JP5072418B2 - 表面実装用の温度補償水晶発振器 - Google Patents

Description

本発明は表面実装用の温度補償水晶発振器（以下、温度補償発振器とする）を技術分野とし、特に起動時の周波数変動（ドリフト）を防止した表面実装発振器に関する。

（発明の背景）
温度補償発振器は、小型・軽量であって温度変化に対する周波数安定度が高いことから、特に温度環境の変化する携帯型電子機器に周波数源として内蔵される。このようなものの一つに例えばＧＰＳ用の温度補償発振器（ＴＣＸＯ）があり、起動時における周波数変動の抑制が求められる。

（従来技術の一例）
第５図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は温度補償発振器のブロック図、同図（ｂ）は水晶振動子（水晶発振器）の周波数温度特性図、同図（ｃ）は表面実装用とした温度補償発振器の断面図である。

温度補償発振器は水晶発振器１と温度補償機構２とからなる。水晶発振器１は例えばＣＭＯＳからなるインバータ増幅素子とした発振用増幅器３と、水晶振動子４及び分割コンデンサＣ1、Ｃ2からなる共振回路とからなる。ここでの分割コンデンサＣ1、Ｃ2は電圧可変容量素子５とする。

水晶振動子４は例えばＡＴカットとして周囲温度に応答して、概ね常温２５℃近傍に変曲点を有する３次曲線の周波数温度特性を有する。発振回路の周波数温度特性は水晶振動子のそれに概ね依存する。なお、水晶振動子４を除く水晶発振器１（発振回路）及び温度補償機構は点線枠で示すＩＣチップ８内に集積化される。

温度補償機構２は温度センサ２ａ、温度補償データ記憶回路２ｂ及び補償電圧発生回路２ｃを有する。温度センサ２ａは例えば抵抗素子からなり、周囲温度に応答した抵抗値の変化による温度検出電圧を発生する。温度補償データ記憶回路２ｂは周波数温度特性を補償する温度補償データを予め記憶する。温度補償データは各水晶振動子（発振器）ごとに測定された周波数温度特性に基づく補償電圧特性（三次関数）の例えば２次数項を除く各次数項の係数及び変曲点温度からなる。

補償電圧発生回路２ｃは前述の係数及び変曲点温度を与えられ、温度センサ２ａの温度検出電圧によって温度補償電圧Ｖcを発生する。そして、電圧可変容量素子５のカソードに逆電圧として印加する。温度補償電圧Ｖcは水晶振動子４の周波数温度特性とは逆特性とし、周波数温度特性を補償する。

この場合、温度補償電圧Ｖcの印加によって電圧可変容量素子５の容量が変化し、水晶振動子４から見た発振閉ループの直列等価容量（負荷容量）も変化するので、周波数温度特性を補償できる。なお、図中の符号６は緩衝増幅器、Ｒ1は帰還抵抗、Ｒ2は高周波阻止抵抗、Ｃa、Ｃbは直流阻止コンデンサである。

このようなものでは、例えば凹状とした容器本体７の内底面にＩＣチップ８をバンプ９を用いた超音波熱圧着によって、水晶振動子４としての水晶片１０の一端部両側を内壁段部に導電性接着剤１１によって固着する。ＩＣチップ８は水晶振動子４（水晶片１０）を除く発振回路１及び温度補償機構２を集積化する。そして、容器本体７の外底面には電源、出力、アース端子等の実装端子を有し、例えば側面には図示しない温度補償データの書込端子が設けられる。容器本体の開口面にはシーム溶接等によって金属カバーが接合して密閉封入する。

特開２００７−６７９６７号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の温度補償発振器では、特に起動時における周波数変動特性に問題があった。すなわち、温度補償発振器の起動時には、ＩＣチップ２内に生ずる回路電流に起因した特に発振用増幅器３や緩衝増幅器等の能動素子によって発熱する。したがって、ＩＣチップ２の発熱による温度（発熱温度）が周囲温度よりも高くなる。例えば起動時の周囲温度を常温時の２５℃とすると２７℃程度まで上昇して飽和する。

