JP2010056986A - 水晶発振器の温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を抑え、電源立ち上げ当初の周辺温度の急変に対して安定した、又は、より短い時間で安定化する水晶発振器の温度補正方法を実現すること。
【解決手段】水晶振動子５の振動周波数を温度により補正する温度制御型の水晶発振器の温度制御方法であって、温度センサ２が検出した温度により前記水晶振動子５の振動周波数の温度補正の制御を行う制御部１は、前記水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初の温度補正制御の頻度を通常時の温度補正制御の頻度より多くする。
【選択図】図１
、

Description

本発明は、周辺温度の急激な変化に対し安定した発振出力が得られる水晶発振器の温度制御方法及び装置に関する。ＧＰＳ（global positioning system ）測位システム等に使用される高安定発振器に求められる性能として、周波数精度が高いこと、周波数が安定していることはもちろんであるが、安定した周波数が得られるまでの時間も重要な特性である。例えば、携帯電話等の携帯端末のＧＰＳ測位システムでは、電池の消耗を抑えるため測位のときに水晶発振器の電源が入れられる。このため、水晶発振器の電源立ち上げ時に、早く安定した周波数を得る必要がある。

一般に、上記ＧＰＳ測位システムに使用される高安定発振器の要求を満足させるために温度制御型（温度センサ内蔵で、水晶の温度特性を相殺する情報を持っている）の水晶発振器（ＴＣＸＯ；temperature compensated crystal oscillator）が使用され、周波数温度特性は数ｐｐｍ以下というものである（特に高級なものは±0.5ppm以下）。

図１０は従来の温度制御型水晶発振器の説明図である。図１０において、水晶発振器には、ＩＣ１０に接続された水晶振動子５が設けてある。ＩＣ１０には、温度センサ２、メモリ（補正関数定数）３、可変容量ダイオード４、インバータ６、出力バッファ７、補正値算出部８が設けてある。温度センサ２は、温度の変化を電気抵抗の変化等で検出するためのセンサである。メモリ３は、事前に水晶振動子の温度特性を取得し、その特性を補正するような関数（補正関数定数）を記憶させる格納手段である。可変容量ダイオード４は、容量を可変して水晶発振器の温度補正を行うものである。水晶振動子５は、水晶の圧電気現象を利用した圧電振動子である。インバータ６は、入力と出力を水晶振動子５のそれぞれの電極側に接続することで発振出力を得るものである。出力バッファ７は、インバータ６の発振出力をバッファリングする増幅器である。補正値算出部８は、温度センサ２からの温度によりメモリ３から補正値を算出し、可変容量ダイオード４の容量を可変するものである。

この水晶発振器は、事前に水晶振動子５の温度特性を取得し、その特性を補正するような関数（通常三次もしくは五次カーブ）の定数をメモリ３に記憶させ、補正値算出部８で温度センサ２による周辺の温度情報から逐次補正値を算出し、温度変化の少ない発振器を実現するものである。

図１１は従来の補正値を記憶する温度制御型水晶発振器の説明図である。図１１において、デジタルＴＣＸＯ（温度制御型水晶発振器）を説明しており、この水晶発振器には、ＩＣ１０に接続された水晶振動子５が設けてある。ＩＣ１０には、温度センサ２、メモリ（補正値）９、可変容量ダイオード４、インバータ６、出力バッファ７が設けてある。符号の同じものは図１０と同様である。メモリ（補正値）９は、各温度による補正情報をダイレクトに記憶させたものである。

この水晶発振器は、関数の定数ではなく、各温度による補正情報をダイレクトに記憶させ、温度情報を細かく取得できるものの記憶容量の膨大なものが必要となっていた（例えば、特許文献１参照）。

上記図１０、図１１のいずれの方式でも、外部の温度変化がゆっくりとしたものでは問題無いが、急激な変化、例えば、電源オン（ｏｎ）のパワーアンプの発熱電導など、により正確な制御に至るまで時間を要してしまう場合（数秒）があり、ＧＰＳ測位システムの性能（立ち上がり時間）に直接影響を与える問題となっていた。
特開２００１−４４７５９号公報

上記従来のものは、次のような課題があった。

補正関数定数をメモリに格納するもの、補正情報をダイレクトにメモリに格納するもののいずれの方式でも、外部の温度変化がゆっくりとしたものでは問題無いが、急激な変化、例えば、電源オン（ｏｎ）のパワーアンプの発熱電導など、により正確な制御に至るまで時間を要してしまう場合（数秒）があり、ＧＰＳ測位システムの性能（立ち上がり時間）に直接影響を与える問題となっていた。この問題は、温度補正の頻度に起因するものや、温度補正すべき水晶振動子の位置と、温度センサの位置に起因する場合（熱伝導の時間差）があった。

