JPS6316763B2

JPS6316763B2 -

Info

Publication number: JPS6316763B2
Application number: JP55072122A
Authority: JP
Inventors: Eru Uiruson Robaato
Original assignee: Yokogawa Hewlett Packard Ltd
Current assignee: Hewlett Packard Japan Inc
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1988-04-11
Also published as: GB2050648A; DE3014955C2; JPS55162116A; GB2050648B; US4317985A; DE3014955A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、水晶発振器などを内蔵するために用
いられる小型の恒温槽に関する。

従来から知られている水晶発振器用恒温槽にお
いて（例えば米国特許第3040158号参照）水晶振
動子は熱伝導基板（thermally conductive
base）にマウントされている。そして前記基板
は、外部環境から熱的に隔離されている。熱伝導
基板の温度を測定するため、水晶振動子の付近に
配置された温度センサ（サーミスタのようなも
の）が用いられる。前記サーミスタは、ヒータへ
の供給電力量を制御するオーブン・コントローラ
に接続されている。ここで前記ヒータは、水晶振
動子と同じ熱伝導基板上に置かれる。そして前記
オーブン・コントローラは、検出された恒温槽温
度と希望する恒温槽温度の差に応じて、ヒータ電
流（又はヒータ印加電圧）のデユーテイ・サイク
ルを変化させている。こういつた形式の恒温槽で
は、外部温度の変化に対して水晶振動子の温度補
償を迅速にすることができない。

サーマル・ゲイン（thermal gain）とは恒温
槽の温度安定性を表わす指標である。即ちサーマ
ル・ゲインは、外部温度の変化量をある基準温度
（例えば水晶振動子又は温度センサにおける温度）
に対する変化量で割つた値である。オーブン・コ
ントローラの負帰還ループ・ゲインを高めること
により、温度センサの置かれた位置におけるサー
マル・ゲインを非常に大きくすることが可能であ
る。しかし温度センサと水晶振動子を非常に近接
して配置したとしても、水晶振動子と外部環境の
間におけるサーマル・ゲインは、温度センサと外
部環境の間におけるサーマル・ゲインより低くな
ることが経験的に知られている。また熱伝導基板
上の場所が異なると、サーマル・ゲインも大いに
異なことが経験的に知られている。従つて水晶振
動子と外部環境の間におけるサーマル・ゲインを
希望する大きな値とするために水晶振動子、温度
センサ又はヒータを物理的に移動させ、もつてサ
ーマル・ゲインの調節を行うことが通例である。

熱伝導基板上の特定位置におけるサーマル・ゲ
インは、該基板の形状が変化すると共に変化して
いく。よつて前記基板に小さな穴をあけたり、前
記基板の一部を粉砕したり、又は前記基板に新た
な部品を取り付けることにより、熱伝導基板上の
特定位置におけるサーマル・ゲインは変化するこ
とになる。従つて、恒温槽の形状に変化を与えた
場合には、水晶振動子又は制御素子の再配置が必
要とされる。

恒温槽の設計において、高いサーマル・ゲイン
を得るために試行錯誤により部品の再配置を行う
ことは、実際のところ、非常に困難なことであ
る。そして熱伝導基板の形状が変化するたびに、
部品配置のための試行錯誤を必要とする。

よつて本発明の目的は、部品配置を物理的に変
更せしめることなく最良のサーマル・ゲインを得
るよう構成された恒温槽を提供せんとするもので
ある。

本発明に係る恒温槽は、熱伝導基板上に２個の
ヒータを備え、該熱伝導基板の温度に応答して該
ヒータで消費される電力を調節すると共に、これ
らヒータで消費される電力比を調節することによ
つてサーマル・ゲイン（外部環境と被保温素子の
間におけるサーマル・ゲイン）を高めようとする
ものである。

以下、図面を用いて本発明を詳述する。

第１図は本発明の一実施例による恒温槽の全体
を示す概略図である。本図において、被保温素子
の一例として水晶振動子１０が熱伝導基板２０上
に置かれている。前記基板２０は、保温材
（foaminsulator）４０により外部環境から隔離
されている。温度安定化回路４５には熱伝導基板
２０上の第１位置に置かれた温度センサ５０、該
基板２０上の第２位置に置かれた第１ヒータ６
０、該基板２０上の第３位置におかれた第２ヒー
タ７０、前記センサ５０及びヒータ６０，７０に
接続されたオーブン・コントローラ（oven
controller）８０が含まれる。オーブン・コント
ローラ８０は、温度センサ５０により検出された
温度に応じて、ヒータ６０及び７０で消費される
電力を調節する。即ちオーブン・コントローラ８
０は、検出された温度と希望する温度の差に応じ
て、ヒータに流れる電流を変化させる。ここで希
望する温度とは、約80℃である。また経験的に、
温度センサ５０を通る「等ゲイン線」（即ち同一
のサーマル・ゲインを有する点を結ぶことにより
得られる線）が知られている。そして水晶振動子
１０を前記「等ゲイン線」の線上に置くことが望
ましい。なお前記「等ゲイン線」は高いサーマ
ル・ゲインを有することが必要である。

