JP2017073728A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】二つの周波数を同時発振させ、二つの周波数差を温度情報として用いる水晶発振器において、周波数信号の安定度と温度情報としての正確さの両立を図る。
【解決手段】水晶発振器１は、複数の振動モードを有する水晶振動子１２と、前記水晶振動子を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１の発振回路１３と、前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２の発振回路１４と、前記第１発振信号と前記第２発振信号の周波数の差を検出する周波数差検出回路１５と、を備え、前記水晶振動子に対し直列にインダクタ１７とコンデンサ１８からなるＬＣ並列回路１９を接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は温度特性を向上させた水晶発振器に関する。

水晶発振器において、発振回路とともに用いられる水晶振動片はその切断角度により、発振周波数及び振動モードが変化し、切断角度を適切に選ぶことで、一つの水晶振動片に同時に複数の振動モードを発振させ、複数の周波数信号を取り出すことが可能となっている。このような水晶振動片を利用することで、一つの水晶振動片から複数の周波数信号を取り出し、一方の周波数信号を出力信号として用い、他方の周波数信号を温度情報として一方の周波数信号の温度補償を行なう水晶発振器が知られている。

図５（ａ）は特許文献１に示される水晶振動片から取り出した周波数信号を温度情報として用いる従来の水晶発振器の回路図であり、図５（ｂ）は従来の水晶発振器の発振周波数Ｆｔ、Ｆｘの周波数温度特性を示す図である。ＡＴカットの切断角度にて切り出された水晶基板の表裏に励振電極が配置されている。ＡＴカットに近接して、ＣＴカットに相当する面すべり振動モードの共振があるために、厚みすべり振動モード(ＴＳモード)の共振振動のほかに面すべり振動モード(ＦＳモード）の共振振動が同時に励振される。

この水晶発振器において、発振回路は温度情報の発振周波数ＦｔとＦｔにより温度補償される発振周波数Ｆｘをそれぞれ発振させる第１発振回路と第２発振回路とからなる。また、第１発振回路と水晶基板の間に低周波ローパスフィルタを挿入しておくことで発振周波数同士の干渉を防止し、二つの発振周波数Ｆｔ及びＦｘにて確実に発振させることができる。

図５（ｂ）に示されるように発振周波数Ｆｔは温度に対して直線状に低下していくことから、精度の高い温度情報として用いることができる。例えば、発振周波数Ｆｔはメモリに保持された温度補償データに対して参照することで、可変容量素子（バリキャップ）等の制御に必要な制御電圧に変換され、発振周波数Ｆｘを温度補償している。

特許文献１には一組の励振電極が形成された水晶振動片を同時発振させ、一方の信号を周波数信号として用いることが示されているが、オーバートーンを用い、複数の周波数信号の差より温度情報を得る際の周波数差の温度変化に関する記載は無い。

また、特許文献２においては水晶振動子に直列にインダクタとコンデンサからなる並列共振回路を設けるとともに、並列共振回路の共振周波数をＳＣカット振動子のＢモード周波数に設定した構成が示されている。ここで示されている並列共振回路は不要モードを発振させないためのものであり、温度変化の大きい負荷として用いている本発明とは異なるものである。

さらに、特許文献３においては二つの水晶振動子を共用として一体化した水晶振動子を用いて、ともにオーバートーンである二つの周波数にて発振させ、発振周波数の差を温度情報として用いる発振装置が示されているが、発振周波数の温度特性の改善に関する記載及び示唆はない。

特開平３−２５２２０４号公報 特開平５−０６３４４３号公報 特開２０１２−１６０７９０号公報

ＡＴカットの水晶振動子において、３次以上のオーバートーンでは隣り合う次数のオーバートーンの周波数差の温度変化が、基本波と３次オーバートーンの周波数差の温度変化に比べて小さいことが経験的に知られており、二つの発振周波数の差を温度情報として用いる発振器において、基本波と３次オーバートーンを用いることが望ましいと考えられていた。その一方で周波数安定度の観点からは容量比の大きい（但し次数の異なる）オーバートーン同士を用いることが望ましいと考えられていた。

