CN106797198A - 振荡装置及振荡装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在使用了压电振子的振荡装置中抑制振荡频率的经年变化，而获得稳定的振荡输出的技术。在使晶体振子振荡而输出振荡频率的恒温晶体振荡器1中，取得第一晶体振子11的振荡开始后的初期时的振荡频率与经过时间的对应关系，基于取得结果而求出所述初期以后的、和振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应的数据，基于振荡的累积经过时间及所述数据来修正频率设定值。第一晶体振子11的输出频率虽随经过时间而发生变动，但因利用与累积经过时间相应的频率修正值进行修正，所以振荡频率稳定。

Description

振荡装置及振荡装置的制造方法
技术领域
本发明涉及一种利用加热部使压电振子所放置的氛围的温度稳定化的恒温晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator，OCXO)型振荡装置。
背景技术
在例如手机的基站(base station)等要求高频率稳定性的情况下，作为大部分的振荡器，而使用例如专利文献1所示的OCXO。OCXO因利用加热部使输出振荡频率的压电振子即例如晶体振子所放置的氛围的温度固定化，所以振荡频率稳定。
另一方面，关于振荡装置中的输出频率，存在如下情况，即，因由氛围中所含的物质附着于压电振子所引起的质量变化等，而其振荡频率发生经年变化。以前，在产品出货前，通过对压电振子进行充分的老化(aging)，而抑制了市场中的振荡频率的经年劣化。
且说，在通信业界或宇宙开发领域等中要求振荡频率的进一步的稳定化。因此，在制造商侧对压电振子进行老化时，在例如因交期的制约等而其老化不充分的情况下等，有振荡频率因经年劣化引起的变动成为问题的担心。而且，在制造商侧，老化需要长的期间，从而也有对制品的迅速的流通而言负担增大的担心。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2013-51676号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明在所述情况下完成，其目的在于提供一种在使用了压电振子的振荡装置中，抑制振荡频率的经年变化，而获得稳定的振荡输出的技术。
解决问题的技术手段
本发明的振荡装置使用压电振子，基于频率设定值而获得振荡输出，所述振荡装置的特征在于包括：
存储部，存储预测数据，所述预测数据基于取得了从所述压电振子的振荡开始后到预先设定的经过时间为止的期间内的振荡频率与经过时间的对应关系的结果而制成，和包含所述预先设定的经过时间以后的振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应；
时间测量部，对压电振子的振荡开始后的振荡的累积经过时间进行测量；
修正值运算部，基于由所述时间测量部测量到的振荡的累积经过时间与存储在所述存储部的预测数据，而求出所述频率设定值的修正值；以及
加法部，将由所述修正值运算部求出的修正值与所述频率设定值相加，而求出修正后的频率设定值。
而且，另一发明为一种振荡装置的制造方法，制造使用压电振子，基于频率设定值而获得振荡输出的振荡装置，所述振荡装置的制造方法的特征在于包括：
取得工序，在从所述压电振子的振荡开始后到预先设定的经过时间为止的期间内，取得振荡频率及经过时间；
存储工序，基于所述取得工序中取得的取得结果，求出数据并存储在存储部中，所述预测数据和所述预先设定的经过时间以后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应，
存储在所述存储部的预测数据被用于基于该预测数据与振荡的累积经过时间而求出所述频率设定值的修正值，将所求出的修正值与所述频率设定值相加而求出修正后的频率设定值。
发明的效果
