JPH11317622A - 水晶発振器用温度制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶発振器の温度制御回路において、検出温
度の変化に対して発熱体の制御電流の変化の比（制御感
度）が大きい制御回路を実現すること。 【解決手段】 定電流源とサーミスタの直列回路からな
る温度検出手段と、ＭＯＳ ＦＥＴを備えた増幅手段
と、発熱体と、該発熱体に流れる電流を制御するパワー
トランジスタとを備えた発熱制御手段とから成り、前記
サーミスタの抵抗値を大きい値に選択することにで、検
出温度に対して発熱体の制御電流を大きく制御すること
のできる回路を実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水晶発振器の温度制
御回路に関し、特に検出温度に対して大きな温度制御を
要求される構造の恒温槽に好適な温度制御回路に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水晶発振器として、周波数安定度を高め
るために温度制御された恒温槽中に水晶振動子を収容
し、発振周波数の高安定化を図った高安定水晶発振器
（恒温槽付水晶発振器ともいう）があり、主に通信基地
局、計測器等の基準周波数源として利用されている。近
年この製品市場において、低価格化と小型化の要求がま
すます高まっている。本発明は、高安定水晶発振器にお
いて恒温槽の温度を制御するための温度制御回路に関す
るものであり、以下に従来の温度制御回路について説明
する。

【０００３】従来、高安定水晶発振器の温度制御回路と
して例えば、図４に示す回路が使用されている。これは
同図に示すように、定電圧ダイーオードＺＤ１とコンデ
ンサＣ１によって構成している定電圧源の電圧を、感温
素子の負性サーミスタ（以下単にサーミスタと称する）
ＴＨ１に印加することによって温度情報に応じた電流を
得、該電流をトランジスタＴＲ２によって増幅し、その
出力信号によってパワートランジスタＴＲ１のコレクタ
に接続している発熱体Ｈ１に流れる電流を制御するよう
構成している。尚、この回路図の抵抗Ｒ１とＲ２は増幅
用トランジスタＴＲ２の固定バイアス抵抗、抵抗Ｒ３は
増幅用トランジスタＴＲ２の負荷抵抗、また抵抗Ｒ４は
ＴＲ１のバイアス抵抗である。

【０００４】この構成において動作を簡単に説明する
と、サーミスタＴＨ１の周囲温度が低い場合、該サーミ
スタＴＨ１の抵抗値は大きく、増幅用トランジスタＴＲ
２のベースに流れる電流は小さい。これによって増幅用
トランジスタＴＲ２のコレクタ電位は大となるから、パ
ワートランジスタＴＲ１のベース電流は大となり、発熱
体Ｈ１に大きく電流が流れる。逆に、温度が高くなる
と、該サーミスタＴＨ１の抵抗値は小さくなり、増幅用
トランジスタＴＲ２のベースに流れる電流は増加する。
これにより増幅用トランジスタＴＲ２のコレクタ電位は
降下し、パワートランジスタＴＲ１のベース電流は減少
するので、発熱体Ｈ１に流れる電流は制限され、その発
熱量が小さくなるように動作する。この様にして、温度
を一定に保つように制御している。なお、設定温度は抵
抗Ｒ１及び／又はＲ２の値によって調節できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、可能な限りの小
型化を図る為、例えば図５に示したように、水晶振動子
１と、その近傍に配置した平面型発熱体２及びサーミス
タ３とを、温度制御回路と発振回路と共に回路基板４に
搭載した上でカバー５にて封止した小型構造が提案され
ている。しかしながら、上記温度制御回路を使用して
も、以下説明するように安定した温度制御を行なうこと
はできないという問題があった。すなわち図５に図示し
た構成では、平面型発熱体２と水晶振動子１の間に空隙
がある為に熱伝導性がよくないこと、或は平面型発熱体
２の基板４側への熱の損失があること、或は水晶振動子
１が小型で熱容量が小さく上部へ逃げる熱量が大きいこ
と等の構造的要因があるために、上記温度制御回路にお
いては恒温槽内の温度変化の大きさに対して発熱体の発
熱量を十分に大きく制御することができなかったため
に、安定した温度制御を行なうことができなかった。こ
の問題を解決するためには、温度制御回路において検出
温度の変化量に対する発熱体に流れる電流の変化量の比
（以下、制御感度という）を大きくする必要があるが、
上記温度制御回路では、制御感度を大きくすることは困
難であった。

