JP3399563B2 - 温度補償水晶発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、簡単な構成で高精度の
温度補償を行うことができる温度補償水晶発振器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、時間、周波数等の基準として圧電
体の圧電現象を利用した圧電共振子が多用されている。
このような圧電共振子に用いる圧電体としては種々の物
質が知られている。このような圧電体の１つである水晶
を用いた水晶共振子は、水晶の化学的、物理的に極めて
優れた特性に加えて製造技術の進歩により安価で良好な
共振特性を得られるために種々の電子機器に広く使用さ
れている。さらに近時、このような水晶共振子を用いる
電子機器では小形、軽量かつ高信頼性を要求されるため
に水晶共振子と発振回路とを一体に組み立てた水晶発振
器も大量に製造され使用されている。このような水晶発
振器では水晶共振子と発振回路とを一体に組み立てて発
振周波数を正確に調整し、化学的、物理的に極力安定な
状態で気密に封止するようにしているので長期間、高い
周波数精度を維持することができる。ところでこのよう
な水晶発振器の周波数精度は一般に水晶振動子の温度特
性に依存する。たとえば数ＭＨｚないし十数ＭＨｚの周
波数帯で最も多用されているＡＴカットの厚み滑り水晶
振動子の場合、図４に示すように−３０℃ないし８０℃
の温度変化に対して±２５ｐｐｍ程度の周波数の変化を
生じる。このため、最近の電子機器の高機能、高精度化
とともに、このような機器に用いる水晶発振器の周波数
精度もさらに安定なことを要求されている。このような
温度補償水晶発振器の代表的なものとしては間接補償方
式と直接補償方式のものがある。

