JP7326806B2 - 発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents

発振器、電子機器及び移動体 Download PDF

Info

Publication number
JP7326806B2
JP7326806B2 JP2019057886A JP2019057886A JP7326806B2 JP 7326806 B2 JP7326806 B2 JP 7326806B2 JP 2019057886 A JP2019057886 A JP 2019057886A JP 2019057886 A JP2019057886 A JP 2019057886A JP 7326806 B2 JP7326806 B2 JP 7326806B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
temperature
code
oscillator
processing circuit
temperature control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019057886A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020161922A (ja
Inventor
顕太郎 瀬尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2019057886A priority Critical patent/JP7326806B2/ja
Priority to CN202010211176.7A priority patent/CN111756330B/zh
Priority to US16/829,795 priority patent/US10992300B2/en
Publication of JP2020161922A publication Critical patent/JP2020161922A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7326806B2 publication Critical patent/JP7326806B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/04Constructional details for maintaining temperature constant
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00Thermometers specially adapted for specific purposes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/32Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using change of resonant frequency of a crystal
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • H03L1/023Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using voltage variable capacitance diodes
    • H03L1/025Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using voltage variable capacitance diodes and a memory for digitally storing correction values
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • H03L1/027Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using frequency conversion means which is variable with temperature, e.g. mixer, frequency divider, pulse add/substract logic circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/028Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only of generators comprising piezoelectric resonators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

