JP2014022913A - 高安定度の発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い安定度の周波数を出力するとともに、必要が生じた場合にはさらに高い安定度の周波数を出力し、かつ、全体での電力消費が抑えられた発振器を提供する。
【解決手段】発振器は、共振素子５と、共振素子５を用いる発振回路１１と、共振素子５の温度を測定する温度センサ８と、共振素子５の温度を調整する温度調整ユニット６と、測定された温度に基づいて温度調整ユニット６を駆動し制御する温度制御回路１３と、測定された温度から補償量を求めて発振回路１１に供給する温度補償回路１２と、温度制御回路１３及び温度調整ユニット６を動作させて共振素子５の温度を一定温度として発振回路１１を動作させる温度制御モードと、温度制御回路１３及び温度調整ユニット６を動作させず温度補償のみを行って発振回路１１を動作させる温度補償モードと、を切替えるモード制御回路１４と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高安定度の周波数を出力する発振器に関する。

高安定度の周波数を出力する発振器として、例えば、圧電振動子や水晶振動子、さらにはＬＣ（インダクタ−キャパシタ）共振回路などの共振素子を備え、その共振素子を発振回路に接続して共振素子の共振周波数に相当する発振信号を出力するものがある。特に水晶振動子は、共振素子としての共振周波数の高い安定度を備えており、水晶振動子を用いる発振器である水晶発振器は、その出力周波数が高度に安定しており、各種の電子機器において周波数や時間の基準源として広く用いられている。

水晶発振器の周波数安定度が高いとは言え、水晶振動子の共振周波数は温度に応じてわずかに変化するので、水晶発振器により温度によらずに一定の周波数をより高安定度で得るためには、何らかの方法で、水晶振動子に対する温度の影響を取り除かなければならない。

より高安定度の周波数を出力する水晶発振器として、温度制御により一定の温度に維持されている恒温槽内に少なくとも水晶振動子を収容した恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven-Controlled Crystal Oscillator）がある。恒温槽付水晶発振器では、周囲温度によらずに水晶振動子の温度が一定温度に高精度に維持されるので、極めて高い安定度の周波数を得ることができる。

また、周囲温度を測定し、水晶振動子の周波数温度特性に基づき、測定された周囲温度から補償量を求め、補償量を発振回路にフィードバックすることにより温度補償を行うようにした温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）もある。温度補償水晶発振器では、例えば、発振回路において水晶振動子に接続した負荷容量の値が変化することによって発振周波数が微小に変化することを利用し、補償量に応じて負荷容量値を変化させることによって、周囲温度によらずに一定の発振周波数が得られるようにしている。

恒温槽付水晶発振器は、極めて高い安定度の周波数を出力することができるという利点を有するものの、恒温槽を一定温度に維持するためにヒーターによって恒温槽を加熱する必要があり（一般に恒温槽の温度は室温よりも十分に高い温度とされる）、電力消費が大きいという課題がある。また、電源投入後、恒温槽内が規定の温度に達して安定するまでの起動時間として数分から数十分を要し、その間は出力周波数が安定しない、という課題もある。必要な時にはいつでも恒温槽付水晶発振器を使用できるようにしようとすると、起動時間の問題があるので、結局、使用しないときでも恒温槽付水晶発振器を動作させ続ける必要があり、その分、さらに電力消費量が大きくなる。このような恒温槽付水晶発振器の大きな電力消費という課題を緩和することを目的として、特許文献１には、ヒーターを有する恒温槽を使用するものの、場合によっては、一定温度ではなく、周囲温度からある関係によって定まる温度となるように恒温槽の温度を制御するように構成したものが開示されている。

一方、温度補償水晶発振器は、ヒーターによって加熱される恒温槽を用いないので、電力消費が小さく、かつ、電源投入後に直ぐに利用可能になる、という利点を有する。しかしながら、出力周波数の安定度が恒温槽付水晶発振器に比べて例えば１桁以上悪い、という問題点を有する。また、高精度に温度補償を行おうとすると、周波数温度特性における高次の成分までの補償を行う必要が生じて補償量を発生するための温度補償回路の構成が大がかりとなり、また、温度補償回路を最適点に調整するための作業量も膨大となって時間を要するようになる。また、周囲温度が大きく変化する場合には、その変化範囲の上下限付近では十分な温度補償を行うことができず、周波数が安定度が低下することもある。特許文献２には、例えば極端に周囲温度が低い場合などに、ヒーターを作動させ、確実に温度補償を行える温度範囲にまで水晶振動子の温度を上昇させるようにした温度補償水晶発振器が示されている。特許文献３には、温度補償回路の調整時間の短縮を図るために、水晶発振器内にヒーターを組み込み、ヒーターによって水晶振動子を加熱しつつ温度補償回路の調整を行えるようにした温度補償水晶発振器が開示されている。

