を図４に示す。なお、同図に示す場合のモジュール係数Mの大小関係は、図４では、Mx<Mic<Mhtとなるように描いているが、これらの大小関係は、ＯＣＸＯの構成部品配置等に依存して変わる。ただ、基本的に全てが一次関数関係で表わされることには相違はない。

＜外気温が変動した時の温度の関係＞
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。

ここで、一定の電源電圧の下での動作を仮定すると、熱エネルギとなる電力はV・Iで表されるので、恒温槽１００内の温度を一定に保持することは、設定温度Trと実測温度Ticの温度差（Tr−Tic）に比例した電力を発生するようにしていることと同義である。すなわち、所定の電力を消費して次式（５）で示す熱量Pを発生する。
P=B・(Tr - Tic)・・・(５)

式（５）の関係を式（３）に代入することで下式を得る。
Tic = B・Mic・(Tr - Tic) + Tout

上式の辺々を設定温度Trから引くことで下式を得る。
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)

上式（６）を変形して次式（７）を得る。
Tic = -{1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout) + Tr・・・(７)

上式（７）を参照すれば、設定温度Trと温度センサ２の実測温度Ticとの差は、{1/(1 - Mic・B)} なる比例定数を介して比例している。

すなわち、式（７）で表される実測温度Ticは、図５に示すように、定数である設定値Trを切片として、傾き -{1/(1 + Mic・B)}を持った、Tr-Toutに対する一次関数となる。

一方、温度センサ２の実測温度Ticと水晶振動子３の温度Txとの差（Tic−Tx）は、式（３）と式（４）から下式のように表すことができる。
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)

上式（８）を変形することで、最終的に次式（９）を得る。
Tx = -{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}・(Tr - Tout) + Tr・・・(９)

上式（９）は、設定温度Trと水晶振動子３の温度Txとの温度差も、{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}なる比例定数を介して設定温度Trと外気温Tout、の温度差（Tr-Tout）に比例していることを示している。

すなわち、式（９）で表される水晶振動子２の温度Txは、図５に示すように、定数である設定値Trを切片として、傾き -{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)}を持った、Tr-Toutに対する一次関数となる。

なお、図５に示す場合、水晶振動子３の温度Txの傾きの方が温度センサ２の実測温度Ticよりも大きいように描いているが、これらの大小関係はＯＣＸＯモジュールの部品配置設計などに依存して様々に変わる。ただ、上述の関係が一次関数関係で表わされることには相違ない。

上述のモジュール係数Mや、回路ゲインBは、現実には或る有限の値しかとらない。したがって、図５を参照すれば明らかな通り、従来技術のように、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は一定値にできず、設定温度Trと外気温Toutの差（Tr-Tout）が大きい時、すなわち外気温Toutが低い時は、必ず水晶振動子３の温度が下がってしまう。これが、従来のＯＣＸＯにおいて水晶振動子３の温度を一定にすることができないという本質的な課題となっている。

＜本発明の原理＞
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。

すなわち、或る外気温Toutの時に、設定温度Trと温度センサ２の実測温度Ticとの温度差（Tr−Tic）を監視し、当該温度差（Tr−Tic）に所定の帰還係数を掛けた帰還量δTを帰還するとともに、最終的な水晶振動子３の温度である目標温度Ttargに加算して新たな設定値Trを生成する帰還系を構築する。かかる帰還系により、初期設定値として設定される固定値である目標温度Ttargに水晶振動子３の温度Txを収束させることができる。すなわち、上述の如く設定温度Trを変化させることにより、図６に示すように、外気温に基づくモジュールの回路温度である実測温度Ticが変化しても、水晶振動子３の温度Txを傾きゼロの特性にすることができる。すなわち、設定温度Trと外気温Toutとの温度差（Tr−Tout）が変化しても水晶振動子３の温度Txを一定値である目標値Ttargに保持することができる。したがって、設定温度Trと外気温Toutとの温度差（Tr−Tout）が変化しても水晶振動子３の温度を目標温度Ttargとすることができ、発振周波数を高精度に一定に保持することができる。

