JP2017034620A - 発振器、電子機器および基地局 - Google Patents

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Abstract

【課題】消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることが可能な発振器を提供する。【解決手段】発振器1は、振動子2と、複数の温度制御素子(第1発熱素子4、第2発熱素子6)と、振動子2が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に温度制御素子の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制する制御回路33と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、発振器、電子機器および基地局に関する。
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には、第1の恒温槽と、第1の恒温槽内に設けられる第2の恒温槽と、第1の恒温槽内の温度を検出する感温素子と、感温素子で検出された温度に基づいて第1の恒温槽内のヒーターを制御して第1の恒温槽内の温度を制御する第1の温度制御回路と、第2の恒温槽内に設けられる第1の振動子及び第2の振動子と、第1の振動子と第2の振動子との発振周波数の差を検出する周波数差検出部と、検出された周波数の差に基づいて第2の恒温槽内のヒーターを制御して第2の恒温槽内の温度を制御する第2の温度制御回路と、を有する恒温槽型水晶発振器が記載されている。特許文献1に記載の発振器によれば、第1の振動子と第2の振動子は、温度に対する周波数特性が異なり、第1の温度制御回路が、第1の振動子と第2の振動子との振動子温度に対する発振周波数の差が1対1に対応する温度領域で温度制御を行うようにすることで、外気温に対する周波数安定度の高い、SC/ITカット等の2回転系カットを使用することができ、周波数に対する温度特性を改善することができる。
特開2015−041940号公報
しかしながら、特許文献1に記載の発振器のように、複数のヒーターを備える恒温槽型発振器では、特に起動時に消費電力が増大し、使用可能な消費電力を超えてしまうおそれがあった。
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、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることが可能な発振器を提供することができる。また、本発明のいくつかの態様によれば、当該発振器を用いた電子機器又は基地局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、発振源と、複数の温度制御素子と、前記発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に前記温度制御素子の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制する制御部と、を備える、発振器。
発振源は、例えば、水晶振動子などの各種の振動子であってもよいし、セシウムやルビジウム等の原子が封入されたガスセルであってもよい。
温度制御素子は、発熱素子であってもよいし、吸熱素子であってもよい。温度制御素子は、例えば、パワートランジスター、抵抗、ペルチェ素子などであってもよい。
「前記発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間」は、前記発振源が動作を開始した直後を含む連続した期間であってもよい。
本適用例に係る発振器によれば、発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に、複数の温度制御素子のすべてに同時に大電流が流れることを回避することができるため、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
[適用例2]
上記適用例に係る発振器において、前記制御部は、前記発振源が動作を開始してから前記設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に前記温度制御素子の少なくとも1つにおいて消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記少なくとも1つの温度制御素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に、複数の温度制御素子の少なくとも1つに大電流が流れることを回避することができるため、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
[適用例3]
上記適用例に係る発振器において、前記制御部は、前記少なくとも1つの温度制御素子には前記期間に電流を流さないように制御してもよい。
「電流を流さないように制御する」とは、リーク電流等の小電流が流れることは許容する趣旨である。
本適用例に係る発振器によれば、発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に、複数の温度制御素子の少なくとも1つには電流が流れないので、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[適用例4]
上記適用例に係る発振器は、前記発振源である振動子を収容する第1容器と、前記第1容器を収容する第2容器と、を備え、前記複数の温度制御素子が、前記第1容器の内部の温度を制御する第1発熱素子と、前記第2容器の内部の温度を制御する第2発熱素子と、を含み、前記制御部は、前記期間に前記第2発熱素子において消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記第2発熱素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、振動子が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に、第1発熱素子に相対的に大きな電流が流れても、第2発熱素子に流れる電流が相対的に小さいため、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
[適用例5]
上記適用例に係る発振器は、前記第1容器の内部の温度を検出する第1温度センサーをさらに備え、前記制御部は、前記第1温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記期間を設定してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、第1容器の内部の温度に応じて、第2発熱素子において消費される電流を制限すべき期間を可変に制御するので、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[適用例6]
上記適用例に係る発振器は、前記第1容器の内部の温度を検出する第1温度センサーと、前記第1温度センサーによって検出された温度と前記設定温度との差分が設定された範囲に含まれるか否かを示す判定信号を出力する判定部と、をさらに備え、前記制御部は、前記判定信号に基づいて、前記期間を設定してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、第1容器の内部温度と設定温度との差分に応じて、第2発熱素子において消費される電流を制限すべき期間を可変に制御するので、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[適用例7]
上記適用例に係る発振器は、前記発振源である振動子を収容する第1容器と、前記第1容器を収容する第2容器と、を備え、前記複数の温度制御素子が、前記第1容器の内部の温度を制御する第1発熱素子と、前記第2容器の内部の温度を制御する第2発熱素子と、を含み、前記制御部は、前記期間に前記第1発熱素子において消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記第1発熱素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、振動子が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に、第2発熱素子に相対的に大きな電流が流れても、第1発熱素子に流れる電流が相対的に小さいため、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
[適用例8]
上記適用例に係る発振器は、前記第2容器の内部の温度を検出する第2温度センサーをさらに備え、前記制御部は、前記第2温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記期間を設定してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、第2容器の内部温度に応じて、第1発熱素子において消費される電流を制限すべき期間を可変に制御するので、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[適用例9]
