JP2009201056A - 水晶発振器、その制御方法およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】周波数経時変化を抑制するため、温度加速試験により短時間で長期経時変化を予測し、予測された経時変化を外部回路にて最適に補償する水晶発振器等を提供すること。
【解決手段】水晶発振器は、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償する。
【選択図】図１
【解決手段】水晶発振器は、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償する。
【選択図】図１
Description
本発明は無線通信機等に使用される水晶発振器に関するものである。
水晶発振器の長期信頼性能の一つとして、出力周波数の経時変化が挙げられる。水晶発振器は共振素子として圧電現象を利用した水晶振動子を用いるため、水晶振動子の機械的振動を摂動させる種々の要因により、出力周波数が経時的に変化する。具体的な摂動要因は、気密封止されたパッケージ内部にて発生したガス分子が水晶素板に吸着することや水晶素板への応力変動等であるが、これらの要因を完全に除去し、周波数経時変化を抑制することは限界があり、水晶発振器の長期的な信頼性を確保することは困難である。
他方、インフラ系無線通信機器の用途では１０年以上の長期に渡って装置の信頼性を要求される場合もあり、周波数経時変化に優れた水晶発振器の実現は急務である。
本発明で対象とする水晶発振器は、図６にその一例を示すように、水晶振動子及び発振回路として半導体チップがセラミックパッケージ内に配置されている構造となっている。水晶発振器は共振素子として圧電現象を利用した水晶振動子を利用するため、水晶振動子の機械的振動を摂動させる種々の要因により、図７にその一例を示すように出力周波数の経時変化が発生する。周波数経時変化が発生する主な原因は以下２点である。
（１）水晶素板に吸着するガス分子の影響（アウトガス）
水晶素板及び半導体チップを固定する接着剤から発生するガス分子が水晶素板に吸着することにより、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、出力周波数の経時変化を誘発する。
水晶素板及び半導体チップを固定する接着剤から発生するガス分子が水晶素板に吸着することにより、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、出力周波数の経時変化を誘発する。
（２）水晶素板への応力の影響（残留応力）
水晶素板を固定する接着剤及び水晶素板に形成された電極面の応力変動により、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、出力周波数の経時変化を誘発する。
水晶素板を固定する接着剤及び水晶素板に形成された電極面の応力変動により、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、水晶振動子の機械的振動状態が変化し、出力周波数の経時変化を誘発する。
インフラ系無線通信機器への使用を考えた場合、１０年以上の長期間に渡って装置性能を要求される場合もあり、このような水晶発振器の出力周波数の経時変化は装置の長期信頼性を確保するにあたり大きな障害となる。
これまで出力周波数の経時変化を抑制する様々な手法が考案されている。
（１）熱処理の最適化
水晶発振器を製造する過程において適切な熱処理を実施することにより、アウトガス及び残留応力の影響を除去し、出力周波数の経時変化を抑制する。ただし、高温・長時間で熱処理を実施することは製造工数の増加、場合によっては半導体チップ等の周辺部品にストレスを与える可能性がある。
（１）熱処理の最適化
水晶発振器を製造する過程において適切な熱処理を実施することにより、アウトガス及び残留応力の影響を除去し、出力周波数の経時変化を抑制する。ただし、高温・長時間で熱処理を実施することは製造工数の増加、場合によっては半導体チップ等の周辺部品にストレスを与える可能性がある。
（２）ＳＣカット振動子の採用
高安定水晶発振器に使用されるＳＣカット水晶振動子を用いて、出力周波数の経時変化を抑制する。ただし、通常のＡＴカット振動子と比較した場合、水晶素板切り出し時に２軸の調整が必要であるため、加工精度を上げることが困難であり、コスト的にも有利とは言い難い。また、最近になって確立された技術であるため、ＡＴカット振動子に比べ設計・使用実績に乏しいといった欠点がある。
高安定水晶発振器に使用されるＳＣカット水晶振動子を用いて、出力周波数の経時変化を抑制する。ただし、通常のＡＴカット振動子と比較した場合、水晶素板切り出し時に２軸の調整が必要であるため、加工精度を上げることが困難であり、コスト的にも有利とは言い難い。また、最近になって確立された技術であるため、ＡＴカット振動子に比べ設計・使用実績に乏しいといった欠点がある。
（３）接着材の削除
水晶素板及び半導体チップ固定用の接着剤を使用しない構造が提案されている。本手法を用いれば、接着剤からのアウトガス及び残留応力の影響を取り除くことができるが、水晶素板固定のための弾性体及び容器段部、電気的接続のためのボンディングワイヤからの応力変動の問題が残り、出力周波数の経時変化を抑制することは困難である。
水晶素板及び半導体チップ固定用の接着剤を使用しない構造が提案されている。本手法を用いれば、接着剤からのアウトガス及び残留応力の影響を取り除くことができるが、水晶素板固定のための弾性体及び容器段部、電気的接続のためのボンディングワイヤからの応力変動の問題が残り、出力周波数の経時変化を抑制することは困難である。