【０００３】間接補償方式のものは、たとえば図５に示
すブロック図のように発振回路１に接続した水晶振動子
２に直列にバリキャップダイオード３を接続し、このバ
リキャップダイオード３に制御電圧発生回路４から温度
に応じた制御電圧Ｖｃを印加してバリキャップダイオー
ド３の静電容量を制御して、温度変化による発振周波数
の変動を打ち消すようにしたものである。しかしながら
このようなものでは、比較的感度の高いバリキャップダ
イオード３を必要とし、また制御電圧発生回路４の電源
電圧を入力電圧の変動に対して充分に安定化しておく必
要があり構成が複雑になる問題がある。また直接補償方
式のものでは、たとえば図６に示すように発振回路１１
に接続した水晶振動子１２に直列に高温部補償回路１３
および低温部補償回路１４を接続するようにしている。
この高温部補償回路１３はコンデンサ１３ａとサーミス
タ１３ｂとを並列に接続したものである。そして高温部
補償回路１３は常温よりも高い、たとえば５０℃以上の
温度で温度の上昇とともにサーミスタ１３ｂの抵抗値を
減少させることによって該補償回路１３の等価直列容量
を増大させて発振周波数を低くするように作用する。ま
た低温部補償回路１４もコンデンサ１４ａとサーミスタ
１４ｂとを並列に接続している。そして低温部補償回路
１４は常温よりも低い、たとえば０℃以下の温度で温度
の低下とともにサーミスタ１４ｂの抵抗値を増大させる
ことによって該補償回路１４の等価直列容量を減少させ
て発振周波数を高くするように作用する。すなわち温度
変化によるサーミスタ１３ｂ、１４ｂの抵抗値の変化に
よって、それぞれの補償回路１３、１４の等価直列容量
を変化させることにより、水晶振動子１２の負荷容量を
制御して温度補償を行うものである。このような直接補
償方式のものは回路構成も比較的簡単であり、部品点数
も少ないために形状も小型化することができる優れた温
度補償方式である。しかしながらこのような温度補償回
路の場合、温度補償特性の精度をあまり高くすることは
できない。たとえば水晶振動子単体の温度特性を測定し
て、数学的な計算によって温度補償回路の各電子部品の
定数を計算し、この結果に基づいて補償回路を組み立て
ても、個々の水晶振動子毎の温度特性のバラツキが大き
く、さらに実際の電子部品にはそれぞれに誤差があり理
想的な補償特性は得難い。このため、たとえば特に選別
していない水晶振動子および一般に市販されている電子
部品の電気的な定数のばらつきを容認した場合、補償精
度は±２ｐｐｍ程度になってしまう。したがってより高
精度の温度補償を行うためには、個々の発振器ごとに回
路素子を交換して最適な値を見いだしたり、予め一定の
範囲の定数毎に選別した電子部品を使用する必要があり
工数が増大しコストも上昇する問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、簡単な構成で高精度の温度補償
を行うことができる温度補償水晶発振器を提供すること
を目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、水晶共振子に直列にコンデンサとサーミスタ
を並列に接続した温度補償回路を接続して水晶共振子の
負荷容量を制御して常温よりも高温度域側を補償する高
温領域補償回路および低温度域側を補償する低温領域補
償回路によって各別に温度補償を行うものにおいて、１
個のコンデンサに高温用サーミスタを並列に接続して高
温領域補償回路とし、このコンデンサに低温用サーミス
タを並列に接続して低温領域補償回路とし、上記水晶共
振子に直列に温度補償特性の傾きを補正する温度係数を
有する傾き補正コンデンサを接続したことを特徴とする
ものである。さらに請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のものにおいて、傾き補正コンデンサは温度補償
特性の傾きの補正によって生じる周波数の変位を補償す
る容量を有することを特徴とするものである。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例の水晶発振器を図１
に示すブロック図を参照して詳細に説明する。図中２１
は発振回路であって、個別部品あるいは半導体集積回路
等をもって構成している。そして２２は水晶共振子であ
って、水晶の結晶を結晶軸に対して所定の角度に切断し
て板状に成形し板面に電極を形成した、たとえばＡＴカ
ットの厚み滑り水晶共振子である。そして２３は高温部
補償回路でコンデンサ２３ａにサーミスタ２３ｂを並列
に接続して、常温以上のたとえば５０℃以上の温度にな
るとサーミスタ２３ｂの抵抗値を増大させて該補償回路
の等価直列容量を増大させて発振回路の発振周波数を低
くするように温度補償を行うものである。そして２４は
低温部補償回路でコンデンサ２４ａにサーミスタ２４ｂ
を並列に接続して、常温以下のたとえば０℃以下の低温
域では温度の低下とともにサーミスタ２４ｂの抵抗値を
次第に減少させて該補償回路の等価直列容量を減少させ
て発振回路の発振周波数を高くするように温度補償を行
うものである。しかしてこのような温度補償回路を一般
的に市販されている電子部品を使用して構成した場合、
たとえば±４ｐｐｍ程度の補償精度となる。ところでこ
のような補償特性について検討すると、代表的な特性は
低温部および高温部について図２に示すように分類する
ことができる。すなわち低温部については補償量が不足
している貧補償（図示Ａ）、適正な補償量である適正補
償（図示Ｂ）、補償量が過分である過補償（図示Ｃ）の
状態がある。また高温部についても、補償量が不足して
いる貧補償（図示Ｄ）、適正な補償量である適正補償
（図示Ｅ）、補償量が過分である過補償（図示Ｆ）の状
態がある。しかして高温部補償回路２３および低温部補
償回路２４の補償特性は互いに独立に設定することがで
きる。したがって低温から高温まで、たとえば−３０℃
から８０℃までの補償特性の代表例は図２に示すように
低温部、高温部それぞれ３種類の補償特性があり、全体
としてはこれらを組み合わせた９通りの態様がある。そ
して２５は上記水晶共振器２２に直列に接続され補償特
性全体の傾きを補正する温度係数を有する傾き補正コン
デンサである。この傾き補正コンデンサ２５は、たとえ
ばセラミックコンデンサであって温度の上昇とともに容
量の増大する正の温度係数で、かつ温度係数の比較的大
きな「＋＋温系」のもの、温度係数の比較的小さな「＋
温系」のもの、容量の変化しない零温度係数の「０温
系」のものおよび容量の減少する負の温度係数で、かつ
温度係数の比較的大きな「−−温系」のもの、温度係数
の比較的小さな「−温系」のものを補償特性全体の傾き
を勘案して選択的に使用する。すなわち、低温部、高温
部、それぞれの補償特性の傾向に対応して次の表１に示
すような温度係数の傾き補正コンデンサ２５を使用すれ
ばよい。 表１ ＼高温部 貧補償 適正補償 過補償 低温部＼ 貧補償 ＋＋温系 ＋温系 ０温系 適正補償 ＋温系 ０温系 −温系 過補償 ０温系 −温系 −−温系 なおこのように温度補償特性の傾きを補正したことによ
って発振周波数に変位を生じる場合は、傾き補正コンデ
ンサ２５の容量を増減することによって発振周波数を目
的とする周波数に正確に合わせ込むことができる。なお
このような発振周波数の合わせ込みは、傾き補正コンデ
ンサ２５の容量を増減して行ってもよいし、発振周波数
を調整するために専用の半固定コンデンサを設けて調整
するようにしてもよい。

