JP2010171968A - 温度補償水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供すること。
【解決手段】容器内に設けられた水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部を備えた温度補償水晶発振器において、前記電圧制御部は、温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ₀、基準温度Ｔ₀において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ₀、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、Ｋ_ｊを予め設定した定数とすると、次式で表され、

Ｋ_２＝０である補償電圧Ｖ_ＣをＶ₀に加算した制御電圧を水晶振動子に印加するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度検出器の検出値に基づいて温度補償がされた水晶発振器に関する。

水晶発振回路は、その発振精度が比較的高いことから携帯電話などの多くの電子機器に搭載されている。しかし、水晶振動子はその周囲の温度が変化すると、その温度変化に応じてその発振周波数が変動してしまう、いわゆる周波数温度特性を有している。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどのばらつきにより水晶振動子ごとに異なっている。図４の実線のグラフは温度補償されていないＡＴカットされた水晶片からなる水晶振動子の周波数温度特性の一例を示したものである。目標とする発振周波数をｆ、ある温度における周波数（ｆ’）とｆとの偏差分をΔｆとすると、グラフの縦軸はΔｆ／ｆであり、横軸はその水晶振動子の周囲温度Ｔを夫々示している。この周波数偏差Δｆ／ｆは、下記の周囲温度Ｔの３次関数である（１）式として近似されることが知られている。
Δｆ／ｆ＝α(Ｔ−Ｔ₀)³＋β(Ｔ−Ｔ₀)＋γ・・・（１）
Ｔ₀は水晶発振器を設計するときの基準温度であり、例えば２９℃とされる。この基準温度は２９℃に限られるものではない。従ってＴ₀におけるΔｆ／ｆは０であるから、Ｔ₀は（１）式で表される３次関数の変曲点となる。α、β、γは水晶片固有の定数である。

周波数温度特性の影響を補償する機能を備えた温度補償水晶発振器（以下、ＴＣＸＯと記載する）は、水晶振動子が図４中実線で示される周波数温度特性を有する場合に、当該周波数温度特性とは逆の点線で示す周波数温度特性を制御電圧側で持たせるように構成したものである。即ち水晶振動子に印加される制御電圧と水晶振動子の発振周波数とは図５に示すように比例関係にあるので、図６に示すように温度がＴ₀からずれたＴ₁であることにより周波数がΔｆだけずれる。そこで温度がＴ₀から例えば高くなるとすると、温度Ｔ₀のときに水晶振動子が設定周波数となる制御電圧Ｖ₀をΔｆに相当するΔＶだけ大きくするように温度補償を行う。具体的には基準温度Ｔ₀において目標とする発振周波数が得られる制御電圧をＶ₀、Ｖ_Ｃを補償電圧とするとΔｆ／ｆ＝Ｖ_Ｃ／Ｖ₀であるから、Ｖ_Ｃ／Ｖ₀は（１）式の右辺となり、従ってＶ_Ｃは（２）式で表される。
Ｖ_Ｃ＝Ｖ₀{α(Ｔ−Ｔ₀)³＋β(Ｔ−Ｔ₀)＋γ}
＝α'(Ｔ−Ｔ₀)³＋β'(Ｔ−Ｔ₀)＋γ'・・・（２）
α’＝Ｖ₀・α、 β’＝Ｖ₀・β、 γ’＝Ｖ₀・γである。α、β、γは恒温槽内にＴＣＸＯを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。

また、温度Ｔについては、例えば温度検出器の出力電圧と温度との関係を制御部のメモリ内に記憶させておき、出力電圧に基づいて温度を読み出すことにより求められる。そして温度検出器２８として温度と出力電圧とが比例関係にある場合には、温度Ｔ及びＴ₀における温度検出器の出力電圧を夫々Ｖ_Ｔ及びＶ_Ｔ0とし、（１）式に対応する（３）式の演算を行って補償電圧Ｖ_Ｃ（上記のΔＶに相当する）を求める。
Ｖ_Ｃ(ΔＶ)＝α_１(Ｖ_Ｔ−Ｖ_Ｔ0)³＋β_１(Ｖ_Ｔ−Ｖ_Ｔ0)＋γ_１・・・（３）
なお、α_１、β_１、γ_１は恒温槽内にＴＣＸＯを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。