ここで説明する水晶発振器の温度補正方法では、周辺温度の急変に対し安定した、又は、より短い時間で安定化することを目的とする。

図１は温度制御型水晶発振器の説明図である。図１中、１はＣＰＵ（制御部）、２は温度センサ、３はメモリ（格納手段）、４は可変容量ダイオード、５は水晶振動子、６はインバータ、７は出力バッファ、１０はＩＣである。この水晶発振器の温度補正では、次のような手段を有する。

水晶振動子５の振動周波数を温度により補正する温度制御型の水晶発振器の温度制御方法又は装置であって、温度センサ２が検出した温度により前記水晶振動子５の振動周波数の温度補正の制御を行う制御部１は、前記水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初の温度補正制御の頻度を通常時の温度補正制御の頻度より多くする。このため、消費電力を抑えることができるとともに、電源立ち上げ当初の周囲温度の急変に対して安定した、又は、より短い時間で安定化する水晶発振器の温度補正を実現することができる。

消費電力を抑えることができるとともに、周辺温度の急変に対し安定した、又は、より短い時間で安定化する水晶発振器の温度補正を実現することができる。

（１）：温度制御型水晶発振器の説明
図１は温度制御型水晶発振器の説明図である。図１において、温度制御型水晶発振器（ＴＣＸＯ）には、ＩＣ１０に接続された水晶振動子５が設けてある。ＩＣ１０には、ＣＰＵ１、温度センサ２、メモリ（補正関数定数）３、可変容量ダイオード４、インバータ６、出力バッファ７が設けてある。

ＣＰＵ１は、出力バッファからの発振出力を自らのクロックとする中央処理装置（制御部）であり、温度センサ２からの温度によりメモリ３から補正値を算出し、可変容量ダイオード４の容量を可変するものである。温度センサ２は、温度の変化を電気抵抗の変化等で検出するためのセンサである。メモリ３は、事前に水晶振動子の温度特性を取得し、その特性を補正するような関数（補正関数定数）を記憶させる格納手段である。なお、ここではメモリ３に関数を記憶させる説明をしたが、図１１で説明したように補正情報をダイレクトに記憶させることもできる。可変容量ダイオード４は、容量を可変して水晶発振器の温度補正を行うものである。水晶振動子５は、水晶の圧電気現象を利用した圧電振動子である。インバータ６は、入力と出力を水晶振動子５のそれぞれの電極側に接続することで発振出力を得るものである。出力バッファ７は、インバータ６の発振出力をバッファリングする増幅器である。

この水晶発振器は、自らの発振出力をクロックとしたＣＰＵ１を内蔵し、周辺温度の急激な変化に対応することが可能（時間軸で制御できる）となっている。

（２）：温度制御型水晶発振器の構造の説明
図２は温度制御型水晶発振器の構造の説明図である。図２において、温度制御型水晶発振器の断面を示しており、温度制御型水晶発振器には、水晶振動子５、ＩＣ１０、セラミックケース１１、フタ１２、金ボール１３、導電性接着剤１４が設けてある。

ＩＣ１０内に、温度センサ２、メモリ３、水晶の発振回路、出力バッファ７およびＣＰＵ（制御部）等が集積されている。フタ１２で密閉されたセラミックケース１１のパッケージ内は乾燥窒素または真空に保たれ、水晶表面を常にクリーンな状態にしている。ここで金ボール１３は、ＩＣ１０の配線と基板となるセラミックケース１１の配線を電気的に接続するもので、例えば、フリップチップタイプの実装が行われている。導電性接着剤１４は、水晶振動子５の電極とセラミックケース１１の配線を電気的、機械的に接続するものである。

本来必要な水晶自体の温度情報を得るために、温度センサ２を極力水晶振動子５に近づける（理想は水晶表面上）ことが望ましいが、物理的限界がある。

（３）：温度制御型水晶発振器の温度補正方法の説明
図３は温度制御型水晶発振器の温度補正方法の説明図であり、図３（ａ）は水晶の温度特性と温度補正情報の説明である。図３（ａ）において、実線は、水晶振動子の２５℃付近の温度特性である（概ね、２５℃付近に変曲点を持つ三次曲線）。温度制御型水晶発振器（ＴＣＸＯ）には、温度センサ２が内蔵されており、あらかじめ収集された温度情報に基づき、点線のように水晶の特性を相殺するよう発振周波数を可変させる機能（ここではメモリの補正関数定数を用いて可変容量ダイオード４を可変）を有している。その結果、温度補正後の水晶発振器の温度特性として、下の図３（ｂ）の実線のように温度特性の優れた水晶発振器が実現できる。

