JPH10294617A

JPH10294617A - 温度補償水晶発振器

Info

Publication number: JPH10294617A
Application number: JP9135699A
Authority: JP
Inventors: Heihachi Shimono; 兵八下野
Original assignee: BAITETSUKUSU KK; Bitex Ltd Co
Current assignee: BAITETSUKUSU KK; Bitex Ltd Co
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: US6259333B1; JP3542886B2

Abstract

(57)【要約】【課題】厚み振動を行う水晶振動子が基本的に持っ
ている問題点であるスプリアス共振、輪郭振動系とのモ
ード結合、並びに難起動性等を単に水晶振動子製造の立
場から解決しようとするのでなく、水晶振動子と発振回
路の両面から解決する事。【解決手段】水晶振動子をその容量性領域で発振させる
事によって、水晶振動子の振動を電極下に閉じ込め、ス
プリアス共振を持たない振動を起こさせる事。又水晶振
動子の抵抗が発振の起動性、発振レベルに影響しない発
振方式とする事で電極径を大幅に縮小し、水晶ブランク
の外形が大きく影響する輪郭系振動とのモード結合を起
こさせない事。及び発振器に利得制御機能を持たせる事
により、起動時には大きな増幅器利得を持たせる事によ
り難起動性を改善する事。これらの手段によって上記課
題を解決できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は今日では一般に普及
するに至った携帯電話、ＰＨＳを含む通信機器全般にお
いて最も重要視される電波の周波数精度の維持向上に関
わる周波数発振源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より周波数発振源として水晶発振器
が一般的に用いられている。しかし従来技術の水晶発振
器では水晶振動子をその誘導性領域、つまり水晶振動子
固有の直列共振周波数より高い周波数で発振させている
ので、振動のエネルギーが電極外に伝播する事が一因と
なって多くの副振動を伴っている。そのため高精度の周
波数発振源を製造するための大きな問題点となってい
る。一方発振の起動性を確保するのに水晶の損失項を減
少させる方向の設計が行われている。この事は水晶振動
子の電極径を大きくする事につながり、前述と同様副振
動の発生を増長させる事になり、この点からも高精度の
周波数発振源を得る事が難しくなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在最も多く用いられ
ている水晶発振器は水晶の厚み方向振動（以下ＡＴモー
ド振動と言う）を用いたものである。しかしこの振動モ
ードは他の振動モードを併発する性質を持っている。中
でも輪郭系振動を併発した場合、この振動モードの基本
周波数はＡＴモード振動に比べてかなり低く、しかも周
波数温度変化がかなり大きい。そのため広い温度範囲で
見れば、或る温度で輪郭振動系の高次高調波がＡＴモー
ド振動の周波数と一致する事が免れない。この時両モー
ド振動間でエネルギーの授受が行われる。これはモード
結合と言われるもので、結果としてＡＴモード振動の周
波数が急変する事が起こる。

【０００４】従来よりこのモード結合によるＡＴモード
振動周波数の急変を、輪郭振動系が最も関与する水晶ブ
ランク（図１、図２、図３の１）の外形寸法を厳しく管
理する事によってＡＴモード振動との結合を避け、かつ
ブランク端面のベベリング（図２の４）処理によって輪
郭振動を抑制すると言う製造上の手段によって、押え込
もうとしてきた。しかし、この方法は本質的な解決法で
はないため、製造時点におけるブランク外形寸法のバラ
ツキやベベリングのバラツキによって、モード結合を有
する水晶ブランクが大きな頻度で生産されるのが実状で
ある。そしてモード結合を持つ水晶は生産の最終工程で
行われる測定検査によってのみ除外される為、生産性を
著しく悪化させる原因になっている。この歩留まり率低
下は又、より高い精度の周波数発振源の製造を目指そう
とすればするほど急激に増大するため、高精度の発振源
は生産量が確保できないか非常に不安定な生産量になっ
てしまっている。

【０００５】本発明はこれらの問題を、上述のような水
晶振動子の製造上の改善から解決しようとするのでな
く、水晶発振器の発振原理に溯って問い直し、回路技術
的に上記水晶振動子が基本的に持っているモード結合を
惹起しないようにし、もって効率よく生産できる高精度
の周波数発振源を提供する事にある。

