JP5015229B2 - 水晶発振器 - Google Patents
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Description
Δf/f0=α(T−T0)3+β(T−T0)+γ・・・(1)
尚、この(1)式において、α、β、γは夫々水晶振動子毎に個別に求められる定数であり、これらの各定数(α、β、γ、T0、f0)は、恒温槽内に水晶振動子を設置して温度Tを種々変えて周波数fを測定し、温度T及び周波数fの測定結果の各々を上記(1)式に代入して得られる連立方程式を解くことによって求められる。
また、オーブン(恒温槽)を利用して水晶振動子の周波数温度特性をアナログ制御するOCXO(Oven Compensated Xtal Oscillator)も知られており、このOCXOではTCXOよりも周波数温度特性の安定性及び電子雑音特性が改善されるが、消費電力が大きく且つ高価になってしまう。
前記主発振部に用いられる水晶基板に前記主電極とは別個に、補助振動領域を形成するための補助電極を設けてなり、前記主発振回路の水晶振動子に対して水晶基板が共用化される水晶振動子と、前記補助電極に接続された補助発振回路と、を備え、厚みすべり振動の高調波に対応する温度センサーとして用いられる補助発振部と、
この補助発振部の発振出力の周波数を検出し、この周波数と前記補助発振部の周波数の温度特性と、温度と前記主発振部の周波数の温度特性とに基づいて、前記設定周波数信号の温度補償を行うための温度補償信号を出力するための手段と、を備え、
前記補助電極は、前記主電極よりも重量が大きいことを特徴とする。
本発明の温度補償圧電発振器である温度補償水晶発振器(TCXO:Temperature Compensated Xtal Oscillator)の第1の実施の形態について、図1〜図5を参照して説明する。先ず、TCXOの回路構成について図1に示すと、このTCXOは、外部に設定周波数f0の信号を出力するための主発振部11と、温度補償用の信号を発振させるための補助発振部21と、補助発振部21から出力される温度補償用の信号に基づいて主発振部11に入力する制御電圧Vcを算出するために、これらの主発振部11及び補助発振部21の間に設けられた制御電圧供給部31と、を備えている。この図1中5は、補助発振部21の制御電圧V10の入力端であり、この制御電圧V10は図示しない電圧供給部により入力端5に入力される。また、6は本実施の形態に係る水晶発振器の出力端である。
Vc=V0−ΔV ・・・(2)
ΔV=V0(Δf/f0) ・・・(3)
Δf/f0=α1(T−T0)3+β1(T−T0)+γ1 ・・・(4)
ΔV=V0{α1(T−T0)3+β1(T−T0)+γ1}・・ ・(5)
α1、β1及びγ1はこの主発振部11に固有の定数であり、例えば予め主発振部11(TCXO)を恒温槽内に設置して例えば基準電圧V0を入力すると共に、恒温槽内の温度Tを種々変えて周波数fを測定し、これらの温度T及び周波数fの測定結果を上記の(4)式に代入して得られる連立方程式を解くことにより求められる。
温度推定部34には、補助発振部21の周波数温度特性(この例では3次関数)が記憶されており、この温度特性と補助発振部21の発振周波数fとに基づいて(f0とT0とは予め設定されている)、水晶振動子1の温度Tが求められる。また、補償電圧演算部35は、例えば主発振部11の温度特性である3次関数発生器を備え、既述の(5)式及び温度Tにより、補償電圧ΔVが求められる。
f=f10{1+α2(T−T10)3+β2(T−T10)+γ2} ・・・(6)
即ち、基本波が26MHzの水晶振動子1を用いた時の3次オーバートーンの振動モードにおいては、電極23の膜厚が1000Å(100nm)の場合に得られる周波数温度特性に対して、電極23の膜厚が2000Å(200nm)の場合には、図11(a)に示すように、右回りに回転する。このような周波数温度特性について概略的にまとめると、図11(b)に示すように表される。
このようなTCXOにおいて、実際に得られた周波数偏差Δf/f0の曲線を図12に示すと、従来のTCXOにおいて±0.2ppm程度に補償されていた温度範囲(−20℃〜75℃)よりも広い−50℃〜120℃に亘って、±0.01ppm程度の極めて良好な周波数偏差Δf/f0が得られることが分かった。
上記の第1の実施の形態では、補助発振部21にて使用する振動波として3次オーバートーンを利用したが、5次あるいは7次以上のオーバートーンを利用しても良い。即ち、図13に示すように、5次のオーバートーンでは3次オーバートーンよりも周波数温度特性における温度変化に対する周波数偏差の変化量が大きく、即ち周波数温度特性である3次曲線が時計回りに回転した状態となり、7次以上のオーバートーンでは5次のオーバートーンよりも更に前記変化量が大きくなる。従って、高次のオーバートーンを用いることにより一層高い感度で温度Tを検出することができる。このようにオーバートーンを用いる場合には、補助電極23は水晶基板2上においてこれらのオーバートーンにおける電荷が大きくなる位置に配置されることが好ましい。
尚、主発振部11及び補助電極23のいずれについても基本波を振動波として用いても良い。しかしながら、既述のようにオーバートーンを用いた発振部の温度特性は、電極の質量を大きくした時の右回転の程度が基本波の場合よりも大きいことから、温度検出用の補助発振部21としては、オーバートーンを用いることが好ましい。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。この第2の実施の形態は、互いに異なる振動波を取り出すための補助電極23を複数組設けて、各補助電極23の組により取り出される周波数fの間で和あるいは差を求め、このようにして演算された周波数fを温度検出信号として使用する形態である。この実施の形態の一例として、補助電極23を2組設け、一方の補助電極23(第1の補助電極23a)により発振する周波数f11と他方の補助電極23(第2の補助電極23b)により発振する周波数f12との差分を温度検出信号として使用する例を挙げることができる。図15には、このような例に用いられる水晶振動子1の電極13、23のレイアウトの例を示している。