一方、ＴＣＸＯ１は図７（ａ）、（ｂ）に示すように基板１１と、その基板１１上に設けられた例えばＡＴカットの水晶片を備えた水晶振動子２１及びＩＣチップである発振制御部２２と、基板１１上でこれら水晶振動子２１及び発振制御部２２を覆うカバー１２と、を備えている。図７（ｂ）は基板１１からカバー１２を外した状態を示している。

ここで、同じカバー１２及び基板１１に囲まれる空間に発振制御部２２及び水晶振動子２１が設けられていることから、発振制御部２２に含まれる温度検出器の検出温度は水晶振動子２１の周囲温度に等しいものと考えられてきた。しかしながら実際にはＩＣである発振制御部２２は供給される電力により発熱しており、その発熱により温度検出器により検出される温度は、水晶振動子の周囲温度よりも若干高くなっている。上記のように各定数の決定後、ＴＣＸＯ１が使用される際には、この水晶振動子２１の周囲温度からその発熱によりずれた温度に対応した電圧が３次関数発生器に印加されてしまい、周波数変化を抑えるために必要な補償電圧Ｖ_Ｃと、実際に印加される補償電圧Ｖ_Ｃとに誤差が生じる。この誤差がＴＣＸＯ１で周囲温度の変化において微小な周波数変動を生じる原因になっている。

近年では、前記携帯電話などの携帯端末がＧＰＳ（Global Positioning System）機能を搭載したＧＰＳ受信機として構成されることがある。このＧＰＳはＧＰＳ衛生から送信された信号と、前記ＧＰＳ受信機に搭載された発振器から出力される信号とに基づいてその携帯端末の現在位置を検出するシステムであり、この発振器としてＴＣＸＯを用いることが検討されている。そして、このＧＰＳにおいて、携帯端末の位置を精度高く検出するためにはＴＣＸＯに特に高い発振精度が要求されるので上記のＩＣの発熱による周波数変動を抑えることが求められている。

特許文献１及び特許文献２にはＴＣＸＯの構成について記載されているが、上記の問題については記載されておらず、その問題を解決できるものではない。
特開平６−３２６５１６号公報 特開２００４−１７２８３１号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その課題は周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供することである。

本発明の温度補償水晶発振器は、
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ₀、基準温度Ｔ₀において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ₀、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、
Ｋ_ｊを予め設定した定数とすると、次式の関係で表され、

Ｋ_２＝０で表される電圧Ｖ_ＣをＶ₀に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする。前記温度検出器、発振回路及び電圧制御部は例えば集積回路チップに設けられている。

本発明は、温度検出器で検出した温度と、予め設定された、温度検出器により検出された温度と前記水晶振動子との温度差と、に基づいて演算された制御電圧が水晶振動子に印加されて、その発振が制御される。従って前記温度差の影響が抑えられるので、精度高く水晶振動子の発振を制御でき、発振周波数の変動を抑えることができる。

図１は本発明の実施の形態に係るＴＣＸＯ２の回路構成図である。２２は水晶振動子２１の発振を制御する発振制御部であり、例えばＩＣチップにより構成されている。２３は直流電圧（Ｖ_ＣＣ）の供給端子、２４は発振出力の出力端子である。発振制御部２２は背景技術の項目で述べたように基準温度Ｔ_０において目的とする周波数ｆが得られる制御電圧Ｖ_０に、温度ＴとＴ_０との差分に応じた周波数変化分Δｆをキャンセルするための補償電圧Ｖ_Ｃを加算するように構成されている。発振制御部２２は、水晶振動子２１と共に水晶発振回路２０を構成する発振回路２５、可変容量ダイオード２６、電圧制御部を構成する３次関数発生器２７、温度検出器２８及びメモリ２９を含んでいる。