上記適用例に係る発振器において、前記制御部は、前記発振源の発振周波数を測定し、測定された前記発振周波数に基づいて、前記期間を設定してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、一般に発振源の発振周波数が第1容器の内部温度と相関があることに着目し、発振源の発振周波数に応じて、第1発熱素子又は第2発熱素子において消費される電流を制限すべき期間を可変に制御するので、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[適用例10]
上記適用例に係る発振器において、前記制御部は、前記発振源が動作を開始してからの経過時間を測定し、測定された前記経過時間に基づいて、前記期間を設定してもよい。
本適用例に係る発振器によれば、一般に発振源が動作を開始してからの経過時間が長いほど第1発熱素子の発熱による第1容器の内部温度の上昇又は第2発熱素子の発熱による第2容器の内部温度の上昇が大きいことに着目し、経過時間に基づいて、第1発熱素子又は第2発熱素子において消費される電流を制限すべき期間を固定することにより、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれをより確実に低減させることができる。
[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備えている。
[適用例12]
本適用例に係る基地局は、上記のいずれかの発振器を備えている。
これらの適用例によれば、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることが可能な発振器を用いるので、例えば、誤動作が生じにくく、信頼性の高い電子機器及び基地局を実現することも可能である。
本実施形態の発振器の断面図の一例。 第1実施形態の発振器の機能ブロック図。 第1実施形態の発振器による発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図。 図3の手順で発熱制御を行う場合に、第1発熱素子の電流、第2発熱素子の電流、第1容器の内部温度、第2容器の内部温度及び振動子の発振周波数の時間変化の様子を示す図。 第1実施形態の発振器による発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図。 図5の手順で発熱制御を行う場合に、第1発熱素子の電流、第2発熱素子の電流、第1容器の内部温度、第2容器の内部温度及び振動子の発振周波数の時間変化の様子を示す図。 第2実施形態の発振器の機能ブロック図。 第2実施形態の発振器による発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図。 第2実施形態の発振器による発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図。 第3実施形態の発振器の機能ブロック図。 第3実施形態の発振器による発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図。 第3実施形態の発振器による発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図。 第4実施形態の発振器の機能ブロック図。 第4実施形態の発振器による発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図。 変形例の発振器の断面図の一例。 本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図。 本実施形態の基地局の概略構成の一例を示す図。
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
1−1.第1実施形態
図1は、本実施形態の発振器の断面図の一例である。また、図2は、第1実施形態の発振器1の機能ブロック図である。本実施形態の発振器1は、恒温槽型発振器であり、例えば、恒温槽型水晶発振器(OCXO)であってもよい。
図1に示すように、発振器1は、振動子2(発振源の一例)、集積回路(IC:Integrated Circuit)3、第1発熱素子4(温度制御素子の一例)、第1温度センサー5、第2発熱素子6(温度制御素子の一例)、第2温度センサー7、第1容器10及び第2容器20を含んで構成されている。また、本実施形態の発振器1は、電子部品8(抵抗、コンデンサー、コイル等)を含んでもよい。
第2容器20は、基板21とケース22が接着されることによって構成されている。第2容器20の内部空間には、基板21と対向して部品搭載基板9が設けられており、第2発熱素子6、第2温度センサー7及び電子部品8は、基板21と対向する部品搭載基板9の下面に搭載されることにより第2容器20の内部空間に収容されている。
また、部品搭載基板9の上面には、第1容器10が搭載されている。そして、振動子2、集積回路(IC)3及び第1温度センサー5は、部品搭載基板11の上面に搭載され、第1発熱素子4は、部品搭載基板11の下面に搭載されることにより第1容器10の内部空間に収容されている。
振動子2、第1発熱素子4、第1温度センサー5、第2発熱素子6、第2温度センサー7及び電子部品8の各端子は、それぞれ集積回路(IC)3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。また、集積回路(IC)3の一部の端子は、第2容器20の表面に設けられた外部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。
振動子2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、振動子2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)振動子などを用いてもよい。振動子2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、またはシリコン半導体材料等を用いることができる。また、振動子2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。
第1発熱素子4及び第2発熱素子6(複数の温度制御素子の一例)は、発熱可能な素子であればよく、電流を流すことで発熱する素子、例えば、抵抗、パワーンジスター、ペルチェ素子などであってもよい。
第1温度センサー5及び第2温度センサー7は、例えば、サーミスター(NTCサーミスター(Negative Temperature Coefficient)、PTC(Positive Temperature Coefficient)サーミスターなど)、白金抵抗、半導体のバンドギャップを利用した温度検出回路などであってもよい。
集積回路(IC)3は、振動子2を発振させて発振信号を生成し、当該発振信号を第2容器20の表面に設けられた不図示の外部端子に出力する。また、集積回路(IC)3は、第1発熱素子4の発熱を制御するとともに、第2発熱素子6の発熱を制御する。
図2に示すように、集積回路(IC)3は、発振回路31、出力回路32及び制御回路33(制御部の一例)を含んで構成されている。ただし、集積回路(IC)3は、これらの構成要素の一部を省略または変更し、あるいは他の構成要素を追加した構成としてもよい。
発振回路31は、振動子2及び電子部品8(例えば、発振用のコンデンサー)と接続され、振動子2を発振させて発振信号を生成する。振動子2、発振回路31及び電子部品8により構成される回路は、例えば、ピアース発振回路、インバーター型発振回路、コルピッツ発振回路、ハートレー発振回路などの種々の発振回路であってもよい。
出力回路32は、発振回路31が生成した発振信号を、第2容器20の表面に設けられた外部端子に出力する。出力回路32は、例えば、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)回路、PECL(Positive Emitter Coupled Logic)回路、LVPECL(Low Voltage PECL)回路等の差動出力回路であってもよいし、シングルエンドの出力回路であってもよい。また、出力回路32は、発振回路31が生成した発振信号を分周し、分周された発振信号を出力してもよい。
制御回路33は、第1温度センサー5の出力信号及び第2温度センサー7の出力信号が入力され、第1発熱素子4の発熱を制御する第1制御信号及び第2発熱素子6の発熱を制御する第2制御信号を出力する。
具体的には、制御回路33は、振動子2が動作を開始してから設定温度(第1設定温度Tset1)に到達するまでの少なくとも一部の期間(以下、「起動期間」という)に第1発熱素子4及び第2発熱素子6の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制する。例えば、制御回路33は、第1発熱素子4及び第2発熱素子6の少なくとも1つには起動期間に電流を流さないように制御してもよい。ただし、制御回路33が電流を流さないように制御した第1発熱素子4又は第2発熱素子6にリーク電流等の意図しない小電流が流れることは許容してもよい。
