恒温槽付水晶発振器の温度制御回路
【課題】 熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を向上させ、良好な温度特性を有する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路を提供する。
【解決手段】 ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に伝導する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路である。
【解決手段】 ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に伝導する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高安定の発振周波数を得ることができる恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）に係り、特に、良好な温度特性を実現できる恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
［従来の技術］
恒温槽付水晶発振器は、水晶振動子の動作温度を一定に維持することから、周波数温度特性に依存した周波数変化を引き起こすことなく、高安定の発振周波数が得られるものである。
水晶振動子は、恒温槽に収納され、恒温槽は、温度制御回路によってその槽内の温度を一定に保持するよう制御される。
【０００３】
［従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路：図８］
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路について図８を参照しながら説明する。図８は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、図８に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲとを有している。
【０００４】
［接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のコレクタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のエミッタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。
【０００５】
また、サーミスタＴＨの一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、サーミスタＴＨの他端が抵抗Ｒ１の一端に接続され、抵抗Ｒ１の他端が接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端が接地されている。
また、差動増幅器ＩＣ１０には、図示はしていないが、駆動用として電源電圧ＤＣが印加され、ＧＮＤにも接続している。
【０００６】
そして、サーミスタＴＨの他端と抵抗Ｒ１の一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と−端子とを、抵抗Ｒ５を介して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
【０００７】
［各部］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、サーミスタＴＨと抵抗Ｒ１との間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅し、出力する。
【０００８】
パワートランジスタＴｒ１は、ＮＰＮ型のトランジスタで、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベース電流に応じてコレクタとエミッタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
ヒーター抵抗ＨＲは、流れる電流に応じて発熱する。
ここで、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲが熱源となっている。
【０００９】
ＯＣＸＯにおいて、熱源、サーミスタＴＨのセンサー、水晶振動子を一体化させることができれば温度特性の性能は高くなるが、実際には、上記３つの部分は電気的に繋がっていないために物理的に接続できていないものである。
そのため、３つの部分を極力近くに配置して、樹脂等の絶縁物を介して設置していた。
但し、その絶縁物は、熱伝導率が一般に低く、シリコン樹脂を例に挙げると、性能の良いものでも約２Ｗ／ｍ・ｋ程度である。
【００１０】
また、熱源において、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ端子部分が発熱するが、常に電位が生じている。ヒーター抵抗ＨＲは、母材がセラミックで、その上面に発熱する抵抗膜が形成されており、その部分が発熱する。
しかしながら、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲの熱源は、周囲温度の変化によって発熱量に差があることが知られている。
【００１１】
［電流に対する発熱量：図９］
温度制御回路において流れる電流に対する発熱量について図９を参照しながら説明する。図９は、発熱量を示すグラフである。図９において、横軸が電流で縦軸が発熱量である。
図９に示すように、パワートランジスタＴｒ１の発熱量とヒーター抵抗ＨＲの発熱量とは異なっており、両者を合計した発熱量が熱源の発熱量となる。
従って、周囲の温度が変化すると、パワートランジスタＴｒ１の発熱量とヒーター抵抗ＨＲの発熱量で差が生じることになる。
【００１２】
［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開平１１−３１７６２２号公報「水晶発振器用温度制御回路」（東洋通信機株式会社）［特許文献１］、特開２００４−２０７８７０号公報「圧電振動子収納用パッケージおよびこれを用いた恒温型発振器」（京セラ株式会社）［特許文献２］、特開２００５−１１７０９３号公報「温度制御回路とこれを用いた高安定水晶発振器」（東洋通信機株式会社）［特許文献３］、特許第４８５５０８７号公報「恒温型の水晶発振器」（日本電波工業株式会社）［特許文献４］がある。
【００１３】
特許文献１には、水晶発振器における恒温槽の温度を制御する温度制御回路において、サーミスタの抵抗値を大きい値に選択することで、検出温度に対して発熱体の制御電流を大きく制御できることが示されている。
【００１４】
特許文献２には、恒温型発振器において、圧電素子を搭載した第１のパッケージが、第２のパッケージにより気密封止して、第２のパッケージの収容部を真空状態としたことが示されている。
【００１５】
特許文献３には、高安定水晶発振器の温度制御回路において、定電圧を第１サーミスタと抵抗で分圧する第１の分圧回路と、定電圧を第２サーミスタと可変抵抗で分圧する第２の分圧回路と、第１の分圧回路で分圧された電圧を＋入力端子に、第２の分圧回路で分圧された電圧を−入力端子に入力する差動アンプを有することが示されている。
【００１６】
特許文献４には、恒温型の水晶発振器において、水晶振動子のダミー端子と接続する回路基板の基板側ダミー端子と、温度感応抵抗が接続される基板側抵抗端子とは導電路によって接続されることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１１−３１７６２２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７８７０号公報
【特許文献３】特開２００５−１１７０９３号公報
【特許文献４】特許第４８５５０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器では、上述したように、熱源であるパワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲは、周辺温度の変化によって発熱量に差があることが知られており、そのため、従来の恒温槽付水晶発振器では、周囲の温度が変化したときに温度差が生じ、発振器の温度特性が劣化するという問題点があった。
【００１９】
また、センサーであるサーミスタＴＨも、図８に示したように、電源からの電圧が掛かっており、熱源に直接接触させることができないため、熱の伝導効率が悪く、最小限の熱で効率よく温度を一定に保つことができない構造となっていた。
【００２０】
［電流制限回路の付加：図１０］
そこで、図１０に示すように、温度制御回路において、電流制限回路を追加した構成が考えられる。
電流制限回路を備えた温度制御回路について図１０を参照しながら説明する。図１０は、電流制限回路を備えた温度制御回路の回路図である。
図１０の温度制御回路は、図８の回路において、電流制限用トランジスタＴｒ２を設け、トランジスタＴｒ２のコレクタが、差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力されるパワートランジスタＴｒ１のベースに接続し、トランジスタＴｒ２のベースが、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続されると共に、抵抗Ｒ６を介して接地されている。また、トランジスタＴｒ２のエミッタは接地されている。
ここで、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２は、ＮＰＮ型トランジスタとなっている。
【００２１】
差動増幅器ＩＣ１０からの出力電圧が大きくなると、パワートランジスタＴｒ１のベースに流れる電流が大きくなり、コレクタとエミッタとの間を流れる電流が大きくなるが、電流検出抵抗Ｒ６と電流制限用トランジスタＴｒ２によって、トランジスタＴｒ２のコレクタとエミッタの間を流れる最大電流が制御される。それと同時にパワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲの印加電圧を調整することができ、各素子の発熱量（電力）を制御することができる。
【００２２】
図１０の回路では、パワートランジスタＴｒ１の電流を制限するための電流制限用トランジスタＴｒ２のベースとエミッタ間の電圧ＶBEに約０．７Ｖ必要になるため、熱源であるヒーター抵抗ＨＲとパワートランジスタＴｒ１の総熱量（電力）を減少させてしまう欠点があった。
また、パワートランジスタＴｒ１のコレクタに電位が掛かっている状態であるため、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨを電気的に直接接続させることはできず、更なる熱伝達効率の向上が望まれている。
【００２３】
また、特許文献１〜２では、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を更に向上させることについて考慮されていないものである。
また、特許文献３では、温度センサの感度を大きくできるものではあるが、熱源をパワートランジスタとし、そのパワートランジスタとサーミスタとを直接接続する構成とはなっていないものである。
【００２４】