（４）外部回路による補償
電圧制御水晶発振器にマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、カウンタを接続し、出力周波数の経時変化を補償する方法である。カウンタは水晶発振器の出力に接続され、水晶発振器の動作時間を監視する。また、ＲＯＭには動作時間に応じた補償用制御電圧が予め書き込まれており、マイクロプロセッサを用いて動作時間に応じた補償用制御電圧を水晶発振器に供給することで、出力周波数の経時変化を抑制する手法である。ただし、本手法を用いた場合、以下のような欠点が生じると考えられる。
電圧制御水晶発振器にマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、カウンタを接続し、出力周波数の経時変化を補償する方法である。カウンタは水晶発振器の出力に接続され、水晶発振器の動作時間を監視する。また、ＲＯＭには動作時間に応じた補償用制御電圧が予め書き込まれており、マイクロプロセッサを用いて動作時間に応じた補償用制御電圧を水晶発振器に供給することで、出力周波数の経時変化を抑制する手法である。ただし、本手法を用いた場合、以下のような欠点が生じると考えられる。
（ｉ）出力周波数の経時変化は周囲温度にも依存しており、周囲温度が高いほど経時変
化が促進する傾向がある。本手法では水晶発振器の動作時間のみを監視しているため、周囲温度が変化した場合の周波数経時変化に追従できない。
化が促進する傾向がある。本手法では水晶発振器の動作時間のみを監視しているため、周囲温度が変化した場合の周波数経時変化に追従できない。
（ii）予めＲＯＭに書き込む必要がある補償用制御電圧を求めるには、水晶発振器の保
証期間と同等の試験を実施しなければならない。
証期間と同等の試験を実施しなければならない。
関連技術として、回路機能ブロックにおいて、出荷迄の期間に充分な加速寿命試験を行えない場合に寿命予測による信頼性試験を行い、機能を保証する技術が提案されている。その構成は、回路機能ブロックを構成する部品の加速試験を行い、初期値から所定の劣化値に至る劣化率と寿命時間を推定計算して求めるとともに、所定の劣化値に至った部品を回路機能ブロックを構成するプリント基板に搭載し、機能が正常に動作することを確認することにより、回路機能ブロックの信頼性を保証する（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９−００５４０４号公報
しかしながら、出力周波数の経時変化を抑制する手法として、製造工程の最適化や高精度ＳＣカット振動子の採用等が挙げられるが、製造工程の最適化は工数の増大を招く恐れがあるし、ＳＣカット振動子は加工精度の面で不利である。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、周波数経時変化を抑制するため、温度加速試験により短時間で長期経時変化を予測し、予測された経時変化を外部回路にて最適に補償する水晶発振器、その制御方法およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明の水晶発振器は、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償することを特徴とする。
また、本発明の水晶発振器の制御方法は、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償することを特徴とする。
また、本発明のプログラムは、コンピュータに、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償する処理を実行させることを特徴とする。
本発明によれば、周波数経時変化を抑制するため、温度加速試験により短時間で長期経時変化を予測し、予測された経時変化を外部回路にて最適に補償する水晶発振器、その制御方法およびプログラムを提供することが可能となる。
以下、本発明の第一の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１に本実施の形態における水晶発振器のブロック図を示す。また、図２に本実施の形態による水晶発振器の動作手順を示す。既知の電圧制御水晶発振器にカウンタ、温度センサ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＤＡコンバータの外部回路を付加し、出力周波数の経時変化を補償する構成となっている。
カウンタは水晶発振器の出力に接続され、水晶発振器の動作状況及び動作時間を観測し、ＣＰＵに出力する。また、温度センサは水晶発振器の周囲温度を観測し、ＣＰＵに出力する。ＲＯＭには水晶発振器の周波数経時変化を補償するために動作時間毎の補償用制御電圧が保存されており、ＣＰＵは動作時間及び周囲温度に応じた補償用制御電圧をＲＯＭから読み出し、ＤＡコンバータを通して水晶発振器の補償用制御電圧として出力することで周波数経時変化を補償する。
ＲＯＭに書き込む動作時間毎の補償用制御電圧は事前に温度加速試験を実施して算出する。周波数経時変化はアウトガス、残留応力等に依存しており、温度加速試験を実施することにより短時間で長期的な特性を予測可能である。
