JP2014197751A - 発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）よりも高い周波数安定性を実現可能な発振器、並びに、この発振器を用いた電子機器及び移動体を提供すること。【解決手段】発振器１は、発振素子２０と、発振素子２０を発振させる発振回路３０と、発振素子２０を加熱する発熱素子４０と、発熱素子４０を制御する温度制御回路６０と、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性を補正する温度補正回路１０と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、発振器、電子機器及び移動体に関する。

通信機器あるいは測定器等の基準の周波数信号源に用いられる水晶発振器は、温度変化に対して高い精度で出力周波数が安定していることが要求される。一般に、水晶発振器の中でも極めて高い周波数安定度が得られるものとして、恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）が知られている（特許文献１）。ＯＣＸＯは、一定温度に制御された恒温槽内に水晶振動子を収納したものであり、極めて高い周波数安定度を実現するためには、周囲温度の変化に対する恒温槽の温度制御偏差をできる限り小さくすることが重要である。

特開２０１０−１８３２２８号公報

図１６（Ａ）は、ＳＣカット水晶振動子を用いたＯＣＸＯにおいて、恒温槽の温度制御を行わない場合の周波数温度特性の一例を示す図であり、図１６（Ｂ）及び図１６（Ｃ）は、図１６（Ａ）の破線で囲まれた部分を拡大した図である。このＯＣＸＯは、恒温槽の温度を８０℃付近に保つことによって、周囲温度の変化によっても偏差の少ない安定した周波数を出力することが可能である。恒温槽の精度は製品によって様々であるが、例えば周囲温度が−４０℃〜８０℃まで変化した時に恒温槽が８０℃を頂点として±２℃変化した場合、周波数偏差は２０ｐｐｂ程度である（図１６（Ｂ）の斜線部分）。一方で、恒温槽の温度を８０℃に設定しても実際には２℃だけ高温側にずれた８２℃になっている場合、恒温槽が８２℃を頂点として±２℃変化すると、ＯＣＸＯの周波数は２次の温度特性を持ち、その周波数偏差は４０ｐｐｂになってしまう（図１６（Ｃ）の斜線部分）。

また、発振回路や周波数調整回路も温度特性を有しており、その温度特性は、温度の上昇に対してＯＣＸＯの周波数を線形に低下させるように寄与するのが一般的である。従って、恒温槽の設定温度のずれや回路の温度特性によって、本来フラットであるべきＯＣＸＯの周波数温度特性が１次や２次の成分を持ってしまうことになる。そのため、従来のＯＣＸＯでは、極めて高い周波数安定性の要求を満たすことが難しいという問題があった。

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、従来の恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）よりも高い周波数安定性を実現可能な発振器、並びに、この発振器を用いた電子機器及び移動体を提供することができる。

本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る発振器は、発振素子と、前記発振素子を発振させる発振回路と、前記発振素子を加熱する発熱素子と、前記発熱素子を制御する温度制御回路と、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性を補正する温度補正回路と、を含む。

本適用例に係る発振器によれば、従来の恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）と同様に、発振器の内部温度を一定に保つように制御し、さらに、周囲の温度変化に起因して発振器の内部温度がわずかに変化しても、発振回路の出力信号の周波数を補正することができる。従って、従来の恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）よりも高い周波数安定性を実現することができる。

［適用例２］
上記適用例に係る発振器において、前記温度補正回路は、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の１次成分を補正する１次補正回路を含むようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、周波数温度特性の１次成分を補正することができる。

［適用例３］
上記適用例に係る発振器において、前記温度補正回路は、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の２次成分を補正する２次補正回路を含むようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、周波数温度特性の２次成分を補正することができる。

［適用例４］
上記適用例に係る発振器において、前記温度補正回路は、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の１次成分を補正する１次補正回路と、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の２次成分を補正する２次補正回路と、を含み、前記１次補正回路の動作と前記２次補正回路の動作とを独立に制御するようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、周波数温度特性に合わせて、１次補正回路や２次補正回路の選択、および１次補正回路の補正内容の設定や２次補正回路の補正内容の設定等をそれぞれ独立に制御することができるため、周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

［適用例５］
上記適用例に係る発振器において、前記１次補正回路による補正と前記２次補正回路による補正とをそれぞれ有効にするか無効にするかを独立に設定できるようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、周波数温度特性に合わせて、１次成分のみを補正することもできるし、２次成分のみを補正することもできるし、１次成分と２次成分の両方を補正することもできる。

［適用例６］
上記適用例に係る発振器において、前記２次補正回路の補正パラメーターは、複数の温度領域でそれぞれ独立に設定できるようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、温度領域ごとに周波数温度特性の２次成分を補正するか否かを選択できるので、周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

