JP5429653B2 - 発振器、及び発振器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度補償型圧電発振器の温度特性を補正する発振器、及び発振器の製造方法に関するものである。

携帯電話、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末等の電子機器のクロック信号源などに広く利用されている温度補償型圧電発振器がある。温度補償型圧電発振器は、水晶振動子の温度特性の補償を行うことで動作温度領域における周波数の変位を数ｐｐｍにすることができ、これにより高精度の基準クロックとして機能する。

一般に水晶振動子の温度特性は、加工時にばらつきが発生し、またＩＣ（発振回路）の特性ばらつき、発振器の設定環境の温度変化によるばらつきもあるため、製造した発振器すべての温度特性を同一に形成することは困難である。このため温度補償発振器は個々の発振器の温度特性をそれぞれ調整できるように、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を内蔵し、補償度合いを設定できるようになっており、加工時に温度補償データを作成し個々の発振器に内蔵されたＰＲＯＭに保存する調整作業が必要となる。

従来の温度補償発振器の調整方法は、特許文献１に示すような恒温槽などに調整作業を行う発振器を入れ、周囲温度を変化させて水晶振動子の温度特性を測定し、水晶振動子の温度特性を打ち消すような補償データを決定し、発振器ＩＣ内のＰＲＯＭに温度補償データを書き込んでいる。
特開２００２−７６７７４号公報

しかしながら従来の温度補償発振器の調整方法は、発振器の周囲温度を変化させるために恒温槽が必要となる。また恒温槽による温度調整は、設定温度に加熱して設定温度を維持するまでに時間がかかる。周波数測定のための設定温度は複数の温度を設定しているため、さらに時間がかかるという問題があった。

ところで、発振器内の記憶部に記憶される補正電圧を表わすデータは、圧電発振器を恒温槽内に収容した後、圧電発振器を発振させた状態で周囲温度を変化させて取得しなければならないので、データの取得に時間がかかるという問題があった。

そこで本発明は上記従来技術の問題点を解決するため、調整工程を簡略化して温度特性の測定時間を短縮することができる温度補償型圧電発振器の調整方法およびその方法により調整された温度保障型圧電発振器を提供することを目的としている。また本発明は、高精度に温度補償をすることができる発振器、及び発振器の製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

上記目的を達成するための本発明の第１の形態に係る発振器は、パッケージと、前記パッケージに、振動子、前記振動子を発振させる発振回路、前記発振回路から周波数温度特性が補正された周波数信号を出力させる温度補償回路、前記振動子を加熱する発熱体、温度センサ、および前記補正のための補償データを記憶している記憶部が収容されており、前記パッケージは、前記温度センサが検出した温度に関わる信号を出力する温度センサ出力端子を備えていることを特徴としている。
本発明の第２の形態に係る発振器は、本発明の第１の形態に係る発振器において、前記パッケージ内に、さらに前記発熱体の発熱量を制御する制御回路を備えていることを特徴としている。
本発明の第３の形態に係る発振器は、本発明の第１の形態に係る発振器において、前記温度センサと、前記補償回路と、前記発振回路と、前記記憶部とが集積回路であることを特徴としている。
本発明の第４の形態に係る発振器は、本発明の第２の形態に係る発振器において、前記温度センサと、前記補償回路と、前記発振回路と、前記記憶部と、前記制御回路とが集積回路であることを特徴としている。
本発明の第５の形態に係る発振器は、本発明の第１ないし４のいずれか一形態に係る発振器おいて、前記補償データは、１次関数の補正に関わるデータであることを特徴としている。
本発明の第６の形態に係る発振器は、本発明の第１ないし５のいずれか一形態に係る発振器おいて、前記補償データは、１次関数よりも大きい高次の関数に関わるデータを含むことを特徴としている。
本発明の第７の形態に係る発振器の製造方法は、振動子と、前記振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路から周波数温度特性が制御された周波数信号を出力させる温度補償回路と、前記振動子を加熱する発熱体と、温度センサと、記憶部と、をパッケージ内に備えた発振器を用意する工程と、前記発熱体により前記振動子を加熱しながら前記発振回路から出力された信号の周波数を測定する工程と、前記周波数を測定した結果から前記周波数温度特性を補正するための補償データを求める工程と、前記記憶部に前記補償データを記憶する工程と、を含むことを特徴としている。
本発明の第８の形態に係る発振器の製造方法は、本発明の第７の形態に係る発振器の製造方法において、前記周波数を測定する工程の前に前記記憶部に前記補償データとは異なる初期値データが記憶されており、前記記憶する工程にて前記補償データに基づき前記記憶部内のデータを書き換えることを特徴としている。
本発明の第９の形態に係る発振器の製造方法は、本発明の第７又は８の形態に係る発振器の製造方法において、前記補償データによって前記周波数温度特性の１次係数が補正されることを特徴としている。
［適用例１］振動子と、前記振動子の周波数温度特性を補正する温度補償回路および前記振動子を発振させる発振回路を有するＩＣとを備えた温度補償型圧電発振器の調整方法であって、前記温度補償型圧電発振器に内蔵されたヒータ抵抗により前記温度補償型圧電発振器を加熱しながら前記温度補償型圧電発振器の出力周波数を測定し、前記出力周波数の測定値から温度係数を求め補償データを作成し、前記補償データを前記温度補償型圧電発振器の記憶部に書き込みすることを特徴とする温度補償型圧電発振器の調整方法。

