JP2007104162A - 水晶発振器の製造方法及び水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度補償された水晶発振器を低コストで提供することが可能な水晶発振器の製造方法及び水晶発振器を提供する。
【解決手段】予め設定された５次項を含む補正曲線を発生させる補正電圧発生回路３により、水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うこと無しに温度補償された水晶発振器１の製造を行う。
また、本発明に係る水晶発振器１は、水晶発振回路２と、補正電圧発生回路３と、温度センサー４とを備えた水晶発振器であって、前記補正電圧発生回路３が、主として５次項の補正曲線を発生させる回路のみを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償型の水晶発振器の製造方法及び水晶発振器に関する。

水晶発振子を使用した水晶発振器は、電子機器や電気通信機器等に、安定な周波数または時間の制御基準を供給するための信号発生器として、近年需要が増大している。

水晶発振子を使用した水晶発振器としては、ＳＰＸＯ（Simple Packaged Crystal Oscillator）と呼ばれる温度制御または温度補償をしていない水晶発振器と、ＴＣＸＯ（Temperature Compensated Crystal Oscillator）と呼ばれる温度補償回路を付加して、周囲温度の影響による出力周波数変化を抑制した水晶発振器等が商品化されている。これらの水晶発振器は、その使用目的や制御に必要な精度等により使い分けが行われている。

水晶発振器に使用される水晶発振子は、その切断方位により、その温度特性が異なることが知られている。なお、一般には、ＡＴ−Ｃｕｔと呼ばれる方位で切断を行ったＡＴ−Ｃｕｔ水晶発振子が最も広く用いられている。

このＡＴ−Ｃｕｔ水晶発振子は、その共振周波数が温度の変化に対し３次の曲線を描く。ここで、このようなＡＴ−Ｃｕｔ水晶発振子を用いた発振器の温度変化に対する周波数精度を向上させる方法としては以下のような方法が用いられる。

（１）ＳＰＸＯ水晶発振器の場合、使用温度範囲をある程度狭い温度範囲に指定し、その狭い温度範囲に水晶発振子の切断角度を合わせ込み、温度に対する共振周波数の変化を小さくする方法が用いられる。

（２）また、ＴＣＸＯ水晶発振器の場合、水晶発振子を用いた発振回路（ＶＣＸＯ回路）に温度に対する補正回路を付加し、水晶発振子の共振周波数の変化を打ち消すような信号を発生させて温度特性を補正する方法が用いられる。このような方法として、例えば特許文献１には、水晶発振子の温度特性が３次関数と１次関数との和で近似することできる点に着目し、温度検出回路で温度変化に対して１次関数的に変化する温度検出値を得、これを近似３次曲線発生回路に入力することにより、水晶発振子の特性の３次成分に近似する近似３次曲線の出力を得、この近似３次曲線出力と温度検出回路の１次関数的な温度検出値とを制御信号形成回路で加算することにより、水晶発振子の温度特性に対応した温度変化に対して連続的な電圧制御水晶発振回路に対する制御信号形成する方法が記載されている。さらに、特許文献２には、温度に対する補正回路として３次以上の関数発生回路（０次、１次、３次、５次の関数発生回路）を用いた温度補償型水晶発振器が記載されている。
特開平９−５５６２４号公報 特開２００４−２７２８８２号公報

しかし、上記（１）に記載の方法は、水晶固有の特性を状況に応じて使い分けているに過ぎないため、条件すなわち使用温度範囲が狭く限定されてしまうという問題がある。また、温度に対する補正を行っていないため、水晶発振器の一般的な使用保証温度範囲−４０℃〜８５℃においては、±３０ｐｐｍ程度のばらつきが発生し、用途が限定されてしまうという問題がある。

また、上記（２）に記載の方法は、正確な補正ができるという点では、非常に有効な方法であり、水晶発振器の一般的な使用保証温度範囲−４０℃〜８５℃においては、±２．５ｐｐｍ以下のばらつきに抑えることは十分に可能である。しかし、正確な補正を行うためには、個々の水晶発振子毎に温度に対する周波数特性を測定し、それに合わせて補正曲線のマッチング、つまり係数調整を行う必要があり、多大な手間がかかると共に、製造コストが高くなるという問題がある。

一方、水晶発振器の用途として、−４０℃〜８５℃程度の使用温度範囲において、±１０ｐｐｍ以下程度のばらつき精度が出れば仕様的には十分である用途に対するニーズが高い。この場合、上記ＳＰＸＯ水晶発振器では仕様を満足せず、また上記ＴＣＸＯ水晶発振器ではオーバースペックになりすぎ、発振器のコスト削減を図れないという問題がある。

