JP2005236801A - 水晶発振器、発振方法及びヒータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水晶振動子Xtalの出力をB、Cモード側それぞれ2つの水晶共振子F11,F12及びF21,F22に入力する。そして、これらの出力をトランジスタTr11、Tr12及びTr21、Tr22によって位相結合する。これにより、周波数変動に対して安定した位相と利得を持つ信号が得られるので安定した発振を行なえる。またビート信号を用いて温度補償制御を行ない、また水晶振動子Xtalをその端子から過熱する。
【選択図】 図1
Description
同図の発振器では、帰還信号をアンプ123で増幅したのちSCカットの水晶振動子101に入力し、水晶振動子121からの出力を2つのフィルタ122a、122bを用いてBモードの信号とCモードの信号を出力させている。
また特許文献2や特許文献3にはATカットの水晶振動子を用いた発振器において、水晶振動子から出力される、ATカットの厚み滑り振動モードと輪郭振動モードの2つの異なる振動モードによる信号を同時に発振させている。
また、1つの水晶振動子から2つの振動モードの信号の同時発振を試みると、電源電圧や周囲温度の変動によって、どちらか一方の信号のみしか発振しなくなるシーソ現象が生じる。2つのモードの信号が同時に発振する電源電圧や周囲温度の範囲は非常に狭く、温度や電圧が変動してこの範囲を逸脱すると、どちらか一方のみの発振となったり両方とも発振しなくなってしまう。特に電源投入と同時に確実に同時発振させるには、極めて困難な微調整が必要となる。しかし、上記した各特許文献には、このシーソ現象の発生を軽減する為の手段については全く開示が無く、これらから、2つの発振モードの信号を確実に同時発振し、その状態を安定的に維持するのは困難を要する。
このヒータの形状は、水晶振動子の外周を取り巻くリム式のものや、発振回路部分全てを金属パッケージで覆い、パッケージの外周にヒータ線を巻き付ける熱筒式等のものが用いられている。しかしこれらの方式のヒータの場合、ヒータから高真空に保たれた水晶振動子内部の水晶片までの熱抵抗は大きいので、熱効率が低く、また長期に渡る安定性に欠けている。又、組み立てが複雑になり、コストの面でも不利となる。
また熱効率の良く、精度の高い制御が可能な温度補償を実現する水晶発振器を提供することを課題とする。
前記水晶振動子からの出力を、前記複数の発振モードの1つである第1の発振モードの周波数の両側の共振周波数を持つ第1の共振子と第2の共振子を通過させる。第1の発振モードの位相合成手段は、前記第1の共振子の出力信号と前記第2の共振子の出力信号を位相合成する。
また前記第1の位相合成手段及び第2の位相合成手段は、例えば差動増幅器によって実現する構成とすることが出来る。これにより、温度変化に対する不安定性を避ける事が出来、また長期安定性が得られる。
これにより、各振動モード用の構成が、能動的な回路によって互いに干渉するのを軽減することが出来る。
この構成により、Bモードの発振信号を用いて温度補償の制御を実現することが出来る。
また前記Bモードの発振信号の振動周波数とCモードの発振信号のビート信号の振動周波数を示す値を、前記Cモードの発振信号の振動周波数を基準として求め、当該ビート信号の振動周波数を示す値の変化が小さいとき、該ビート信号の振動周波数を示す値に基づいた温度補償制御を行ない、当該ビート信号の振動周波数を示す値の変化が大きいとき、該ビート信号の振動周波数を示す値及び第1の規定値に基づいた温度補償制御を行なう温度補償制御手段を更に備える構成とすることが出来る。
また、このとき前記温度補償制御手段は、前記ビート信号の振動周波数を示す値が第1の温度未満であることを示すとき第2の規定値に基づいて前記温度補償制御を行ない、前記ビート信号の振動周波数を示す値が前記第1の温度より高い第2の温度以上であることを示すとき第3の規定値に基づいて前記温度補償制御を行なう構成とすることが出来る。
更に前記水晶振動子の端子を備える部位に設けられ、当該水晶振動子を前記端子から加熱するヒータ手段を更に備える構成とすることが出来る。
この構成により、熱効率の良い水晶振動子の過熱を行なうことが出来る。
また熱効率の良く、精度の高い制御が可能な温度補償を実現する。
したがって、非常に精度の高い周波数信号を出力することが出来る。