制御回路33は、第1温度センサー5によって検出された温度に基づいて、起動期間を設定し、当該起動期間に第2発熱素子6において消費される電流の増加を抑制(例えば、電流を流さないように制御)してもよい。あるいは、制御回路33は、第2温度センサー7によって検出された温度に基づいて、起動期間を設定し、当該起動期間に第1発熱素子4において消費される電流の増加を抑制(例えば、電流を流さないように制御)してもよい。
また、制御回路33は、起動期間が終了した後は、第1温度センサー5の出力信号に基づいて、第1容器10の内部空間が第1設定温度Tset1付近に保たれるように第1発熱素子4の発熱を制御する。同様に、制御回路33は、起動期間が終了した後は、第2温度センサー7の出力信号に基づいて、第2容器20の内部空間が第2設定温度Tset2付近に保たれるように第2発熱素子6の発熱を制御する。第2設定温度Tset2は、第1設定温度Tset1と同じ温度であってもよいし、第1設定温度Tset1と異なる温度であってもよい。
このように、第1容器10は第1恒温槽(第1オーブン)として機能し、第1容器10の内部温度が第1設定温度Tset1に保たれることにより、温度変化により生じる振動子2の発振周波数の変動を小さくすることができる。また、第2容器20は第2恒温槽(第2オーブン)として機能し、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2に保たれることにより、温度変化により生じる振動子2の発振周波数の変動を小さくすることができる。
第1設定温度Tset1は、振動子2の発振周波数がピークとなる温度であってもよい。例えば、振動子2がSCカットの水晶振動子であれば、発振器1の動作が保証される周囲温度の範囲(例えば、−40℃から+85℃の範囲)において、振動子2の周波数温度特性は、温度を変数とする2次の曲線を描くため、第1設定温度Tset1は当該2次曲線の頂点に対応する温度であってもよい。また、振動子2がATカットの水晶振動子であれば、振動子2の周波数温度特性は、温度を変数とする3次の曲線を描くため、第1設定温度Tset1は当該3次曲線のいずれかの頂点に対応する温度であってもよい。このように、第1設定温度Tset1を振動子2の発振周波数がピークとなる温度とすることにより、振動子2の温度が第1設定温度Tset1付近で多少変動しても振動子2の発振周波数がほとんど変化しないので、制御回路33による第1発熱素子4の発熱制御が容易になる。
図3は、第1実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図である。
図3の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、第2発熱素子6の電流を制限する(S10)。例えば、制御回路33は、第2発熱素子6に電流が流れないように制御する。
また、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1発熱素子4の電流を制御する(S12)。例えば、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1よりも低いと判断した場合は、第1発熱素子4に、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度(振動子2の温度)との差に応じた電流を流すように制御し、これにより、第1発熱素子4を発熱させる。また、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1よりも高いと判断した場合は、第1発熱素子4に電流を流さないように制御し、これにより、第1発熱素子4の発熱を停止させる。
次に、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が所定の温度範囲にあるか否かを判断する(S14)。ここで、所定の温度範囲は、あらかじめ、第1設定温度Tset1や発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、所定の温度範囲は、第1設定温度Tset1に対して±数℃の範囲(例えば、振動子2の発振周波数が目標周波数Ftargetに対して±数ppmとなる温度範囲)であってもよいし、発振器1の起動時(電源投入時)の周囲温度が必ず第1設定温度Tset1よりも低いのであれば、第1設定温度Tset1よりも数℃低い温度以上の範囲としてもよい。
制御回路33は、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が所定の温度範囲になければ(S14のN)、工程S10及び工程S12の制御を継続し、工程S14の判断を再び行う。
また、制御回路33は、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が所定の温度範囲にあれば(S14のY)、第2発熱素子6の電流制限を解除し(S16)、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2発熱素子6の電流を制御する(S18)。例えば、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2よりも低いと判断した場合は、第2発熱素子6に、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差に応じた電流を流すように制御し、これにより、第2発熱素子6を発熱させる。また、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2よりも高いと判断した場合は、第2発熱素子6に電流を流さないように制御し、これにより、第2発熱素子6の発熱を停止させる。
そして、制御回路33は、工程S12以降の処理を繰り返す。
この図3のフローチャートでは、工程S10〜工程S14が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、第1温度センサー5によって検出された温度(第1容器10の内部温度)に基づいて、起動期間を設定する。
図4は、制御回路33が図3の手順で発熱制御を行う場合に、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子を示す図である。図4の例では、発振器1の起動時(電源投入時)を時刻0としている。また、図4の例では、振動子2は、2次の周波数温度特性を有するSCカットの水晶振動子であり、例えば、80℃付近で発振周波数がピークとなる。また、発振器1の起動時(電源投入時)の周囲温度は、例えば25℃付近であり、第1設定温度Tset1及び第2設定温度Tset2は、ともに例えば80℃付近(振動子2の発振周波数がピークとなる温度付近)である。
図4の例では、制御回路33は、時刻0から、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1発熱素子4の電流を制御している(図3の工程S12)。発振器1の起動時(電源投入時)の第1容器10の内部温度と第2容器20の内部温度はともに発振器1の周囲温度(例えば25℃付近)に近い温度である。従って、第1容器10の内部温度は第1設定温度Tset1よりも低く、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度との差も大きいことから、時刻0において第1発熱素子4に大きな電流I1が流れている。また、振動子2の発振周波数は、目標周波数Ftargetよりも低い。
その後、第1発熱素子4の発熱により第1容器10の内部温度が上昇するにつれて、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度との差が小さくなる。そのため、第1発熱素子4に流れる電流が減少していき、第1容器10の内部温度は第1設定温度Tset1で安定する。また、第1容器10の内部温度が上昇するにつれて、振動子2の温度も上昇する。そのため、振動子2の発振周波数が高くなっていき、目標周波数Ftargetで安定する。
また、制御回路33は、時刻0から、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1付近の温度(所定の温度範囲)に達する時刻t1までの起動期間P1において、第2発熱素子6に電流が流れないように制御しており(図3の工程S10)、第2発熱素子6の電流はほぼ0(リーク電流などによるわずかな電流値)である。なお、起動期間P1では、第1発熱素子4の発熱により第1容器10の内部温度が上昇するにつれて、第1容器10を収容している第2容器20の内部温度もわずかに上昇する。
そして、制御回路33は、時刻t1以降は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1発熱素子4の電流を制御するとともに(図3の工程S12)、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2発熱素子6の電流を制御している(図3の工程S18)。時刻t1では、第2容器20の内部温度は第2設定温度Tset2よりも低く、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差も大きいことから、第2発熱素子6に大きな電流I2が流れている。
その後、第2発熱素子6の発熱により第2容器20の内部温度が上昇するにつれて、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差が小さくなる。そのため、第2発熱素子6に流れる電流が減少していく。そして、第2容器20の内部温度は、第2設定温度Tset2に近づいていき、第2設定温度Tset2で安定する。