【０００６】

【水晶振動子の基本的性質】上記の様な課題を解決する
手段を示す前に、水晶振動子が基本的に持っている性質
について今一度説明し、整理しておく必要があると思わ
れる。図１は中央部分に電極２、３を持つ円盤状の水晶
ブランク１の断面図を示している。ＡＴモード振動はそ
の厚み方向にすべり振動を行う。ここで電極２、３に挟
まれた部分を領域Ｓとし、電極がない部分を領域Ｔとす
る。或る有限の厚みを持つ水晶ブランクはそれ自体で固
有周波数Ｆｔを有する。これが領域Ｔの部分の固有周波
数である。しかし領域Ｓでは電極の有する質量効果の為
にこの領域の固有周波数はＦｔよりも若干低くＦｓとな
っている。両周波数の差（Ｆｔ−Ｆｓ）をプレートバッ
ク量を言う。ＡＴモード振動では２種類の副振動が主に
問題であるが、その第１は基本ＡＴモード振動周波数に
極近くかつそれよりも高い周波数を持つ非高調波振動群
で一般にスプリアスとよばれるものであり、第２はブラ
ンクの輪郭の振動で輪郭振動群と呼ばれるものである。
エネルギー閉じ込め理論によれば、水晶振動子がＦｓ以
下の周波数で励振されるとき、領域Ｓ内の振動は領域Ｓ
と領域Ｔの境界Ｂで全反射し、振動エネルギーは領域Ｓ
内に閉じ込められる。Ｆｓ＜Ｆ＜Ｆｔなる周波数Ｆで励
振されるときは、領域Ｓでは自由に伝播できるが、領域
Ｔではその振動の大きさが伝播に伴って指数関数的に減
衰していく。Ｆ＞Ｆｔなる周波数ではブランク全体に亙
って減衰せず自由に伝播できる。従って、Ｆ＜Ｆｔなる
周波数では電極の大きさによっては領域Ｓに定在波が立
ち、多くのスプリアス振動を起こす事になる。しかしプ
レートバック量をエネルギー閉じ込め理論から計算され
る量以下に制限すれば、これらのスプリアス周波数をＦ
ｔ以上に逃がす事が出来、電極下での定在波が発生しな
い為スプリアス振動を抑えられる事が分かっている。図
４に副振動を伴わない理想的な水晶振動子の電気的等価
回路を示す。ＡＴモード振動において、電極の大きさは
その基本振動周波数に直接関係しない。近似的な理論に
よれば、水晶振動子の並列容量Ｃｐは電極の面積に比例
し、水晶振動子の抵抗値Ｒｓは電極の面積に反比例す
る。従来の水晶発振器では水晶振動子をその誘導領域で
動作させるから、その実効的な抵抗値は増加する。従来
の水晶発振器では、発振の起動性を保証するために水晶
振動子の呈する抵抗Ｒｓを低く設定したいとする要求が
強いため、勢い電極径を大きく設計する傾向が見られ
る。この時、発振周波数ＦｏがＦｓ＜Ｆｏ＜Ｆｔの条件
下にあるから、発振エネルギーの一部は境界Ｂを通過し
てブランク端に向かう。前述したように領域Ｔでは振動
は伝播とともに指数関数的に減衰するが、ブランクの大
きさに比べ電極面積が大きいとブランク端でも十分な振
動が残る事になる。厚みすべり振動は振動の伝播の過程
でブランク径方向へ伝播する横波を励振する性質を持
つ。そのためこの状況下では、第２の副振動である輪郭
系振動を惹起する事になる。図５は周囲温度を変化させ
たとき、ＡＴ基本モードの周波数変化の実測例である。
有限径のブランクは数多くの輪郭振動を起こす。又輪郭
振動の周波数はＡＴモードの周波数よりかなり低く、か
つ周波数温度変化はＡＴモードのそれと比べてはるかに
大きいから、輪郭振動の一部の高次高調波は或る温度で
ＡＴ基本周波数と完全に一致しモード結合を起こす。こ
こで主振動であるＡＴモード周波数が急変する。図５の
実測例では４０℃付近でモード結合している事が分か
る。これは−３５℃〜＋８５℃の間で１５℃おきに測定
したのでモード結合温度近傍での周波数の詳細な変化は
不明であるが、周波数のこの様な急激な変化は通常の周
波数補償回路では補償しきれないものである。一方モー
ド結合が起これば、ＡＴモードの等価抵抗値Ｒｓが急増
する。Ｒｓの急増は一時的に水晶発振器の発振を停止さ
せる場合がある。なお、水晶振動子を非常に低い電力レ
ベルで励振すると、輪郭振動を惹起するエネルギーも減
少するから、モード結合を起こし難い事が知られてい
る。しかしこの様な低レベル水晶発振器の動作を一定期
間停止し、再び起動しようとしたとき起動しないと言う
現象が起こる。これを水晶振動子の難起動特性と呼ぶ。
この現象は水晶振動子の動作を一定期間休止させておけ
ば等価抵抗値Ｒｓが増大している事を意味する。一旦起
動すればＲｓは通常の値に戻る性質があるが、起動しな
い事には意味がない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】課題の解決する手段は上
述の水晶振動子の基本的な性質をよく認識する事から行
われた。その手段は次の通りである。（１）水晶振動子を領域Ｓの直列共振周波数Ｆｓよりも
低い周波数で発振させる。つまり水晶振動子の容量性領
域で発振させる。（２）電極２、３の大きさ（直径）を従来の水晶発振器
で使用されるそれよりもはるかに小さくする。これによ
り水晶振動子の直列抵抗Ｒｓは大きくなるが、これが発
振の起動、維持に対し問題の発生しない発振回路を構成
する。（３）水晶振動子はエネルギー閉じ込め理論によって求
められる量以下のプレートバック量で製造する。ただし上記手段３は現在すでに実施されている事であ
る。

