JP6089011B2 - 発振装置及び発振装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱部により圧電振動子が置かれる雰囲気の温度を安定化させる、ＯＣＸＯ（Oven Controlled Crystal Oscillator）タイプの発振装置に関する。

例えば携帯電話の基地局など、高い周波数安定性が求められる場合には、ほとんどの発振器として例えば特許文献１に示すようなＯＣＸＯが用いられている。ＯＣＸＯは発振周波数を出力する圧電振動子である例えば水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を加熱部により一定化しているため、発振周波数が安定している。

一方、発振装置における出力周波数は、圧電振動子に雰囲気中に含まれる物質が付着することによる質量変化などに起因して、その発振周波数が経年変化する場合がある。従来は、製品の出荷前に、圧電振動子に対して十分なエージングを行うことにより、市場における発振周波数の経年劣化を抑制していた。

ところで、通信業界や宇宙開発分野等では、更なる発振周波数の安定化が要求されている。そのためメーカ側で圧電振動子に対してエージングを行った時に例えば納期の制約などでそのエージングが不十分であった場合などには、発振周波数の経年劣化による変動が問題になる懸念がある。またメーカ側においてエージングに長い期間を要し、製品の速やかな流通に対して負担が大きくなる懸念もある。

特開２０１３−５１６７６号公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、圧電振動子を用いた発振装置において、発振周波数の経年変化を抑え、安定した発振出力が得られる技術を提供することにある。

本発明の発振装置は、圧電振動子を用い、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置において、
前記圧電振動子の発振開始後から予め設定した経過時間までの間における発振周波数と経過時間との対応関係を取得した結果に基づいて作成され、前記予め設定した時間の経過以降を含む、発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを記憶する記憶部と、
圧電振動子の発振開始後の発振の累積経過時間を計測する時間計測部と、
前記時間計測部にて計測された発振の累積経過時間と前記記憶部に記憶されている予測データとに基づいて前記周波数設定値の補正値を求める補正値演算部と、
前記補正値演算部にて求めた補正値と前記周波数設定値とを加算して補正後の周波数設定値を求める加算部と、
電圧制御発振部を含むＰＬＬ回路部と、
前記補正後の周波数設定値が入力されることにより当該補正後の周波数設定値に応じた、前記ＰＬＬ回路部の参照用の周波数信号を出力するＤＤＳと、を備え、
前記圧電振動子を発振させる発振回路の出力を前記ＤＤＳの動作クロックとして用いることを特徴とする。

本発明の発振装置の製造方法は、電圧制御発振部を含むＰＬＬ回路部と、周波数設定値が入力されることにより当該周波数設定値に応じた、前記ＰＬＬ回路部の参照用の周波数信号を出力するＤＤＳと、前記ＤＤＳの動作クロックとして用いられる圧電振動子と、を備え、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置を製造する方法において、
前記圧電振動子の発振開始後から予め設定した経過時間までの間において発振周波数と経過時間とを取得する工程と、
この工程で取得した取得結果に基づいて、前記予め設定した時間の経過以降を含む、発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを求めて記憶部に記憶する工程と、を含み、
前記記憶部に記憶されている予測データは、当該予測データと発振の累積経過時間とに基づいて前記周波数設定値の補正値を求め、求めた補正値と前記周波数設定値とを加算して、ＤＤＳに入力するための補正後の周波数設定値を求めるために用いられるものであることを特徴とする。

本発明は、圧電振動子の発振開始後の初期時における発振周波数と経過時間との対応関係を取得し、取得結果に基づいてそれ以降における、発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを求め、発振の累積経過時間とこの予測データとに基づいて周波数設定値を補正している。従って、発振周波数の経年変化を抑え、安定した発振出力が得られる。

本発明の実施の形態に係る発振装置の概要を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る発振装置の具体例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯ（発振装置）の補正値出力部を示すブロック図である。 第１の水晶振動子の発振周波数の経時変化を示す特性図である。 本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯの作用を説明するチャート図である。 本発明の実施の形態に係るＯＣＸＯの出力周波数の経時変化を示す特性図である。