［適用例７］
上記適用例に係る発振器において、前記２次補正回路は、温度センサーの出力電圧が入力される第１のトランジスターと、参照電圧が入力される第２のトランジスターと、前記第１のトランジスターを流れる電流と前記第２のトランジスターを流れる電流の和を一定に制御する定電流源と、を有する差動増幅回路を含むようにしてもよい。

［適用例８］
上記適用例に係る発振器において、前記差動増幅回路は、前記第２のトランジスターに入力される前記参照電圧が可変に設定できるようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、参照信号を調整することで、周波数温度特性の２次成分の補正対象となる温度領域を任意に選択することができる。従って、周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

［適用例９］
上記適用例に係る発振器において、前記差動増幅回路は、前記定電流源の電流が可変に設定できるようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、周波数温度特性の２次成分の大きさに合わせて定電流源の電流を調整することで、周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

［適用例１０］
上記適用例に係る発振器において、前記２次補正回路は、複数の前記差動増幅回路を含み、前記複数の差動増幅回路は、前記第２のトランジスターに入力される前記参照電圧が互いに異なっているようにしてもよい。

本適用例に係る発振器によれば、複数の温度領域において、それぞれ周波数温度特性の２次成分を補正することができる。従って、周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

［適用例１１］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの発振器を含む。

［適用例１２］
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの発振器を含む。

本実施形態の発振器の機能ブロック図の一例。 本実施形態の発振器の断面図の一例。 発振回路の一例を示す図。 温度制御回路の一例を示す図。 本実施形態の温度補正回路の構成例を示す図。 本実施形態における２次の温度補正についての説明図。 本実施形態における２次の温度補正についての説明図。 本実施形態における２次の温度補正についての説明図。 本実施形態における２次の温度補正についての説明図。 本実施形態における温度補正の一例についての説明図。 本実施形態における温度補正の一例についての説明図。 本実施形態における温度補正の一例についての説明図。 本実施形態の電子機器の機能ブロック図。 本実施形態の電子機器の外観の一例を示す図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。 従来のＯＣＸＯの周波数温度特性についての説明図。

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．発振器
図１は、本実施形態の発振器の機能ブロック図の一例である。また、図２は、本実施形態の発振器の断面図の一例である。

図１に示すように、本実施形態の発振器１は、温度補正回路１０、発振素子２０、発振回路３０、発熱素子４０、感温素子５０、温度制御回路６０、電圧発生回路７０及びメモリー８０を含んで構成されている。ただし、本実施形態の発振器１は、図１に示した構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の構成要素を追加した構成としてもよい。

本実施形態では、発振素子２０、発熱素子４０及び感温素子５０以外の回路部分は、一部の部品（外付けの抵抗、コンデンサー、コイル等）を除いて１チップのＩＣ５で実現されている。ただし、回路部分を複数のＩＣチップで実現してもよいし、発熱素子４０、感温素子５０を１チップのＩＣ５の内部に設けてもよい。

図２に示すように、発振器１は、部品搭載基板３の上面に、ＩＣ５及び抵抗、コンデンサー、コイル等の外付け部品６，７，８が搭載されている。また、部品搭載基板３と対向して部品搭載基板４が設けられており、部品搭載基板４の上面に発熱素子４０及び感温素子５０が搭載されている。部品搭載基板４の下面には、発熱素子４０と対向する位置に発振素子２０が搭載されている。外付け部品６，７，８、発振素子２０、発熱素子４０及び感温素子５０の各端子は、それぞれＩＣ５の所望の各端子と不図示の配線パターンで電気的に接続されている。そして、部品搭載基板４、ＩＣ５、外付け部品６，７，８、発振素子２０、発熱素子４０及び感温素子５０を収容するように、部品搭載基板３にケース（あるいはカバー）２が接着されている。この発振器１は、ケース２と部品搭載基板３とで形成される空間を恒温槽として、発熱素子４０により恒温槽内部の温度を一定に保つように制御されている。

電圧発生回路７０は、外部から供給される電源電圧ＶＣＣから、発振回路３０の電源電圧ＶＡ、温度補正回路１０の基準電圧ＶＲＥＦ１、温度制御回路６０の基準電圧ＶＲＥＦ２等を発生させる。

温度補正回路１０は、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性を補正するための温度補正電圧ＶＣＯＭＰを生成する。例えば、温度補正回路１０は、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性の１次成分の補正（以下、「１次補正」という）のみ可能であってもよいし、２次成分の補正（以下、「２次補正」という）のみ可能であってもよいし、１次補正と２次補正の両方が可能であってもよい。また、温度補正回路１０は、１次補正と２次補正の両方が可能である場合、１次補正と２次補正をそれぞれ有効にするか無効にするかを独立に設定可能であってもよいし、１次補正の補正パラメーターと２次補正の補正パラメーターをそれぞれ独立に設定可能であってもよい。さらに、温度補正回路１０は、複数の温度領域（例えば、低温側と高温側）で互いに独立に２次補正が可能であってもよい。なお、温度補正回路１０の具体的な回路構成例については後述する。

