JP2006140726A - 圧電発振器の周波数調整方法及び周波数調整装置、並びに圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部から基準周波数信号を得られないＶＣ−ＴＣＸＯにおける基板実装後の周波数調整を、簡易に行うことができる周波数調整装置を提供する。
【解決手段】 上記課題を解決するためのＶＣ−ＴＣＸＯの周波数調整装置は、周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する電子回路を備えた圧電発振器の基板実装後における発振周波数の調整方法であって、基板実装後の前記圧電発振器の発振周波数を検出し、前記圧電発振器に要求される基準周波数と前記検出した発振周波数との差分を求め、求めた前記差分を前記メモリに予め記憶された前記多項式の定数項の単位定数値あたりの前記発振周波数の前記周波数変化量と比較し、比較結果に基づいて前記圧電発振器に内蔵したメモリに記録された前記定数項の定数値を変える、ことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電発振器の周波数調整方法及び装置、並びに圧電発振器に係り、特に基板実装後に周波数調整を行う場合に好適な周波数調整方法及び装置に関する。

種々の電子機器に搭載されている電圧制御型温度補償水晶発振器（以下ＶＣ−ＴＣＸＯという）は、電子機器の高精度化に伴い、そのクロック源として高精度な周波数安定度が要求されてきている。しかし実状としては、ＶＣ−ＴＣＸＯの製造段階において所望される精度の周波数安定度を誇っていても、電子機器製造段階における基板実装時のリフロー工程による熱衝撃やエージングによって、温度特性調整時に設定した周波数変化量を超えて周波数が変化してしまう（周波数の温度特性が変化してしまう）場合がある。熱衝撃やエージングによる周波数の変化は、一般的に、周波数が下がる方向へ変化するため、これを考慮してＶＣ−ＴＣＸＯを製造することも試みられているが、周波数の変化はサンプル毎に異なるため、本質的な解決策とはなっていない。

このような事情を考慮し、携帯電話等に搭載されているＶＣ−ＴＣＸＯは、通信のための電波を中継する基地局から送信される基準周波数信号を受信して、この基準周波数信号に基づいた補正を行っている（特許文献１，特許文献２）。このような構成を採ることで、製品として電子機器が完成した後に、外部から基準周波数信号を取得して、出力信号の周波数を修正することができる。
特開平１１−２１４９２８号公報 特開２０００−３１８１５号公報

上記特許文献１や特許文献２に記載された移動体通信機器（例えば携帯電話）であれば、製品完成後に、移動体通信機器内部に設けた機構により周波数補正を行うことが可能なため、ＶＣ−ＴＣＸＯとしては高精度な周波数安定度を保つことが可能となる。

しかし、ＰＨＳや計測機器等の基準周波数信号を外部から得ることができない機器に搭載されたＶＣ−ＴＣＸＯでは、熱衝撃やエージングによって生じた周波数の変化を補正することができないため、通信エラーや、計測制度の悪化等の不具合を生じさせる虞がある。

そこで本発明は、外部からの高精度な基準周波数信号を得ることができない電子機器に搭載されるＶＣ−ＴＣＸＯの出力信号の周波数を、基板実装後に簡易に調整することを可能とする圧電発振器の周波数調整方法並びに装置、及び圧電発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電発振器の周波数調整方法は、周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する電子回路を備えた圧電発振器の基板実装後における発振周波数の調整方法であって、基板実装後の前記圧電発振器の発振周波数を検出し、前記圧電発振器に要求される基準周波数と前記検出した発振周波数との差分を求め、求めた前記差分をメモリに予め記憶された前記多項式の定数項の単位定数値あたりの前記発振周波数の周波数変化量と比較し、比較結果に基づいて前記圧電発振器に内蔵したメモリに記録された前記定数項の定数値を変える、ことを特徴とする。

このような方法によれば、圧電発振器（本発明では特にＶＣ−ＴＣＸＯ）を電子機器の基板に実装した後に周波数を調整することができるので、外部から基準周波数信号を得ることができないＰＨＳや計測機器等であっても、製品として高精度なものを提供することができる。また、既存のＶＣ−ＴＣＸＯの回路構成を利用することができるため、新たな回路設計等を行う必要が無い。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る圧電発振器の周波数調整装置は、周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する回路を備えた圧電発振器の発振周波数を、前記圧電発振器を基板に実装した後に調整する装置であって、前記圧電発振器に要求される基準周波数の信号と、前記圧電発振器からの出力信号とを入力することで前記基準周波数と、前記出力信号との差分を算出する差分回路と、前記差分を、前記圧電発振器の製造段階において圧電発振器に内蔵したメモリに記録させた前記多項式の定数項の単位定数値あたりの発振周波数の変化量で除算して周波数調整量を算出する除算回路と、前記除算回路によって算出された周波数調整量を前記メモリに記録した、多項式の定数項から減算した値を算出する減算回路とを備え、前記減算した値を、前記多項式の新たな定数項の値として出力し、前記メモリに記録した定数項の値を変更し、前記圧電発振器の出力信号の周波数調整を行うことを可能としたことを特徴とする。

