JP4564956B2 - 発振器結晶の温度を検出する装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に移動無線機器の発振器結晶ハウジング内に結晶振動子を有する発振器結晶の温度を検出する装置に関する。

Franzis-Verlagから出版された、Neubig、Brieseによるテキストブック「Das groβe Quarzkochbuch」[The big crystal cookbook]の５１ページ〜５４ページに、温度を測定するために、発振器結晶の周波数の温度依存性をどのように使用することができるかについて、記載されている。発振器結晶は、本来、温度測定に役立つ。それは、特定の動作周波数を機器（例えば、移動無線機器、又はエンターテイメントエレクトロニクス、自動車技術、若しくは医療で使用される機器）に与えるためには備えられていない。

ＪＰ２００１−０７７６２７号に記載されているのは、温度補償圧電発振器である。小型とするために、厚膜技術によるサーミスタを有する温度補償回路が、直接アナログ式温度補償用の発振器回路のハウジングの後壁に設けられている。サーミスタに影響を及ぼす温度に関して、サーミスタは、この後壁により発振器から分離されている。ＪＰ２００１−０７７６２７号において、サーミスタにおける温度および温度勾配と、発振器の周波数決定素子における温度および温度勾配は、互いにかなりずれる。

ＵＳ４８６２１１０号に記載されているのは、表面弾性波（ＳＡＷ）共振器であり、これは共振器の温度変化によってその公称周波数に調節される。この目的のため、調整された発熱体が備えられる。

本発明の目的は、測定された温度が、発振器結晶又はその周波数決定部品としての結晶振動子が受ける温度のできるだけ正確なレプリカである、上記の種類の装置を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載される特徴によって達成される。この装置によれば、温度と温度勾配との検出は、時間と空間との両方に関して発振器結晶の近くで直接に行われるので、温度センサによって検出されるのは、まさに発振器結晶の周波数応答に影響を及ぼす温度である。この直接的な検出によって、発振器結晶と温度センサとの間の温度伝播のインパルス応答の遅延、イナーシャ（inertia）又は変形は、生じない。これによって、温度の関数として生じる発振器結晶の発振器回路の周波数エラーの正確な補償が、可能となる。ソフトウェア温度補償は、周波数補正にかなうアクチュエータの対象である作用によって行うことができる。

温度センサの電気的並列接続は有利である。その理由は、結果として、温度センサを有する発振器結晶は、二端子しかもたない部品であり、この部品は最低限の配線を有するプリント回路基板上に収容できるからである。装置は、温度検出に必要な部品の数の最小化を可能にする。これらの部品は集積回路にまとめることができる。外部部品の省略によって、必要とするスペースは小さくエラーの影響を受けにくい安価な構造が保証される。

移動無線機器において、記載される装置は、一方でエネルギー損失を通じて自己発熱が生じ他方で環境を通じて加熱又は冷却が生じる移動無線機器の中を異なる符号の温度勾配が伝わるという事実の結果として生じる温度検出問題を解決する。記載される装置は、他の機器（例えば、エンターテイメントエレクトロニクス、医用工学、又は自動車工学で使用される機器）にも使用することができる。

本発明の実施形態では、前記温度センサは、定電流源又は定電圧源と、前記発振器結晶の温度依存共振周波数の補償のために前記温度および／又は前記温度勾配を求めるエバリュエーション回路とに対して、適用される。

本発明は、図面に示される実施形態の実施形態を基準にして更に記載されるが、本発明は、これらに限定されない。

図１において、機器（例えば、移動無線機器、又はエンターテイメントエレクトロニクス、自動車技術若しくは医用工学において使用される機器）のプリント基板１は、周波数決定回路の支持体として備えられており、この周波数決定回路は発振器結晶が備えられている。プリント基板１上には、発振器結晶２および集積回路３が配されている。発振器結晶２は発振器結晶ハウジング２’を備えており、このハウジング２’の中には、結晶振動子４（図２参照）が存在しており、この結晶振動子４は、プリント回路基板１のプリント線５、６を通じて集積回路３の端子ＡおよびＢに接続されている。