発振回路３０は、温度補正回路１０が出力する温度補正電圧ＶＣＯＭＰに応じた周波数で発振素子２０を発振させる。

図３に、発振回路３０の一例を示す。図３に示す発振回路３０では、可変容量素子（バリキャップダイオード）の一端に温度補正電圧ＶＣＯＭＰが印加され、この電圧値に応じ
て可変容量素子の容量値が変化し、これにより発振周波数が変化する。なお、可変容量素子に代えて、それぞれ別々のスイッチと直列接続された複数の容量素子（コンデンサー）を発振素子２０の一端とグランドとの間に並列接続した容量バンクを用い、各スイッチのオン／オフの設定を変えることで容量バンクの容量値を変化させ、これにより発振周波数を変化させてもよい。

発振素子２０としては、例えば、ＳＣカットやＡＴカットの水晶振動子、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）共振子などを用いることができる。また、発振素子２０として、例えば、水晶振動子以外の圧電振動子やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動子などを用いることもできる。発振素子２０の基板材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。また、発振素子２０の励振手段としては、圧電効果によるものを用いてもよいし、クーロン力による静電駆動を用いてもよい。

温度制御回路６０は、発振素子２０の近くに配置されている感温素子５０の出力電圧に応じて、温度を一定に保つように発熱素子４０の発熱を制御する。

発熱素子４０としては、例えば、電流を流すことで発熱する素子（パワートランジスターや抵抗等）を用いてもよい。また、感温素子５０としては、例えば、サーミスター（ＮＴＣサーミスター（Negative Temperature Coefficient）やＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスターなど）や白金抵抗などを用いることができる。

例えば、正の傾きの温度特性を有する感温素子５０を発振素子２０の近くに配置しておき、温度制御回路６０は、感温素子５０の出力電圧が基準値よりも低い時は発熱素子４０に電流を流して発熱させ、感温素子５０の出力電圧が基準値よりも高い時は発熱素子４０に電流を流さないように制御してもよい。

図４に、温度制御回路６０の一例を示す。図４では、発熱素子４０としてＮＰＮ型パワートランジスターが用いられており、感温素子５０としてＮＴＣサーミスターが用いられている。図４に示す温度制御回路６０では、温度が低下すると感温素子５０（ＮＴＣサーミスター）の抵抗値が上昇し、演算増幅器の入力電位差が大きくなる。逆に、温度が上昇すると感温素子５０（ＮＴＣサーミスター）の抵抗値が低下し、演算増幅器の入力電位差が小さくなる。演算増幅器の出力電圧は入力電位差に比例する。発熱素子４０（ＮＰＮ型パワートランジスター）は、演算増幅器の出力電圧が所定の電圧値よりも高い時は電圧値が高いほど電流が流れて発熱量が大きくなり、演算増幅器の出力電圧が所定の電圧値よりも低い時は電流が流れず発熱量が徐々に低下する。従って、感温素子５０（ＮＴＣサーミスター）の抵抗値が所望の値になるように、すなわち所望の温度に保つように発熱素子４０の動作が制御される。

メモリー８０は、不揮発性のメモリーであり、温度補正回路の設定情報（１次補正と２次補正をそれぞれ行うか否かの情報、１次補正の補正パラメーター、２次補正の補正パラメーター等）が記憶されている。メモリー８０は、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon）メモリー等のフラッシュメモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等で実現することができる。

このような構成の本実施形態の発振器１では、温度制御回路６０により、発振素子２０や回路部分の温度特性に応じて決まる発振回路３０の出力信号の周波数温度特性に基づき、恒温槽の内部温度を所望の温度（例えば、発振素子２０がＳＣカット水晶振動子であれば周波数が最大となる温度）に保つように制御される。さらに、温度補正回路１０により
温度制御回路６０の制御誤差に起因する恒温槽内部の実際の温度と設定温度の差によって生じるわずかな周波数偏差が補正される。これにより、従来のＯＣＸＯよりも高い周波数安定性を実現することができる。

次に、わずかな周波数偏差を補正可能な温度補正回路の構成例について詳細に説明する。図５は、本実施形態の温度補正回路の構成例を示す図である。図５に示すように、本実施形態の温度補正回路１０は、１次補正回路１１、２次補正回路１２、温度センサー１３、反転増幅回路１４及び出力回路１５を含んで構成されている。ただし、本実施形態の温度補正回路１０は、図５に示した構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは他の構成要素を追加した構成としてもよい。

温度センサー１３は、抵抗１３１及びダイオード１３２，１３３を含んで構成されている。抵抗１３１は、第１端子に電源電圧ＶＣＣが供給され、第２端子がダイオード１３２のアノード端子と接続されている。また、ダイオード１３２のカソード端子とダイオード１３３のアノード端子が接続されており、ダイオード１３３のカソード端子は接地されている。そして、抵抗１３１の第２端子とダイオード１３２のアノード端子の接続点の信号が温度センサー１３の出力電圧ＶＴ１となる。例えば、１℃の温度上昇に対して、ダイオード１３２，１３３の各々の両端にかかる電圧はそれぞれ約２ｍＶ低下する。従って、ＶＴ１は恒温槽の内部温度の変化に対して負の傾きを持って線形に変化する。