本发明取得压电振子的振荡开始后的初期时的振荡频率与经过时间的对应关系，并基于取得结果而求出预测数据，所述预测数据和所述初期以后的、振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应，基于振荡的累积经过时间及该预测数据而修正频率设定值。因此，抑制振荡频率的经年变化，而获得稳定的振荡输出。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的振荡装置的概要的方块图。
图2是表示本发明的实施方式的振荡装置的具体例的方块图。
图3是表示本发明的实施方式的OCXO(振荡装置)的修正值输出部的方块图。
图4是表示第一晶体振子的振荡频率的经时变化的特性图。
图5是说明本发明的实施方式的OCXO的作用的图表。
图6是表示本发明的实施方式的OCXO的输出频率的经时变化的特性图。
具体实施方式
[实施方式的概略性说明]
图1是表示本发明的振荡装置的实施方式的概要的方块图。本发明以使用压电振子例如晶体振子，基于频率设定值而获得振荡输出的振荡装置作为对象。图1中，9表示使用晶体振子，根据所输入的频率设定值获得振荡输出的振荡器，利用作为加热部的加热器5将晶体振子所放置的氛围加热到一定的温度。因此，包含该振荡器9的振荡装置1为OCXO。
作为振荡器9的一例，例如能够列举包含考毕兹(Colpitts)电路，且经由可变电容二极管而被输入该考毕兹电路的控制电压的振荡器。该情况下，控制电压相当于频率设定值，根据控制电压来调整振荡器9的输出频率。且说，晶体振子在振荡开始后(通电开始后)，相应于经过时间而振荡频率变化虽小但发生变化。因此，作为存储部的存储器68中存储着如下数据，该数据表示晶体振子的振荡开始后的振荡的累积经过时间与频率的关系，例如振荡的累积经过时间、与此时的振荡频率相对于振荡开始时间点的振荡频率的变化率(例如单位为ppb)的关系。
关于该频率经时变化的数据，是使晶体振子在短期间内，例如1个月内振荡，在该1个月内以规定的时间间隔，例如1小时间隔而检测振荡频率，并基于振荡开始后的累积经过时间与振荡频率而制成。因此，该数据为预测数据。例如使外部计算机8连接于振荡装置1，该外部计算机8经由未图示的频率检测部检测振荡频率而制成频率经时变化的预测数据，并发送到振荡装置1的存储器68。修正值运算部640基于存储器68内的频率经时变化的预测数据、及作为时间测量部的一部分的计时器66所管理的晶体振子的振荡的累积经过时间，而读出与该累积经过时间对应的频率变化率，并求出针对频率设定值的修正值。另外，修正值运算部640、计时器66及存储器68相当于后述的图2的修正值输出部6。
事先掌握频率变化率与振荡装置1的振荡输出的变化量的关系，在修正值运算部640中，基于该关系与所读出的频率变化率而求出宜如何修正频率设定值。所求出的修正值利用加法部31而与频率设定值相加，修正后的频率设定值被输入到振荡器9。
关于振荡装置，不限于所述例，也能够如后述的具体例那样，列举如下：基于从直接数字合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)输出的频率信号而制成锁相回路(phase-locked loop，PLL)电路部的参考信号，或者将该频率信号作为PLL电路部的参考信号，将设置于包含PLL电路部的回路的电压控制振荡器(电压控制晶体振荡器(VoltageControlled Crystal Oscillator，VCXO))的输出作为振荡装置的输出。该情况下，将使晶体振子振荡的振荡电路的输出作为时钟而驱动DDS，用以设定DDS的输出频率的输入值为频率设定值，为了补偿晶体振子的振荡频率的经时变化而求出修正值，将该修正值与频率设定值相加。接下来，对该振荡装置的具体例进行叙述。
[实施方式的具体例的详细情况]