【０００８】

【作用】本発明の水晶発振器は上記の手段で構成される
ので、下記の作用がある。手段（１）により電極領域Ｓ
の持つ直列共振周波数Ｆｓよりも低い発振周波数Ｆｏで
発振するから振動エネルギーは完全に電極領域に閉じ込
められる。又手段（３）によりこの発振エネルギーによ
ってスプリア共振を惹起しない。一方、手段（２）によ
り輪郭系の振動を惹起する可能性が従来の水晶振動子よ
りもはるかに小さく、事実上輪郭系振動は存在しない。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は、容量Ｃと抵抗Ｒから成
るＣＲブリッジ回路の一辺を水晶振動子で置換したブリ
ッジ回路と高周波増幅器を備え、高周波増幅器の出力を
ブリッジ回路に正相帰還して発振させる形態を持つ。こ
の動作状態の水晶振動子は容量性となり発振周波数は水
晶振動子の共振周波数よりも低くなる。水晶振動子の周
囲温度による周波数変動はブリッジの水晶振動子辺以外
のＣＲ辺において抵抗Ｒを温度に対して変化させる事に
よって温度補償する。又この辺の容量Ｃの一部は発振周
波数の常温偏差の調整に用いられる。

【００１０】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳し
く説明する。図６はウイーンブリッジ回路と称されるも
のである。部品番号の添字で示されるこの回路の第１辺
はＣＲの直列回路、第２辺はＣＲ並列回路となってお
り、第３、第４辺はＲである。ここで、本ブリッジの第
１辺を水晶振動子で置き換えたのが図７である。水晶振
動子のリアクタンス特性は周知の通り図８で表される
が、後で定義する基準化周波数のｗ＜０の領域で容量性
を呈する。つまり水晶振動子の一般的な等価回路の図４
はこの時図９で表し得る。

