JP6350201B2

JP6350201B2 - 測定方法

Info

Publication number: JP6350201B2
Application number: JP2014213611A
Authority: JP
Inventors: 正一岸; 元久保田; 伊東　雅之; 雅之伊東
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: US20160109496A1; JP2016082471A

Description

本願は、測定方法に関する。

近年、電子機器は高性能化の一途を辿っている。電子機器の高性能化に伴い、電子機器に用いられる水晶発振器も各種のものが提案されている（例えば、特許文献１−２を参照）。

特開２０１４−１０７７１５号公報特開２０１３−１５０１２０号公報

水晶発振器は、発振周波数が温度に応じて変化する特性を有する。そこで、水晶発振器を製造しているメーカでは、発振周波数の温度特性を公表している。

ところが、水晶発振器には、低電圧化や低消費電力化を図ったシンプルなタイプの他に、多くの出力を持つものや周波数の任意設定が可能な多機能なタイプのものがある。そして、多機能な水晶発振器は、機能が少ないものと比較して消費電力が大きいため、自己発熱も自ずと大きい。自己発熱の大きい水晶発振器は、通電を開始してから時間が経過するにつれ、通電開始初期の温度よりも高温になりやすい。そして、時間経過に伴う高温化は、水晶発振器が置かれている環境の放熱性が劣るほど著しくなる傾向にある。

そこで、水晶発振器が置かれる箇所の放熱性を考慮した発振周波数の温度特性を把握することが望まれる。しかし、水晶発振器が電子機器内でどのような放熱性の環境下に置かれるかは一様でなく、また、放熱性を考慮した発振周波数の温度特性を把握するには自己発熱で高温化するのを試験中に待たなければならないため、水晶発振器のメーカでは、自己発熱の影響が殆ど現れない通電開始直後における発振周波数の温度特性を公表しているのが実情である。

そこで、本願は、自己発熱の影響を含めた水晶発振器の発振周波数の温度特性を効率よく得ることが可能な測定方法を提供する。

本願は、次のような測定方法を開示する。すなわち、本願は、水晶発振器の周囲の温度を複数回変更し、各温度において前記水晶発振器を一時的に通電した際に観測された複数の発振周波数を基に前記水晶発振器の温度特性を求め、前記水晶発振器の周囲を前記各温度のうち何れか特定の温度にしてから前記水晶発振器の通電状態を維持した際の発振周波数を観測し、前記水晶発振器を一時的に通電した際の観測結果から求めた温度特性と前記特定の温度で通電状態を維持した際に観測された発振周波数とに基づき、前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発振周波数の温度特性を求め、前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発信周波数の温度特性を所定の温度で正規化する測定方法を開示する。

上記の測定方法であれば、自己発熱の影響を含めた水晶発振器の発振周波数の温度特性
を効率よく得ることが可能である。

図１は、本実施形態に係る測定方法において用いる測定装置の一例を示した図である。図２は、試験体の内部構造の一例を示した図である。図３は、本実施形態に係る測定方法のフローチャートの一例を示した図である。図４Ａは、水晶発振器の自己発熱による影響を除いた状態における発振周波数の温度特性を示したグラフである。図４Ｂは、放熱しにくい状態における発振周波数の温度特性を示したグラフである。図４Ｃは、ステップＳ１０１の処理で得たフィッティングカーブＡを横軸に沿ってシフトしたグラフの一例を示した図である。図４Ｄは、フィッティングカーブＢを水晶発振器の設計上の基準温度で正規化したグラフの一例を示した図である。図５は、一般的な水晶発振器の実装状態の一例を示した図である。図６は、自己発熱の小さい水晶発振器の発振周波数の温度特性の一例を示したグラフである。図７は、図４Ｄに示したグラフに使用温度範囲、温度特性のばらつきの上限規格および下限規格の一例を更に加えた図である。図８は、水晶発振器の周波数特性の測定に要する時間について、本実施形態に係る測定方法を用いる場合と比較例に係る測定方法を用いる場合とを比較したグラフである。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、本実施形態に係る測定方法において用いる測定装置の一例を示した図である。本実施形態に係る測定方法は、水晶発振器の発振周波数の温度特性を測定する。このため、本実施形態に係る測定方法は、例えば、図１に示すような、温度試験槽２、周波数カウンター３および電源４を備える測定装置１を用いる。温度試験槽２は、試験する水晶発振器を格納した試験器具５を収容可能な容積を有しており、槽内を昇温するヒータや槽内を降温する冷却ファンを有する槽である。周波数カウンター３は、入力されるパルス波の周波数を計測可能な装置であり、温度試験槽２内の試験器具５と信号線６で繋がっている。電源４は、試験器具５を駆動する電力を供給する装置であり、温度試験槽２内の試験器具５と電源線７で繋がっている。