このように、図3の手順によれば、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図4に示すように、制御回路33は、起動期間P1に第2発熱素子6において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第2発熱素子6において消費される電流の最大値(I2)よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第1発熱素子4の消費電流が大きくても、第2発熱素子6の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第2発熱素子6の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第1発熱素子4の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図3の手順によれば、制御回路33は、発振器1の起動直後から第1発熱素子4を発熱させるので、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1に到達するまでの時間を短くすることができる。従って、後述する図5の手順と比較して、発振器1が目標周波数Ftargetで安定発振するまでの時間を短くすることが可能である。
図5は、第1実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図である。
図5の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、第1発熱素子4の電流を制限する(S50)。例えば、制御回路33は、第1発熱素子4に電流が流れないように制御する。
また、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2発熱素子6の電流を制御する(S52)。例えば、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2よりも低いと判断した場合は、第2発熱素子6に、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差に応じた電流を流すように制御し、これにより、第2発熱素子6を発熱させる。また、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2よりも高いと判断した場合は、第2発熱素子6に電流を流さないように制御し、これにより、第2発熱素子6の発熱を停止させる。
次に、制御回路33は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2容器20の内部温度が所定の温度範囲にあるか否かを判断する(S54)。ここで、所定の温度範囲は、あらかじめ、第2設定温度Tset2や発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、所定の温度範囲は、第2設定温度Tset2に対して±数℃の範囲であってもよいし、発振器1の起動時(電源投入時)の周囲温度が必ず第2設定温度Tset2よりも低いのであれば、第2設定温度Tset2よりも数℃低い温度以上の範囲としてもよい。
制御回路33は、第2容器20の内部温度が所定の温度範囲になければ(S54のN)、工程S50及び工程S52の制御を継続し、工程S54の判断を再び行う。
また、制御回路33は、第2容器20の内部温度が所定の温度範囲にあれば(S54のY)、第1発熱素子4の電流制限を解除し(S56)、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1発熱素子4の電流を制御する(S58)。例えば、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1よりも低いと判断した場合は、第1発熱素子4に、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度(振動子2の温度)との差に応じた電流を流すように制御し、これにより、第1発熱素子4を発熱させる。また、制御回路33は、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1よりも高いと判断した場合は、第1発熱素子4に電流を流さないように制御し、これにより、第1発熱素子4の発熱を停止させる。
そして、制御回路33は、工程S52以降の処理を繰り返す。
この図5のフローチャートでは、工程S50〜工程S54が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、第2温度センサー7によって検出された温度(第2容器20の内部温度)に基づいて、起動期間を設定する。
図6は、制御回路33が図5の手順で発熱制御を行う場合に、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子を示す図である。図6の例では、発振器1の起動時(電源投入時)を時刻0としている。また、図6の例では、振動子2は、2次の周波数温度特性を有するSCカットの水晶振動子であり、例えば、80℃付近で発振周波数がピークとなる。また、発振器1の起動時(電源投入時)の周囲温度は、例えば25℃付近であり、第1設定温度Tset1及び第2設定温度Tset2は、ともに例えば80℃付近(振動子2の発振周波数がピークとなる温度付近)である。
図6の例では、制御回路33は、時刻0から、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2発熱素子6の電流を制御している(図5の工程S52)。発振器1の起動時(電源投入時)の第1容器10の内部温度と第2容器20の内部温度はともに発振器1の周囲温度(例えば25℃付近)に近い温度である。従って、第2容器20の内部温度は第2設定温度Tset2よりも低く、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差も大きいことから、時刻0において第2発熱素子6に大きな電流I2が流れている。また、振動子2の発振周波数は、目標周波数Ftargetよりも低い。
その後、第2発熱素子6の発熱により第2容器20の内部温度が上昇するにつれて、第2設定温度Tset2と第2容器20の内部温度との差が小さくなる。そのため、第2発熱素子6に流れる電流が減少していき、第2容器20の内部温度は第2設定温度Tset2で安定する。
また、制御回路33は、時刻0から、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2付近の温度(所定の温度範囲)に達する時刻t1までの起動期間P1において、第1発熱素子4に電流が流れないように制御しており(図5の工程S50)、第1発熱素子4の電流はほぼ0(リーク電流などによるわずかな電流値)である。なお、起動期間P1では、第2発熱素子6の発熱により第2容器20の内部温度が上昇するにつれて、第2容器20に収容されている第1容器10の内部温度も上昇する。また、第1容器10の内部温度が上昇するにつれて、振動子2の温度も上昇し、振動子2の発振周波数が高くなっていく。そして、時刻t1では、振動子2の発振周波数が、例えば目標周波数Ftargetよりも数十ppm低い周波数になっている。
そして、制御回路33は、時刻t1以降は、第2温度センサー7の出力電圧に基づき、第2発熱素子6の電流を制御するとともに(図5の工程S52)、第1温度センサー5の出力電圧に基づき、第1発熱素子4の電流を制御している(図5の工程S58)。時刻t1では、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)は第1設定温度Tset1よりも低く、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度(振動子2の温度)との差も大きいことから、第1発熱素子4に大きな電流I1が流れている。
その後、第1発熱素子4の発熱により第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が上昇するにつれて、第1設定温度Tset1と第1容器10の内部温度(振動子2の温度)との差が小さくなる。そのため、第1発熱素子4に流れる電流が減少していき、時刻t2以降、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)は第1設定温度Tset1で安定する。また、第1発熱素子4の発熱により第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が上昇するにつれて、振動子2の発振周波数が高くなっていき、時刻t2以降、目標周波数Ftargetで安定する。
