JP6326216B2

JP6326216B2 - 発振器

Info

Publication number: JP6326216B2
Application number: JP2013228498A
Authority: JP
Inventors: 大裕國友
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: JP2015089084A

Description

本発明は、周囲温度を制御することができる発振器に関する。

従来、水晶振動子を用いた水晶発振回路の温度を一定に保つために、ヒーター及び温度センサから構成される温度制御回路を備えるオーブン制御水晶発振器（以下、ＯＣＸＯという）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５−９２３０２号公報

ところで、ＯＣＸＯは、温度補償型水晶発振器（以下、ＴＣＸＯという）よりも周波数の精度と安定度が高い発振信号を出力することができる。しかし、ＯＣＸＯにおいては、ヒーターにおける発熱により、適切な高温状態を維持するので、ＯＣＸＯの電源を起動してから周波数が安定状態に至るまでに数分の時間を要する。

温度制御回路は、Ｐ制御回路、ＰＩ制御回路、又はＰＩＤ制御回路により構成される。周波数が安定するまでの時間を短縮するには、Ｐ制御におけるゲイン値を大きくすることで、制御目標温度と実温度との差に対するヒーター出力の比を大きくすることが有効である。

しかし、ゲイン値を大きくすると、安定状態においてフィードバック回路動作が不安定になり、振動現象が発生する。振動現象が発生すると回路が不安定になるので、振動現象が発生しない程度に小さなゲイン値を用いる必要があった。したがって、ヒーター出力の大きさに制約があり、ＯＣＸＯの電源を起動してから温度が安定状態に至るまでに長時間を要していた。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ＯＣＸＯの電源を起動してから温度が安定状態に至るまでの時間を短縮することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る発振器は、発振信号を出力する発振部と、前記発振部を加熱する発熱部と、前記発振部の周囲温度を検出し、検出した前記周囲温度に応じた温度検出電圧を出力する温度検出部と、前記周囲温度の目標温度に関連付けられた基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記温度検出電圧と前記基準電圧とを比較する比較部と、前記比較部における比較結果に基づいて、前記発熱部を制御する制御部と、を備える。

上記の発振器は、前記基準電圧の電圧レベルを調整して調整電圧を生成する調整電圧発生部をさらに備え、前記比較部は、前記温度検出電圧と前記調整電圧とを比較してもよい。例えば、前記比較部は、前記温度検出電圧と前記調整電圧との比較結果に応じた比較電圧を出力し、前記制御部は、前記比較電圧に基づいて前記発熱部を制御する。

また、前記制御部は、前記温度検出電圧と前記基準電圧との差分電圧を、前記比較電圧に基づいて定められるゲインで増幅した発熱制御電圧に基づいて、前記発熱部を制御してもよい。

前記比較部は、ヒステリシスを持っており、前記温度検出電圧が前記調整電圧よりも大きくなるように変化する場合に、前記温度検出電圧が第１基準電圧に等しくなると、前記比較電圧を第１の値から第２の値に切り替えるとともに、前記温度検出電圧が前記調整電圧よりも小さくなるように変化する場合に、前記温度検出電圧が前記第１基準電圧と異なる第２基準電圧に等しくなると、前記比較電圧を第２の値から第１の値に切り替えてもよい。

本発明によれば、ＯＣＸＯの電源を起動してから温度が安定状態に至るまでの時間を短縮することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る発振器の構成を示す図である。第１の実施形態に係る制御部の構成を示す図である。制御部のゲインを４倍に設定した場合の、発振器の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。制御部のゲインを６０倍に設定した場合の、発振器の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。切替温度において、制御部のゲインを６０倍から４倍に切り替えた場合の、発振器の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る発振器１００の構成を示す図である。発振器１００は、発振部１、発熱部２、温度検出部３、基準電圧発生部４、調整電圧発生部５、比較部６及び制御部７を備える。

発振部１は、発振信号を出力する発振回路である。発振部１は、例えば、水晶振動子又はＭＥＭＳ振動子と、当該振動子を発振させるための増幅回路とを有する。発振部１は、発熱部２により加熱される。

