JP2011120132A - 圧電発振器の温度補償方法、圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電発振器の温度補償方法を提供する。
【解決手段】圧電振動子１２の発振周波数の温度特性のヒステリシス特性によって現れる２つの周波数温度情報のうちのいずれかを判定信号２１ｅにより選択し、発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に発振信号５８と２つの周波数温度情報と判定信号２１ｅを出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、圧電振動子１２の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報７４を生成し、温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報７６を生成し、２つの周波数温度情報として温度補償回路４０に出力し、温度上昇時に第１の周波数温度情報７４を、温度下降時に第２の周波数温度情報７６をそれぞれ選択可能となるように、判定信号２１ｅを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの測位信号に基づいて位置計測を行う圧電発振器の温度補償に係り、特に温度補償機能を外部に委ねる圧電発振器であるＴＳＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｘｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）に搭載され、外部の温度補償回路に供される圧電発振器の温度補償に関する。

ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置、及びＧＰＳ受信機能を備えた携帯電話器等は、複数のＧＰＳ衛星から送信される測位信号を復調・解析して現在位置を測定するものである。これらの受信装置に使用される基準発振器としては、温度による周波数変化の小さい温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｘｔａｌ Ｏｓｃｉｌａｌａｔｏｒ）が、広く使用されている。その理由は、受信装置に内蔵された発振器の周波数精度が高いほど、ＧＰＳ衛星から送信される測位信号を捕捉するためのサーチ範囲を狭めることができ、結果的にサーチ時間を短縮して、すなわちＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する時間を短縮して、短時間で測位を行うことができるからである。

一方、上述の受信装置等は装置の電源投入時等の立ち上げ時において、装置全体で温度が短時間に上昇したり、携帯電話等においては屋外から屋内、屋内から屋外に移動したときに温度が急激に変動するため、発振器内での温度が安定するまで温度補償が不安定になる問題があった。この問題を解決するため、ユーザー側で温度変化に対して高速で応答できる温度補償回路を独自に構築し、発振器側から発振器に搭載された圧電振動子の温度情報を取得して、これにより温度補償を適切に行なう要請がなされている。よって、これに対応するため、発振回路側として温度補償回路を不要とするＴＳＸＯが適用され、ＴＳＸＯは、搭載された圧電振動子の現在温度をユーザー側に出力する温度センサーと、搭載された圧電振動子の周波数温度情報（ある環境温度における温度センサー電圧及び発振周波数、または温度係数）を記憶し、ユーザー側に周波数温度情報を出力する記憶回路を搭載している（特許文献１参照）。

厚みすべり振動を利用した水晶振動子を使用する場合、発振器から出力される発振信号は、３次曲線を描く温度依存性を有するが、上述のＴＳＸＯを搭載しユーザー側でＴＳＸＯに接続した温度補償回路を有するＧＰＳシステム等においては、温度センサーから得た温度情報と、記憶回路から得た周波数温度情報をもとに、どの温度においても周波数が一定となるように温度補償回路において温度補償量を算出して周波数補正を掛けている。

ここで、記憶回路に記憶している周波数温度情報は製造検査工程時に取得したものであるため、製造時のスループットの観点から、温度上昇時、または温度下降時のいずれか一方の温度変化した際の温度情報を取得し、記憶回路に記憶するのが一般的である。

特開２００３−３２４３１８号公報

ところで、水晶振動子の周波数温度特性は、ヒステリシス特性を有している。ヒステリシス特性を有するとは、温度上昇時と下降時において発振周波数の温度依存性が異なることを意味する。この原因は、温度変化より遅い水晶振動子の歪み応力の緩和や、発振器中の支持構造・接着剤・溶着合金・電極等の熱歪変化によるもので、水晶振動子を小型化するほど顕著に現れる。

ところで、上述のＧＰＳ機能を搭載した携帯電話端末などの高精度の電子機器の分野においては、周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）の許容範囲が非常に狭く、例えば、−３０℃〜８５℃の温度範囲では周波数偏差（Δｆ／ｆ_０）は±０．５ｐｐｍ以内であることが要求される。

そのため、従来のように、温度上昇時、または温度下降時のどちらか一方に温度変化した際の周波数温度情報を取得して、記憶回路に記憶する方法では、一方向の周波数温度情報しか保存されていないため、周波数温度情報を取得する際と逆方向に温度が変化した場合、システムとして周波数補正をかけてもヒステリシス特性に起因する発振周波数の差分についてはそのまま補正誤差として残ることになる。したがって、これが原因となって、測位にかかる時間が長くなり、結果的に測位誤差が生じたり、ＧＰＳ衛星との同調が不調となる虞がある、といった問題があった。

そこで本発明は、上記問題点に着目し、圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性の影響を小さくして、安定した発振周波数で発振可能な圧電発振器の温度補償方法、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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］圧電振動子の発振周波数の温度特性のヒステリシス特性によって現れる２つの周波数温度情報のうちのいずれかを判定信号により選択し、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子の温度に対応した温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に、発振信号と前記２つの周波数温度情報と前記判定信号を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、前記圧電振動子の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報を生成し、前記圧電振動子の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報を生成し、前記第１の周波数温度情報と、前記第２の周波数温度情報と、を前記２つの周波数温度情報として前記温度補償回路に出力し、前記温度補償回路において、温度上昇時に第１の周波数温度情報を、温度下降時に第２の周波数温度情報をそれぞれ選択可能となるように、前記判定信号を生成することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、温度補償回路においては温度上昇時には第１の周波数温度情報に基づいて温度補償を行い、温度下降時には第２の周波数温度情報に基づいて温度補償を行うことができる。したがって、圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことができる。

［適用例２］圧電振動子の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報を入力して、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子の温度に対応した温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に発振信号と前記周波数温度情報を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、前記圧電振動子の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報を生成し、前記圧電振動子の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報を生成し、前記圧電振動子の温度の上昇・下降を判定し、前記判定に基づいて前記第１の周波数温度情報または前記第２の周波数温度情報を前記周波数温度情報として前記温度補償回路に出力することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、温度補償回路は温度上昇時に第１の周波数温度情報を入力し、温度下降時に第２の周波数温度情報を入力する。よって温度補償回路側はいずれか一方の周波数温度情報を記憶するメモリ領域を確保すれば充分であるので、メモリ負担を軽減しつつ圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことができる。

［適用例３］前記圧電振動子の温度に対応した検出電圧を出力する温度検出手段を前記圧電振動子に隣接して配設し、前記第１、第２の周波数温度情報は、前記検出電圧に関連付けられた情報として生成し、前記判定信号は、前記検出電圧の上昇・下降に基づいて生成し、前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかと前記検出電圧を用いて温度補償量を算出可能な前記温度補償回路に前記発振信号を出力し、前記温度検出手段から前記温度補償回路に前記検出電圧を出力することを特徴とする適用例１または２に記載の圧電発振器の温度補償方法。

上記方法により、温度検出手段は圧電振動子の温度を温度誤差を抑制して測定することができるので、温度誤差を抑制した第１の周波数温度情報、第２の周波数温度情報を生成することができる。さらに圧電振動子の温度をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことができる。

［適用例４］前記圧電振動子の温度の上昇・下降の切り替えにより切替信号を生成するとともに、前記切替信号をトリガとして前記周波数温度情報を入力する前記温度補償回路に前記切替信号を出力することを特徴とする適用例２または３に記載の圧電発振器の温度補償方法。
上記方法により、温度補償回路の温度情報の入力は圧電振動子の温度の上昇・下降の切り替え時のみとなるので、温度補償回路側の負担を軽減することができる。

［適用例５］前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する周波数偏差の情報により生成することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

これにより、圧電発振器側で温度係数の演算が不要となるため圧電発振器形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することができる。この場合、ユーザー側で周波数温度情報のプロットに重なるべき級数の近似式の温度係数を周波数温度情報として算出することになるが、ユーザー側で独自に正確な温度係数を演算することができる。