そこで本発明は、温度補償された水晶発振器を低コストで提供することが可能な水晶発振器の製造方法及び水晶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、本発明に係る半導体集積回路は以下のような特徴を有する。
［１］予め設定された５次項を含む補正曲線を発生させる補正電圧発生回路により、水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うこと無しに温度補償された水晶発振器の製造を行うことを特徴とする水晶発振器の製造方法。
［２］上記［１］において、補正電圧発生回路が、予め設定された、５次項を含む複数の補正曲線の中から選択された１つの補正曲線を発生させるものであることを特徴とする水晶発振器の製造方法。
［３］上記［１］または［２］において、水晶発振器の出力の温度依存特性が、前記水晶発振器の使用温度範囲内である−４０℃〜８５℃の温度範囲内で±１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする水晶発振器の製造方法。
［４］水晶発振回路と、補正電圧発生回路と、温度センサーとを備えた水晶発振器であって、
前記補正電圧発生回路が、主として５次項の補正曲線を発生させる回路のみを有するものであることを特徴とする水晶発振器。
［５］上記［４］において、さらにＲＯＭを備え、
該ＲＯＭに記憶されたデータに基づいて、補正電圧発生回路で発生される補正曲線の、１次項の係数として表される前記補正曲線の傾き量、及び／または、０次項の係数として表される前記補正曲線のオフセット量の調整を行うことを特徴とする水晶発振器。

本発明によれば、温度補償された水晶発振器を低コストで提供することが可能な水晶発振器の製造方法及びその方法により製造された温度補償された低コストな水晶発振器が提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

図１は本発明に係る水晶発振器の一実施形態を示す機能ブロック図である。図１に示すように、本発明に係る水晶発振器１は、水晶発振回路２と、補正電圧発生回路３と、温度センサー４とを備える。なお、前記水晶発振回路２としては、ここでは電圧制御水晶発振回路（ＶＣＸＯ）が用いられる。

ここで、前記補正電圧発生回路３は、予め設定された５次項を含む補正曲線を発生させることにより、前記水晶発振回路２での水晶発振子の温度特性の補正を行う。

図２に、前記補正電圧発生回路３を構成する回路配置の一例を示す。なお、前記補正電圧発生回路３の構成は図２に示す場合に限定されない。図２に示すように、この補正電圧発生回路３は、コンパレータ３１と、加算器３２とにより構成することができる。前記コンパレータ３１には、水晶発振子（図１の２１）周辺の温度を計測する温度センサー４からの出力信号ＶＴと、基準電圧Ｖ０ とが入力される。このコンパレータ３１からの出力信号ＶＣは、加算器３２に入力される。この加算器３２では、前記コンパレータ３１からの出力信号ＶＣと温度センサー４からの出力信号ＶＴとが入力され、加算された結果として補正信号ＶＲが出力される。

図２に示すような回路構成とすることで、予め設定された５次項を含む補正曲線に基づいて、温度センサー４で計測した水晶発振子２１の周辺温度に対応した補正値が出力される。本発明においては、前記５次項を含む補正曲線は、個別の水晶発振子毎に調整を行うのではなく、各製造会社の水晶発振器製品毎に予め決定された補正曲線を用いることを特徴としている。これにより、個々の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うという多大な手間のかかる作業が回避でき、所定の精度で温度補償された水晶発振器を低コストで提供することが可能となる。

また、本発明においては、図２により示される主として５次項の補正曲線を発生させる回路のみを有するものである。ここで、前記主として５次項の補正曲線を発生させる回路のみを有するとは、本発明においては、補正曲線を発生させる回路としては図２に示す回路のみが存在し、他の回路、例えばさらに３次項等を発生させる回路を別途備えていないことを意味するものである。

図２により示される回路は、５次項のみを有する補正曲線を発生させるものではなく、結果的にそれ以外の項が発生する場合もあるが、主として５次項により補正を行うことを意図して各パラメータの設定を行ったものである。これは、上述の特許文献２の段落番号［０００６］に記載されている「温度補償に対する要求精度がさらに高いものについては、４次、５次といった高い次数での制御技術が必要になる」とは補正方法が全く異なるものである。特許文献２に記載されているような、精度の高い制御を要求される水晶発振器の場合は、あくまでも、水晶発振子が持つ３次の温度特性の補正を行った上で、付加的に４次、５次といった項による補正を行うものである。従って、特許文献２における図１の回路は、「主として３次項の補正曲線を発生させるとともに、付加的に、５次項の補正曲線を発生させる回路」であり、本発明の「主として５次項の補正曲線を発生させる回路」とは発明の思想が異なるものである。

本発明においては、図２に示すような構成とすることで、回路構成が非常にシンプルとなり低コスト化に大きく寄与する。

ここで、５次項を含む補正曲線を発生させる補正電圧発生回路により、個々の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うことなく、低コストでかつ要求される仕様を満たす水晶発振器を提供することを、シミュレーションによって検証した。ここで、水晶発振器に求められる発振周波数の変動幅は、−４５℃〜８５℃において±１０ｐｐｍ未満であるとする。