また、図８の回路では、サーミスタＴＨ（温度センサー）で検出した温度を一定に保つよう熱源を発熱させるよう制御が為されるが、水晶発振器として安定化させたいのは水晶振動子であり、熱抵抗の影響で温度センサー検出の温度を一定にしても、検出温度と水晶振動子との間では温度差が発生する。
そのため、温度センサーと水晶振動子とに温度差により、無駄な発熱や温度不安定の要因となっていた。
【００２５】
温度センサーと水晶振動子との温度差を小さくするためには、水晶振動子、温度センサー、熱源を一体化する必要があり、そのためには、大きな熱筒が必要であった。
また、熱抵抗が大きくなると、出力が変動するハンチング現象が発生するため、制御の設計が難しくなっていた。
【００２６】
［改善した恒温槽制御回路：図１１］
以上の問題点を解決するために、図１１の回路が提案されている。図１１は、改善した恒温槽制御回路の回路図である。
図１１に示すように、改善した恒温槽制御回路は、図８の回路と基本的に同様であり、相違するのは、水晶振動子のダミー端子がサーミスタＴＨと抵抗Ｒ２０との間の点に金属カバーを介して接続している点である。
【００２７】
図１１の回路では、水晶振動子のパッケージと温度センサーを接続することで、水晶振動子と温度センサーとの間の熱抵抗を小さくすることができる。
しかしながら、水晶振動子と熱源との間の熱抵抗、温度センサーと熱源との間の熱抵抗に対しては、電気的に接続できないという理由から、熱抵抗が任意の値を持ち、上述した影響を完全に解消されないものである。
尚、特許文献４は、図１１の回路に相当するもので、水晶振動子、温度センサー、熱源を電気的に接続できないことによる影響を解消できないものとなっている。
【００２８】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を向上させ、良好な温度特性を有する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする。
【００３０】
本発明は、上記温度制御回路において、サーミスタの他端とパワートランジスタのコレクタとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする。
【００３１】
本発明は、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）と、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワーＭＯＳＦＥＴのソースとの間の電圧を入力するベースと、パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする。
【００３２】
本発明は、上記温度制御回路において、サーミスタの他端とパワーＭＯＳＦＥＴのドレインとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする。
【００３３】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子とを備えたことを特徴とする。
【００３４】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子とを備え、共通の金属パターンに前記水晶振動子のグランド端子を接続したことを特徴とする。
【００３５】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子と、水晶振動子を覆う金属カバーとを備え、水晶振動子のグランド端子を金属カバーに接続し、共通の金属パターンに金属カバーを接続したことを特徴とする。
【００３６】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、共通の金属パターンが水晶振動子の金属カバーを覆うように形成されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、温度制御回路と水晶振動子が形成された回路基板を金属カバーで封止する場合に、金属カバー内を真空にする真空封止を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタ、差動増幅器の出力を入力するベース、接地するコレクタを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタ、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベース、パワートランジスタのベースに接続するコレクタを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有する温度制御回路としているので、ヒーター抵抗に流れる電流を電流制限用トランジスタで制限して熱源をパワートランジスタにし、熱分散を防止して、パワートランジスタのコレクタとサーミスタの他端がグランドレベルで共通に接続することで、熱源の熱をサーミスタに効率的に伝達でき、制御感度を向上させ、良好な温度特性を実現できる効果がある。
【００３９】
本発明によれば、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）と、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワーＭＯＳＦＥＴのソースとの間の電圧を入力するベースと、パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有する温度制御回路としているので、ヒーター抵抗に流れる電流を電流制限用トランジスタで制限して熱源をパワートランジスタにし、熱分散を防止して、パワーＭＯＳＦＥＴのドレインとサーミスタの他端がグランドレベルで共通に接続することで、熱源の熱をサーミスタに効率的に伝達でき、制御感度を向上させ、良好な温度特性を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路の回路図である。
【図２】本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの断面説明図である。
【図３】本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの平面説明図である。
【図４】実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路の回路図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路の回路図である。
【図６】本実施の形態に係る第２のＯＣＸＯの平面説明図である。
【図７】表面実装型水晶振動子のパッケージの概略図である。
【図８】従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
【図９】発熱量を示すグラフである。
【図１０】電流制限回路を備えた温度制御回路の回路図である。
【図１１】改善した恒温槽制御回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、ＰＮＰ型のパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタのエミッタに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタを設けるようにしたものであり、熱源をパワートランジスタ一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタのコレクタの熱を共通接続するサーミスタに効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できるものである。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴのドレイン側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワーＭＯＳＦＥＴのソースに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタを設けるようにしたものであり、熱源をパワーＭＯＳＦＥＴ一つにして熱分散を防止し、パワーＭＯＳＦＥＴのドレインの熱を共通接続するサーミスタに効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できるものである。
【００４３】
また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、上記温度制御回路を組み込んだ構成である。
また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、金属カバー内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できるものである。
【００４４】
［恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路（第１の回路）は、図１に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲと、電流制限用トランジスタＴｒ２とを有している。
そして、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２が、ＮＰＮ型トランジスタではなく、ＰＮＰ型トランジスタとなっている。
【００４５】
［第１の回路の接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のコレクタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。
【００４６】
また、抵抗Ｒ１の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ１の他端がサーミスタＴＨの一端に接続され、サーミスタＴＨの他端がＧＮＤに接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端がＧＮＤに接地されている。
【００４７】
そして、抵抗Ｒ１の他端とサーミスタＴＨの一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の入力端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の入力端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と入力端子（−端子）とを、抵抗Ｒ５を介して帰還して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
尚、図示していないが、差動増幅器ＩＣ１０には、動作のために電源電圧ＤＣが印加され、またＧＮＤに接続している。
【００４８】
また、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタに電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとの間の点が電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに接続し、電流制限用トランジスタＴｒ２のコレクタがパワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