【００１１】今第１辺に挿入された水晶振動子のインピ
ーダンスをＺ_１、第２辺のそれをＺ_２とすればＺ_１、Ｚ
_２はそれぞれ次のように表される。そこで、次のように変数を定義する ωｓ^２＝１／（Ｌ_ＳＣ_Ｓ）、Ｑｓ＝ωｓＬｓ／Ｒｓ、ｍ_１＝ωｓＣｐＲｓ、ｍ_２＝ωｓＣ_２Ｒ_２、 Ω＝ω／ωｓ、Ｘ＝Ω−１／Ω、（２）従って電圧比Ａ＝Ｅａ／ＥはＡ＝Ｚ_２／（Ｚ_１＋Ｚ_２）
で計算される。上記の変数を用いてＡを求めると、ここで、ａ＝（１−ｗ）Ｒ_２ｂ＝ｍ_１Ｒ_２Ω で表されるが、入力電圧ＥとＥａが同相であるためには
φ＝０つまりｂｃ−ａｄ＝０でなければならない。この
条件から次の２次方程式が導かれる。ｍ_１Ｑｓ^２（Ω^２−１）^２−｛Ｑｓ＋（ｍ_２−ｍ_１）｝
（Ω^２−１）−（ｍ_２−ｍ_１）＝０ここで、（ｍ_２−ｍ_１）＜＜＜Ｑｓであるから、上式はｍ_１Ｑｓ^２（Ω^２−１）^２−Ｑｓ（Ω^２−１）−（ｍ_２−ｍ_１）＝０（５）となる。そこでこの解を求めると、を得る。又ｍ_１Ｑｓ（Ω^２−１）は次のように計算され
る。ここでγは水晶振動子の容量比と呼ばれ、γ＝Ｃｐ／Ｃ
ｓである。そこで上式をと置き、これを基準化周波数と呼ぶ事にする。従って式
（６）よりＥとＥａが同相となる基準化周波数はｗ_０＝
−ｍ_１ｍ_２、ｗ_１＝１＋ｍ_１ｍ_２の２根を持つ。ｗ_０は
水晶振動子の直列共振周波数ｆｓよりわずかに低い周波
数に対応し、ｗ_１は並列共振周波数ｆｐよりわずかに高
い周波数に対応している。

【００１２】図１０は横軸に基準化周波数をとり、水晶
振動子の直列共振周波数ｆｓ＝１２．８ＭＨｚ、ｍ_１＝０．００３１３５、ｍ_２＝８．３７６８５とした
時の電圧利得Ａを求めたものである。この図の利得と位
相を見比べればｗ_１では利得の減衰量が大きく発振周波
数の対象とはなり得ない事が分かる。ｗ_０では減衰量が
小さから、図６のブリッジ回路を適当な同相発振器に組
み込めば、この点で発振する事が理解される。ブリッジ
の第３、第４辺は抵抗Ｒで構成されているから、その分
圧Ｅｂの位相はＥと同相である。従ってＥａがＥと同相
ならば、ＥａとＥｂは同相であり、その大きさが等しい
ならばブリッジは深い減衰極を持つ事になる。図１１は
入力電圧Ｅとブリッジとしての出力電圧（Ｅａ−Ｅｂ）
の電圧利得の利得と位相を求めたものである。ここで位
相特性を見ると０相となる基準化周波数ｗ_０より高い領
域で位相回転が緩慢で、図７のままでは発振周波数の安
定性は好ましくない事が分かる。

【００１３】水晶振動子はその基本モード発振のほかに
奇数次オーバートーン発振モードを持っている。そこで
３次オーバートーンモードに対応する基準化発振周波数
を求めると、前記した回路定数を用いて次のように計算
される。ｗ_０ ^（３）＝−３ωｓ^＊Ｃｐ^＊（３^２＊Ｒｓ）^＊３ωｓ^＊Ｃ_２ ^＊Ｒ_２＝ −８１^＊ｍ_１ｍ_２（９）この計算結果は基本波に対応する基準化発振周波数より
も８１倍も低い為、利得Ａ＝Ｅａ／Ｅが大きく減衰しオ
ーバートーンモードでは発振し得ない事を示している。

【００１４】図１２にトランジスタ増幅回路、図１３は
ＩＣ増幅回路に本ブリッジ回路を組み込んだ発振回路を
示す。ブリッジの抵抗辺はＲ３並びにＲ４であるが、図
１２ではＲ３として負温度係数サーミスタが使用されて
おり、図１３ではＲ４としてＦＥＴが可変抵抗素子とし
て用いられている。これは自動利得制御の手段を例示し
ている。これらの増幅回路はその出力が同相でブリッジ
回路に帰還されている。ところが増幅回路の出力に容量
性のブリッジ回路が負荷されるために、ここで大きな位
相回転が生じ増幅器全体の位相は図１５の如く変化す
る。本図の例では基準化発振周波数ｗ_０の近傍で約７０
゜の位相回転を持っており、かつその変化は緩慢であ
る。図１５の位相特性は図１４の回路で計算されたもの
である。図１４は図１２においてトランジスタＴＲ１と
ＴＲ２の段間を切断してＴＲ２のベースに入力信号を加
え、ＴＲ１のコレクターから出力を取り出したものであ
る。つまり図１４は図１２におけるループ伝送特性を意
味する。

