JP2011103564A - 温度補償圧電発振器及びその周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した周波数温度特性が得られる温度補償圧電発振器及びその周波数調整方法を提供すること。
【解決手段】第１のメモリー３０と第２のメモリー４０には、それぞれ、圧電振動子８０の温度上昇時、温度下降時における周波数温度特性を特定するための第１、第２の温度補償データ３２、４２が記憶される。温度変化検出回路１０は、温度センサー５０が取得した温度情報に基づいて温度上昇と温度下降のいずれかが生じたかを検出する。セレクター２０は、温度変化検出回路の検出結果に基づいて、温度上昇時、温度下降時にそれぞれ第１、第２の温度補償データを選択する。温度補償電圧発生回路６０は、セレクターにより選択された第１又は第２の温度補償データに基づいて、温度補償電圧６２を発生させる。電圧制御発振回路７０は、温度補償電圧に基づいて圧電振動子の周波数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度補償圧電発振器及びその周波数調整方法に関する。

温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Xtal Oscillator）は、水晶振動子の発振周波数の温度特性をキャンセルすることにより高い周波数安定度が得られるため、携帯電話の端末や基地局、ＧＰＳ（Global Positioning System）受信機等の高精度のタイミング信号を必要とする機器やシステムに広く使用されている。

これまでに、様々なタイプの温度補償水晶発振器が提案されている。例えば、特許文献１では、水晶振動子の発振周波数の温度特性に応じて発生させた近似３次関数を用いて周波数を連続的に補正することで、温度変化に対して安定した周波数特性を実現することができるとともに集積化にも適した温度補償水晶発振器が提案されている。さらに、特許文献２では、特許文献１に記載された温度補償水晶発振器を改良してより正確な温度補償を行うことができる温度補償水晶発振器が提案されている。

特開平９−５５６２４号公報 国際公開第９８／５６１０５号

しかしながら、温度が上昇から下降、もしくは下降から上昇に転じたときに水晶素板にかかる歪応力が回復しきれず接着剤や電極等に熱的歪が発生するため、水晶振動子の発振周波数は温度上昇時と温度下降時で一致せずヒステリシスをもつ。近年、温度補償水晶発振器の小型化が進むにつれて、この熱的歪の影響が大きくなってきている。その結果、同じ温度であっても水晶振動子の発振周波数が異なる場合があり、従来の温度補償水晶発振器では、例えば温度上昇時には高い精度で温度補償を行うことができるが、温度下降時には補償精度が劣化するという問題があった。図１３は、従来の温度補償水晶発振器の周波数温度特性の一例を示す図である。図１３において、横軸は温度であり、縦軸は周波数偏差（公称周波数に対する周波数誤差）である。−２５℃付近の温度から＋７５℃付近の温度まで上昇させた時の周波数偏差（Ａのグラフ参照）と＋７５℃付近の温度から−２５℃付近の温度まで下降させた時の周波数偏差（Ｂのグラフ参照）が大きく異なっている。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した温度特性が得られる温度補償圧電発振器及びその周波数調整方法を提供することができる。

（１）本発明は、圧電振動子と、前記圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を特定するための第１の温度補償データが記憶される第１の記憶手段と、前記圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を特定するための第２の温度補償データが記憶される第２の記憶手段と、温度情報を取得する温度センサーと、前記温度センサーが取得した前記温度情報に基づいて、温度上昇と温度下降のいずれかが生じたかを検出する温度変化検出手段と、前記温度変化検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇時は前記第１の温度補償データを選択し、温度下降時は前記第２の温度補償データを選択する温度補償データ選択手段と、前記温度補償データ選択手段により選択された前記第１の温度補償データ又は前記第２の温度補償データに基づいて、前記圧電振動子の周波数を温度補償するための温度補償電圧を発生させる温度補償電圧発生回路と、前記温度補償電圧に基づいて前記圧電振動子の周波数を制御する電圧制御発振回路と、を含む、温度補償圧電発振器である。

第１の温度補償データは、例えば、圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を表す曲線を特定するパラメーターであってもよいし、当該周波数温度特性の逆特性を表す曲線を特定するパラメーターであってもよい。

同様に、第２の温度補償データは、例えば、圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を表す曲線を特定するパラメーターであってもよいし、当該周波数温度特性の逆特性を表す曲線を特定するパラメーターであってもよい。

本発明の温度補償圧電発振器では、第１の温度補償データによって圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を特定することができ、第２の温度補償データによって圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を特定することができる。そして、本発明の温度補償圧電発振器では、温度上昇時は第１の温度補償データに基づいて発生させた温度補償電圧により圧電振動子の周波数を制御し、温度下降時は第２の温度補償データに基づいて発生させた温度補償電圧により圧電振動子の周波数を制御する。従って、本発明によれば、温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した周波数温度特性が得られる温度補償圧電発振器を提供することができる。

