JP4302968B2

JP4302968B2 - 発振器の温度補償方法

Info

Publication number: JP4302968B2
Application number: JP2002335038A
Authority: JP
Inventors: 好文関根; 智基塩田
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004172831A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、温度補償発振器の温度補償などに利用する発振器の温度補償方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータや通信装置などの電子機器では、時間や周波数などの基準として、水晶などの圧電材料からなる振動子による発振器が用いられている。高精度な電子機器に用いられる発振器には、高い精度と高い安定性を要求される。
温度により共振周波数が変化する振動子を用いる発振器では、発振器の発振回路に温度補償回路を付加し、測定された周囲温度に基づいて温度補償を行い、高い周波数安定性を備えるようにしている（特許文献１参照）。このような技術により、現状の発振器では、例えば±０．１（１０^-6）程度の周波数安定度が得られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３４１０４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば±０．０１（１０^-6）とより高い周波数安定性が要求される場合、上述した従来の温度補償発振器では対応できていない。例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用した精密周波数発振源では、非常に高い周波数安定性が要求されるが、現状では、温度補償型の発振器ではこの要求に対応できていない。
【０００５】
温度補償型の発振器では、振動子を備えた発振回路に制御電圧を印加して発振させる際の温度が、制御電圧を生成する段階で前もって判明していれば、高い周波数安定性が得られる。しかしながら、現状では、上述したことが実現されていない。例えば、環境の温度が短い間隔で大きく変化する場合、この状態の温度変化を測定して所定時間後の温度を精度良く予測できていない。
従って、現在、温度測定結果より所定時間後の温度を高い精度で予測する技術が要求されている。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、温度補償型の発振器で従来より高い周波数安定性を得るためなど、温度測定結果より所定時間後の温度を高い精度で予測できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発振器の温度補償方法は、振動子を備えた発振器の発振信号の周波数を、測定された周囲の温度により温度補償するために推定した制御電圧により制御する発振器の温度補償方法であって、振動子の周囲の温度を所定の時間間隔Δｔで時系列的にｎ回測定してｎ個の温度Ｔａ（ｔ_i-n）〜Ｔａ（ｔ_i）を取得し、１つ前に測定した温度との差を時間間隔Δｔで除した値であるｖ（ｔ_i-n）として、以下の式により、現時点の時刻ｔ_iよりΔｔだけ先の時刻ｔ_i+1の温度Ｔａ（ｔ_i+1）を推定する。
【０００８】
この後、推定したＴａ（ｔ_i+1）および前記振動子の熱時定数から、振動子の温度を推定し、推定した振動子の温度より制御電圧を決定するようにしたものである。なお、ｎは、正の整数である。
【０００９】
【数２】

【００１０】
上記方法では、測定間隔における温度変化を速度ととらえ、この速度のｎ階微分項まで考慮して温度を予測している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における温度予測方法（発振器の温度補償方法）を適用する温度補償発振器の構成例を示す構成図である。この温度補償発振器は、例えばＡＴカットの水晶板からなる振動子１０２を備えた電圧制御圧電発振部１０１と補償電圧発生部１０３と温度予測部１０４と温度センサ１０５とから構成されている。
【００１２】
この温度補償発振器では、まず、温度センサ１０５が測定した温度データをもとに、温度予測部１０４がΔｔ時間後の振動子１０２における温度予測を行う。温度予測部１０４は、専用の処理装置を用いても良く、また、マイクロコンピュータなどから構成してもよい。
温度予測部１０４がΔｔ時間後の温度予測を行った後、この予測された温度をもとに、補償電圧発生部１０３が、Δｔ時間後の電圧制御圧電発振部１０１の発振周波数を算出し、電圧制御圧電発振部１０１に入力する制御電圧を変化させ、温度補償を行う。
【００１３】
本実施の形態においては、温度予測部１０４が、以下の（１）式により、Δｔ時間後の振動子１０２の予測温度Ｔｘ（ｔ_i+1）を予測するようにした。なお、ｎ，ｍは、２以上の整数である。
【００１４】
【数３】