上記原理に基づく本発明は、次の点を特徴とする。
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。

２）上記１）において、前記制御系は、
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。

３）上記２）において、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温度信号の変化に、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。

４）上記２）または３）において、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。

５）上記２）〜４）のいずれかにおいて、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。

６）上記２）〜４）のいずれかにおいて、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。

７）上記６）において、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。

８）上記１）〜７）のいずれかにおいて、前記デバイスは、水晶振動子であること。

本発明では、固定値である目標温度に所定の帰還量を加算して新たな設定値を生成し、新たな設定値と実測温度とを比較して両者の温度差が小さくなるように恒温槽内の温度を制御しているので、前記温度差をゼロとして当該恒温槽内に収納するデバイスの温度を一定に保持することができる。この結果、外気温が変動してもデバイスの温度特性を簡単に一定にすることができ、当該デバイスの長期に亘る安定的な動作を保証することができる。特にデバイスが、水晶振動子の場合には、高精度の周波数の発振信号を継続して安定的に発生し得る。

本発明の第１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。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。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。モジュール係数Ｍと温度Ｔとの関係を示す特性図である。従来技術に係るＯＣＸＯにおける設定温度と外気温との差に対する各部温度の関係を示す特性図である。本発明に係るＯＣＸＯにおける設定温度と外気温との差に対する各部温度の関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここで、各実施形態において同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

＜第１実施形態＞
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。

制御系１０１は、温度センサ２で検出した外気温Toutに基づく実測温度Ticを表す実測温度信号V_Ticと、設定温度Trを表す設定温度信号V_Trとをコンパレータ８で比較し、両者の温度差（Tr−Tic）を表す温度差信号V_（Tr−Tic）が小さくなるようにトランジスタ（制御手段）１０を介してヒータ（熱源）１の発熱量を制御する。ここで、本実施形態における制御系１０１は、実測温度Ticが低下しているとき、すなわち外気温Toutが低下しているときには、設定温度Trが高くなるように目標温度Ttargを表す目標温度信号V_Ttargに所定の帰還量δＴを表す帰還量信号V_δTを加算器６で加算して実測温度信号V_Ticと比較する新たな設定温度信号V_Trを生成する。

一方、実測温度Ticが上昇しているとき、すなわち外気温Toutが上昇しているときには、設定温度Trが低くなるように、目標温度信号V_Ttargに所定の帰還量信号V_δＴを加算器６で加算して実測温度信号V_Ticと比較する新たな設定温度信号V_Trを生成する。

ここで、目標温度Ttargは、恒温槽１００内の目標とする温度、すなわち水晶振動子３の目標とする温度であり、固定値として温度設定部５に設定されている。

目標温度信号V_Ttargに帰還量信号V_δＴを加算して生成する新たな設定温度信号V_Trは、コンパレータ８の一方の入力となる。コンパレータ８の他方の入力には実測温度信号V_Ticが供給されている。かくしてコンパレータ８は、新たな設定温度信号V_Trと実測温度信号V_Ticとの比較により生成される温度差信号V_(TR−Tic)を出力する。

温度差信号V_(TR−Tic)は回路ゲイン設定部９で所定の回路ゲインを乗じてトランジスタ（制御手段）１０のゲートに供給される。ここで、回路ゲイン設定部９に設定される回路ゲインは、コンパレータ８、回路ゲイン設定部９、トランジスタ１０およびヒータ１で形成される回路系のゲインＢにおいて、コンパレータ８の出力である温度をヒータ１で消費する電力に変換するためのものである。

かくして、ヒータ（熱源）１には温度差信号V_(TR−Tic)に応じた電流が流れ、所定の熱量を発生して恒温槽１００の内部を加熱する。

本実施形態における帰還系１０２は温度差検出部１１、位相補償部１３および帰還定数設定部７からなる。ここで、温度差検出部１１は、ヒータ１で消費される電力が、恒温槽１００から外気４への熱漏洩２００で漏出した熱量であると考えることができるので、温度差（Tr−Tic）を低減するために消費した電力量または電流を検出することで温度差（Tr−Tic）表す温度差信号V_(Tr−Tic)を生成して帰還している。帰還系１０２の温度差信号V_(Tr−Tic)は、位相補償部１３で所定の位相補償（遅延処理）が行なわれた後、帰還定数設定部７で所定の帰還定数を乗じることで帰還信号V_δTとして加算器６に供給される。ここで、帰還定数設定部７に設定される帰還係数は、帰還系１０２の帰還定数Fbが所定値となるように調整するためのものである。