図３（ａ）〜（ｄ）に、水晶発振子の温度特性を補正曲線を用いて補正した場合のシミュレーション結果の一例を示す。なお、図３（ａ）〜（ｄ）において、水晶発振子の温度特性を細い実線で、補正曲線を破線で、補正を行った水晶発振器の温度特性を太い実線で示す。

図３（ａ）に、ＡＴ−Ｃｕｔ水晶発振子の温度特性の一例を示す（細実線）。図に示すように、水晶発振子は３次の温度特性を有しており、−４５℃〜８５℃の温度範囲で−２４ｐｐｍ〜＋１３ｐｐｍの範囲で変動する。図３（ａ）にはさらに、５次項のみを含む補正曲線の一例（破線）と、この補正曲線よって補正を行った水晶発振器の温度特性の一例（太実線）を示す。ここで使用した補正曲線ｆ（Ｔ）は下式（１）で表される。

ｆ（Ｔ）＝α（Ｔ−Ｔｉ）^５＋γ ・・・（１）
ここで、Ｔｉは、水晶発振子の変極点温度を表し、一般的には３０℃前後の値となる。また、α、γは係数を表す。図３（ａ）に示されるように、３次の温度特性を有する水晶発振子を５次の補正曲線で補正したのでは、発振子の温度特性を完全に打ち消すことはできないが、しかし、−４５℃〜８５℃の温度範囲で±６ｐｐｍと、仕様を満たす範囲に変動を抑制することができた。前述の例は水晶発振子と補正回路側の補正曲線のＴｉが一致した場合の理想的条件である。

しかし、水晶発振子の温度特性は切断角度の許容幅や切断後の生産プロセスにより水晶発振子の温度特性にバラツキを生じる。工業的に大量生産される水晶発振子においては、このバラツキを個々の水晶発振子について、安価に効率良く、かつ正確に把握するのは非常に難しい。従って、水晶発振子本来の温度特性と補正回路側の補正曲線に相違を生じる場合が多々ある。図３（ｂ）に、図３（ａ）に示された水晶発振子と同じ水晶発振子（細実線）に、Ｔｉが高温側に１０℃ずれた補正曲線（破線）を適用した場合の水晶発振器の特性（太実線）を示す。図に示されたように、補正曲線のＴｉが高温側に１０℃ずれた場合であっても、−４５℃〜８５℃の温度範囲での変動範囲は−２ｐｐｍ〜＋９ｐｐｍであり、上記の仕様を満たしていることが分かる。

ここでは、異なる補正式を同一の水晶発振子に適用した場合について評価した。しかし、同一の補正式を異なる水晶発振子に適用した場合についても、結果は基本的に同じであると考えられる。

この結果から、５次項を含む補正曲線を発生させる補正電圧発生回路を用いて補正を行うことにより、例えば「−４５℃〜８５℃において１０ｐｐｍ未満」程度の変動幅が許容される使用である場合には、個々の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うことなく、低コストで水晶発振器を提供することが可能である。

一方、図３（ｃ）には、３次項のみを含む補正曲線（破線）によって図３（ａ）に示したものと同じ水晶発振子（細実線）の補正を行った水晶発振器の特性（太実線）の例を示す。図に示されるように、−４５℃〜８５℃で±０．５ｐｐｍと、周波数変動幅の狭い、極めて良好な特性が得られていることがわかる。

次に、図３（ｄ）には、図３（ｃ）に示された水晶発振子と同じ水晶発振子（細実線）に、Ｔｉが高温側に１０℃ずれた補正曲線（破線）を適用した場合の水晶発振器の特性（太実線）を示す。図に示されたように、補正曲線のＴｉが高温側に１０℃ずれた場合、−４５℃〜８５℃の温度範囲での変動範囲は−１ｐｐｍ〜＋１５ｐｐｍと、プラス側の変動量は補正前よりむしろ悪化していることが確認できる。この結果から、３次項を主とする補正曲線を発生させる補正電圧発生回路を用いて補正を行う場合には、１つの補正曲線を異なる水晶発振子に適用したのでは、水晶発振子本来の周波数温度特性をさらに悪化させる場合があり、仕様を満たさない場合がある。すなわち、３次項を主とする補正曲線を発生させる補正電圧発生回路を用いて補正を行う場合には、従来のＴＣＸＯのように、個々の水晶発振子毎に温度特性を算出し補正曲線の調整を行うことが必須である。

