JP5800171B1 - 恒温槽型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）における水晶発振器の周波数補正を簡単かつ適格に行うことができる恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法を提供する。【解決手段】 水晶発振器Ｃを恒温槽に収納して構成した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）における水晶発振器Ｃの発振周波数の補正を行う恒温槽型水晶発振器であって、恒温槽を構成する筐体であるパッケージ４から外部に漏洩する熱量を検出する漏洩熱量検出手段Ａと、漏洩熱量検出手段Ａで検出した漏洩熱量に基づき水晶発振器Ｃの発振周波数を補正する発振周波数補正手段Ｂとを有する。【選択図】 図２

Description

本発明は恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法および恒温槽型水晶発振器に関する。

水晶発振器に適用される水晶振動子は温度に対する発振周波数の特性が大きく変動するという性質を有しており、これを補償する技術が種々提案されている。従来より知られている恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）もその一種で、例えば特許文献１が公知である。特許文献１に開示する恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）は、基本的には、ヒーター等の熱源により適宜熱を供給して所定温度を維持するように制御する、いわゆる恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）として構成し、それでも水晶振動子およびその駆動手段等を集積したモジュールを含む個体毎に生起される発振周波数の変動を抑制するように工夫したものである。ここで、モジュールとは、例えば水晶振動子の発振回路、温度センサー、ヒーター等が集積された集積回路、すなわち当該恒温槽型水晶発振器における水晶振動子を除く回路部分をいう。

特許文献１に開示する恒温槽型水晶発振器における上述の如き発振周波数の変動は、主にモジュール内の温度を検出する温度センサーと水晶振動子の距離が離間していることに起因する。すなわち、温度センサーで検出した温度に基づきモジュール内の温度をヒーター等により設定値に制御しても、この温度と、発振周波数を規定する水晶振動子の温度との間には乖離が生起される。水晶振動子の温度は、恒温層を構成する筐体であるパッケージからの熱の漏洩等、種々の要因に左右されるからである。したがって、周囲温度に対するパッケージからの漏洩熱量は恒温槽型水晶発振器の個体毎に異なる。そこで、特許文献１に係る恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）では、ヒーターの発熱量を制御すべくモジュール内の温度を検出する温度センサーが出力する温度信号を演算処理部にも取り込んでいる。そして、予め求めておいた各恒温槽型水晶発振器毎の補正関数を利用して前記演算処理部で前記内部温度信号に基づき所定の演算を行って、発振周波数の補正量を表す補正信号を得る。この補正信号に基づき、例えば電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）の制御電圧を制御して発振周波数の補正を行っている。すなわち、特許文献１に開示する恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）は、ＯＣＸＯを基本構造として採用するとともに温度補償（ＴＣ）の考え方を適用して周囲温度が変化しても広い温度範囲で安定した高精度の発振周波数を得ることができるように工夫したものであるといい得る。

米国特許第７，５７３,３４５号明細書

しかしながら、特許文献１に開示された恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）では、前記補正関数を作成するのに周囲温度の複数の計測点における各恒温槽型水晶発振器毎の発振周波数をそれぞれ検出する必要がある。したがって、この補正関数の作成が面倒であるという問題を有している。

本発明は、上記従来技術に鑑み、恒温槽からの漏洩熱量等に起因する発振周波数の補正を容易かつ高精度に行うことができる恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法および恒温槽型水晶発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
水晶発振器（ＸＯ）を恒温槽に収納して構成した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）における前記水晶発振器の周波数補正方法であって、
前記恒温槽から外部に漏洩する熱量に基づき前記水晶発振器の発振周波数を補正することを特徴とする恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法にある。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法において、
前記水晶発振器は電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）であり、前記発振周波数の補正は前記電圧制御水晶発振器の制御電圧を制御することにより行うことを特徴とする恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法にある。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法において、
前記漏洩する熱量は、前記恒温槽の温度を所定温度に維持するためのヒーターが消費する消費電力量に基づき検出することを特徴とする恒温槽型水晶発振器の周波数補正方法にある。

本発明の第４の態様は、
水晶発振器（ＸＯ）を恒温槽に収納して構成した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）であって、
前記恒温槽から外部に漏洩する熱量を検出する漏洩熱量検出手段と、
前記漏洩熱量検出手段で検出した漏洩熱量に基づき前記水晶発振器の発振周波数を補正する発振周波数補正手段とを有することを特徴とする恒温槽型水晶発振器にある。

本発明の第５の態様は、
第４の態様に記載する恒温槽型水晶発振器において、
前記水晶発振器は電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）であり、前記発振周波数補正手段は前記電圧制御水晶発振器の制御電圧を制御することにより行うものであることを特徴とする恒温槽型水晶発振器にある。