【００４９】
［第１の回路の各部］
［サーミスタＴＨ］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
本実施の形態では、サーミスタＴＨの他端がパワートランジスタＴｒ１のコレクタとグランドレベルで共通のＧＮＤ層に接続される点に特徴がある。
【００５０】
つまり、サーミスタＴＨの他端とパワートランジスタＴｒ１のコレクタを物理的電気的に接続可能となったことで、熱伝導を考えると、従来では絶縁性の熱伝導シリコンが約２Ｗ／ｍ・ｋであったのに対して、本実施の形態では、ＧＮＤパターンを銅とすると、４０３Ｗ／ｍ・ｋとなり、熱伝導が約２００倍にもなる。
これにより、熱応答性の高い恒温槽付水晶発振器を構成できる。
【００５１】
［差動増幅器ＩＣ１０］
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、抵抗Ｒ１とサーミスタＴＨとの間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅して出力する。
【００５２】
［パワートランジスタＴｒ１］
パワートランジスタＴｒ１は、ＰＮＰ型トランジスタであり、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベースへの印加電圧に応じてエミッタとコレクタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタＴｒ１は、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって、ヒーター抵抗ＨＲに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗ＨＲを熱源にせず、パワートランジスタＴｒ１だけが熱源となる。特に、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ（ＧＮＤ側）が発熱する。
【００５３】
［ヒーター抵抗ＨＲ］
ヒーター抵抗ＨＲは、電源電圧ＤＣが印加され、パワートランジスタＴｒ１の動作によって、流れる電流に応じて発熱する。
但し、ヒーター抵抗ＨＲは、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって流れる電流が制限されるので、電流制限回路を備えない従来の温度制御回路に比べて熱源にはならないものである。
従って、熱源をパワートランジスタＴｒ１だけにすることができ、熱分散を防止できるものである。
【００５４】
［電流制限用トランジスタＴｒ２］
電流制限用トランジスタＴｒ２は、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧ＤＣに接続するエミッタとパワートランジスタＴｒ１のベースに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
【００５５】
つまり、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流に応じて、電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに印加される電圧が可変となり、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も可変となる。
【００５６】
具体的には、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が大きくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２と電流検出抵抗により最大電流が決まり、ヒーター抵抗の発熱量が制限され、パワートランジスタＴｒ１で主に消費される。
また、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が小さくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も小さくなり、動作しなくなる。
【００５７】
［第１のＯＣＸＯの構造：図２］
次に、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの構造について図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの断面説明図である。
本実施の形態に係るＯＣＸＯ（第１のＯＣＸＯ）は、図２に示すように、セラミック等の回路基板１上に水晶振動子２とパワートランジスタ３等が搭載され、回路基板１が金属ベース４に金属ピン５で固定されている。
水晶振動子２等の搭載面は、金属ベース４側に向くよう配置されている。
そして、金属ベース４を覆うように金属カバー６が取り付けられている。
【００５８】
従来のＯＣＸＯでは、金属カバー内部を空気又はガスが充填されており、空気又はガスを通じて熱が伝わることで、温度特性に影響を及ぼし、性能の劣化に繋がっていた。
第１のＯＣＸＯでは、金属カバー４内を真空にする真空封止を行うものである。
真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるか、外気の影響を無視できるものとなる。すなわち、周囲温度の影響を受けない発振器を製造することができ、温度特性のよい発振器を実現できる。
【００５９】
通常のＯＣＸＯは、内部にオーブンがあり、常に約９０℃の温度で一定に保たれている。その温度を維持するために、常にヒーター抵抗又はパワートランジスタが発熱している。
その熱が、空気から金属カバーに伝えられ、放熱しており、無駄な電力を消費している。
更に、近年の小型化により槽内の空気層も小さくなり、発熱部とカバーとの距離が近くなって、空気から安易に熱が逃げやすくなる傾向がある。
【００６０】
従って、第１のＯＣＸＯの構造のように、真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるため、内部から空間を伝わって熱が逃げることがない。そのため、最小限の熱で効率よく温度を一定に保つことができ、消費電力を下げることができる。
【００６１】
また、従来、放熱を最小限に抑えるための構造上の工夫を必要としたが、真空封止を用いることで、第１のＯＣＸＯでは、構成を簡略にでき、回路基板に多くの部品を配置でき、基板のコストを抑えることができ、基板の厚みも容易に変更でき、シート基板での取り数を増やせて生産性を向上させることができる。
【００６２】
［第１のＯＣＸＯの平面：図３］
次に、第１のＯＣＸＯの構造について図３を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの平面説明図である。
第１のＯＣＸＯは、図３に示すように、回路基板１上にＧＮＤに接続する共通パターン８が形成され、その共通パターン８の上に、水晶振動子２が形成され、パワートランジスタ３の一方の端子（コレクタ端子）とセンサー（サーミスタＴＨ）７の一端が共通パターン８に接続している。
【００６３】
共通パターン８は、銅等の金属パターンで形成されており、グランドレベルに接地されている。この共通パターン８によりパワートランジスタ３とセンサー７が物理的電気的に接続されるため、絶縁性の熱伝導シリコンに比べて熱伝導性がよく、熱応答性の高い発振器を実現できる。
また、水晶振動子２のグランド端子（ＧＮＤ端子）を共通パターン８に接続して、水晶振動子２に効率的に熱を伝達するようにした方がよい。
【００６４】
［恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路：図４］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路について図４を参照しながら説明する。図４は、実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路の回路図である。
恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路（第２の回路）は、図４に示すように、図１の回路と同様の構成となっているが、相違するのは、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１の代わりに、パワートランジスタＴｒ１′としてＰ型のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＯＳ電界効果型トランジスタ）を用いている点である。
【００６５】
［パワートランジスタＴｒ１′］
パワートランジスタＴｒ１′は、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、ゲートに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ゲートへの印加電圧に応じてドレインとソースとの間に電流を制御することで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタＴｒ１′は、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって、ヒーター抵抗ＨＲに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗ＨＲを熱源にせず、パワートランジスタＴｒ１′だけが熱源となる。特に、パワートランジスタＴｒ１′のドレイン（ＧＮＤ側）が発熱する。
【００６６】
［電流制限用トランジスタＴｒ２］
電流制限用トランジスタＴｒ２は、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１′のソースとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧ＤＣに接続するエミッタとパワートランジスタＴｒ１′のゲートに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
【００６７】
つまり、パワートランジスタＴｒ１′のソースに流れる電流に応じて、電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに印加される電圧が可変となり、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も可変となる。
【００６８】
また、本発明の実施の形態に係る第１の恒温槽付水晶発振器（第１のＯＣＸＯ）は、上記温度制御回路（第２の回路）を組み込んだ構成であり、金属カバー６内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できるものである。
【００６９】
［恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路：図５］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路について図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路（第３の回路）は、図５に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲと、電流制限用トランジスタＴｒ２とを有している。