上記構成の周波数調整装置によれば、上記方法を実施することができ、同様な効果を得ることができる。また、周波数調整装置として複雑な構成を要しないため、安価に製造することができる。

また、前記圧電発振器の周波数調整装置は、受信アンテナを備え、前記基準周波数の信号を外部から受信し、当該受信した基準周波数信号を前記差分回路へ入力する構成としても良い。

このような構成とすることで、圧電発振器の周波数調整装置に高精度で高価な基準周波数信号発生源を搭載する必要がなくなる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る圧電発振器は、周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する電子回路を備えた圧電発振器であって、前記多項式の各次数の変化の割合及び定数項の値が記録されたメモリと、前記メモリに記録した前記定数項を変更するための入出力端子とを備え、該メモリに前記定数項の単位定数値あたりの発振周波数の変化量がさらに記録されたことを特徴とした。

以下、本発明の圧電発振器の周波数調整方法並びに装置、及び圧電発振器に係る実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に示す実施の形態は、本発明に係る一部の実施形態であり、本発明は以下の実施形態のみに拘束されるものでは無い。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る、圧電発振器の周波数調整装置（以下周波数調整装置という）、及び前記周波数調整装置によって周波数の調整が成される圧電発振器について説明する。
本実施形態の周波数調整装置１０は、圧電発振器（本実施形態では特に電圧制御型温度補償水晶発振器：ＶＣ−ＴＣＸＯ）３０から出力される出力信号と、前記出力信号の周波数の合わせ込みを行う基準となる周波数の信号（基準周波数信号）１６とを入力することにより、調整対象のＶＣ−ＴＣＸＯ３０が所望の周波数の信号を出力するために必要なオフセット発生回路４８の設定値を出力する演算部１２を基本とする。

詳細に説明すると、前記演算部は少なくとも、差分回路１８、除算回路２０、及び減算回路２２とから構成される。
前記差分回路１８とは、ＶＣ−ＴＣＸＯからの出力信号と、前記出力信号の周波数の合わせ込みを行う基準となる基準周波数信号１６とを入力することで、前記基準周波数信号の周波数に対する前記出力信号の周波数の差分を算出する回路である。

除算回路２０とは、前記差分回路によって算出された差分を、後述するＶＣ−ＴＣＸＯ３０のメモリ５４に記録された定数項の単位定数値あたりの周波数の変化量（定数項の値が１（ｓｔｅｐ）変化した場合の周波数の変化量）Δｆ／ｓｔｅｐで割り算する回路であり、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０の出力信号の周波数を補正するために必要な周波数調整量を算出・出力する回路である。

前記減算回路２２は、前記周波数調整量を、後述するＶＣ−ＴＣＸＯ３０のメモリ５４に記録された定数項の値（定数値）から減算した値を算出し、この値を出力する回路である。

また、前記差分回路１８に入力する基準周波数信号１６は、高精度な発振周波数を有する発振器を装置内部に備え、そこから基準周波数信号１６を出力するようにしても良いし、図示しないアンテナを設け、携帯電話等の基地局から発信される基準周波数を受信し、これを基準周波数信号１６としても良い。

次に、本実施形態に係るＶＣ−ＴＣＸＯ３０の構成について説明する。
本実施形態のＶＣ−ＴＣＸＯ３０は、発振部３２と、補償電圧発生部４２と、メモリ５４とを基本構成としている。前記発振部３２は、水晶振動子３６や反転増幅器３４、帰還抵抗４０、可変容量ダイオード（バリキャップ）３３等によって構成され、可変容量ダイオード３３に印加する電圧を制御することで発振周波数を制御することができる発振手段である。前記補償電圧発生部４２は、温度センサ５２によって得られた温度情報に基づいて、水晶振動子３６の周波数特性を相殺して、温度変化に伴う周波数変動を抑制するための電圧を発生させ、前記発振部の可変容量ダイオードへ出力する回路である。前記メモリ５４は、前記補償電圧発生部が発生する補償電圧の温度に対する特性を決定するための設定値を、デジタルデータとして記録する記録手段である。

ここで、温度に対応させてＶＣ−ＴＣＸＯ３０の発振部３２へ出力する補償電圧は、数式１に示す多項式によって求めることができる。

ここで、Ｂ，Ｃ，Ｄは各次数における周波数変動を抑制するための変化の割合、Ｖは発振部へ出力する補償電圧、Ｔは発振時の温度、Ｔ_０は温度特性調整時の常温（例えば２５℃）をそれぞれ示す。

