JP2009182881A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】
温度補償を行う温度ポイント数を増やすことなく、且つ所定の使用温度範囲で従来よりも補償後の周波数偏差変化量が小さい温度補償型水晶発振器を提供すること。
【解決手段】
水晶振動子と集積回路素子を内部に備え、温度感知手段２１０が生成する温度データ信号により温度補償する温度補償型水晶発振器であって、通電することにより発熱し、前記水晶振動子と同一空間内に設けられる加熱手段１０４と、前記集積回路素子内には、前記温度感知手段２１０と、前記加熱手段１０４と、電源電圧端子３０３とに電気的に接続し構成されているスイッチ手段２４０とを備えている温度補償型水晶発振器。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に用いられる温度補償型水晶発振器に関する。

従来、携帯用通信機器等の電子機器には温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）が用いられている。

従来の温度補償型水晶発振器の回路ブロック図を図５に示す。この温度補償型水晶発振器５００には集積回路素子（不図示）が備えられており、その集積回路素子内に構成される電子回路５０１は、温度感知手段５３０と温度補償手段５２０と水晶振動子５１０と発振手段５１１とにより主に構成されている。

温度補償手段５２０は、三次関数発生回路５２１と、記憶回路５２２と、可変容量素子５２３により主に構成されている。温度感知手段５３０の出力端は三次関数発生回路５２１の入力端と接続されており、この三次関数発生回路５２１には記憶回路５２２も接続されている。又、可変容量素子５２３は三次関数発生回路５２１の出力端に接続されている。尚、この可変容量素子５２３としては、例えば可変容量ダイオードが用いられる。

可変容量素子５２３が接続された三次関数発生回路５２１の出力端は、発振手段５１１の入力端に接続されている。この発振手段５１１に水晶振動子５１０が接続され、発振手段５１１の出力端は、増幅手段（不図示）を介して温度補償型水晶発振器５００の出力端に接続されている。

次ぎに各手段及び各回路の動作を説明する。
三次関数発生回路５２１には、温度感知手段５３０を構成する温度センサ素子により生成された周囲温度に基づく温度データ信号が入力される。三次関数発生回路５２１は、その入力された温度データ信号に対応して、記憶回路５２２から三次関数の各次数の項の係数および定数を引き出し、これに応じた三次関数を計算し発生させる。三次関数発生回路５２１は、この三次関数を温度補償信号として可変容量素子５２３に出力する。

この可変容量素子５２３は、三次関数発生回路５２１からの温度補償信号の印加により容量が変化して、水晶振動子５１０が接続された発振手段５１１の発振周波数を調整し、発振手段５１１から出力される信号の周波数を補償する。このように、従来の温度補償型水晶発振器の温度に対する出力信号の周波数偏差の補償方法は、水晶振動子５１０自身の温度に対する周波数偏差を三次関数発生回路５２１から出力される温度補償信号により補償することで行っていた（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。

図６は、従来の温度補償型水晶発振器における、水晶振動子単体の温度に対する周波数偏差Ａと、その周波数偏差を三次関数発生回路で発生させた温度補償信号により補償した場合の周波数偏差Ｂを表したグラフである。尚、図６において、周波数偏差Ａは破線で、周波数偏差Ｂは実線で示す。従来の温度補償型水晶発振器の温度に対する周波数偏差の補償方法では、一般的に−３０℃の低温側から＋８０℃の高温側までの温度範囲を網羅するように、５つの温度ポイント（例えば、−３０℃、０℃、＋２５℃、＋６０℃、＋８０℃）で水晶振動子単体の周波数偏差を実測し、これを三次関数発生回路からの温度補償信号により補償している。これにより温度補償型水晶発振器は、パッケージ型水晶発振器（ＳＰＸＯ）よりも温度変化に対して周波数偏差の変化量が少ない発振器となる。

特開平０９―２６６４０９号公報 特開２００５−３４７９２９号公報

なお、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

このような温度補償型水晶発振器を広い温度範囲で厳しい周波数安定性が要求される通信機器（例えば、ＧＰＳ機能を有する通信機器）に使用した場合、温度に対する周波数偏差値の変化量を、従来の温度補償型水晶発振器よりも更に小さくする必要となる。しかし、実際には三次関数発生回路から発生される三次関数の温度補償信号と水晶振動子の温度に対する周波数偏差との間には差異が生じてしまい、例えば、従来所望する使用温度範囲内で、温度補償型水晶発振器としての温度に対する発振周波数偏差値の変化量を、更に小さくするような温度補償を行うのは困難であった。特に、従来温度補償を行っている温度範囲のうち、−１０℃以下の低温域と＋５０℃以上の高温域では、水晶振動子の温度に対する周波数偏差値の変動量が大きく、又周波数偏差値の絶対値が高いため、温度補償信号との間で著しく差異が生じてしまう。