本発明は、発振器、電子機器及び移動体に関する。
特許文献1には、振動子を加熱する発熱素子と、サーミスターの検出信号に基づいて発熱素子を制御する温度制御回路と、温度センサーの検出値に基づいて発振信号の周波数温度特性の1次成分及び2次成分を補正する温度補償回路と、を備えた恒温槽型水晶発振器(OCXO:Oven Controlled Crystal Oscillator)が記載されている。この恒温槽型水晶発振器によれば、温度センサーによって発振器の外気温度の変化を捉えて振動子の温度変化を推定し、発振信号の周波数を補正することができる。
特開2014-197751号公報
しかしながら、特許文献1に記載の恒温槽型水晶発振器では、サーミスターの検出信号のみに基づいて温度制御が行われるので、外気温度の変動を感度良く検出することと、振動子の温度を正確に検出することを両立するのが困難だった。このため、温度制御の精度が低下するおそれがあった。
本発明に係る発振器の一態様は、
振動子と、
前記振動子の温度を制御する温度制御素子と、
第1の温度検出信号を出力する第1の感温素子と、
前記第1の感温素子よりも前記振動子から離れた位置に設けられ、第2の温度検出信号を出力する第2の感温素子と、
前記第1の温度検出信号をデジタル信号である第1の温度コードに変換し、前記第2の温度検出信号をデジタル信号である第2の温度コードに変換するアナログ/デジタル変換回路と、
前記第1の温度コード及び前記第2の温度コードに基づいて、前記温度制御素子を制御する温度制御コードを生成するデジタル信号処理回路と、を備える。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記第2の温度コードに基づいて第1の補正コードを生成し、
前記第1の温度コードに前記第1の補正コードを加算したコードに基づいて前記温度制御コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記アナログ/デジタル変換回路は、電源電圧をデジタル信号である電源電圧コードに変換し、
前記デジタル信号処理回路は、前記第1の温度コード、前記第2の温度コード及び前記電源電圧コードに基づいて前記温度制御コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記電源電圧コードに基づいて第2の補正コードを生成し、
前記第1の温度コードに前記第2の補正コードを加算したコードに基づいて前記温度制御コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記電源電圧コードを変数とする3次以上の高次式に基づいて前記第2の補正コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記第1の温度コード及び前記第2の温度コードに基づく制御演算を行い、前記制御演算により得られるコードに基づいて前記温度制御コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記制御演算は、比例演算及び積分演算を含んでもよい。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記制御演算に基づいて得られるコードをデルタシグマ変調して前記温度制御コードを生成してもよい。
前記発振器の一態様において、
前記デジタル信号処理回路は、
前記制御演算に基づいて得られるコードを、前記第1の温度コードの更新レートよりも速いレートで積算し、積算されたコードの桁上げビットを前記温度制御コードとして出力してもよい。
前記発振器の一態様は、
前記温度制御コードが入力されるアナログフィルターを備え、
前記温度制御素子は、前記アナログフィルターから出力される信号に基づいて制御されてもよい。
前記発振器の一態様は、
前記デジタル信号処理回路及び前記第2の感温素子を含む集積回路素子を備えてもよい。
本発明に係る電子機器の一態様は、
前記発振器の一態様と、
前記発振器からの出力信号に基づいて動作する処理回路と、を備えている。
本発明に係る移動体の一態様は、
前記発振器の一態様と、
前記発振器からの出力信号に基づいて動作する処理回路と、を備えている。
本実施形態に係る発振器の断面図。 本実施形態に係る発振器の平面図。 振動子およびリード端子を示す断面図。 振動子およびリード端子を示す底面図。 第1実施形態の発振器の機能ブロック図。 比較例の恒温槽型発振器における外気温度と振動子の温度及び集積回路素子の温度との関係の一例を示す図。 第1実施形態におけるデジタル信号処理回路による温度制御コードの生成処理の一例を示す図。 温度制御コード及び温度制御信号の波形の一例を示す図。 電源電圧と集積回路素子の温度との関係の一例を示す図。 電源電圧と振動子の温度との関係の一例を示す図。 第2実施形態の発振器の機能ブロック図。 第2実施形態におけるデジタル信号処理回路による温度制御コードの生成処理の一例を示す図。 変形例に係る発振器の断面図。 本実施形態の電子機器の機能ブロック図。 本実施形態の電子機器の外観の一例を示す図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.発振器
1-1.第1実施形態
1-1-1.発振器の構造
図1及び図2は、本実施形態に係る発振器1の構造の一例を示す図である。図1は発振器1の断面図であり、図2は発振器1の平面図である。なお、図2では、説明の便宜上キャップを透視した図としている。また、図3は、発振器に収容される振動子及びリード端子を示す断面図であり、図4は、振動子及びリード端子を示す底面図である。
なお、図1~図4では、説明の便宜上、互いに直交する3軸を、X軸、Y軸およびZ軸として設定し、Z軸は、発振器の厚さ方向、換言すれば、ベースとベースに接合されたキャップとの配列方向と一致している。また、X軸は、二列に配列されたリード端子の向かい合う方向に沿っており、Y軸は、リード端子の配列方向に沿っている。また、X軸に平行な方向を「X軸方向」と言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」と言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と言うことがある。また、図1~図4では、ベースを含むケースの内部に形成された配線パターンや電極パッドは図示を省略してある。
本実施形態に係る発振器1は、恒温槽型水晶発振器(OCXO)である。図1及び図2に示すように、発振器1は、ベース101、およびベース101に接合されたキャップ102を含むケース10と、ベース101の下面101r側に設けられたベース基板30と、を備えている。ケース10は、ベース101と、ベース101の外周に沿って設けられ、ベース101の上面101fから凹むフランジ101bの上面に接合されたキャップ102とによって構成される収容空間S1を有している。
ケース10内の収容空間S1には、封止部材103によって気密的に封止されてベース101を貫通する複数のピン端子14と、ピン端子14のベース101と反対側の端部に固定されている回路基板8と、回路基板8に接続された複数のリード端子12によって回路基板8とベース101との間に、回路基板8と隙間を有して支持されている振動子2と、が収容されている。また、収容空間S1に配置されている振動子2のベース101側には、温度制御素子7および温度センサー15が接続されている。
ベース101は、例えばコバール、軟鉄、もしくは鉄ニッケルなどの材料で構成され、外周部にフランジ101bが設けられている。また、ベース101には、上面101fから下面101rを貫通する複数の貫通孔が設けられており、各貫通孔には導電性のピン端子14が挿入されている。貫通孔とピン端子14との隙間は、ガラスなどの封止部材103によって気密的に封止されている。また、ベース101の下面101rには、例えばガラスなどの絶縁体で構成されるスタンドオフ13を設けることができる。
ピン端子14は、コバール、軟鉄、もしくは鉄ニッケルなどのピン材で構成され、ベース101の下面101r側に一方端を有し、収容空間S1側に他方端を有し、Z軸方向に沿って立設されている。また、ピン端子14は、Y軸方向に沿って配列された二つの列によって構成されている。
キャップ102は、洋白、コバール、軟鉄、もしくは鉄ニッケルなどの金属薄板を、例えば押圧加工や絞り加工などによって凹陥形状とし、開口部分を外側にフランジ状に折り曲げた外周部102fを備えている。
そして、ケース10は、ベース101のフランジ101bに重ねてキャップ102の外周部102fを載置し、フランジ101bと外周部102fの重なっている部分Qを気密封止することによって収容空間S1が構成される。なお、収容空間S1は、大気圧よりも低い圧力等の減圧雰囲気、または窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性気体雰囲気に気密封止される。
回路基板8は、例えばプリント基板で構成することができる。回路基板8は、Z軸方向からの平面視で矩形形状をなし、ベース101に固定されたピン端子14の立設位置に対向する位置に貫通孔が設けられている。そして、回路基板8は、その貫通孔にピン端子14の収容空間S1側の端が挿通された状態でピン端子14に固定されている。回路基板8は、ベース101側の面である下面8rと、下面8rと反対側の面である上面8fとを備えている。
回路基板8の上面8fおよび下面8rには、図示しない回路配線や端子などの回路パターンが設けられている。そして、回路基板8の上面8fの回路パターンには、例えば振動子2を発振させる集積回路素子4、および他の電子素子16などが接続されている。
また、回路基板8の下面8rの回路パターンには、振動子2を支持する複数のリード端子12が接続されている。リード端子12は、回路基板8の外周側に位置し、ピン端子14の接続されている二つの列のそれぞれに沿って配列された接続領域R2において接続されている。また、リード端子12は、接続領域R1において振動子2に接続され、振動子2を支持している。
図3に示すように、振動子2は、パッケージ20と、パッケージ20に収容されている振動素子3とを含む。パッケージ20は、振動素子3が搭載されているパッケージベース21と、パッケージベース21との間に振動素子3を収容するように収容空間S2を設けてパッケージベース21に接合されているリッド22と、パッケージベース21とリッド22との間に位置し、パッケージベース21とリッド22とを接合する枠状のシールリング23と、を有している。
パッケージベース21は、凹部25を有するキャビティ状をなし、Z軸方向からの平面視で外形形状が略正方形の矩形形状をなしている。但し、パッケージベース21の外形形状は、略正方形に限らず他の矩形形状であってもよい。
振動素子3は、その外縁部において、例えば導電性接着剤などの導電性の固定部材29を介してパッケージベース21の段部に設けられた不図示の内部端子に固定されている。振動素子3を構成する水晶基板31は、SCカット水晶基板を機械加工等によって、例えば略円形の平面視形状にしたものである。SCカット水晶基板を用いることで、スプリアス振動による周波数ジャンプや抵抗上昇が少なく、温度特性も安定している振動素子3が得られる。なお、水晶基板31の平面視形状としては、円形に限定されず、楕円形、長円形等の非線形形状であってもよいし、三角形、矩形等の線形形状であってもよい。
なお、振動素子3は、SCカットに限らず、例えば、ATカットあるいはBTカットの水晶振動子、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子などを用いることができる。また、振動素子3として、例えば、水晶振動子以外の圧電振動子やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動子などを用いることもできる。振動素子3の基板材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、またはシリコン半導体材料等を用いることができる。また、振動素子3の励振手段としては、圧電効果によるものを用いてもよいし、クーロン力による静電駆動を用いてもよい。