これにより温度補償型圧電発振器に内蔵したヒータ抵抗による加熱により発振器の加熱をすばやく行うことができ、設定温度までの加熱時間を大幅に短縮することができる。

［適用例２］前記温度補償型圧電発振器の前記出力周波数を測定する工程の前に、前記記憶部に初期値を書き込むことを特徴とする適用例１に記載の温度補償型圧電発振器の調整方法。
これにより調整量を小さくすることができ、結果として温度係数の計算精度を上げることができる。

［適用例３］前記ヒータ抵抗は、前記ＩＣに形成されていることを特徴とする適用例１または２に記載の温度補償型圧電発振器の調整方法。
これにより部品点数を少なくすることができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかの方法により調整されたことを特徴とする温度補償型圧電発振器。
これにより適用例１ないし３のいずれかの作用効果を備えた温度補償型圧電発振器を製造することができる。

以下に、本発明に係る発振器、及び発振器の製造方法の最良の実施形態について説明する。
図１は本発明に用いられる実施形態の温度補償型圧電発振器の回路構成の説明図である。図示のように温度補償型圧電発振器１０は、パッケージ３０に振動子１２とＩＣ１４を備えている。

パッケージ３０は、電源端子（Ｖｃｃ）３２、周波数出力端子３４、ＰＲＯＭ書込み端子３６、温度センサ出力端子３８、接地端子（ＧＮＤ）４０を有している。ここで周波数出力端子３４は発振器からの周波数を出力するための端子である。ＰＲＯＭ書込み端子３６は外部からＰＲＯＭに書き込むための端子である。温度センサ出力端子３８は温度センサ２０の出力電圧を外部に出力するための端子である。なおパッケージ３０は熱伝導性のよいセラミックパッケージを用いると良い。

振動子１２は、パッケージ３０内に収容されており、一例としてＡＴカットされた圧電振動子や、弾性表面波共振子などを用いることができる。ＡＴカットされた圧電振動子は３次曲線で示される固有の周波数温度特性を有している。

ＩＣ１４は、発振回路１６、温度補償回路１８、温度センサ２０、ＰＲＯＭ２２、ヒータ抵抗制御回路２４、ヒータ抵抗２６を備えている。またＩＣ１４は電源端子３２と接地端子４０に接続されている。