図１に示すＴＣＸＯ２と従来のＴＣＸＯ１との差異点として、発振制御部２２の３次関数発生器２７は（４）式で表される演算を行い、その演算結果である補償電圧Ｖ_Ｃと、基準温度Ｔ₀において水晶振動子が設定周波数となる制御電圧Ｖ₀との加算値を水晶振動子２１と発振回路２５とによる構成される水晶発振回路２０に印加するように設定されている。
Ｖ_Ｃ＝α'(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)³＋β'(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)＋γ’・・・（４）
この（４）式においてＴは温度検出器２８により検出される水晶振動子の周囲温度であり、この温度Ｔには背景技術の欄で説明したように実際の水晶振動子の周囲温度に発振制御部２２の発熱による温度上昇分が含まれている。Ｔ₀は（１）式、（２）式のＴ₀と同様に水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度となる基準温度であり、例えば２９℃とされる。このＴ₀及びα’、β’、γ’は測定より求められる定数である。このα’、β’、γ’は背景技術の欄にて記載した（２）式のα’、β’、γ’とは必ずしも同じ値ではないが、便宜上同一符号を用いることとする。

ここで、温度検出器２８の出力電圧と温度との対応関係例えばテーブルやアルゴリズムをメモリ２９に予め記憶させておき、出力電圧とメモリ２９内の前記対応関係とに基づいて温度Ｔが求められる。従ってこの温度Ｔを用いて３次関数発生器２７にて３次関数を発生させ、これによりＶ_Ｃが求まる。ところで温度検出器２８の出力電圧が温度と比例関係にある場合には、上記のように温度と出力電圧との対応関係をメモリ２９内に記憶しなくとも、出力電圧を用いてＶ_Ｃを求めることができる。図１ではこのような場合を表しており、温度検出器２８の出力電圧が３次関数発生器２７の入力信号となるので、３次関数発生器２７で求められる補償電圧Ｖ_Ｃは、次の（５）式で表される。
Ｖ_Ｃ＝α_１(Ｖ_Ｔ−Ｖ_Ｔ0−Ｖ_ΔＴ)³＋β_１(Ｖ_Ｔ−Ｖ_Ｔ0−Ｖ_ΔＴ)＋γ_１・・・（５）
Ｖ_Ｔは温度Ｔにおける温度検出器２８の出力電圧、Ｖ_Ｔ0は基準温度Ｔ₀における温度検出器２８の出力電圧である。また、Ｖ_ΔＴは水晶振動子２１と発振制御部２２との温度差ΔＴに対応する温度検出器２８の出力電圧変動分である。これらα_１、β_１、γ_１、Ｖ_Ｔ0及びＶ_ΔＴはメモリ２９に記憶されている。こうして演算された補償電圧Ｖ_Ｃを、基準温度Ｔ₀において設定周波数ｆを得るための前記制御電圧Ｖ₀に加算して、水晶振動子２１の制御電圧Ｖ_１を得るが、この例では３次関数発生器２７内にて（５）式の演算と、補償電圧Ｖ_ＣとＶ_０との演算が行われて水晶振動子２１に出力するようになっている。

（５）式の定数を決定する手順について説明する。先ず、ＴＣＸＯ２を組み立て後、恒温槽に搬入する。そして、例えばこの恒温槽への搬入時に予めメモリ２９に任意にα_１〜γ_１、Ｖ_Ｔ0及びＶ_ΔＴの各値を入力しておく。この恒温槽はその内部の温度を自在に変更でき、前記温度を均一に維持することができる。恒温槽内に搬入されたＴＣＸＯ２の温度検出器２８は、例えば恒温槽の外部に設けられた表示画面に接続され、その表示画面にその温度検出値が表示される。また、ＴＣＸＯ２は周波数測定器に接続され、その測定結果が前記表示画面に表示される。

