JP4449274B2 - 圧電発振器、およびその圧電発振器を用いた受信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からの測位信号に基づいて位置計測を行うために用いる圧電発振器、この圧電発振器を用いた受信装置およびこの圧電発振器を用いた受信装置の衛星捕捉制御方法に関するものであり、より詳細には、ＧＰＳ測位信号の受信機能を搭載した携帯端末等の受信装置における圧電発振器、この圧電発振器を用いた受信装置およびこの圧電発振器を用いた受信装置の衛星捕捉制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置及びGPS受信機能を備えた携帯電話器等は、複数のGPS衛星から送信される測位信号を復調・解析して現在位置を測定するものである。これらの受信装置に使用される基準発振器としては、温度による周波数変化の小さい温度補償型圧電発振器TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）が、広く使用されている。その理由は、受信装置に内蔵された発振器の周波数精度が高いほど、ＧＰＳ衛星から送信される測位信号を捕捉するためのサーチ範囲を狭めることができ、結果的に、サーチ時間を短縮して、すなわちＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する時間を短縮して、短時間で測位を行うことができるためである。
【０００３】
温度補償回路が内臓されていない圧電発振器ＳＰＸＯ（Simple Packaged Crystal Oscillator）を基準発振器として使用した場合は温度による周波数偏差が大きく、測位信号を補足するまでの時間が長くなってしまう欠点がある。
図２５は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯと圧電発振器ＳＰＸＯの周波数温度特性を示した図である。図２５において縦軸は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周波数偏差Δｆ/ｆであり、横軸は周囲温度を示している。ここで、ｆは温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周囲温度２５℃における周波数を、またΔｆは温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯそれぞれの各温度における発振周波数である。−４０〜＋８５℃の温度範囲における温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周波数偏差は、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが±２．５ｐｐｍ以内であるのに対し、圧電発振器ＳＰＸＯは約±１０ｐｐｍと大きい。その結果、圧電発振器ＳＰＸＯをＧＰＳ受信装置の基準発振器とした場合ＧＰＳの捕捉時間は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの数倍以上となり実用上好ましくない。そのため現状ではＧＰＳ受信装置の基準発振器として温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが主に用いられている。
図２６は、従来の温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１の内部構成を示すブロック図である。温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１は、定電圧回路５、温度センサ７、温度補償回路４３、発振回路６、制御回路９およびメモリ１０からなるＴＣＸＯ用ＩＣ４２と、水晶振動子である圧電振動子４とによって構成されている。つまり、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１には温度センサ７および温度補償回路４３が内蔵されており、温度の変動に関わらず安定した周波数の出力周波数ｆoutが取り出せるようになっている。
外部から供給される電源電圧の変動による周波数変動を防止するため、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの電源電圧Vccは、定電圧回路５によって定電圧化されて、温度補償回路４３および発振回路６に供給される。
このとき、メモリ１０には発振回路６の温度特性を補償するための温度補償データが記憶されている。温度補償回路４３は温度センサ７で検出された温度情報と、メモリ１０からの温度補償データを基に発振回路６に印加する温度補償電圧を出力する。この結果、圧電振動子４の発振周波数は温度補償回路４３によって温度補償されるので、温度変化に殆ど依存されない安定周波数の出力周波数ｆoutが発振回路６から出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置は小型でハンディタイプのものが普及してきているので、利便性の面から受信装置の電源を投入してから測位データを出力するまでの測位信号の捕捉時間の短縮化が望まれている。捕捉時間を所望の値、たとえば電源を投入してから１０秒程度にまで短縮するためには、基準発振器の周波数精度を±０．１×１０-6（±０．１ｐｐｍ）程度にすることが要求される。しかし、図２６に示すような温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの周波数精度は、図２５に示すように一般的には±１〜±２.５ｐｐｍ程度であって要求を満足する周波数精度には至っていない。
【０００５】
また、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯは、製造する際に補償データをメモリに書き込む必要があり、さらに内蔵する温度補償回路やメモリ回路により、圧電発振器ＳＰＸＯに比べて回路規模が大きくなるため、サイズが大きくまた製造コストが高くなる欠点がある。さらに温度補償制度が±０．１ｐｐｍレベルの温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの製造は技術的にも困難であり、仮に製造できてもサイズや消費電力が大きくコストが極めて高いものとなるなどの問題もある。また、製造時における温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの調整以後はメモリの内容を変更することができないため、圧電振動子等に起因する周波数の経時変化が生じた場合には、たとえ温度補償しても捕捉時間が経時的に変化するなどの不具合がある。
なお、ＧＰＳ受信装置の基準発振器に関しては、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの外部に設置した温度センサの値から温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのオフセットを推定し、衛星からの信号を探索する中心周波数をスライドさせる技術が、特許第２９２１４３５号に記載されている。しかしながら、この技術は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのオフセットを考慮しているにすぎず、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの温度特性に応じて適切に探索範囲を制御しているわけではない。また、基準発振器としての温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯではなく圧電発振器ＳＰＸＯを用いる技術が、特開２００１-２８１３２２号公報に記載されている。しかしながら、この技術は温度変化に対する周波数変化すなわち周波数温度特性を複数の区間に分割し、この分割された各分割区間それぞれについて、探索すべき周波数変化範囲を制御したり、周波数温度特性の変化率に応じて周波数範囲を変化させて探索を行う等の補正処理を行うものであり、使用する圧電発振器ＳＰＸＯに応じて探索範囲を変化させるなどの煩雑なソフトウェア処理が必要であり実用的ではない。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度補償回路を内蔵していない安価な圧電発振器を用いて、温度変化による周波数精度を向上させなくてもＧＰＳ衛星からの測位信号の捕捉時間を短縮化させることができる圧電発振器、およびこの圧電発振器を用いた受信装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、圧電振動子と、前記圧電振動子を励振駆動し発振信号を出力する発振回路と、前記圧電振動子の近傍の温度情報を検出する温度検出手段と、前記発振信号の周波数偏差の温度に対する特性である周波数温度特性の近似曲線の近似曲線係数を記憶する記憶手段と、前記温度情報および前記近似曲線係数を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の圧電発振器において、前記発振信号の前記周波数偏差をΔｆ/ｆ、基準温度をＴ０、前記温度検出手段の前記温度情報が示す温度をＴ、温度係数をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、オフセット係数をＥとすると、前記近似曲線は、
Δｆ/ｆ=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E （１）
であり、前記近似曲線係数は、前記温度係数であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、前記オフセット係数であるＥとを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、本発明の圧電発振器を備えＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉する受信装置であって、前記温度検出手段で検出された前記温度情報と前記記憶手段に記憶された前記近似曲線係数とを前記圧電発振器から取得する取得手段と、前記取得手段により取得した前記温度情報が示す温度における前記周波数偏差を前記取得手段により取得した前記近似曲線係数に基づいて計算する計算手段と、該周波数偏差に対応して前記ＧＰＳ衛星からの測位信号を探索する周波数範囲をオフセットさせて前記測位信号の捕捉を行う捕捉手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の受信装置において、前記記憶手段に記憶される前記近似曲線係数はオフセット係数Ｅを有し、前記受信装置は、 前記捕捉手段による前記測位信号の捕捉が完了したときの周波数オフセットと前記計算手段により計算された前記周波数偏差との差分を計算しオフセット誤差を求める手段と、 前記オフセット誤差を前記オフセット係数Ｅに加減算して得られた値で、前記記憶手段に記憶されている前記オフセット係数Ｅを書き換える手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における圧電発振器およびこの圧電発振器を用いた受信装置の実施の形態の幾つかを詳細に説明する。本発明は、温度補償回路を内蔵しない圧電発振器ＳＰＸＯによって周波数特性の改善を行い、ＧＰＳ衛星からの測位信号の捕捉時間を短縮化させる圧電発振器を実現させるものである。以下の説明では、温度補償回路を内蔵しない圧電発振器を単に、圧電発振器と呼ぶことにする。
【００２３】
本発明は、あらかじめ、圧電発振器を製造する時に圧電発振器の温度特性情報および所定温度における発振周波数の周波数偏差を示すオフセット係数（Ｅ）としてオフセット情報を圧電発振器内部のメモリに記憶させておく。そして、この圧電発振器を内蔵した受信装置がＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する際に、メモリに記憶されている温度特性情報およびオフセット情報を読み出して圧電発振器の正確な周波数偏差を計算する。さらに、この計算結果に基づいて、衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これによって、基準発振器となる圧電発振器の周波数精度が向上したのと同じ効果が得られ、圧電発振器の周波数とＧＰＳ衛星の測位信号の周波数との差を少なくすることができるので、測位信号の捕捉時間を短縮化することができる。
【００２４】
第1の実施の形態
図１は、本発明の第1の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。圧電発振器１は、定電圧回路５、発振回路６、温度センサ７、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９およびメモリ１０からなる圧電発振器用ＩＣ２と、水晶振動子である圧電振動子４とによって構成されて、一つのパッケージ内に含まれる。
【００２５】
定電圧回路５は、外部から供給される電源減圧Ｖccの変動による周波数変動を防止するため、電源電圧Ｖccが変動しても、一定の電圧Ｖregを維持して発振回路６に供給する機能を備えている。また、温度センサ７は同一パッケージ内の発振部３（特に圧電振動子４の近傍）の温度を検出して外部に出力しているが、この検出信号によって発振部３の温度制御を行うことはない。温度センサ７としてはＩＣ化温度センサ等を使用することができる。ＩＣ化温度センサは、ＩＣチップ中に作られており、ＩＣチップ内の温度特性を出力するものである。
【００２６】
メモリ１０は、電気的に消去可能なＥ−ＰＲＯＭで構成されており、圧電発振器１を製造する時に取得した圧電振動子４の温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)と基準周波数に対する圧電振動子４の所定温度（基準温度Ｔ０：２５℃）における発振周波数の周波数偏差Δｆ/ｆを示すオフセットデータ（Ｅ）とを予め記憶している。また、Ａ/Ｄ変換器８は、温度センサ７から出力されるアナログ電圧または電流の出力データをディジタル値に変換する機能を有し、制御回路９は、メモリ１０内のデータの読み出し書き込み制御およびＡ／Ｄ変換器８からの温度データの読出し制御を行う機能を有している。
【００２７】
外部端子としては、電源電圧Ｖccを供給する電源端子１４と、ＧＰＳ衛星の測位信号の周波数を追尾するための出力周波数ｆoutを送出する出力端子１５と、外部装置へ温度センサ７からの温度データを読み出したり、メモリ１０からの読み出しおよび書き込みを制御する制御端子１６と、メモリ１０のデータを読み出しまたは書き込みし、または温度センサ７の温度データを読み出すＩ/Ｏ端子１７とを備えている。尚、図１に示す構成部分は、圧電振動子４を除いて圧電発振器用ＩＣ２としてワンチップＩＣ化されているが、ディスクリート部品で構成することもできる。
【００２８】
