JP2015170997A

JP2015170997A - 温度補償型発振デバイス及び温度補償型圧電発振器

Info

Publication number: JP2015170997A
Application number: JP2014044710A
Authority: JP
Inventors: 貴章石川; Takaaki Ishikawa
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】圧電発振器の温度周波数特性を改善する。【解決手段】内部温度を検出し、検出した内部温度に応じた内部温度電圧を出力する内部温度検出部１１と、基準電圧を発生する基準電圧発生部１２と、内部温度電圧が基準電圧よりも高い場合に所定の比較電圧を出力する電圧比較部１３と、外部温度を検出する外部温度センサが接続される外部温度端子１４と、比較電圧と外部温度端子の電圧とに基づいて、発振回路の発振周波数を変化させる可変容量部１８に印加する電圧を補償する補償電圧を発生する補償電圧発生部１７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、温度の変化によらず一定の周波数の発振信号を出力するための温度補償型発振デバイス及び温度補償型圧電発振器に関する。

従来、温度の変化によらず一定の周波数の発振信号を出力することができる温度補償型圧電発振器が知られている。例えば、特許文献１においては、温度センサにより検出された温度に応じて可変容量素子に印加する電圧を制御することにより、温度の変化によらず一定の周波数の発振信号を出力する温度補償型圧電発振器が開示されている。

特開２００４−３５６８７２号公報

しかし、従来の温度補償型圧電発振器においては、可変容量素子に印加する電圧を制御する回路を有するＩＣの外部の温度のみを検出し、外部温度に基づいて可変容量素子の電圧を制御していた。電源を投入後、ＩＣの発熱により温度補償型圧電発振器の温度が上昇する際、ＩＣ内部の温度上昇速度とＩＣに接続された圧電振動子の温度上昇速度とは異なる。さらに、ＩＣ内部の最終到達温度と圧電振動子の最終到達温度との間にも差が生じる。その結果、温度センサにより検出された温度に応じて可変容量素子に印加する電圧を制御したとしても、温度の上昇に伴い、周波数特性が変動してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、圧電発振器の温度周波数特性を改善することができる温度補償型発振デバイス及び温度補償型圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る温度補償型発振デバイスは、内部温度を検出し、検出した前記内部温度に応じた内部温度電圧を出力する内部温度検出部と、基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記内部温度電圧が前記基準電圧よりも高い場合に所定の比較電圧を出力する電圧比較部と、外部温度を検出する外部温度センサが接続される外部温度端子と、前記比較電圧と前記外部温度端子の電圧とに基づいて、発振回路の発振周波数を変化させる可変容量部に印加する電圧を補償する補償電圧を発生する補償電圧発生部と、を備える。

上記の温度補償型発振デバイスは、前記比較電圧以下の電圧を前記内部温度電圧に加算することで加算電圧を生成する加算部をさらに備え、前記補償電圧発生部は、前記加算電圧に基づいて前記補償電圧を発生してもよい。

また、上記の温度補償型発振デバイスは、前記電圧比較部と前記外部温度端子との間に設けられた抵抗をさらに備え、前記加算部は、前記抵抗と前記外部温度端子の電圧との間の電圧を、前記内部温度電圧に加算することで前記加算電圧を生成してもよい。上記の抵抗は、可変抵抗であってもよい。

また、前記可変容量部は、前記補償電圧が印加される第１可変容量素子と、外部から入力される電圧が印加される第２可変容量素子と、を有してもよい。

本発明の第２の態様に係る温度補償型圧電発振器は、上記の温度補償型発振デバイスと、前記外部温度端子とグランドとの間に接続された外部温度センサと、前記可変容量部の容量に基づいて発振周波数が変化する発振信号を発生する発振回路と、を備える。

本発明によれば、圧電発振器の温度周波数特性を改善することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る温度補償型圧電発振器の構成を示す図である。第２の実施形態に係る温度補償型発振デバイスの構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る温度補償型圧電発振器１００の構成を示す図である。温度補償型圧電発振器１００は、温度補償型発振デバイス１と、水晶振動子２と、外部温度センサ３とを備える。水晶振動子２は、温度補償型発振デバイス１に内蔵された発振回路に接続されている。

