JP5368260B2 - 水晶発振回路の励振電力測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、水晶発振回路の励振電力測定方法に関する。

従来、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器を構成する電子部品の一つとして水晶振動子を備えた水晶発振回路が用いられる。

水晶発振回路は、水晶振動子と反転増幅部とから主に構成されている。
水晶発振回路は、例えば、インバータ発振回路がある。
図３に示すように、水晶発振回路３１０の一例としてあげたインバータ発振回路は、水晶振動子３１１とアナログ反転増幅部３１２（３１２ａ，３１２ｂ）と緩衝増幅部３１４とから主に構成されている。

図３に示すように、アナログ反転増幅部３１２は、例えば、インバータ３１２ａと帰還抵抗３１２ｂとから主に構成され、電気的に接続された状態となっている。また、アナログ反転増幅部３１２は、入力された信号を反転させ、増幅させる役割を果たしている。

水晶振動子３１１は、例えば、水晶振動素子と、この水晶振動素子が搭載された素子搭載部材と、素子搭載部材と接合されて水晶振動素子を気密封止する蓋部材と、から主に構成されている。
また、水晶振動子３１１は、気密封止された水晶振動素子が素子搭載部材に設けられた所定の２つの外部接続端子と電気的に接続された状態となっている。この所定の２つの外部接続端子が、水晶振動子３１１の入力側端部と水晶振動子３１１の出力側端部となる。
また、水晶振動子３１１は、水晶振動子３１１の入力側端部がアナログ反転増幅部３１２の入力側端部と電気的に接続されており、水晶振動子３１１の出力側端部がアナログ反転増幅部３１２の出力側端部と電気的に接続されている。
従って、水晶振動子３１１に設けられた水晶振動素子は、外部接続端子から直流電圧が印加されると振動を開始し、やがてアナログ反転増幅部３１２によって振動が増幅され、所定の周波数で振動する。

緩衝増幅部３１４は、例えば、インバータが用いられ、アナログ反転増幅部３１２の出力側端部に接続される。
また、緩衝増幅部３１４は、発振出力を増幅させる役割を果たす。

コンデンサ３１３は、例えば、２つ用いられる。
一方のコンデンサ３１３ａは、一方の端部がアナログ反転増幅部３１２の入力側端部と水晶振動子３１１の入力側端部とに接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。
他方のコンデンサ３１３ｂは、一方の端部がアナログ反転増幅部３１２の出力側端部と水晶振動子３１１の出力側端部とに接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。
また、コンデンサ３１３は、水晶振動子３１１の水晶振動素子に発生する電荷を安定的に充放電させる役割と水晶発振回路３１０の発振周波数を調整する役割を果たす。

水晶発振回路３１０は、水晶振動素子に発生した微弱な交流信号がアナログ反転増幅部３１２によって反転増幅されて再び水晶振動子３１１の入力側端部に入力されることが繰り返されるので、水晶振動素子が所定の周波数で振動し続ける回路構成となっている。
ここで、水晶振動子３１１が振動しているとは、水晶振動素子が所定の周波数で振動している状態とする。
また、水晶発振回路３１０が発振しているとは、水晶振動素子が所定の周波数で振動し続ける状態、つまり、水晶振動子３１１が振動しつづける状態とする。
また、負荷時共振抵抗は、水晶発振回路３１０が発振しているときの水晶振動子３１１の共振抵抗とし、このときの共振抵抗の値を負荷時共振抵抗値とする。
また、励振電流は、水晶発振回路３１０が発振しているときの水晶振動子３１１に流れる電流とする。
また、励振電力は、水晶発振回路３１０が発振しているときの水晶振動子３１１で消費される電力とする（例えば、非特許文献１参照）。

水晶発振回路３１０では、図４に示すように、励振電力によって、水晶振動子３１１の負荷時共振抵抗が変化する。
水晶発振回路３１０では、図４に示すように、励振電力が小さい場合、例えば、励振電力が範囲Ａ内に含まれている場合、負荷時共振抵抗値が大きくなり水晶振動素子が振動を開始することができず、発振することができない恐れがある。また、例えば、励振電力が範囲Ｂ内に含まれている場合、負荷時共振抵抗値が急激に大きくなるため、水晶発振回路３１０の発振が不安定となる恐れがある。
また、水晶発振回路３１０では、図４に示すように、励振電力が大きい場合、例えば、励振電力が範囲Ｄ内に含まれている場合、負荷時共振抵抗値が急激に大きくなるため、水晶発振回路３１０の発振が不安定となる恐れや水晶発振回路３１０の発振が停止してしまう恐れがある。また、例えば、励振電力が範囲Ｅ内に含まれている場合、水晶振動素子が激しく振動するため、水晶振動素子が破損してしまう恐れがある。
従って、水晶振動素子の破損を防ぎ、水晶発振回路３１０を安定して発振させるために、励振電力が範囲Ｃ内に含まれるような適正な水晶発振回路３１０の励振電力であることを把握する必要がある。

