JP2015119378A - 高安定発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の温度を一定に制御することによって極めて高い周波数安定度を得ることができ、かつ、調整が容易であって安価に製造できる高安定発振器を提供する。
【解決手段】周波数温度特性が相互に異なって熱的に結合した第１の振動子１０及び第２の振動子２０と、第１の振動子１０及び第２の振動子２０が置かれる雰囲気を加熱するヒータ回路５と、第１の振動子１０及び第２の振動子２０にそれぞれ接続されて発振周波数がｆ１及びｆ２である第１の発振回路１０及び第２の発振回路２０と、ｆ１とｆ２との差に基づく値を温度検出値として求める周波数差検出部３と、を設ける。周波数差検出部３の出力に応じてヒータ回路５を駆動し、各振動子１０，２０を一定温度に保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱的に結合した複数の振動子を備えて発振信号を出力する発振器に関し、特に、複数の振動子の共振周波数の差に基づいてこれらの振動子の温度を一定に保つ制御を行い、これによって、発振器の周囲温度に依存せずに高い周波数精度で発信信号を出力できる高安定発振器に関する。

周波数や時間の基準源として、高い周波数安定度が要求される用途には、一般に、水晶振動子と発振回路とを組み合わせた水晶発振器が用いられている。とりわけ高い周波数安定度が要求される場合には、水晶発振器のうち少なくとも水晶振動子を加熱するヒータを設け、ヒータによる温度制御を行って水晶振動子の温度を一定に保つようにした恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ；Oven Controlled Crystal Oscillator）が用いられている。

しかしながら従来のＯＣＸＯでは、特許文献１に示されるように、サーミスタを感温素子（温度センサ）として使用して温度制御を行っている。サーミスタ自体は安価であるものの、サーミスタを用いる温度制御はアナログ制御であってその制御回路における調整箇所が多くなり、また温度制御の最適化に手間がかかり、結果として安価に製造することが難しい、という課題を生じる。ＯＣＸＯにおけるこのような課題を解決するものとして、特許文献２には、周波数温度特性が異なり相互に熱的に結合した第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子と、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子をそれぞれ用いる第１の発振回路及び第２の発振回路と、を設け、第１の発振回路と第２の発振回路との出力周波数の差に応じてヒータによって温度制御を行い、一方の発振回路の出力に基づいて基準周波数を出力するようにした発振器が開示されている。特許文献２の発振器では、デジタル制御によって温度制御を行うようにしており、これにより、調整が容易となって、製品を安価に製造することができる。

また特許文献３には、振動子の温度を一定に保つ制御を行わない発振器として、基準温度での振動子の共振周波数の比がそれらの振動子の周波数温度係数の比の絶対値とは一致しないような第１の振動子及び第２の振動子と、第１の振動子及び第２の振動子をそれぞれ用いる第１の発振回路及び第２の発振回路と、ＰＬＬ（位相ロックループ：Phase Locked Loop）回路を有する周波数シンセサイザ回路あるいは分数逓倍回路からなって第１の発振回路の出力に対して周波数変換（逓倍）を行う周波数変換回路と、周波数変換回路からの信号と第２の発振回路からの信号を混合するミキサ回路と、ミキサ回路の出力から所定の周波数の成分を選択して出力する周波数選択回路と、を設け、周波数選択回路から温度補償がなされた周波数の信号が得られるようにした発振器が開示されている。特許文献３の発振器では、第１の振動子及び第２の振動子として、水晶よりも周波数温度係数の絶対値が大きなものを使用することができる。

特開２００９−２７４９５号公報 特開２０１３−５１６７６号公報 特開２０１３−１５０２４４号公報

追田 武雄，『発振器で沸き立つ「ＭＥＭＳ ｖｓ． 水晶」比較論を水晶発振器メーカーが語る』，日経マイクロデバイス，第268号，pp. 71-76（2007年10月号）

特許文献２に示されるＯＣＸＯは、サーミスタなどを用いることなく、水晶振動子の温度をデジタル制御により一定に保つことができ、高い周波数安定度で基準周波数を出力することができる、しかしながら、第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子は基準周波数の発生と精密な温度制御のために用いられるので、これらの水晶振動子として振動特性が良好であって長期間にわたって安定して動作するものを使用する必要がある。そのような水晶振動子は高価であるので、結局、特許文献２に示すものも十分に安価に製造できるわけではない。

本発明の目的は、振動子の温度を一定に制御することによって極めて高い周波数安定度を得ることができ、かつ、調整が容易であって安価に製造できる高安定発振器を提供することにある。