【０００６】例えば、制御感度を大きくするための一つ
の方法として、感温素子に流す電流を大きくするという
手法も考えられるが、サーミスタの自己発熱が大きいた
めに検出する温度精度が悪くなってしまう。また、他の
方法として大きな抵抗値を有するサーミスタを用いると
いう手法もあるが、自己発熱を抑えることができるもの
の、トランジスタＴＲ２のベースに流すことのできる電
流が小さくなり、必要な利得を得ることができない。こ
のような理由から上記温度制御回路で使用可能なサーミ
スタの抵抗値は、およそ２〜３ＫΩ程度（温度制御の安
定動作時の値）の範囲に限定され、このサーミスタの抵
抗値を大きくすることは困難であった。また、大きい増
幅率を有するトランジスタやオペアンプ等を用いるこ
と、或いは多段増幅回路によって利得を大きくする手法
では、回路規模は大きくなってしまうばかりでなく、増
幅段で発生するノイズの影響によって安定した温度制御
ができない欠点がある。

【０００７】以上の問題の他にも、図５に図示した構成
では、回路基板６にサーミスタを直接実装する構造のた
め、サーミスタは外部の熱の影響を非常に受けやすい欠
点がある。すなわち外部の温度変動に応じてサーミスタ
の抵抗値が変動するため、発熱体に流れる電流は敏感に
反応してしまい、水晶振動子の温度が急変して発振周波
数の変動を招いてしまうという欠点があった。

【０００８】上述したような２つの問題は、従来、恒温
槽として例えば金属ブロックを用いるなどの手段によっ
て恒温槽自体の熱容量大きくすることで、解決すること
ができた。しかしながら、このような手法では恒温槽と
してある程度の大きさを確保する必要があり、図５に例
示したような高安定水晶振動子の小型化を図る上での障
害となっていた。

【０００９】本発明は上述したような問題を解決するた
めになされたものであり、制御感度を大きくすることが
可能な回路であり、さらに簡単な回路構成により温度制
御回路を実現し、特に小型高安定水晶発振器に好適な温
度制御回路を実現することを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】水晶発振器を一定温度に
維持するための温度制御回路であって、定電流源と感温
素子の直列回路からなる温度検出手段と、ＭＯＳ ＦＥ
Ｔを備えた増幅手段と、発熱体と、該発熱体に流れる電
流を制御するパワートランジスタとを備えた発熱制御手
段とから成り、前記温度検出手段の出力信号を前記増幅
手段により増幅し、該増幅手段の出力信号に基づき、前
記発熱制御手段が、前記発熱体に流れる電流を制御する
よう構成したことを特徴とする水晶発振器用温度制御回
路とした。前記温度検出手段と前記増幅手段との間に、
抵抗とコンデンサによるローパスフィルタを設けたこと
を特徴とする、請求項１に記載の高安定水晶発振器用温
度制御回路とした。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図示した実施形態例に基づ
いて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明による高
安定水晶発振器の温度制御回路の一形態例を示す回路図
である。同図において６は、温度検出回路であって、接
合型ＦＥＴ（ＴＲ３）と抵抗Ｒ５により構成する定電流
源と、サーミスタＴＨ１、ＴＨ２及び抵抗Ｒ６の直列回
路により構成する。この回路上の図中ａ点（ＴＨ１とＲ
５の接続点）の電位を、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３によ
り構成するローパスフィルタ７を介して、エンハンスメ
ント型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）により構成
する増幅回路８に供給する。該増幅回路８の出力は、パ
ワートランジスタＴＲ１により構成した電流駆動回路９
に接続され、パワートランジスタＴＲ１のコレクタ側に
接続する発熱体Ｈ１に流れる電流を制御するよう構成す
る。なお、定電圧ダイオードＺＤ１，Ｒ２とＲ３は、Ｍ
ＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）のバイアス用であり、抵抗Ｒ１は
パワートランジスタＴＲ１のバイアス用である。

