JP6509810B2 - 水晶発振器及び水晶発振器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水晶発振器及び水晶発振器の製造方法に関する。

従来、複数の水晶振動子を備え、第１周波数の発振信号と、第１周波数とは異なる第２周波数の発振信号とを出力可能な水晶発振器が知られている。例えば、特許文献１には、外部装置に出力する第１発振信号と、温度センサ用に用いられる第２発振信号とを出力することができる温度補償型の水晶発振器が開示されている。

特開２０１１−１３５３４２号公報

図１２は、２つの周波数の信号を出力する従来の水晶発振器１００の構成を示す図である。図１２に示すように、従来の水晶発振器１００は、第１水晶振動子１０１と、第１水晶振動子１０１を第１周波数で発振させる第１発振回路１０２と、第２水晶振動子１０３と、第２水晶振動子１０３を第２周波数で発振させる第１発振回路１０４とを備える。しかしながら、従来の水晶発振器１００は、２つの水晶振動子を備えるため、実装面積が大きくなるという問題がある。

このような問題に対応するため、一の水晶振動子を異なる周波数で同時に発振させる方法がある。図１３は、一の水晶振動子を異なる周波数で同時に発振させる水晶発振器１１０の構成を示す図である。水晶発振器１１０は、水晶振動子１１１と、水晶振動子１１１を第１周波数で発振させる第１発振回路１１２と、水晶振動子１１１を第２周波数で発振させる第２発振回路１１３とを備える。しかしながら、水晶発振器１１０は、それぞれの発振回路が相互に影響し、安定して出力信号を発振させることができないという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、実装面積を小さくするとともに、出力信号を安定して発振させることができる水晶発振器及び水晶発振器の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の水晶発振器は、水晶振動子を第１周波数で発振させる第１発振回路と、前記水晶振動子と前記第１発振回路とを有する第１発振系統のインピーダンスを調整する第１インピーダンス調整回路と、前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させる第２発振回路と、前記水晶振動子と前記第２発振回路とを有する第２発振系統のインピーダンスを調整する第２インピーダンス調整回路と、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。

前記水晶発振器は、前記水晶振動子と、前記第１発振回路及び前記第２発振回路の少なくともいずれかとの間に、前記第１周波数及び前記第２周波数のいずれかにおいて前記第１発振系統又は前記第２発振系統に対して負性抵抗を生じさせる負性抵抗発生回路をさらに備えてもよい。
前記負性抵抗発生回路は、前記第１周波数及び前記第２周波数のいずれかにおいてハイインピーダンスとなることが好ましい。前記負性抵抗発生回路は、前記第１周波数に対する所定範囲外の周波数及び前記第２周波数に対する所定範囲外の周波数においてほぼ短絡となり負性抵抗が発生しないことが好ましい。

前記水晶発振器は、前記水晶振動子と、前記第１発振回路及び前記第２発振回路の少なくともいずれかとの間に、発振回路間のアイソレーションを確保するためのアイソレーション調整回路をさらに備えてもよい。

前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、複数の抵抗から構成される抵抗アレイを有し、前記制御回路は、当該抵抗アレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの抵抗値の調整を行ってもよい。

前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、複数のコンデンサから構成されるコンデンサアレイを有し、前記制御回路は、当該コンデンサアレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの容量値の調整を行ってもよい。

前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、可変容量ダイオードを有し、前記制御回路は、当該可変容量ダイオードを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの周波数特性の調整を行ってもよい。
前記第１発振回路、前記第２発振回路、前記第１インピーダンス調整回路、前記第２インピーダンス調整回路、及び前記制御回路は集積回路内に設けられていてもよい。

前記水晶発振器は、前記水晶振動子と前記第１発振回路との間に設けられ、前記第２周波数の発振信号を遮断する第１フィルタ回路と、前記水晶振動子と前記第２発振回路との間に設けられ、前記第１周波数の発振信号を遮断する第２フィルタ回路との少なくともいずれかをさらに備えてもよい。

また、前記水晶発振器は、前記第１周波数及び前記第２周波数を検出し、前記第１周波数と前記第２周波数との差に基づいて、前記水晶振動子の近傍の温度を制御する温度制御回路をさらに備えてもよい。

本発明の製造方法は、水晶発振器の製造方法であって、前記第１インピーダンス調整回路を調整して前記第１発振系統のインピーダンスを調整する第１ステップと、前記第２インピーダンス調整回路を調整して前記第２発振系統のインピーダンスを調整する第２ステップと、を備える。

また、前記第１ステップは、前記第１インピーダンス調整回路の抵抗アレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路を流れる電流値を調整するステップと、前記第１インピーダンス調整回路のコンデンサアレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路の周波数特性を調整するステップと、を有し、前記第２ステップは、前記第２インピーダンス調整回路の抵抗アレイを制御することにより、前記第２インピーダンス調整回路を流れる電流値を調整するステップと、前記第２インピーダンス調整回路のコンデンサアレイを制御することにより、前記第２インピーダンス調整回路の周波数特性を調整するステップと、を有してもよい。