また、従来の温度補償方法においても温度補償を行う温度ポイントを増やせば、三次関数発生回路から発生される三次関数の温度補償信号を、水晶振動子の温度に対する周波数偏差と合わせることは可能であるが、温度ポイントを増やした場合、その各温度ポイントにおける温度補償状態を測定検査するための温度槽の増設が必要となる。また、それに伴い検査工数及び検査時間が増加し、温度補償型水晶発振器の生産性が低下するという問題が生じる恐れがある。

よって、本発明の目的は、温度補償を行う温度ポイント数を増やすことなく、且つ所定の使用温度範囲で、従来よりも温度に対する周波数偏差値の変化量が小さい温度補償型水晶発振器を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために成されたものであり、水晶振動子と集積回路素子を内部に備え、温度感知手段が生成する温度データ信号により温度補償する温度補償型水晶発振器であって、通電することにより発熱し、水晶振動子と同一空間内に設けられる加熱手段と、集積回路素子内には、温度感知手段と、加熱手段と、電源電圧端子とに電気的に接続し構成されているスイッチ手段とを備えていることを特徴とする温度補償型水晶発振器である。

また、このスイッチ手段は、温度データ信号が０℃を意味する場合を境にして、０℃未満の場合に加熱手段を通電させ、０℃以上の場合に加熱手段の通電を止めるものであることを特徴とする温度補償型水晶発振器でもある。

更に、このスイッチ手段が、トランジスタ素子を使用したスイッチ回路で構成されていることを特徴とする温度補償型水晶発振器でもある。

本発明による温度補償型水晶発振器によれば、水晶振動子を搭載した容器体の温度として温度感知手段が０℃未満の温度を感知すると、その温度に対応する温度データ信号が温度感知手段から出力され、スイッチ手段に入力される。入力された０℃未満の温度に応じた温度データ信号により、スイッチ手段がＯＮ状態となり、水晶振動子と同じ空間に設けられた加熱手段に通電し加熱手段が発熱する。

その後、加熱手段の発熱作用等により、水晶振動子を含む容器体内の温度が０℃以上となると、温度感知手段がその温度を感知し０℃以上の温度に応じた温度データ信号を出力する。この温度データ信号はスイッチ手段に入力され、スイッチ手段はＯＦＦ状態となり、加熱手段への通電がなくなり加熱手段の発熱が止まる。この温度感知とそれに応じたスイッチ手段のＯＮ／ＯＦＦ状態の切り替えの繰り返しにより、温度補償型水晶発振器の外部環境温度が０℃未満になっても、その水晶振動子が搭載されている容器体内は加熱手段により０℃以上に保たれる。

これにより、容器体内に搭載されている水晶振動子の温度も、容器体内の温度と同じ温度になる。本発明の温度補償型水晶発振器では、加熱手段により０℃以上の温度に保たれた容器体内に搭載されることにより、同じく０℃以上の温度となる水晶振動子に対して温度補償を行えばよく、従来０℃未満に設定されていた温度補償の温度ポイントを、０℃以上の温度範囲内に振り分けることができる。よって、０℃以上の温度範囲での温度補償を行う温度ポイント数が増加し、三次関数発生回路から発生される計算上の三次関数の温度補償信号と水晶振動子の温度に対する周波数偏差との差異が小さくなり、補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくすることができる。

例えば、温度補償を行う５つの温度ポイントを、０℃、＋２５℃、＋５０℃、＋６５℃、＋８０℃として補償を行うことにより、問題であった＋５０℃以上の温度範囲で温度補償を行う温度ポイント数を従来より増やすことができる。よって、水晶振動子の温度変化に対する周波数偏差値の変動量が大きい＋５０℃以上の温度範囲で、三次関数発生回路から発生される計算上の三次関数の温度補償信号と水晶振動子の温度に対する周波数偏差との差異を小さくすることができ、補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくすることが可能となる。