プリント回路基板１上に温度センサとして配されているのは、温度依存性抵抗器、特にサーミスタ７であり、これは、結晶振動子４と並列にプリント線５、６に電気的に接続されている。サーミスタ７は、発振器結晶ハウジング２’に対して等温的に、領域５２内に配される。特に、発振器結晶ハウジング２’の周辺部５０において、サーミスタ７は、プリント回路基板１の発振器結晶ハウジング２’と同じ側に配され、ハウジング２’から壁によって分離されているのではない。これによって、発振器結晶２（特に、その結晶振動子４）における温度および温度勾配と、サーミスタ７における温度および温度勾配は、本質的に等しい。追加の熱伝導手段（例えば、熱伝達化合物）が、発振器結晶ハウジング２’において、温度センサ７の近接周辺部５０を支持することができる。

熱を放射する集積回路３と発振器結晶２との間に熱伝達抵抗を増加させるために、およびこれによって等温機構を領域５２に維持するために、プリント回路基板材料に開けられる開口５１をプリント回路基板１に備えることができる。

サーミスタ７は、温度センサとして、結晶振動子４に対し周波数を決定する影響を及ぼす特定の温度と温度勾配とにさらされることが明らかである。集積回路３は、以下に更に記載されるエバリュエーション回路を含む。このエバリュエーション回路はサーミスタ７から離れた位置に配され、このため、エバリュエーション回路の温度はサーミスタ７にほとんど影響を与えない。

図２は、表面実装部品（ＳＭＤ）デザインの発振器結晶２を示し、サーミスタ７は、図１のように、発振器結晶ハウジング２’に隣接して配されるのではなく、ハウジング２’の内側に配される。セラミック、金属、又はプラスチックの発振器結晶ハウジング２’は、不活性ガスで満たされる内部チャンバ８を形成する。この内側において、取付部９に結晶振動子４が位置する。結晶振動子４は発振器結晶端子１０に接続されており、この端子１０は外部に通じている。発振器結晶ハウジング２’のベースパネル１１は、部品とラインとの取付けのための支持体としての役割をするのに適しており、例えば、プリント回路基板の形を取る。

サーミスタ７は、支持体として作用するベースパネル１１に一体化され、又はパネル１１に付けられる。サーミスタ７は、内部チャンパ８内に、結晶振動子４のできるだけ近くに位置するが、結晶発振器４に接触してはならない。その理由は、振動特性が結果として悪い影響を受けるからである。サーミスタ７は、壁によって結晶振動子４からは分離されておらず、ベースパネル１１の結晶振動子４と同じ側に備えられている。結晶振動子４とサーミスタ７とが発振器結晶端子１０に並列に電気的に接続されるように、サーミスタ７は接続リード１２によって結晶端子１０に接続される。

図３は、発振器結晶２又は結晶振動子４とサーミスタ７との並列接続を示す。結晶発振器回路の典型的な値が与えられている場合、サーミスタ７は発振器結晶に大きい追加の負荷を形成しない。サーミスタ７は、例えば、約３０Ωの公称オーミック抵抗を有する。

図４に示される代替例の場合、カップリングコンデンサＣｋが発振器結晶２、特に結晶振動子４に直列に接続されている。サーミスタ７は、この直列接続に平行に接続されている。この配列構造も、図２に示すような機構の場合の発振器結晶ハウジング２’に組み込むことができる。このとき、カップリングコンデンサＣｋはベースパネル１１上に配される。

図１に示されるレイアウトの場合、この配列構造は、プリント回路基板１の等温領域５２に備えられる。

それらの動作モードにおいて、カップリングコンデンサＣｋは、サーミスタ７に印加される直流電圧を、以下に更に記載されているように、発振器結晶２又は発振器振動子４から分離する。

図５、図６および図７は、集積回路３に組み込むことができるエバリュエーション回路と発振器回路とを示す。エバリュエーション回路を用いることによって、最終結果として、発振器結晶２の共振周波数の温度応答が補償されるように、サーミスタ７で検出される温度を求めることができる。サーミスタ７は、既知の抵抗／温度特性を有する。

定電流源１３（図５参照）はサーミスタ７に定電流を与える。結果として、サーミスタ７の現在の温度依存性抵抗値に対応する直流電圧が、端子Ａ、Ｂの間に発生する。この直流電圧は、アナログ／デジタル・コンバータ１４により検出され、データ処理リード線６１を通じて機器のマイクロコントローラ１５にデジタルで送られる。このマイクロコントローラ１５は、例えば、コントローラ１５に記憶されサーミスタ７の特性曲線に対応する電圧／温度テーブルから、リアルタイム温度を決定する。マイクロコントローラ１５は、連続する測定値から電圧勾配又は温度傾度を決定する。