そして、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２が、ＮＰＮ型トランジスタではなく、ＰＮＰ型トランジスタとなっている。
尚、パワートランジスタＴｒ１を図４に示したように、Ｐ型パワーＭＯＳＦＥＴとしてもよい。
【００７０】
図５では、第３の温度制御回路の他に、水晶振動子Ｘ３と発振回路１１を記載しており、水晶振動子Ｘ３の入力側には制御電圧（ＶＣＯＮＴ）を入力する端子が設けられ、その端子に抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２が直列接続され、水晶振動子Ｘ３の入力に接続されている。
また、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２との間にコンデンサＣ１の一端が接続され、他端が接地されている。
そして、水晶振動子Ｘ３の出力が発振回路１１に入力され、発振回路１１の出力が出力端子（ＯＵＴ ＰＵＴ）に接続されている。
【００７１】
更に、第３の回路の特徴として、水晶振動子Ｘ３の接地端子（ＧＮＤ端子）が金属カバーを介してサーミスタＴＨのＧＮＤ側及びパワートランジスタＴｒ１のコレクタ（ＧＮＤ接地）に接続している。
つまり、水晶振動子Ｘ３と、温度センサーであるサーミスタＴＨと、熱源であるパワートランジスタＴｒ１とがグランドレベル（ＧＮＤレベル）で電気的に接続している。
特に、ＧＮＤレベルの接続を、電気的に熱伝導の高い銅パターンで直接接続する。これにより、水晶振動子Ｘ３、温度センサー、熱源の間における熱抵抗を限りなくゼロにすることができる。
尚、銅の熱伝導率は、４０３Ｗ／ｍ・ｋであり、それと比べて、アルミが２３６４０３Ｗ／ｍ・ｋであり、高熱伝導タイプのシリコンが２．４Ｗ／ｍ・ｋである。
【００７２】
温度センサーとしてサーミスタＴＨを用いているが、白金抵抗、熱電対、リニア抵抗等の抵抗センサーであってもよい。
また、温度制御は、Ｐ（Proportional：比例）制御、ＰＩ（Proportional, Integral：比例・積分）制御、ＰＩＤ（Proportional, Integral, Derivative：比例・積分・微分）制御等を用いる。
温度制御回路は、ディスクリート部品及びＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のＩＣ内に構成可能とする。
【００７３】
［第２のＯＣＸＯの平面：図６］
次に、第２のＯＣＸＯの構造について図６を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態に係る第２のＯＣＸＯの平面説明図である。
第２のＯＣＸＯは、図６に示すように、回路基板１上に、水晶振動子２が形成され、その近傍にサーミスタ１３、更にパワートランジスタ３が配置され、水晶振動子２から遠い所にヒータ抵抗１２が配置されている。
【００７４】
そして、パワートランジスタ３のＧＮＤ端子（図６ではパワートランジスタ３の左側の端子）とサーミスタ１３のＧＮＤ端子（図６ではサーミスタ１３の上側の端子）と水晶振動子２の金属カバーに接触するように共通パターン８′を形成する。
共通パターン８′は、銅等の金属パターンで形成されており、グランドレベルに接地されている。この共通パターン８′により水晶振動子２とパワートランジスタ３とサーミスタ１３が物理的電気的に接続されるため、絶縁性の熱伝導シリコンに比べて熱伝導性がよく、熱応答性の高い発振器を実現できる。
【００７５】
また、共通パターン８′を金属カバーの上に当該金属カバーを覆うように形成するようにしているが、回路基板１上にまず共通パターン８′を形成し、パワートランジスタ３のＧＮＤ端子、サーミスタ１３のＧＮＤ端子、水晶振動子２のＧＮＤ端子をその共通パターン８′に接続して、効率的に熱を伝達するようにしてもよい。
【００７６】
［表面実装型水晶振動子のパッケージ：図７］
第３の回路で使用される水晶振動子のパッケージについて図７を参照しながら説明する。図７は、表面実装型水晶振動子のパッケージの概略図である。
水晶振動子は、図７に示すように、ＳＭＤ（Surface Mount Device：表面実装部品）のパッケージ品を使用し、端子には、水晶片に接続する端子イと端子ウと、金属カバー及び内部パッケージに接続する端子アと端子エで構成されている。
【００７７】
端子アと端子エは、金属カバーケースを通じて接続しており、ＧＮＤへ接地する。
ＳＭＤパッケージ品で上記４端子があればよいが、それ以外の端子を備えていてもよい。また、端子アと端子エは、金属カバーケースを通じて接続しない構成でもよい。
金属カバーの材料としては、例えば、コバールを用いる。
【００７８】
［実施の形態の効果］
第１の回路によれば、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００７９】
第２の回路によれば、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴのパワートランジスタＴｒ１′のドレイン側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１′のソースに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１′の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１′のドレインの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００８０】
尚、第１の回路又は第２の回路を第１の恒温槽付水晶発振器に組み込んだ構成とすることで、高安定な発振器を実現できる効果がある。
【００８１】
また、第１のＯＣＸＯによれば、金属カバー６内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できる効果がある。
【００８２】
第３の回路によれば、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側と水晶振動子のＧＮＤ端子を銅等の金属の共通パターン８′を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨと水晶振動子２に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００８３】
従って、第３の回路では、温度センサーのサーミスタとパワートランジスタの熱源と温度制御対象の水晶振動子の熱抵抗を限りなくゼロにすることができ、それにより、均一な温度制御による優れた周波数温度特性を得ることができ、制御応答性が良くなるため立ち上がりの早い周波数特性となり、更に無駄な発熱がなくなるため省電力化でき、樹脂等を使わず直接接続できるため組み立てを簡素化でき、また熱抵抗極小による温度制御設計の簡素化を図ることができる効果がある。
【００８４】
また、第３の回路では、パワートランジスタＴｒ１の熱源の熱を共通パターン８′により水晶振動子２の金属カバーに伝達し、更に水晶振動子２のＧＮＤ端子に伝達できるので、容易な構成とすることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を向上させ、良好な温度特性を有する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に好適である。
【符号の説明】
【００８６】
１...回路基板、 ２...水晶振動子、 ３...パワートランジスタ、 ４...金属ベース、 ５...金属ピン、６...金属カバー、 ７...センサー、 ８...共通パターン、 １０...差動増幅器ＩＣ、 １１...発振回路、 １２...ヒータ抵抗、 １３...サーミスタ、 ＨＲ...ヒーター抵抗、 Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１，Ｒ３０〜Ｒ３６...抵抗、 ＴＨ...サーミスタ、 Ｔｒ１...パワートランジスタ、 Ｔｒ２...電流制限用トランジスタ、 ＤＣ...電源電圧、 Ｃ１，Ｃ２...コンデンサ、 Ｘ３...水晶振動子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高安定の発振周波数を得ることができる恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）に係り、特に、良好な温度特性を実現できる恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
［従来の技術］
恒温槽付水晶発振器は、水晶振動子の動作温度を一定に維持することから、周波数温度特性に依存した周波数変化を引き起こすことなく、高安定の発振周波数が得られるものである。
水晶振動子は、恒温槽に収納され、恒温槽は、温度制御回路によってその槽内の温度を一定に保持するよう制御される。
【０００３】
［従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路：図８］
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路について図８を参照しながら説明する。図８は、従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、図８に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲとを有している。
【０００４】
［接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のコレクタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のエミッタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。
【０００５】
また、サーミスタＴＨの一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、サーミスタＴＨの他端が抵抗Ｒ１の一端に接続され、抵抗Ｒ１の他端が接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端にも、電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端が接地されている。
また、差動増幅器ＩＣ１０には、図示はしていないが、駆動用として電源電圧ＤＣが印加され、ＧＮＤにも接続している。
【０００６】
そして、サーミスタＴＨの他端と抵抗Ｒ１の一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と−端子とを、抵抗Ｒ５を介して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
【０００７】
［各部］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、サーミスタＴＨと抵抗Ｒ１との間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅し、出力する。
【０００８】
パワートランジスタＴｒ１は、ＮＰＮ型のトランジスタで、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベース電流に応じてコレクタとエミッタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