图2是更具体地表示本发明的振荡装置的实施方式的整体方块图。该振荡装置具备第一晶体振子11及第二晶体振子21，这些第一晶体振子11及第二晶体振子21例如使用共用的长条状的晶片10，在各分割区域(振动区域)的表背两面设置激振用的电极12、13(22、23)而构成。
第一晶体振子11及第二晶体振子21上分别连接着第一振荡电路14及第二振荡电路24。这些第一及第二振荡电路14、24的输出例如为第一及第二晶体振子11、21的谐波(overtone)。该例中，将相当于两频率的差量的信号作为温度检测信号而加以利用，第一晶体振子11及第二晶体振子21能够作为温度检测部的一部分。该温度检测部是为了如后述那样控制振荡装置1所具备的加热器5的供给电力而使用。而且，第一晶体振子11及第一振荡电路14作为DDS 70的时钟而使用，该例中，将第一晶体振子11的振荡频率的经时变化视作问题，而求出与该经时变化相符的频率修正值。
首先，对温度检测部及加热器5的控制电路部分进行叙述。图2中，3为频率差检测部，如果换句概略的说法，则该频率差检测部3是用于提取频率差检测值f2-f1-Δfr的电路部，该频率差检测值f2-f1-Δfr是第一振荡电路14的振荡频率f1与第二振荡电路24的振荡频率f2的差量、和Δfr的差量。Δfr为基准温度例如25℃下的f1(flr)与f2(f2r)的差量。因此，频率差检测值是基于由从基准温度算起的温度变化所引起的频率变化的值，也称作温度检测值。
在频率差检测部3的后段设置着加法部53。加法部53读出温度设定值，运算出温度设定值与频率差检测值的差量。如图1所示，在加法部53的后段设置着相当于积分电路部的环路滤波器52。此外，在环路滤波器52的后段设置着数字/模拟(D/A)转换器51。D/A转换器51将与数字信号相应的直流电压输入到加热器5。因此，第一及第二晶体振子11、21所放置的氛围的温度由加法部53、环路滤波器52、D/A转换器51及加热器5而控制。
接下来，对相当于图1所示的振荡器9的部分进行说明。图2中，在DDS70的后段连接着PLL电路部71，PLL电路部71上连接着电压控制振荡器72。PLL电路部71包括：分频电路；相位差电路，提取来自DDS 70的参考信号的相位与来自分频电路的频率信号的相位的差量；以及电路部等，对由相位差电路提取的相位差信号进行积分，而构成PLL的一部分。电压控制振荡器72的输出相当于振荡装置1的输出。DDS 70被输入频率设定值，且输出与频率设定值相应的频率的频率信号。
关于频率设定值，在该例中，利用加法部31，将用以对基于第一晶体振子11的温度变化的频率的变化量进行补偿的修正量即温度修正值，及用以对基于第一晶体振子11的经时变化的频率的变化量进行补偿的修正量即经时变化修正值相加。因频率差检测部3的频率差检测信号、即相当于第一振荡电路14及第二振荡电路24的振荡频率之差的信号与温度对应，所以基于频率差检测信号与第一晶体振子11的频率温度特性(温度与频率相对于基准温度下的频率的变化率的关系)，而求出温度修正值。
对经时变化修正值进行说明。在图3所示的相当于外部的参数设定部的外部计算机8内的未图示的存储器中，存储着频率经时变化的数据(预测数据)，该数据表示第一晶体振子11的振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系。图4中表示该数据的一例，横轴为振荡开始后的累积经过时间，纵轴为此时的振荡频率相对于振荡开始时间点的振荡频率的变化率。累积经过时间与振荡频率的变化率的关系近似为(1)式。
振荡频率的变化率＝A×(1-exp(-t/τ))…(1)式
该(1)式中的老化饱和值A与时间系数τ可利用外部计算机8而改写。也就是，该例中，频率经时变化的数据由外部计算机8制成且被送到存储器68。对该数据的制成进行说明。在振荡装置1的外部，由操作员将连接于外部计算机8的频率检测部81经由连接端子部15及接口61而连接到第一振荡电路14的输出侧，并且将外部计算机8经由连接端子部62及接口61而与修正运算电路6(修正值输出部)连接。然后，使振荡装置1驱动，将第一晶体振子11的振荡频率在例如电源接通后(振荡开始后)的1个月的期间内每1个小时地进行取样。
