JP2011114438A

JP2011114438A - 圧電発振器及び発振回路システム

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Publication number: JP2011114438A
Application number: JP2009267173A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kiyohara; 厚清原; Hideyuki Sugano; 英幸菅野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】温度変化に対して安定した周波数温度特性を有する温度情報出力機能付き圧電発
振器を提供する。
【解決手段】発振回路６は、高次の周波数温度特性を有する圧電振動子（ＯＳＣ）７と、
温度変化に対応した第１電圧９ａを出力する温度センサー９と、第１電圧９ａに基づき上
昇又は下降の温度センサー出力特性を生成する温度センサー変換回路１０と、第１電圧９
ａに基づき温度上昇、温度降下、一定状態の何れか一つを検出する状態検出回路１１と、
補正データを記憶したメモリ１２と、メモリ１２の信号をシステム１に出力するインター
フェース８と、温度センサー９の信号と温度センサー変換回路１０の信号の何れかを選択
するスイッチ１３と、を備えて構成され、システム１は、スイッチ１３の出力信号をデジ
タル化するＡ／Ｄ変換器５と、メモリ３と、ＯＳＣ７の周波数を温度補正する温度補正回
路２と、全体を制御するＣＰＵ４と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器に関し、さらに詳しくは、温度変化に対して安定した周波数温度
特性を備えた発振器に関するものである。

図７は、従来の温度センサー出力水晶発振器（ＴＳＸＯ：Temperature Sensor Xtal Os
cillator）の構成を示す図であり、図８は従来回路の温度センサーと発振周波数が温度変
化によりどのように変化するかを示す図である。ＴＳＸＯ５４は、温度センサー（温度検
出回路）５７、メモリ５８、インターフェース回路５６、発振回路５５及び制御回路５９
で構成されており、温度センサー電圧（ＶＴ）と温度補償していない単純な発振周波数（
ＯＳＣ・ＯＵＴ）を出力する機能を備えると共に、メモリ５８に任意の温度における温度
検知データ（例えば、温度センサー電圧、温度係数）、及びシステム５０側でＯＳＣ・Ｏ
ＵＴを温度補償するための補正データ（補償演算用のパラメータ）が記憶されている。そ
して、発振器５４に接続されたシステム（例えば、携帯端末用ＧＰＳシステム）５０は、
発振器５４から出力された温度センサー電圧（ＶＴ）と発振回路５５の周波数（ＯＳＣ・
ＯＵＴ）を検出し、またメモリ５８に記憶された補正用データをインターフェース５６を
介して読み出す。検出したデータとメモリ５８より読み出したデータの情報を基にして、
どの温度においても周波数が一定となるように温度補正回路５１により周波数補正をかけ
る機能を有している。
また、特許文献１には、ＴＣＸＯのような温度補償回路を発振器側に内蔵する必要なく
、回路規模を小さくできるため、ＩＣやパッケージの小型化、低コストに有利な圧電発振
器について開示されている。また、非特許文献１には、温度補償をシステム側で行うため
、高性能ＣＰＵなどを利用して、ＴＣＸＯより高精度の温度補償が可能な周波数補償方法
について開示されている。