ここで、位相補償部１３は次の機能により帰還系１０２における所定の帰還制御の実現を担保している。すなわち、電気的な帰還の経路である帰還系１０２における帰還信号の変化は、ヒータ（熱源）１から温度センサ２への温度帰還の経路２０１に基づく実測温度信号の変化よりも一般に速い。そこで、このままでは、両者を比較して温度差を出力するコンパレータ８の出力が発振してしまう可能性がある。そこで、かかる発振現象を確実に回避するため、本実施形態においては、帰還系１０２における帰還信号の電気的な変化が、温度帰還の経路２０１に基づく実測温度信号の変化に遅れて追従するように位相補償部１３を設けた。位相補償部１３における所定の位相補償により確実にコンパレータ８の出力における発振現象を回避することができる。

通常のＯＣＸＯは、加熱用のヒータ１を備えており、ヒータ１による加熱と、恒温槽１００から外気４への漏洩による自然冷却との釣りあいで、恒温槽１００の温度が制御されている。すなわち、クーラーなどの積極的な冷却手段は備えていないのが普通である。そこで、外気温Toutが非常に高くなり、温度センサ２による実測温度Ticが、設定温度Trよりも大きくなっていく場合、本実施形態ではヒータ１の電流がゼロになり加熱は停止される。そこから、さらに外気温Toutが上昇してもクーラー機能はないので、その先は、ほぼ外気温Toutに追従して実測温度Ticも上昇していくことになる。

外気温Toutの感知を、ヒータ１に供給される電流、またはヒータ１で消費する電力でモニタしている本実施形態においては、Tic>Trとなった時点でヒータ１へ供給される電流(電力)がゼロに固定されるので、必然的にTr=Ttargに固定される。すなわち、冷却機能は持たないことに起因して制御系１０１全体の温度が制御できずに外気温Toutと同時に上昇してしまうことは回避できない。しかしながら、本実施形態においては、外気温Toutが目標温度Ttarg以下に低下すれば、直ぐに所定の恒温槽１００に関する温度制御が開始され、一定温度を維持する機能が回復する。

上述の如き本実施形態に係るＯＣＸＯにおいては、帰還系１０２により得られた帰還量δＴに基づきコンパレータ８の一方の入力である設定値Trを可変とした。すなわち、固定値である目標温度Ttargに所定の帰還量δTを加算器６で加算して新たな設定値Trを生成し、新たな設定値Trと実測温度Ticとをコンパレータ８で比較して両者の温度差（Tr−Tic）が小さくなるように恒温槽１００内の温度を制御している。この結果、図６に示すように、温度差（Tr−Tic）をゼロとして恒温槽１００内に収納する水晶振動子３の温度を一定に保持することができる。かくして、外気温４が変動しても水晶振動子３の温度特性を簡単に一定にすることができ、水晶振動子１の長期に亘る安定的な一定周波数での発振動作を担保することができる。

上述の如く本実施形態の作用・効果を常に発揮させるためには、帰還系１０２の帰還量δＴが発散することなく一定値に収束することが必要である。かかる収束条件は、帰還系１０２を含む回路で、式{-１＜（Ｂ・α・Ｆｂ）＜１}の関係が成立していることである。
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。

＜収束条件の検討＞
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)

このとき、熱源１が発生する熱量は、式（５）より、
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。

そこで、式（５）に式（６）を代入して下記のように式を変形する。
P = B・α・(Tr - Tout)