［適用例６］前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する周波数偏差の情報との関係をべき級数に展開した近似式により抽出される温度係数により生成することを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

これにより、温度補償回路においては周波数温度情報を算出するための演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して圧電発振器を搭載したシステムの構築を容易に行うことができる。

［適用例７］前記第１の周波数温度情報は、前記第２の周波数温度情報と、前記圧電振動子の温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

第１の周波数温度情報と第２の周波数温度情報との差分をとると基準温度領域において差分が最も大きくなり、基準温度から離れるほど小さくなる。よって第１の周波数温度情報は、第２の周波数温度情報と周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数とを用いて近似的に算出することが可能である。これにより温度上昇時は基準温度領域のみ測定すればよく、基準温度より高い高温領域まで温度を上昇させる工程が不用になる。したがって第１の周波数温度情報の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

［適用例８］前記第２の周波数温度情報は、前記第１の周波数温度情報と、前記圧電振動子の温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧電発振器の温度補償方法。

適用例７と同様の理由により、第２の周波数温度情報は、第１の周波数温度情報と周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数とを用いて近似的に算出することが可能である。これにより温度下降時は基準温度領域を測定すればよく、基準温度より低い低温領域を測定する工程が不要になる。したがって第２の周波数温度情報の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

［適用例９］周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させる発振回路と、温度検出手段と、を備え、前記ヒステリシス特性によって発生した２つの周波数温度特性のうち一方の周波数温度特性に関する第１の周波数温度情報と、他方の周波数温度特性に関する第２の周波数温度情報と、を記憶するとともに外部に出力可能な記憶回路と、前記温度検出手段が検知した温度に対応した情報に基づき前記圧電振動子の温度の上昇または下降を判定する判定信号を出力する判定回路と、を有することを特徴とする圧電発振器。

上記構成の圧電発振器を、例えば、判定信号に基づいて圧電振動子の発振周波数の温度依存性を示す２つの周波数温度情報のうちのいずれかを選択し、周波数温度情報から圧電振動子の発振周波数の温度特性の近似曲線を算出し、近似曲線と圧電振動子の温度情報を用いて温度補償量を算出する温度補償回路に接続する。すると、その温度補償回路においては温度上昇時には第１の周波数温度情報に基づいて温度補償を行い、温度下降時には第２の周波数温度情報に基づいて温度補償を行うことができる。したがって、圧電振動子の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことが可能な圧電発振器となる。

［適用例１０］前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報は、互いに識別可能なアドレスを有し、前記記憶回路の出力側に選択出力回路が接続され、前記選択出力回路は、前記判定信号に基づいて前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかのアドレスを選択し、選択されたアドレスに基づいて前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかを出力することを特徴とする適用例９に記載の圧電発振器。

上記構成の圧電発振器を、例えば、判定信号に基づいて圧電振動子の発振周波数の温度依存性を示す周波数温度情報を入力し、周波数温度情報から圧電振動子の発振周波数の温度特性の近似曲線を算出し、近似曲線と圧電振動子の温度情報を用いて温度補償量を算出する温度補償回路に接続する。すると、その温度補償回路は温度上昇時に第１の周波数温度情報を入力し、温度下降時に第２の周波数温度情報を入力する。よって温度補償回路側のメモリ負担を軽減しつつ圧電振動子のヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことが可能な圧電発振器となる。

［適用例１１］前記温度検出手段が前記圧電振動子に隣接して設けられるとともに、前記温度検出手段は前記圧電振動子の温度情報に対応した検出電圧を出力し、前記第１、第２の周波数温度情報は、前記検出電圧に関連付けられて算出されて前記記憶回路に記憶され、前記判定回路は、前記温度検出手段に接続され、前記判定信号を前記検出電圧の上昇及び下降に基づいて生成することを特徴とする適用例９または１０に記載の圧電発振器。

上記構成により、温度検出手段は圧電振動子の温度を温度誤差を抑制して測定することができるので、温度誤差を抑制した第１の周波数温度情報、第２の周波数温度情報を生成することができる。さらに圧電振動子の温度をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことが可能な圧電発振器となる。

［適用例１２］前記判定回路に接続され、前記判定信号の変化により切替信号を生成し、且つ出力する切替検出回路を有することを特徴とする適用例１０または１１に記載の圧電発振器。

上記構成の圧電発振器を、例えば切替信号をトリガとして周波数温度情報を入力する温度補償回路に接続する。するとその温度補償回路の周波数温度情報の入力は圧電振動子の温度の上昇・下降の切り替え時のみとなるので、温度補償回路側の負担を軽減することが可能な圧電発振器となる。

［適用例１３］前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報により生成されたものであることを特徴とする適用例９乃至１２のいずれか１例に記載の圧電発振器。

これにより、圧電発振器側で温度係数の演算が不要となるため発振回路形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することが可能な圧電発振器となる。この場合、ユーザー側で温度情報のプロットに重なるべき級数の近似式の温度係数を周波数温度情報として演算することになるが、ユーザー側で独自に正確な温度係数を演算することが可能な圧電発振器となる。

［適用例１４］前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報との関係を、べき級数の近似式に展開して抽出される温度係数により生成されたものであることを特徴とする適用例９乃至１２のいずれか１例に記載の圧電発振器。

これにより、温度補償回路においては周波数温度情報を算出するための演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して圧電発振器を搭載したシステムの構築を容易に行うことができる。

第１実施形態に係る圧電発振器の模式図である。 第１実施形態に係る圧電発振器の部分詳細図である。 第１実施形態の圧電発振器と測定器との接続図である。 第１実施形態の圧電振動子の発振周波数のヒステリシス特性を示す図である。 温度上昇時、及び温度下降時にそれぞれ測定された温度係数を用いて温度補償を行った場合の周波数偏差を示す図である。 第１実施形態に係る温度係数を用いて温度補償を行った場合の周波数偏差を示す図である。 第１実施形態の第２の周波数温度情報の近似的な算出方法を示す図である。 記憶回路に記憶する周波数温度情報の容量を比較する表である。 第２実施形態に係る圧電発振器の模式図である。

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に第１実施形態に係る圧電発振器を示す。本実施形態に係る圧電発振器１０は、周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させる発振回路１４と、温度検出手段（温度センサー１６）と、を備え、前記ヒステリシス特性によって発生した２つの周波数温度特性のうち一方の周波数温度特性に関する第１の周波数温度情報７４と、他方の周波数温度特性に関する第２の周波数温度情報７６と、を記憶するとともに外部に出力可能な記憶回路２０と、前記温度検出手段（温度センサー１６）が検知した温度に対応した情報（検出電圧６６）に基づき前記圧電振動子１２の温度の上昇または下降を判定する判定信号２１ｅを出力する判定回路２１と、を有するものである。

より詳細には、周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子１２と、前記圧電振動子１２を発振させ、圧電振動子１２の発振周波数の温度特性のヒステリシス特性によって現れる２つの周波数温度情報（第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６）のうちのいずれかを判定信号２１ｅにより選択し、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報（第１の周波数温度情報７４に対応する第１の近似曲線情報７０（図４参照）、第２の周波数温度情報７６に対応する第２の近似曲線情報７２（図４参照））を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子１２の温度に対応した情報（検出電圧６６）と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に発振信号５８を出力する発振回路１４と、前記圧電振動子１２の温度に対応した情報（検出電圧６６）を前記温度補償回路４０に出力する温度検出手段（温度センサー１６）と、前記ヒステリシス特性によって発生した２つの周波数温度特性のうち一方の周波数温度特性に関する第１の周波数温度情報７４と、他方の周波数温度特性に関する第２の周波数温度情報７６と、を記憶するとともに前記温度補償回路４０に出力可能な記憶回路２０と、前記温度検出手段（温度センサー１６）が検知した温度に対応した情報（検出電圧６６）に基づき前記圧電振動子１２の温度の上昇または下降を判定する判定信号２１ｅを前記温度補償回路４０に出力する判定回路２１と、を有するものである。