本発明によれば、実装面積を小さくするとともに、出力信号を安定して発振させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る水晶発振器の回路構成図である。 第１の実施形態に係る第１インピーダンス調整回路における容量値を固定し、抵抗値を変化させたときの負性抵抗特性を示す図である。 第１の実施形態に係る第１インピーダンス調整回路における抵抗値を固定し、容量値を変化させたときの負性抵抗特性を示す図である。 第２の実施形態に係る水晶発振器の回路構成図である。 第３の実施形態に係る水晶発振器の回路構成図である。 第３の実施形態に係る第１負性抵抗発生回路及び第２負性抵抗発生回路の回路構成の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る第１負性抵抗発生回路及び第２負性抵抗発生回路の回路構成の他の例を示す図である。 第３の実施形態に係る第１発振系統及び第２発振系統における負性抵抗特性と水晶振動子のインピーダンス特性とを示す図である。 第４の実施形態に係る水晶発振器の内部の回路構成図である。 水晶発振器における信号経路を示す図である。 第４の実施形態に係る水晶発振器の回路インピーダンスの周波数特性を示す図である。 第５の実施形態に係る水晶発振器の内部の回路構成図である。 ２つの周波数の信号を出力する従来の水晶発振器の構成を示す図である。 一の水晶振動子を異なる周波数で同時に発振させる水晶発振器の構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
［水晶発振器１の構成］
図１は、第１の実施形態に係る水晶発振器１の回路構成図である。
水晶発振器１は、水晶振動子１２と、第１発振回路１３と、第２発振回路１４と、第１インピーダンス調整回路１７と、第２インピーダンス調整回路１８と、制御回路１９と、第１アイソレーション調整回路２０と、第２アイソレーション調整回路２１とを備える。

水晶振動子１２は、例えば、ＡＴカットの水晶振動子又はＳＣカットの水晶振動子である。
第１発振回路１３は、水晶振動子１２に接続されており、水晶振動子１２を第１周波数で発振させて第１発振信号を発生する。
第２発振回路１４は、水晶振動子１２に接続されており、水晶振動子１２を第１周波数とは異なる第２周波数で発振させて第２発振信号を発生する。

ここで、水晶振動子１２と第１発振回路１３とを有し、第１発振信号を発生させる回路を第１発振系統といい、水晶振動子１２と第２発振回路１４とを有し、第２発振信号を発生させる回路を第２発振系統という。

水晶振動子１２がＡＴカットの水晶振動子である場合、第１周波数は、水晶振動子１２を第１次数で発振させたときの周波数であり、第２周波数は、水晶振動子１２を第１次数とは異なる第２次数で発振させたときの周波数である。ここで、第１次数及び第２次数は、水晶振動子１２のオーバートーン次数であるが、第１周波数及び第２周波数のいずれかが基本周波数であってもよい。

また、水晶振動子１２がＳＣカットの水晶振動子である場合、第１周波数は、水晶振動子１２を第１のモード（例えば、Ｂモード）で発振させたときの周波数であり、第２周波数は、水晶振動子１２を第２のモード（例えば、Ｃモード）で発振させたときの周波数である。

第１インピーダンス調整回路１７は、水晶振動子１２と、第１発振回路１３との間に設けられており、第１発振系統のインピーダンスを調整する。
第２インピーダンス調整回路１８は、水晶振動子１２と、第２発振回路１４との間に設けられており、第２発振系統のインピーダンスを調整する。
第１インピーダンス調整回路１７及び第２インピーダンス調整回路１８は、複数の抵抗から構成される抵抗アレイと、複数のコンデンサから構成されるコンデンサアレイとを有している。

制御回路１９は、第１インピーダンス調整回路１７と、第２インピーダンス調整回路１８とに接続されており、第１インピーダンス調整回路１７及び第２インピーダンス調整回路１８を制御する。制御回路１９は、水晶発振器１の製造時に、第１インピーダンス調整回路１７を調整して第１発振系統のインピーダンスを調整する第１ステップと、第２インピーダンス調整回路１８を調整して第２発振系統のインピーダンスを調整する第２ステップとを実行する。

具体的には、制御回路１９は、第１ステップに係る制御として、第１インピーダンス調整回路１７の抵抗アレイを制御することにより、第１インピーダンス調整回路１７を流れる電流値を調整するステップと、第１インピーダンス調整回路１７のコンデンサアレイを制御することにより、第１インピーダンス調整回路１７の周波数特性を調整するステップとを実行する。