特開２００３−３２４３１８公報 [FREQUENCY STABILIZING METHOD USING PSCL] 1989IEEE

しかし、水晶発振器に使用される水晶振動子には、その出力信号の周波数温度特性がヒ
ステリシス特性を有する。すなわち図９（ａ）に示すように、温度と周波数変動の関係は
三次関数的な特性を有し、この特性図における円で囲まれたＡ部の周波数温度特性を拡大
表示すると図９（ｂ）に示すように、温度上昇時と温度降下時では特性が異なるヒステリ
シス現象が発生することが知られている。また、図９（ｃ）は、ヒステリシス特性をもっ
た発振出力の温度に対する周波数変化を誇張して図示した図である。図９（ｂ）は、図９
（ｃ）に示す円で囲まれたＢ部の範囲において図９（ｅ）に示すような温度変化が起きた
状態での周波数温度特性の変化推移を説明した図である。すなわち、図９（ｅ）に示すよ
うに一定であった温度がある温度点まで上昇すると、周波数温度特性は図９（ｄ）に示す
ように温度一定時のときの周波数温度特性から温度上昇時の周波数温度特性へと移る。そ
して、その後、図９（ｅ）に示すように上昇した温度を維持したまま特定時間経過すると
、周波数温度特性は図９（ｄ）に示すように温度上昇時の周波数温度特性から温度一定時
の周波数温度特性へと移るといった現象が発生する。
そして特許文献１に開示されている従来技術は、水晶のヒステリシスの影響まで考慮さ
れていないため、温度一定下ではなく、温度が変化しているときはヒステリシスの影響を
受け、周波数精度が悪くなるといった問題がある。
また、非特許文献１に開示されている従来技術を使ったＧＰＳは、ＧＰＳ位置検出精度
が悪くなったり、測位に時間がかかり、場合によっては測位できないなどの動作不良が発
生するといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、温度センサーのデータに基づいて
温度上昇、温度降下、一定状態の何れか一つを検出し、この検出結果に対応した特性に変
換して温度センサー出力とすることにより、温度変化に対して安定した周波数温度特性を
有する温度情報出力機能付き圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］高次の周波数温度特性を有する圧電振動子を備えた発振回路と、温度変化
に対応した第１電圧を出力する温度センサーと、前記第１電圧に基づく電圧を基準値とし
て、前記第１電圧に基づき該基準値よりも低電位である第２電圧を発生させる第１温度セ
ンサー変換回路と、前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該
基準値よりも高電位である第３電圧を発生させる第２温度センサー変換回路と、前記第１
電圧に基づき温度上昇、温度降下、一定状態の何れか一つの傾向を検出する状態検出回路
と、前記状態検出回路の判定結果に基づき、前記第１温度センサー変換回路の出力信号、
又は前記第２温度センサー変換回路の出力信号、又は前記第１電圧の何れか一を選択して
出力する選択回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、温度センサーの出力信号に基づいて、温度が上昇しているか、下降してい
るか、或いは一定であるかを検出し、その状態に対応した温度センサーの特性を温度セン
サー変換回路から選択して出力する。尚、一定の場合は、温度センサーの出力を変換せず
に直接出力する。これにより、システム側では、従来と同じ構成で温度補償精度の高い発
振周波数を生成することができる。

［適用例２］高次の周波数温度特性を有する圧電振動子を備えた発振回路と、前記周波
数温度特性を補償するための温度補正回路と、温度変化に対応した第１電圧を出力する温
度センサーと、前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準
値よりも低電位である第２電圧を発生させる第１温度センサー変換回路と、前記第１電圧
に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準値よりも高電位である第３電
圧を発生させる第２温度センサー変換回路と、前記第１電圧に基づき温度上昇、温度降下
、一定状態の何れか一つの傾向を検出する状態検出回路と、前記状態検出回路の判定結果
に基づき、前記第１温度センサー変換回路の出力信号、又は前記第２温度センサー変換回
路の出力信号、又は前記第１電圧の何れか一を選択して出力する選択回路と、前記選択回
路の出力信号に基づき前記温度補正回路が制御すべき温度補償制御値を決定する演算回路
と、を備えたことを特徴とする。

本発明は圧電振動子と温度補償回路とを備えた圧電発振器に関する発明である。そして
、温度補償回路の構成が、温度センサーの出力信号に基づいて、温度が上昇しているか、
下降しているか、或いは一定であるかを検出し、その状態に対応した温度センサーの特性
を温度センサー変換回路から選択して、演算回路により温度補償制御値を決定する。これ
により、システム側で温度補償する必要が無いので、システム構成を簡略化することがで
きる。

［適用例３］前記第１電圧が温度変化に伴い一次関数的に変化する電圧特性であり、前
記第１温度センサー変換回路が、温度変化に伴い下に凸の曲線特性を有した前記第２電圧
を出力し、前記第２温度センサー変換回路が、温度変化に伴い上に凸の曲線特性を有した
前記第３電圧を出力し、前記第２電圧または前記第３電圧と前記第１電圧に基づき一次関
数的に変化する電圧信号とを加算する加算回路とを備え、前記状態検出回路が、前記加算
回路の出力信号または前記第１電圧に基づく一次関数的に変化する電圧信号の何れか一方
を選択することを特徴とする。

本発明では、温度上昇と温度降下時の温度センサー変換回路を用意し、検出回路により
検出された温度状態により、温度上昇又は下降の何れかの変換回路からの信号と、温度セ
ンサーの信号を変換しない信号とを加算することにより、勾配を有する周波数温度特性を
得ることができる。これにより、温度上昇と温度降下時の温度センサー変換回路に１次関
数発生部を必要としないので、回路構成を簡略化することができる。