リッド22は、板状をなしており、凹部25の開口を塞ぐようにしてパッケージベース21の端面にシールリング23を介して接合されている。シールリング23は、枠状に配置され、パッケージベース21の端面とリッド22との間に位置している。シールリング23は、金属材料で構成され、シールリング23が溶融することでパッケージベース21とリッド22とが気密的に接合される。このように、凹部25の開口がリッド22で塞がれることにより、収容空間S2が形成され、この収容空間S2に振動素子3を収容することができる。
気密封止されたパッケージ20の収容空間S2は、例えば10Pa以下程度の減圧状態となっている。これにより、振動素子3の安定した駆動を継続することができる。ただし、収容空間S2の雰囲気としては特に限定されず、例えば窒素、アルゴン等の不活性ガスが充填されて大気圧となっていてもよい。
パッケージベース21の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。この場合、セラミックシートの積層体を焼成することでパッケージベース21を製造することができる。また、リッド22の構成材料としては、特に限定されないが、パッケージベース21の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、パッケージベース21の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、リッド22の構成材料を金属材料とするのが好ましい。
パッケージベース21の下面21rには、例えば振動素子3と不図示の内部配線によって電気的導通がとられた複数の第1接続端子24、および複数の第2接続端子26が設けられている。具体的には、図4に示すように、外縁に沿って四つの第1接続端子24が配列され、反対側の外縁に沿って四つの第2接続端子26が配列されている。なお、第1接続端子24および第2接続端子26のそれぞれの数量は限定されるものではなく、幾つであってもよい。第1接続端子24および第2接続端子26は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等の金属配線材料を、パッケージベース21の下面21rにスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル(Ni)、金(Au)等のめっきを施す方法などによって形成することができる。なお、以下では、パッケージベース21の下面21rのことを、振動子2の下面21rということが有る。
振動子2の下面21rに設けられている第1接続端子24および第2接続端子26のそれぞれには、リード端子12の第2接続部12aが、例えば導電性接着剤もしくは半田付けなどを用いて電気的な接続をとって固定されている。振動子2は、リード端子12の第1接続部12dが、回路基板8の下面8rと電気的な接続をとって固定されることによって、リード端子12を介して回路基板8に所謂宙吊り状態に支持される。
それぞれのリード端子12は、一方の端を含む位置に設けられる第2接続部12aと、他方の端を含む位置に設けられる第1接続部12dと、第2接続部12aおよび第1接続部12dの間に位置し、第2屈曲部B2で接続された第1延伸部12bおよび第2延伸部12cと、を含む。そして、第2接続部12aと第1延伸部12bとは、第1屈曲部B1で接続され、第1接続部12dと第2延伸部12cとは、第3屈曲部B3で接続されている。換言すれば、リード端子12は、振動子2と接続される第2接続部12aと、第1接続部12dとの間において、第1屈曲部B1、第2屈曲部B2、第3屈曲部B3の三つの曲げ部を有している。
このように、振動子2と接続される第2接続部12aと、回路基板8と接続される第1接続部12dとの間のリード端子12に、第1屈曲部B1、第2屈曲部B2、第3屈曲部B3の三つの曲げ部が設けられ、振動子2が、回路基板8に対して、所謂宙吊り状態で支持されていることにより、リード端子12に撓みを起こり易くすることができる。また、リード端子12が、振動子2の外側方向に第2屈曲部B2の部分で膨らむ構成となっていることから、リード端子12の剛性をより弱くすることができ、回路基板8から振動子2に伝わる衝撃等の吸収をより効果的に行うことができる。
なお、リード端子12は、振動子2の第1接続端子24側に4本、第2接続端子26側に4本を配置する構成で説明したが、リード端子12の数量は限定されるものではなく、振動子2を支持することができれば、幾つであってもよい。
温度制御素子7は、振動子2の下面21rに接続され、振動子2の温度を制御する電子部品である。本実施形態では、温度制御素子7はパワートランジスター等の発熱素子であり、振動子2を加熱し、振動子2の振動素子3の温度をほぼ一定に保つ。振動素子3の温度をほぼ一定に保つことで、優れた周波数安定度を保つことができる。
温度センサー15は、振動子2の近くに配置され、振動子2の温度を検出する。特に本実施形態では、温度センサー15は、振動子2の外表面に接するように配置されている。温度センサー15としては、例えば、サーミスターや白金抵抗などを用いることができる。
ベース基板30は、例えばプリント基板で構成することができる。ベース基板30は、ベース101側に位置する上面30fと、上面と反対側の面である下面30rとを備えている。ベース基板30は、ベース101に固定されたピン端子14の立設位置に対向する上面30fに有底穴34が設けられている。ベース基板30は、その有底穴34にピン端子14の一方端が挿入され、半田付けなどの接合材33によってピン端子14と接続されている。また、ベース基板30の下面30rには複数の外部接続端子32が設けられている。
1-1-2.発振器の機能的構成
図5は、第1実施形態の発振器1の機能ブロック図である。図5に示すように、本実施形態の発振器1は、振動子2と、発振回路5とを含む。発振回路5は、集積回路素子4と、温度制御素子7と、温度センサー15とを含む。
温度制御素子7は、温度制御信号VHCに基づいて振動子2の温度を制御する素子であり、本実施形態ではパワートランジスター等の発熱素子である。温度制御素子7が発生させる熱は、集積回路素子4から供給される温度制御信号VHCに応じて制御される。温度制御素子7が発生させる熱が振動子2に伝わり、振動子2の温度が目標温度に近づくように制御される。
温度センサー15は、温度を検出し、検出した温度に応じた電圧レベルを有する第1の温度検出信号VT1を出力する第1の感温素子である。前述の通り、温度センサー15は、振動子2の近くに配置されており、振動子2の周囲の温度を検出することになる。温度センサー15から出力される第1の温度検出信号VT1は、集積回路素子4に供給される。温度センサー15は、例えば、サーミスターや白金抵抗などであってもよい。
集積回路素子4は、デジタル信号処理回路210、温度制御信号生成回路220、発振用回路230、フラクショナルN-PLL(Phase Locked Loop)回路231、分周回路232、出力バッファー233、温度センサー241、セレクター242、アナログ/デジタル変換回路243、インターフェース回路250、記憶部260及びレギュレーター270を含む。
発振用回路230は、振動子2の両端と電気的に接続されており、振動子2の出力信号を増幅して振動子2にフィードバックすることにより、振動子2を発振させ、発振信号を出力する回路である。例えば、発振用回路230は、増幅素子としてインバーターを用いた発振用回路であってもよいし、増幅素子としてバイポーラトランジスターを用いた発振用回路であってもよい。
フラクショナルN-PLL回路231は、発振用回路230から出力される発振信号の周波数を、デルタシグマ変調された分周比制御信号DIVCによって指示される分周比に応じた周波数に変換する。
分周回路232は、フラクショナルN-PLL回路231から出力される発振信号を分周する。
出力バッファー233は、分周回路232から出力される発振信号をバッファリングし、発振信号CKOとして集積回路素子4の外部に出力する。この発振信号CKOは、発振器1の出力信号となる。
温度センサー241は、温度を検出し、検出した温度に応じた電圧レベルを有する第2の温度検出信号VT2を出力する第2の感温素子である。例えば、温度センサー241はダイオード等で実現可能である。前述の通り、集積回路素子4は回路基板8の上面8fに接合されており、温度センサー241は、温度センサー15よりも振動子2や温度制御素子7から離れた位置に設けられている。そのため、温度センサー241は、振動子2や温度制御素子7から離れた位置の温度を検出することになる。したがって、発振器1の外気温度が所定の範囲で変化した場合、温度制御素子7の近傍に設けられている温度センサー15が検出する温度はほとんど変化しないのに対して、温度センサー241が検出する温度は所定の範囲で変化する。このように、温度センサー241は外気温度の変化を捉えるための温度センサーであり、外気温度が所定の範囲で変化した場合に、温度センサー241が検出する温度範囲が広い方が好ましい。そのため、本実施形態では、図1に示したように、温度センサー241を含む集積回路素子4は、外気に触れるキャップ102に近い位置に設けられている。
セレクター242は、温度センサー241から出力される第2の温度検出信号VT2及び温度センサー15から出力される第1の温度検出信号VT1のいずれか1つを選択して出力する。本実施形態では、セレクター242は、第2の温度検出信号VT2及び第1の温度検出信号VT1を時分割に選択して出力する。
アナログ/デジタル変換回路243は、セレクター242から時分割に出力されるアナログ信号である第2の温度検出信号VT2及び第1の温度検出信号VT1を、それぞれデジタル信号である第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1に変換する。アナログ/デジタル変換回路243は、第2の温度検出信号VT2及び第1の温度検出信号VT1を抵抗分圧等によって電圧レベルを変換した後に、第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1に変換してもよい。
デジタル信号処理回路210は、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に基づいて、温度制御素子7を制御する温度制御コードDHCを生成する。デジタル信号処理回路210は、さらに振動子2の目標温度情報に基づいて、温度制御コードDHCを生成してもよい。振動子2の目標温度情報は、記憶部260のROM(Read Only Memory)261に記憶されている。そして、発振器1の電源が投入されると、目標温度情報は、ROM261からレジスター群262に含まれる所定のレジスターに転送されて保持され、当該レジスターに保持された目標温度情報がデジタル信号処理回路210に供給される。
また、デジタル信号処理回路210は、記憶部260に記憶されている目標周波数の設定値及び第2の温度コードDT2に基づいて発振信号の周波数を温度補償するための分周比制御信号DIVCを生成する。前述の通り、分周比制御信号DIVCはフラクショナルN-PLL回路231に供給され、フラクショナルN-PLL回路231により、発振用回路230から出力される発振信号の周波数が、分周比制御信号DIVCによって指示される分周比に応じた周波数に変換される。これにより、外気温度によってわずかに変化する発振信号の周波数が温度補償され、フラクショナルN-PLL回路231から出力される発振信号は、外気温度によらずほぼ一定の目標周波数となる。
なお、デジタル信号処理回路210は、アナログ/デジタル変換回路243から時分割に出力される第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1の少なくとも一部に対してローパス処理を行い、高周波ノイズ信号の強度を低減させるデジタルフィルターを含んでもよい。
