JP2021136643A

JP2021136643A - 発振器

Info

Publication number: JP2021136643A
Application number: JP2020033231A
Authority: JP
Inventors: 和男赤池; Kazuo Akaike; 甲史郎本宮; Koshiro Motomiya
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-13

Abstract

【課題】ＳＣカットの水晶振動子を有する発振器において発振周波数を精度よく制御しつつ、水晶振動子のエージング特性が悪化することを抑制する。【解決手段】ＳＣカットの水晶振動子と、水晶振動子の温度を検出する温度検出部１５１と、水晶振動子を加熱するヒーター３と、温度が水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度よりも低い基準温度未満である場合、ヒーター３に水晶振動子を加熱させ、温度が基準温度以上である場合、ヒーター３に水晶振動子を加熱させない加熱制御部１５２と、温度が基準温度以上である場合に、温度に応じて、水晶振動子が発生する発振信号を温度補償する温度補償回路１６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、発振信号を発生する発振器に関する。

水晶発振器の水晶振動子を恒温槽内に設置し、恒温槽の内部温度を所定の動作範囲に維持することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

特表２００８−５０７１７４号公報

ＳＣカットの水晶振動子は、外部応力や熱応力に強いためにエージング特性が良いという利点がある。ＳＣカットの水晶振動子を有する発振器の内部温度を水晶振動子の変曲点付近まで上昇させると、水晶振動子の温度の変化に対する周波数偏差の特性がフラットになることから、水晶振動子の周波数を制御しやすい。しかしながら、ＳＣカットの水晶振動子における変曲点の温度は、ＡＴカットの水晶振動子に比べて高いため、ＳＣカットの水晶振動子を有する発振器では、変曲点付近において水晶振動子を動作させていると水晶振動子のエージング特性が悪化するという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ＳＣカットの水晶振動子を有する発振器において発振周波数を精度よく制御しつつ、水晶振動子のエージング特性が悪化することを抑制することができる発振器を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様の発振器は、ＳＣカットの水晶振動子と、前記水晶振動子の温度を検出する温度検出部と、前記水晶振動子を加熱するヒーターと、前記温度が前記水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度よりも低い基準温度未満である場合、前記ヒーターに前記水晶振動子を加熱させ、前記温度が前記基準温度以上である場合、前記ヒーターに前記水晶振動子を加熱させない加熱制御部と、前記温度が前記基準温度以上である場合に、前記温度に応じて、前記水晶振動子が発生する発振信号を温度補償する温度補償回路と、を有する。

前記水晶振動子は、前記変曲点の温度以下において、温度が上昇するにつれて単位温度あたりの周波数変化量が小さくなり、前記基準温度における周波数偏差と、前記変曲点の温度における周波数偏差との差が２ｐｐｍ未満であってもよい。

前記加熱制御部は、前記温度が上昇して前記変曲点の温度よりも低い第１基準温度以上になった場合に前記ヒーターに発熱を停止させ、前記温度が低下して前記第１基準温度よりも低い第２基準温度未満になった場合に前記ヒーターに発熱させてもよい。前記第１基準温度における前記水晶振動子の単位温度あたりの周波数変化量が前記第２基準温度における前記水晶振動子の単位温度あたりの周波数変化量よりも小さくてもよい。

本発明によれば、ＳＣカットの水晶振動子を有する発振器において発振周波数を精度よく制御しつつ、水晶振動子のエージング特性が悪化することを抑制するという効果を奏する。

本実施形態の発振器の構成を示す図である。発振器の動作の概要を説明するための図である。第１振動子及び第２振動子の温度特性を示す図である。発振器の動作を示すフローチャートである。

［発振器１００の構成］
図１は、本実施形態の発振器１００の構成を示す図である。発振器１００は、恒温槽１と、集積回路２と、ヒーター３とを備える。恒温槽１には、第１振動子１１と第２振動子１２とが収容されている。