本発明の高安定発振器は、周波数温度特性が相互に異なって熱的に結合した第１の振動子及び第２の振動子と、第１の振動子及び第２の振動子にそれぞれ接続された第１の発振回路及び第２の発振回路と、第１の振動子の周波数温度特性と第２の振動子の周波数温度特性との差を温度補償情報として用い、第１の振動子及び第２の振動子の少なくとも一方が、ＭＥＭＳ（Microelectromechanical System；微小電気機械システム）技術を用いた振動子であるＭＥＭＳ振動子であることを特徴とする。

そのような本発明の一態様として本発明の高安定発振器は、周波数温度特性が相互に異なって熱的に結合した第１の振動子及び第２の振動子と、第１の振動子及び第２の振動子が置かれる雰囲気を加熱する加熱部と、第１の振動子及び第２の振動子にそれぞれ接続された第１の発振回路及び第２の発振回路と、第１２の発振回路及び第２の発振回路の発振周波数をそれぞれｆ１及びｆ２とし、基準温度における第１の発振回路及び第２の発振回路の発振周波数をそれぞれｆ１ｒ及びｆ２とし、ｆ１とｆ１ｒとの差分に対応する値を第１の値とし、ｆ２とｆ２ｒとの差分に対応する値を第２の値として、第１の値と第２の値との差分値に対応する値を温度検出値として求める周波数差検出部と、第１の振動子及び第２の振動子の置かれる雰囲気の温度として設定された温度設定値と温度検出値との偏差分を算出する減算部と、減算部で算出された偏差分に基づいて、加熱部に供給される電力を制御する回路部と、を有し、少なくとも第１の発振回路の出力を安定度が高い周波数出力として使用でき、第１の振動子及び第２の振動子の少なくとも一方がＭＥＭＳ振動子である。

本発明では、例えば、第１の振動子を水晶振動子とし、第２の振動子をＭＥＭＳ振動子とすることができる。あるいは、第１の振動子及び第２の振動子の双方をＭＥＭＳ振動子とすることもできる。第１の振動子及び第２の振動子の双方をＭＥＭＳ振動子とする場合には、基板と、基板の一方の主面に接合するカバーと、をさらに設けた上で、第１の振動子及び第２の振動子を基板の一方の主面上に設け、第１の振動子及び第２の振動子を囲むように基板の一方の主面に設けられたヒータを加熱部とし、基板とカバーとによって形成される空間内に第１の振動子及び第２の振動子とヒータとが配置するように構成することができる。

ＭＥＭＳ振動子は、水晶振動子よりも小型であって安価に製造することができる、また、ＭＥＭＳ振動子、特に、ポリシリコンや窒化アルミニウム、ゲルマニウムを材料とするＭＥＭＳ振動子は、通常、−３０ｐｐｍ／℃程度の負の大きな周波数温度係数を有するので、感温素子として優れている。とりわけ、ポリシリコンを材料とするＭＥＭＳ振動子は、一般的なＡＴカットの水晶振動子と比べ、振動子としての容量比が１桁程度大きいため、電源電圧変動などの外部変動要因に対して強い、という特徴を有する。したがって本発明は、周波数温度特性が相互に異なって熱的に結合した第１の振動子及び第２の振動子と、第１の振動子及び第２の振動子にそれぞれ接続された第１の発振回路及び第２の発振回路と、第１の振動子の周波数温度特性と第２の振動子の周波数温度特性との差を温度補償情報として用いる発振器において、第１の振動子及び第２の振動子の少なくとも一方にＭＥＭＳ振動子を用いることにより、周波数安定度が高く、かつ安価な高安定発振器を構成することができる、という効果を有する。

本発明の実施の一形態の高安定発振器の構成を示すブロック図である。 周波数差検出部の構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）はＭＥＭＳ振動子の構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線での断面図である。 （ａ）は、２つのＭＥＭＳ振動子を一体のものとして構成した振動子パッケージの構成を示す断面図であり、（ｂ）は、カバーを取り除いた状態での振動子パッケージを示す平面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態の高安定発振器の構成を示している。

図１に示した高安定発振器は、特許文献２に示した水晶発振器と同様の回路構成のものであるが、特許文献２に示すものでは、熱的に結合した２つの振動子としていずれも水晶振動子を用いるのに対し、本実施形態では、熱的に結合した２つの振動子の少なくとも一方にＭＥＭＳ振動子を用いている。ここで「熱的に結合した」とは、２つの振動子を十分に近接して配置するなどして、外部から加熱した時などであっても２つの振動子の間に温度差が生じないようにしたことを意味する。