（４）：急激な周辺温度上昇による周波数変化の説明
図４は温度補正タイミングがラフな場合の説明図であり、図４（ａ）は温度補正タイミングの説明、図４（ｂ）は周辺温度の説明、図４（ｃ）は水晶発振器の周波数変化の説明である。

図４（ａ）において、下向きの黒三角Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が温度補正タイミングである。図４（ｂ）において、周辺の温度が温度補正タイミングの間隔より早く上昇している。図４（ｃ）において、水晶発振器の発振周波数は、温度補正タイミングＴ１まで温度補正が行われないので、発振周波数は変化（ここでは低下）する。温度補正タイミングＴ１になると温度補正が行われるので、発振周波数は規定の値に戻る（ここでは上昇）する。

このように、急激な周辺温度の上昇開始から、最初の補正ポイントまでの間は、補正情報が前のまま、すなわち「素」の水晶の温度特性が現れることになる。

（５）：温度制御頻度を多くする説明
図５は温度補正タイミングの頻度を上げる場合の説明図であり、図５（ａ）は温度補正タイミングの説明、図５（ｂ）は周辺温度の説明、図５（ｃ）は水晶発振器の周波数変化の説明である。

図５（ａ）において、急激な周辺温度の上昇が想定される(1) 電源オフ（off ）→電源オン（on）、または(2) スタンバイ→電源onの二通りに限り、電源オン（on）時の最初のみ温度補正タイミング（Ｔ１〜Ｔ６）の頻度を上げ、水晶発振器の周波数変化量を抑えようとするものである。なお、この電源立ち上げ時は、水晶発振器本体の立ち上げと、周りの装置（例えば、ＧＰＳ測位システム）の立ち上げ時の両方を含むものであるが、急激な温度変化が起きる方とすることもできる。

周辺の温度が図５（ｂ）のように変化しても、図５（ｃ）の実線で示すように水晶発振器の周波数変化量を抑えることができる。なお、点線は温度補正タイミングの頻度を上げなかった場合（図４参照）の水晶発振器の周波数変化である。また、常に温度補正タイミングの頻度を上げても構わないが、最初のみ頻度を上げることにより、消費電力を抑えることができる。

以上は、温度センサ２がほぼリアルタイムに温度情報を伝える場合であるが、以下説明は温度センサ２の温度と水晶の温度に時間差（熱伝導の差）がある場合について説明する。

（６）：温度センサの反応が水晶より早い場合の説明
図６は温度センサの反応が水晶より早い場合に起こる問題の説明図であり、図６（ａ）は周辺温度が変化した場合の温度センサと水晶の温度変化の説明、図６（ｂ）は周波数変化の説明である。

図６（ａ）において、周辺温度（実線で示す）の上昇にしたがって少し遅れてＩＣ１０の温度センサの温度（点線で示す）が上昇し、更に遅れて水晶の温度（一点鎖線で示す）が上昇している。図６（ｂ）において、温度センサの反応が水晶より早い場合に起こる問題をグラフ化したものである。ここでは熱の伝わる時間差（ΔＴ）分先に温度補正が行われるため、一旦周波数が上昇することになる。

図７は熱の伝わる時間差分だけ補正を遅延させる場合の説明図である。図７（ａ）において、周辺温度（実線で示す）の上昇にしたがって少し遅れて温度センサの温度（点線で示す）が上昇し、更に時間差（ΔＴ）分遅れて水晶の温度（一点鎖線で示す）が上昇している。図７（ｂ）において、ここでは熱の伝わる時間差（ΔＴ）分だけＣＰＵ１において温度補正を遅延させている。これにより、水晶発振器の周波数変化（点線は遅延させない場合）が実線のようになる。この時間差量は、個々に温度補正情報をメモリ３に書き込む際に同時に取得できる。

（７）：温度センサの反応が水晶より遅い場合の説明
図８は温度センサの反応が水晶より遅い場合に起こる問題の説明図であり、図８（ａ）は周辺温度が変化した場合の水晶と温度センサの温度変化の説明、図８（ｂ）は周波数変化の説明である。