【００１２】次に、上記構成の回路動作について説明す
る。温度検出回路６において、絶縁型ＦＥＴ・ＴＲ３と
抵抗Ｒ４によって発生した定電流を、サーミスタＴＨ１
とＴＨ２と抵抗Ｒ６からなる直列回路に流すと、ａ点に
は温度に応じた電圧が発生し、ローパスフィルタ７を介
して増幅回路８に印加されて増幅される。尚、ローパス
フィルタ７については後述する。温度が低い場合、温度
検出部６において、ＴＨ１とＴＨ２とＲ６の合成値（以
下、感温部抵抗と称する）は大きい値となるので、ａ点
の電位、すなわちＲ４を介してＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）
に印加するゲート電位は大となり、該ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ
Ｒ２）のソース−ドレイン間電流は大となるから、ドレ
イン部の電位は低下する。従ってパワートランジスタＴ
Ｒ１のベース電流は大となって、コレクタに接続する発
熱体Ｈ１に電流が流れて発熱するよう動作する。逆に温
度が高くなると、温度検出部６において、感温部抵抗は
小さい値となり、ａ点の電位、すなわちＭＯＳＦＥＴ
（ＴＲ２）のゲート電位は小となり、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ
Ｒ２）のソース−ドレイン間電流は小となるから、ドレ
イン電位は大きくなる。従ってパワートランジスタＴＲ
１のベース電流は小となって、コレクタに接続する発熱
体Ｈ１に流れる電流が制限されるので発熱量は低下す
る。このようにして温度制御を達成している。

【００１３】以上説明した本発明の実施例の構成によれ
ば、ＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）によって構成する増幅回路
８の入力インピーダンスは非常に大きいため、感温部の
インピーダンスを十分に大きくすることができる。した
がって、サーミスタの抵抗値を大きく、且つサーミスタ
に流す電流を小さくして動作させることが可能となり、
それによって温度の検出感度を大きくすることができ
る。このことについて、数値例を示して以下に説明す
る。但し、説明を簡単にする為、サーミスタの値はＴＨ
１とＴＨ２を合成した値をとる。

【００１４】例えば、サーミスタの自己発熱を１ｍＷ、
使用温度を８０℃とし、サーミスタのＢ定数を４３００
とすれば次の結果を得ることができる。 （例１）２５℃における抵抗値が３８ＫΩのサーミスタ
の場合 ８０℃において抵抗値は約４ＫΩ、抵抗の温度感度は約
１３８Ω／℃、及び電流は約０．５ｍＡとなるから、検
出感度は６９ｍＶ／℃となる。 （例２）２５℃における抵抗値が３４０ＫΩのサーミス
タの場合 ８０℃において抵抗値は約３６ＫΩ、抵抗の温度感度は
約１２３８Ω／℃、及び電流は約０．１７ｍＡとなるか
ら、検出感度は２１０ｍＶ／℃となる。ここで例示した
ように、サーミスタの抵抗値を３８ＫΩの場合から３４
０ＫΩに変えることによって約３倍の大きさの検出感度
を得ることができ、さらにこれより大きい抵抗値のサー
ミスタを用いれば、さらに検出感度を大きく得ることが
可能である。このように、本発明の温度制御回路によれ
ば、容易に単位温度当たりの検出感度を大きく得ること
ができるので、サーミスタの自己発熱を抑え、且つ増幅
回路の利得を変えることなく発熱体に流れる電流の制御
感度を大きく得ることができるうえ、該制御感度はサー
ミスタの抵抗値によって任意に調節することができる。
従って、本発明の温度制御回路を図５に図示した様な構
造の水晶発振器に用いた場合でも安定した温度制御を行
なうことができる。