発振回路１６は、振動子１２の図示しない励振電極と電気的に接続されており、振動子１２を発振させる回路である。発振回路１６は周波数出力端子３４に接続されている。

記憶部となるＰＲＯＭ２２は、複数のレジスタを有し、ＰＲＯＭ書込み端子３６に接続している。ＰＲＯＭ２２は、後述する温度センサ２０で発生する１次の電圧から温度補償回路１８で発生させる３次関数の電圧へ変換する情報がパーソナルコンピュータ（以下単にＰＣという）５０から書き込まれる。ＰＲＯＭ２２の複数のレジスタには、ＰＲＯＭ書込み端子３６から書き込まれた水晶振動子特有の周波数温度特性を補正するためのデータを記憶することができるように構成されている。

温度補償回路１８は、本実施形態では一例として３次関数発生回路を用いている。３次関数発生回路は、温度センサ２０からの電圧値を温度の３次関数の式で示される電圧値に変換する回路を有している。温度補償回路１８は、発振回路１６に接続し、ＰＲＯＭ２２のレジスタに記憶された３次関数の各次係数の値に従って、３次関数を発生し、温度センサ２０から入力された電圧に対応した３次関数の値を電圧として発振回路１６に出力するように構成されている。前記発振回路１６は、電圧制御発振回路（ＶＣＸＯ）であるため、この温度補償回路１８の出力電圧を制御電圧として入力することにより、温度補償回路１８の出力電圧に応じて発振回路１６の出力周波数が変化するように構成されている。

温度センサ２０は、本実施例ではＩＣ１４の内部に配置されている。温度センサ２０は、温度補償回路１８に接続し、検出した周囲温度の１次関数で示される電圧を発生する回路を有している。

ＰＣ５０は、ＰＲＯＭ書込み端子３６を介してＰＲＯＭ２２と接続し、温度センサ出力端子３８を介して温度センサ２０と接続している。ＰＣ５０は、あらかじめ水晶振動子の平均的な温度特性を近似する３次関数の式の３次係数、１次係数、及び０次係数などの初期値データがデータベースに収納されている。ＰＣ５０は、初期値データに基づいて、振動子１２の温度補正データを演算する処理機能を有している。

ヒータ抵抗制御回路２４は、ＰＲＯＭ２２に接続している。ヒータ抵抗制御回路２４は、ＰＲＯＭ２２からの温度制御データを読み取り、温度センサ２２によって測定される温度が設定温度になるように、後述するヒータ抵抗２６を制御している。

本実施形態のヒータ抵抗２６は、ＩＣ１４の内部や表面に形成されている。ＩＣ１４の表面に形成する場合は、一対の電極膜間に発熱膜が配置された発熱体を用いる。発熱体は、一対の電極膜間に電圧を印加することにより発熱する薄型のヒータ抵抗である、発熱体は、ＩＣ１４の表面に形成された第１の電極膜上に発熱膜、第２の電極膜の順に成膜されて形成される。なお、発熱膜の材質は、例えばＴａＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｎ_５またはＢａＴｉＯ_３を適用する。ヒータ抵抗２６はヒータ抵抗制御回路２４と接続し、設定温度でパッケージ３０内部を加熱させることができる。

なお振動子１２と温度センサ２０の温度が近いほうが補償精度が上がるため、パッケージ３０内のヒータ抵抗２６、振動子１２、温度センサ２０はできるだけ近くに配置させるとよい。

次に、上記構成による実施形態の温度補償型圧電発振器の調整方法について説明する。図２は本発明の温度補償型圧電発振器の調整方法のフローチャートである。
パッケージ３０内に振動子１２、ヒータ抵抗２６が形成されたＩＣ１４を実装し、以下に示す温度特性の補正を行う。まず図２のフローチャートに示すように、ＰＲＯＭ２２のレジスタに初期値を書き込む（ステップ１００）。すなわちＰＣ５０にあらかじめ記憶された水晶振動子の平均的な温度特性を近似する３次関数の式の３次係数、１次係数、及び０次係数などの初期値データがＰＲＯＭ２２のレジスタに記憶される。