温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）の２つのデータは、圧電発振器１を調整する際に、温度センサ７が出力する温度と圧電発振器１が出力する出力周波数ｆoutの関係が温度係数として生成されてメモリ１０に記憶され、それぞれの圧電発振器ごとに固有のデータとなる。したがって、従来のように、ＧＰＳ受信装置を組み立てた後にＧＰＳ受信装置の周囲温度を変化させて、補正データを受信機に記憶させたり、補正テーブルを作成させるといった工程が不要である。結果的に、ＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉するための周波数精度を向上させることができる。
【００２９】
図２は、図１に示す第１の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。また、図３は、図２のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と温度可変装置との間のデータの流れを示す概念図である。つまり、図３は、圧電発振器の調整工程において、温度可変装置（以下、恒温槽という）の温度を変化させて恒温槽内の圧電発振器の温度特性データを取得するときのデータの流れを示しており、符号と矢印がそれぞれのデータの種類とその流れを示している。また、図２のフローチャートには、図３の恒温槽内の圧電発振器と制御コンピュータとの間で入出力され、または圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの種類も示されている。以下に、図２と図３を用いて圧電発振器の製造工程におけるデータ処理の流れを説明する。
【００３０】
先ず、組立工程において、圧電発振器用ＩＣ２、圧電振動子４および各種端子をパッケージに実装して封止を行い、図１に示す構成の圧電発振器を組み立てる（ステップＳ１）。ここで、圧電発振器の組立構成について説明する。
【００３１】
図４は、図１に示す圧電発振器のパッケージを分解して内部構造を示した斜視図である。つまり、図１に示す圧電発振器１が図４に示すパッケージ３０内に収納されて組み立てられている。セラミック製のパッケージ筐体３１の中には、圧電振動子４を除く構成要素を集積化した圧電発振器用ＩＣ２が収納されている。さらに、上面から圧電振動子４の端子部４０は導電性接着剤により、パッケージ側端子部３２と接着される。そして、金属製の蓋であるリッド３３がかぶせられて圧電発振器１を構成している。なお、図中のワイヤボンディング３４は、圧電発振器用ＩＣ２の端子を端子部３２に接続すると共に、図示されていない外部端子に接続するために用いられている。
【００３２】
従来のＧＰＳ受信装置では、温度センサ部は圧電発振器ＳＰＸＯや温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが実装される基板の近傍に配置されていたため、圧電振動子と温度センサの間に温度オフセットが生じ、温度検出誤差を生じやすい欠点があった。
しかし、図４に示す構造の本発明の圧電発振器によれば、図１に示す温度センサ７も圧電発振器用ＩＣ２の構成要素として同一パッケージ内に収められているため、圧電振動子４と温度センサ７との物理的距離を極力短くすることができる。したがって、圧電振動子４と温度センサ７との間の温度差を極力小さくすることができ、ほぼ正確な温度検出を行うことができる。なお、パッケージ筐体３１はセラミック製に限ることはなく、プラスチック製であっても同様の効果が得られる。
【００３３】
さて、図２、図３に戻り、ステップＳ１の組立工程で複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの組立が完了すると、圧電発振器の調整工程に入る。調整工程では、先ず、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａを恒温槽１２に入れた状態で、制御コンピュータ１３で恒温槽１２の槽内温度を基準温度（Ｔ０）に設定する（ステップＳ２）。さらに、調整工程において、制御コンピュータ１３で恒温槽１２の温度制御を行って槽内温度を変化させる。制御コンピュータ１３は、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのそれぞれについて発振部３の出力周波数ｆoutの周波数と温度との関係を示す特性データを取得する（ステップＳ３）。つまり、図３に示すように、制御コンピュータ１３が恒温槽１２の温度を変化させて、圧電発振器１ａより温度データＤ３1と周波数ｆout1を取得し、圧電発振器２ａより温度データＤ３２と周波数ｆout2を取得し、圧電発振器ｎａより温度データＤ３nと周波数ｆoutnを取得するというように、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの温度データＤ３と周波数ｆoutを取得する。
【００３４】
次に、制御コンピュータ１３が、恒温槽１２の温度を変化させながら、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａより取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとの特性に基づいて、周波数温度特性における近似曲線を計算するための温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）を算出する（ステップＳ４）。このとき、温度の測定ポイントは近似計算で必要となる最低のデータ数（たとえば５ポイントのデータ）以上であればよい。
【００３５】
ここで、基準温度をＴ０、測定温度をＴ、温度変化による周波数偏差をΔｆ/ｆとすると、最小二乗法による曲線のあてはめにより、温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）は、次の近似式（１）に示す係数として算出される。
Δｆ/ｆ=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E （１）
【００３６】
つまり、図３に示すように、制御コンピュータ１３が、取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとに基づいて、最小二乗法により温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータＤ２（Ｅ）を算出して各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに出力する。図３によってさらに詳しく述べれば、最小二乗法による係数の算出結果に基づいて、圧電発振器１ａには温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２１が入力され、圧電発振器２ａには温度係数データＤ１２とオフセットデータＤ２２が入力され、圧電発振器nａには温度係数データＤ１ｎとオフセットデータＤ２ｎが入力されるというように、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａには温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２が入力される。そして、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに入力された温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２は、各圧電発振器内の各メモリ１０に温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）として書き込まれる（ステップＳ５）。
【００３７】
図５は、図３に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。たとえば、制御コンピュータ１３が、圧電発振器１ａについて、測定ポイントとして、基準温度Ｔ０の２５℃と、−４５℃、−１０℃、＋５０℃、＋８５℃の各温度における温度データＤ３と周波数データｆを取得し、圧電発振器２ａ…ｎａについても同じ測定ポイントで温度データＤ３と周波数データｆを取得する。そして、制御コンピュータ１３が、最小二乗法により圧電発振器１ａの温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２1を算出して圧電発振器１ａのメモリ１０へ書き込む。同様にして、圧電発振器２ａ…ｎａについても、それぞれの温度係数データとオフセットデータを算出して各メモリ１０へ書き込む。
【００３８】
図６は、圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータの模式図である。図５で得られた温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータＤ２（Ｅ）として書き込まれて格納される。これらのデータは各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａごとに個別のデータとなる。
【００３９】
図７は、図１に示す圧電発振器１における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。制御回路９は、測定された温度データＤ３、算出された温度係数データＤ１およびオフセットデータＤ２を処理するコントローラ９１と、外部機器との間でデータの授受を行うシリアルインターフェース９２とによって構成されている。
【００４０】
また、シリアルインターフェース９２のＭ０、Ｍ１端子は入出力モードを決定する端子であり、Ｍ０、Ｍ１端子に入力された動作モード情報によってデータの入出力モードの変更を行う。ＷＲ端子は、メモリ１０へ温度係数データＤ１やオフセットデータＤ２を書き込み、またはメモリ１０から温度係数データＤ１やオフセットデータＤ２を読み出すときに使用する端子である。また、ＣＬＫ端子は各種データを入出力するときのタイミングを決定するクロック信号の入力端子であり、ＤＡＴＡ端子は各種データを入出力する入出力端子である。これらの端子を介して、圧電発振器の製造時には、図３に示す制御コンピュータ１３と圧電発振器１との間で各種データの授受が行われ、圧電発振器の使用時には、後述する受信装置のＣＰＵと圧電発振器１との間で各種データの授受が行われる。
【００４１】
図８は、図７に示す制御回路における動作モード設定の一例を示す図である。デフォルト状態では、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“０”にして動作モードは「データ入出力禁止モード」になっている。まず、圧電発振器の製造時においては、制御コンピュータ１３は、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。一方、制御コンピュータ１３は、温度センサ７，Ａ/Ｄ変換器８および制御回路９を経由した温度データＤ３を読み出すと共に、周波数ｆoutを測定する。次に、制御コンピュータ１３は、最小二乗法により近似計算を行って温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータ（Ｅ）を決定する。次に、Ｍ０端子の入力信号を"０"、Ｍ１端子の入力信号を"１"にして動作モードを「メモリ書込モード」にする。そして、制御コンピュータ１３は決定された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）をメモリ１０へ書き込む。
【００４２】
つぎに、受信装置に搭載された圧電発振器を使用する時には、電源投入時にＭ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“０”にして動作モードを「メモリ読出モード」にする。すると、メモリ１０に記録されている温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）が制御回路９によって読み出されて、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ転送される。さらに、Ｍ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。これによって、圧電発振器を使用しているときの温度データ（Ｄ３）が温度センサ７によって検出され、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ送信される。
【００４３】
これによって、受信装置のＣＰＵは、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）と温度データ（Ｄ３）とを用いて、式（１）に示す近似計算式によって圧電発振器から出力される出力周波数ｆoutの基準値からの周波数偏差を計算し、その周波数偏差の分だけ衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これにより、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができる。
【００４４】
なお、圧電発振器１の使用時に、Ｍ０端子の入力信号を“０”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「メモリ書込モード」にすることにより、受信装置のＣＰＵが、圧電発振器の経年変化によって生じたオフセットデータＤ２’（Ｅ’）を圧電発振器１のメモリ１０に書き込み、製造時のオフセットデータＤ２（Ｅ）をＤ２’（Ｅ’）に更新することができる。
【００４５】
図９は、本発明の第１の実施の形態における圧電発振器を用いた受信装置のブロック構成図である。この受信装置は、ＧＰＳ衛星からの測位信号を受信するためのアンテナ２１と、受信した測位信号の周波数の変換および増幅するＲＦ（Radio Frequency）回路２２と、ＲＦ回路からの信号を復調して所定の信号処理を行う信号処理回路２３と、本発明の第１の実施の形態の圧電発振器２４と、信号処理回路２３の動作制御と圧電発振器２４のデータ処理を行うＣＰＵ２５と、ＣＰＵ２５からのデータに基づいて測位データや測位結果などを表示する表示部２６とによって構成されている。
【００４６】
ＲＦ回路２２は、ＰＬＬと混合器および増幅器を有し、ＧＰＳ衛星からの測位信号と圧電発振器２４からの出力周波数ｆoutに基づいて、測位信号の周波数をＲＦからＩＦ（Intermediate Frequency）に変換して信号処理回路２３へ入力する。信号処理回路２３は、ＩＦ周波数に変換された測位信号と圧電発振器２４から出力された出力周波数ｆoutに基づいて、ＧＰＳ衛星からの測位信号を復調してＣＰＵ２５に入力する。
【００４７】
信号処理回路２３は、ＣＰＵ２５からの情報に基づいて、ＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉する周波数範囲、すなわちサーチ範囲を変更する。このサーチ範囲は、圧電発振器のメモリ１０内に記録された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）に基づいて、ＣＰＵ２５が式（1）に示す近似計算式で計算して得られた周波数偏差情報によって決定される。つまり、本発明の特徴であるＧＰＳ衛星の測位信号周波数と圧電発振器の発振周波数をマッチングさせる衛星捕捉手段は、ＲＦ回路２２と信号処理回路２３とＣＰＵ２５とによって構成されている。
【００４８】