（２）この温度補償圧電発振器において、前記温度変化検出手段は、前記温度センサーの出力信号を遅延させる遅延手段と、前記温度センサーの出力信号と前記遅延手段による遅延信号の電圧を比較し、前記温度センサーの出力信号の電圧が前記遅延信号の電圧よりも所定値以上高い場合は第１の電圧値を出力し、前記温度センサーの出力信号の電圧が前記遅延信号の電圧よりも所定値以上低い場合は第２の電圧値を出力し、その他の場合は第１の電圧値又は第２の電圧値の出力を保持する電圧比較手段と、を含むようにしてもよい。

本発明の温度補償圧電発振器によれば、温度変化検出手段に含まれる電圧比較手段は、温度センサーの出力信号の電圧値と遅延手段による遅延信号の電圧値を比較し、第１の電圧値と第２の電圧値のいずれかを出力するが、比較対象の２つの電圧の差が所定値よりも小さければ現在の出力電圧値を保持する。すなわち、温度センサーの出力信号の電圧値に多少の揺らぎがあっても電圧比較手段の出力電圧は変化しないので、温度の微妙な揺らぎに対して電圧比較手段が敏感に反応しないようにすることができる。従って、本発明の温度補償圧電発振器によれば、周波数安定度をより向上させることができる。

（３）本発明は、圧電振動子と、第１の温度補償データが記憶される第１の記憶手段と、第２の温度補償データが記憶される第２の記憶手段と、温度情報を取得する温度センサーと、前記温度センサーが取得した前記温度情報に基づいて、温度上昇と温度下降のいずれかが生じたかを検出する温度変化検出手段と、前記温度変化検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇時は前記第１の温度補償データを選択し、温度下降時は前記第２の温度補償データを選択する温度補償データ選択手段と、前記温度補償データ選択手段により選択された前記第１の温度補償データ又は前記第２の温度補償データに基づいて、前記圧電振動子の周波数を温度補償するための温度補償電圧を発生させる温度補償電圧発生回路と、前記温度補償電圧に基づいて前記圧電振動子の周波数を制御する電圧制御発振回路と、を含む、温度補償圧電発振器の周波数調整方法であって、前記温度補償圧電発振器の外部から前記電圧制御発振回路の制御電圧を供給し、温度を上昇させながら、少なくとも５つの異なる温度において、前記制御電圧を変化させて前記圧電振動子の周波数が目標の周波数と一致する時の前記制御電圧の値を取得する第１の制御電圧値取得ステップと、前記第１の制御電圧値取得ステップで取得した少なくとも５つの制御電圧値に基づいて、前記圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を特定するためのデータを算出し、当該データを前記第１の温度補償データとして前記第１の記憶手段に書き込むステップと、前記温度補償圧電発振器の外部から前記電圧制御発振回路の制御電圧を供給し、温度を下降させながら、少なくとも５つの異なる温度において、前記制御電圧を変化させて前記圧電振動子の周波数が目標の周波数と一致する時の前記制御電圧の値を取得する第２の制御電圧値取得ステップと、前記第２の制御電圧値取得ステップで取得した少なくとも５つの制御電圧値に基づいて、前記圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を特定するためのデータを算出し、当該データを前記第２の温度補償データとして前記第２の記憶手段に書き込むステップと、を含む。

本発明の周波数調整方法によれば、温度上昇時の圧電振動子の周波数温度特性を表す第１の温度補償データと温度下降時の圧電振動子の周波数温度特性を表す第２の温度補償データの両方を算出することができる。従って、本発明の周波数調整方法によれば、温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した周波数温度特性が得られる温度補償圧電発振器を提供することができる。

また、本発明の周波数調整方法によれば、温度上昇時も温度下降時も５つ以上の異なる温度での制御電圧の値を取得して温度補償データを算出するので、広い温度範囲に亘ってより精度の高い温度補償を行うことができる温度補償圧電発振器を提供することができる。

本実施形態の温度補償圧電発振器の構成を示す図。 図２（Ａ）は圧電振動子の周波数温度特性の一例を示す図であり、図２（Ｂ）は温度補償電圧の一例を示す図。 電圧制御発振回路の構成例を示す図。 ＭＯＳバリキャップのＣ−Ｖ特性の一例を示す図。 基準電圧と温度補償電圧の関係の一例を示す。 温度変化検出回路の構成例を示す図。 ヒステリシスコンパレーターの出力電圧の一例を示す図。 セレクターの構成例を示す図である。 本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数温度特性の一例を示す図。 本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数調整方法に使用する測定系の構成例を示す図。 本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数調整方法のフローチャート図。 図１２（Ａ）は温度上昇時における理想補償電圧の一例を示す図であり、図１２（Ｂ）は温度下降時における理想補償電圧の一例を示す図。 従来の温度補償水晶発振器の周波数温度特性の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．温度補償圧電発振器の構成
図１は、本実施形態の温度補償圧電発振器の構成を示す図である。

本実施形態の温度補償圧電発振器１は、温度変化検出回路１０、セレクター２０、第１のメモリー３０、第２のメモリー４０、温度センサー５０、温度補償電圧発生回路６０、電圧制御発振回路７０、圧電振動子８０を含んで構成されている。