本発明の実施形態に係る圧電発振器システムの概略構成を示す図である。状態検出回路と温度センサー変換回路の詳細な構成例を示すブロック図である。温度センサー変換回路の他の実施形態の一例を示す図である。（ａ）、（ｂ）は振動子のカットアングルによる温度特性図である。本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の温度センサー変換回路の構成を示す図である。（ａ）、（ｂ）は本発明を利用せずに従来システムでヒステリシス現象が発生した場合の温度保証結果を表す図であり、（ｃ）は本発明を利用した場合の温度保証結果を表す図である。従来の温度センサー出力水晶発振器（ＴＳＸＯ：Temperature Sensor Xtal Oscillator）の構成を示す図である。従来回路の温度センサーと発振周波数が温度変化によりどのように変化するかを示す図である。（ａ）は温度と周波数変動の関係は三次関数的な特性を示す図、（ｂ）は温度上昇時と温度降下時では特性が異なるヒステリシス現象示す図、（ｃ）は発振出力の温度に対する周波数変化を誇張して示した図、（ｄ）は温度変化なしから温度上昇して温度変化なしに移動する様子を示す図、（ｅ）は温度変化と時間の関係を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の実施形態に係る圧電発振器システムの概略構成を示す図である。この圧
電発振器システム６０は、発振回路６とシステム（発振回路システム）１により構成され
ている。
即ち、発振回路６は、高次の周波数温度特性を有する圧電振動子として例えばＡＴカッ
トの水晶振動子とこの振動子を励振させて発振を持続させるための増幅器（ＡＭＰ）とを
含む発振回路（ＯＳＣ）７と、温度変化に対応した第１電圧９ａを出力する温度センサー
９と、第１電圧９ａに基づき上昇又は下降の温度センサー出力特性を生成する温度センサ
ー変換回路１０と、第１電圧９ａに基づき温度変化が上昇傾向、降下傾向、一定状態の何
れか一つを検出する状態検出回路１１と、補正データまたはＯＳＣ７の発振周波数の情報
またはこれに関わる情報を記憶したメモリ１２と、メモリ１２の情報をシステム１に出力
するインターフェース８と、温度センサー９の信号と温度センサー変換回路１０の信号の
何れかを選択するスイッチ１３と、を備えて構成され、システム１は、スイッチ１３の出
力信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器５と、メモリ３と、ＯＳＣ７の周波数を温度補正す
る温度補正回路２と、全体を制御する演算回路（ＣＰＵ）４と、を備えたシステム１と、
を備えて構成されている。尚、スイッチ１３は状態検出回路１１の結果が温度一定の場合
は、第１電圧９ａ側に接続し、温度が上昇又は下降の場合は、温度センサー変換回路１０
側に接続する。
尚、本実施形態では温度補正回路２をシステム１側に備えているが、ＯＳＣ７と、周波
数温度特性を補償するための温度補正回路２とを発振回路６側に備え、スイッチ１３の出
力信号に基づき温度補償制御値を決定する演算回路４をシステム１備えるようにしても良
い。即ち、温度補正回路２の構成が、温度センサー９の出力信号に基づいて、温度が上昇
しているか、下降しているか、或いは一定であるかを検出し、その状態に対応した温度セ
ンサー９の特性を温度センサー変換回路１０から選択して、演算回路４により温度補償制
御値を決定する。これにより、システム側で温度補正回路を備える必要が無いので、シス
テム１の構成を簡略化することができる。