又、本発明の温度補償型水晶発振器では、温度補償を行う温度ポイント数を従来と比べて増すことなく、温度補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくすることが可能となる。従って、従来のように、温度補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくするための温度ポイント数増加に伴う検査測定用の温度槽の増設が不要となる。よって、温度槽増設に伴う検査測定工数及び時間の増加がなく、温度補償型水晶発振器の生産性が低下することがない。

以上のように、本発明の温度補償型水晶発振器は、温度補償を行う温度ポイント数を増やすことなく、且つ所定の使用温度範囲で従来よりも補償後の周波数偏差変化量が小さい温度補償型水晶発振器を提供する効果を奏する。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。

図１は本発明の実施形態に係る温度補償型水晶発振器の構造断面図である。図２は本発明の実施形態に係る温度補償型水晶発振器の回路構成を示す概略のブロック図である。図３は、可変容量素子と発振手段とスイッチ手段とを回路素子で示した図である。

図１に示すように、温度補償型水晶発振器１００は、容器１０１、蓋体１０２、水晶振動子１０３、加熱手段１０４、集積回路素子１０５とから主に構成されている。容器体１０１は、平面視矩形状の基板１０１ａの両主面に枠体１０１ｂ及び１０１ｃをそれぞれ設けることにより構成され、それにより基板１０１ａの両主面上それぞれに凹状のキャビティー部１０６ａ及び１０６ｂが形成されている。

蓋体１０２は、金属製の平板であり、キャビティー部１０６ａの開口部を覆う形態で容器体１０１に接合され、キャビティー部１０６ａ内を気密に封止している。水晶振動子１０３は、平面視矩形状の水晶素板の両主面に励振用電極とその励振用電極から延設された引出電極が設けられており、キャビティー部１０６ａ内に搭載されている。

加熱手段１０４は、キャビティー部１０６ａ内に水晶振動子１０３と同一空間に搭載されている。この加熱手段１０４は、水晶振動子１０３と枠体１０１ｂのキャビティー部１０６ａに露出する側壁面との間の空間の、キャビティー部１０６ａ内に露出する基板１０１ａの主面上に設けられており、枠体１０１ｂのキャビティー部１０６ａに露出する側壁面に隣接して設けられている。又この加熱手段１０４には、通電することにより発熱するセラミックヒータやコイル状のヒータが用いられている。

集積回路素子１０５は、キャビティー部１０６ｂ内に搭載されており、この集積回路素子１０５内には、後述する各手段により構成される電子回路が設けられている。この電子回路は、水晶振動子１０３、加熱手段１０４、及び容器体１０１に設けられた外部接続用電極端子１０７と電気的に接続されている。又、この集積回路素子１０５と容器体１０１との間にはアンダーフィル樹脂１０８が塗布固化されている。

温度補償型水晶発振器１００の集積回路素子１０５内に設けられた電子回路２００は、図２及び図３に示すように、温度感知手段２１０、温度補償手段２２０、発振手段２３０及びスイッチ手段２４０により主に構成されている。

温度感知手段２１０は、周囲温度を検出してその温度に対応する電圧値の温度データ信号を出力する温度センサ素子２１１とその温度センサ素子と接続した配線からなる。この配線は後述する温度補償手段２２０を構成する三次関数発生回路２２１に接続されている。尚、本実施形態における温度センサ素子２１１は、図４（ａ）のように０℃以上の温度を感知した場合、温度データ信号として０．７（Ｖ）以上の電圧値の信号を出力し、０℃未満の温度を感知した場合は、温度データ信号として０．７（Ｖ）未満の電圧値の信号を出力する特性を有している。

温度補償手段２２０は、三次関数発生回路２２１、記憶回路２２２、可変容量素子２２３、及びそれら回路等を電気的に接続する配線から主に構成されている。前記した温度感知手段２１０により出力された温度データ信号は、三次関数発生回路２２１へ入力される。温度データ信号が入力された三次関数発生回路２２１は記憶回路２２２にアクセスし、記憶回路２２２からこの温度データ信号に基づいた３次関数の各次数の項の係数および定数を読み出す。三次関数発生回路２２１は、記憶回路２２２から読み出した３次関数の各次数の項の係数および定数に応じた３次関数の温度補償信号を発生させ出力する。出力された温度補償信号は、三次関数発生回路２２１の出力端に接続された可変容量素子２２３に与える。