水晶発振回路の励振電力測定方法は、例えば、励振電流測定工程、励振電力算出工程から主に構成されている。
図５（ａ）は、励振電流測定工程の状態の一例を示す概念図である。また、図５（ｂ）は、励振電流測定工程に於いて測定される時間と電圧の波形の一例を示す波形図である。

励振電流測定工程は、図５（ａ）に示すように、水晶発振回路３１０の水晶振動子３１１の入力側端部に環状の電流プローブの入力側端部１２１が設けられオシロスコープの入力端子１５１に電流プローブ１２０の出力側端部が接続された電流プローブ１２０を設け、水晶発振回路３１０を発振させ、オシロスコープのモニター画面１５２に表示される波形から励振電流を測定する工程である。

オシロスコープ１５０は、オシロスコープの入力端子１５１から入力された電圧を時間軸で測定する機器である。従って、オシロスコープ１５０は、横軸が時間軸となり、縦軸が電圧となる。
ここで、オシロスコープ１５０は、電流プローブ１２０から出力された信号がオシロスコープのモニター画面１５２に表示されるように適切に設定されている。オシロスコープのモニター画面１５２は、縦軸の電圧の単位が、例えば、ｍＶとなっており、横軸の時間軸の単位が、例えば、μｓとなっている。

電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が環状となっている。
また、電流プローブ１２０は、例えば、図５（ａ）に示すように、水晶振動子３１１の入力側端部とアナログ反転増幅部３１２の入力側端部と一方のコンデンサ３１３ａとの接続点と、水晶振動子３１１の入力側端部との間に設けられている。
また、電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が設けられた位置に流れている電流により発生する磁界を電圧に変換して、電流プローブ１２０の出力側端部から出力している。従って、電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が設けられている水晶振動子３１１の入力側端部の設けられた位置に発生する磁界、つまり、水晶発振回路３１０の励振電力により発生する磁界が変換され、電流プローブ１２０の出力側端部から励振電力の電流成分が電圧信号として出力される。また、電流プローブ１２０は、この出力された電圧信号を所定の変換率を用いることで電流に変換することができる。この電流プローブ１２０の変換率は、電流プローブ１２０の性能によって異なっている。
ここで、電流プローブ１２０は、電流プローブ１２０の変換率が、例えば、電圧１Ａの電流に対して電圧１Ｖが対応するようになっているため、１ｍＡの電流に対して１ｍＶの電圧が出力される。

励振電流測定工程では、図５（ａ）に示すように、水晶発振回路３１０に電流プローブ１２０を設け、水晶発振回路３１０を発振させ、このときのオシロスコープのモニター画面１５２に表示される波形から水晶発振回路３１０の励振電力の電流成分を測定している。
励振電流測定工程は、図５（ｂ）に示すように、水晶発振回路３１０の励振電力の電流成分が正弦波として表示される。この正弦波の１周期における尖頭値を振幅電圧Ｖとする。また、励振電流測定工程では、この振幅電圧Ｖを電流プローブ１２０の所定の変換率に従って電流に換算され、励振電流を測定している。
つまり、励振電流測定工程では、例えば、１ｍＶに対して１ｍＡに対応する変換率の電流プローブ１２０を用いた場合、例えば、振幅電圧Ｖが２ｍＶとなると、水晶発振回路３１０の励振電流が２ｍＡと測定される。

励振電力算出工程は、電力を求める公式によって励振電力を算出する工程である。ここで、電力を求める公式は、直流電流を二乗しこの値に抵抗の値を掛け算して電力を算出する式である。
励振電力算出工程では、励振電流測定工程に於いて測定された励振電流の値を用いて交流電流である励振電流の実効値を算出する。ここで、交流電流である励振電流の実効値は、交流電流である励振電流が直流電流の電力量に換算された場合の励振電流の値である。交流電流である励振電流の実効値は、交流電流である励振電流の尖頭値を２√２で割り算することで算出される。
また、励振電力算出工程では、この励振電流の実効値を二乗し、水晶振動子３１１の負荷時共振抵抗値と掛け算して、水晶発振回路３１０の励振電力を算出している。