図２は、試験器具５の内部構造の一例を示した図である。試験器具５は、試験する水晶発振器１０１を格納するソケット治具８、ソケット治具８を搭載するプリント基板９を備えている。ソケット治具８には、水晶発振器１０１と電気的に接触する接触ピン１０が備わっており、試験体である水晶発振器１０１を半田付けせずに通電可能としている。ソケット治具８に格納された水晶発振器１０１は、ソケット治具８に埋め込まれた接触ピン１０やプリント基板９の回路を介して、信号線６および電源線７と電気的に繋がっている。

次に、本実施形態に係る測定方法について説明する。図３は、本実施形態に係る測定方法のフローチャートの一例を示した図である。以下、本実施形態に係る測定方法を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

本実施形態に係る測定方法では、まず、水晶発振器１０１の自己発熱による影響を除いた状態における発振周波数の温度特性を測定する（Ｓ１０１）。すなわち、水晶発振器１０１を常時通電せず、水晶発振器１０１の周囲の温度試験槽２内の温度が安定したところで一時的に水晶発振器１０１を通電し、水晶発振器１０１の発振周波数を測定するという作業を行う。一般的に、水晶発振器の温度特性は、３次関数で表すことができる。そこで、水晶発振器１０１の発振周波数を測定する作業は、温度試験槽２内の温度を変化させて４ポイントで測定する。

図４Ａは、水晶発振器１０１の自己発熱による影響を除いた状態における発振周波数の温度特性を示したグラフである。図４Ａに示すグラフは、測定された発振周波数を定格の発振周波数（例えば、設計上の基準温度（本願でいう「所定の温度」の一例である）である２５℃の場合の発振周波数）で除した値を縦軸にとり、温度試験槽２内の温度を横軸にとっている。本実施形態では、例えば、図４Ａのグラフに示すように、温度試験槽２内の温度が−４０℃、０℃、＋２５℃、＋８５℃の４ポイントについて発振周波数を測定する。図４Ａのグラフにおいて、温度試験槽２内の温度が−４０℃の場合の発振周波数をポイント（１）、温度試験槽２内の温度が０℃の場合の発振周波数をポイント（２）、温度試験槽２内の温度が＋２５℃の場合の発振周波数をポイント（３）、温度試験槽２内の温度が＋８５℃の場合の発振周波数をポイント（４）に示す。水晶発振器１０１の発振周波数を４ポイントで測定すると、４ポイントの測定値にフィッティングするカーブ（以下、「フィッティングカーブＡ」という）、すなわち、例えば、図４Ａのグラフに示すようなカーブを描く３次関数を得ることができる。

水晶発振器１０１が、例えば、放熱状態が良好な箇所に用いられる場合、自身が発する熱は速やかに放熱されるため、自己発熱が発振周波数の特性に及ぼす影響は小さいと言える。しかし、近年、電子機器は小型化の一途を辿っており、また、高機能で自己発熱量の多い水晶発振器も出現しているため、放熱状態が不良な箇所に用いられる場合についても想定しておくことが望ましい。