ヒーター抵抗ＨＲは、流れる電流に応じて発熱する。
ここで、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲが熱源となっている。
【０００９】
ＯＣＸＯにおいて、熱源、サーミスタＴＨのセンサー、水晶振動子を一体化させることができれば温度特性の性能は高くなるが、実際には、上記３つの部分は電気的に繋がっていないために物理的に接続できていないものである。
そのため、３つの部分を極力近くに配置して、樹脂等の絶縁物を介して設置していた。
但し、その絶縁物は、熱伝導率が一般に低く、シリコン樹脂を例に挙げると、性能の良いものでも約２Ｗ／ｍ・ｋ程度である。
【００１０】
また、熱源において、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ端子部分が発熱するが、常に電位が生じている。ヒーター抵抗ＨＲは、母材がセラミックで、その上面に発熱する抵抗膜が形成されており、その部分が発熱する。
しかしながら、パワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲの熱源は、周囲温度の変化によって発熱量に差があることが知られている。
【００１１】
［電流に対する発熱量：図９］
温度制御回路において流れる電流に対する発熱量について図９を参照しながら説明する。図９は、発熱量を示すグラフである。図９において、横軸が電流で縦軸が発熱量である。
図９に示すように、パワートランジスタＴｒ１の発熱量とヒーター抵抗ＨＲの発熱量とは異なっており、両者を合計した発熱量が熱源の発熱量となる。
従って、周囲の温度が変化すると、パワートランジスタＴｒ１の発熱量とヒーター抵抗ＨＲの発熱量で差が生じることになる。
【００１２】
［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特開平１１−３１７６２２号公報「水晶発振器用温度制御回路」（東洋通信機株式会社）［特許文献１］、特開２００４−２０７８７０号公報「圧電振動子収納用パッケージおよびこれを用いた恒温型発振器」（京セラ株式会社）［特許文献２］、特開２００５−１１７０９３号公報「温度制御回路とこれを用いた高安定水晶発振器」（東洋通信機株式会社）［特許文献３］、特許第４８５５０８７号公報「恒温型の水晶発振器」（日本電波工業株式会社）［特許文献４］がある。
【００１３】
特許文献１には、水晶発振器における恒温槽の温度を制御する温度制御回路において、サーミスタの抵抗値を大きい値に選択することで、検出温度に対して発熱体の制御電流を大きく制御できることが示されている。
【００１４】
特許文献２には、恒温型発振器において、圧電素子を搭載した第１のパッケージが、第２のパッケージにより気密封止して、第２のパッケージの収容部を真空状態としたことが示されている。
【００１５】
特許文献３には、高安定水晶発振器の温度制御回路において、定電圧を第１サーミスタと抵抗で分圧する第１の分圧回路と、定電圧を第２サーミスタと可変抵抗で分圧する第２の分圧回路と、第１の分圧回路で分圧された電圧を＋入力端子に、第２の分圧回路で分圧された電圧を−入力端子に入力する差動アンプを有することが示されている。
【００１６】
特許文献４には、恒温型の水晶発振器において、水晶振動子のダミー端子と接続する回路基板の基板側ダミー端子と、温度感応抵抗が接続される基板側抵抗端子とは導電路によって接続されることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１１−３１７６２２号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７８７０号公報
【特許文献３】特開２００５−１１７０９３号公報
【特許文献４】特許第４８５５０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、従来の恒温槽付水晶発振器では、上述したように、熱源であるパワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲは、周辺温度の変化によって発熱量に差があることが知られており、そのため、従来の恒温槽付水晶発振器では、周囲の温度が変化したときに温度差が生じ、発振器の温度特性が劣化するという問題点があった。
【００１９】
また、センサーであるサーミスタＴＨも、図８に示したように、電源からの電圧が掛かっており、熱源に直接接触させることができないため、熱の伝導効率が悪く、最小限の熱で効率よく温度を一定に保つことができない構造となっていた。
【００２０】
［電流制限回路の付加：図１０］
そこで、図１０に示すように、温度制御回路において、電流制限回路を追加した構成が考えられる。
電流制限回路を備えた温度制御回路について図１０を参照しながら説明する。図１０は、電流制限回路を備えた温度制御回路の回路図である。
図１０の温度制御回路は、図８の回路において、電流制限用トランジスタＴｒ２を設け、トランジスタＴｒ２のコレクタが、差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力されるパワートランジスタＴｒ１のベースに接続し、トランジスタＴｒ２のベースが、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続されると共に、抵抗Ｒ６を介して接地されている。また、トランジスタＴｒ２のエミッタは接地されている。
ここで、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２は、ＮＰＮ型トランジスタとなっている。
【００２１】
差動増幅器ＩＣ１０からの出力電圧が大きくなると、パワートランジスタＴｒ１のベースに流れる電流が大きくなり、コレクタとエミッタとの間を流れる電流が大きくなるが、電流検出抵抗Ｒ６と電流制限用トランジスタＴｒ２によって、トランジスタＴｒ２のコレクタとエミッタの間を流れる最大電流が制御される。それと同時にパワートランジスタＴｒ１とヒーター抵抗ＨＲの印加電圧を調整することができ、各素子の発熱量（電力）を制御することができる。
【００２２】
図１０の回路では、パワートランジスタＴｒ１の電流を制限するための電流制限用トランジスタＴｒ２のベースとエミッタ間の電圧ＶBEに約０．７Ｖ必要になるため、熱源であるヒーター抵抗ＨＲとパワートランジスタＴｒ１の総熱量（電力）を減少させてしまう欠点があった。
また、パワートランジスタＴｒ１のコレクタに電位が掛かっている状態であるため、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨを電気的に直接接続させることはできず、更なる熱伝達効率の向上が望まれている。
【００２３】
また、特許文献１〜２では、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を更に向上させることについて考慮されていないものである。
また、特許文献３では、温度センサの感度を大きくできるものではあるが、熱源をパワートランジスタとし、そのパワートランジスタとサーミスタとを直接接続する構成とはなっていないものである。
【００２４】
また、図８の回路では、サーミスタＴＨ（温度センサー）で検出した温度を一定に保つよう熱源を発熱させるよう制御が為されるが、水晶発振器として安定化させたいのは水晶振動子であり、熱抵抗の影響で温度センサー検出の温度を一定にしても、検出温度と水晶振動子との間では温度差が発生する。
そのため、温度センサーと水晶振動子とに温度差により、無駄な発熱や温度不安定の要因となっていた。
【００２５】
温度センサーと水晶振動子との温度差を小さくするためには、水晶振動子、温度センサー、熱源を一体化する必要があり、そのためには、大きな熱筒が必要であった。
また、熱抵抗が大きくなると、出力が変動するハンチング現象が発生するため、制御の設計が難しくなっていた。
【００２６】
［改善した恒温槽制御回路：図１１］
以上の問題点を解決するために、図１１の回路が提案されている。図１１は、改善した恒温槽制御回路の回路図である。
図１１に示すように、改善した恒温槽制御回路は、図８の回路と基本的に同様であり、相違するのは、水晶振動子のダミー端子がサーミスタＴＨと抵抗Ｒ２０との間の点に金属カバーを介して接続している点である。
【００２７】
図１１の回路では、水晶振動子のパッケージと温度センサーを接続することで、水晶振動子と温度センサーとの間の熱抵抗を小さくすることができる。
しかしながら、水晶振動子と熱源との間の熱抵抗、温度センサーと熱源との間の熱抵抗に対しては、電気的に接続できないという理由から、熱抵抗が任意の値を持ち、上述した影響を完全に解消されないものである。
尚、特許文献４は、図１１の回路に相当するもので、水晶振動子、温度センサー、熱源を電気的に接続できないことによる影響を解消できないものとなっている。
【００２８】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を向上させ、良好な温度特性を有する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする。
【００３０】
本発明は、上記温度制御回路において、サーミスタの他端とパワートランジスタのコレクタとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする。
【００３１】
本発明は、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）と、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワーＭＯＳＦＥＴのソースとの間の電圧を入力するベースと、パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする。
【００３２】
本発明は、上記温度制御回路において、サーミスタの他端とパワーＭＯＳＦＥＴのドレインとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする。
【００３３】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子とを備えたことを特徴とする。
【００３４】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子とを備え、共通の金属パターンに前記水晶振動子のグランド端子を接続したことを特徴とする。
【００３５】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、上記温度制御回路と、水晶振動子と、水晶振動子を覆う金属カバーとを備え、水晶振動子のグランド端子を金属カバーに接続し、共通の金属パターンに金属カバーを接続したことを特徴とする。
【００３６】