集積回路２は、アナログ回路及びデジタル回路を含んでおり、第１発振回路１３、第２発振回路１４、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）部１５及び温度補償回路１６を有する。

ヒーター３は、恒温槽１を加熱することにより恒温槽１の内部を一定の温度に保つ。ヒーター３は、恒温槽１内に設けられた第１振動子１１及び第２振動子１２を加熱する。ヒーター３は、第１振動子１１の温度が基準温度未満である場合に恒温槽１を加熱することで、恒温槽１内の温度を基準温度に維持する。ヒーター３は、第１振動子１１の温度が基準温度以上である場合に加熱を停止させる。詳細については後述するが、第１振動子１１の温度が基準温度以上でありヒーター３が加熱を停止した状態では、温度補償回路１６が温度補償動作をすることで、発振器１００は、一定の周波数の発振信号を出力する。

ヒーター３の制御は、ＤＳＰ部１５により行われる。ＤＳＰ部１５は、例えばＤＳＰを有しており、各種の演算を実行する。ＤＳＰ部１５は、温度検出部１５１及び加熱制御部１５２を備える。詳細については後述するが、温度検出部１５１は、第１振動子１１及び第２振動子１２に基づいて恒温槽１の内部の温度を検出し、加熱制御部１５２は、温度検出部１５１が検出した温度に基づいてヒーター３を制御する。ヒーター３は、加熱制御部１５２から入力される制御信号に基づいて発熱する状態と発熱しない状態とを切り替えることにより、恒温槽１の温度が基準温度になるように加熱動作を実行する。

［発振器１００の動作の概要］
図２は、発振器１００の動作の概要を説明するための図である。図２は、恒温槽１の周囲温度と、恒温槽１内の第１振動子１１の温度との関係を示す。ヒーター３は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度より低い状態（図２中における恒温槽制御領域）では、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度になるまで、恒温槽１内の第１振動子１１の温度を上昇させる。このため、ヒーター３は、恒温槽制御領域では、恒温槽１内の第１振動子１１を一定の温度で維持することができる。

一方、ヒーター３は、恒温槽１の周囲温度が基準温度以上の状態（図２中における温度補償領域）では、発熱を停止する。その結果、図２に示すように、周囲温度が基準温度以上になっている状態で、周囲温度が上昇するにつれて第１振動子１１の温度が上昇する。発振器１００においては、温度補償回路１６が、周囲温度と基準温度との差に基づく第１振動子１１の周波数偏差を補償するように動作することで、周囲温度が基準温度以上の状態においても、温度補償回路１６が一定の周波数の発振信号を発生する。

なお、周囲温度が基準温度未満の状態においては、ヒーター３が恒温槽１を加熱することにより、恒温槽１の内部温度は基準温度と等しくなっている。周囲温度が基準温度以上の状態においては、ヒーター３が恒温槽１を加熱しないので、恒温槽１の内部温度は周囲温度とほぼ等しくなっている。

［第１振動子１１及び第２振動子１２］
第１振動子１１は、第１発振信号を発生するための水晶振動子である。第１振動子１１は、例えば、ＳＣカットの水晶振動子である。第１発振回路１３は、第１振動子１１に接続されている。第１発振回路１３は、第１振動子１１の誘導性リアクタンスを利用して所定の周波数で発振することにより、第１発振信号を発生する。

第２振動子１２は、第２発振信号を発生するための水晶振動子である。第２振動子１２は、第１振動子１１とは異なる周波数温度特性を有する。第２振動子１２は、一例としては、ＡＴカットの水晶振動子である。第２発振回路１４は、第２振動子１２に接続されている。第２発振回路１４は、第２振動子１２の誘導性リアクタンスを利用して所定の周波数で発振することにより、第２発振信号を発生する。

図３は、第１振動子１１及び第２振動子１２の温度特性を示す図である。図３（ａ）は、水晶振動子の温度と周波数偏差との関係を示す図である。周波数偏差は、基準周波数に対する水晶振動子の発振周波数と基準周波数との差の割合であり、単位はｐｐｍである。