圧電振動子８０は、逆圧電効果を利用して一定の周波数で振動する圧電素子であり、例えば、水晶振動子やセラミック振動子、ニオブ酸リチウム振動子、タンタル酸リチウム振動子などの単結晶材料を用いた振動子や、酸化亜鉛圧電薄膜振動子、酸化アルミニウム圧電薄膜振動子などの圧電性薄膜を用いた振動子等である。

特に、ＡＴカット水晶振動子の各温度での周波数偏差を表す周波数温度特性は広い温度範囲に亘って近似３次曲線の極めて良好な特性を示すことが知られており、圧電振動子８０としてＡＴカット水晶振動子を使用することで、周波数安定度が極めて高い温度補償水晶発振器を実現することができる。しかし、図２（Ａ）に示すように、ＡＴカット水晶振動子は、低温（例えば−３０℃）から高温（例えば＋８５℃）まで温度を上昇させた時の周波数温度特性を示す近似３次曲線（実線で示す３次曲線）と高温（例えば＋８５℃）から低温（例えば−３０℃）まで温度を下降させた時の周波数温度特性を示す近似３次曲線（点線で示す３次曲線）が一致しない。すなわち、ＡＴカット水晶振動子の周波数温度特性はヒステリシスを持っている。

そこで、本実施形態の温度補償圧電発振器１では、第１のメモリー３０には圧電振動子８０の温度上昇時の周波数温度特性を補正するための第１の温度補償データ３２が記憶されており、第２のメモリー４０には圧電振動子８０の温度下降時の周波数温度特性を補正するための第２の温度補償データ４２が記憶されている。

例えば、製品出荷時の検査工程において圧電振動子８０の温度上昇時と温度下降時の各周波数温度特性を測定し、測定結果に応じた第１の温度補償データ３２と第２の温度補償データ４２がそれぞれ第１のメモリー３０と第２のメモリー４０に書き込まれる。

第１のメモリー３０と第２のメモリー４０は、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）によって実現することができる。なお、第１のメモリー３０と第２のメモリー４０は、物理的に異なる２つの記憶部として構成してもよいし、１つの記憶部においてアドレス範囲が異なる２つの記憶領域に割り当てるように構成してもよい。

第１の温度補償データ３２としては、圧電振動子８０の温度上昇時の周波数温度特性を表す曲線を特定するためのパラメーターであってもよい。同様に、第２の温度補償データ４２としては、圧電振動子８０の温度下降時の周波数温度特性を表す曲線を特定するためのパラメーターであってもよい。

例えば、圧電振動子８０がＡＴカット水晶振動子であれば、温度上昇時の周波数温度特性（周波数偏差Δｆ／ｆ）は図２（Ａ）の実線で示す３次曲線によって近似され、この３次曲線に対応する３次関数は次の式（１）のように表すことができる。式（１）において、ｆは公称周波数、Δｆは周波数誤差、Ｔは温度変数、ｔ_０は基準温度（例えば２５℃）を示す。

式（１）は係数Ａ_３、Ａ_１、定数Ａ_０及び基準温度ｔ_０によって特定することができるので、係数Ａ_３、Ａ_１、定数Ａ_０及び基準温度ｔ_０を第１の温度補償データ３２とすることができる。

同様に、圧電振動子８０がＡＴカット水晶振動子であれば、温度下降時の周波数温度特性（周波数偏差Δｆ／ｆ）は図２（Ａ）の点線で示す３次曲線によって近似され、この３次曲線に対応する３次関数は次の式（２）のように表すことができる。式（２）において、ｆは公称周波数、Δｆは周波数誤差、Ｔは温度変数、ｔ_０は基準温度（例えば２５℃）を示す。

式（２）は係数Ｂ_３、Ｂ_１、定数Ｂ_０及び基準温度ｔ_０によって特定することができるので、係数Ｂ_３、Ｂ_１、定数Ｂ_０及び基準温度ｔ_０を第２の温度補償データ４２とすることができる。

温度センサー５０は、近傍の温度に関する情報（温度情報）を検出する。温度センサー５０は、例えば、電気抵抗の変化として温度変化を捉えるサーミスターによって実現することができる。本実施形態では、温度センサー５０の出力電圧５２が温度変化に応じて負の傾きで線形に変化する。すなわち、温度が高いほど、温度センサー５０の出力電圧５２は低くなる。

温度変化検出回路１０は、温度センサー５０の出力電圧５２（温度情報）に基づいて、温度上昇から温度下降への変化及び温度下降から温度上昇への変化を検出する。本実施形態では、温度変化検出回路１０は、温度が下降から上昇に転じた時にローレベルからハイレベルに変化し、温度は上昇から下降に転じた時にハイレベルからローレベルに変化する制御信号１２を生成する。

セレクター２０は、制御信号１２に基づいて、第１のメモリー３０に記憶されている第１の温度補償データ３２と第２のメモリー４０に記憶されている第２の温度補償データ４２のいずれか一方を選択し、温度補償電圧発生回路６０に供給する。本実施形態では、セレクター２０は、制御信号１２がハイレベルであれば第１の温度補償データ３２を選択し、制御信号１２がローレベルであれば第２の温度補償データ４２を選択する。