増幅器１６は、発振器結晶２が備えられる発振器の高周波振動を起こして維持する役割をし、その発振器は、ピアス発振器として、端子Ａからグランドにコンデンサ１７が備えられ、端子Ｂからグランドにコンデンサ１７が備えられる。発振器結晶２、特にその結晶振動子４は、増幅器１６およびコンデンサ１７と一緒に、発振器回路を形成する。コンデンサ１７は、好ましくは集積回路３に組み込まれる。周波数制御を容易にするために、コンデンサ１７はその容量値を調節可能とすることができる。調整を可能とするために、コンデンサ１７は制御リード６０を通じてマイクロコントローラ１５に接続されている。発振器のＨＦ振動（例えば２６ＭＨｚ）は、リード３４を介して端子Ａから機器の位相ロックループ１８まで伝えられる。

増幅器１６の動作がサーミスタ７の直流電圧経路によって損なわれないようにするため、カップリングコンデンサ１９は増幅器１６の出力部および／又は入力部に備えられる。

測定直流電圧に加えて、発振器機能の高周波信号電圧も端子Ａ、Ｂに存在し、したがって、アナログ／デジタル・コンバータ１４にも存在する。高周波数信号電圧は、アナログ／デジタルコンバータ１４で又はマイクロコントローラ１５で信号処理手段（例えば、ローパスフィルタ処理）によって取り除かれ、直流電圧測定信号のみがマイクロコントローラで他の処理に使用される。

他の実施形態では、直流電圧測定からの温度又は温度変化の決定は、アナログ／デジタルコンバータ１４がサーミスタ７の特性曲線を直に用いることができる場合、コンバータ１４自体に割り当てることができる。マイクロコントローラ１５は、リード３４を通じて、大きな温度勾配が現在生じていると伝えることができる。

図６に示されるようなエバリュエーション回路の場合、定電流源の代わりに定電圧源２０が備えられる。更に、抵抗器２１が集積回路３に組み込まれる。サーミスタ７と一緒に、抵抗器２１は分圧器を形成し、ここでも、温度に依存する直流電圧が端子ＡとＢとの間に生じる。

図５および図６に示されるような実施形態の場合、温度検出の役割をする直流電圧測定と発振器動作とは、同時に起こる。逆に、図７に示されるような実施形態では、直流電圧測定と発振器動作は、サイクルの中で順に生じる。この目的のため、マイクロコントローラにより制御されるイネーブル信号リード２２が備えられる。定電流源１３とアナログ／デジタルコンバータ１４とがこれを通じてオンに切り替えられ、増幅器１６は、イネーブル信号のインバータ２３を介してオンに切り替えられる。このようにして、発振器回路の動作前に温度を検出することができ、該当する場合には、発振器周波数の温度補償又は温度較正を行うことができる。

このレイアウトでは、カップリングコンデンサ１９（図５および図６参照）およびカップリングコンデンサＣｋ（図４参照）は不必要である。図５および図６に示すように制御リード６０および６１は使用されるが、分かりやすくするために、図７では省略されている。

別の実施形態では、アナログ／デジタルコンバータ１４は、マイクロコントローラ１５から空間的に分離して配されていてもよい。コンバータ１４がサーミスタ７の抵抗／温度特性曲線を分かっている場合、アナログ／デジタルコンバータ１４は、現在発生している温度勾配が以前に定められた又は設定可能な限界値を越えることを検出することができる。アナログ／デジタルコンバータ１４は、このことを制御リードを通じてマイクロコントローラ１５に伝える。

図５〜図７は、カップリングコンデンサＣｋが等温領域５２に備えられない場合を示す。しかし、図５〜図７のエバリュエーション回路は、カップリングコンデンサＣｋが等温領域５２に配される場合も使用できる（図４参照）。図５〜図７のエバリュエーション回路は、図に示すように、サーミスタ７がカップリングコンデンサＣｋとともに又はカップリングコンデンサＣｋ無しで発振器結晶ハウジング２’内に配される場合にも使用できる。

図８は、位相制御ループ１８の原理を示す（図５、図６、および図７参照）。位相制御ループ１８は、位相ロックおよび周波数ロックを行って、リード３４即ち端子Ａに生じる基準周波数から、電圧制御型発振器３１の出力部３０に生じる出力周波数を得る。位相ロックループを作るために、分周器３５、位相比較器３３、およびループフィルタ３２が電圧制御型発振器３１に隣接して備えられる。