これに対し、水晶振動子４（水晶片１０）は起動時にはＩＣチップの発熱温度よりも低い温度で動作し、除々に上昇して例えば３０秒前後にＩＣチップよりも低い温度で飽和する。したがって、ＩＣチップ２に集積化された温度検出素子は水晶振動子４の動作温度よりも高い温度を検出する。これにより、温度補償機構２は本来の補償電圧Ｖcよりも高い電圧Ｖc′を発生して電圧可変容量素子５に印加する。

このことから、ＩＣチップ２と水晶振動子４との温度が飽和し、通常の補償電圧Ｖcが印加されて温度補償動作が安定するまでの起動時からの周波数変化特性例えば周波数偏差特性は、例えば第６図に示したようになる。なお、横軸は起動時からの時間Ｔであり、縦軸は温度補償動作が安定した発振周波数ｆoに対する周波数偏差Δｆ／ｆoである。但し、Δｆはｆ−ｆoであり、ｆは起動時からの各時間における発振周波数である。

すなわち、ここでの起動時における発振周波数ｆは、発振の立ち上がるＴ１時例えば3.5ｍsecから除々に上昇し、温度補償が安定するＴ2時に安定した発振周波数ｆo（即ち周波数偏差Δｆ／ｆ）が０になる。

（発明の目的）
本発明は起動時の温度補償動作を良好にして周波数変動を抑制した表面実装用の温度補償発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、発振回路及び温度補償機構を集積化したＩＣチップと、励振電極から引出電極が一端部両側に延出した水晶片とを、セラミックからなる容器本体内に収容して一体化してなり、前記温度補償機構は少なくとも周囲温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサによる検出温度に基づいて温度補償電圧を発生し、前記温度補償電圧を発振閉ループ内の電圧可変容量素子に印加してなる表面実装用の温度補償水晶発振器において、前記ＩＣチップの起動時における発熱によっての前記温度センサの検出温度と前記水晶片の動作温度との差温度に基づく起動時からの周波数変化分を予め計測し、前記周波数変化を補正する起動時補正電圧を前記電圧可変容量素子に印加した温度補償水晶発振器であって、前記起動時補正電圧は予め計測された前記周波数変化分に基づくＣＲ回路の時定数によって生成された電圧である構成とする。

このような構成であれば、起動時補正電圧によって、起動時における補償電圧の補償誤差分による発振周波数の変化を補正できる。したがって、起動時における温度補償動作を良好にして周波数変動を抑制できる。更に、前記起動時補正電圧は予め計測された前記周波数変化分に基づくＣＲ回路の時定数によって生成された電圧とすることにより、回路構成を簡易にして起動時の周波数変化分を補正できる。

なお、請求項１における起動時補正電圧は、予め計測された前記周波数変化分に基づくＣＲ回路の時定数によって生成される電圧とすることに代えて、クロック周波数に応答して、予め計測された前記周波数変化分を記憶したデータ記憶回路から補正データが送出され、前記補正データによって生成された電圧とすることにより、起動時の周波数変化分を補正するようにすることができる。

同請求項２では、請求項１において、前記温度補償電圧と前記起動時補正電圧とは合成されて前記電圧可変容量素子のカソードに印加される。これにより、温度補償電圧が補正され、起動時の周波数変化分を補正できる。

（第１実施形態）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する温度補償発振器の図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

温度補償発振器は前述したように水晶振動子４、発振用増幅器３及び分割コンデンサＣ1、Ｃ2としての電圧可変容量素子５を有する水晶発振器１と、温度センサ２ａ、温度補償データ記憶回路２ｂ及び補償電圧発生回路２ｃを有する温度補償機構２とを備える。そして、ここでは、温度補償発振器の起動時における周波数変動を抑制する起動時補正回路１３を設けてなる。

起動時補正回路１３は、クロック発生回路１３ａ、カウンタ１３ｂ、起動時補正データ記憶回路１３ｃ、起動時補正電圧発生回路１３ｄ、及び合成回路１３ｅを有する。クロック発生回路１３ａは水晶発振器１の発振周波数をクロック源として分周されたタイミングパルスを発生する。カウンタ１３ｂはタイミングパルスを計数し、起動時補正データ記憶回路１３ｃに計数値を送出する。要するに、起動時からの時間経過信号をデジタル値として送出する。