この高安定発振器は、大別すると、相互に熱的に結合した第１の振動子１０及び第２の振動子２０と、第１の振動子１０及び第２の振動子２０がそれぞれ接続する第１の発振回路１及び第２の発振回路２と、第１の発振回路１からの発振出力の周波数と第２の発振回路２からの発振出力の周波数の差を検出する周波数差検出部３と、周波数差検出部３で検出した周波数差ΔＦに基づいて補正値を算出する補正値演算部４と、第１の発振回路１からの発振出力（高安定度周波数信号）を基準クロックとして用いてこの基準クロックに同期して動作し所望の周波数の信号（出力信号）を外部に出力する周波数シンセサイザと、第１の振動子１０及び第２の振動子２０が置かれる雰囲気の温度を調整するための加熱部であるヒータ回路５と、を備えている。ヒータ回路５は、実際に発熱するヒータと、このヒータを駆動するための駆動回路とからなっている。周波数シンセサイザは、水晶振動子を用いた電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）１００と、電圧制御発振器１００とともにＰＬＬを構成する制御回路部２００とから構成されており、後述するように、第１の発振回路１からの高安定度周波数信号は、制御回路部２００内のＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ；Direct Digital Synthesizer）回路部２０１に与えられている。

第１の振動子１０及び第２の振動子２０は、相互に異なる周波数温度特性を有しており、少なくともその一方がＭＥＭＳ振動子である。第１の振動子１０及び第２の振動子２０の一方のみをＭＳＭＳ振動子とする場合には、第２の振動子２０をＭＥＭＳ振動子とすることが好ましく、その場合、第１の振動子１０は水晶振動子とされる。第１の振動子１０は、第１の発振回路１に接続するための１対の電極１１，１２を備え、第２の振動子２０は、第２の発振回路２に接続するための１対の電極２１，２２を備えている。以下の説明では、第１の発振回路１の出力周波数をｆ１とし、第２の発振回路の出力周波数をｆ２とする。

第１の振動子１０と第２の振動子２０の周波数温度特性が異なることから、後述するように、周波数差検出部３で検出された周波数差ΔＦは、第１の振動子１０及び第２の振動子２０が置かれている雰囲気の温度に対応して変化するものとなる。そこで、周波数差ΔＦに基づいてヒータ回路５によって各振動子１０，２０が置かれている雰囲気を一定に保つような制御を行うことにより、第１の振動子１０及び第１の発振回路１は恒温槽付発振器として機能することになり、第１の発振回路１から周波数安定度が高い高安定度周波数信号が得られることになる。第２の振動子２０及び第２の発振回路２も恒温槽付発振器として機能する。

したがって図１に示す回路は、補正値演算部４や周波数シンセサイザを設けなくても、高安定発振器として機能することになる。しかしながら、第１の発振回路１の出力周波数ｆ１は、各振動子１０，２０の共振周波数とその温度特性とによって決まるため、任意の所望の値に設定することが難しい。また、外部温度の急激な変化があったときにヒータ回路５による温度制御がそれに追従できずに、発振周波数が変動することもある。さらに、ヒータ回路５の不具合などが起こったときにも安定した周波数が得られるようにすることが好ましい。そこで図１に示す回路では、電圧制御発振器１００及び制御回路部２００からなって第１の発振回路１からの高安定度周波数信号を基準クロックとして用いる周波数シンセサイザを設け、さらに、所望の周波数の出力信号を得るために周波数設定を周波数シンセサイザに対して行う際に、周波数差検出部３で検出された周波数差ΔＦ（これは振動子１０，２０の温度に対応している）から補正値を求め、この補正値に基づいて補正した周波数設定を行うことによって、振動子１０，２０の温度によらずに一定の周波数の出力信号が得られるようにしている。すなわち基準クロックとして与えられる高安定度周波数信号における温度特性変動分を補償することにより、極めて周波数安定度が高く、かつ信頼性の高い周波数シンセサイザが構成されたことになる。

周波数シンセサイザの制御回路部２００は、周波数設定値が与えられるとともに基準クロックとして第１の発振回路１からの高安定度周波数信号が供給されるＤＤＳ回路部２０１と、電圧制御発振器（ＶＣＸＯ）１００の出力信号を分周する分周器２０４と、ＤＤＳ回路部２０１の出力と分周器２０４の出力とが入力してこれらの位相比較を行う位相比較部２０５と、位相比較部２０５の出力に設けられたチャージポンプ２０２と、チャージポンプ２０２の出力に設けられたループフィルタ２０６と、を備えており、ループフィルタ２０６の出力が制御電圧として電圧制御発振器１００に供給される。この制御回路部２００では、ＤＤＳ回路部２０１から出力するリファレンス（参照用）クロックと、電圧制御発振器１００の出力を分周器２０４で分周したクロックの位相とが、位相比較部２０５において比較され、その比較結果である位相差がチャージポンプ２０２によりアナログ信号とされる。このアナログ信号は、ループフィルタ２０６を経て電圧制御発振器１００での発振周波数の制御に用いられる。結局、この周波数シンセサイザはＰＬＬからなることとなり、ループフィルタ２０６はＰＬＬの安定動作のために用いられている。目的とする周波数の出力信号を得るために、ＤＳＳ回路部２０１には周波数データ（デジタル値）が入力するが、このとき、基準クロック（高安定度周波数信号）における周波数温度特性を補償するために、ＤＤＳ回路部２０１に入力される周波数データに対し、後述の周波数補正値に対応する信号を加算部６０によって加算している。ＤＤＳ回路部２０１に入力される周波数データを補正することで、基準クロックの温度特性変動分に基づくＤＤＳ回路部２０１の出力周波数の温度変動分がキャンセルされ、結果として温度変動に対して参照用クロックの周波数が安定し、これによって電圧制御発振器１００からの出力周波数が極めて安定することになる。