また、本実施の形態では周波数経時変化が周囲温度の影響を受けることも考慮に入れている。前述したように周波数経時変化の主要因であるアウトガス、残留応力は温度により促進する。したがって、周波数経時変化は動作時間のみでなく、周囲温度にも影響を受けることになる（一般的には、電気部品の寿命は１０℃ ｎ倍則やアレニウス則に従うとされている。）。本発明では２水準以上の温度加速試験を実施し、周波数経時変化の温度加速係数を求める。そして、ＣＰＵに取り込まれた周囲温度情報をもとに水晶発振器の動作時間を変換し、ＲＯＭより適切な補償用制御電圧を読み取ることで、周囲温度の変化にも対応した周波数経時変化の補償を実現する。
以上のように本実施の形態によれば、比較的簡便な回路構成で周波数経年変化を抑制できる。また、温度加速試験を事前に実施することにより、短時間で補正用制御電圧を得ることができる。さらに、水晶発振器の周囲温度の変動も考慮した構成となっている等の特徴を有しつつ、出力周波数の経時変化を抑制することが可能となり、長期信頼性に優れた水晶発振器を提供できる。
以下、本実施の形態の効果を数値例を用いて説明する。
図７は関連する水晶発振器の周波数経時変化の特性例である。周囲温度Ｔａ＝４０℃の使用にて、１１，０００時間＝約１．３年にて１０ｐｐｍの周波数低下が確認できる。また、動作温度範囲であるＴａ＝０℃min、８０℃maxでは経時変化が異なり、温度が高いほど経時変化が促進される傾向が確認できる。現状のままでは周波数経時変化大きく、長期的信頼性に優れるとは言い難い。
図２は本実施の形態による水晶発振器の動作手順を示す図である。水晶発振器は、既知の電圧制御水晶発振器にカウンタ、温度センサ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＤＡコンバータの外部回路を付加し、出力周波数の経時変化を補償する構成となっている。本構成にて周波数経時変化を抑制する。
（１）補償用制御電圧、温度加速係数の推定
ＲＯＭへ書き込むための動作時間ｔごとの補償用制御電圧Ｖｃ（ｔ）及び周波数経時変化の温度加速係数α（Ｔａ）を求めるため、周囲温度Ｔａ＝１００℃、１２０℃の２水準にて温度加速試験を実施したところ図３の結果が得られた。
ＲＯＭへ書き込むための動作時間ｔごとの補償用制御電圧Ｖｃ（ｔ）及び周波数経時変化の温度加速係数α（Ｔａ）を求めるため、周囲温度Ｔａ＝１００℃、１２０℃の２水準にて温度加速試験を実施したところ図３の結果が得られた。
Ｔａ＝１２０℃の温度加速試験結果より、周波数経時変化は
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に従うことが確認できた。
（※本例は関数化が可能な単純例であるが、複雑な場合は動作時間ｔと周波数経時変化Δｆ（ｔ）に対する補償用制御電圧の数値データをＲＯＭに書き込むことでも対応可能である。）
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に従うことが確認できた。
（※本例は関数化が可能な単純例であるが、複雑な場合は動作時間ｔと周波数経時変化Δｆ（ｔ）に対する補償用制御電圧の数値データをＲＯＭに書き込むことでも対応可能である。）
また、２水準の温度加速試験結果において出力周波数が１０ｐｐｍ低下する時間は、
Ｔａ＝１２０℃にて、１１０Ｈ
Ｔａ＝１００℃にて、４４０Ｈ
であり、周波数経時変化は１０℃ ２倍則:α＝２(ΔT/10)に従うことが確認できる。図４に１０℃ ２倍則より推定した動作環境の周波数低下時間をプロットした。
Ｔａ＝１２０℃にて、１１０Ｈ
Ｔａ＝１００℃にて、４４０Ｈ
であり、周波数経時変化は１０℃ ２倍則:α＝２(ΔT/10)に従うことが確認できる。図４に１０℃ ２倍則より推定した動作環境の周波数低下時間をプロットした。
（２）動作例
図５に水晶発振器の使用環境における周波数経時変化を示す。本例では動作時間５００Ｈを境に周囲温度が４０℃から６０℃に上昇しており、周波数経時変化も不連続である。周囲温度を考慮に入れない従来の補正方法ではこのような温度変化に追随できず、周波数経時変化の補正は困難である。
図５に水晶発振器の使用環境における周波数経時変化を示す。本例では動作時間５００Ｈを境に周囲温度が４０℃から６０℃に上昇しており、周波数経時変化も不連続である。周囲温度を考慮に入れない従来の補正方法ではこのような温度変化に追随できず、周波数経時変化の補正は困難である。
本発明を用いた場合、図２の手順に従い以下のように周波数経時変化を補償することが可能である。
(1)５００Ｈまで
図２「（４）温度加速係数」の算出を実施する。試験環境はＴａ＝１２０℃、動作環境はＴａ＝４０℃であるから、２水準の温度加速試験により得られた１０℃ ２倍則から、
α＝２[(120℃-40℃)/10]＝２8＝２５６倍
となる。
図２「（４）温度加速係数」の算出を実施する。試験環境はＴａ＝１２０℃、動作環境はＴａ＝４０℃であるから、２水準の温度加速試験により得られた１０℃ ２倍則から、
α＝２[(120℃-40℃)/10]＝２8＝２５６倍
となる。
次に、図２「（５）動作時間の変換」、「（６）補正用制御電圧の読み出し」を実施する。
動作時間５００Ｈまでは動作時間ｔを１／２５６に圧縮して
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に相当する補償用制御電圧をＲＯＭより読み出せばよいことになる。
動作時間５００Ｈまでは動作時間ｔを１／２５６に圧縮して
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に相当する補償用制御電圧をＲＯＭより読み出せばよいことになる。
（２）５００Ｈ以降
同様に図２「（４）温度加速係数」の算出を実施する。試験環境は１２０℃、動作環境は６０℃に上昇しているから、２水準の温度加速試験により得られた１０℃ ２倍則から、
α＝２[(120℃-60℃)/10]＝２6＝６４倍
となる。