温度制御信号生成回路220は、デジタル信号処理回路210が生成した温度制御コードDHCに基づいて、温度制御信号VHCを生成して出力する。温度制御信号VHCは、温度制御素子7に供給され、温度制御信号VHCに応じて温度制御素子7の発熱量が制御される。これにより、振動子2の温度が目標温度でほぼ一定となるように制御される。
インターフェース回路250は、発振器1と接続される不図示の外部装置との間でデータ通信を行うための回路である。インターフェース回路250は、例えば、IC(Inter-Integrated Circuit)バスに対応したインターフェース回路であってもよいし、SPI(Serial Peripheral Interface)バスに対応したインターフェース回路であってもよい。
記憶部260は、不揮発性メモリーであるROM261と、揮発性メモリーであるレジスター群262とを有する。発振器1の製造時の検査工程において、外部装置は、インターフェース回路250を介して、発振器1が有する各回路の動作を制御するための各種のデータをレジスター群262に含まれる各種のレジスターに書き込んで各回路を調整する。そして、外部装置は、インターフェース回路250を介して、決定した各種の最適なデータをROM261に記憶させる。発振器1に電源が投入されると、ROM261に記憶されている各種のデータは、レジスター群262に含まれる各種のレジスターに転送されて保持され、当該各種のレジスターに保持された各種のデータが各回路に供給される。
レギュレーター270は、発振器1の外部から供給される電源電圧VDDに基づいて、集積回路素子4が有する各回路の電源電圧や基準電圧を生成する。
1-1-3.デジタル信号処理回路による温度制御
デジタル信号処理回路210が、第2の温度コードDT2を用いずに、第1の温度コードDT1に基づいて温度制御コードDHCを生成する比較例の発振器を想定する。比較例の発振器では、温度制御信号VHCによって振動子2の温度が目標温度でほぼ一定となるように制御されるが、発振器1の外気の温度に応じて収容空間S1の温度勾配等が変化し、温度制御信号VHCによる制御に誤差が生じるため、振動子2の温度がわずかに変化する。これに対して、集積回路素子4は、外気に触れるキャップ102に近い温度制御素子から離れた位置に設けられているので、外気温度に応じて温度が変化しやすい。
図6は、比較例の恒温槽型発振器における外気温度と振動子2の温度及び集積回路素子4の温度との関係の一例を示す図である。図6において、横軸は外気温度であり、縦軸は振動子2あるいは集積回路素子4の温度である。実線は振動子2の温度を示し、一点鎖線は集積回路素子4の温度を示す。図6の例では、外気温度が、発振器1の動作が保証される範囲TRの下限温度Tminから上限温度Tmaxまで上昇すると、振動子2の温度はΔT1だけ低下している。そのため、外気温度が変化すると振動子2の温度もわずかに変化し、振動子2の温度特性に起因して発振信号の周波数もわずかに変化することになる。
また、図6の例では、外気温度が下限温度Tminから上限温度Tmaxまで上昇すると、集積回路素子4の温度はΔT2だけ上昇している。この集積回路素子4の温度上昇分のΔT2は、振動子2の温度低下分のΔT1よりもかなり大きい。すなわち、外気温度の変化に対して、集積回路素子4に含まれている温度センサー241が検出する温度は比較的広い範囲で変化する。したがって、温度センサー241から出力される第2の温度検出信号VT2から外気温度を推定し、推定した外気温度から振動子2の温度を推定し、振動子2の温度を目標温度で一定に保つように制御することが可能である。そこで、本実施形態の発振器1では、デジタル信号処理回路210が、記憶部260に記憶されている目標温度情報と、第2の温度検出信号VT2が変換された第2の温度コードDT2とに基づいて温度制御コードDHCを生成することで、振動子2の温度を目標温度で一定に保つように制御する。
具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2に基づいて第1の補正コードを生成し、第1の温度コードDT1に第1の補正コードを加算したコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。また、デジタル信号処理回路210は、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に基づく制御演算を行い、当該制御演算により得られるコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。
図7は、第1実施形態におけるデジタル信号処理回路210による温度制御コードDHCの生成処理の一例を示す図である。図7の例では、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を変数とする、次式(1)で示される第1の多項式によって第1の補正コードDTC1を生成する温度補正演算を行う。具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を次式(1)に代入して第1の補正コードDTC1を生成する。式(1)において、温度補正係数a~aは、記憶部260に記憶されている。また、nは1以上の整数であり、第1の温度コードDT1を高い精度で補正するために、nが3以上であること、すなわち、第1の多項式が高次式であることが好ましい。
Figure 0007326806000001
また、図7の例では、デジタル信号処理回路210は、第1の温度コードDT1に第1の補正コードDTC1を加算した温度コードDT1Xに対して、比例演算及び積分演算を含む制御演算を行う。具体的には、デジタル信号処理回路210は、制御演算として、温度コードDT1Xに比例項利得係数を乗算する比例演算と、積分項利得係数を乗算した温度コードDT1Xを積分する積分演算とを行う。また、デジタル信号処理回路210は、制御演算として、比例演算によって得られるコードと積分演算によって得られるコードとを加算し、当該加算によって得られるコードに正規化利得係数を乗算して正規化する。比例項利得係数、積分項利得係数及び正規化利得係数は、例えば、目標温度情報として記憶部260に記憶されている。
デジタル信号処理回路210は、比例演算によって得られるコードに積分演算によって得られるコードを加算することにより、比例演算によって得られるコードの目標値に対する誤差を補正することができる。
また、図7の例では、デジタル信号処理回路210は、制御演算を浮動小数点形式で行い、制御演算によって得られるコードを固定小数点形式のコードに変換する。さらに、デジタル信号処理回路210は、この制御演算に基づいて得られる固定小数点形式のコードをデルタシグマ変調して温度制御コードDHCを生成する。
具体的には、デジタル信号処理回路210は、制御演算に基づいて得られる固定小数点形式のコードを、第1の温度コードDT1の更新レートよりも速いレートで積算し、積算されたコードの桁上げビットを温度制御コードDHCとして出力する。すなわち、デジタル信号処理回路210は、nビットの固定小数点形式のコードの積算により得られるn+1ビットのコードの桁上げビットである最上位ビットを温度制御コードDHCとして出力する。
図7の例では、温度制御信号生成回路220は、温度制御コードDHCが入力されるアナログフィルター221を備え、温度制御素子7は、アナログフィルター221から出力される温度制御信号VHCに基づいて制御される。アナログフィルター221は、例えば、ローパスフィルターであってもよいし、バンドパスフィルターであってもよい。図8は、温度制御コードDHC及び温度制御信号VHCの波形の一例を示す図である。図8において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図8の例では、1ビットの温度制御コードDHCはパルス密度変調されてコードであり、アナログフィルター221から出力される温度制御信号VHCは温度制御コードDHCが復調された正弦波信号である。
このようにして生成される温度制御信号VHCによって温度制御素子7が制御されることにより、振動子2の温度が目標温度で一定に保たれ、高い周波数精度の発振信号CKOが得られる。
1-1-4.作用効果
以上に説明したように、第1実施形態の発振器1では、発振回路5に含まれる集積回路素子4において、アナログ/デジタル変換回路243が、温度センサー15から出力される第1の温度検出信号VT1及び温度センサー241から出力される第2の温度検出信号VT2を、それぞれ第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に変換する。また、デジタル信号処理回路210が、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に基づいて、温度制御素子7の温度を制御するための温度制御コードDHCを生成する。具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を変数とする、式(1)で示される第1の多項式によって第1の補正コードDTC1を生成し、第1の温度コードDT1に第1の補正コードDTC1を加算した温度コードDT1Xに基づいて温度制御コードDHCを生成する。そして、温度制御信号生成回路220が、デジタル信号処理回路210が生成した温度制御コードDHCに基づいて、温度制御信号VHCを生成して出力する。したがって、第1実施形態の発振器1によれば、外気温度の変動によって振動子2の温度が変動しても、外気温度の変動によって変化する第2の温度コードDT2に基づいて第1の温度コードDT1を補正し、振動子2の温度を目標温度で一定に保つことができるので、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれを低減することができる。
また、第1実施形態の発振器1では、デジタル信号処理回路210が、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に基づいて、比例演算及び積分演算を含む制御演算を行い、当該制御演算により得られるコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。したがって、第1実施形態の発振器1によれば、比例演算によって得られるコードの目標値に対する誤差が、積分演算によって得られるコードによって補正されるので、温度制御コードDHCにより温度制御素子7を高精度に制御することが可能であり、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれをより低減することができる。
また、第1実施形態の発振器1では、デジタル信号処理回路210が、制御演算に基づいて得られる固定小数点形式のコードをデルタシグマ変調して温度制御コードDHCを生成する。具体的には、デジタル信号処理回路210は、制御演算に基づいて得られる固定小数点形式のコードを、第1の温度コードDT1の更新レートよりも速いレートで積算し、積算されたコードの桁上げビットを温度制御コードDHCとして出力する。第1の温度コードDT1の更新レートよりも速いレートでのデルタシグマ変調のノイズシェーピング効果により、温度制御コードDHCに含まれるノイズが広帯域に分散され、温度制御信号VHCの帯域のノイズが低減される。したがって、第1実施形態の発振器1によれば、温度制御素子7を高精度に制御することが可能であり、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれをより低減することができる。
また、第1実施形態の発振器1では、温度制御信号生成回路220が、温度制御コードDHCが入力されるアナログフィルター221を備え、温度制御素子7は、アナログフィルター221から出力される温度制御信号VHCに基づいて制御される。したがって、第1実施形態の発振器1によれば、温度制御コードDHCを温度制御信号VHCに変換するために、多ビットのデジタル/アナログ変換回路が不要であるので、集積回路素子4のサイズを低減させることが可能である。