次に、周波数差検出部３について説明する。

概略的な言い方をすれば、この周波数差検出部３は、ｆ１とｆ２との差分と、Δｆｒとの差分である、ｆ２−ｆ１−Δｆｒを取り出すための回路部である。Δｆｒは、基準温度、例えば２５℃における第１の発振回路１の出力周波数ｆ１と第２の発振回路２の出力周波数ｆ２との差分である。以下、基準温度における第１の発振回路１及び第２の発振回路２の出力周波数をそれぞれｆ１ｒ及びｆ２ｒと表すこととする。ここでΔＦ＝ｆ２−ｆ１−Δｆｒとする。ｆ１とｆ２との差分の一例を挙げれば、例えば数ＭＨｚである。

本発明は、周波数差検出部３により、ΔＦ（＝ｆ２−ｆ１−Δｆｒ）を計算することに依拠している。図１に示す回路の場合、より詳しく言えば、周波数差検出部３で得られる値は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝である。ただし、図面では周波数差検出部３の出力の表示は略記している。

図２は、周波数差検出部３の構成の具体的な一例を示している。周波数差検出部３には、フリップフロップ回路（Ｆ／Ｆ回路）３１が設けられており、フリップフロップ回路３１の一方の入力端に第１の発振回路１からの周波数ｆ１の信号が入力し、他方の入力端に第２の発振回路２から周波数ｆ２の信号が入力する。フリップフロップ回路３１は、第１の発振回路１からの周波数ｆ１の信号により、第２の発振回路２からの周波数ｆ２の信号をラッチする。以下において、記載の冗長を避けるために、ｆ１、ｆ２は、周波数あるいは周波数信号そのものを表しているとして取り扱う。フリップフロップ回路３１は、ｆ１とｆ２との周波数差に対応する値である（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の周波数を有する信号を出力する。

フリップフロップ回路３１の後段には、ワンショット回路３２が設けられ、ワンショット回路３２は、フリップフロップ回路３１から入力するパルス信号での立ち上がりにおいて、ワンショットのパルスを出力する。ワンショット回路３２の後段にはＰＬＬが設けられ、このＰＬＬは、ラッチ回路３３、積分機能を有するループフィルタ３４、減算部３５及びＤＤＳ回路部３６により構成されている。ＤＤＳ回路部３６は、鋸波を出力するように構成されている。ラッチ回路３３は、ＤＤＳ回路部３６から出力された鋸波をワンショット回路３２から出力されるパルスによりラッチするためのものであり、ラッチ回路３３の出力は、ワンショット回路３２からパルスが出力されるタイミング（すなわちフリップフロップ回路３１の出力パルスの立ち上がりのタイミング）における、ＤＤＳ回路部３６からの鋸波の信号レベルとなる。ループフィルタ３４は、この信号レベルである直流電圧を積分し、減算部３５は、この直流電圧をΔｆｒ（基準温度、例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分）に対応する直流電圧から減算する。Δｆｒに対応する直流電圧のデータは、例えば、メモリ３０（図１参照）に格納されている。Δｆｒは、高安定発振器の製造時に各振動子１０，２０の周波数温度測定を実測することによって求めることができる。減算部３５から出力される直流電圧、すなわち、Δｆｒに対応する直流電圧からループフィルタ３４の出力電圧を差し引いた電圧がＤＤＳ回路部３６に入力し、ＤＤＳ回路部３６は、この入力電圧値に応じた周波数の鋸波を出力する。

図２に示す周波数差検出部３の動作の詳細は特許文献２に記載されるところであるが、この回路は本質的にはＰＬＬであり、ＰＬＬがロックした状態を検討すれば、ＤＤＳ回路部３６が出力する鋸波の周波数は、ｆ１とｆ２との周波数差と等しくなっているべきであるから、ループフィルタ３４が出力する直流電圧の値は、ｆ１−ｆ２−Δｆｒに比例したものとなる。