本発明は、恒温槽付水晶発振器において、共通の金属パターンが水晶振動子の金属カバーを覆うように形成されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明は、上記恒温槽付水晶発振器において、温度制御回路と水晶振動子が形成された回路基板を金属カバーで封止する場合に、金属カバー内を真空にする真空封止を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタ、差動増幅器の出力を入力するベース、接地するコレクタを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、電源電圧が供給されるエミッタ、ヒーター抵抗の他端とパワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベース、パワートランジスタのベースに接続するコレクタを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有する温度制御回路としているので、ヒーター抵抗に流れる電流を電流制限用トランジスタで制限して熱源をパワートランジスタにし、熱分散を防止して、パワートランジスタのコレクタとサーミスタの他端がグランドレベルで共通に接続することで、熱源の熱をサーミスタに効率的に伝達でき、制御感度を向上させ、良好な温度特性を実現できる効果がある。
【００３９】
本発明によれば、恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、第１の抵抗の他端とサーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、第２の抵抗の他端と第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して一方の入力端子に帰還して、他方の入力端子に入力される電圧と一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）と、電源電圧が供給されるエミッタと、ヒーター抵抗の他端とパワーＭＯＳＦＥＴのソースとの間の電圧を入力するベースと、パワーＭＯＳＦＥＴのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有する温度制御回路としているので、ヒーター抵抗に流れる電流を電流制限用トランジスタで制限して熱源をパワートランジスタにし、熱分散を防止して、パワーＭＯＳＦＥＴのドレインとサーミスタの他端がグランドレベルで共通に接続することで、熱源の熱をサーミスタに効率的に伝達でき、制御感度を向上させ、良好な温度特性を実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路の回路図である。
【図２】本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの断面説明図である。
【図３】本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの平面説明図である。
【図４】実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路の回路図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路の回路図である。
【図６】本実施の形態に係る第２のＯＣＸＯの平面説明図である。
【図７】表面実装型水晶振動子のパッケージの概略図である。
【図８】従来の恒温槽付水晶発振器の温度制御回路の回路図である。
【図９】発熱量を示すグラフである。
【図１０】電流制限回路を備えた温度制御回路の回路図である。
【図１１】改善した恒温槽制御回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、ＰＮＰ型のパワートランジスタのコレクタ側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタのエミッタに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタを設けるようにしたものであり、熱源をパワートランジスタ一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタのコレクタの熱を共通接続するサーミスタに効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できるものである。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の温度制御回路は、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴのドレイン側とサーミスタの一端を金属の共通パターンを用いてグランドレベルに接続し、パワーＭＯＳＦＥＴのソースに接続するヒーター抵抗を流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタを設けるようにしたものであり、熱源をパワーＭＯＳＦＥＴ一つにして熱分散を防止し、パワーＭＯＳＦＥＴのドレインの熱を共通接続するサーミスタに効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できるものである。
【００４３】
また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、上記温度制御回路を組み込んだ構成である。
また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器は、金属カバー内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できるものである。
【００４４】
［恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第１の温度制御回路（第１の回路）は、図１に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲと、電流制限用トランジスタＴｒ２とを有している。
そして、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２が、ＮＰＮ型トランジスタではなく、ＰＮＰ型トランジスタとなっている。
【００４５】
［第１の回路の接続関係］
ヒーター抵抗ＨＲの一端には、電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端はパワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続され、パワートランジスタＴｒ１のコレクタはグランド（ＧＮＤ）に接地されている。
【００４６】
また、抵抗Ｒ１の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ１の他端がサーミスタＴＨの一端に接続され、サーミスタＴＨの他端がＧＮＤに接地されている。
また、抵抗Ｒ２の一端には電源電圧ＤＣが印加され、抵抗Ｒ２の他端が抵抗Ｒ３の一端に接続され、抵抗Ｒ３の他端がＧＮＤに接地されている。
【００４７】
そして、抵抗Ｒ１の他端とサーミスタＴＨの一端との間の点が、抵抗Ｒ４を介して差動増幅器ＩＣ１０の一方の入力端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ２の他端と抵抗Ｒ３の一端との間の点が、差動増幅器ＩＣ１０の他方の入力端子（＋端子）に接続されている。
更に、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子と入力端子（−端子）とを、抵抗Ｒ５を介して帰還して接続している。
そして、差動増幅器ＩＣ１０の出力端子は、パワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
尚、図示していないが、差動増幅器ＩＣ１０には、動作のために電源電圧ＤＣが印加され、またＧＮＤに接続している。
【００４８】
また、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタに電源電圧ＤＣが印加され、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとの間の点が電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに接続し、電流制限用トランジスタＴｒ２のコレクタがパワートランジスタＴｒ１のベースに接続されている。
【００４９】
［第１の回路の各部］
［サーミスタＴＨ］
サーミスタＴＨは、温度によって抵抗値が変化する感温素子であり、水晶振動子の動作温度を検出する。
本実施の形態では、サーミスタＴＨの他端がパワートランジスタＴｒ１のコレクタとグランドレベルで共通のＧＮＤ層に接続される点に特徴がある。
【００５０】
つまり、サーミスタＴＨの他端とパワートランジスタＴｒ１のコレクタを物理的電気的に接続可能となったことで、熱伝導を考えると、従来では絶縁性の熱伝導シリコンが約２Ｗ／ｍ・ｋであったのに対して、本実施の形態では、ＧＮＤパターンを銅とすると、４０３Ｗ／ｍ・ｋとなり、熱伝導が約２００倍にもなる。
これにより、熱応答性の高い恒温槽付水晶発振器を構成できる。
【００５１】
［差動増幅器ＩＣ１０］
差動増幅器ＩＣ１０は、一方の入力端子（−端子）に、抵抗Ｒ１とサーミスタＴＨとの間の電圧が抵抗Ｒ４を介して入力されると共に差動増幅器ＩＣ１０の出力が抵抗Ｒ５を介して帰還して入力され、他方の入力端子（＋端子）に、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３との間の電圧が入力されて、２入力端子の電圧の差分を増幅して出力する。
【００５２】
［パワートランジスタＴｒ１］
パワートランジスタＴｒ１は、ＰＮＰ型トランジスタであり、ベースに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ベースへの印加電圧に応じてエミッタとコレクタとの間に電流を流すことで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタＴｒ１は、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって、ヒーター抵抗ＨＲに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗ＨＲを熱源にせず、パワートランジスタＴｒ１だけが熱源となる。特に、パワートランジスタＴｒ１のコレクタ（ＧＮＤ側）が発熱する。
【００５３】
［ヒーター抵抗ＨＲ］
ヒーター抵抗ＨＲは、電源電圧ＤＣが印加され、パワートランジスタＴｒ１の動作によって、流れる電流に応じて発熱する。
但し、ヒーター抵抗ＨＲは、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって流れる電流が制限されるので、電流制限回路を備えない従来の温度制御回路に比べて熱源にはならないものである。
従って、熱源をパワートランジスタＴｒ１だけにすることができ、熱分散を防止できるものである。
【００５４】
［電流制限用トランジスタＴｒ２］
電流制限用トランジスタＴｒ２は、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１のエミッタとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧ＤＣに接続するエミッタとパワートランジスタＴｒ１のベースに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