また、制御回路１９は、第２ステップに係る制御として、第２インピーダンス調整回路１８の抵抗アレイを制御することにより、第２インピーダンス調整回路１８を流れる電流値を調整するステップと、第２インピーダンス調整回路１８のコンデンサアレイを制御することにより、第２インピーダンス調整回路１８の周波数特性を調整するステップとを実行する。

以下、制御回路１９による具体的な制御方法について、制御回路１９が第１インピーダンス調整回路１７を制御する例を用いて説明する。なお、制御回路１９は、第１インピーダンス調整回路１７を制御する場合と同様の制御方法によって第２インピーダンス調整回路１８を制御するため、制御回路１９が第２インピーダンス調整回路１８を制御する例については説明を省略する。

まず、制御回路１９は、第１インピーダンス調整回路１７内の容量値を固定し、抵抗アレイを制御することにより、第１インピーダンス調整回路１７内の抵抗値を変化させ、第１発振系統の負性抵抗特性を変化させる。具体的には、制御回路１９は、第１インピーダンス調整回路１７の抵抗アレイの抵抗値と、第１インピーダンス調整回路１７を流れる電流とを関連付けたテーブルを記憶するレジスタを有している。そして、制御回路１９は、当該テーブルに基づいて抵抗アレイの抵抗値のステップ切換を行うことによって、第１インピーダンス調整回路１７を流れる電流値を切り換える。そして、制御回路１９は、第１発振系統において、第１周波数の信号が発振するように、負性抵抗特性を調整する。

図２Ａは、第１の実施形態に係る第１インピーダンス調整回路１７における容量値を固定し、抵抗値を変化させたときの負性抵抗特性を示す図である。図２Ａにおいて実線で示される特性は、第１インピーダンス調整回路１７の抵抗値を第１の抵抗値としたときの負性抵抗特性、破線で示される特性は第２の抵抗値としたときの負性抵抗特性、点線で示される特性は第３の抵抗値としたときの負性抵抗特性、一点鎖線で示される特性は第４の抵抗値としたときの負性抵抗特性を示す。図２Ａに示されるように、抵抗値を変化させることにより、負性抵抗がマイナス値となる周波数が変化していることが確認できる。

例えば、第１発振回路１３から出力する第１発振信号の第１周波数が２０ＭＨｚ付近である場合、制御回路１９は、２０ＭＨｚにおいて負性抵抗の値がマイナス値を示している第１の抵抗値に対応する抵抗の組み合わせを特定する。このようにすることで、制御回路１９は、第１周波数付近で負性抵抗がマイナス値になるように調整することができる。

続いて、制御回路１９は、特定した抵抗の組み合わせで抵抗アレイを固定し、コンデンサアレイを制御することにより、第１インピーダンス調整回路１７内の容量値を変化させ、負性抵抗の周波数特性を変化させる。具体的には、制御回路１９は、第１インピーダンス調整回路１７のコンデンサアレイの容量値と、第１インピーダンス調整回路１７を流れる電流とを関連付けたテーブルをレジスタに記憶している。そして、制御回路１９は、当該テーブルに基づいてコンデンサアレイの容量値のステップ切換を行うことによって、第１インピーダンス調整回路１７の容量値を切り換える。これにより、制御回路１９は、第１周波数付近における第１発振系統の負性抵抗の深さを調整する。

図２Ｂは、第１の実施形態に係る第１インピーダンス調整回路１７における抵抗値を固定し、容量値を変化させたときの負性抵抗特性を示す図である。図２Ｂにおいて実線で示される特性は、第１インピーダンス調整回路１７の容量値を第１の容量値としたときの負性抵抗特性、破線で示される特性は第２の容量値としたときの負性抵抗特性、点線で示される特性は第３の容量値としたときの負性抵抗特性、一点鎖線で示される特性は第４の容量値としたときの負性抵抗特性を示す。図２Ｂに示されるように、容量値を変化させることにより、負性抵抗がマイナス値となる周波数がほとんど変化せずに、負性抵抗の値の大きさが変化していることが確認できる。図２Ｂでは、容量値を変化させることで、２０ＭＨｚ付近における負性抵抗の大きさが大きく変化していることが確認できる。

例えば、第１発振回路１３から出力する第１発振信号の第１周波数が２０ＭＨｚ付近である場合、制御回路１９は、２０ＭＨｚにおいて周波数が変化しても負性抵抗が急激に変化しないように、第２の容量値に対応するコンデンサの組み合わせを特定する。このようにすることで、制御回路１９は、第１周波数付近で負性抵抗が大きく変化しないように調整することができる。なお、制御回路１９は、コンデンサアレイを制御することにより、第１周波数において安定的に発振する容量の組み合わせを複数特定し、特定した容量の組み合わせから一の組み合わせを選択するようにしてもよい。