図２は状態検出回路と温度センサー変換回路の詳細な構成例を示すブロック図である。
状態検出回路１１は、温度センサー９から出力する第１電圧９ａ（ＶＴＳ）をデジタル化
するＡ／Ｄ変換器２０と、デジタル化した信号を所定のタイミングでラッチするラッチ２
１と、ラッチ２１でラッチされた信号を更に所定のタイミングでラッチするラッチ２２と
、ラッチ２１にラッチされたデータとラッチ２２にラッチされたデータを引き算する引算
回路２３と、引算回路２３の出力ΔＶＴＳの極性と大きさに基づいて温度上昇、温度降下
、温度一定の何れかの端子を選択する比較回路２７と、を備えている。そして、比較回路
２７は、ΔＶＴＳが基準電圧（ＲＥＦ）より大きい場合は温度が上昇傾向であると判断し
て、温度上昇の端子に信号を出力し、ΔＶＴＳが基準電圧（ＲＥＦ）より小さい場合は温
度が加工傾向にあると判断して、温度下降の端子に信号を出力し、ΔＶＴＳがマイナス基
準電圧（−ＲＥＦ）とプラス基準電圧（ＲＥＦ）の中間である場合は温度が一定状態であ
ると判断して、温度一定の端子に信号を出力する。尚、ラッチ２１の出力はラッチ２２に
入力され、順次データがラッチ２１からラッチ２２にシフトする回路構成である。
また、温度センサー変換回路１０は、第１電圧９ａに基づき第１電圧９ａよりも低電位
である第２電圧を発生させる第１温度センサー変換回路２４と、第１電圧９ａに基づき第
１電圧９ａよりも高電位である第３電圧を発生させる第２温度センサー変換回路２５と、
状態検出回路１１の判定結果に基づき、第１温度センサー変換回路２４の出力信号、又は
第２温度センサー変換回路２５の出力信号の何れか一を選択して出力するスイッチ（選択
回路）２６と、スイッチ２６からの信号、又は第１電圧９ａの何れか一を選択して出力す
るスイッチ（選択回路）１３と、を備えている。尚、スイッチ２６とスイッチ１３を１つ
にまとめて、３接点を選択できるスイッチでも構わない。
即ち、本実施形態では、温度センサー９の第１電圧９ａに基づいて、温度が上昇してい
るか、下降しているか、或いは一定であるかを検出し、その状態に対応した温度センサー
９の特性を温度センサー変換回路１０から選択して出力する。尚、一定の場合は、温度セ
ンサー９の出力を変換せずに直接出力する。これにより、システム側では、従来と同じ構
成で温度補償精度の高い発振周波数を生成することができる。

図３は温度センサー変換回路の他の実施形態の一例を示す図である。温度上昇時用の温
度センサー変換回路２４と、温度下降時用の温度センサー変換回路２５により構成され、
夫々が関数発生回路３０と加算回路３１により構成されている。ここで異なる点は、関数
発生回路３０の各関数が温度上昇時用の温度センサー変換回路２４の場合は、点線で示さ
れた一次関数に対して高い値の電圧（実線）を発生するように上側に凸（凸状の弧）の関
数であり、温度下降時用の温度センサー変換回路２５の場合は、点線で示された一次関数
に対して低い値の電圧を発生するように下側に凸（凸状の弧）の関数である。従って、関
数発生回路３０には、０次（直流成分）からｎ次の関数発生回路があり、選択された関数
を加算することにより加算器３１からＶＴＳの勾配を有する所望の特性信号が出力する。
従って、温度上昇時用の温度センサー変換回路２４と下降時用の温度センサー変換回路２
５との出力を合わせて表示すると図４（ａ）に示すように、あたかもヒステリシス特性を
もったような温度検出結果をえることができる。そして、このような温度検出結果は、Ｏ
ＳＣ７の周波数温度特性が、例えば図４（ｂ）に示すように温度上昇に対して常に傾きが
０以上であれば簡単に広範囲で補償することが可能となる。

図５は本発明の他の実施形態に係る圧電発振器の温度センサー変換回路の構成を示す図
である。この温度センサー変換回路２６は、温度上昇時用の温度センサー変換回路と、温
度下降時用の温度センサー変換回路により構成され、夫々が関数発生回路３２と加算回路
３３により構成されている。ここで異なる点は、関数発生回路３２の各関数が温度上昇時
用の温度センサー変換回路（下側）の場合は、点線で示された０次関するに対して高い電
圧を発生するように上側に凸（凸状の弧）の関数であり、温度下降時用の温度センサー変
換回路（上側）の場合は、点線で示された０次関数に対して低い電圧を発生するように下
側に凸（凸状の弧）の関数である。従って、関数発生回路３２には、１次を除く０次（直
流成分）からｎ次の関数発生回路があり、選択された関数を加算することにより加算器３
３から所望の特性信号が出力する。また、各加算器３３の出力は、スイッチ３４の端子ａ
、ｂに接続され、スイッチ３４の中点端子ｃは引算回路３５のマイナス端子に接続される
。また、引算回路３５のプラス端子は温度センサー９の第１電圧９ａと接続する。また、
引算回路３５の出力はスイッチ３６の端子ｂと接続し、端子ａは第１電圧９ａに接続する
。また、外部の状態検出回路１１からは、第１電圧９ａの状態に基づいて、上昇又は下降
、又は一定の信号が出力し、上昇の場合は、スイッチ３４の中点端子ｃをａに接続し、下
降の場合は、スイッチ３４の中点端子ｃをａに接続する。また、一定の場合はスイッチ３
６の中点端子ｃをａ側に接続する。従って、スイッチ３６の中点端子ｃには、温度が上昇
又は下降の場合は、引算回路３５からは温度センサー９の勾配を有する特性信号が出力さ
れ、一定の場合は、第１電圧９ａが出力される。

