JP2014197746A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成及び処理で湿度による出力周波数の変動を補償して、出力周波数の高安定化を図ることができる水晶発振器を提供する。
【解決手段】 湿度による周波数変動の小さい基準水晶振動子１１と、湿度により周波数が変動する湿度センサ１３を設け、周波数差分検出部１５が、両者の出力周波数に差分がある場合にパルスを出力し、カウンタ１６が、パルスをカウントしてカウンタ値を出力し、アドレス変換部１７が、予め記憶している電圧値テーブルを参照して入力されたカウンタ値に対応する周波数補正電圧値を出力し、Ｄ／Ａ変換器１８が周波数補正電圧値をＤ／Ａ変換して周波数補正電圧とし、当該周波数補正電圧を、水晶発振器回路部２０内の水晶振動子に接続されたバリキャップダイオードの端子間電圧として印加する水晶発振器としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水晶発振器に係り、特に、湿度の変化による周波数の変動を補償して出力周波数の高安定化を図ることができる水晶発振器に関する。

［先行技術の説明］
非密閉タイプの水晶発振器では、周囲の絶対湿度（湿度）が変化すると、部品や基板の吸湿により電気的容量値が増減し、周波数変化が生じてしまう。
また、水晶振動子毎の容量比等の等価定数の違いにより、湿度による周波数変化量への影響はそれぞれ異なっている。

［水晶振動式湿度センサ：図４］
湿度によって水晶振動子の発振周波数が変動することを利用した湿度センサ（水晶振動式湿度センサ）がある。水晶振動式湿度センサの周波数−湿度特性について図４を用いて説明する。図４は、水晶振動式湿度センサの周波数−湿度特性の代表的な例を示す説明図である。
図４に示すように、水晶振動式湿度センサでは、絶対湿度が上がると発振周波数は下がり、絶対湿度が下がると発振周波数は上がる特性がある。
これは、例えば、吸水性のポリマーをコーディングした水晶振動子を用いている場合、吸着された水分は水晶の有効質量を増加させるため、発振周波数が低下するものである。

［関連技術］
尚、水晶振動式湿度センサに関する技術としては、特開２０００−３４１０４４号公報「水晶発振回路を備えた電子機器」（株式会社東芝、特許文献１）、特開平１０−３２５７８９号公報「水晶振動子湿度センサ」（鳥取県、特許文献２）、特開２００４−２０５２４４号公報「電子時計及びその制御方法」（シチズン時計株式会社、特許文献３）、特開２００７−１１４０１５号公報「湿度測定装置」（有限会社ケーティーワイ、特許文献４）がある。

特許文献１には、電子機器において、温度センサ、湿度センサの出力と、時間補正値とを用いて、水晶発振回路内に設けられた水晶振動子における発振周波数を補正することが記載されている。
特許文献２には、水晶振動子の電極表面にセルロース高分子に疎水性長鎖を付加したセルロース誘導体の単分子膜を備えた水晶振動子湿度センサが記載されている。

特許文献３には、電子時計において、湿度センサと温度センサの出力を用いて発振回路の歩度調整を行うことが記載されている。
特許文献４には、真空蒸着室等の真空室の湿度を水晶振動式の湿度測定装置を用いて測定することが記載されている。

特開２０００−３４１０４４号公報 特開平１０−３２５７８９号公報 特開２００４−２０５２４４号公報 特開２００７−１１４０１５号公報

しかしながら、従来の水晶発振器では、簡易な構成及び処理で、湿度による出力周波数の変動を補償することは困難であるという問題点があった。

尚、特許文献１の電子機器は、電子機器の使用時間等から時間補正値を求め、湿度センサから現湿度の状態が何時間続いているかを求め、湿度継続時間と予め記憶された湿度特性データに基づいて湿度補正値を求める構成となっており、補正値を算出する処理が煩雑なものとなっている。
また、特許文献２〜４は、湿度センサと基準水晶振動子との出力周波数の差分に基づいて水晶発振器内の水晶振動子の発振周波数を補正することは記載されていない。