また、第1実施形態の発振器1によれば、デジタル信号処理回路210は、温度制御コードDHCを生成する処理を他の処理と時分割に行うことで、加算器や乗算器等の演算器を兼用することができるので、アナログ回路によって温度制御素子7の制御を行う場合と比較して集積回路素子4のサイズを低減させることが可能である。
また、第1実施形態によれば、デジタル信号処理回路210による演算に用いられる各種の係数値は、記憶部260に記憶されるため、個々の発振器1の特性に合わせて最適な値に設定可能であり、高い周波数精度の発振器1を実現可能である。
1-2.第2実施形態
第1実施形態の発振器1では、電源電圧VDDが変動すると、集積回路素子4の発熱量が変化するため、集積回路素子4の温度が変化する。さらに、集積回路素子4の発熱量が変化すると、収容空間S1の温度勾配が変化し、振動子2の温度もわずかに変化する。
図9は、電源電圧VDDと集積回路素子4の温度との関係の一例を示す図である。また、図10は、電源電圧VDDと振動子2の温度との関係の一例を示す図である。図9及び図10は、外気温度が+25℃のときに電源電圧VDDを3.0Vから3.6Vまで約8分毎に0.1Vずつ上昇させた場合の集積回路素子4及び振動子2の温度をそれぞれ示している。図9及び図10において、実線は集積回路素子4又は振動子2の温度を示し、破線は電源電圧VDDを示す。図9に示すように、電源電圧VDDが3.0Vから3.6Vまで上昇すると、集積回路素子4の温度が約1.5℃上昇し、集積回路素子4の発熱量が増大することにより、図10に示すように、振動子2の温度も約0.12℃上昇している。
このように、振動子2の温度は電源電圧VDDの大きさによって変化し、発振信号の周波数は振動子2の温度特性によって変動することになる。そこで、第2実施形態の発振器1では、デジタル信号処理回路210が、電源電圧VDDが変換された電源電圧コードDVDに基づいて温度制御コードDHCを生成することで、電源電圧VDDが変動しても、振動子2の温度を目標周波数で一定になるように制御することができる。
以下、第2実施形態の発振器1について、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、第1実施形態と同様の説明は省略又は簡略し、主として第1実施形態と異なる内容について説明する。
図11は、第2実施形態の発振器1の機能ブロック図である。図11に示すように、第2実施形態の発振器1では、集積回路素子4において、セレクター242は、発振器1に供給される電源電圧VDD、温度センサー241から出力される第2の温度検出信号VT2及び温度センサー15から出力される第1の温度検出信号VT1のいずれか1つを選択して時分割に出力する。
アナログ/デジタル変換回路243は、セレクター242から時分割に出力される電源電圧VDD、第2の温度検出信号VT2及び第1の温度検出信号VT1を、それぞれデジタル信号である電源電圧コードDVD、第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1に変換する。アナログ/デジタル変換回路243は、電源電圧VDD、第2の温度検出信号VT2及び第1の温度検出信号VT1を抵抗分圧等によって電圧レベルを変換した後に、電源電圧コードDVD、第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1に変換してもよい。
デジタル信号処理回路210は、第1の温度コードDT1、第2の温度コードDT2及び電源電圧コードDVDに基づいて、温度制御素子7の温度を制御するための温度制御コードDHCを生成する。具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2に基づいて第1の補正コードを生成し、第1の温度コードDT1に第1の補正コードを加算したコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。また、デジタル信号処理回路210は、電源電圧コードDVDに基づいて第2の補正コードを生成し、第1の温度コードDT1に第2の補正コードを加算したコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。
なお、デジタル信号処理回路210は、アナログ/デジタル変換回路243から時分割に出力される電源電圧コードDVD、第2の温度コードDT2及び第1の温度コードDT1の少なくとも一部に対してローパス処理を行い、高周波ノイズ信号の強度を低減させるデジタルフィルターを含んでもよい。
図12は、第2実施形態におけるデジタル信号処理回路210による温度制御コードDHCの生成処理の一例を示す図である。図12の例では、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を変数とする、前述の式(1)で示される第1の多項式によって第1の補正コードDTC1を生成する温度補正演算を行う。具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を前述の式(1)に代入して第1の補正コードDTC1を生成する。
また、図12の例では、デジタル信号処理回路210は、電源電圧コードDVDを変数とする、次式(2)で示される第2の多項式によって第2の補正コードDTC2を生成する電源電圧補正演算を行う。具体的には、デジタル信号処理回路210は、電源電圧コードDVDを次式(2)で示される第2の多項式に代入して第2の補正コードDTC2を生成する。式(2)において、電源電圧補正係数b~bは、記憶部260に記憶されている。また、mは1以上の整数であり、電源電圧VDDの大きさに応じて変動する第2の温度コードDT2を高い精度で補正するために、mが3以上であること、すなわち、第2の多項式が高次式であることが好ましい。
Figure 0007326806000002
また、図12の例では、デジタル信号処理回路210は、第1の温度コードDT1に第1の補正コードDTC1及び第2の補正コードDTC2を加算した温度コードDT1Xに対して、第1実施形態と同様の制御演算を行う。
また、第1実施形態と同様、デジタル信号処理回路210は、制御演算によって得られるコードを固定小数点形式のコードに変換し、当該コードをデルタシグマ変調して温度制御コードDHCを生成する。そして、温度制御コードDHCは、温度制御信号生成回路220に含まれるアナログフィルター221に入力され、アナログフィルター221から出力される信号は、温度制御信号VHCとして温度制御素子7に供給される。
このようにして生成される温度制御信号VHCによって温度制御素子7が制御されることにより、振動子2の温度が目標温度で一定に保たれ、高い周波数精度の発振信号CKOが得られる。
なお、第2実施形態の発振器1のその他の構成は、第1実施形態の発振器1と同様であるため、その説明を省略する。
以上に説明したように、第2実施形態の発振器1では、発振回路5に含まれる集積回路素子4において、アナログ/デジタル変換回路243が、温度センサー15から出力される第1の温度検出信号VT1、温度センサー241から出力される第2の温度検出信号VT2及び電源電圧VDDを、それぞれ第1の温度コードDT1、第2の温度コードDT2及び電源電圧コードDVDに変換する。また、デジタル信号処理回路210が、第1の温度コードDT1、第2の温度コードDT2及び電源電圧コードDVDに基づいて、温度制御素子7の温度を制御するための温度制御コードDHCを生成する。具体的には、デジタル信号処理回路210は、第2の温度コードDT2を変数とする、式(1)で示される第1の多項式によって第1の補正コードDTC1を生成し、第2の温度コードDT2を変数とする、式(2)で示される第2の多項式によって第2の補正コードDTC2を生成し、第1の温度コードDT1に第1の補正コードDTC1及び第2の補正コードDTC2を加算した温度コードDT1Xに基づいて温度制御コードDHCを生成する。そして、温度制御信号生成回路220が、デジタル信号処理回路210が生成した温度制御コードDHCに基づいて、温度制御信号VHCを生成して出力する。したがって、第2実施形態の発振器1によれば、外気温度の変動によって振動子2の温度が変動し、あるいは、電源電圧VDDが変動しても、第2の温度コードDT2及び電源電圧コードDVDに基づいて第1の温度コードDT1を補正し、振動子2の温度を目標温度で一定に保つことができるので、外気温度や電源電圧の変動によって周波数精度が低下するおそれを低減することができる。
また、第2実施形態の発振器1によれば、式(2)で示される第2の多項式を高次式とすることにより第1の温度コードDT1をより精度良く補正することができる。すなわち、第2実施形態の発振器1によれば、デジタル信号処理回路210が電源電圧コードDVDを変数とする3次以上の高次式に基づいて第2の補正コードDTC2を生成することにより、電源電圧VDDの変動によって周波数精度が低下するおそれをさらに低減することができる。
また、第2実施形態の発振器1では、デジタル信号処理回路210が、第1の温度コードDT1、第2の温度コードDT2及び電源電圧コードDVDに基づいて、比例演算及び積分演算を含む制御演算を行い、当該制御演算により得られるコードに基づいて温度制御コードDHCを生成する。したがって、第2実施形態の発振器1によれば、比例演算によって得られるコードの目標値に対する誤差が、積分演算によって得られるコードによって補正されるので、温度制御コードDHCにより温度制御素子7を高精度に制御することが可能であり、外気温度や電源電圧の変動によって周波数精度が低下するおそれをより低減することができる。
その他、第2実施形態の発振器1によれば、第1実施形態の発振器1と同様の効果を奏することができる。
1-3.変形例
上記の各実施形態では、温度制御素子7と温度センサー15とは別体として設けられているが、温度制御素子7と温度センサー15とが1つの集積回路素子に含まれ、当該集積回路素子が振動子2の近くに配置されていてもよい。この場合、例えば、温度制御素子7は抵抗とMOSトランジスターで実現可能であり、温度センサー15はダイオード等で実現可能である。
また、上記の各実施形態では、集積回路素子4は1つの温度センサー241を含むが、複数の温度センサー241を含んでもよい。この場合、例えば、アナログ/デジタル変換回路243は、複数の温度センサー241から出力される複数の温度検出信号を複数の温度コードに変換し、デジタル信号処理回路210は、当該複数の温度コードに基づいて、第2の温度コードDT2を生成してもよい。例えば、デジタル信号処理回路210は、複数の温度コードの平均値を第2の温度コードDT2としてもよい。
また、上記の各実施形態では、温度センサー241は集積回路素子4に含まれているが、集積回路素子4の外部であって、温度センサー15よりも振動子2や温度制御素子7から離れた位置に設けられていてもよい。この場合、温度センサー241は、例えば、サーミスターや白金抵抗等で実現可能である。図13は、温度センサー241が集積回路素子4の外部に設けられた一例を示す発振器1の断面図である。図13の例では、温度センサー241は、回路基板8の上面8fに接合されており、外気に触れるキャップ102に近い位置に設けられている。したがって、外気温度の変化に対して温度センサー241が検出する温度が変化する範囲が広くなり、振動子2の温度を高い精度で目標温度に保つことが可能となる。
また、上記の各実施形態では、デジタル信号処理回路210が行う制御演算は、比例演算及び積分演算を含むが、微分演算等の他の演算をさらに含んでもよい。比例演算及び積分演算によって得られるコードに微分演算よって得られるコードを加算することにより、目標値に対するオーバーシュートやハンチングを低減させることができる。