図１０は、図９に示す受信装置が測位信号のサーチ周波数を決定する処理の流れを示すフローチャートである。図９の受信装置に示す各データの流れを参照しながら図１０のフローチャートを説明する。先ず、受信装置の電源を投入すると（ステップＳ１１）、ＣＰＵ２５が、圧電発振器２４のメモリから温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）の読み出しを行う（ステップＳ１２）。さらに、ＣＰＵ２５は、圧電発振器２４の温度センサから温度データＤ３の読み出しを行い、現在の温度Ｔを求める（ステップＳ１３）。そして、ＣＰＵ２５は、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）、現在の温度Ｔおよび基準温度Ｔ０を前述の式（１）に代入し、圧電発振器２４の現在の温度Ｔにおける周波数偏差（Δｆ/ｆ）の計算を行う（ステップＳ１４）。
【００４９】
次に、周波数偏差の計算結果に基づいて、衛星からの信号を探索する周波数範囲をオフセットさせ（ステップＳ１５）、その後、ＧＰＳ衛星の測位信号をサーチする。（ステップＳ１６）。
【００５０】
このように、あらかじめ、圧電発振器２４の周波数をＧＰＳ衛星の測位信号の周波数の近傍までシフトしてから、圧電発振器２４の周波数を掃引してＧＰＳ衛星の測位信号の周波数にマッチングさせるので、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができ、その結果、捕捉する時間をかなり短縮することができる。つまり、温度補償回路を用いて圧電発振器の周波数精度を向上させたのと同等の効果が得られる。図１１は、圧電発振器の周波数偏差（Δｆ/ｆ）と捕捉時間との関係を示す概念図である。図１１に示すように圧電発振器の周波数偏差と捕捉時間はほぼ比例しており、周波数偏差を小さくすれば捕捉時間を短くすることができることが分かる。
【００５１】
ところで、圧電発振器は経年変化によって発振周波数が変化する傾向がある。図１２は、圧電発振器の周波数偏差が経年変化したときの周波数偏差と温度との関係を示す周波数温度特性図である。図１２の周波数温度特性図に示すように、経年変化によって圧電発振器の発振周波数のオフセット値も時間の経過に伴って変わってくる。つまり、式（１）の近似計算式で得られる周波数偏差の計算値と、実際の周波数ｆｏｕｔに誤差を生じる。その結果、衛星の捕捉時間が増大したり、衛星が捕捉できなくなるといった問題が生じる。たとえば、圧電発振器の製造時には、基準温度Ｔ０のときの周波数偏差は、特性（ａ）のようにオフセットデータＥ（ここではオフセット値という）はゼロである。
【００５２】
ところが、時間が経つにつれて、当初の特性（ａ）は、特性（ｂ）または特性（ｃ）に変化する。特性（ｂ）ではオフセット値はＥ＋ΔＥとなり、特性（ｃ）ではオフセット値はＥ−ΔＥとなってしまう。このため、基準温度Ｔ０のときの周波数偏差は、特性（ｂ）の場合は＋ΔＥとなり、特性（ｃ）の場合は−ΔＥとなってしまう。そこで、圧電発振器の経年変化による周波数偏差の変化を補償する対策が必要となる。
【００５３】
図１３は、圧電発振器の周波数偏差の経年変化に対応してオフセットデータを補正する処理の流れを示すフローチャートである。先ず、前述の図１０のフローチャートにしたがってＧＰＳ衛星の測位信号の捕捉が完了して測位可能な状態になったら（ステップＳ２１）、ＣＰＵ２５の演算処理は捕捉完了時の周波数オフセットと、式（1）の近似式で得られた周波数偏差の計算値との差分を計算し、（ステップＳ２２）、この差分を基に、基準温度に対するオフセット誤差（±ΔＥ）を求める（ステップＳ２３）。その後、ＣＰＵ２５の演算処理は、圧電発振器２４のメモリに保存されているオフセットデータＥに対してオフセット誤差（±ΔＥ）を加減算し、オフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）を得て、オフセットデータＥを新たなオフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）で書き換えて、圧電発振器２４のメモリに格納する（ステップＳ２４）。
【００５４】
これによって、オフセットデータがＥの場合の周波数偏差（Δｆ/ｆ）は前述の式（１）で求められたが、経年変化によってオフセットデータがＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）に変化したときは、温度係数データＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは殆ど変化しないので、経年変化時の周波数偏差（Δｆ/ｆ）'は、式（２）のようにＥをＥ'で置き換えることによって求めることができる。
（Δｆ/ｆ）'=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E' （２）
【００５５】
つまり、経年変化により、初期値のオフセットデータＥに対してオフセット誤差（±ΔＥ）が生じたときは、このオフセット誤差（±ΔＥ）を加味した新たなオフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）を計算し、ＥをＥ'に更新して圧電発振器２４のメモリに書き換えれば、経年変化によるオフセット変化分を補償して圧電発振器の発振周波数をＧＰＳ衛星の測位信号の周波数にマッチングさせることができる。なお、上記の実施の形態では、式（１）および式（２）に示すように温度特性曲線を４次式で近似させたが、３次式または５次式以上で近似させても同様の効果が得られる。
【００５６】
図１４は、Ｃ−ＭＯＳ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。つまり、図１に示す圧電振動子４を含む発振回路６をＣ−ＭＯＳ発振回路で実現した回路構成である。この回路は一般に用いられている圧電発振回路であるので詳細な説明は省略するが、抵抗、コンデンサおよびインバータＩＣによってコルピッツ発振回路を構成して圧電振動子４を励振駆動し、出力段のインバータＩＣによってアイソレーション並びに波形整形して所定周波数の出力周波数ｆoutを取り出している。また、図１５は、バイポーラ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。つまり、図１に示す圧電振動子４を含む発振回路６をバイポーラ発振回路で実現した回路構成である。この回路も一般に用いられている圧電発振回路であるので詳細な説明は省略するが、トランジスタＱ１，Ｑ２と抵抗、コンデンサおよび圧電振動子４からなる発振回路部によって圧電振動子４を励振駆動し、出力周波数ｆoutを取り出している。
【００５７】
第２の実施の形態
図１６は、本発明の第２の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。第２の実施の形態の圧電発振器が第１の実施の形態のそれと異なるところは、オフセット調整部１１を追加して圧電発振器１の製造初期の周波数偏差を補正している点である。その圧電発振器用ＩＣ２は、定電圧回路５、発振回路６、温度センサ７、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、メモリ１０および圧電発振器１の初期の周波数偏差の補正を行うオフセット調整部１１から構成されている。
【００５８】
以下、第１の実施の形態と重複する説明はできるだけ避けて、オフセット調整部１１の動作を中心に説明する。圧電発振器１を製造したときに、オフセット調整部１１が圧電振動子４の常温における初期の周波数偏差の補正を行う。このとき、周波数偏差の補正に用いたデータはオフセット補正データ（Ｆ）としてメモリ１０に記憶され、前述の温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）と共に製造後は書き換えを行わない固有値として格納される。そして、圧電発振器１を受信装置に組み込んで使用するときに、オフセット補正データ（Ｆ）を読み出して常温におけるオフセットをゼロに近い値に補正すると共に、温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）を用いて前述の式（１）における近似計算式によって、衛星からの信号を捕捉させる周波数範囲をオフセットさせる。実施の形態１においては、常温におけるオフセット周波数が約±２０ｐｐｍの範囲でばらつくが、第２の実施の形態によれば、常温におけるオフセット周波数を±０.２ｐｐｍ以内とすることができるため、信号処理回路２３の設計が容易となる。
【００５９】
オフセット調整部１１は、圧電振動子４の振動回路を構成するコンデンサを並列接続してコンデンサアレイ群を構成することによって実現することができる。図1７は、本発明の第２の実施の形態の圧電発振器において、Ｃ−ＭＯＳ発振回路にオフセット調整部１１を付加した回路の一例である。また、図１８は、本発明の第２の実施の形態の圧電発振器において、バイポーラ発振回路にオフセット調整部１１を付加した回路の一例である。図１７、図１８に示すように、圧電振動子４に接続されたコルピッツコンデンサＣ０に並列に、コンデンサＣ１，Ｃ２…ＣｎとスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎの直列回路が接続されてコンデンサアレイ群を構成している。
【００６０】
温度センサ７からの温度情報に基づいて、制御回路９がスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎを順次ＯＮ/ＯＦＦ制御するので、温度情報に応じてコンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎの並列接続数が変化する。したがって、常温における周波数偏差を可変させることができるので、常温での衛星からの信号を探索させる周波数のオフセット量を小さくすることができる。このようなオフセット調整部１１を付加することにより、製造時の周波数偏差を±０．２ｐｐｍ以下とすることができるため、信号処理回路２３の設計の際に要求される周波数オフセット範囲を小さくすることができ、信号処理回路の設計が容易になる。なお、コンデンサアレイ群を構成する各コンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎは、重み付けした容量値とすることで、より少ないコンデンサ数で精度の高い周波数調整が行える。
【００６１】
図１９は、図１６に示す第２の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。また、図２０は、図１９のフローチャートにおいて圧電発振器の調整を行うための、圧電発振器と制御コンピュータ間のデータの流れを示す概念図である。先ず、組立工程において、圧電発振器用ＩＣ２、圧電振動子４および各種端子等をパッケージに実装して封止を行い、図１６に示す構成の圧電発振器を組み立てる（ステップＳ３１）。
【００６２】
次に、圧電発振器の調整工程に入り、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａを恒温槽に入れてから槽内温度を常温（２５℃）に設定し、制御コンピュータ１３は、それぞれの圧電発振器について常温での周波数偏差が最も小さくなるように、オフセット調整部１１のオフセット補正データＤ４（Ｆ）を圧電発振器に送出する。次に、このオフセット補正データＤ４（Ｆ）に基づいて、圧電振動子４は、常温での周波数調整を行う（ステップＳ３２）。具体的には、圧電振動子４中の制御回路９が、オフセット補正データＤ４（Ｆ）に基づいて、図１７または図１８のスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎをＯＮ/ＯＦＦ制御して、コルピッツコンデンサＣ０に接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎの並列個数を調整することによって周波数調整が行われる。
【００６３】
このような調整を行った後、恒温槽１２の温度を変化させて、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの周波数−温度特性を取得する（ステップＳ３３）。つまり、図２０に示すように、制御コンピュータ１３が恒温槽１２の温度を変化させて、圧電発振器１ａから温度データＤ３1と周波数ｆout1を取得し、圧電発振器２ａより温度データＤ３２と周波数ｆout2を取得し、圧電発振器ｎａより温度データＤ３nと周波数ｆoutnを取得する。一般的に記述すれば、制御コンピュータ１３は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの温度データＤ３と周波数ｆoutを取得することになる。
【００６４】
次に、制御コンピュータ１３が、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａより取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとの特性に基づいて、最小二乗法により近似計算を行って温度係数データＤ１(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータＤ２（Ｅ）を算出する（ステップＳ３４）。
【００６５】
次に、図２０に示すように、制御コンピュータ１３は、算出した温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）と共にオフセット補正データＤ４（Ｆ）を各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに入力する。図２０によってさらに詳しく述べれば、圧電発振器１ａには温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２１とオフセット補正データＤ４１が入力され、圧電発振器２ａには温度係数データＤ１２とオフセットデータＤ２２とオフセット補正データＤ４２が入力され、圧電発振器nａには温度係数データＤ１ｎとオフセットデータＤ２ｎとオフセット補正データＤ４ｎが入力される。一般的に記述すれば、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａには温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット補正データＤ４が入力されることになる。次に、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａへ入力された温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット調整データＤ４は、それぞれのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）として書き込まれる（ステップＳ３５）。
【００６６】