図３（ａ）の実線で示すように、第１振動子１１の周波数偏差の変化は、温度が上昇するにつれて小さくなる。図３（ａ）の破線で示す第２振動子１２の周波数偏差の変化は、６５℃〜８５℃の範囲において第１振動子１１の周波数偏差の変化よりも大きい。

図３（ｂ）は、図３（ａ）における温度範囲Ａを拡大した図である。図３（ｂ）の実線で示すように、第１振動子１１の周波数偏差は、温度が上昇するにつれて変化が小さくなる。そして、第１振動子１１の温度−周波数偏差の特性は、変曲点の温度付近においてフラットになる。したがって、恒温槽１の内部温度（すなわち第１振動子１１の温度）が変曲点の温度に近づけば近づくほど、温度変化に伴う周波数の変化を抑制することができる。しかしながら、第１振動子１１の温度が高くなると、第１振動子１１の劣化が進みやすく、エージング特性及び信頼性が悪化する。

そこで、基準温度は、第１振動子１１の周波数温度特性における変曲点（例えば９５℃）の温度よりも低い温度に設定されている。基準温度は、例えば、第１振動子１１の単位温度あたりの周波数変化量が、第２振動子１２の単位温度あたりの周波数変化量よりも小さい温度に設定されている。基準温度が変曲点の温度よりも低い温度に設定されていることで、周囲温度が基準温度である状態で第１振動子１１が変曲点の温度よりも低い状態に維持されるので、発振器１００は、エージング特性及び信頼性が改善する。

第１振動子１１の温度−周波数偏差の特性がフラットである領域を利用するため、基準温度における第１振動子１１の周波数偏差と、第１振動子１１の変曲点の温度における周波数偏差との差が２ｐｐｍ未満となるように基準温度を設定することが好ましい。そこで、発振器１００においては、基準温度を例えば６５℃とし、周囲温度が６５℃未満の間は第１振動子１１の温度が６５℃を超えないようにヒーター３で加熱しつつ、周囲温度が６５℃以上になった場合は、温度補償回路１６の動作により、温度によらず一定の周波数の発振信号を出力できるようにしている。

［ＤＳＰ部１５の構成及び動作］
図１に戻って、ＤＳＰ部１５の内部の構成及び動作を説明する。温度検出部１５１は、第１振動子１１を含む第１発振回路１３が発生する第１発振信号の周波数と、第２振動子１２を含む第２発振回路１４が発生する第２発振信号の周波数との周波数差に基づいて、恒温槽１の内部温度を検出する。図３に示したように、第１振動子１１の温度−周波数偏差特性と、第２振動子１２の温度−周波数偏差特性とは異なっており、温度によって第１発振信号と第２発振信号との周波数差が異なる。温度検出部１５１は、温度と周波数差との関係に基づいて、恒温槽１の内部温度を特定する。

温度検出部１５１は、検出した温度に対応する信号を加熱制御部１５２及び温度補償回路１６に入力する。検出した温度に対応する信号は、例えば温度が高ければ高いほど電圧が高い信号である。

温度検出部１５１がこのように第１発振信号と第２発振信号との周波数差に基づいて恒温槽１の内部温度を検出することで、温度検出部１５１は、高い精度で恒温槽１の内部温度（すなわち第１振動子１１の温度）を特定することができる。特に、温度検出部１５１が第１振動子１１の温度特性を考慮して内部温度を検出することで、後述するように、温度検出部１５１が検出した温度によって温度補償動作をする温度補償回路１６が出力する発振信号の周波数の精度が向上する。

加熱制御部１５２は、ヒーター３が発する熱量を制御する。例えば、加熱制御部１５２は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式によりヒーター３が発する熱量を制御する。加熱制御部１５２は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度に応じて、ヒーター３が発する熱量を制御する。加熱制御部１５２は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度未満である場合に、第１振動子１１の温度が基準温度になるまで、ヒーター３により第１振動子１１の温度を上昇させる。具体的には、加熱制御部１５２は、ヒーター３をＰＩ（Proportional-Integral）制御することにより、第１振動子１１の温度を基準温度になるまで上昇させる。