外部温度センサ３は、例えばサーミスタであり、温度補償型発振デバイス１の外部の温度を検出し、検出した温度に応じて抵抗値が変化する。外部温度センサ３は、水晶振動子２の近傍に配置されている。すなわち、外部温度センサ３は、水晶振動子２の周囲の温度を検出し、水晶振動子２の周囲温度に応じて抵抗値を変化させる。

温度補償型発振デバイス１は、内部温度検出部１１と、基準電圧発生部１２と、電圧比較部１３と、外部温度端子１４と、抵抗１５と、加算部１６と、補償電圧発生部１７と、可変容量部１８と、インバータ１９と、バッファ２０とを有する。また、温度補償型発振デバイス１は、外部温度端子１４の他に、電源端子ＶＤＤ、グランド端子ＶＳＳ、水晶振動子２を接続する端子Ｘ１、Ｘ２、発振信号を出力する出力端子ＯＵＴを有する。また、温度補償型発振デバイス１は、可変容量部１８の容量を変化させるための制御電圧を入力する制御端子ＶＣを有する。

内部温度検出部１１は、温度補償型発振デバイス１の内部温度を検出し、検出した内部温度に応じた内部温度電圧を出力する。内部温度検出部１１は、例えば、一端がプルアップ抵抗を介して電源電圧に接続され、他端がグランドに接続されたサーミスタであり、温度補償型発振デバイス１の内部温度に応じて抵抗値を変化させることで、内部温度に応じた電圧である内部温度電圧を出力する。内部温度検出部１１は、内部温度が高ければ高いほど抵抗値が小さくなり、出力する内部温度電圧が大きくなる。内部温度検出部１１は、内部温度電圧を、電圧比較部１３の正極端子に対して出力するとともに、加算部１６に対して出力する。

基準電圧発生部１２は、基準電圧を発生する。具体的には、基準電圧発生部１２は、常温よりも高い所定の高温（例えば、８０℃）において内部温度検出部１１が出力する内部温度電圧よりも高い基準電圧を発生する。基準電圧発生部１２は、発生した基準電圧を、電圧比較部１３の負極端子に対して出力する。

電圧比較部１３は、正極端子に入力される内部温度電圧と、負極端子に入力される基準電圧とを比較し、内部温度電圧が基準電圧よりも高い場合に所定の比較電圧を出力する。すなわち、電圧比較部１３は、内部温度検出部１１が検出した内部温度が所定の高温よりも低い間は、０Ｖの電圧を出力し、内部温度検出部１１が検出した内部温度が所定の高温以上になると、所定の電圧（例えば、電源電圧）を出力する。

外部温度端子１４には、外部温度を検出する外部温度センサ３が接続される。外部温度センサ３は、外部温度端子１４とグランドとの間に接続されており、外部温度が高ければ高いほど抵抗値が小さくなるので、外部温度が高ければ高いほど外部温度端子１４の電圧が低くなる。

抵抗１５は、電圧比較部１３の出力端子と外部温度端子１４との間に設けられている。外部温度端子１４と抵抗１５との接続点は、加算部１６に接続されている。抵抗１５の抵抗値は外部温度センサ３の抵抗値よりも大きい。外部温度端子１４の電圧は、電圧比較部１３が出力する比較電圧を、抵抗１５の抵抗値と外部温度センサ３の抵抗値との比に基づいて分圧した電圧（以下、分圧電圧という）となる。この分圧電圧が、加算部１６に入力される。

加算部１６は、電圧比較部１３が出力する比較電圧以下の電圧を、内部温度検出部１１が出力する内部温度電圧に加算することで加算電圧を生成する。具体的には、加算部１６は、抵抗１５と外部温度端子１４との間の分圧電圧を内部温度電圧に加算する。

内部温度が所定の高温よりも低い場合、電圧比較部１３が出力する比較電圧は０Ｖなので、分圧電圧も０Ｖとなり、加算電圧は、内部温度電圧と等しい。他方、内部温度が所定の高温以上になると、電圧比較部１３が出力する比較電圧は所定の電圧（例えば、電源電圧）になり、分圧電圧は、抵抗１５の抵抗値と外部温度センサ３の抵抗値との比、及び所定の比較電圧に基づいて定められる値になる。