ここで、例えば、負荷時共振抵抗値が２５Ωの水晶振動子３１１を備え２７ＭＨｚで発振する水晶発振回路３１０の励振電流が、例えば、２ｍＡと測定された場合、励振電力算出工程では、交流電流である励振電流２ｍＡが２√２で割り算され励振電流の実効値が算出され、この励振電流の実効値を二乗し、この値に負荷時共振抵抗値の２５Ωを掛け算することで、励振電力が１２．５μＷと算出される（たとえば、非特許文献２参照）。

大川弘，"水晶のはなし"，電波受験界，日本，財団法人電気通信振興会，平成１６年２月１日，第５２巻第２号通巻５９２号，ｐ．５７−５９ ＩＥＣ規格 １２２−２−１「周波数制御及び選択的水晶振動子の利用ガイド セクション１：マイクロプロセッサのクロック用水晶振動子 翻訳」（１９９３年３月）

従来の水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流測定工程に於いて、水晶発振回路に設けられた水晶振動子の入力側端部に電流プローブの入力側端部が設けられオシロスコープの入力端子に電流プローブの出力側端部が接続された電流プローブを水晶発振回路に設けることで、水晶発振回路の励振電流を測定している。
しかし、従来の水晶発振回路の励振電力測定方法は、電流プローブとオシロスコープを用いて励振電流を測定しているため、電流プローブとオシロスコープとの電流の測定感度が１ｍＡ程度しかない。ここで、例えば、負荷時共振抵抗が５０ｋΩの水晶振動子を備えた水晶発振回路が３２．７６８ｋＨｚで発振する場合、水晶発振回路の励振電流が小さくなり、励振電流が、例えば、０．３６１μＡとなる。従来の水晶発振回路の励振電力測定工程では、電流プローブとオシロスコープとの電流の測定感度が１ｍＡ程度しかないため、励振電流が小さい場合、励振電流が測定できないため励振電力を算出することができない。

また、従来の水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流測定工程に於いて、電流プローブの入力側端部が水晶振動子の入力側端部に設けられ電流プローブの出力側端部がオシロスコープの入力端子に接続された電流プローブを水晶発振回路に設け、励振電流を測定している。
しかし、励振電流が小さい場合、励振電流が、例えば、０．３６１μＡの場合、従来の水晶発振回路の励振電力測定方法は、電流プローブとオシロスコープによる電流の測定感度が１ｍＡであるのに対してその励振電流が約１，０００分の１と小さいため、水晶発振回路の励振電流ではない電流プローブ等の雑音信号に励振電流の信号が含まれてしまい励振電流が測定できない。このため水晶発振回路の励振電力が算出できない。

そこで、本発明では、測定に用いる電流プローブの影響を抑え、電流プローブとオシロスコープの組み合わせによって励振電流を測定することなく、励振電力を算出する水晶発振回路の励振電力測定方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の水晶発振回路の励振電力測定方法は、水晶振動子の入力側端部と反転増幅部の入力側端部とが接続され前記水晶振動子の出力側端部と前記反転増幅部の出力側端部とが接続されている水晶発振回路に、電流プローブの入力側端部が前記水晶振動子の入力側端部に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続される電流プローブを設け、前記水晶発振回路を発振させ、励振電流の磁界成分強度の最大値を測定する磁界成分測定工程と、信号発生器の出力側端子と前記水晶振動子の負荷時共振抵抗と同等の抵抗を備えている抵抗器の一方の端部とが接続され前記信号発生器のグラウンド端子と前記抵抗器の他方の端部とが接続されている、前記水晶発振回路と同じ回路構成とみなすことができる置換回路を用い、前記置換回路に、電流プローブの入力側端部が前記抵抗器と前記信号発生器の出力側端子との間に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続される電流プローブを設け、２つ一対の電圧プローブの入力側端部が前記抵抗器の両端部に接続され電圧プローブの出力側端部がオシロスコープの入力端子に接続されている電圧プローブを設け、前記置換回路の電磁界強度の最大値が前記励振電流の磁界成分強度の最大値と同じになるように前記信号発生器から交流電圧を出力させ、前記抵抗器に印加される電圧を測定する電圧測定工程と、前記抵抗器に印加されている電圧の値と前記抵抗器の抵抗の値とから励振電力を算出する励振電力算出工程と、からなることを特徴とする。

このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、磁界成分測定工程で電流プローブとスペクトラムアナライザーとを用いて励振電流の磁界成分強度の最大値を測定し、電圧測定工程で置換回路の電磁界強度の最大値が励振電流の磁界成分強度の最大値と同じになったときの抵抗器に印加される電圧を電圧プローブとオシロスコープを用いて測定し、励振電力算出工程で抵抗器の抵抗の値と抵抗器に印加された電圧の値を用いて励振電力を算出している。
従って、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、水晶発振回路の励振電流の磁界成分強度の最大値を測定し、この値を利用して置換回路に設けられた抵抗器に印加される電圧を測定し、励振電力を算出しているので、従来の水晶発振回路の励振電力測定方法のように励振電流を測定しなくてもよい。
このため、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流が小さい場合、例えば、励振電流の単位がμＡであっても水晶発振回路の励振電力を算出することができる。

また、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、磁界成分測定工程に於いて、電流プローブの入力側端部が水晶振動子の入力側端部に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続された電流プローブを水晶発振回路に設けて、励振電力の磁界成分の最大値を測定している。
また、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、電圧測定工程に於いて、負荷時共振抵抗値の抵抗を備えた抵抗器と信号発生器とで置換回路を設け、電流プローブの入力側端部が抵抗器の入力側端部に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続された電流プローブを置換回路に設け、励振電流の磁界成分強度の最大値と同じになったときの抵抗器に印加される電圧を電圧プローブとオシロスコープとを用いて測定し、励振電力算出工程に於いて、励振電力を算出している。
つまり、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、電流プローブが磁界成分測定工程と電圧測定工程と同じ状態で設けられているので、雑音信号を含んだ同じ状態で電流プローブが用いられており、置換回路の抵抗器に印加される電圧の値を用いて励振電力が算出されている。
従って、このような水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流が小さい場合であっても、電流プローブの影響を抑えた状態で水晶発振回路の励振電力を算出することができる。

（ａ）は、磁界成分測定工程の状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は磁界成分測定工程に於いて測定された周波数と励振電流の磁界成分強度の一例を示す波形図である。 （ａ）は、電圧測定工程の状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は、電圧測定工程に於いて測定された時間と電圧の一例を示す波形図である。 水晶発振回路における励振電力と負荷時共振抵抗の関係の一例を示す関係図である。 水晶発振回路の一例である。 （ａ）は、励振電流測定工程の一例を示す概念図であり、（ｂ）は、励振電流測定工程に於いて測定された時間と電圧の一例を示す波形図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、各図面において、各構成要素の状態をわかりやすくするために誇張して図示している。

本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法について説明する。

水晶発振回路の励振電力測定方法は、磁界成分測定工程、電圧測定工程、励振電力算出工程から主に構成されている。

磁界成分測定工程は、図１（ａ）に示すように、水晶振動子１１１の入力側端部と反転増幅部１１２の入力側端部とが接続され前記水晶振動子１１１の出力側端部と前記反転増幅部１１２の出力側端部とが接続されている水晶発振回路１１０に、電流プローブの入力側端部１２１が前記水晶振動子１１１の入力側端部に設けられ電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続される電流プローブ１２０を設け、前記水晶発振回路１１０を発振させ、励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭを測定する工程である。

水晶発振回路１１０は、例えば、インバータ発振回路がある。
このとき水晶発振回路１１０は、例えば、水晶振動子１１１とアナログ反転増幅部１１２と緩衝増幅部１１４とコンデンサ１１３ａ，１１３ｂとから主に構成されている。

アナログ反転増幅部１１２は、例えば、インバータと帰還抵抗とから主に構成され、電気的に接続された状態となっている。また、アナログ反転増幅部１１２は、入力された信号を反転させ、増幅させる役割を果たしている。

水晶振動子１１１は、例えば、水晶振動素子と、この水晶振動素子が搭載された素子搭載部材と、素子搭載部材と接合されて水晶振動素子を気密封止する蓋部材と、から主に構成されている。
また、水晶振動子１１１は、気密封止された水晶振動素子が素子搭載部材に設けられた所定の２つの外部接続端子と電気的に接続された状態となっている。この所定の２つの外部接続端子が、水晶振動子１１１の入力側端部と水晶振動子１１１の出力側端部となる。
また、水晶振動子１１１は、水晶振動子１１１の入力側端部がアナログ反転増幅部１１２の入力側端部と電気的に接続されており、水晶振動子１１１の出力側端部がアナログ反転増幅部１１２の出力側端部と電気的に接続されている。
従って、水晶振動子１１１に設けられた水晶振動素子は、外部接続端子から直流電圧が印加されると振動を開始し、やがてアナログ反転増幅部１１２によって振動が増幅され、所定の周波数で振動する。