このように、図5の手順によれば、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図6に示すように、制御回路33は、起動期間P1に第1発熱素子4において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第1発熱素子4において消費される電流の最大値I3よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第2発熱素子6の消費電流が大きくても、第1発熱素子4の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第1発熱素子4の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第2発熱素子6の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図5の手順によれば、起動期間P1において、第2発熱素子6の発熱により、第2容器20の内部温度だけでなく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)も上昇する。そのため、起動期間P1が経過した時刻t1において、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)と第1設定温度Tset1との差が比較的小さいので、第1発熱素子4に流れる電流の最大値を低くすることができる。従って、図3の手順と比較して、発振器1の消費電力の最大値を低く抑えることが可能である。
1−2.第2実施形態
第2実施形態の発振器1において第1実施形態の発振器1と同様の構成要素には同じ符号を付して第1実施形態と重複する内容の説明を省略し、第1実施形態と異なる内容を中心に説明する。第2実施形態の発振器1の構造は、第1実施形態の発振器1(図1)と同様であってもよいため、その図示及び説明を省略する。
図7は、第2実施形態の発振器1の機能ブロック図である。図7に示すように、第2実施形態の発振器1では、制御回路33は、振動子2の発振周波数を測定する周波数測定回路34を有し、周波数測定回路34によって測定された発振周波数に基づいて、起動期間を設定する。例えば、周波数測定回路34は、出力回路32が出力する発振信号の周波数を測定することにより、振動子2の発振周波数を間接的に測定してもよい。そして、制御回路33は、起動期間に第1発熱素子4及び第2発熱素子6の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制(例えば、電流を流さないように制御)する。
図8は、第2実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図である。
図8の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、図3の工程S10及び工程S12と同様に、工程S110及び工程S112の処理を行う。
次に、制御回路33は、周波数測定回路34によって測定された発振周波数が所定の周波数範囲にあるか否かを判断する(S114)。ここで、所定の周波数範囲は、あらかじめ、目標周波数Ftargetや発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、所定の周波数範囲は、目標周波数Ftargetに対して±数ppmの範囲であってもよいし、発振器1の起動時(電源投入時)の発振周波数が必ず目標周波数Ftargetよりも低いのであれば、発振周波数が必ず目標周波数Ftargetよりも数ppm低い周波数以上の範囲としてもよい。
制御回路33は、発振周波数が所定の周波数範囲になければ(S114のN)、工程S110及び工程S112の制御を継続し、工程S114の判断を再び行う。
また、制御回路33は、発振周波数が所定の周波数範囲にあれば(S114のY)、図3の工程S16及び工程S18と同様に、工程S116及び工程S118の処理を行う。そして、制御回路33は、工程S112以降の処理を繰り返す。
この図8のフローチャートでは、工程S110〜工程S114が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、周波数測定回路34によって測定された発振周波数に基づいて、起動期間を設定する。
制御回路33が図8の手順で発熱制御を行う場合、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子は、図4と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
図8の手順によれば、図4に示したように、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図4に示したように、制御回路33は、起動期間P1に第2発熱素子6において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第2発熱素子6において消費される電流の最大値(I2)よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第1発熱素子4の消費電流が大きくても、第2発熱素子6の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第2発熱素子6の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第1発熱素子4の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図8の手順によれば、制御回路33は、発振器1の起動直後から第1発熱素子4を発熱させるので、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1に到達するまでの時間を短くすることができる。従って、後述する図9の手順と比較して、発振器1が目標周波数Ftargetで安定発振するまでの時間を短くすることが可能である。
図9は、第2実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図である。
図9の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、図5の工程S50及び工程S52と同様に、工程S150及び工程S152の処理を行う。
次に、制御回路33は、周波数測定回路34によって測定された発振周波数が所定の周波数範囲にあるか否かを判断する(S154)。ここで、所定の周波数範囲は、あらかじめ、目標周波数Ftargetや発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、所定の周波数範囲は、目標周波数Ftargetに対して±数十ppmの範囲であってもよいし、発振器1の起動時(電源投入時)の発振周波数が必ず目標周波数Ftargetよりも低いのであれば、発振周波数が必ず目標周波数Ftargetよりも数十ppm低い周波数以上の範囲としてもよい。
制御回路33は、発振周波数が所定の周波数範囲になければ(S154のN)、工程S150及び工程S152の制御を継続し、工程S154の判断を再び行う。
また、制御回路33は、発振周波数が所定の周波数範囲にあれば(S154のY)、図5の工程S56及び工程S58と同様に、工程S156及び工程S158の処理を行う。そして、制御回路33は、工程S152以降の処理を繰り返す。
この図9のフローチャートでは、工程S150〜工程S154が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、周波数測定回路34によって測定された発振周波数に基づいて、起動期間を設定する。
制御回路33が図9の手順で発熱制御を行う場合、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子は、図6と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
図9の手順によれば、図6に示したように、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図6に示したように、制御回路33は、起動期間P1に第1発熱素子4において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第1発熱素子4において消費される電流の最大値I3よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第2発熱素子6の消費電流が大きくても、第1発熱素子4の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第1発熱素子4の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第2発熱素子6の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図9の手順によれば、起動期間P1において、第2発熱素子6の発熱により、第2容器20の内部温度だけでなく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)も上昇する。そのため、起動期間P1が経過した時刻t1において、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)と第1設定温度Tset1との差が比較的小さいので、第1発熱素子4に流れる電流の最大値を低くすることができる。従って、図8の手順と比較して、発振器1の消費電力の最大値を低く抑えることが可能である。
1−3.第3実施形態