本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、簡易な構成及び処理で湿度による出力周波数の変動を補償して、出力周波数の高安定化を図ることができる水晶発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、周波数信号を発振する水晶振動子と、水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、湿度に対して安定な基準周波数信号を出力する基準水晶振動子と、湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、基準周波数信号と前記湿度センサからの周波数信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有することを特徴としている。

また、上記従来例の問題点を解決するための本発明は、周波数信号を発振する密閉型の水晶振動子と、水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、湿度センサからの周波数信号と発振回路の出力信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有することを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器が、インバータタイプ又はコルピッツタイプであることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、差分検出部が、差分の有無に応じたパルスを出力する周波数差分検出部と、一定時間における前記パルスの数をカウントし、カウント値を差分として出力するカウンタとから成ることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶発振器において、負荷容量回路が、水晶振動子の両端に接続されるバリキャップダイオードであることを特徴としている。

本発明によれば、周波数信号を発振する水晶振動子と、水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、湿度に対して安定な基準周波数信号を出力する基準水晶振動子と、湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、基準周波数信号と前記湿度センサからの周波数信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有する水晶発振器としているので、簡易な構成及び処理で、湿度変化に伴う周波数変動を補償して、水晶発振器の出力周波数信号を安定させることができる効果がある。

また、本発明によれば、周波数信号を発振する密閉型の水晶振動子と、水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、湿度センサからの周波数信号と発振回路の出力信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有する水晶発振器としているので、部品点数を削減し、小型化及び省電力化を図りつつ、簡易に湿度変化に伴う周波数変動を補償して、密閉型の水晶振動子を用いた水晶発振器の出力周波数信号を一層安定させることができる効果がある。

本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。 本水晶発振器の構成ブロック図である。 本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器の構成ブロック図である。 水晶振動式湿度センサの周波数−湿度特性の代表的な例を示す説明図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器は、絶対湿度（湿度）による周波数変動の小さい基準水晶振動子と、湿度により周波数が変動する水晶振動式湿度センサと、両者の出力周波数の差分を検出してパルスを出力する周波数差分検出部と、周波数差分検出部からのパルスをカウントしてカウンタ値を出力するカウンタと、カウンタ値と周波数補正電圧値とを対応付けて記憶しており、入力されたカウンタ値に対応する周波数補正電圧値を出力するアドレス変換部と、周波数補正電圧値をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器とを備え、Ｄ／Ａ変換器から出力された周波数補正電圧を、水晶振動子に接続されたバリキャップダイオードの端子間電圧として印加するものであり、簡易な構成及び処理で湿度変化に伴う周波数変動を補償することができ、出力周波数を安定させることができるものである。

［実施の形態に係る水晶発振器の概略構成：図１］
次に、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る水晶発振器の概略構成図である。
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る水晶発振器（本水晶発振器）は、基本的に、湿度補償回路１と、負荷容量回路２と、水晶振動子３と、発振回路４とを備えている。

湿度補償回路１は、本水晶発振器の特徴部分であり、絶対湿度の変化に伴う出力周波数の変動を補償する補償電圧（補正電圧）を出力する回路である。湿度補償回路１の構成及び動作については後述する。
負荷容量回路２は、水晶振動子３の両端に接続されるバリキャップダイオードを備えた回路である。負荷容量回路２の負荷容量を調整することで、水晶振動子３の発振周波数を調整できるものである。

水晶振動子３は、特定の周波数を発振する。ここで、水晶振動子３は、密閉された構成ではなく、湿度変化のある環境下で使用される水晶振動子としているが、密閉タイプの構成であってもよい。
発振回路４は、水晶振動子３からの周波数信号を増幅して出力する。
すなわち、本水晶発振器は、湿度補償回路１からの補償電圧で、負荷容量回路２の負荷容量を調整して、水晶振動子３における湿度変化による周波数変化を補償するものとなっている。

［本水晶発振器の構成：図２］
次に、本水晶発振器の具体的な構成例について図２を用いて説明する。図２は、本水晶発振器の構成ブロック図である。
図２に示すように、本水晶発振器は、基準水晶振動子（X'tal 1）１１と、第１の発振回路１２と、湿度センサ（X'tal 2）１３と、第２の発振回路１４と、周波数差分検出部１５と、カウンタ１６と、アドレス変換部１７と、Ｄ／Ａ（Digital-Analog）変換器１８と、水晶発振器回路部２０とを備えている。