なお、使用する水晶発振子の素性が予め分かっている場合、すなわち切断角度の許容幅や水晶発振子の生産プロセスによる温度特性のバラツキが予め把握できている場合には、補正電圧発生回路は、１つの固定された補正曲線を発生させるものでよい。しかし、同一の補正電圧発生回路を用いて、例えば、異なった素性の水晶発振子を使用する異なった発振周波数の水晶発振器を製造するためには、複数の異なった補正曲線を発生できる補正電圧発生回路を用意することが好ましい。

図４は、式（１）の補正式のα、γの設定を行う場合の回路構成の一例を示す機能ブロック図である。ここで、図１、図２と同一の部分には同一の番号を付している。前記αの設定は、例えば、回路内に設けられたＲＯＭ（Read Only Memory）５に書き込まれた係数データにより、加算器３２の帰還抵抗を制御することにより行うことができる。

前記γの設定は、例えば、スイッチドキャパシタ方式の場合、前記水晶発振回路（ＶＣＸＯ）内に複数のキャパシタンスを設け、各キャパシタンスと直列に設けられたＭＯＳスイッチをＲＯＭに書き込まれたデータによりＯＮ／ＯＦＦさせることにより必要な容量を取捨選択して実現することができる。また、もう一つの方法としては、ＲＯＭに書き込まれたデータにより補正電圧値にオフセット電圧を加算して前記水晶発振回路（ＶＣＸＯ）内の可変容量を制御して実現することができる。

本発明においては、上記方法により、水晶発振子の製品単位毎に、予め前記α、γの値を設定するものである。これにより、同じ製品単位の水晶発振子を用いる場合には、個別の水晶発振子毎の調整を省略した場合においても、水晶発振器の出力の温度依存特性が、水晶発振器の使用温度範囲内である−４０℃〜８５℃の温度範囲内で±１０ｐｐｍ以下とすることができる。

このようにして、前記補正電圧発生回路３は、予め設定された、５次項を含む複数の補正曲線の中から選択された１つの補正曲線を発生させるように構成することができる。

図５に、本発明に係る水晶発振器１を構成する水晶発振器用ＩＣの構成の一例を示す。図５に示すように、水晶発振器用ＩＣは、半導体基板上に設けられた、水晶発振回路部２００と、補正電圧発生部３００と、ＲＯＭ５とから構成される。ここで、前記補正電圧発生部３００には、図１及び図２で示した温度センサー４、コンパレータ３１、加算器３２が含まれる。

前記温度センサー４としては、従来から用いられているバイポーラ型温度センサー、サーミスタ型温度センサー等を用いることにより半導体基板上に設けることができ、ＩＣ化可能となる。

以上、本発明に係る上記実施形態においては、補正電圧発生回路がアナログ型の場合について説明したが、本発明における補正電圧発生回路はアナログ型の場合に限られず、デジタル型にも適用可能である。この場合は、例えば、補正電圧発生回路が、ＲＯＭに記憶された各温度における補正値を読み出して、補正電圧を発生するものであってもよい。

本発明に係る水晶発振器の一実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明に係る補正電圧発生回路を構成する回路配置の一例を示す図である。 水晶発振子の温度特性を補正曲線を用いて補正した場合のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本発明に係る補正曲線の係数α及びγの設定を行う場合の回路構成の一例を示す機能ブロック図である。 本発明に係る水晶発振器を構成する水晶発振器用ＩＣの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 水晶発振器
２ 水晶発振回路
２１ 水晶発振子
２００ 水晶発振回路部
３ 補正電圧発生回路
３１ コンパレータ
３００ 補正電圧発生部
３２ 加算器
４ 温度センサー
５ ＲＯＭ

Claims (5)

1. 予め設定された５次項を含む補正曲線を発生させる補正電圧発生回路により、水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の水晶発振子毎に補正曲線の調整を行うこと無しに温度補償された水晶発振器の製造を行うことを特徴とする水晶発振器の製造方法。
2. 前記補正電圧発生回路が、予め設定された、５次項を含む複数の補正曲線の中から選択された１つの補正曲線を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の水晶発振器の製造方法。
3. 水晶発振器の出力の温度依存特性が、前記水晶発振器の使用温度範囲内である−４０℃〜８５℃の温度範囲内で±１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水晶発振器の製造方法。
4. 水晶発振回路と、補正電圧発生回路と、温度センサーとを備えた水晶発振器であって、
   前記補正電圧発生回路が、主として５次項の補正曲線を発生させる回路のみを有するものであることを特徴とする水晶発振器。
5. さらにROMを備え、
   該ROMに記憶されたデータに基づいて、補正電圧発生回路で発生される補正曲線の、１次項の係数として表される前記補正曲線の傾き量、及び／または、０次項の係数として表される前記補正曲線のオフセット量の調整を行うことを特徴とする請求項４に記載の水晶発振器。

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