温度補償電圧発生回路６０は、セレクター２０により選択された第１の温度補償データ３２又は第２の温度補償データ４２に基づいて、電圧制御発振回路７０に対する温度補償電圧６２を発生させる。本実施形態では、温度補償電圧発生回路６０は、圧電振動子８０の周波数温度特性を表す曲線と相似形の曲線となるように温度補償電圧６２を発生させる。例えば、圧電振動子８０がＡＴカット水晶振動子であれば、温度補償電圧発生回路６０は、温度上昇時は第１の温度補償データ３２に基づいて図２（Ｂ）の実線で示す３次曲線の温度補償電圧６２を発生させ、温度下降時は第２の温度補償データ４２に基づいて図２（Ｂ）の点線で示す３次曲線の温度補償電圧６２を発生させる。

電圧制御発振回路７０は、温度補償電圧６２に応じて圧電振動子８０の負荷容量を変化させることにより、温度に関係なく、圧電振動子８０を一定の周波数（公称周波数）で発振させて発振信号２を生成する。本実施形態では、電圧制御発振回路７０は、温度補償電圧６２が高いほど圧電振動子８０の負荷容量を大きくする。

このような電圧制御発振回路７０は、例えば、図３に示す構成により実現することができる。

図３に示すように、ＮＭＯＳトランジスター７７−１〜７７−ｐのソースにはグランド電位（０Ｖ）が供給され、各ＮＭＯＳトランジスター７７−ｋ（１≦ｋ≦ｐ）には、ｋが大きいほど大きい容量値となるように重み付けされたキャパシターが接続されている。同様に、ＮＭＯＳトランジスター７８−１〜７８−ｐのソースにはグランド電位（０Ｖ）が供給され、各ＮＭＯＳトランジスター７８−ｋ（１≦ｋ≦ｐ）には、ｋが大きいほど大きい容量値となるように重み付けされたキャパシターが接続されている。

各ＮＭＯＳトランジスター７７−ｋ（１≦ｋ≦ｐ）のゲート端子と各ＮＭＯＳトランジスター７８−ｋのゲート端子には、入力端子７３−ｋを介して、ｐビットの周波数調整コードのビット（ｋ−１）が供給される。そして、周波数調整コードのビット（ｋ−１）がローレベルであれば、ＮＭＯＳトランジスター７７−ｋと７８−ｋがオンし、そのドレインに接続されたキャパシターが圧電振動子８０の負荷として働く。

すなわち、ｐビットの周波数調整コードのビット値が０〜２^ｐ−１の範囲で増減すると圧電振動子８０の負荷容量が線形に増減する。従って、図示しない不揮発性メモリーに適切な周波数調整コードを書き込むことによって、出力端子７４を介して出力される発振信号２の基準温度（例えば２５℃）における周波数が所望の周波数（公称周波数）になるように調整することができる。

また、ＭＯＳバリキャップ７５のゲート端子は圧電振動子８０の一端に接続されており、ＭＯＳバリキャップ７６のゲート端子は圧電振動子８０の他端に接続されている。

ＭＯＳバリキャップ７５のゲート端子とＭＯＳバリキャップ７６のゲート端子には、入力端子７２を介して温度補償電圧６２が供給されるようになっている。また、ＭＯＳバリキャップ７５のバックゲート端子とＭＯＳバリキャップ７６のバックゲート端子には入力端子７１を介して一定の基準電圧が供給されるようになっている。

本実施形態では、ＭＯＳバリキャップ７５、７６は、図４に示すようなＣ−Ｖ特性を有している。すなわち、ゲート端子とバックゲート端子の電位差が０〜Ｖ_ＧＢ１の範囲で増減すれば、ＭＯＳバリキャップ７５、７６の容量値はＣ_０〜Ｃ_１の範囲でほぼ線形に増減する。

本実施形態では、ＭＯＳバリキャップ７５、７６の特性に合わせて、図５に示すように、温度補償電圧６２の最小値よりも低い基準電圧が供給される。なお、図２（Ｂ）と同じく、図５においても、実線で示す３次曲線が温度上昇時の温度補償電圧６２を示し、点線で示す３次曲線が温度下降時の温度補償電圧６２を示している。

このようにすれば、温度補償電圧６２が高い（すなわち、圧電振動子８０の単体での周波数が高い）ほどＭＯＳバリキャップ７５、７６の容量値が大きくなり、温度補償電圧６２が低い（すなわち、圧電振動子８０の単体での周波数が低い）ほどＭＯＳバリキャップ７５、７６の容量値が小さくなるので、一定周波数（公称周波数）の発振信号２を生成することができる。

図６は、温度変化検出回路１０の構成例を示す図である。

温度変化検出回路１０は、Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ）１１０、Ｎ分周器１２０、遅延回路１３０、Ｄ／Ａ変換回路（ＤＡＣ）１４０、ヒステリシスコンパレーター１５０を含んで構成されている。