次に、或る初期値、P(0), Ttarg の値に対し、一定の帰還係数を乗じて、設定温度Trを都度更新する帰還系１０２をn回繰り返すことを考える。

このような帰還動作を加えた場合において、設定温度Ｔｒが発散しないための条件を、帰還動作がない場合を初期値とした級数にて説明する。ここで、帰還動作がない場合の発生熱量をＰ（０）、その時の設定温度Ｔｒ＝Ｔｔａｒｇとして、その初期値から一定の帰還係数を乗じて、設定値Ｔｒを都度更新する帰還動作をｎ回繰り返すことをまず考察し、次にｎが無限大となる極限を求めることにする。

ここで目標温度Ttargは或る一定の固定値である。
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)

すなわち、帰還動作をn回繰り返した後の熱量P(n)は、初期値P(0)の、上記(B・α・Fb)を公比とした等比級数倍となっている。

したがって、無限回の帰還を繰り返した後の収束条件は、
|(B・α・Fb)| < 1
但し、α= 1/(1 + Mic・B)
である。

上記収束条件の時、無限級数で表わされるP(∞)およびTr(∞)は下記値に収束する。
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。

さらに、式（９）より、水晶振動子３の温度Ｔｘは次式で与えられる。
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。

外気温Toutによらず水晶振動子３の温度Txが一定となる条件は、上式（１０）における外気温Toutに関する微分係数が０となることである。

すなわち、下式の関係が成立するよう、回路ゲインＢおよび帰還係数Fbを調整すれば、水晶振動子３の温度Txは外気温Toutによらず一定となる。
[{1 + B・(Mic - Mx)}・{1/(1 + Mic・B)} - B・(Mic - Mx)・{1/(1 + Mic・B)}・{Fb / (1 - B・α・Fb)}・B・α] = 0

＜第２実施形態＞
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。

また、本実施形態における帰還系１０４には、第１実施形態と同様の機能を有する位相補償部１３とともにクランプ回路１４が設けてある。クランプ回路１４は、温度差信号V_(Tr−Tic)が負にならないように、その値をゼロ以上にクランプして帰還量（δＴ）≧０となるようにするものである。

かかる本実施形態においても第１実施形態と同様に、温度差（Tr−Tic）をゼロとして恒温槽１００内に収納する水晶振動子３の温度を一定に保持することができる（図６参照）。ただ、本実施形態においては、クランプ回路１４が次の理由により必要になる。

第１実施形態においては、クーラを有しない場合でも、Tic>Trとなった時点でヒータ１へ供給される電流(電力)がゼロに固定されるので、最終的には必然的にTr=Ttargに固定される。一方、本実施形態の如く、外気温Toutの検出を、温度センサ２による実測温度Ticと設定温度Trのコンパレータ８の出力で行う制御系１０４においては、外気温Toutが上昇して、Tic>Trとなった場合でも、コンパレータ８は温度差（Tr-Tic）に応じた負の値の温度差信号V_(Tr-Tic)を継続して出力するので、クランプ回路１４がない場合には、設定値Trが目標温度Ttargよりも低い値に制御され続けることになる。

しかしながら、ＯＣＸＯはクーラ機能を有しないので、実測温度Ticは外気温Toutに追従して上昇するので、本実施形態の場合は設定値Trが目標温度Ttargでは固定されずに非常に低い値に設定されることになる。

そこで、一旦、設定温度Trが非常に低い値に設定されると、外気温が下がってきても、その一旦設定された非常に低い設定温度Trに達するまでヒータ１による加熱は始まらないので、ヒータ１に供給される電流(電力)を外気温Toutの感知に使う場合よりも、系全体の温度のアンダーシュート量が非常に大きくなってしまうという問題が生じる。

そこで、Tr=Ttarg+δT (Ttargは固定の初期設定値、δTは帰還量)として、設定温度Trを制御する場合、ヒータ機能は持っているが積極的な冷却機能を持たないような通常のＯＣＸＯでは、帰還量δT≧0となるように回路を構成するべきである。

＜他の実施形態＞
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。

例えば、この種のデバイスの他の一例として圧電センサを挙げることができる。圧電センサもその検出精度が外気温に依存するからである。

１熱源
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

Claims

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温度信号の変化に対し、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。