【００１５】次に抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３から成るロ
ーパスフィルタ７の動作について詳細に説明する。本発
明では増幅回路６にＭＯＳＦＥＴを用いた構成を特徴の
一つとしており、その入力インピーダンスは非常に大き
いため、該増幅回路６の入力部に接続する回路、すなわ
ちローパスフィルタ７において抵抗Ｒ４を非常に大きな
値に設定したとしても、前記増幅回路６は受ける影響は
小さい。このことから、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３の積
分回路の時定数を十分に大きい値とすることが可能なた
め、ローパスフィルタとして機能させることができる。
例えば抵抗Ｒ４を１ＭΩ、コンデンサＣ３を１μＦとい
う様に、時定数が大きい値になるように設定すれば、ロ
ーパスフィルタとしてのカットオフ周波数Ｆｃは０．２
Ｈｚと極めて低い値となる。このように設定された回路
においては、例えば感温部における周期の短い瞬時的な
温度変化に対して、発熱体に流れる電流の応答を抑える
ことができる。すなわち、図５に例示したような感温素
子が外部温度の影響を受けやすい構造においては、前記
例示した様に時定数を大きく設定すれば安定した温度制
御を行なうことができる。ここで、抵抗Ｒ４及びコンデ
ンサＣ３の値は水晶発振器の構造に応じてそれぞれ適当
に選択すればよい。このように、ローパスフィルタ７は
抵抗とコンデンサを用いた基本的な積分回路でありなが
らも、本発明の温度制御回路と組合わせることによっ
て、その機能を効果的に発揮し、安定な温度を達成する
ことができるのである。

【００１６】なお、上記実施形態例では、温度設定値の
調節は抵抗Ｒ６の大きさによって行なうことができる
が、接合型ＦＥＴ（ＴＲ３）と抵抗Ｒ５により構成する
定電流源の抵抗Ｒ５の大きさを変えることによってサー
ミスタに流れる電流の大きさを変化させたとしても、設
定温度を調節することができる。この場合、電流を大き
くするとサーミスタの自己発熱が大きくなるので、電流
は許容範囲内で調整するのが望ましい。

【００１７】次に、本発明による他の実施形態例につい
て説明する。図２は、接合型ＦＥＴ（ＴＲ３）と抵抗Ｒ
５により構成する定電流源と、サーミスタＴＨ１、ＴＨ
２及び抵抗Ｒ６の直列回路により構成する温度検出回路
と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）を用いた増幅回
路と、ＮＰＮパワートランジスタＴＲ１を用いた電流制
御回路と、発熱体Ｈ１を前記電流制御回路の負荷抵抗と
して構成し、且つ発熱体Ｈ２を前記電流制御回路の帰還
抵抗としてバイアス回路を構成したことを特徴としてお
り、図１の実施形態例と同様にして温度制御を行なう。
図３は、接合型ＦＥＴ（ＴＲ３）と抵抗Ｒ５により構成
する定電流源と、サーミスタＴＨ１、ＴＨ２及び抵抗Ｒ
６の直列回路により構成する温度検出回路と、Ｐチャネ
ルＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）を用いた増幅回路と、パワー
ＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ１）を用いた電流制御回路と、２個
の発熱体Ｈ１及びＨ２をそれぞれ前記電流制御回路のバ
イアス回路として構成していることを特徴としており、
図２に示した実施形態例と同様にして温度制御を行な
う。なお、本発明は感温素子として負性サーミスタを使
用した実施形態例について説明したが、例えばポジスタ
等の他の感温素子についても適用できる。

【００１８】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、温度変化に対
する制御感度を大きくすることができ、且つ任意の値に
設定することができるので、水晶発振器の構造に応じた
制御感度を設定可能とし、温度制御における温度の安定
化に優れた効果を奏する。請求項２の発明によれば、温
度制御回路の応答性を回路側で任意に調整することがで
きるので、例えば感温素子の瞬間的な変化に対し応答を
抑えるなど、温度の安定化に優れた効果を奏する。以上
のように本発明の温度制御回路によれば、従来の温度制
御回路よりも温度制御に対して優れた性能を得ることが
でき、さらに回路構成が簡単で部品点数の少ないことか
ら、特に小型高安定水晶発振器を実現する上で著しい効
果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度制御回路の第１実施形態例の
回路図である。

【図２】本発明による温度制御回路の第２実施形態例の
回路図である。

【図３】本発明による温度制御回路の第３実施形態例の
回路図である。

【図４】従来の温度制御回路の回路図である。

【図５】温度制御回路を適用する発振器の一例を示した
構造図であって、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は上面か
ら見た内部構造図である。