【００１５】ブリッジ全体が負荷となって増幅回路に位
相回転を与える効果を見る場合は、図１４においてＴＲ
１のベース入力を図のＢ点でなくＡ点に接続して測定な
いし計算される。その結果が図１５である。図１６では
図１４の回路でＴＲ１のベースをＢ点に接続して計算さ
れたループの位相特性である。本図で分かるとおり、ル
ープの位相特性としてはブリッジ単体の位相特性に増幅
器の位相特性約７０゜が加わって０位相を中心として切
り立った位相変化が得られている。この事はわずかな周
波数の変化で位相ずれを補償し、回路定数の変動による
周波数変動が小さい事を意味している。

【００１６】図１７は図１４においてＴＲ１のベースが
Ｂ点に接続されているときのループ利得を表している。
ブリッジはそのバランス点で位相が０で利得がデイツプ
するが、デイツプ点での利得が０ｄＢならば発振が起動
する。この発振のメカニズムは周知のウイーンブリッジ
ＣＲ発振器と同じだからここで述べる必要はないと思わ
れる。ここでは前述した水晶発振器の難起動特性が本案
によって解決されている事だけを述べる。先ほど水晶振
動子はその動作の休止期間に抵抗Ｒｓが大きくなってい
るために、低レベル発振器では発振が起動しない事があ
る事を述べた。本案の発振器では抵抗Ｒｓはブリッジの
抵抗Ｒ１にほぼ等しい。（基準化周波数ｗ_０によっそこでもしＲｓ即ちＲ１が大きくなって電圧Ｅａが低下
し、発振が起動しないとすれば図１２におけるサーミス
タの抵抗値が増大するか、図１３におけるＦＥＴの抵抗
値が小さくなる為に電圧Ｅｂが同様に低下し電位差（Ｅ
ａ−Ｅｂ）は変わらないか或いは増大する。結果として
発振は起動できる事になる。一旦発振が起動しＲｓが水
晶振動子の通常の値に戻れば、その値に応じてサーミス
タＲ３ないしＦＥＴは自動利得制御を行う。

【００１７】以上説明したように水晶振動子をその容量
性領域で発振させ、水晶ＡＴモード振動がその電極内部
に閉じ込められる事、又水晶振動子の抵抗Ｒｓが発振の
起動性に影響を及ぼさない為に水晶振動子の電極を最小
限に抑える事が出きる結果として輪郭系振動を惹起しな
い水晶発振器を構成出来た。

【００１８】次ぎに周波数温度補償の手段について説明
する。図１８は従来の水晶発振器における周波数温度補
償の一例を示したものである。本図では水晶振動子Ｘ
ＴＡＬに直列に負温度係数サーミスタＴｈ１，Ｔｈ２と
容量Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３及び固定抵抗Ｒ１，Ｒ２で構成し
た温度補償回路が挿入されている。水晶回路から発振器
を覗いた時、発振器側の等価容量、等価負性抵抗をそれ
ぞれＣｇ，Ｒｇとすれば同図は図１９のように書き換え
る事が出来る。この時図１８の温度補償回路は図１９に
おいてＲｂ，Ｃｂに等価変換されている。図１９が示す
ようにサーミスタの強い温度依存性抵抗によって実効的
に容量Ｃｂを変化させる事によって水晶の周波数温度変
化を補償しようとするものである。

【００１９】しかし従来型のこの発振器による温度補償
方式は特に低温領域において実効抵抗Ｒｂが大きくなり
発振を停止させる問題を抱えている。そのため十分な実
効負性抵抗Ｒｇを確保しておく必要があった。この事は
常温ないし高温領域では相対的に実効抵抗Ｒｂが小さく
なる結果として発振能動素子が強く飽和し、発振波形の
歪みが大きい欠点があった。一方つい見過ごされる問題
だが、実効抵抗Ｒｂの変化によって発振器の動作レベル
が変動し、結果として等価容量Ｃｇが非線形的に変化す
る問題がある。この現象はもちろん発振周波数に反映す
る。実例では仕様負荷容量（２０ｐＦ）の２倍から３倍
に変化する値を持っている。従って使用する水晶振動子
の温度特性を図１８の温度補償回路の温度特性だけで補
償する事は無意味であり、現実の発振器の補償は達し得
ない。より現実の補償を行うためには発振器側の等価容
量Ｃｇの動作レベルに対する変化を考慮に入れなければ
ならず問題は決して容易ではないのである。加えて従来
型の図１８の発振器では水晶振動子の直列共振周波数よ
り高いところで発振するためにモード結合を惹起する欠
点を持っている。そのため水晶振動子自体でモード結合
を起こしていないものを選別して発振器に搭載する必要
があった。