発熱部２は、発振部１を加熱するヒーターである。発熱部２は、制御部７が出力する発熱制御電圧に応じた熱量を発することにより、発振部１の周囲を加熱する。発熱部２は、例えば、発振部１の周囲温度を８０℃に維持するように発熱する。

温度検出部３は、発振部１の周囲温度を検出し、検出した周囲温度に応じた温度検出電圧を出力する温度センサである。温度検出部３が出力する温度検出電圧の信号は、制御部７及び比較部６に入力される。

基準電圧発生部４は、周囲温度の目標温度に関連付けられた基準電圧を発生する。具体的には、基準電圧発生部４は、周囲温度が目標温度に等しい場合に温度検出部３が出力する温度検出電圧を、基準電圧として発生する。基準電圧発生部４は、目標温度と基準電圧とを関連付けたテーブルを有し、外部から取得した目標温度に応じた基準電圧を発生してもよい。

調整電圧発生部５は、基準電圧の電圧レベルを調整して調整電圧を発生するレベルシフト回路である。調整電圧発生部５は、例えば、演算増幅器又はトランジスタにより構成されている。調整電圧発生部５は、周囲温度の目標温度よりも低い温度に対応する調整電圧を発生する。具体的には、温度検出部３が出力する温度検出電圧が、周囲温度が高くなるにつれて低くなる場合、調整電圧発生部５は、基準電圧よりも電圧が高い調整電圧を発生する。例えば、目標温度が８０℃であり、発振器１００の電源を投入したときの室温が２５℃である場合、調整電圧は、室温よりも高く目標温度よりも低い温度６０℃に対応する電圧である。本明細書において、調整電圧に対応する温度を切替温度という。

比較部６は、温度検出電圧と調整電圧とを比較するコンパレータである。比較部６は、温度検出部３が出力する温度検出電圧と調整電圧発生部５が出力する調整電圧とを受けて、温度検出電圧と調整電圧との比較結果に応じた比較電圧を出力する。比較部６は、例えば、温度検出電圧が調整電圧よりも高い場合には、ロウレベルの論理値に対応する電圧（以下、ロウレベル電圧という）を出力し、温度検出電圧が調整電圧以下の場合には、ハイレベルの論理値に対応する電圧（以下、ハイレベル電圧という）を出力する。

制御部７は、比較電圧に基づいて発熱部２を制御する。制御部７は、比較電圧に基づいて生成される発熱制御電圧を発熱部２に入力して発熱部２を制御することにより、発振部１の周囲温度を一定の温度に保つ。制御部７は、温度検出電圧と基準電圧との差分電圧を、比較部６が出力する比較電圧に基づいて定められるゲインで増幅して得られる発熱制御電圧に基づいて、発熱部２を制御する。

具体的には、制御部７は、比較電圧がロウレベル電圧である場合に、温度検出電圧と基準電圧との差分電圧を第１のゲイン（例えば、６０倍）で増幅することにより、発熱制御電圧を生成する。制御部７は、比較電圧がハイレベル電圧である場合に、温度検出電圧と基準電圧との差分電圧を、第１のゲインよりも小さな第２のゲイン（例えば、４倍）で増幅することにより、発熱制御電圧を生成する。

例えば、目標温度が８０℃で、切替温度が６０℃である場合、制御部７は、温度検出部３が検出した周囲温度が６０℃以下の場合に６０倍のゲインで差分電圧を増幅し、周囲温度が６０℃よりも高くなると、４倍のゲインで差分電圧を増幅する。このようにすることで、周囲温度が切替温度よりも低い場合には、発熱部２の発熱量が最大になるので急速に周囲温度が上昇し、周囲温度が切替温度を超えると、発熱部２の発熱量が抑制されるので、周囲温度の上昇率が低下する。その結果、周囲温度が不安定に振動することが防止される。

図２は、制御部７の構成を示す図である。制御部７は、温度検出部３から入力される温度検出電圧と基準電圧発生部４から入力される基準電圧との差分電圧を出力する増幅器７１を有する。増幅器７１の第１入力端子と温度検出部３との間には抵抗７２が設けられており、増幅器７１の第２入力端子と基準電圧発生部４との間には抵抗７３が設けられている。