第3実施形態の発振器1において第1実施形態の発振器1と同様の構成要素には同じ符号を付して第1実施形態と重複する内容の説明を省略し、第1実施形態と異なる内容を中心に説明する。第3実施形態の発振器1の構造は、第1実施形態の発振器1(図1)と同様であってもよいため、その図示及び説明を省略する。
図10は、第3実施形態の発振器1の機能ブロック図である。図10に示すように、第3実施形態の発振器1では、制御回路33は、振動子2が動作を開始してからの経過時間を測定するタイマー35を有し、タイマー35によって測定された経過時間に基づいて、起動期間を設定する。例えば、タイマー35は、発振器1(制御回路33)の起動時(電源投入時)から、所定の周期でカウント値を増加させるカウンターであってもよい。そして、制御回路33は、起動期間に第1発熱素子4及び第2発熱素子6の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制(例えば、電流を流さないように制御)する。
図11は、第3実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図である。
図11の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、タイマー35による経過時間の測定を開始する(S200)。
次に、制御回路33は、図3の工程S10及び工程S12と同様に、工程S210及び工程S212の処理を行う。
次に、制御回路33は、タイマー35によって測定された経過時間が設定時間に到達したか否かを判断する(S214)。ここで、設定時間は、あらかじめ、第1設定温度Tset1(あるいは目標周波数Ftarget)や発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、設定時間は、発振器1の起動開始から、第1容器10の内部温度が第1設定温度Tset1に対して±数℃の範囲に入るまでの時間(あるいは、振動子2の発振周波数が目標周波数Ftargetに対して±数ppmの範囲に入るまでの時間)として想定される時間であってもよい。
制御回路33は、経過時間が設定時間に到達していなければ(S214のN)、工程S210及び工程S212の制御を継続し、工程S214の判断を再び行う。
また、制御回路33は、経過時間が設定時間に到達すれば(S214のY)、図3の工程S16及び工程S18と同様に、工程S216及び工程S218の処理を行う。そして、制御回路33は、工程S212以降の処理を繰り返す。
この図11のフローチャートでは、工程S210〜工程S214が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、タイマー35によって測定された経過時間に基づいて、起動期間を設定する。
制御回路33が図11の手順で発熱制御を行う場合、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子は、図4と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
図11の手順によれば、図4に示したように、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図4に示したように、制御回路33は、起動期間P1に第2発熱素子6において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第2発熱素子6において消費される電流の最大値(I2)よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第1発熱素子4の消費電流が大きくても、第2発熱素子6の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第2発熱素子6の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第1発熱素子4の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図11の手順によれば、制御回路33は、発振器1の起動直後から第1発熱素子4を発熱させるので、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1に到達するまでの時間を短くすることができる。従って、後述する図12の手順と比較して、発振器1が目標周波数Ftargetで安定発振するまでの時間を短くすることが可能である。
図12は、第3実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の他の一例を示すフローチャート図である。
図12の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、タイマー35による経過時間の測定を開始する(S250)。
次に、制御回路33は、図5の工程S50及び工程S52と同様に、工程S250及び工程S252の処理を行う。
次に、制御回路33は、タイマー35によって測定された経過時間が設定時間に到達したか否かを判断する(S254)。ここで、設定時間は、あらかじめ、第2設定温度Tset2(あるいは目標周波数Ftarget)や発振器1の最大消費電流などを考慮して決められる。例えば、設定時間は、発振器1の起動開始から、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2に対して±数℃の範囲に入るまでの時間(あるいは、振動子2の発振周波数が目標周波数Ftargetに対して±数十ppmの範囲に入るまでの時間)として想定される時間であってもよい。
制御回路33は、経過時間が設定時間に到達していなければ(S254のN)、工程S250及び工程S252の制御を継続し、工程S254の判断を再び行う。
また、制御回路33は、経過時間が設定時間に到達すれば(S254のY)、図5の工程S56及び工程S58と同様に、工程S256及び工程S258の処理を行う。そして、制御回路33は、工程S252以降の処理を繰り返す。
この図12のフローチャートでは、工程S250〜工程S254が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、タイマー35によって測定された経過時間に基づいて、起動期間を設定する。
制御回路33が図12の手順で発熱制御を行う場合、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子は、図6と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
図12の手順によれば、図6に示したように、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図6に示したように、制御回路33は、起動期間P1に第1発熱素子4において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第1発熱素子4において消費される電流の最大値I3よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第2発熱素子6の消費電流が大きくても、第1発熱素子4の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第1発熱素子4の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第2発熱素子6の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図12の手順によれば、起動期間P1において、第2発熱素子6の発熱により、第2容器20の内部温度だけでなく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)も上昇する。そのため、起動期間P1が経過した時刻t1において、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)と第1設定温度Tset1との差が比較的小さいので、第1発熱素子4に流れる電流の最大値を低くすることができる。従って、図11の手順と比較して、発振器1の消費電力の最大値を低く抑えることが可能である。
1−4.第4実施形態
第4実施形態の発振器1において第1実施形態の発振器1と同様の構成要素には同じ符号を付して第1実施形態と重複する内容の説明を省略し、第1実施形態と異なる内容を中心に説明する。第4実施形態の発振器1の構造は、第1実施形態の発振器1(図1)と同様であってもよいため、その図示及び説明を省略する。
図13は、第4実施形態の発振器1の機能ブロック図である。図13に示すように、第4実施形態の発振器1では、集積回路(IC)3は、図2と同様、発振回路31、出力回路32及び制御回路33を含み、さらに、判定回路36(判定部の一例)を含んで構成されている。