Ｎ分周器１２０は、入力端子１０２を介して電圧制御発振回路７０が出力する発振信号２が入力され、発振信号２をＮ分周したクロック信号１２２を生成する。

Ａ／Ｄ変換回路１１０は、入力端子１０１を介して温度センサー５０の出力電圧５２（温度情報）が入力され、クロック信号１２２をサンプリングクロックとしてＡ／Ｄ変換処理を行い、温度センサー５０の出力電圧５２のレベルに対して線形なビット値となるｍビットのデジタル信号１１２を生成する。

遅延回路１３０は、ｍビットのデジタル信号１１２を遅延させたｍビットのデジタル信号１３２を生成する。遅延回路１３０は、例えば、クロック信号１２２等によって動作するシフトレジスターとして実現することができる。

Ｄ／Ａ変換回路１４０は、ｍビットのデジタル信号１３２に対してＤ／Ａ変換処理を行い、デジタル信号１３２のビット値に対して線形なレベルの電圧を出力する。

ヒステリシスコンパレーター１５０は、オペアンプ１５２、抵抗１５４、１５６を含んで構成されている。

抵抗１５４の一端にはＤ／Ａ変換回路１４０の出力電圧が供給され、抵抗１５４の他端はオペアンプ１５２の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。

抵抗１５６の両端は、それぞれオペアンプ１５２の非反転入力端子（＋端子）と出力端子に接続されている。

オペアンプ１５２の反転入力端子（−端子）には入力端子１０１を介して温度センサー５０の出力電圧５２が供給される。また、オペアンプ１５２の電源端子（図示省略）とグランド端子（図示省略）にはそれぞれ電源電位とグランド電位（０Ｖ）が供給される。

ここで、抵抗１５４、１５６の抵抗値をそれぞれＲ_１、Ｒ_２、Ｄ／Ａ変換回路１４０の出力電圧の電圧値をＶ_Ａ、ヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧（すなわち温度変化検出回路１０の出力電圧１２）の電圧値をＶ_Ｏとすると、オペアンプ１５２の非反転入力端子（＋端子）の電圧Ｖ_＋は次の式（３）により計算される。

Ｖ_Ｏが電源電位（ハイレベル）で飽和している時は、Ｖ_Ｏ−Ｖ_Ａ＞０なので、式（３）より、オペアンプ１５２の反転入力端子（−端子）にＶ_Ａよりも（Ｖ_Ｏ−Ｖ_Ａ）×Ｒ_１／（Ｒ_１＋Ｒ_２）以上高い電圧が供給されなければ、Ｖ_Ｏがグランド電位（ローレベル）に反転しない。逆に、Ｖ_Ｏがグランド電位（ローレベル）で飽和している時は、Ｖ_Ｏ−Ｖ_Ａ＜０なので、オペアンプ１５２の反転入力端子（−端子）にＶ_Ａよりも（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｏ）×Ｒ_１／（Ｒ_１＋Ｒ_２）以上低い電圧が供給されなければ、Ｖ_Ｏが電源電位（ハイレベル）に反転しない。

すなわち、ヒステリシスコンパレーター１５０は、ΔＶ＝（Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｏ）×Ｒ_１／（Ｒ_１＋Ｒ_２）の電圧幅の不感帯をもって温度センサー５０の出力電圧５２とＤ／Ａ変換回路１４０の出力電圧を比較する。

その結果、図７に示すように、温度センサー５０の出力電圧５２（電圧値Ｖ_Ｂ）がＤ／Ａ変換回路１４０の出力電圧（電圧値Ｖ_Ａ）に対して不感帯の電圧幅ΔＶ以上高ければ、ヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧が電源電位（ハイレベル）からグランド電位（ローレベル）に変化する。一方、温度センサー５０の出力電圧５２（電圧値Ｖ_Ｂ）がＤ／Ａ変換回路１４０の出力電圧（電圧値Ｖ_Ａ）に対して不感帯の電圧幅ΔＶ以上低ければ、ヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧がグランド電位（ローレベル）から電源電位（ハイレベル）に変化する。

先に説明したように、本実施形態では温度センサー５０の出力電圧５２が温度変化に応じて負の傾きで線形に変化する。従って、ヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧は、温度上昇から温度下降に転じた時にハイレベルからローレベルに変化し、温度下降から温度上昇に転じた時にローレベルからハイレベルに変化する。

ヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧（オペアンプ１５２の出力電圧）は制御信号１２として出力端子１０３を介してセレクター２０に出力される。

なお、ヒステリシスコンパレーター１５０が温度の微妙な揺らぎに対して敏感に反応しないように不感帯の電圧幅を調整しておくのが望ましい。例えば、Ｒ_２＝２０Ｒ_１程度に設定すれば不感帯の電圧幅を電圧レンジの５％程度に調整することができる。このようにすれば、温度の微妙な揺らぎがあってもヒステリシスコンパレーター１５０の出力電圧は変化しないので、周波数安定度をより向上させることができる。