補償電圧発生部１７は、加算電圧に基づいて、水晶振動子２、可変容量部１８、インバータ１９により構成される発振回路の発振周波数を変化させる可変容量部１８に印加する電圧を補償する補償電圧を発生する。可変容量部１８は、補償電圧発生部１７が出力する電圧に基づいて容量を変化させるバリキャップダイオード１８１と、制御端子ＶＣに印加される制御電圧とに基づいて容量を変化させるバリキャップダイオード１８２とを有する。バリキャップダイオード１８１は、補償電圧発生部１７が出力する電圧に基づいて容量を変化させることで、温度変化に伴う水晶振動子２の周波数特性の変化を補償する。

以下、上記の構成により、外部温度の上昇に伴う水晶振動子２の周波数特性の変化を補償できる原理について説明する。

（低温領域における動作）
例えば、水晶振動子２がＡＴカットの圧電振動子である場合、７０℃未満の低温領域においては、温度が高くなればなるほど水晶振動子２の共振周波数が低くなる傾向にある。この場合、温度が高くなればなるほど、バリキャップダイオード１８１は容量値を小さく変化させることにより、水晶振動子２の周波数変化を補償する必要がある。

低温領域においては、電圧比較部１３が出力する比較電圧は０Ｖなので、内部温度検出部１１が出力する内部温度電圧が補償電圧発生部１７に入力される。内部温度検出部１１が出力する内部温度電圧は、温度が高くなればなるほど大きくなり、バリキャップダイオード１８１に印加される補償電圧も、温度が高くなればなるほど大きくなる。バリキャップダイオード１８１は、印加される逆電圧が大きくなればなるほど容量値が小さくなる。その結果、低温領域においては、内部温度が高くなればなるほどバリキャップダイオード１８１の容量値が小さくなる方向に変化するので、温度補償型発振デバイス１は、温度変化に伴う水晶振動子２の周波数変化を補償することができる。

（高温領域における動作）
水晶振動子２がＡＴカットの圧電振動子である場合、８０℃以上の温度において、温度が高くなればなるほど水晶振動子２の共振周波数が高くなる。この場合、温度が高くなればなるほど、バリキャップダイオード１８１は容量値を大きく変化させることにより、水晶振動子２の周波数変化を補償する必要がある。

ここで、高温領域においては、電圧比較部１３が比較電圧を出力するので、補償電圧発生部１７は、外部温度センサ３の抵抗値に応じた補償電圧を出力することになる。外部温度センサ３は、水晶振動子２の周囲温度が高くなればなるほど抵抗値が小さくなる。したがって、補償電圧発生部１７に入力される電圧及びバリキャップダイオード１８１に印加される補償電圧も、水晶振動子２の周囲温度が高くなればなるほど小さくなる。バリキャップダイオード１８１は、印加される逆電圧が小さくなればなるほど容量値が大きくなる。その結果、高温領域においては、水晶振動子２の周囲温度が高くなればなるほどバリキャップダイオード１８１の容量値が大きくなる方向に変化するので、温度補償型発振デバイス１は、温度変化に伴う水晶振動子２の周波数変化を補償することができる。

このように、本実施形態に係る温度補償型発振デバイス１は、低温領域においても高温領域においても、水晶振動子２の温度特性カーブを補償することができるので、幅広い温度範囲において、安定した周波数の発振信号を出力することができる。

また、抵抗１５の抵抗値を外部温度センサ３の抵抗値よりも大きくすることにより、低温領域から高温領域に移行して電圧比較部１３が比較電圧を出力するようになった時点で、急激に大きな電圧が補償電圧発生部１７に入力されることを防止できる。このようにすることで、補償電圧発生部１７が出力する補償電圧が急激に変化し、発振周波数が不連続的に変化することを防止できる。

＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態に係る温度補償型発振デバイス１の構成を示す図である。温度補償型発振デバイス１は、第１の実施形態に係る温度補償型発振デバイス１における抵抗１５の代わりに可変抵抗２１を有する。また、温度補償型発振デバイス１は、記憶部２２、制御部２３及びデータ入力端子２４を有する点で温度補償型発振デバイス１と異なる。