【０００７】このような構成であれば、発振回路に用い
る水晶振動子の温度特性および温度補償回路の電子部品
の定数のバラツキ等によって生じる図２に示すような温
度補償特性の態様に応じて傾き補正コンデンサ２５によ
って、たとえば表１に示すように補償特性全体の傾きを
補正するようにしている。したがって、たとえば温度補
償特性の傾きを補正しない状態で最大±２ｐｐｍの補償
精度となる場合、補償特性全体の傾きを補正することに
よって容易に±１ｐｐｍ以上の補償精度を得ることがで
きる。したがって電気的な定数の精度の高い高価な電子
部品を用いることなく高精度の温度補償を行うことがで
き、また定数の精度の高い電子部品を用いればより高精
度の温度補償を行うことができる。

【０００８】したがって、傾き補正コンデンサに温度補
償特性の傾きを打ち消し、温度の変化に対して一定の発
振周波数を維持することができる温度係数のものを用い
ることによって、簡単な構成で補償精度を著しく向上す
ることができ温度の変化に係わらず発振周波数の安定な
高精度の温度補償水晶発振器を得ることができる。なお
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、たとえ
ば温度補償回路は図３に示すように１個のコンデンサ２
６に低温用サーミスタ２７、高温用サーミスタ２８を並
列に接続して温度補償を行うようにしてもよい。この場
合、低温用サーミスタ２７は低温域において抵抗値を増
大させて温度補償回路の等価直列容量を減少させて発振
周波数を高くするように作用する。なおこの場合高温用
サーミスタ１８は一定の抵抗値を維持する。また高温用
サーミスタ２８は高温域において抵抗値を減少させて温
度補償回路の等価直列容量を増大させて発振周波数を低
くするように作用する。なおこの場合低温用のサーミス
タ２７は一定の抵抗値を維持する。なおこの場合も、水
晶振動子２２に直列に傾き補正コンデンサ２５を接続し
て補償特性全体の傾きを補正することは勿論である。

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば簡
単な構成で高精度の温度補償を行うことができコストも
安価で小型化に適する温度補償水晶発振器を提供するこ
とができる。

【０００９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度補償水晶発振器の一例を示すブロ
ック図である。

【図２】本発明の温度補償を説明する補償特性の図であ
る。

【図３】本発明の温度補償水晶発振器の他の実施例を示
すブロック図である。

【図４】ＡＴカットの水晶振動子の温度特性を示す図で
ある。

【図５】従来の間接補償方式の水晶発振器を示すブロッ
ク図である。

【図６】従来の直接補償方式の水晶発振器を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

２１ 発振回路 ２２ 水晶振動子 ２３ 高温部補償回路 ２３ａ、２４ａ コンデンサ ２３ｂ、２４ｂ サーミスタ ２４ 低温部補償回路 ２５ 傾き補正コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平４−123613（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶共振子に直列にコンデンサとサーミス
   タを並列に接続した温度補償回路を接続して水晶共振子
   の負荷容量を制御して常温よりも高温度域側を補償する
   高温領域補償回路および低温度域側を補償する低温領域
   補償回路によって各別に温度補償を行うものにおいて、１個のコンデンサに高温用サーミスタを並列に接続して
   高温領域補償回路とし、このコンデンサに低温用サーミ
   スタを並列に接続して低温領域補償回路とし、 上記水晶
   共振子に直列に温度補償特性の傾きを補正する温度係数
   を有する傾き補正コンデンサを接続したことを特徴とす
   る温度補償水晶発振器。
2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、傾き補正
   コンデンサは温度補償特性の傾きの補正によって生じる
   周波数の変位を補償する容量を有することを特徴とする
   温度補償水晶発振器。