JP2008193255A - 音叉型水晶発振器の製造方法及び音叉型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度補償された音叉型水晶発振器を低コストで提供することが可能な音叉型水晶発振器の製造方法及び音叉型水晶発振器を提供する。
【解決手段】音叉型水晶発振器の製造方法であって、予め設定された補正直線を発生させる補正電圧発生回路により、音叉型水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の音叉型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音叉型水晶発振器の製造を行うことを特徴とする音叉型水晶発振器の製造方法を提供する。
また、本発明に係る音叉型水晶発振器は、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音叉型水晶発振器であって、前記補正電圧発生回路が、補正直線を発生させる回路を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償を行う音叉型水晶発振器の製造方法及び音叉型水晶発振器に関する。

近年、電子機器には必ずといって良いほど時計機能が内蔵されるようなった。この理由は電子機器にタイマー機能が必須となったこと、及び、水晶発振式による時計（いわゆるクオーツ時計）が安価で大量に生産可能となったことに起因する。最近では携帯電話をはじめとするモバイル機器が目覚しい進歩を遂げているが、これらの機器にも時計機能は必須となっているため、音叉型水晶振動子の需要は益々増大している。

一方、モバイル機器の発展・普及に伴い、機器を構成する使用部品に対しては使用温度範囲の拡大が求められている。時計機能を構成する音叉型水晶振動子も例外ではなく、低温側-40℃程度、高温側は80℃以上で使用できるという保証を求められることも少なくない。音叉型振動子の周波数温度特性は、X軸に温度変化を、Y軸に周波数をとると、２次の曲線を描く為、頂点温度（通常の設計では室温）から離れれば離れるほど、周波数は外れてしまい、室温から離れた温度で長時間使用すると、指し示す時間に誤差を生じてしまう結果となる。この問題の解決方法の一つとして、ATカット振動子を使用したTCXO（温度補正型水晶発振器）を用いる方法がある。

しかし、ATカット振動子は温度特性には優れるが10ＭＨｚ以上の高い周波数でなければ安価に生産できないという問題がある。また、ATカット水晶振動子を用いたTCXOは高い周波数を発振・出力させるため、音叉型発振器よりも消費電力が増加するという欠点が生じる。従ってバッテリーによる駆動時間の長さも重要な要素として考慮されるモバイル機器には敬遠される傾向にある。広い温度範囲で電力消費の少ない時計用発振器を構成しようとした場合、音叉型水晶振動子から出る発振信号を直接補正する必要が生じる。この直接の補正方法として、以下のような方法が用いられる。
（１）主に用いられる方法として、例えば特許文献１のように、温度範囲を細かく区切り、区切った温度範囲内で所望の周波数に調整する方法（いわゆるデジタル補正）があり、この方法では精度の良い温度補正が可能である。
（２）さらに、例えば特許文献２のように、位相の連続性を維持するために、可変容量ダイオードと２次の特性を持つコンデンサを組み合わせた補正回路が提案されている。この方法では位相の連続性を確保しつつ、精度の良い補正が可能である。
特開昭６０−１７３４９２号公報 特開２００１−２６７８４８号公報

しかし、上記（１）に記載の方法では、補正手順が煩雑であり、大量生産の部品の補正方法としては不適切である。また、回路規模も大きいため、部品の小型化には適さない。さらにデジタル補正であるため、位相の連続性が保たれないという問題がある。

また、上記（２）に記載の方法では、位相の連続性が確保され、これにより上記（１）に記載の方法における問題点は解消できるものの、音叉型水晶振動子の温度特性頂点温度に合わせた特殊なコンデンサを必要とするため、コストが高くなるという問題点が更に生じる。

一方、時計用発振器の具体的なニーズとして、−４０℃〜８５℃程度の使用温度範囲において±30ppmから±40ppm程度の精度が確保されれば十分というニーズもある。

そこで本発明は、温度補償された音叉型水晶発振器を低コストで提供することが可能な音叉型水晶発振器の製造方法及び音叉型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、本発明に係る音叉型水晶発振器の製造方法、及び、音叉型水晶発振器は、以下のような特徴を有する。
（１）音叉型水晶発振器の製造方法であって、予め設定された補正直線を発生させる補正電圧発生回路により、音叉型水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の音叉型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音叉型水晶発振器の製造を行うことを特徴とする。
（２）上記（１）において、音叉型水晶発振器の出力の温度依存特性が、前記音叉型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±３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
（３）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音叉型水晶発振器であって、前記補正電圧発生回路が、補正直線を発生させる回路を有するものであることを特徴とする。
（４）上記（３）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直線の傾き量、及び／または、前記補正直線のオフセット量の調整を行うことを特徴とする。