またフリップフロップ回路３１においてｆ２をｆ１によりラッチする動作は非同期であることから、メタステーブルなど不定区間が生じる可能性もあり、ループフィルタ３４の出力には瞬間誤差が含まれる可能性がある。このためループフィルタ３４の出力側に、予め設定した時間における入力値の移動平均を求める平均化回路３７を設け、瞬間誤差が生じても取り除くようにしている。平均化回路３７を設けることにより、最終的に変動温度分の周波数ずれ情報を高精度に取得することができるが、平均化回路３７を設けない構成としてもよい。

周波数差検出部３の出力、すなわち図２に示す平均化回路３７の出力は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝の値をデジタル値、例えば３４ビットのデジタル値で表した値である。デジタル値とするために、不図示のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器を設けてもよいし、あるいは、ＤＤＳ回路部３６として、鋸波の瞬時値をデジタル値として出力するものを使用し、ループフィルタ３４の出力や減算部３４に与えられるΔｆｒの値、ＤＤＳ回路部３６への入力もデジタル値であるようにしてもよい。

ところで、ｆ１ｒ，ｆ２ｒ及びΔｆｒは、基準温度での発振周波数に基づくものであるから、個々の振動子１０，２０に応じて決まる定数であり、温度変化による発振周波数の変化を考える場合には無視できる。すると、周波数差検出部３の出力のうち温度によって変化する成分は、ｆ１−ｆ２あるいは（ｆ２−ｆ１）／ｆ１ということになる。ここで振動子の周波数温度特性が直線的であるとすれば、すなわち、ｆ１及びｆ２が温度に対して直線的に変化するとすれば、ｆ１−ｆ２の値も（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の値も温度に対して直線的に変化することになる。ＭＥＭＳ振動子の場合には周波数温度特性が直線的であることが知られている。また、一般的に３次曲線形状の周波数温度特性を示すとされる水晶振動子においても、温度に対する周波数の極大点と極小点に挟まれた一定の温度範囲では、温度に対して周波数が直線的に変化するとみなすことができる。したがって、周波数差検出部３の出力は、熱的に結合した第１の振動子１０及び第２の振動子２０の温度に対して直線的に変化する値となる。そこで、周波数差検出部３の出力をフィードバックしてヒータ回路５を駆動すれば、各振動子１０，２０の温度を一定に保つことができることになる。

また、ｆ１，ｆ２が温度変化に対して直線的に変化しないとしても、ｆ１−ｆ２あるいは（ｆ２−ｆ１）／ｆ１が温度変化に対して単調に変化するのであれば、周波数差検出部３の出力値は振動子１０，２０の温度を表すものであるということができ、周波数差検出部３の出力をフィードバックしてヒータ回路５を駆動することにより、各振動子１０，２０の温度を一定に保つことができることになる。例えば、第１の振動子１０として、温度変化に対する周波数変化は直線的ではないものの周波数変化の大きさ自体は小さいものを使用し、第２の振動子２０として、温度変化に対して周波数が直線的に大きく変化するものを使用した場合には、ｆ１−ｆ２あるいは（ｆ２−ｆ１）／ｆ１は温度変化に対して単調にほぼ直線的に変化することとなるので、フィードバックによる安定した温度制御を行うことが可能になる。

そこで図１に示した高安定発振器では、周波数差検出部３が出力するデジタル値が入力する減算部６を設け、この減算部６において、周波数差検出部３の出力値からデジタル信号である温度設定値を減算する。温度設定値は例えばメモリ３０に格納されている。第１の振動子１０として水晶振動子を用いる場合には、温度設定値として、水晶振動子の共振周波数が温度変化によっては変動しにくい温度を選択することが好ましい。減算部６の出力には、積分回路に相当するデジタルのループフィルタ６１が設けられている。

さらにループフィルタ６１の後段には、ＰＷＭ（パルス幅変調；Pulse-Width Modulation）内挿部６２が設けられている。ＰＷＭ内挿部６２は、１４ビットのディジタル信号（−２¹³から＋２¹³までの２の補数）を一定時間のパルス信号で表現する変換を行う。例えば、Ｈレベル（高レベル）であるパルス（これを「Ｈパルス」と称する）の最小のパルス幅が１０ｎｓｅｃの場合には、２¹⁴＊１０^-9＝１６．３８４ｍｓｅｃを一定時間とし、その間のパルスの個数でデジタル信号を表現する。具体的には次のように表される。１４ビットのディジタル値がゼロのときには、１６．３８４ｍｓｅｃ間のＨパルス数は２¹³個である。１４ビットのディジタル値が−２¹³のときには、１６．３８４ｍｓｅｃ間のＨパルス数はゼロ個である。１４ビットのディジタル値が２¹³−１のときには、１６．３８４ｍｓｅｃ間のＨパルス数は２¹⁴−１個である。

ＰＷＭ内挿部６２の後段には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６３が設けられ、ＰＷＭ内挿部６２からの出力を平均化して当該出力であるパルス数に応じた直流電圧を出力する。すなわちこの例では、ＰＷＭ内挿部６２及びローパスフィルタ６３は、デジタル値をアナログ値に変換するためのものであり、これらを用いることに代えてＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器を用いてもよい。