したがって上記構成を用いた圧電発振器１０の温度補償方法は、圧電振動子１２の発振周波数の温度特性のヒステリシス特性によって現れる２つの周波数温度情報（第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６）のうちのいずれかを判定信号２１ｅにより選択し、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報（第１の周波数温度情報７４に対応する第１の近似曲線情報７０、第２の周波数温度情報７６に対応する第２の近似曲線情報７２）を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子１２の温度に対応した情報（検出電圧６６）と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路４０に、発振信号５８と前記２つの周波数温度情報と前記判定信号２１ｅを出力する圧電発振器１０の温度補償方法であって、前記圧電振動子１２の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報７４を生成し、前記圧電振動子１２の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報７６を生成し、前記第１の周波数温度情報７４と、前記第２の周波数温度情報７６と、を前記２つの周波数温度情報として前記温度補償回路４０に出力し、前記温度補償回路４０において、温度上昇時に第１の周波数温度情報７４を、温度下降時に第２の周波数温度情報７６をそれぞれ選択可能となるように、前記判定信号２１ｅを生成するものである。

本実施形態の圧電発振器１０は、半導体基板（不図示）上にパターニングにより、発振回路１４、温度検出手段である温度センサー１６、バッファー１８、記憶回路２０、判定回路２１、シリアルインターフェース回路２２、電源端子３６、グランド端子３８等の各端子が形成された半導体回路基板を備え、発振回路１４と圧電振動子１２が接続された構造を有している。

さらに図１に示すように、圧電発振器１０の接続対象となる温度補償回路４０は、周波数補正回路４２、ＣＰＵ４４、メモリ４６、Ａ／Ｄ変換器４８を有する。また第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６を算出する際には図２に示すように、圧電発振器１０は測定器５０に接続され、測定器５０は、周波数カウンター５２、ＰＣ５４、電圧マルチメーター５６を有する。

圧電振動子１２は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料から形成され、水晶であれば周波数温度特性に優れるＡＴカット振動子が望ましい。このようなＡＴカット水晶振動子は、発振回路１４から交流電圧を受けて、厚みすべり振動により所定の発振周波数で発振することができる。このＡＴカットによる厚みすべり振動を用いた圧電振動子の発振周波数は、基準温度（２５℃近辺）を中心として３次曲線となる温度特性を有している。

発振回路１４は、圧電振動子１２を発振源とする例えばコルピッツ型の発振回路であり、発振信号出力端子２４を介して温度補償回路４０、または測定器５０に発振信号５８を出力する。

温度検出手段である温度センサー１６は、ダイオード構造を有しており、順方向電流を流し、温度によって変化するダイオードの端子間電位である検出電圧６６をバッファー１８を介して温度センサー電圧出力端子３４から温度補償回路４０または測定器５０に出力するものである。ここで検出電圧６６は温度上昇とともに１次関数的に減少し、出力される検出電圧６６は測定される温度に対応したものとなっている。なお、温度センサー１６は圧電振動子１２に隣接して配置することが望ましい。これにより圧電振動子１２の周囲温度を測定誤差を抑制して測定することができ、後述の第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６において温度と周波数、若しくは温度と基準周波数からの周波数偏差との対応を高精度に行なうことができる。なお温度センサー１６は電源から電力が供給される限り検出電圧６６を出力し続けるものとする。

シリアルインターフェース回路２２は、外部からの指令を受けてシリアルで入力された第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６を記憶回路２０に記憶したり、外部からの指令を受けて記憶回路２０に格納された第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６をシリアルで外部に出力するものである。シリアルインターフェース回路２２は記憶回路２０、温度センサー１６に接続されており、データ入出力端子２６、第１制御クロック入力端子２８、第２制御クロック入力端子３０を有している。

第１制御クロック入力端子２８に第１の制御クロック６０を入力すると、データ入出力端子２６に入力されるシリアルデータ化された第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６を、第１の制御クロック６０をトリガとして（第１の制御クロック６０に同期して）記憶回路２０に記憶する（書き込む）ことができる。第２制御クロック入力端子３０に第２の制御クロック６２を入力すると、記憶回路２０に記憶された第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６を、データ入出力端子２６を介して第２の制御クロック６２をトリガとしてシリアルデータ化して出力することができる。

記憶回路２０は、ＥＥＰＲＯＭ等で形成され、シリアルインターフェース回路２２を介して第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６が記憶され（書き込まれ）、または出力することができる。第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６は、それぞれ有限個のデータにより構成されているが、それぞれ測定器５０中のＰＣ５４、及び温度補償回路４０中のＣＰＵ４４が共通に認識できるアドレスが設けられている。

第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６は、それぞれ上位ビットに第１のアドレスデータ７４ａ、第２のアドレスデータ７６ａを有し、下位ビットにはそれぞれ第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂを有する。

第１のアドレスデータ７４ａ、第２のアドレスデータ７６ａについて、その最上位ビットを、例えば第１のアドレスデータ７４ａの場合は０、第２のアドレスデータ７６ａの場合は１と設定し、第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６を測定器５０（ＰＣ５４）及び温度補償回路４０（ＣＰＵ４４）において互いに識別できるように設計されている。

第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂとしては後述の温度係数の情報と温度係数に属するオフセット係数の情報との組み合わせ、または圧電振動子１２の使用温度範囲から任意に選択した複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応する周波数の情報、若しくは前記複数の温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせを用いることができる。このうち、複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応する基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせは、発振周波数の絶対値を用いた場合より情報の桁数を小さくすることができるので、周波数温度情報の容量が最も小さくなる。また周波数温度情報として温度係数の情報を記憶する場合は、温度情報そのものを記憶する必要はないので周波数温度情報の容量を小さくすることができる。

第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂとして、上述の複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報との組み合わせとした場合には、基準温度の情報と基準温度における周波数の情報を取得するとともに、その組み合わせについて、ＰＣ５４及びＣＰＵ４４が他の情報と識別できるアドレスを付す必要がある。

図２に本実施形態の圧電発振器を構成する判定回路を示す。図２に示すように、判定回路２１は、温度センサー１６からの検出電圧６６を入力して、異なる時刻に取得された２つの検出電圧（検出電圧６６ａ、検出電圧６６ｂ）を比較して、温度の上昇及び下降を判断し、これに基づく判定信号２１ｅを判定信号出力端子３５を介して出力するものである。判定回路２１は、温度センサー１６に接続されたＡ／Ｄ変換器２１ａ、Ａ／Ｄ変換器２１ａの出力側に接続された前段ラッチ回路２１ｂ、前段ラッチ回路２１ｂの出力側に接続された後段ラッチ回路２１ｃ、前段ラッチ回路２１ｂ及び後段ラッチ回路２１ｃの出力側に入力側を接続し判定信号２１ｅを出力する比較器２１ｄと、を有する。

前段ラッチ回路２１ｂは、Ａ／Ｄ変換器２１ａからデジタルデータ化された検出電圧６６ａが新たに入力されると後段ラッチ回路２１ｃに検出電圧６６ｂを出力するとともに、既に保持していた検出電圧６６ｂに上書きする形で検出電圧６６ａを保持し、さらに検出電圧６６ａを比較器２１ｄに出力する。後段ラッチ回路２１ｃは検出電圧６６ｂが入力されると、既に入力された検出電圧に上書きする形で検出電圧６６ｂを保持するとともに、検出電圧６６ｂを比較器２１ｄに出力する。比較器２１ｄは検出電圧６６ａと検出電圧６６ｂとの大小関係を比較し、検出電圧６６ａが検出電圧６６ｂより高い値の場合、すなわち周囲温度が上昇していると判断した場合はＬｏｗ（０）の判定信号２１ｅを出力し、逆に高い場合、すなわち周囲温度が下降していると判断した場合はＨｉｇｈ（１）の判定信号２１ｅを出力する。