【００５５】
つまり、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流に応じて、電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに印加される電圧が可変となり、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も可変となる。
【００５６】
具体的には、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が大きくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２と電流検出抵抗により最大電流が決まり、ヒーター抵抗の発熱量が制限され、パワートランジスタＴｒ１で主に消費される。
また、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに流れる電流が小さくなると、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も小さくなり、動作しなくなる。
【００５７】
［第１のＯＣＸＯの構造：図２］
次に、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの構造について図２を参照しながら説明する。図２は、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの断面説明図である。
本実施の形態に係るＯＣＸＯ（第１のＯＣＸＯ）は、図２に示すように、セラミック等の回路基板１上に水晶振動子２とパワートランジスタ３等が搭載され、回路基板１が金属ベース４に金属ピン５で固定されている。
水晶振動子２等の搭載面は、金属ベース４側に向くよう配置されている。
そして、金属ベース４を覆うように金属カバー６が取り付けられている。
【００５８】
従来のＯＣＸＯでは、金属カバー内部を空気又はガスが充填されており、空気又はガスを通じて熱が伝わることで、温度特性に影響を及ぼし、性能の劣化に繋がっていた。
第１のＯＣＸＯでは、金属カバー４内を真空にする真空封止を行うものである。
真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるか、外気の影響を無視できるものとなる。すなわち、周囲温度の影響を受けない発振器を製造することができ、温度特性のよい発振器を実現できる。
【００５９】
通常のＯＣＸＯは、内部にオーブンがあり、常に約９０℃の温度で一定に保たれている。その温度を維持するために、常にヒーター抵抗又はパワートランジスタが発熱している。
その熱が、空気から金属カバーに伝えられ、放熱しており、無駄な電力を消費している。
更に、近年の小型化により槽内の空気層も小さくなり、発熱部とカバーとの距離が近くなって、空気から安易に熱が逃げやすくなる傾向がある。
【００６０】
従って、第１のＯＣＸＯの構造のように、真空封止を用いれば、熱伝導は理論上ゼロになるため、内部から空間を伝わって熱が逃げることがない。そのため、最小限の熱で効率よく温度を一定に保つことができ、消費電力を下げることができる。
【００６１】
また、従来、放熱を最小限に抑えるための構造上の工夫を必要としたが、真空封止を用いることで、第１のＯＣＸＯでは、構成を簡略にでき、回路基板に多くの部品を配置でき、基板のコストを抑えることができ、基板の厚みも容易に変更でき、シート基板での取り数を増やせて生産性を向上させることができる。
【００６２】
［第１のＯＣＸＯの平面：図３］
次に、第１のＯＣＸＯの構造について図３を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態に係る第１のＯＣＸＯの平面説明図である。
第１のＯＣＸＯは、図３に示すように、回路基板１上にＧＮＤに接続する共通パターン８が形成され、その共通パターン８の上に、水晶振動子２が形成され、パワートランジスタ３の一方の端子（コレクタ端子）とセンサー（サーミスタＴＨ）７の一端が共通パターン８に接続している。
【００６３】
共通パターン８は、銅等の金属パターンで形成されており、グランドレベルに接地されている。この共通パターン８によりパワートランジスタ３とセンサー７が物理的電気的に接続されるため、絶縁性の熱伝導シリコンに比べて熱伝導性がよく、熱応答性の高い発振器を実現できる。
また、水晶振動子２のグランド端子（ＧＮＤ端子）を共通パターン８に接続して、水晶振動子２に効率的に熱を伝達するようにした方がよい。
【００６４】
［恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路：図４］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路について図４を参照しながら説明する。図４は、実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路の回路図である。
恒温槽付水晶発振器の第２の温度制御回路（第２の回路）は、図４に示すように、図１の回路と同様の構成となっているが、相違するのは、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１の代わりに、パワートランジスタＴｒ１′としてＰ型のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：ＭＯＳ電界効果型トランジスタ）を用いている点である。
【００６５】
［パワートランジスタＴｒ１′］
パワートランジスタＴｒ１′は、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、ゲートに差動増幅器ＩＣ１０の出力が入力され、ゲートへの印加電圧に応じてドレインとソースとの間に電流を制御することで、ヒーター抵抗ＨＲにも電流を流すようになっている。
パワートランジスタＴｒ１′は、電流制限用トランジスタＴｒ２の動作によって、ヒーター抵抗ＨＲに流れる電流を制限することで、ヒーター抵抗ＨＲを熱源にせず、パワートランジスタＴｒ１′だけが熱源となる。特に、パワートランジスタＴｒ１′のドレイン（ＧＮＤ側）が発熱する。
【００６６】
［電流制限用トランジスタＴｒ２］
電流制限用トランジスタＴｒ２は、ヒーター抵抗ＨＲの他端とパワートランジスタＴｒ１′のソースとを接続するライン上の点の電圧がベースに印加され、印加される電圧に応じて、電源電圧ＤＣに接続するエミッタとパワートランジスタＴｒ１′のゲートに接続するコレクタを流れる電流が制御される。
【００６７】
つまり、パワートランジスタＴｒ１′のソースに流れる電流に応じて、電流制限用トランジスタＴｒ２のベースに印加される電圧が可変となり、電流制限用トランジスタＴｒ２のエミッタとコレクタを流れる電流も可変となる。
【００６８】
また、本発明の実施の形態に係る第１の恒温槽付水晶発振器（第１のＯＣＸＯ）は、上記温度制御回路（第２の回路）を組み込んだ構成であり、金属カバー６内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できるものである。
【００６９】
［恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路：図５］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路について図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路の回路図である。
本発明の実施の形態に係る恒温槽付水晶発振器の第３の温度制御回路（第３の回路）は、図５に示すように、基本的に、サーミスタＴＨと、差動増幅器（ＯＰＡＭＰ）ＩＣ１０と、パワートランジスタＴｒ１と、ヒーター抵抗ＨＲと、電流制限用トランジスタＴｒ２とを有している。
そして、パワートランジスタＴｒ１と電流制限用トランジスタＴｒ２が、ＮＰＮ型トランジスタではなく、ＰＮＰ型トランジスタとなっている。
尚、パワートランジスタＴｒ１を図４に示したように、Ｐ型パワーＭＯＳＦＥＴとしてもよい。
【００７０】
図５では、第３の温度制御回路の他に、水晶振動子Ｘ３と発振回路１１を記載しており、水晶振動子Ｘ３の入力側には制御電圧（ＶＣＯＮＴ）を入力する端子が設けられ、その端子に抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２が直列接続され、水晶振動子Ｘ３の入力に接続されている。
また、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２との間にコンデンサＣ１の一端が接続され、他端が接地されている。
そして、水晶振動子Ｘ３の出力が発振回路１１に入力され、発振回路１１の出力が出力端子（ＯＵＴ ＰＵＴ）に接続されている。
【００７１】
更に、第３の回路の特徴として、水晶振動子Ｘ３の接地端子（ＧＮＤ端子）が金属カバーを介してサーミスタＴＨのＧＮＤ側及びパワートランジスタＴｒ１のコレクタ（ＧＮＤ接地）に接続している。
つまり、水晶振動子Ｘ３と、温度センサーであるサーミスタＴＨと、熱源であるパワートランジスタＴｒ１とがグランドレベル（ＧＮＤレベル）で電気的に接続している。
特に、ＧＮＤレベルの接続を、電気的に熱伝導の高い銅パターンで直接接続する。これにより、水晶振動子Ｘ３、温度センサー、熱源の間における熱抵抗を限りなくゼロにすることができる。
尚、銅の熱伝導率は、４０３Ｗ／ｍ・ｋであり、それと比べて、アルミが２３６４０３Ｗ／ｍ・ｋであり、高熱伝導タイプのシリコンが２．４Ｗ／ｍ・ｋである。
【００７２】
温度センサーとしてサーミスタＴＨを用いているが、白金抵抗、熱電対、リニア抵抗等の抵抗センサーであってもよい。
また、温度制御は、Ｐ（Proportional：比例）制御、ＰＩ（Proportional, Integral：比例・積分）制御、ＰＩＤ（Proportional, Integral, Derivative：比例・積分・微分）制御等を用いる。
温度制御回路は、ディスクリート部品及びＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のＩＣ内に構成可能とする。
【００７３】
［第２のＯＣＸＯの平面：図６］
次に、第２のＯＣＸＯの構造について図６を参照しながら説明する。図６は、本実施の形態に係る第２のＯＣＸＯの平面説明図である。
第２のＯＣＸＯは、図６に示すように、回路基板１上に、水晶振動子２が形成され、その近傍にサーミスタ１３、更にパワートランジスタ３が配置され、水晶振動子２から遠い所にヒータ抵抗１２が配置されている。
【００７４】
そして、パワートランジスタ３のＧＮＤ端子（図６ではパワートランジスタ３の左側の端子）とサーミスタ１３のＧＮＤ端子（図６ではサーミスタ１３の上側の端子）と水晶振動子２の金属カバーに接触するように共通パターン８′を形成する。
共通パターン８′は、銅等の金属パターンで形成されており、グランドレベルに接地されている。この共通パターン８′により水晶振動子２とパワートランジスタ３とサーミスタ１３が物理的電気的に接続されるため、絶縁性の熱伝導シリコンに比べて熱伝導性がよく、熱応答性の高い発振器を実現できる。
【００７５】