另外，在电源开始后的一段期间内，存在振荡频率变得不稳定的情况，因而待机直至例如经过24小时后，其后进行振荡频率的取样。频率经时变化的数据在该例中以指数函数的形式而表示，因而基于从振荡开始后的1个月为止的数据，预测并求出相当于也包含1个月以后的经时变化的数据的指数函数。具体来说，求出(1)式的老化饱和值A与时间系数τ，将所求出的数据发送到振荡装置1的存储器68。如果列举一例，则老化饱和值A例如为10ppb，时间常数τ设定为1440小时。该例中，为了求出频率经时变化的数据，使第一晶体振子11振荡1个月(720小时)。该720小时的累积经过时间被存储在振荡装置1的存储器68中。
修正值输出部6如图3所示，包括：计时器66，兼作测量第一晶体振子11的振荡开始后的振荡的累积时间的时间测量部；老化修正程序64，相当于用以求出经时变化修正值的修正值运算部；以及CPU 63，用以执行程序64，总线60连接于存储器68。如已述那样，在利用外部计算机8取得频率经时变化的数据的期间，对第一晶体振子11的振荡的累积经过时间进行计数，当结束外部计算机8的数据取得作业而断开电源时，将作为累积经过时间的720小时写入到存储器68中。
计时器66例如将第一振荡电路14的输出频率作为时钟而进行计数，输出了经时变化修正值后，如果对相当于设定时间例如1小时的数量的时钟进行计数，则进行递增计数并输出递增计数信号。程序64基于来自计时器66的递增计数信号，将此时的累积经过时间代入到已述的(1)式中而算出第一晶体振子11的频率变化率，求出与该频率变化率对应的经时变化修正值并输出到加法部31。与频率变化率对应的经时变化修正值是例如通过对频率变化率乘以事先求出的系数而获得。
然后，一边参考图5的流程图，一边对所述实施方式的作用进行说明。振荡装置1的修正值输出部6的存储器68中，已例如在制造商侧求出(1)式并加以存储。而且，当例如在用户侧接通振荡装置1的电源时(步骤S0)，第一及第二振荡电路14、24振荡，并且作为步骤S1而读出存储在存储器68的振荡的累积经过时间。
该例中，如已述那样读出的累积经过时间为720小时(1个月)，基于该累积经过时间与相当于存储在存储器68的(1)式的数据，而算出第一晶体振子11的频率变化率，求出与该频率变化率对应的经时变化修正值(步骤S2)，并输出到加法部31，从而修正频率设定值(步骤S3)。另外，从温度补偿部30，一直输出温度修正值且对频率设定值例如加上温度修正值。因所述(1)式为指数函数，所以如果累积经过时间过长，则频率变化率大致固定。因此，预先将该累积经过时间作为最大时间而加以规定，并以tmax形式存储在存储器68中，当累积经过时间超过tmax时，停止经时变化修正。因此，设置了步骤S4。
另一方面，计时器66在步骤S3中输出了经时变化修正值时被驱动，如果经过1小时而进行递增计数，则判断步骤S5中成为「是」，输出递增计数信号，由此，对存储在存储器68的累积经过时间加上1小时(步骤S6、S7)。然后，基于累积经过时间(721小时)与相当于存储在存储器68的(1)式的数据，算出第一晶体振子11的频率变化率，求出与该频率变化率对应的经时变化修正值，并同样地修正频率设定值(步骤S8)。以后重复该动作，每隔1小时修正频率设定值直到累积经过时间达到tmax为止。
图6是以影像的形式而表示：不对第一晶体振子11的振荡频率的经时变化进行修正的情况下的该振荡频率的变化率，表示振荡频率与累积经过时间的关系的预测数据，及使用该预测数据进行经时变化的修正的情况下的振荡频率的变化率。
根据所述实施方式，取得第一晶体振子11的振荡开始后的初期时的振荡频率与累积经过时间的对应关系，基于取得结果而求出预测数据，该预测数据和包含所述初期以后的振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应，基于振荡的累积经过时间及该预测数据修正频率设定值。因此，抑制第一晶体振子11的振荡频率的经年变化，结果，从振荡装置1获得稳定的振荡输出。