図８は、セレクター２０の構成例を示す図である。

セレクター２０は、ｎ個の２入力ＡＮＤ回路２１０−１〜２１０−ｎ、ｎ個の２入力ＡＮＤ回路２２０−１〜２２０−ｎ、ｎ個のインバーター回路２３０−１〜２３０−ｎ、ｎ個の２入力ＯＲ回路２４０−１〜２４０−ｎを含んで構成されている。

各インバーター回路２３０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）には、入力端子２０３を介して制御信号１２が共通に入力される。

各２入力ＡＮＤ回路２１０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）は、一方の入力に入力端子２０１−ｋを介して第１のメモリーからｎビットの第１の温度補償データ３２のビット（ｋ−１）が入力され、他方の入力に入力端子２０３を介して制御信号１２が共通に入力される。

各２入力ＡＮＤ回路２２０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）は、一方の入力に入力端子２０２−ｋを介して第２のメモリーからｎビットの第２の温度補償データ４２のビット（ｋ−１）が入力され、他方の入力にインバーター回路２３０−ｋの出力信号（制御信号１２の反転信号）が入力される。

各２入力ＯＲ回路２４０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）は、一方の入力に２入力ＡＮＤ回路２１０−ｋの出力信号が入力され、他方の入力に２入力ＡＮＤ回路２２０−ｋの出力信号が入力される。２入力ＯＲ回路２４０−１〜２４０−ｎの出力信号は、それぞれ出力端子２０４−１〜２０４−ｎを介して温度補償電圧発生回路６０に出力される。

このような構成により、セレクター２０は、制御信号１２がハイレベルであれば第１の温度補償データを選択し、制御信号１２がローレベルであれば第２の温度補償データを選択し、温度補償電圧発生回路６０に供給することができる。

図９は、本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数温度特性の一例を示す図である。図９において、横軸は温度であり、縦軸は周波数偏差である。

本実施形態の温度補償圧電発振器によれば、温度上昇時は第１の温度補償データに基づいて温度補償電圧を発生して温度補償を行い、温度下降時は第２の温度補償データに基づいて温度補償電圧を発生して温度補償を行う。従って、図９に示すように、−２５℃付近の温度から＋７５℃付近の温度まで上昇させた時の周波数偏差（Ａのグラフ参照）も、＋７５℃付近の温度から−２５℃付近の温度まで下降させた時の周波数偏差（Ｂのグラフ参照）も極めて小さくすることに成功している。

すなわち、本実施形態によれば、温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した周波数温度特性が得られる温度補償圧電発振器を提供することができる。

なお、本実施形態における温度変化検出回路１０及びセレクター２０は、それぞれ、本発明における「温度変化検出手段」及び「温度補償データ選択手段」として機能する。また、第１のメモリー３０及び第２のメモリー４０は、それぞれ、本発明における「第１の記憶手段」及び「第２の記憶手段」として機能する。また、Ａ／Ｄ変換回路１１０、Ｎ分周器１２０、遅延回路１３０及びＤ／Ａ変換回路１４０によって構成される回路は、本発明における「遅延手段」として機能する。また、ヒステリシスコンパレーター１５０は、本発明における「電圧比較手段」として機能する。

２．温度補償圧電発振器の周波数調整方法
図１０は、本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数調整方法に使用する測定系の構成例を示す図である。

温度補償圧電発振器１は、図１に示した温度補償圧電発振器１であり、図１と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。但し、温度補償圧電発振器１には、制御回路９０、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路９２、スイッチ回路９４、９６が追加されている。また、温度補償圧電発振器１は恒温漕（図示省略）の中に設置されており、温度補償圧電発振器１の周囲の温度を制御できるようになっている。

インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路９２は、ＰＣ３００に対するインターフェース処理を行い、パーソナルコンピューター（ＰＣ）３００からの指令を受け取って制御回路９０に転送する。

制御回路９０は、スイッチ回路９４、９６の開閉制御及び第１のメモリー３０や第２のメモリー４０に温度補償データを書き込む処理を行う。

スイッチ回路９４は、温度補償電圧発生回路６０の出力と電圧制御発振回路７０の入力の間に配置されており、スイッチ回路９４の開閉により、温度補償電圧発生回路６０の出力電圧を電圧制御発振回路７０に供給するか否かを選択することができるようになっている。

スイッチ回路９６は、電圧発生器３２０の出力と電圧制御発振回路７０の入力の間に配置されており、スイッチ回路９６の開閉により、電圧発生器３２０の出力電圧を電圧制御発振回路７０に供給するか否かを選択することができるようになっている。

スイッチ回路９４の開閉とスイッチ回路９６の開閉は排他的に行われ、電圧制御発振回路７０には、周波数調整時は電圧発生器３２０の出力電圧が供給され、通常動作時は温度補償電圧発生回路６０の出力電圧が供給される。

ＰＣ３００は、温度補償圧電発振器１に対して、スイッチ回路９４、９６の開閉の指示、第１のメモリー３０や第２のメモリー４０への温度補償データの書き込み指示を行ったり、電圧発生器３２０に対して所望のレベルの電圧を発生させるように制御する処理を行う。