ついで周波数出力端子３４に接続された図示しない周波数測定器により周波数を測定し、第１の測定値ｆ１とする（ステップ２００）。温度補償回路１８は、３次関数を発生し、温度センサ２０から入力された周囲温度に対応する１次関数で示される電圧に応じた電圧を出力する。

そしてＰＣ５０からＰＲＯＭ２２にヒータ抵抗２６を加熱させる制御データを書き込む。ヒータ抵抗２６に電流を流し発振器内の温度を上げる（ステップ３００）。

ヒータ抵抗２６により発振器を加熱し、出力周波数を測定し、第ｎの測定値ｆｎとする。ここでｎ−１次係数を求める場合にはｎ回の周波数測定を行う（ステップ４００）。一例として３次係数を求める場合には、加熱しながら合計４回の周波数測定を行っている。

第１の測定値ｆ１〜第ｎの測定値ｆｎに基づいてｎ−１次係数の補正計算を行う（ステップ５００）。複数の周波数測定値ｆ１〜ｆｎから、周波数温度特性のｎ−１次関数で表される近似式を求める。この近似式により、ヒータ抵抗の加熱前後で周波数変化がなくなるような温度補償回路から出力すべき補償電圧信号を表すｎ−１次関数の係数（補正データ）が求められる。
得られた補正データがＰＲＯＭ２２に書き込まれる（ステップ６００）。

パッケージ３０内の温度補償回路１８は、温度センサ２０で計測された測定値と、ＰＲＯＭ２２に書き込みされた補正データに基づいて、電圧信号を発生し、補償電圧信号として発振回路１６に出力する。補償電圧信号に基づいて発振回路１６の出力周波数が制御される。

図３は実施形態の温度補償型圧電発振器の温度特性を説明するグラフである。同図の縦軸は周波数偏差Δｆ／ｆ（×１０^−６）、縦軸は温度（℃）をそれぞれ示している。ここで図中の破線はＡＴカット水晶振動子の温度特性を示している。図中の一点鎖線は、ステップ１００で初期値書き込みを行った直後の発振回路１６の出力周波数の温度特性を示している。図中の実線は、ステップ６００で補正データをＰＲＯＭ２２に書き込み調整が完了した状態の発振回路１６の出力周波数の温度特性を示している。図３は一例として、常温における測定点１：ｆ１と４０℃に加熱した測定点２：ｆ２の周波数を測定し、１次係数の補正を行った温度特性を示している。図示のように水晶振動子の温度特性を打ち消すような補償データを決定し、補正後の温度特性のような±数ｐｐｍの精度で補償される。

このような温度補償型圧電発振器の調整方法によれば、パッケージ内部に発熱体を形成させているので、従来のような恒温槽を用いた加熱に比べ、短時間で設定温度に加熱することができ、温度特性の調整時間を大幅に短縮することができる。またパッケージのＩＣ内に形成した温度センサにより発振器の温度を測定しているため、測定の精度がよい。恒温槽などを用いて周囲温度を変化させる設備が必要なくなるため、設備投資のコストを低減することができる。また周囲温度を変化させる時間がなくなるため、生産性を向上させることができる。さらに記憶部のレジスタに初期値を書き込んでいるため、補償後のデータを微調整できる。また温度係数の計算精度を上げることができる。
上記温度補償型圧電発振器の調整方法により、補正後の温度特性のような±数ｐｐｍの精度で補償された温度補償型圧電発振器を調整することができる。

図４は温度補償型圧電発振器の調整方法の変形例の説明図である。図１に示す温度補償型圧電発振器と変形例との相違は、ヒータ抵抗制御回路およびヒータ抵抗２６１の配置箇所である。その他の構成は図１の温度補償型圧電発振器と同様であり、その詳細な説明を省略する。