続いて、恒温槽内の温度が任意の温度に設定され、槽内がその温度になりその温度が安定した後、例えばＴＣＸＯ２に電源を投入し、水晶発振回路２０が発振する。ＴＣＸＯ２への電源投入後、発振制御部２２に流れる電流により発振制御部２２が発熱し、その温度が次第に上昇する。作業者は温度検出器２８により測定される温度を例えば所定の時間が経過するごとに記録する。恒温槽内の温度と発振制御部２２の温度とが次第に平衡し、発振制御部２２の温度上昇が収まり、温度検出器２８により検出される温度が一定になる。作業者はその検出温度が一定になったことを確認し、その一定になった温度から前記恒温槽内の温度を差し引き、その差し引いた温度値を温度差ΔＴとして決定する。このＴＣＸＯ２では例えば、その温度差ΔＴは０．８℃である。

この温度差ΔＴを決定する工程においては、温度検出器２８により検出される温度が一定になるまで測定を続けなくてもよく、例えばＴＣＸＯ２に電源投入後に所定の間隔で数回温度を測定したらその測定結果から、その温度検出器２８により検出される温度上昇が停止して一定になるときの温度を予測し、その予測値から恒温槽内の温度を差し引いて、ΔＴを決定してもよい。

温度差ΔＴの決定後、作業者は例えばα_１、β_１、γ_１、Ｔ₀を変更して周波数測定器により測定された水晶発振器２０の発振周波数と、その設定された恒温槽の温度とをこれら周波数測定器及び恒温槽に接続されたコンピュータに記憶させる。

続いて、作業者は恒温槽内の温度を変更し、槽内の温度が安定したら、そのときの水晶発振器２０のα_１、β_１、γ_１、Ｔ₀を変更して得られた発振周波数及び恒温槽内の温度を同様にコンピュータに記憶させる。このような恒温槽の温度変更と、変更後の恒温槽の温度及び発振周波数のコンピュータへの記憶とを所定の回数繰り返し行う。各温度における水晶振動子２１の発振周波数を設定周波数まで変化させるために必要な補償電圧Ｖ_Ｃは、図５から分かっているので、各温度毎に先の（５）式を立てることにより、α_１、β_１、γ_１を未知数とする連立方程式が得られる。このため各温度で周波数変化が最小となるα_１、β_１、γ_１、Ｔ₀が求まる。なお、水晶振動子２１は製造工程上どうしてもわずかな周波数のばらつきが生じることから、例えばγ_１はゼロには設定されず、水晶振動子２１間の周波数のばらつきを考慮してある値に設定されるが、ゼロとしてもよい。

ここで上記の（５）式と従来の（２）式とについて考察する。従来は、温度補償電圧Ｖ_Ｃを（２）式のように決めた根拠は、周波数の温度特性を表す（１）式においてＴを温度検出器で検出する温度として取り扱っていることによる。これに対して上述の実施の形態ではＴを温度検出器の温度検出値とした場合、Δｆ／ｆは次の（６）式で表されるものとして取り扱っている。
Δｆ／ｆ＝α(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)³＋β(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)＋γ・・・（６）

ところで従来の（１）式からこの（６）式を差し引くと、（Ｔ−Ｔ₀）についての３次の影響が小さいので、近似式として下記の（７）式で表される（Ｔ−Ｔ₀）についての２次関数が得られる。
（Δｆ／ｆ）≒Ａ(Ｔ−Ｔ₀)^２＋Ｂ(Ｔ−Ｔ₀)＋Ｃ・・・（７）
Ａ、Ｂ、Ｃはα、β、γ及びΔＴによって決定される定数である。
図２、図３はΔＴが例えば０．８℃のときの（１）式の３次関数、（７）式の２次関数の例を夫々示したものである。つまり、この例では縦軸のスケールの度合いが大きく違うので図２と図３とに別々に温度特性を示しているが、従来では図２に示す３次関数の特性分だけ補償していて、図３に示す２次関数の特性分が補償されていないことを意味している。その理由は繰り返し述べたように温度検出器２８の温度と水晶振動子２１の温度とが異なるからである。