すなわち、基本波と３次オーバートーンの周波数差を用いる場合には温度に対する周波数変化が充分に取れるため、精度の高い温度情報として有効である。しかしながら、それぞれの周波数信号において、容量比が小さいため、周波数安定度の面で十分とは言えなかった。一方、オーバートーン同士、例えば３次オーバートーンと５次オーバートーンの周波数差を取る場合には、それぞれの周波数信号の容量比が大きいため、周波数安定度の面では優れているが、温度に対する周波数差の変化が小さいため、温度情報として利用するには精度が不十分であった。

基本波とオーバートーンの周波数差の温度変化をより具体的な特性図にて以下に示す。図６（ａ）は従来のＡＴカットの基本波（実線）、５次オーバートーン（点線）それぞれの発振周波数の温度特性のグラフである。また、図６（ｂ）は図６（ａ）の二つの発振周波数の差分を取ったものの温度変化の様子を示したグラフである。温度に対する発振周波数差のグラフは傾きを有するおおよそ直線形状として変化しており、温度情報として用いることが可能である。

次に、オーバートーン同士の発振周波数差の温度変化を以下に示す。図７（ａ）は従来の水晶発振器にて３次オーバートーン及び５次オーバートーンで発振させた際の発振周波数の温度特性を示す図であり、図７（ｂ）は従来の水晶発振器にて３次オーバートーン及び５次オーバートーンで発振させた際の３次オーバートーン及び５次オーバートーンの発振周波数差の温度特性を示す図である。図７（ａ）において、グラフが１本で示されているが、これは、このグラフに示した全温度領域にて３次オーバートーン及び５次オーバートーンの発振周波数はおよそ一致しているためである。

その結果、図７（ａ）の二つの発振周波数差は図７（ｂ）に示されるように、小さなものとなり、かつ、温度に対する発振周波数の差の変化に一定の傾向が現れず、例えば、水晶発振器の使用が想定される全温度領域において、ばらついた振る舞いを示すこととなる。従って、オーバートーン同士の発振周波数の差は容量比が大きいため、周波数安定度の点では望ましいが、精度が不十分であり、温度情報として用いることは難しい。

本発明の水晶発振器は、複数の振動モードを有する水晶振動子と、前記水晶振動子を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１発振回路と、前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２発振回路と、前記第１発振信号と前記第２発振信号の周波数の差を検出する周波数差検出回路と、を備え、前記水晶振動子に対して直列にインダクタとコンデンサからなるＬＣ並列回路を接続したことを特徴とする。

本発明はオーバートーン同士を同時発振させ、２つの発振周波数の差を温度情報として用いる際に、水晶振動子に直列にＬＣ並列回路を接続することで２つの発振信号の周波数の差が温度に対して精度を有するのに充分な変化の大きさを有し、一定の傾向にて変化するように温度特性を変化させることで、周波数安定度とともに温度の感知精度を十分なものとしている。

本発明の水晶発振器は、前記第１の発振回路と第１のアイソレーション制御回路と第１のインピーダンス調整回路と第１の負性抵抗発生回路とからなる第１の発振ループと、前記第２の発振回路と第２のアイソレーション制御回路と第２のインピーダンス調整回路と第２の負性抵抗発生回路とからなる第２の発振ループを備えたことを特徴とする。

本発明の水晶発振器は、前記水晶振動子が、ＡＴカットであることを特徴とする。

本発明の水晶発振器は、前記第１発振信号の振動モードが基本波より高次である第１の次数のオーバートーンであり、前記第２発振信号の振動モードが基本波より高次であり、かつ前記第１の次数とは異なる第２の次数のオーバートーンであることを特徴とする。

本発明の水晶発振器は、前記水晶振動子が、ＳＣカット又はＩＴカットである。また、本発明の水晶発振器は、前記第１発振信号の振動モードがＣモードの基本波またはオーバートーンであり、前記第２発振信号の振動モードがＢモードの基本波またはオーバートーンであることを特徴とする。

本発明はこのような事情の元になされたものであり、オーバートーン同士の同時発振を行う際に周波数信号としての安定度を確保することと、温度に対する周波数変化を十分なものとし、温度情報としての精度を確保することの両立を図るものである。