１次補正回路１１は、演算増幅器１１１，１１４，１１７、抵抗１１２，１１５，１１６、可変抵抗１１３及びスイッチ１１８，１１９を含んで構成されている。演算増幅器１１１は、非反転入力端子（＋入力端子）に温度センサー１３の出力電圧ＶＴ１が入力され、反転入力端子（−入力端子）と出力端子がともに抵抗１１２の第１端子と接続されている。すなわち、演算増幅器１１１は、温度センサー１３の出力電圧ＶＴ１をバッファリングして出力する。抵抗１１２の第２端子は、演算増幅器１１４の反転入力端子（−入力端子）及び可変抵抗１１３の第１端子と接続されている。演算増幅器１１４の非反転入力端子（＋入力端子）には基準電圧ＶＲＥＦ１が入力され、演算増幅器１１４の出力端子は可変抵抗１１３の第２端子、抵抗１１５の第１端子及びスイッチ１１８の第１入力端子と接続されている。抵抗１１５の第２端子は、演算増幅器１１７の反転入力端子（−入力端子）及び抵抗１１６の第１端子と接続されている。演算増幅器１１７の非反転入力端子（＋入力端子）には基準電圧ＶＲＥＦ１が入力され、演算増幅器１１７の出力端子は抵抗１１６の第２端子及びスイッチ１１８の第２入力端子と接続されている。スイッチ１１８の出力端子は、スイッチ１１９の第１端子と接続され、スイッチ１１９の第２端子の電圧が１次補正回路１１の出力電圧（１次補正電圧）となる。スイッチ１１９がオンの時、１次補正電圧は、温度センサー１３の出力電圧ＶＴ１の変化に対して（恒温槽の内部温度の変化に対して）線形に変化する。

可変抵抗１１３の抵抗値を変えることで、ＶＴ１に対する１次補正電圧の傾きの大きさを変えることができる。また、スイッチ１１８を切り替えることで、１次補正電圧の傾きの極性（正又は負）を変えることもできる。さらに、スイッチ１１９をオフすることで、ＶＴ１によらず常に１次補正電圧をハイインピーダンスにして１次の温度補正を無効にすることもできる。この１次補正回路１１による補正を有効にするか無効にするかの情報（スイッチ１１９のオン／オフの情報）や１次補正回路１１の補正パラメーター（可変抵抗１１３の抵抗値の情報やスイッチ１１８の接続情報）は、メモリー８０に記憶される。

反転増幅回路１４は、演算増幅器１４３及び抵抗１４１，１４２を含んで構成されている。抵抗１４１は、第１端子が演算増幅器１１１の出力端子と接続され、第２端子が演算増幅器１４３の反転入力端子（−入力端子）及び抵抗１４２の第１端子と接続されている。演算増幅器１４３の非反転入力端子（＋入力端子）には基準電圧ＶＲＥＦ１が入力され
、演算増幅器１４３の出力端子は抵抗１４２の第２端子と接続されている。そして、演算増幅器１４３の出力電圧が反転増幅回路１４の出力電圧ＶＴ２となる。このような構成の反転増幅回路１４により、基準電圧ＶＲＥＦ１を基準に演算増幅器１１１の出力電圧（すなわちＶＴ１）が反転増幅された電圧ＶＴ２が得られる。従って、ＶＴ２は恒温槽の内部温度の変化に対して正の傾きを持って線形に変化する。

２次補正回路１２は、ＮＰＮ型のトランジスター１２１，１２２，１２５，１２６、定電流源１２３，１２７及びスイッチ１２４，１２８を含んで構成されている。トランジスター１２１のベース端子には一定の参照電圧ＶＨが入力され、トランジスター１２１のコレクター端子には電源電圧ＶＣＣが入力される。トランジスター１２１のエミッター端子とトランジスター１２２のエミッター端子は、ともに定電流源１２３の第１端子と接続され、定電流源１２３の第２端子は接地されている。トランジスター１２２のベース端子には反転増幅回路１４の出力電圧ＶＴ２が入力され、トランジスター１２２のコレクター端子はスイッチ１２４の第１端子と接続されている。このトランジスター１２１，１２２及び定電流源１２３により第１の差動増幅回路が構成されている。定電流源１２３には一定電流ＩｏＨが流れ、ＶＴ２＝ＶＨの時、トランジスター１２２のエミッター−コレクター間に流れる電流ＩＨ＝ＩｏＨ／２となる。そして、ＶＴ２がＶＨよりも高い範囲では、ＩＨは、ＶＴ２が高くなるほど（恒温槽の内部温度が高くなるほど）非線形に大きくなり、ＩｏＨに近づいていく。一方、ＶＴ２がＶＨよりも低い範囲では、ＩＨは、ＶＴ２が低くなるほど（恒温槽の内部温度が低くなるほど）非線形に小さくなり、０に近づいていく。

