JP2608221B2 - 水晶振動子を有する発振回路の駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、増幅器と、この増幅器
の入出力間に接続した帰還回路中にオーバートーンで動
作する水晶振動子を接続した発振回路の駆動方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】水晶振動子を有する発振回路は発振周波
数の温度変化に対する安定性が高いので多くの電子機器
に使用されている。従来、水晶振動子を有する発振回路
においては、水晶振動子を確実に振動させるために水晶
振動子に印加する駆動電圧は、発振開始電圧よりも十分
に高い電圧を印加するようにしている。すなわち、従
来、水晶振動子を有する発振回路においては、発振開始
電圧よりも僅かに高い駆動電圧を印加したのでは、温度
変動や経時変化などの影響によって安定な発振が行われ
ないと考えられていたので、駆動電圧は発振開始電圧よ
りも十分高い電圧値に設定されていた。例えば、発振回
路内の半導体素子や使用環境などの余裕をそれぞれ20％
としても発振開始電圧の少なくとも1.4 倍の駆動電圧を
印加する必要があるが、総合的な回路の安定性を考える
とさらに高い値、一般に発振開始電圧の1.5 倍よりも高
い値に設定されていた。例えば、発振開始電圧が1.5 ボ
ルト程度の場合、３ボルト以上の駆動電圧を印加するの
が普通であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように発振開始電
圧よりも相当高い電圧で駆動している従来の水晶振動子
を有する発振回路においては、消費電力が必然的に大き
くなり、大きな電源を必要とする欠点がある。例えば、
このような発振回路を携帯用の機器に使用する場合に
は、電池の消耗が甚だしくなる欠点がある。特に携帯用
の機器は小型、軽量化が図られる傾向にあるため、大容
量の電池の使用が制限されるので、消費電力が大きくな
ることは致命的な欠点となる。さらに、駆動電圧を発振
開始電圧よりも相当高くすると水晶振動子は過駆動され
ることになり、起動後に水晶振動子の温度がいつまでも
上昇し続け、電源投入後に長時間に亘って発振周波数が
漸増または漸減する欠点がある。すなわち、従来の水晶
振動子を有する発振回路においては、電源投入後の周波
数の短期安定性が悪いという欠点がある。例えば、水晶
振動子を用いた発振回路を有する無線機においては、電
源投入後も数時間に亘って周波数がシフトするので使用
中周波数を頻繁に調整する必要があった。また、駆動電
圧が高いと水晶振動子を構成する水晶の格子の運動や変
位が激しく起こり、長期安定性も良好でなくなるという
欠点もある。さらに、水晶振動子の周波数特性や結晶イ
ンピーダンスに不連続な部分がある場合、駆動電圧が高
いとそれらの影響が非常に大きく現れ、周波数偏移が大
きくなる欠点もある。

【０００４】電力消費を低減するために、特公昭60-281
61号公報には、発振開始時には水晶振動子に電源電圧を
印加し、安定な発振状態に達した後に、それよりも低
く、発振維持のための最小限の駆動電圧を印加すること
が提案されている。一方、本願人は、米国特許第4,716,
332 号明細書において、オーバートーンで動作する水晶
振動子を提案している。このようなオーバートーンで動
作する水晶振動子は、最初に駆動電圧を印加すると基本
波で発振を開始し、さらに駆動電圧を上昇させることに
よって所望のオーバートーン、例えば３次オーバートー
ンで発振を開始するものである。このような水晶振動子
では、オーバートーンで発振を開始した後に駆動電圧を
下げると基本波で再び基本波で発振するようになると考
えられていたので、上述した特公昭60-28161号公報に記
載されているような解決方法を採ることはできないと考
えられていた。

【０００５】したがって、本発明の目的はこれらの従来
の欠点を解消し、オーバートーンで動作する水晶振動子
を用いた場合であっても、消費電力を小さくするととも
に優れた短期安定性および長期安定性を有し、周波数特
性や水晶インピーダンスの不連続性に余り影響を受け
ず、安定した発振動作が行われるように構成した発振回
路の駆動方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、増幅器と、こ
の増幅器の入出力間に接続した帰還回路中にオーバート
ーンで動作する水晶振動子を接続した発振回路を駆動す
るに当たり、前記水晶振動子が基本波で発振を開始する
電圧である発振開始電圧よりも高い第１の駆動電圧を印
加し、次いで前記水晶振動子がオーバートーンで発振を
開始する電圧よりも高い第２の駆動電圧を印加し、水晶
振動子がオーバートーンで発振を開始した後は、前記基
本波での発振開始電圧よりも低いが発振停止電圧よりも
高い定常駆動電圧を前記発振回路に印加してオーバート
ーンでの発振を持続させることを特徴とするものであ
る。