また、共通パターン８′を金属カバーの上に当該金属カバーを覆うように形成するようにしているが、回路基板１上にまず共通パターン８′を形成し、パワートランジスタ３のＧＮＤ端子、サーミスタ１３のＧＮＤ端子、水晶振動子２のＧＮＤ端子をその共通パターン８′に接続して、効率的に熱を伝達するようにしてもよい。
【００７６】
［表面実装型水晶振動子のパッケージ：図７］
第３の回路で使用される水晶振動子のパッケージについて図７を参照しながら説明する。図７は、表面実装型水晶振動子のパッケージの概略図である。
水晶振動子は、図７に示すように、ＳＭＤ（Surface Mount Device：表面実装部品）のパッケージ品を使用し、端子には、水晶片に接続する端子イと端子ウと、金属カバー及び内部パッケージに接続する端子アと端子エで構成されている。
【００７７】
端子アと端子エは、金属カバーケースを通じて接続しており、ＧＮＤへ接地する。
ＳＭＤパッケージ品で上記４端子があればよいが、それ以外の端子を備えていてもよい。また、端子アと端子エは、金属カバーケースを通じて接続しない構成でもよい。
金属カバーの材料としては、例えば、コバールを用いる。
【００７８】
［実施の形態の効果］
第１の回路によれば、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００７９】
第２の回路によれば、Ｐ型のパワーＭＯＳＦＥＴのパワートランジスタＴｒ１′のドレイン側とサーミスタＴＨ側を金属の共通パターン８を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１′のソースに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１′の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１′のドレインの熱を共通接続するサーミスタＴＨ（センサー７）に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００８０】
尚、第１の回路又は第２の回路を第１の恒温槽付水晶発振器に組み込んだ構成とすることで、高安定な発振器を実現できる効果がある。
【００８１】
また、第１のＯＣＸＯによれば、金属カバー６内を真空封止することで、外部への放熱を防止して、最小限の熱で内部を一定の温度に保持できる効果がある。
【００８２】
第３の回路によれば、ＰＮＰ型のパワートランジスタＴｒ１のコレクタ側とサーミスタＴＨ側と水晶振動子のＧＮＤ端子を銅等の金属の共通パターン８′を用いてグランドレベルに接続し、パワートランジスタＴｒ１のエミッタに接続するヒーター抵抗ＨＲを流れる電流を制限するＰＮＰ型の電流制限用トランジスタＴｒ２を設けて、熱源をパワートランジスタＴｒ１の一つにして熱分散を防止し、パワートランジスタＴｒ１のコレクタの熱を共通接続するサーミスタＴＨと水晶振動子２に効率的に伝導できるため、熱応答性を向上させ、温度特性の優れた発振器を実現できる効果がある。
【００８３】
従って、第３の回路では、温度センサーのサーミスタとパワートランジスタの熱源と温度制御対象の水晶振動子の熱抵抗を限りなくゼロにすることができ、それにより、均一な温度制御による優れた周波数温度特性を得ることができ、制御応答性が良くなるため立ち上がりの早い周波数特性となり、更に無駄な発熱がなくなるため省電力化でき、樹脂等を使わず直接接続できるため組み立てを簡素化でき、また熱抵抗極小による温度制御設計の簡素化を図ることができる効果がある。
【００８４】
また、第３の回路では、パワートランジスタＴｒ１の熱源の熱を共通パターン８′により水晶振動子２の金属カバーに伝達し、更に水晶振動子２のＧＮＤ端子に伝達できるので、容易な構成とすることができる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、熱分散を防止して、回路における熱伝導の効率を向上させ、良好な温度特性を有する恒温槽付水晶発振器の温度制御回路に好適である。
【符号の説明】
【００８６】
１...回路基板、 ２...水晶振動子、 ３...パワートランジスタ、 ４...金属ベース、 ５...金属ピン、６...金属カバー、 ７...センサー、 ８...共通パターン、 １０...差動増幅器ＩＣ、 １１...発振回路、 １２...ヒータ抵抗、 １３...サーミスタ、 ＨＲ...ヒーター抵抗、 Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１，Ｒ３０〜Ｒ３６...抵抗、 ＴＨ...サーミスタ、 Ｔｒ１...パワートランジスタ、 Ｔｒ２...電流制限用トランジスタ、 ＤＣ...電源電圧、 Ｃ１，Ｃ２...コンデンサ、 Ｘ３...水晶振動子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、前記差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。
【請求項２】
サーミスタの他端とパワートランジスタのコレクタとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項１記載の温度制御回路。
【請求項３】
恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、前記差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのソースとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。
【請求項４】
サーミスタの他端とパワートランジスタのドレインとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項３記載の温度制御回路。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備えたことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項６】
請求項２又は４記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備え、共通の金属パターンに前記水晶振動子のグランド端子を接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項７】
請求項２又は４記載の温度制御回路と、水晶振動子と、前記水晶振動子を覆う金属カバーとを備え、前記水晶振動子のグランド端子を前記金属カバーに接続し、共通の金属パターンに前記金属カバーを接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項８】
共通の金属パターンが水晶振動子の金属カバーを覆うように形成されていることを特徴とする請求項７記載の恒温槽付水晶発振器。
【請求項９】
温度制御回路と水晶振動子が形成された回路基板を金属カバーで封止する場合に、前記金属カバー内を真空にする真空封止を用いたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。
【請求項１】
恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するエミッタと、前記差動増幅器の出力を入力するベースと、接地するコレクタとを備えるＰＮＰ型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのエミッタとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのベースに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。
【請求項２】
サーミスタの他端とパワートランジスタのコレクタとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項１記載の温度制御回路。
【請求項３】
恒温槽付水晶発振器における恒温槽の温度制御回路であって、
電源電圧が一端に供給されて発熱するヒーター抵抗と、
電源電圧が一端に供給される第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端に一端が接続して他端が接地し、温度に応じて抵抗値を可変として、温度に応じた電圧を一端に出力するサーミスタと、
電源電圧が一端に供給される第２の抵抗と、
前記第２の抵抗の他端に一端が接続し、他端が接地する第３の抵抗と、
前記第１の抵抗の他端と前記サーミスタの一端との間の電圧が、一方の入力端子に入力されると共に、前記第２の抵抗の他端と前記第３の抵抗の一端との間の電圧が、他方の入力端子に入力され、出力が第４の抵抗を介して前記一方の入力端子に帰還して、前記他方の入力端子に入力される電圧と前記一方の入力端子に入力される電圧との差分を増幅して制御電圧として出力する差動増幅器と、
前記ヒーター抵抗の他端が接続するソースと、前記差動増幅器の出力を入力するゲートと、接地するドレインとを備えるＰ型の電界効果型のパワートランジスタと、
電源電圧が供給されるエミッタと、前記ヒーター抵抗の他端と前記パワートランジスタのソースとの間の電圧を入力するベースと、前記パワートランジスタのゲートに接続するコレクタとを備えるＰＮＰ型の電流制限用トランジスタとを有することを特徴とする温度制御回路。
【請求項４】
サーミスタの他端とパワートランジスタのドレインとを共通の金属パターンで接続したことを特徴とする請求項３記載の温度制御回路。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備えたことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項６】
請求項２又は４記載の温度制御回路と、水晶振動子とを備え、共通の金属パターンに前記水晶振動子のグランド端子を接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項７】
請求項２又は４記載の温度制御回路と、水晶振動子と、前記水晶振動子を覆う金属カバーとを備え、前記水晶振動子のグランド端子を前記金属カバーに接続し、共通の金属パターンに前記金属カバーを接続したことを特徴とする恒温槽付水晶発振器。
【請求項８】
共通の金属パターンが水晶振動子の金属カバーを覆うように形成されていることを特徴とする請求項７記載の恒温槽付水晶発振器。
【請求項９】
温度制御回路と水晶振動子が形成された回路基板を金属カバーで封止する場合に、前記金属カバー内を真空にする真空封止を用いたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか記載の恒温槽付水晶発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３８７６５（Ｐ２０１３−３８７６５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９２９９６（Ｐ２０１２−９２９９６）
【出願日】平成２４年４月１６日（２０１２．４．１６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月１６日（２０１２．４．１６）
【出願人】（０００２３２４８３）日本電波工業株式会社 (1,148)
【Ｆターム（参考）】
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