[実施形態の概略的な説明]
図１は本発明の発振装置の実施形態の概要を示すブロック図である。本発明は、圧電振動子例えば水晶振動子を用い、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置を対象としている。図１中、９は水晶振動子を用い、入力される周波数設定値に応じて発振出力を得る発振器を示しており、加熱部であるヒータ５により水晶振動子が置かれている雰囲気を一定の温度に加熱している。従ってこの発振器９を含む発振装置１は、ＯＣＸＯである。

発振器９の一例としては、例えばコルピッツ回路からなり、可変容量ダイオードを介して当該コルピッツ回路の制御電圧が入力されるものを挙げることができる。この場合には、制御電圧は周波数設定値に相当し、制御電圧に応じて発振器９の出力周波数が調整される。ところで水晶振動子は、発振開始後（通電開始後）に経過時間に応じて発振周波数がわずかではあるが変化する。このため記憶部であるメモリ６８には、水晶振動子の発振開始後の発振の累積経過時間と周波数との関係、例えば発振の累積経過時間と、発振開始時点の発振周波数に対するそのときの発振周波数の変化率（例えば単位がｐｐｂである）と、の関係を示すデータが記憶されている。

この周波数経時変化のデータは、水晶振動子を短期間、例えば１か月間発振させ、その１か月間において所定の時間間隔、例えば１時間間隔で発振周波数を検出し、発振開始後の累積経過時間と発振周波数とに基づいて作成される。従ってこのデータは予測データである。例えば外部コンピュータ８を発振装置１に接続し、この外部コンピュータ８が図示しない周波数検出部を介して発振周波数を検出して周波数経時変化の予測データを作成し、発振装置１のメモリ６８に送信する。補正値演算部６４０は、メモリ６８内の周波数経時変化の予測データと、時間計測部の一部であるタイマ６６で管理されている水晶振動子の発振の累積経過時間と、に基づいて、当該累積経過時間に対応する周波数変化率を読み出し、周波数設定値に対する補正値を求める。なお、補正値演算部６４０、タイマ６６及びメモリ６８は後述の図２の補正値出力部６に相当する。

周波数変化率と発振装置１の発振出力の変化分との関係を事前に把握しておき、補正値演算部６４０においては、この関係と読み出した周波数変化率とに基づいて周波数設定値をどのくらい補正すればよいかが求められる。求めた補正値は、加算部３１にて周波数設定値と加算され、補正後の周波数設定値が発振器９に入力されることになる。

発振装置としては上述の例に限られるものではなく、後述の具体例のように、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）から出力される周波数信号に基づいてＰＬＬ回路部の参照信号を作成し、あるいは当該周波数信号をＰＬＬ回路部の参照信号とし、ＰＬＬ回路部を含むループに設けられた電圧制御発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の出力を発振装置の出力とするものを挙げることができる。この場合、水晶振動子を発振させる発振回路の出力をクロックとしてＤＤＳを駆動し、ＤＤＳの出力周波数を設定するための入力値が周波数設定値となり、水晶振動子の発振周波数の経時変化を補償するために補正値を求めて、この補正値を周波数設定値に加算することになる。次にこのような発振装置の具体例について述べる。

[実施形態の具体例の詳細]
図２は本発明の発振装置の実施形態をより具体的に示す全体ブロック図である。この発振装置は、第１の水晶振動子１１及び第２の水晶振動子２１を備えており、これら第１の水晶振動子１１及び第２の水晶振動子２１は、例えば共通の短冊状の水晶片１０を用い、各分割領域（振動領域）の表裏両面に励振用の電極１２、１３（２２、２３）が設けられて構成されている。

第１の水晶振動子１１及び第２の水晶振動子２１には夫々第１の発振回路１４及び第２の発振回路２４が接続されている。これら第１及び第２の発振回路１４、２４の出力は、例えば第１及び第２の水晶振動子１１、２１のオーバートーン（高調波）である。この例では、両周波数の差分に相当する信号を温度検出信号として利用しようとするものであり、第１の水晶振動子１１及び第２の水晶振動子２は温度検出部の一部であるということができる。この温度検出部は、後述のように発振装置１が備えるヒータ５の供給電力を制御するために用いられている。また第１の水晶振動子１１及び第１の発振回路１４は、ＤＤＳ７０のクロックとして使用され、この例では、第１の水晶振動子１１の発振周波数の経時変化を問題として、この経時変化に見合った周波数補正値を求めることとしている。