周波数カウンター３１０は、電圧制御発振回路７０が出力する発振信号２の周波数をカウントし、カウント値をＰＣ３００に送信する処理を行う。

デジタルマルチメーター３３０は、電圧発生器３２０の出力電圧のレベルを測定し、測定値をＰＣ３００に送信する処理を行う。

次に、図１０に示した測定系を用いて、本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数を調整する方法の一例について説明する。図１１は、本実施形態の温度補償圧電発振器の周波数調整方法のフローチャート図である。図１１のフローチャートの各処理の前に、ＰＣ３００の指示によりスイッチ回路９４が開かれ、スイッチ回路９６が閉じられた状態になっている。

まず、恒温漕の内部温度を第１温度（例えば−２５℃）まで下げて、第１温度点での理想補償電圧を取得する（ステップＳ１０）。具体的には、ＰＣ３００が、電圧発生器３２０の出力電圧を変化させながら周波数カウンター３１０のカウント値をモニターし、発振信号２の周波数が公称周波数と一致する時のデジタルマルチメーター３３０の測定値を第１温度点での理想補償電圧として取得する。

次に、恒温漕の内部温度を第２温度（例えば０℃）まで上げて、第２温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ２０）。

次に、恒温漕の内部温度を第３温度（例えば＋２５℃）まで上げて、第３温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ３０）。

次に、恒温漕の内部温度を第４温度（例えば＋５５℃）まで上げて、第４温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ４０）。

次に、恒温漕の内部温度を第５温度（例えば＋７５℃）まで上げて、第５温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ５０）。

次に、ステップＳ１０〜Ｓ５０で取得した第１温度点〜第５温度点での理想補償電圧から温度上昇時の温度補償データ（第１の温度補償データ）を算出し、第１のメモリー３０に書き込む（ステップＳ６０）。具体的には、まず、図１２（Ａ）に示すように、最小近似法等を用いて、第１温度点〜第５温度点での５つの理想補償電圧（白丸で示す）に対する誤差が最小となる３次曲線（実線で示す）を表す３次関数を求める。次に、この３次関数を、例えば第３温度を基準温度ｔ_０として式（１）で表される３次関数に変換する。そして、式（１）の係数Ａ_３、Ａ_１、定数Ａ_０及び基準温度ｔ_０を第１の温度補償データ３２として、第１のメモリー３０に書き込む。

次に、再度、第５温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ７０）。

次に、恒温漕の内部温度を第４温度まで下げて、第４温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ８０）。

次に、恒温漕の内部温度を第３温度まで下げて、第３温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ９０）。

次に、恒温漕の内部温度を第２温度まで下げて、第２温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ１００）。

次に、恒温漕の内部温度を第１温度まで下げて、第１温度点での理想補償電圧を同様に取得する（ステップＳ１１０）。

最後に、ステップＳ７０〜Ｓ１１０で取得した第１温度点〜第５温度点での理想補償電圧から温度下降時の温度補償データ（第２の温度補償データ）を算出し、第２のメモリー４０に書き込む（ステップＳ１２０）。具体的には、まず、図１２（Ｂ）に示すように、最小近似法等を用いて、第１温度点〜第５温度点での５つの理想補償電圧（白丸で示す）に対する誤差が最小となる３次曲線（実線で示す）を表す３次関数を求める。次に、この３次関数を、例えば第３温度を基準温度ｔ_０として式（２）で表される３次関数に変換する。そして、式（２）の係数Ｂ_３、Ｂ_１、定数Ｂ_０及び基準温度ｔ_０を第２の温度補償データ４２として、第２のメモリー４０に書き込む。

本実施形態の周波数調整方法によれば、温度上昇時の圧電振動子８０の周波数温度特性を表す第１の温度補償データ３２と温度下降時の圧電振動子８０の周波数温度特性を表す第２の温度補償データ４２の両方を算出することができる。従って、本実施形態の周波数調整方法によれば、温度上昇や温度下降の際の温度変化に対する周波数のヒステリシスが少なく安定した周波数温度特性が得られる温度補償圧電発振器を提供することができる。