本実施形態における水晶発振器は、発振回路部1及び温度補償部2を有し、発振回路部1から発振されるCモードの出力信号(以下Cモード信号)、及びBモードの出力信号(以下Bモード信号)とCモードの出力信号とのビート信号(以下C/Bモードビート信号)に基づいて(後述するように発振回路部1が温度スイッチを備えている場合には、温度スイッチからの出力をも考慮する)ヒータ部3を制御して、発振回路部1内の水晶振動子及び発振回路部1を構成する各素子の温度をコントロールする。
本実施形態の水晶発振器では、SCカット若しくはITカットの水晶振動子Xtalを通過する信号成分を、増幅器等の能動素子を間に挟まず、水晶振動子に直接接続して入力している。これによって、Bモード信号用の回路とCモード信号用の回路が、能動的な回路によって互いに干渉するのを軽減することが出来る。発振回路の帰還ループの入力端が能動素子を含む構成となっていると、一方の発振モードの信号入力を増大させていくと、他方のモードの信号出力レベルが低下してしまい、安定した発振を維持出来ないが、図2の発振回路部1では、水晶振動子Xtalの出力と水晶振動子を直接接続することにより、一方のモードの信号入力を増大させても他方のモードの信号出力レベルは一定の値を維持することが出来る。
図3は、2つの振動子F1及び振動子F12を通過した信号成分を位相合成した場合の信号特性を示す図である。
同図(b)は、同図(a)に示すように水晶共振子F1、F2の透過出力をコイルL1、L2を用いて位相合成した場合の出力信号OUTの位相曲線31及び利得曲線32を示すもので、横軸は入力信号INの周波数、縦軸は出力信号OUTの位相と利得レベルを示している。
図4は、本実施形態における発振回路部1の増幅回路特性を示す図である。
同図(a)は、Bモード側の信号入力レベルを変化させたときのCモード側の出力の変化を示したもので、同図(a)のグラフは横軸はBモード側の入力信号レベル、縦軸はBモード側とCモード側の出力信号レベルを取っており、曲線42がBモード側の入力信号レベルで、曲線41がCモード側の出力信号レベルを表している。
また同図(b)は、Cモード側の信号入力レベルを変化させたときのBモード側の出力の変化を示したもので、同図(b)のグラフは、横軸にCモード側の入力信号レベル、縦軸にBモード側とCモード側の出力信号レベルを取っており、曲線43がBモード側の出力、曲線44がCモード側の入力信号レベルを表している。
このように、本実施形態の水晶発振器では、Bモード側の振動子F21、F22とCモード側の振動子F11、F22は、互いに異なるインピーダンスを持ち、一方から見ると他方はハイインピーダンスとなるので、互いに独立して信号をフィルタリングすることとなる。よって一方の入力信号レベルの変化が、他方の出力信号レベルに影響を与えない。
温度補償部2は、発振回路部1からのCモード信号及びC/Bモードビート信号から、発振回路部1内の水晶振動子Xtalを構成する水晶片の温度を制御する。
図5は、温度補償部2の制御回路を示すブロック図である。
一般的には、立ち上げ時には温度は低い状態にあり、単純にカウント値を累積加算してゆくと、この立ち上げ時の低い温度の状態から値が累積されてゆくので、この時のカウント値で累積加算値が偏ってしまい、正確な制御を行なうことが出来なくなる。
尚以下の説明ではCモード信号は5MHzであり、図5の温度補償部2内部では、16ビット処理を行なっているものとする。
そして比較器509からHが出力されると、スイッチ510がONになり演算器507の出力S507が加算器512に入力される。また比較器509からLが出力されると、スイッチ511がONとなり、2の補数の中心値0000Hが演算器512に入力される。これによって、加算器507の出力値S507の値の変化が大きく、レジスタ508にセットされている直前データと上位8ビットが異なっていた場合には、加算器515には0000Hが入力され、加算器507の出力値S507の値の変化が小さく、レジスタ508にセットされている直前データと上位8ビットが同じ場合には、加算器515には加算器507の出力値S507が入力される。
このように、本実施形態における温度補償部2は、制御開始時の温度が目的値から遠く離れている場合を考慮して、積分値の演算が行なわれるので、目標値とする周波数に早く収束し、精度の高い温度制御を実現できる。またローパスフィルタ517及びヒータ部3のアナログ部分の微調整を行なう必要がない。
図6は、温度補償部2による温度制御を示す図である。