尚図３に示すように、この可変容量素子２２３としては、例えば可変容量ダイオードが用いられており、その場合は可変容量ダイオードのカソード端が、三次関数発生回路２２１の出力端と水晶振動子１０３の各端子と接続することとなる。このように接続された可変容量素子２２３の容量が、温度補償信号の印加により変化して、後述する発振手段２３０により生成された発振周波数値を補償し平坦化する。

発振手段２３０には、既知であるコルピッツ型又はインバータ型の発振回路が用いられている。例えば、図３に示したようなインバータ型の発振回路では、第１のインバータ３０５の入力端に水晶振動子１０３の一方の端子が接続され、負荷容量として温度補償手段２２０を構成する第１の可変容量ダイオード２２３ａのカソード端が接続されている。又第１のインバータ３０５の出力端には水晶振動子１０３の他方の端子と、負荷容量として温度補償手段２２０を構成する第２の可変容量ダイオード２２３ｂのカソード端が接続されている。更にこの第１のインバータ３０５からの出力信号は、第２のインバータ３０６を介して温度補償型水晶発振器の出力信号となり、外部接続用電極端子１０７から外部に出力される。

スイッチ手段２４０は、その入力端子が温度感知手段２１０の出力端と接続されており、出力端子が加熱手段１０４と接続されている。このスイッチ手段２４０には図３に示すトランジスタ素子３０１を使用したスイッチ回路が用いられている。トランジスタ素子３０１のベース端に抵抗を介して接続している端子３０２は入力端子として、温度感知手段２１０の出力端と接続されている。又、トランジスタ素子３０１のコレクタ端に抵抗を介して接続している電源電圧端子３０３には、Ｖｃｃが印加されている。更にトランジスタ素子３０１のエミッタ端はＧＮＤに接続されている。

スイッチ手段２４０の出力端子３０４はトランジスタ素子３０１のコレクタ端と接続されており、この出力端子３０４は加熱手段１０４と接続されている。尚、本実施形態におけるトランジスタ素子３０１によるスイッチ回路は、そのスレシホールド電圧値が図４（ｂ）のように０．７（Ｖ）となるように構成されている。

ここで本実施形態における温度補償型水晶発振器におけるスイッチ手段２４０は、集積回路素子１０５内部に設けられた温度感知手段２１０の感知する温度により次のように動作する。温度感知手段２１０を構成する温度センサ素子２１１は、水晶振動子１０３が搭載されている容器体１０１内の温度を感知し、その温度に応じた温度データ信号を出力する。出力された温度データ信号は、三次関数発生回路２２１に入力されるとともにスイッチ手段２４０にも入力される。

例えば、温度センサ素子２１１が感知した温度が０℃未満だった場合、スイッチ手段２４０を構成するトランジスタ素子３０１のベース端には０．７（Ｖ）未満の電圧値の温度データ信号が入力される。その場合、トランジスタ素子３０１はＯＦＦとなり、所定の電圧値（図４（ｂ）では０．７（Ｖ））の出力が出力端３０４に印加される。それにより出力端３０４に接続されている加熱手段１０４が通電し発熱し、加熱手段１０４が設けられている容器体１１の温度を上昇させる。尚、このような状態のスイッチ手段２４０をＯＮ状態という。

加熱手段１０４の作用や温度補償型水晶発振器１００外からの温度の作用により、温度補償型水晶発振器の温度が０℃以上となると、温度センサ素子２１１もその０℃以上となった温度を感知する。温度センサ素子２１１が感知した温度が０℃以上だった場合、スイッチ手段２４０を構成するトランジスタ素子３０１のベース端には０．７（Ｖ）以上の電圧値の温度データ信号が入力される。その場合、トランジスタ素子３０１はＯＮとなり、出力端３０４に印加される電圧値はＧＮＤレベルとなる。それにより出力端３０４に接続されている加熱手段１０４には通電がなくなり発熱が止まり、加熱手段１０４による温度上昇が止まる。尚、このような状態のスイッチ手段２４０をＯＦＦ状態という。

このようなスイッチ手段２４０のＯＮ／ＯＦＦ状態の切替により、加熱手段１０４の通電又は不通電を制御することで、容器体１０１の温度を０℃以上に保つことができる。これにより本発明では、０℃以上の温度に保たれた容器体１０１に搭載されている温度補償手段２２０により、同じく０℃以上の温度に保たれた容器体１０１に搭載されている水晶振動子１０３の周波数温度特性を温度補償すれば良いこととなる。