先ず温度検出部及びヒータ５の制御回路部分について述べる。図２中、３は周波数差検出部であり、この周波数差検出部３は概略的な言い方をすれば、第１の発振回路１４の発振周波数ｆ１と第２の発振回路２４の発振周波数ｆ２との差分と、Δｆｒとの差分である、周波数差検出値ｆ２−ｆ１−Δｆｒを取り出すための回路部である。Δｆｒは、基準温度例えば２５℃におけるｆ１（ｆ１ｒ）とｆ２（ｆ２ｒ）との差分である。従って周波数差検出値は、基準温度からの温度変化による周波数変化に基づく値であり、温度検出値といえる。

周波数差検出部３の後段には、加算部５３が設けられている。加算部５３は温度設定値を読み出し、温度設定値と周波数差検出値との差分を演算する。図１に示すように加算器５３の後段には積分回路部に相当するループフィルタ５２が設けられている。更にループフィルタ５２の後段には、ディジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器５１が設けられている。Ｄ／Ａ変換器５１は、ディジタル信号に応じた直流電圧をヒータ５に入力する。従って第１及び第２の水晶振動子１１、２１が置かれている雰囲気の温度は、加算部５３、ループフィルタ５２及びＤ／Ａ変換器５１及びヒータ５により制御される。

次に図１に示す発振器９に相当する部分について説明する。図２中、ＤＤＳ７０の後段にはＰＬＬ回路部７１が接続され、ＰＬＬ回路部７１には電圧制御発振器７２が接続されている。ＰＬＬ回路部７１は分周回路と、ＤＤＳ７０からの参照信号の位相と分周回路からの周波数信号の位相との差分を取り出す位相差回路と、位相差回路で取り出された位相差信号を積分する回路部などと、を備え、ＰＬＬの一部を構成している。電圧制御発振器７２の出力は、発振装置１の出力に相当する。ＤＤＳ７０は、周波数設定値が入力され、周波数設定値に応じた周波数の周波数信号を出力する。

周波数設定値は、この例では、第１の水晶振動子１１の温度変化に基づく周波数の変化分を補償するため補正量である温度補正値と、第１の水晶振動子１１の経時変化に基づく周波数の変化分を補償するため補正量である経時変化補正値と、が加算部３１にて加算される。温度補正値は、周波数差検出部３の周波数差検出信号である、第１の発振回路１４及び第２の発振回路２４の発振周波数の差に相当する信号が温度に対応することから、周波数差検出信号と第１の水晶振動子１１の周波数温度特性（温度と基準温度における周波数に対する周波数の変化率との関係）とに基づいて求められる。

経時変化補正値に関して説明する。図３に示す外部のパラメータ設定部に相当する外部コンピュータ８内の図示しないメモリには、第１の水晶振動子１１の発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係を示す周波数経時変化のデータ（予測データ）が記憶されている。図４にはこのデータの一例が示されており、横軸は発振開始後の累積経過時間であり、縦軸は発振開始時点の発振周波数に対するそのときの発振周波数の変化率である。累積経過時間と発振周波数の変化率との関係は、（１）式で近似される。
発振周波数の変化率＝Ａ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））・・・（１）式

この（１）式における、エージング飽和値Ａと時係数τとは、外部コンピュータ８により書き換え可能になっている。即ち、この例では周波数経時変化のデータは、外部コンピュータ８により作成されてメモリ６８に送られる。このデータの作成について説明する。発振装置１の外部にて外部コンピュータ８に接続された周波数測定部８１をオペレータにより接続端子部１５及びインターフェイス６１を介して第１の発振回路１４の出力側に接続すると共に、外部コンピュータ８を接続端子部６２及びインターフェイス６１を介して補正演算回路６（補正値出力部）と接続する。そして発振装置１を駆動させて、第１の水晶振動子１１の発振周波数を例えば電源投入後（発振開始後）１か月の間において１時間ごとにサンプリングする。

なお、電源開始後しばらくの間は、発振周波数が不安定になる場合があることから、例えば２４時間経過後まで待機し、それ以降に発振周波数のサンプリングを行う。周波数経時変化のデータは、この例では指数関数として表されるので、発振開始から１か月までのデータに基づいて、１か月以降も含む経時変化のデータに相当する指数関数を予測して求める。具体的には、（１）式のエージング飽和値Ａと時係数τとを求め、求められたデータが発振装置１のメモリ６８に送信される。一例を挙げるとエージング飽和値Ａは例えば１０ｐｐｂであり、時定数τは１４４０時間と設定される。この例では周波数経時変化のデータを求めるために第１の水晶振動子１１を１か月間(７２０時間)発振させている。この７２０時間という累積経過時間は、発振装置１のメモリ６８に記憶される。