そこで、本実施形態に係る測定方法は、水晶発振器１０１の自己発熱による影響を除いた状態における発振周波数の温度特性を測定した後、放熱しにくい状態を想定した温度特性の測定を行う（Ｓ１０２）。すなわち、ソケット治具８に格納されて放熱しにくい水晶発振器１０１を常時通電し、熱的に平衡になってから水晶発振器１０１の発振周波数を測定する。なお、例えば、樹脂のような伝熱性の劣る素材をソケット治具８の素材に用いると、伝熱性の良い素材を用いる場合よりも水晶発振器１０１の放熱性が低下する。

図４Ｂは、放熱しにくい状態における発振周波数の温度特性を示したグラフである。放熱しにくい状態を想定するという前提に鑑みると、水晶発振器１０１の発振周波数を測定する際は、水晶発振器１０１の周囲の温度試験槽２内の温度が比較的高い方が望ましい。そこで、本実施形態では、温度試験槽２内を＋８５℃にした場合の発振周波数を測定する。図４Ｂのグラフにおいて、温度試験槽２内の温度が＋８５℃の場合の発振周波数をポイント（５）に示す。

図４Ｃは、ステップＳ１０１の処理で得たフィッティングカーブＡを横軸に沿ってシフトしたグラフの一例を示した図である。温度試験槽２内を＋８５℃にした場合の発振周波数を測定した後は、ステップＳ１０１の処理で得たフィッティングカーブＡと同じ形で且つポイント（５）を通過する、フィッティングカーブＡを横軸に沿ってシフトさせたフィッティングカーブ（以下、「フィッティングカーブＢ」という）を求める（Ｓ１０３）。フィッティングカーブのシフト量ΔＴは、自己発熱量を無視した場合の水晶発振器１０１の温度と自己発熱量を含めた場合の水晶発振器１０１の温度との差分、換言すると、放熱しにくい箇所にある水晶発振器１０１の温度と放熱しやすい箇所にある水晶発振器１０１
の温度との差分に相当することになる。

ところで、フィッティングカーブＢは、定格の発振周波数を基準にして得たフィッティングカーブＡを横軸に沿ってシフトしただけのものである。例えば、水晶発振器１０１の設計上の基準温度が２５℃であり、図４Ａのグラフが示すように２５℃で正規化されているフィッティングカーブＡを横軸に沿ってシフトしただけのフィッティングカーブＢは、各種の特性（例えば、初期偏差や電源変動特性など）が、設計上の基準温度である２５℃を基準としたものになっていない。

そこで、本実施形態に係る測定方法では、フィッティングカーブＢを得た後、フィッティングカーブＢを縦軸に沿ってシフトさせ、水晶発振器１０１の設計上の基準温度で正規化したフィッティングカーブ（以下、「フィッティングカーブＣ」という）を求める（Ｓ１０４）。図４Ｄは、フィッティングカーブＢを水晶発振器１０１の設計上の基準温度で正規化したグラフの一例を示した図である。例えば、水晶発振器１０１の設計上の温度である２５℃においてΔＦ／Ｆがゼロとなるポイント（ポイント（３）と同じ）を通過するように、フィッティングカーブＢを横軸に沿ってシフトさせると、図４Ｄに示すようなフィッティングカーブＣが得られる。

本実施形態に係る測定方法の内容は、以上の通りである。図４Ｄに示すフィッティングカーブＡを見ると明らかなように、水晶発振器１０１は、放熱状態が良好な箇所で用いられる場合、＋２５℃付近に変曲点を持つ３次曲線の温度特性を呈する、いわゆる「温度特性の良い」水晶発振器である。しかし、水晶発振器１０１は、放熱しにくい箇所で用いられる場合、例えば、図４Ｄに示すフィッティングカーブＣを見ると明らかなように、変曲点が低温側へシフトし、周波数変動の範囲が著しく偏った温度特性を呈するものになることが判る。水晶発振器１０１を放熱しにくい箇所で用いた場合の温度特性を把握できれば、放熱しやすい箇所のみならず、放熱しにくい箇所での使用も想定して総合的な周波数特性の安定度を高めるための具体的な対策、例えば、初期偏差が相殺される方向に周波数特性をシフトさせたり、水晶のカットアングルを変えたり、変曲点の位置を修正する等の措置を講ずることができる。

