JP2011196747A

JP2011196747A - 圧電発振器の周波数温度特性の測定システム及び測定方法

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Publication number: JP2011196747A
Application number: JP2010062015A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Hattori; 雅史服部
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP5534182B2

Abstract

【課題】厳密な温度管理を必要とせずに高い精度で周波数温度特性を測定可能な圧電発振器の周波数温度特性の測定システム及び測定方法を提供すること。
【解決手段】圧電発振器の周波数温度特性測定システム１は、温度調整部４０と、温度測定部３０と、周波数測定部２０と、測定制御部１０と、を含む。温度調整部４０は、圧電発振器２の温度を可変に調整する。温度測定部３０は、圧電発振器２の温度を測定する。周波数測定部２０は、圧電発振器２の発振周波数を測定する。測定制御部１０は、温度測定部３０による温度測定と周波数測定部２０による周波数測定とを同期させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム及び測定方法に関する。

温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated X'tal Oscillator）は、所定の温度範囲で水晶振動子の発振周波数の所望の周波数（公称周波数）からのずれ（周波数偏差）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。また、最近では、温度センサーとともに、温度情報と発振周波数の対応テーブルを記憶した内部ＲＯＭを内蔵した水晶発振器（ＴＳＸＯ：Temperature Sensing X'tal Oscillator）が登場し、この水晶発振器の内部ＲＯＭから対応テーブルを読み出して温度センサーの出力電圧に応じた温度補償を実現するシステムも開発されている。近年、これらのシステムでは、ｐｐｂオーダーの極めて高い温度補償精度が要求されるようになってきており、温度補償後の水晶発振器の正確な周波数温度特性（温度に対する周波数偏差の変化）を取得する目的で、あるいは正確な温度補償係数を算出するために水晶振動子の正確な周波数温度特性を取得する目的で、水晶発振器（水晶振動子）の周波数をｐｐｂオーダーの分解能で測定することが必要になっている。

一般に、水晶発振器（水晶振動子）の周波数温度特性を測定する従来のシステムでは、恒温槽等を用いて水晶発振器の温度管理を厳密に行い、温度変動が極めて小さい状態になるまで温度が安定するのを待って発振周波数を測定することで測定精度を高めていた。

特開２００６−１２６０５２号公報特開２００３−４７８５号公報

例えば、図１０（Ａ）に示すように、従来の測定手法で、２つの異なる設定温度Ｔ１とＴ２で圧電発振器の周波数と温度（温度センサーの出力電圧）を測定する場合、まず、恒温槽の雰囲気温度をＴ１に設定した状態で測定時間ｔ_ｆで周波数測定を行い、周波数測定の終了後、測定時間ｔ_ｖで温度測定（電圧測定）を行う。そして、設定温度Ｔ１での温度測定（電圧測定）の終了後、恒温槽の雰囲気温度をＴ２に設定し、温度が十分に安定するのを待って、測定時間ｔ_ｆで周波数測定を行い、周波数測定の終了後、測定時間ｔ_ｖで温度測定（電圧測定）を行う。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の丸で囲んだ部分（設定温度Ｔ２における測定）を拡大した図である。図１０（Ｂ）に示すように、厳密には、恒温槽の雰囲気温度は設定温度Ｔ２付近で揺らいでいる。そのため、周波数の測定時間ｔ_ｆでの実際の温度の平均値はＴ２ａであるが、温度（電圧）の測定時間ｔ_ｖでの温度の平均値（測定温度）はＴ２ｂであり、周波数測定時の温度と測定温度に誤差が生じる。従って、従来手法で測定精度をさらに高めるためには、温度変動をできるだけ小さくするように温度管理をさらに厳密に行う必要があり、温度の安定待ち時間の増大や測定システムの複雑化・大型化により高コスト化を招くという問題がある。さらに、ｐｐｂオーダーの高い周波数分解能での測定が要求される場合、数ｍ℃程度の温度誤差しか許容されない場合もあり、従来手法では限界を迎えている。

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、厳密な温度管理を必要とせずに高い精度で周波数温度特性を測定可能な圧電発振器の周波数温度特性の測定システム及び測定方法を提供することができる。

（１）本発明は、圧電発振器を複数の異なる温度で発振させて周波数温度特性を測定する圧電発振器の周波数温度特性の測定システムであって、圧電発振器の温度を可変に調整する温度調整部と、前記圧電発振器の温度を測定する温度測定部と、前記圧電発振器の発振周波数を測定する周波数測定部と、前記温度測定部による温度測定と前記周波数測定部による周波数測定とを同期させる測定制御部と、を含む、圧電発振器の周波数温度特性の測定システムである。

本発明の測定システムによれば、従来のように圧電発振器の発振周波数と温度を非同期に測定するのではなく、これら２つの測定を同期して行うので、周波数測定時の実際の温度と温度測定結果のずれを小さくすることができる。従って、厳密な温度管理を必要とせずに高い精度で周波数温度特性を測定可能である。

（２）この測定システムにおいて、前記測定制御部は、前記温度測定と前記周波数測定とが同時に同じ測定時間で行われるように前記温度測定部と前記周波数測定部を制御するようにしてもよい。

このようにすれば、周波数測定時の実際の温度と温度測定結果のずれを無くすことができるので、周波数温度特性の測定精度を高めることができる。

さらに、この測定時間を短くするほど測定中の温度変動を小さくすることができるので、温度が厳密に一定になるまで待たなくても測定精度を維持することができる。すなわち、温度設定を変更してからの測定待ち時間を短くすることができる（場合によっては測定待ち時間がなくてもよい）ので、トータルの測定時間を短縮し、低コスト化に寄与することができる。