判定回路36は、第1温度センサー5によって検出された温度と第1設定温度Tset1との差分が設定された範囲に含まれるか否かを示す判定信号を出力する。判定信号は制御回路33に入力されるとともに、発振器1の外部に出力されてもよい。これにより、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)と第1設定温度Tset1との差分が設定された範囲に含まれ、発振器1の出力信号が利用可能となったことを外部の装置に報知することができる。例えば、判定回路36は、第1温度センサー5の出力電圧と第1設定温度Tset1に対応する電圧との差を所定の閾値電圧と比較することにより、第1温度センサー5によって検出された温度と第1設定温度Tset1との差分が設定された範囲に含まれるか否かを判定してもよい。ここで、設定された範囲(例えば、閾値電圧)は、例えば、第1設定温度Tset1に対して±0.5〜1℃程度の範囲(例えば、振動子2の発振周波数が目標周波数Ftargetに対して±0.5〜1ppm程度の範囲)であってもよい。そして、判定回路36は、第1温度センサー5によって検出された温度と第1設定温度Tset1との差分が設定された範囲に含まれる場合にのみオン(例えば、ハイレベル)となる判定信号を出力してもよい。
また、上述の閾値は、0℃であってもよい。すなわち、判定回路は、第1温度センサー5によって検出された温度が第1設定温度Tset1に達したか否かを判断してもよい。この場合、判定回路36は、第1温度センサー5の出力電圧を第1設定温度Tset1に対応する電圧と比較することにより、第1温度センサー5によって検出された温度が第1設定温度Tset1に達したか否かを判定してもよい。そして、判定回路36は、第1温度センサー5によって検出された温度が第1設定温度Tset1に達した場合にのみオンとなる判定信号を出力してもよい。
また、判定回路は、第1温度センサー5によって検出された温度と第1設定温度Tset1との差分が設定された範囲に達したのち、一定時間が経過してから判定信号をオンとしてもよい。これにより、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が十分に安定したことを外部の装置に報知することができる。
制御回路33は、判定回路36が出力する判定信号に基づいて、起動期間を設定する。そして、制御回路33は、起動期間に第1発熱素子4及び第2発熱素子6の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制(例えば、電流を流さないように制御)する。
図14は、第4実施形態の発振器1における制御回路33による第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱制御の手順の一例を示すフローチャート図である。
図14の例では、発振器1(制御回路33)に所望の電源電圧が供給されると、制御回路33は、図3の工程S10及び工程S12と同様に、工程S310及び工程S312の処理を行う。
次に、制御回路33は、判定回路36が出力する判定信号がオンかオフかを判断する(S314)。
制御回路33は、判定信号がオフであれば(S314のN)、工程S310及び工程S312の制御を継続し、工程S314の判断を再び行う。
また、制御回路33は、判定信号がオンであれば(S314のY)、図3の工程S16及び工程S18と同様に、工程S316及び工程S318の処理を行う。そして、制御回路33は、工程S312以降の処理を繰り返す。
この図14のフローチャートでは、工程S310〜工程S314が繰り返される期間が起動期間に相当し、制御回路33は、判定回路36が出力する判定信号に基づいて、起動期間を設定する。
制御回路33が図14の手順で発熱制御を行う場合、第1発熱素子4の電流、第2発熱素子6の電流、第1容器10の内部温度、第2容器20の内部温度及び振動子2の発振周波数の時間変化の様子は、図4と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
図14の手順によれば、図4に示したように、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1で安定する。また、第2容器20の内部温度が第2設定温度Tset2で安定するため、発振器1の周囲温度が大きく変化しても、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)への影響が小さく、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)がほとんど変化しない。従って、振動子2の温度が第1設定温度Tset1に維持されるため、周波数安定度の極めて高い発振器1を実現することができる。
また、図4に示したように、制御回路33は、起動期間P1に第2発熱素子6において消費される電流(ほぼ0)を、振動子2が第1設定温度Tset1に到達した後に第2発熱素子6において消費される電流の最大値(I2)よりも小さくするように制御する。従って、起動期間P1では、第1発熱素子4の消費電流が大きくても、第2発熱素子6の消費電流が小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。また、第2発熱素子6の消費電流が最大となる起動期間P1の経過直後においても、第1発熱素子4の消費電流が比較的小さいため、第1発熱素子4の消費電流と第2発熱素子6の消費電流との和が過大となるおそれが小さい。従って、発振器1の消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることができる。
特に、図14の手順によれば、制御回路33は、発振器1の起動直後から第1発熱素子4を発熱させるので、第1容器10の内部温度(振動子2の温度)が第1設定温度Tset1に到達するまでの時間を短くすることができる。従って、発振器1が目標周波数Ftargetで安定発振するまでの時間を短くすることが可能である。
1−5.変形例
上記の各実施形態では、第1発熱素子4は第1容器10の内部に収容されているが、例えば、第1容器10の外面に接着されていてもよい。
上記の各実施形態では、第1発熱素子4と第1温度センサー5とは別体であるが、一体化されていてもよい。同様に、第2発熱素子6と第2温度センサー7とは別体であるが、一体化されていてもよい。また、第1発熱素子4及び第1温度センサー5の少なくとも一方が集積回路(IC)3と一体化されていてもよいし、第2発熱素子6及び第2温度センサー7の少なくとも一方が集積回路(IC)3と一体化されていてもよい。
また、上記の各実施形態では、制御回路33は、2つの温度制御素子である第1発熱素子4及び第2発熱素子6の発熱を制御しているが、これに限られない。例えば、制御回路33は、2つの温度制御素子である第1吸熱素子及び第2吸熱素子(例えば、ペルチェ素子)の吸熱を制御してもよい。
また、上記の各実施形態では、発振器1は、2つの温度制御素子である第1発熱素子4及び第2発熱素子6により、それぞれ第1容器10及び第2容器20の内部温度を制御しているが、N個(N≧3)の温度制御素子によりN個の容器のそれぞれの内部温度を制御してもよい。
また、上記の各実施形態では、発振器1は、図1に示したように、第2容器20が基板21とケース22によって構成されているが、例えば、図15に示すように、ケース22とは別体の第2容器20Aを有していてもよい。なお、図15の構成の発振器1において、第1発熱素子4が第1容器10の外面(外部の表面)に接着された構成に変形してもよいし、第2発熱素子6が第2容器20の外面(外部の表面)に接着された構成に変形してもよい。
また、上記の各実施形態では、発振器1は、水晶振動子等の振動子2を発振源とする発振器であったが、発振源は振動子に限られない。例えば、発振器1は、発振源としてセシウムやルビジウム等の原子が封入されたガスセルを発振源とする原子発振器であってもよい。
2.電子機器
図16は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。本実施形態の電子機器300は、発振器310、CPU(Central Processing Unit)320、逓倍回路330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360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16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、発振源からの信号に基づき所望の周波数の発振信号を出力するものである。
逓倍回路330は、発振器310が出力する発振信号を所望の周波数に逓倍して出力する回路である。逓倍回路330が出力する発振信号は、CPU320のクロック信号として使用されてもよいし、CPU320が通信用の搬送波を生成するために使用されてもよい。
CPU320(処理部)は、ROM340等に記憶されているプログラムに従い、例えば、発振器310が出力する発振信号あるいは逓倍回路330が出力する発振信号に基づいて各種の計算処理や制御処理を行う。
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、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。