図５は、一般的な水晶発振器の実装状態の一例を示した図である。一般的に、水晶発振器１０２は、プリント基板１０９に半田付けで実装される。よって、プリント基板１０９に実装された水晶発振器１０２の熱は、例えば、プリント基板１０９への伝熱や、冷却ファン１１０が送る風への伝熱等により放熱される。また、水晶発振器１０２の周辺に高温となる部品がある場合、水晶発振器１０２は加熱されることもある。一般的な水晶発振器の実装状態では、熱的に様々な影響を受けているのが実情である。

図６は、自己発熱の小さい水晶発振器の発振周波数の温度特性の一例を示したグラフである。図６において符号Ａで示す曲線は、自己発熱の小さい水晶発振器を４つの温度（−４０、０、＋２５、＋８５℃）の環境下に各々置いた状態で水晶発振器を一時的に通電して得た発振周波数にフィッティングさせた３次曲線である。また、図６において符号Ｂで示す曲線は、自己発熱の小さい水晶発振器を４つの温度（−４０、０、＋２５、＋８５℃）の環境下に各々置いた状態で水晶発振器の通電状態を維持して得た発振周波数にフィッティングさせた３次曲線である。また、図６において符号Ｃで示す曲線は、符号Ｂで示す曲線を基準温度である＋２５℃で正規化した３次曲線である。図６のグラフを見ると判るように、自己発熱の小さい水晶発振器では、水晶発振器を一時的に通電した場合と通電状態を維持した場合との間の温度特性の乖離が小さい。よって、例えば、自己発熱の小さい水晶発振器の使用温度範囲を−４０℃から＋８５℃とした場合、発振周波数の温度特性のばらつきの上限規格および下限規格の設定は、マージンを少々設ければ済む。

一方、自己発熱の大きい水晶発振器の場合、図４Ｄに示したように、水晶発振器を一時的に通電した場合と通電状態を維持した場合との間の温度特性の乖離が大きい。図７は、図４Ｄに示したグラフに使用温度範囲、温度特性のばらつきの上限規格および下限規格の一例を更に加えた図である。図７のグラフを見ると判るように、自己発熱の大きい水晶発振器では、水晶発振器を一時的に通電した場合と通電状態を維持した場合との間の温度特性の乖離が大きい。よって、例えば、自己発熱の大きい水晶発振器の使用温度範囲を−４０℃から＋８５℃とし、自己発熱の小さい水晶発振器と同程度の温度特性のばらつきの上限規格および下限規格を設定すると、規格から逸脱する規格外れの部分が出現する。

このように、自己発熱分の熱を無視できない環境下にある水晶発振器は、自己発熱を無視した温度特性に従って電子機器内に組み込むと、思わぬ不具合の原因となり得る。よって、水晶発振器の選定においては、実際の実装状態を想定した温度特性を把握することが肝要である。そこで、水晶発振器の提供を受ける側と、水晶発振器を製造する側との間で共通の仕様を定義する方策として、例えば、温度センサー（熱電対など）を水晶発振器に貼り付け、部品の温度と発振周波数との関係を実測で特定する方策も考えられるが、温度センサーの貼り付け具合によるバラつきや測定時の消費電力の増大、温度補償回路を備えた高精度なものには適さないといった問題がある。

この点、上記実施形態に係る測定方法であれば、自己発熱の影響を含めた水晶発振器の発振周波数の温度特性を効率よく得ることが可能である。図８は、水晶発振器の周波数特性の測定に要する時間について、本実施形態に係る測定方法を用いる場合と比較例に係る測定方法を用いる場合とを比較したグラフである。図８の上段側にある比較例のグラフは、温度試験槽内を４つの温度（−４０、０、＋２５、＋８５℃）に変更し、各々の温度下で水晶発振器の通電状態を維持して発振周波数を得るのに要する時間を表している。また、図８の下段側にある実施形態のグラフは、温度試験槽内を３つの温度（−４０、０、＋２５℃）に変更し、各々の温度下で水晶発振器を一時的に通電して発振周波数を得、次に、温度試験槽内を＋８５℃に変更して水晶発振器を一時的に通電して発振周波数を得、その後、＋８５℃に変更してから通電状態を維持してから発振周波数を得るまでに要する時間を表している。図８の上段側にある比較例のグラフと下段側にある実施形態のグラフとを比較すると明らかなように、実施形態に係る測定方法であれば、比較例に係る測定方法よりも短時間で測定が完了するので、自己発熱の影響を含めた水晶発振器の発振周波数の温度特性を効率よく得ることが可能であることが判る。