図８（ａ）において、周辺温度（実線で示す）の上昇にしたがって少し遅れて水晶の温度（一点鎖線で示す）が上昇し、更に遅れて温度センサの温度（点線で示す）が上昇している。図８（ｂ）において、温度センサの反応が水晶より遅い場合に起こる問題をグラフ化したものである。この場合、時間差（ΔＴ）分常に補正が遅れることになる。ここでは周波数が一旦低下することになる。

図９は最終到達温度を予測する場合の説明図であり、図９（ａ）は周辺温度が変化した場合の水晶と温度センサの温度変化の説明、図９（ｂ）はＡ部拡大の説明である。図９（ｃ）は周波数変化の説明である。

図９（ａ）において、周辺温度（実線で示す）の上昇にしたがって少し遅れて水晶の温度（一点鎖線で示す）が上昇し、更に時間差（ΔＴ）分遅れて温度センサの温度（点線で示す）が上昇している。図９（ｂ）において、図９（ａ）の温度センサの温度の立ち上がり部であるＡ部（点線の丸で示す）の拡大を示しており、黒三角は測定温度のタイミング（頻度の多い一定間隔の測温タイミング）Ｔ１〜Ｔ５を示している。

ここでＣＰＵ１は、直前の温度情報の変化分から、最終到達温度を予測し、先回りして温度補正をかけることができる。この場合、周波数変化量を小さくすることは不可能であるが、正しい周波数への復帰時間を短縮させることが可能となる。

すなわち、図９（ｂ）のＡ部拡大図のように、周辺温度が急変した場合、温度センサ３の示す温度は指数関数的に立ち上がる。この変化量（δ-3→δ-2→δ-1）の割合は、最終到達温度に比例して大きくなる。このため、ＣＰＵ１は先回りの補正（最終到達温度を推測して補正）が可能となる。

図９（ｃ）において、周波数変化量の低下を小さくすることは不可能であるが、実線のように正しい周波数への復帰時間を短縮させることが可能となる。なお、点線は到達温度を推測しない場合の周波数変化である。

このように、水晶発振器の温度補正方法として、周辺温度の急変に対し安定した、又は、より短い時間で安定化することができることになる。

本発明の温度制御型水晶発振器の説明図である。 本発明の温度制御型水晶発振器の構造の説明図である。 本発明の温度制御型水晶発振器の温度補正方法の説明図である。 本発明の温度補正タイミングがラフな場合の説明図である。 本発明の温度補正タイミングの頻度を上げる場合の説明図である。 本発明の温度センサの反応が水晶より早い場合に起こる問題の説明図である。 本発明の熱の伝わる時間差分だけ補正を遅延させる場合の説明図である。 本発明の温度センサの反応が水晶より遅い場合に起こる問題の説明図である。 本発明の最終到達温度を予測する場合の説明図である。 従来の温度制御型水晶発振器の説明図である。 従来の補正値を記憶する温度制御型水晶発振器の説明図である。

符号の説明

１ ＣＰＵ（制御部）
２ 温度センサ
３ メモリ（格納手段）
４ 可変容量ダイオード
５ 水晶振動子
６ インバータ
７ 出力バッファ
１０ ＩＣ

Claims (4)

1. 水晶振動子の振動周波数を温度により補正する温度制御型の水晶発振器の温度制御方法であって、
   前記水晶発振器に、
   温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサが検出した温度により前記水晶振動子の振動周波数の温度補正の制御を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、前記水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初における温度補正制御の頻度を通常時の温度補正制御の頻度より多くすることを特徴とした水晶発振器の温度制御方法。
2. 前記水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初、周囲温度の急激な変化に対して、前記水晶振動子の温度より前記温度センサの温度が先に反応する場合、前記制御部は、前記反応の時間差だけ遅らせた制御を行うことを特徴とした請求項１記載の水晶発振器の温度制御方法。
3. 前記水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初、周囲温度の急激な変化に対して、前記水晶振動子の温度より前記温度センサの温度が後に反応する場合、前記制御部は、前記温度センサの温度が変化する直前の温度情報により得た変化率に基づき最終到達温度を推測して温度制御を行うことを特徴とした請求項１記載の水晶発振器の温度制御方法。
4. 対象となる水晶振動子周囲の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサが検出した温度により前記水晶振動子の振動周波数の温度補正の制御を行う制御部とを備え、
   さらに前記制御部は、水晶発振器又は周囲の電源立ち上げ当初における温度補正制御の頻度を通常時の温度補正制御の頻度より多くすることを特徴とした水晶発振器の温度制御装置。

Images