本発明によれば、温度補償された音叉型水晶発振器を低コストで提供することが可能な音叉型水晶発振器の製造方法、及び、その方法により製造され温度補償された低コストな音叉型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は本発明に係る音叉型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、本発明に係る音叉型水晶発振器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。補正電圧発生回路３は、予め設定された補正直線を発生させることにより、水晶発振回路２での音叉型水晶振動子の温度特性の補正を行う。

図２に、補正電圧発生回路３を構成する回路配置の一例を示す。図２に示すように、補正電圧発生回路３は、アンプ、オフセット、セレクター及びコンパレータ３１により構成することができる。なお、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。

図中のＰ信号は温度の上昇に従って温度検知電圧が上昇していく信号であり、Ｎ信号は温度の上昇に従って温度検知電圧が下降していく信号を意味する。Ｐ信号及びＮ信号はアンプにおいて補正直線の傾斜が変更される。また、アンプから出力されたＰ信号及びＮ信号により、オフセット調整回路において、オフセット量が調整される。オフセット調整回路から出力されたＰ信号及びＮ信号のうち、コンパレータでの制御により、温度に応じていずれか一方の信号が、セレクターにおいて選択される。即ち、折り返し温度Ｔｐ未満である場合は、Ｐ信号が選択され、折り返し温度Ｔｐ以上である場合は、Ｎ信号が選択される。このようにして、音叉型水晶振動子の温度特性の補正が行われる。

図２に示すような回路構成とすることで、予め設定された補正直線に基づいて、温度センサー４で計測した音叉型水晶振動子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、前記補正直線は、個別の音叉型水晶振動子毎に調整を行うのではなく、各製造会社の音叉型水晶発振器製品毎に予め決定された補正直線を用いることに特徴がある。

これにより、個々の音叉型水晶振動子毎に補正曲線によって調整を行うという多大な手間のかかる作業を回避することができ、所定の精度で温度補償された音叉型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、本実施の形態においては、図２により示される補正直線を発生させる回路を有するものである。ここで、前記補正直線を発生させる回路を有するとは、本実施の形態においては、補正直線を発生させる回路としては図２に示す回路が存在し、他の回路、例えばさらに２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。ただし、本発明が図２に示す本実施の形態に限定されないことは、前述のとおりである。

本実施の形態においては、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。

なお、使用する音叉型水晶振動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音叉型水晶振動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直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、異なった素性の音叉型水晶振動子を使用する異なった発振周波数の音叉型水晶発振器を製造するためには、複数の異なった補正直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。

ここで、補正直線を発生させる補正電圧発生回路により、個々の音叉型水晶振動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音叉型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。通常、音叉型水晶発振器に求められる発振周波数の変動幅の仕様は、−４０℃〜８５℃において±３０〜±４０ｐｐｍ程度である。

図３に、音叉型水晶振動子の温度特性を補正直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３（ａ）は、音叉型水晶振動子の温度特性の一例である（実線）。図３（ａ）に示すように、音叉型水晶振動子は２次の温度特性を有しており、常温（２５℃）を０ｐｐｍとすると、−４０℃で−１３５ｐｐｍ、８５℃で−１３３ｐｐｍ程度変動している。図３（ｂ）には、補正直線の一例（破線）を、さらに図３（ｃ）には、この補正直線によって補正を行った音叉型水晶発振器の温度特性の一例（実線）を示す。

図３（ｃ）に示されるように、２次の温度特性を有する音叉型水晶振動子を補正直線で補正したのでは、音叉型水晶発振子の温度特性を完全に打ち消すことまではできないが、−４０℃〜８５℃の温度範囲で±２５ｐｐｍと、仕様を十分満たす範囲に変動を抑制することができた。