本発明の第６の態様は、
第４の態様に記載する恒温槽型水晶発振器において、
前記漏洩熱量検出手段は、前記恒温槽の温度を所定温度に維持するためのヒーターで消費される消費電力に基づき前記漏洩熱量を表す漏洩熱量信号を生成する電力モニター手段を有するとともに、
前記周波数補正手段は、前記漏洩熱量信号に基づき所定の演算を行い、前記水晶発振器の発振周波数補正量を表す周波数補正信号を生成する演算処理部を有することを特徴とする恒温槽型水晶発振器にある。

本発明の第７の態様は、
第５の態様に記載する恒温槽型水晶発振器において、
前記漏洩熱量検出手段は、前記恒温槽の温度を所定温度に維持するためのヒーターで消費される消費電力に基づき前記漏洩熱量を表す漏洩熱量信号を生成する電力モニター手段を有するとともに、
前記発振周波数補正手段は、前記漏洩熱量信号に基づき所定の演算を行い、前記電圧制御水晶発振器の周波数補正量を表す制御電圧を生成する演算処理部を有することを特徴とする恒温槽型水晶発振器にある。

本発明によれば、恒温槽から外部に漏洩する熱量は恒温槽内を一定に維持するために熱源から供給する熱量に等しい点に着目して熱源で消費するエネルギーで水晶発振器の発振周波数を補正しているので、喪失した熱を補充しつつ発振周波数の適格な補正を容易に行うことができる。

本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器の概略を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器を示すブロック図である。 上記実施の形態における電力モニターの具体的な構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器の概略を示す模式図である。同図に示すように、本形態に係る恒温槽型水晶発振器Ｉは、発振回路、温度センサー、ヒーター等が集積されたＩＣ１およびＩＣ１の基板２上に載置されて一体となっている水晶振動子３を、密閉された筐体であるパッケージ４内に収納してなり、温度センサーでＩＣ１内の温度を計測しつつヒーターにより所定の温度になるように制御している。このように、本形態に係る恒温槽型水晶発振器は、水晶振動子、発振回路、温度センサー、ヒーター等を構成部品としているが、水晶振動子以外の構成部品は、通常、一つ、あるいは複数個のＩＣに集積される。上述の如く、図１に示す恒温槽型水晶発振器では、ヒーター、温度センサーを含むＩＣ１は或る一定温度になるように制御されているが、パッケージ４（全体系）には必ず漏洩熱が発生するので、水晶振動子がその一定温度に保持されるとは限らない。漏洩熱は、周囲温度Ｔ_ａが、ヒーターの設定温度より低いほど大きい。また、パッケージ４の遮熱特性にも依存する。すなわち、一般的には、どういうパッケージ４を使用するか、パッケージ４の中に部品をどう配置するか、に依存するし、また一旦それを決めて製造を開始しても、個体ごとのバラつきによって変わってしまう。

本形態は、かかる個体毎の熱の漏洩特性の違いを容易かつ適確に補正して広い温度範囲で安定した高精度の発振周波数を得られるように工夫したもので、具体的には図２に示すような構成の恒温槽型水晶発振器である。

図２は本発明の実施の形態に係る恒温槽型水晶発振器を示すブロック図である。同図に示すように、本形態に係る恒温槽型水晶発振器は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を恒温槽を構成する筐体であるパッケージ４に収納して構成したものであり、パッケージ４から外部に漏洩する漏洩熱Ｈの熱量を検出する漏洩熱量検出手段Ａと、漏洩熱量検出手段Ａで検出した漏洩熱量に基づき水晶発振器Ｃの発振周波数を補正する発振周波数補正手段Ｂとを有する。ここで、漏洩熱量検出手段Ａおよび発振周波数補正手段Ｂは、ＩＣ（集積回路）１として一体的に集積してある。

本形態における漏洩熱量検出手段Ａは、温度センサー１１と，設定温度１２、コンパレータ１３、ヒーター１４、ＭＯＳトランジスタ１５および電力モニター１６からなる。ここで、ヒーター１４は、コンパレータ１３で検出された温度センサー１１と設定温度１２との偏差に基づきＭＯＳトランジスタ１５のゲートに印加される前記偏差を表す偏差信号Ｓ１に応じて電流が制御される。この結果、ヒーター１４には偏差信号Ｓ１に応じた電流が供給される。そこで、この電流Ｉと電源電圧Ｖ_ｃｃとの積でヒーター１４で消費される電力を検出することができる。電力モニター１６はヒーター１４で消費される消費電力Ｗをモニターする。この電力モニター１６でモニターされる消費電力Ｗは、パッケージ４から周囲に漏洩する漏洩熱にほぼ等しい。温度センサー１１と設定温度１２との偏差により設定温度１２に制御されるＩＣ１内の温度が変化するのは、主にパッケージ４から周囲環境に熱が漏出するためであり、かかる漏出熱量を補うべく消費電力Ｗが増加すると考えられるからである。すなわち、本形態において、ヒーター１４で消費される電力を表す電力信号はパッケージ４から周囲に漏洩する漏洩熱量を表す漏洩熱量信号Ｓ２である。