以上では、恒温槽付水晶発振器と温度補償水晶発振器について説明したが、水晶振動子以外の発振素子を用いる発振器においても、その発振素子を恒温槽内に収容して高い安定度の発振周波数を得る構成と、発振素子の周波数温度特性に基づき周囲温度の測定値から補償量を求め、温度補償を行って高い安定度の発振周波数を得る構成とを考えることができる。この場合も、恒温槽を用いる構成の方が、温度補償型の構成をよりも、高い安定度の周波数を出力するが、電力消費も大きく、起動時間も長くなる。

特表２００８−５０７１７４号公報 特開２００９−１８２８８１号公報 特開２００９−２４６６５８号公報

発振素子を用いた発振器、例えば水晶発振器は、各種の電子機器に用いられており、その電子機器に要求される周波数安定度に応じ、恒温槽付水晶発振器あるいは温度補償水晶発振器が選択される。例えば、移動体通信における基地局の用途では、極めて安定度の高い周波数源が必要であるので、従来は、恒温槽付水晶発振器を選択するしかなかった。ところが近年、ＧＰＳ（全地球測位システム；Global Positioning System）衛星からの極めて安定した周波数の電波を受信してこれを利用することが可能になってきており、ＧＰＳ電波を使用することが可能であるならば、通信基地局の用途においても、必ずしも恒温槽付水晶発振器を使用する必要はなくて温度補償水晶発振器の使用で十分な場合が生じてきている。しかしながら、ＧＰＳ衛星からの電波が利用できない時間帯の存在や基地局の調整を行うときのために、依然として通信基地局においては恒温槽付水晶発振器が選択され続けている。恒温槽付水晶発振器を使用し続けることに伴って、通信基地局での電力消費の削減が困難になっている。

このように、全体から見ればわずかな時間帯での高安定度周波数の要求のために恒温槽付水晶発振器を動作させ続けなければならない機器が存在し、このことはその機器における消費電力の増大につながっている。この他にも、温度補償水晶発振器では周波数安定度が不足するが、恒温槽付水晶発振器ほどの周波数安定度は要求されない用途がある。このことは、通常時には温度補償水晶発振器と同程度の安定度で周波数を出力しつつ、必要が生じた場合には恒温槽付水晶発振器と同程度の高い安定度で周波数を出力し、しかも、全体としての電力消費が抑えられた水晶発振器に対する要求が存在することを示している。同様に、水晶振動子以外の発振素子を用いる発振器であっても、必要が生じたときには発振周波数の安定度をさらに高めることができるとともに、全体での電力消費が抑えられた発振器に対する要求が存在する。

そこで本発明の目的は、高い安定度の周波数を出力するとともに、必要が生じた場合にはさらに高い安定度の周波数を出力し、かつ、全体での電力消費が抑えられた発振器を提供することにある。

本発明の発振器は、共振素子とこの共振素子を用いる発振回路とを備えて共振素子に応じた周波数を出力する発振器であって、共振素子の温度を測定する温度センサと、共振素子の温度を調整する温度調整ユニットと、共振素子の温度が一定温度となるように、温度センサによって測定された温度に基づいて温度調整ユニットを駆動し制御する温度制御回路と、共振素子の周波数温度特性に基づき、温度センサによって測定された温度から温度補償用の補償量を求めて発振回路に供給する温度補償回路と、外部信号に基づき、温度制御回路及び温度調整ユニットを動作させて共振素子の温度を一定温度として発振回路を動作させる恒温モードと、温度制御回路及び温度調整ユニットを動作させず補償量に基づく温度補償のみを行って発振回路を動作させる温度補償モードと、を切り替えるモード制御回路と、を有する。

本発明の発振器において、共振素子は例えば水晶振動子であり、水晶振動子を共振素子として用いた場合には、この発振器は水晶発振器として構成されることになる。また、温度調整ユニットは、昇温の機能のみを有するヒーターによって構成されていてもよいし、あるいは、昇温と降温の両方の機能を有する素子（例えばペルチエ素子）によって構成されてもよい。