【０００７】

【作用】本発明者は、オーバートーンで動作する水晶振
動子を用いた発振回路においては、記水晶振動子が基本
波で発振を開始する電圧である発振開始電圧よりも高い
第１の駆動電圧を印加し、次いで前記水晶振動子がオー
バートーンで発振を開始する電圧よりも高い第２の駆動
電圧を印加し、水晶振動子がオーバートーンで発振を開
始した後は、駆動電圧を低下させても基本波で再び発振
するようなことはなく、オーバートーンでの発振を維持
するという事実を確かめた。したがって、オーバートー
ンで発振を開始した後は、定常駆動電圧を基本波での発
振開始電圧よりも低くすることができ、その結果として
電力消費を従来に比べて大幅に低減することができる。

【０００８】

【実施例】本発明による駆動方法を説明する前に、本発
明者が確認した事項について説明する。図１はオーバー
トーンで動作しない通常の水晶振動子を有する発振回路
の基本的動作特性を測定するための回路構成を示すもの
であり、図２はそれによって測定された動作特性を示す
グラフである。発振回路はＣ−ＭＯＳインバータより成
る増幅器１と、その入出力間に接続した帰還回路とを有
し、帰還回路には水晶振動子２、抵抗３、コンデンサ
４，５とが設けられている。また、発振回路に対する電
源電圧は増幅器１に与えられており、その電圧Ｅおよび
電流Ｉをそれぞれ電圧計６および電流計７によって測定
できるように構成する。図２は横軸に電圧計６によって
測定した電源電圧の値Ｅを示し、縦軸は電流計７によっ
て測定した電源電流Ｉの値を示すものである。電源電圧
を徐々に増大して行くと1.4 ボルト程度から電流が流れ
始め、1.5 ボルト程度となると電流は急激に増大するよ
うになり、発振が開始される。このときの電圧値が発振
開始電圧Ｅ_S (1.523ボルト) である。さらに電圧を増大
させて行くと、電流はほぼそれに比例して増大するよう
になり、発振は持続することが分かる。次に、電圧Ｅを
徐々に減少させていくと、電流Ｉはそれにほぼ比例して
減少するが、駆動電圧が発振開始電圧Ｅ_S よりも低くな
っても発振は持続し、電圧を約1.1 ボルトまで低下させ
たときに初めて発振が停止する。このときの電圧が発振
停止電圧Ｅ_E (1.099ボルト) である。このように水晶振
動子２を一旦起動した後は、駆動電圧を発振開始電圧Ｅ
_S よりも低くしても発振は持続することが分かった。こ
の場合、駆動電圧Ｅの変化に伴う発振周波数の変化はき
わめて僅かであり、数ppm 以内であった。

【０００９】本発明者は上述した考察に基づいて、水晶
振動子を有する発振回路の定常駆動電圧を発振開始電圧
Ｅ_S の近傍の値から発振停止電圧Ｅ_E までの間に設定す
ることにより消費電力を低減することができ、さらに定
常駆動電圧をこのような範囲内の値に設定しても温度特
性や水晶振動子の結晶特性の影響などにおいても従来よ
りも優れた発振回路が得られることが確認された。ま
た、定常駆動電圧の上限は発振開始電圧の近傍とする
が、後述するように発振開始電圧の1.5 倍( 図２では2.
28ボルト) 以下とするのが好適であることを確かめた。
このように水晶振動子を定常的に駆動する定常駆動電圧
を、発振開始電圧Ｅ_Sの近傍の値と発振停止電圧Ｅ_E と
の間の値に設定するので、起動後の消費電力を従来に比
べて著しく小さくすることができる。また、定常駆動電
圧を低く設定することによって、起動後の水晶振動子の
温度の上昇は短期間の間に収まり、短期安定性が向上す
ることになり、電源投入後の周波数は短時間の内に安定
することになる。さらに、定常駆動電圧が低いので、水
晶振動子の水晶格子の変位は小さなものとなり、長期安
定性も改善されることになる。また、水晶振動子の周波
数特性や結晶インピーダンスに不連続な変化がある場合
でも、駆動電圧が低いので、その影響はきわめて小さな
ものとなる。

【００１０】図３は水晶振動子を有する発振回路におけ
る発振開始電圧、発振開始時の駆動電流、発振停止電
圧、発振停止直前の駆動電流の温度依存性を示すもの
で、温度を−30℃〜70℃の範囲で変化させたものであ
る。発振開始電圧および発振開始電流は温度の変化に対
して大きく変化するが、発振停止電圧および発振停止直
前の電流は温度の変化に対する変化が小さいことが確か
められた。上述したように、定常駆動電圧を発振開始電
圧よりも低い値に設定することにより、温度変化に対し
ても安定に動作をすることが分かる。