緩衝増幅部１１４は、例えば、インバータが用いられ、アナログ反転増幅部１１２の出力側端部に接続される。
また、緩衝増幅部１１４は、発振出力を増幅させる役割を果たす。

コンデンサ１１３ａ，１１３ｂは、例えば、２つ用いられる。
一方のコンデンサ１１３ａは、一方の端部がアナログ反転増幅部１１２の入力側端部と水晶振動子１１１の入力側端部とに接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。
他方のコンデンサ１１３ｂは、一方の端部がアナログ反転増幅部３１２の出力側端部と水晶振動子３１１の出力側端部とに接続され、他方の端部がグラウンドに接続されている。
また、コンデンサ１１３ａ，１１３ｂは、水晶振動子１１１の水晶振動素子に発生する電荷を安定的に充放電させる役割と水晶発振回路１１０の発振周波数を調整する役割を果たす。

水晶発振回路１１０は、水晶振動素子に発生した微弱な交流信号がアナログ反転増幅部１１２によって反転増幅されて再び水晶振動子１１１の入力側端部に入力されることが繰り返されるので、水晶振動素子が所定の周波数で振動し続ける回路構成となっている。
ここで、水晶振動子１１１が振動しているとは、水晶振動素子が所定の周波数で振動している状態とする。
また、水晶発振回路１１０が発振しているとは、水晶振動素子が所定の周波数で振動し続ける状態、つまり、水晶振動子１１１が振動しつづける状態とする。
また、負荷時共振抵抗は、水晶発振回路１１０が発振しているときの水晶振動子１１１の共振抵抗とし、このときの共振抵抗の値を負荷時共振抵抗値とする。
また、励振電流は、水晶発振回路１１０が発振しているときの水晶振動子１１１に流れる電流とする。
また、励振電力は、水晶発振回路１１０が発振しているときの水晶振動子１１１で消費される電力とする。

電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が環状となっている。
また、電流プローブ１２０は、例えば、図１（ａ）に示すように、電流プローブの入力側端部１２１がアナログ反転増幅部１１２の入力側端部と一方のコンデンサ１１３ａとの間に設けられている水晶振動子１１１の入力側端部に設けられている。つまり、電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が水晶振動子１１１の入力側端部に設けられている。
また、電流プローブ１２０は、図１（ａ）に示すように、電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続されている。
また、電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が設けられた位置に流れている電流により発生する磁界を電流プローブ１２０の出力側端部から出力している。従って、電流プローブ１２０は、電流プローブの入力側端部１２１が設けられている水晶振動子１１１の入力側端部の設けられた位置に発生する磁界、つまり、水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度が電流プローブ１２０の出力側端部から出力される。

スペクトラムアナライザー１３０は、入力信号の電磁界強度を表示する機器である。また、スペクトラムアナライザー１３０は、横軸が周波数成分となり、縦軸が電磁界強度となっている。
ここで、スペクトラムアナライザー１３０は、電流プローブ１２０から出力された信号がスペクトラムアナライザーのモニター画面１３２に表示されるように適切に設定されている。スペクトラムアナライザーのモニター画面１３２は、縦軸の強度の単位が、例えば、ｄＢμＶとなっており、横軸の周波数の単位が、例えば、Ｈｚとなっている。
また、スペクトラムアナライザー１３０は、スペクトラムアナライザーの入力端子１３１が電流プローブ１２０の出力側端部と接続されているので、スペクトラムアナライザーのモニター画面１３２に水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度が表示される。
また、スペクトラムアナライザー１３０は、オシロスコープと比較して信号を測定するための入力感度がよい。

磁界成分測定工程では、図１（ａ）に示すように、電流プローブの入力側端部１２１が水晶振動子１１１の入力側端部に設けられ、電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザー１３０の入力端子に接続された電流プローブ１２０が水晶発振回路１１０に設けられている。
従って、磁界成分測定工程では、水晶発振回路１１０を発振させると、図１（ｂ）に示すような周波数と励振電流の磁界成分強度の波形がスペクトラムアナライザーのモニター画面１３２に表示される。このときのスペクトラムアナライザーのモニター画面１３２に表示された波形は、所定の周波数ＦＰで励振電流の磁界成分強度が最大となっている。磁界成分測定工程では、水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭを測定する。