起動時補正データ記憶回路１３ｃは起動時における補正データを記憶する。補正データは温度補償動作が安定するまでの周波数偏差Δｆ／ｆoを補正する電圧値に応答したデジタル値とする。これらは、各温度補償発振器ごとに測定された周波数偏差特性に基づき、外部端子Ａからの書き込み信号によって設定される。そして、タイミングパルスの計数値に同期して補正データを起動時補正電圧発生回路１３ｄに送出する。

起動時補正電圧発生回路１３ｄは、Ｄ／Ａ変換器からなる。そして、起動時補正データ記憶回路１３ｃからの補正データ（デジタル信号）に基づき、アナログ値の起動時補正電圧Ｖhに変換する。そして、合成回路１３ｅに送出する。なお、起動時補正電圧Ｖhは、前述した周波数偏差特性（前第６図参照）に応答して起動時のＴ1を最大として除々に減少し、温度補償動作が安定するＴ2時には０電圧となる。

合成回路１３ａは例えばオペアンプからなり、温度補償機構２からの温度補償電圧Ｖcと起動時補正電圧Ｖhとを合成（加算）する。そして、これらの合成補償電圧Ｖch（Ｖc＋Ｖh）を高周波阻止抵抗Ｒ2を経て、発振用の分割コンデンサＣ1、Ｃ2を兼用する電圧可変容量素子５に印加する。

このような構成であれば、起動時補正回路１３からの起動時補正電圧Ｖhが温度補償電圧Ｖcに加算され、合成補償電圧ＶchＹとして電圧可変容量素子１５に印加される。この場合、起動時補正電圧Ｖhは起動時Ｔ1を最大として除々に減少してＴ2時に０となるので、電圧可変容量素子５の容量は起動時Ｔ1からＴ2時まで増加する方向となる。

したがって、第２図の曲線ロに示したように、周波数偏差は起動時Ｔ1を＋方向に最大としてＴ2時まで減少して０になる。なお、曲線イは前述した起動時における起動時Ｔ1を−方向に最大として０に接近する従来例の周波数偏差特性（前第６図）である。このことから、ＩＣチップ２の発熱によっての温度センサ２ａの検出温度と水晶振動子４の動作温度との乖離に基づく、温度補償動作が安定するまでの周波数変動を起動時補正電圧Ｖhによって相殺して抑制できる。

なお、個々の温度補償発振器ごとに起動時の周波数偏差特性を測定して補正データを起動補正データ記憶回路１３ｃに書き込んだが、全体の平均的な補正データに基づき、起動時電圧発生回路１３ｄを設定してもよい。この場合、クロック発生回路１３ａ、カウンタ１３ｂ、書込端子Ａを含む起動時補正データ記憶回路１３ｃを不要にする。

（第２実施形態）
第３図は本発明の第２実施形態を説明する温度補償発振器の図である。なお、第１実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、水晶発振器１、温度補償機構２及び起動時補正回路１３を有する。起動時補正回路１３は、第１実施形態でのクロック発生回路１３ａ及びカウンタ１３ｂを排除し、起動時補正データ記憶回路１３ｃと起動時補正電圧発生回路１３ｄと合成回路１３ｅとからなる。

起動時補正データ記憶回路１３ｃは、第１実施形態と同様に起動時における補正データを記憶する。ここでは、補正データとして、ＣＲ回路からなる時定数回路の振幅セレクトコードと時定数セレクトコードとを記憶する。振幅セレクトコードは周波数偏差特性（前第３図及び第６図）の最大偏差となる起動時Ｔ1の初期値に基づいて設定される。また、時定数セレクトコードは安定時Ｔ2までの曲線に応じて設定される。

起動時補正電圧発生回路１３ｄはＣＲからなる時定数回路とし、例えば電圧印加側としたコンデンサＣを固定とし、これに接続してアース接地とした抵抗Ｒを可変抵抗１３ｄxとする。そして、ＣＲの接続点から補正電圧Ｖhを得る。ここでは、電源Ｖccからの直流電圧を分圧回路１３ｄyで分圧し、バッファアンプ１４ｄzを経てコンデンサＣに印加される。