図２１は、図１９に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。たとえば、制御コンピュータ１３が、圧電発振器１ａについて、測定ポイントとして、基準温度Ｔ０の２５℃と、−４５℃、−１０℃、＋５０℃、＋８５℃の各温度における温度データＤ３と周波数データfを取得し、圧電発振器２ａ…ｎａについても同じ測定ポイントで温度データＤ３と周波数データfを取得する。そして、制御コンピュータ１３が、式（１）に示す近似計算式により圧電発振器１ａの温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２1を算出して圧電発振器１ａのメモリ１０へ書き込むと共に、オフセット補正データＤ４１もメモリ１０へ書き込む。同様にして、圧電発振器２ａ…ｎａについても、それぞれの温度係数データＤ１２・・・Ｄ１ｎとオフセットデータＤ２２・・・Ｄ２ｎとオフセット補正データＤ４２・・・Ｄ４ｎを各メモリ１０へ書き込む。
【００６７】
図２２は、本発明の第２の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４の模式図である。つまり、温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット補正データＤ４は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）として書き込まれて格納される。これらのデータは各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａごとに個別のデータとなる。
【００６８】
図２３は、図１６に示す圧電発振器における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。制御回路９は、測定された温度データＤ３、算出された温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を処理するコントローラ９１と、外部機器との間でデータの授受を行うシリアルインターフェース９２とによって構成されている。
【００６９】
また、シリアルインターフェース９２のＭ０、Ｍ１端子は入出力モードを決定する端子であり、Ｍ０、Ｍ１端子に入力された動作モード情報によってデータの入出力モードの変更を行う。ＷＲ端子は、メモリ１０に温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を書き込み、またはメモリ１０から温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を読み出すときに使用する端子である。また、ＣＬＫ端子は各種データを入出力するときのタイミングを決定するクロック信号の入力端子であり、ＤＡＴＡ端子は各種データを入出力する入出力端子である。これらの端子を介して、圧電発振器の製造時には、図３に示す制御コンピュータ１３と圧電発振器１との間で各種データの授受が行われ、圧電発振器の使用時には、後述する受信装置のＣＰＵと圧電発振器１との間で各種データの授受が行われる。
【００７０】
図２４は、図２３に示す制御回路９における動作モード設定の一例を示す図である。デフォルト状態では、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“０”にして動作モードは「データ入出力禁止モード」になっている。まず、圧電発振器の製造時においては、制御コンピュータ１３は、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。一方、制御コンピュータ１３は、温度センサ７，Ａ/Ｄ変換器８および制御回路９を経由した温度データＤ３を読み出すと共に、周波数ｆoutを測定する。次に、制御コンピュータ１３は最小二乗法により近似計算を行って温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータ（Ｅ）を決定する。次に、Ｍ０端子の入力信号を"０"、Ｍ１端子の入力信号を"１"にして動作モードを「メモリ書込モード」にする。そして、制御コンピュータ１３は決定された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）およびオフセット補正データＤ４（Ｆ）をメモリ１０に書き込む。
【００７１】
つぎに、受信装置に搭載された圧電発振器を使用する時には、電源投入時にＭ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“０”にして動作モードを「メモリ読出モード」にする。すると、メモリ１０に記録されている温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）およびオフセット補正データＤ４（Ｆ）が制御回路９によって読み出されて、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ転送される。さらに、Ｍ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。これによって、圧電発振器を使用しているときの温度データ（Ｄ３）が温度センサ７によって検出され、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ送信される。
【００７２】
これによって、受信装置のＣＰＵは、温度データ（Ｄ３）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）によって常温における周波数偏差の補正を行うと共に、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）および温度データ（Ｄ３）とを用いて、式（１）に示す近似計算式によって圧電発振器から出力される出力周波数ｆoutの基準値からの周波数偏差を計算し、その周波数偏差の分だけ、衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これにより、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができる。
【００７３】
なお、圧電発振器１の使用時に、Ｍ０端子の入力信号を“０”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「メモリ書込モード」にすることにより、受信装置のＣＰＵが、圧電発振器の経年変化によって生じたオフセットデータＤ２’（Ｅ’）を圧電発振器１のメモリ１０に書き込み、製造時のオフセットデータＤ２（Ｅ）をＤ２’（Ｅ’）に更新することができるのは、前述の第１の実施の形態の場合と同じである。
【００７４】
このように、圧電発振器の動作時に常温における周波数偏差の補正を行うことにより、周波数のオフセット量を小さくすることができ、ＧＰＳ受信装置の信号処理回路の設計が容易になる。
【００７５】
以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。例えば、圧電振動子の発振回路についてＭＯＳ発振回路とバイポーラ発振回路を引用したが、本発明は、これに限ることはなくどのような発振回路を用いても本発明は適用されることはいうまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電発振器を用いることにより、従来の温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯを使用した受信装置に比べて、基準発振器の周波数をより正確に基準レベルに合わせることができる。したがって、ＧＰＳ衛星の測位信号を補足するための周波数サーチ範囲を狭めることができ、測位信号の補足時間をさらに短縮化することができる。また、経年変化などによる周波数変化に対しても周波数補正を行うことができるので、長期間にわたって捕捉時間を短縮化することができる。さらに、本発明の圧電発振器は温度補償を行わないために、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのような製造時の温度特性調整工程が不要となる。また、圧電振動子を除く構成部分をＩＣ化することができると共に温度補償回路を必要としないために小型化が可能となるので圧電発振器を低コスト化することができる。また、温度補償回路がないために消費電流も小さくなるので受信装置に内蔵する電池の寿命を延ばすことができる。
【００７７】
また、通常は圧電発振器の製造時の周波数ばらつきは±２０ｐｐｍ程度であるが、本発明の圧電発振器によれば、オフセット調整手段によって個々の圧電発振器の周波数の初期ばらつきを補正することができる。これによって、圧電発振器の周波数ばらつきを±０.２ｐｐｍ程度に抑えて出荷することが可能となる。さらに、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯでは、温度補償回路から発生するノイズによって周波数短期安定度が劣化して受信装置がＧＰＳ衛星から測位信号を受信するときの受信感度に悪影響を及ぼすが、本発明の圧電発振器によれば、温度補償回路がないので極めて低雑音な発振器となり、良好な周波数短期安定度を得ることができる。図２７は、圧電発振器ＳＰＸＯと温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯにおける周波数短期安定度を示す概略図である。縦軸の周波数短期安定度は，時間領域における周波数安定度の尺度であり、この数値が小さいほど周波数安定度が高いことを示す。横軸の平均化時間は周波数を測定する時間、すなわち平均測定時間を示している。図から明らかなように、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯより圧電発振器ＳＰＸＯの方が周波数短期安定度は良好である。圧電発振器の場合、平均化時間１秒のとき周波数短期安定度は１×１０-10以下であり、この値は受信装置のノイズレベルとしては良好な値とされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第1の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示す第１の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】 図２のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と温度可変装置（恒温槽）との間のデータの流れを示す概念図である。
【図４】 図１に示す圧電発振器のパッケージを分解して内部構造を示した斜視図である。
【図５】 図３に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。
【図６】 第1の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータの模式図である。
【図７】 図１に示す圧電発振器１における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。
【図８】 図７に示す制御回路９が行う動作モードにおけるモード設定の一例を示す図である。
【図９】 本発明の第１の実施の形態における圧電発振器を用いた受信装置のブロック構成図である。
【図１０】 図９に示す受信装置が測位信号のサーチ周波数を決定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 圧電発振器の周波数偏差と捕捉時間との関係を示す概念図である。
【図１２】 圧電発振器が経年変化したときの周波数偏差と温度との関係を示す周波数−温度特性図である。
【図１３】 圧電発振器の周波数偏差の経年変化に対応してオフセットデータを補正する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】 Ｃ−ＭＯＳ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。
【図１５】 バイポーラ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。
【図１６】 第２の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図１７】 第２の実施の形態の圧電発振器において、Ｃ−ＭＯＳ発振回路にオフセット調整部を付加した回路の一例を示す図である。
【図１８】 第２の実施の形態の圧電発振器において、バイポーラ発振回路にオフセット調整部を付加した回路の一例を示す図である。
【図１９】 図１６に示す第２の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。
【図２０】 図１９のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と恒温槽との間のデータの流れを示す概念図である。
【図２１】 図１９に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータ作成図の一例を示す図である。
【図２２】 第２の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータとオフセット補正データの模式図である。
【図２３】 図１６に示す圧電発振器における制御回路９動作を詳細に説明する図である。
【図２４】 図２３に示す制御回路における動作モード設定の一例を示す図である。
【図２５】 温度補償型圧電発振器と圧電発振器の温度変化による周波数偏差特性である。
【図２６】 従来の温度補償型圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図２７】 圧電発振器と温度補償型圧電発振器における周波数短期安定度の特性図である。
【符号の説明】
１、１ａ、２ａ、ｎａ…圧電発振器、２…圧電発振器用ＩＣ、３…発振部、４…圧電振動子、５…定電圧回路、６…発振回路、７…温度センサ、８…Ａ/Ｄ変換器、９…制御回路、１０…メモリ、１１…オフセット調整部、１２…温度可変装置（恒温槽）、１３…制御コンピュータ、２１…アンテナ、２２…ＲＦ回路、２３…信号処理回路、２４…圧電発振器、２５…ＣＰＵ、２６…表示部、３０…パッケージ、３１…パッケージ筐体、３２…端子部、３３…リッド、４０…端子部、４１…温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ、４２…ＴＣＸＯ用ＩＣ、４３…温度補償回路、９１…コントローラ、９２…シリアルインターフェース
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧＰＳ(Global Positioning System)衛星からの測位信号に基づいて位置計測を行うために用いる圧電発振器、この圧電発振器を用いた受信装置およびこの圧電発振器を用いた受信装置の衛星捕捉制御方法に関するものであり、より詳細には、ＧＰＳ測位信号の受信機能を搭載した携帯端末等の受信装置における圧電発振器、この圧電発振器を用いた受信装置およびこの圧電発振器を用いた受信装置の衛星捕捉制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置及びGPS受信機能を備えた携帯電話器等は、複数のGPS衛星から送信される測位信号を復調・解析して現在位置を測定するものである。これらの受信装置に使用される基準発振器としては、温度による周波数変化の小さい温度補償型圧電発振器TCXO（Temperature Compensated Crystal Oscillator）が、広く使用されている。その理由は、受信装置に内蔵された発振器の周波数精度が高いほど、ＧＰＳ衛星から送信される測位信号を捕捉するためのサーチ範囲を狭めることができ、結果的に、サーチ時間を短縮して、すなわちＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する時間を短縮して、短時間で測位を行うことができるためである。