【００１５】
上記（１）式において、Ｔａは、周囲（環境）の温度を示し、Ｔｓ，Ｒｓ，Ｃｓは、各々温度センサ１０５の温度，熱抵抗，熱容量を示している。また、Ｔｘ，Ｒｘ，Ｃｘは、各々振動子１０２の温度，熱抵抗，熱容量を示している。また、τ_sは温度センサ１０５の熱時定数を示し、τ_xは、振動子１０２の熱時定数を示している。
【００１６】
また、上記（１）式において、ｂ_m(n)は、以下の（２）式で示される数列である。
【００１７】
【数４】

【００１８】
以下、より詳細に説明する。図１に示すような温度補償発振器において、振動子１０２及び温度センサ１０５における熱伝達等価回路は、図２に示すようになる。図２の等価回路では、周囲の温度の熱は均一に伝わり、この熱伝導の遅れは一時遅れのみと仮定している。この仮定のもとに、本実施の形態では、温度センサ１０５により検出される温度をもとにした、現在（時刻ｔ_i）よりΔｔ時間後である時刻ｔ_i+1における周囲の温度Ｔａ（ｔ_i+1）を、つぎの（３）式により推定するようにした。
【００１９】
【数５】

【００２０】
上記（３）式は、速度、加速度、過加速度、ｎ階微分項まで考慮した、周囲温度予測式である。上記（３）式は、ｎ階微分項まで考慮することにより、動的に温度を予測するための基本となる式である。ただし、上記式におけるｖは、速度とし、つぎの（４）式で示すものとする。
【００２１】
【数６】

【００２２】
上記（３）式と（４）式とから、周囲温度予測式を導くと、つぎに示す（５）式となる。なお、（５）式中の数列ｂm(n)は、前述した（２）式で示されるものである。
【００２３】
【数７】

【００２４】
この（５）式により、測定された周囲温度Ｔａから周囲予測温度Ｔａ（ｔ_i+1）を導くことができることが判る。
【００２５】
また、周囲温度Ｔａのときの振動子１０２の温度Ｔｘは、つぎの式（６）により求めることができる。
【００２６】
【数８】

【００２７】
この（６）式に、前述した（５）式を代入することで、前述した（１）式が得られ、（１）式により、周囲温度Ｔａから振動子１０２のΔｔ時間後の予測温度を求めることが可能となる。
【００２８】
また、実際の周囲温度Ｔａと温度センサ１０５により測定される測定温度Ｔｓとは、つぎの（７）式により示すことができる。
【００２９】
【数９】

【００３０】
【数１０】

【００３１】
【数１０】

【００３２】
この（８）式により、周囲温度Ｔａと測定温度Ｔｓとの関係が示され、この関係を前述した（５）式に代入することで、温度センサ１０５により測定された測定温度Ｔｓにより、周囲予測温度Ｔａ（ｔ_i+1）を導くことができる。これを（１）式に適用することで、温度センサ１０５により測定された測定温度Ｔｓにより、Δｔ時間後の振動子１０２の温度を予測することが可能となる。
【００３３】
ところで、よく知られているように、ＡＴカットの水晶板の周波数温度特性は３次曲線で示され、振動子１０２の温度Ｔｘと周波数変化率との関係は、以下の（９）式で示すことができる。
【００３４】
【数１１】

【００３５】
なお、（９）式において、α，β，γは、各項の係数であり、予測温度Ｔｘ（ｔ_i+1）は、前述した（１）式により求めた振動子１０２のΔｔ時間後の予測温度である。
補償電圧発生部１０３は、前述したようにして予測した予測温度Ｔｘ（ｔ_i+1）をもとに、上記（９）式により周波数変化率を予測し、予測した周波数変化率と現在（時刻ｔ_i）の電圧制御圧電発振部１０１より出力されている発振周波数との差分を算出し、電圧制御圧電発振部１０１に制御電圧として帰還制御をかける。
【００３６】
ところで、上述した予測温度の算出において用いる温度センサ１０５の熱時定数τ_s及び振動子１０２の熱時定数τ_xは、つぎに示すことにより求めることができる。
まず、前述した（７）式を、ｅｘｐ（−Δｔ／τ_s）について解くと、つぎの（１０）式となる。
【００３７】
【数１２】