トランジスター１２５のベース端子には反転増幅回路１４の出力電圧ＶＴ２が入力され、トランジスター１２５のコレクター端子には電源電圧ＶＣＣが入力される。トランジスター１２５のエミッター端子とトランジスター１２６のエミッター端子は、ともに定電流源１２７の第１端子と接続され、定電流源１２７の第２端子は接地されている。トランジスター１２６のベース端子には参照電圧ＶＨと異なる一定の参照電圧ＶＬが入力され、トランジスター１２６のコレクター端子はスイッチ１２８の第１端子と接続されている。このトランジスター１２５，１２６及び定電流源１２７により第２の差動増幅回路が構成されている。定電流源１２７には一定電流ＩｏＬが流れ、ＶＴ２＝ＶＬの時、トランジスター１２６のエミッター−コレクター間に流れる電流ＩＬ＝ＩｏＬ／２となる。そして、ＶＴ２がＶＬよりも低い範囲では、ＩＬは、ＶＴ２が低くなるほど（恒温槽の内部温度が低くなるほど）非線形に大きくなり、ＩｏＨに近づいていく。一方、ＶＴ２がＶＬよりも高い範囲では、ＩＬは、ＶＴ２が高くなるほど（恒温槽の内部温度が高くなるほど）非線形に小さくなり、０に近づいていく。

スイッチ１２４の第２端子とスイッチ１２８の第２端子が接続され、この接続点の電圧が２次補正回路１２の出力電圧（２次補正電圧）となる。従って、スイッチ１２４とスイッチ１２８の両方がオンの時、２次補正電圧は、反転増幅回路１４の出力電圧ＶＴ２の変化に対して（恒温槽の内部温度の変化に対して）、ＩＬとＩＨの和に応じて非線形に変化する。また、スイッチ１２４とスイッチ１２８の一方のみがオンの時、２次補正電圧は、ＶＴ２の変化に対して（恒温槽の内部温度の変化に対して）、ＩＬ又はＩＨに応じて非線形に変化する。さらに、スイッチ１２４とスイッチ１２８の両方をオフすることで、ＶＴ２によらず常に２次補正電圧をハイインピーダンスにして２次の温度補正を無効にすることもできる。この２次補正回路１２による補正を有効にするか無効にするかの情報（スイッチ１２４，１２８のオン／オフの情報）は、メモリー８０に記憶される。

出力回路１５は、演算増幅器１５３及び抵抗１５１，１５２を含んで構成されている。抵抗１５１は、第１端子がスイッチ１１９の第２端子と接続され、第２端子が演算増幅器１５３の反転入力端子（−入力端子）、抵抗１５２の第１端子、スイッチ１２４の第２端子及びスイッチ１２８の第２端子と接続されている。演算増幅器１５３の非反転入力端子
（＋入力端子）には基準電圧ＶＲＥＦ１が入力され、演算増幅器１５３の端子は抵抗１５２の第２端子と接続されている。そして、演算増幅器１５３の出力電圧が出力回路１５の出力電圧となる。このような構成の出力回路１５は、１次補正回路１１の出力電圧（１次補正電圧）と２次補正回路１２の出力電圧（２次補正電圧）が加算された電圧を出力し、この電圧が温度補正回路１０の出力電圧である温度補正電圧ＶＣＯＭＰとなる。

外気温度が上昇すると恒温槽の内部温度もわずかに上昇し、外気温度が低下すると恒温槽の内部温度もわずかに低下する。例えば、恒温槽の内部温度を、発振器１の周波数が最大となる温度（例えば８０℃）に設定した場合、外気温度が基準温度（例えば２５℃）の時の恒温槽の内部温度が設定温度と一致していれば、発振器１の動作保証の温度範囲（例えば−３０℃〜８５℃）では恒温槽の内部温度がわずかに（例えば７８℃〜８２℃の範囲で）変化しても発振器１の周波数の周波数偏差は小さい。しかし、外気温度が基準温度（例えば２５℃）の時の恒温槽の内部温度が設定温度からずれていると、動作保証温度範囲（例えば−３０℃〜８５℃）の端の付近（例えば−３０℃付近や８５℃付近）での周波数偏差が大きくなる。そこで、本実施形態では、２次の温度補正により、この動作保証温度範囲の端の付近での周波数偏差を効果的に低減する。