制御部７は、増幅器７１のゲインを切り替えるための回路を有する。具体的には、増幅器７１の第１入力端子と出力端子との間に、互いに直列に接続された抵抗７４及び抵抗７５が設けられている。また、抵抗７５と並列にゲイン切り替え用のスイッチ７６が設けられている。スイッチ７６は、例えば、ＣＭＯＳアナログスイッチである。スイッチ７６は、比較部６から出力される比較電圧に応じて、導通状態と非導通状態とを切り替える。スイッチ７６は、例えば、比較電圧がロウレベル電圧である場合に非導通状態になり、比較電圧がハイレベル電圧である場合に導通状態になる。

また、増幅器７１の第２入力端子とグランドとの間に、互いに直列に接続された抵抗７７及び抵抗７８が設けられている。また、抵抗７８と並列にゲイン切り替え用のスイッチ７９が設けられている。スイッチ７９は、スイッチ７６と同様に、比較部６から出力される比較電圧に応じて、導通状態と非導通状態とを切り替える。

比較電圧がロウレベル電圧である場合には、抵抗７５及び抵抗７８が短絡されず、比較電圧がハイレベル電圧である場合には、抵抗７５及び抵抗７８が短絡される。したがって、周囲温度が切替温度よりも低い間は、増幅器７１のゲインが大きくなり、周囲温度が切替温度よりも高い間は、増幅器７１のゲインが小さくなる。その結果、制御部７は、周囲温度が切替温度より低い間は、発熱部２に最大の熱量を発生させ、周囲温度が切替温度よりも高くなると、発熱部２が発生する熱量を抑制することができる。

図３は、制御部７のゲインを４倍に設定した場合の、発振器１００の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。図４は、制御部７のゲインを６０倍に設定した場合の、発振器１００の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。図５は、切替温度において、制御部７のゲインを６０倍から４倍に切り替えた場合の、発振器１００の電源投入後の温度検出電圧と発熱制御電圧との関係を示す図である。

図３、図４及び図５における横軸は、発振器１００の電源を投入したからの経過時間、縦軸は電圧を示している。また、図３、図４及び図５における破線は温度検出電圧を示しており、実線は発熱制御電圧を示している。

図３においては、電源投入後４００秒が経過するまでは、発熱制御電圧が飽和しており、電源電圧である３．３Ｖに等しい電圧となっている。その後、発熱制御電圧が低下し、電源を投入してから約７５０秒後に温度検出電圧と発熱制御電圧が一定となる。すなわち、検出温度が目標温度で安定になったとみなせる。

図４においては、電源を投入してから約５００秒が経過するまでは、発熱制御電圧が３．３Ｖとなっており、その後、発熱制御電圧は急峻に低下している。電源を投入してから約５５０秒が経過すると、発熱制御電圧が振動している。発熱制御電圧が振動すると、発熱部２の発熱量が不安定になり、発振部１の周囲温度が不安定な状態になる。電源を投入してから約５５０秒で、温度検出電圧が一定となる。検出温度が目標温度近傍で一定となっているように見えるが、制御系が不安定な状態なので好ましくない。

本実施形態に係る図５に示すデータを取得する際には、周囲温度が目標温度と同じ８０℃に到達した時点（図５におけるＡの時間）で、ゲインが６０倍から４倍に切り替わっている。その結果、温度検出電圧は、電源投入後、約５５０秒後に安定しており、図３と比べて約１５０秒早く安定している。また、発熱制御電圧は、急峻に低下した後に、電源投入後、約６５０秒で安定となっている。このように、本実施形態によれば、周囲温度を短時間で目標温度に到達させることができるとともに、周囲温度を安定させることができる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態において、比較部６は、温度検出電圧が調整電圧に等しい場合に比較電圧を切り替えた。例えば、比較部６は、周囲温度が８０℃になった時点で比較電圧をロウレベル電圧からハイレベル電圧に切り替えた。