【００３８】
さらに、この（１０）は、以下の（１１）式となる。
【００３９】
【数１３】

【００４０】
従って、この式（１１）を用いれば、周囲温度Ｔａを変化させ、Ｔａ（ｔi），Ｔｓ（ｔi），Ｔｓ（ｔi-1）を得ることにより、温度センサ１０５の熱時定数τ_sを求めることができる。
【００４１】
また、周囲温度Ｔａと振動子１０２の温度Ｔ_xは、前述した（６）式により示されるが、これをｅｘｐ（−Δｔ／τ_x）について解くと、つぎの（１２）式となる。
【００４２】
【数１４】

【００４３】
さらに、この（１２）式は、つぎの（１３）式で示すことができる。
【００４４】
【数１５】

【００４５】
従って、この式（１３）を用いれば、周囲温度Ｔａを変化させ、Ｔａ（ｔi），Ｔｓ（ｔi），Ｔｓ（ｔ_i-1）を得ることにより、振動子１０２の温度Ｔ_xを求めることができる。
【００４６】
また、前述した（９）式の各項の係数は、以下の（１４）式に示す近似式の各項の係数α，β，γを、サーマルショックが無視できる程度の温度変化速度で実測を行い、最小２乗法により決定するようにすればよい。なお、（１４）式において、ｔは温度である。
【００４７】
【数１６】

【００４８】
つぎ、以上のようにして振動子１０２のΔｔ時間後の温度を予測し、温度補償を行うようにした温度補償発振器の特性のシミュレーション結果を以下に示す。まず、振動子１０２を構成する水晶板は、図３に示す温度特性を有するものとする。また、温度補償発振器の動作環境が、図４に示すように、時間とともに温度が変化するものとする。
【００４９】
上述した環境において、従来の温度補償発振器では、図５に示すように、図４に示すように、大きな間周囲温度の変化があると、発振周波数が大きく変化している。
これに対し、（１）式のｎを５としてΔｔ時間後の振動子１０２の予測温度Ｔｘ（ｔ_i+1）を求め、これにより温度補償した場合、図６の白四角に示すように、発振周波数がほとんど変化しない状態（±０．０１（１０^-6））が得られる。
【００５０】
図６に示すように、（１）式のｎ、すなわち、（３）式のｎを多くするほど、予測温度誤差を小さくできる。例えば、上述したｎを５とした場合、予測温度誤差を±０．１℃と小さくできる。
ところで、上述した本発明の温度予測方法は、温度補償発振器に適用できだけではなく、例えば、建造物内の空調制御システムに適用してもよい。室内の温度を高い精度で予測できれば、よりきめの細かい空調制御が可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の式により、Δｔ時間後の温度Ｔａ（ｔ_i+1）を予測するようにしたので、温度測定結果より所定時間後の温度を高い精度で予測できるという優れた効果が得られる。また、この高い精度で予測した温度をもとに温度補償を行うようにしたので、温度補償型の発振器で従来より高い周波数安定性を得ることが可能となる。
【００５２】
【数１７】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における温度予測方法（発振器の温度補償方法）を適用する温度補償発振器の構成例を示す構成図である。
【図２】振動子及び温度センサにおける熱伝達等価回路を示す回路図である。
【図３】振動子を構成する水晶板の周波数温度特性の一例を示す特性図である。
【図４】周囲温度の変化の一例を示す特性図である。
【図５】従来の温度補償発振器の発振周波数の誤差を示す特性図である。
【図６】本発明の実施の形態における温度予測方法を適用した温度補償発振器の発振周波数の誤差を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１…電圧制御圧電発振部、１０２…振動子、１０３…補償電圧発生部、１０４…温度予測部、１０５…温度センサ。

Claims

振動子を備えた発振器の発振信号の周波数を、測定された周囲の温度により温度補償した制御電圧により制御する発振器の温度補償方法であって、
前記振動子の周囲の温度を所定の時間間隔Δｔで時系列的にｎ回測定することでｎ個の温度Ｔａ（ｔ_i-n）〜Ｔａ（ｔ_i）を取得し、
１つ前に測定した温度との差を前記時間間隔Δｔで除した値であるｖ（ｔ_i-n）として、以下の（Ａ）式により、現時点の時刻ｔ_iよりΔｔだけ先の時刻ｔ_i+1の温度Ｔａ（ｔ_i+1）を推定し、
推定したＴａ（ｔ_i+1）および前記振動子の熱時定数τ _xから以下の（Ｂ）式により前記振動子の温度を求め、
求めた前記振動子の温度より前記制御電圧を決定する
ことを特徴とする発振器の温度補償方法。