ここで、例えば、負荷時共振抵抗値が５０ｋΩであって３２．７５８ｋＨｚで振動する水晶振動子１１１を備えた水晶発振回路１１０を用いた場合、電流プローブ１２０から出力された励振電流の磁界成分強度の最大値、つまり、水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度の最大値が、例えば、４８ｄＢμＶと測定される。

電圧測定工程は、図２（ａ）に示すように、信号発生器の出力側端子ＳＧａと前記水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗と同等の抵抗を備えている抵抗器Ｒの一方の端部とが接続され前記信号発生器のグラウンド端子ＳＧｂと前記抵抗器Ｒの他方の端部とが接続されている置換回路２１０に、電流プローブ１２０の入力側端部が抵抗器Ｒと信号発生器の出力側端子ＳＧａとの間に設けられ電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続される電流プローブ１２０を設け、２つ一対の電圧プローブ１４０の入力側端部が前記抵抗器Ｒの両端部に接続され電圧プローブ１４０の出力側端部がオシロスコープの入力端子１５１に接続されている電圧プローブ１４０を設け、前記置換回路２１０の電磁界強度の最大値が前記励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭと同じになるように前記信号発生器ＳＧから交流電圧を出力させ、前記抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを測定する工程である。

抵抗器Ｒは、例えば、可変抵抗器が用いられる。
また、抵抗器Ｒは、水晶発振回路１１０に設けられた水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗と同じ抵抗を備えている。つまり、抵抗器Ｒの抵抗の値は、水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗値と同じ値となっている。
ここで、例えば、水晶発振回路１１０の水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗値が５０ｋΩの場合、抵抗器Ｒの抵抗の値は５０ｋΩとなる。

信号発生器ＳＧは、例えば，シグナルジェネレーターが用いられる。
また、信号発生器ＳＧは、所定の信号を供給し続けることができる機器である。
ここで、信号発生器ＳＧは、水晶発振回路１１０の発振するときの周波数を備えた正弦波の信号を信号発生器の入力端子ＳＧａから出力している。
つまり、例えば、３２．７５８ｋＨｚで発振する水晶発振回路１１０を用いている場合、信号発生器ＳＧは、水晶発振回路１１０が３２．７５８ｋＨｚで発振しているときと同じ正弦波の信号、つまり交流の信号を供給する。

置換回路２１０は、図２（ａ）に示すように、抵抗器Ｒと信号発生器ＳＧとから主に構成されており、抵抗器Ｒと信号発生器ＳＧとが電気的に接続されている。
また、置換回路２１０は、抵抗器Ｒの抵抗の値が水晶発振回路１１０に設けられた水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗値と同じとなっており、信号発生器ＳＧが水晶発振回路１１０の発振周波数と同じ正弦波の信号を供給しているので、水晶発振回路１１０と同じ回路構成となっているとみなすことができる

電圧プローブ１４０は、電圧プローブ１４０の入力側端部が２つ一対となっている。
また、電圧プローブ１４０は、一方の電圧プローブ１４０の入力側端部が抵抗器Ｒの一方の端部に接続されており、他方の電圧プローブ１４０の入力側端部が抵抗器Ｒの他方の端部に接続されている。
また、電圧プローブ１４０は、電圧プローブ１４０の出力側端部がオシロスコープの入力端子１５１に接続されている。

オシロスコープ１５０は、オシロスコープの入力端子１５１から入力された電圧を時間軸で測定する機器である。従って、オシロスコープ１５０は、横軸が時間軸となり、縦軸が電圧となる。
ここで、オシロスコープ１５０は、電流プローブ１２０から出力された信号がオシロスコープのモニター画面１５２に表示されるように適切に設定されている。オシロスコープのモニター画面１５２は、縦軸の電圧が、例えば、その単位がｍＶとなっており、横軸の時間軸が、例えば、その単位がμｓとなっている。
また、オシロスコープ１５０は、オシロスコープの入力端子１５１に電圧プローブ１４０の出力側端部が接続されているので、オシロスコープのモニター画面１５２に電圧プローブ１４０から出力された信号の波形が表示され、この波形から電圧が測定される。