（３）この測定システムにおいて、前記周波数測定部の測定時間は、当該測定時間における温度変動に起因する前記圧電発振器の発振周波数の変動幅が、前記周波数測定に要求される周波数分解能の範囲内に収まる時間であるようにしてもよい。

このようにすれば、要求される周波数分解能と同じ精度での周波数測定を確実に行うことができる。

（４）この測定システムにおいて、前記測定制御部は、前記温度測定部と前記周波数測定部に１つの測定開始信号を同時に送信し、前記温度測定部は、前記測定開始信号を受け取ることにより前記温度測定を開始し、前記周波数測定部は、前記測定開始信号を受け取ることにより前記周波数測定を開始するようにしてもよい。

このようにすれば、簡単な構成で、周波数測定と温度測定を同時に行わせることができる。

（５）この測定システムにおいて、前記温度測定部の測定時間と前記周波数測定部の測定時間は、ともに、当該測定システムの交流電源の周期の整数倍であるようにしてもよい。

このようにすれば、測定ばらつきの支配的な原因となる電源ノイズの影響を最小限にすることができるので、測定精度を高めることができる。

（６）この測定システムは、前記圧電発振器の発振信号を、前記発振周波数よりも低い周波数の発振信号に変換する周波数変換部をさらに含み、前記周波数測定部は、前記周波数変換部が変換した後の前記発振信号の周波数を測定するようにしてもよい。

このようにすれば、周波数の測定時間を短く抑えながら周波数分解能を高めることができる。

（７）この測定システムにおいて、前記周波数変換部は、前記圧電発振器の発振信号を第１周波数付近の周波数の発振信号に変換するダイレクトディジタルシンセサイザーと、前記第１周波数付近の周波数が通過帯域に含まれるバンドパス特性を有し、前記ダイレクトディジタルシンセサイザーの出力信号が入力される第１のフィルターと、前記バンドパスフィルターの出力信号と第２周波数の基準クロック信号を混合するミキサーと、前記第１周波数と前記第２周波数の差付近の周波数が通過帯域に含まれるとともに、前記第１周波数と前記第２周波数の和付近の周波数が阻止帯域に含まれるバンドパス特性又はローパス特性を有し、前記ミキサーの出力信号が入力される第２のフィルターと、を含むようにしてもよい。

このようにすれば、圧電発振器の発振信号を、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑えながらより低い周波数の発振信号に変換することができる。

（８）本発明は、圧電発振器を複数の異なる温度で発振させて周波数温度特性を測定する圧電発振器の周波数温度特性の測定方法であって、圧電発振器の温度を可変に調整する温度調整ステップと、前記圧電発振器の温度を測定する温度測定ステップと、前記圧電発振器の発振周波数を測定する周波数測定ステップと、前記温度測定ステップにおける温度測定と前記周波数測定ステップにおける周波数測定とを同期させる測定制御ステップと、を含む、圧電発振器の周波数温度特性の測定方法である。

本発明の測定方法によれば、従来のように圧電発振器の発振周波数の測定と圧電発振器の温度の測定を非同期に測定するのではなく、これら２つの測定を同期して行うので、周波数測定時の実際の温度と温度測定結果のずれを小さくすることができる。従って、厳密な温度管理を必要とせずに高い精度で周波数温度特性を測定可能である。

本実施形態の周波数温度特性測定システムの機能構成の一例を示す図。本実施形態の周波数温度特性測定システムの機能構成の他の一例を示す図。測定対象の圧電発振器の構成例を示す図。本実施形態の周波数温度特性測定システムの具体的構成の一例を示す図。ダウンコンバーターの構成例を示す図。本実施形態の周波数温度特性測定システムの測定動作のタイミングの一例を示す図。２つの異なる設定温度で周波数測定と電圧測定を行う場合の例を示す図。測定時間と電源周期の関係について説明するための図。本実施形態の周波数温度特性測定システムの処理手順の一例を示すフローチャート図。従来の周波数温度特性の測定手法について説明するための図。

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．周波数温度特性測定システムの機能構成
図１及び図２は、本実施形態の圧電発振器の周波数温度特性の測定システム（以下、単に「周波数温度特性測定システム」という）の機能構成の一例を示す図である。

本実施形態の周波数温度特性測定システム１は、測定制御部１０、周波数測定部２０、温度測定部３０、温度調整部４０を含み、圧電発振器２を複数の異なる温度で発振させて、圧電発振器２の周波数温度特性を測定する。

温度調整部４０は、圧電発振器２の温度を可変に調整する。温度調整部４０は、例えば、恒温槽等のように内部に圧電発振器を収容可能な構造であってもよいし、ホットプレート等のように圧電発振器を接触させる構造であってもよいし、圧電発振器にペルチェ素子を貼り付けて温度調整するようにしてもよい。

温度測定部３０は、圧電発振器２の温度を測定する。温度測定部３０は、例えば、圧電発振器２の内部又は近傍に設けられた温度センサー３の出力電圧を測定するようにしてもよい。この温度センサー３は、周波数温度特性測定システム１に含まれていてもよいし、周波数温度特性測定システム１の外部にあってもよい。

周波数測定部２０は、圧電発振器２の発振周波数を測定する。この周波数測定部２０による発振周波数の測定時間は、当該測定時間における温度変動に起因する圧電発振器２の発振周波数の変動幅が、周波数測定に要求される周波数分解能の範囲内に収まる時間であるようにしてもよい。