【符号の説明】

１ 水晶振動子、２ 平面型発熱体、３ 負性サーミス
タ、４ 回路基板、５ カバー、 ６ 温度検出回路、
７ ローパスフィルタ、８ 増幅回路、９電流制御回路

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】次に、上記構成の回路動作について説明す
る。温度検出回路６において、絶縁型ＦＥＴ・ＴＲ３と
抵抗Ｒ５によって発生した定電流を、サーミスタＴＨ１
とＴＨ２と抵抗Ｒ６からなる直列回路に流すと、ａ点に
は温度に応じた電圧が発生し、ローパスフィルタ７を介
して増幅回路８に印加されて増幅される。尚、ローパス
フィルタ７については後述する。温度が低い場合、温度
検出部６において、ＴＨ１とＴＨ２とＲ６の合成値（以
下、感温部抵抗と称する）は大きい値となるので、ａ点
の電位、すなわちＲ４を介してＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ２）
に印加するゲート電位は大となり、該ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ
Ｒ２）のソース−ドレイン間電流は大となるから、ドレ
イン部の電位は低下する。従ってパワートランジスタＴ
Ｒ１のベース電流は大となって、コレクタに接続する発
熱体Ｈ１に電流が流れて発熱するよう動作する。逆に温
度が高くなると、温度検出部６において、感温部抵抗は
小さい値となり、ａ点の電位、すなわちＭＯＳＦＥＴ
（ＴＲ２）のゲート電位は小となり、ＭＯＳＦＥＴ（Ｔ
Ｒ２）のソース−ドレイン間電流は小となるから、ドレ
イン電位は大きくなる。従ってパワートランジスタＴＲ
１のベース電流は小となって、コレクタに接続する発熱
体Ｈ１に流れる電流が制限されるので発熱量は低下す
る。このようにして温度制御を達成している。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】次に抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３から成るロ
ーパスフィルタ７の動作について詳細に説明する。本発
明では増幅回路６にＭＯＳＦＥＴを用いた構成を特徴の
一つとしており、その入力インピーダンスは非常に大き
いため、該増幅回路８の入力部に接続する回路、すなわ
ちローパスフィルタ７において抵抗Ｒ４を非常に大きな
値に設定したとしても、前記増幅回路８は受ける影響は
小さい。このことから、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３の積
分回路の時定数を十分に大きい値とすることが可能なた
め、ローパスフィルタとして機能させることができる。
例えば抵抗Ｒ４を１ＭΩ、コンデンサＣ３を１μＦとい
う様に、時定数が大きい値になるように設定すれば、ロ
ーパスフィルタとしてのカットオフ周波数Ｆｃは０．２
Ｈｚと極めて低い値となる。このように設定された回路
においては、例えば感温部における周期の短い瞬時的な
温度変化に対して、発熱体に流れる電流の応答を抑える
ことができる。すなわち、図５に例示したような感温素
子が外部温度の影響を受けやすい構造においては、前記
例示した様に時定数を大きく設定すれば安定した温度制
御を行なうことができる。ここで、抵抗Ｒ４及びコンデ
ンサＣ３の値は水晶発振器の構造に応じてそれぞれ適当
に選択すればよい。このように、ローパスフィルタ７は
抵抗とコンデンサを用いた基本的な積分回路でありなが
らも、本発明の温度制御回路と組合わせることによっ
て、その機能を効果的に発揮し、安定な温度を達成する
ことができるのである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶発振器を一定温度に維持するための温
   度制御回路であって、定電流源と感温素子の直列回路か
   らなる温度検出手段と、ＭＯＳ ＦＥＴを備えた増幅手
   段と、発熱体と、該発熱体に流れる電流を制御するパワ
   ートランジスタとを備えた発熱制御手段とから成り、前
   記温度検出手段の出力信号を前記増幅手段により増幅
   し、該増幅手段の出力信号に基づき、前記発熱制御手段
   が前記発熱体に流れる電流を制御するよう構成したこと
   を特徴とする水晶発振器用温度制御回路。
2. 【請求項２】前記温度検出手段と前記増幅手段との間
   に、抵抗とコンデンサとから成るローパスフィルタを設
   けたことを特徴とする、請求項１に記載の水晶発振器用
   温度制御回路。