また、第１インピーダンス調整回路１７及び第２インピーダンス調整回路１８は、コンデンサアレイを備えることとしたが、これに限らず、可変容量ダイオードを有していてもよい。この場合、制御回路１９は、当該可変容量ダイオードを制御することにより、第１インピーダンス調整回路１７及び第２インピーダンス調整回路１８の少なくともいずれかのインピーダンスを調整する。

第１アイソレーション調整回路２０は、水晶振動子１２と、第１インピーダンス調整回路１７との間に設けられており、発振回路間のアイソレーションを確保する。
具体的には、第１アイソレーション調整回路２０は、コンデンサ２０１と、抵抗２０２と、コンデンサ２０３と、抵抗２０４とを備える。コンデンサ２０１と抵抗２０２とは直列に接続されており、水晶振動子１２の一端と、第１インピーダンス調整回路１７の一端とに接続されている。コンデンサ２０３と抵抗２０４とは直列に接続されており、水晶振動子１２の他端と、第１インピーダンス調整回路１７の他端とに接続されている。

第２アイソレーション調整回路２１は、水晶振動子１２と、第２インピーダンス調整回路１８との間に設けられており、発振回路間のアイソレーションを確保する。
具体的には、第２アイソレーション調整回路２１は、コンデンサ２１１と、抵抗２１２と、コンデンサ２１３と、抵抗２１４とを備える。コンデンサ２１１と抵抗２１２とは直列に接続されており、水晶振動子１２の一端とコンデンサ２０１との間の接続点と、第２インピーダンス調整回路１８の一端とに接続されている。コンデンサ２１３と抵抗２１４とは直列に接続されており、水晶振動子１２の他端とコンデンサ２０３との間の接続点と、第２インピーダンス調整回路１８の他端とに接続されている。

ここで、第１アイソレーション調整回路２０及び第２アイソレーション調整回路２１の容量値及び抵抗値は、第１発振信号及び第２発振信号の用途に応じて調整される。例えば、第１の実施形態において、第１発振信号が外部に出力する発振信号であり、高安定性が求められる場合、第１アイソレーション調整回路２０の容量値を調整することでアイソレーションを確保する。この場合において、第１アイソレーション調整回路２０には、抵抗を設けないようにしてもよい。また、第２発振信号が、特性の劣化を許容できる発振信号である場合、第２アイソレーション調整回路２１の抵抗値を調整することでアイソレーションを確保する。

このように、第１アイソレーション調整回路２０及び第２アイソレーション調整回路２１を設けることにより、それぞれの発振系統において、他の発振系統の影響を受けにくくし、安定して発振信号を出力させることができる。

［第１の実施形態の効果］
以上のとおり、第１の実施形態に係る水晶発振器１は、第１発振系統のインピーダンスを調整する第１インピーダンス調整回路１７と、第２発振系統のインピーダンスを調整する第２インピーダンス調整回路１８と、第１インピーダンス調整回路１７及び第２インピーダンス調整回路１８を制御する制御回路１９とを備える。このようにすることで、それぞれの発振系統における負性抵抗を適切な値に調整し、一の水晶振動子１２を２つの周波数で同時に安定して発振させることができる。また、一の水晶振動子１２により出力信号を発振させるので、実装面積を小さくすることができる。

＜第２の実施形態＞
［発振回路、インピーダンス調整回路及び制御回路を集積回路化する］
続いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、発振回路、インピーダンス調整回路及び制御回路を集積回路に設けた点で第１の実施形態と異なり、その他の点では同じである。

図３は、第２の実施形態に係る水晶発振器１の回路構成図である。第２の実施形態において、水晶発振器１は、集積回路３０をさらに備える。第２の実施形態において、第１発振回路１３、第２発振回路１４、第１インピーダンス調整回路１７、第２インピーダンス調整回路１８及び制御回路１９は、集積回路３０内に設けられている。
このようにすることで、水晶発振器１は、第１実施形態に比べてさらに小型化を実現することができる。

＜第３の実施形態＞
［負性抵抗発生回路を備える］
続いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、各発振系統に対して負性抵抗発生回路を備える点で第１の実施形態と異なり、その他の点では同じである。
図４は、第３の実施形態に係る水晶発振器１の回路構成図である。第３の実施形態において、水晶発振器１は、第１負性抵抗発生回路２２と、第２負性抵抗発生回路２３とをさらに備える。なお、水晶発振器１は、第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３のいずれかを備えるようにしてもよい。

また、水晶発振器１は、第１発振回路１３、第２発振回路１４、第１インピーダンス調整回路１７、第２インピーダンス調整回路１８及び制御回路１９を第２の実施形態と同様に集積回路に設けてもよい。また、水晶発振器１は、第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３を集積回路に設けてもよい。このようにすることで、実装面積をさらに小さくすることができる。