このＬｏｗ（０）は第１の周波数温度情報７４の第１のアドレスデータ７４ａの最上位ビットに対応し、Ｈｉｇｈ（１）は第２の周波数温度情報７６の第２のアドレスデータ７６ａの最上位ビットに対応する。なお比較器２１ｄにおいては、検出電圧６６ａと検出電圧６６ｂの値が一致する場合は直前まで出していた判定信号２１ｅを引き続き出力するように構成されているものとする。

図３に圧電発振器１０と測定器５０との接続図を示す。測定器５０は、発振回路１４に搭載された圧電振動子１２の発振周波数の温度特性から温度補償回路４０で用いられる第１の周波数温度情報７４（第１の周波数温度データ７４ｂ）、第２の周波数温度情報７６（第２の周波数温度データ７６ｂ）をそれぞれ算出して記憶回路２０に書き込むものであり、周波数カウンター５２、ＰＣ５４、電圧マルチメーター５６により構成される。周波数カウンター５２は、発振回路１４に接続され、所定時間間隔ごとに発振回路１４から出力される発振信号５８の周波数を測定してＰＣ５４に出力することができる。電圧マルチメーター５６は、温度センサー１６からの検出電圧６６をデジタルデータに変換してＰＣ５４に出力することができる。

ＰＣ５４は、キー操作等により周波数カウンター５２や電圧マルチメーター５６を起動可能であるものとする。またＰＣ５４は、インストールされたプログラムに従って所定の温度ごとに発振回路１４からの発振信号５８を周波数カウンター５２から入力し、検出電圧６６（周囲温度の情報）と周波数をＰＣ５４内の記憶領域（不図示）に格納する。

厚みすべり振動を用いた圧電振動子の発振周波数について、基準温度Ｔ_０における基準周波数をｆとすると、任意の温度Ｔにおける周波数温度情報Δｆ／ｆは近似的に以下のべき級数で表すことができる。

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは周波数温度情報を決定する温度係数、Ｅは周波数温度情報のオフセットを決定するオフセット係数であり、温度係数に属するものである。そして温度補償回路４０においては圧電振動子１２の発振周波数の温度特性について数式１に示すような温度変化に対して連続的に変化する近似曲線を算出する必要がある。

ところで、数式１においては変数が５つあるため、例えば、周波数温度情報として、測定された周囲温度の情報（検出電圧６６）と、周囲温度の情報に対応した基準周波数からの周波数偏差の情報の組み合わせが少なくとも５つあれば、これらをそれぞれ数式１に代入して、連立５元１次方程式を解き、数式１における変数を全て算出することにより、近似曲線を算出することができる。しかし、圧電振動子はヒステリシス特性を有するため、温度上昇時は第１の周波数温度情報７４を用いて第１の近似曲線情報７０を算出し、温度下降時は第２の周波数温度情報７６を用いて第２の近似曲線情報７２を算出し、それぞれの近似曲線を用いて温度補償を行う必要がある。

そこで、ＰＣ５４は、圧電振動子１２の周囲温度を、設定最低温度（−３０℃）から基準温度（＋２５℃）を挟んで設定最高温度（＋８５℃）に至るまで上昇させる際、及びその後設定最高温度から設定最低温度まで下降させた際にそれぞれプログラムにより所定の温度間隔で周波数を測定する。このとき、基準温度における周波数も測定する。

第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂとして測定範囲中の複数の温度情報と、各温度情報に対応した周波数の絶対値の情報または基準周波数（＋２５℃）からの周波数偏差の情報を用いる場合、設定最低温度から設定最高温度まで上昇させつつ所定の温度間隔で周波数の絶対値または基準周波数からの周波数偏差を測定し、これにより得られるプロット群により第１の周波数温度データ７４ｂを生成する。その後設定最高温度から基準温度を挟んで低下させて設定最低温度に至るまで所定の温度間隔で周波数の絶対値または周波数偏差を測定し、これによるプロット群により第２の周波数温度データ７６ｂを生成する。

また第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂとして温度係数及び温度係数の一部であるオフセット係数を用いる場合、ＰＣ５４において、周波数の絶対値の情報または基準周波数からの周波数偏差の情報からべき級数の近似式（数式１）を求めて上述の２つのプロット群にそれぞれフィットさせ、フィットして得られるべき級数の近似式の各項の温度係数とオフセット係数を抽出して、これらにより第１の周波数温度データ７４ｂ、第２の周波数温度データ７６ｂをそれぞれ生成する。

そして、第１の周波数温度データ７４ｂに上位ビットの第１のアドレスデータ７４ａを付加して第１の周波数温度情報７４を生成し、第２の周波数温度データ７６ｂに上位ビットの第２のアドレスデータ７６ａを付加して第２の周波数温度情報７６を生成する。

上述のようにＰＣ５４において第１の周波数温度情報７４、及び第２の周波数温度情報７６を構築したのち、ＰＣ５４は、第１制御クロック入力端子２８に第１の制御クロック６０を出力し、第１の制御クロック６０に同期させてシリアルデータ化した第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６をデータ入出力端子２６に出力し、シリアルインターフェース回路２２を介して記憶回路２０に第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６を記憶する。

図１に示すように、温度補償回路４０は、圧電発振器１０とは分離した外部システムの一部である。温度補償回路４０は、ＰＣ５４から記憶回路２０に入力された第１の周波数温度情報７４を用いて第１の近似曲線情報７０を算出し、第２の周波数温度情報７６を用いて第２の近似曲線情報７２を算出し、第１、第２の近似曲線情報７０、７２と温度センサー１６から常時入力される検出電圧６６（周囲温度の情報）に基づいて温度補償量８０を算出するものであり、周波数補正回路４２、ＣＰＵ４４、メモリ４６等から構成される。周波数補正回路４２は、ＣＰＵ４４から出力される温度補償量８０に対応して出力周波数を可変させる回路であって、発振回路１４に接続されて発振信号５８が入力され、ＣＰＵ４４の制御のもと温度補償を行った発振信号６８を出力するものである。

ＣＰＵ４４は、温度補償回路４０の中核をなすものであって、記憶回路２０から入力した第１の周波数温度情報７４から数式１に従って第１の近似曲線情報７０を算出し、同様に記憶回路２０から入力した第２の周波数温度情報７６から数式１に従って第２の近似曲線情報７２を算出する。そして第１の近似曲線情報７０及び第２の近似曲線情報７２のいずれか一方と温度センサー１６から入力される検出電圧６６（周囲温度の情報）に基づいて温度補償量８０を算出して周波数補正回路４２に出力するものである。

ＣＰＵ４４は、第２制御クロック入力端子３０、判定信号出力端子３５に接続され、さらに温度センサー１６にＡ／Ｄ変換器４８を介して接続されている。ＣＰＵ４４は、起動時に、プログラムにより第２制御クロック入力端子３０に第２の制御クロック６２を入力し、第２の制御クロック６２に同期して記憶回路２０内の第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６をシリアルインターフェース回路２２を介して出力させ、ＣＰＵ４４に付属するメモリ４６に記憶する。

記憶回路２０に記憶された第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６が圧電振動子１２の使用温度範囲の複数の温度情報と、前記複数の温度情報のそれぞれに対応した基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせである場合、ＣＰＵ４４は、第１の周波数温度情報７４と数式１を用いて、数式１における温度係数と、オフセット係数を上述の方法により算出し、第２の周波数温度情報７６と数式１を用いて、数式１における温度係数とオフセット係数を算出する。そして第１の周波数温度情報７４に対応する温度係数の情報、オフセット係数の情報の組み合わせ、第２の周波数温度情報７６に対応する温度係数の情報、オフセット係数の情報の組み合わせにそれぞれ互いに識別可能なアドレスを付加した上で付属のメモリ４６に記憶する構成を有するものとする。

また第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６が上述の複数の温度情報と各温度情報に対応する周波数（絶対値）の情報である場合は、ＣＰＵ４４は第１、第２の周波数温度情報７４、７６中の基準温度の情報と基準温度で測定した周波数の情報のアドレスを識別可能とし、上述同様に第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６と数式１を用いて、第１の周波数温度情報７４に対応する温度係数の情報とオフセット係数の情報の組み合わせ、第２の周波数温度情報７６に対応した温度係数の情報とオフセット係数の情報との組み合わせにそれぞれ互いに識別可能なアドレスを付加した上で付属のメモリ４６に記憶する構成を有するものとする。