第２図は、１個のヒータを用いた恒温槽の電気
的モデルである。水晶振動子１０と外部環境３０
の間における熱伝導率は熱抵抗R₁（約20℃／
watt）で表わされる。温度センサ５０と外部環
境３０の間における熱抵抗R₂は、R₁と同じオー
ダの値を有する。温度センサ５０、水晶振動子１
０、ヒータ６０相互間における熱抵抗は非常に小
さい。なぜなら同一の熱伝導基板２０上にマウン
トされているからである。これら熱抵抗はR₃，
R₄，R₅で表わされている。また図においてTAは
外部環境３０の温度を、TCは水晶振動子１０の
温度を、TSは温度センサ５０の温度を、THは
ヒータ６０の温度を表わす。図示されたモデルか
ら予測されることは、ひとたび部品配置が適当に
なされるならば、TS（センサ温度）とTC（水晶温
度）を等しくするバランス状態が確立されること
である。そしてひとたび前記バランス状態が生じ
ると、水晶振動子１０のサーマル・ゲインは温度
センサ５０のサーマル・ゲインと等しくなる。更
に上記モデルから予測されることは、図示された
ブリツジ回路をバランスさせるための抵抗R₄，
R₅を有するポイントを結ぶ「等ゲイン線９０」
（高いサーマル・ゲインを有する）が存在するこ
とである。即ち前記ポイントにおいては、温度セ
ンサ５０と水晶振動子１０の間に熱伝導が生じな
い。

本発明に係る恒温槽では各部品（水晶振動子な
ど）を実際に移動させることなく２個のヒータを
用い、これらヒータで消費される電力の比を調節
している。２個のヒータは、１個の仮想ヒータと
して考えることができる。前記仮想ヒータは、２
個のヒータを結んだ直線上に存在する。そして前
記仮想ヒータの位置は、２個のヒータで消費され
る電力比に応じて、前記直線上を移動することに
なる。このことにより第２図のモデルにおける熱
抵抗R₄及びR₅の相対値を変化させることができ
る。

ヒータ６０及び７０で消費される電力の比を変
化することによつて仮想ヒータの位置が移動する
ことは上述の通りであるが、その結果として、高
いサーマル・ゲインを有する「等ゲイン線９０」
が水晶振動子１０を通過するようになる。かくし
て温度センサ５０と水晶振動子１０の温度が等し
くなり、水晶振動子１０のサーマル・ゲインは最
大となる。しかし実際のところ、水晶振動子１０
の絶対温度を決定することは困難である。２個の
ヒータで消費されるべき電力の比を決定するひと
つの方法は、水晶振動子１０から得られる温度感
応信号をモニタし、そして外部温度が変化したと
きの当該信号変化に注目することである。そのた
め外部温度の変化に応じて、水晶振動子１０の発
振周波数変化がモニタされる。そして２個のヒー
タで消費される電力の比を色々と変化させること
により、最良の電力比が決定される。

図示された電気的モデルによれば、仮想ヒータ
の位置は、温度センサ５０及び水晶振動子１０か
らほぼ等距離にあることが要求される。従つて仮
想ヒータの位置を要領よく調節するには、ヒータ
６０及び７０を結ぶ直線が温度センサ５０及び水
晶振動子１０を結ぶ直線と平行になるよう各部品
を配置することが必要である。

第３図は、第１図に示された温度安定化回路４
５の詳細回路図である。温度センサ５０として、
温度と共に抵抗値が変化するサーミスタを用いて
いる。抵抗器R₁₀の抵抗値は、所定温度における
サーミスタ抵抗値と同じ値を有する。よつて電圧
V₁₀は、所定温度において、ほぼ５ボルトにな
る。抵抗器R₁₂及びR₁₄は同じ抵抗値を有する。
よつて電圧V₁₂は５ボルトになる。従つて温度セ
ンサ５０の温度が所定温度近辺にあるとき（即ち
安定状態にあるとき）、差動アンプ１００は線形
動作レンジ内に置かれる。抵抗器R₁₀及びR₁₂に
印加される電圧は、電圧レギユレータ１７０によ
り、正確に10ボルトに保たれる。