変形例の温度補償型圧電発振器１００は、ヒータ抵抗２６１をパッケージ３０の内部に配置している。具体的には、ヒータ抵抗２６１は、パッケージ３０の表面であって振動子１２及びＩＣ１４の近傍にニクロム線などの発熱体が形成されている。ヒータ抵抗２６１は、ヒータ抵抗接続端子４２と接続し、パッケージ３０外部に形成している図示しないヒータ抵抗制御回路と接続している。

このような構成による変形例の温度補償型圧電発振器であっても、図１に示す温度補償型圧電発振器と同様に、パッケージ３０内部にヒータ抵抗を形成させているので、温度特性の調整時間を大幅に短縮させることができ、図１の温度補償型圧電発振器と同様の作用効果が得られる。

なお本実施形態では３次関数発生回路を用いて説明したが、温度補償回路はこれに限らず、１次関数発生回路、２次関数発生回路を設けることができる。また４次関数発生回路など高次の関数発生回路を設けることにより、さらに高精度に温度補償をすることができる。なお、ある温度範囲で一次関数的に変化する領域においては、少なくとも２点を測定することにより容易に補正することができる。

本発明に用いられる温度補償型圧電発振器の回路構成の説明図である。 本発明の温度補償型圧電発振器の調整方法のフローチャートである。 実施形態の温度補償型圧電発振器の温度特性を説明するグラフである。 温度補償型圧電発振器の調整方法の変形例の説明図である。

１０、１００………温度補償型圧電発振器、１２………振動子、１４………ＩＣ、１６………発振回路、１８………温度補償回路、２０………温度センサ、２２………ＰＲＯＭ、２４………ヒータ抵抗制御回路、２６、２６１………ヒータ抵抗、３０………パッケージ、３２………電源端子（Ｖｃｃ）、３４………周波数出力端子、３６………ＰＲＯＭ書込み端子、３８………温度センサ出力端子、４０………接地端子（ＧＮＤ）、４２………ヒータ抵抗接続端子、５０………パーソナルコンピュータ（ＰＣ）。

Claims (9)

1. パッケージと、
   前記パッケージに、振動子、前記振動子を発振させる発振回路、前記発振回路から周波数温度特性が補正された周波数信号を出力させる温度補償回路、前記振動子を加熱する発熱体、温度センサ、および前記補正のための補償データを記憶している記憶部が収容されており、
   前記パッケージは、前記温度センサが検出した温度に関わる信号を出力する温度センサ出力端子を備えていることを特徴とする発振器。
2. 前記パッケージ内に、さらに前記発熱体の発熱量を制御する制御回路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
3. 前記温度センサと、前記補償回路と、前記発振回路と、前記記憶部とが集積回路であることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
4. 前記温度センサと、前記補償回路と、前記発振回路と、前記記憶部と、前記制御回路とが集積回路であることを特徴とする請求項２に記載の発振器。
5. 前記補償データは、１次関数の補正に関わるデータであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の発振器。
6. 前記補償データは、１次関数よりも大きい高次の関数に関わるデータを含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の発振器。
7. 振動子と、前記振動子を発振させる発振回路と、前記発振回路から周波数温度特性が制御された周波数信号を出力させる温度補償回路と、前記振動子を加熱する発熱体と、温度センサと、記憶部と、をパッケージ内に備えた発振器を用意する工程と、
   前記発熱体により前記振動子を加熱しながら前記発振回路から出力された信号の周波数を測定する工程と、
   前記周波数を測定した結果から前記周波数温度特性を補正するための補償データを求める工程と、
   前記記憶部に前記補償データを記憶する工程と、
   を含むことを特徴とする発振器の製造方法。
8. 前記周波数を測定する工程の前に前記記憶部に前記補償データとは異なる初期値データが記憶されており、前記記憶する工程にて前記補償データに基づき前記記憶部内のデータを書き換えることを特徴とする請求項７に記載の発振器の製造方法。
9. 前記補償データによって前記周波数温度特性の１次係数が補正されることを特徴とする請求項７または８に記載の発振器の製造方法。