図６（ａ）、（ｂ）は本発明を利用せずに従来システムでヒステリシス現象が発生した
場合の温度補償結果を表す図であり、図６（ｃ）は本発明を利用した場合の温度保証結果
を表す図である。図６（ａ）は、上昇時にヒステリシス補正をしない場合であり、符号４
０が温度上昇時の特性であり、符号４１が温度一定時の特性である。この図から明らかな
通り、温度上昇時には、最大約０．５ｐｐｍまで変動することがわかる。即ち、温度上昇
時、ヒステリシス補正回路を使用しない場合、ＴＳＸＯのシステムだけでは温度補償が十
分でないことがわかる。
図６（ｂ）は、下降時にヒステリシス補正をしない場合であり、符号４３が温度下降時
の特性であり、符号４２が温度一定時の特性である。この図から明らかな通り、温度下降
時には、最大約−０．５ｐｐｍまで変動することがわかる。即ち、温度上昇時、ヒステリ
シス補正回路を使用しない場合、ＴＳＸＯのシステムだけでは温度補償が十分でないこと
がわかる。図６（ｃ）は、温度上昇時と下降時双方共にヒステリシス補正した場合であり
、この図から明らかな通り、双方とも最大で約±０．１ｐｐｍ以下となっており、温度の
上昇又は下降に応じた温度センサー電圧を発生することで、温度一定時と同程度の温度補
償精度が得られる。

１システム、２温度補正回路、３メモリ、４ＣＰＵ、５Ａ／Ｄ変換器、６
発振回路、７ＯＳＣ、８インターフェース、９ａ第１電圧、９温度センサー、１
０温度センサー変換回路、１１状態検出回路、１２メモリ、１３スイッチ、２０
Ａ／Ｄ変換器、２１ラッチ、２２ラッチ、２３引算回路、２７比較回路、６０
圧電発振器システム

Claims

高次の周波数温度特性を有する圧電振動子を備えた発振回路と、
温度変化に対応した第１電圧を出力する温度センサーと、
前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準値よりも低電
位である第２電圧を発生させる第１温度センサー変換回路と、
前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準値よりも高電
位である第３電圧を発生させる第２温度センサー変換回路と、
前記第１電圧に基づき温度上昇、温度降下、一定状態の何れか一つの傾向を検出する状
態検出回路と、
前記状態検出回路の判定結果に基づき、前記第１温度センサー変換回路の出力信号、又
は前記第２温度センサー変換回路の出力信号、又は前記第１電圧の何れか一を選択して出
力する選択回路と、
を備えたことを特徴とする圧電発振器。
高次の周波数温度特性を有する圧電振動子を備えた発振回路と、
前記周波数温度特性を補償するための温度補正回路と、
温度変化に対応した第１電圧を出力する温度センサーと、
前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準値よりも低電
位である第２電圧を発生させる第１温度センサー変換回路と、
前記第１電圧に基づく電圧を基準値として、前記第１電圧に基づき該基準値よりも高電
位である第３電圧を発生させる第２温度センサー変換回路と、
前記第１電圧に基づき温度上昇、温度降下、一定状態の何れか一つの傾向を検出する状
態検出回路と、
前記状態検出回路の判定結果に基づき、前記第１温度センサー変換回路の出力信号、又
は前記第２温度センサー変換回路の出力信号、又は前記第１電圧の何れか一を選択して出
力する選択回路と、前記選択回路の出力信号に基づき前記温度補正回路が制御すべき温度
補償制御値を決定する演算回路と、を備えたことを特徴とする発振回路システム。
前記第１電圧が温度変化に伴い一次関数的に変化する電圧特性であり、
前記第１温度センサー変換回路が、温度変化に伴い下に凸の曲線特性を有した前記第２
電圧を出力し、前記第２温度センサー変換回路が、温度変化に伴い上に凸の曲線特性を有
した前記第３電圧を出力し、
前記第２電圧または前記第３電圧と前記第１電圧に基づき一次関数的に変化する電圧信
号とを加算する加算回路とを備え、
前記状態検出回路が、前記加算回路の出力信号または前記第１電圧に基づく一次関数的
に変化する電圧信号の何れか一方を選択することを特徴とする請求項１の圧電発振器、ま
たは請求項２の発振回路システム。