加熱制御部１５２は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度以上である場合、第１振動子１１の温度をヒーター３により上昇させない。具体的には、加熱制御部１５２は、温度検出部１５１が検出した第１振動子１１の温度が基準温度以上になった場合に、ヒーター３による発熱を停止させる。加熱制御部１５２がヒーター３による発熱を停止させた後、周囲温度が基準温度未満になった場合に、恒温槽１内の第１振動子１１の温度を基準温度に維持するために、加熱制御部１５２はヒーター３による発熱を再開する。

［温度補償回路１６の動作］
温度補償回路１６は、温度検出部１５１が検出した温度に対応する電圧によって発振信号の周波数を変化させる電圧制御発振器である。第１振動子１１が発生する第１発振信号の周波数は、第１振動子１１の温度の変化に起因して変化する。温度補償回路１６は、第１発振信号に基づいて発生させる出力発振信号の周波数を一定に維持するために、恒温槽１内の第１振動子１１の温度の変化に起因する第１発振信号の周波数の変動を補償する。

温度補償回路１６は、温度検出部１５１が検出した第１振動子１１の温度に応じて、第１発振信号を温度補償した出力発振信号を発生する。例えば、温度補償回路１６は、第１振動子１１の温度に対応する変化量だけ第１発振信号の周波数を変化させた出力発振信号を発生する。

具体的には、温度補償回路１６は、第１発振信号を外部基準信号とするＰＬＬ（Phase Locked Loop）及び印加される電圧によって容量値を変化させる可変容量ダイオードを有している。温度補償回路１６は、温度検出部１５１が検出した周波数差又は温度に対応する電圧によって可変容量ダイオードの容量が変化することにより、温度変化に伴う第１発振信号の周波数の変化を補償して、一定の周波数の出力発振信号を発生する。

上述のように、温度補償領域（図２）では、加熱制御部１５２がヒーター３による発熱を停止させるので、恒温槽１の内部は、周囲温度の影響を受けやすくなる。そこで、温度補償回路１６は、温度補償領域に対応する第１振動子１１の温度が温度検出部１５１により入力された場合に、恒温槽制御領域に比べて、第１振動子１１の温度に対応する変化量を大きくする。このような構成により、温度補償回路１６は温度補償領域において周囲温度の影響により出力発振信号の周波数が変動することを抑制することができる。

なお、温度補償回路１６は、温度検出部１５１が検出した第１振動子１１の温度に応じて第１発振信号を温度補償する例に限定されない。例えば、温度補償回路１６は、第１振動子１１の温度の代わりに、第１発振信号の周波数と、第２発振信号の周波数との周波数差を温度検出部１５１から取得してもよい。温度補償回路１６は、取得した周波数差に対応する変化量だけ、第１発振信号の周波数を変化させてもよい。

［発振器１００の動作］
図４は、発振器１００の動作を示すフローチャートである。発振器１００は、発振器１００に電力が供給されている状態で、図４に示す動作を繰り返す。

まず、加熱制御部１５２は、恒温槽１においてヒーター３による発熱を開始する（Ｓ１０１）。次に、温度検出部１５１は、第１振動子１１の発振周波数と、第２振動子１２の発振周波数との周波数差に基づいて、第１振動子１１の温度を検出する（Ｓ１０２）。加熱制御部１５２は、温度検出部１５１が検出した温度が基準温度以上であるか否かを判定する（Ｓ１０３）。