第１負性抵抗発生回路２２は、水晶振動子１２と第１発振回路１３との間に設けられ、第１周波数においてハイインピーダンスとなり、第１発振系統に負性抵抗を生じさせる。また、第１負性抵抗発生回路２２は、第１周波数に対する所定範囲外の周波数においてほぼ短絡状態となる。これにより、第１発振系統では、第１周波数に対する所定範囲外の周波数において負性抵抗がほとんど発生しない。

第２負性抵抗発生回路２３は、水晶振動子１２と第２発振回路１４との間に設けられ、第２周波数においてハイインピーダンスとなり、第２発振系統に負性抵抗を生じさせる。また、第２負性抵抗発生回路２３は、第２周波数に対する所定範囲外の周波数においてほぼ短絡状態となる。これにより、第２発振系統では、第２周波数に対する所定範囲外の周波数において負性抵抗がほとんど発生しない。

図５は、第３の実施形態に係る第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３の回路構成の一例を示す図である。第１負性抵抗発生回路２２は、コンデンサ２２１と、コンデンサ２２２と、コンデンサ２２３と、抵抗２２４と、インダクタ２２５とを有する。コンデンサ２２１、コンデンサ２２２及びコンデンサ２２３は、直列に接続されており、一端が、水晶振動子１２の一端と第１インピーダンス調整回路１７の一端との間に接続されており、他端が、水晶振動子１２の他端と第１インピーダンス調整回路１７の他端との間に接続されている。抵抗２２４及びインダクタ２２５は、コンデンサ２２２に並列に接続されている。第２負性抵抗発生回路２３は、第１負性抵抗発生回路２２と同様の構成であるため説明を省略する。

なお、第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３は、図５に示す回路構成と異なる回路構成であってもよい。図６は、第３の実施形態に係る第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３の回路構成の他の例を示す図である。図６に示す例において、第１負性抵抗発生回路２２は、コンデンサ２２１と、コンデンサ２２３と、コンデンサ２２６と、コンデンサ２２７と、インダクタ２２８と、抵抗２２９とを有する。コンデンサ２２７、インダクタ２２８及び抵抗２２９は直列に接続されている。コンデンサ２２６と、直列に接続されたコンデンサ２２７、インダクタ２２８及び抵抗２２９とは並列回路を形成している。この並列回路は、一端が、コンデンサ２２１に接続されており、他端が、コンデンサ２２３に接続されている。また、コンデンサ２２１は、水晶振動子１２の一端と第１インピーダンス調整回路１７の一端との間に接続されており、コンデンサ２２３は、水晶振動子１２の他端と第１インピーダンス調整回路１７の他端との間に接続されている。

図５及び図６に示すように、第１負性抵抗発生回路２２がインダクタ２２５又はインダクタ２２８を有していることから、各発振回路のアイソレーションをさらに高めることができる。これにより、水晶発振器１は、水晶振動子１２がＳＣカットであっても、Ｃモードに対応する第１発振信号及びＢモードに対応する第２発振信号を安定的に出力することができる。

図７は、第３の実施形態に係る第１発振系統及び第２発振系統における負性抵抗特性と、水晶振動子１２のインピーダンス特性とを示す図である。図７において、実線で示される特性は、水晶振動子１２から見たときの回路側の合成インピーダンスの特性を示し、破線で示される特性は、同じく水晶振動子１２から見たときの回路側の負性抵抗特性を示している。ここでは、第１発振系統において出力される第１発振信号の第１周波数が、３０ＭＨｚ付近の破線で囲まれた範囲の周波数であり、第２発振系統において出力される第２発振信号の第２周波数が、１４ＭＨｚ付近の破線で囲まれた範囲の周波数であるものとする。

図７に示すように、３０ＭＨｚ付近では、負性抵抗がマイナス値を示し、さらに、水晶振動子１２のインピーダンスがハイインピーダンスとなり発振条件を満たしていることが確認できる。また、第１周波数に対する所定範囲以外の周波数で負性抵抗がほとんど発生しないことが確認できる。

また、１４ＭＨｚ付近でも、負性抵抗がマイナス値を示し、さらに、水晶振動子１２のインピーダンスがハイインピーダンスとなり発振条件を満たしていることが確認できる。また、第２周波数に対する所定範囲以外の周波数で負性抵抗がほとんど発生しないことが確認できる。

［第３の実施形態の効果］
以上のとおり、第３の実施形態に係る水晶発振器１は、第１負性抵抗発生回路２２及び第２負性抵抗発生回路２３を備えることにより、それぞれの発振系統における発振周波数において負性抵抗を生じさせ、当該発振周波数に対応する所定範囲以外の周波数において負性抵抗を生じさせないようにすることができる。これにより、それぞれの発振系統において、さらに安定して発振信号を出力させることができる。

＜第４の実施形態＞
［フィルタ回路を備える］
続いて、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の水晶発振器１は、各発振系統のそれぞれが、他の発振系統において出力される発振信号を遮断するフィルタ回路を備える点で第１の実施形態の水晶発振器１と異なり、その他の点では同じである。