本発明では、発振器に、共振素子の周波数温度特性に基づき共振素子の温度に応じて発振周波数の温度補償を行うための温度補償回路を設けるとともに、共振素子を一定温度に維持するための温度調整ユニット（ヒーターやペルチエ素子など）及び温度制御回路を設けている。その上で、外部信号に応じて、温度調整ユニットと温度制御回路とを動作させて共振素子を一定温度に維持しつつ発振回路を動作させる温度制御モードと、温度調整ユニットと温度制御回路とを動作させないで温度補償のみを行って発振回路を動作させる温度補償モードとを切替えるようにしている。その結果、本発明によれば、通常時には、温度調整ユニットを動作させない温度補償モードとして電力消費の低減を図ることができ、必要が生じた時には温度調整ユニットを動作させる温度制御モードとして特に安定度の高い周波数出力を得られるようになる。

本発明の実施の一形態の発振器の構成の一例を示す断面図である。 図１に示す発振器の回路構成を示すブロック図である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように本実施形態の発振器１は、容器２内に、回路基板３、回路部４、共振素子５及び温度調整ユニット６を収容した構成を有する。容器２は、耐熱性樹脂または金属製のものであって、例えば、ベースとカバーとからなっている。容器２は、気密性のものであっても非気密性のものであってもよい。

温度調整ユニット６は、共振素子５の温度を調整するものであって、例えば、昇温機能のみを有するヒーター、あるいは昇温及び降温の両方の機能を有するペルチエ素子によって構成されている。温度調整ユニット６は、回路基板３の上面あるいは裏面に設けられるものである。共振素子５は、例えば、水晶振動子であって、その温度が温度調整ユニット６によって変化させられるように、温度調整ユニット６に接して配置されている。図示したものでは、共振素子５は、例えば表面実装型の容器を備えた水晶振動子であって、温度調整ユニット６の表面に取り付けられている。温度調整ユニット６として例えばチャンバーを有するものを使用するとすれば、共振素子５はそのチャンバー内に収容される。回路部４は、後述するように、共振素子５を利用した発振回路などを備えたものであって、例えば、１チップのＩＣ（集積回路）として回路基板３上に設けられている。回路部４を複数の個別（ディスクリート）部品で構成してもよい。さらに容器２のベース部には、この発振器１を電子機器の基板に実装する際に用いられる複数のフットパターン７が形成されており、これらのフットパターン７は導電路を介して回路基板３に接続している。図では、表面実装用の導電膜端子としてフットパターン７が示されているが、フットパターン７はリード線であってもよい。

図２は、回路部４の内部構成も含めてこの発振器１の回路構成を示している。共振素子５の温度を測定するための温度センサ８が設けられている。温度センサ８は、例えば、温度調整ユニット６と共振素子５との接合界面、あるいは、共振素子５の容器の内部などに配置される。回路部４には、共振素子５が電気的に接続されて共振素子５の共振周波数で発振する発振回路１１と、共振素子５の周波数温度特性に基づき、温度センサ８によって測定された温度から温度補償用の補償量を求めこの補償量を表す信号を発振回路１１に出力する温度補償回路１２と、共振素子５の温度が一定温度となるように、温度センサ８によって測定された温度に基づいて温度調整ユニット６を駆動し制御する温度制御回路１３と、この発振器１の動作を制御し、特に、外部からの制御信号に応じて後述する温度制御モードと温度補償モードとの切り替えを行うモード制御回路１４と、外部回路からの影響を低減するために発振回路１１の出力に接続されたバッファ回路１５と、を備えている。バッファ回路１５の出力は、周波数出力端子１６に接続しており、この周波数出力端子１６から発振器１の発振周波数出力が得られる。また、制御信号の入出力のために、モード制御回路１４に接続する制御端子１７が設けられている。周波数出力端子１６及び制御端子１７は、それぞれ、対応するフットパターン７に電気的に接続する。

次に、温度制御モードと温度補償モードについて説明する。

温度制御モードは、温度制御回路１３及び温度調整ユニット６を動作させ、温度センサ８によって測定された温度に基づいて温度調整ユニット６を駆動することによって共振素子５の温度を一定温度とし、この状態で発振回路１１を動作させることにより、より高い安定度で周波数を発振し出力するモードである。このモードでは、例えばヒーターからなる温度調整ユニット６を動作させて共振素子５の温度を室温よりもかなり高い温度（例えば８５℃）に維持するので、消費電力は大きくなる。