【００１１】図４は本発明による発振回路の駆動方法に
おける駆動電圧−駆動電流特性を示すものである。本例
では、水晶振動子として本願人の出願にかかる米国特許
第4,716,332 号明細書に記載されているようなオーバー
トーンで動作するものを使用した。このようにオーバー
トーンで動作する水晶振動子では、駆動電圧を徐々に上
げて行き、発振開始電圧Ｅ_S よりも高くなると水晶振動
子は先ず基本波で発振し始め、さらに駆動電圧を上げて
行き、オーバートーン発振開始電圧Ｅ_T を越えるとオー
バートーンで発振を開始するようになる。このようなオ
ーバートーンで動作する水晶振動子はオーバートーンで
発振を開始した後、駆動電圧を下げると再び基本波で発
振するようになると考えれていた。

【００１２】しかしながら、本発明者は、オーバートー
ンでの発振を一旦開始した後は、駆動電圧を低下させて
行っても、発振停止電圧Ｅ_E までオーバートーンで安定
に発振を持続することを確かめ、このような事実に基づ
いて本発明を成したものである。すなわち、本発明にお
いては、このようなオーバートーンで動作する水晶振動
子を使用した発振回路を駆動するに当たり、起動電圧と
して電源スイッチ投入後、オーバートーン発振開始電圧
Ｅ_T よりも高い起動電圧Ｅ１を印加してオーバートーン
で発振を開始させ、オーバートーンでの発振後、定常駆
動電圧Ｅ２として発振開始電圧Ｅ_S よりも低いが、発振
停止電圧Ｅ_E よりも高い値の電圧を印加することによっ
て所望のオーバートーンでの発振を持続させながら、電
力消費を低減するものである。

【００１３】上述したように、本発明においては、オー
バートーンでの発振を開始した後の定常駆動電圧を、基
本波での発振開始電圧Ｅ_S よりも低く、発振停止電圧Ｅ
_E よりも高い値に設定するが、この場合、発振停止電圧
Ｅ_E よりも僅かに高い値に設定する電圧よりも十分高く
し、定常駆動電圧を発振停止電圧よりも僅かに高い値に
設定することにより消費電力を著しく低く抑えることが
でき、本発明の効果が最も発揮されることになる。

【００１４】

【発明の効果】上述したように本発明による発振回路の
駆動方法においては、水晶振動子をオーバートーンで発
振させた後に、基本波での発振開始電圧よりも低く、発
振停止電圧よりも高い定常駆動電圧を印加して水晶振動
子を所望のオーバートーンで発振させるようにしたの
で、従来の発振回路に比べて消費電力を小さくすること
ができ、例えば携帯用機器に適用した場合には電池の消
耗を少なくすることができる。また、定常駆動時の電圧
を従来に比べて著しく低くすることができるので、水晶
振動子の過駆動は起こらず、水晶振動子の温度の上昇時
間は抑えられ短時間の間に発振周波数は安定することに
なる。また、駆動電圧を低くすることによって水晶振動
子内部の水晶格子の運動や変位も小さくなり、長期安定
性も改善される利点もある。さらに、水晶振動子の周波
数特性や結晶インピーダンスに不連続な部分があって
も、駆動電圧が低いのでその変化が小さくなる効果もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、水晶振動子を有する発振回路の基本的
構成を示す回路図である。

【図２】図２は、同じくその駆動電圧と駆動電流との関
係を示すグラフである。

【図３】図３は、発振開始電圧、発振開始電流、発振停
止電圧および発振停止直前の駆動電流の温度特性を示す
グラフである。

【図４】図４は、本発明による発振回路の駆動方法にお
ける駆動電圧−駆動電流特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 増幅器 ２ 水晶振動子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 増幅器と、この増幅器の入出力間に接続
   した帰還回路中に、オーバートーンで動作する水晶振動
   子を接続した発振回路を駆動するに当たり、前記水晶振
   動子が基本波で発振を開始する電圧である発振開始電圧
   よりも高い第１の駆動電圧を印加し、次いで前記水晶振
   動子がオーバートーンで発振を開始する電圧よりも高い
   第２の駆動電圧を印加し、水晶振動子がオーバートーン
   で発振を開始した後は、前記基本波での発振開始電圧よ
   りも低いが発振停止電圧よりも高い定常駆動電圧を前記
   発振回路に印加してオーバートーンで発振を持続させる
   ことを特徴とする水晶振動子を有する発振回路の駆動方
   法。