温度測定部３０の測定時間と周波数測定部２０の測定時間は、ともに、周波数温度特性測定システム１の交流電源の周期の整数倍であるようにしてもよい。

測定制御部１０は、温度測定部３０による温度測定と周波数測定部２０による周波数測定とを同期させる。例えば、測定制御部１０が温度測定部３０と周波数測定部２０に１つの測定開始信号１２を同時に送信し、温度測定部３０と周波数測定部２０が測定開始信号１２を受け取ることによりそれぞれ温度測定と周波数測定を開始することで、これら２つの測定を同期させるようにしてもよい。また、例えば、測定制御部１０は、温度測定部３０による温度測定と周波数測定部２０による周波数測定とが同時に同じ測定時間で行われるように温度測定部３０と周波数測定部２０を制御するようにしてもよい。

また、図２に示すように周波数温度特性測定システム１は、さらに、周波数変換部５０を含んでもよい。そして、周波数変換部５０が圧電発振器２の発振信号を発振周波数よりも低い周波数の発振信号５２に変換し、周波数測定部２０が発振信号５２の周波数を測定するようにしてもよい。

以下、より具体的な例を挙げて本実施形態の周波数温度特性測定システム及び周波数温度特性測定方法について説明する。

２．圧電発振器の構成
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本実施形態の周波数温度特性測定システムによる測定対象の圧電発振器の構成例を示す図である。

例えば、図３（Ａ）に示すように、本実施形態の測定対象の圧電発振器２００は、圧電振動子２１０、電圧制御発振回路２２０、温度補償電圧発生回路２３０、温度センサー２４０、不揮発性メモリー２５０、制御回路２６０、スイッチ回路２６２、２６４、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０を含んで構成される温度補償型の圧電発振器である。

圧電振動子２１０は、逆圧電効果を利用して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２１０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。

電圧制御発振回路２２０は、入力電圧に応じて圧電振動子２１０の負荷容量を変化させることにより、圧電振動子２１０を入力電圧に応じた周波数で発振させて発振信号２０１を生成し、外部に出力する。

不揮発性メモリー２５０には、周波数調整データ２５２と温度補償データ２５４が記憶されている。

周波数調整データ２５２は、基準温度（例えば２５℃）において発振信号２０１の周波数（発振周波数）が所望の周波数（公称周波数）になるように圧電振動子２１０の負荷容量を調整するためのデータである。例えば、圧電発振器２００の検査工程等において、基準温度（例えば２５℃）における圧電振動子２１０の発振周波数が所望の周波数（公称周波数）になるように周波数調整データ２５２を調整し、調整後の周波数調整データ２５２を不揮発性メモリー２５０に書き込む。これにより圧電振動子２１０の基準温度（例えば２５℃）における周波数のばらつきを吸収することができる。

温度補償データ２５４は、圧電振動子２１０の周波数温度特性を補償して、発振信号２０１の周波数（発振周波数）を温度に関係なくほぼ一定の周波数にするためのデータである。具体的には、温度補償データ２５４は、圧電振動子２１０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る。例えば、圧電振動子２１０がＡＴカット水晶振動子であれば、周波数偏差Δｆ／ｆは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を温度補償データ２５４とすることができる。

例えば、圧電発振器２００の検査工程等において、本実施形態の周波数温度特性測定システムを用いて圧電振動子２１０の周波数温度特性を測定し、この測定データから温度補償データ２５４を作成して不揮発性メモリー２５０に書き込む。これにより圧電振動子２１０の周波数温度特性のばらつきを吸収することができる。

温度センサー２４０は、圧電振動子２１０の近傍に配置され、温度に応じた電圧２０２を出力する。この温度センサー２４０の出力電圧２０２は外部に出力できるように構成されている。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。

温度補償電圧発生回路２３０は、温度補償データ２５４と温度センサー２４０の出力電圧２０２に基づいて、圧電振動子２１０の周波数温度特性を補償する温度補償電圧を発生させる。

制御回路２６０は、外部装置からの制御データ１７３に従って、スイッチ回路２６２、２６４の開閉制御や不揮発性メモリー２５０に対して周波数調整データ２５２や温度補償データ２５４をリード／ライトする処理などを行う。

スイッチ回路２６２は、温度補償電圧発生回路２３０の出力と電圧制御発振回路２２０の入力の間に配置されており、スイッチ回路２６２の開閉により、温度補償電圧発生回路２３０の出力電圧（温度補償電圧）を電圧制御発振回路２２０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２６４は、外部の電圧供給源と電圧制御発振回路２２０の入力の間に配置されており、スイッチ回路２６４の開閉により、外部装置から供給される一定の制御電圧１７２を電圧制御発振回路２２０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２６２の開閉とスイッチ回路２６４の開閉は排他的に行われ、電圧制御発振回路２２０には、通常動作時（通常モード）は温度補償電圧発生回路２３０の出力電圧（温度補償電圧）が供給され、圧電振動子２１０の周波数温度特性の測定時（テストモード）は制御電圧１７２が供給される。

従って、通常モードでは、電圧制御発振回路２２０は、温度補償電圧発生回路２３０の出力電圧（温度補償電圧）に応じて負荷容量を変化させることにより、ほぼ一定の周波数の発振信号２０１を生成する。一方、テストモードでは、電圧制御発振回路２２０は、一定の制御電圧１７２に応じた負荷容量を選択し、圧電振動子２１０の周波数温度特性に応じた周波数の発振信号２０１を生成する。

インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０は、外部装置と制御回路２６０の間のインターフェース処理を行う。例えば、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０は、外部装置から制御データ１７３を受け取って制御回路２６０に転送する処理や、制御回路２６０が不揮発性メモリー２５０から読み出したメモリーデータ２０３（周波数調整データ２５２や温度補償データ２５４）を受け取って外部装置に転送する処理を行う。

また、例えば、図３（Ｂ）に示すように、本実施形態の測定対象の圧電発振器２００は、圧電振動子２１０、発振回路２８０、温度センサー２４０、不揮発性メモリー２５０、制御回路２６０、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０を含んで構成される圧電発振器であってもよい。

図３（Ｂ）における圧電振動子２１０と温度センサー２４０は、図３（Ａ）と同じであるため、その説明を省略する。

発振回路２８０は、圧電振動子２１０を発振させて発振信号２０１を生成し、外部に出力する。

不揮発性メモリー２５０には、周波数調整データ２５２と周波数温度特性データ２５６が記憶されている。周波数調整データ２５２は、図３（Ａ）と同じであるため、その説明を省略する。

周波数温度特性データ２５６は、温度値（又は温度センサー２０２の出力電圧）と発振周波数の対応関係を表すデータ（対応テーブル）である。例えば、圧電発振器２００の検査工程等において周波数温度特性を測定し、この測定データを周波数温度特性データ２５６に変換して不揮発性メモリー２５０に書き込む。

制御回路２６０は、外部装置からの制御データ１７３に従って、不揮発性メモリー２５０に対して周波数調整データ２５２や周波数温度特性データ２５６をリード／ライトする処理などを行う。

インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０は、外部装置と制御回路２６０の間のインターフェース処理を行う。すなわち、インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路２７０は、外部装置から制御データ１７３を受け取って制御回路２６０に転送する処理や、制御回路２６０が不揮発性メモリー２５０から読み出したメモリーデータ２０３（周波数調整データ２５２や周波数温度特性データ２５６）を受け取って外部装置に転送する処理を行う。

この圧電発振器２００に対して、不揮発性メモリー２５０に記憶されている周波数温度特性データ２５６をメモリーデータ２０３として外部から読み出すことで、圧電振動子２１０の周波数温度特性を表す曲線を特定する各係数を算出することができる。これにより、圧電発振器２００の外部で、発振周波数の温度補償を行うことができる。

なお、図３（Ａ）と図３（Ｂ）に示す圧電発振器２００は、圧電振動子２１０を水晶振動子にすれば、それぞれＴＣＸＯとＴＳＸＯになる。

３．周波数温度特性測定システムの具体的構成
図４は、本実施形態の周波数温度特性測定システムの具体的構成の一例を示す図である。本実施形態の周波数温度特性測定システム１００は、パーソナルコンピューター（ＰＣ）１１０、周波数カウンター１２０、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０、恒温槽（温度チャンバー）１４０、ダウンコンバーター１５０、電源１６０、インターフェース回路１７０を含んで構成されている。

ＰＣ１１０、周波数カウンター１２０、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０、恒温槽１４０は、それぞれ、図１及び図２の測定制御部１０、周波数測定部２０、温度測定部３０、温度調整部４０に対応する。また、ダウンコンバーター１５０は、図２の周波数変換部５０に対応する。

ＰＣ１１０は、周波数カウンター１２０やデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０とＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）で接続されており、ＧＰＩＢインターフェース（ＧＰＩＢ−Ｉ／Ｆ）１１１を介して周波数カウンター１２０やデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０の動作を制御し、測定用の各種設定（測定時間の設定等）や測定データの取得などを行うことができる。また、ＰＣ１１０と電源１６０をＧＰＩＢで接続し、ＰＣ１１０がＧＰＩＢ−Ｉ／Ｆ１１１を介して電源１６０の出力電圧を制御できるように構成してもよい。

また、ＰＣ１１０は、デジタルＩ／Ｏ１１２を介して周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０に測定開始信号１１３を同時に送信し、周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０にそれぞれ周波数測定と電圧測定の開始を指示する。

また、ＰＣ１１０は、デジタルＩ／Ｏ１１２を介して、ダウンコンバーター１５０に制御データ１１４を送信し、ダウンコンバーター１５０の周波数設定等の処理を行う。

また、ＰＣ１１０は、デジタルＩ／Ｏ１１２を介して恒温槽１４０に制御データ１１６を送信し、恒温槽１４０の内部の雰囲気温度の設定等の処理を行う。

なお、ＰＣ１１０を、ダウンコンバーター１５０や恒温槽１４０とＧＰＩＢで接続し、ＧＰＩＢ−Ｉ／Ｆ１１１を介してダウンコンバーター１５０や恒温槽１４０を制御するようにしてもよい。

恒温槽１４０の中には、図３（Ａ）又は図３（Ｂ）に示した測定対象の圧電発振器２００が設置されており、圧電発振器２００は、インターフェース回路１７０を介して、ＰＣ１１０のデジタルＩ／Ｏ１１２、電源１６０、周波数カウンター１２０、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０及びダウンコンバーター１５０と接続されている。