補正方法は次のとおりである。音叉型水晶振動子の頂点温度より低温側の水晶振動子温度特性を求め、求めた特性を直線近似する。

高温側は低温側で求めた補正直線を頂点温度で折り返して補正する。本発明では、このような単純な補正方法であるため、−４０℃〜８５℃という比較的広い温度範囲内において従来製品と同一の仕様レベルを維持することが可能となる。

即ち、精度の高い調整は行わないため、一度補正直線を決めたら、同じ製品では同じ補正直線を用いれば良い。したがって、生産性も向上する。位相の連続性という意味では、1ポイント（２５℃）においてのみ、不連続点が発生するが、この不連続点の個数はデジタル補正に比較すればはるかに少ない。

また、上記1ポイントの不連続点が常温（２５℃）で発生する点を回避するため、補正直線を３本用いて音叉型水晶振動子の温度特性の補正を行った場合のシミュレーション結果の一例を、図４に示す。

図４（ａ）は、音叉型水晶振動子の温度特性の一例である（実線）。一方、図３（ｂ）には、補正直線の一例（破線）を、また、図３（ｃ）は、この補正直線によって補正を行った音叉型水晶発振器の温度特性の一例（実線）を示す。

図４（ｂ）に示されるように、全体の温度域（−４０℃〜８５℃）を０℃〜４５℃の常温域、４５℃〜８５℃の高温域、及び、−４０℃〜０℃の低温域の３領域に分割する。そして、常温域においては、補正一定とし、補正を行わず、常温域を外れた高温域及び低温域においてのみ補正を行う。

図４（ｃ）に示されるように、位相の不連続性は、０℃と４５℃の２ポイントにおいて発生するが、この領域は、音叉型水晶振動子を用いた水晶発振器がよく使用される常温の温度領域（０℃〜４０℃）を概ね避けることができる。また、全体の温度域を３領域に分割することにより、より精度高く補正することが可能となる。

図５は、本発明に係る補正直線の傾き及びオフセット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。図５に示すように、例えば、回路内に設けられたＲＯＭ（Read Only Memory）５に書き込まれたデータにより、補正直線の傾き、折り返し温度、及び、ｆ０（常温における発振出力周波数）の調整を行うことができる。

本発明においては、上記方法により、音叉型水晶振動子の製品単位毎に、予め上記の補正直線の傾き、折り返し温度、及び、ｆ０を調整するものである。これにより、同じ製品単位の音叉型水晶振動子を用いる場合には、個別の音叉型水晶振動子毎の調整を省略した場合においても、音叉型水晶発振器の出力の温度依存特性が、音叉型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±２５ｐｐｍ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、複数の補正直線の中から選択された１つの補正直線を発生させるように構成することができる。

図６に、本発明に係る水晶発振器１を構成する音叉型水晶発振器用ＩＣの構成の一例を示す。図６に示すように、音叉型水晶発振器用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化が可能となる。

本発明に係る音叉型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。 音叉型水晶振動子の温度特性を、補正直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。 音叉型水晶振動子の温度特性を、補正直線を用いて補正した場合のシミュレーション結果の他の一例を示す図である。 本発明に係る補正直線の傾き及びオフセット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。 本発明に係る音叉型水晶発振器を構成する音叉型水晶発振器用ＩＣの構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 音叉型水晶発振器
２ 水晶発振回路
２１ 音叉型水晶振動子
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
４ 温度センサー
５ ＲＯＭ

Claims (4)

1. 音叉型水晶発振器の製造方法であって、予め設定された補正直線を発生させる補正電圧発生回路により、音叉型水晶発振子の温度特性の補正を行うことで、個別の音叉型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音叉型水晶発振器の製造を行うことを特徴とする音叉型水晶発振器の製造方法。
2. 音叉型水晶発振器の出力の温度依存特性が、前記音叉型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±３０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型水晶発振器の製造方法。
3. 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音叉型水晶発振器であって、前記補正電圧発生回路が、補正直線を発生させる回路を有するものであることを特徴とする音叉型水晶発振器。
4. 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直線の傾き量、及び／または、前記補正直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に記載の音叉型水晶発振器。

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