【００２０】図２０はモード結合のない水晶振動子の３
次温度特性の２例を示している。曲線Ｂは常温２５℃で
変化率が０で−３５〜８５℃において単調に増加する特
性、曲線Ａは変化率０の温度が３点ある特性を表してい
る。前記した従来型の水晶発振器では曲線Ａに対応する
温度補償は大変困難であった。

【００２１】次ぎに本発明における温度補償法について
説明する。本発明の水晶発振器の発振周波数は式
（６）、（７）よりで表される。ここに、ｍ_１＝２πｆｓＣｐＲｓ、ｍ_２＝
２πｆｓＣ_２Ｒ_２である。即ち発振周波数はｆｓとＣ
ｐ，Ｒｓ，Ｃ_２，Ｒ_２で決まる事になる。注目すべきは
この４個の回路定数が独立して発振周波数の決定要素に
なっている事である。前記した従来型の発振器では容量
のみが周波数の決定要素になっていたが、ここでは抵抗
値も決定要素になっている。この事は容量Ｃを変化させ
るために間接的にサーミスタの抵抗値変化で代行する従
来型の水晶発振器とは根本的に異なっている。又本発明
では従来困難であった図２０の曲線Ａに対する補償が容
易である。

【００２２】温度補償法を説明するのに先ず数式的な関
係を示す。図２１に示す周波数偏差は図２０の曲線Ａに
対応する。公称発振周波数ｆｎは水晶振動子の共振周波
数ｆｓよりも低くしなければならない。図２１の周波数
偏差では−３５℃において最も低く約−２３ｐｐｍとな
っている。従って常温２５℃での共振周波数ｆｓｏはｆ
ｎに対して余裕を持った設定が必要になる。その余裕偏
差をｐｏｐｐｍとすればｆｎとｆｓｏとの間には、ｆ
ｓｏ＝（１＋ｐｏ^＊１０^−６）^＊ｆｎの関係が必要にな
る。従って、基準化発振周波数ｗｏは次の式から求めら
れる。従ってｍ_１ ^＊ｍ_２は次の式で決定される。ｍ_１ ^＊ｍ_２＝ｗｏ（ｗｏ−１）（１２）ここでｍ_１＝２πｆｓＣｐＲｓは水晶振動子の回路定数
で決まる値で既知とする。一方ｍ_２＝２πｆｓＣ_２Ｒ_２
は比較的自由に選ぶ事が出来る値である。今常温２５℃
における偏差を０として計った水晶振動子の周波数温度
変化率をｐｍｐｐｍとすれば、任意の温度における共
振周波数ｆｓは次の式で求められる。ｆｓ＝（１＋ｐｍ^＊１０^−６）^＊ｆｓｏ（１３）そこで、今Ｃ_２を設定して、発振周波数ｆｏがその公称
値ｆｎで一定となるための抵抗値Ｒ_２を求めると、となる。各温度で計算されたこのＲ_２を補償抵抗値と言
い、図２１に示されている。つまり図７の第２ブリッジ
辺の抵抗Ｒ_２がこのように変化すれば発振周波数ｆｏは
その公称値ｆｎに固定される事になる。今或る手段でＲ
_２の補償特性が近似されたとすれば、それによる発振周
波数ｆｏは式（１０）から求める事が出来る。従って周
波数変化率は次の式から求められる。