図８は、第４の実施形態に係る水晶発振器１の内部の回路構成図である。第４の実施形態において、水晶発振器１は、第１フィルタ回路２４と、第２フィルタ回路２５とをさらに備える。なお、水晶発振器１は、第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５のいずれかを備えるようにしてもよい。

また、水晶発振器１は、第２の実施形態と同様に、第１発振回路１３、第２発振回路１４、第１インピーダンス調整回路１７、第２インピーダンス調整回路１８及び制御回路１９を集積回路内に設けてもよい。また、水晶発振器１は、第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５を集積回路内に設けてもよい。

第１フィルタ回路２４は、水晶振動子１２と、第１発振回路１３との間に設けられ、第２周波数の第２発振信号を遮断する。具体的には、第１フィルタ回路２４は、インダクタ２４１と、コンデンサ２４２と、インダクタ２４３と、コンデンサ２４４とを備える。インダクタ２４１と、コンデンサ２４２とは、水晶振動子１２の一端と第１インピーダンス調整回路１７の一端との間に設けられており、これらインダクタ２４１及びコンデンサ２４２は、並列に接続されている。インダクタ２４３と、コンデンサ２４４とは、水晶振動子１２の他端と第１インピーダンス調整回路１７の他端との間に設けられており、これらインダクタ２４３及びコンデンサ２４４は、並列に接続されている。第１フィルタ回路２４は、共振周波数が第２周波数であり、第２周波数におけるインピーダンスが高いフィルタ回路である。

第２フィルタ回路２５は、水晶振動子１２と、第２発振回路１４との間に設けられ、第１周波数の第１発振信号を遮断する。具体的には、第２フィルタ回路２５は、インダクタ２５１と、コンデンサ２５２と、インダクタ２５３と、コンデンサ２５４とを備える。インダクタ２５１と、コンデンサ２５２とは、水晶振動子１２の一端と第２インピーダンス調整回路１８の一端との間に設けられており、これらインダクタ２５１及びコンデンサ２５２は、並列に接続されている。インダクタ２５３と、コンデンサ２５４とは、水晶振動子１２の他端と第２インピーダンス調整回路１８の他端との間に設けられており、これらインダクタ２５３及びコンデンサ２５４は、並列に接続されている。第２フィルタ回路２５は、共振周波数が第１周波数であり、第１周波数におけるインピーダンスが高いフィルタ回路である。

図９は、水晶発振器１における信号経路を示す図である。図１０は、水晶発振器１における回路インピーダンスの周波数特性を示す図である。なお、図９では、第１インピーダンス調整回路１７、第２インピーダンス調整回路１８、第１アイソレーション調整回路２０、及び第２アイソレーション調整回路２１を省略している。

図９に示すように、水晶発振器１は、１つの水晶振動子１２に対して第１発振回路１３と第２発振回路１４とが接続されていることから、水晶振動子１２から見たときの信号経路として、第１経路及び第２経路が存在している。

例えば、第１フィルタ回路２４は、第２周波数ｆ２におけるインピーダンスが高いので、第２発振回路１４から第２周波数ｆ２の第２発振信号が出力される場合には、第１経路には第２発振信号が流れない。これにより、水晶発振器１における信号経路のうち、第２経路が支配的となる。したがって、第１フィルタ回路２４を第１発振回路１３側に設けることにより、第１発振回路１３が第２周波数ｆ２で発振することを防止し、第１発振回路１３における発振の安定度を向上させることができる。

また、第２フィルタ回路２５は、第１周波数ｆ１におけるインピーダンスが高いので、第１発振回路１３から第１周波数ｆ１の第１発振信号が出力される場合には、第２経路には第１発振信号が流れない。これにより、水晶発振器１における信号経路のうち、第１経路が支配的となる。したがって、第２フィルタ回路２５を第２発振回路１４側に設けることにより、第２発振回路１４が第１周波数ｆ１で発振することを防止し、第２発振回路１４における発振の安定度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、第１フィルタ回路２４は、インダクタ２４１、コンデンサ２４２、インダクタ２４３、及びコンデンサ２４４を備えることとしたが、これに限らない。第１フィルタ回路２４は、インダクタ２４１及びコンデンサ２４２からなる並列回路、及びインダクタ２４３及びコンデンサ２４４からなる並列回路のいずれかを備えるようにしてもよい。

また、本実施形態では、第２フィルタ回路２５は、インダクタ２５１、コンデンサ２５２、インダクタ２５３、及びコンデンサ２５４を備えることとしたが、これに限らない。第２フィルタ回路２５は、インダクタ２５１及びコンデンサ２５２からなる並列回路、及びインダクタ２５３及びコンデンサ２５４からなる並列回路のいずれかを備えるようにしてもよい。