インターフェース回路１７０は、ＰＣ１１０のデジタルＩ／Ｏ１１２から受け取った制御データ１１５を図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示した制御データ１７３に変換して圧電発振器２００に送信する。例えば、この制御データ１７３により、図３（Ａ）の圧電発振器２００の内部のスイッチ回路２６２と２６４をそれぞれオフとオンにしてテストモードにすることで、圧電振動子２１０の周波数温度特性（温度補償前の圧電発振器２００の周波数温度特性）の測定が可能になる。また、例えば、この制御データ１７３により、図３（Ａ）の圧電発振器２００の内部のスイッチ回路２６２と２６４をそれぞれオンとオフにして通常モードにすることで、温度補償後の圧電発振器２００の周波数温度特性の測定が可能になる。

また、インターフェース回路１７０は、電源１６０が発生させる直流電源電圧１６１と制御電圧１６２を、それぞれ直流電源電圧１７１と図３（Ａ）に示した制御電圧１７２として圧電発振器２００に供給する。直流電源電圧１７１は、圧電発振器２００の各回路を動作させるための電源電圧（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では図示していない）になる。

また、インターフェース回路１７０は、圧電発振器２００の内部の温度センサー２４０の出力電圧２０２を受け取り、入力電圧１７５としてデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０に供給する。デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０は、測定開始信号１１３を受け取って、設定された測定時間で入力電圧１７５の電圧値の平均値を測定し、測定データ１３１をＧＰＩＢを介してＰＣ１１０に送信する。

また、インターフェース回路１７０は、圧電発振器２００が出力する発振信号２０１（図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示した発振信号２０１）を受け取り、発振信号１７４としてダウンコンバーター１５０に送信する。ダウンコンバーター１５０は、発振信号１７４を、設定値に応じた周波数の発振信号１５６にダウンコンバートし、周波数カウンター１２０に送信する。

周波数カウンター１２０は、測定開始信号１１３を受け取って、設定された測定時間（ゲートタイム）で発振信号１５６の周波数の平均値を測定し、測定データ１２１をＧＰＩＢを介してＰＣ１１０に送信する。周波数カウンター１２０は、発振信号１５６に対して、測定時間（ゲートタイム）におけるパルス数をカウントし、カウント結果を周波数に変換して出力する直接計数方式の周波数カウンター（ダイレクトカウンター）として構成されていてもよいし、発振信号１５６の周期の整数倍の測定時間（ゲートタイム）を正確な内部クロックでカウントして測定し、その逆数から周波数を計算して出力するレシプロカル方式の周波数カウンター（レシプロカルカウンター）として構成されていてもよい。

このように、圧電発振器２００が出力する発振信号２０１をダウンコンバートしてから周波数を測定することで、測定時間（ゲートタイム）を変えずに周波数測定の分解能を向上させることができる。例えば、周波数カウンター１２０の測定桁数が一定であれば、発振信号２０１を１／１０００の周波数にダウンコンバートしてから周波数を測定することで測定時間（ゲートタイム）を変えずに周波数分解能を１０００倍に向上させることができる。

図５（Ａ）は、ダウンコンバーター１５０の構成例を示す図である。このダウンコンバーター１５０は、ＯＣＸＯ（Oven Control X'tal Oscillator）１５１、ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）１５２、フィルター１５３、ミキサー１５４、フィルター１５５を含んで構成されている。

ＯＣＸＯ１５１は、所定温度（例えば９０℃）で発振周波数の温度特性が平坦になるＳＣカット水晶振動子をオーブンの中に入れて当該所定温度で一定になるように加熱することにより、極めて高い周波数精度の基準クロック信号を出力する。

ＤＤＳ１５２は、図４のＰＣ１１０からの制御データ１１４により設定された周波数設定値に応じて、ＯＣＸＯ１５１が出力する基準クロック信号を周波数変換した信号を生成する。この周波数設定値は、ＤＤＳ１５２の出力信号の周波数と圧電発振器２００の公称周波数の差が所望の周波数付近になるように、圧電発振器２００の公称周波数に応じて変更される。

フィルター１５３は、ＤＤＳ１５２の出力信号を通過させるバンドパスフィルター（ＢＰＦ：Bandpass Filter）であり、共振回路を用いたフィルターやアクティブフィルター等で実現することができる。ＤＤＳ１５２の出力信号の周波数は圧電発振器２００の公称周波数に応じて変わるので、汎用性を持たせるためにはフィルター１５３の通過帯域を広くする必要がある。

ミキサー１５４は、フィルター１５３の出力信号と図４の発振信号１７４を混合（ミキシング）し、これら２つの信号の周波数の和に相当する周波数の発振信号（和信号）とこれら２つの信号の周波数の差に相当する周波数の発振信号（差信号）を生成する。ミキサー１５４は、例えば、二重平衡変調器（ＤＢＭ：Double Balanced Mixer）で実現することができる。圧電発振器２００の公称周波数によって和信号の周波数は変わるが、差信号の周波数はほぼ一定である。

フィルター１５５は、差信号の周波数が通過帯域に含まれるとともに、和信号の周波数が阻止帯域に含まれるバンドパスフィルター（ＢＰＦ）又はローパスフィルター（ＬＰＦ：Lowpass Filter）であり、共振回路によるフィルター、アクティブフィルター、デジタルフィルター等で実現することができる。このフィルター１５５の出力信号が図４の発振信号１５６になる。発振信号１５６のＳ／Ｎ比をできるだけ向上させるためには、ミキサー１５４において広帯域にわたって複雑に混合されたスプリアスノイズをできるだけ減衰させることが重要である。そのため、フィルター１５５はできるだけ峡帯域のバンドパスフィルターとして構成するのが望ましい。