補正値出力部６は、図３に示すように第１の水晶振動子１１の発振開始後の発振の累積時間の計測する時間計測部を兼用するタイマ６６と、経時変化補正値を求めるための補正値演算部に相当するエージング補正プログラム６４と、プログラム６４を実行するためのＣＰＵ６３とを備え、バス６０がメモリ６５に接続されている。既述のように、外部コンピュータ８により周波数経時変化のデータを取得している間、第１の水晶振動子１１の発振の累積経過時間がカウントされ、外部コンピュータ８によるデータ取得作業を終えて電源をオフにするときには、累積経過時間である７２０時間がメモリ６８に書き込まれる。

タイマ６６は例えば、第1の発振回路１４の出力周波数をクロックとしてカウントし、経時変化補正値を出力した後、設定時間例えば１時間に相当する数のクロックをカウントするとカウントアップしてカウントアップ信号を出力する。プログラム６４は、タイマ６６からのカウントアップ信号に基づいて、そのときの累積経過時間を既述の（１）式に代入して第１の水晶振動子１１の周波数変化率を算出し、この周波数変化率に対応する経時変化補正値を求めて加算部３１に出力する。周波数変化率に対応する経時変化補正値は、例えば周波数変化率に事前に求めた係数を掛けることにより得られる。

続いて上述実施形態の作用について図５のフローチャートを参照しながら説明する。発振装置１の補正値出力部６のメモリ６８には、既に例えばメーカ側にて（１）式が求められて記憶されているものとする。そして例えばユーザ側で発振装置１の電源を入れると（ステップＳ０）、第１及び第２の発振回路１４、２４が発振すると共に、ステップＳ１としてメモリ６８に記憶された発振の累積経過時間が読み出される。

この例では、既述のように読み出された累積経過時間は７２０時間（１か月）であり、この累積経過時間とメモリ６８に記憶されている（１）式に相当するデータとに基づいて、第１の水晶振動子１１の周波数変化率を算出し、この周波数変化率に対応する経時変化補正値を求めて（ステップＳ２）、加算部３１に出力し、周波数設定値を補正する（ステップＳ３）。なお、温度補償部３０からは、常時温度補正値が出力されていて周波数設定値に温度補正値が例えば加算されている。上記の（１）式は指数関数であることから、累積経過時間がかなり長くなると、周波数変化率はほぼ一定になる。そこでその累積経過時間を最大時間として事前に決めておいてメモリ６８にｔｍａｘとして記憶させ、累積経過時間がＴｍａｘを越えると、経時変化補正を停止する。このためステップＳ４が設けられている。

一方タイマ６７は、ステップＳ３にて経時変化補正値を出力したときに駆動され、１時間経過してカウントアップすると、即ち判断ステップＳ５にて「ＹＥＳ」になると、カウントアップ信号が出力され、これによりメモリ６８に記憶されている累積経過時間に１時間が加えられる（ステップＳ６、Ｓ７）。そして累積経過時間（７２１時間）とメモリ６８に記憶されている（１）式に相当するデータとに基づいて、第１の水晶振動子１１の周波数変化率を算出し、この周波数変化率に対応する経時変化補正値を求めて同様に、周波数設定値を補正する（ステップＳ８）。以後この動作が繰り返され、累積経過時間がｔｍａｘになるまで、１時間おきに周波数設定値が補正される。

図６は、第１の水晶振動子１１の発振周波数の経時変化を補正しない場合の当該発振周波数の変化率と、発振周波数と累積経過時間との関係を示す予測データと、この予測データを用いて経時変化の補正を行った場合の発振周波数の変化率と、をイメージとして示すものである。

上述の実施の形態によれば、第１の水晶振動子１１の発振開始後の初期時における発振周波数と累積経過時間との対応関係を取得し、取得結果に基づいてそれ以降を含む、発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを求め、発振の累積経過時間とこの予測データとに基づいて周波数設定値を補正している。従って、第１の水晶振動子１１の発振周波数の経年変化を抑え、結果として発振装置１から安定した発振出力が得られる。