また、第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５の特性を、制御回路を用いて調整するようにしてもよい。例えば、コンデンサ２４２、コンデンサ２４４、コンデンサ２５２及びコンデンサ２５４のそれぞれに代えて、複数のコンデンサから構成されるコンデンサアレイをそれぞれ設け、当該制御回路によってこれらのコンデンサアレイを制御することにより第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５における容量値を調整してもよい。このようにすることで、第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５のＱ値を調整することができる。

［第４の実施形態の効果］
以上のとおり、第４の実施形態に係る水晶発振器１は、第１フィルタ回路２４及び第２フィルタ回路２５を備えることにより、それぞれの発振系統において発振信号が出力される場合に、他の発振系統に発振信号が流れることを防止し、それぞれの発振系統において、さらに安定して発振信号を出力させることができる。

＜第５の実施形態＞
図１１は、第５の実施形態に係る水晶発振器２の内部の回路構成図である。水晶発振器２は、第１の実施形態〜第４の実施形態のいずれかの水晶発振器１の回路が収容されている恒温槽１１を有している。図１１に示す水晶発振器２においては、恒温槽１１に、第１の実施形態の水晶発振器１、温度制御回路３１、及び記憶部３２が収容され、恒温槽１１の外部に、恒温槽１１を加熱するヒータ回路３３が設けられている。水晶発振器２は、第１発振回路１３から出力される第１発振信号の第１周波数と第２発振回路１４から出力される第２発振信号の第２周波数との差に基づいて、温度制御を行う点で、第１の実施形態〜第４の実施形態に係る水晶発振器１と異なる。

温度制御回路３１は、ヒータ回路３３の加熱量を制御することにより、恒温槽１１の温度を制御する。具体的には、温度制御回路３１は、第１発振回路１３及び第２発振回路１４に接続されており、第１周波数及び第２周波数を検出し、第１周波数と第２周波数との差を特定する。温度制御回路３１は、特定した周波数の差に基づいてヒータ回路３３の加熱量を制御して恒温槽１１を加熱し、恒温槽１１内の水晶振動子１２の近傍の温度を制御する。

より具体的には、温度制御回路３１は、第１周波数と第２周波数との差の実測値と、ＥＥＰＲＯＭ等のメモリによって構成される記憶部３２に記憶された、第１周波数と第２周波数との差の目標値と、を比較する。温度制御回路３１は、実測値と目標値との差が小さくなるように、ヒータ回路３３の加熱量を制御する。図１１に示す例において、第１発振信号は、温度制御回路３１に入力されるとともに、恒温槽１１の外部に出力され、第２発振信号は、温度制御に用いるために温度制御回路３１に入力される。このようにすることで、水晶発振器２は、第１発振信号の第１周波数の精度を向上させ、第１発振信号の周波数温度特性を向上させることができる。

なお、水晶発振器２は、第２発振信号を恒温槽１１の外部に出力してもよい。また、上記の説明においては、恒温槽１１の内部に温度制御回路３１及び記憶部３２が設けられているものとしたが、温度制御回路３１及び記憶部３２は、恒温槽１１の外部に設けられていてもよい。また、水晶発振器２は恒温槽１１を備えていなくてもよい。

［第５の実施形態の効果］
以上のとおり、第５の実施形態に係る水晶発振器２における温度制御回路３１は、第１発振回路１３から出力される第１発振信号の第１周波数と、第２発振回路１４から出力される第２発振信号の第２周波数との差に基づいて、ヒータ回路３３の発熱量を制御することにより、水晶振動子１２付近の温度を制御し、第１周波数及び第２周波数を所望の周波数に合わせることができる。したがって、水晶発振器２は、実装面積を小さくするとともに、周囲温度が変動した場合であっても、出力信号を安定して発振させることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

１・・・水晶発振器、２・・・水晶発振器、１１・・・恒温槽、１２・・・水晶振動子、１３・・・第１発振回路、１４・・・第２発振回路、１７・・・第１インピーダンス調整回路、１８・・・第２インピーダンス調整回路、１９・・・制御回路、２０・・・第１アイソレーション回路、２０１・・・コンデンサ、２０２・・・抵抗、２０３・・・コンデンサ、２０４・・・抵抗、２１・・・第２アイソレーション回路、２１１・・・コンデンサ、２１２・・・抵抗、２１３・・・コンデンサ、２１４・・・抵抗、２２・・・第１負性抵抗発生回路、２２１・・・コンデンサ、２２２・・・コンデンサ、２２３・・・コンデンサ、２２４・・・抵抗、２２５・・・インダクタ、２２６・・・コンデンサ、２２７・・・コンデンサ、２２８・・・インダクタ、２２９・・・抵抗、２３・・・第２負性抵抗発生回路、２３１・・・コンデンサ、２３２・・・コンデンサ、２３３・・・コンデンサ、２３４・・・抵抗、２３５・・・インダクタ、２３６・・・コンデンサ、２３７・・・コンデンサ、２３８・・・インダクタ、２３９・・・抵抗、２４・・・第１フィルタ回路、２４１・・・インダクタ、２４２・・・コンデンサ、２４３・・・インダクタ、２４４・・・コンデンサ、２５・・・第２フィルタ回路、２５１・・・インダクタ、２５２・・・コンデンサ、２５３・・・インダクタ、２５４・・・コンデンサ、３０・・・集積回路、３１・・・温度制御回路、３２・・・記憶部、３３・・・ヒータ回路、１００・・・従来の水晶発振器、１０１・・・水晶振動子、１０２・・・第１発振回路、１０３・・・水晶振動子、１０４・・・第２発振回路、１１０・・・水晶発振器、１１１・・・水晶振動子、１１２・・・第１発振回路、１１３・・・第２発振回路