また、上記の各実施形態では、デジタル信号処理回路210は、固定小数点形式に変換されたコードに対してデルタシグマ変調を行うことによって1ビットの温度制御コードDHCを出力し、温度制御コードDHCは、温度制御信号生成回路220のアナログフィルター221によって温度制御信号VHCに変換されるが、可能であれば、温度制御コードDHCが温度制御素子7に供給されてもよい。この場合、温度制御信号生成回路220は不要である。あるい、デジタル信号処理回路210がデルタシグマ変調を行わずにnビットの温度制御コードDHCを出力し、温度制御信号生成回路220が、アナログフィルター221に代えて、デジタル/アナログ変換回路によってnビットの温度制御コードDHCを温度制御信号VHCに変換してもよい。
また、上記の各実施形態では、デジタル信号処理回路210が生成する分周比制御信号DIVCに基づいてフラクショナルN型のPLL回路の分周比を制御することで、温度補償が行われているが、温度補償の方式はこれに限定されない。例えば、発振用回路230が容量アレイを有し、デジタル信号処理回路210が生成した温度補償コードDCMPに基づいて容量アレイの容量値を選択することで温度補償を行ってもよい。また、例えば、発振用回路230が周波数を調整するための可変容量素子を有し、D/A変換回路によって、デジタル信号処理回路210が生成する温度補償コードDCMPをアナログ信号に変換し、当該アナログ信号に基づいて可変容量素子の容量値を制御することで、温度補償を行ってもよい。
また、上記の第1実施形態では、1つのアナログ/デジタル変換回路243が、第1の温度検出信号VT1及び第2の温度検出信号VT2を、それぞれ第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に時分割に変換しているが、例えば、アナログ/デジタル変換回路が複数のアナログ/デジタル変換器を含み、複数のアナログ/デジタル変換器が、第1の温度検出信号VT1及び第2の温度検出信号VT2を第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2にそれぞれ変換してもよい。同様に、上記の第2実施形態では、1つのアナログ/デジタル変換回路243が、電源電圧VDD、第1の温度検出信号VT1及び第2の温度検出信号VT2を、それぞれ電源電圧コードDVD、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に時分割に変換しているが、例えば、アナログ/デジタル変換回路が複数のアナログ/デジタル変換器を含み、複数のアナログ/デジタル変換器が、電源電圧VDD、第1の温度検出信号VT1及び第2の温度検出信号VT2を電源電圧コードDVD、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2にそれぞれ変換してもよい。
また、上記の各実施形態では、温度制御素子7は、パワートランジスター等の発熱素子であるが、温度制御素子7は、振動子2の温度を制御することが可能な素子であればよく、振動子2の目標温度と外気温度との関係によっては、ペルチェ素子等の吸熱素子であってもよい。
また、上記の各実施形態では、発振器1は、第1の温度コードDT1及び第2の温度コードDT2に基づいて振動子2の温度を目標温度付近に調整する温度制御機能と、第2の温度コードDT2に基づく温度補償機能とを有する発振器であるが、温度制御機能を有し、かつ、温度補償機能を有さない発振器であってもよい。また、発振器1は、VC-OCXO(Voltage Controlled Oven Controlled Crystal Oscillator)等の温度制御機能及び周波数制御機能を有する発振器であってもよい。
2.電子機器
図14は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。
本実施形態の電子機器300は、発振器310、処理回路320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360、表示部370を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図14の構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振器310は、発振回路312と振動子313とを備えている。発振回路312は、振動子313を発振させて発振信号を発生させる。この発振信号は発振器310の外部端子から処理回路320に出力される。
処理回路320は、発振器310からの出力信号に基づいて動作する。例えば、処理回路320は、ROM340等に記憶されているプログラムに従い、発振器310から入力される発振信号をクロック信号として各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、処理回路320は、操作部330からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部360を制御する処理、表示部370に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
操作部330は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号を処理回路320に出力する。
ROM340は、処理回路320が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶する記憶部である。
RAM350は、処理回路320の作業領域として用いられ、ROM340から読み出されたプログラムやデータ、操作部330から入力されたデータ、処理回路320が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する記憶部である。
通信部360は、処理回路320と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部370は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、処理回路320から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部370には操作部330として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
発振器310として例えば上述した各実施形態の発振器1を適用することにより、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれを低減することができるので、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
このような電子機器300としては種々の電子機器が考えられ、例えば、モバイル型、ラップトップ型、タブレット型などのパーソナルコンピューター、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルカメラ、インクジェットプリンターなどのインクジェット式吐出装置、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡等の医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶等の計器類、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、歩行者自立航法(PDR:Pedestrian Dead Reckoning)装置等が挙げられる。
図15は、電子機器300の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。電子機器300であるスマートフォンは、操作部330としてボタンを、表示部370としてLCDを備えている。そして、電子機器300であるスマートフォンは、発振器310として、例えば上述した各実施形態の発振器1を適用することにより、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれを低減することができるので、より信頼性の高い電子機器300を実現できる。
また、本実施形態の電子機器300の他の一例として、上述した発振器310を基準信号源として用いて、例えば、端末と有線または無線で通信を行う端末基地局用装置等として機能する伝送装置が挙げられる。発振器310として、例えば上述した各実施形態の発振器1を適用することにより、例えば通信基地局などに利用可能な、周波数精度の高い、高性能、高信頼性を所望される電子機器300を従来よりも低コストで実現することも可能である。
また、本実施形態の電子機器300の他の一例として、通信部360が外部クロック信号を受信し、処理回路320が、当該外部クロック信号と発振器310の出力信号とに基づいて、発振器310の周波数を制御する周波数制御部と、を含む、通信装置であってもよい。この通信装置は、例えば、ストレータム3などの基幹系ネットワーク機器やフェムトセルに使用される通信機器であってもよい。
3.移動体
図16は、本実施形態の移動体の一例を示す図である。図16に示す移動体400は、発振器410、処理回路420,430,440、バッテリー450、バックアップ用バッテリー460を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図16の構成要素の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振器410は、不図示の発振回路と振動子とを備えており、発振回路は振動子を発振させて発振信号を発生させる。この発振信号は発振器410の外部端子から処理回路420,430,440に出力され、例えばクロック信号として用いられる。
処理回路420,430,440は、発振器からの出力信号に基づいて動作し、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御処理を行う。
バッテリー450は、発振器410及び処理回路420,430,440に電力を供給する。バックアップ用バッテリー460は、バッテリー450の出力電圧が閾値よりも低下した時、発振器410及び処理回路420,430,440に電力を供給する。
発振器410として例えば上述した各実施形態の発振器1を適用することにより、外気温度の変動によって周波数精度が低下するおそれを低減することができるので、信頼性の高い移動体を実現することができる。
このような移動体400としては種々の移動体が考えられ、例えば、電気自動車等の自動車、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1…発振器、2…振動子、3…振動素子、4…集積回路素子、5…発振回路、7…温度制御素子、8…回路基板、8f…回路基板の上面、8r…回路基板の下面、10…ケース、12…リード端子、12a…第2接続部、12b…第1延伸部、12c…第2延伸部、12d…第1接続部、13…スタンドオフ、14…ピン端子、15…温度センサー、16…電子素子、21…パッケージベース、21r…パッケージベースの下面、22…リッド、23…シールリング、24…第1接続端子、25…凹部、26…第2接続端子、30…ベース基板、30f…ベース基板の上面、30r…ベース基板の下面、31…水晶基板、32…外部接続端子、33…接合材、34…有底穴、101…ベース、101b…フランジ、101f…ベースの上面、101r…ベースの下面、102…キャップ、102f…外周部、103…封止部材、210…デジタル信号処理回路、220…温度制御信号生成回路、230…発振用回路、231…フラクショナルN-PLL回路、232…分周回路、233…出力バッファー、241…温度センサー、242…セレクター、243…アナログ/デジタル変換回路、250…インターフェース回路、260…記憶部、261…ROM、262…レジスター群、270…レギュレーター、300…電子機器、310…発振器、312…発振回路、313…振動子、320…処理回路、330…操作部、340…ROM、350…RAM、360…通信部、370…表示部、400…移動体、410…発振器、420,430,440…処理回路、450…バッテリー、460…バックアップ用バッテリー