加熱制御部１５２は、周波数差に対応する恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度以上である場合に（Ｓ１０３のＹＥＳ）、ヒーター３による発熱を停止させる（Ｓ１０４）。この間、温度補償回路１６は、第１振動子１１の温度に対応する変化量だけ第１発振信号の周波数を変化させた出力発振信号を発生する。加熱制御部１５２は、ヒーター３による発熱を停止させた後、温度検出部１５１が検出した温度が基準温度未満になったか否かを判定する（Ｓ１０５）。加熱制御部１５２は、温度検出部１５１が検出した温度が基準温度未満になった場合に（Ｓ１０５のＹＥＳ）、Ｓ１０１の処理に戻る。

温度検出部１５１は、Ｓ１０３の判定において、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が基準温度未満である場合に（Ｓ１０３のＮＯ）、ヒーター３による発熱を継続した状態でＳ１０２の処理に戻る。加熱制御部１５２は、Ｓ１０５の判定において、温度検出部１５１が検出した温度が基準温度以上である場合に（Ｓ１０５のＮＯ）、Ｓ１０５の判定を繰り返す。

［本実施形態の発振器１００による効果］
ＳＣカットの第１振動子１１は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度を変曲点付近まで上昇させると、第１振動子１１の温度の変化に対する周波数偏差の特性がフラットになることから、第１発振信号の周波数を制御しやすくなる。しかしながら、第１振動子１１の変曲点付近まで第１振動子１１の温度を上昇させると第１振動子１１のエージング特性が悪化しやすくなる。また、発振器１００において半導体のワイヤーボンディング部のカーケンダルボイドの進行速度は、動作温度が１０℃上昇するにつれて２倍加速される（アレニウスの法則）。このため、第１振動子１１の変曲点付近まで恒温槽１内の第１振動子１１の温度を上昇させると、半導体のワイヤーボンディング部においてカーケンダルボイドが生じやすくなるという問題があった。

本実施形態の発振器１００では、加熱制御部１５２は、基準温度まで恒温槽１内の第１振動子１１の温度を上昇させる。この基準温度は、ＳＣカットの第１振動子１１の変曲点の温度より低いので、加熱制御部１５２は、温度の変化に対する第１振動子１１の周波数偏差の特性がフラットになる領域を利用しつつ、第１振動子１１のエージング特性が悪化したり、半導体のワイヤーボンディング部においてカーケンダルボイドが生じたりすることを抑制することができる。また、温度補償回路１６は、温度補償領域において第１振動子１１の温度に応じて第１発振信号を温度補償するので、外部温度の影響を受けて出力発振信号の周波数が変動することを抑制することができる。

また、本実施形態の発振器１００では、温度検出部１５１は、温度特性の異なる２つの水晶振動子の周波数差を利用することにより、恒温槽１内の第１振動子１１の温度を精度よく検出することができる。このため、加熱制御部１５２は、ヒーター３が発する熱量を制御する精度を向上させることができる。同様に、温度補償回路１６は、周波数差に応じて第１発振信号の周波数変動を補償するので、温度変化に起因して出力発振信号の周波数が変動することを精度よく抑制することができる。

また、本実施形態の発振器１００では、温度検出部１５１、加熱制御部１５２及び温度補償回路１６が単一の集積回路２に内蔵されているので、発振器１００を小型化することができる。

なお、本実施形態では、温度検出部１５１及び加熱制御部１５２がデジタル信号処理により実装される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。温度検出部１５１及び加熱制御部１５２は、ＤＳＰ以外のアナログ回路及びデジタル回路により構成されていてもよい。

［第１変形例］
本発明は、加熱制御部１５２がヒーター３に発熱を停止させるための基準温度と、ヒーター３の停止後、加熱制御部１５２がヒーター３に発熱を再開させるための基準温度とが同一である例に限定されない。

第１変形例に係る加熱制御部１５２は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が上昇して、第１基準温度以上になった場合にヒーター３による発熱を停止させる。第１基準温度は、第１振動子１１の周波数温度特性における変曲点の温度よりも低い温度である。温度補償回路１６は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が第１基準温度以上である場合に、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が第１基準温度未満である間よりも、第１振動子１１の温度に対応して第１発振信号の周波数を変化させる変化量を大きくする。