ローパスフィルタ６３の出力は、ヒータを備えるヒータ回路５に入力する。上述したようにヒータ回路５は、実際に振動子１０，２０が置かれている雰囲気を加熱するためのヒータと、このヒータを駆動するための駆動回路とから構成されている。このように周波数差検出部３の出力に基づいてヒータが駆動されるようにすることによって、相互に熱的に結合した第１の振動子１０及び第２の振動子２０の温度が、温度設定値に保たれるようになる。その結果、各発振回路１，２から出力される発振周波数、特に、第１の発振回路１から出力される高安定度周波数信号の周波数は、高い安定度を有するようになる。

本実施形態の高安定発振器では、上述したように、基準クロックとして第１の発振回路１から制御回路部２００に供給される高安定度周波数信号の温度補償も行えるようになっている。したがってこの高安定発振器は、電圧制御発振器１００及び制御回路部２００からなる周波数シンセサイザの部分も含めれば、全体として、恒温槽付発振器と温度補償発振器とを組み合わせたものになる。温度補償は、周波数差検出部３からの出力値に基づいて補正値演算部４により補正値を算出し、算出した補正値を加算部６０によって周波数設定値に加算し、補正値が加算された周波数設定値を制御回路部２００内のＤＤＳ回路部２０１に設定することによって行われる。電圧制御発振器１００が出力すべき信号の周波数設定値はメモリ３０に格納されている。また、補正値演算部４は、メモリ３０に格納された補正パラメータに基づいて、周波数差検出部３が出力する値ΔＦから補正値を演算する。例えば、補正値演算部４は、周波数差検出部３が出力する値を変数とし、補正パラメータを係数とする多項式演算を行って、補正値を演算する。補正パラメータは、高安定発振器の製造時に振動子１０，２０の周波数温度特性を実測することによって決定することができる。

次に、本実施形態の高安定発振器において用いられるＭＥＭＳ振動子について説明する。

半導体装置製造技術の微細化に伴って、任意形状の微小な構造体を基板上に製造できるようになってきており、このような技術をＭＥＭＳ（Microelectromechanical Systems；微小電気機械システム）技術と呼ぶ。ＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳ技術に基づいて開発され製造される振動子であり、例えば、非特許文献１に記載されるように、シリコンやゲルマニウムなどの半導体、あるいはＡｌＮ（窒化アルミニウム）などの圧電体を例えば数μｍ〜数十μｍのサイズで微細かつ高精度に加工し、これにさらに電極などを配置して、振動子として構成したものである。

図３は、シリコン半導体からなるＭＥＭＳ振動子の一例を示すものであって、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）でのＸ−Ｘ線での断面図である。図３に示すＭＥＭＳ振動子は、半導体装置製造技術を使用し、シリコン基板７０上に、直径数十μｍの円板をその直径方向に延びる２本の梁７１，７２で保持した形状にシリコン層を加工した共振子７３と、その共振子７３に対して極めて近接して設けられた４個の電極７４〜７７と、を設けたものである。共振子７３はシリコン基板７０の表面には接しておらず、シリコン基板７０の表面と共振子７３の図示下面との間には、数十ｎｍ〜数百ｎｍの空隙が存在する。２本の梁７１，７２は、円板に形成された共振子７３本体に対する可動部として機能し、共振子７３本体の輪郭系振動を阻害することなく共振子７３本体を支持する。電極７４〜７７は、共振子７３本体の外周を４等分する位置の各々において、共振子７３の外周面に対して例えば１００ｎｍのギャップを介して配置されており、各電極７４〜７７と共振子７３本体との間には静電容量が形成されることになる。

共振子７３の１つの直径の両端に位置する電極７４及び電極７６は、シリコン基板４０上に形成された配線７８を介して相互に電気的に接続する。同様に、もう１組の電極７５及び７７もシリコン基板７０上に形成された配線７９を介して相互に電気的に接続する。配線７８に接続する電極７４，７６が、全体として、図１に示す高安定発振器の振動子１０（または２０）における一方の電極１１（または２１）として機能し、もう一方の配線７９に接続する電極７５，７７が、全体として、他方の電極１１（または２２）として機能する。

このようなＭＥＭＳ振動子では、電極を介して共振子を静電駆動すれば共振子がその固有の機械的共振周波数で振動し、振動によって共振子と電極との間隔が微小に変化して静電容量が共振周波数で周期的に変化し、これに伴って電極電位も共振周波数で振動する。したがって、このようなＭＥＭＳ振動子を発振回路に組み込むことによって、ＭＥＭＳ振動子の共振周波数に一致する信号を出力する発振器、すなわちＭＥＭＳ発振器が得られることになる。