本発明に係る第１の実施形態の水晶発振器に関する概要図である。 （ａ）本発明にて用いる水晶振動子及びＬＣ並列回路それぞれのインピーダンスの周波数特性を示したグラフである。（ｂ）水晶振動子の発振周波数近傍でのＬＣ並列回路の複数の温度におけるインピーダンスの周波数特性を示したグラフである。 本発明の水晶発振器における３次オーバートーン及び５次オーバートーンの発振周波数の差の温度特性を示す図である。 本発明に係る第２の実施形態の水晶発振器に関する概要図である。 （ａ）周波数信号を温度情報として用いる従来の水晶発振器の回路図である。（ｂ）従来の水晶発振器の発振周波数Ｆｔ、Ｆｘの周波数温度特性を示す図である。 （ａ）従来の水晶発振器にて基本波及び５次オーバートーンで発振周波数の温度特性を示す図である。（ｂ）従来の水晶発振器にて基本波及び５次オーバートーンで発振させた際の基本波及び５次オーバートーンの発振周波数の差の温度特性を示す図である。 （ａ）従来の水晶発振器にて３次オーバートーン及び５次オーバートーンの発振周波数の温度特性を示す図である。（ｂ）従来の水晶発振器にて３次オーバートーン及び５次オーバートーンで発振させた際の３次オーバートーン及び５次オーバートーン発振周波数の差の温度特性を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係る第１の実施形態の水晶発振器の概要図である。水晶発振器１は、水晶振動子１２と、第１の発振回路１３と、第２の発振回路１４と、周波数差検出部１５と、温度制御部１６と、インダクタ１７及びコンデンサ１８からなるＬＣ並列回路１９とを恒温槽１１の内部に設けた構成からなる。

水晶振動子１２は、ＡＴカットの水晶振動子である。水晶振動子１２は矩形、もしくは円形の薄片形状を有する水晶振動片の両主面に一対の励振電極が形成されている。

第１の発振回路１３は水晶振動子１２に接続され、水晶振動子１２を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する。
第２の発振回路１４は水晶振動子１２に接続され、水晶振動子１２を第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する。

ここで、水晶振動子１２と第１の発振回路１３とを有し、第１発振信号を発生させる回路を第１発振系統といい、水晶振動子１２と第２の発振回路１４とを有し、第２発振信号を発生させる回路を第２発振系統という。第１の発振回路１３と第２の発振回路１４はともに水晶振動片に形成された一対の励振電極に接続され、すなわち二つの発振回路で一対の励振電極を有する水晶振動子１２を共用した構造となっている。

図２（ａ）は本発明にて用いるＡＴカットの水晶振動子及びＬＣ並列回路それぞれのインピーダンスの周波数特性を示したグラフである。図２（ｂ）はＡＴカットの水晶振動子の発振周波数近傍でのＬＣ並列回路の複数の温度におけるインピーダンスの周波数特性を示したグラフである。図２（ａ）にて示された３本のピークが、低周波数側からそれぞれ、基本波、３次オーバートーン、５次オーバートーンである。

本発明にて用いるＡＴカットの水晶振動子において、第１周波数は第１発振系統において発生する基本波より高次である第１の次数のオーバートーンであり、第２周波数は第２発振系統において発生する基本波より高次であり、かつ第１の次数とは異なる第２の次数のオーバートーンである。これ以降において、第１の次数のオーバートーン、第２の次数のオーバートーンのうち、周波数が低い方を低次オーバートーン、周波数が高い方を高次オーバートーンと定義する。すなわち、本実施例において、低次オーバートーンは３次オーバートーンであり、高次オーバートーンは５次オーバートーンである。

周波数差検出部１５は第１の発振回路１３と第２の発振回路１４より出力される第１周波数と第２周波数の差分を検出するものである。温度制御部１６は周波数差検出部１５に接続されており、周波数差検出部１５から出力される第１周波数と第２周波数の差分の周波数を検出する。温度制御部１６は、検出した差分の周波数に基づいてヒータの加熱量を制御して恒温槽１１を加熱し、恒温槽１１内の水晶振動子１２付近の温度を制御する。