Claims (11)

1. 水晶振動子と、
   前記水晶振動子を第１周波数で発振させる第１発振回路と、
   前記水晶振動子と前記第１発振回路とを有する第１発振系統のインピーダンスを調整する第１インピーダンス調整回路と、
   前記水晶振動子を前記第１周波数とは異なる第２周波数で発振させる第２発振回路と、
   前記水晶振動子と前記第２発振回路とを有する第２発振系統のインピーダンスを調整する第２インピーダンス調整回路と、
   前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路を制御する制御回路と、
   前記水晶振動子と前記第１発振回路との間に設けられており、前記第１周波数において前記第１発振系統に対して負性抵抗を生じさせる第１負性抵抗発生回路と、
   前記水晶振動子と前記第２発振回路との間に設けられており、前記第２周波数において前記第２発振系統に対して負性抵抗を生じさせる第２負性抵抗発生回路と、
   を備え、
   前記第１周波数に対する所定範囲外の周波数においてほぼ短絡となり負性抵抗が発生せず、
   かつ前記第２周波数に対する所定範囲外の周波数においてほぼ短絡となり負性抵抗が発生しない、水晶発振器。
2. 前記第１負性抵抗発生回路は、前記第１周波数においてハイインピーダンスとなり、前記第２負性抵抗発生回路は、前記第２周波数においてハイインピーダンスとなる、
   請求項１に記載の水晶発振器。
3. 前記水晶振動子と、前記第１発振回路及び前記第２発振回路の少なくともいずれかとの間に、発振回路間のアイソレーションを確保するためのアイソレーション調整回路をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の水晶発振器。
4. 前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、複数の抵抗から構成される抵抗アレイを有し、
   前記制御回路は、当該抵抗アレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの抵抗値の調整を行う、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の水晶発振器。
5. 前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、複数のコンデンサから構成されるコンデンサアレイを有し、
   前記制御回路は、当該コンデンサアレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの容量値の調整を行う、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の水晶発振器。
6. 前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路は、可変容量ダイオードを有し、
   前記制御回路は、当該可変容量ダイオードを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路及び前記第２インピーダンス調整回路の少なくともいずれかの周波数特性の調整を行う、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の水晶発振器。
7. 前記第１発振回路、前記第２発振回路、前記第１インピーダンス調整回路、前記第２インピーダンス調整回路、及び前記制御回路は集積回路内に設けられている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の水晶発振器。
8. 前記水晶振動子と前記第１発振回路との間に設けられ、前記第２周波数の発振信号を遮断する第１フィルタ回路と、
   前記水晶振動子と前記第２発振回路との間に設けられ、前記第１周波数の発振信号を遮断する第２フィルタ回路との少なくともいずれかをさらに備える、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の水晶発振器。
9. 前記第１周波数及び前記第２周波数を検出し、前記第１周波数と前記第２周波数との差に基づいて、前記水晶振動子の近傍の温度を制御する温度制御回路をさらに備える、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の水晶発振器。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の水晶発振器の製造方法であって、
    前記第１インピーダンス調整回路を調整して前記第１発振系統のインピーダンスを調整する第１ステップと、
    前記第２インピーダンス調整回路を調整して前記第２発振系統のインピーダンスを調整する第２ステップと、
    を備える水晶発振器の製造方法。
11. 前記第１ステップは、
    前記第１インピーダンス調整回路の抵抗アレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路を流れる電流値を調整するステップと、
    前記第１インピーダンス調整回路のコンデンサアレイを制御することにより、前記第１インピーダンス調整回路の周波数特性を調整するステップと、
    を有し、
    前記第２ステップは、
    前記第２インピーダンス調整回路の抵抗アレイを制御することにより、前記第２インピーダンス調整回路を流れる電流値を調整するステップと、
    前記第２インピーダンス調整回路のコンデンサアレイを制御することにより、前記第２インピーダンス調整回路の周波数特性を調整するステップと、
    を有する、
    請求項１０に記載の水晶発振器の製造方法。

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