発振器310として、例えば、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることが可能な上記の各実施形態の発振器1を適用することにより、誤動作が生じにくく、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、GPS(Global Positioning System)モジュール、ネットワーク機器、放送機器、人工衛星や基地局で利用される通信機器、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、タブレット型パーソナルコンピューター)、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルカメラ、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、移動体端末基地局用機器、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、リアルタイムクロック装置、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(Point Of Sale)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。
本実施形態の電子機器300の一例として、上述した発振器310を基準信号源として用いて、例えば、端末と有線または無線で通信を行う端末基地局用装置等として機能する伝送装置が挙げられる。発振器310として、例えば、上記の各実施形態の発振器1を適用することにより、例えば通信基地局などに利用可能な、従来よりも周波数精度の高い、高性能、高信頼性を所望される電子機器300を実現することも可能である。
また、本実施形態の電子機器300の他の一例として、通信部360が外部クロック信号を受信し、CPU320(処理部)が、当該外部クロック信号と発振器310の出力信号あるいは逓倍回路330の出力信号(内部クロック信号)とに基づいて、発振器310の周波数を制御する周波数制御部と、を含む、通信装置であってもよい。この通信装置は、例えば、ストレータム3などの基幹系ネットワーク機器やフェムトセルに使用される通信機器であってもよい。
3.基地局
図17は、本実施形態の基地局の概略構成の一例を示す図である。本実施形態の基地局400は、受信装置410、送信装置420及び制御装置430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17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。
受信装置410は、受信アンテナ412、受信部414、処理部416及び発振器418を含んで構成されている。
発振器418は、発振源からの信号に基づき所望の周波数の発振信号を出力するものである。
受信アンテナ412は、携帯電話機やGPS衛星などの移動局(不図示)から、各種の情報が重畳された電波を受信する。
受信部414は、発振器418が出力する発振信号を用いて、受信アンテナ412が受信した信号を所望の中間周波数(IF:Intermediate Frequency)帯の信号に復調する。
処理部416は、発振器418が出力する発振信号を用いて、受信部414が復調した中間周波数帯の信号をベースバンド信号に変換し、ベースバンド信号に含まれている情報を復調する。
制御装置430は、受信装置410(処理部416)が復調した情報を受け取り、当該情報に応じた各種の処理を行う。そして、制御装置430は、移動局に送信する情報を生成し、当該情報を送信装置420(処理部426)に送出する。
送信装置420は、送信アンテナ422、送信部424、処理部426及び発振器428を含んで構成されている。
発振器428は、発振源からの信号に基づき所望の周波数の発振信号を出力するものである。
処理部426は、発振器428が出力する発振信号を用いて、制御装置430から受け取った情報を用いてベースバンド信号を生成し、当該ベースバンド信号を中間周波数帯の信号に変換する。
送信部424は、発振器428が出力する発振信号を用いて、処理部426からの中間周波数帯の信号を変調して搬送波に重畳する。
送信アンテナ422は、送信部424からの搬送波を電波として携帯電話機やGPS衛星などの移動局に送信する。
受信装置410が有する発振器418や送信装置420が有する発振器428として、例えば、例えば、消費電力の最大値が過大になってしまうおそれを低減させることが可能な上記の各実施形態の発振器1を適用することにより、誤動作が生じにくく、通信性能に優れた信頼性の高い基地局を実現することができる。
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。
上述した実施形態は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態や各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成また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…振動子、3…集積回路(IC)、4…第1発熱素子、5…第1温度センサー、6…第2発熱素子、7…第2温度センサー、8…電子部品、9…部品搭載基板、10…第1容器、11…部品搭載基板、20…第2容器、20A…第2容器、21…基板、22…ケース、31…発振回路、32…出力回路、33…制御回路、34…周波数測定回路、35…タイマー、36…判定回路、300…電子機器、310…発振器、320 CPU、330…逓倍回路、340 ROM、350 RAM、360 通信部、400 基地局、410…受信装置、412…受信アンテナ、414…受信部、416…処理部、418…発振器、420…送信装置、422…送信アンテナ、424…送信部、426…処理部、428…発振器、430…制御装置

Claims (12)

  1. 発振源と、
    複数の温度制御素子と、
    前記発振源が動作を開始してから設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に前記温度制御素子の少なくとも1つにおいて消費される電流の増加を抑制する制御部と、を備える、発振器。
  2. 前記制御部は、
    前記発振源が動作を開始してから前記設定温度に到達するまでの少なくとも一部の期間に前記温度制御素子の少なくとも1つにおいて消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記少なくとも1つの温度制御素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御する、請求項1に記載の発振器。
  3. 前記制御部は、
    前記少なくとも1つの温度制御素子には前記期間に電流を流さないように制御する、請求項1又は2に記載の発振器。
  4. 前記発振源である振動子を収容する第1容器と、
    前記第1容器を収容する第2容器と、を備え、
    前記複数の温度制御素子が、
    前記第1容器の内部の温度を制御する第1発熱素子と、
    前記第2容器の内部の温度を制御する第2発熱素子と、を含み、
    前記制御部は、
    前記期間に前記第2発熱素子において消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記第2発熱素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発振器。
  5. 前記第1容器の内部の温度を検出する第1温度センサーをさらに備え、
    前記制御部は、
    前記第1温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記期間を設定する、請求項4に記載の発振器。
  6. 前記第1容器の内部の温度を検出する第1温度センサーと、
    前記第1温度センサーによって検出された温度と前記設定温度との差分が設定された範囲に含まれるか否かを示す判定信号を出力する判定部と、をさらに備え、
    前記制御部は、
    前記判定信号に基づいて、前記期間を設定する、請求項4に記載の発振器。
  7. 前記発振源である振動子を収容する第1容器と、
    前記第1容器を収容する第2容器と、を備え、
    前記複数の温度制御素子が、
    前記第1容器の内部の温度を制御する第1発熱素子と、
    前記第2容器の内部の温度を制御する第2発熱素子と、を含み、
    前記制御部は、
    前記期間に前記第1発熱素子において消費される電流を、前記設定温度に到達した後に前記第1発熱素子において消費される電流の最大値よりも小さくするように制御する、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発振器。
  8. 前記第2容器の内部の温度を検出する第2温度センサーをさらに備え、
    前記制御部は、
    前記第2温度センサーによって検出された温度に基づいて、前記期間を設定する、請求項7に記載の発振器。
  9. 前記制御部は、
    前記発振源の発振周波数を測定し、測定された前記発振周波数に基づいて、前記期間を設定する、請求項4又は7に記載の発振器。
  10. 前記制御部は、
    前記発振源が動作を開始してからの経過時間を測定し、測定された前記経過時間に基づいて、前記期間を設定する、請求項4又は7に記載の発振器。
  11. 請求項1乃至10のいずれか一項に記載の発振器を備えている、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備えている、基地局。
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