同図では、目標温度を85℃としており、温度補償部2は発振回路部1からのC/Bモードビート信号に基づいて上述した制御を行なうが、起動時の温度が低い時点から上記したような制御を行なった場合、温度が目標温度に達するまでに時間を要し、また制御する範囲が広くなるので制御の為の分解能も粗くなってしまう。
第2の実施形態では、発振回路部1の水晶振動子Xtal近傍に95℃の温度スイッチと75℃の温度スイッチを設け、温度補償部2はこれらの出力をも用いて温度制御を行なう。
75℃と95℃の温度スイッチは、温度が75℃(95℃)以上になると論理H、それ以外の温度のときは論理Lを出力する。よって温度が75℃未満のときは、75℃温度スイッチ、95℃温度スイッチ共にLが出力されるので、AND回路74からOR回路75に最大値が入力され、またAND回路72、73からは0が入力されるので、パルス幅変換器516には最大値の値が入力されて、ヒータがフルドライブされる。
第3の実施形態は、発振回路部1に温度スイッチを設けずに、第2の実施形態と同様の制御を実現するものである。
第3の実施形態の温度補償部2は、図5に示した構成に加え、加算器515とパルス幅変換器516の間に図8に示す構成要素を更に備える。
図9は、本実施形態における水晶発振器に用いるヒータの構成の説明図である。
本実施形態の水晶発振器では、ヒータ部3の熱効率を上げる為、水晶片に熱的に一番近い、すなわち熱抵抗が低い部位である水晶振動子91の底部等の端子を備える部分に、その形状に合わせた形の円盤ヒータ92を熱伝導の良い窒化アルミ系の接着シート等で接着している。これより、円盤ヒータ92による熱は、熱伝導率の高い水晶振動子91の端子93から水晶片に直接伝わるので、熱効率がよく水晶片を過熱することが出来る。
また図10に示すように、ヒータ92を駆動するパワートランジスタ101を水晶振動子102に熱的に接触させ、ヒータ92駆動用のパワートランジスタ101による発熱をも水晶振動子102を過熱するのに用いることが出来る。これにより、更に優れた熱効率を確保出来る。
本実施形態における水晶発振器は、発振回路部1の各構成要素112、不図示の温度スイッチ、水晶振動子113やパワートランジスタ118を載せた基板111を金属パッケージ114に入れて真空封止し、基板111上の各要素を外気温から熱的に遮断する。そして基板111は、機密端子119によって金属パッケージ114の外部と電気的に接続する。
尚ガラス116及びエポキシ樹脂系の接着剤117は、断熱性の高いものであれば、他の材質のものであっても良い。
2 温度補償部
3 ヒータ部
Xtal 水晶振動子
F11、F12、F21、F22 水晶共振子
Tr11、Tr12、Tr21、Tr22 トランジスタ
R1、R101〜R112、R201〜R212 抵抗
C1、C101〜C108、C201〜C207 コンデンサ
A1、A11、A12、A21、A22 増幅器
LPF ローパスフィルタ
501 分周器
502〜 504 フリップフロップ
505 カウンタ
506、508、513 レジスタ
507、512、515 加算器
81、509 比較器
82、510、511 スイッチ
514 ビットスケーラ
516 パルス幅変調器
517 ローパスフィルタ
518 PLLてい倍器
71〜74、519 AND回路
75 OR回路
76、77、520、521 NOT回路
Claims (15)
- 水晶振動子の複数の発振モードによる発振信号を同時発振する水晶発振器において、
前記水晶振動子の出力から前記複数の発振モードの内の1つである第1の発振モードによる発振信号をフィルタリングする第1の共振子と、
前記第1の共振子と異なる共振周波数を持ち、水晶振動子からの出力から前記第1の発振モードによる発振信号をフィルタリングする第2の共振子と、
前記第1の共振子の出力信号と前記第2の共振子の出力信号を位相合成する第1の位相合成手段と、
前記水晶振動子の出力から前記複数の発振モードの内の1つである第2の発振モードによる発振信号をフィルタリングする第3の共振子と、
前記第3の共振子と異なる共振周波数を持ち、水晶振動子からの出力から前記第3の発振モードによる発振信号をフィルタリングする第4の共振子と、
前記第3の共振子の出力信号と前記第4の共振子の出力信号を位相合成する第2の位相合成手段と、
を備えることを特徴とする水晶発振器。 - 前記第1の位相合成手段及び第2の位相合成手段は差動増幅器であることを特徴とする請求項1に記載の水晶発振器。
- 前記第1の共振子、第2の共振子、第3の共振子及び第4の共振子は水晶共振子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の水晶発振器。