また、本実施形態の周波数調整方法によれば、温度上昇時も温度下降時も５つの温度点での理想補償電圧を取得して温度補償データを算出するので、広い温度範囲に亘ってより精度の高い温度補償を行うことができる温度補償圧電発振器を提供することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 温度補償圧電発振器、２ 発振信号、１０ 温度変化検出回路、１２ 制御信号、２０ セレクター、３０ 第１のメモリー、３２ 第１の温度補償データ、４０ 第２のメモリー、４２ 第２の温度補償データ、５０ 温度センサー、５２ 温度センサーの出力電圧、６０ 温度補償電圧発生回路、６２ 温度補償電圧、７０ 電圧制御発振回路、７１〜７２ 入力端子、７３−１〜７３−ｐ 入力端子、７４ 出力端子、７５〜７６ ＭＯＳバリキャップ、７７−１〜７７−ｐ ＮＭＯＳトランジスター、７８−１〜７８−ｐ ＮＭＯＳトランジスター、８０ 圧電振動子、９０ 制御回路、９２ インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路、９４ スイッチ回路、９６ スイッチ回路、１０１〜１０２ 入力端子、１０３ 出力端子、１１０ Ａ／Ｄ変換回路（ＡＤＣ）、１１２ デジタル信号、１２０ Ｎ分周器、１２２ クロック信号、１３０ 遅延回路、１３２ デジタル信号、１４０ Ｄ／Ａ変換回路（ＤＡＣ）、１５０ ヒステリシスコンパレーター、１５２ オペアンプ、１５４ 抵抗、１５６ 抵抗、２０１−１〜２０１−ｎ 入力端子、２０２−１〜２０２−ｎ 入力端子、２０３ 入力端子、２０４−１〜２０４−ｎ 出力端子、２１０−１〜２１０−ｎ ２入力ＡＮＤ回路、２２０−１〜２２０−ｎ ２入力ＡＮＤ回路、２３０−１〜２３０−ｎ インバーター回路、２４０−１〜２４０−ｎ ２入力ＯＲ回路、３００ パーソナルコンピューター（ＰＣ）、３１０ 周波数カウンター、３２０ 電圧発生器、３３０ デジタルマルチメーター

Claims (3)

1. 圧電振動子と、
   前記圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を特定するための第１の温度補償データが記憶される第１の記憶手段と、
   前記圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を特定するための第２の温度補償データが記憶される第２の記憶手段と、
   温度情報を取得する温度センサーと、
   前記温度センサーが取得した前記温度情報に基づいて、温度上昇と温度下降のいずれかが生じたかを検出する温度変化検出手段と、
   前記温度変化検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇時は前記第１の温度補償データを選択し、温度下降時は前記第２の温度補償データを選択する温度補償データ選択手段と、
   前記温度補償データ選択手段により選択された前記第１の温度補償データ又は前記第２の温度補償データに基づいて、前記圧電振動子の周波数を温度補償するための温度補償電圧を発生させる温度補償電圧発生回路と、
   前記温度補償電圧に基づいて前記圧電振動子の周波数を制御する電圧制御発振回路と、を含む、温度補償圧電発振器。
2. 請求項１において、
   前記温度変化検出手段は、
   前記温度センサーの出力信号を遅延させる遅延手段と、
   前記温度センサーの出力信号と前記遅延手段による遅延信号の電圧を比較し、前記温度センサーの出力信号の電圧が前記遅延信号の電圧よりも所定値以上高い場合は第１の電圧値を出力し、前記温度センサーの出力信号の電圧が前記遅延信号の電圧よりも所定値以上低い場合は第２の電圧値を出力し、その他の場合は第１の電圧値又は第２の電圧値の出力を保持する電圧比較手段と、を含む、温度補償圧電発振器。
3. 圧電振動子と、
   第１の温度補償データが記憶される第１の記憶手段と、
   第２の温度補償データが記憶される第２の記憶手段と、
   温度情報を取得する温度センサーと、
   前記温度センサーが取得した前記温度情報に基づいて、温度上昇と温度下降のいずれかが生じたかを検出する温度変化検出手段と、
   前記温度変化検出手段の検出結果に基づいて、温度上昇時は前記第１の温度補償データを選択し、温度下降時は前記第２の温度補償データを選択する温度補償データ選択手段と、
   前記温度補償データ選択手段により選択された前記第１の温度補償データ又は前記第２の温度補償データに基づいて、前記圧電振動子の周波数を温度補償するための温度補償電圧を発生させる温度補償電圧発生回路と、
   前記温度補償電圧に基づいて前記圧電振動子の周波数を制御する電圧制御発振回路と、を含む、温度補償圧電発振器の周波数調整方法であって、
   前記温度補償圧電発振器の外部から前記電圧制御発振回路の制御電圧を供給し、温度を上昇させながら、少なくとも５つの異なる温度において、前記制御電圧を変化させて前記圧電振動子の周波数が目標の周波数と一致する時の前記制御電圧の値を取得する第１の制御電圧値取得ステップと、
   前記第１の制御電圧値取得ステップで取得した少なくとも５つの制御電圧値に基づいて、前記圧電振動子の温度上昇時における周波数温度特性を特定するためのデータを算出し、当該データを前記第１の温度補償データとして前記第１の記憶手段に書き込むステップと、
   前記温度補償圧電発振器の外部から前記電圧制御発振回路の制御電圧を供給し、温度を下降させながら、少なくとも５つの異なる温度において、前記制御電圧を変化させて前記圧電振動子の周波数が目標の周波数と一致する時の前記制御電圧の値を取得する第２の制御電圧値取得ステップと、
   前記第２の制御電圧値取得ステップで取得した少なくとも５つの制御電圧値に基づいて、前記圧電振動子の温度下降時における周波数温度特性を特定するためのデータを算出し、当該データを前記第２の温度補償データとして前記第２の記憶手段に書き込むステップと、を含む、温度補償圧電発振器の周波数調整方法。