なお、上記実施形態では、温度試験槽２内を４つの温度に変更して発振周波数の温度特性を得ていたが、所望の温度特性さえ得られれば温度変更の回数は適宜であってよい。また、上記実施形態では、水晶発振器１０１を温度試験槽２内において試験を行っていたが、水晶発振器１０１の周囲の温度を適宜変更できるものであれば、如何なる装置を用いてもよい。

また、上記実施形態に係る測定方法は、測定装置１から得たデータの処理に際し、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）や表示装置、入力装置、メモリ等を備える汎用
あるいは専用のコンピュータを使ってもよい。測定装置１から得たデータの処理にコンピュータを用いる場合、コンピュータは、測定装置１から得たデータを基に、図４Ａから図４Ｄに示したようなグラフを表示装置に描画してもよいし、プリンタ等の周辺装置に出力してもよい。また、測定装置１から得たデータの処理にコンピュータを用いる場合、コンピュータは、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２で測定データを得ると、ステップＳ１０３およびステップＳ１０４を自動的に実行し、図４Ｄに一例として示したような、自己発熱の影響を含めた水晶発振器の発振周波数の温度特性を出力するようにしてもよい。この場合、コンピュータは、例えば、記憶装置に保存されているコンピュータプログラムを読み込んで実行することにより、測定データの取得やデータの処理を自動的に実行す
るようにしてもよいし、水晶発振器の試験を行う者が表計算ソフト等を使って測定データの入力、データの処理を行うようにしてもよい。

１・・測定装置：２・・温度試験槽：３・・周波数カウンター：４・・電源：５・・試験器具：６・・信号線：７・・電源線：８・・ソケット治具：９，１０９・・プリント基板：１０・・接触ピン：１０１，１０２・・水晶発振器：１１０・・冷却ファン

Claims

水晶発振器の周囲の温度を複数回変更し、各温度において前記水晶発振器を一時的に通電した際に観測された複数の発振周波数を基に前記水晶発振器の温度特性を求め、
前記水晶発振器の周囲を前記各温度のうち何れか特定の温度にしてから前記水晶発振器の通電状態を維持した際の発振周波数を観測し、
前記水晶発振器を一時的に通電した際の観測結果から求めた温度特性と前記特定の温度で通電状態を維持した際に観測された発振周波数とに基づき、前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発振周波数の温度特性を求め、
前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発振周波数の温度特性を所定の温度で正規化する、
測定方法。
前記水晶発振器の通電状態を維持しながら発振周波数を観測する際は、前記水晶発振器の周囲を前記各温度のうち最も高い温度にしてから前記水晶発振器の通電状態を維持した際の発振周波数を観測する、
請求項１に記載の測定方法。
前記水晶発振器を一時的に通電した際に観測された複数の発振周波数を基に前記水晶発振器の温度特性を求める際は、前記水晶発振器の周囲の温度を少なくとも３回変更し、４点の温度において前記水晶発振器を一時的に通電した際に観測された４つの発振周波数を基に前記水晶発振器の３次関数の温度特性の曲線を求める、
請求項１または２に記載の測定方法。
前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発振周波数の温度特性を求める際は、前記水晶発振器を一時的に通電した際の観測結果から求めた温度特性を、前記特定の温度で通電状態を維持した際に観測された発振周波数に合うようにシフトしたものを、前記水晶発振器の通電状態を維持した場合の発振周波数の温度特性とする、
請求項１から３の何れか一項に記載の測定方法。