第１の周波数温度情報７４から算出された温度係数の情報とオフセット係数の情報の組み合わせ（第１の周波数温度データ７４ｂに相当する）には、第１のアドレスデータ７４ａを付加し、第２の周波数温度情報７６から算出された温度係数の情報とオフセット係数の情報の組み合わせ（第２の周波数温度データ７６ｂに相当する）には、第２のアドレスデータ７６ａを付加する。

さらに記憶回路２０から入力される第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６が温度係数の情報とオフセット係数の情報であれば、ＣＰＵ４４は、そのまま付属のメモリ４６に記憶する構成を有するものとする。

ＣＰＵ４４は、プログラムにより所定時間ごとに温度センサー１６からの検出電圧６６（周囲温度の情報）をＡ／Ｄ変換器４８を介してデジタルデータ化して入力し（サンプリングし）、付属のメモリ４６に記憶する。なお判定回路２１から出力される判定信号２１ｅは検出電圧６６に基づいて出力されるため、ＣＰＵ４４における周囲温度の情報の読み込みと、周波数温度情報（第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６）の選択は同時に行われる。

ＣＰＵ４４は、判定回路２１から出力される判定信号２１ｅに基づき、判定信号２１ｅがＬｏｗ（０）である場合は、最上位ビットがこれに一致する第１のアドレスデータ７４ａを有する温度係数の情報とオフセット係数の情報をメモリ４６から読み出して第１の近似曲線情報７０を算出する。そして判定信号２１ｅがＨｉｇｈ（１）である場合は、最上位ビットがこれに一致する第２のアドレスデータ７６ａを有する温度係数の情報とオフセット係数の情報をメモリ４６から読み出して第２の近似曲線情報７２を算出する。

そしてＣＰＵ４４は、第１の近似曲線情報７０または第２の近似曲線情報７２と検出電圧６６から温度補償量８０を算出し、温度補償量８０を周波数補正回路４２に出力する。よってＣＰＵ４４は所定時間ごとに温度補償量８０を算出して周波数補正回路４２に出力する。これにより周波数補正回路４２からは所定時間ごとに温度補償が行われた発振信号６８が出力される。

次に、本実施形態に係る圧電発振器１０の作用効果について述べる。図４（ａ）に圧電振動子のヒステリシス特性、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図を示す。図５（ａ）に温度上昇時の周波数温度情報に基づき温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の基準周波数からの周波数偏差（温度上昇時、温度下降時）、図５（ｂ）に温度下降時の周波数温度情報に基づき温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の基準周波数からの周波数偏差（温度上昇時、温度下降時）を示す。図６に温度上昇時に用いられる第１の周波数温度情報及び温度下降時に用いられる第２の周波数温度情報に基づいて温度補償を行った場合の温度補償回路から出力される発振信号の基準周波数からの周波数偏差を示す。

従来技術でも述べたように、圧電振動子１２には図４に示すように温度上昇時、温度下降時において同一の周波数温度特性を有さずヒステリシス特性を有している。そこで、図４（ａ）、（ｂ）に示すように温度上昇時の温度特性により生成される第１の周波数温度情報７４を用いて第１の近似曲線情報７０を算出し、これに基づいて温度補償を行うと、図５（ａ）に示すように、圧電振動子１２を実際に温度を上昇させたときの温度補償は良好に行われているが、逆に温度を下降させたときの温度補償は良好には行われず周波数偏差が０．５ｐｐｍを超えたものとなっている。

また図４（ａ）、（ｂ）に示すように、温度下降時に生成される第２の周波数温度情報７６を用いて第２の近似曲線情報７２を算出し、これに基づいて温度補償を行うと、図５（ｂ）に示すように、圧電振動子１２の温度を下降させたときの温度補償は良好に行われているが、逆に温度を上昇させたときの温度補償は良好には行われず周波数偏差が０．５ｐｐｍとなっている。本実施形態が想定するＧＰＳ機能を有する機器にこのような周波数偏差が生じると、従来技術で述べたように測位性能に悪影響を及ぼすことになる。

一方、本実施形態においては温度上昇時には第１の周波数温度情報７４を温度下降時には第２の周波数温度情報７６を用いて温度補償を行うため、図６に示すように、温度上昇時、温度下降時共に周波数偏差を０．１ｐｐｍ程度に抑えることができ、ヒステリシス特性を有する圧電振動子１２に対して良好な温度補償を行うことができることがわかる。

ところで、本実施形態に係る圧電振動子１２のヒステリシス特性は、基準温度近傍で最も顕著に現れ、基準温度から離れるほど小さくなり、設定最低温度（−３０℃）、設定最高温度（＋８５℃）においては殆ど検出されない。よって第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のいずれか一方の測定範囲を限定して測定時間を短縮するとともに、第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のいずれか一方を近似的に算出することができる。

図７に圧電振動子の発振周波数の温度上昇時の第１の周波数温度情報７４と、温度下降時の第２の周波数温度情報７６との差分（ヒステリシス量）を示す。図７（ａ）に示すように、圧電振動子１２の発振周波数の温度上昇時の温度特性を示す第１の周波数温度情報７４と温度下降時の温度特性を示す第２の周波数温度情報７６との差分７３ｂはプロットデータであるが、プロット間を曲線で結ぶと基準温度を中心として上に凸の２次関数的な形状を有していることがわかった。そこで、本実施形態では、基準温度におけるヒステリシス量から全体のヒステリシス量を算出している。

例えば、第２の周波数温度情報７６を近似的に生成する場合について説明する。ここで第１の周波数温度情報７４は、前述同様に圧電振動子１２の周囲温度を基準温度を挟んで上昇させた場合の所定温度ごとの温度情報と周波数の情報とを組み合わせて生成する。このとき第１の周波数温度情報７４は、周囲温度を基準温度を挟んで上昇させた場合の基準温度より低い温度領域で測定した低温領域情報８２（設定最低温度を含む）と、基準温度を包含する基準温度領域で測定した第１の基準温度領域情報８４と、基準温度領域より高い高温領域で測定した高温領域情報８６（設定最高温度を含む）と、を有する。もちろんこれらの情報から温度係数とオフセット係数を算出しこれを第１の周波数温度情報７４としてもよい。そして近似的に生成する第２の周波数温度情報７７は、周囲温度を基準温度を挟んで低下させた場合の基準温度領域において測定した第２の基準温度領域情報８８と、第１の基準温度領域情報８４と、低温領域情報８２と、高温領域情報８６と、を用いて算出する。

ここで低温領域と、高温領域において第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６との差分（ヒステリシス量）がゼロと近似することができるので、図７（ｂ）に示すように３つのプロット点からヒステリシス量を近似する２次関数の２次の温度係数を算出することができる。この２次の温度係数を第１の周波数温度情報７４を構成する２次の温度係数から引くことにより第２の温度情報（不図示）を近似的に算出することができる。また第１の周波数温度情報７４から第１の近似曲線情報７０を算出し、第１の近似曲線情報７０から上述の２次の温度係数を差し引いて第２の近似曲線情報（不図示）を生成し、第２の近似曲線情報（不図示）から所定の温度間隔ごとに周波数を抽出して第２の周波数温度情報（不図示）を生成してもよい。なお基準温度領域にて２点以上を測定して、これに対応したべき級数の近似式を求めて、これにより得られる温度係数を、対応する第１の近似曲線情報７０を構成する温度係数から引くことにより第２の近似曲線情報（不図示）を算出することができる。以上の演算は全てＰＣ５４上で行なうことになる。