電圧測定工程では、図２（ａ）に示すように、抵抗器Ｒと信号発生器ＳＧとから構成され、また水晶発振回路１１０と同じ回路構成とみなすことのできる、置換回路２１０を設けている。
また、電圧測定工程では、図２（ａ）に示すように、環状の電流プローブの入力側端部１２１が信号発生器の出力側端子ＳＧａと接続される抵抗器Ｒの一方の端部に設けられ電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続されている電流プローブ１２０が、置換回路２１０に設けられている。従って、信号発生器ＳＧから置換回路２１０に所定の信号を供給した場合、置換回路２１０の電磁界強度を測定することができる。
また、電圧測定工程では、図２（ａ）に示すように、２つ一対の電圧プローブ１４０の入力側端部が抵抗器Ｒの端部に接続され電圧プローブ１４０の出力側端部がオシロスコープの入力端子１５１に接続されている。従って、信号発生器ＳＧから置換回路２１０に所定の信号を供給した場合、抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを測定することができる。
また、電圧測定工程では、置換回路２１０の電磁界強度の最大値が水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭと同じになるように信号発生器ＳＧから信号を供給し、置換回路２１０を水晶発振回路１１０が発振しているときと同じ状態としている。この状態で、このときの抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを測定している。したがって、電圧測定工程では、抵抗器Ｒに印加される電圧の値が水晶発振回路１１０の励振電圧の値と同じとみなすことができる。
また、電圧測定工程では、水晶発振回路１１０が発振しているときと置換回路２１０が同じ状態となるようにしたとき、オシロスコープのモニター画面１５２に、図２（ｂ）に示すように、抵抗器Ｒに印加された電圧が正弦波として表示される。この正弦波の１周期における尖頭値が抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭの値となる。
電圧測定工程では、この波形から抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭを測定する。

ここで、例えば、負荷時共振抵抗値が５０ｋΩであって３２．７５８ｋＨｚで発振する水晶発振回路１１０の励振電力の磁界成分の最大値ＧＭが４８ｄＢμＶと測定されており、抵抗器Ｒの抵抗値が５０ｋΩであって信号発生器ＳＧが３２．７５８ｋＨｚの正弦波の信号を供給している場合、電圧測定工程では、例えば、抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭが３８０ｍＶと測定される。

励振電力算出工程は、前記抵抗器Ｒに印加されている電圧ＶＭの値と前記抵抗器Ｒの抵抗の値とから励振電力を算出する工程である。
励振電力算出工程では、電力を求める公式によって置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒで消費される電力を算出している。ここで、電力を求める公式は、直流電流を二乗しこの値に抵抗の値を掛け算して電力を算出する式である。また、この電力を求める公式は、直流電流が直流電圧を抵抗の値で割り算することで算出することができるといったオームの法則を用いると直流電圧を二乗しこの値を抵抗の値で割り算して電力を算出する式に変換できる。
また、励振電力算出工程では、前述したように、置換回路２１０に設けられた信号発生器ＳＧから信号を供給することで水晶発振回路２１０が発振しているときと同じ状態とにみなせるので、置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒで消費される電力を算出し、水晶発振回路２１０の励振電力としている。
励振電力算出工程では、交流電圧である抵抗器Ｒに印加された電圧の尖頭値を用いて、交流電圧である抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの実効値を算出する。ここで、交流電圧である抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭの実効値は、交流電圧である抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭが直流電圧の電力量に換算された場合の抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの値である。交流電流である抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの実効値は、交流電圧である抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの値を２√２で割り算することで算出される。
また、励振電力算出工程では、この抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの実効値を二乗し、水晶振動子１１１の負荷時共振抵抗値で割り算して、置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒで消費される電力を算出している。

ここで、例えば、前述したように、負荷時共振抵抗値が５０ｋΩの水晶振動子１１１を備え３２．７６８ｋＨｚで発振する水晶回路の置換回路に設けられた抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭが３８０ｍＶの場合、励振電力算出工程では、この抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの値３８０ｍＶを２√２で割り算して抵抗器Ｒに印加された電圧の実効値を算出し、この抵抗器Ｒに印加された電圧の実効値を二乗し、この値を抵抗器Ｒの抵抗の値、つまり、負荷時共振抵抗値の５０ｋΩで割り算することで、置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒで消費される電力を算出することで、水晶発振回路１１０の励振電力が０．３６１μＷと算出することができる。これにより、置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒで消費された電力を算出した結果を、励振電力の測定結果として用いることができる。

このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、磁界成分測定工程で電流プローブ１２０とスペクトラムアナライザー１３０とを用いて励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭを測定し、電圧測定工程で置換回路２１０の電磁界強度の最大値が励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭと同じになったときの抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを電圧プローブ１４０とオシロスコープ１５０を用いて測定し、励振電力算出工程で抵抗器Ｒの抵抗の値と抵抗器Ｒに印加された電圧ＶＭの値とから励振電力を算出している。
従って、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、水晶発振回路１１０の励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭを測定し、この値を利用して置換回路２１０に設けられた抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを測定し、励振電力を算出しているので、従来の水晶発振回路の励振電力測定方法のように励振電流を測定しなくてもよい。
このため、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流が小さい場合、例えば、励振電流の単位がμＡであっても水晶発振回路１１０の励振電力を算出することができる。

また、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、磁界成分測定工程に於いて、電流プローブの入力側端部１２１が水晶振動子１１１の入力側端部に設けられ電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続された電流プローブ１２０を水晶発振回路１１０に設けて、励振電力の磁界成分の最大値を測定している。
また、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、電圧測定工程に於いて、信号発生器ＳＧと負荷時共振抵抗と同じかそれに近い抵抗を有した抵抗器Ｒとで置換回路２１０を設け、電流プローブの入力側端部１２１が抵抗器Ｒの入力側端部に設けられ電流プローブ１２０の出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子１３１に接続された電流プローブ１２０を置換回路２１０に設け、励振電流の磁界成分強度の最大値ＧＭと同じになったときの抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭを電圧プローブ１４０とオシロスコープ１５０とを用いて測定して、励振電力算出工程に於いて、励振電力を算出している。
つまり、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、電流プローブ１２０が磁界成分測定工程と電圧測定工程と同じ状態で設けられているので、雑音信号を含んだ同じ状態で電流プローブ１２０が用いられており、置換回路２１０の抵抗器Ｒに印加される電圧ＶＭの値を用いて励振電力が算出されている。
従って、このような本発明の実施形態に係る水晶発振回路の励振電力測定方法は、励振電流が小さい場合であっても、電流プローブ１２０の影響を抑えた状態で水晶発振回路１１０の励振電力を算出することができる。

なお、図４に示すような水晶発振回路が水晶振動子とアナログ反転増幅部と緩衝増幅部とコンデンサとからなる場合について説明しているが、水晶振動子に発生した微弱な交流信号が反転増幅され再び水晶振動子の入力側端部に入力されることが繰り返される回路構成となっていれば、例えば、コルピッツ発振回路であってもよい。

１１０，３１０ 水晶発振回路
１１１，３１１ 水晶振動子
１１２，３１２ アナログ反転増幅部
１１４，３１４ 緩衝増幅部
１１３，３１３ コンデンサ
１２０ 電流プローブ
１２１ 電流プローブの入力側端部
１３０ スペクトラムアナライザー
１３１ スペクトラムアナライザーの入力端子
１３２ スペクトラムアナライザーのモニター
１４０ 電圧プローブ
１５０ オシロスコープ
１５１ オシロスコープの入力端子
２１０ 置換回路
ＳＧ 信号発生器
ＳＧａ 信号発生器の入力端子
ＳＧｂ 信号発生器の出力端子
Ｒ 抵抗器

Claims (1)

1. 水晶振動子の入力側端部と反転増幅部の入力側端部とが接続され前記水晶振動子の出力側端部と前記反転増幅部の出力側端部とが接続されている水晶発振回路に、電流プローブの入力側端部が前記水晶振動子の入力側端部に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続される電流プローブを設け、前記水晶発振回路を発振させ、励振電流の磁界成分強度の最大値を測定する磁界成分測定工程と、
   信号発生器の出力側端子と前記水晶振動子の負荷時共振抵抗と同等の抵抗を備えている抵抗器の一方の端部とが接続され前記信号発生器のグラウンド端子と前記抵抗器の他方の端部とが接続されている、前記水晶発振回路と同じ回路構成とみなすことができる置換回路を用い、前記置換回路に、電流プローブの入力側端部が前記抵抗器と前記信号発生器の出力側端子との間に設けられ電流プローブの出力側端部がスペクトラムアナライザーの入力端子に接続される電流プローブを設け、２つ一対の電圧プローブの入力側端部が前記抵抗器の両端部に接続され電圧プローブの出力側端部がオシロスコープの入力端子に接続されている電圧プローブを設け、前記置換回路の電磁界強度の最大値が前記励振電流の磁界成分強度の最大値と同じになるように前記信号発生器から交流電圧を出力させ、前記抵抗器に印加される電圧を測定する電圧測定工程と、
   前記抵抗器に印加されている電圧の値と前記抵抗器の抵抗の値とから励振電力を算出する励振電力算出工程と、
   からなることを特徴とする水晶発振回路の励振電力測定方法。

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