図５（Ｂ）は、ダウンコンバーター１５０の他の構成例を示す図である。このダウンコンバーター１５０は、図５（Ａ）と同じく、ＯＣＸＯ１５１、ＤＤＳ１５２、フィルター１５３、ミキサー１５４、フィルター１５５を含んで構成されている。

ＤＤＳ１５２は、図４のＰＣ２１０からの制御データ１１４により設定された周波数設定値に応じて、図４の発振信号１７４を周波数変換した信号を生成する。この周波数設定値は、ＤＤＳ１５２の出力信号の周波数が所望の周波数付近になるように、圧電発振器２００の公称周波数に応じて変更される。

フィルター１５３は、ＤＤＳ１５２の出力信号を通過させるバンドパスフィルター（ＢＰＦ）である。ＤＤＳ１５２の出力信号の周波数は圧電発振器２００の発振周波数によらず常に所望の周波数付近になるので、フィルター１５３の通過帯域を狭くすることができる。

ミキサー１５４は、フィルター１５３の出力信号とＯＣＸＯ１５１の基準クロック信号を混合（ミキシング）し、これら２つの信号の周波数の和に相当する周波数の発振信号（和信号）とこれら２つの信号の周波数の差に相当する周波数の発振信号（差信号）を生成する。圧電発振器２００の公称周波数によらず、和信号の周波数も差信号の周波数もそれぞれほぼ一定である。

フィルター１５５は、差信号の周波数が通過帯域に含まれるとともに、和信号の周波数が阻止帯域に含まれるバンドパスフィルター（ＢＰＦ）又はローパスフィルター（ＬＰＦ）であり、このフィルター１５５の出力信号が図４の発振信号１５６になる。

図５（Ｂ）のダウンコンバーターでは、フィルター１５３の通過帯域を狭くすることができるので、ＤＤＳ１５２の内部で広帯域に発生するスプリアスノイズをフィルター１５３により効果的に減衰させることができる。従って、図５（Ｂ）のダウンコンバーターでは、図５（Ａ）のダウンコンバーターと比較して発振信号１５６のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

４．周波数温度特性測定システムの測定動作
次に、本実施形態の周波数温度特性測定システムの測定動作のタイミングについて図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の周波数温度特性測定システムの測定動作のタイミングの一例を示す図である。

まず、時刻ｔ_１〜ｔ_２において、ＰＣ１１０が、デジタルＩ／Ｏ１１２を介して恒温槽１４０に制御データ１１６を送信し、恒温槽１４０の内部の雰囲気温度の設定を行う。時刻ｔ_２から暫くの間は恒温槽１４０の雰囲気温度が急激に変化する。

恒温槽１４０の雰囲気温度がほぼ一定になった後、時刻ｔ_３〜ｔ_４において、ＰＣ１１０が、デジタルＩ／Ｏ１１２を介して周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０に測定開始信号１１３を同時に送信する。

周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０は、測定開始信号１１３を受け取って、時刻ｔ_４〜ｔ_５において、発振信号１５６の周波数と入力電圧１７５の電圧値をそれぞれ同時に測定する。

時刻ｔ_５〜ｔ_６において、周波数カウンター１２０は、ＧＰＩＢを介してＰＣ１１０に周波数測定データ１２１を送信し、ＰＣ１１０が周波数測定データ１２１を取得する。

時刻ｔ_６〜ｔ_７において、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０は、ＧＰＩＢを介してＰＣ１１０に電圧測定データ１３１を送信し、ＰＣ１１０が電圧測定データ１３１を取得する。

この時刻ｔ_１〜ｔ_７の期間で１つの設定温度における測定処理が終了する。複数の異なる設定温度で時刻ｔ_１〜ｔ_７と同様の測定処理を繰り返すことで、複数の電圧測定データ１３１と複数の周波数測定データ１２１を取得することができる。複数の設定温度で取得した複数の電圧測定データ１３１と複数の周波数測定データ１２１に基づいて圧電振動子２１０の温度と発振周波数の対応関係を算出し、温度補償データ２５４又は周波数温度特性データ２５６を作成することができる。この温度補償データ２５４又は周波数温度特性データ２５６は、ＰＣ１１０からインターフェース回路１７０を介して圧電発振器２００の不揮発性メモリー２５０に書き込まれる。

このように、本実施形態の周波数温度特性測定システムでは、周波数カウンター１２０による周波数測定とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０による電圧測定を測定開始信号１１３によって同期させる。これにより、周波数カウンター１２０による周波数測定とデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０による電圧測定が時刻ｔ_４で同時に開始する。また、本実施形態の周波数温度特性測定システムでは、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖをともに同じ時間（ｔ_５−ｔ_４）に設定している。この周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖはなるべく短時間であることが望ましい。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖを極めて短時間に設定し、２つの異なる設定温度Ｔ１とＴ２で周波数測定と電圧測定を行う場合の例を示す図である。図７（Ａ）に示すように、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖを極めて短時間に設定し、恒温槽１４０の設定温度をＴ１にして測定を行った後、恒温槽１４０の設定温度をＴ１からＴ２に切り替えて同様の測定を行っている。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の丸で囲んだ部分（設定温度Ｔ２における測定）を拡大した図である。図７（Ｂ）に示すように、恒温槽１４０の雰囲気温度（圧電発振器２００の温度）は設定温度Ｔ２付近で揺らいでいる。しかしながら、本実施形態によれば、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖが一致するため、周波数測定時の実際の温度の平均値Ｔ２ｃに応じた電圧値を測定することができる。さらに、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖが極めて短時間であるため、図１０（Ｂ）に示した従来手法と比較して、周波数測定と電圧測定を行っている間の温度変動の幅を格段に小さくすることができる。この温度変動の幅を数ｍ℃に抑えることも可能であり、ｐｐｂオーダーの周波数分解能が要求される測定にも対応することができる。逆に言えば、周波数測定時間ｔ_ｆにおける温度変動に起因する圧電発振器２００（圧電振動子２１０）の発振周波数の変動幅が、周波数測定に要求される周波数分解能の範囲内に収まる範囲で、できるだけ短い周波数測定時間ｔ_ｆを設定すればよい。