このように周波数fの差分を求める有利点は、基本波とオーバートーンとの間のみならず、互いに次数の異なるオーバートーンを利用する場合にも得られる。尚、2つの補助発振回路22a、22bの各周波数信号の周波数差を求める手法としては、各周波数fが正弦波信号である場合、アナログ回路からなる混合器により両周波数信号を混合してその差分の周波数fを有する周波数信号を求め、この周波数信号の周波数fを周波数検出部33により検出するようにしても良い。
上記の各実施の形態では、主発振部11及び補助発振部21において各々厚み滑り振動を利用したが、補助発振部21については輪郭滑り振動モード(面滑り振動モード)を利用しても良い。輪郭滑り振動では、周波数温度特性は図17に示すように、負の2次関数として近似される。図17に示す2次関数の右下がりの領域は、温度範囲として例えば−40℃〜+100℃の部分であり、発振器の仕様として要求される使用温度範囲をカバーしている。従って、輪郭滑り振動では、TCXOの使用温度範囲においては、厚み滑り振動に比べて温度Tに対する周波数fの変化分を大きく取ることができるので、補助発振部21の振動モードとして輪郭滑り振動を用いることによって、温度Tを高い感度で検出することができる。
このような形態の例としては、主発振部11の振動モードを厚み滑り振動、補助発振部21の振動モードを輪郭滑り振動とする例を挙げることができ、この場合の主電極13は水晶基板2の中央部に矩形状に形成されると共に、補助電極23のレイアウトとしては例えば図18に示すように、水晶基板2の角部の4箇所において当該角部に沿うように、概略L字型に各々配置されることになる。図18は水晶基板2の表面側における主電極13及び補助電極23のレイアウトを示しているが、水晶基板2の裏面側においても表面側と同様のレイアウトとで主電極13及び補助電極23が配置される。また、例えば4つの補助電極23の各々には共通の補助発振回路22が接続される。
このように第3の実施の形態は、第1の実施の形態及び第2の実施の形態において、補助発振部21の振動モードを厚み滑り振動に代えて輪郭滑り振動を用いる例である。尚、主発振部11の振動モードを輪郭滑り振動、補助発振部21の振動モードを厚み滑り振動としても良い。
この実施の形態は、第3の実施の形態において、主発振部11の振動モードとして輪郭滑り振動を用いる例、即ち主発振部11及び補助発振部21のいずれについても輪郭滑り振動を用いる例である。このような形態の例としては、図19に示すように、水晶基板2上の4つの角部において対角線方向に互いに対向する2つの角部の組毎に、概略L字型に主電極13及び補助電極23を水晶基板2の上下面に各々配置する例が挙げられる。また、この場合において、図20に示すように、補助発振回路22を例えば2組設ける場合には、輪郭滑り振動と共に厚み滑り振動を併用しても良い。
更に、上記の各例においては、水晶基板2の上下両面に各電極13、23を同じレイアウト(位置、大きさ)として配置したが、上下面において互いに異なるレイアウトとしても良いし、上下の各電極13、23のうち接地される一方の電極13、23については他方の電極13、23において共有される共通電極としても良い。
2 水晶基板
11 主発振部
13 主電極
21 補助発振部
23 補助電極
31 制御電圧供給部
32 温度検出部
33 周波数検出部
34 温度推定部
35 補償電圧演算部
36 加算部
Claims (3)
- 水晶基板に主振動領域を形成するための主電極を設けてなる水晶振動子と、前記主電極に接続された主発振回路と、を備え、厚みすべり振動の基本波に対応する設定周波数信号を出力するための主発振部と、
前記主発振部に用いられる水晶基板に前記主電極とは別個に、補助振動領域を形成するための補助電極を設けてなり、前記主発振回路の水晶振動子に対して水晶基板が共用化される水晶振動子と、前記補助電極に接続された補助発振回路と、を備え、厚みすべり振動の高調波に対応する温度センサーとして用いられる補助発振部と、
この補助発振部の発振出力の周波数を検出し、この周波数と前記補助発振部の周波数の温度特性と、温度と前記主発振部の周波数の温度特性とに基づいて、前記設定周波数信号の温度補償を行うための温度補償信号を出力するための手段と、を備え、
前記補助電極は、前記主電極よりも重量が大きいことを特徴とする水晶発振器。 - 前記補助発振部は、第1の補助振動領域を形成する第1の補助電極と、第2の補助振動領域を形成する第2の補助電極と、これら第1の補助電極及び第2の補助電極に夫々接続された第1の補助発振回路及び第2の補助発振回路と、これら第1の補助発振回路及び第2の補助発振回路の各発振周波数の差分または和を求めて補助発振部の発振出力を得る手段と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の水晶発振器。
- 前記温度補償信号を出力するための手段は、主発振部が基準温度において設定周波数を出力する制御電圧である基準電圧に対して加算すべき温度補償電圧を求めるものであることを特徴とする請求項1または2に記載の水晶発振器。
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