【０００３】
温度補償回路が内臓されていない圧電発振器ＳＰＸＯ（Simple Packaged Crystal Oscillator）を基準発振器として使用した場合は温度による周波数偏差が大きく、測位信号を補足するまでの時間が長くなってしまう欠点がある。
図２５は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯと圧電発振器ＳＰＸＯの周波数温度特性を示した図である。図２５において縦軸は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周波数偏差Δｆ/ｆであり、横軸は周囲温度を示している。ここで、ｆは温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周囲温度２５℃における周波数を、またΔｆは温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯそれぞれの各温度における発振周波数である。−４０〜＋８５℃の温度範囲における温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯおよび圧電発振器ＳＰＸＯの周波数偏差は、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが±２．５ｐｐｍ以内であるのに対し、圧電発振器ＳＰＸＯは約±１０ｐｐｍと大きい。その結果、圧電発振器ＳＰＸＯをＧＰＳ受信装置の基準発振器とした場合ＧＰＳの捕捉時間は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの数倍以上となり実用上好ましくない。そのため現状ではＧＰＳ受信装置の基準発振器として温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが主に用いられている。
図２６は、従来の温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１の内部構成を示すブロック図である。温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１は、定電圧回路５、温度センサ７、温度補償回路４３、発振回路６、制御回路９およびメモリ１０からなるＴＣＸＯ用ＩＣ４２と、水晶振動子である圧電振動子４とによって構成されている。つまり、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ４１には温度センサ７および温度補償回路４３が内蔵されており、温度の変動に関わらず安定した周波数の出力周波数ｆoutが取り出せるようになっている。
外部から供給される電源電圧の変動による周波数変動を防止するため、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの電源電圧Vccは、定電圧回路５によって定電圧化されて、温度補償回路４３および発振回路６に供給される。
このとき、メモリ１０には発振回路６の温度特性を補償するための温度補償データが記憶されている。温度補償回路４３は温度センサ７で検出された温度情報と、メモリ１０からの温度補償データを基に発振回路６に印加する温度補償電圧を出力する。この結果、圧電振動子４の発振周波数は温度補償回路４３によって温度補償されるので、温度変化に殆ど依存されない安定周波数の出力周波数ｆoutが発振回路６から出力される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ＧＰＳ機能を備えた携帯電話機等の受信装置は小型でハンディタイプのものが普及してきているので、利便性の面から受信装置の電源を投入してから測位データを出力するまでの測位信号の捕捉時間の短縮化が望まれている。捕捉時間を所望の値、たとえば電源を投入してから１０秒程度にまで短縮するためには、基準発振器の周波数精度を±０．１×１０-6（±０．１ｐｐｍ）程度にすることが要求される。しかし、図２６に示すような温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの周波数精度は、図２５に示すように一般的には±１〜±２.５ｐｐｍ程度であって要求を満足する周波数精度には至っていない。
【０００５】
また、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯは、製造する際に補償データをメモリに書き込む必要があり、さらに内蔵する温度補償回路やメモリ回路により、圧電発振器ＳＰＸＯに比べて回路規模が大きくなるため、サイズが大きくまた製造コストが高くなる欠点がある。さらに温度補償制度が±０．１ｐｐｍレベルの温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの製造は技術的にも困難であり、仮に製造できてもサイズや消費電力が大きくコストが極めて高いものとなるなどの問題もある。また、製造時における温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの調整以後はメモリの内容を変更することができないため、圧電振動子等に起因する周波数の経時変化が生じた場合には、たとえ温度補償しても捕捉時間が経時的に変化するなどの不具合がある。
なお、ＧＰＳ受信装置の基準発振器に関しては、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの外部に設置した温度センサの値から温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのオフセットを推定し、衛星からの信号を探索する中心周波数をスライドさせる技術が、特許第２９２１４３５号に記載されている。しかしながら、この技術は温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのオフセットを考慮しているにすぎず、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯの温度特性に応じて適切に探索範囲を制御しているわけではない。また、基準発振器としての温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯではなく圧電発振器ＳＰＸＯを用いる技術が、特開２００１-２８１３２２号公報に記載されている。しかしながら、この技術は温度変化に対する周波数変化すなわち周波数温度特性を複数の区間に分割し、この分割された各分割区間それぞれについて、探索すべき周波数変化範囲を制御したり、周波数温度特性の変化率に応じて周波数範囲を変化させて探索を行う等の補正処理を行うものであり、使用する圧電発振器ＳＰＸＯに応じて探索範囲を変化させるなどの煩雑なソフトウェア処理が必要であり実用的ではない。
【０００６】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、温度補償回路を内蔵していない安価な圧電発振器を用いて、温度変化による周波数精度を向上させなくてもＧＰＳ衛星からの測位信号の捕捉時間を短縮化させることができる圧電発振器、およびこの圧電発振器を用いた受信装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、圧電振動子と、前記圧電振動子を励振駆動し発振信号を出力する発振回路と、前記圧電振動子の近傍の温度情報を検出する温度検出手段と、前記発振信号の周波数偏差の温度に対する特性である周波数温度特性の近似曲線の近似曲線係数を記憶する記憶手段と、前記温度情報および前記近似曲線係数を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の圧電発振器において、前記発振信号の前記周波数偏差をΔｆ/ｆ、基準温度をＴ０、前記温度検出手段の前記温度情報が示す温度をＴ、温度係数をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、オフセット係数をＥとすると、前記近似曲線は、
Δｆ/ｆ=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E （１）
であり、前記近似曲線係数は、前記温度係数であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、前記オフセット係数であるＥとを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、本発明の圧電発振器を備えＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉する受信装置であって、前記温度検出手段で検出された前記温度情報と前記記憶手段に記憶された前記近似曲線係数とを前記圧電発振器から取得する取得手段と、前記取得手段により取得した前記温度情報が示す温度における前記周波数偏差を前記取得手段により取得した前記近似曲線係数に基づいて計算する計算手段と、該周波数偏差に対応して前記ＧＰＳ衛星からの測位信号を探索する周波数範囲をオフセットさせて前記測位信号の捕捉を行う捕捉手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の受信装置において、前記記憶手段に記憶される前記近似曲線係数はオフセット係数Ｅを有し、前記受信装置は、 前記捕捉手段による前記測位信号の捕捉が完了したときの周波数オフセットと前記計算手段により計算された前記周波数偏差との差分を計算しオフセット誤差を求める手段と、 前記オフセット誤差を前記オフセット係数Ｅに加減算して得られた値で、前記記憶手段に記憶されている前記オフセット係数Ｅを書き換える手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における圧電発振器およびこの圧電発振器を用いた受信装置の実施の形態の幾つかを詳細に説明する。本発明は、温度補償回路を内蔵しない圧電発振器ＳＰＸＯによって周波数特性の改善を行い、ＧＰＳ衛星からの測位信号の捕捉時間を短縮化させる圧電発振器を実現させるものである。以下の説明では、温度補償回路を内蔵しない圧電発振器を単に、圧電発振器と呼ぶことにする。
【００２３】
本発明は、あらかじめ、圧電発振器を製造する時に圧電発振器の温度特性情報および所定温度における発振周波数の周波数偏差を示すオフセット係数（Ｅ）としてオフセット情報を圧電発振器内部のメモリに記憶させておく。そして、この圧電発振器を内蔵した受信装置がＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉する際に、メモリに記憶されている温度特性情報およびオフセット情報を読み出して圧電発振器の正確な周波数偏差を計算する。さらに、この計算結果に基づいて、衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これによって、基準発振器となる圧電発振器の周波数精度が向上したのと同じ効果が得られ、圧電発振器の周波数とＧＰＳ衛星の測位信号の周波数との差を少なくすることができるので、測位信号の捕捉時間を短縮化することができる。
【００２４】
第1の実施の形態
図１は、本発明の第1の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。圧電発振器１は、定電圧回路５、発振回路６、温度センサ７、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９およびメモリ１０からなる圧電発振器用ＩＣ２と、水晶振動子である圧電振動子４とによって構成されて、一つのパッケージ内に含まれる。
【００２５】
定電圧回路５は、外部から供給される電源減圧Ｖccの変動による周波数変動を防止するため、電源電圧Ｖccが変動しても、一定の電圧Ｖregを維持して発振回路６に供給する機能を備えている。また、温度センサ７は同一パッケージ内の発振部３（特に圧電振動子４の近傍）の温度を検出して外部に出力しているが、この検出信号によって発振部３の温度制御を行うことはない。温度センサ７としてはＩＣ化温度センサ等を使用することができる。ＩＣ化温度センサは、ＩＣチップ中に作られており、ＩＣチップ内の温度特性を出力するものである。
【００２６】
メモリ１０は、電気的に消去可能なＥ−ＰＲＯＭで構成されており、圧電発振器１を製造する時に取得した圧電振動子４の温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)と基準周波数に対する圧電振動子４の所定温度（基準温度Ｔ０：２５℃）における発振周波数の周波数偏差Δｆ/ｆを示すオフセットデータ（Ｅ）とを予め記憶している。また、Ａ/Ｄ変換器８は、温度センサ７から出力されるアナログ電圧または電流の出力データをディジタル値に変換する機能を有し、制御回路９は、メモリ１０内のデータの読み出し書き込み制御およびＡ／Ｄ変換器８からの温度データの読出し制御を行う機能を有している。
【００２７】
外部端子としては、電源電圧Ｖccを供給する電源端子１４と、ＧＰＳ衛星の測位信号の周波数を追尾するための出力周波数ｆoutを送出する出力端子１５と、外部装置へ温度センサ７からの温度データを読み出したり、メモリ１０からの読み出しおよび書き込みを制御する制御端子１６と、メモリ１０のデータを読み出しまたは書き込みし、または温度センサ７の温度データを読み出すＩ/Ｏ端子１７とを備えている。尚、図１に示す構成部分は、圧電振動子４を除いて圧電発振器用ＩＣ２としてワンチップＩＣ化されているが、ディスクリート部品で構成することもできる。
【００２８】
温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）の２つのデータは、圧電発振器１を調整する際に、温度センサ７が出力する温度と圧電発振器１が出力する出力周波数ｆoutの関係が温度係数として生成されてメモリ１０に記憶され、それぞれの圧電発振器ごとに固有のデータとなる。したがって、従来のように、ＧＰＳ受信装置を組み立てた後にＧＰＳ受信装置の周囲温度を変化させて、補正データを受信機に記憶させたり、補正テーブルを作成させるといった工程が不要である。結果的に、ＧＰＳ衛星の測位信号を捕捉するための周波数精度を向上させることができる。
【００２９】