そこで、温度補償電圧Ｖ_Ｃを（５）式に基づいて設定すれば、２次関数の特性分も補償されることになる。即ち、図２と図３とを合わせた温度特性をキャンセルするように、ＴＣＸＯ２の補償電圧Ｖ_Ｃは設定されている。

このＴＣＸＯ２によれば、温度検出器２８で検出した周囲温度Ｔと、予め設定された温度検出器２８により検出された温度と前記水晶発振器との温度差である温度差ΔＴと、に基づいて、３次関数発生器２７が発振回路２５に印加する補償電圧Ｖ_Ｃを決定して、その補償電圧Ｖ_Ｃに応じた制御電圧Ｖ_１が水晶発振回路２０に印加されている。従って、周囲温度Ｔが変化したときにおける前記温度差ΔＴによる、周波数変動を抑えるために必要な補償電圧Ｖ_Ｃと実際に水晶発振回路２０に印加される補償電圧Ｖ_Ｃとのずれが抑えられる。その結果として、前記周波数変動を抑えることができ、精度高く水晶振動子を発振させることができる。

ところで、補償電圧Ｖ_Ｃが（Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ）についての３次関数である例について説明してきたが、Ｖ_Ｃはこのような３次関数に限られず、４次関数や５次関数などの３次以上の高次関数として設定されていてもよい。このＶ_Ｃは、次の式（８）で表すことができる。

この式（８）でＫ_ｊは予め設定した定数であるが、ただしＫ_２＝０である。つまり、既述の例では（８）式においてｎ＝３である場合について説明しており、上記の（４）式と対応させると、Ｋ_３＝α’、Ｋ_１＝β’、Ｋ_０＝γ’である。そして、（８）式においてｎは４以上の整数として設定されてもよく、例えばｎ＝４である場合、ｎ＝５である場合にはＶ_Ｃは夫々下記の（９）式、（１０）式で表すことができる。
Ｖ_Ｃ＝Ｋ₄(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)⁴＋Ｋ₃(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)³＋Ｋ₁(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)＋Ｋ₀
・・・（９）
Ｖ_Ｃ＝Ｋ₅(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)⁵＋Ｋ₄(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)⁴＋Ｋ₃(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)³
＋Ｋ₁(Ｔ−Ｔ₀−ΔＴ)＋Ｋ₀
・・・（１０）

本発明の実施形態に係るＴＣＸＯの回路構成図である。 前記ＴＣＸＯに設けられた水晶振動子の温度特性の３次関数分を示したグラフ図である。 前記水晶振動子の温度特性の２次関数分を示したグラフ図である。 水晶振動子の３次関数分の温度特性と、それを補償する補償電圧の変化とを示したグラフ図である。 発振回路に印加される制御電圧と発振周波数との関係を示したグラフ図である。 周囲温度と周波数偏差との関係を示したグラフ図である。 ＴＣＸＯの外観斜視図である。

１１ 基板
１２ カバー
２０ 水晶発振回路
２１ 水晶振動子
２２ 発振制御部
２５ 発振回路
２７ ３次関数発生器
２８ 温度検出器
２９ メモリ
１，２ ＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）

Claims (2)

1. 容器内に設けられた水晶振動子と、
   前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
   前記容器内に設けられた温度検出器と、
   前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
   を備え、
   前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をＴ、基準温度をＴ₀、基準温度Ｔ₀において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をＶ₀、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔＴ、
   Ｋ_ｊを予め設定した定数とすると、次式
   

   

   の関係で表され、
   Ｋ_２＝０で表される補償電圧Ｖ_ＣをＶ₀に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする温度補償水晶発振器。
2. 温度検出器、発振回路及び電圧制御部は集積回路チップに設けられていることを特徴とする請求項１記載の温度補償水晶発振器。

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