次に、第１の周波数温度情報（不図示）を近似により算出する場合について説明する。ここで第２の周波数温度情報７６は、前述同様に圧電振動子１２の周囲温度を基準温度を挟んで下降させた場合の所定温度ごとの温度情報と周波数の情報とを組み合わせて生成する。このとき第２の周波数温度情報７６は、周囲温度を基準温度を挟んで上昇させた場合の基準温度より高い温度領域で測定した高温領域情報と、基準温度を包含する基準温度領域において測定した第３の基準温度領域情報９０（第２の基準温度領域情報８８と同一）と、前記基準温度領域より低い低温領域で測定した低温領域情報（低温領域情報８２と同一であると近似）と、を用いて上述同様に算出する。そして第１の周波数温度情報（不図示）は、周囲温度を基準温度を挟んで上昇させたときの基準温度領域において測定した第４の基準温度領域情報９２（第１の基準温度領域情報８４と同じ）と、第３の基準温度領域情報９０と、低温領域情報８２と、高温領域情報８６と、を用いて算出することができる。

ここで低温領域と、高温領域において第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６との差分（ヒステリシス量）がゼロと近似することができるので、図７（ｂ）に示すように３つのプロット点からヒステリシス量を近似する２次関数の２次の温度係数を算出することができる。この２次の温度係数を第２の周波数温度情報７６を構成する２次の温度係数から引くことにより第１の近似曲線情報（不図示）を近似的に算出することができる。そして第１の近似曲線情報（不図示）から所定の温度間隔ごとに周波数を抽出して第１の周波数温度情報（不図示）を生成することができる。

そして図７（ｃ）に示すように、第１の周波数温度情報７４と近似的に算出された第２の周波数温度情報（不図示）との差分７３ａはプロットデータとなるが、プロット間を曲線で結ぶことにより第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６との差分７３ｂと遜色のないヒステリシス特性を有していることがわかる。つまり、２つの周波数温度情報の算出方法はいずれもほぼ同じ算出結果を得ることができるのである。

図８に記憶回路に記憶する周波数温度情報の容量を比較する表を示す。図８に示すように、周波数温度情報として周波数の絶対値の情報を格納する場合は１１桁必要とするが、基本周波数からの周波数偏差の情報を格納する場合は５桁で済むので周波数に関する容量を約４５パーセント削減することができる。

また第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のうち、一方を温度情報と基準周波数からの周波数偏差の情報との組み合わせとし、他方を２つの周波数温度情報の周波数の差分の情報としてもよい。すると図８に示すように基準周波数からの周波数偏差の情報は５桁用いるが、差分の情報の場合は４桁で済むので一方の周波数温度情報の桁数を小さくすることができる。この場合、周波数の絶対値の情報と比較して約７０パーセント削減でき、基準周波数からの周波数偏差の情報と比較して約５０パーセント削減することができる。このように差分の情報を記憶回路２０に格納する場合において、他方の周波数温度情報を温度補償に用いる場合、一方の周波数温度情報に差分の情報を加えて他方の周波数温度情報を算出する演算を温度補償回路４０において行なう必要がある。

また仮に第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６を周波数の絶対値の情報を用いて構成した場合の容量を１００とすると、各周波数温度情報を基準周波数からの周波数偏差の情報を用いて構成したときは容量を２３％削減でき、各周波数温度情報のうち一方を基準周波数からの周波数偏差の情報を、他方を上述の差分の情報を用いて構成したときは容量を３１％削減することができる。なお、周波数温度情報として格納するアドレス（第１のアドレスデータ７４ａ、第２のアドレスデータ７６ａ）において必要な桁数は、測定温度が５点である場合は、３桁（最大８個のアドレスを許容）であるが第１のアドレスデータ７４ａと第２のアドレスデータ７６ａを区別するためにさらに１桁必要とするためトータル４桁必要となる。また周囲温度の情報（検出電圧６６）はその分解能に従って必要な桁数が決定される。さらに周波数温度情報が温度係数の情報である場合、温度係数の情報については有効数字に従って必要な桁数が決定されるが、温度情報は不要であるので、その分の容量を削減することができる。

第２実施形態に係る圧電発振器を図９に示す。第２実施形態に係る圧電発振器１００は、基本的構成は第１実施形態の圧電発振器１０と共通するが、前記第１の周波数温度情報７４及び前記第２の周波数温度情報７６は、互いに識別可能なアドレス（第１のアドレスデータ７４ａ、第２のアドレスデータ７６ａ）を有し、記憶回路１１６の出力側（温度補償回路１０２側）に選択出力回路１１０が接続され、前記選択出力回路１１０は、前記判定信号２１ｅに基づいて前記第１の周波数温度情報７４及び前記第２の周波数温度情報７６のいずれかのアドレスを選択し、選択されたアドレスに基づいて前記第１の周波数温度情報７４及び前記第２の周波数温度情報７６のいずれかを温度補償回路１０２に出力するものである。

よって第２実施形態の圧電発振器１００は、より詳細には、圧電振動子１２と、圧電振動子１２を発振させるとともに、前記圧電振動子１２の発振周波数の温度依存性を示す周波数温度情報を入力し、前記周波数温度情報に基づいて温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線を算出し、前記近似曲線と前記圧電振動子１２の温度に対応した温度情報（検出電圧６６）を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路１０２に発振信号５８を出力する発振回路１４と、前記圧電振動子１２の周囲温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から生成し第１のアドレスデータ７４ａを有する第１の周波数温度情報７４と、前記周囲温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から生成し第２のアドレスデータ７６ａを有する第２の周波数温度情報７６と、を記憶し、前記温度補償回路１０２に出力可能な記憶回路１１６と、前記圧電振動子１２の温度の上昇・下降に基づいて判定信号２１ｅを出力する判定回路２１と、前記記憶回路１１６の出力側に接続され、前記判定信号２１ｅに基づいて前記第１のアドレスデータ７４ａ及び前記第２のアドレスデータ７６ａのいずれかを選択し、選択されたアドレスに対応して前記第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のいずれかを前記周波数温度情報として温度補償回路１０２に出力する選択出力回路１１０と、を有するものである。また前記判定回路２１に接続され、前記判定信号２１ｅの変化により切替信号１１２ａを生成し、前記切替信号１１２ａをトリガとして前記第１の周波数温度情報７４及び前記第２の周波数温度情報７６のいずれかを入力する温度補償回路１０２に前記切替信号１１２ａを出力する切替検出回路１１２を有するものである。

したがって、第２実施形態に係る圧電発振器の温度補償方法は、圧電振動子１２の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報を入力して、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子１２の温度に対応した温度情報（検出電圧６６）と、を用いて温度補償量８０を算出可能な温度補償回路１０２に発振信号と前記周波数温度情報を出力する圧電発振器１００の温度補償方法であって、前記圧電振動子１２の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報７４を生成し、前記圧電振動子の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報７６を生成し、前記圧電振動子の温度の上昇・下降を判定し、前記判定に基づいて前記第１の周波数温度情報７４または前記第２の周波数温度情報７６を前記周波数温度情報として前記温度補償回路１０２に出力するものである。また圧電振動子１２の温度の上昇・下降の切り替えにより切替信号１１２ａを生成するとともに、前記切替信号１１２ａをトリガとして前記第１の周波数温度情報７４及び前記第２の周波数温度情報７６のいずれかを入力する前記温度補償回路１０２に前記切替信号１１２ａを出力するものである。

第２実施形態において第１実施形態と共通の構成要素には同一の番号を付するとともに、必要な場合を除いてその説明を省略する。また第２実施形態に係る圧電発振器１００の記憶回路１１６に第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６を記憶する（書き込む）場合、測定器５０を構成するＰＣ５４は、データ入出力端子２６及び第１制御クロック入力端子２８に接続され、第１のシリアルクロック６０に同期してシリアルデータ化された第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６をシリアルインターフェース回路１０８を介して記憶回路１１６の入力側（不図示）から入力し、第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６を記憶するものとする。

本実施形態の圧電発振器１００の接続対象となる温度補償回路１０２は、第１実施形態と同様に周波数補正回路４２、ＣＰＵ１０４、メモリ１０６、Ａ／Ｄ変換器４８を有するが、温度補償回路１０２は起動時のみならず、周囲温度の上昇・下降の切り替えが発生するたびに記憶回路１１６にシリアルインターフェース回路１０８を介してアクセスし、第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６のいずれかを入力する構成を有している。よって、第２実施形態において、シリアルインターフェース回路１０８は、第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれか一方をシリアルデータ化して外部に出力することになる。