【００２３】では具体的な数値例について説明する。図
２１の周波数偏差ｐｍ＝ｄｆ／ｆは温度ｔ（℃）に対し
て次のように計算されている。ｐｍ＝１．１６３^＊１０^−４＊ｔ^３−９．６４５^＊１０
^−３＊ｔ^２＋０．１７４^＊ｔ−０．１４２２ −３５℃における偏差が−２３ｐｐｍである事から偏移
ｐｏを６０ｐｐｍとすれば常温（２５℃）における水晶
振動子の共振周波数ｆｓｏ＝（１＋ｐｏ^＊１０^−６）^＊
ｆｎ＝１２８００７６８Ｈｚとなる。従って、基準化発
振周波数ｗｏは式（１１）、（１２）からｗ０＝−０．
０２６２８、ｍ_１ｍ_２＝０．０２６９７を得る。ｍ_１＝
２πｆｓＣｐＲｓは水晶定数で既知としｍ_１＝３．１３
６７^＊１０^−３とする。又Ｃ_２＝３３０ｐＦに設定すれ
ば式（１３）、（１４）から補償抵抗値Ｒ_２が求められ
る。

【００２４】図２２は補償抵抗値Ｒ_２の温度特性を得る
ために考案されたブリッジ第２辺の回路網である。ここ
の抵抗回路は２個の正温度係数サーミスタＲ_２０，Ｒ
_２３と１個の負温度係数サーミスタＲ_２１と定抵抗Ｒ
_２２で構成され、それぞれの特性が図２３に示されてい
る。図の通りＲ_２０，Ｒ_２３は同じ係数の正特性サーミ
スタであり、２５℃での抵抗値が違うだけである。この
サーミスタは温度補償用として市販されているもので、
１００℃当たり約２桁の変化を示すものである。抵抗回
路網が常温２５℃において総合で３１５Ｏｈｍとなる
ように設定され、その時０偏差を得るようにＣ_２０，Ｃ
_２１で調整される。図２２の温度に対する大まかな特性
は次のようである。先ず低温においては、サーミスタＲ
_２１よってこの枝の抵抗値は大きくなるから特性の大勢
は正係数サーミスタＲ_２３で決まり、温度が低くなるに
したがって抵抗値は下がる。中温域ではＲ_２３はすでに
大きくなっており、又Ｒ_２０は未だ小さいので特性の大
勢は負温度係数サーミスタＲ_２１によって決まり、結果
として温度の上昇に伴って全体の抵抗温度特性は負温度
係数となる。高温域ではＲ_２３は大変大きくなっていて
全体として無関係になり、又Ｒ_２１は大変小さくなって
いるから、大勢は正係数サーミスタＲ_２０によって決ま
り、全体の抵抗値は上昇する。従って各抵抗の定数をう
まく設定すれば図２１の補償抵抗特性を非常によく近似
出来る。その近似度はこの図の大きさのグラフでは見分
けが付かない位になる為併記していない。従来の水晶発
振器での温度補償は単に低温域、高温域の両端でしか行
なえなかったが、本発明の補償法では低温域、中温域、
高温域の３ゾーンに分けて実行できるので、補償の精度
が格段によくなった。

【００２５】図２４は水晶振動子自体の周波数温度特性
と、図２２の回路を使ったときの周波数温度補償特性を
表したものである。本図が示すように−３５〜８５℃に
亙って１ｐｐｍ以下の補償が実現している事が分かる。
ただ実際の水晶振動子が持っているもっと広い温度特性
すべてに対応した補償が可能とは限らない。水晶の温度
特性が異なれば図２２とは異なった抵抗回路網が必要に
なる場合もあるし又どうしても補償しきれない場合も起
こる。しかし本発明の場合発振器に組み込んだ状態での
モード結合はないから、水晶振動子の温度特性は振動子
単体の状態で選別する事が可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は実施例に記したごとく構成され
るので以下に記載されるような効果を得る事が出来る。

【００２７】水晶振動子がその容量性領域で振動するか
ら振動エネルギーが電極間の領域Ｓに閉じ込められる
為、スプリアス共振が無く発振周波数がスプリアス共振
点にジャンプすることがない。

【００２８】水晶振動子の抵抗が直接発振の起動性に関
係しないから水晶ブランクの電極径を小さく出来、輪郭
系振動とのモード結合を起こさない。

【００２９】モード結合がない事が上記動作原理的に保
証されるから、水晶ブランクに対して精密な外形寸法管
理やベベリング処理が不要となる。又完成した水晶振動
子に対してモード結合検出の為の細密な温度試験が不要
となる。

【００３０】水晶振動子の動作休止期間時の抵抗分の上
昇に伴う従来型の水晶発振器の難起動性の問題は本発明
の水晶発振器における利得制御機構によって解決されて
いる。