上記構成部分の内、水晶発振器回路部２０は、図１に示した負荷容量回路２と、水晶振動子３と、発振回路４とを含む回路部分に相当しており、水晶発振器回路部２０以外の構成部分が、図１の湿度補償回路１に相当している。
そして、本水晶発振器は、水晶発振器回路部２０内の水晶振動子の湿度による発振周波数による変動を、湿度補償回路１で補正するものである。
また、水晶発振器回路部２０の構成は、インバータタイプ、コルピッツタイプのいずれであってもよい。

各構成部分について説明する。
基準水晶振動子１１は、密閉された構造の水晶振動子であり、湿度変化の影響を受けにくく、特定の周波数信号（基準周波数信号）を安定して出力する。基準水晶振動子１１からの出力は、湿度変化があっても変動しにくいものである。
また、基準水晶振動子１１からの基準周波数信号は、後述する周波数差分検出部１５におけるクロックとして用いられる。
第１の発振回路１２は、基準水晶振動子１１からの周波数信号を増幅する。

湿度センサ１３は、基準水晶振動子１１と同じ周波数信号を出力するよう設定された水晶振動子であるが、密閉された構造ではなく、例えば図４のように周囲の湿度に応じて発振周波数が変動する特性を備えている。
つまり、湿度センサ１３の設定時と現時点での湿度が変わっていなければ、湿度センサ１３は基準周波数信号と同じ周波数信号を出力するが、湿度が変化すると出力周波数も変化する。
第２の発振回路１４は、湿度センサ１３からの周波数信号を増幅する。

周波数差分検出部１５は、基準水晶振動子１１からの周波数信号と湿度センサ１３からの周波数信号を入力し、その差分の有無を検出する。
周波数差分検出部１５は、排他的論理和（ＸＯＲ）回路等で構成され、例えば、基準周波数信号と湿度センサ１３からの周波数信号の電圧レベル（Ｈレベル又はＬレベル）を比較して、両者が異なる場合にパルスを出力する。両者が一致している場合にはパルスを出力しない。
これにより、基準周波数信号と湿度センサ１３からの周波数信号の周波数ずれの有無を検出するものである。

カウンタ１６は、基準水晶振動子１１からのクロックに基づいて、一定時間毎に周波数差分検出部１５からのパルスをカウントし、カウンタ値として出力する。
カウンタ値は、基準周波数信号と湿度センサ１３からの周波数信号の周波数ずれの程度に対応するものである。
両者の周波数が完全に一致していれば、カウンタ値は０（ゼロ）となるが、周波数ずれ（差分）があれば、差分の大きさに応じてカウンタ値は大きくなる。
周波数差分検出部１５とカウンタ１６とを含む構成が、請求項に記載した差分検出部に相当している。

アドレス変換部１７は、複数のカウンタ値と、各カウンタ値に対応する周波数補正電圧値とを記憶する電圧値テーブルを備えている。
電圧値テーブルは、カウンタ値をアドレスとして、アドレス毎にカウンタ値に応じた周波数ずれを補正する周波数補正電圧値を記憶しているものである。
周波数補正電圧値は、水晶発振器回路部２０に設けられた水晶振動子の発振周波数を適正に補正できるよう、予め様々な湿度状態で実験的に求められた補正値である。

そして、アドレス変換部１７は、カウンタ１６からカウンタ値が入力されると、電圧値テーブルを参照して、入力されたカウンタ値のアドレスに記憶されている周波数補正電圧値を読み出して出力する。

Ｄ／Ａ変換器１８は、入力された周波数補正電圧値をＤ／Ａ変換して、周波数補正電圧を水晶発振器回路部２０に出力する。
具体的には、周波数補正電圧は、水晶発振器回路部２０の負荷容量回路に設けられたバリキャップダイオードの端子間電圧として印加される。
これにより、水晶発振器回路部２０の負荷容量が調整されて、水晶振動子の発振周波数を補正するものである。