図６〜図９は、本実施形態における２次の温度補正について説明するための図である。図６（Ａ）に示すように、ＶＴ１は外気温度の−３０°〜８５℃の範囲での変化に対して負の傾きで変化する。図６（Ｂ）に示すように、ＶＴ２は、外気温度の−３０°〜８５℃の範囲での変化に対して正の傾きで変化する。ここで、例えば、外気温度が−３０℃の時にＶＴ２＝ＶＬ、外気温度が８５℃の時にＶＴ２＝ＶＨとなるように傾きを調整しておく。そうすると、図６（Ｃ）に示すように、外気温度が−３０℃の時にＩＬ＝ＩｏＬ／２となり、外気温度が−３０℃付近では外気温度が低くなるとＩＬが非線形に大きくなる。外気温度が２５℃や８５℃の時はＩＬ≒０となる。また、図６（Ｄ）に示すように、外気温度が８５℃の時にＩＨ＝ＩｏＨ／２となり、外気温度が８５℃付近では外気温度が高くなるとＩＨが非線形に大きくなる。外気温度が２５℃や−３０℃の時はＩＨ≒０となる。従って、２次補正電圧は、低温側ではＩＬによって決まり、高温側ではＩＨによって決まる。

そして、図７（Ａ）に示すように、定電流源１２７を流れる電流ＩｏＬを変えることで、外気温度の変化に対するＩＬの傾きを変えることができる。具体的には、ＩｏＬが大きいほどＩＬの傾きが急峻になる。同様に、図７（Ｂ）に示すように、定電流源１２３を流れる電流ＩｏＨを変えることで、外気温度の変化に対するＩＨの傾きを変えることができる。具体的には、ＩｏＨが大きいほどＩＨの傾きが急峻になる。従って、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性を測定し、低温側や高温側での周波数の低下を補正するようにＩｏＬやＩｏＨを調整することで、周波数偏差の２次成分を効果的に低減させることができる。

発振器１の動作保証温度範囲は用途に応じて変わるので、動作保証温度範囲に合わせた２次の温度補正が必要になる。そこで、本実施形態では、参照電圧ＶＬやＶＨを変更することで、ＩＬ＝ＩｏＬ／２となる外気温度やＩＨ＝ＩｏＨ／２となる外気温度を変更する。例えば、図８（Ａ）に示すように、外気温度が−３０℃，−２０℃，−１０℃の時にＶＴ２がそれぞれＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３となる場合、図８（Ｂ）に示すように、ＶＬ＝ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３にそれぞれ設定することで、それぞれ−３０℃，−２０℃，−１０℃の時にＩＬ＝ＩｏＬ／２となる。同様に、例えば、図９（Ａ）に示すように、外気温度が８５℃，７５℃，６５℃の時にＶＴ２がそれぞれＶＨ１，ＶＨ２，ＶＨ３となる場合、図９（Ｂ）に示すように、ＶＨ＝ＶＨ１，ＶＨ２，ＶＨ３にそれぞれ設定することで、それぞれ８５℃，７５℃，６５℃の時にＩＨ＝ＩｏＨ／２となる。従って、動作保証温度範囲に合わせて、参照電圧ＶＬやＶＨを調整することで、周波数偏差の２次成分を効果的に
低減させることができる。

これらの２次補正回路１１の補正パラメーター（ＩｏＬ、ＩｏＨ、ＶＬ、ＶＨの情報）は、メモリー８０に記憶される。

本実施形態の発振器１では、温度補正回路１０が１次補正回路１１と２次補正回路１２を備えており、かつ、１次の温度補正と２次の温度補正を独立に制御することができるため、発振回路３０の出力信号の様々な周波数温度特性の補正に柔軟に対応することができる。

例えば、周波数温度特性の１次成分のみを補正すればよい場合は、スイッチ１１９をオンするとともに、スイッチ１２４とスイッチ１２８をともにオフする。図１０（Ａ）に示すように、周波数温度特性が外気温度に対して正の傾きを持っている場合は、演算増幅器１１４の出力端子とスイッチ１１９の第１端子が接続されるようにスイッチ１１８を設定する。図１０（Ｂ）に示すように、周波数温度特性が外気温度に対して負の傾きを持っている場合は、演算増幅器１１７の出力端子とスイッチ１１９の第１端子が接続されるようにスイッチ１１８を設定する。そして、いずれの場合も、周波数温度特性の傾きに合わせて、可変抵抗１１３の抵抗値を調整することで、周波数偏差を精度よく低減させることができる。

また、例えば、周波数温度特性の２次成分のみを補正すればよい場合は、スイッチ１１９をオフするとともに、スイッチ１２４とスイッチ１２８の一方又は両方をオンする。図１１（Ａ）に示すように、低温側のみ周波数が低下する場合は、スイッチ１２４をオフするとともにスイッチ１２８をオンし、低温側の周波数の低下に合わせてＩｏＬを調整することで、低温側の周波数偏差を精度よく低減させることができる。図１１（Ｂ）に示すように、高温側のみ周波数が低下する場合は、スイッチ１２４をオンするとともにスイッチ１２８をオフし、高温側の周波数の低下に合わせてＩｏＨを調整することで、高温側の周波数偏差を精度よく低減させることができる。図１１（Ｃ）に示すように、低温側も高温側も周波数が低下する場合は、スイッチ１２４とスイッチ１２８をともにオンし、低温側の周波数の低下に合わせてＩｏＬを調整するとともに高温側の周波数の低下に合わせてＩｏＨを調整することで、低温側と高温側の周波数偏差を精度よく低減させることができる。