記憶部２２は、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。記憶部２２は、基準電圧発生部１２が出力する電圧設定テーブルを記憶している。電圧設定テーブルは、基準電圧発生部１２に設定する第１設定値と基準電圧発生部１２が出力する基準電圧とを関連付けたテーブルである。また、記憶部２２は、抵抗値設定テーブルを記憶している。抵抗値設定テーブルは、可変抵抗２１に設定する第２設定値と可変抵抗２１の抵抗値とを関連付けたテーブルである。

制御部２３は、例えばＣＰＵであり、データ入力端子２４から入力される設定データに基づいて基準電圧発生部１２が出力する基準電圧、及び可変抵抗２１の抵抗値を制御する。具体的には、制御部２３は、データ入力端子２４から入力されるコマンドにより指定される基準電圧を基準電圧発生部１２に出力させるべく、記憶部２２を参照して、所定の第１設定値を基準電圧発生部１２に設定する。同様に、制御部２３は、データ入力端子２４から入力されるコマンドにより指定される抵抗値に可変抵抗２１を調整するべく、記憶部２２を参照して、所定の第２設定値を可変抵抗２１に設定する。

このように、本実施形態に係る温度補償型発振デバイス１は、制御部２３が、基準電圧発生部１２が出力する基準電圧、及び可変抵抗２１の抵抗値を調整することができるので、使用する水晶振動子２の種類や用途に応じて、水晶振動子２の温度特性を適切に補償することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記の実施形態においては、水晶振動子が用いられる例について説明したが、水晶振動子以外の圧電振動子であってもよい。また、上記の実施形態においては、補償電圧が印加されるバリキャップダイオード１８１と、制御電圧が印加されるバリキャップダイオード１８２とを有する構成について説明したが、制御電圧と補償電圧とを合成した電圧を生成し、合成電圧をバリキャップダイオードに印加することにより、水晶振動子２の温度特性を補償してもよい。

１温度補償型発振デバイス
２水晶振動子
３外部温度センサ
１１内部温度検出部
１２基準電圧発生部
１３電圧比較部
１４外部温度端子
１５抵抗
１６加算部
１７補償電圧発生部
１８可変容量部
１９インバータ
２１可変抵抗
２２記憶部
２３制御部
２４データ入力端子
１００温度補償型圧電発振器
１８１バリキャップダイオード
１８２バリキャップダイオード

Claims

内部温度を検出し、検出した前記内部温度に応じた内部温度電圧を出力する内部温度検出部と、
基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記内部温度電圧が前記基準電圧よりも高い場合に所定の比較電圧を出力する電圧比較部と、
外部温度を検出する外部温度センサが接続される外部温度端子と、
前記比較電圧と前記外部温度端子の電圧とに基づいて、発振回路の発振周波数を変化させる可変容量部に印加する電圧を補償する補償電圧を発生する補償電圧発生部と、
を備える温度補償型発振デバイス。
前記比較電圧以下の電圧を前記内部温度電圧に加算することで加算電圧を生成する加算部をさらに備え、
前記補償電圧発生部は、前記加算電圧に基づいて前記補償電圧を発生する、
請求項１に記載の温度補償型発振デバイス。
前記電圧比較部と前記外部温度端子との間に設けられた抵抗をさらに備え、
前記加算部は、前記抵抗と前記外部温度端子の電圧との間の電圧を、前記内部温度電圧に加算することで前記加算電圧を生成する、
請求項２に記載の温度補償型発振デバイス。
前記抵抗が、抵抗値を変化可能な可変抵抗である、
請求項３に記載の温度補償型発振デバイス。
前記可変容量部は、前記補償電圧が印加される第１可変容量素子と、外部から入力される電圧が印加される第２可変容量素子と、を有する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の温度補償型発振デバイス。
請求項１から５のいずれか１項に記載の温度補償型発振デバイスと、
前記外部温度端子とグランドとの間に接続された外部温度センサと、
前記可変容量部の容量に基づいて発振周波数が変化する発振信号を発生する発振回路と、
を備える温度補償型圧電発振器。