図２は、図１に示す第１の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。また、図３は、図２のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と温度可変装置との間のデータの流れを示す概念図である。つまり、図３は、圧電発振器の調整工程において、温度可変装置（以下、恒温槽という）の温度を変化させて恒温槽内の圧電発振器の温度特性データを取得するときのデータの流れを示しており、符号と矢印がそれぞれのデータの種類とその流れを示している。また、図２のフローチャートには、図３の恒温槽内の圧電発振器と制御コンピュータとの間で入出力され、または圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの種類も示されている。以下に、図２と図３を用いて圧電発振器の製造工程におけるデータ処理の流れを説明する。
【００３０】
先ず、組立工程において、圧電発振器用ＩＣ２、圧電振動子４および各種端子をパッケージに実装して封止を行い、図１に示す構成の圧電発振器を組み立てる（ステップＳ１）。ここで、圧電発振器の組立構成について説明する。
【００３１】
図４は、図１に示す圧電発振器のパッケージを分解して内部構造を示した斜視図である。つまり、図１に示す圧電発振器１が図４に示すパッケージ３０内に収納されて組み立てられている。セラミック製のパッケージ筐体３１の中には、圧電振動子４を除く構成要素を集積化した圧電発振器用ＩＣ２が収納されている。さらに、上面から圧電振動子４の端子部４０は導電性接着剤により、パッケージ側端子部３２と接着される。そして、金属製の蓋であるリッド３３がかぶせられて圧電発振器１を構成している。なお、図中のワイヤボンディング３４は、圧電発振器用ＩＣ２の端子を端子部３２に接続すると共に、図示されていない外部端子に接続するために用いられている。
【００３２】
従来のＧＰＳ受信装置では、温度センサ部は圧電発振器ＳＰＸＯや温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯが実装される基板の近傍に配置されていたため、圧電振動子と温度センサの間に温度オフセットが生じ、温度検出誤差を生じやすい欠点があった。
しかし、図４に示す構造の本発明の圧電発振器によれば、図１に示す温度センサ７も圧電発振器用ＩＣ２の構成要素として同一パッケージ内に収められているため、圧電振動子４と温度センサ７との物理的距離を極力短くすることができる。したがって、圧電振動子４と温度センサ７との間の温度差を極力小さくすることができ、ほぼ正確な温度検出を行うことができる。なお、パッケージ筐体３１はセラミック製に限ることはなく、プラスチック製であっても同様の効果が得られる。
【００３３】
さて、図２、図３に戻り、ステップＳ１の組立工程で複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの組立が完了すると、圧電発振器の調整工程に入る。調整工程では、先ず、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａを恒温槽１２に入れた状態で、制御コンピュータ１３で恒温槽１２の槽内温度を基準温度（Ｔ０）に設定する（ステップＳ２）。さらに、調整工程において、制御コンピュータ１３で恒温槽１２の温度制御を行って槽内温度を変化させる。制御コンピュータ１３は、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのそれぞれについて発振部３の出力周波数ｆoutの周波数と温度との関係を示す特性データを取得する（ステップＳ３）。つまり、図３に示すように、制御コンピュータ１３が恒温槽１２の温度を変化させて、圧電発振器１ａより温度データＤ３1と周波数ｆout1を取得し、圧電発振器２ａより温度データＤ３２と周波数ｆout2を取得し、圧電発振器ｎａより温度データＤ３nと周波数ｆoutnを取得するというように、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの温度データＤ３と周波数ｆoutを取得する。
【００３４】
次に、制御コンピュータ１３が、恒温槽１２の温度を変化させながら、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａより取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとの特性に基づいて、周波数温度特性における近似曲線を計算するための温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）を算出する（ステップＳ４）。このとき、温度の測定ポイントは近似計算で必要となる最低のデータ数（たとえば５ポイントのデータ）以上であればよい。
【００３５】
ここで、基準温度をＴ０、測定温度をＴ、温度変化による周波数偏差をΔｆ/ｆとすると、最小二乗法による曲線のあてはめにより、温度係数データ(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータ（Ｅ）は、次の近似式（１）に示す係数として算出される。
Δｆ/ｆ=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E （１）
【００３６】
つまり、図３に示すように、制御コンピュータ１３が、取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとに基づいて、最小二乗法により温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータＤ２（Ｅ）を算出して各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに出力する。図３によってさらに詳しく述べれば、最小二乗法による係数の算出結果に基づいて、圧電発振器１ａには温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２１が入力され、圧電発振器２ａには温度係数データＤ１２とオフセットデータＤ２２が入力され、圧電発振器nａには温度係数データＤ１ｎとオフセットデータＤ２ｎが入力されるというように、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａには温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２が入力される。そして、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに入力された温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２は、各圧電発振器内の各メモリ１０に温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）として書き込まれる（ステップＳ５）。
【００３７】
図５は、図３に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。たとえば、制御コンピュータ１３が、圧電発振器１ａについて、測定ポイントとして、基準温度Ｔ０の２５℃と、−４５℃、−１０℃、＋５０℃、＋８５℃の各温度における温度データＤ３と周波数データｆを取得し、圧電発振器２ａ…ｎａについても同じ測定ポイントで温度データＤ３と周波数データｆを取得する。そして、制御コンピュータ１３が、最小二乗法により圧電発振器１ａの温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２1を算出して圧電発振器１ａのメモリ１０へ書き込む。同様にして、圧電発振器２ａ…ｎａについても、それぞれの温度係数データとオフセットデータを算出して各メモリ１０へ書き込む。
【００３８】
図６は、圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータの模式図である。図５で得られた温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータＤ２（Ｅ）として書き込まれて格納される。これらのデータは各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａごとに個別のデータとなる。
【００３９】
図７は、図１に示す圧電発振器１における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。制御回路９は、測定された温度データＤ３、算出された温度係数データＤ１およびオフセットデータＤ２を処理するコントローラ９１と、外部機器との間でデータの授受を行うシリアルインターフェース９２とによって構成されている。
【００４０】
また、シリアルインターフェース９２のＭ０、Ｍ１端子は入出力モードを決定する端子であり、Ｍ０、Ｍ１端子に入力された動作モード情報によってデータの入出力モードの変更を行う。ＷＲ端子は、メモリ１０へ温度係数データＤ１やオフセットデータＤ２を書き込み、またはメモリ１０から温度係数データＤ１やオフセットデータＤ２を読み出すときに使用する端子である。また、ＣＬＫ端子は各種データを入出力するときのタイミングを決定するクロック信号の入力端子であり、ＤＡＴＡ端子は各種データを入出力する入出力端子である。これらの端子を介して、圧電発振器の製造時には、図３に示す制御コンピュータ１３と圧電発振器１との間で各種データの授受が行われ、圧電発振器の使用時には、後述する受信装置のＣＰＵと圧電発振器１との間で各種データの授受が行われる。
【００４１】
図８は、図７に示す制御回路における動作モード設定の一例を示す図である。デフォルト状態では、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“０”にして動作モードは「データ入出力禁止モード」になっている。まず、圧電発振器の製造時においては、制御コンピュータ１３は、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。一方、制御コンピュータ１３は、温度センサ７，Ａ/Ｄ変換器８および制御回路９を経由した温度データＤ３を読み出すと共に、周波数ｆoutを測定する。次に、制御コンピュータ１３は、最小二乗法により近似計算を行って温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータ（Ｅ）を決定する。次に、Ｍ０端子の入力信号を"０"、Ｍ１端子の入力信号を"１"にして動作モードを「メモリ書込モード」にする。そして、制御コンピュータ１３は決定された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）をメモリ１０へ書き込む。
【００４２】
つぎに、受信装置に搭載された圧電発振器を使用する時には、電源投入時にＭ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“０”にして動作モードを「メモリ読出モード」にする。すると、メモリ１０に記録されている温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）が制御回路９によって読み出されて、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ転送される。さらに、Ｍ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。これによって、圧電発振器を使用しているときの温度データ（Ｄ３）が温度センサ７によって検出され、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ送信される。
【００４３】
これによって、受信装置のＣＰＵは、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）と温度データ（Ｄ３）とを用いて、式（１）に示す近似計算式によって圧電発振器から出力される出力周波数ｆoutの基準値からの周波数偏差を計算し、その周波数偏差の分だけ衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これにより、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができる。
【００４４】
なお、圧電発振器１の使用時に、Ｍ０端子の入力信号を“０”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「メモリ書込モード」にすることにより、受信装置のＣＰＵが、圧電発振器の経年変化によって生じたオフセットデータＤ２’（Ｅ’）を圧電発振器１のメモリ１０に書き込み、製造時のオフセットデータＤ２（Ｅ）をＤ２’（Ｅ’）に更新することができる。
【００４５】
図９は、本発明の第１の実施の形態における圧電発振器を用いた受信装置のブロック構成図である。この受信装置は、ＧＰＳ衛星からの測位信号を受信するためのアンテナ２１と、受信した測位信号の周波数の変換および増幅するＲＦ（Radio Frequency）回路２２と、ＲＦ回路からの信号を復調して所定の信号処理を行う信号処理回路２３と、本発明の第１の実施の形態の圧電発振器２４と、信号処理回路２３の動作制御と圧電発振器２４のデータ処理を行うＣＰＵ２５と、ＣＰＵ２５からのデータに基づいて測位データや測位結果などを表示する表示部２６とによって構成されている。
【００４６】
ＲＦ回路２２は、ＰＬＬと混合器および増幅器を有し、ＧＰＳ衛星からの測位信号と圧電発振器２４からの出力周波数ｆoutに基づいて、測位信号の周波数をＲＦからＩＦ（Intermediate Frequency）に変換して信号処理回路２３へ入力する。信号処理回路２３は、ＩＦ周波数に変換された測位信号と圧電発振器２４から出力された出力周波数ｆoutに基づいて、ＧＰＳ衛星からの測位信号を復調してＣＰＵ２５に入力する。
【００４７】
信号処理回路２３は、ＣＰＵ２５からの情報に基づいて、ＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉する周波数範囲、すなわちサーチ範囲を変更する。このサーチ範囲は、圧電発振器のメモリ１０内に記録された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）に基づいて、ＣＰＵ２５が式（1）に示す近似計算式で計算して得られた周波数偏差情報によって決定される。つまり、本発明の特徴であるＧＰＳ衛星の測位信号周波数と圧電発振器の発振周波数をマッチングさせる衛星捕捉手段は、ＲＦ回路２２と信号処理回路２３とＣＰＵ２５とによって構成されている。
【００４８】
図１０は、図９に示す受信装置が測位信号のサーチ周波数を決定する処理の流れを示すフローチャートである。図９の受信装置に示す各データの流れを参照しながら図１０のフローチャートを説明する。先ず、受信装置の電源を投入すると（ステップＳ１１）、ＣＰＵ２５が、圧電発振器２４のメモリから温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）の読み出しを行う（ステップＳ１２）。さらに、ＣＰＵ２５は、圧電発振器２４の温度センサから温度データＤ３の読み出しを行い、現在の温度Ｔを求める（ステップＳ１３）。そして、ＣＰＵ２５は、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）、現在の温度Ｔおよび基準温度Ｔ０を前述の式（１）に代入し、圧電発振器２４の現在の温度Ｔにおける周波数偏差（Δｆ/ｆ）の計算を行う（ステップＳ１４）。