この場合、起動時補正電圧発生回路１３ｄの分圧は、起動時補正データ記憶回路１３ｃにおける補正データ中の振幅セレクトコードによって選択される。そして、可変型の抵抗Ｒは時定数セレクトコードによって選択される。これらの、補正データ（振幅及び時定数セレクトコード）は、各温度補償発振器ごとに測定した起動時の周波数偏差特性に基づいて決定され、外部端子Ａから書き込まれる。ここでは、起動時における周波数偏差特性（前第３図）に基づいて指数関数的に減少する補正電圧を発生する。

このような構成であっても、温度補償回路２からの補償電圧Ｖcと起動時補正回路１３からの起動時補正電圧Ｖhとが合成回路１３ｅによって合成され、電圧可変容量素子５に印加される。したがって、合成補償電圧Ｖch中の起動時補正電圧Ｖhによって、起動時Ｔ1から温度補償動作の安定時Ｔ2時までの発振周波数の上昇を抑制し、周波数変動を防止できる。

なお、第２実施形態においても、全体の平均的な補正データに基づき、起動時電圧発生回路１３ｄ即ちＣＲ回路の時定数を設定してもよい。また、ＣＲ回路の時定数が大きいのでＩＣチップ８が大型化する。したがって、例えばＣＲ回路の抵抗のみをＩＣチップ内に形成し、コンデンサはチップ状のディスクリート素子（個別素子）としてもよい。これらの場合、起動補正データ記憶回路１３ｃ及びこれ用の書込端子Ａは不要となる。

また、温度補償発振器１の構造は例えば容器本体７をＨ状として一方の凹部に水晶片１０を他方の凹部にＩＣチップ８を収容した場合でも、表面実装型とした水晶振動子の底面にＩＣチップ８を収容した実装基板を接合した場合でも同様に適用できる。

また、温度補償電圧Ｖcと起動時補正電圧Ｖhは合成して電圧可変容量素子５のカソードに印加したが、温度補償電圧Ｖcをカソードに、起動時補正電圧Ｖhをアノードに印加してもよい。この場合、起動時補正電圧Ｖhはアノードに対して−電圧から０になる逆電圧とする。そして、時定数回路は等価的にＲを大きくするためにスイッチドキャパシタフィルタを用いたものでも適用できる。

本発明の第１実施形態を説明する温度補償発振器の回路図である。 本発明の第１実施形態の作用を説明する起動時の周波数偏差特性である。 本発明の第２実施形態を説明する温度補償発振器の回路図である。 本発明の第２実施形態形態の起動時補正電圧発生回路の図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は温度補償発振器の回路図、同図（ｂ）は周波数温度特性図、同図（ｃ）は温度補償発振器の断面図である。 従来例を説明する起動時における周波数偏差特性図である。

符号の説明

１ 水晶発振器（発振回路）、２ 温度補償機構、３ 発振用増幅器、４ 水晶振動子、５ 電圧可変容量素子、６ 緩衝用増幅器、７ 容器本体、８ ＩＣチップ、９ バンプ、１０ 水晶片、１１ 導電性接着剤、１２ 外部端子、１３ 起動時補正回路。

Claims (2)

1. 発振回路及び温度補償機構を集積化したＩＣチップと、励振電極から引出電極が一端部両側に延出した水晶片とを、セラミックからなる容器本体内に収容して一体化してなり、前記温度補償機構は少なくとも周囲温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサによる検出温度に基づいて温度補償電圧を発生し、前記温度補償電圧を発振閉ループ内の電圧可変容量素子に印加してなる表面実装用の温度補償水晶発振器において、前記ＩＣチップの起動時における発熱によっての前記温度センサの検出温度と前記水晶片の動作温度との差温度に基づく起動時からの周波数変化分を予め計測し、前記周波数変化を補正する起動時補正電圧を前記電圧可変容量素子に印加した温度補償水晶発振器であって、前記起動時補正電圧は予め計測された前記周波数変化分に基づくＣＲ回路の時定数によって生成された電圧であることを特徴とする温度補償水晶発振器。
2. 請求項１において、前記温度補償電圧と前記起動時補正電圧とは合成されて前記電圧可変容量素子のカソードに印加された温度補償発振器。