上述の例では、発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との関係を示す予測データとして（１）式が用いられているが、予測データとしては、累積経過時間と発振周波数の変化率の数値とを対応付けたデータをメモリ６８にテーブルとして記憶させておいてもよく、本願明細書ではこの場合も補正値を演算することに相当する。また、メモリ６８に累積経過時間と発振周波数の変化率の補正値とがテーブルとして記憶されており、累積経過時間に基づいて補正値を読み出す場合であっても、発振の累積経過時間と前記記憶部に記憶されている予測データとに基づいて前記周波数設定値の補正値を求めることに相当する。

また発振周波数の変化率の補正を例えば１時間ごとに行うにあたって、メモリ６８には２４時間（１日）ごとの発振周波数の変化率の補正値を記憶し、２４時間ごとの発振周波数の変化率の補正については、メモリ６８から補正値を読み出して補正を行う。また１時間ごとの補正については、メモリ６８に記憶されている２４時間ごとの補正値の間を補間する補間値を用いてもよい。データを補間する手法としては、例えば直線近似法や最少二乗法を用いることができる。このように構成すればメモリ６８の容量が少なくて済む利点がある。

さらに予測データして用いる式は（１）式で示したような指数関数に限らず、（２）式に示すような指数関数２式の合算としてもよく、
発振周波数の変化率＝Ａ１×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））＋Ａ２×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））・・・（２）式
更に（３）式に示すような指数関数と一次式との合算でもよい。
発振周波数の変化率＝Ａ×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ））＋Ｂｔ・・・（３）式

１ 発振装置
１１ 第１の水晶振動子
１４ 第１の発振回路
２１ 第２の水晶振動子
２４ 第２の発振回路
３１ 加算部
５ 加熱部
６ 補正値出力部
６６ タイマ
６８ メモリ
８ 外部コンピュータ
９ 発振器
７０ ＤＤＳ回路部

Claims (3)

1. 圧電振動子を用い、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置において、
   前記圧電振動子の発振開始後から予め設定した経過時間までの間における発振周波数と経過時間との対応関係を取得した結果に基づいて作成され、前記予め設定した時間の経過以降を含む、発振開始後の発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを記憶する記憶部と、
   圧電振動子の発振開始後の発振の累積経過時間を計測する時間計測部と、
   前記時間計測部にて計測された発振の累積経過時間と前記記憶部に記憶されている予測データとに基づいて前記周波数設定値の補正値を求める補正値演算部と、
   前記補正値演算部にて求めた補正値と前記周波数設定値とを加算して補正後の周波数設定値を求める加算部と、
   電圧制御発振部を含むＰＬＬ回路部と、
   前記補正後の周波数設定値が入力されることにより当該補正後の周波数設定値に応じた、前記ＰＬＬ回路部の参照用の周波数信号を出力するＤＤＳと、を備え、
   前記圧電振動子を発振させる発振回路の出力を前記ＤＤＳの動作クロックとして用いることを特徴とする発振装置。
2. 前記圧電振動子は水晶振動子であり、累積経過時間と発振周波数との関係は、指数関数であることを特徴とする請求項１に記載の発振装置。
3. 電圧制御発振部を含むＰＬＬ回路部と、周波数設定値が入力されることにより当該周波数設定値に応じた、前記ＰＬＬ回路部の参照用の周波数信号を出力するＤＤＳと、前記ＤＤＳの動作クロックとして用いられる圧電振動子と、を備え、周波数設定値に基づいて発振出力が得られる発振装置を製造する方法において、
   前記圧電振動子の発振開始後から予め設定した経過時間までの間において発振周波数と経過時間とを取得する工程と、
   この工程で取得した取得結果に基づいて、前記予め設定した時間の経過以降を含む、発振の累積経過時間と発振周波数との対応関係に応じた予測データを求めて記憶部に記憶する工程と、を含み、
   前記記憶部に記憶されている予測データは、当該予測データと発振の累積経過時間とに基づいて前記周波数設定値の補正値を求め、求めた補正値と前記周波数設定値とを加算して、ＤＤＳに入力するための補正後の周波数設定値を求めるために用いられるものであることを特徴とする発振装置の製造方法。

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