ＭＥＭＳ振動子は、半導体装置製造技術だけを用いて製造できるので小型化が容易であって低コストでの製造が可能であり、堅牢性に優れ、また、接着剤を用いて共振子を容器に固着させる必要もないので長期安定度に優れることになる。水晶振動子では水晶片を容器内に保持するために一般的に導電性接着剤を使用するので、接着剤の経年変化に伴なって特性が変化する可能性がある。したがって、長期安定度の面では、ＭＥＭＳ振動子は水晶振動子よりも魅力的である。しかしながらＭＥＭＳ振動子では、温度によるその共振周波数の変化率として表される周波数温度特性において、二次以上の高次の温度係数は無視できるものの、一次の温度係数の絶対値が例えば水晶振動子などと比べて極端に大きいという特徴を有する。そのため、振動子として単一のＭＥＭＳ振動子のみを使用する発振器においては、温度補償をどのように行うかが課題となる。特に、ＭＥＭＳ振動子としてシリコンなどの非圧電性材料を用いた場合、振動子の等価回路における直列等価容量が極端に小さいため、振動子に接続される負荷容量の値を変化させても出力周波数はほとんど変化せず、したがって、負荷容量値を周囲温度に応じて変化させることによって周波数温度特性を補償するという手法を採用することができない。

そこで本実施形態の高安定発振器では、熱的に結合した第１の振動子１０及び第２の振動子２０という２つの振動子を用いることとして、少なくともその一方をＭＥＭＳ振動子とし、さらに振動子間での周波数温度特性の相違に基づいて振動子の温度を検出し、検出された温度に基づいて振動子温度の制御や出力周波数の温度補償を行うようにしている。その結果、本実施形態によれば、ＭＥＭＳ振動子の特徴を生かしながら、周囲温度の変化によらず周波数安定度が高い高安定発振器を得ることができる。

ＭＥＭＳ振動子において周波数温度係数を変化させるためには、例えばＭＥＭＳ振動子がシリコン材料で構成されている場合であれば、振動子の表面に温度補償用材料としてシリコン酸化膜を設け、このシリコン酸化膜の厚さを制御する方法を用いることができる。

本実施形態の高安定発振器において、第１の振動子１０及び第２の振動子の両方にＭＥＭＳ振動子を用いる場合、２つのＭＥＭＳ振動子を一体のものとして構成した振動子パッケージを用いることができる。図４はそのような振動子パッケージの構成を示すものであって、（ａ）は振動子パッケージの断面図であり、（ｂ）はカバーを取り除いた状態でのこの振動子パッケージの平面図である。図４（ａ）に示す断面図は、カバー８１を示しているが、図４（ｂ）でのＹ−Ｙ線での断面に対応するものである。

略矩形のシリコン基板８０の一方の主面（図示上面）のほぼ中央部に、２つのＭＥＭＳ振動子８２，８３が並んで配置している。ＭＥＭＳ振動子８２，８３は、いずれも、図３に示したものと同様に、円板状の共振子８５と、共振子８５に近接して設けられる４個の電極８６とを備えるものである。図４では、図面を見やすくするため、電極８６に接続する配線や、この配線を外部に引き出すためのビアホールなどは示されていない。

シリコン基板８０の一方の主面には、さらに、第１のＭＥＭＳ振動子８２及び第２のＭＥＭＳ振動子８３を囲むようにヒータ８７が設けられている。このヒータ８７は、通電することによって発熱するものであり、このヒータ８７を駆動するための駆動回路に電気的に接続することによって、駆動回路とともに図１に示したヒータ回路５を構成する。ヒータ８７も、半導体装置製造技術によってシリコン基板８０上に形成することができる。凹状の形状に形成されたカバー８１は、基板８０の一方の主面の周縁部に対して接合し、これによって、基板８０の一方の主面とカバー８１とに囲まれた密閉空間が形成される。ＭＥＭＳ振動子８２，８３とヒータ８７は、この密閉空間内となる位置に配置している。

図４に示した振動子パッケージは、２つのＭＥＭＳ振動子８２，８３を単一のシリコン基板８０上に一体のものとして形成し、さらに、ＭＥＭＳ振動子８２，８３に近接してシリコン基板８０上にヒータ８７を設けているので、２つのＭＥＭＳ振動子８２，８３の相互の熱的結合が十分となって２つのＭＥＭＳ振動子８２，８３が同一の温度となり、かつ、ヒータ８７によって、タイムラグなしで、精度よくこれらのＭＥＭＳ振動子８２，８３の温度を制御できるようになる。またこの振動子パッケージは、全体として極めて小型にすることができるので、耐衝撃性や耐振動性などに優れた、極めて堅牢なものとすることができる。