ＬＣ並列回路１９はインダクタ１７とコンデンサ１８の並列回路からなる。そして、ＬＣ並列回路１９は第１の発振回路１３と第２の発振回路１４双方と水晶振動子の間に接続されている。したがって、このＬＣ並列回路１９は第１発振系統及び第２発振系統の双方に対して、水晶振動子の特性に影響を与える回路である。ＬＣ並列回路１９の共振周波数を低次オーバートーンの周波数近傍の値に設定する。

このＬＣ並列回路１９は従来の不要モードを発振させないように設けられるものではなく、複数の振動モードにて発振させる条件、素子値を持つように選択したものであり、温度変化の大きな負荷として使用しているものである。

本発明のＬＣ並列回路１９の効果を従来技術との比較と共に説明する。
従来の水晶発振器にてオーバートーン同士、例えば図７（ｂ）に示したように３次オーバートーン及び５次オーバートーンで発振させた際には一定の傾向を示さず、ばらついた振る舞いを示すことから、温度情報として用いることは難しかった。

それに対し、本発明においては、ＬＣ並列回路１９を付加するとともに、その共振周波数を低次オーバートーンの発振周波数付近に設定することでＬＣ並列回路１９の共振特性にて温度の変化とともに負荷容量を大きく変化させ、低次オーバートーンの発振周波数の温度特性を大きく変化させる。これにより、低次オーバートーンの発振周波数と高次オーバートーンの発振周波数の温度特性との差を生じ（拡大）させることにより、これらの発振周波数差が温度の変化とともに例えば直線状に低下するような、一定の傾向を持った変化をさせる。

実際の特性は本発明における３次オーバートーン及び５次オーバートーンの発振周波数差の温度特性を示した図３にみられるようなものとなる。これはＬＣ並列回路１９のインダクタ１７とコンデンサ１８の温度変化に対する急激なインピーダンスの変化を利用したものである。これは、図２（ｂ）に示されるように、低次オーバートーンの周波数において、ＬＣ並列回路１９におけるインピ―ダンス（負荷容量）の温度変化が大きなものとなることによる。

また、インダクタ１７とコンデンサ１８は高次オーバートーンの発振周波数に影響を与えないようにＱ値をある程度高くする。このような素子値に設定することで、高次オーバートーンの発振周波数付近におけるＬＣ並列回路１９のインピーダンスが充分に低くなるため、高次オーバートーンに与える影響を抑えることが出来る。

その一方で、ＬＣ並列回路１９の代わりにインダクタ、コンデンサのいずれかを単独に用いた場合には、温度に対する周波数変動の振る舞いは変化するが、低次オーバートーン、高次オーバートーンともに同じ量の周波数変化が生じ、同量であるために差分を取ることにより相殺されてしまうことになるため、周波数の差分を扱う状況においては結果的にＬＣ並列回路１９を用いない場合と変わらず、温度情報の感度の向上を図ることは出来ない。

（第２の実施形態）
図４は本発明に係る水晶発振器１０の恒温槽１１の内部の回路構成図である。恒温槽１１には、水晶振動子１２、第１の発振回路１３、及び第２の発振回路１４の他に、第１のインピーダンス調整回路１７、第２のインピーダンス調整回路１８、制御回路２６、第１のアイソレーション制御回路２０、及び第２のアイソレーション制御回路２１、第１の負性抵抗発生回路２２と、第２の負性抵抗発生回路２３が設けられている。

なお、水晶発振器１は、第１のインピーダンス調整回路１７及び第２のインピーダンス調整回路１８のうち、いずれかを備えるようにしてもよい。また、水晶発振器１は第１のアイソレーション制御回路２０及び第２のアイソレーション制御回路２１のうち、いずれかを備えるようにしてもよい。さらには、水晶発振器１は、第１の負性抵抗発生回路２２及び第２の負性抵抗発生回路２３のいずれかを備えるようにしてもよい。

第２の実施形態にて追加された回路の効果について、以下に示す。
アイソレーション制御回路は発振回路間のアイソレーションを確保するものである。アイソレーション制御回路を付加することで、第１発振系統及び第２発振系統において、他の発振系統の影響を受けにくくし、安定して、発振信号を出力させることができる。