- 前記第1の共振子、第2の共振子、第3の共振子及び第4の共振子は、前記水晶振動子と直接接続することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の水晶発振器。
- 前記水晶振動子は、SCカット若しくはITカットの水晶振動子であり、前記第1の振動モードはCモード、前記第2の振動モードはBモードであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の水晶発振器。
- 前記Bモードの発振信号と前記Cモードの発振信号を疎結合し、前記Bモードの発振信号と前記Cモードの発振信号のビート信号を前記水晶振動子に対する温度情報として抽出するビート信号抽出手段を更に備えることを特徴とする請求項5に記載の水晶発振器。
- 前記Bモードの発振信号の振動周波数とCモードの発振信号のビート信号の振動周波数を示す値を、前記Cモードの発振信号の振動周波数を基準として求め、当該ビート信号の振動周波数を示す値の変化が小さいとき、該ビート信号の振動周波数を示す値に基づいた温度補償制御を行ない、当該ビート信号の振動周波数を示す値の変化が大きいとき、該ビート信号の振動周波数を示す値及び第1の規定値に基づいた温度補償制御を行なう温度補償制御手段を更に備えることを特徴とする請求項5又は6に記載の水晶発振器。
- 前記温度補償制御手段は、前記ビート信号の振動周波数を示す値が第1の温度未満であることを示すとき第2の規定値に基づいて前記温度補償制御を行ない、前記ビート信号の振動周波数を示す値が前記第1の温度より高い第2の温度以上であることを示すとき第3の規定値に基づいて前記温度補償制御を行なうことを特徴とする請求項7に記載の水晶発振器。
- 前記水晶振動子近傍が第1の温度未満であるかどうかを検知する第1の温度検知手段と、前記水晶振動子近傍が前記第1の温度より高い第2の温度以上であるかどうかを検知する第2の温度検知手段とを更に備え、前記温度補償制御手段は、前記第1の温度検知手段が前記水晶振動子近傍が第1の温度未満であることを検知したとき、第2の規定値に基づいて前記温度補償制御を行ない、前記第2の温度検知手段が前記水晶振動子近傍が第2の温度以上であることを検知したとき、第3の規定値に基づいて前記温度補償制御を行なうことを特徴とする請求項7に記載の水晶発振器。
- 前記水晶振動子の端子を備える部位に設けられ、当該水晶振動子を前記端子から加熱するヒータ手段を更に備えることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1つに記載の水晶発振器。
- 前記ヒータ手段をドライブするパワートランジスタを更に備え、当該パワートランジスタは、前記水晶振動子と熱的に接続されていることを特徴とする請求項10に記載の水晶発振器。
- 前記水晶発振器を構成する素子を真空封止するパッケージを更に備えることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1つに記載の水晶発振器。
- 水晶振動子の複数の発振モードによる発振信号を同時発振する水晶発振器において、
前記複数の振動モードそれぞれに対して異なる共振周波数を持つ共振子を2つづつ設け、この2つの共振子の出力を位相合成することにより前記発振信号を発振する発振手段を備えることを特徴とする水晶発振器。 - 水晶発振器内の水晶振動子を過熱するヒータであって、
セラミック円板の上にニッケルクロム系の合金をスパッタリングして構成される抵抗体と、
前記水晶振動子の端子面に前記抵抗体を接着する熱伝導性と電気絶縁性が高い接着シートと、
を備えるヒータ。 - 水晶振動子の複数の発振モードによる発振信号を同時発振する水晶発振器における発振方法であって、
前記水晶振動子からの出力を、前記複数の発振モードの1つである第1の発振モードの周波数の両側の共振周波数を持つ共振子を通過させ、それぞれの出力信号を位相合成して前記第1の発振モードによる発振信号及び帰還信号を生成し、
前記水晶振動子からの出力を、前記複数の発振モードの1つである第2の発振モードの周波数の両側の共振周波数を持つ共振子を通過させ、それぞれの出力信号を位相合成して前記第2の発振モードによる発振信号及び帰還信号を生成する
ことを特徴とする発振方法。
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