加熱制御部１５２は、ヒーター３の停止後、第１振動子１１の温度が低下して第２基準温度未満になった場合にヒーター３に発熱を再開させる。第２基準温度は、第１基準温度よりも低い温度である。温度補償回路１６は、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が第２基準温度未満になった場合に、恒温槽１内の第１振動子１１の温度が第２基準温度以上である間よりも、第１振動子１１の温度に対応して第１発振信号の周波数を変化させる変化量を小さくする。

このように、加熱制御部１５２がヒーター３に発熱を停止させるための第１基準温度と、加熱制御部１５２がヒーター３に発熱を再開させるための第２基準温度が異なることで、加熱制御部１５２は、ヒーター３の発熱の停止及び再開を頻繁に繰り返すことを抑制することができる。このため、加熱制御部１５２は、ヒーター３の発熱を制御するためのＦＥＴ（Field-Effect Transistor）等の半導体素子がオン状態とオフ状態とを頻繁に切り替えることに起因するスイッチング損失を抑制することができる。

なお、第１振動子１１の温度が第１振動子１１の変曲点の温度（約９５℃）以下の状態では、第１振動子１１の単位温度あたりの周波数変化量に相当する図３の周波数偏差のグラフの傾きは、温度が上昇するにつれて小さくなる。第１基準温度は第２基準温度より高いため、第１基準温度における第１振動子１１の単位温度あたりの周波数変化量は、第２基準温度における第１振動子１１の単位温度あたりの周波数変化量よりも小さい。したがって、第１基準温度以上の温度において温度補償回路１６が第１発振信号の周波数を変化させる量は、第２基準温度未満の温度において温度補償回路１６が第１発振信号の周波数を変化させる量よりも大きい。

［第２変形例］
以上の説明においては、温度補償回路１６が常に動作している場合を例示したが、温度補償回路１６は、周囲温度が基準温度以上である温度補償領域において温度補償動作を実行し、周囲温度が基準温度未満である恒温槽制御領域において温度補償動作を実行しないようにしてもよい。温度補償回路１６は、例えば、恒温槽制御領域では、温度検出部１５１が基準温度において出力する電圧と同一の電圧を可変容量ダイオードに印加するように構成される。温度補償回路１６がこのように構成されていることで、恒温槽制御領域における出力発振信号のジッタ量を小さくすることができる。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１恒温槽
２集積回路
３ヒーター
１１第１振動子
１２第２振動子
１３第１発振回路
１４第２発振回路
１５ＤＳＰ部
１６温度補償回路
１００発振器
１５１温度検出部
１５２加熱制御部

Claims

ＳＣカットの水晶振動子と、
前記水晶振動子の温度を検出する温度検出部と、
前記水晶振動子を加熱するヒーターと、
前記温度が前記水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度よりも低い基準温度未満である場合、前記ヒーターに前記水晶振動子を加熱させ、前記温度が前記基準温度以上である場合、前記ヒーターに前記水晶振動子を加熱させない加熱制御部と、
前記温度が前記基準温度以上である場合に、前記温度に応じて、前記水晶振動子が発生する発振信号を温度補償する温度補償回路と、
を有する発振器。
前記水晶振動子は、前記変曲点の温度以下において、温度が上昇するにつれて単位温度あたりの周波数変化量が小さくなり、
前記基準温度における周波数偏差と、前記変曲点の温度における周波数偏差との差が２ｐｐｍ未満である、
請求項１に記載の発振器。
前記加熱制御部は、前記温度が上昇して前記変曲点の温度よりも低い第１基準温度以上になった場合に前記ヒーターに発熱を停止させ、前記温度が低下して前記第１基準温度よりも低い第２基準温度未満になった場合に前記ヒーターに発熱させる、
請求項１又は２に記載の発振器。
前記第１基準温度における前記水晶振動子の単位温度あたりの周波数変化量が前記第２基準温度における前記水晶振動子の単位温度あたりの周波数変化量よりも小さい、
請求項３に記載の発振器。