また、インピーダンス調整回路と、インピーダンス調整回路を制御する制御回路を付加することで、第１発振系統及び第２発振系統における負性抵抗を適切な値に調整し、２つの発振周波数で同時に安定して発振させることが出来る。

負性抵抗発生回路を付加することで、それぞれの発振系統における発振周波数において、負性抵抗を生じさせ、当該発振周波数に対応する所定範囲以外の周波数において、負性抵抗を生じさせないようにする。これにより、第１発振系統及び第２発振系統において、さらに安定して発振信号を出力させることができる。

これらのアイソレーション制御回路(第１のアイソレーション制御回路２０及び第２アイソレーション制御回路２１)、インピーダンス調整回路(第１のインピーダンス調整回路２４及び第２のインピーダンス調整回路２５)、負性抵抗発生回路(第１の負性抵抗発生回路２２及び第２の負性抵抗発生回路２３)を付加することで、ＬＣ並列回路１９を用いた低次オーバートーンと高次オーバートーンを同時発振させ、発振周波数の差分信号を得る際の安定度を確保するとともに、温度情報としての精度を確保することが可能となる。

これまで、水晶振動子としてＡＴカットを用いた場合の説明を行ったが、例えば、２回回転水晶振動片であるＳＣカット又はＩＴカットの水晶振動子を用いてもよい。これらのカットの水晶振動子においてはＣモードと呼ばれる主振動の１０％程度高い領域にＢモードと呼ばれる副振動が存在する。

これらのカットの水晶振動子を用いて発振周波数の差を取る際には、同じ次数のオーバートーンのＢモード、Ｃモードを用いてもよい、別の次数のオーバートーンのＢモード、Ｃモードを用いてもよい、さらに、別の次数のＢモード同士、別の次数のＣモード同士を用いてもよい。

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、実施例では恒温槽を有する恒温型水晶発振器に適用したものとなっているが、恒温槽を持たなく、温度情報をバリキャップダイオードに加える制御電圧とした温度制御水晶発振器に適用しても構わない。

１・・・水晶発振器、１１・・・恒温槽、１２・・・水晶振動子、１３・・・第１の発振回路、１４・・・第２の発振回路、１５・・・周波数差検出部、１６・・・温度制御部、１７・・・インダクタ、１８・・・キャパシタ、１９・・・ＬＣ並列回路、２０・・・第１のアイソレーション制御回路、２１・・・第２のアイソレーション制御回路、２２・・・第１の負性抵抗発生回路、２３・・・第２の負性抵抗発生回路、２４・・・第１のインピーダンス調整回路、２５・・・第２のインピーダンス調整回路、２６・・・制御回路。

Claims (6)

1. 複数の振動モードを有する水晶振動子と、
   前記水晶振動子を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する第１の発振回路と、
   前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する第２の発振回路と、
   前記第１発振信号と前記第２発振信号の周波数の差を検出する周波数差検出回路と、を備え、
   前記水晶振動子に対し直列にインダクタとコンデンサからなるＬＣ並列回路を接続した水晶発振器。
2. 前記第１の発振回路と第１のアイソレーション制御回路と第１のインピーダンス調整回路と第１の負性抵抗発生回路とからなる第１の発振ループと、前記第２の発振回路と第２のアイソレーション制御回路と第２のインピーダンス調整回路と第２の負性抵抗発生回路とからなる第２の発振ループを備えた請求項１に記載の水晶発振器。
3. 前記水晶振動子が、ＡＴカットである、請求項１又は請求項２に記載の水晶発振器。
4. 前記第１発振信号の振動モードが基本波より高次である第１の次数のオーバートーンであり、前記第２発振信号の振動モードが基本波より高次であり、かつ前記第１の次数とは異なる第２の次数のオーバートーンである、請求項３に記載の水晶発振器。
5. 前記水晶振動子が、ＳＣカット又はＩＴカットである、請求項１又は請求項２に記載の水晶発振器。
6. 前記第１発振信号の振動モードがＣモードの基本波またはオーバートーンであり、前記第２発振信号の振動モードがＢモードの基本波またはオーバートーンである、請求項５に記載の水晶発振器。

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