分周器３５は、有理分数分周比を事実上任意の精細ステップ数に設定することができる。これは、既知の分数Ｎ分周器である。図８に示されるような代替例では、結晶発振器回路（図５参照）からリード３４上に生じる基準周波数は、上記のように、コンデンサ１７の容量の変動によって、その公称値に制御されないという特別な特徴がある。その代わりに、基準周波数は、その温度依存周波数のずれを維持し、分周器３５の適切で微細なステップの再プログラミングにより、出力部３０における周波数が公称周波数値を示すことが達成される。分周器３５の再プログラミングは、データリード（図示せず）を介してマイクロコントローラ１５から行われる。これにより、マイクロコントローラ１５に存在する温度情報が、出力部３０に出力周波数の温度補償を生じさせる。

したがって、周波数トラッキング、即ち、温度補償は、コンデンサ１７の再調節を介して、又は、あるいは分周器３５の適切な再プログラミングを介して、行われる。

得られる温度情報は、他の目的のために使用することもできる。例えば、温度情報は、他の温度依存パラメータを校正するために、又はバッテリを充電するときに安全にシャットダウンするために、移動無線機器で付加的に使用することができる。

プリント回路基板上の発振器結晶に等温的に配される温度依存性抵抗器（サーミスタ）の平面図を示す。 図１の代替例として、発振器結晶ハウジング内のサーミスタの概略断面を示す。 発振器結晶又は結晶振動子とサーミスタとの電気的並列接続部を示す。 サーミスタと、発振器結晶又は結晶振動子とカップリングコンデンサとの直列結合部と、の並列接続部を示す。 エバリュエーション回路と、定電流源と図３に示すような並列接続部とを有する発振器回路との、ブロック回路図を示す。 定電圧源を伴なうエバリュエーション回路の他のバージョンを示す。 連続的な温度測定による定電流源を伴なうエバリュエーション回路の他のバージョンを示す。 位相ロックループを詳細に示す。

Claims (8)

1. 特に移動無線機器の発振器結晶ハウジング内に結晶振動子を有する発振器結晶の温度を検出する装置であって、
   温度センサは前記発振器結晶又は前記結晶振動子と同じ周囲温度にさらされるように、支持体上に配され、
   前記温度センサは、前記支持体の前記発振器結晶又は結晶振動子と同じ側に備えられ、前記発振器結晶から又は前記結晶振動子から壁により分離されておらず、
   前記温度センサは、前記結晶振動子の端子に、又は前記結晶振動子と少なくとも１つのカップリングコンデンサとの直列接続部に、電気的に並列に接続されるとともに、前記温度センサに定電流を与えるように接続された定電流源、又は抵抗と前記温度センサにより構成される分圧器に並列接続された定電圧源を備えて前記発振器結晶の温度依存共振周波数の補償のために前記温度および／又は温度勾配を求めるエバリュエーション回路に対して接続され、
   前記エバリュエーション回路は、測定経路と発振器経路とを備え、前記測定経路は、前記定電流源又は定電圧源と前記温度センサと前記温度センサにおける電圧降下を検出するアナログノデジタルコンバータとを備え、前記発振器経路は、増幅器と少なくとも１つのコンデンサとともに、前記発振器結晶を有する発振器回路を備え、
   前記測定経路および前記発振器経路は、フィルタ手段によって互いに分離された、装置。
2. 前記温度センサは、前記発振器結晶ハウジング内に配される、請求項１に記載の装置。
3. 前記温度センサは、前記発振器結晶ハウジングに隣接するプリント回路基板上に配される、請求項１に記載の装置。
4. 前記支持体は、集積回路と前記発振器結晶との間に、開口を呈示している、請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の装置。
5. 前記温度センサの抵抗／温度特性曲線が前記エバリュエーション回路に記憶される、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の装置。
6. 発振器結晶が設けられる発振器回路と前記定電流源又は前記定電圧源とを、該当する場合は直列のカップリングコンデンサを有する発振器結晶と前記温度センサとの並列接続に対して接続できる、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記発振器結晶と一緒に発振器回路を形成する少なくとも１つのコンデンサの容量値は、検出された温度文は検出された温度勾配の関数として、エバリュエーション回路により再調節することができる、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 位相ロックループの調節可能な分周器の分周比を、検出された温度又は温度勾配の関数として、エバリュエーション回路によって調節できる、請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の装置。

Images