差動アンプ１００出力電圧はトランジスタ・ヒ
ータ７０のベースに印加される。実際の動作にお
いて、外部環境３０の温度が上昇するとサーミス
タ５０の抵抗値は減少する。よつて電圧V₁₀は降
下し、差動アンプ１００はヒータ７０に対してよ
り少いベース電流を供給することになる。その結
果、トランジスタ・ヒータ７０で消費される電力
は減少する。同様に外部環境３０の温度が低下す
ると、ヒータ７０で消費される電力は増加され
る。

抵抗器R₁₆の抵抗値はほぼ0.5オームである。電
源Vccからトランジスタ・ヒータ６０，７０及び
抵抗器Ｒ１６に流れ込む電流ｉは約100ｍＡであ
る。よつて電圧V₁₄は前記電流ｉの関数となる。
トランジスタ・ヒータ６０，７０に流れる電流は
同じであるため、これらヒータで消費される電力
の比は、これら各ヒータにより生じる電圧降下の
関数となる。かくしてトランジスタ・ヒータ６０
で消費される電力は、電圧VccとV₁₆の電圧差に
比例する。同様にトランジスタ・ヒータ７０で消
費される電力は、電圧V₁₆とV₁₄の電圧差に比例
する。

差動アンプ１１０は電圧V₁₈及びV₁₆を等しく
保つよう接続されている。よつてトランジスタ・
ヒータ６０及び７０で消費される電力の比は、抵
抗器R₁₈及びR₂₀の抵抗比に依存することになる。
従つてR₁₈又はR₂₀の抵抗値を変化させることに
より、トランジスタ・ヒータ６０，７０で消費さ
れる電力の比を調節することが可能となる。

恒温槽の始動時においてヒータ消費電力量を制
限するため、差動アンプ１２０が用いられる。こ
れは電圧V₁₄が、トランジスタ・ヒータ６０，７
０に流れる電流に比例することを利用したもので
ある。即ち差動アンプ１２０の反転入力端には電
圧V₁₄が印加されており、当該電圧V₁₄が所定の
電圧を越したときトランジスタ・ヒータ７０のベ
ースから電流が吸い出される。ここで所定の電圧
とは、基準電圧VR及び抵抗分圧器R₂₂，R₂₄によ
つて生じる電圧であつて差動アンプ１２０の非反
転入力端に印加される電圧をいう。そして抵抗器
R₁₆に流れる電流が所定値を下まわつたとき、差
動アンプ１２０はトランジスタ・ヒータ７０のベ
ースから切り離される（ダイオードD₁₀の作用に
よる）。なおトランジスタ・ヒータ７０と差動ア
ンプ１００の間にある帰還路にはコンデンサC₁₀
及び抵抗器R₂₆が直列接続されており、交流安定
化を図つている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による恒温槽の全体
を示す概略図、第２図は１個のヒータを用いた恒
温槽の電気的モデル、第３図は第１図に示された
温度安定化回路４５の詳細回路図である。１０：水晶振動子、２０：熱伝導基板、３０：
外部環境、４０：保温材、４５：温度安定化回
路、５０：温度センサ、６０：第１ヒータ、７
０：第２ヒータ、８０：オーブン・コントロー
ラ。

Claims

【特許請求の範囲】１次の(イ)から(ニ)より成り熱伝導基板上に装着さ
れた被保温素子の温度を安定化するための恒温
槽。 (イ) 前記熱伝導基板上の第１位置に装着され、該
第１位置における前記熱伝導基板の温度に応答
した出力信号を発生する温度センサ、 (ロ) 前記熱伝導基板上の第２、第３位置にそれぞ
れ装着された第１、第２ヒータ、 (ハ) 前記温度センサの出力信号に応答し、前記第
１、第２ヒータで消費される電力を制御する手
段、 (ニ) 前記第１、第２ヒータで消費される電力の比
率を可変設定する手段。２前記第１、第２ヒータは、前記熱伝導基板上
に装着され、コレクタ−エミツタ間が直列接続さ
れた第１、第２トランジスタで成り、前記第１、
第２ヒータで消費される電力は前記第１、第２ト
ランジスタのコレクタ−エミツタ間の消費電力で
ある特許請求の範囲第１項記載の恒温槽。３前記電力の比率を可変設定する手段は、前記
第１、第２トランジスタのコレクタ−エミツタ間
で消費される電力の比率を可変設定する手段であ
る特許請求の範囲第２項記載の恒温槽。