なお、電圧測定値から換算される温度は設定温度Ｔ２からずれた温度Ｔ２ｃになっているが、そもそも周波数測定時の正確な温度がわかりさえすれば正確な温度補償係数を算出することができるので特に問題は生じない。

さらに、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖは、電源１６０を駆動する不図示の交流電源（例えば、５０Ｈｚや６０Ｈｚ）の周期の整数倍であることが望ましい。圧電発振器２００に供給される直流電源電圧１６１（１７１）は、電源１６０の内部で交流電圧を直流電圧に変換して発生させているが、この交流電圧信号が僅かながら直流電源電圧１６１（１７１）に重畳される。圧電発振器２００の内部にある温度センサー２４０もこの直流電源電圧１７１で動作するので、温度センサー２４０の出力電圧２０２にも交流電圧信号が重畳される。そのため、図８（Ａ）に示すように、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０の入力電圧１７５にも交流電圧信号が重畳される。電圧測定時間ｔ_ｖを交流電源の電源周期のＮ（整数）倍に設定することで、交流成分が積分されてキャンセルされる。なお、図８（Ｂ）に示すように、電圧測定時間ｔ_ｖの開始点は交流成分の０クロス点と一致させる必要はなく、電圧測定時間ｔ_ｖが交流電源の電源周期のＮ（整数）倍であればよい。

同様に、圧電発振器２００が出力する発振信号２０１に交流電圧信号が重畳され、周波数カウンター１２０に入力される発振信号１５６にも交流電圧信号が重畳される。周波数測定時間ｔ_ｆを交流電源の電源周期のＮ（整数）倍に設定することで、交流成分をキャンセルして周波数測定を行うことができる。

例えば、交流電源の電源周期が５０Ｈｚであれば、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖをともに、２０ｍｓ（＝１／５０Ｈｚ）の整数倍にすればよい。特に、周波数測定時間ｔ_ｆと電圧測定時間ｔ_ｖをともに電源周期と等しくすることで、測定中の電源ノイズの影響を最小にすることができる。

５．周波数温度特性測定システムの処理手順
図９は、本実施形態の周波数温度特性測定システムの処理手順の一例を示すフローチャート図である。

まず、圧電発振器２００の周波数温度特性を測定するための各種初期設定を行う（ステップＳ１０）。すなわち、電源１６０の初期設定を行い、直流電源電圧１６１や必要に応じて制御電圧１６２を発生させる。また、ＰＣ１１０から、周波数カウンター１２０やデジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０の初期設定（測定時間（ゲートタイム）の設定等）やダウンコンバーター１５０の初期設定（ＤＤＳ１５２の周波数設定等）を行う。さらに、ＰＣ１１０から、図３（Ａ）の圧電発振器２００をテストモード又は通常モードのいずれかに設定する。

次に、ＰＣ１１０から恒温槽１４０の雰囲気温度を最初の測定対象温度に設定する（ステップＳ２０）。

次に、ステップＳ２０で温度設定をしてから所定時間が経過した後（ステップＳ３０でＹの場合）、ＰＣ１１０から測定開始信号１１３を送信する（ステップＳ４０）。

次に、周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター１３０が測定開始信号１１３を受け取って、周波数測定と電圧測定を同時に開始する（ステップＳ５０）。

次に、周波数測定と電圧測定が終了した後（ステップＳ６０でＹの場合）、ＰＣ１１０は、周波数カウンター１２０から周波数測定データ１２１を取得し（ステップＳ７０）、さらにデジタルマルチメーター１３０から電圧測定データ１３１を取得する（ステップＳ８０）。ここで、周波数測定と電圧測定が終了したか否かの判断は、例えば、測定時間（ゲートタイム）が経過しか否かで判断してもよいし、周波数カウンター１２０とデジタルマルチメーター１３０が測定終了時に測定終了信号をＰＣ１１０に送信するようにしてＰＣ１１０が測定終了信号を受け取ったか否かで判断してもよい。また、ＰＣ１１０が周波数測定データ１２１を取得するステップＳ７０とＰＣ１１０が電圧測定データ１３１を取得するステップＳ８０の順序は逆でもよい。

すべての測定対象温度での周波数測定と電圧測定がまだ終了していなければ（ステップＳ９０でＮの場合）、ＰＣ１１０から恒温槽１４０の雰囲気温度を次の測定対象温度に設定し（ステップＳ１００）、ステップＳ３０〜Ｓ８０の処理（周波数測定と電圧測定）を行う。

すべての測定対象温度で周波数測定と電圧測定が終了するまで以上の処理を繰り返し、各測定対象温度での周波数測定データと電圧測定データを得ることができる。そして、これらの周波数測定データと電圧測定データを用いて、温度補償データ２５４や周波数温度特性データ２５６を作成したり、温度補償後の周波数温度特性を検査したりすることができる。