［本水晶発振器の動作：図２］
次に、本水晶発振器の動作について図２を用いて簡単に説明する。
基準水晶振動子１１から出力された安定な基準周波数信号と、湿度センサ１３から出力された湿度に応じて変動する周波数信号は、それぞれ発振回路１２，１４で増幅されて周波数差分検出部１５に入力される。

周波数差分検出部１５では、例えば、基準周波数信号と湿度に応じた周波数信号の電圧レベルを比較して、一致していない場合にパルスが出力される。
カウンタ１６では、一定時間毎に入力されるパルス数をカウントし、カウンタ値として出力される。

アドレス変換部１７では、電圧値テーブルを参照して、入力されたカウンタ値に対応する周波数補正電圧値が読み出され、Ｄ／Ａ変換器１８でアナログの周波数補正電圧に変換され、水晶発振器回路部２０のバリキャップダイオードの端子間電圧に印加される。

これにより、本水晶発振器では、水晶発振器回路部２０の水晶振動子に対して、湿度に応じた発振周波数の補正が行われるものである。
そして、水晶発振器回路部２０からは、湿度に依存した周波数特性が補償され、安定した出力周波数信号が得られるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の実施の形態に係る水晶発振器によれば、湿度によって周波数が変動しない基準水晶振動子１１と、湿度により周波数が変動する湿度センサ１３を設け、周波数差分検出部１５が、両者の出力周波数に差分（周波数ずれ）がある場合にパルスを出力し、カウンタ１６が、パルスをカウントしてカウンタ値を出力し、アドレス変換部１７が、予め記憶している電圧値テーブルを参照して、入力されたカウンタ値に対応する周波数補正電圧値を出力し、Ｄ／Ａ変換器１８が周波数補正電圧値をＤ／Ａ変換して周波数補正電圧とし、当該周波数補正電圧を、水晶発振器回路部２０内の水晶振動子に接続されたバリキャップダイオードの端子間電圧として印加するようにしているので、簡易な構成及び処理で、湿度変化に伴う周波数変動を補償することができ、非密閉タイプの水晶振動子を用いた場合でも、水晶発振器回路部２０からの出力周波数信号を湿度にかかわらず安定させることができる効果がある。

［別の水晶発振器：図３］
本発明の別の水晶発振器について図３を用いて説明する。図３は、本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器の構成ブロック図である。尚、図２と同様の構成部分については同一の符号を付して説明する。
本発明の別の実施の形態に係る水晶発振器（別の水晶発振器）は、湿度に対して比較的安定な密閉タイプの水晶振動子を用いた水晶発振器であるが、基板等の吸湿により微小な周波数変動が発生するため、それを湿度センサを利用して補償するものである。

別の水晶発振器は、基準水晶振動子を設けず、水晶発振器回路部の出力と、湿度センサからの信号とを直接比較して差分を求め、予め記憶された差分に対応する補正値に基づいて湿度に伴う周波数変動を補償するものであり、密閉タイプの水晶振動子を用いた発振器の出力を一層安定させ、また、部品点数を削減し、回路構成を簡略化できるものとなっている。

図３に示すように、別の水晶発振器は、湿度センサ（X'tal 2）１３と、第２の発振回路１４と、周波数差分検出部１５′と、カウンタ１６と、アドレス変換部１７′と、Ｄ／Ａ変換器１８と、水晶発振器回路部２０′とを備えており、図２に示した基準水晶振動子１１及び第１の発振回路１２は設けられていない。
そして、水晶発振器回路部２０′からの出力信号が、周波数差分検出部１５′に入力されると共に、クロックとしてカウンタ１６に供給されている。
尚、カウンタ１６のクロックは湿度センサ１３から取ることも可能である。

ここで、水晶発振器回路部２０′は、密閉タイプの水晶振動子を用いており、外部の湿度変動があっても出力周波数の変動は比較的小さいものである。
そして、別の水晶発振器は、微小ながら発生する周波数変動を、湿度センサからの出力を用いて補償し、水晶発振器回路部２０′の出力を一層安定させるものであり、且つ簡易な構成で実現するものである。