補償電圧発生部４２は、３次関数発生回路４４、１次関数発生回路４６、オフセット発生回路４８、及び加算回路５０とを基本的な構成としている。ここで、３次関数発生回路４４とは、数式１における３次の項の演算を行う回路であって、後述するメモリ５４から入力される３次の項の変化の割合Ｂの値と、温度センサ５２から入力されるＴの値と、予め定められたＴ_０の値とからＢ（Ｔ−Ｔ_０）^３に相当するアナログ電圧を加算回路５０へ出力する回路である。１次関数発生回路４６とは、数式１における１次の項の演算を行う回路であって、後述するメモリ５４から入力される１次の項の変化の割合Ｃの値と、温度センサ５２から入力されるＴの値と、予め定められたＴ０の値とからＣ（Ｔ−Ｔ_０）に相当するアナログ電圧を加算回路５０へ出力する回路である。また、オフセット発生回路４８は、後述するメモリ５４から入力される零次の項（定数項）Ｄの値（定数値）を取得し、これをオフセット値として加算回路５０へアナログ出力する回路である。このように３次関数発生回路４４、１次関数発生回路４６、オフセット発生回路４８のそれぞれからの出力値が入力された加算回路５０では、それぞれのアナログ電圧を加算した電圧を、温度補償電圧として発振部３２へ出力する。

前記メモリ５４は、書き込み読み出しが可能なものであれば良く、一般的にはＥＥＰＲＯＭが用いられている。メモリ５４は、内部容量を複数のブロック（Ｂ，Ｃ，Ｄ等）に分割され、上述した３次の項の変化の割合Ｂ、１次の項の変化の割合Ｃ、定数項Ｄの値がそれぞれブロック毎に記録される構成となっている。また、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０に備えられるメモリ５４は一般的に、ユーザメモリとしてメモリ容量に空きを確保している。本実施形態では、前記メモリ容量の空きを、ブロックＥとして設定し、ブロックＤに記録した定数項Ｄにおける、単位定数値あたりの発振周波数の変化量（周波数変化量）Δｆ／ｓｔｅｐを記録するようにした。

上記のような構成のＶＣ−ＴＣＸＯ３０と周波数調整装置１０との間の各種データの授受は、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０からの出力信号はＶＣ−ＴＣＸＯ３０の出力端子（不図示）を介して、その他のデータはインターフェース回路５６を介した入出力端子から成される。

このような構成のＶＣ−ＴＣＸＯ３０の周波数を上記構成の周波数調整装置１０を用いて調整する場合には、以下の手順に従う。
まず、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０の製造段階における温度特性調整時に、メモリ５４のＤブロックに記録した周波数変化量Δｆ／ｓｔｅｐを測定する（ステップ１００）。

測定したΔｆ／ｓｔｅｐの値をメモリ５４のＥブロックに書き込み記録する（ステップ１１０）。このようにして製造段階を終えたＶＣ−ＴＣＸＯ３０には、電子機器の製造段階にて以下のような調整が施される。

電子機器の製造段階において基板に実装されたＶＣ−ＴＣＸＯ３０は、リフロー工程による熱衝撃やエージング等により、温度に対する周波数特性（温度特性）に変化が生じるため、変化後の温度特性に対する補正行う必要がある。

まず、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０の出力端子から出力する出力信号を、周波数調整装置１０へ入力する（ステップ１２０）。

熱衝撃やエージングによる周波数温度特性の変化は、横軸が温度、縦軸が周波数のグラフにおいて、周波数全体が周波数軸方向に均一にシフトするため、その補正をするためにはシフト量、すなわち数式１に示す多項式の定数項Ｄを調整すれば良い。

周波数調整装置１０に入力されたＶＣ−ＴＣＸＯ３０の出力信号と、周波数の合わせ込みを行う基準となる基準周波数の信号１６とを差分回路１８へ入力する。２つの信号を入力された差分回路１８では、前記基準周波数の信号１６の周波数に対する出力信号の周波数の差分が求められ、除算回路２０へ出力される（ステップ１３０）。

次に、インターフェース回路５６を介してメモリ５４のＥブロックからΔｆ／ｓｔｅｐの値を読み出し、除算回路２０へ入力する（ステップ１４０）。
除算回路２０では、前記差分回路１８からの出力信号である差分周波数信号を前記メモリ５４のＥブロックから読み出したΔｆ／ｓｔｅｐで割り算することで、周波数の補正を行うための周波数調整量を算出し、当該周波数調整量を減算回路２２へ出力する（ステップ１５０）。

次に、インターフェース回路５６を介してメモリ５４のＤブロックに記録された定数項の値（定数値）Ｄを読み出し、減算回路２２へ入力する（ステップ１６０）。
減算回路２２では、メモリ５４のＤブロックから読み出した定数値Ｄから、前記除算回路２０から入力された周波数調整量を減算し、新たな定数値Ｄ´を算出して出力する（ステップ１７０）。