第２の実施形態に係る比較部６は、ヒステリシスを持っている点で第１の実施形態と異なる。具体的には、比較部６は、温度検出電圧が調整電圧よりも大きくなるように変化する場合に、温度検出電圧が第１基準電圧に等しくなると、比較電圧を第１の値から第２の値に切り替えるとともに、温度検出電圧が調整電圧よりも小さくなるように変化する場合に、温度検出電圧が第１基準電圧と異なる第２基準電圧に等しくなると、比較電圧を第２の値から第１の値に切り替える。

例えば、第１基準電圧は、周囲温度８０℃に対応する電圧である、第２基準電圧は、周囲温度７５℃に対応する電圧である。この場合、比較部６は、周囲温度が上昇して８０℃に達した時点で、比較電圧をロウレベル電圧からハイレベル電圧に切り替え、制御部７は、ゲインを６０倍から４倍に切り替える。その後、周囲温度が８０℃を越えた後に、一時的に８０℃を下回る温度に変化した場合、比較部６は、周囲温度が８０℃の時点で、比較電圧をハイレベル電圧からロウレベル電圧に切り替えることなく、ハイレベル電圧を維持する。比較部６は、周囲温度がさらに低下して７５℃に到達すると、比較電圧をハイレベル電圧からロウレベル電圧に切り替える。

このように、比較部６の動作にヒステリシスを持たせることにより、ゲインを切り替える切替温度付近で温度が変動した場合に、頻繁にゲインが切り替わることにより不安定な状態に陥ることを防ぐことができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記の実施形態においては、比較部６の第２入力端子には、調整電圧発生部５が出力する調整電圧が入力されていたが、第２入力端子には、外部から調整電圧を入力してもよい。また、調整電圧発生部５は、外部からの制御により調整電圧を切り替えてもよい。

１・・・発振部、２・・・発熱部、３・・・温度検出部、４・・・基準電圧発生部、５・・・調整電圧発生部、６・・・比較部、７・・・制御部、７１・・・増幅器、７２、７３、７４、７５、７７、７８・・・抵抗、７６、７９・・・スイッチ、１００・・・発振器

Claims

発振信号を出力する発振部と、
前記発振部を加熱する発熱部と、
前記発振部の周囲温度を検出し、検出した前記周囲温度に応じた温度検出電圧を出力する温度検出部と、
前記周囲温度の目標温度に関連付けられた基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記基準電圧の電圧レベルを調整して、前記目標温度よりも低い温度の前記基準電圧に対応する調整電圧を生成する調整電圧発生部と、
前記温度検出電圧と前記調整電圧とを比較した結果に応じた比較電圧を出力する比較部と、
前記温度検出電圧と前記基準電圧との差分電圧を前記比較電圧に基づいて定められるゲインで増幅して生成する発熱制御電圧に基づいて前記発熱部の発熱量を制御する制御部と、
を備える発振器。
前記制御部は、前記温度検出電圧と前記基準電圧との差分電圧を、前記ゲインで増幅する増幅部を有し、前記制御部は、前記比較電圧が、前記温度検出電圧が前記調整電圧よりも高い状態を示す第１電圧である場合に前記増幅部のゲインを決定する抵抗を短絡しないことで前記増幅部のゲインを第１ゲインにして、前記比較電圧が、前記温度検出電圧が前記調整電圧以下の状態を示す第２電圧である場合に前記抵抗を短絡することで前記増幅部のゲインを前記第１ゲインよりも小さい第２ゲインにすることにより前記発熱部の発熱量を制御する、
請求項１に記載の発振器。
前記比較部は、前記温度検出電圧が前記調整電圧よりも大きくなるように変化する場合に、前記温度検出電圧が第１基準電圧に等しくなると、前記比較電圧を第１の値から第２の値に切り替えるとともに、前記温度検出電圧が前記調整電圧よりも小さくなるように変化する場合に、前記温度検出電圧が前記第１基準電圧と異なる第２基準電圧に等しくなると、前記比較電圧を第２の値から第１の値に切り替える、
請求項１又は２に記載の発振器。