以上、本発明の実施の一形態の高安定発振器において、周波数差検出部３のＤＤＳ回路部３６から出力される信号は、鋸波信号に限定されるものではなく、時間とともに信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号であればよい。ＤＤＳ回路部３６からの信号は、例えば正弦波信号であってもよい。また周波数差検出部３としては、ｆ１とｆ２とをカウンタによりカウントし、そのカウント値の差分値からΔｆｒに相当する値を差し引いて、得られたカウント値に対応する値を出力するように構成されたものを用いてもよい。

１…第１の発振回路； ２…第２の発振回路； ３…周波数差検出部； ４…補正値演算部； ５…ヒータ； ６，３５…減算部； １０…第１の振動子； ２０…第２の振動子； ３０…メモリ； ３１…フリップフロップ回路； ３２…ワンショット回路； ３３…ラッチ回路； ３４，６１，２０６…ループフィルタ； ３６，２０１…ＤＤＳ回路部； ６０…加算部； ６２…ＰＷＭ内挿部； ６３…ローパスフィルタ； ７０，８０…シリコン基板； ７１，７２…梁； ７３，８５…共振子； ７４〜７７，８６…電極；７８，７９…配線； ８１…カバー； ８２，８３…ＭＥＭＳ振動子； ８７…ヒータ； １００…電圧制御発振器； ２００…制御回路部； ２０２…チャージポンプ； ２０４…分周器； ２０５…位相比較部。

Claims (8)

1. 周波数温度特性が相互に異なって熱的に結合した第１の振動子及び第２の振動子と、
   前記第１の振動子及び第２の振動子が置かれる雰囲気を加熱する加熱部と、
   前記第１の振動子及び第２の振動子にそれぞれ接続された第１の発振回路及び第２の発振回路と、
   前記第１の発振回路及び第２の発振回路の発振周波数をそれぞれｆ１及びｆ２とし、基準温度における前記第１の発振回路及び第２の発振回路の発振周波数をそれぞれｆ１ｒ及びｆ２とし、ｆ１とｆ１ｒとの差分に対応する値を第１の値とし、ｆ２とｆ２ｒとの差分に対応する値を第２の値として、前記第１の値と前記第２の値との差分値に対応する値を温度検出値として求める周波数差検出部と、
   前記第１の振動子及び第２の振動子の置かれる雰囲気の温度として設定された温度設定値と前記温度検出値との偏差分を算出する減算部と、
   前記減算部で算出された前記偏差分に基づいて、前記加熱部に供給される電力を制御する回路部と、
   を有し、
   少なくとも前記第１の発振回路の出力を安定度が高い周波数出力として使用でき、
   前記第１の振動子及び第２の振動子の少なくとも一方がＭＥＭＳ振動子である、高安定発振器。
2. 前記第１の振動子が水晶振動子であり、前記第２の振動子がＭＥＭＳ振動子である、請求項１に記載の高安定発振器。
3. 前記第１の振動子及び第２の振動子はいずれもＭＥＭＳ振動子である、請求項１に記載の高安定発振器。
4. 基板と、前記基板の一方の主面に接合するカバーと、をさらに備え、
   前記第１の振動子及び第２の振動子は、前記基板の前記一方の主面上に設けられ、
   前記加熱部は、前記第１の振動子及び第２の振動子を囲むように前記基板の前記一方の主面に設けられたヒータであり、
   前記基板と前記カバーとによって形成される空間内に前記第１の振動子及び第２の振動子と前記ヒータとが配置している、請求項３に記載の高安定発振器。
5. 前記ＭＥＭＳ振動子を構成する材料は、ポリシリコン、窒化アルミニウム及びゲルマニウムのうちの１つ以上を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高安定発振器。
6. 前記第１の発振回路の出力に同期して動作する第３の発振回路をさらに備え、
   前記温度検出値と周波数補正値との関係に基づいて前記第３の発振回路の周波数設定値を補正する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高安定発振器。
7. 前記第１の値と前記第２の値の前記差分値に対応する値は、｛（ｆ２−ｆ２ｒ）／ｆ２ｒ｝−｛（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の高安定発振器。
8. 前記周波数差検出部は、
   ｆ１とｆ２との差分に対応する周波数のパルスを作成するパルス作成部と、
   入力された直流電圧の大きさに応じた周波数で時間とともに信号値が増加及び減少を繰り返す周波数信号を出力するＤＤＳ回路部と、
   該ＤＤＳ回路部から出力された周波数信号を前記パルス作成部において作成されたパルスによりラッチするラッチ回路と、
   該ラッチ回路おいてラッチされた信号値を積分して積分値を前記差分値に対応する値として出力するループフィルタと、
   該ループフィルタの出力と、ｆ１ｒとｆ２ｒとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記ＤＤＳ回路部に入力値とする減算部と、
   を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の高安定発振器。

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