Claims (11)

  1. 振動子と、
    前記振動子の温度を制御する温度制御素子と、
    第1の温度検出信号を出力する第1の感温素子と、
    前記第1の感温素子よりも前記振動子から離れた位置に設けられ、第2の温度検出信号を出力する第2の感温素子と、
    前記第1の温度検出信号をデジタル信号である第1の温度コードに変換し、前記第2の温度検出信号をデジタル信号である第2の温度コードに変換し、電源電圧をデジタル信号である電源電圧コードに変換するアナログ/デジタル変換回路と、
    前記第2の温度コードに温度補正演算を行って第1の補正コードを生成し、前記電源電圧コードに電源電圧補正演算を行って第2の補正コードを生成し、前記第1の温度コードに前記第1の補正コード及び前記第2の補正コードを加算したコードに基づいて、前記温度制御素子を制御する温度制御コードを生成するデジタル信号処理回路と、を備える、発振器。
  2. 前記デジタル信号処理回路は、
    前記電源電圧コードを変数とする3次以上の高次式に基づいて前記電源電圧補正演算を行う、請求項に記載の発振器。
  3. 前記第1の温度検出信号、前記第2の温度検出信号及び前記電源電圧のいずれかを選択し、前記アナログ/デジタル変換回路に時分割に出力するセレクターを備える、請求項1又は2に記載の発振器。
  4. 前記デジタル信号処理回路は、
    前記第1の温度コード、前記第1の補正コード及び前記第2の補正コードに基づく制御演算を行い、前記制御演算により得られるコードに基づいて前記温度制御コードを生成する、請求項1乃至のいずれか一項に記載の発振器。
  5. 前記制御演算は、比例演算及び積分演算を含む、請求項に記載の発振器。
  6. 前記デジタル信号処理回路は、
    前記制御演算に基づいて得られるコードをデルタシグマ変調して前記温度制御コードを生成する、請求項又はに記載の発振器。
  7. 前記デジタル信号処理回路は、
    前記制御演算に基づいて得られるコードを、前記第1の温度コードの更新レートよりも速いレートで積算し、積算されたコードの桁上げビットを前記温度制御コードとして出力する、請求項乃至のいずれか一項に記載の発振器。
  8. 前記温度制御コードが入力されるアナログフィルターを備え、
    前記温度制御素子は、前記アナログフィルターから出力される信号に基づいて制御される、請求項又はに記載の発振器。
  9. 前記デジタル信号処理回路及び前記第2の感温素子を含む集積回路素子を備える、請求項1乃至のいずれか一項に記載の発振器。
  10. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の発振器と、
    前記発振器からの出力信号に基づいて動作する処理回路と、を備えた、電子機器。
  11. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の発振器と、
    前記発振器からの出力信号に基づいて動作する処理回路と、を備えた、移動体。
JP2019057886A 2019-03-26 2019-03-26 発振器、電子機器及び移動体 Active JP7326806B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019057886A JP7326806B2 (ja) 2019-03-26 2019-03-26 発振器、電子機器及び移動体
CN202010211176.7A CN111756330B (zh) 2019-03-26 2020-03-24 振荡器、电子设备以及移动体
US16/829,795 US10992300B2 (en) 2019-03-26 2020-03-25 Oscillator, electronic apparatus, and vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019057886A JP7326806B2 (ja) 2019-03-26 2019-03-26 発振器、電子機器及び移動体