発振周波数補正手段Ｂは、演算処理部１７およびＲＯＭ１８からなる。これらのうち、演算処理部１７は、漏洩熱量信号Ｓ２を参照して所定の関数に基づきパッケージ４からの漏洩熱量に対する発振周波数の周波数補正量を表す周波数補正信号Ｓ３を生成する。ここで、演算処理部１７における関数は、ＲＯＭ１８から与えるパラメータにより作成される。そのパラメータは、使用される水晶振動子３の種類や、パッケージ４の種類、パッケージ４の中での各部品の配置など、すなわちＯＣＸＯモジュールの全体設計に依存する。或る全体設計が一旦決定されれば、その全体設計に固有である漏洩熱量と発振周波数補正量との関係を、実験的、或いはシミュレーションにより求め、適切なパラメータをＲＯＭ１８にプリセットしておけばよい。

本形態における水晶発振器は、水晶振動子３と発振回路１９で構成される。発振回路１９はその中に可変容量ダイオード（バリキャップ）１９Ａを含んでおり、外部から印加した制御電圧によって可変容量ダイオード１９Ａの容量を変化させて発振周波数を可変制御する電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）を構成している。

かかる本形態によれば、恒温槽型水晶発振器において、パッケージ４から外部に漏洩する漏洩熱量がヒーター１４で消費される消費電力であるとして、この消費電力をモニターすることにより予め与えられている消費電力と周波数補正量との関係に基づいて発振周波数の補正量を決定することができる。したがって、簡単かつ容易に所望の補正量を求めることができる。

図３は、上記実施の形態における電力モニター６の具体的な構成の一例を示すブロック図である。同図に示すように、本例の電力モニター１６は、電源電圧検出回路１６Ａ、消費電流検出回路１６Ｂ、乗算回路１６Ｃおよび漏洩熱量信号生成部１６Ｄを有している。ここで、電源電圧検出回路１６Ａは電源電圧Ｖｃｃを検出する。消費電流検出回路１６Ｂは、ヒーター１４部分を流れる電流Ｉを検出する。乗算回路１６Ｃは、電源電圧検出回路１６Ａが検出した電源電圧Ｖｃｃと消費電流検出回路１６Ｂが検出した電流Ｉとを乗算して消費電力Ｗを算出する。漏洩熱量信号生成部１６Ｄは、乗算回路１６Ｃおよび乗算回路１６Ｃの乗算結果に基づき消費電力Ｗに比例する電流または電圧出力である漏洩熱量信号Ｓ２を生成する。この結果、漏洩熱量信号生成部１６Ｄの出力信号として漏洩熱量信号Ｓ２が送出される。

なお、図３に示す例では電源電圧Ｖｃｃを電源電圧検出回路１６Ａで検出するようにしたが、ＯＣＸＯ全体が、電圧レギュレータ等による一定電圧下で動作するような構成を採用する場合には、電源電圧Ｖｃｃは一定値であるので、乗算回路１６Ｃを用いることなく、単純に電流Ｉのみを検出するだけで、漏洩熱量信号Ｓ２を生成することはでき、電力モニター１６として機能させることができる。

さらに、上記実施の形態においては、漏洩熱量をヒーターの消費電力と見なして所定の処理を行うようにしたが、漏洩熱量の検出はこれに限定するものではない。例えば、全体のモジュールに複数個の温度センサーを設けるようにしてもよい。温度センサー間の距離とそれぞれの計測値の差、間の熱伝導率などから漏洩熱量を算出することもできる。

また、水晶発振器を電圧制御型水晶発振器に限定する必要もない。通常の水晶発振器の場合には、例えば水晶発振器の出力周波数を補正量に基づくデジタル量で補正することが考えられる。

本発明は水晶発振器を内蔵する電子機器を製造・販売する産業分野において有効に利用することができる。

Ｉ 恒温槽水晶発振器
Ａ 漏洩熱量検出手段
Ｂ 発振周波数補正手段
Ｃ 水晶発振器
Ｈ 漏洩熱
１ ＩＣ
２ 基板
３ 水晶振動子
４ パッケージ

Claims (1)

1. 水晶発振器（ＸＯ）を恒温槽に収納して構成した恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）であって、
   前記恒温槽から外部に漏洩する熱量を検出する漏洩熱量検出手段と、
   前記漏洩熱量検出手段で検出した漏洩熱量に基づき前記水晶発振器の発振周波数を補正する発振周波数補正手段とを有し、
   前記水晶発振器は電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）であり、
   前記発振周波数補正手段は前記電圧制御水晶発振器の制御電圧を制御することにより行うものであり、
   前記漏洩熱量検出手段は、前記恒温槽の温度を所定温度に維持するためのヒーターで消費される消費電力に基づき前記漏洩熱量を表す漏洩熱量信号を生成する電力モニター手段を有するとともに、
   前記発振周波数補正手段は、前記漏洩熱量信号に基づき所定の演算を行い、前記電圧制御水晶発振器の周波数補正量を表す制御電圧を生成する演算処理部を有する
   ことを特徴とする恒温槽型水晶発振器。

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