別の水晶発振器の特徴部分について説明する。
別の水晶発振器の周波数差分検出部１５′は、周囲の湿度に応じて変動する湿度センサ１３の出力と、湿度によって変化しにくい水晶発振器回路部２０′からの周波数信号とを比較して、周波数ずれ（差分）の有無を検出し、差分があった場合にパルスを出力する。
そして、出力されたパルスをカウンタ１６でカウントし、カウンタ値を出力する。

また、アドレス変換部１７′は、予め、例えば補償対象となる水晶発振器回路部２０′の型番毎に、カウンタ値とそれに対応する周波数補正電圧値をテーブルとして記憶しており、カウンタ値が入力されると、テーブルを参照して、対応する周波数補正電圧値を読み出して出力する。
周波数補正電圧値は、湿度センサ１３と水晶発振器回路部２０′内の水晶振動子との組み合わせに基づいて、カウンタ値に応じて適正な補正電圧値となるよう、予め実験的に求めておく。

そして、Ｄ／Ａ変換器１８でＤ／Ａ変換された周波数補正電圧が、水晶発振器回路部２０′のバリキャップダイオードの端子間電圧として印加される。
これにより、水晶発振器回路部２０′内の水晶振動子の発振周波数の微小な湿度特性を補償することができ、水晶発振器回路部２０′からの出力周波数を一層安定させることができるものである。

［別の実施の形態の効果］
別の実施の形態に係る水晶発振器によれば、密閉タイプの水晶振動子を用いた水晶発振器回路部２０′を備え、基準水晶振動子を設けずに、周波数差分検出部１５′が、水晶発振器回路部２０′からの出力と、湿度センサ１３からの出力とを比較して、アドレス変換部１７′が、記憶されている対応テーブルを参照して、検出された差分に対応する周波数補償電圧を生成して、水晶発振器回路部２０′内のバリキャップダイオードの端子間電圧として印加するようにしているので、部品点数を削減し、小型化及び省電力化を図りつつ、簡易に、湿度による微小な周波数変動を補償して、密閉された水晶振動子を用いた水晶発振器回路部２０′からの出力周波数を一層安定させることができる効果がある。

本発明は、湿度の変化による周波数の変動を補償して出力周波数の高安定化を図ることができる水晶発振器に適している。

１...湿度補償回路、 ２...負荷容量回路、 ３...水晶振動子、 ４，１２，１４...発振回路、 １１...基準水晶振動子、 １３...湿度センサ、 １５，１５′...周波数差分検出部、 １６...カウンタ、 １７，１７′...アドレス変換部、 １８...Ｄ／Ａ変換器、 ２０，２０′...水晶発振器回路部

Claims (5)

1. 周波数信号を発振する水晶振動子と、前記水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、前記水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、
   湿度に対して安定な基準周波数信号を出力する基準水晶振動子と、
   湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、
   前記基準周波数信号と前記湿度センサからの周波数信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、
   前記差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、
   前記補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、前記負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有することを特徴とする水晶発振器。
2. 周波数信号を発振する密閉型の水晶振動子と、前記水晶振動子の発振周波数を入力される補正電圧によって調整する負荷容量回路と、前記水晶振動子の出力を増幅する発振回路とを備えた水晶発振器であって、
   湿度に応じて変動する周波数信号を出力する湿度センサと、
   前記湿度センサからの周波数信号と前記発振回路の出力信号との周波数の差分を検出して出力する差分検出部と、
   前記差分に応じた補正電圧値を記憶しておき、入力された差分に対応する補正電圧値を出力する変換部と、
   前記補正電圧値をディジタル／アナログ変換して補正電圧を生成し、前記負荷容量回路に出力するディジタル／アナログ変換器とを有することを特徴とする水晶発振器。
3. インバータタイプ又はコルピッツタイプであることを特徴とする請求項１又は２記載の水晶発振器。
4. 差分検出部が、差分の有無に応じたパルスを出力する周波数差分検出部と、一定時間における前記パルスの数をカウントし、カウント値を差分として出力するカウンタとから成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の水晶発振器。
5. 負荷容量回路は、水晶振動子の両端に接続されるバリキャップダイオードであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の水晶発振器。

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