また、例えば、周波数温度特性の１次成分と２次成分を両方とも補正する必要がある場合は、スイッチ１１９をオンするとともに、スイッチ１２４とスイッチ１２８の一方又は両方をオンする。図１２（Ａ）に示すように、周波数温度特性が外気温度に対して正の傾きを持ち、かつ、低温側も高温側も周波数が低下する場合は、演算増幅器１１４の出力端子とスイッチ１１９の第１端子が接続されるようにスイッチ１１８を設定するとともに、スイッチ１２４とスイッチ１２８をともにオンする。図１２（Ｂ）に示すように、周波数温度特性が外気温度に対して負の傾きを持ち、かつ、低温側も高温側も周波数が低下する場合は、演算増幅器１１７の出力端子とスイッチ１１９の第１端子が接続されるようにスイッチ１１８を設定するとともに、スイッチ１２４とスイッチ１２８をともにオンする。そして、いずれの場合も周波数温度特性の傾きに合わせて可変抵抗１１３の抵抗値を調整し、低温側の周波数の低下に合わせてＩｏＬを調整し、高温側の周波数の低下に合わせてＩｏＨを調整することで、周波数偏差を精度よく低減させることができる。

上述のように、スイッチ１１９、１２４、１２８を独立に制御することで、１次補正回路１１による補正と２次補正回路１２による補正とを、それぞれ有効にするか無効にするかを独立に設定できるので、発振回路３０の出力信号の様々な周波数温度特性の補正に柔軟に対応することができる。

以上に説明したように、本実施形態の発振器によれば、従来のＯＣＸＯと同様に、温度制御回路６０によって恒温槽の内部温度を一定に保つように制御し、さらに、周囲の温度変化に起因して恒温槽の内部温度がわずかに変化しても、１次補正回路１１と２次補正回路１２を含む温度補正回路１０によって発振回路３０の出力信号の周波数を高精度に補正することができる。従って、従来の恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）よりも高い周波数安定性を実現することができる。

また、本実施形態の発振器によれば、１次補正回路１１による補正と２次補正回路１２による補正をそれぞれ有効にするか無効にするかを独立に設定可能なので、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性に合わせて、１次成分のみを補正することもできるし、２次成分のみを補正することもできるし、１次成分と２次成分の両方を補正することもできる。

また、本実施形態の発振器によれば、１次補正回路１１の補正パラメーターと２次補正回路１２の補正パラメーターをそれぞれ独立に設定可能なので、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性を柔軟かつ効果的に補正することができる。

また、本実施形態の発振器によれば、２次補正回路１２に含まれる２つの差動増幅回路の参照信号ＶＬ，ＶＨをそれぞれ調整することで、２次の温度補正の対象となる２つの温度領域をそれぞれ独立に選択することができる。また、定電流源１２３，１２７の電流ＩｏＬ，ＩｏＨをそれぞれ調整することで、ＩＬ，ＩＨの変曲点の傾きを独立に制御することができる。従って、発振回路３０の出力信号の周波数温度特性の２次成分を高精度に補正することができる。

２．電子機器
図１３は、本実施形態の電子機器の機能ブロック図である。また、図１４は、本実施形態の電子機器の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。

本実施形態の電子機器３００は、発振器３１０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０、音出力部３８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図１３の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振器３１０は、動作保証温度範囲で周波数偏差の小さいクロック信号を生成する発振器である。発振器３１０として、上述の本実施形態の発振器１を適用することができる。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、発振器３１０が生成するクロック信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。その他、ＣＰＵ３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部３８０に各種の音を出力させる処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、あるいは有機ＥＬディスプレイ等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部３７０には操作部３３０として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。

音出力部３８０は、スピーカー等の音を出力する装置である。

発振器３１０として上述した本実施形態の発振器１を組み込むことにより、より信頼性の高い電子機器を実現することができる。

このような電子機器３００としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、ノート型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター）、携帯電話機などの移動体端末、ディジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置（例えば、インクジェットプリンター）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。

３．移動体
図１５は、本実施形態の移動体の一例を示す図（上面図）である。図１５に示す移動体４００は、発振器４１０、コントローラー４２０，４３０，４４０、バッテリー４５０、バックアップ用バッテリー４６０を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図１５の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

発振器４１０、コントローラー４２０，４３０，４４０は、バッテリー４５０から供給される電源電圧で動作し、あるいは、バッテリー４５０の電源電圧が低下した場合はバックアップ用バッテリー４６０から供給される電源電圧で動作する。