例えば、０℃、＋２５℃、＋５０℃、＋６５℃、＋８０℃の５つの温度ポイントにて水晶振動子１０３の温度に対する周波数偏差を実測し、三次関数発生回路２１１からの温度補償信号によりその周波数偏差を補償する。これにより従来の−３０℃、０℃、２５℃、６０℃、８０℃の５つの温度ポイントによる温度補償と比較して、本発明においては０℃以上の温度範囲中の５ポイントで水晶振動子の温度に対する周波数偏差値を補償ですることができ、従来と比べ狭い温度範囲で、三次関数発生回路から発生される計算上の三次関数の温度補償信号と水晶振動子の温度に対する周波数偏差との差異を小さくすることができ、補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくすることが可能となる。

又、本実施形態のような温度補償型水晶発振器では、温度補償を行う温度ポイントを従来と同じ５ポイントにしても、補償後の温度に対する周波数偏差変化量を従来に比べ小さくすることができる。従って、従来のように補償後の温度に対する周波数偏差変化量が小さくするために温度ポイント数を増加させ、その増加させた温度ポイント数に対応した検査測定用の温度槽を増設することが不要となる。よって、温度槽増設に伴う工数の増加がなく、温度補償型水晶発振器の生産性が低下することがない。

尚、スイッチ手段２４０のＯＮ／ＯＦＦ状態の切り替えを行う温度を０℃とするのは、図６に示すように、水晶振動子の温度に対する周波数偏差値の変動率の小さい温度（０℃）付近で切り替えを行うことで、例えスイッチ手段２４０のＯＮ／ＯＦＦ切り替え温度に誤差が生じても補償値のズレを小さくでき、温度補償型水晶発振器としての周波数偏差値の変動率を小さくするためである。

本発明の実施形態にかかる温度補償型水晶発振器の構造断面図である。 本発明の実施形態にかかる温度補償型水晶発振器の回路構成を示す概略のブロック図である。 図２における可変容量素子と発振手段とスイッチ手段とを回路素子で示した説明図である。 本発明の実施形態にかかる温度補償型水晶発振器の回路に使用される電子素子の特性を示す図であり、（ａ）は、温度センサ素子の感知温度と出力される温度データ信号の電圧値との関係を示したグラフである。（ｂ）は、トランジスタ素子のベース端に印加される温度データ信号の電圧値とスイッチ手段出力端の電圧値との関係を示すグラフである。 従来の温度補償型水晶発振器の回路構成を表すブロック図である。 水晶振動子単体における温度と周波数偏差との関係と、従来の温度補償型水晶発振器における補償後の温度と周波数偏差との関係を示したグラフである。

符号の説明

１００・・・温度補償型水晶発振器
１０１・・・容器体
１０１ａ・・・基板
１０１ｂ，１０１ｃ・・・枠体
１０２・・・蓋体
１０３・・・水晶振動子
１０４・・・加熱手段
１０５・・・集積回路素子
１０６ａ，１０６ｂ・・・キャビティー部
１０７・・・外部接続用電極端子
２００・・・電子回路
２１０・・・温度感知手段
２１１・・・温度センサ素子
２２０・・・温度補償手段
２２１・・・三次関数発生回路
２２２・・・記憶回路
２２３・・・可変容量素子
２３０・・・発振手段
２４０・・・スイッチ手段
３０１・・・トランジスタ素子
３０３・・・電源電圧端子
３０５・・・第１のインバータ
３０６・・・第２のインバータ

Claims (3)

1. 水晶振動子と集積回路素子を内部に備え、温度感知手段が生成する温度データ信号により温度補償する温度補償型水晶発振器であって、
   通電することにより発熱し、前記水晶振動子と同一空間内に設けられる加熱手段と、
   前記集積回路素子内には、前記温度感知手段と、前記加熱手段と、電源電圧端子とに電気的に接続し構成されているスイッチ手段と
   を備えていることを特徴とする温度補償型水晶発振器。
2. 前記スイッチ手段は、前記温度データ信号が０℃を意味する場合を境にして、０℃未満の場合に加熱手段を通電させ、０℃以上の場合に加熱手段の通電を止めるものであることを特徴とする請求項１記載の温度補償型水晶発振器。
3. 前記スイッチ手段が、トランジスタ素子を使用したスイッチ回路で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の温度補償型水晶発振器。

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