【００４９】
次に、周波数偏差の計算結果に基づいて、衛星からの信号を探索する周波数範囲をオフセットさせ（ステップＳ１５）、その後、ＧＰＳ衛星の測位信号をサーチする。（ステップＳ１６）。
【００５０】
このように、あらかじめ、圧電発振器２４の周波数をＧＰＳ衛星の測位信号の周波数の近傍までシフトしてから、圧電発振器２４の周波数を掃引してＧＰＳ衛星の測位信号の周波数にマッチングさせるので、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができ、その結果、捕捉する時間をかなり短縮することができる。つまり、温度補償回路を用いて圧電発振器の周波数精度を向上させたのと同等の効果が得られる。図１１は、圧電発振器の周波数偏差（Δｆ/ｆ）と捕捉時間との関係を示す概念図である。図１１に示すように圧電発振器の周波数偏差と捕捉時間はほぼ比例しており、周波数偏差を小さくすれば捕捉時間を短くすることができることが分かる。
【００５１】
ところで、圧電発振器は経年変化によって発振周波数が変化する傾向がある。図１２は、圧電発振器の周波数偏差が経年変化したときの周波数偏差と温度との関係を示す周波数温度特性図である。図１２の周波数温度特性図に示すように、経年変化によって圧電発振器の発振周波数のオフセット値も時間の経過に伴って変わってくる。つまり、式（１）の近似計算式で得られる周波数偏差の計算値と、実際の周波数ｆｏｕｔに誤差を生じる。その結果、衛星の捕捉時間が増大したり、衛星が捕捉できなくなるといった問題が生じる。たとえば、圧電発振器の製造時には、基準温度Ｔ０のときの周波数偏差は、特性（ａ）のようにオフセットデータＥ（ここではオフセット値という）はゼロである。
【００５２】
ところが、時間が経つにつれて、当初の特性（ａ）は、特性（ｂ）または特性（ｃ）に変化する。特性（ｂ）ではオフセット値はＥ＋ΔＥとなり、特性（ｃ）ではオフセット値はＥ−ΔＥとなってしまう。このため、基準温度Ｔ０のときの周波数偏差は、特性（ｂ）の場合は＋ΔＥとなり、特性（ｃ）の場合は−ΔＥとなってしまう。そこで、圧電発振器の経年変化による周波数偏差の変化を補償する対策が必要となる。
【００５３】
図１３は、圧電発振器の周波数偏差の経年変化に対応してオフセットデータを補正する処理の流れを示すフローチャートである。先ず、前述の図１０のフローチャートにしたがってＧＰＳ衛星の測位信号の捕捉が完了して測位可能な状態になったら（ステップＳ２１）、ＣＰＵ２５の演算処理は捕捉完了時の周波数オフセットと、式（1）の近似式で得られた周波数偏差の計算値との差分を計算し、（ステップＳ２２）、この差分を基に、基準温度に対するオフセット誤差（±ΔＥ）を求める（ステップＳ２３）。その後、ＣＰＵ２５の演算処理は、圧電発振器２４のメモリに保存されているオフセットデータＥに対してオフセット誤差（±ΔＥ）を加減算し、オフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）を得て、オフセットデータＥを新たなオフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）で書き換えて、圧電発振器２４のメモリに格納する（ステップＳ２４）。
【００５４】
これによって、オフセットデータがＥの場合の周波数偏差（Δｆ/ｆ）は前述の式（１）で求められたが、経年変化によってオフセットデータがＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）に変化したときは、温度係数データＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは殆ど変化しないので、経年変化時の周波数偏差（Δｆ/ｆ）'は、式（２）のようにＥをＥ'で置き換えることによって求めることができる。
（Δｆ/ｆ）'=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E' （２）
【００５５】
つまり、経年変化により、初期値のオフセットデータＥに対してオフセット誤差（±ΔＥ）が生じたときは、このオフセット誤差（±ΔＥ）を加味した新たなオフセットデータＥ'（＝Ｅ±ΔＥ）を計算し、ＥをＥ'に更新して圧電発振器２４のメモリに書き換えれば、経年変化によるオフセット変化分を補償して圧電発振器の発振周波数をＧＰＳ衛星の測位信号の周波数にマッチングさせることができる。なお、上記の実施の形態では、式（１）および式（２）に示すように温度特性曲線を４次式で近似させたが、３次式または５次式以上で近似させても同様の効果が得られる。
【００５６】
図１４は、Ｃ−ＭＯＳ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。つまり、図１に示す圧電振動子４を含む発振回路６をＣ−ＭＯＳ発振回路で実現した回路構成である。この回路は一般に用いられている圧電発振回路であるので詳細な説明は省略するが、抵抗、コンデンサおよびインバータＩＣによってコルピッツ発振回路を構成して圧電振動子４を励振駆動し、出力段のインバータＩＣによってアイソレーション並びに波形整形して所定周波数の出力周波数ｆoutを取り出している。また、図１５は、バイポーラ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。つまり、図１に示す圧電振動子４を含む発振回路６をバイポーラ発振回路で実現した回路構成である。この回路も一般に用いられている圧電発振回路であるので詳細な説明は省略するが、トランジスタＱ１，Ｑ２と抵抗、コンデンサおよび圧電振動子４からなる発振回路部によって圧電振動子４を励振駆動し、出力周波数ｆoutを取り出している。
【００５７】
第２の実施の形態
図１６は、本発明の第２の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。第２の実施の形態の圧電発振器が第１の実施の形態のそれと異なるところは、オフセット調整部１１を追加して圧電発振器１の製造初期の周波数偏差を補正している点である。その圧電発振器用ＩＣ２は、定電圧回路５、発振回路６、温度センサ７、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、メモリ１０および圧電発振器１の初期の周波数偏差の補正を行うオフセット調整部１１から構成されている。
【００５８】
以下、第１の実施の形態と重複する説明はできるだけ避けて、オフセット調整部１１の動作を中心に説明する。圧電発振器１を製造したときに、オフセット調整部１１が圧電振動子４の常温における初期の周波数偏差の補正を行う。このとき、周波数偏差の補正に用いたデータはオフセット補正データ（Ｆ）としてメモリ１０に記憶され、前述の温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）と共に製造後は書き換えを行わない固有値として格納される。そして、圧電発振器１を受信装置に組み込んで使用するときに、オフセット補正データ（Ｆ）を読み出して常温におけるオフセットをゼロに近い値に補正すると共に、温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）およびオフセットデータ（Ｅ）を用いて前述の式（１）における近似計算式によって、衛星からの信号を捕捉させる周波数範囲をオフセットさせる。実施の形態１においては、常温におけるオフセット周波数が約±２０ｐｐｍの範囲でばらつくが、第２の実施の形態によれば、常温におけるオフセット周波数を±０.２ｐｐｍ以内とすることができるため、信号処理回路２３の設計が容易となる。
【００５９】
オフセット調整部１１は、圧電振動子４の振動回路を構成するコンデンサを並列接続してコンデンサアレイ群を構成することによって実現することができる。図1７は、本発明の第２の実施の形態の圧電発振器において、Ｃ−ＭＯＳ発振回路にオフセット調整部１１を付加した回路の一例である。また、図１８は、本発明の第２の実施の形態の圧電発振器において、バイポーラ発振回路にオフセット調整部１１を付加した回路の一例である。図１７、図１８に示すように、圧電振動子４に接続されたコルピッツコンデンサＣ０に並列に、コンデンサＣ１，Ｃ２…ＣｎとスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎの直列回路が接続されてコンデンサアレイ群を構成している。
【００６０】
温度センサ７からの温度情報に基づいて、制御回路９がスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎを順次ＯＮ/ＯＦＦ制御するので、温度情報に応じてコンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎの並列接続数が変化する。したがって、常温における周波数偏差を可変させることができるので、常温での衛星からの信号を探索させる周波数のオフセット量を小さくすることができる。このようなオフセット調整部１１を付加することにより、製造時の周波数偏差を±０．２ｐｐｍ以下とすることができるため、信号処理回路２３の設計の際に要求される周波数オフセット範囲を小さくすることができ、信号処理回路の設計が容易になる。なお、コンデンサアレイ群を構成する各コンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎは、重み付けした容量値とすることで、より少ないコンデンサ数で精度の高い周波数調整が行える。
【００６１】
図１９は、図１６に示す第２の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。また、図２０は、図１９のフローチャートにおいて圧電発振器の調整を行うための、圧電発振器と制御コンピュータ間のデータの流れを示す概念図である。先ず、組立工程において、圧電発振器用ＩＣ２、圧電振動子４および各種端子等をパッケージに実装して封止を行い、図１６に示す構成の圧電発振器を組み立てる（ステップＳ３１）。
【００６２】
次に、圧電発振器の調整工程に入り、複数個の圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａを恒温槽に入れてから槽内温度を常温（２５℃）に設定し、制御コンピュータ１３は、それぞれの圧電発振器について常温での周波数偏差が最も小さくなるように、オフセット調整部１１のオフセット補正データＤ４（Ｆ）を圧電発振器に送出する。次に、このオフセット補正データＤ４（Ｆ）に基づいて、圧電振動子４は、常温での周波数調整を行う（ステップＳ３２）。具体的には、圧電振動子４中の制御回路９が、オフセット補正データＤ４（Ｆ）に基づいて、図１７または図１８のスイッチＳＷ１，ＳＷ２…ＳＷｎをＯＮ/ＯＦＦ制御して、コルピッツコンデンサＣ０に接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２…Ｃｎの並列個数を調整することによって周波数調整が行われる。
【００６３】
このような調整を行った後、恒温槽１２の温度を変化させて、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの周波数−温度特性を取得する（ステップＳ３３）。つまり、図２０に示すように、制御コンピュータ１３が恒温槽１２の温度を変化させて、圧電発振器１ａから温度データＤ３1と周波数ｆout1を取得し、圧電発振器２ａより温度データＤ３２と周波数ｆout2を取得し、圧電発振器ｎａより温度データＤ３nと周波数ｆoutnを取得する。一般的に記述すれば、制御コンピュータ１３は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａの温度データＤ３と周波数ｆoutを取得することになる。
【００６４】
次に、制御コンピュータ１３が、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａより取得した温度データＤ３と周波数ｆoutとの特性に基づいて、最小二乗法により近似計算を行って温度係数データＤ１(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)とオフセットデータＤ２（Ｅ）を算出する（ステップＳ３４）。
【００６５】
次に、図２０に示すように、制御コンピュータ１３は、算出した温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）と共にオフセット補正データＤ４（Ｆ）を各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａに入力する。図２０によってさらに詳しく述べれば、圧電発振器１ａには温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２１とオフセット補正データＤ４１が入力され、圧電発振器２ａには温度係数データＤ１２とオフセットデータＤ２２とオフセット補正データＤ４２が入力され、圧電発振器nａには温度係数データＤ１ｎとオフセットデータＤ２ｎとオフセット補正データＤ４ｎが入力される。一般的に記述すれば、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａには温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット補正データＤ４が入力されることになる。次に、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａへ入力された温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット調整データＤ４は、それぞれのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）として書き込まれる（ステップＳ３５）。
【００６６】
図２１は、図１９に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。たとえば、制御コンピュータ１３が、圧電発振器１ａについて、測定ポイントとして、基準温度Ｔ０の２５℃と、−４５℃、−１０℃、＋５０℃、＋８５℃の各温度における温度データＤ３と周波数データfを取得し、圧電発振器２ａ…ｎａについても同じ測定ポイントで温度データＤ３と周波数データfを取得する。そして、制御コンピュータ１３が、式（１）に示す近似計算式により圧電発振器１ａの温度係数データＤ１１とオフセットデータＤ２1を算出して圧電発振器１ａのメモリ１０へ書き込むと共に、オフセット補正データＤ４１もメモリ１０へ書き込む。同様にして、圧電発振器２ａ…ｎａについても、それぞれの温度係数データＤ１２・・・Ｄ１ｎとオフセットデータＤ２２・・・Ｄ２ｎとオフセット補正データＤ４２・・・Ｄ４ｎを各メモリ１０へ書き込む。
【００６７】