選択出力回路１１０は、記憶回路１１６の出力側（温度補償回路１０２側）に接続されている。選択出力回路１１０は、判定回路２１から出力される判定信号２１ｅが入力され、判定信号２１ｅに基づいて、選択出力回路１１０内に内蔵された第１のアドレスデータ７４ａ、第２のアドレスデータ７６ａのいずれかを選択し、いずれかのアドレスを共有する第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかを記憶回路１１６から選択し、ＣＰＵ１０４から入力された第２の制御クロック６２に同期して、記憶回路１１６から第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかをシリアルインターフェース回路１０８を介してＣＰＵ１０４に出力するものである。

選択出力回路１１０は、周囲温度が上昇時の判定信号２１ｅ（Ｈｉｇｈ）が入力されると内蔵された第１のアドレスデータ７４ａを選択し、第１のアドレスデータ７４ａを有する第１の周波数温度情報７４を出力する。そして下降時の判定信号２１ｅ（Ｌｏｗ）が入力されると内蔵された第２のアドレスデータ７６ａを選択し、第２のアドレスデータ７６ａを有する第２の周波数温度情報７６を出力する。よってＣＰＵ１０４は温度上昇時には第１の周波数温度情報７４にのみ入力可能となり、温度下降時に第２の周波数温度情報７６にのみ入力可能となる。

切替検出回路１１２は、判定回路２１から出力される判定信号２１ｅが入力され、判定信号２１ｅのＨｉｇｈとＬｏｗが互いに切り替わるたびに切替信号１１２ａを発生させ切替信号出力端子１１４を介してＣＰＵ１０４に出力するものである。よって切替検出回路１１２は周囲温度の上昇・下降が切り替わるたびに切替信号１１２ａをＣＰＵ１０４に出力する。なお、この切替信号１１２ａも判定信号２１ｅ及び検出電圧６６に基づいて出力されるため、ＣＰＵ１０４における検出電圧６６（周囲温度の情報）と前記検出電圧６６に基づいて出力された切替信号１１２ａの入力は、同時に行われる。

ＣＰＵ１０４は、第１実施形態のＣＰＵ４４と同様にデータ入出力端子２６、第２制御クロック入力端子３０、温度センサー１６にＡ／Ｄ変換器４８を介して接続されている。またＣＰＵ１０４は切替信号出力端子１１４に接続されている。なおＣＰＵ１０４において、その他の接続形態及び以下に説明する動作以外は第１実施形態のＣＰＵ４４と同様なので説明を省略する。

ＣＰＵ１０４は、起動時に、プログラムにより第２制御クロック入力端子３０に第２の制御クロック６２を入力し、記憶回路１１６内の第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかを第２の制御クロック６２に同期してシリアルインターフェース回路１０８を介して入力し、ＣＰＵ１０４に付属するメモリ１０６に記憶する。なお、起動時において第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかを入力するかは、起動時に選択出力回路１１０が選択する初期アドレスに依存する。

さらにＣＰＵ１０４は、切替検出回路１１２からの切替信号１１２ａが入力されると、第２の制御クロック６２を第２制御クロック入力端子に出力して、シリアルインターフェース回路１０８及び選択出力回路１１０を介して第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかを第２の制御クロック６２に同期して入力し、付属のメモリ１０６に既に記憶された周波数温度情報に上書きする形態で第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６のいずれかをメモリ１０６に記憶する。そして入力された周波数温度情報（第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のいずれか）を用い、温度変化に対して連続的に変化する圧電振動子の発振周波数の温度特性の近似曲線を算出し、前記近似曲線と周囲温度の情報（検出電圧６６）に基づいて温度補償量８０を算出して周波数補正回路４２に出力する。

このような構成とすることにより、温度補償回路１０２側で周囲温度の上昇・下降の判断を行なうことなく、第１の周波数温度情報７４または第２の周波数温度情報７６を用いて温度補償を行うことができる。またメモリ１０６には一方の温度情報を記憶するのみであるのでメモリ１０６の容量を削減することができる。なお第２実施形態の圧電発振器１００の温度補償の作用効果については第１実施形態と同様なので説明を省略する。また本実施形態では切替信号１１２ａをトリガとして温度補償回路１０２が第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６のいずれかを入力する構成としているが、これに限らず、プログラムや温度補償回路１０２内に構築したカウンタ（不図示）を用いて所定時間ごとにいずれかの周波数温度情報を入力する構成にすることも可能である。

以上述べたように本実施形態に係る圧電発振器の温度補償方法、及び圧電発振器によれば、第１には、温度補償回路４０、１０２においては温度上昇時には第１の周波数温度情報７４に基づいて温度補償を行い、温度下降時には第２の周波数温度情報７６に基づいて温度補償を行うことができる。したがって、圧電振動子１２の発振周波数の温度変化に対するヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことができる。

第２には、第２実施形態で述べたように、温度補償回路１０２は温度上昇時に第１の周波数温度情報７４を入力し、温度下降時に第２の周波数温度情報７６を入力する。よって温度補償回路１０２側はいずれか一方の周波数温度情報を記憶するメモリ領域を確保すれば充分であるので、メモリ負担を軽減しつつ圧電振動子１２のヒステリシス特性に対応した温度補償を行うことができる。

第３には、温度検出手段である温度センサー１６は圧電振動子１２の周囲温度を温度誤差を抑制して測定することができるので、温度誤差を抑制した第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６を生成することができる。さらに圧電振動子１２の現在温度をリアルタイムでかつ高精度に測定できるので、温度補償回路４０、１０２における補正誤差を抑制して、温度補償を高精度に行なうことができる。

第４には、第２実施形態で述べたように、周囲温度の上昇・下降の切り替えにより切替信号１１２ａを生成するとともに、切替信号１１２ａをトリガとして温度情報を入力する温度補償回路１０２に切替信号１１２ａを出力する切替検出回路１１２を設けたことにより、温度補償回路１０２の第１の周波数温度情報７４及び第２の周波数温度情報７６のいずれかの入力は周囲温度の上昇・下降の切り替え時のみとなるので、温度補償回路１０２側の負担を軽減することができる。

第５には、第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または基準周波数からの周波数偏差の情報により生成することにより、圧電発振器１０、１００側で温度係数の演算が不要となるため圧電発振器１０、１００形成時の作業負担を抑制してコストを抑制することができる。この場合、ユーザー側で温度情報のプロットに重なる、べき級数の近似式の温度係数を周波数温度情報として演算することになるが、ユーザー側で独自に正確な温度係数を演算することができる。

第６には、第１の周波数温度情報７４、第２の周波数温度情報７６は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または基準周波数からの周波数偏差の情報との関係を、べき級数の近似式に展開して抽出される温度係数の情報により生成することにより、温度補償回路４０、１０２においては周波数温度情報を算出するための演算が不要となるため、ユーザー側の負担を軽減して圧電発振器１０、１００を搭載したシステムの構築を容易に行うことができる。

第７には、第１の周波数温度情報７４は、第２の周波数温度情報７６と、周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度の情報と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することとした。第１の周波数温度情報７４と第２の周波数温度情報７６との差分をとると基準温度領域において差分が最も大きくなり、基準温度から離れるほど小さくなる。よって第１の周波数温度情報（不図示）は、第２の周波数温度情報７６と、周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することが可能である。これにより温度上昇時は基準温度領域のみ測定すればよく、基準温度より高い高温領域まで温度を上昇させる工程が不要になる。したがって第１の周波数温度情報（不図示）の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