次に、減算回路２２から出力された新たな定数値Ｄ´を、インターフェース回路５６を介してＶＣ−ＴＣＸＯ３０へ入力し、メモリ５４のＤブロックに記録された定数値Ｄを、定数値Ｄ´へ書き換える（ステップ１８０）。

上記のようにして基板実装後のＶＣ−ＴＣＸＯ３０の周波数調整を行うことにより、外部から基準周波数信号を得ることができないＰＨＳや計測機器等であっても、製品として高精度なものを提供することができる。また、既存のＶＣ−ＴＣＸＯ３０の回路構成を利用することができるため、新たな回路設計等を行う必要が無い。さらに、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０の回路構成は従来と同様なため、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０が大型化する虞が無く、小型化・薄型化を望む市場の要望と合致する。

上記実施形態では、多項式における定数項の単位定数あたりの発振周波数の変化量Δｆ／ｓｔｅｐを、メモリ５４の空き容量であるＥブロックに記録する旨記載した。しかしながら、本発明のＶＣ−ＴＣＸＯ３０の周波数調整方法を実施する上では、Δｆ／ｓｔｅｐは、その値を知ることができれば良いため、必ずしもメモリ５４に記録する必要は無い。すなわち、ＶＣ−ＴＣＸＯ３０のサンプル毎のΔｆ／ｓｔｅｐを別の記録媒体に記録して保管・取引するようにしたとしても、本発明のＶＣ−ＴＣＸＯ３０の周波数調整方法を実施することはできる。

また、上記実施形態では、多項式における定数項の単位定数あたりの発振周波数の変化量Δｆ／ｓｔｅｐ（Ｈｚ）を用いたが、この変化量Δｆ／ｓｔｅｐは、必ずしも周波数の絶対値（Ｈｚ）である必要はなく、基準周波数に対する偏差（ｐｐｍ）であっても良い。なお、変化量として偏差を用いる場合は、差分回路１８において、基準周波数に対するＶＣ−ＴＣＸＯ３０の出力周波数の偏差を出力するようにし、除算回路に入力される値の単位系を同じにする。

本発明に係る電圧制御型温度補償水晶発振器の調整装置と電圧制御型温度補償水晶発振器の構成を示すブロック図である。 基板実装後の電圧制御型温度補償水晶発振器の周波数調整方法のフローチャートである。

符号の説明

１０………電圧制御型温度補償水晶発振器の周波数調整装置（周波数調整装置）、１２………演算部、１６………基準周波数信号（基準周波数の信号）、１８………差分回路、２０………除算回路、２２………減算回路。

Claims (4)

1. 周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する電子回路を備えた圧電発振器の基板実装後における発振周波数の調整方法であって、
   基板実装後の前記圧電発振器の発振周波数を検出し、
   前記圧電発振器に要求される基準周波数と前記検出した発振周波数との差分を求め、
   求めた前記差分をメモリに予め記憶された前記多項式の定数項の単位定数値あたりの前記発振周波数の周波数変化量と比較し、
   比較結果に基づいて前記圧電発振器に内蔵したメモリに記録された前記定数項の定数値を変える、
   ことを特徴とする圧電発振器の周波数調整方法。
2. 周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する回路を備えた圧電発振器の発振周波数を、前記圧電発振器を基板に実装した後に調整する装置であって、
   前記圧電発振器に要求される基準周波数の信号と、前記圧電発振器からの出力信号とを入力することで前記基準周波数と、前記出力信号との差分を算出する差分回路と、
   前記差分を、前記圧電発振器の製造段階において圧電発振器に内蔵したメモリに記録させた前記多項式の定数項の単位定数値あたりの発振周波数の変化量で除算して周波数調整量を算出する除算回路と、
   前記除算回路によって算出された周波数調整量を前記メモリに記録した、多項式の定数項から減算した値を算出する減算回路とを備え、
   前記減算した値を、前記多項式の新たな定数項の値として出力し、前記メモリに記録した定数項の値を変更し、前記圧電発振器の出力信号の周波数調整を行うことを可能としたことを特徴とする圧電発振器の周波数調整装置。
3. 受信アンテナを備え、前記基準周波数の信号を外部から受信し、当該受信した基準周波数信号を前記差分回路へ入力することを特徴とする請求項２に記載の圧電発振器の周波数調整装置。
4. 周波数温度特性を補正する多項式に基づいて補償電圧を発生する電子回路を備えた圧電発振器であって、
   前記多項式の各次数の変化の割合及び定数項の値が記録されたメモリと、
   前記メモリに記録した前記定数項を変更するための入出力端子とを備え、
   該メモリに前記定数項の単位定数値あたりの発振周波数の変化量がさらに記録されたことを特徴とする圧電発振器。

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