所述例中，使用(1)式来作为表示振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的关系的预测数据，但关于预测数据，也可将使累积经过时间与振荡频率的变化率的数值建立关联所得的数据，以表格的形式存储在存储器68中，本申请说明书中，该情况也相当于运算修正值。而且，即便将累积经过时间与振荡频率的变化率的修正值以表格的形式存储在存储器68中，而基于累积经过时间读出修正值的情况，也相当于基于振荡的累积经过时间与存储在所述存储部的预测数据而求出所述频率设定值的修正值。
而且，在例如每1个小时进行振荡频率的变化率的修正时，存储器68中存储着每24小时(1日)的振荡频率的变化率的修正值，关于每24小时的振荡频率的变化率的修正，是从存储器68读出修正值来进行修正。而且，关于每1小时的修正，也可使用对存储在存储器68的每24小时的修正值之间进行内插的内插值。作为内插数据的方法，例如能够使用直线近似法或最小平方法。如果这样构成，则具有存储器68的容量少也无妨的优点。
进而，被用作预测数据的式不限于如(1)式所示这样的指数函数，也可为如(2)式所示这样的指数函数2式的累加，
振荡频率的变化率＝A1×(1-exp(-t/τ))+A2×(1-exp(-t/τ))…(2)式
进而，也可为如(3)式所示这样的指数函数与一次式的累加。
振荡频率的变化率＝A×(1-exp(-t/τ))+Bt…(3)式
符号的说明
1：振荡装置
11：第一晶体振子
14：第一振荡电路
21：第二晶体振子
24：第二振荡电路
31：加法部
5：加热部
6：修正值输出部
66：计时器
68：存储器
8：外部计算机
9：振荡器
70：DDS电路部

Claims (4)

1.一种振荡装置，使用压电振子，基于频率设定值而获得振荡输出，所述振荡装置的特征在于包括：
存储部，存储预测数据，所述预测数据基于取得了从所述压电振子的振荡开始后到预先设定的经过时间为止的期间内的振荡频率与经过时间的对应关系的结果而制成，和包含所述预先设定的经过时间以后的振荡开始后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应；
时间测量部，对压电振子的振荡开始后的振荡的累积经过时间进行测量；
修正值运算部，基于由所述时间测量部测量到的振荡的累积经过时间与存储在所述存储部的预测数据，而求出所述频率设定值的修正值；以及
加法部，将由所述修正值运算部求出的修正值与所述频率设定值相加，而求出修正后的频率设定值。
2.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于：
所述压电振子为晶体振子，累积经过时间与振荡频率的关系为指数函数。
3.根据权利要求1或2所述的振荡装置，其特征在于：
包括：锁相回路电路部，包含电压控制振荡部；以及直接数字合成器，通过被输入所述频率设定值，而输出与所述频率设定值相应的所述锁相回路电路部的参考用的频率信号，
所述压电振子被用作所述直接数字合成器的动作时钟。
4.一种振荡装置的制造方法，制造使用压电振子，基于频率设定值而获得振荡输出的振荡装置，所述振荡装置的制造方法的特征在于包括：
取得工序，在从所述压电振子的振荡开始后到预先设定的经过时间为止的期间内，取得振荡频率及经过时间；
存储工序，基于所述取得工序中取得的取得结果，求出预测数据并存储在存储部中，所述预测数据和包含所述预先设定的经过时间以后的振荡的累积经过时间与振荡频率的对应关系相应，
存储在所述存储部的预测数据被用于基于所述预测数据与振荡的累积经过时间而求出所述频率设定值的修正值，将所求出的修正值与所述频率设定值相加而求出修正后的频率设定值。
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