第８には、第２の周波数温度情報７６は、第１の周波数温度情報７４と、周囲温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することとした。上述同様の理由により、第２の周波数温度情報（不図示）は、第１の周波数温度情報７４と、周囲温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することが可能である。これにより温度下降時は基準温度領域を測定すればよく、基準温度より低い低温領域を測定する工程が不要になる。したがって第２の周波数温度情報（不図示）の取得時間を短縮することができるため、作業負担を削減してコストを抑制することができる。

なお、いずれの実施形態において、圧電振動子１２は厚みすべり振動子を前提として述べてきたが、これに限定されず、双音叉型圧電振動子、シングルビーム型圧電振動子、ＳＡＷ共振子等にも適用できる。また、いずれの実施形態でも第１の周波数温度情報７４、第１の近似曲線情報７０、第２の周波数温度情報７６、第２の近似曲線情報７２は、検出電圧６６に関連付けられた情報として扱うことを前提として述べてきた。すなわちこれらの情報は検出電圧６６の関数として用いられ、ＰＣ５４、ＣＰＵ４４、ＣＰＵ１０４も検出電圧６６をベースとして演算を行なうことを前提で述べてきた。しかし、これに限定されず検出電圧６６を実際の温度の値に変換しこれらの情報を実際の温度の値の関数として扱い、ＰＣ５４、ＣＰＵ４４、ＣＰＵ１０４も実際の温度の値をベースとして演算を行なう構成としてもよい。

１０………圧電発振器、１２………圧電振動子、１４………発振回路、１６………温度センサー、１８………バッファー、２０………記憶回路、２１………判定回路、２１ａ………Ａ／Ｄ変換器、２１ｂ………前段ラッチ回路、２１ｃ………後段ラッチ回路、２１ｄ………比較器、２２………シリアルインターフェース回路、２４………発振信号出力端子、２６………データ入出力端子、２８………第１制御クロック入力端子、３０………第２制御クロック入力端子、３４………温度センサー電圧出力端子、３５………判定信号出力端子、３６………電源端子、３８………グランド端子、４０………温度補償回路、４２………周波数補正回路、４４………ＣＰＵ、４６………メモリ、４８………Ａ／Ｄ変換器、５０………測定器、５２………周波数カウンター、５４………ＰＣ、５６………電圧マルチメーター、５８………発振信号、６０………第１の制御クロック、６２………第２の制御クロック、６６………検出電圧、６８………発振信号、７０………第１の近似曲線情報、７２………第２の近似曲線情報、７３ａ………差分、７３ｂ………差分、７４………第１の周波数温度情報、７４ａ………第１のアドレスデータ、７４ｂ………第１の周波数温度データ、７６………第２の周波数温度情報、７６ａ………第２のアドレスデータ、７６ｂ………第２の周波数温度データ、８０………温度補償量、８２………低温領域情報、８４………第１の基準温度領域情報、８６………高温領域情報、８８………第２の基準温度領域情報、９０………第３の基準温度領域情報、９２………第４の基準温度領域情報、１００………圧電発振器、１０２………温度補償回路、１０４………ＣＰＵ、１０６………メモリ、１０８………シリアルインターフェース回路、１１０………選択出力回路、１１２………切替検出回路、１１２ａ………切替信号、１１４………切替信号出力端子、１１６………記憶回路。

Claims (14)

1. 圧電振動子の発振周波数の温度特性のヒステリシス特性によって現れる２つの周波数温度情報のうちのいずれかを判定信号により選択し、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子の温度に対応した温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に、発振信号と前記２つの周波数温度情報と前記判定信号を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、
   前記圧電振動子の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報を生成し、
   前記圧電振動子の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報を生成し、
   前記第１の周波数温度情報と、前記第２の周波数温度情報と、を前記２つの周波数温度情報として前記温度補償回路に出力し、
   前記温度補償回路において、温度上昇時に第１の周波数温度情報を、温度下降時に第２の周波数温度情報をそれぞれ選択可能となるように、前記判定信号を生成することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
2. 圧電振動子の発振周波数の温度特性を示す周波数温度情報を入力して、前記周波数温度情報から温度変化に対して連続的に変化する前記発振周波数の温度特性の近似曲線情報を算出し、前記近似曲線情報と前記圧電振動子の温度に対応した温度情報と、を用いて温度補償量を算出可能な温度補償回路に発振信号と前記周波数温度情報を出力する圧電発振器の温度補償方法であって、
   前記圧電振動子の温度を上昇させた場合の温度と発振周波数との関係から第１の周波数温度情報を生成し、
   前記圧電振動子の温度を下降させた場合の温度と発振周波数との関係から第２の周波数温度情報を生成し、
   前記圧電振動子の温度の上昇・下降を判定し、前記判定に基づいて前記第１の周波数温度情報または前記第２の周波数温度情報を前記周波数温度情報として前記温度補償回路に出力することを特徴とする圧電発振器の温度補償方法。
3. 前記圧電振動子の温度情報に対応した検出電圧を出力する温度検出手段を前記圧電振動子に隣接して配設し、
   前記第１、第２の周波数温度情報は、前記検出電圧に関連付けられた情報として生成し、
   前記判定信号は、前記検出電圧の上昇・下降に基づいて生成し、
   前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかと前記検出電圧を用いて温度補償量を算出可能な前記温度補償回路に前記発振信号を出力し、
   前記温度検出手段から前記温度補償回路に前記検出電圧を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電発振器の温度補償方法。
4. 前記圧電振動子の温度の上昇・下降の切り替えにより切替信号を生成するとともに、前記切替信号をトリガとして前記周波数温度情報を入力する前記温度補償回路に前記切替信号を出力することを特徴とする請求項２または３に記載の圧電発振器の温度補償方法。
5. 前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する周波数偏差の情報により生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
6. 前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する周波数偏差の情報との関係をべき級数に展開した近似式により抽出される温度係数により生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
7. 前記第１の周波数温度情報は、前記第２の周波数温度情報と、前記圧電振動子の温度を基準温度領域に上昇させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
8. 前記第２の周波数温度情報は、前記第１の周波数温度情報と、前記圧電振動子の温度を基準温度領域に下降させて測定した温度と周波数の情報と、を用いて近似的に算出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電発振器の温度補償方法。
9. 周波数温度特性にヒステリシス特性を有する圧電振動子と、前記圧電振動子を発振させる発振回路と、温度検出手段と、を備え、
   前記ヒステリシス特性によって発生した２つの周波数温度特性のうち一方の周波数温度特性に関する第１の周波数温度情報と、他方の周波数温度特性に関する第２の周波数温度情報と、を記憶するとともに外部に出力可能な記憶回路と、
   前記温度検出手段が検知した温度に対応した情報に基づき前記圧電振動子の温度の上昇または下降を判定する判定信号を出力する判定回路と、を有することを特徴とする圧電発振器。
10. 前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報は、互いに識別可能なアドレスを有し、
    前記記憶回路の出力側に選択出力回路が接続され、
    前記選択出力回路は、
    前記判定信号に基づいて前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかのアドレスを選択し、選択されたアドレスに基づいて前記第１の周波数温度情報及び前記第２の周波数温度情報のいずれかを出力することを特徴とする請求項９に記載の圧電発振器。
11. 前記温度検出手段が前記圧電振動子に隣接して設けられるとともに、前記温度検出手段は前記圧電振動子の温度情報に対応した検出電圧を出力し、
    前記第１、第２の周波数温度情報は、前記検出電圧に関連付けられて算出されて前記記憶回路に記憶され、
    前記判定回路は、前記温度検出手段に接続され、前記判定信号を前記検出電圧の上昇及び下降に基づいて生成することを特徴とする請求項９または１０に記載の圧電発振器。
12. 前記判定回路に接続され、前記判定信号の変化により切替信号を生成し、且つ出力する切替検出回路を有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の圧電発振器。
13. 前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報により生成されたものであることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の圧電発振器。
14. 前記周波数温度情報は、所定の温度間隔で測定された複数の温度情報と、各温度情報に対応する周波数の情報または前記温度情報に対応する基準周波数からの周波数偏差の情報との関係を、べき級数の近似式に展開して抽出される温度係数により生成されたものであることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の圧電発振器。