これに対して温度補償モードは、温度制御回路１３及び温度調整ユニット６を動作させないモードであり、このモードでは、共振素子５の周波数温度特性に基づき、温度センサ８によって測定された温度から温度補償回路１２が温度補償用の補償量を求め、補償量を示す補償信号を発振回路１１に供給している。このとき共振素子５の温度は、発振器１内の回路の発熱の影響などを無視すれば周囲温度となり、周囲温度が変化すれば同様に変化する。発振回路１１は、例えば、共振素子５に接続した負荷容量の値を補償信号に応じて変化させることにより、温度補償された周波数で発振する。共振素子５の周波数温度特性は、温度を変化させつつ共振素子５を用いて発振回路１１を発振させたときの発振周波数の変化から、事前に測定されたものである。この測定された周波数温度特性は、予め、温度補償回路１２内の例えばメモリなどに格納されている。温度補償モードでは、温度調整ユニット６を動作させないので電力消費は小さいが、温度制御モードに比べて周波数安定度は悪くなっている。

以上の説明から明らかなように、温度制御モードと温度補償モードは、共振素子５が水晶振動子であるとすれば、それぞれ、恒温槽付水晶発振器と温度補償水晶発振器の動作に対応する。本発明は、外部から与えられる制御信号に応じ、モード制御回路１４において温度制御モードと温度補償モードとを切り替え、選択することに特徴を有する。なお、このモードの切り替え時に出力周波数が変化することがないようにするため、温度制御モードにおいても温度補償回路１２は動作を続けており、発振回路１１は温度補償回路１２からの補償信号に基づいて発振動作を行う。

温度補償モードと温度制御モードとの切り替えのタイミング等について説明する。

通常の稼働時には極めて安定度の高い周波数を要求するシステムにおいては、通常時には温度制御モードとするが、スタンバイ時（電源は投入されているが高安定度の周波数出力を必要としない状態）にあるときには温度補償モードに切り替えることが考えられる。そうすれば、スタンバイ時には温度調整ユニット６を動作させないので、省電力化を実現することができる。

基地局用途などにおいては、それほど高い周波数安定度を要求されない通常動作時には温度補償モードで動作させておき、比較的高い周波数安定度が要求されるメンテナンス期間等では温度制御モードに切り替えることが考えられる。この場合は、温度補償モードで動作する期間が長くなるので、従来のように恒温槽付水晶発振器を用いる場合に比べ、本実施形態の発振器を用いることによって、全体としての大幅な省電力化が達成される。

あるいは、出力周波数がある程度の安定度になるまでに比較的短い時間を要求される用途に対し、起動時には温度補償モードで動作させることによってある程度の周波数安定度を確保し、その後、温度制御モードに切り替えてさらに高い周波数安定度に収束させる、という使用方法も考えられる。

以上説明したように、本実施形態の発振器によれば、必要な時には特に安定度の高い周波数を得ることができ、かつ、全体としての消費電力量の低減を図ることができる。

１…発振器、２…容器、３…回路基板、４…回路部、５…共振素子、６…温度調整ユニット、７…フットパターン、８…温度センサ、１１…発振回路、１２…温度補償回路、１３…温度制御回路、１４…モード制御回路、１５…バッファ回路、１６…周波数出力端子、１７…制御端子。

Claims (4)

1. 共振素子と該共振素子を用いる発振回路とを備えて前記共振素子に応じた周波数を出力する発振器であって、
   前記共振素子の温度を測定する温度センサと、
   前記共振素子の温度を調整する温度調整ユニットと、
   前記共振素子の温度が一定温度となるように、前記温度センサによって測定された温度に基づいて前記温度調整ユニットを駆動し制御する温度制御回路と、
   前記共振素子の周波数温度特性に基づき、前記温度センサによって測定された温度から温度補償用の補償量を求めて前記発振回路に供給する温度補償回路と、
   外部信号に基づき、前記温度制御回路及び前記温度調整ユニットを動作させて前記共振素子の温度を前記一定温度として前記発振回路を動作させる温度制御モードと、前記温度制御回路及び前記温度調整ユニットを動作させず前記補償量に基づく温度補償のみを行って前記発振回路を動作させる温度補償モードと、を切り替えるモード制御回路と、
   を有する発振器。
2. 前記共振素子は水晶振動子であって水晶発振器として構成された請求項１に記載の発振器。
3. 前記温度調整ユニットはヒーターによって構成される、請求項１または２に記載の発振器。
4. 前記温度調整ユニットは昇温及び降温の機能を備える素子によって構成される、請求項１または２に記載の発振器。

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