以上に説明した本実施形態によれば、圧電発振器の発振周波数の測定と温度の測定を同期して行うので、周波数測定時の実際の温度と温度測定結果のずれを小さくすることができる。従って、厳密な温度管理を必要とせずに高い精度で周波数温度特性を測定可能である。

特に、周波数測定と電圧測定（温度測定）とを同時に同じ測定時間で行うことで、周波数測定時の実際の温度と温度測定結果のずれを無くすことができるので、周波数温度特性の測定精度をさらに高めることができる。

さらに、本実施形態によれば、周波数測定と電圧測定（温度測定）とを極めて短時間に行うことで測定中の温度変動を非常に小さくすることができるので、温度が厳密に一定になるまで待たなくても測定精度を維持することができる。すなわち、温度設定を変更してからの測定待ち時間を短縮することができる（場合によっては測定待ち時間がなくてもよい）ので、トータルの測定時間を短縮し、低コスト化に寄与することができる。

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。

例えば、デジタルマルチメーター（ＤＭＭ）１３０は、圧電発振器２００の内部の温度センサー２４０の出力電圧の代わりに、圧電発振器２００の近傍に設置された温度センサー（例えば、恒温槽１４０の内部に設置された温度センサー）の出力電圧を測定するようにしてもよい。

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周波数温度特性測定システム、２圧電発振器、３温度センサー、１０測定制御部、１２測定開始信号、２０周波数測定部、３０温度測定部、４０温度調整部、５０周波数変換部、５２発振信号、１００周波数温度特性測定システム、１１０パーソナルコンピューター（ＰＣ）、１１１ＧＰＩＢ−Ｉ／Ｆ、１１２デジタルＩ／Ｏ、１１３測定開始信号、１１４，１１５，１１６制御データ、１２０周波数カウンター、１２１周波数測定データ、１３０デジタルマルチメーター、１３１電圧測定データ、１４０恒温槽、１５０ダウンコンバーター、１５１ＯＣＸＯ、１５２ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）、１５３フィルター、１５４ミキサー、１５５フィルター、１５６発振信号、１６０電源、１６１直流電源電圧、１６２制御電圧、１７０インターフェース回路、１７１直流電源電圧、１７２制御電圧、１７３制御データ、２００圧電発振器、２０１発振信号、２０２温度センサーの出力電圧、２０３メモリーデータ、２１０圧電振動子、２２０電圧制御発振回路、２３０温度補償電圧発生回路、２４０温度センサー、２５０不揮発性メモリー、２５２周波数調整データ、２５４温度補償データ、２５６周波数温度特性データ、２６０制御回路、２６２，２６４スイッチ回路、２７０インターフェース（Ｉ／Ｆ）回路、２８０発振回路

Claims

圧電発振器を複数の異なる温度で発振させて周波数温度特性を測定する圧電発振器の周波数温度特性の測定システムであって、
圧電発振器の温度を可変に調整する温度調整部と、
前記圧電発振器の温度を測定する温度測定部と、
前記圧電発振器の発振周波数を測定する周波数測定部と、
前記温度測定部による温度測定と前記周波数測定部による周波数測定とを同期させる測定制御部と、を含む、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項１において、
前記測定制御部は、
前記温度測定と前記周波数測定とが同時に同じ測定時間で行われるように前記温度測定部と前記周波数測定部を制御する、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項１又は２において、
前記周波数測定部の測定時間は、当該測定時間における温度変動に起因する前記圧電発振器の発振周波数の変動幅が、前記周波数測定に要求される周波数分解能の範囲内に収まる時間である、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記測定制御部は、
前記温度測定部と前記周波数測定部に１つの測定開始信号を同時に送信し、
前記温度測定部は、
前記測定開始信号を受け取ることにより前記温度測定を開始し、
前記周波数測定部は、
前記測定開始信号を受け取ることにより前記周波数測定を開始する、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記温度測定部の測定時間と前記周波数測定部の測定時間は、ともに、当該測定システムの交流電源の周期の整数倍である、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記圧電発振器の発振信号を、前記発振周波数よりも低い周波数の発振信号に変換する周波数変換部をさらに含み、
前記周波数測定部は、
前記周波数変換部が変換した後の前記発振信号の周波数を測定する、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
請求項６において、
前記周波数変換部は、
前記圧電発振器の発振信号を第１周波数付近の周波数の発振信号に変換するダイレクトディジタルシンセサイザーと、
前記第１周波数付近の周波数が通過帯域に含まれるバンドパス特性を有し、前記ダイレクトディジタルシンセサイザーの出力信号が入力される第１のフィルターと、
前記バンドパスフィルターの出力信号と第２周波数の基準クロック信号を混合するミキサーと、
前記第１周波数と前記第２周波数の差付近の周波数が通過帯域に含まれるとともに、前記第１周波数と前記第２周波数の和付近の周波数が阻止帯域に含まれるバンドパス特性又はローパス特性を有し、前記ミキサーの出力信号が入力される第２のフィルターと、を含む、圧電発振器の周波数温度特性の測定システム。
圧電発振器を複数の異なる温度で発振させて周波数温度特性を測定する圧電発振器の周波数温度特性の測定方法であって、
圧電発振器の温度を可変に調整する温度調整ステップと、
前記圧電発振器の温度を測定する温度測定ステップと、
前記圧電発振器の発振周波数を測定する周波数測定ステップと、
前記温度測定ステップにおける温度測定と前記周波数測定ステップにおける周波数測定とを同期させる測定制御ステップと、を含む、圧電発振器の周波数温度特性の測定方法。