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020161922A JP2020161922A (ja) 2020-10-01
JP7326806B2 true JP7326806B2 (ja) 2023-08-16

Family

ID=72604277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019057886A Active JP7326806B2 (ja) 2019-03-26 2019-03-26 発振器、電子機器及び移動体

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10992300B2 (ja)
JP (1) JP7326806B2 (ja)
CN (1) CN111756330B (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020161921A (ja) * 2019-03-26 2020-10-01 セイコーエプソン株式会社 発振回路、発振器、電子機器及び移動体
JP7326806B2 (ja) 2019-03-26 2023-08-16 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器及び移動体

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005092302A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Fujitsu Ltd 高安定発振器
JP2014072610A (ja) 2012-09-28 2014-04-21 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路
JP2015216579A (ja) 2014-05-13 2015-12-03 日本電波工業株式会社 恒温槽付水晶発振器
JP2016027684A (ja) 2014-06-25 2016-02-18 日本電波工業株式会社 発振装置
JP2017123552A (ja) 2016-01-06 2017-07-13 セイコーエプソン株式会社 回路装置、発振器、電子機器及び移動体
JP2017123631A (ja) 2016-01-06 2017-07-13 セイコーエプソン株式会社 回路装置、発振器、電子機器及び移動体
JP2017143498A (ja) 2016-02-12 2017-08-17 古野電気株式会社 恒温槽付発振器、位置情報算出装置、及び基準信号発生装置
JP2018007165A (ja) 2016-07-07 2018-01-11 セイコーエプソン株式会社 温度補償型発振回路、発振器、電子機器、移動体及び発振器の製造方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1455245A1 (ru) * 1986-04-25 1989-01-30 Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола Цифровой термометр
JPH06350339A (ja) 1993-06-14 1994-12-22 Nec Corp デジタル温度補償型圧電発振器
JP3272633B2 (ja) * 1997-04-30 2002-04-08 キンセキ株式会社 恒温槽型圧電発振器
US6621361B1 (en) * 2000-10-17 2003-09-16 Cts Corporation Dual oven oscillator using a thermoelectric module
US7310024B2 (en) * 2005-02-28 2007-12-18 Milliren Bryan T High stability double oven crystal oscillator
JP2007188228A (ja) * 2006-01-12 2007-07-26 Sumitomo Electric Ind Ltd 光学機器用温度制御装置、それを有する光学機器及び光学機器の温度制御方法
JP2007273420A (ja) 2006-03-31 2007-10-18 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd 温度制御装置
WO2008112182A1 (en) * 2007-03-09 2008-09-18 Radioframe Networks, Inc. Crystal oscillator temperature control and compensation
US7782147B2 (en) * 2007-06-20 2010-08-24 Motorola, Inc. Apparatus for providing oscillator frequency stability
JP5836115B2 (ja) * 2011-12-28 2015-12-24 京セラクリスタルデバイス株式会社 圧電デバイスおよび周波数調整方法
US8569808B1 (en) * 2012-04-06 2013-10-29 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Temperature stabilitized MEMS
US8729977B2 (en) * 2012-06-12 2014-05-20 Qualcomm Incorporated Compensation for crystal frequency using multiple temperatures
JP5946737B2 (ja) 2012-09-27 2016-07-06 日本電波工業株式会社 発振装置
JP2014197751A (ja) 2013-03-29 2014-10-16 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器及び移動体
JP6190664B2 (ja) 2013-08-27 2017-08-30 日本電波工業株式会社 水晶発振器
JP6504561B2 (ja) 2015-06-10 2019-04-24 セイコーNpc株式会社 ディジタル温度電圧補償型発振器
JP6759539B2 (ja) * 2015-08-06 2020-09-23 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器および基地局
JP6570915B2 (ja) 2015-08-06 2019-09-04 セイコーNpc株式会社 ディジタル温度電圧補償型発振器
JP6710914B2 (ja) * 2015-08-28 2020-06-17 セイコーエプソン株式会社 電子デバイス、電子機器及び移動体
JP6638340B2 (ja) * 2015-11-12 2020-01-29 セイコーエプソン株式会社 回路装置、発振器、電子機器及び移動体
JP6798121B2 (ja) * 2016-03-18 2020-12-09 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器および移動体
JP6705243B2 (ja) * 2016-03-25 2020-06-03 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器及び移動体
JP2019012879A (ja) * 2017-06-29 2019-01-24 セイコーエプソン株式会社 発振器、および電子機器
JP7200476B2 (ja) * 2017-12-28 2023-01-10 セイコーエプソン株式会社 回路装置、振動デバイス、電子機器及び移動体
JP2019129489A (ja) * 2018-01-26 2019-08-01 セイコーエプソン株式会社 集積回路装置、振動デバイス、電子機器及び移動体
JP7326806B2 (ja) 2019-03-26 2023-08-16 セイコーエプソン株式会社 発振器、電子機器及び移動体

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005092302A (ja) 2003-09-12 2005-04-07 Fujitsu Ltd 高安定発振器
JP2014072610A (ja) 2012-09-28 2014-04-21 Nippon Dempa Kogyo Co Ltd 恒温槽付水晶発振器の温度制御回路
JP2015216579A (ja) 2014-05-13 2015-12-03 日本電波工業株式会社 恒温槽付水晶発振器
JP2016027684A (ja) 2014-06-25 2016-02-18 日本電波工業株式会社 発振装置
JP2017123552A (ja) 2016-01-06 2017-07-13 セイコーエプソン株式会社 回路装置、発振器、電子機器及び移動体
JP2017123631A (ja) 2016-01-06 2017-07-13 セイコーエプソン株式会社 回路装置、発振器、電子機器及び移動体
JP2017143498A (ja) 2016-02-12 2017-08-17 古野電気株式会社 恒温槽付発振器、位置情報算出装置、及び基準信号発生装置
JP2018007165A (ja) 2016-07-07 2018-01-11 セイコーエプソン株式会社 温度補償型発振回路、発振器、電子機器、移動体及び発振器の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111756330B (zh) 2023-06-13
US20200313677A1 (en) 2020-10-01
CN111756330A (zh) 2020-10-09
JP2020161922A (ja) 2020-10-01
US10992300B2 (en) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108631731B (zh) 振荡器、电子设备以及移动体
CN106026915B (zh) 振荡器、电子设备以及移动体
US10637481B2 (en) Oscillator and electronic device
JP2017175202A (ja) 発振器、電子機器および移動体
CN107231148B (zh) 振荡器、电子设备以及移动体
US10749533B2 (en) Oscillator, electronic apparatus and vehicle
JP7326806B2 (ja) 発振器、電子機器及び移動体
JP6572587B2 (ja) 発振器、電子機器、および移動体
CN104953977A (zh) 振动器件的频率调整方法和振动器件的制造方法
US20180198408A1 (en) Oscillator, electronic apparatus, and vehicle
CN112019164A (zh) 振动器件以及电子设备
JP2024020592A (ja) 発振器、電子機器および移動体
JP6569266B2 (ja) 発振器、電子機器、および移動体
CN111614323B (zh) 振荡器、电子设备和移动体
CN111756331B (zh) 振荡电路、振荡器、电子设备以及移动体
JP7331376B2 (ja) 発振器、電子機器および移動体
JP6623535B2 (ja) 発振器、電子機器、および移動体
CN111614320B (zh) 振荡器、电子设备和移动体
JP2021044605A (ja) 発振器、電子機器および移動体

Legal Events

Date Code Title Description
RD07 Notification of extinguishment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7427

Effective date: 20200811

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20210914

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20211101

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220208

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230118

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230124

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230322

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230704

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230717

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7326806

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150