図２２は、本発明の第２の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４の模式図である。つまり、温度係数データＤ１とオフセットデータＤ２とオフセット補正データＤ４は、各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａのメモリ１０へ温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータＤ２（Ｅ）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）として書き込まれて格納される。これらのデータは各圧電発振器１ａ、２ａ…ｎａごとに個別のデータとなる。
【００６８】
図２３は、図１６に示す圧電発振器における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。制御回路９は、測定された温度データＤ３、算出された温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を処理するコントローラ９１と、外部機器との間でデータの授受を行うシリアルインターフェース９２とによって構成されている。
【００６９】
また、シリアルインターフェース９２のＭ０、Ｍ１端子は入出力モードを決定する端子であり、Ｍ０、Ｍ１端子に入力された動作モード情報によってデータの入出力モードの変更を行う。ＷＲ端子は、メモリ１０に温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を書き込み、またはメモリ１０から温度係数データＤ１、オフセットデータＤ２およびオフセット補正データＤ４を読み出すときに使用する端子である。また、ＣＬＫ端子は各種データを入出力するときのタイミングを決定するクロック信号の入力端子であり、ＤＡＴＡ端子は各種データを入出力する入出力端子である。これらの端子を介して、圧電発振器の製造時には、図３に示す制御コンピュータ１３と圧電発振器１との間で各種データの授受が行われ、圧電発振器の使用時には、後述する受信装置のＣＰＵと圧電発振器１との間で各種データの授受が行われる。
【００７０】
図２４は、図２３に示す制御回路９における動作モード設定の一例を示す図である。デフォルト状態では、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“０”にして動作モードは「データ入出力禁止モード」になっている。まず、圧電発振器の製造時においては、制御コンピュータ１３は、Ｍ０、Ｍ１端子の入力信号を共に“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。一方、制御コンピュータ１３は、温度センサ７，Ａ/Ｄ変換器８および制御回路９を経由した温度データＤ３を読み出すと共に、周波数ｆoutを測定する。次に、制御コンピュータ１３は最小二乗法により近似計算を行って温度係数データ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）とオフセットデータ（Ｅ）を決定する。次に、Ｍ０端子の入力信号を"０"、Ｍ１端子の入力信号を"１"にして動作モードを「メモリ書込モード」にする。そして、制御コンピュータ１３は決定された温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）およびオフセット補正データＤ４（Ｆ）をメモリ１０に書き込む。
【００７１】
つぎに、受信装置に搭載された圧電発振器を使用する時には、電源投入時にＭ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“０”にして動作モードを「メモリ読出モード」にする。すると、メモリ１０に記録されている温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）およびオフセット補正データＤ４（Ｆ）が制御回路９によって読み出されて、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ転送される。さらに、Ｍ０端子の入力信号を“１”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「温度データ読出モード」にする。これによって、圧電発振器を使用しているときの温度データ（Ｄ３）が温度センサ７によって検出され、Ａ/Ｄ変換器８、制御回路９、Ｉ／Ｏ端子１７を介して受信装置のＣＰＵへ送信される。
【００７２】
これによって、受信装置のＣＰＵは、温度データ（Ｄ３）とオフセット補正データＤ４（Ｆ）によって常温における周波数偏差の補正を行うと共に、温度係数データＤ１（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）、オフセットデータＤ２（Ｅ）および温度データ（Ｄ３）とを用いて、式（１）に示す近似計算式によって圧電発振器から出力される出力周波数ｆoutの基準値からの周波数偏差を計算し、その周波数偏差の分だけ、衛星からの信号の探索範囲をオフセットさせる。これにより、ＧＰＳ衛星をサーチする周波数範囲を狭めることができる。
【００７３】
なお、圧電発振器１の使用時に、Ｍ０端子の入力信号を“０”、Ｍ１端子の入力信号を“１”にして動作モードを「メモリ書込モード」にすることにより、受信装置のＣＰＵが、圧電発振器の経年変化によって生じたオフセットデータＤ２’（Ｅ’）を圧電発振器１のメモリ１０に書き込み、製造時のオフセットデータＤ２（Ｅ）をＤ２’（Ｅ’）に更新することができるのは、前述の第１の実施の形態の場合と同じである。
【００７４】
このように、圧電発振器の動作時に常温における周波数偏差の補正を行うことにより、周波数のオフセット量を小さくすることができ、ＧＰＳ受信装置の信号処理回路の設計が容易になる。
【００７５】
以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。例えば、圧電振動子の発振回路についてＭＯＳ発振回路とバイポーラ発振回路を引用したが、本発明は、これに限ることはなくどのような発振回路を用いても本発明は適用されることはいうまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電発振器を用いることにより、従来の温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯを使用した受信装置に比べて、基準発振器の周波数をより正確に基準レベルに合わせることができる。したがって、ＧＰＳ衛星の測位信号を補足するための周波数サーチ範囲を狭めることができ、測位信号の補足時間をさらに短縮化することができる。また、経年変化などによる周波数変化に対しても周波数補正を行うことができるので、長期間にわたって捕捉時間を短縮化することができる。さらに、本発明の圧電発振器は温度補償を行わないために、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯのような製造時の温度特性調整工程が不要となる。また、圧電振動子を除く構成部分をＩＣ化することができると共に温度補償回路を必要としないために小型化が可能となるので圧電発振器を低コスト化することができる。また、温度補償回路がないために消費電流も小さくなるので受信装置に内蔵する電池の寿命を延ばすことができる。
【００７７】
また、通常は圧電発振器の製造時の周波数ばらつきは±２０ｐｐｍ程度であるが、本発明の圧電発振器によれば、オフセット調整手段によって個々の圧電発振器の周波数の初期ばらつきを補正することができる。これによって、圧電発振器の周波数ばらつきを±０.２ｐｐｍ程度に抑えて出荷することが可能となる。さらに、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯでは、温度補償回路から発生するノイズによって周波数短期安定度が劣化して受信装置がＧＰＳ衛星から測位信号を受信するときの受信感度に悪影響を及ぼすが、本発明の圧電発振器によれば、温度補償回路がないので極めて低雑音な発振器となり、良好な周波数短期安定度を得ることができる。図２７は、圧電発振器ＳＰＸＯと温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯにおける周波数短期安定度を示す概略図である。縦軸の周波数短期安定度は，時間領域における周波数安定度の尺度であり、この数値が小さいほど周波数安定度が高いことを示す。横軸の平均化時間は周波数を測定する時間、すなわち平均測定時間を示している。図から明らかなように、温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯより圧電発振器ＳＰＸＯの方が周波数短期安定度は良好である。圧電発振器の場合、平均化時間１秒のとき周波数短期安定度は１×１０-10以下であり、この値は受信装置のノイズレベルとしては良好な値とされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第1の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示す第１の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。
【図３】 図２のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と温度可変装置（恒温槽）との間のデータの流れを示す概念図である。
【図４】 図１に示す圧電発振器のパッケージを分解して内部構造を示した斜視図である。
【図５】 図３に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータの一例を示す図である。
【図６】 第1の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータの模式図である。
【図７】 図１に示す圧電発振器１における制御回路９の動作を詳細に説明する図である。
【図８】 図７に示す制御回路９が行う動作モードにおけるモード設定の一例を示す図である。
【図９】 本発明の第１の実施の形態における圧電発振器を用いた受信装置のブロック構成図である。
【図１０】 図９に示す受信装置が測位信号のサーチ周波数を決定する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】 圧電発振器の周波数偏差と捕捉時間との関係を示す概念図である。
【図１２】 圧電発振器が経年変化したときの周波数偏差と温度との関係を示す周波数−温度特性図である。
【図１３】 圧電発振器の周波数偏差の経年変化に対応してオフセットデータを補正する処理の流れを示すフローチャートである。
【図１４】 Ｃ−ＭＯＳ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。
【図１５】 バイポーラ発振回路によって構成した圧電発振回路の一例を示す図である。
【図１６】 第２の実施の形態における圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図１７】 第２の実施の形態の圧電発振器において、Ｃ−ＭＯＳ発振回路にオフセット調整部を付加した回路の一例を示す図である。
【図１８】 第２の実施の形態の圧電発振器において、バイポーラ発振回路にオフセット調整部を付加した回路の一例を示す図である。
【図１９】 図１６に示す第２の実施の形態の圧電発振器の製造工程を示すフローチャートである。
【図２０】 図１９のフローチャートにおいて圧電発振器の調整工程を実施するための、圧電発振器と恒温槽との間のデータの流れを示す概念図である。
【図２１】 図１９に示すデータ処理によって各圧電発振器のメモリに書き込まれるデータ作成図の一例を示す図である。
【図２２】 第２の実施の形態における圧電発振器のメモリ内に格納された温度係数データとオフセットデータとオフセット補正データの模式図である。
【図２３】 図１６に示す圧電発振器における制御回路９動作を詳細に説明する図である。
【図２４】 図２３に示す制御回路における動作モード設定の一例を示す図である。
【図２５】 温度補償型圧電発振器と圧電発振器の温度変化による周波数偏差特性である。
【図２６】 従来の温度補償型圧電発振器の内部構成を示すブロック図である。
【図２７】 圧電発振器と温度補償型圧電発振器における周波数短期安定度の特性図である。
【符号の説明】
１、１ａ、２ａ、ｎａ…圧電発振器、２…圧電発振器用ＩＣ、３…発振部、４…圧電振動子、５…定電圧回路、６…発振回路、７…温度センサ、８…Ａ/Ｄ変換器、９…制御回路、１０…メモリ、１１…オフセット調整部、１２…温度可変装置（恒温槽）、１３…制御コンピュータ、２１…アンテナ、２２…ＲＦ回路、２３…信号処理回路、２４…圧電発振器、２５…ＣＰＵ、２６…表示部、３０…パッケージ、３１…パッケージ筐体、３２…端子部、３３…リッド、４０…端子部、４１…温度補償型圧電発振器ＴＣＸＯ、４２…ＴＣＸＯ用ＩＣ、４３…温度補償回路、９１…コントローラ、９２…シリアルインターフェース
Claims (4)
- 圧電振動子と、
前記圧電振動子を励振駆動し発振信号を出力する発振回路と、
前記圧電振動子の近傍の温度情報を検出する温度検出手段と、
前記発振信号の周波数偏差の温度に対する特性である周波数温度特性の近似曲線の近似曲線係数を記憶する記憶手段と、
前記温度情報および前記近似曲線係数を出力する制御手段と
を備えることを特徴とする圧電発振器。 - 請求項１に記載の圧電発振器において、
前記発振信号の前記周波数偏差をΔｆ/ｆ、基準温度をＴ０、前記温度検出手段の前記温度情報が示す温度をＴ、温度係数をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ、オフセット係数をＥとすると、
前記近似曲線は、
Δｆ/ｆ=A(T-T0)4+B(T-T0)3+C(T-T0)2+D(T-T0)+E （１）
であり、
前記近似曲線係数は、前記温度係数であるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄと、前記オフセット係数であるＥとを含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。 - 請求項１に記載の圧電発振器を備えＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉する受信装置であって、
前記温度検出手段で検出された前記温度情報と前記記憶手段に記憶された前記近似曲線係数とを前記圧電発振器から取得する取得手段と、
前記取得手段により取得した前記温度情報が示す温度における前記周波数偏差を前記取得手段により取得した前記近似曲線係数に基づいて計算する計算手段と、
前記周波数偏差に対応して前記ＧＰＳ衛星からの測位信号を探索する周波数範囲をオフセットさせて前記測位信号の捕捉を行う捕捉手段と
を備えたことを特徴とする受信装置。 - 請求項３に記載の受信装置であって、
前記記憶手段に記憶される前記近似曲線係数はオフセット係数Ｅを有し、
前記受信装置は、
前記捕捉手段による前記測位信号の捕捉が完了したときの周波数オフセットと前記計算手段により計算された前記周波数偏差との差分を計算しオフセット誤差を求める手段と、
前記オフセット誤差を前記オフセット係数Ｅに加減算して得られた値で、前記記憶手段に記憶されている前記オフセット係数Ｅを書き換える手段と
を備えたことを特徴とする受信装置。
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