同様に図２「（４）温度加速係数」の算出を実施する。試験環境は１２０℃、動作環境は６０℃に上昇しているから、２水準の温度加速試験により得られた１０℃ ２倍則から、
α＝２[(120℃-60℃)/10]＝２6＝６４倍
となる。
次に、図２「（５）動作時間の変換」、「（６）補正用制御電圧の読み出し」を実施する。動作時間１０００Ｈ以降は時間を１／６４に圧縮して
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に相当する補償用制御電圧をＲＯＭより読み出せばよいことになる。
Δｆ（ｔ）＝−１５×｛１−ｅｘｐ（−ｔ／１００）｝
に相当する補償用制御電圧をＲＯＭより読み出せばよいことになる。
本例は、周囲温度がステップ的に変動する単純な例であるが、温度センサにて逐次観測しているため、動的な周囲温度の変化にも十分追従できる。
なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。例えば、水晶発振器の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ等に読込ませて実行することによりコンピュータ等の機能を実現する処理を行ってもよい。さらに、そのプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であるＣＤ−ＲＯＭまたは光磁気ディスクなどを介して、または伝送媒体であるインターネット、電話回線などを介して伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。
Claims (6)
- 温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償することを特徴とする水晶発振器。
- ２水準以上の温度加速試験により周波数経時変化の温度加速係数を求め、取り込まれた周囲温度情報をもとに自器の動作時間を変換し、前記メモリより適切な補償用制御電圧を読み取ることで、周囲温度の変化にも対応した周波数経時変化の補償を実現することを特徴とする請求項１記載の水晶発振器。
- 温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償することを特徴とする水晶発振器の制御方法。
- ２水準以上の温度加速試験により周波数経時変化の温度加速係数を求め、取り込まれた周囲温度情報をもとに自器の動作時間を変換し、前記メモリより適切な補償用制御電圧を読み取ることで、周囲温度の変化にも対応した周波数経時変化の補償を実現することを特徴とする請求項３記載の水晶発振器の制御方法。
- コンピュータに、温度を考慮した加速試験により長期経時変化を予測し、動作時間および温度に対応した補償データをメモリに記憶し、動作時間および周囲温度を計測し、前記メモリより動作時間および温度に対応した補償データを読み出して、出力周波数の経時変化および温度を補償する処理を実行させることを特徴とするプログラム。
- ２水準以上の温度加速試験により周波数経時変化の温度加速係数を求め、取り込まれた周囲温度情報をもとに自器の動作時間を変換し、前記メモリより適切な補償用制御電圧を読み取ることで、周囲温度の変化にも対応した周波数経時変化の補償を実現することを特徴とする請求項５記載のプログラム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008043310A JP2009201056A (ja) | 2008-02-25 | 2008-02-25 | 水晶発振器、その制御方法およびプログラム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008043310A JP2009201056A (ja) | 2008-02-25 | 2008-02-25 | 水晶発振器、その制御方法およびプログラム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009201056A true JP2009201056A (ja) | 2009-09-03 |
Family
ID=41144037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008043310A Withdrawn JP2009201056A (ja) | 2008-02-25 | 2008-02-25 | 水晶発振器、その制御方法およびプログラム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2009201056A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105490656A (zh) * | 2015-12-09 | 2016-04-13 | 张宇恒 | 用于数字温度补偿晶体振荡器的生产调测系统及调试方法 |
-
2008
- 2008-02-25 JP JP2008043310A patent/JP2009201056A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105490656A (zh) * | 2015-12-09 | 2016-04-13 | 张宇恒 | 用于数字温度补偿晶体振荡器的生产调测系统及调试方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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