発振器４１０は、動作保証温度範囲で周波数偏差の小さいクロック信号を生成する発振器である。

コントローラー４２０，４３０，４４０は、発振器４１０が生成するクロック信号を用いてエンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム、姿勢制御システム、横転防止システム等の各種の制御を行う。
例えば、発振器４１０として、上述の本実施形態の発振器１を適用することができ、こ
れにより高い信頼性を確保することができる。

このような移動体４００としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車（電気自動車も含む）、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。

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、図５では、温度補正回路１０の２次補正回路１２が２つの差動増幅回路を含み、２つの異なる温度領域で周波数温度特性の２次成分を補正可能な構成になっているが、２次補正回路１２が３つ以上の差動増幅回路を含み、３つ以上の互いに異なる温度領域で周波数温度特性の２次成分を補正可能な構成としてもよい。このようにすればより柔軟かつ効果的な温度補正が可能となる。

また、例えば、本実施形態では、温度補正回路１０は、１次補正回路１１と２次補正回路１２を備えているが、発振素子２０の周波数温度特性や要求される性能等に応じて、１次補正回路１１あるいは２次補正回路１２を備えていなくてもよい。

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 発振器、２ ケース、３ 部品搭載基板、４ 部品搭載基板、５ ＩＣ、６ 外付け部品、７ 外付け部品、８ 外付け部品、１０ 温度補正回路、１１ １次補正回路、１２ ２次補正回路、１３ 温度センサー、１４ 反転増幅回路、１５ 出力回路、２０ 発振素子、３０ 発振回路、４０ 発熱素子、５０ 感温素子、６０ 温度制御回路、７０ 電圧発生回路、８０ メモリー、１１１ 演算増幅器、１１２ 抵抗、１１３ 可変抵抗、１１４ 演算増幅器、１１５ 抵抗、１１６ 抵抗、１１７ 演算増幅器、１１８
スイッチ、１１９ スイッチ、１２１ トランジスター、１２２ トランジスター、１２３ 定電流源、１２４ スイッチ、１２５ トランジスター、１２６ トランジスター、１２７ 定電流源、１２８ スイッチ、１３１ 抵抗、１３２ ダイオード、１３３ ダイオード、１４１ 抵抗、１４２ 抵抗、１４３ 演算増幅器、１５１ 抵抗、１５２
抵抗、１５３ 演算増幅器、３００ 電子機器、３１０ 発振器、３２０ ＣＰＵ、３３０ 操作部、３４０ ＲＯＭ、３５０ ＲＡＭ、３６０ 通信部、３７０ 表示部、３８０ 音出力部、４００ 移動体、４１０ 発振器、４２０，４３０，４４０ コントローラー、４５０ バッテリー、４６０ バックアップ用バッテリー

Claims (12)

1. 発振素子と、
   前記発振素子を発振させる発振回路と、
   前記発振素子を加熱する発熱素子と、
   前記発熱素子を制御する温度制御回路と、
   前記発振回路の出力信号の周波数温度特性を補正する温度補正回路と、を含む、発振器。
2. 請求項１において、
   前記温度補正回路は、
   前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の１次成分を補正する１次補正回路を含む、発振器。
3. 請求項１又は２において、
   前記温度補正回路は、
   前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の２次成分を補正する２次補正回路を含む、発振器。
4. 請求項１において、
   前記温度補正回路は、
   前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の１次成分を補正する１次補正回路と、前記発振回路の出力信号の周波数温度特性の２次成分を補正する２次補正回路と、を含み、前記１次補正回路の動作と前記２次補正回路の動作とを独立に制御する、発振器。
5. 請求項３において、
   前記１次補正回路による補正と前記２次補正回路による補正とをそれぞれ有効にするか無効にするかを独立に設定できる、発振器。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項において、
   前記２次補正回路の補正パラメーターは、複数の温度領域でそれぞれ独立に設定できる、発振器。
7. 請求項３乃至６のいずれか一項において、
   前記２次補正回路は、
   温度センサーの出力電圧が入力される第１のトランジスターと、参照電圧が入力される第２のトランジスターと、前記第１のトランジスターを流れる電流と前記第２のトランジスターを流れる電流の和を一定に制御する定電流源と、を有する差動増幅回路を含む、発振器。
8. 請求項７において、
   前記差動増幅回路は、
   前記第２のトランジスターに入力される前記参照電圧が可変に設定できる、発振器。
9. 請求項７又は８において、
   前記差動増幅回路は、
   前記定電流源の電流が可変に設定できる、発振器。
10. 請求項７乃至９のいずれか一項において、
    前記２次補正回路は、複数の前記差動増幅回路を含み、
    前記複数の差動増幅回路は、
    前記第２のトランジスターに入力される前記参照電圧が互いに異なっている、発振器。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発振器を含む、電子機器。
12. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発振器を含む、移動体。

Images