【００３１】ブリッジ回路の容量、抵抗が独立して発振
周波数を決定するから、従来型の水晶発振器と異なり、
抵抗だけを変化させて温度補償する事が出来る。

【００３２】抵抗による周波数温度補償では正温度係数
サーミスタと負温度係数サーミスタを併用する事が出来
るから、温度範囲を低温域、中温域、高温域の３領域に
分けて精度の高い補償が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】水晶振動子の断面図である。

【図２】ベベリング処理を施した水晶振動子の断面図。

【図３】水晶振動子の平面図

【図４】水晶振動子の等価回路。

【図５】モード結合を持つ水晶振動子の共振周波数温度
特性。

【図６】ウイーンブリッジ回路。

【図７】ウイーンブリッジ回路の一辺を水晶振動子で置
換したブリッジ回路。

【図８】水晶振動子のリアクタンス周波数特性。

【図９】容量性領域における水晶振動子のＣＲ等価回
路。

【図１０】ブリッジ第一辺、第二辺間の電圧利得、位相
特性。

【図１１】ブリッジ出力端（Ｅａ，Ｅｂ）間の電圧利
得、位相特性。

【図１２】トランジスタを使用した発振回路。

【図１３】集積回路を使用した発振回路。

【図１４】ループ伝送特性を測定する為の回路。

【図１５】図１４においてＴＲ１の入力端をＡ点に接続
したときのループ位相特性。

【図１６】図１４においてＴＲ１の入力端をＢ点に接続
したときのループ位相特性。

【図１７】図１４においてＴＲ１の入力端をＢ点に接続
したときのループ利得特性。

【図１８】従来の水晶発振器における周波数温度補償方
法の一例。

【図１９】図１８の等価回路。

【図２０】モード結合のない水晶振動子の共振周波数温
度特性。

【図２１】水晶振動子の共振周波数温度特性の一例と補
償抵抗特性。

【図２２】図２１の補償抵抗特性を実現する抵抗回路網
の一例。

【図２３】図２２に用いた抵抗素子の温度特性。

【図２４】水晶の共振周波数温度特性と温度補償された
発振周波数の温度特性。

【符号の説明】

１水晶ブランク２、３電極Ｓ電極に挟まれた水晶ブランクの領域ＴＳ以外の水晶ブランク領域Ｂ領域Ｓと領域Ｔの境界Ｌｓ水晶振動子の等価インダクタンスＣｓ水晶振動子の等価直列容量Ｒｓ水晶振動子の等価抵抗Ｃｐ水晶振動子の並列容量Ｃ１ブリッジ第一辺の容量Ｒ１ブリッジ第一辺の抵抗Ｃ２ブリッジ第二辺の容量Ｒ２ブリッジ第二辺の抵抗Ｒ３、Ｒ４ブリッジ第三辺、第４辺の抵抗ＸＴＡＬ水晶振動子Ｅａブリッジ第一辺と第二辺間の電圧Ｅｂブリッジ第三辺と第４辺間の電圧ＴＲ１，ＴＲ２トランジスタＴｈ１，Ｔｈ２負温度係数サーミスタＲＦＡＭＰ集積回路高周波増幅器Ｒ２０正温度係数サーミスタＲ２１負温度係数サーミスタＲ２２固定抵抗Ｒ２３正温度係数サーミスタＣ２０Ｃ２の固定容量分Ｃ２１Ｃ２の可変容量分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容量Ｃと抵抗Ｒより構成されるブリッジ
回路、並びにこれから等価変換して得られるＣＲ回路の
一枝路に水晶振動子を挿入し、この回路を高周波増幅回
路の帰還回路の一部として用いて、水晶振動子をその直
列共振周波数以下で、発振させる事を特長とする水晶発
振器。
【請求項２】請求項１のＣＲ回路の水晶振動子辺と異
なる枝路にＣＲ複合回路を設け、この枝路の抵抗に感温
抵抗素子を用いて水晶発振器の周波数温度変化を補償す
る事を特長とする請求項１の水晶発振器。
【請求項３】請求項２の抵抗による周波数温度補償回路
において、温度特性の異なる正並びに負温度係数サーミ
スタを組み合わせて用い、温度に対して基本的に３次特
性で変化する水晶振動子の温度特性の補償を容易ならし
める事を特長とする請求項１の水晶発振器。